近年来随着Peer-to-Peer Network和Overlay Network等技术的提出,且由于IP组播的局限性直接导致了IP组播的大规模部署变得困难而缓慢,出现了“应用层组播”(ALM),以改善这种局限性。ALM的主要思想是:保持Internet原有的“单播,尽力发送”模型,尽量维持原有的网络体系结构,而主要通过增加端系统的功能来实现组播的功能(李永强等,2007)。由于对网络本身改变较少,ALM相对IP组播具有较好的灵活性。ALM的终端系统通过重叠网进行通信,由终端节点来进行分组的复制和转发(即组播)功能,其底层网络只提供单播功能(Yeo et al,2004)。
ALM的效率和所建立的ALM树的优劣有直接关系,现已有一些关于ALM建树算法方面的报道,例如曹佳和鲁士文(2005)对基于最小延迟的几种ALM建树算法的有效性进行了研究。可见,ALM建树算法的研究是ALM研究领域的一个重要课题。
目前的ALM可以分为3大类,分别是Mesh-first方法,Tree-first方法和Implicit方法(Liljenstam et al,2001)。在本文所研究的网络视频会议系统中,我们采用Tree-first的ALM建树算法,所建立的树为数据源细节树(Source-specific tree)。在典型的ALM数据源细节树的建树过程中,如果一个新的节点n想要从源节点s接收数据,它将向汇合点(Rendezvous Point)发送请求,在收到请求后,如果源节点s到节点n之间的带宽满足连接所要求的比特率(bitrate),汇合点将会把n加入到s所建立的ALM多播树中。有两种操作方式可以将一个新节点加入到已经建立好的多播树中(图1),这两种操作分别是附加(attach)和插入(insert)。
这两种操作中,附加操作最为直接,插入操作的执行则需要具备一定的条件:如果ALM多播树中的现存节点都没有足够的带宽将数据传送给新加入的节点n,但是n具备足够的带宽将数据传递给其中的一些节点,那么节点n将被插入到已有的连接中。但如果优先执行附加操作,并在只有附加操作失败的情况下才执行插入操作的话,插入操作将不会被执行,这是因为RP节点只有端到端的带宽信息,节点n如果不能通过附加操作被连接到源节点s,说明s到n之间的带宽小于连接所要求的比特率,这样,即使s到b的连接被移除,RP节点并不知道该操作对s到n带宽的影响,只能维持不变,s到n仍然不能建立链接。为了让插入操作得以执行,当源节点s到节点b和到节点n出现带宽瓶颈时,可以参照以下标准执行插入操作:① 源节点s到其他所有节点的带宽都小于连接所要求的比特率; ② 存在1个节点i满足节点i到节点n的带宽大于连接所要求的比特率。
基于上述建树算法,在本文第4部分所做的实验中,笔者采用两种不同的ALM建树算法来组建ALM多播树,这两种算法的特点分别是:① 在没有带宽的情况下执行插入操作; ②在即使带宽足够的情况下,也可以尝试使用插入操作。
图1 两种将节点加入ALM多播树的方法(a)和(b)采用的操作是附加,(c)采用的操作为插入
Fig.1 Two possible operations to add node n to an existing ALM tree:(a)and(b)demonstrate the attach operation and(c)demonstrates the insert operation
采用此种建树算法的目的,就是为了在保证稳定性的前提下最大限度地利用网络拓扑中带宽,从而保证了以此种建树算法建立的网络视频会议系统相对早期的系统对网络带宽有较小的要求。当然,最大限度地使用网络中的带宽势必会造成所建立的ALM多播树的不稳定,因此,在本文所研究的网络视频会议系统中,当系统所追求的是达到最大连接成员数时,可采用建树算法2来建立ALM多播树。而当系统所追求的是保证已建立的ALM多播树的结构的稳定时,那么网络视频会议系统在建立多播树时可以只选择附加操作来建树,而不再使用插入操作。这样就使得ALM算法采用了保守的带宽判断手段来建树,从而得子节点数在带宽用完后就不再增加,保证了树结构的稳定。
本文所研究的视频会议系统在对多台电脑建立连接时,并不需要路由器进行路由支持。互联网中的多台计算机在彼此连接通信的过程中,需要参与的成员按照一定的顺序相连接。我们将由此产生的连接顺序称为连接请求序列。如果网络中有n个节点需要相互连通,则有如下典型的连接顺序:
{1->2,2->1,3->1,3->2,1->3,2->3,>1,4->2,4->3,……n-2->n,n-1->n}.
该连接序列的物理意义是:起初网络中只存在节点1和节点2,节点1向节点2发送连接请求,节点2收到后,随即也向节点1发送连接请求,从而建立起双向连接; 之后节点3加入,向节点1和节点2发送连接请求,节点1和节点2在收到后也分别向节点3发送连接请求; 按照这个步骤,在第n个节点加入网络之后,节点n向已存在于网络中的n-1个节点发送连接请求,这第n-1个节点在收到并接受请求后,也向节点n发送连接请求。最后,n个节点间就建立起了相互连接。这就意味着跳过了路由器的支持,各个计算机之间通过连接序列的指导,已经可以建立相互连接。汶川大地震发生后,当地的通信设备遭到严重损毁,但经过早期的抢修后,一部分灾区的电脑与电脑间还是可以通过有限的网络条件相互连接,但在这种网络条件下,想要通过路由器的路由支持运行早期的网络视频会议系统已变得不可能。由于本文中所研究的网络视频会议系统能够通过连接序列的指导自行连接,这就使得震区的电脑只要能通过震后有限的网络条件进行互相连接,就可以使用这种网络视频会议系统。
当然,在震后不稳定的网络条件下,还应该考虑节点成员的意外离开或者失效造成拓扑结构的突变对传输可靠性的影响。这类影响比较集中地表现在由于节点的失效或网络链路的断开而引起的网络拓扑中的带宽变化方面。因此,当ALM多播树中的1个节点突然失效或者意外离开时,就意味着网络拓扑中和这个节点连接的1条或多条链路已经断开,为了保证网络拓扑中剩下的节点间还能正常连接,在本文所研究的网络视频会议系统中,比如l为节点s到节点t之间的链路,当1个传输链路被移除后,节点t突然失效,那么该链路l可使用的带宽将会增加,增加的值等于该链路传输视频信号时所使用的比特率。由于我们并不知道该链路被移除后对其它链路的影响会有多大,因此,为保证网络视频会议系统仍能正常工作,我们只会去更新被移除的链路的带宽,更新后的带宽BW[s->t]=BW[s->t]+rate。
