一種改進的層次型移動組播協議

陳華山,王 熠,劉憲成,周 娟（河海大學常州校區信息中心，江蘇常州，213022）

一種改進的層次型移動組播協議

陳華山,王 熠,劉憲成,周 娟
（河海大學常州校區信息中心，江蘇常州，213022）

論文介紹了現有層次性移動組播協議——MobiCast協議，分析了該協議的優缺點。在MobiCast協議的基礎上通過加入隧道技術，并減輕基站開銷等方面進行了改進。仿真與分析表明，改進后的MobiCast協議具有組播數據丟包率低、網絡維護開銷小、切換延遲短等特點。

移動組播；組播切換；隧道技術；層次型

0 引言

隨著無線網絡的飛速發展，特別是4G網絡時代的到來，再加上移動終端性能的不斷提高，人們通過移動終端獲取網絡資源的要求越來越迫切。目前瀏覽網頁和文件傳輸已經能滿足一部分人的要求，但是有一些應用，它不但占用很大帶寬，并且對數據的實時性和同步性要求很高，比如視頻點播、網絡電視、網絡課堂、視頻會議等一些多媒體應用。在傳統的有線網絡中，這些多媒體應用通常采用組播技術來解決。組播有它的優點，比如實時性高，網絡開銷小，大幅度降低組播源服務器的壓力，是解決這類多媒體應用的最好方案。所以在無線網絡環境中加入組播技術是十分必要的，移動組播不僅要建立和維護組播轉發樹，還要處理因成員位置變化而帶來的重新綁定。

本論文提出的移動組播協議是在MobiCast移動組播協議的基礎上進行了改進，緩解了移動節點在不同區域之間切換而造成的切換延時和組播數據包丟失情況，降低了網絡開銷，提高了網絡的整體性能。

1 關于MobiCast層次型移動組播協議

MobiCast算法的主導思想是把無線網絡分成幾層，每層都有相應的管理單元，移動節點在底層運動時，對它的上層網絡不會有很大影響。保證了網絡整體穩定性也提高了移動節點的靈活性，就好比把計算機網絡分成7層模型一樣，是一種采用分層管理的理念。MobiCast中引入區域外地代理DFA的概念，區域由多個物理上相連的無線蜂窩網組成，每個區域中存在一個DFA。DFA主要負責為移動節點提供組播組播數據包的接收和發送。移動節點從一個區域移動到一個新的區域，首先向新區域的DFA注冊，獲得新區域的轉交地址，并且把獲得的轉交地址通知給原來的家鄉代理。如果移動節點只在區域中移動，DFA在域內采用“翻譯組播組”的機制，DFA會生成以自己為源節點的組播組，DFA負責域內移動節點組播數據包的傳遞，不需要改變上層組播樹的結構，充分降低了組播樹重構帶來的開銷（如圖1所示）。MobiCast協議為了避免切換引起的組播數據包丟失情況，需要區域中的基站都加入翻譯組播組當中，除自身基站外，其它基站要緩存接收到的組播數據包。目的是保證當移動節點位置發生變化，切換過程中組播數據包的完整性，避免組播數據包發生丟失。

圖1 MobiCast協議的域內切換

2 一種改進的層次型移動組播協議

通過分析MobiCast協議的工作原理，總是想能保留協議的優點，通過局部修改彌補協議的一些缺點，提高協議的性能。MobiCast方案在提供快速切換的同時，它的翻譯組播組機制卻帶來了很多信令維護開銷，降低了網絡的性能。還有MobiCast方案僅僅解決了域內的切換處理，沒有給出移動節點在域間切換的優化方案。針對這2種情況，在MobiCast協議的基礎上提出一種改進的層次型移動組播協議。在探討的過程中，我們在區域外地代理DFA上采用隧道技術，移動節點發生區域移動時，在新的DFA上注冊更新的時間段內，將組播數據通過隧道傳送給新區域的DFA，控制切換時的數據包丟失。移動節點在區域間移動的主要過程如圖2所示：

圖2 改進的MobiCast方案的工作原理

3 仿真實驗與性能分析

3.1 仿真實驗環境

網絡仿真實驗我們通過網絡仿真軟件實現，在red hat操作系統下，安裝NS2網絡仿真軟件。針對本實驗層次型的網絡環境，NS2模擬網絡兩層的結構，底層采用了C++編寫的網絡實體和協議，上層采用TCL腳本定義網絡參數，包括網絡的拓撲結構和網絡實體的具體參數。在實驗環境中，模擬的網絡拓撲是一個10*10的mesh網格，網格中節點代表子網的接入路由器，每個節點的距離為50米。一個完整的網格被分為4塊，每塊是5*5，一共是25個網絡節點，我在拓撲結構中各加入一個DFA路由器，一共4個DFA路由器，每個負責25個接入路由器。在網絡模擬環境中，假設網絡中只有一個組播數據組，也同樣只有一個組播數據源。組播數據源每秒鐘發送300個組播數據分組，模擬數據實時性要求很高的組播視頻直播。

3.2 模擬結果及分析

通過反復實驗測試，分別從2個角度和MobiCast算法進行比較，一個是比較組播數據分組的丟失率，一個是比較組播維護開銷。其中變量是移動節點的移動速度，移動節點的移動速度為5m/s-30m/s,在仿真網絡環境實驗中，分別記錄了移動節點在不同速度下組播數據分組的丟失情況和組播維護開銷情況，仿真測試數據分別為圖3和圖4所示。

圖3是數據分組丟包率的比較。從圖中可以看出改進的MobiCast算法丟包率得到了很好的控制。MobiCast算法對數據丟失已經進行了優化，改進的MobiCast算法移動節點在區域間移動時加入了隧道連接，進一步降低了組播數據包的丟失。移動節點速度在30m/s時，MobiCast算法的數據丟包率達到2%左右，改進后的MobiCast算法的數據丟包率只有1%左右。移動節點移動速度越快，MobiCast算法的延時較長，改進后的MobiCast算法，由于基站加入翻譯組播組中，不需要緩存組播分組，縮短了切換時間，從而進一步降低了數據包的丟失率。

圖3 組播分組丟包率的對比

圖4 是網絡維護開銷的比較。從圖中可以看出在移動節點移動速度很慢時，MobiCast算法和改進的MobiCast算法的網絡開銷基本相當，由于改進的MobiCast算法加入了隧道連接，在移動節點低速運動時，網絡開銷略高于MobiCast算法。但是在移動節點移動速度很快時，MobiCast算法對網絡開銷很大的缺點就很明顯，而改進后的MobiCast算法不需要所有基站都緩存組播分組，降低了基站的開銷，所以在網絡開銷方面遠低于MobiCast算法。

圖4 網絡維護開銷的對比

4 結束語

目前在移動網絡組播技術方面已經開展了不少研究，至今仍沒有一個整體的解決方案。移動和組播的結合是今后移動網絡領域的研究重點，同時也是研究的難點。本文介紹了層次性移動組播MobiCast方案的工作原理，并分析了該方案的優缺點。在MobiCast方案的基礎上提出一種改進的層次型移動組播協議，通過模擬試驗得出相關結果，結果表明，改進后的MobiCast方案在組播分組丟包率和網絡維護開銷方面都有顯著改善，縮短了移動節點的切換延遲時間，提高了網絡性能。改進后的MobiCast方案保留了MobiCast方案的優勢，彌補了它的一些不足，是一種高效的移動組播解決方案。通過分析，本文還有需要改進的地方，比如在網絡仿真方面考慮有所不足，改進的方案只是在軟件環境下做了仿真實驗，還需要在真實場景中測試方案的有效性。還有僅考慮了移動節點作為組播數據接收者的情況，如果移動節點作為組播發送者的情況，還需要進一步探討和研究。

[1] Harrison T G,Williamson C L,Mackrell W L,and Bunt R B.Mobile Multicast(MoM)Protocol:Multicast support for Mobile Hosts.Proceedings of the thirdannual ACM/IEEE international conference on Mobile computing and networking (MOBICOM’97).ACM Press 1997. 151~160.

[2] Lin C R and Wang K M.Scalable Multicast Protocol in IP-Based Mobile Networks[J].ACM/Baltzer Wireless Networks,2002,8(1):27~36.

[3] Suh Young-Joo,Shin Hee-Sook,Kwon Dong-Hee. An Efficient Multicast Routing Protocol in Wireless Mobile Networks[J].ACM Wireless Networks, 2001,7(5):443~453.

[4] 吳茜,吳建平,徐明偉,崔勇.基于快速組播切換的分層移動組播體系結構[J].軟件學報,2006,17(1):86~95.

[5] 王華,周賢偉.一種基于MobiCast的移動IP組播方案[J].電訊技術,2005,(4):27~29.

劉憲成，男，工程師，從事校園網建設和物聯網研究工作。

周娟，女，工程師，從事信息系統建設和系統開發。

A hierarchical mobile multicast protocol improvement

Chen Huashan,Wang Yi,Liu Xiancheng,Zhou Juan
(Information Center of Changzhou Campus,Hohai University,Changzhou,213022)

This paper introduces the existing hierarchical mobile multicast protocol -- MobiCast protocol, analyzes the advantages and disadvantages of this agreement.To join by tunnel technology based on MobiCast protocol,and reduce the improved base station cost etc..Simulation and analysis show that,the improved MobiCast protocol has a multicast data packet loss rate is low,network maintenance overhead is small,the handover delay characteristics of the short.

mobile multicast;multicast handoff;tunnel technology;hierarchical

TP393

A

陳華山（1980-），男，江蘇鹽城人，工程師，從事高校數字化校園建設、網絡管理和物聯網研究工作。

王熠（1970-），男，江蘇常州人，工程師，從事校園網絡管理和研究工作。