（计算机应用技术专业论文）移动因特网可靠组播通信研究.pdf

摘要 随着组播应用的增加、无线通信技术的发展成熟和移动设备的普 及，传统因特网如何与各种无线通信技术结合以便为各种移动设备提 供移动性支持引起了人们的高度重视。本文对移动因特网的可靠组播 所面临的新问题进行了讨论，提出了一个基于r g b 通信模型的可靠组 播协议。r g b 通信模型结合了逻辑环和逻辑树，它利用了逻辑环的简 单性和逻辑树的可扩展性。 本文将r g b 通信模型分为多个局部域并在局部域内执行可靠传 输。这种方案称为基于局部域的重传方案。可靠组播协议还考虑了全 序组播信息的情况并设计了三个算法：成员信息传播算法、拓扑结构 维护算法和组播信息传输算法。 本协议是基于局部信息的，即在r g b 通信模型中的网络实体沿着 层次结构独立地传送信息，并在局部域保证其可靠性。而且进行拓扑 结构维护时，网络实体仅需要维护有关它们邻居的局部信息。模拟研 究表明本文提出的基于r g b 通信模型的可靠组播通信协议在网络规模 大时其可扩展性和可靠性都较好。 关键词：可靠组播，组播协议，r g b 模型，移动因特网 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fm u l t i c a s ta p p l i c a t i o n s ，t h ep r o g r e s so f w i r e l e s s t e c h n o l o g ya n dt h ep o p u l a r i z a t i o no fm o b i l ed e v i c e s ，i ti sh i g h l ye x p e c t e d t op r o v i d em o b i l i t ys u p p o r tt om o b i l ed e v i c e si nm o b i l e i n t e r n e t w e i n v e s t i g a t eo nn e wp r o b l e m sf o rr e l i a b l em u l t i c a s ti nm o b i l ei n t e m e t w e p r o p o s ear e l i a b l em u l t i c a s tp r o t o c o lb a s e do nt h ep r o p o s e dr g bm o d e l i nm o b i l ei n t e m e t t h er e l i a b l em u l t i c a s tp r o t o c o lc o m b i n e sa d v a n t a g e s o fb o t ht h el o g i c a lr i n ga n dt h el o g i c a lt r e e i th a st h es i m p l i c i t yo f l o g i c a l r i n g sa n dt h es c a l a b i l i t yo fl o g i c a lt r e e s w ed i v i d et h er g bm o d e li n t om u l t i p l el o c a ls c o p e sa n di m p l e m e n t r e l i a b l et r a n s m i s s i o nw i t h i ne a c hl o c a l s c o p e w ec a l ls u c has c h e m e l o c a l s c o p e b a s e dr e t r a n s m i s s i o ns c h e m e t h ep r o p o s e dp r o t o c o la l s o c o n s i d e r s t o t a l l y o r d e r e dp r o p e r t y ，a n dd e s i g n s t h r e e a l g o r i t h m s ： m e m b e r s h i p p r o p a g a t i o n ，t o p o l o g ym a i n t e n a n c e ， a n d m u l t i c a s t d i s s e m i n a t i o n t h ep r o p o s e dp r o t o c o li sl o c a l - - i n f o r m a t i o n - b a s e di nt h es e n s et h a t e a c hn e t w o r k e n t i t y i nt h er g bm o d e l i n d e p e n d e n t l yp r o p a g a t e s i n f o r m a t i o na l o n gt h eh i e r a r c h y ，a n dt h a te a c hn e t w o r ke n t i t yo n l yn e e d s t om a i n t a i nl o c a li n f o r m a t i o na b o u ti t s n e i g h b o r s f o r t o p o l o g y m a i n t e n a n c e s i m u l a t i o ns t u d i e ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dp r o t o c o lb a s e d o nt h er g bm o d e lh a sh i g hs c a l a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yw h e nt h es i z eo f t h e n e t w o r kb e c o m e sv e r yl a r g e k e yw o r d s ：r e l i a b l em u l t i c a s t , m u l t i c a s tp r o t o c o l ，r g bm o d e l ，m o b i l e i n t e r n e t 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谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或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：i 簪日期：监年阜月孕曰 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 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：曼孳导师签名主鳓期：幽堡悔半月华日 硕十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着无线技术的成熟，有越来越多的人通过无线设备连接到因特网，希望能 够随时随地对网络进行访问。移动性支持成为因特网发展的一种必然趋势，这使 得它受到越来越多的重视，已经有相当多的研究关注于传统固定网络如何提供移 动支持。 本章介绍了移动因特网组播的研究意义和特点，及其可靠性的研究现状，最 后阐述了论文的主要组织情况。 1 1 移动因特网组播的研究意义 因特网的发明可以说是上个世纪乃至人类历史上最伟大的发明之一，它使人 类从后工业时代开始向信息时代迈进，深刻地改变了人类的生产和生活方式。对 很多人而言，难以想象离开了因特网将如何生存。随着因特网的飞速发展，利用 因特网进行协作开发的项目越来越多。对某些应用而言，如分布式数据库开发， 一个开发工作组有很多人需在不同的地点协作并经常交换信息。在组规模比较小 的情况下，只需点对点交换信息即可。如果组规模比较大，点对点交换信息不管 是对网络还是对信息发送者都是一种负担，代价昂贵。有时虽可用广播的方式进 行处理，但如果在一个上百万结点的网络上向数千台主机进行广播是很低效的甚 至是不大可能的。- n 绝大部分机器对此不感兴趣，造成信息垃圾；更糟糕的是， 部分主机虽需要此信息但可能被误认为对此信息不感兴趣而收不到此信息。因 此，我们需要种方法让本身规模较大而相对因特网又较小的工作组能相互方 便、快捷地传递信息。为此，研究人员引进了组播的概念。所谓组播，其实是一 种数据包的传输方式，是将数据从一个或多个发送者同时传送给多个接收者的一 种有效方法，它能大大提高网络带宽的利用率。 随着无线技术的成熟、各种移动设备如移动电话、个人数字助理、便携式计 算机( 以下简称移动主机) 的普及并得到广泛应用及人们的工作和生活节奏的加 快，人们已经不再满足于从固定主机上接入。人们希望能通过无线设备随时随地 地对网络进行访问，移动因特网( m o b i l ei n t e m e t ) 的出现满足了这一需求。当前基 于移动因特网的研究十分活跃，基于移动因特网的组播通信研究将比传统的固定 因特网更具挑战性。目前针对移动因特网的组播通信研究是计算机网络与通信中 的热点问题之。 j 硕十：学位论文 第一章绪论 1 2 移动因特网组播的特点 相对于固定因特网来说，移动因特网有其自身的一些特点： 其一，无线通信的特点：由于移动结点常常使用无线链路进行通信，而移动 环境最明显的特征就是有限的链路带宽、较大的延迟率和较高的错误率。 其二，移动结点的特点：移动结点作为组播组的接收者时，它与固定主机作 为接收者最大的不同就是它的移动性，这使得移动因特网中的移动结点有不同于 固定结点的特点： 1 ) 移动结点经常从它们所连接的网络中断开连接。根据它们断丌的原因， 可分为三种类型：i 临时断开，即移动结点可能在非常短的时间内恢复正常的连 接；自愿断开，即在用户控制下，移动结点可经过任意长的时间后重新连接到其 它可能的无线接入点或重新恢复断开的连接；出错断丌，即移动结点可能因为出 现了错误而不能连接到网络上。 2 ) 为了满足移动结点的需求，如减少电能消耗，增加带宽，无线蜂窝设计 的越来越小。这就带来了一个问题：在小蜂窝下，切换可能变得越来越频繁。因 此为了降低移动结点服务中断的可能性，提高可靠性，需要提供快速切换。 3 ) 因为主机、路由器或通信链路都可能出现错误，传统有线网络是不完全 可靠的。随着各种类型的无线网络整合到传统固定的有线网络中，整个网络就变 得更加不可靠了。这是因为移动结点比固定结点更加容易出现错误且无线链路比 有线链路更脆弱、更不可靠。研究表明口j ，在移动因特网环境中，假设有线链路 完全可靠的情况下，组播数据包重传的平均次数随着无线结点的增多而迅速增 加。 移动因特网组播通信除了要考虑无线通信的特点，移动主机的特点外还要考 虑因移动主机的移动性而带来的突出特点：( 1 ) 不仅具有成员关系的动态性还具 有成员位置的动态性：( 2 ) 成员数量可能相当巨大且成员分布可能相当分散。 由于移动因特网给组播通信引入了这些新问题，因此移动因特网组播通信面 临的一个挑战就是如何为组播通信提供可靠性保障。 1 3 移动因特网可靠组播的研究现状 在研究移动因特网可靠组播的现状之前，先研究一下传统因特网组播的现 状。传统因特网组播通信有两种基本的实现技术：基于网络层的组播( 以下简称 i p 组播叶和基于应用层的组播( 以下简称应用层组播 4 ) 。i p 组播提出得早，组 播效率高，但应用不广。其主要原因是：( 1 ) 部署时需要升级所有的路由器，因 旦生兰笪堕 笙二皇竺堡 1 4 论文的组织 论文全文共分六章： g g - - 章绪论。这一章主要介绍移动因特网组播的研究背景，并简要的介绍 了移动因特网的特点及其可靠组播的研究现状。 第二章主要总结和分析了可靠组播协议，并将其进行分类比较。 第三章主要介绍组播通信模型。首先介绍r g b 通信模型，然后介绍r g b 通信模型用到的数据结构，及其拓扑维护。 第四章主要介绍基于r g b 通信模型可靠的组播协议及其分析。 第五章针对提出的在基于r g b 模型可靠的组播协议的模拟与性能分析。 第六章结束语。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。 硕十学位论文 第二章可靠组播协议研究 第二章可靠组播协议研究 可靠组播必须保证发送者所发送的每个数据包能f 确地到达所有组播成员。 为此必须进行差错控制。此外，为保证网络的可用性，还要提供机制来避免网络 拥塞。拥塞控制常常作为个独立的问题。所以，研究组播的可靠性的核心问题 是差错控制。从总体上说，有反馈控制、前向反馈控制和它们两者的混合机制三 条思路来进行差错控制，分别对应自动重传请求( a r q ) 、向前差错校验( f e c ) i “】 和混合f e c a r q - - - 种方法。a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 的主要思想是检测数 据包的丢失并安排重传，因此属于基于重传的差错控制。f e c 编码是一种循环码， 其主要思想是发送者把k 个原始数据编码生成”个数据，使得”个数据中的任何k 个数据子集都能够恢复出原始数据，因此允许传输过程最多丢失 一k 个数据。f e c 编码本身不提供完全的可靠性，因为再多的冗余编码也无法保证所有的接受者接 收到不少于k 个数据包。但是它和a r q * 目结合，能使可靠组播协议具有较好的可 扩展性。虽然f e c 编码能够改善可靠组播协议的性能，但是它不能保证完全的可 靠性l 】“。本章将主要围绕应用基于重传的反馈差错控制机制的可靠组播协议来 论述。 2 1 可靠组播的分类 组播中的差错包括两种情况：数据包被污染和数据包的丢失。组播应用的差 错控制包括两个方面：差错检测和差错恢复。差错检测就是发现丢包，而差错恢 复就是对丢失数据包进行重传。在每个方面，至少要明确两个问题：如何检测和 由谁检测差错、如何恢复和由谁恢复差错。根据由谁来检测差错可以把组播传输 协议分为两类：基于发送方和基于接收方的组播i i “。它们最显著的区别是应用 不同的反馈方式肯定反馈a c k ( 目f “肯定确认”信息) 和否定反馈n a c k ( r 口“否 定确认”信，g ) f 】。如果使用肯定方式的确认，接收者仅在自己成功接收到了数 据包时才向发送者发送确认信息。发送者通过检测是否收到所有接受者的确认， 以探测数据包丢失的情况。也就是说，检测数据包丢失的责任由发送方承担。如 果使用否定的确认方式，接收者只是在没有接收到数据包或接收到错误的数据包 时才向发送者发送修复请求。也就是说，检测数据包丢失的责任由接收者承担。 硕十学位论文 第二章可靠组橘协议研究 2 1 1 基于发送方的可靠组播 由发送方检测数据包丢失的想法是原来端到端面向连接协议的自然延续。它 具有以下基本特点： 发送者要为每一接收者保留各自关于数据包接收情况的相关状态信息，它 根据每次收到的来自于不同接收者的a c k 设置相应的状态信息。 发送者采用组播方式发送和重传每一数据包，并同时设置相应的重发定时 器。 接收者首次正确收到数据包后，利用单播( u n i c a s t ) 方式向发送者发送a c k 确认数据包，对于此后重复收到的数据包其不再发送a c k 进行确认。 若在发送者中对应任意数据包的定时器超时之前，发送者收到来自所有接 收者对此数据包的a c k ，则其认为此数据包已经成功的传送到所有接收者，此 时取消对这一数据包的定时。 若发送者中对应某一数据包的定时器超时，这意味着这一数据包没有j 下确 的传送到所有接收者，则其重发此数据也并重新设置定时器。 这种方式的缺陷是显而易见的。首先，维护大量接收者的状态对发送者来说 是一笔不小的丌销；其次，要求发送者掌握所有接收者的状态，削弱了组播应用 的灵活性；最后，由于发送者规定统一的超时时限，所以很难适应不同网络和结 点在传输性能和接收性能方面的异构性。由于这些缺陷，这类协议在实际应用中， 一般只能限制在小范围、小规模的组播组内。 212 基于接收方的可靠组播 由接收方检测数据包丢失，然后向发送者反馈n a c k 包( 否定反馈) 。它具有 以下基本特点“： 发送者不需要了解每一接收者的数据包接收情况及保存相关状态信息。 发送者采用组播方式发送和重传每一数据包，不需要设置相应定时器。 若接收者f 确收到数据包，则不向发送者发送任何确认指示。 接收者通过检测数据包空隙( p a c k e tg a p ) 或通过比较各个接收者周期发送 的状态信息，检测数据包的丢失。若接收者检测到数据包的丢失，则利用单播方 式向发送者发送n a c k 数据包，请求发送者重发相应的数据包，并同时设置相 应的定时器。 发送者收到接收者的n a c k 后，依据其中的信息决定是否重发相应的数 据包。设此接收者和发送者之间的往返行程迟延为r 1 1 。若发送者在当前时间之 前的r t t 时间之内己经重发了相应的数据包，则发送者不再进行重发。否则重 硕十! 学位论文第二章可靠组橘协议研究 收方的方法有很高的容错和扩展性，它的最大不利是要求接收方缓存组播数据。 虽然对于一些应用程序如交互式白板这个问题不大，因为它需要缓存的数据不 大，但是对另外一些有大量数据的应用程序来说，这就是个很大的负担了。为 了解决这些难题，研究者提出了第三种策略。 3 层次的面向接收方可靠组播 为了提高可扩展性、允许进行分布式的垃圾收集和能进行局部的n a c k 修 复。研究人员引入了层次的可靠组播协议。现在已经提出了不少层次可靠组播协 议。在文献 2 0 中，组播组组织成层次结构，设置一个l o g g i n gs e r v e r 来缓存数 据并让它来对错误数据包进行恢复。在文献 2 1 中，提出建立一颗自我组织的共 享修复树。它限制修复数据包只在局部范围内传输并通过分层来缓存数据。基于 树的组播传输协议( t m t p ) 也利用类似的方法。t m t p 口2 】是一个基于树的层次可 靠组播。为了控制反馈和修复包的扩散范围，t m t p 使用域d m ( d o m a i n ) 限制 接收者反馈包的作用范围。表2 1 和表2 2 总结了当前可靠组播的分类。 表2 1 可靠组播方法 可靠模式错误检测修复状态可扩展性 基于发送方发送方发送方低：因为a c k x l 暴 基于接收方接收方见表2 - 2见表2 2 表2 - 2 基于接受方可靠方法 修复定向n a c k 方案修复方案可扩展性 面向发送方接收者发送n a c k发送方向组播发中等：在基于接受 给发送者布修复包方可靠性组播中 是最小的 平面的面向接收接收者发送n a c k 接收者缓存数掘高：限制了n a c k 丁给整个组播组并修复数据的负面影响，但是 需要较大的缓存 层次的面向接收接收者发送n a c k用层次结构来缓最高：良好的扩展 方给一些层次结点存数据并修复数性和均衡了负载。 或组成员据允许对缓存有更 多的控制管理 硕十学位论文第一二章可靠绸播协议研究 定时器的时间。由于恢复后的错误结点可以利用通常的修复机制获得丢失的数据 包，所以s r m 不再针对结点错误或网络分割提供特别的实效恢复机制。针对s r m 协议的仿真表明，网络的拓扑结构和延迟定时器的设置都会影响一个请求引发的 修复包的数量和修复延迟。为了减少重复修复包和修复延迟，s r m 引入了一个 自适应算法，根据掌握的修复效果调整请求和修复定时器的参数。对这个自适应 算法的仿真表明，它在一系列特定的情况下，能有效地控制一个请求引发的修复 包的数目。这有利于提高协议的可扩展性，以及随网络拓扑结构、成员关系和带 宽变化动态调整的适应性。 2 2 2 基于令牌环的可靠组播协议r m p r m p 是一个基于环的可靠组播协议。它的特点是能提供全局有序的信息传 输。它结合 n a c k 反馈在效率上的优势和a c k 反馈在可靠性上的优势，为数据 复制和群组系统提供个保证全局有序的平台。 r m p 的基本工作方式是由一个拥有令牌的接收者向信源组播发送a c k 反 馈，其它接收者以该反馈作为相应消息的时间戳，并因此获得全局有序性。具体 地说，没有令牌的接收者必须在收到令牌结点发送的a c k 包后，才能以此为时 间戳确定相应消息的序号，并将其提交给应用层。也就是况，持有令牌的结点对 消息的排序决定了这些消息的全局顺序。如果有接收者发现自己没有成功接收到 a c k 反馈对应的消息，就向令牌结点发送n a c k 包，并从那里获得修复。而在令 牌结点和发送结点之间，只要发送者收到令牌结点的肯定应答，就认为发送成功。 它不管其它接受者是否收到了相应消息。每个令牌结点只负责一个时间片内的反 馈和修复任务。每过一个时间片，令牌就转移一次，同时令牌结点上的数据包缓 存也同时转移到新结点上。为了减少通信量，a c k 包同时兼作令牌传递消息。 考虑到如果一段时间内发送者没有发送数据，就没有a c k 包可以搭载。这时， 令牌结点就使用单播进行令牌传递。为了传递令牌，每个结点都要维护一个成员 列表。因此，当有结点加入或离丌组播组时，需要向组播列表发送消息。其它结 点收到这个消息就更新本地成员列表。为了保持列表的一致性，令牌结点在传递 令牌的时候，将更新后的本地列表加盖时问戳，组播给所有结点。r m p 的错误 恢复机制是通过创建、同步和确认新的成员列表来完成的。错误结点首先从活动 结点那里获得当前状态，包括成员列表和己被确认的最大消息序号，然后据此形 成一个新的成员列表，并组播出去。如果能得到所有其它结点的回应，就确认这 个新列表，并自立为令牌结点，完成错误恢复过程。 r m p 在局域网的同构平台上进行过实验验证。单一发送者的情形下，吞吐 率达到了理论上的最大值。随着接收者数目的增加到8 个结点时，有较明显的吞 硕十学位论文 第一章可靠组捅协议研究 吐率下降和延迟增加。 2 23 基于树的层次可靠组播传输协议r m t p 和t m t p p d m t p 是一个基于组播树的层次可靠组播通信模型。它的目标是“以增加延 迟作为代价，保障可靠的一对多传输，适用于跨越大范围的网络应用”。它的基 本思想是利用以发送者为根的组播树，构造层次结构，使用中间结点合并反馈包， 并负责数据重传。 p 止4 t p 的工作过程可以概括为“一层发送，多层反馈”。数据初始的发送使 用组播，反馈修复机制引入特定部件称为d r ( d e s i g n a t e dr e c e i v e r s ，指派的接收 者) 或a p ( a c k n o w l e d g m e n tp r o c e s s o r s ，a c k 包处理者) 组合反馈包，并承担数据 修复。a p 沿组播树设置，将下层的反馈逐级组合并上传，最终到达发送者。对 否定反馈，a p 根据丢失该包的结点多少，决定采用单播或组播方式发送修复包。 r m t p 使用的a c k 包包括两个部分一个序号和一个b i t m a p ，它们共同表示哪 些数据包己被成功接收。例“2 0 ，0 11 0 0 l l1 ”表示，1 9 号之前的数据包已经被成 功接收了，但2 0 ，2 3 ，2 4 号数据包丢失了( 0 表示丢失；“1 ”表示成功接收) 。 为了避免低效，a c k 数据包的发送周期随接收者到发送者的r t t ( r o u n dt r i p t i m e ) 动态调整。间隔过大会造成修复延迟过长，反之间隔过小则可能a p 尚未 接到对成功修复的回应，就进行了多次重复修复。r m t p 没有规定中问结点a p ， 必须事先获得发送结点的可靠传输，数据初始的发送也不依赖中间结点，因此源 结点必须负责数据缓存，以备修复。中间结点可以根据本子树的状况决定是否缓 存数据，以及缓存多久。由于反馈包严格的按照树结构逐级上传，所以一个结点 ( 不管是叶结点还是a p ) 的修复只能依赖于它的上级a p ，没有上下级关系的a p 之 间不能相互援引各自的缓存数据。总的来说，r m t p 的缓存是包括发送者在内的 多级缓存。如果接收者数目的增长没有导致a p 总数的增长，那么总的缓存是总 数据量的函数，而不是接收者数目的函数这不同于s r m 。当然，在a p 总数 不变的前提下，想要大规模增加接收者数目是不现实的。r m t p 支持“迟到加入” ( l a t ej o i n ) ，但受肯定应答机制的限制，不允许结点自由退出、迟到。需要恢复 的错误结点使用r m t p 的多级缓存机制，能够获得所有的数据。这些结点借助特 殊的a c k 数据包激活立即传输机带f j ( i m m e d i a t et r a n s m i s s i o n ) ，a p 使用单播向这些 结点提供所需数据。这一机制还用于向因网络长时间拥塞或分割丢失大量数据的 结点提供修复。在r m t p 中，层次结构以发送者为根，子树始于a p 。a p 的选取 是静态的，接收者则可以在初始化或原a p 错误的时候，按照就近原则动态地选 择a p 。r m t p 依赖于s m ( s e s s i o nm a n a g e r ) 管理整个组播组。当组播树建立起来之 后，s m 负责向组播组成员提供连接参数，包括发送和接收窗口的大小、数据包 硕十学位论文第一二章可靠组播协议研究 大小、最大重传次数和其它影响传输性能的参数。除此之外，当有结点加入或因 错误离丌组播组时，s m 须向应用层通报，发生拥塞时，s m 也要选择并设置合适 的最大传输速率。协议在l a n 和w l a n 上进行了验证。测试项目包括吞吐率、重 传次数和迟到加入功能。在w a n 上进行的验证包括了分布在5 个地点的l8 台主 机，每个地点一个a p 。重传次数的测试表明了a p 的有效性。吞吐率微小变化说 明了r m t p 能够适应各种网络环境星的接收者。 t m t p 也是一个基于树的层次可靠组播通信模型。它面向协同多媒体应用， 它支持大量结点，频繁地加入和退出组播。它精心设计了流量控制和差错控制算 法，以减小协议和处理机负载。为了控制反馈和修复包的扩散范围，t m t p 使用 域d m ( d o m a i n ) 限制接收者反馈包的作用范围。每个d m 保持一个以t t l 定义的组 播半径来标识范围，d m 内的接收者组播反馈和修复包时，都受这个t t l 值的限 制。数据包以组播方式发给包括中间结点d m 内的所有接收者。d m 内部的修复 过程使用类似s r m 的退避规让机制，d m 之间使用单播进行肯定反馈和修复。为 了使d m 和发送者能够及时地释放缓冲区和进行流量控制，子d m 结点周期性地 发送a c k 包给它们的上级结点。另外，通过限制每个d m 早接收者的数目，协议 能够一定程度地控制d m 的负载。d m 使用多级缓存，当收到来自上级d m 或发送 者的数据包后，d m 可以立即发出a c k 包，因此上级结点能够更早地释放缓存区。 相比之下，t m t p 的机制要求中间结点必须等到收集下级所有结点的a c k 包后才 能向上级发a c k 应答。t m t p 的流量控制使用基于速率和基于窗口相结合的混合 机制。发送者能够使用的最大发送速率$ d d m 能够使用的最大重传速率在初始化 时商定而且不能变化。它使用的滑动窗口和用于端到端的滑动窗口流控机制略有 不同，滑动窗口的下边界由最慢的接收者和一个定时器联合控制，如果定时器超 时，而仍未收到肯定应答，就认为该应答已经在传输过程中丢失，协议将窗1 3 下 沿加1 ，同时重发相关数据包。对t m t p 的验证在m b o n e 的7 个地点的3 0 台主机上 进行，并与其它基于发送者的协议进行了比较。比较的项目包括发送者和处理机 的负载，端到端延迟。遗憾的是，在验证中t m t p 的带宽消耗变化太大以至于无 法计量。但是结果说明t m t p 使重传大为减少，而且把重传数据包限制在局部范 围。另外由于修复在本地进行，所以端到端延迟随传输数据和接收者数目变化不 ， 。 2 3 移动因特网可靠组播协议 上面介绍的可靠组播协议，都隐含假设主机的位置是固定的，没有过多地考 虑成员位置动态变化的情况。在有主机移动的环境下，组播协议不仅要处理组播 组中组成员关系的动态改变，而且要处理移动主机位置的动态改变【4 5 】。当群组 硕士学位论文第二章可靠组播协议研究 成员移动时，如果重新构建组播树，就意味着要增加网络系统的协议开销，组播 服务会暂时中断：当移动主机快速移动时，可能因为来不及重构组播传输树而使 组播服务一直中断：如果不重新构建组播树，会导致组播数据的低效传输，甚至 移动主机根本接受不到组播数据。因此，这些协议不是很适合群组成员移动的环 境。 由于移动因特网具有很多与传统固定因特网不同的特性，其可靠组播协议也 面临更多问题和挑战。本节对现有移动因特网可靠组播协议做出了分类：基于移 动i p 的可靠组播方案、基于层次结构的方案、基于逻辑环结构的方案，并对这 些协议做了简要的分析。 2 3 1 基于移动l p 的可靠组播协议 由于传统的i p 组播不能满足组播中有移动主机的需求。i e t f ( i n t e m e t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 下属的移动i p 工作组( i pr o u t i n gf o rw i r e l e s s m o b i l e h o s t s ) 1 2 7 1 1 2 8 】【2 9 1 在1 9 9 2 年制定了移动i p 的最初标准，并在1 9 9 6 年i e s g 通过了移 动i p 标准草案【3 0 】川。它在保留了主机单播通信的同时，也为移动因特网中的主 机移动提供了一种可扩展机制。移动i p 为i p 组播提供了两种扩展方案。一是， 移动i p 远程签署( r s ) ；二是，移动i p 双向隧道( b t ) 。 1 ) 远程签署：在远程签署中，移动主机达到新的网络后，直接在新的网络上 发送组成员消息，通过相连的外地网络重新申请加入组播组。移动主机响应外地 网络上组播路由器的查询信息，通过外地网络上的组播路由器接受组播数据。由 于直接通过外地网络接受组播数据，远程签署具有优化的组播传输路径，涉及对 现有协议的修改也很少，但是，要求每个外地网络上都要有支持组播的路由器。 远程签署方法存在不少缺点，移动主机每次移动到新的网络都要重新申请加入组 播组，可能会引起组播传输树频繁重构，组播服务的中断时| 白：j 较长。移动主机离 开网络后，网络上路由器只能通过定时器超时爿能发现主机的离开，离开延时较 大。另外，远程签署不能很好地支持源移动，特别是使用源树根时，组播传输树 要完全重建。 2 ) 双向隧道。在双向隧道中，移动主机移动到外地网络时，同家乡代理之间 建立双向隧道，家乡代理代替移动主机加入组播组，并将收到的组播数据通过隧 道发送到移动主机，组成员控制消息也通过隧道发送。如果移动主机向某个组发 送组播数据，则先使用隧道将数据包发送到家乡代理，再由家乡代理转发。在移 动i p v 4 中，如果移动主机使用外地代理转交地址，双向隧道的两端分别为家乡 代理和外地代理，移动i p v 6 的双向隧道的两端分别是家乡代理和移动主机。双 向隧道方法屏蔽了主机的移动，无需因移动主机位置的改变而重构组播传输树， 硕士学位论文 第二章可靠组播协议研究 并能很好地支持组播源的移动。但是，移动主机需要经过到家乡代理的隧道收发 组播数据，组播传输路径不是优化的：家乡代理必须对所有移动主机逐个通过隧 道转发组播数据，可能成为网络通信的瓶颈，也浪费了网络资源。双向隧道的组 播服务中断时间主要包括注册和组播数据包通过隧道的时| 自j 。离开延迟是从离开 前一个网络到重新注册的时间，它们都与家乡代理到外地网络或移动主机的隧道 长度有关。双向隧道方法存在隧道聚合问题，当外地网络上有多个属于同一个组 播组的移动主机，并且这些移动主机属于不同的家乡网络时，多个家乡代理都与 同一个外地代理或对应的移动主机建立双向隧道，通过这些隧道传输完全相同的 组播数据包，而实际上仅需要传送一份数据包，这样，就会造成网络资源的严重 浪费。 这两种基本方案代表了移动i p 技术与i p 组播技术结合时的两个不同方向。基 于这两种方案已有多种扩展方案，如：移动组播协议m o m ( m o b i l em u l t i c e s t p r o t o i ：0 1 ) 9 】和基于范围的移动组播r b m o m ( r a n g e b a s e dm o b i l em u l f i c a s f ) u 0 【3 2 】。 现已有研究人员提出了基于这两种扩展方案的可靠组播协议。 可靠移动组播r m m p ( r e l i a b l em o b i l em u l f i c a s tp r o t o c 0 1 ) 是基于i p v 4 协议的 可靠移动组播协议，采用远程部署( r e m o t es u b s c r i p t i o n ) 的方法提供组播服务。在 远程签署中，当移动主机从一个子网移动到另一个子网时，存在接受的组播数据 序列不同步问题。在r m m p 协议中，移动代理( 包括家乡代理和外地代理) 不仅 提供移动管理功能，而且提供可靠组播的支持。当移动主机丢失的数据包在新的 网络中不能恢复时，移动主机的前一个网络的移动代理通过隧道转发相应组播数 据到当前移动主机所在网络的移动代理。移动代理统计移动主机发来的反馈信 息，代表移动主机加入组播树。 r r u 岬a b l er a n g eb a s e dm o b i l em u l t i c a s t ) 是对基于范围移动组播协 议r b m o m 的扩展，采用基于a c k 的肯定应答机制保证组播数据包的端到端可 靠性，采用发送者初始和本地服务器初始相结合恢复丢失的组播数据。使用基于 树的层次结构，移动主机代理( m h a ) 代替其服务范围内的所有移动主机发送应 答，避免应答爆炸问题同时通过单播方式重传丢失组播数据包。 这两种协议都是在移动组播方案( m q m ，r b m o m ) 的基础上增加了a r q 机 制，以保证组播数据的可靠传送。但是当移动主机频繁在网络问切换时，它们的 效率就显得十分低下。在超大型、超动态的移动因特网组播通信中，对这两个协 议的组播树进行优化就显得十分困难了。 2 3 2 基于层次结构的可靠组播协议 不少可靠组播协议用层次结构来组织结点。h v m p r 办议( h o s tv i e w 硕十学位论文 第二二章可靠组播协议研究 m e m b e r s h i pp r o t o c 0 1 ) 使用了两层模型，它设置了一个移动支持站m s s ( m o b i l e s u p p o r ts t a t i o n ) 为移动主机提供可靠组播。m s s 缓存所有组播数据，处理从移动 主机发送来的a c k 确认并对移动主机的移动性进行管理。这样即使是m s s 当前 的所有本地结点都已经正确接收到组播数据，对刚刚移动到该网络链路的结点也 能很快地从m s s 处接收到所需的组播数据。然而它不允许动态地加入或离开组播 且它不能创建或删除组播组，特别是当移动主机在较大范围内移动时可能会有较 长时间的服务中断。h v m p 把移动主机应做的一些工作放到m s s 上，从某种程度 上减轻了移动主机的负担。但两层模型可扩展性不好，需要缓存的数据量也较大 等缺点。 r e l m 协议m ( r e l i a b l em u l t i c a s tf o rm o b i l en e t w o r k s ) 基于h v m p 在m s s 之上 增加了监督主机s h ( s u p e r v i s o rh o s t s ) ，使之变成三层结构。s h 负责收集a c k 信 息，并把这些信息通知发送者。发送者根据接收到的a c k 信息的情况显式地向 s h 或m s s 发送“删除”消息，以通知这些结点可以安全地释放某些组播数据。 这样r e l m 要缓存的信息大大减少，但是该协议要求分别对待固定接收者和移动 接收者，这样对可扩展性损害较大。 文献 3 3 1 研究了移动因特网环境中提供可靠性递增( f i f o 序，因果序和全序) 的组播服务。它基于协调者( c o o r d i n a t o r ) 、移动支持站( m s s ) 和移动主机三层结 构。协调者将接收到的组播数据发送到m s s ，m s s 采用广播的方式把组播数据 发给它所覆盖范围内所有的移动主机。若移动主机因为下列原因丢失组播数据： 1 ) 移动主机移出蜂窝范围：2 ) 无线链路出现错误；3 ) 移动主机在不恰当的时候移 动，如：切换到一个新的蜂窝，这个蜂窝内的组播数据的最大序列号比原来的蜂 窝要大。移动主机采用n a c 方式向m s s 发送重传请求。如果m s s 的缓存中有 移动主机所需要的组播数据，它就重传给该移动主机；如果没有，则m s s 通过 协调者获得组播数据，然后再重传给该移动主机。因为切换问题可能带来诸如网 络流量大等一系列问题，这个协议不显式地考虑移动主机的切换问题，而认为切 换问题的实质就是m s s 缓存问题和缓存信息在切换蜂窝之间的交换问题。故在 该协议中移动主机在蜂窝之间切换时，相关的m s s 不会相互交换信息，m s s 只 是简单地根据获得的本地信息来更新。m s s 通过心跳( b e a c o n ) 消息来判断移动主 机是否还在其蜂窝服务范围内。协议在较大规模移动因特网组播通信中，其延迟 性较大且需要较大缓存容量。 从总体上看，现已有的层次结构模型的可靠组播对移动结点的切换处理不够 灵活，当移动主机从一个m s s 或s h 移动到另一个m s s 或s h 时，相邻m s s 或s h 信 息不能及时更新。如果它们能够彼此进行信息交换，那这个问题就能很好地解决。 硕+ 学位论文第二章可靠组播协议研究 2 3 3 基于逻辑环结构的可靠组播协议 除了上面提到的两层三层协议，在移动因特网中还有基于逻辑环的可靠组 播协议。文献 3 4 i j 二基站代替移动主机加入到组播组，并且组成一个逻辑环。令 牌传输协议将强行要求基站中已发送给了m h 的组播信息保持视图上的一致性。 在逻辑环上，采用令牌轮转的方式交换信息。通过传递令牌，每个基站得到一个 最大的序列号，它表明在此之前所有的组播数据包已经被基站对应的所有移动接 收者正确接收。这样，基站可以安全地释放组播数据包，不用担心移动主机错过 接收组播数据包。 逻辑环模式的优点在于它的简单性，它把对移动的处理放在移动主机的基 站。这种处理对其他结点来说是透明的，并且相邻结点能实现较快速的切换。但 是当组播组是一个超大型的网络时，特别是当移动主机频繁地、动态地加入或离 开组播组时，由于在环中需要令牌来保证全局可靠性，因此可能引起诸如时延较 大、需要较多的缓存空间以及吞吐率低和可扩展性差等缺点。 2 4 小结 本章首先阐述了可靠组播协议分类并对各类的可靠组播协议的思想进行了 描述，随后为了借鉴传统因特网可靠组播协议的设计思路，对其做了一些介绍， 最后根据移动因特网可靠组播所用模型提出了几种可靠组播协议的分类方式。对 可靠组播模型的分类主要分为基于移动i p 的可靠组播协议、基于层次结构的可 靠组播协议和基于逻辑环结构的可靠组播协议，并对协议做出简要介绍和分析。 通过对现有移动因特网可靠组播协议的研究，我们认为现有基于层次结构的 可靠组播协议的主要优点是其可扩展性良好，但移动主机在切换时可能需要较大 的延时。而基于令牌环的可靠组播协议在移动主机的延时性方面处理的较好，但 其可扩展性不高。如果我们能充分利用令牌环的简单性和层次结构的可扩展性， 那我们的可靠组播协议的性能将会得到很大的改善。 硕士学位论文 第三章组橘通信模犁 第三章组播通信模型 通过研究和分析上一章提到的可靠组播模型，借鉴前人已有的研究成果，发 现如果能够融合层次模型的可扩展性和逻辑环模型的简单性，那么可靠组播的综 合性能将大大提高。因此我们提出了一个全新的r g b ( r i n g b a s e dh i e r a r c h yo f a c c e s sp r o x i e s ，a c c e s sg a t e w a y s ，a n db o r d e rr o u t e r ) 通信模型。这个通信模型可以用 于可靠的组播通信。本章主要是介绍r g b 通信模型。 3 1 r g b 模型描述 想象在不久的将来，有线因特网集成不同类型的无线网络，例如，无线局域 网、蜂窝网络、卫星网络等，组成一个所谓的移动因特网。研究人员已提出许多 移动因特网的体系结构，例如无线叠加网络【3 5 i ( w i r e l e s so v e r l a yn e t w o r k i n 2 ) 体系结 构、全i p 无线与移动网络( a 1 1 i pw i r e l e s s m o b i l en e t w o r k ) 删构和总是最佳 连接( a l w a y sb e s tc o n n e c t e d ) 体系结构p ”。 基于这些体系结构，我们提出t r g b 通信模型的移动因特网的体系结构。如 图3 一l ，该模型基于四层结构：最底层为移动主机( m h ) 层，其上层为访问代理( a p ) 层，再上层为访问网关( a g ) 层，最上层为边界路由器( b r ) 层。a p 直接与移动主 机通信；a g 负责不同的无线网络与有线网络之间的通信，a g 的覆盖范围称为微 移动性管理域。b r 负责更大范围的多个微移动性管理域之间的通信，b r 的覆盖 范围称为宏移动性管理域。a p 、a g 和b r 统称为网络实体e ) 。上面三层的n e 根据位置相邻性( 或其它指标) 分别组织成一个或多个a p 逻辑环、a g