動態(tài)的基于快速切換的層次型移動組播協(xié)議

摘 要：為了提高移動IPv6網(wǎng)絡(luò)中組播的服務(wù)質(zhì)量，提出一種動態(tài)的基于快速切換的層次型移動組播協(xié)議——DFHMM。協(xié)議設(shè)置兩級組播代理，對外屏蔽節(jié)點的域內(nèi)切換；利用移動錨點擔(dān)當(dāng)區(qū)域組播移動代理，提供配置的高靈活性和通信的強魯棒性；使用基于鏈路層觸發(fā)的快速切換機制，縮短組播服務(wù)的中斷時間。給出了協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)、切換流程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作細節(jié)。

關(guān)鍵詞：移動組播； 層次體系結(jié)構(gòu)； 快速切換； 翻譯組播組

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-3695(2008)08-2495-04

Dynamic fast handover-based hierarchical mobile multicast protocol

WAN Zhenga，YU Lanb

(a. School of Information Technology， b. College of Physical Education，Jiangxi University of Finance Economics，Nanchang 330013，China)

Abstract:To improve the quality of service of multicast in mobile IPv6 networks， this paper proposeda dynamic fast handover based hierarchical mobile multicast protocol:DFHMM. DFHMM deployed two levels of multicast agent to conceal handover within a domain， and used the mobility anchor point as domain multicast agentto provide deploy flexibility and communication robustness. It adoptedlayer-2 trigger based fast handover mechanism to reduce the halting time of multicast service .Then presented architecture， handover procedures， data structure and operation details of DFHMM.

Key words: mobile multicast; hierarchical architecture; fast handover; translation multicast group

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的用戶使用無線終端訪問Internet資源。無線接入要求終端能夠在移動過程中保持與網(wǎng)絡(luò)的連接。為此，IETF提出了移動IPv4^[1]和移動IPv6^[2]協(xié)議，以使Internet支持終端的移動。另一方面，多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展極大地改善了視頻和音頻的質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)電視、視頻點播、視頻會議、網(wǎng)絡(luò)游戲等實時多媒體應(yīng)用逐漸成為Internet上的主流應(yīng)用。IP組播^[3]具有網(wǎng)絡(luò)開銷小、可擴展性強等優(yōu)點，非常適合多媒體數(shù)據(jù)的點對多點或多點對多點的傳輸要求。

無線鏈路具有網(wǎng)絡(luò)帶寬有限、誤碼率高等特點。因此，在無線和移動環(huán)境中支持組播是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。移動組播不僅要管理動態(tài)的組成員關(guān)系、建立和維護組播轉(zhuǎn)發(fā)樹，而且還要處理組成員位置的動態(tài)變化。相對于固定網(wǎng)絡(luò)組播，移動組播主要面臨以下兩個問題：

a）組播樹重構(gòu)開銷。組成員移動時，為了繼續(xù)使用組播方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，需要重新構(gòu)建組播轉(zhuǎn)發(fā)樹，這會產(chǎn)生大量的信令傳輸開銷與處理開銷。如果不重構(gòu)組播樹，又會導(dǎo)致組播包的低效轉(zhuǎn)發(fā)。可以從降低組播樹的重構(gòu)范圍與重構(gòu)頻率兩方面來減少組播樹的重構(gòu)開銷。

b） 組播服務(wù)中斷與包丟失。從接收端發(fā)生移動到它在新位置接收到第一個組播包，組播服務(wù)均處于中斷狀態(tài)。這段時間包括切換延時、組播成員資格協(xié)商延時、組播樹計算延時，以及第一個組播包到達新位置的傳輸延時。在完成組播樹計算之前，發(fā)往移動節(jié)點的組播包都將丟失，因為它們?nèi)员晦D(zhuǎn)發(fā)給先前的轉(zhuǎn)交地址(care of address， CoA)。

移動IPv4和移動IPv6協(xié)議均提出了雙向隧道和遠程簽署兩種基本組播機制。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者提出一些改進機制。本文提出一種動態(tài)的快速切換的層次型移動組播協(xié)議（dynamic fast handover based hierarchical mobile multicast protocol， DFHMM）。它采用層次型移動IPv6（HMIPv6）體系結(jié)構(gòu)^[4]，使用移動錨點(mobility anchor point， MAP)作為區(qū)域組播代理（domain multicast agent， DMA），使用接入路由器(access router， AR)作為子網(wǎng)組播代理（subnet multicast agent， SMA），屏蔽了移動節(jié)點在MAP域內(nèi)進行的切換。同時，DFHMM還引入了移動IPv6的快速切換機制^[5]，減少了切換延時和組播包丟失。

1 相關(guān)工作

1.1 移動組播研究現(xiàn)狀

遠程簽署和雙向隧道是兩種基本的移動組播機制。在遠程簽署中，移動節(jié)點通過外地網(wǎng)絡(luò)中的組播路由器加入組播組，具有最優(yōu)的組播包轉(zhuǎn)發(fā)路徑，對現(xiàn)有協(xié)議的修改也很少。這一機制的缺點是每次切換時節(jié)點都需重新加入組播組，從而造成組播樹的頻繁重構(gòu)和組播服務(wù)的長時間中斷。在雙向隧道中，家鄉(xiāng)代理代替移動節(jié)點加入組播組，組播包由家鄉(xiāng)代理以隧道方式轉(zhuǎn)發(fā)給移動節(jié)點。雙向隧道機制無須重構(gòu)組播樹，因為它屏蔽了節(jié)點的移動。但是，組播包由家鄉(xiāng)代理轉(zhuǎn)發(fā)，其轉(zhuǎn)發(fā)路徑遠非最優(yōu)。此外，雙向隧道還存在隧道聚集問題(tunnel convergence problem)^[6]，造成了網(wǎng)絡(luò)資源的嚴重浪費。

基于IP組播的移動組播協(xié)議可以被分為三類^[7]，即基于雙向隧道的協(xié)議、基于遠程簽署的協(xié)議和混合協(xié)議。基于雙向隧道的協(xié)議主要有MoM^[8]和RBMoM^[9]。前者解決了雙向隧道中的隧道聚集問題；后者則通過限制組播家鄉(xiāng)代理的服務(wù)范圍縮短了隧道的長度。

基于遠程簽署的協(xié)議包括MA^[10]、MobiCast^[11]和MMA^[12]等。在MA協(xié)議中，組播代理為多個外地網(wǎng)絡(luò)提供組播服務(wù)，代替服務(wù)區(qū)域內(nèi)的移動節(jié)點加入組播樹。加入操作僅在移動節(jié)點是某個組播組在服務(wù)區(qū)域內(nèi)的首位成員時執(zhí)行。MobiCast協(xié)議引入層次移動管理機制和預(yù)先注冊機制，為蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點提供組播服務(wù)。MMA協(xié)議則使用外地網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)發(fā)機制替代預(yù)先注冊。

混合協(xié)議包括雙重加入^[13]、MMG^[14]和MMP^[15]等。在雙重加入?yún)f(xié)議中，移動節(jié)點在外地網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行遠程簽署的同時，通過家鄉(xiāng)代理或先前的組播代理暫時接收組播包。遠程簽署保證了組播包在較長時期內(nèi)通過最優(yōu)路由轉(zhuǎn)發(fā)，而家鄉(xiāng)代理或先前組播代理的轉(zhuǎn)發(fā)則減少了移動節(jié)點執(zhí)行遠程簽署期間組播包的丟失。MMG和MMP協(xié)議利用類似組播代理的設(shè)備為移動節(jié)點提供組播服務(wù)。圖1給出了主要移動組播協(xié)議的分類。

1.2 HMIPv6及其快速切換

在移動IPv6中，節(jié)點向家鄉(xiāng)代理和通信對端注冊它在外地使用的轉(zhuǎn)交地址，從而與其他節(jié)點通信。由于每次切換均要注冊節(jié)點的新位置，信令開銷很大。為此，研究者提出HMIPv6協(xié)議，利用移動錨點對外屏蔽節(jié)點在某個區(qū)域內(nèi)進行的切換，有效降低了信令負載。另一方面，移動IPv6的快速切換機制（FMIPv6）通過提前掃描節(jié)點下一步可能前往的新網(wǎng)絡(luò)并配置相應(yīng)轉(zhuǎn)交地址的方式降低了節(jié)點的切換延時。層次型體系結(jié)構(gòu)與快速切換相結(jié)合(F-HMIPv6)^[16]，進一步提升了移動IPv6的整體性能。圖2描述了F-HMIPv6的切換過程。其中，PAR和NAR分別表示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和預(yù)期網(wǎng)絡(luò)的接入路由器。

a)節(jié)點使用鏈路層預(yù)測機制發(fā)現(xiàn)新接入點(access point， AP)后，向MAP發(fā)送RtSolPr消息。其中包含新發(fā)現(xiàn)AP的標(biāo)志符。

b)MAP查找與新AP標(biāo)志符對應(yīng)的NAR，并將NAR相關(guān)信息包含在發(fā)送給移動節(jié)點的PrRtAdv消息中。移動節(jié)點使用這些信息配置新的鏈路轉(zhuǎn)交地址——NLCoA。

c)移動節(jié)點發(fā)送FBU消息給MAP。其中包含先前鏈路轉(zhuǎn)交地址（PLCoA）和NLCoA。

d) 收到FBU后，MAP發(fā)送HI消息給NAR。NAR為移動節(jié)點的PLCoA建立主機路由項，并回復(fù)HAck消息。在收到移動節(jié)點的FNA消息之前，NAR為移動節(jié)點緩沖來自MAP的數(shù)據(jù)包。

e)MAP發(fā)送FBack消息給移動節(jié)點的PLCoA和NLCoA，然后MAP開始將發(fā)往移動節(jié)點的數(shù)據(jù)包通過隧道轉(zhuǎn)發(fā)給NAR。

f)移動節(jié)點到達NAR鏈路后，向NAR發(fā)送FNA消息。于是，NAR將緩沖的數(shù)據(jù)包發(fā)送給移動節(jié)點的NLCoA。

g)移動節(jié)點繼續(xù)HMIPv6的操作過程。

2 DFHMM概述

DFHMM基于HMIPv6體系結(jié)構(gòu)，利用MAP充當(dāng)DMA，這是DFHMM與其他層次型移動組播協(xié)議的主要區(qū)別。在MobiCast和MA中，AR或外地代理僅隸屬于一個DMA，后者的相關(guān)信息由AR靜態(tài)保存，這嚴重限制了移動組播協(xié)議的應(yīng)用。如果惟一的DMA發(fā)生故障，區(qū)域內(nèi)所有移動節(jié)點均將無法獲得組播服務(wù)。即使啟用了新的DMA，也無法在短時間內(nèi)更新所有AR的配置信息。在HMIPv6中，MAP冗余配置，主MAP發(fā)生故障可立即啟動備用MAP。移動節(jié)點可以根據(jù)MAP選項中的優(yōu)先級、距離等字段，選擇合適的MAP。之后，MAP代替它所服務(wù)的移動節(jié)點加入組播組，接收來自真實組播源的組播包。在MAP區(qū)域內(nèi)部，移動節(jié)點所在AR加入由MAP充當(dāng)組播源的翻譯組播組^[11]，以組播方式接收數(shù)據(jù)。

另一方面，DFHMM利用快速切換機制在預(yù)期到達的子網(wǎng)為移動節(jié)點提前配置轉(zhuǎn)交地址，從而大大縮短了切換延時。DFHMM在一些快速切換信令中添加組播組信息，如果節(jié)點即將發(fā)生域間切換，預(yù)期的MAP就可以提前獲得節(jié)點的組播組列表并加入相應(yīng)組播樹。因此，DFHMM不僅擁有較短的切換延時，而且其組播樹重構(gòu)操作不會造成組播服務(wù)中斷。

3 DFHMM體系結(jié)構(gòu)

DFHMM定義了兩級組播代理，即區(qū)域組播代理（DMA）和子網(wǎng)組播代理（SMA）。DMA由MAP擔(dān)當(dāng)，它是一個組播路由器，代替區(qū)域內(nèi)的所有移動節(jié)點加入組播組，同時從組播樹中接收組播包并轉(zhuǎn)發(fā)給SMA。SMA通常由AR擔(dān)當(dāng)，其上無須運行組播路由協(xié)議。但是，SMA必須承當(dāng)DMA與移動節(jié)點之間的橋梁，從節(jié)點處獲取組播組列表轉(zhuǎn)發(fā)給DMA，同時從DMA處接收組播包轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點。分級的組播代理體系結(jié)構(gòu)可以對外屏蔽節(jié)點的移動。當(dāng)節(jié)點發(fā)生域內(nèi)切換時，由于MAP已經(jīng)加入組播樹，無須修改域外的組播樹。

如圖3所示，組播包由組播源發(fā)出后，經(jīng)過Internet中的組播樹到達移動節(jié)點當(dāng)前所屬DMA——MAP1。此時，MAP1可以采用兩種方式將組播包轉(zhuǎn)發(fā)給AR1。一是與MobiCast類似，在域內(nèi)建立一個翻譯組播組。這種方法的優(yōu)點是在域內(nèi)也能利用組播的優(yōu)勢，減少網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗；缺點是域內(nèi)需要配置若干組播路由器，在某些環(huán)境中可能無法滿足。另一種方式是建立由MAP1到AR1的單播隧道，其優(yōu)點是對設(shè)備要求低，管理和維護方便；缺點是網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗大。無論通過何種方式接收到組播包，AR1都會立即將組播包發(fā)送給移動節(jié)點。本文后續(xù)敘述中默認采用翻譯組播組方式。

如果節(jié)點由AR1覆蓋區(qū)域移動到AR2覆蓋區(qū)域，AR2便會加入翻譯組播組（MAP1， G）。由于MAP1已經(jīng)加入組播組，域外組播樹無須修改。如果節(jié)點移出MAP1區(qū)域進入AR3所在的MAP2區(qū)域，那么AR3會通知MAP2加入原始組播組（*， G），同時自己加入MAP2的翻譯組播組（MAP2， G）。

無論原MAP在節(jié)點將要到達的子網(wǎng)中是否可用，節(jié)點都可能選擇新的MAP，這取決于節(jié)點的MAP選擇策略。例如，為了優(yōu)化轉(zhuǎn)發(fā)路徑，節(jié)點可能選擇Dist字段最小的MAP。又如，節(jié)點可能選擇優(yōu)先級最高的MAP，或者出于負載平衡目的選擇MAP。

4 DFHMM細節(jié)

4.1 切換流程

DFHMM中移動節(jié)點的切換流程如圖4所示。其中，MN代表移動節(jié)點。從圖中可以看出，DFHMM對F-HMIPv6進行了以下修改：

a) 取消了MN離開期間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)隧道。組播應(yīng)用程序通常是實時的，在限定時間以外到達的數(shù)據(jù)對于應(yīng)用來說無任何意義，反而會占用無線信道帶寬，影響后續(xù)播放。在DFHMM中不建立類似FMIPv6和F-HMIPv6中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)隧道。

b) 由PAR與MN交互RtSolPr、PrRtAdv、FBU、FBack等消息，與NAR交互HI、HAck等消息，即DFHMM放棄了F-HMIPv6對FMIPv6作出的改進。F-HMIPv6用MAP取代PAR，是為了縮短MN離開PAR期間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)隧道，因為MAP與NAR之間的距離通常小于PAR與NAR之間的距離。如前所述，DFHMM取消了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)隧道，所以沒有必要用MAP取代PAR。更為重要的是，如果用MAP取代PAR，那么DFHMM將無法支持域間切換。這是因為當(dāng)MN發(fā)生域間切換時，它可能無法與原MAP保持通信，從而導(dǎo)致后續(xù)的快速切換操作和組播組加入操作無法進行。

c) 在FBU和HI消息中添加組播組與策略選項，包含節(jié)點已加入的組播組列表和節(jié)點的MAP選擇策略。NAR獲取節(jié)點的MAP選擇策略后可以代替MN提前選擇更為合適的MAP。若更換了MAP（即預(yù)期將要發(fā)生域間切換），NAR會將節(jié)點的組播組列表轉(zhuǎn)發(fā)給新MAP。如果新MAP還未加入這些組播組，它會立即加入。

4.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖5給出了DFHMM在AR和MAP上分別維護的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。AR上維護的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括：

a) 真實—翻譯組播組映射表（real-translation group mapping table，RTGM）。AR為每個MAP維護一張RTGM表，以判斷自己是否已加入真實組播組所對應(yīng)的翻譯組播組。RTGM表的每一項包含四個字段，即真實組播組、翻譯組播組、加入標(biāo)志（J標(biāo)志）和指向下一項的指針。其中J標(biāo)志指示AR是否已加入翻譯組播組。

b) MN-MAP映射表。記錄訪問AR的每一個MN所對應(yīng)的MAP。

c) 組成員列表。AR為每個組播組維護組成員列表，從而將組播包轉(zhuǎn)發(fā)給已加入的MN。

MAP僅維護它的RTGM表，并且此表不包含J標(biāo)志。

4.3 操作細節(jié)

1）在AR上發(fā)生的操作

(1)接收到翻譯組播組廣播。根據(jù)源地址匹配MAP；根據(jù)真實組播組查詢RTGM表，如果有匹配項，且兩個組播組均有效，那么不執(zhí)行任何操作；如果有匹配項，但只有真實組播組有效，那么根據(jù)廣播內(nèi)容填寫翻譯組播組，并加入翻譯組播組；否則，若沒有匹配項，就在RTGM表中添加一項，根據(jù)廣播內(nèi)容填寫兩個組播組，置J標(biāo)志為0。

（2）接收到HI消息。代替MN進行MAP選擇，根據(jù)結(jié)果在MN-MAP表中添加一項；針對MN組播組列表中的每一項，更新組成員列表；查詢MN所選MAP的RTGM表。如果找到匹配項，且J標(biāo)志為1，那么不執(zhí)行任何操作；如果J標(biāo)志為0，那么加入匹配項指示的翻譯組播組；否則，若未找到匹配項，就在RTGM表中添加一項，填寫真實組播組并置J標(biāo)志為0。發(fā)送TransReq消息給MAP。

（3）組成員離開。查詢每個組播組的組成員列表，將MN所在項刪除；如果組成員列表變?yōu)榭眨敲床樵僊N所選MAP的RTGM表，獲取翻譯組播組信息；退出翻譯組播組。

（4）接收到組播包。遍歷組播組的組成員列表，將組播包轉(zhuǎn)發(fā)給每一個成員。

2）MAP上發(fā)生的操作

（1）接收到TransReq。查詢RTGM表，如果有匹配項，那么，廣播翻譯組播組；否則，加入真實組播組，分配并廣播翻譯組播組。

（2）接收到組播包。在RTGM表中查詢組播包所屬組播組對應(yīng)的翻譯組播組；通過翻譯組播組將組播包發(fā)送出去。

5 結(jié)束語

本文提出的DFHMM協(xié)議適用于實際的層次型移動IPv6網(wǎng)絡(luò)。DFHMM不僅對外屏蔽了節(jié)點的域內(nèi)切換，而且還利用快速切換機制使區(qū)域組播代理提前加入組播組，從而避免了域外切換時由于組播樹重構(gòu)引起的組播服務(wù)中斷。此外，移動錨點的動態(tài)發(fā)現(xiàn)機制保障了區(qū)域組播代理的配置靈活性，其冗余的配備方式則為組播通信提供了較高的可靠性。

通過仿真量化DFHMM的性能是下一步的主要工作。

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