（通信与信息系统专业论文）ip组播与应用层组播技术的研究.pdf

北京邮电大学博士学位论文 摘要 摘要 随着互联网的飞速发展，要求点到多点或多点到多点的群组通信业务日益增多。这些业 务包括音频视频会议、w e b 缓存更新、文件分发、距离测量以及在线游戏等。由于群组通信 的复杂性，这些业务的大规模应用需要互联网提供有效支持。因此群组通信技术成为互联网 的主要研究方向之一。本论文的研究目标是针对目前互联网群组通信技术所存在的问题作出 探索性的工作。 就目前的研究情况而言，互联网上支持群组通信的技术有两大类：i p 组播和应用层组播。 其中i p 组播对网络资源的利用率很高，但需要路由器的支持；而应用层组播不需要路由器的 支持，但网络资源的利用率较低。这两种技术各有自身的优点但也存在着一些棘手的问题。 本论文分别对这两种群组通信技术所存在的问题作了深入研究。本论文的工作主要包括： 1 分析了目前i p 组播路由技术在移动环境中存在的问题，指出目前的移动i p 组播路由协 议存在的缺陷，并且为解决移动i p 组播路由开销大、性能差的问题，提出了一种动态多 核i p 组播路由协议。 2 分析了目前i p 组播传输技术在移动环境中面临的可靠性问题，针对目前的移动可靠组播 传输协议在解决不同步问题时为减少恢复时延而需要大量缓存的缺陷，提出了一种自适 应的移动可靠组播协议。 3 分析了目前i p 组播流量控制和拥塞控制中所遇到的问题，针对目前i p 组播流量控制和 拥塞控制不能同时解决可扩展性、t c p 友好性以及组内公平性的问题，提出了一种综合 考虑这三方面要求的m 组播拥塞控制和流量控制算法。 4 探讨了应用层组播技术在支持可靠和同步的群组通信业务时所面临的问题，提出了一种 分析应用层组播在这种情况下所需缓存大小的方法，并指出应用层组播可以支持同步可 靠业务。 5 分析了应用层组播在数据传输中遇到的问题，指出应用层组播目前没有很好的可靠传输 机制，提出了一种充分利用组内成员自身能力的应用层组播可靠传输协议，提高了应用 层组播的可靠性。 i 北京邮电大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e t g r o u pc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sw h i c hr e q u i r et r a n s f e r r i n g d a t af r o mp o i n tt om u l t i p o i n to rm u l t i p o i n tt om u l t i p o i n ti n c r e a s er a p i d l y t h e s es e r v i c e si n c l u d e a u d i o v i d e oc o n f e r e n c e s , w e bc a c h eu p d a t e s ，f i l ed j s t r i b u t i o n ，d i s t a n c e sj e a r n i n ga n do n l i n eg a m e s ， e t c d u et ot h ec o m p l e x i t yo fg r o u pc o m m u n i c a t i o n ，w i d e s p r e a dd e p l o y m e n to ft h e s es e r v i c e s r e q u i r e si n t e m e tt os u p p o r t i te f f i c i e n t l y t h e r e f o r e ，h o wt os u p p o r t g r o u pc o m m u n i c a t i o n h a sb e e n a na c t i v er e s e a r c ha r e ai ni n t e r e c t t h i sd i s s e r t a t i o ne x p l o r et h ep r o b l e m se x i s t e di nc u r r e n tg r o u p c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n di n t r o d u c e ss o m en e w a p p r o a c h e s t h e r ea r et w oc a t e g o r i e so fg r o u pc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e su pt on o 、i pm u l t i c a s ta n d a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t i pm u l t i c a s tu t i l i z e sn e t w o r kb a n d w i d t he 历c i e n t l yb u tn e e d st h es u p p o r t o fr o u t e r s a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s td o e sn o tn e e dt h es u p p o r to fr o u t e r s b u ti t sb a n d w i d t h s u t i l i z a t i o ni sl o w e rt h a ni pm u l t i c a s t b o t ht e c t m o l o g i e sh a v et h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h er e s e a r c h e si nt 1 1 i sd i s s e r t a t i o na r ea b o u tt h ee x i s t e dp r o b l e m st h a tn e e dt ob es o l v e di nt h e s et w o c l a s s e so f t e c h n o l o g i e s t h em a i nc o n t r i b u t i o n si nt h i sd i s s e r m t i o na r ea sf o l l o w s 1 ，s u m m a r i z ec u r r e n ti pm i l l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l si nm o b i l ee n v i r o n m e n t p o i n to u tt h e i r d e f i c i e n c y , a n dp r o p o s ead y n a m i cm u l t i - c o r es h a r e dt r e em u l t i c a s tp r o t o c o lw h i c h c a ni m p r o v e t h ep e r f o r m a n c ea n ds o l v et h eh i g ho v e r h c a dp r o b l e me x i s t e di nc u r r e n tm o b i l em u l t i c a s t r o u t i n gp r o t o c 0 1 2 a n a l y z et h er e l i a b i l i t yp r o b l e m sc o n f r o n t e db yi pm u l t i c a s tt r a n s p o r tp r o t o c o l i nm o b i l e e n v i r o n m e n t a i m i n ga tt h ed e f i c i e n c yo fc u r r e n tr e l i a b l ei pm u l t i c a s tp r o t o c o l ，p r o p o s ea n a d a p t i v em o b i l er e l i a b l em u l t i c a s tp r o t o c o lw h i c hc a ne 岱e i e n t l yr e d u c e 也eb u f f e rs i z eo nt h e p r e m i s e o f s h o r t e nt h er e c o v e r yt i m e 3 4 5 d i s c u s s e st h ec h a l l e n g e st oi pm u l t i e a s tf l o we o n 订o la n dc o n g e s t i o nc o n t r 0 1 a i m i n ga tt h e d e f i c i e n c yt h a t c u r r e n tm e c h a n i s mc a nn o ts o l v es e a l a b i l i t y , t c pf r i e n d l ya n di n t r a - g r o u p f a i m e s sa tt h es a m et i m e 。p r o p o s ean e wm u l t i e a s tc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o lw h i c hm e e t st h e a b o v et h r e et a r g e t ss i m u l t a n e o u s l y e x p l o r et h ep r o b l e m st h a ta p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s tf a c e sw h e ni t i sr e q u i r e dt o s u p p o r t s e r v i c e sw h i c hn e e dr e l i a b i l i t ya n ds y n c h r o n i z a t i o ns i m u l t a n e o u s l y p r o p o s eam e t h o dt o a n a l y z et h eb u f f e rs i z e i nt h i ss i t u a t i o na n dp o i n to u tt h a ta p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s tc a n s u p p o r tt h e s es e r v i c e s a n a l y z e t h ep r o b l e m sw h e nd a t ai st r a n s p o r t e du s i n ga p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t p o i n to u tt h a t a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s td o e sn o tp r o v i d eg o o dr e l i a b i l i t ym e c h a n i s m p r o p o s ear e l i a b l e t r a n s p o r tp r o t o c o lf o ra p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i e a s t ，w h i c h c a l li m p r o v et h er e l i a b i l i t yg r e a t l y i i 北京邮电大学擗士论文第i 荦绪沦 1 1 引言 第1 章绪论 点到多点或多点到多点的群组通信业务在i n t e r n e t 中有很多应用，这包括音频 视频会议、w e b 缓存更新、文件分发、距离测量以及在线游戏等。因此，支持群 组通信的组播技术一直是研究的热点。到目前为止，对组播技术的研究可分为两 大类，一类从i p 层入手，试图从i p 层解决组问通信问题，与组播通信相关的基 本功能，如组成员的管理，数据的复制都在i p 层即路由器中完成；而另一类从应 用层入手，试图从应用层解决组间通信的问题，与组播通信相关的基本功能放在 应用层中实现。 i p 组播的特点在于数据源只需要向组内发送份组播数据，路由器只需在恰 当的分支点复制数据，就可让所有组成员收到数据。任何一份数据包的拷贝只会 在每个组播树的链路上出现一次。可见，i p 组播能够有效地利用网络资源、降低 服务器的负荷，因此i p 组播一度被认为是解决群组通信的最佳方式。对于i p 组 播的研究需要解决以下几个问题：即组播发送树的建立、数据的可靠传输以及数 据发送过程中的流量控制和摺塞控制机制。由于移动i a t e r n e t 的飞速发展，越来越 多的移动用户也会参与到群组通信当中，因此我们不仅需要解决固定网络i p 组播 所面临的问题，而且需要考虑移动环境下的i p 组播通信。由于固定网络中的组播 路由协议以及可靠传输枫制的研究已经取得了较大的进展，当前i p 组播研究面临 的主要问题是： 缺乏在移动环境中可用的组播路由协议。i p 组播提出之时没有考虑组成员是 移动用户的情况，因此目前的口组播路由协议无法在移动环境中正常工作。 为此，必须为移动环境设计新的组播路由协议。 缺乏移动环境中可靠的组播传输协议。在移动环境中提供可靠组播传输要比固 定网络中困难得多。移动可靠组播传输协议不但要保证从数据源到无线接入 点，从无线接入点到移动主机之间数据的可靠，而且要解决由于主机移动的不 同步问题所引起的不可靠。 缺乏有效的组播拥塞控制和流量控制机制。i p 组播拥塞控制和流量控制需要 1 北京邮电大学博士论文 第1 章绪滏 同时解决三个问题，即可扩展性、t c p 友好性以及组内的公平性。目前的i p 组播拥i ：控制和流量控制机制无法做到三者的统一解决， 应用层组播的特点在于组播数据的复制和组成员的管理是在应用层实现，路由 器只需要提供单播数据传送能力就可以，对目前的i n t e m e t 没有提出额外的要求。 应用组播中数据传输是分段进行的，任何两个应用层组成员之问的数据传输均采 用单播传输协议，大大简化了i p 组播所面临的拥塞控制和流量控制问题。相对于 i p 组播，应用层组播实现简单，更有可能成为群组通信的实现方式。然而应用层 组播的简易性是用一定的代价得到的。与i p 组播相比应用层组播对网络资源利 用率不高，端到端的数据传输时延较大。此外由于应用层组搔对数据的复制和组 成员的管理在端系统中实现，同时把端到端的数据传输拆分为多段点到点的传输， 而端系统相对于路由器的可靠往要低很多，因此，应用层组播端到端的可靠性较 差。应用层组播面临的主要问题是： 缺乏有效的应用层组播路由协议。由于应用层组播树的建立是由端系统完成 的，而端系统并不知道网络的拓扑和组成员的分布，因此它所建立的组播树往 往与组成员实际的拓扑分布相差较大，导致建立的应用层组播树性能很差，因 此需要设计出既具有扩展性又能生成高性能组播树的应用层组播路由协议。 缺乏提供端到端保证的可靠传输协议。由于应用层组播把端到端的可靠性拆分 为逐段的可靠性，而每个应用层组成员的稳定性又不够高，这导致应用层组播 端到端的可靠性较差，因此需要为应用层组播设计可靠的传输协议。 1 2 本文的主要贡献 在移动i p 组播路由方面，提出一种适应于动态移动环境的组播路由协议：动 态多核共享树d m c s t 。该协议使用多个根据组成员位置变化而逐渐调整的 核心，既能够提高目前组播协议在移动环境中的性能，又减少了在此过程中的 开销。 在移动i p 可靠传输方面，提出了一种自适应的移动i p 可靠传输协议a m r m 。 该协议在快速恢复因主机移动而丢失的数据时，可自适应的调整需要的保存的 数据数量，从而有效地减少了无线接入节点对缓存的需求。 2 北京邮电大学博士论文 第1 章绪跄 在i p 组播流量控制和拥塞控制方面，提出了一种能够同时解决可扩展性、t c p 友好性和组内公平性的拥塞控制协议w r h m c c , 该协议通过在接收端混合使 用窗口和速率控制机制并结合路由器的处理能力，做到了对这三种要求的统一 解决。 分析了应用层组播在支持同时需要可靠和同步的群组通信业务时所面临的问 题，为该种类型的业务在应用层组播上建模，利用排队论分析了需要的缓存大 小，证明应用层组播可以支持此类业务。 分析了应用层组播在可靠传输中存在的漏洞，提出了一种加强应用层组播可靠 性的传输协议，该协议通过在应用层组播组中寻找非相关滞后的组成员有效提 高了应用层组播传输的可靠性。 1 3 本文的结构和安排 本文将在以下三章中分别探讨群组通信的两类支持技术i p 组播和应用层组 播。第二章集中讨论移动环境中的i p 组播，2 1 节介绍了固定网络i p 组播的基本 概念和目前的协议；2 2 节总结了移动环境中的i p 组播路由协议所存在的问题； 2 3 节提出了动态多核共享树协议；2 4 节分析了移动环境中i p 组播可靠传输协议 所存在的问题；2 5 节提出自适应的移动组播可靠传输协议a m r m 。第三章讨论 i p 组播的流量控制和拥塞控制，3 1 节指出目前i p 组播流量控制和拥塞控制所面 临的问题，特别是公平性问题；3 2 节归纳了目前提出的i p 组播流量控制和拥塞 控制机制：3 3 节介绍作者提出的混合窗口和速率控制协议并结合路由器支持的组 播流量和拥塞控制机制w r h m c c 。第四章研究应用层组播机制，4 1 节介绍了目 前的应用层组播路由协议，4 2 节指出应用层组播协议在可靠性流量控制和拥塞控 制中需要解决的问题；4 _ 3 节首先通过建模分析了应用层组播在支持同时需要可靠 和同步的群组通信业务时的缓存需求，指出应用层组播可以支持这类业务；随后 针对应用层组播在传输可靠性中存在的缺陷，提出一种增强的应用层组播传输协 议。 3 北京睇电大学博士论文 第2 章动态移动组攫的路由和可靠性 第2 章移动环境下的i p 组播路由和可靠性 组播路由是从源网络向目的地网络构建分组发送树的技术。利用i p 组播，发 送者只需要把每个分组发送一次，所有目的地就可收到该分组，而在每个物理链 路上最多只出现一次该分组的拷贝。而可靠组播则是保证分组能够从组播发送源 可靠传送到每个组播接收者的技术。使用i p 组播，可以大大降低服务器和路由器 的负荷，并有效利用网络带宽，因此i p 组播( 路由和可靠性) 一直是研究的热点。 经过多年的研究，目前对固定网络下的组播路由以及可靠组播都已提出了很多协 议或机制，有些还成为i e t f 的正式文献r f c 。虽然这些协议还不够完备，仍有 需要继续改进的方面，比如协议的安全性，协议的扩展性等等，但是对于固定网 络下的组播，这些协议已经完全能够建立有效的组播分发树，并且提供可靠的传 输服务。事实上这些协议很多已经在i n t e m e t 实验网中得到了应用。 然而随着移动网络和i n t e m e t 的发展，组成员已不局限于固定用户，移动用户 期望能和固定用户一样享受组播服务，但是固定网络下的i p 组播路由和可靠协议 并不能直接应用在移动环境中，因此有必要为移动互联网提出新的组播路由和可 靠传输协议。许多研究者都在这方面提出了相关的协议和机制，然而这些协议往 往存在这样或那样的缺陷。在本章中，作者在前人工作的基础上，提出了解决移 动环境下i p 组播路由以及可靠传输的两种方案。 本章的安排如下：首先在第一节概要介绍固定网络下的i p 组播路由协议【l 】， 在第二节介绍目前提出的移动环境下的i p 组播路由协议，分析它们存在的问题； 在第三节提出一种新的适合移动环境下的i p 组播路由协议_ d m c s t ；在第四 节介绍目前提出的移动环境下的可靠组播传输协议；在第五节提出a m r m 协议。 2 1 固定网络下的i p 组播路由协议 组播路由协议根据它们所创建的组播树可分为两类，基于源的最短路径树协议 和共享树协议。其中最短路径树协议包括d v m r p 2 、p i m d m 3 和m o s p f 4 ， 而共享树协议包括p i m s m 5 和c b t 6 。最短路径树协议为组播组中每个业务源 都建立一棵组播发送树，该树的根节点是业务源对应的子网路由器。对一个发送 方集合为s ，组播组集合为g 的网络来说，使用最短路径树协议的路由器要维护的 4 北京邮电大学博士论文第2 章动态移动组播的路由和可靠性 状态复杂度为o ( i s h g l ) 。而共享树协议为每个组只建立一棵组播树，该组播树以 网络中某个指定的路由器d r ( d e s i g n a t er o u t e r ) 作为树的根节点，使用该协议的路 由器要维护的状态复杂度为o ( i g l ) 。共享树协议的扩展性要好于最短路径树协议。 由于下面将要提到的动态多核协议是一种把共享树协议应用在移动环境中的 方案，因此在这里需要简要介绍共享树协议。 2 1 1 共享树协议 共享树协议分为单向共享树和双向共享树，p i m s m 是单向共享树协议，而 c b t 是双向共享树协议。它们的共同特点都是为每个组播组创建一棵组播树，所 有组中的业务源共享这棵组播树。共享树中有一个核心，p i m s m 中称为 r p ( r e n d z v o u sp o i m ) ，c b t 中称为c o r e ，它是创建组播树的根节点。组播树的创 建由组播接收者发起。接收者主机所在子网的d r 向r p 或c o r e 发送j o i n ( * ，g ) 加 入消息，并一跳一跳地在沿途各个路由器节点中建立相应的组播转发状态，直到 加入消息到达r p ，或遇到了属于同一个组的树上节点为止，这就生成了组播发送 树。 单向共享树中，组播组中的数据源要想把数据发送到组播树上，需要把组播 数据包封装起来，以单播方式发往r p ，r p 收到封装的包后，将其解封装，然后 再以组播方式在r p 树上传送。组播数据的流向必须是从r p 到每个组播接收者。 在双向共享树中，组播组中的数据源可以直接把数据发送到组播树上；c o r e 与其 它的普通路由器在数据发送期间没有什么不同。下图展示了p i m s m 和c b t 在数 据发送期间的不同。 5 北京邮电大学博士论文第2 章动态移动组播的路由和可靠性 p i m 一驯 ，c n c 印s u l a t l村鼬i t i p a c k ccp i o ， c b t - - 4 b -n a t i v eg u l t i c a s tp a c k e tf l 图2 1p i m - s m 与c b t 中的数据流 从图中可以看到，在p i m s m 中，尽管r 1 和r 2 与s 相连，但是s 并不能把 数据直接发送给r l 和r 2 ，而是首先把组播数据封装后发给r p ，数据由r p 解封 装后，再经过s 才能到达r l 和r 2 。而c b t 中，s 可以直接把组播数据顺组播树 发送给r l 和r 2 。 由于在p i m s m 中数据源发送的数据需要首先到达r p ，r p 可以验证数据源 的合理性，并根据结果决定是否应该向组播树中转发组播数据，因此p i m s m 具 备接纳控制能力。而在c b t 中要防止非法用户向组播组发送恶意数据，每个节，景 都需要装备策略信息，具备访问控制能力，而这在实际网络中是很难做到的，因 此c b t 协议无法有效解决对发送源的访问控制问题。因此尽管p i m s m 相对于 c b t 容易造成业务流在核心的汇聚，数据传输的平均时延也较长，p i m s m 协议 还是得到了更为广泛的支持。 2 1 2 共享树的核心发现协议 在共享树组播路由协议中，路由器需要知道共享树的r p 或c o r e 的地址，这 是通过一种所谓的自举发现协议( b o o t s t r a pd i s c o v e r y ) 实现的。我们以p i m - s m 协 议的实现为例加以介绍。 首先自治域中几个路由器被配置为候选自举路由器f c b s r ；c a n d i d a t e b o o t s t r a p r o u t e r ) ，通过简单的选举机制( 如根据i p 地址排序) 选出其中的一个作为 6 北京邮电大学博士论文第2 章动态移动组插的路由和可靠性 b s r 。域中还有一组路由器被选为候选r p 路由器( c r p ) ，通常情况下c r p 路由 器也就是c b s r 路由器。c r p 周期性地向b s r 单播发送c r p a d v 消息，表达 自己想成为r p 的愿望，c r p a d v 包括c r p 的i p 地址，以及分配给它的组播地 址前缀列表。b s r 则周期性地向全网广播自举消息b o o t s t r a p ，这个消息包括本域 内所有的c r p 和组播地址前缀关联。域内所有的p i m 路由器都接收和保存 b o o t s t r a p 消息，当一个d r 接收到加入某个组播组的指示时，它通过b o o t s t r a p 消 息就可确定与该组播地址相关联的r p ，并向其发送j o i n 消息。 2 2 移动环境中的组播路由协议 2 2 1 移动单播路由协议 由于移动环境下的组播路由协议往往涉及到移动单播路由的概念，因此这里需 要首先介绍一下移动单播路由协议( m i p ：m o b i l ei p ) 。m i p 分为m i p v 4 7 和 m i p v 6 8 ，我们以m i p v 4 为例，简要说明它的工作原理。在m i p v 4 中，一个移动 主机( m h ：m o b i l eh o s t ) 原始位置所在的子网称作家乡网络，任何其他子网都是该 移动主机的外地网络。每个子网中有一个家乡代理( h a ：h o m e a g e n t ) ，而外地网络 中有一个外地代理( f a ：f o r e i g na g e n t ) 。当移动主机在家乡网络时，它用家乡地址 按照正常的方式与其他主机通信，而当移动主机移动到外地网络时，它需要首先 获得个外地地址( c o a ：c a r e o f - a d d r e s s ) ，同时把该外地地址通知给家乡网络后， 才可以与其他主机通信。其他主机向移动主机发送的数据首先到达移动主机的家 乡网络，在家乡网络这些数据被h a 捕获，h a 查找地址表找出当前移动主机的外 地地址，随后通过隧道把这些数据发往外地地址。分组在外地地址解封装后，最 终可到达移动主机。而移动主机向其他主机发送分组则没有这么复杂。移动主机 可直接向对端主机发送分组。需要注意的是，如果存在路由器入口过滤问题，则 移动主机发送分组的源地址应该是外地地址而不是家乡地址。图2 2 显示了m i p 的工作过程。 7 北京郏电大学博士论文 墨! 兰垫查壁垫望堡塑些! ! 翌! 里箩1 ： 图2 2 m ! p 的工作原理 2 2 2 耳前的移动组播路由协议 固定网络中的组播协议在移动网络中遇到的问题是： 基于最短路径树的组播路由协议( 比如d 协积p ) 当主机移动后，可能会由0 二 反向路径转发算法( r p f ：r e v e r s ep a t hf o r w a r d i n g ) 而错误的路由组播包或者丢 弃组播包。 共享树协议的性能取决于核心的位置。但是在移动网络中，当发送源或接收者 是移动主机时，随着主机的迁移，核心的位置往往不是最优的。 任何一种组播路由协议，当接收方主机迁移到没有其他组成员的子网中时，会 由于组播树的加入和重建导致较长的时延。 i e t f 在m i p 协议中提出了两种支持移动用户作为组成员的方案。一种称作为 远程加入( r s ：r e m o t es u b s c r i p t i e n ) ，另外一种称作双向隧道( b t ：b i d i r e c t i o n a l t u n n e l i n g ) 。无论移动主机作为组播接收者或组播发送者，这两种方案都适合。 r s 方案很简单，移动主机自己负责处理移动到外地网络后组播树的变动工作。 当移动主机是组播接收者肘，当它移动到新的子网需要首先发送组管理协议 8 北京邮电大学博士论文第2 章动态移动组播的路由和可靠性 ( i g m p 9 ：i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) ，子网中的d r 收到该消息后判断 自己是否已加入移动主机所在的组播组。如果还没有，d r 需要发送j o i n 命令以 便加入到该组播组中。否则d r 不必执行任何操作。同时移动主机离开子网的d r 需要判断移动主机是否是组中最后一个成员，如果是，该子网d r 还需要发送剪 枝命令以便原来的子网脱离组播组。上述过程表明当移动主机作为组播接收者时， r s 方案与哪一种固定网络组播路由协议联合使用，性能上都没有太大差别。但是 当移动主机作为组播业务源时，情况则不同。如果使用最短路径树协议，业务源 的移动会改变组播树的根节点，从而导致整个组播树的重建，这会造成大量的开 销和时延。而如果使用共享树协议，移动组播发送者在新的子网只需要获得新的 c o a 后就可以向共享树的核心发送组播数据，整个组播树并不需要重建。r s 方案 的好处在于组播数据的发送和接收经过最优路径，时延较短。但是主机的移动可 能会导致组播树的改变，这会在r s 中带来一定的开销以及额外的时延。 在b t 中，移动主机向组播组发送或接收数据是通过h a 完成的，即h a 代替 移动主机加入到组播组中。当移动主机需要向组播组发送数据时，就把分组通过 隧道送给h a ，由h a 解封装后再向全组转发。而h a 收到来自组播组的数据后， 也通过隧道把本组的数据送给移动主机。这种方案的好处在于无论移动主机作为 组的发送者还是接收者，整个组播树不需要任何改变，因此不会带来移动主机加 入或离开组播组的开销以及对应的时延。这种方案对于快速移动的主机是比较有 效的。然而这种方案也有明显的缺点：首先组播分组所经历的路由不是最佳路由 ( 存在经过h a 的三角路由问题) ；其次当一个外地子网中有多个移动主机属于同 一个组播组时，每个移动主机的h a 都会向该外地代理发送组播数据的拷贝，导 致带宽的浪费，这称作隧道汇聚问题；最后由于h a 往往负责多个移动主机的组 播任务，它会导致组播业务的中心点失效。 无论r s 还是b t 都有明显的缺陷，因此研究人员提出了很多改建意见，如 【t 0 1 l 】【1 2 】。根据它们所采取的不同改进思路可以分为基于b t 的改进协议，基于 r s 的改进协议以及结合b t 和r s 的改进协议。 2 2 1 1 基于b t 的改进协议 b t 协议的主要问题是当多个h a 同时向一个外地子网转发组播分组时，会引 9 北京邮电大学搏士论文第2 章动态移动组播的路由和可靠性 起隧道汇聚现象，造成带宽的浪费。m o m 1 3 1 4 协议的提出正是为了解决这个问 题。m o m 的机制与b t 类似，它仍然建议h a 代替移动主机加入到组播组中。与 b t 不同的是，在m o m 中每个子网中的外地代理f a 指定它所辖范围内移动主机 中的某一个的h a 作为指定组播业务提供者( d m s p ：d e s i g n a t em u l t i c a s ts e r v i c e p r o v i d e r ) ，只有d m s p 向f a 转发组播数据，其他的h a 不执行此操作。如果d m s p 对应的移动主机离开f a 所在的网络，此时该d m s p 不再向f a 转发分组，f a 需 要从子网中剩余移动主机的h a 中重新选择一个作为新的d m s p ( 这称作d m s p 切换) 。f a 收到组播数据后再向本地子网组播数据，这样就不会发生隧道汇聚现 象。但是m o m 协议仍然没有解决三角路由问题。 2 2 1 2 基于r s 的改进协议 r s 的主要问题在于主机的移动可能会导致组播树的频繁变动，从而引入组播 树重建开销和重建时延。文献0 5 提出了一种称作m o b i c a s t 的方案。m o b i c a s t 采 用类似于r s 的策略，但是把m i p 的层次管理协议 1 6 】【1 7 】与组播结合起来，从而 向组播发送树屏蔽主机的本地移动。移动主机利用m i p 中的域外地代理( g f a ： g a t e w a yf o r e i g na g e n t ) 加入到组播组中。为了发送组播数据，移动主机将组播分 组封装后发送给g f a 。g f a 解封装后，代替移动主机发送分组。而移动主机要加 入组播组的信令则由f a 中继给g f a 。g f a 根据移动主机的请求加入特定的组播 组，并且用另外一个组播地址转发收到的组播数据。该组播地址称为中转组播地 址，它在域中唯对应移动主机请求的组播组。f a 需要加入到中转组播地址以便 接收组播数据并向移动主机转发。只要移动主机在g f a 所属的域中，它的移动都 会对组播组的其他用户屏蔽，因此整个组播发送树不需要重建。m o b i c a s t 还减少 了由于移动主机切换造成的组播会话中断时间。它把物理上相邻的子网组成为动 态虚拟宏小区。当移动主机通过f a 订购组播组时，正在服务的f a 通知其他同属 于一个虚拟宏小区的f a 加入到同一个中转组播组中。只有正在服务的f a 向移动 主机发送组播数据，其他的f a 把数据缓存起来，一旦移动主机发生了切换就可以 立亥向移动主机发送组播数据。这种方式提供了较短的切换时延，减少了组播树 的加入和嫁接的时间，同时f a 中缓存的数据还减少了由于切换带来的分组丢失。 m o b i c a s t 机制合适于移动主机在很多小的无线子网中移动的情况。 文献 1 8 1 提出了一种类似的方案。这种方案引入了一种叫做m u l t i c a s ta g e n t ( m a ) 1 0 北京邮电大学博士论文 第2 章动态移动组播的路由和可靠性 的实体。一个m a 与g f a 的作用相似，它也要同时为一组外地子网中的移动主机 服务。在m a 服务范围内的f a 将本子网内来访移动主机期望加入的组播组通知 m a ，m a 会代替这些f a 加入到组播组中。与m o b i c a s t 方案不同的是m a 将收到 的组播数据以隧道的方式发送给这些f a 。f a 然后再利用本地组播功能把组播分 组发送给移动主机。由于任何两个m a 的服务范围是不重叠的，因此不会发生隧 道汇聚的问题。类似的方案还有 1 9 】。 2 2 1 3 结合r s 和b t 的改进协议 基于b t 的改进协议没有解决三角路由问题，而基于r s 的改进协议依赖于 m i p 中层次结构的支持，因此有人希望既能够解决三角路由问题又避免对其他实 体的依赖，从而提出结合r s 和b t 的方案。r a n g e b a s e dm o b i l em u l t i c a s t ( r b m o m ) 2 0 协议试图在最短转发路径和组播转发树重组开销之间寻求折衷。r s 和b t 可以看作是r b m o m 的两种极端情况。在砌 m o m 中，一个称作m u l t i c a s t h a ( m h a ) 的路由器( 实际上就是一个h a ) 负责把组播分组通过隧道传给具有移 动组播接收者的外地子网。一个移动主机最初的m h a 是它的h a 。r b m o m 采用 m o m 中的算法以避免隧道汇聚。每个m h a 有指定的转发范围( 离开m h a 所经过 的跳数) ，它只把组播分组转发给在此服务范围内的移动主机。当移动主机移动到 新的外地网络时，新的f a 会获知该移动主机此前的m h a ，并计算到m h a 的距 离( 跳数) 。如果该距离超过了m h a 的转发范围，需要选择新的m h a 。在r b m o m 中，当前f a 将作为新的m h a 。如果新的m h a 不在组播树上，它必须发起加入 组播树的操作。r b m o m 协议的性能主要受服务范围的控制，可以选择不同的服 务范围以适应用户的移动性和组的大小。 文献 2 1 2 2 1 也提出了类似的机制。 虽然以上提到众多移动组播路由协议，遗憾的是它们都不是针对共享树协议使 用在移动环境中而提出的。要使共享树协议运行在移动环境中还需要进一步考虑 共享树协议的特性以及移动环境对它造成的影响，以下是我们提出的一种共享树 协议在移动环境中的方案，动态多核共享树协议。 1 l 北京邮电大学博士论文 第2 章动态移动组播的路由和可靠性 2 3 动态多核共享树协议d m c s t 2 3 1 问题的提出 在2 1 1 中提到共享树组播协议创建组播树分为两个阶段，首先需要在网络中 确定共享树核心的位置，随后每个接收者所在的子网路由器向核心发送加入消息 形成最后的组播树。共享树的核心位置决定了最终形成的组播树的形状，并影响 组播树的性能。因此选择一个好的核心是共享树协议的关键。在固定网络中，由 于所有组成员的位置可以事先确定并保持不变，因此可以通过一些启发式算法 2 3 来确定核心的位置，从而得到性能良好的组播树。可是在移动网络中，当发送源 或接收者是移动主机时，随着主机的迁移，核心的位置往往不是优化的，这导致 共享树协议在移动网络中性能很差。研究表明在组播通信中选择一个固定位置的 核心与一个最优核心性能相差很大。 如果能够让核心的位置随着组成员的移动而改变，也即当核心所决定的组播树 性能不能满足要求时，在网内根据当前组成员的分布重新选择一个优化核心，让 所有组成员重新加入到此核心，则就能改变组播树的性能。文献 2 4 1 根据这个思想 提出了一种移动环境中核心移动的方案。该方案的主要思想是： 1 确定一组备选的核心： 2 预测在当前组成员分布的条件下，以每个被选核心为根的共享树的性能； 3 如果其中最优的共享树的性能要好于以当前核为根的树的性能，那么将树的核 心迁移到该备选核上。 文献 2 5 2 6 1 也提出类似的方案。 虽然这种单核移动方案可以显著提高共享树协议在移动环境中的性能，但我们 发现这种方案有明显的不足：首先核心的改变需要重建整个组播树，开销很大， 其次由于组播树重建的时延比较长，在此期间容易导致大量数据包的丢失。因此 这并不是一种理想的方案。我们期望能够在提高共享树协议在移动环境中性能的 同时，并不引起大量的开销以及数据的丢失。因此我们提出一种新的共享树组播 路由协议以解决上面提到的问题。 1 2 北京邮电大学博士论文 第2 章动态移动组播的路由和可靠性 2 3 2d m c s t 协议 d m c s t 协议的特点是采用多个动态变动的核，根据组用户的位置变化，动 态渐进地调整组播树的形状，改善组播树的性能，而由组播树调整所引起的开销 以及数据包的丢失都很小，从而很好地解决固定网络共享树组播协议在移动环境 中所面临的问题。协议还结合了p i m s m 协议和c b t 协议的优点，既能够很好的 解决发送源接纳控制的问题，又不会造成业务流在核心的汇聚。下面将详细介绍 d m c s t 协议。 2 3 2 1 算法概述 我们知道一个组播组中有很多组成员，这些组成员的特性各不相同，在组播通 信开始后，有些组成员的移动范围可能很大，而有些组成员可能仍旧在原始位置 附近。也就是说，某些组成员位置变化导致自身性能的劣化并不意味着其他用户 的性能也变坏了。因此在对组播树作调整时，没有必要作全局优化重建整个组播 树，而可以修改组播树做局部优化。组成员可以根据自己所得到的性能来决定是 否需要重新建立组播树。性能较差的组成员可以在局部重建组播树以改善它们得 到的性能，而性能满足要求的组播成员可以保持该局部组播树不变。根据这一思 想，在我们的协议中，组播树的核不再是一个固定点也不是一个动态移动的点， 而是几个动态变化的点。它们根据组成员的分布，动态的增加和删除，这就是动 态多核共享树的概念。我们通过图2 3 来说明此方案( 为了更好地说明动态多核协 议的思想，图2 3 中省略了连接组播用户与核心的子网组播路由器，并且假定任何 一个主机的移动都会导致组播树的改变) 。 1 3 北京邮电大学博士论文 第2 章动态移动组播的路由和可靠性 om u l t i c a s tr e c e i v e r u n i - d i 矧i o n a lb r a n c h c o r e b i - d i r e c t i o n a lb r a n c h 图2 3 动态多核协议的基本思想 组播通信开始前，所有组播成员都位于区域l ，当前核为c l 。在组播通信过 程中，组成员m 4 、m 5 离开区域1 ，到达区域2 ，( 假设区域l 与区域2 距离较远) ， 这时c l 就不再适合于m 4 和m 5 。我们在区域2 为m 4 和m 5 选择一个新核c 2 ， 同时保留c 1 ，局部变动原来的组播树，改善m 4 和m 5 的性能。当组成员m 1 、 m 2 、m 3 也移动到区域2 时，此时区域l 中已经没有组播用户，则把c 1 删除掉以 减少需要维护的核的数量。通过这