（通信与信息系统专业论文）移动ip网络组播技术的研究与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着无线网络技术的飞速发展和移动设备的迅速普及，用户希望能 通过无线设备随时随地访问i n t e m e t ，移动性支持成为i n t e r n e t 发展的一种必然趋 势。因此，如何为移动主机提供更好的网络接入支持引起了人们的普遍关注。另 一方面，随着组播应用的不断增加以及参与者的增多，组播领域的研究一直受到 人们的广泛关注。由于组播应用具有可扩展性强、高效等优点，这在移动环境下 显得尤为突出和重要，因此移动环境中的组播技术( 即移动组播) 引起了人们越 来越多的重视，在该领域展开了大量详细的研究。 本文介绍了移动口v 4 、移动i p v 6 及i p 组播的基本概念及工作原理，分析了移 动邛组播面临的问题，总结归纳了移动组播算法和协议的评价标准，详细阐述了 移动口v 4 及移动i p v 6 中都给出的两个基本的移动组播机制一双向隧道 ( b i d i r e c t i o n a lt u n n e l ，b t ) 和远程加, 3 , ( r e m o t es u b s c r i p t i o n , r s ) 及基于这两个方案 的多种改进算法和协议的工作原理。在此基础上，讨论了每种算法或协议的优点 以及适应范围，比较深入地剖析了其中存在的缺陷和问题，并对这些移动组播算 法和协议进行了综合对比。 本文对基于p v 6 网络的移动组播协议及其存在的问题进行了深入研究。本文 的主要贡献和创新点如下： ( 1 ) 在基于动态组播代理的移动组播算法原理的基础上，提出了一种新的移动 组播协议t d d m a m o m ( t i m ea n dd i s t a n c e a i d e dd y n a m i cm u l t i c a s ta g e n t - b a s e d m o b i l em u l t i c a s tp r o t o c 0 1 ) 。t d d m a m o m 以时间和距离度量为依据，动态选择移 动组播代理。运行t d d m a m o m 的子网组播代理记录子网内各移动组播接收节点 发出的绑定更新消息数目并定时计算其统计平均值，并以该统计平均值与子网内 各移动节点的绑定更新消息数目的比较结果作为时间的度量。t d d m a m o m 分别 计算移动节点到组播代理的距离和到组播转发树的最短距离( 以跳数计) ，并以两 者的比较结果作为距离的度量。只有时间和距离度量都为真时，t d d m a m o m 才 会更新组播代理。仿真结果表明，t d d m a m o m 避免了组播转发树的频繁重构， 显著降低了组播切换延迟，具有次优的组播传输路径，并且可以很好地与现有的 l 山东大学硕士学位论文 网络协议相融合，具有很强的实用性。 ( 2 ) 针对移动组播中存在的家乡代理单点失效问题，提出了一种多家乡代理实 现机制m h a s m o m ( m u l t i p l eh o m ea g e n t sf o rm o b i l em u l t i c a s t ) 。m h a s m o m 不仅 解决了多家乡代理中移动节点的家乡注册问题，而且引入了新的应用层任播 ( a n y c a s t ) 算法，可以从多个家乡代理中为移动组播接收者选择“最近 的家乡代 理。分析表明该任播算法不仅可以有效地解决家乡代理单点失效问题，还能为移 动节点提供高质量的任播解析服务。 关键词：移动组播；组播切换；组播代理：家乡代理；任播 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dp r o g r e s si nw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dp o p u l a r i z a t i o no f m o b i l ed e v i c e si nr e c e n ty e a r s ，m o b i l eu s e r se x p e c tt oa c c e s si n t e m aw h e n e v e rt h e y h a v et i m ea n dw h e r e v e rt h e ym a yb e t h e r e f o r e ，p r o v i d i n gt h em o b i l i t yo fs u p p o r ti st h e i n e v i t a b l et r e n do fi n t e r n e t i ti si m p e r a t i v et od e t e r m i n et h eb e s tw a yt op r o v i d eb e t t e r s e r v i c e st om o b i l ee q u i p m e n t s i nt h em e a n t i m e ，w i t ht h ec o n t i n u a li n c r e a s i n go f m u l t i c a s ta p p l i c a t i o n s ，弱w e l l 弱m o r eu s e r si n v o l v e d ，i pm u l t i c a s th a sb e c o m ea n i m p o r t a n ts u b j e c ti nb o t hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t a si pm u l t i c a s tn a t u r a l l yh a st h e m e r i to fh i 出s c a l a b i l i t ya n de f f i c i e n c y , w h i c hi sm o r es i g n i f i c a n tf o rm o b i l e e n v i r o n m e n t s ，m o r ea n dm o r ep e o p l ep a ya t t e n t i o nt ot h e s et w ot e c h n i q u e s ，a n dm a n y e f f o r t sa r eb e i n gm a d et ob r i n gt h e mt o g e t h e r ( i e ，m o b i l em u l t i c a s t ) i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h eb a s i cc o n c e p t sa n dw o r kp r i n c i p l eo fm o b i l ei p v 4 ，m o b i l e d v 6a n di pm u l t i c a s ta r ei n t r o d u c e d ，t h ec h a l l e n g e sw h i c he x i s ti nm o b i l em u l t i c a s ta r e a n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h ee v a l u a t i o nc r i t e r i a o fm o b i l em u l t i c a s ta l g o r i t h m sa n d p r o t o c o l sa l es u m m a r i z e d t w ob a s i cm o b i l em u l t i c a s ts c h e m e s ，i e ，b i - d i r e c t i o n a l t u n n e l ( b t ) a n dr e m o t es u b s c r i p t i o n ( r s ) d e f i n e di nb o t hm o b i l ei p v 4a n dm o b i l e i p v 6 ，a n dt h e i ri m p r o v e dv e r s i o nf o rm o b i l em u l t i c a s ta l g o r i t h m sa n dp r o t o c o l sa r e i n t r o d u c e d b a s e do nt h e s ew o r k s ，t h ea d v a n t a g e sa n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o n so ft h e s e a l g o r i t h m so rp r o t o c o l sa r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y , a l s ot h es h o r t c o m i n g sa n dp r o b l e m s a r ea n a l y s e di nd e p t h ，a n dt h e nac o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o ni sg i v e n t h ed i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e sm o b i l em u l t i c a s ta l g o r i t h m sa n dp r o t o c o l si ni p v 6 n e t w o r k sa n dm a j o ri s s u e st h a ti n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fm o b i l em u l t i c a s tr o u t i n g p r o t o c o l s t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dc o n t r i b u t i o n sa l ea sf o l l o w s ( 1 ) b a s e d0 1 1d y n a m i c m u l t i c a s ta g e n ta p p r o a c h ，an o v e lm o b i l em u l t i c a s tp r o t o c o l n a m e dt d - d m a m o m ( t i m ea n dd i s t a n c e a i d e dd y n a m i cm u l t i c a s ta g e n t - b a s e d m o b i l em u l t i c a s tp r o t o c 0 1 ) w a sp r o p o s e d i nt d d m a m o m ，t h ed y n a m i cs e l e c t i o no f m u l t i c a s ta g e n ti sb a s e do nt h em e t r i c so ft i m ea n dd i s t a n c e o no n eh a n d ，t h en u m b e r 山东大学硕士学位论文 o fb i n d i n gu p d a t em e s s a g e s ( b u s ) i s s u e db ye a c hm o b i l en o d eo ft h el o c a ln e t w o r ki s r e c o r d e da n dt h es t a t i s t i c a la v e r a g ei sc a l c u l a t e db yt h es u b n e tm u l t i c a s ta g e n t i ft h e r e i sm o b i l en o d c ( s ) w i t hm o r eb u st h a nt h es t a t i s t i c a la v e r a g e ，t h em e t r i co f t i m ei ss e tt o b et h el o g i c a lv a l u eo f t m e m e a n w h i l e , t h ed i s t a n c e ( m e a s u r e di nh o p s ) b e t w e e n m o b i l en o d ea n dm u l t i c a s ta g e n t ，t h em i n i m u md i s t a n c eb e t w e e nm o b i l en o d ea n d m u l t i c a s tf o r w a r d i n gt r e ea r ec a l c u l a t e d ，r e s p e c t i v e l y t h e s et w ov a l u e sa r ec o m p a r e d a n du s e dt os e tt h el o g i c a lv a l u eo fm e t r i co fd i s t a n c e , i e ， t r u e o r f a l s e o n l y w h e nt h em e t r i c so fb o t ht i m ea n dd i s t a n c ea r e “t r u e ”，t h ec h a n g i n go fm u l t i c a s ta g e n t w i l lt h e nb el a u n c h e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt d d m a m o mh a sa d v a n t a g e ss u c h a sa v o i d i n gt h ef i e q u e n t l yr e c o n s t r u c t i n go fm u l t i c a s td e l i v e r yt r e ee f f e c t i v e l ya n d d e c r e a s i n gm u l t i c a s th a n d o v e rd e l a ys i g n i f i c a n t l y , r e s u l t i n gi nn e a r - o p t i m a lm u l t i c a s t f o r w a r d i n gp a t ha n dc a p a b i l i t yo fi n t e g r a t i o nw i t ht h ee x i s t i n gn e t w o r kp r o t o c o l s ，i e ， b e i n go fg r e a tp r a c t i c a l i t y ( 2 ) a ni m p l e m e n t a t i o no fm u l t i p l eh o m ea g e n t sm e c h a n i s mf o rm o b i l em u l t i c a s t ， i e ，m h a s m o m ( m u l t i p l eh o m ea g e n t sf o rm o b i l em u l t i c a s t ) w a sp r o p o s e di n t h i s p a p e r , t oa d d r e s st h ep r o b l e mo fh o m ea g e n ta sas i n g l ep o i n to ff a i l u r ei nm o b i l e m u l t i c a s t i nm h a s m o m ，t h ep r o b l e mo fh o m er e g i s t r a t i o na m o n gm u l t i p l eh o m e a g e n t si ss o l v e d m e a n w h i l e ，an o v e la p p l i c a t i o n l a y e ra n y e a s ta l g o r i t h mi sa d o p t e di n o b rp r o p o s e ds c h e m e ，b ym e a l 临o fw h i c ha n e a r e s t h o m ea g e n tf r o mm u l t i p l eh o m e a g e n t sc a l lb es e l e c t e di nt h eh o m en e t w o r kf o rm o b i l em u l t i c a s tr e c e i v e r s m h a s m o m i sa b l en o to n l yt os o l v et h ep r o b l e md u et oh o m ea g e n ta sac e n t r a lp o i n to ff a i l u r e ，b u t a l s ot op r o v i d eb e t t e ra n y c a s tr e s o l u t i o ns e r v i c e k e yw o r d s ：m o b i l em u l t i c a s t ；m u l t i c a s th a n d o v c r ；m u l t i c a s ta g e n t ；h o m ea g e n t s ； a n y c a s t 4 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 皇莲主 e t 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的肌心，_ 思丁 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：昱童查导师签名： 期： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 近年来，随着无线网络技术的日益成熟及移动设备的迅速普及，越来越多的 用户通过无线设备连接到i n t e r n e t 上，希望能够随时随地地对网络进行访问。支 持移动性成为i _ n t e r n e t 发展的必然要求，已经有相当多的研究关注于网络如何为 移动性提供支持，其中i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) m o b i l ei p 工作组【l 】的 移动i p ( m o b i l er e ) t 2 - r 其相关技术阳1 是主要研究内容，占据着主导地位并取得了 显著的研究成果。 另一方面，p 组播【a 1 0 】由于具有网络利用率高、能节省发送者自身的资源、 可扩展性较强等优点，在大量新型的网络应用( 例如视频会议、远程教学、实时 信息发布等) 中发挥了很大的作用，因此口组播一直是国际上互联网络科学研究 领域中的热点研究课题。目前，i p 组播已经形成了较为完整的组播协议体系，包 括组播主机和网络的交互协议【1 1 4 】、组播路由协议【1 s 坝、组播的地址管理协议1 2 0 - - 2 2 1 等。但是，i p 组播一直没有在i n t e m e t 上得到广泛应用【1 0 ，2 3 1 ，为此，研究人员提 出了应用层组播【2 4 】等解决方案，并展开了广泛的研究，期望能够实现广域网范围 内的组播服务，同时还希望能够在各种新型网络( 例如无线网络) 中实现组播服 务。 在移动环境中，由于移动节点常常使用无线链路进行通信。由于无线链路存在 链路带宽有限的缺陷，并且无线链路容易收到干扰而导致误码率较高，因此移动 节点在移动过程中丢包现象比较严重、移动切换延迟时间较长，所以如何解决好 上述问题就成为移动i p 技术应用的关键。同时，移动节点的体积通常都比较小， 因此它拥有的能量供应、处理器能力以及存储能力等都比较低。在这种情况下，i p 组播高效使用资源的优点对于移动节点来说尤为重要。移动和组播的结合将会进 一步扩大移动和组播的应用范围，为两者的应用提供更广泛的发展空间，同时也 为两者带来了新的挑战 2 5 2 8 】。在移动环境中，移动组播不仅要建立和维护组播树、 管理动态的组播组成员，还需要解决成员位置动态变化的问题。但是目前l n t e r n c t 中使用的组播协议，如d v m r p 1 5 1 、m o s p f 16 1 、c b t 【1 7 1 、p i m 1 8 , 1 9 】等，通常都假 5 山东大学硕士学位论文 设其成员是静态的，而没有考虑成员位置动态变化的情况。如果在移动环境中使 用现有的组播协议，那么每当组播成员移动位置，切换到新的网络，就被认为是 退出了该组播组，并在新的网络中重新加入了该组播组。这样会给组播组的管理 和组播树的维护带来过多的开销，增加网络开销和组播组管理者的负担。显然上 述协议并不适合移动环境下的组播通信。因此，如何把p 组播和移动结合起来， 为移动节点提供稳定可行的组播服务，是一个值得深入研究的问题。 1 2 研究现状 针对移动环境下的组播问题，国际标准化组织i e t f 在移动i p 2 翻中定义了两种 基本的移动组播方法：双向隧道( b i - d i r e c t i o n a lt u n n e l ，b t ) ( 也称为家乡加入( h o m e s u b s c r i p t i o n , h s ) ) 和远程加入( r e m o t es u b s c r i p t i o n , r s ) 。双向隧道通过请求移动节 点的家乡代理加入组播组来转发组播数据，家乡代理和移动节点之间的通信是采 用封装的隧道传递方式。如果节点距离家乡网络很远，组播数据需要经由家乡代 理来转发，路由效率非常低下，而且也违背了m 组播的本质。 远程加入方法充分体现了口组播所提倡的共享链路特性，它是由移动节点当 前所在链路上的组播路由器代表节点加入组播组，移动节点如同当前网络中的固 定节点一样，能够享受最优的组播数据传递服务。但是，节点的移动会引发组播 树的频繁重构，维护组播树的开销可能会抵消采用i p 组播机制所能够节省的带宽 资源。因此，这两种基本的方法还存在着很多的问题，需要经过不断的改进和完 善才能得到实际的应用和推广。 针对上述两种基本方法所反映出来的问题，提出了很多的改进方法，大致上可 以将这些改进的方法分成四种类型。第一种类型是充分利用两种基本方法的优点， 实现在双向隧道和远程加入方法之间平滑的过渡。由c j e l g e r 等人提出的f h s r ( f i r s th o m es u b s c r i p t i o ns e c o n dr e m o t es u b s c r i p t i o n ) 2 5 】及yh u h 等人提出的 m m o m ( mm o b i l em u l t i c a s t ) t 2 9 1 。上述方法的核心思想是：每个移动节点需要维护一 个永久的双向隧道以不断地接收组播数据，同时在当前网络中还要维护一个临时 的远程加入方式。节点在移动切换时依赖双向隧道方式来减少报文的丢失，完成 切换后转变为远程加入方式提供最优的组播传递，而原来的双向隧道方式依然会 6 山东大学硕士学位论文 保留。这种方法虽然能够降低节点切换过程中报文的丢失率，并且为移动组播组 成员提供最优的路由路径，但是，在不需要依赖双向隧道方式提供组播服务时， 家乡代理依然在接收组播数据，严重浪费了网络带宽资源。 第二种类型是通过为组播代理设定服务区以在组播树维护开销和组播数据传 递开销之间取得一种平衡，如r l i n 等人提出的基于范围的移动组播方案r b m o m ( r a n g e - b a s e dm o b i l em u l t i c a s t ) 3 0 1 、ys u h 提出的m m a ( m u l t i c a s tb ym u l t i c a s t a g e n t ) t m l 及yw a n g 等人提出的基于服务区( s e r v i c e 觚a ) 的加入机制【3 2 】。在这些方 案中，组播代理代表服务范围内的移动节点加入相应的组播组，在服务范围内节 点的移动不会引起组播树的重构，只有在节点移出了服务区，才需要重构组播树。 这些方案需要事先对服务区的大小进行配置，不能根据网络拓扑结构、组成员数 或节点运动特性进行动态的调整，因此具有很大的局限性。 第三种类型是利用环境特征比如节点的移动特性、分布规律、组播树的物理 位置等信息来改善协议的性能。j p a r k 等人提出的t b m o m ( t i m e r - b a s e dm o b i l e m u l t i c a s t ) 1 3 3 】根据节点的移动特性来决定是否需要重构组播传递树。只要在设定的 时间内，不管节点移动地快或慢，都不会引起组播树的重构：直到超时，才考虑 重构组播树。张宏科等提出的基于动态组播代理的移动组播方案【3 4 3 5 1 引入了组播 子网代理( m u l t i c a s ts u b n e ta g e n t ，m s a ) 和动态组播代理( d y n a m i cm u l t i c a s ta g e n t ， d m a ) 的概念，并根据节点的移动切换情况动态选择组播代理。但是，这些方法在 密集模式下协议性能会受到影响，比如对于文献【3 3 】中提到的方法，如果网络中的 移动节点数目很多时，就非常容易引发重构操作，与远程加入方式没有太大的区 别。因此利用环境特征时应该考虑可扩展性因素。 第四种类型就是采用层次移动管理思想。研究者针对移动p 协议的研究，发 现采用层次移动管理模型可以有效提高点对点通信方式的性能【3 6 , 3 7 。因此，很多 研究者考虑在移动组播中引入层次结构。t s c h m i d t 等 3 8 】提出了一种基于层次结构 的移动组播方案，每一个域的根路由器代表域内的节点加入相应的组播组，负责 为它们提供组播服务；节点在域内的移动不会引起组播树的重构，只有在域问切 换才需要重构组播传递树。文献 3 9 4 l 】等也都利用了这种思想来改进移动组播的 性能。这些方法对组播转发树实现了微移动透明性，而组播树分枝又延伸到移动 7 山东大学硕士学位论文 暑曼! 量鲁詈! ! 量曼皇! 鲁詈詈曼曼! 曼皇皇曼曼鼍- , i , i p l 鼍暑詈量詈鲁皇皇皇詈詈詈詈詈詈_ 节点当前所在的域，因而提供了近似最优的组播数据转发服务。 通过分析可知，大部分的改进方案都是通过结合两种基本方法的优点来改善组 播服务的性能。但是，这些方案往往会引入新的实体，增加了协议的复杂性，难 以与现有的网络体系结构相兼容。在增强某些方面的性能时，可能牺牲了其它方 面的性能，比如在解决双向隧道方式中的隧道会聚问题时，可能会带来对漫游节 点难以管理的问题，同时还引入了d m s p 切换问题【4 2 1 。在提供最优的组播数据传 递服务时，往往会产生大量的组播树重构开销；在尽量避免组播树重构时，往往 又导致了非最优的路由。此外，移动切换中的延迟和丢包问题如何控制，以及如 何满足大量用户通信的需求等，都是亟需解决的问题。 近年来，移动口组播被认为是下一代网络技术的支撑技术之一而被广泛关注。 从目前移动通信与无线网络的发展趋势来看，国际上相关研究机构都非常重视移 动妒路由协议的研究【1 ，2 引，而移动组播能够在移动环境下有效节省带宽资源，成 为这其中最重要的一个研究方向。由于在移动p 和i p 组播协议方面的研究越来越 成熟，移动p 组播路由协议的发展正面临着新的突破。特别是在i p v 6 协议中明确 表示所有节点都支持组播功能，而且移动i p v 6 在i p v 6 协议体系中是一个必选的扩 展报头【4 3 州，这为移动组播的发展提供了良好的平台。相对于移动i p v 4 而言，移 动i p v 6 做了许多方面的改进工作【3 】，包括提出了路由优化、完善了移动检测、加 强了安全保护等，这些改进必将促进移动组播的不断完善。移动p v 6 己成为了p v 6 协议不可分割的一部分，而移动组播也将会成为移动口v 6 的重要组成部分，它为 我们描述了一幅在全球i n t e m e t 上实现移动功能的美好前景。 1 3 研究创新点及论文结构 本文在基于动态组播代理的移动组播算法原理【3 4 3 5 】的基础上，提出了一种新的 移动组播协议，并将其简称为t d d m a m o m ( t i m ea n dd i s t a n c e - a i d e dd y n a m i c m u l t i c a s ta g e n t - b a s e dm o b i l em u l t i c a s tp r o t o c 0 1 ) 。首先，t d d m a m o m 采用了新的 快速组播切换机制【4 5 】，并根据t d d m a m o m 协议规范对其进行了有效扩展，实现 了无缝的移动切换，大大降低了组播服务中断时间。其次，该协议充分考虑到节 点的移动速率及移动方式，引入了时间度量和距离度量的概念，并以此为依据， 8 山东大学硕士学位论文 动态选择更新移动组播代理。运行t d d m a m o m 的子网组播代理记录子网内各移 动组播接收节点发出的绑定更新消息数目并定时计算其统计平均值，并以该统计 平均值与子网内各移动节点的绑定更新消息数目的比较结果作为时间的度量。 t d d m a m o m 分别计算移动节点到组播代理的距离和到组播转发树的最短距离 ( 以跳数计) ，并以两者的比较结果作为距离的度量。只有时间和距离度量都为真 时，t d d m a m o m 才会更新组播代理。 另外，针对移动组播中存在的家乡代理单点失效问题，提出了一种多家乡代 理实现机制m h a s m o m ( m u l t i p l eh o m ea g e n t sf o rm o b i l em u l t i c a s 0 。m h a s m o m 不仅解决了多家乡代理中移动节点的家乡注册问题，而且采用了应用层任播 ( a n y c a s t ) 7 0 ) 亨案，从多个家乡代理中为移动组播接收者选择“最近”的家乡代理。 本文的内容安排如下： 第二章介绍了移动口、移动m v 6 及组播技术的基本原理。首先，介绍了移动 i p v 4 和移动i p v 6 的主要功能实体和基本操作过程。然后，分析了一种基于移动口v 6 的快速切换技术- - f m i p v 6 。最后，讨论了组播技术的构成要素，包括组播地址、 组播成员管理协议和组播路由协议等。 第三章分析了移动组播的两种基本机制及其改进的算法和协议。首先分析了 当前移动组播协议研究面临的主要问题，总结归纳了移动组播协议设计的评价标 准。然后，详细介绍了现有的移动组播算法和协议的工作原理，并分析了这些算 法或协议的优点及应用范围，同时深入剖析了其中的缺陷，并对其进行了综合对 比。 第四章在基于动态组播代理的移动组播算法原理的基础上，提出了一种新的 移动组播协议一t d d m a m o m 。t d d m a m o m 采用了新的快速组播切换机制，并 以时间和距离度量为依据动态选择更新组播代理。在本章的最后，对该协议进行 了仿真，并与现有的基于动态组播代理的协议进行了对比。结果表明，本文提出 的协议避免了组播转发树的频繁重构，显著降低了组播切换延迟，具有次优的组 播传输路径，并且可以很好地与现有的网络协议相融合，具有很强的实用性。 第五章针对移动组播中存在的家乡代理单点失效问题，提出了一种多家乡代 理实现机制- - m h a s m o m 。该机制不仅提出了一种针对多家乡代理的移动节点家 9 山东大学硕士学位论文 乡注册方案，而且针对多家乡代理选择问题，提出了新的应用层任播算法，从而 可以从多个家乡代理中为移动组播接收者选择“最近 的家乡代理。分析表明该 任播算法不仅可以有效地解决家乡代理单点失效问题，还能为移动节点提供高质 量的任播解析服务。 第六章对全文的工作进行了总结并对下一步的工作进行了展望。 l o 山东大学硕士学位论文 第二章移动i p 及组播概述 在正式讨论移动组播协议之前，有必要介绍一下移动i p ( m o b i l ei e , m i p ) 2 】和 ( m o b i l ei p v 6 ，m i p v 6 ) t 3 彤】的基本原理。移动i p 协议是目前公认最好的支持通信节 点移动的网络层解决方案。在当前i n t e r n e t 基于网络前缀路由的前提下，该协议使 得移动节点可以通过一个永久的口地址连接到任何链路上，并且当节点在不同的 网络问不断切换时仍能保持正在进行的通信。 另外，本章介绍了口组播【_ 7 】的基本概念，并阐述了固定网络中所采用的组播 组成员管理协议及组播路由协议的工作原理。 2 1 移动i p 移动科2 1 是一个在i n t e m e t 上基于网络层提供移动支持功能的解决方案。在当 前i n t e r n e t 基于网络前缀路由的前提下，移动毋使得移动主机在不同网络间不断 移动的过程中仍能保持通信。它主要解决： 移动主机可以通过一个永久的p 地址连接到任何链路上； 移动主机在切换到新的链路上时，仍然能够保持正在进行的通信。 与改变口地址、特定主机路由和链路层方案不同，移动i p 具有扩展性、可靠 性和安全性。它与下层的物理传输介质无关，不需要改变移动主机的永久标识， 并且与现有的i n t e r n e t 协议相兼容，能够与不具有移动p 功能的主机进行正常通 信。 2 1 1 移动i p 的功能实体 m i p 定义了移动节点、家乡代理和外地代理三个功能实体： ( 1 ) 移动节点( m o b i l en o d e ，m s ) - 在子网间切换的主机或路由器。它在移动过 程中不断地改变网络接入点，但总是使用原有的i p 地址保持与其他节点的 通信。 ( 2 ) 家乡代理( h o m ea g e n t ，h a ) ：移动节点家乡链路上的路由器。它负责维护 移动节点当前位置的信息，并且把来自通信对端的分组通过隧道转发给移 山东大学硕士学位论文 动节点。 ( 3 ) 外地代理( f o r e i g n a g e n t ，f a ) - 位于移动节点访问网络上的路由器。它负责 将来自家乡代理的分组转发给移动节点，同时把移动节点发送的分组路由 出去。 2 1 2 移动i p 的基本操作 如图2 1 所示，m i p 的基本操作过程如下： ( 1 ) 外地代理和家乡代理通过代理公告消息向移动节点通告它们的存在。移动 节点收到代理公告消息后，判断它是在家乡网络还是外地网络上。如果移 动节点在家乡网络上，其操作与固定节点一样。如果移动节点在外地网络 上，那么它将获得该外地网络上的一个转交地址( c a r e - o fa d d r e s s ，c o a ) 。 这个转交地址或者来自外地代理的路由公告消息，或者由动态主机配置协 议d h c p 【4 明等外部分配机制确定。前者称为外地代理转交地址( f o 而印 a g e n tc o a ) ，后者称为配置转交地址( c o - l o c a t e dc o a ) 。 ( 2 ) 移动节点向家乡代理发送注册请求消息，通告它新获得的转交地址。 ( 3 ) 收到注册消息后，家乡代理创建或修改“移动绑定”，在规定的生存期内 保持移动节点家乡地址和转交地址的关联。同时，它向移动节点返回注册 确认消息。 ( 4 ) 通信对端发往移动节点的数据分组被家乡代理截获，后者通过隧道把截获 的数据分组发送到移动节点的转交地址。隧道的输出端点( 外地代理或者 移动节点本身，图2 1 中是外地代理) 将收到的报文进行解封装后，交给移 动节点。 ( 5 ) 移动节点发出的分组通过标准的口路由机制被路由到通信对端，不需要经 过家乡代理。 1 2 山东大学硕士学位论文 外地代理 移动节点 通信对端 家乡代理 图2 1m i p 的工作原理 从上面的基本操作过程可知，移动节点发送和接收数据分组的转发路径是不 一致的，两者形成了一个三角形，这就是所谓的“三角路由一问题。 2 2 移动i p v 6 2 2 1 移动i p v 6 与m i p 的比较 移动i p v 6 3 彤1 中的许多概念与m i p 相同或类似，如移动节点、家乡代理、家 乡地址和转交地址等。不过，这两种协议也有许多不同之处，主要包括： ( 1 ) 外地代理：m i p v 6 不再需要外地代理。移动节点可以使用i p v 6 的特性( 如 邻居发现【5 0 】和地址自动配置机制【5 l 5 2 】) 来配置地址和发送分组，无需外地 网络上的路由器提供特别的功能支持。 ( 2 ) 转交地址：由于不存在外地代理，m i p v 6 中只有一种转交地址，即移动节 点通过地址自动配置机制得到的配置转交地址。 ( 3 ) 路由优化：路由优化是m i p v 6 的基本功能，而不像m i p 那样是可选的。 m i p v 6 允许通信对端发出的分组直接路由到移动节点，而不必通过家乡代 理转发，解决了m i p 的“三角路由 问题。 1 3 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 隧道封装：使用优化路由后，通信对端发往移动节点的数据分组不需要家 乡代理使用隧道封装的方式转发，从而降低了数据分组的转发开销和转发 延迟。 2 2 2 移动i p v 6 的工作原理 常规的i n t e r a c t 路由算法会把目的地址为移动节点家乡地址的分组转发到节点 的家乡链路，因而m i p v 6 协议需要在不改变这种路由机制的前提下保证离开家乡 的移动节点能够与其他节点通信。m 口v 6 协议的基本操作过程如下： ( 1 ) 移动节点接收到外地网络的路由器公告，判断出自己已经移动到了新的网 络，并配置新的转交地址。 1 4 ( 2 ) 移动节点向家乡代理发送绑定更新消息以通告它最新的位置。 ( 3 ) 家乡代理建立或更新该移动节点的绑定缓存项，并向移动节点返回绑定确 认消息，完成“家乡注册过程。 ( 4 ) 由于不知道移动节点的最新位置，通信对端依然将分组发往移动节点的家 乡地址。分组被家乡代理截获后，通过家乡代理与移动节点间的隧道发往 移动节点的新位置。 通信对端 外地接入路由器 1 j q 八? 移动节点 图2 - 2m i p v 6 的工作原理 家乡代理 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 移动节点收到通过隧道发送的分组后，判断出通信对端还不知道自己的新 位置，因而向通信对端发送绑定更新消息。 ( 6 ) 通信对端建立或更新该移动节点的绑定缓存项，并返回绑定确认消息，完 成“通信对端注册 过程。 ( 7 ) 通信对端直接发送分组到移动节点的新位置。 2 2 3 移动i p v 6 的主要操作过程 2 2 3 1 移动检测过程 移动节点可以组合使用任何可用的机制来检测它是否移动到了新的链路。在 m 口v 6 中定义的移动检测机制主要是利用m i p v 6 的邻居发现机制f 删( 包括路由发 现和邻居不可达检测) ，但并不排斥使用其他机制，例如使用低层协议提供的信息 等。移动节点通过检查当前默认路由器是否可达来判断自己是否发生了移动。如 果当前默认路由器已经不可达，并且发现了一个新的默认路由器，移动节点就可 以假定自己已经移动到了新的链路上。 移动节点可以使用路由发现机制定义的路由器公告消息，发现新的路由器和 新的“链路在线子网前缀”( o n - l i n ks u b n e tp r e f i x ) t 4 4 1 。移动节点向路由器发送路由 器公告请求，或被动地等待下一个公告周期来获得路由器公告消息。根据收到的 路由器公告消息的内容，移动节点在默认路由器列表中为每个路由器维护一个表 项，在前缀列表中为每个链路在线子网前缀维护一个表项。这两种表项一般都关 联着计时器，用于判断表项何时过期。 移动节点使用“邻居不可达检测 机制来检查默认路由器的不可到达。如果 移动节点一直在通过默认路由器发送分组，例如上层协议指示某个连接状态为“正 在进行，或者从默认路由器收到了响应自己邻居请求消息的公告，那么移动节点 就认为路由器是可达的。相反地，移动节点可以通过路由器公告中的公告间隔选 项发现公告的丢失。每个移动节点单独决定在丢失多少条路由器公告后，判断该 路由器为不可达。 1 5 山东大学硕士学位论文 2 2 3 2 转交地址的形成过程 移动节点在检测到移动发生之后，应该使用新的默认路由器所提供的子网前 缀形成新的转交地址。移动节点通过m i p v 6 的无状态【5 2 】或者有状态( 例如 d h c p v 6 5 1 1 ) 地址自动配置机制生成转交地址。关于地址自动配置的细节，m i p v 6 并没有更多的要求。在某些情况下，外地网络的系统管理员己经为移动节点静态 指定了一个仅供在本地链路使用的i p v 6 地址，此时移动节点可