IP组播和分布式系统组通信

IP组播和分布式系统组通信

（Risun, 2004-6-17）

 

在分布式系统中，经常会出项从一台主机（或进程）向网络上所有或者部分主机（或进程）发送消息的情况（例如：……）。显然，可以通过在发送断分别向每一台主机发送消息来实现这个需求，这样造成网络上大量重复数据流。在这种情况下，通常采用广播和组播。IP广播和组播只适用于UDP数据的传输（TCP数据流的传输需要端到端的连接）。

IP广播和组播

网络数据过虑流程

图1：接受数据帧时协议栈的过虑流程

Cable上的数据帧对于次链路上的每个接口卡是可见的；

Card interface检测数据帧，如果mac地址吻和－通常本卡地址或者broadcast地址，或者配置接受的multicast地址，接受数据帧，如果CRC检测正确，数据帧交给device driver；

Device driver根据相应的协议type将数据交给IP层或其他协议层；

IP检测数据包的源地址和目标地址，将数据包传到上层（tcp/udp）；

 

UDP层检测数据包的端口发送到相应的进程或丢弃。对于broadcast数据包，对此数据包不感兴趣的主机通常在udp层才能因为不能找到接受端口而丢弃数据包；multicast数据包一般在device driver层，有的甚至能够在card interface层就被丢弃，省略了很多不必要的开销。

Broadcast 的ip地址和mac地址

IP地址：

Limited Broadcast：255.255.255.255,用于局域网内的广播，路由器不会转发这样的数据包；

Net-directed Broadcast：netid.255.255.255，用于向特定网络内的广播，一般的路由器需要转发数据包；

SubNet-directed Broadcast：netid.subnetid+all hosted as 1，用于特定子网内的广播；

Mac地址：

Broadcast的mac地址为：ff:ff:ff:ff:ff:ff。（可以把它看作一特殊的multicast地址）

 

Multicast的地址

IP地址：

Multicast group:同一个multicast group内的主机可以接受发到此group的数据包。每个group有一个ip,主机可以选择加入一个和多个group中。

Multicast group的地址：

图2

 

Mac地址：

用于ip multicast 的mac地址范围：01：00：5e：00：00：00－01：00：5e：7f：ff：ff；

multicast group address到mac地址的转化如下图3：

从这个转化可以看出，可能出现一个mac地址对应多个ip address的情况，这要求在IP进行相应的数据过虑。

 

组通信

组播的消息提供了构造具有下列特征的分布式系统的基础结构，

1 基于复制服务的容错

       每一个客户请求被组播到组的每一个成员服务器，执行相同的操作；

2 在自发网络中找到发现服务器

3 通过复制的数据获得更好的性能

       数据副本保存在客户机，每次数据修改时，新的值被组播到所有管理数据副本的进程

4 事件通知的传播

      

基本组播：

组播原语，B-multicast(g,m)；对应的传递原语，B-deliver(g,m)。与IP组播不同，它保证只要组播进程不崩溃，组内的真确进程一定会传递消息。

 

实现方式：

1 可靠的一对一通信

B-multicast：对于任意进程p属于组g, send(p,m);

进程B-deliver时，执行receive(m)。

 

2 利用IP组播实现

（考虑）

可靠组播

R-multicast(g,m),R-deliver(m)。

可靠组播和基本组播的不同在于：可靠组播要求对于组内的任一个正确进程deliver消息m,则组内的其他正确进程必然deliver消息m。B-multicast时进程出现故障时，即违反此规则。

由此,可靠组播的性质如下：

完整性：一个正确的进程P  deliver一个消息m至多一次,P属于group(m)，m由sender(m)提供给一个组播操作；

有效性：如果一个正确进程multicast 一个消息m，那么它终将deliver 消息m；

协定：如果一个正确的进程deliver一个消息m，那么group(m)中的其他正确进程终将deliver消息m。

 

用B-mulitcast实现可靠组播

关键一点就是实现R-multicast的协定性质，要求每个进程在R-deliver一个消息m之前B-multicast这个消息。

 

用IP组播实现可靠组播

组合使用IP组播、捎带确认、否定确认法。

每个进程p对于它属于的组g维持一个顺序数S_g^p,表示它发送消息的顺序数，从0开始，还记录了R_g^q，即它最近deliver的来自进程q并且发送到组g的消息的顺序数,算法的详细描述见【1】Page-331。

 

有序组播

对于组播消息具有顺序要求，基本可分为以下几种及其组合：

FIFO排序，如果几个进程multicast(g,m)之后multicast(g,m’)，那么任何正确进程在deliver 消息m’之前deliver 消息m；

因果排序，如果multicast(g,m) －> multicast(g,m’)，其中 －>是发生在先关系窃只有g的成员之间发送的消息引起，那么任何deliver m’的正确进程将在m’之间deliver m；

全排序，如果一个正确的进程在deliver m’前deliver m，那么任何其他deliver m’的正确进程将在m’之前deliver m。

相应的实现算法描述参见【1】Page-335-338

【1】       分布式系统概念与设计，金蓓鸿 译 机械工业出版社 2004, 01

【2】       TCP/IP Illustrated, Volume 1:The Protocols, W.Richard Stevens 机械工业出版社 2002,01