基于局域網(wǎng)內(nèi)部文件交換的可靠多播技術(shù)分析

　　摘要：目前，各職業(yè)院校教學(xué)使用的計(jì)算機(jī)房都建立了局域網(wǎng)，但對(duì)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(gè)值得研究的課題。文章主要針對(duì)機(jī)房局域網(wǎng)的可靠多播技術(shù)進(jìn)行了分析，具有一定的參考價(jià)值。
　　關(guān)鍵詞：可靠多播技術(shù)；局域網(wǎng)；機(jī)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(dá)到最佳的教學(xué)效果。但對(duì)于機(jī)房管理及技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，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(duì)局域網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行文件傳輸?shù)挠行Х桨?，在局域網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行文件傳輸具有傳輸范圍小、接收端數(shù)目有限的特點(diǎn)，一般局域網(wǎng)內(nèi)部不需要連接路由器；多播文件傳輸對(duì)實(shí)時(shí)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(duì)于數(shù)據(jù)可靠性的支持：它可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包丟失和數(shù)據(jù)包亂序等錯(cuò)誤，因此它在網(wǎng)絡(luò)音頻/視頻廣播、AOD/VOD、網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議等方面應(yīng)用比較常見(jiàn)；但在可靠性要求很高的文件傳輸中比較少見(jiàn)。基于TCP協(xié)議的傳輸方式能夠保證高可靠性，但它不能進(jìn)行多播傳輸，對(duì)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(gè)方面進(jìn)行研究：
　　1.基于NAK消息機(jī)制的協(xié)議
　　其主要思想是由接收端檢測(cè)數(shù)據(jù)包丟失情況，當(dāng)檢測(cè)到有數(shù)據(jù)丟失時(shí)，等待一定的時(shí)間后向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)NAK消息，請(qǐng)求服務(wù)器重新傳輸丟失的數(shù)據(jù)包，以此來(lái)保證傳輸?shù)目煽啃?。該類協(xié)議設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)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(gè)樹狀的、層次結(jié)構(gòu)的控制節(jié)點(diǎn)群，利用這種結(jié)構(gòu)把網(wǎng)絡(luò)分成若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都存在一個(gè)管理者，每一個(gè)多播節(jié)點(diǎn)都屬于某個(gè)區(qū)域，當(dāng)本區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失時(shí)，由該管理者在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)，僅當(dāng)本區(qū)域無(wú)法處理時(shí)才向上級(jí)管理者發(fā)送請(qǐng)求，在區(qū)域間進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)，因此一般情況下不會(huì)要求服務(wù)來(lái)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(cuò)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(guò)算法加入一定的冗余信息，接收端先對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)，如果沒(méi)有產(chǎn)生錯(cuò)誤，直接提取有效信息，如果信息有誤，則根據(jù)冗余信息進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)。這類協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，服務(wù)端僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)封O3BAmrHX8vM3P6VJBvIMClBcMevmgTdNSe4/QBSP0s4=裝和發(fā)送，不要進(jìn)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(cè)與恢復(fù)
　　1.數(shù)據(jù)丟包的檢測(cè)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(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行修復(fù)或者重傳處理。目前檢測(cè)丟包有序列號(hào)模式和計(jì)時(shí)器模式兩種：
　　序列號(hào)模式即基于序號(hào)間隔的序列號(hào)模式。該模式下所有數(shù)據(jù)包都進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，發(fā)送方按編號(hào)順序進(jìn)行發(fā)送，接收方接收到數(shù)據(jù)包后對(duì)序號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。其缺點(diǎn)是除非發(fā)生多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)包丟失或者網(wǎng)絡(luò)完全中斷時(shí)，則很難預(yù)測(cè)下一數(shù)據(jù)包到達(dá)的時(shí)間。
　　計(jì)時(shí)器模式即基于時(shí)間間隔的計(jì)時(shí)器模式。在該模式下，發(fā)送方定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，正常情況下，接收方等待在某一時(shí)間段內(nèi)會(huì)到達(dá)的數(shù)據(jù)包。其缺點(diǎn)是當(dāng)有時(shí)僅僅是網(wǎng)絡(luò)阻塞而超過(guò)了接收時(shí)間，并不是發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況，也會(huì)被錯(cuò)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(shí)間。
　　2.丟包問(wèn)題由誰(shuí)來(lái)檢測(cè)
　　根據(jù)由誰(shuí)來(lái)檢測(cè)丟包，可靠多播可以分為基于發(fā)送方的丟包檢測(cè)方法和基于接收方的丟包檢測(cè)方法兩大類。
　　基于發(fā)送方的差錯(cuò)檢測(cè)方法是由發(fā)送者負(fù)責(zé)多播數(shù)據(jù)的可靠性檢測(cè)，發(fā)送者在數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)程中判斷是否出現(xiàn)差錯(cuò)，一旦發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)就啟動(dòng)重傳機(jī)制對(duì)出錯(cuò)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳。該方法通常使用基于時(shí)間間隔的計(jì)時(shí)器模式來(lái)發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)規(guī)定：所有接收節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包后，都要馬上向發(fā)送方回復(fù)一個(gè)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(dòng)一個(gè)時(shí)間片，如果在該時(shí)間片內(nèi)收到了某一接收者發(fā)回的ACK信息，說(shuō)明數(shù)據(jù)包已經(jīng)到達(dá)接收方；如果該時(shí)間片消耗完畢，還沒(méi)有收到某結(jié)點(diǎn)的ACK信息，說(shuō)明發(fā)送到該接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包丟失；這一方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)算法比較簡(jiǎn)單；但常常會(huì)造成反饋內(nèi)陷（Feedback Implosion）問(wèn)題；
　　基于接收者的差錯(cuò)檢測(cè)方法是由接收方負(fù)責(zé)多播數(shù)據(jù)的可靠性檢測(cè)，每一個(gè)接收者負(fù)責(zé)自己的數(shù)據(jù)檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，就啟動(dòng)重傳機(jī)制，這樣，把可靠性檢測(cè)分布在各個(gè)接收端處理，減輕了服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。該方法在具體實(shí)現(xiàn)方面，使用上述的序列號(hào)模式和計(jì)時(shí)器模式均可；如果采用序列號(hào)模式，當(dāng)接收的數(shù)據(jù)包的序號(hào)不連續(xù)，或者采用計(jì)時(shí)模式，在約定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，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(dòng)數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，重新獲得丟失的數(shù)據(jù)包。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)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(hào)比ACK信號(hào)要少得多，因此本方法可以減少Feedback Implosion問(wèn)題的發(fā)生。
　　3.如何恢復(fù)數(shù)據(jù)包
　　檢測(cè)數(shù)據(jù)丟包的目的是要保證數(shù)據(jù)的完整性，檢測(cè)到差錯(cuò)后，要采取一定的手段來(lái)進(jìn)行修復(fù)，目前通常采用重新發(fā)送的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的修復(fù)，即發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯(cuò)后，啟動(dòng)相應(yīng)的機(jī)制，把這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行重傳來(lái)糾正這些錯(cuò)誤。解決這一問(wèn)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(dòng)重傳機(jī)制時(shí)，由發(fā)送者（不一定是多播服務(wù)器）與該接收端進(jìn)行一對(duì)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(shí)，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(cuò)，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(shí)，重新向所有接收者（或某些接收者）以廣播的方式進(jìn)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(jìn)行重傳時(shí)，這種方式比較浪費(fèi)資源；它適合于網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，大部分接收者不能正常接收到數(shù)據(jù)包，此時(shí)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(lái)選擇重傳的方式：要求重傳的節(jié)點(diǎn)比較多，則采用多播重傳，要求重傳的節(jié)點(diǎn)比較少，則采用單播重傳。
　　按恢復(fù)的實(shí)施者來(lái)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(dòng)重傳機(jī)制時(shí)，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(diǎn)是算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是發(fā)送方的負(fù)擔(dān)加重，因?yàn)橥粋€(gè)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(gè)已經(jīng)接收到完整數(shù)據(jù)包的接收者來(lái)完成，通常在樹狀多播傳輸中使用，并且還可以在多個(gè)分支內(nèi)部選取一個(gè)接收者對(duì)出錯(cuò)接收者進(jìn)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(duì)其中的IP多播技術(shù)、丟包檢測(cè)方法和包數(shù)據(jù)恢復(fù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)于廣大的高校機(jī)房管理人員而言具有十分重要的參考和應(yīng)用價(jià)值。
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