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基于QoS的动态组播路由问题研究

董元方  
【摘要】:组播是一种有效支持多点通信的机制。IP组播利用树转发结构,只需在组播树的分支处复制数据报文,而且在每条链路上仅转发一次。这种技术使IP组播在转发数据到所有组成员时能有效利用资源,而且适合扩展到大的组播组。组播技术的核心是选路问题,设计或选取合适的组播路由算法对组播选路的有效实施非常重要。而组播路由协议体现了组播路由算法的实现,提供了传播成员信息的机制,以及转发数据报时使用该信息的方式,是解决组播路由问题的关键。人们已经提出了很多组播路由算法和协议,而且IETF已经把几个路由协议进行了标准化或正在标准化进程中。 由于网络特别庞大,拓扑结构、流量不断动态变化,使得组播路由问题变得非常重要而困难。组成员的动态加入和退出、QoS信息的参与、网络分层路由的需要都为组播路由问题的解决制造了重重障碍。网络路由既要满足用户不同应用的要求,又要能尽量提高网络整体资源的利用率。基于QoS的路由通过允许基于网络资源利用和QoS需求的动态路由选择,能更有效地启动QoS支持。很多组播应用,比如网络游戏、视频会议等,都需要满足一定的服务质量要求。 寻找有多个QoS约束的最小代价组播路由树可以形式化为网络中的Steiner树问题,它是一个NP完全问题,在多项式时间内不能得到最优解,因此研究者所寻求的是一种次优的、在最差情况和平均情况下的性能都接近于最优的解决方案。目前已经有很多研究人员及网络专家提出了大量有价值的组播路由算法和协议上的解决办法。但是由于算法过于复杂及不能适应实际网络需要等原因,并没有在实际网络环境中得到广泛应用。应用促使组播路由算法与各种路由相关协议紧密地结合起来,充分发挥组播路由的优势。 本文主要研究基于QoS的动态组播路由问题,对相关的算法和协议进行了深入的分析和实践。同时提出了一个协议框架,并实现了一个QoS相关的组播路由协议的仿真实现及测试。 本文对现有的动态组播路由算法及协议进行了系统的研究和分析,总结了组播路由算法和协议所利用的基本数学模型,建立了基于QoS的动态组播路由问题的数学模型,同时对QoS组播路由体系及组播路由协议之间的相互关系进行了高度概括。在此基础上,提出了QoS组播路由所面临的几个亟待解决的问题:动态问题、QoS问题及分层问题,并针对这些问题进行了理论上的探讨。这些分析和总结为以后的理论研究和实践打下了坚实的基础。 本文研究了两个典型协议—PIM-SM协议和QoSMIC协议,对这两个协议及其实现进行了具体的研究,并在OPNET网络仿真模型上实现了QoSMIC协议,详细描述了此协议的实现方案及细节。实现这个协议使我们对基于QoS的协议有进一步的认识,也为以后建立组播路由协议奠定了一定的基础。这表现在:为协议的实现积累了经验;为进一步的协议研究提供一个参照和对 WP=70 比的模型;对于网络的QoS机制有一定的认识,对动态收集QoS信息及建立QoS体系有一定的经验;同时对于相关协议及相互间的接口有一定的了解。协议仿真工作在实践中进行了一些有益的探索。 同时本文提出了一个基于QoS的动态组播路由协议框架。这个框架试图使用管理者路由器代替现有的RP路由器(QoSMIC协议中提出的);利用集中式算法和分布式算法的优势,把集中式算法作为组播路由的预计算方法,同时结合分布式地动态收集QoS信息,做出QoS相关的组播路由决定;而且,此框架还试图把一些现代互联网的先进技术,如Anycast机制等,结合到组播路由算法中,使组播路由算法具有更大的灵活性和可扩展性;另外,此框架还要求能与其它服务质量相关协议进行交互。 本文也指出,还有许多问题有待于今后研究。这些问题包括:分布式算法的实现中的一些细节问题;服务质量参数的详细定义;协议的设计和验证; QoS单播和QoS组播的区别及联系;分层组播路由算法研究。


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