28、RDDP - LAN 组通信协议：原理、机制与性能分析

RDDP - LAN 组通信协议：原理、机制与性能分析

1. 引言

在网络通信领域，组通信协议起着至关重要的作用。RDDP - LAN 作为一种特殊的组通信协议，它在设计和实现上有诸多独特之处。与它的前身协议相比，RDDP - LAN 因不同的假设和独特的可靠性方法，在很多方面存在差异。它并非作为微内核的一部分实现，而是作为一个独立的组通信原语库供应用程序使用。

2. 基本假设与设计选择

2.1 基本假设

• 网络环境 ：该系统旨在部署在以太网类型的局域网（LAN）中，基于 UDP 和 IP 组播协议工作。
• 传输协议利用 ：协议利用这些尽力而为的传输协议进行数据到组成员的不可靠传输，以及实现可靠性和错误恢复机制。
• 硬件支持 ：假设底层网络支持硬件组播，如以太网组播，并且有将 IP 组地址映射到以太网组播地址的程序。

2.2 设计选择

2.2.1 寻址

在 RDDP - LAN 中，组通过（IPv4 组播地址，端口）对进行寻址。IPv4 组播地址是类 D IP 地址，即高四位为 “1110” 的 IP 地址，专门为 IP 组播保留。结合端口号，IP 主机组地址可称为组标识符。

2.2.2 排序

协议支持全序排序。为保证全序，每个组使用一个称为排序器的集中式逻辑结构。集中式节点的目的是确保所有组播都从同一个节点（或组成员）进行。

2.2.3 可靠性

可靠性方案基于 “两阶段操作” 机制：
- 第一阶段 ：传统的错误恢复阶段，当组忙于组播消息且仍有消息待组播时工作。在此阶段，使用自动修复请求（ARQs）确保可靠性，ACK 用于防止原子性违反的特定场景。
- 第二阶段 ：排序器在检测到一段时间内只有两条消息待组播时启动。在组内进入第二阶段时，根据 “组播完成周期” 这一概率测量，检查是否有组成员在最后一次组播消息后经历消息丢失。

2.2.4 交付语义

协议支持原子交付，即只有当所有组成员都收到消息时，组播才被认为成功；否则，任何成员都不应假定消息已交付。

2.2.5 组结构

定义了组的两个重要属性：
- 开放或封闭组 ：RDDP - LAN 选择并实现了封闭组结构，非成员不能直接向组发送消息，但可通过请求组成员使用单播链路和基本协议将消息发送到组。
- 成员动态性 ：支持静态组结构，即组在组播会话开始前形成后，不允许新成员加入。这两个设计选择消除了维护和更改状态信息的复杂性，简化了实现。

2.3 协议实体

协议基于两种类型的实体构建：排序器和组成员。

2.3.1 排序器

排序器是工作量最大的实体，负责保证消息的可靠交付、重传丢失的消息以及处理组播请求。在原型实现中，排序器作为双线程进程实现：
- 组播请求服务线程 ：控制排序器的组播请求端点，接收组成员要组播的消息，并将其按到达顺序存储在 “组播请求队列” 中。
- 主线程 ：是核心功能单元，负责实现组播服务和保证可靠性。使用组播服务和确认端点，从组播请求队列中获取下一条消息进行组播，在确认组播成功后将消息写入历史缓冲区，以便在收到重传请求时发送。

2.3.2 组成员

组成员是逻辑组结构的构建块，在组形成阶段被分配唯一的标识号。在原型实现中，普通组成员作为单线程进程实现。该线程管理所有必要的结构，如重传和组播服务端点、消息队列，处理接收组播和重传消息的缓冲、生成并向排序器发送组播请求，以及将接收到的消息传递给应用程序等操作。

3. 协议流程

3.1 消息组播的三阶段过程

消息组播采用三阶段过程：
1. 第一阶段 ：组成员向排序器进行点对点传输消息 M，并请求组播。
2. 第二阶段 ：
- 第一部分：排序器将消息 M 传输到组。
- 第二部分：排序器确保至少 r 个组成员收到消息 M。
3. 第三阶段 ：排序器宣布消息 M 被接受并可交付给应用程序。

3.2 消息组播流程

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([应用程序调用 sendToGroup()]):::startend --> B(成员线程生成组播请求并封装消息 M):::process
    B --> C(成员发送请求到排序器并等待确认):::process
    C --> D{收到确认?}:::decision
    D -- 否 --> E(成员线程重新发送请求):::process
    E --> C
    D -- 是 --> F(排序器发送点对点确认并存储消息到队列):::process
    F --> G{消息 M 成为队列第一个消息?}:::decision
    G -- 是 --> H(排序器封装消息 M 并组播):::process
    H --> I(排序器收集确认):::process
    I --> J{至少 r 个成员确认?}:::decision
    J -- 是 --> K(排序器宣布消息 M 接受并可交付):::process
    J -- 否 --> I

3.3 确认方案和组播完成周期

3.3.1 确认方案

为防止成员故障时原子性违反，协议采用确认方案。排序器在每次组播后必须从 r 个组成员收集 r 个确认。与前身协议不同，RDDP - LAN 使用动态方案分配确认责任，对于组 G 中的消息 M，需确认的成员标识符集合 K 定义为：K = { i | i = [ (s + t ) %n], t = {0, 1, …, r - 1} }，其中 n 是组大小，s 是消息序列号。

3.3.2 组播完成周期

组播完成周期是衡量组播过程开始和结束之间时间的参数，对协议操作至关重要。所有组成员（包括排序器）测量该周期，并计算和跟踪不同消息大小（以 20 字节为间隔）的均值和标准差，存储在 “系统条件向量” 中。排序器在组播消息后设置定时器，在 2 *（该消息大小的组播完成周期均值和标准差之和）微秒内收集确认。若超过此时间，排序器会调整均值和标准差。普通组成员在未收到已组播消息的接受通知时也会使用该测量。

3.4 早期消息丢失检测机制

为解决可能出现的消息丢失检测问题，协议采用早期消息丢失检测机制，基于两个独立互补的阶段：

3.4.1 初步检测阶段

排序器在检测到组播请求队列中恰好有两条消息待组播时触发。排序器在生成第一条消息的组播包时，将下一条消息的大小写入包头的特殊字段。组成员收到消息后，检查该字段，若有有效值，访问系统条件向量获取相关组播完成周期的均值和标准差，启动定时器等待下一条消息。若在 2 * ( a + b ) 微秒内未收到下一条消息或其接受通知，成员假设开放时间段已开始，生成包含最后收到消息序列号的重传请求。

3.4.2 后验检测阶段

排序器在组播请求队列为空时启动。宣布最后一次组播消息接受后，排序器启动定时器，等待一段时间（系统条件向量中组播完成周期均值和标准差之和的最小值）接收新的组播请求。若未收到请求，排序器组播控制消息 CHECK - SEQ - NUMBER - REQ，让组成员检查是否有消息丢失。

两个阶段相互补充，初步检测阶段在且仅在后验检测阶段未能使成员检测到丢失时工作。

4. 性能和成本分析

4.1 实验环境

为实验评估协议性能，在 Linux Mandrake 发行版中使用 C 语言实现了原型版本。实验环境由 4 台连接到 10 Mbps 以太网的 PC 组成，每台 PC 配备 Intel Celeron 333 MHz 处理器、64 MB RAM、4 GB HDD 和 10 Mbps Realtek 网络接口卡。

4.2 吞吐量性能测试

协议针对不同的组大小、发送者数量、弹性和消息大小进行了测试。实验中使用了 2、3 和 4 个成员的组，弹性和发送者数量设置为（组大小 - 1），排序器不作为发送者。未测试在以太网层需要分段的消息大小。在应用层进行测量，吞吐量以每秒消息数和 KBps/成员表示。

组大小	发送者数量	弹性	消息大小	吞吐量（消息/秒）	吞吐量（KBps/成员）
2	1	1	未分段	待补充	待补充
3	2	2	未分段	待补充	待补充
4	3	3	未分段	待补充	待补充

通过这些测试，可以深入了解 RDDP - LAN 协议在不同条件下的性能表现，为实际应用提供参考。

4.3 性能分析总结

从吞吐量性能测试的设置来看，通过改变组大小、发送者数量、弹性和消息大小等参数，能够全面地评估 RDDP - LAN 协议在不同网络场景下的性能。将弹性和发送者数量设置为（组大小 - 1），并且让排序器专注于其核心任务，有助于挖掘协议在高弹性情况下的最大吞吐量。

未测试在以太网层需要分段的消息大小，这是因为分段可能会影响系统吞吐量，并且协议采用了应用层 framing 原则将消息拆分为适合以太网帧的块。在应用层进行测量可以更直接地反映协议在实际应用中的性能表现。

表格中的吞吐量数据目前待补充，但可以预见，不同的组大小、发送者数量、弹性和消息大小组合会对吞吐量产生不同的影响。例如，随着组大小的增加，消息在网络中的传播范围更广，可能会导致吞吐量下降；而增加发送者数量可能会提高消息的发送频率，但也可能会增加网络拥塞的风险。

5. 技术点分析

5.1 可靠性机制分析

RDDP - LAN 协议的可靠性机制是其核心特性之一，主要体现在以下几个方面：
- 两阶段操作机制 ：
- 第一阶段（传统错误恢复阶段） ：在组忙于组播消息时，使用自动修复请求（ARQs）确保消息的可靠传输。ACK 用于防止原子性违反的特定场景，保证消息的一致性。
- 第二阶段 ：排序器在检测到特定条件（队列中仅剩两条消息待组播）时启动，通过 “组播完成周期” 检查成员是否有消息丢失，进一步确保消息的完整性。
- 确认方案 ：采用动态的确认方案，根据消息序列号和组大小确定需要确认的成员集合，保证至少有一个成员拥有组播历史，从而在必要时可以重传丢失的消息，维护原子性。
- 早期消息丢失检测机制 ：包括初步检测阶段和后验检测阶段，两个阶段相互补充，能够及时发现和处理可能出现的消息丢失情况，避免 “all - or - none” 语义的临时违反。

5.2 组播完成周期的作用

组播完成周期是 RDDP - LAN 协议中的一个关键参数，其作用主要体现在以下几个方面：
- 可靠性保障 ：排序器根据组播完成周期设置定时器，在规定时间内收集确认信息。如果超过时间仍未收到足够的确认，排序器会调整相关参数，确保消息的可靠传输。
- 网络状态感知 ：成员通过测量组播完成周期的均值和标准差，能够实时感知网络的状态。当网络出现波动时，这些参数会发生变化，从而为协议的自适应调整提供依据。
- 故障检测 ：可以作为一种快速检测处理器故障或检查组成员是否存活的方法。如果成员在预期时间内未收到消息或确认信息，可能表示网络中存在故障。

5.3 组结构设计的优势

RDDP - LAN 协议选择封闭组结构和静态组结构，具有以下优势：
- 简化管理 ：封闭组结构限制了非成员的直接访问，减少了不必要的消息干扰；静态组结构避免了成员动态变化带来的状态管理复杂性，使得协议的实现更加简单。
- 提高可靠性 ：由于组结构相对稳定，协议可以更准确地控制消息的传输和确认过程，提高消息的可靠性和一致性。

6. 总结与展望

6.1 总结

RDDP - LAN 协议是一种针对局域网设计的组通信协议，具有独特的设计理念和机制。通过采用两阶段操作机制、动态确认方案、早期消息丢失检测机制等，协议在保证消息可靠性和原子性方面表现出色。同时，封闭组结构和静态组结构的设计选择简化了协议的实现和管理。

在性能测试方面，通过设置不同的参数组合，可以全面评估协议在不同网络场景下的吞吐量性能。虽然目前吞吐量数据待补充，但测试方案为深入了解协议性能提供了有效的方法。

6.2 展望

• 性能优化 ：可以进一步研究如何优化协议的可靠性机制和组播完成周期的计算方法，以提高协议在不同网络环境下的性能表现。例如，根据实时网络状态动态调整确认方案和定时器参数。
• 扩展性 ：考虑如何扩展协议以支持更大规模的网络和更多的应用场景。例如，支持动态组结构，允许成员在组播过程中加入或离开组。
• 兼容性 ：研究协议与其他网络协议的兼容性，以便更好地集成到现有的网络环境中。例如，与 TCP/IP 协议栈的无缝集成。

通过不断地优化和扩展，RDDP - LAN 协议有望在更多的网络应用中发挥重要作用，为用户提供更加可靠、高效的组通信服务。

6.3 流程图回顾

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([应用程序调用 sendToGroup()]):::startend --> B(成员线程生成组播请求并封装消息 M):::process
    B --> C(成员发送请求到排序器并等待确认):::process
    C --> D{收到确认?}:::decision
    D -- 否 --> E(成员线程重新发送请求):::process
    E --> C
    D -- 是 --> F(排序器发送点对点确认并存储消息到队列):::process
    F --> G{消息 M 成为队列第一个消息?}:::decision
    G -- 是 --> H(排序器封装消息 M 并组播):::process
    H --> I(排序器收集确认):::process
    I --> J{至少 r 个成员确认?}:::decision
    J -- 是 --> K(排序器宣布消息 M 接受并可交付):::process
    J -- 否 --> I

这个流程图清晰地展示了消息组播的基本流程，从应用程序发起请求到排序器宣布消息可交付，每个步骤都有明确的逻辑判断和操作。它帮助我们更好地理解协议的工作原理，也为进一步的优化和扩展提供了可视化的参考。

总的来说，RDDP - LAN 协议在组通信领域具有很大的潜力，通过不断地研究和改进，有望为网络通信带来更加可靠和高效的解决方案。