33、可靠组播协议性能评估与自组织网络仿真问题探讨

可靠组播协议性能评估与自组织网络仿真问题探讨

1. 可靠组播协议性能评估

1.1 实验背景与设置

在网络通信中，可靠组播协议的性能至关重要。本次研究中，发送节点生成了 323 个数据包，每个数据包包含 1000 字节，并成功传输给每个组成员。为了评估不同可靠组播协议的性能，研究采用了以下评估指标：
- 分发延迟（Distribution Delay） ：指从发送方发送数据包到整个组正确接收该数据包所经过的平均时间。从发送方角度看，这意味着发送方在安全丢弃数据包之前必须在内存中保留该数据包的最短时间。
- 恢复延迟（Recovery Latency） ：指接收方检测到数据包丢失到其修复数据包到达接收方的平均时间，即接收方为接收丢失数据包的重传所需等待的时间。
- 请求开销（Request Overhead） ：指协议在中间节点（路由器）上产生的额外负载。通过统计每个路由器处理的请求数据包数量，并计算参与组播分发树的所有路由器的平均值，结果以平均请求数据包数量与发送方发送的原始数据包数量的比率表示。

1.2 实验设计

研究通过改变网络参数生成不同的测试用例：
- 第一组实验 ：将组大小从 10% 增加到 90%，并分别在小丢包率（1%）和大丢包率（5%）下重复每个情况。
- 第二组实验 ：通过改变链路丢包率来模拟不同的网络条件。

为了获得可靠的模拟结果，每个实验都重复多次，并在最后计算所有结果的平均值。实验重复次数根据置信区间规则确定，直到获得一个模拟结果，其与真实值的接近程度在 ±10% 范围内的概率为 95%。

1.3 模拟结果分析

1.3.1 分发延迟

分发延迟的结果如图 1 - 2 所示：
- 小丢包率情况 ：如图 1.a 所示，随着组大小的增加，分发延迟平稳增加。这是因为成员数量增加，数据包在链路上的传播范围更广，丢包数量也会增加。
- 大丢包率情况 ：如图 1.b 所示，RMTP 的特性与小丢包情况相似，但由于丢包和重传数量的增加而有所上升。而 SRM 协议随着组大小的增加，分发延迟反而下降，说明该协议在密集组播组中表现更好。这是因为 SRM 中每个接收方都可以回复重传请求，组大小增加会减少重传时间，从而降低分发延迟。PGM 的分发延迟在小丢包率和大丢包率下都有所增加，且在大丢包率下增加幅度更大，因为重传数据包在发送方和请求方之间的路径更长，丢包概率更高。

协议	小丢包率分发延迟变化	大丢包率分发延迟变化
SRM	增加	减少
RMTP	平稳增加	有所上升
PGM	增加	大幅增加

graph LR
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    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A([开始]):::startend --> B(小丢包率):::process
    A --> C(大丢包率):::process
    B --> D{协议类型}:::process
    C --> D
    D --> E(SRM):::process
    D --> F(RMTP):::process
    D --> G(PGM):::process
    E --> H(分发延迟增加):::process
    E --> I(分发延迟减少):::process
    F --> J(分发延迟平稳增加):::process
    F --> K(分发延迟有所上升):::process
    G --> L(分发延迟增加):::process
    G --> M(分发延迟大幅增加):::process
    H --> N([结束]):::startend
    I --> N
    J --> N
    K --> N
    L --> N
    M --> N

1.3.2 恢复延迟

恢复延迟的变化如图 3 - 4 所示：
- 组大小对恢复延迟的影响 ：SRM 和 RMTP 的恢复延迟随着组大小的增加而减少，因为这两种协议使用本地重传，不受组大小增长的影响。RMTP 在丢失数据包的需求超过阈值时使用组播重传，组大小增加会导致更多的组播重传，从而减少恢复时间。当组密度大于 20% 时，SRM 是恢复数据包丢失最快的协议。PGM 的恢复延迟在从小丢包情况到大丢包情况时几乎翻倍。
- 丢包率对恢复延迟的影响 ：SRM 和 RMTP 的恢复机制在高丢包率（超过 2%）下运行非常稳定，而 PGM 的恢复时间随着丢包率的增加而增加。

1.3.3 请求开销

请求开销的变化如图 5 - 6 所示：
- RMTP ：随着组大小的增加，RMTP 产生的请求开销更多。这是因为它通过发送周期性 ACK 来请求丢失的数据包，而不是仅在数据包丢失时发送 NACK，并且没有使用请求数据包的抑制机制。
- SRM ：在密集组播组中，SRM 接收器在其退避计时器到期之前很可能收到修复或请求数据包，从而丢弃重传请求，因此在高组大小下请求开销较小。
- PGM ：由于请求数据包在接收器和发送器之间遍历整个网络，随着链路丢包率的增加，请求出错的概率更高，因此在大丢包率情况下产生的请求开销更多。

1.4 结论

• 组播传输修复数据包可以减少恢复时间。SRM 在高丢包率下具有良好的恢复延迟性能，RMTP 的恢复延迟也随着组大小的增加而减少。
• 本地重传可以将恢复时间保持在较低水平，但需要额外的协议实现和会话管理工作。
• 使用本地重传的协议（SRM 和 RMTP）的恢复时间不受丢包率变化的影响。RMTP 独立于组密度，而 SRM 在稀疏组播组中的恢复延迟较高，随着组大小的增加而降低。

2. 自组织网络仿真与模拟的差异及仿真特定问题

2.1 自组织网络概述

移动自组织网络（MANETs）是一种无线通信网络，其中参与节点具有高度的移动性，并且网络缺乏基础设施元素。由于其与有线网络的特性差异，传统的网络分析技术在分析自组织网络时可能不够有效。

2.2 仿真、模拟与测试部署的作用

在自组织网络协议和软件的设计与开发中，模拟实验、仿真实验和测试部署起着核心作用。模拟实验是使用一组场景、通常是复合的模型和模拟系统来创建数据，以便深入了解目标现象。模拟实验可以在任何实现可用之前进行。而测试部署则是对已完成或部分完成的实现进行受控部署，但对于自组织网络来说，测试部署成本高、管理困难且结果难以复制。

2.3 自组织网络仿真的特点与优势

仿真实验通过在合成环境中以受控方式引入真实硬件或软件，解决了模拟实验在效率和准确性之间的权衡问题。仿真实验的开始点是将第一个实现引入模拟中，它涵盖了从这个点到系统的受控测试部署的整个范围。

2.4 仿真系统的架构与集成方法

2.4.1 集成方法

• 水平仿真 ：将模拟协议栈中特定层功能的模型替换为该层的实际实现。这种架构适用于无法有效复制仿真实体或存在共享资源（如稀缺目标平台）以分时方式使用的情况。
• 垂直仿真 ：仿真软件覆盖协议栈的连续层组，并按节点进行组织。通常，数据链路层或 IP 层及以上进行仿真，而较低层由模拟系统实现。这种方法导致直观的分解和分布。

2.4.2 执行分布

仿真系统的执行分布涉及可用计算平台（物理主机）的数量、这些主机的连接方式以及仿真实体、模拟模型和仿真系统组件在这些主机上的分布。文献中报道了单块式和分布式仿真系统。单块式仿真系统在一个物理主机上进行整个仿真实验，资源可用性、资源竞争和资源冲突是可扩展性的主要障碍。分布式仿真系统在多个物理主机上以不同的组件分布方式执行。

2.5 仿真特定问题

2.5.1 继承自模拟的问题

由于仿真实验包含模拟模型，因此一些或所有在仿真实验中生成的数据在因果关系上依赖于模拟模型。这可能导致一些在模拟研究中出现的问题也会在仿真实验中出现。

2.5.2 仿真特有的问题

仿真实验中存在一些特定的问题，这些问题源于实验中真实硬件或软件的存在，通常不会在模拟研究中出现。这些问题可能适用于其他领域，但本文不进行一般性推广。并非所有问题都会在所有建模粒度上出现，具体研究中这些问题的关注程度取决于所需的准确性和要进行的分析类型。

综上所述，自组织网络的仿真实验在连接分析或模型开发阶段与实际系统部署方面具有重要作用，但也存在一些特定的问题需要关注。在选择仿真方法和架构时，需要综合考虑各种因素，以确保获得准确和可靠的结果。

3. 可靠组播协议与自组织网络仿真的综合分析

3.1 两种研究的关联

可靠组播协议的性能评估和自组织网络仿真虽然侧重点不同，但存在一定的关联。在自组织网络中，可靠组播协议的性能会受到网络环境的影响，而自组织网络仿真可以为可靠组播协议的测试提供更接近真实场景的环境。例如，自组织网络的高节点移动性和链路不稳定性可能会导致可靠组播协议的丢包率增加，从而影响其分发延迟、恢复延迟和请求开销等性能指标。

3.2 对网络设计的启示

• 协议选择 ：根据网络的特点和需求选择合适的可靠组播协议。如果网络丢包率较高且组播组较为密集，SRM 协议可能是一个较好的选择，因为它在高丢包率和密集组播组中表现出色，分发延迟和请求开销较低。如果对组密度的变化不敏感且希望通过组播重传来减少恢复时间，RMTP 协议可能更合适。而 PGM 协议在丢包率较低的网络中可以考虑使用，但在高丢包率情况下其性能会显著下降。
• 网络架构设计 ：在设计自组织网络架构时，需要考虑仿真系统的集成方法和执行分布。水平仿真和垂直仿真各有优缺点，应根据具体情况选择。对于资源有限的网络，可以采用水平仿真，以充分利用共享资源；对于需要更直观分解和分布的网络，可以选择垂直仿真。分布式仿真系统可以提高可扩展性，但需要解决组件分布和通信协调的问题；单块式仿真系统则适用于规模较小的网络。

3.3 未来研究方向

• 协议优化 ：进一步研究如何优化可靠组播协议，以提高其在自组织网络中的性能。例如，可以探索新的重传机制、请求抑制机制和丢包恢复策略，以减少分发延迟、恢复延迟和请求开销。
• 仿真技术改进 ：不断改进自组织网络仿真技术，提高仿真的准确性和效率。可以引入更真实的网络模型和节点行为模型，以更好地模拟自组织网络的动态特性。同时，研究如何解决仿真实验中特有的问题，如真实硬件或软件与模拟模型的交互问题。

4. 总结

4.1 可靠组播协议性能评估总结

通过对 SRM、RMTP 和 PGM 三种可靠组播协议的性能评估，我们了解到不同协议在不同网络条件下的表现。SRM 在高丢包率和密集组播组中表现优越，RMTP 在组播重传方面具有优势，而 PGM 在高丢包率下存在明显的性能缺陷。在实际应用中，应根据网络的丢包率、组密度等因素选择合适的协议。

4.2 自组织网络仿真总结

自组织网络仿真通过引入真实硬件或软件，解决了模拟实验在效率和准确性之间的权衡问题。但仿真实验也存在一些特定的问题，需要在实验设计和执行过程中加以关注。水平仿真和垂直仿真以及分布式和单块式仿真系统各有特点，应根据网络的规模和资源情况进行选择。

4.3 综合展望

可靠组播协议和自组织网络仿真的研究对于提高网络通信的可靠性和效率具有重要意义。未来的研究应致力于优化协议性能、改进仿真技术，以更好地适应不断变化的网络环境。同时，需要加强两者之间的结合，为网络设计和优化提供更有力的支持。

方面	具体内容
可靠组播协议	SRM 在高丢包率和密集组播组中表现好；RMTP 组播重传有优势；PGM 在高丢包率下性能差
自组织网络仿真	解决模拟效率和准确性权衡问题；存在特定问题；有不同集成方法和执行分布
综合展望	优化协议性能，改进仿真技术，加强两者结合

graph LR
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    A([网络设计]):::startend --> B(协议选择):::process
    A --> C(网络架构设计):::process
    B --> D{网络特点}:::process
    C --> D
    D --> E(高丢包率、密集组播组):::process
    D --> F(组密度变化不敏感):::process
    D --> G(丢包率较低):::process
    E --> H(SRM协议):::process
    F --> I(RMTP协议):::process
    G --> J(PGM协议):::process
    C --> K{网络规模和资源情况}:::process
    K --> L(资源有限):::process
    K --> M(需要直观分解和分布):::process
    K --> N(规模较小):::process
    L --> O(水平仿真):::process
    M --> P(垂直仿真):::process
    N --> Q(单块式仿真系统):::process
    K --> R(分布式仿真系统):::process

总之，可靠组播协议性能评估和自组织网络仿真的研究为网络通信的发展提供了重要的理论和实践基础。在未来的网络设计和开发中，我们应充分利用这些研究成果，不断优化网络性能，以满足日益增长的网络需求。