張應(yīng)征 成新紅

（湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

基于局域網(wǎng)內(nèi)部文件交換的可靠多播技術(shù)分析

張應(yīng)征 成新紅

（湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

目前，各職業(yè)院校教學(xué)使用的計算機房都建立了局域網(wǎng)，但對于局域網(wǎng)內(nèi)部的文件傳輸而言，如何保證文件傳輸可靠、快速是一個值得研究的課題。文章主要針對機房局域網(wǎng)的可靠多播技術(shù)進行了分析，具有一定的參考價值。

可靠多播技術(shù)；局域網(wǎng)；機房管理

一、需求分析

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，各學(xué)校都建立了局域網(wǎng)，在教學(xué)當(dāng)中利用局域網(wǎng)，老師先講、演示，然后學(xué)生操作，這樣能夠達到最佳的教學(xué)效果。但對于機房管理及技術(shù)人員來說，如何保證局域網(wǎng)內(nèi)部文件傳輸可靠、快速是值得研究的課題。

可靠多播主要是針對局域網(wǎng)內(nèi)部進行文件傳輸?shù)挠行Х桨?，在局域網(wǎng)內(nèi)部進行文件傳輸具有傳輸范圍小、接收端數(shù)目有限的特點，一般局域網(wǎng)內(nèi)部不需要連接路由器；多播文件傳輸對實時性要求并不嚴(yán)格，但必須保證傳輸數(shù)據(jù)100%的可靠性。

二、可靠多播模式的選擇

IP多播是一種基于UDP協(xié)議的不可靠的傳輸方式，由于其缺少對于數(shù)據(jù)可靠性的支持：它可能會產(chǎn)生數(shù)據(jù)包丟失和數(shù)據(jù)包亂序等錯誤，因此它在網(wǎng)絡(luò)音頻/視頻廣播、AOD/VOD、網(wǎng)絡(luò)視頻會議等方面應(yīng)用比較常見；但在可靠性要求很高的文件傳輸中比較少見。基于TCP協(xié)議的傳輸方式能夠保證高可靠性，但它不能進行多播傳輸，對網(wǎng)絡(luò)的帶寬和服務(wù)器要求比較高。為保證可靠性，必須在UDP傳輸服務(wù)之上應(yīng)用層完成數(shù)據(jù)的可靠性處理，目前可靠多播主要集中在以下三個方面進行研究：

1.基于NAK消息機制的協(xié)議

其主要思想是由接收端檢測數(shù)據(jù)包丟失情況，當(dāng)檢測到有數(shù)據(jù)丟失時，等待一定的時間后向服務(wù)器發(fā)送一個NAK消息，請求服務(wù)器重新傳輸丟失的數(shù)據(jù)包，以此來保證傳輸?shù)目煽啃?。該類協(xié)議設(shè)計比較簡單，適合中、小型規(guī)模傳輸應(yīng)用。

2.基于樹形的ACK/NAK協(xié)議

這類協(xié)議在傳輸網(wǎng)絡(luò)中組建一個樹狀的、層次結(jié)構(gòu)的控制節(jié)點群，利用這種結(jié)構(gòu)把網(wǎng)絡(luò)分成若干區(qū)域，每個區(qū)域都存在一個管理者，每一個多播節(jié)點都屬于某個區(qū)域，當(dāng)本區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)有節(jié)點發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失時，由該管理者在區(qū)域內(nèi)進行數(shù)據(jù)修復(fù)，僅當(dāng)本區(qū)域無法處理時才向上級管理者發(fā)送請求，在區(qū)域間進行數(shù)據(jù)修復(fù)，因此一般情況下不會要求服務(wù)來承擔(dān)重發(fā)工作，從而降低服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。該類協(xié)議適合大型規(guī)模傳輸應(yīng)用。

3.基于自主糾錯編碼的協(xié)議

這類協(xié)議主要應(yīng)用于單向鏈路中，其基本思想是在數(shù)據(jù)發(fā)送前，通過算法加入一定的冗余信息，接收端先對數(shù)據(jù)包進行校驗，如果沒有產(chǎn)生錯誤，直接提取有效信息，如果信息有誤，則根據(jù)冗余信息進行數(shù)據(jù)修復(fù)。這類協(xié)議的優(yōu)點是實現(xiàn)比較簡單，服務(wù)端僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)封裝和發(fā)送，不要進行數(shù)據(jù)重發(fā)工作。但接收到的數(shù)據(jù)不能保證100%的可靠性。

三、數(shù)據(jù)丟包的檢測與恢復(fù)

1.數(shù)據(jù)丟包的檢測方法

作為文件傳輸系統(tǒng)，必須保證其高可靠性，首先要做的就是如何發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的情況，只有發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失了，才能想辦法對數(shù)據(jù)包進行修復(fù)或者重傳處理。目前檢測丟包有序列號模式和計時器模式兩種：

序列號模式即基于序號間隔的序列號模式。該模式下所有數(shù)據(jù)包都進行統(tǒng)一編號，發(fā)送方按編號順序進行發(fā)送，接收方接收到數(shù)據(jù)包后對序號進行檢測。其缺點是除非發(fā)生多個連續(xù)的數(shù)據(jù)包丟失或者網(wǎng)絡(luò)完全中斷時，則很難預(yù)測下一數(shù)據(jù)包到達的時間。

計時器模式即基于時間間隔的計時器模式。在該模式下，發(fā)送方定時進行數(shù)據(jù)發(fā)送，正常情況下，接收方等待在某一時間段內(nèi)會到達的數(shù)據(jù)包。其缺點是當(dāng)有時僅僅是網(wǎng)絡(luò)阻塞而超過了接收時間，并不是發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況，也會被錯誤判斷為數(shù)據(jù)包丟失，因此需要雙方重新協(xié)商等待時間。

2.丟包問題由誰來檢測

根據(jù)由誰來檢測丟包，可靠多播可以分為基于發(fā)送方的丟包檢測方法和基于接收方的丟包檢測方法兩大類。

基于發(fā)送方的差錯檢測方法是由發(fā)送者負(fù)責(zé)多播數(shù)據(jù)的可靠性檢測，發(fā)送者在數(shù)據(jù)傳輸進程中判斷是否出現(xiàn)差錯，一旦發(fā)現(xiàn)差錯就啟動重傳機制對出錯的數(shù)據(jù)包進行重傳。該方法通常使用基于時間間隔的計時器模式來發(fā)現(xiàn)差錯，具體實現(xiàn)時規(guī)定：所有接收節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后，都要馬上向發(fā)送方回復(fù)一個ACK信息（肯定確認(rèn)信息）。具體做法是：發(fā)送者發(fā)送數(shù)據(jù)后，啟動一個時間片，如果在該時間片內(nèi)收到了某一接收者發(fā)回的ACK信息，說明數(shù)據(jù)包已經(jīng)到達接收方；如果該時間片消耗完畢，還沒有收到某結(jié)點的ACK信息，說明發(fā)送到該接收節(jié)點的數(shù)據(jù)包丟失；這一方法的優(yōu)點是實現(xiàn)算法比較簡單；但常常會造成反饋內(nèi)陷（Feedback Implosion）問題；

基于接收者的差錯檢測方法是由接收方負(fù)責(zé)多播數(shù)據(jù)的可靠性檢測，每一個接收者負(fù)責(zé)自己的數(shù)據(jù)檢測，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，就啟動重傳機制，這樣，把可靠性檢測分布在各個接收端處理，減輕了服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。該方法在具體實現(xiàn)方面，使用上述的序列號模式和計時器模式均可；如果采用序列號模式，當(dāng)接收的數(shù)據(jù)包的序號不連續(xù)，或者采用計時模式，在約定的時間內(nèi)沒有接收到數(shù)據(jù)包時，均認(rèn)為數(shù)據(jù)包丟失，由接收端向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包不可到的NAK信息（否定確認(rèn)信息），要求發(fā)送方啟動數(shù)據(jù)重傳機制，重新獲得丟失的數(shù)據(jù)包。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，通常發(fā)生丟包的幾率是很小的，所以網(wǎng)絡(luò)中的NAK信號比ACK信號要少得多，因此本方法可以減少Feedback Implosion問題的發(fā)生。

3.如何恢復(fù)數(shù)據(jù)包

檢測數(shù)據(jù)丟包的目的是要保證數(shù)據(jù)的完整性，檢測到差錯后，要采取一定的手段來進行修復(fù)，目前通常采用重新發(fā)送的方法進行數(shù)據(jù)的修復(fù)，即發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯后，啟動相應(yīng)的機制，把這部分?jǐn)?shù)據(jù)進行重傳來糾正這些錯誤。解決這一問題的方法按恢復(fù)的方式分，可以分為單播重傳和多播重傳。

單播重傳：當(dāng)接收方啟動重傳機制時，由發(fā)送者（不一定是多播服務(wù)器）與該接收端進行一對一的數(shù)據(jù)傳輸。這種方式在網(wǎng)絡(luò)狀況好、丟包幾率低的環(huán)境中比較適合，但當(dāng)丟包的接收者比較多時，這種方式占用較多的網(wǎng)絡(luò)帶寬，最壞的情況就是所有的接收方的數(shù)據(jù)包都出錯，重傳就等同于傳統(tǒng)的傳輸方式。

多播重傳：當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失時，重新向所有接收者（或某些接收者）以廣播的方式進行數(shù)據(jù)重發(fā)。當(dāng)大多數(shù)接收者接收到的數(shù)據(jù)是正確的，不需要進行重傳時，這種方式比較浪費資源；它適合于網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，大部分接收者不能正常接收到數(shù)據(jù)包，此時的效率比單播重傳要高。目前應(yīng)用中通常采用這兩種方式的組合，由接收者的數(shù)目來選擇重傳的方式：要求重傳的節(jié)點比較多，則采用多播重傳，要求重傳的節(jié)點比較少，則采用單播重傳。

按恢復(fù)的實施者來分，可以分為集中式恢復(fù)和分布式恢復(fù)。

集中式重傳：這種方式中，啟動重傳機制時，由發(fā)送方（多播服務(wù)器或多播服務(wù)器群）向接收方以多播或單播的方式重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。其優(yōu)點是算法實現(xiàn)簡單，缺點是發(fā)送方的負(fù)擔(dān)加重，因為同一個數(shù)據(jù)包可能要發(fā)送多次。

分布式重傳：為減輕集中式重傳中發(fā)送方的負(fù)擔(dān)，重發(fā)工作可以由某一個已經(jīng)接收到完整數(shù)據(jù)包的接收者來完成，通常在樹狀多播傳輸中使用，并且還可以在多個分支內(nèi)部選取一個接收者對出錯接收者進行重傳，這樣效率更快。

本文分析了局域網(wǎng)內(nèi)部文件交換的可靠多播技術(shù)，對其中的IP多播技術(shù)、丟包檢測方法和包數(shù)據(jù)恢復(fù)進行了詳細(xì)分析，對于廣大的高校機房管理人員而言具有十分重要的參考和應(yīng)用價值。

［1］王麗群.IP組播及其應(yīng)用［J］.教育信息化，2002，（8）.

［2］王際洲，賴雋文，楊壽保.可靠組播的差錯控制技術(shù)研究［J］.計算機應(yīng)用，2000，20（9）：45～48.

2011-02-07

張應(yīng)征（1970-），男，湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向：計算機應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫。