移動(dòng)應(yīng)用層組播中基于父節(jié)點(diǎn)備份機(jī)制的快速重定向策略研究＊

崔建群，葉詠佳，高 寬，范 靜，吳黎兵

（1.華中師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430072）

1 引言

近年來，隨著移動(dòng)通信技術(shù)以及智能手機(jī)的迅速發(fā)展，移動(dòng)流媒體業(yè)務(wù)的需求與日驟增。國內(nèi)一些致力于為用戶提供高清、流暢的視頻服務(wù)的公司，如百度、搜狐、優(yōu)酷等，紛紛將其流媒體服務(wù)擴(kuò)展到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中。與此同時(shí)，應(yīng)用層組播[1，2.作為一種減輕流媒體服務(wù)器負(fù)載壓力以及優(yōu)化流媒體服務(wù)的P2P技術(shù)，在移動(dòng)環(huán)境下的應(yīng)用近年來一直是研究的熱點(diǎn)[3，4]。

相對于IP組播，應(yīng)用層組播具有先天穩(wěn)定性不足的問題，同時(shí)移動(dòng)環(huán)境的高度動(dòng)態(tài)性進(jìn)一步劇了這一問題，造成了組播系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)頻繁的異常離開，進(jìn)而導(dǎo)致其子節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生組播服務(wù)中斷的問題，嚴(yán)重影響了組播用戶的體驗(yàn)。對于移動(dòng)環(huán)境下組播系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究，以及組播系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，故障節(jié)點(diǎn)的孩子節(jié)點(diǎn)快速重定向的研究一直是該領(lǐng)域的難點(diǎn)。

2 相關(guān)工作

為了解決應(yīng)用層組播的穩(wěn)定性問題，一部分研究者提出通過對終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行性能評估[5，6]，來計(jì)算組播樹中各節(jié)點(diǎn)在某一段時(shí)間的離開概率，在節(jié)點(diǎn)離開之前，對其孩子節(jié)點(diǎn)的拓?fù)溥M(jìn)行調(diào)整，從而降低節(jié)點(diǎn)離開給整個(gè)組播系統(tǒng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。另外一部分研究者提出，在節(jié)點(diǎn)離開后，通過重定向策略來解決節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)孩子節(jié)點(diǎn)的快速恢復(fù)過程[7～10]，其恢復(fù)過程又可以分為主動(dòng)恢復(fù)和被動(dòng)恢復(fù)兩個(gè)方面。

文獻(xiàn)[7，8]是被動(dòng)恢復(fù)方案的代表。當(dāng)節(jié)點(diǎn)退出，受影響子樹將啟動(dòng)一個(gè)父節(jié)點(diǎn)的重新尋找過程，直至找到合適的節(jié)點(diǎn)連接上去為止。被動(dòng)恢復(fù)方案的缺點(diǎn)是組播樹重建時(shí)間長，且容易造成初始查找點(diǎn)的擁塞。

文獻(xiàn)[9，10]中是主動(dòng)恢復(fù)方案，該方案在樹的創(chuàng)建過程中就為每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算其應(yīng)急父節(jié)點(diǎn)，一旦有節(jié)點(diǎn)退出時(shí)，其直系子節(jié)點(diǎn)根據(jù)該信息直接向其應(yīng)急父節(jié)點(diǎn)發(fā)出連接請求，從而進(jìn)行重定向。其缺點(diǎn)是應(yīng)急父節(jié)點(diǎn)是“靜態(tài)”的，不會隨著組播樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化而變化。

通過對以上文獻(xiàn)進(jìn)行分析，本文采用重定向策略解決應(yīng)用層組播穩(wěn)定性問題，并采用主動(dòng)恢復(fù)過程避免被動(dòng)檢測過程所帶來的高加入時(shí)延問題[7，8]；提出備份父節(jié)點(diǎn)重定向算法，解決組播拓?fù)渥兓聜浞莞腹?jié)點(diǎn)的“靜態(tài)”問題[9，10]。最后，本文提出利用組播樹的相似度來衡量重定向算法對組播拓?fù)渥兓挠绊?，從而判斷重定向策略的好壞?/p>

3 節(jié)點(diǎn)重定向

3.1 無備份父節(jié)點(diǎn)重定向

在有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，我們項(xiàng)目組已提出反向抑制主動(dòng)告警機(jī)制[11]，通過提前預(yù)警避免因緩沖區(qū)沒有數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的服務(wù)中止，同時(shí)通過反向抑制告警策略，減少重復(fù)和錯(cuò)誤警報(bào)的數(shù)量，為故障定位排除干擾。最后，通過父節(jié)點(diǎn)重定向機(jī)制，由發(fā)生故障節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)或兄弟節(jié)點(diǎn)來承擔(dān)其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，達(dá)到快速恢復(fù)故障的目的，如圖1所示。

Figure 1 Parent node redirection mechanism圖1 父節(jié)點(diǎn)重定向機(jī)制

此種方案可以保證覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型在很小改變下，獲得較快的父節(jié)點(diǎn)重定向結(jié)果。但是，由于在此種方案下，節(jié)點(diǎn)的家族表FT（Family Table）中只保存了父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的信息，如圖1所示，為了找到故障源節(jié)點(diǎn)v3，需要v6、v7向源節(jié)點(diǎn)s報(bào)告，并由源節(jié)點(diǎn)s通過消息洪泛方式，遍歷到故障源節(jié)點(diǎn)v3的父節(jié)點(diǎn)v1。其優(yōu)點(diǎn)是相較于被動(dòng)恢復(fù)過程，重加入時(shí)延較?。蝗秉c(diǎn)是洪泛方式容易造成消息風(fēng)暴。

3.2 基于備份父節(jié)點(diǎn)重定向

相較于無備份父節(jié)點(diǎn)方式，基于備份父節(jié)點(diǎn)BFN（Backup Father Node）機(jī)制的節(jié)點(diǎn)家族表FT中，除了保存父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的信息外，還保存BFN 信息，如表1所示。

Table 1 Family table with backup parent node表1 帶有BFN 的家族表FT

當(dāng)檢測到將要發(fā)生故障時(shí)，故障源節(jié)點(diǎn)的孩子節(jié)點(diǎn)除了向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送抑制告警消息外，通過FT表查找BFN 并發(fā)送重定向消息，當(dāng)BFN 收到來自節(jié)點(diǎn)的消息時(shí)，分擔(dān)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。如圖1 所示，故障源節(jié)點(diǎn)v3發(fā)生故障時(shí)，若故障節(jié)點(diǎn)v6、v7的家族表中BFN 為v1，此時(shí)v6、v7除了向自身孩子節(jié)點(diǎn)發(fā)送抑制告警消息外，并向v1發(fā)送重定向消息，當(dāng)v1收到來自v6、v7重定向消息后，分發(fā)數(shù)據(jù)給v6、v7，（若v1連接數(shù)已滿，通過v1孩子節(jié)點(diǎn)v4分發(fā)數(shù)據(jù)），完成故障恢復(fù)過程。

通過上述分析，采用基于BFN 機(jī)制的快速重定向策略，可以縮短故障發(fā)生與恢復(fù)故障所需的時(shí)間。

其重加入算法與無備份父節(jié)點(diǎn)故障恢復(fù)算法類似，但由于FT 表中存在備份父節(jié)點(diǎn)，所以不需要發(fā)送Poll消息，具體算法如下：

（1）節(jié)點(diǎn)Ni檢測到其父節(jié)點(diǎn)Fi將要發(fā)生故障時(shí)，向BFN 發(fā)送REJOIN＿REQUEST 消息。

（2）BFN 接收到來自節(jié)點(diǎn)Ni的REJOIN＿REQUEST 消息后，如果孩子節(jié)點(diǎn)數(shù)目未達(dá)到上限，則向節(jié)點(diǎn)Ni發(fā)送REJOIN＿RESPONSE 消息，否則將節(jié)點(diǎn)的REJOIN＿REQUEST 消息轉(zhuǎn)發(fā)到其孩子節(jié)點(diǎn)中，由孩子節(jié)點(diǎn)完成重加入操作，同樣，加入完成后，向節(jié)點(diǎn)Ni發(fā)送REJOIN＿RESPONSE 消息。

（3）節(jié)點(diǎn)Ni收到REJOIN＿RESPONSE后，更新自己的FT 表，并通知其孩子節(jié)點(diǎn)更新FT 表。

其偽代碼如下：

3.3 備份父節(jié)點(diǎn)選取算法

基于BFN 機(jī)制的快速重定向策略的好壞在一定程度上是由其BFN 選擇算法決定的。對于BFN 的選定，為了保證重定向后組播樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本保持不變，本文的BFN 從最近的祖先節(jié)點(diǎn)、父節(jié)點(diǎn)的兄弟節(jié)點(diǎn)中擇優(yōu)選取。其具體算法如下：

（1）根據(jù)父節(jié)點(diǎn)的FT 表，獲取節(jié)點(diǎn)最近的祖先節(jié)點(diǎn)及其FT 表；

（2）根據(jù)所獲取的祖先節(jié)點(diǎn)的FT 表，向其祖先節(jié)點(diǎn)和孩子節(jié)點(diǎn)（除父節(jié)點(diǎn)外）發(fā)送Ping消息來獲取時(shí)間戳；

（3）根據(jù)所獲取的時(shí)間戳，取時(shí)延最小的節(jié)點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)的備份父節(jié)點(diǎn)。

備份父節(jié)點(diǎn)選取算法偽代碼如下：

4 組播樹的相似度

對于重定向算法的好壞，目前還沒有一種比較好的量化方式。本文提出一種根據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障前后組播樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化程度來評估重定向算法優(yōu)劣的方法。其主要思想是通過將故障前后組播樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行向量化，并將向量化的組播樹利用余弦定理來計(jì)算兩向量的夾角大小，即組播拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變大小，從而判斷重定向機(jī)制的好壞。

4.1 組播樹的向量化

由于組播樹中葉子節(jié)點(diǎn)的離開不會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的重加入，即葉子節(jié)點(diǎn)的離開對組播樹其它節(jié)點(diǎn)不會產(chǎn)生影響，所以有以下定義：

定理1 對于含有n（n ≥2）個(gè)節(jié)點(diǎn)的組播樹，按照從根節(jié)點(diǎn)開始層次遍歷，若節(jié)點(diǎn)的孩子數(shù)依次為k1，k2，…，kn，則向量（k1，k2，…，kn）稱為此組播樹向量，對于任意ki，滿足ki≥0，且k1≠0。

證明 若k1＝0，則表明根節(jié)點(diǎn)無孩子節(jié)點(diǎn)，即組播樹的節(jié)點(diǎn)數(shù)n＝1，與n ≥2相違背，所以k1≠0。 □

定理2 若組播樹只含有根節(jié)點(diǎn)（組播服務(wù)器節(jié)點(diǎn)），則認(rèn)為此組播樹所對應(yīng)的向量為0。

證明 組播樹只含有根節(jié)點(diǎn)，即k1＝0，所以所對應(yīng)的向量為零向量0。 □

對于任意組播樹，把組播樹轉(zhuǎn)換成向量的過程叫做組播樹的向量化，所得到的向量叫做組播樹的向量。

4.2 組播樹的相似度

定理3 若節(jié)點(diǎn)數(shù)相同的兩組播樹所對應(yīng)的向量為A，B，定義cos〈A，B〉的值稱之為兩組播樹的相似度，并且對于任意兩節(jié)點(diǎn)數(shù)相同組播樹有0 ＜cos〈A，B〉≤1。

證明 由余弦定理：

可知，兩組播樹的相似度0 ＜cos〈A，B〉≤1。 □

證明 由公式（1）可知，擴(kuò)展前后cos〈A，B〉的值保持不變。 □

定理5 對于任意兩組播樹，其對應(yīng)的向量A、B 一定滿足0≤cos〈A，B〉≤1。

證明 當(dāng)A、B 其一為零向量0，即組播樹只含根節(jié)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)公式（1）可知，cos〈A，B〉＝0，結(jié)合定理3，有0≤cos〈A，B〉≤1。 □

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和性能評價(jià)

5.1 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證文中所提出的BFN 重定向的好壞，本文采用基于OMNET＋＋網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境的OVERSIM 覆蓋網(wǎng)絡(luò)仿真框架來進(jìn)行模擬仿真。所使用的軟件版本分別為：OMNET＋＋4.1、OVERSIM 20101103、INET 20101019。

本文中仿真的硬件環(huán)境為Intel G630C 處理器，內(nèi)存為4GB。操作系統(tǒng)為32位Windows XP SP3。

5.2 移動(dòng)環(huán)境模擬

本實(shí)驗(yàn)利用InetUnderlayNetwork 來模擬底層的移動(dòng)環(huán)境。圖2是OMNET ＋＋下運(yùn)行配置好的OVERSIM 的仿真圖示。實(shí)驗(yàn)中用兩個(gè)骨干路由（Backbone Router）來模擬移動(dòng)環(huán)境中兩個(gè)不同的地理區(qū)域，四個(gè)終端接入路由（overlay Access Router）中，0～2 代表相同區(qū)域不同移動(dòng)基站，并且終端接入路由3和0～2形成不同區(qū)域中不同基站進(jìn)行對照，終端移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（Overlay Terminal）通過移動(dòng)基站（終端接入路由）加入組播系統(tǒng)形成覆蓋網(wǎng)絡(luò)。

5.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)過程中參數(shù)設(shè)置滿足以下條件：

（1）采用拓?fù)渥兓苄〉腘ICE協(xié)議故障恢復(fù)機(jī)制[12]和基于主動(dòng)檢測的無備份父節(jié)點(diǎn)機(jī)制NBF作為對比實(shí)驗(yàn)。

Figure 2 Simulation of mobile environment圖2 移動(dòng)環(huán)境的模擬仿真

（2）組播樹構(gòu)造過程中，節(jié)點(diǎn)的連接數(shù)符合[2，4]（取整）均勻分布。

（3）實(shí)驗(yàn)中所有的離開節(jié)點(diǎn)均為組播樹中的中間節(jié)點(diǎn)，確保一定發(fā)生重定向過程。

（4）為了模擬移動(dòng)環(huán)境下節(jié)點(diǎn)的高度動(dòng)態(tài)性，組播樹中所有中間節(jié)點(diǎn)離開的概率為20%。

（5）在所有孩子節(jié)點(diǎn)都完成重定向之后，才能允許新的組播節(jié)點(diǎn)離開。

（6）每次對比實(shí)驗(yàn)中，保證組播樹的規(guī)模和節(jié)點(diǎn)離開總數(shù)目一致。

5.4 重加入時(shí)延

為了統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)重加入時(shí)延，實(shí)驗(yàn)中當(dāng)節(jié)點(diǎn)離開時(shí)記錄開始時(shí)間點(diǎn)，并在節(jié)點(diǎn)完成父節(jié)點(diǎn)重定向后記錄結(jié)束時(shí)間點(diǎn)。其差值記為重加入時(shí)延。

如圖3所示，對三種不同策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，組播規(guī)模為36，離開的總結(jié)點(diǎn)數(shù)為15。橫軸代表節(jié)點(diǎn)的重加入時(shí)延；縱軸代表在該時(shí)延下，完成重定向的節(jié)點(diǎn)數(shù)占所有重定向節(jié)點(diǎn)數(shù)的百分比。

Figure 3 Cumulative percent／rejoin delay圖3 累計(jì)百分比／重加入時(shí)延

從圖3可知，采用主動(dòng)告警方式的重加入時(shí)延比采用被動(dòng)檢測的NICE協(xié)議方式要小得多，原因是被動(dòng)檢測機(jī)制需要靠心跳機(jī)制來檢測，并且受心跳機(jī)制的間隔時(shí)間的影響。同時(shí)，采用本文提出的BFN 方式的節(jié)點(diǎn)加入時(shí)延比NBF 方式更低，原因是后者需要從根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行洪泛定位到故障節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)。

為了統(tǒng)計(jì)重加入時(shí)延是否受組播規(guī)模的影響，進(jìn)行了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)。組播規(guī)模分別為10、20、30、40、50、60、70、80、90、100，每次組播節(jié)點(diǎn)離開的總數(shù)固定為組播規(guī)模的20%。橫軸代表的是組播規(guī)模；縱軸是在某一組播規(guī)模下，20%離開節(jié)點(diǎn)所帶來的重加入時(shí)延的平均值，單位為秒。

Figure 4 Average of rejoin delay／Multicast scale圖4 平均重加入時(shí)延／組播規(guī)模

從圖4 可以看出。在組播規(guī)模為20、離開節(jié)點(diǎn)數(shù)為4 時(shí)，NICE 機(jī)制和NBF 機(jī)制所帶來的節(jié)點(diǎn)重加入時(shí)延最高。原因是當(dāng)離開節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，重加入時(shí)延較大的節(jié)點(diǎn)占所有重加入節(jié)點(diǎn)比率較大，從而使得整體的平均重加入時(shí)延較大。從橫向上看，節(jié)點(diǎn)的重加入時(shí)延的平均值隨著組播規(guī)模的增大變化波動(dòng)不大。原因是一方面組播規(guī)模的增大弱化了某次或某些次高加入時(shí)延所帶來的影響；另一方面是由于實(shí)驗(yàn)中的重定向節(jié)點(diǎn)都是從父節(jié)點(diǎn)的兄弟節(jié)點(diǎn)和祖先節(jié)點(diǎn)中選取，對于三種機(jī)制中的任何一種，重加入時(shí)延對于該機(jī)制下所有節(jié)點(diǎn)來說基本一致。從縱向上看，BFN 方式中節(jié)點(diǎn)重加入時(shí)延的平均值在三種策略中最低，而被動(dòng)檢測方式的NICE協(xié)議則在平均時(shí)延方面一直是最高。

5.5 相似度

為了統(tǒng)計(jì)每次重定向后組播樹的拓?fù)渥兓瑢?shí)驗(yàn)中在組播樹構(gòu)建完成后，進(jìn)行一次組播樹的向量化。并在每次節(jié)點(diǎn)離開、所有孩子節(jié)點(diǎn)完成重定向后再次進(jìn)行組播樹的向量化，進(jìn)行相似度的計(jì)算。

如圖5 所示，組播規(guī)模為50，離開節(jié)點(diǎn)數(shù)為10。橫軸代表節(jié)點(diǎn)離開的次數(shù)；縱軸代表該次節(jié)點(diǎn)離開，所有孩子節(jié)點(diǎn)重定向完成后，與原始組播樹相似度的計(jì)算值。

Figure 5 Similarity／Number of node leaving圖5 相似度／節(jié)點(diǎn)離開次數(shù)

從圖5可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)離開次數(shù)的增加，組播樹相似度呈現(xiàn)下降趨勢，與理論上一致。從圖5中還可以看出，NICE協(xié)議相似度最高，即重加入后組播拓?fù)涓淖冏钚。闹兴岢龅腂FN 方法，相似度接近NICE 協(xié)議，但相對于NBF 方法相似度更高。

6 結(jié)束語

本文基于固定網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層組播故障恢復(fù)機(jī)制，提出了一種基于設(shè)施的移動(dòng)環(huán)境下故障恢復(fù)策略。該策略利用父節(jié)點(diǎn)備份機(jī)制，能夠達(dá)到快速重定向的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方式相較于NICE協(xié)議在重加入時(shí)延上具有很大的優(yōu)越性。同時(shí)，創(chuàng)新地提出了利用組播樹的相似度來衡量重定向算法對組播拓?fù)渥兓挠绊懀瑥亩袛嘀囟ㄏ虿呗缘暮脡摹?/p>

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然文中所提出的快速重定向策略相較于NICE協(xié)議略遜一籌，但是相較于傳統(tǒng)的組播故障恢復(fù)方式，有很大的改善。綜合對比重加入時(shí)延以及相似度的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，文中所提出的基于父節(jié)點(diǎn)備份機(jī)制在移動(dòng)環(huán)境下具有良好的優(yōu)越性。

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