（计算机应用技术专业论文）移动因特网中群组成员管理协议的研究.pdf

摘要 因特网技术和无线技术结合形成了移动因特网计算。随着各种各 样有线因特网和不同种类无线接入网络的逐渐结合，越来越多的服务 将在不久的将来应用到移动因特网环境中。最近几年，基于群组的应 用、协议和算法已经获得了普及。本文通过对有线因特网和移动因特 网的网络环境中群组成员管理模式的深入研究，提出和设计了基于层 次环模型的成员信息传播算法和拓扑结构维护算法。 该群组成员管理协议以并行与分布式方式运行，层次结构中每个 代理维护与其可能的邻居相关的局部消息，包括领导结点、前一个结 点、后一个结点、父结点和孩子结点。在每个逻辑环中，通过运行 咖e m u n d 令牌传递算法，每个代理独立地收集、生成并传播成员关 系改变成员更新消息。在整个层次环结构中，每个代理沿着层次结 构独立地、周期性地传播成员关系信息。最终成员关系改变，成员更 新信息通过成员信息传播算法传送到顶层逻辑环的领导结点。顶层逻 辑环的领导结点记录全局的群组成员信息。在成员关系信息传播以及 修复代理错误和网络错误的同时，层次环模型的拓扑结构可能随之发 生变化。为此本文提出了重构层次环模型的拓扑结构维护算法。拓扑 结构算法不但能处理成员改变引起的代理加入、退出层次结构，而且 在利用错误检测机制的基础上能及时排除因结点出错或者网络出错 引起的错误，从而恢复层次环结构。通过大量的理论分析和模拟实验 证明，当群组规模变大以及群组成员分布区域变大时，该协议的扩展 性很好；另外，该协议具有很强的容错能力。 移动因特网的研究是有线因特网与无线通信技术结合的一个重 要研究方向。目前大多数群组成员管理协议针对有线网络环境，未能 充分考虑移动因特网特性，如主机移动性。本文设计的群组成员管理 协议特别考虑到移动因特网的特性，对于相关研究具有一定的借鉴意 义。 关键词移动因特网，群组成员，局部群组，邻居检测，容错 a b s t r a c t r n t e m e tt e c h n o l o g ya n dw i t e l e s st e c h n o l o g ya r ec o n v e r g i n gf o r m o b i l ei n t e m e tc o m p u t i n g ，w i t ht h ei n t e g r a 矗o no fh e t e r o g e n e o u sw i r e d i n t e m e ta n dd i 绦：r e n tk i n d so fw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k s ，m o r ea n dt n o r e a p p l i c a t i o n sw i l lb ed e p l o y e di nm o b i i ei n t e m e t 盯i v i r o n n l e mi n 吐l en e a r 内m r e i nr e c e n t y e a r s ，g r o u p 曲a s e da p p i i c a t i o n s ， p r o t o c o l s a n d a 培o r i t h m sh a v cg a j n e di np o p u l 硎t y b a s e do nat h o r o u g hi n v e s t i g a t i o n o ng r o u pm e m b e r s h i pm a n a g e m e n ts c h e m e si nt h en e t w o r ke n v i r o n m e n t i n c l u d i n gw i r e di n t e m e ta n dm o b j l ei n t e m e t am e m b e r s h i pp r o p a g a t i o n a 1 9 0 r i 岫a n dat o p o l o g ym a i n t e n a n c ea l g o r i t h mb a s e d 蜘c h e n g b a s e d h i e “”c h y2 l r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r j t h ep m p o s e dm e m b e r s h i pp r o t o c o lm n si nap a r a l i e ia n dd j s t r j b u t e d w a yi nm es e n s em a te a c hp m x yi i lt h eh i e r a r c h ym a n 协i n sl o c a l i n f o m a t i o nr e l a t e dt oi t sp o s s i b i en e i 曲b o r s ，i n c l u d i n gl e a d e r p r e v i o u s ， n e x t ，p a r e n ta n dc h i l dp r o x y e a c hp r o x yi nal o 舀c a lr i n gi n d 叩e n d e n t l y c o l l e c t s ，g e n e f a t e s 8 n ds e n d s m e m b e r s h i pc h 卸g e u p d a t em e s s a g e s p r o p a g a t e db ym eo n e r o u n dt o k e np a s s i n ga l g o r i t ，e a c hp r o x y p r o p a g a t e sm e m b e r s h i pc h a n g e ，u p d a t em e s s a g e sa l o n gm er i n g 与a s e d h i c r a r c h yi n d e p e n d e m l y f i n a l l y m e m b e r s h i pi n f o r n l a t i o ni sp r o p a g a t e d t ot h el e a d e ro fm et o pl o g i c a lr i n gi nt h eh i e r a r c h ya c c o r d i n gt om e m e m b e r s h i pp r o p a g a t i o na l g o r i t ，i nt 1 1 i sw a 舅t h ei e a d e ro ft | l et o p l o g i c a lr i i 培i n 幽eh i e r a r c h ym a i n t a i n s9 1 0 b a lg r o u pm e m b e r s h i po fm e 伊o u p a tt 王l e s 枷et i m eo fp r o p a g a t i n gm e m b e r s m pi n f o m l a t i o na n d r e p a i r i n g 也ef a i l u r e so fn o d e so rn e t w o r k ，t 1 et o p o i o g yo fc h er n g b a s e d h i e r a r c h ym a yc h a n g ea c c o r d i n g l y t h e r e f b r e ，w ep r o p o s eat o p o j o g y m a i n t e n a n c ea l g o r i t h mt or e c o n s t r u c tt h e “n g b a s e dh i e 飓l 曲yn e t o p o l o g ym a i n t e n a n c ea l g o r 砒nn o to n l yd e a l sw i t ht h ec a s e 幽a t 幽e p r o x i e sa t t a c ht o ，d e t a c hf i r o mm eh i e r a r c h y b u ta l s oe x c l u d e st h ef a u l t s d u et on o d e n e m r o r kf a i l u r e si nt i m e ，a n dh e a l sm eh i e r a r c h yt h e r e 疆瓯 e x t e n s i v et h e o r e t i c a ia n a i y s i sa 1 1 ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，w h e nt h e s i z eo ft h eg r o u pa n d o rt h eg e o g r a p h i c a la r e am a t 黟0 u pm e m b e r sc o v e r b e c o m ef a 堰e ，t h ep r o p o s e dp r o t o c o ls c a l e sw e l l ；m ep r o p o s e dp r o t o c o li s a i s os t m n 舀yr e s i l i e n tt 0m ef a i l u r e s n t h er e s e a r c ho nt h ec o m b i n a “o no fw i r e di n t e m e ta n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e si s b e c o m i n ga ni m p o r t a n tr e s e a r c ha r e a m o s to ft 1 1 e e x i s t i n gg r o u pm e m b e r s h i pm a i i a g e m e n tp r o t o c o l s a r e s p e c i f i ct ot h ew i r e dn e t w o r k s ，w h i c hd on o tc o n s i d e rt h ec h a m c t e r i s t i c s o fm em o b i l ei m e m e ts u c ha sh o s t m o b i l i 砂t h ep r o p o s e dg r o u p m e m b e r s h i pm a l l a g e m e n tp r o t o c o li nt h i sp 印e re x p l i c i t l yc o n s i d e r st h e c h a r a c t e “s t i c so f m o b i l ei n t e m e t w h i c hc a nb eu s e df b rar e f e r e n c et ot h e r e i a t e dw o r k si nt h i sr e s e a r c ha r e a k e yw o i sm o b i l ei n t e m e t ，伊0 u pm e m b e r s h i p ，l o c a lg r 0 1 l p ，n e i 曲b o r d e t e c t i o n f a u l tt o l e r a n c e n i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谤| 的地方外，论文中不包含其他入已经发表或者撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或者其他单位的学位或者证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：j 目氤日期：堕年尘，呼生日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即；学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或者部分内容，可以采用复印、缩印或者其它手段保存学 位论文；学校可根据国家或者湖南省有关部门规定送交学位论文。 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 无线和有线的结合产生出移动因特网服务( m o b i l ei n t e m e ts e r v i c e ) 的概念， 它能够提高用户在工作中、在家中或者在途中访问有用信息的能力。本章首先介 绍了移动因特网的相关背景，接着介绍了群组成员管理课题的来源及发展现状， 然后讲述了本课题的研究内容和主要创新点，最后阐述了论文的主要组织情况。 1 1 移动因特网的相关背景 人类社会正在迈向信息时代。信息时代的到来使人类社会的工作方式和生活 方式发生了巨大的变化。在很大程度上，人类生活要依靠对信息的收集、分析、 处理、综合、转让和分发。人们利用电话、电视、计算机等工具通过各种互连的 通信网和计算机网可以突破时间和空间的限制，极为方便、广泛地获取、传输和 存储信息，从而提高了人类的生存、发展、组织、管理、决策和控制能力。 因特网( i m e m e t ) 是目前世界上最大的计算机网络。它把全球的计算机网 络与主机连接起来，包含了难以计数的信息资源，为全世界提供信息服务。连接 在因特网上的计算机可以充分地实现全球信息共享，用户可以方便地交换信息和 使用信息。2 0 世纪9 0 年代以来，因特网的商业化发展突飞猛进，成为一个覆盖 社会各个领域的公众信息网络。今天的因特网己不再是计算机人员和军事部门进 行科研的领域，而是一个开发和使用信息资源的覆盖全球的信息海洋，它已经深 刻地渗透到人们的社会生产和生活的方方面面。 在信息技术领域里另一个热门技术就是无线通信技术。它使得人们可以在任 何时日】、任何地点方便地与他人进行交流。由于它给人们的工作和生活带来了极 大的便利，人们对移动性的需求日益增长，全球的无线通信业正突飞猛进地向前 发展。 随着时代的进步，人类对通信的移动性和信息的需求性急剧上升。越来越多 的人希望在移动的过程中高速接入因特网，获取急需的信息，完成想做的事情。 传统的因特网技术主要是用于面向数据的、尽力而为的服务，而传统的无线技术 主要用于支持用户移动的面向声音的追求服务质量的服务。于是因特网技术与无 线技术相结合而形成的“移动因特网，i l l 技术应运而生。随着各种各样的有线因 特网和不同种类的无线接入网络的结合，越来越多的服务将在不久的将来应用到 移动因特网环境中。移动因特网服务有时也称无线因特网服务，是指利用手机或 者其它移动终端以直接上网，以获取因特网所能提供的某些服务。这种融合的技 硕十学位论文第一章绪论 术能够提供比两个单独技术总和更多的机会：通过任何网络、在任何地方、利用 任何设备、在任何时刻及时地得到信息服务。其出现必将再次深刻地改变人类的 工作和生活方式。成为人类生活不可缺少的一部分。在不久的未柬，随着各种各 样的有线网络和不同种类的像无线局域网( w i r e l e s sl a n ，简称w l a n ) 、蜂窝 网络( c e l l u l a rn e t w o r k ) 以及卫星网络( s a t e i l i t en e t 、v o r k ) 等无线接入网络的结 合，会有更多的服务应用于移动因特网环境黾，比如服务质量支持的多媒体服务 和移动支持的个人服务。 与有线因特网所能提供的服务相比，移动因特网在个性化服务、付费便利、 及时提供最新信息、隐私保护及广泛的服务范围等方面有着无可比拟的优越性。 但它也有其固有的局限性。这主要是因为现有的因特网技术所面向的终端大部是 台式机或者其他具有更强计算能力的计算机，其传输媒介为带宽和可靠性能均较 高的数据网络。而移动终端受其移动性和便携性的制约，与台式机相比，c p u 主频与计算能力都较差，存储器容量、显示屏和输入设备大小也受到限制。同时， 无线数据网与有线网相比，带宽、连接的可靠性及网络的可预测性都相对铰低， 网络延迟也比有线网长。 1 2 群组通信系统 群组通信系统( g r o u p c o m m u n i c a t i o n s y s t 咖s ，简称g c s ) 在传统因特网中 的研究已经进行很多年了，现在仍然是一个很热的研究课题，尤其足在如何把已 有的成果扩展到移动与无线的环境中这一方面。在群组通信系统中，群组是指一 组进程，这些进程被称为该群组的成员；每个群组有一个称为群组名或者群组地 址的唯一标识符以予以区分：进程可能自愿地加入或者退出群组，或者因出错而 离开。 群组通信系统提供两种主要的通信服务。一种称为群组成员服务( g r o l j p m 鲫b e r s h i ps e r v i c e ) 。群组成员是一个群组中当j ；i 活跃的进程列表。群组成员服 务维护m e m b e 卜j o i n 、m e m b c r - l e a v e 、m e m b e r - f a i l u r e 、m e m b e r - h 姒d o f r 、 n e 研o r k - p a n i t i o n 、n 嘶o r k m e r g e 事件发生时的成员列表。群组成员服务的输出， 也就是成员列表。通常称为视图( v i e w ) 。另外一种主要的服务称为群组维播服 务( g r o u pm u l t i c a s ts e r v i c e ) ，它涉及有效地从一个或者多个源同时传送消息到群 组中当前的视图成员。读者可以参考近来一篇综述1 2 1 ，该综述总结了3 0 多种群 组通信系统。 群组成员服务有两大类：主分区成员服务( p r i m a r yc o m p o n e n tm e m b e r s h i p s e r v i c e ) f 3 4 】和可分区的成员服务( p a n i t i o n a b l em e m b e r s h i ps e r v i c e ) 【5 6 1 。主分 硕士学何论文 第一章绪论 区成员服务保证在任何时候群组都由单个视图实现。从用户的观点看，这意味着 成员服务确保视图集是按全序排列的。可分区的成员服务允许同一个群组有不同 的视图，或者称为并发视图( c o n c u r r e n tv i e w s ) 。在这种情况下，每个视图的进 程就像是当前实现该群组的唯一进程。 群组通信系统足一个便于开发容错分布式应用系统编程的重要部件之一。传 统地，使用群组可以获得以下两个目的之一：( 1 ) 共享状态维护；( 2 ) 信息传播 f ”。本文关注于移动因特网中的信息传播。对于信息传播，成员信息对于以下目 的很有必要。首先，对于可扩展、可靠的组播，成员信息用束重构组播结构如组 播树，作为对成员信息变化、成员切换、网络分区与网络合并的回应。其次，当 采用基于应用或者基于时间的记帐法时，它还可以用柬对用户登帐。第三，统计 收集成员信息，再用数据挖掘程序查找有效的用户使用( u s e r - l l s a g e ) 模型。例 如，为了同时让登广告者和广告服务商的利益最大化，回答如“何时及何地插入 广告节目到普通数据或者多媒体流”的问题就显得很重要。 1 3 群组成员管理研究现状与分析 面向异步系统的群组成员管理问题方面的工作最先出现在i s i s 系统【g 】中，而 面向同步系统的工作可以参见文献【9 1 。从那以后，提出了许多成员算法，它们 大体上可以分为三大类：( 1 ) 基于广播1 1 0 j ：( 2 ) 基于协调程序珐1 3 】；( 3 ) 基 于令牌1 5 l 。基于令牌算法的基本思想是把若干个群组成员组织成一个逻辑环， 然后让令牌环绕逻辑环传播成员关系信息。但是，众所周知，基于逻辑环的算法 难以扩展到大规模的群组通信环境中。 为了提高成员管理算法的可扩展性，研究人员提出了许多可扩展的成员管理 模式。成员角色( m e m b e r s h i pr o l e s ) 1 1 6 】模式区分核心成员( c o r em e m t h e r s ) 、客 户成员( c i j e mm e i t i b c r s ) 和汇点成员( s i i l l 【m e m b e r s ) 。s p r e a d 系统集成了两个 层次的协议：一层是适合局域网( 妇a l 加e an e 铆o f k ，简称l a n ) 环境的r j n g 协议。另一个是适合于连接局域网的广域网( w i d e a r e a n e 附o r k ，简称w a n ) 环境的h o p 协议。 有一些多层的层次结构模式具有更好的可扩展性解决方案，例如t r a l l s i s 系 统【1 7 1 、c o n g r e s s 系统和m o s h e 系统【1 9 l 。t r a i l s i s 系统把广域网看作是由组 播簇组成的层次结构，每个簇代表一个计算机的域，这些计算机可以通过广播或 者组播硬件进行通信。若干个簇安排在层次结构中，每个局部域中的代表 ( t e d f e s 蹦饶出v e ) 结点参与沿层次结构上一层钓操作。层次结构中每一层就是一 个群组域，由它维护内部的群组服务。t r a n s i s 系统的显著特征之一是抽象 硕士学伊论文第一章绪论 ( a b s t r a c t i o n ) 法：层次结构中每一层抽象出它以下的层次，并单独维护它所在 层的群组服务。这样就使得群组服务在广域网中的可扩展性好并且可维护。然而， 由于在较高层次的域中，代表结点实际上是最底层域的服务器( s e “e f ) ，因此它 加重了这些服务器的负担，因为要处理不同层次的群组服务。更糟糕的是。如果 代表结点出错。它会影响到所有涉及该代表结点的群组域，这就降低了整个系统 的容错性。 c o n g r e s s 系统使用c o n g r e s s 成员服务器提供成员近似值的简单语义。 广域网被看作由域组成的层次结构，每个域由一个c o n g r e s s 服务器提供服务： 局部成员服务器( l o c a lm e m b e r s h i ps e r v e r 。简称l m s ) 和全局成员服务器( g l o b a l m e m b e r s h i 口s e r v e r ，简称g m s ) 。l m s 设置在每个主机上，它为运行在该主机 上的所有客户服务。g m s 设置在树结构中，较高层次的g m s 实际上就是底层的 l m s 。本文把这样的层次结构叫做基于代表结点的树结构( at r c e b a s e dh i e r a r c h y 埘t i i 唧r e s e n t a t i v e s ) 。因为它使用与1 r a r i s i s 系统中一样的代表机制，所以，它有 与t r 锄s i s 系统同样的缺点。 m o s h e 系统在c o n g r e s s 系统基础上进行扩展，提供强的成员信息语义和 强的消息分发语义的成员服务。c o n g r e s s 和m o s h e 系统的新颖之处在于它们 以客户一服务器( c l i e n t s e r v e r ) 的方法建立：群组成员服务由指定的成受服务器 提供，但它们本身不是任何组播群组的成员。作为成员参与组播群组的进程担任 成员服务器的客户( c l i e m ) 。在任意时刻，每个客户恰好只有一个服务器为之服 务，很可能是离客户最近的服务器。客户发送消息给其服务器，请求加入，退出 特定的组播群组，成员服务器则发送成员视图给其客户。通过这种方式，就群组 数目和每个群组中的成员数目而言，c 0 n g r e s s 和m o s h e 系统的可扩展性很好。 为让成员管理算法具有很强的容错能力，研究人员提出许多错误检测方法。 可能出错的不可靠的错误检测器( 唧e l i a b l ef a i l u r ed e t e c t o r s ) 的概念规定错误 检测器必须同时满足完整性与准确性特征。大体上说，完整性需要错误检测器能 最终检测到每一个实际崩溃的进程，而准确性限制了错误检测器可能出的错误。 由于这两个特征是就最终行为而定的，它们就只适合没有时l 日j 假设的完全的异步 系统。 考虑到许多应用有时问约束，文献【2 l 】为错误检测器设计了一个新的规范： ( 】) 及时性，指错误检测器察觉到崩溃要多久：( 2 ) 准确性，指错误检测器检 测结果正确的概率有多大。文献【2 1 】提出了同时满足这两个属性的疗e s l l i l e s s p o i n t s 方法。该文证明了，在以同样速度发送h e a n b e a t 消息以及满足相同检测时 间上界的所有错误检测器方案中，该方案具有最大的准确概率。 以上所有工作主要在普通的广域网环境中实现。而在移动与无线的背景下， 4 硕十学付论文 第一章绪论 群组成员不仅受到进程状态( 活跃或者崩溃) 和链路状态( 连接或者断开连接) 的影响，还受到m h 动态位置的影响。但是研究这种网络环境中成员管理问题 的工作还很少 文献【2 2 】提出两层的h o s t e w 协议。h o s t ，v i e w 由一组移动支持站( m o b i l e s u p p o ns t a t i o n ，简称m s s ) 组成。m s s 代表群组中聚合的位詈信息，即：只要 该m s s 范围内至少有一个m h 仍是这个群组中的成员则该m s s 代表这些成 员加入这个群组的h o s t v i e w ；如果所有成员都离开了该m s s ，则该m s s 将退 出h o s t e w 。该协议以m s s 为基本的组播移动性管理单元，通过记录一组m s s 而不是跟踪单个的m h ，使成员管理和组播通信变得非常简单。而且，为了把组 播消息传送给由m h 组成的群组，仅发送复制消息给该群组的h o s t e w 中的 m s s 就可以满足需要。由于大部分的任务将在m s s 中完成，m h 的任务将大大 减少。但是，上述h o s t - v i e w 协议不允许群组成员动态加入和退出，也没有指定 一种方法以创建和删除组播群组特别地，由于每次“显著性移动( s i 鲥f i c a m m o v e ) ”必然导致全局更新，这不仅可能导致组播效率低，而且可能引起长时间 的服务中断。 文献【2 3 1 提出了一个三层的r _ e l m 协议以解决h o s t - v 醅w 扔议中的问题。最底 层由m h 组成。中间层由m s s 组成。这些m s s 组合成若干个m s s 组，每个组 由一个监督主机( s u p e r v i s o r h o s t ，简称s h ) 控制，s h 组成了第三层。因为s h 是有线网络的一部分，它可以处理大部分的协议细节，比如说维持m h 间的连 接和为可靠组播收集确认消息。 文献【1 3 】提出的r m p 协议也是基于一种三层结构：一层是m h ，中日j 层是 m s s 。第三层是协调者( c o o r d i n a t o r ) 。在r m p 中，每个m s s 维护一个称为l o c a l 的数据结构，用束标识它所在范围中m h 的集合。r m p 采取的系统模型稻当通 用，它没有限制群组成员的移动方式，而且它也适用于不完全的空间覆盖区域的 无线网络环境。特别是，m h 从一个m s s 切换至另一个m s s 不会导致有线网络 中的任何消息交换。 h o s t v i e w 、r e l m 和蹦p 协议的共同特征是采用一个两层或者三层的层次 结构以处理可扩展性问题，本文称之为多层( m u l t i t i e r ) 方案；另外，它们将复 杂的任务从m h 转移到有线网络中的结点来执行，从而减轻了m h 的复杂性， 本文称之为复杂性转移( c o m p l e x i t y n 彻s f o r n l a t i o n ) 方案。 目前国内针对专门的群组成员管理方面已研究出的成果还相当少，很多移动 因特网中群组成员的管理是基于网络层的实现。m h 的移动性管理主要依赖于移 动i p 技术，在移动i p 的基础上加以改进来实现。基于网络层的群组通信方式主 要是因特网群组管理协议i g m p ( i n t e m e tg m u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 。它们一 硕十学何论文 第一章绪论 般需要支持路由器路由和隧道传输。 1 。4 课题的研究内容 本课题主要是从两个方面进行了研究。第一个方面是移动囡特网中群组成员 管理的研究，第二个方面是对层次环( “n g b 船e dh i e r a r c h y ) 模型的研究，以及 在层次环模型的基础之上群组成员管理协议的设计。 ( 1 ) 移动因特网中群组成员管理的研究。在不久的未来，随着各种各样的 有线网络和不同种类无线接入网络如无线局域网、蜂窝网络以及卫星网络等的结 合，会有更多的服务应用到移动因特网环境中。针对移动因特网的组播通信研究 目前是计算机网络与通信中的热点问题之一。为此人们对各种网络环境中的群组 成员管理的体系结构以及群组成员的管理模式进行了大量的研究。但是由于移动 因特网研究的日益兴起以及移动因特网中固有问题和引入m h ( m o b i l eh o s t ，简 称m h ) 的困难，导致对这方面的研究仍比较少。所以，本文尝试通过对不同的 网络环境，包括有线因特网和移动因特网中的群组成员管理以及模式的可扩展性 和可靠性进行系统地研究和比较，为群组成员有效地在移动因特网中进行管理打 下了基础。 ( 2 ) 层次环模型的研究及在此基础之上的群组成员管理协议的设计与研究。 现在已经有一些针对移动因特网提出的群组成员管理协议，例如h o s t v i e w 协议 【2 2 1 和移动因特网中可扩展的群组成员服务【2 5 1 。但它们主要是基于有线因特网组 播的一些扩展方案未能充分考虑移动因特网的特点。本文提出了一个适合于移 动因特网的新模型层次环模型，在该漠型的基础上设计了可扩展的群组成员 管理协议。层次环模型足逻辑环与逻辑树相结合的一个层次结构。如果将该模型 中的每个逻辑环看作一个结点，则这个结构变成一棵树，从而具有树的一些特点， 如通信效率高、可扩展性好；如果单就每一个逻辑环而言，则该模型具有逻辑环 的一些特点，如非常简单、可靠性高( 这里指出现通信结点通信链路错误时易 于维护逻辑环结构) 。层次环模型同时具有可靠性高和可扩展性好的特点，因此 在该模型基础上设计的群组成员管理协议也就隐含了可以很好地扩展到大规模 应用中，同时也能可靠地管理成员信息。而且本文通过理论分析和模拟试验证明 了这两点。由于移动因特网固有的问题，例如连接频繁断开，结点频繁出错以及 切换频繁发生，本文的群组成员管理协议需要考虑结点出错、恢复以及网络分割 与网络合并时如何对层次环模型的拓扑结构进行维护。 6 硕十学静论文第一章绪论 1 5 论文的组织 论文共分为六章。第一章是论文的绪论部分，第二章到第五章是论文的主体 部分，第六章是论文的结束语部分。 第一章为绪论。首先介绍什么是移动因特网及其背景，接着介绍了群组成员 管理课题的来源及发展现状，然后讲述了本课题的研究内容和主要创新点，最后 阐述了论文的主要组织情况。 第二章主要总结和分析了当今网络环境中的群组成员管理协议。首先对移动 因特网中开展群组成员管理所面临的问题进行描述，按各种特性对目前已经存在 的群组成员管理协议进行了细致的分类，并对各种类别的特点进行了分析，最后 对移动因特网中的群组成员管理提出了具体的要求。 第三章主要介绍了本文的群组成员管理协议使用的体系结构及相关的概念。 首先提出系统模型；接着定义局部群组的概念，用该概念来处理可扩展性的问题； 然后简要地介绍邻居检测概念，以及如何基于该概念处理可靠性的问题；最后介 绍层次环结构中各种网络实体的数据结构。 ；第四章主要提出了基于层次环模型的群组成员管理协议。首先给出了基本的 组播协议，然后就成员信息的传播和层次环模型的维护分别设计了成员信息传播 协议和拓扑结构维护协议，并给出了非形式化的性能分析。 第五章主要设计和实施了基于层次环模型的群组成员管理协议的理论分析 与模拟试验，并通过对实验结果的分析以证明本文提出的算法的性能。通过观察。 我们发现在基于可扩展的，可靠的层次环模型基础上设计的群组成员管理协议也 同样具有良好的可扩展性和可靠性。实验结果说明本文为群组成员的管理所设计 的算法基本达到了预期的效果，具有一定的实用价值。 第六章是结束语。对所做的研究与设计工作进行了总结，并阐述了将来进一 步的工作计划。 7 硕十学何论文 第一章移动冈特网中群铜成员管理问题的研究 第二章移动因特网中群组成员管理问题的研究 近几年来，技术趋势朝分靠式系统的研究方向发展，实际运用的趋势是支持 m h 的应用。便携式计算机、蜂窝电话、掌上电脑和可穿戴装置的逐渐普及使得 用户可以带着它们到他们需要出现的任何地方。群组通信系统是构造可靠、可容 错的分布式应用的一个有效的构造块。群组成员服务是群组组播服务的基础。群 组成员服务对于解决分布式容错系统中某些问题如负载均衡非常有用。j 下是因为 群组成员管理的实用性，我们着手研究和探讨移动因特网中的群组成员管理模式 以及它们是如何获得最优性能的。本章首先对移动因特网中丌展群组成员管理所 面临的困难进行描述，按各种特性对现己提出的群组成员管理协议进行了细致的 分类，并对各种类别的特点进行了分析，由此最后对移动因特网中的群组成员管 理提出了具体的要求。 2 1 移动因特网中群组成员管理协议面临的问题 因为现有的群组通信系统主要是为传统的广域网设计的，它们没有考虑m h 如便携式计算机、个人数字助理( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ，简称p d a ) 、移动电 话和移动视频电话作为群组成员。因此，无法保证在出现m h 的情况下它们也 能正常工作。本文所做的工作是把m h 作为移动因特网中的群组成员处理。然 而，在移动因特网中设计群组通信协议是个极富挑战性的任务。事实上，广域网 中固有的问题如消息延迟大，连接频繁地改变以及结点链路出错或者拥塞造成 的不稳定，仍然存在于移动因特网中。而且，需要指出的是，引入m h 以后会 出现以下更困难的问题。 ( 1 ) 频繁断开连接：m h 经常与附着的无线网络断开连接。断歼连接可以 分为三个类型：暂时地断开连接，m h 在非常短的时日j 内可能继续正常的操作； 自愿地断丌连接，这类连接的断开是由用户启动的，任意时间过后，m h 可能与 其它任意单元格重新连接，继续正常的操作；错误引起的断丌连接，这类断丌连 接是因为错误而引起的，不再允许m h 继续正常的操作。 ( 2 ) 频繁切换：为了适应如减少能量消耗和增加移动速度等移动用户的需 求，建立更小的无线单元格成为趋势。随着单元格变小，切换可能更频繁地发生。 因此，需要快速切换以减少对移动用户的服务中断。 ( 3 ) 错误频繁发生：众所周知，有线因特网是不可靠的，其主机、路由器 和通信链路都可能出错，而且无法保证通信延迟的界。不同种类的无线网络集成 8 硕七学位论文第- 二章移动因特网中群绢成员管理问题的研究 到有线因特网后将更不可靠：m h 比固定主机更容易出错；m h 和附着设备之间 的无线通信链路比有线通信链路更不可靠。因此，移动因特网中错误可能更频繁 地发生。 2 2 群组成员管理的分类 本文分别把群组成员管理按三种分类原则分类。按网络环境的不同，可以分 为有线因特网的群组成员管理和移动因特网的群组成员管理。大多数群组通信系 统最切是在有线因特网环境中研究的，移动因特网中的群组通信系统则是近几年 刚兴起来的，这方面的理论和技术尚不成熟，前者可以为后者提供经验与借鉴意 义。根据协议，算法基于网络层次的不同分类，主要分为基于网络层的和基于应 用层的群组成员管理。另外对于面向视图的群组成员管理按基于视图特征的不同 来分类，分为确定性群组成员管理和概率意义上的群组成员管理。但总的柬说， 这类面向视图的群组成员管理是属于基于应用层的群组成员管理，因为它们不涉 及具体的网络设备。 2 3 基于不同网络环境的群组成员管理 随着网络技术的发展，一些新型的网络应运而生。但是由于以前的传统网络 有着固定的使用范围，而且应用得相当成熟，因此还有其存在的价值。与此同时， 且静网络硬件的多样化以及地理环境的复杂性，使得现在许多不同的网络共同存 在，以实现网络资源的共享以及信息的流通。不同的地理环境适用不同的网络。 同样，不同的网络硬件有不同的适应范围和环境。不同的网络环境的不同特点使 得在这些环境中的群组成员管理会有不同的特点，对要遇到不同的困难采取相应 的措施。 2 3 1 基于有线因特网的群组成员管理 在有线因特网中进行群组通信，最重要的特点就是系统中主机的物理位冒不 发生变化，群组成员管理只需要最基本的成员管理操作，例如群组地址的分配、 群组的建立和关闭、群组成员动态加入和退出、错误恢复等管理功能。通过给特 定群组分配的群组地址，所有发送给该群组的多目标分组都以该群组地址为接收 方地址，该群组的所有群组成员都可以接收发送给该群组的数据。在多数传统的 分御式系统里，假设所有群组成员部知道各自的存在可以这样假设是因为群组 成员通常位于一个局部区域。然而在因特网计算环境中，群组成员散靠在覆盖全 9 硕七学位论文第二章移动因特网中群锕成员管理问题的研究 球的网络环境中。而且，多数因特网应用不需要群组成员互相了解其存在。 许多成员管理协议设计为在局部区域的单个l a n 上或者多个l a n 上运行。 也有一些协议基于w a n 环境。 在w a n 中，一个进程群组有非常多的进程，并且散白在广阔的地理区域中。 为了在w a n 环境中维护大量的群组成员之间视图的一致性，计算开销和通信开 销会变得非常之大。另外，由于在w a n 中延迟大且难以预科，使得很难把崩溃 的进程和运行较慢的进程区分丌柬。因此。为了在w a n 中减少因实现视图一致 而需交换的消息数目，提出了一些可扩展的方法。文献【2 5 】在几个层次上利用指 定的成员服务器并在层次服务器之日j 达到视图的全局一致，以在w a n 中加强成 员管理服务的可扩展性。 2 3 ，2 基于移动因特网的群组成员管理 在因特网中支持移动性变得普遍起束，那么可以预言进程群组的全体成员将 会是固定主机和m h 联合起来组成。移动因特网，即由因特网与各种无线网络 构成。 当群组通信系统扩展到移动环境中，由于移动结点的移动性和不可靠的无线 通信，使得成员改变会频繁发生。因此，将群组通信系统扩展到移动环境是个极 具挑战性的问题。 m h 由于移动性等原因需要进行特殊处理。传统的网络协议都假设主机不会 随时日j 改变其物理位置。而移动因特网中所考虑的主机可能随时地改变物理位 雹。但是移动装置就能量、处理和存储资源来说部有着严格的资源限制。移动性 还给算法提出了新的问题。例如，m h 在网络中通信连接完全可靠，并且没有任 何计算机崩溃的情况下，可能仅仅因为其移动而丢失消息。在无线与移动环境的 背景下，群组成员管理不仅受进程状态( 活跃或者崩溃) 和链路状态( 连接或者 断歼连接) 的影响，而且还受m h 位冒的影响。然而，在这样的网络环境中针 对群组成员管理的工作却做得很少。文献1 2 2 1 提出了一个h o s t v i e w 的成员信息 算法。基本思想是每个群组都有一个h o s t _ e w 。算法通过记录一组m s s 集合的 位置，而不是跟踪单个的m h ，使群组成员管理变得非常简单。该成员管理模式 为两级的成员管理：一组构成组播群组g 的m h 的集合和一组m s s 的集合。 现有的移动因特网组播逋信的研究【2 22 4 1 主要是基于有线因特网组播的一些 扩展方案，未能充分考虑移动因特网的特点。本文提出了一个适合于移动因特网 的新模型层次环结构模型，在该模型的基础上设计了可扩展的成员管理协 议。 移动因特网的群组成员管理另外一个难点就是m h 在不同的无线网络或者 0 硕士学付论文第- = 章移动田特网中群翱成员管理问题的研究 同一无线网络的不同单元格中切换时如何管理群组成员。文献【2 2 】提出的协议处 理两种类型的移动，分别是显著移动和非显著移动。由于非显著移动不需要更改 h o s t 一e w 以及组播消息在新m s s 上的存储，因此该过程在静态网络中的消耗要 少于显著移动时在静态网络中的消耗。特别地，非显著移动时，m h 只需要退出 旧m s s 的局部成员列表，再加入新m s s 的局部成员列表，h o s t v i e w 不会产生 任何变化。单元格之间的切换会导致即使在没有出现新的组播透信的情况下，在 有线网络中产生通信量。当前的发展趋势是单元格越束越小，协议应i 袅特别设计 以适应有效、频繁地在单元格之间切换的策略。因为移动性管理的通信量很大， 那么就必须尽量避免高层次协议有更多的通信量。基于此，文献【1 3 】提出m h 的 移动性管理在有线网络部分无需切换支持。m h 从一个单元格到另一个单元格， 只需m h 与它所在单元格的m s s 通信，不需要m s s 以上层次的固定圭机之i 日j 的通信。 使用移动口【2 6 】技术，当m h 移动到新的外地网络时，为了维护它到网络的 i p 连接，它必须向其家乡代理注册以更新其移动绑定。当作为某个群组成员的 m h 从一个i p 子网移动到另一个i p 子网时，它应该立即发送一个i g m p 成员信 息报告给它所属的每一个群组，无需等待外地代理的成员信息查询。 t 2 4 基于网络协议层次的群组成员管理 从系统实现来看，有两种基本的因特网组播通信实现技术：基于网络层的组 播和基于应用层的组播