（通信与信息系统专业论文）移动互联网的组播设计和实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要： 随着网络技术的发展，尤其是近年来多媒体应用的出现和无线接入技术的迅速 发展，一方面，网络带宽急剧消耗，另一方面，人们迫切希望能够随时随地访问 互联网。为了在下一代移动互联网应用中能够更有效地利用带宽，减少网络拥塞 和延迟，移动环境中的组播应用引起了人们越来越多的重视，并在该领域展开了 大量的研究。本论文在研究移动互联网协议的基础上，设计并实现了一种移动互 联网组播方案。 论文首先综述了移动互联网技术的研究现状，并介绍了i p v 6 组播技术产生的 背景、优势及研究现状。然后着重分析了p i m s m 协议、m l d 协议、基本m i p v 6 协议、基本n e m o v 6 协议及两种基本的移动组播算法一双向隧道算法和远程加 入算法。 在深入分析移动互联网协议及组播路由协议的基础上，论文给出了移动互联网 组播的总体设计思想，并针对各个部分的功能模块进行分析及设计。该移动组播 方案主要包括三部分内容：固定组播路由部分，m l d 代理组播部分和移动终端部 分。固定组播协议主要开发基于i p v 6 的p i m s m v 2 协议；m l d 代理组播部分主要 是在家乡代理及移动路由器上实现对移动节点或移动网络的组播支持；移动终端 部分是指在移动终端上开发支持移动的组播组管理协议。 论文进而基于移动互联网组播的设计思想，对移动互联网组播进行了详细的设 计及实现。首先论述了其实现的流程，然后对各个模块的数据结构及函数流程进 行了详细的设计及实现，主要包括内核兼容部分；m l d 消息的构造、发送和接收 处理；组播状态的建立和维护；及组播数据包的转发。 论文最后给出详细的测试结果，包括消息交互及流量分析。从而验证了本论文 设计的移动互联网组播是一种切实可行的在移动互联网中提供组播服务的方案， 具有一定的实用意义和价值。 本论文选题来源于国家发展和改革委员会下一代互联网示范工程2 0 0 6 年产业 化及应用试验项目“互联网和移动通信融合的业务试验 ( 发改办高技 2 0 0 6 1 2 0 7 5 号) 。 关键词：移动i p v 6 ：移动子网；组播；m l d 代理 分类号：t n 9 1 5 0 4 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s l l t a c t ： w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n t e r n e tt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l y t h e a p p e a r a n c eo f m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sa n dt h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yi nr e c e n t y e a r s ，n e t w o r kb a n d w i d t hi sd e p l e t e ds h a r p l y , w h i l et h ep u r s u i to fa c c e s st oi n t e m e t a n y t i m ea n da n y w h e r eh a sb e e nu r g e n t l yc a l l e d i no r d e rt ou s en e t w o r kb a n d w i d t h m o r ee f f i c i e n t l ya n dd e c r e a s en e t w o r kc o n g e s t i o na n dd e l a yo nt h en e x tg e n e r a t i o n m o b i l ei n t e m e t ，t h es t u d yo fm o b i l em u l t i c a s th a sd r a w nm o r ea t t e n t i o n ，a n dm a s s r e s e a r c hh a sb e e nd o n e i nt h i sp a p e r , as c h e m eo fm u l t i c a s tf o rm o b i l ei n t e m e ti s p r o m o t e da n dr e a l i z e db a s e do nf u l la n dd e e pr e s e a r c ho f t h em o b i l ei n t e r n e tp r o t o c 0 1 f i r s t ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ep r e s e n tc o n d i t i o no fm o b i l ei n t e r n e ta sw e l la st h e b a c k g r o u n d ，a d v a n t a g e sa n dd e v e l o p m e n to fi p v 6 m u l t i c a s tt e c h n o l o g y t h e ni t e m p h a s i z e so na n a l y s i so ft h ep i m s mp r o t o c o l ，m l dp r o t o c o l ，m i p v 6p r o t o c o l ， n e m o v 6p r o t o c o la n dt w ob a s i ca l g o r i t h m so fm o b i l em u l t i c a s tw h i c ha r eu s u a l l y k n o w na sb i - d i r e c t i o n a lt u n n e l i n ga n dr e m o t es u b s c r i p t i o n s e c o n d ，b a s e do nt h es t u d yo fm o b i l ei n t e r n e tp r o t o c o l sa n dt h em u l t i c a s tr o u t i n g p r o t o c o l ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ew h o l ed e s i g ni d e ao fm u l t i c a s tf o rm o b i l ei n t e m e t i n c l u d i n gt h r e ep a r t si n c l u d i n gf i x e dm u l t i c a s tr o u t i n g ，m l d - p r o x ym u l t i c a s ta n d m o b i l et e r m i n a l s t h e n ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e t a i l so ft h ed e s i g na n dr e a l i z eo fm u l t i c a s tf o rm o b i l e i n t e r n e t n o to n l yt h ep r o c e d u r eo fi m p l e m e n t a t i o nb u ta l s ot h ed a t as t r u c t u r ea n d f u n c t i o np r o c e d u r eo fe a c hm o d u l ea r eg i v e n ，w h i c hc o m p r i s e sf o u rm o d u l e si n c l u d i n g k e r n e lc o n c u r r e n t l y , t h em a k i n g , s e n d i n ga n dr e c e i v i n go fm l dm e s s a g e ，t h eb u i l d i n g a n dm a i n t e n a n c eo ft h em u l t i c a s ts t a t e ，a n dt h et r a n s m i t t i n go ft h em u l t i c a s td a t ap a c k e t l a s t ，t h ed e t a i l e dt e s tr e s u l t s ，i n c l u d i n gi n t e r a c t i v em e s s a g e sa n dt r a f f i ca n a l y s i s ，a r e s h o w n ，w h i c hi nt u r nv a l i d a t e st h a tt h ed e s i g ni nt h i sp a p e rau s e f u la n dv a l u a b l e s c h e m ew h oc a no f f e rm u l t i c a s ts e r v i c e sf o rt h em o b i l et e r m i n a l t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h eg r a n tf r o mc h i n an a t i o n a ld e v e l o p m e n ta n dr e f o r m c o m m i s s i o nu n d e rt h ep r o j e c t ”r e s e a r c ho ni n t e g r a t e ds e r v i c e so fi n t e r a c ta n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ” k e y w o r d s ：m i p v 6 ；n e m o ；m u l t i c a s t ；m l dp r o x y e l ：t n1 0 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期也部年钿ff 日 导师签名： 签字日期：伊加i ih 独创性声明 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 躲静蝴期：扫吕年月j 日 9 1 致谢 两年的研究生学习生活即将结束，我也即将走向工作岗位，在此谨向在我攻 读硕士学位期间指导、关心、帮助过我的老师和同学表示真挚的感谢。 本论文的工作是在我的导师张思东教授的悉心指导下完成的。张老师严谨的 治学态度和求实的科学精神将使我受益终生，同时还教会了我许多做人的道理， 使我树立正确的科学观和人生观，踏实奋斗自己的人生。藉此论文完成之际，谨 向教育我的导师表示诚挚的谢意! 衷心感谢周华春副教授，周老师孜孜以求的敬业精神给我留下深刻的印象。 在学习和工作中，周老师鞭策我要勇于面对挑战、勤钻研、多思考，对我的影响 和教育将是我一生享受不尽的宝贵财富。 感谢下一代互联网研究中心主任张宏科教授，他为我指明了前进的方向，而 且毫无保留地把积攒的知识和经验传授给我，时常中肯地指出我的不足，鞭策着 我不断的进步。感谢秦雅娟老师、郜帅老师、刘颖老师在我的科研和生活中给予 我的无私帮助和诚挚的关怀。 感谢在实验室与我共同学习、研究的同学们，感谢他们在平时生活和学习中 对我的帮助和支持。和同学们在一起让我感觉到集体和团队精神的巨大力量。 感谢我的父母和亲朋，他们的鼓励和支持是我在学习成长路上的动力和保 证。 感谢所有关心和帮助我的人。 最后，衷心感谢各位评委于百忙之中抽出宝贵的时间审阅本文! 引言 1 引言 本文在分析移动互联网【l 】的各种工作协议，p i m s m 2 j ( 协议无关组播稀疏模 式) 协议和m l d t 3 】【4 】( 组播侦听发现) 协议的基础上，设计并实现了一种移动互 联网组播的方案，该方案可以为移动节点和移动网络提供持续的组播视频服务。 通过搭建互联网与移动通信融合的业务试验的网络拓扑环境，进一步对该方案进 行了实现及测试。 1 1 研究的背景和意义 在当今信息社会中，i n t e r n e ：t 和移动通信是两个引人注目的发展方向。近几年 以i n t e m e t 为代表的信息技术给人们的生活带来了巨大的变化。i n t e r n e t 己经成为 很多人日常活动不可缺少的部分。通过i n t e m e t ，人们能够及时的了解世界各地的 新闻，方便地获得许多有用信息如股市行情、旅游信息、商品介绍，与网上的互 动游戏等娱乐活动，进行网上远程教育和购物等等。随着移动终端如个人数字助 理( p d a ) 、笔记本以及手机的日益普及，传统的i n t e m e t 正在经历着改变，需要 为移动用户提供服务。在不久的将来，移动设备就可以通过广泛部署的无线网络 随意访问i n t e m e t 上各种类型的服务。这种扩展了的支持移动终端以及移动子网的 互联网被称为移动互联网【7 1 。目前互联网的移动性问题得到了越来越多的重视，成 为了当前研究的热点。 目前互联网对移动的支持主要有三种方式：( 1 ) 网络固定，移动终端设备在网 络边缘移动，这种形式又称为“网络固定的移动”( f i x e di n f r a s t r u c t u r em o b i l i t y ) _ ； ( 2 ) 网络主干固定，边缘子网整体移动，这种形式又称为n e m o ( n e t w o r k m o b i l i t y ) 1 5 1 ；( 3 ) a dh o c 网络【6 】【7 】。论文主要针对第一种和第二种形式的移动网 络进行研究。 当今的互联网己不再仅仅是提供文件下载、消息发布、以及发送电子邮件等 服务的工具，它作为一个交互式的信息平台，已经涌现出了大量新型的网络应用， 例如：可视电话会议、多媒体远程教育以及协同工作等等。这些应用对传统的基于 尽力服务的分组转发的i p 网络提出了更为严峻的挑战。它们要求网络能够提供更 高的带宽、更好的实时性、更严格的服务质量控制( q o s ) 。在这种情况下，i p 组播 【8 】显示了强大的性能优势。它所提供的点到多点、多点到多点的通信方式能够有效 的提高网络的利用率、节省发送者自身的资源，同时使得应用具有良好的可扩展 性，因此在这些新型网络应用中发挥了巨大的作用。正是由于有着良好的性能特 北京交通大学硕士学位论文 性和应用前景，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。下 一代互联网协议i p v 6 刿规定所有的i p v 6 路由器必须支持组播路由功能。 移动的用户希望能够获得和传统固定计算机用户一样的网络资源和服务，其 中就包括了组播所带来的这些新型网络应用。在共享信道的无线链路中，组播可 以有效的节省无线网络带宽，当有多个移动节点是同一个组播组的成员时，通过 组播的方式发送数据分组比为每个移动节点分别发送数据分组的效率要高得多。 因此，移动和组播的结合将为两者提供更广阔的发展空间。 综上可知，研究移动互联网的组播技术，为移动节点或者移动网络提供组播 服务，就是在移动终端在移动环境中进行切换时，需要维持组播的组成员关系和 组播转发树，从而减小丢包和时延，适宜视频传输。 本论文选题来源于国家发展和改革委员会下一代互联网示范工程2 0 0 6 年产业 化及应用试验项目“互联网和移动通信融合的业务试验 ( 发改办高技 2 0 0 6 1 2 0 7 5 号) 。这个项目是在i p v 6 研究成果基础上，利用我们开发的“高性能i p v 6 路由器协 议栈软件”( 国家8 6 3 重大项目) 、国家多项自然科学基金项目和华为基金项目的研 究成果基础上，对互联网和移动通信融合进行全面的研究，拟在以下几个方面开 展深入具体的研究设计和试验工作：提出适用于移动互联网的组播技术方案；提 出解决移动互联网移动路由器( 主机) 安全鉴别问题的技术方案；研究建立移动互联 网新型网络管理模型，设计相应的网络管理协议；提出适应移动互联网络特点的 移动路由器硬件技术方案；研究集成移动互联网多种网络资源和服务资源的网络 融合技术方案。本论文就是在对移动互联网的组播技术方案研究的基础上，通过 一系列的编码及测试，最终撰写而成的。 1 2 国内外研究的现状 1 2 1移动互联网 移动互联网的协议主要有终端移动协议m i p v 6 ( 移动i p v 6 ) 和子网移动协议 n e m o ( 网络移动性) ，现在介绍如下： 1 m i p v 6 ( m o b i l ei p v 6 ) 协议【1 0 l 下一代移动互联网的基础协议为m i p v 6 协议，i e t f 已经发布了m i p v 6 的正式 协议标准r f c 3 7 7 5 。 m i p v 6 协议能够对网络中的移动节点提供移动性支持。当移动节点在移动i p v 6 互联网各个接入路由器之间移动时，它都以其不变的家乡地址作为标识，并通过 家乡地址进行口层之上的上层协议通信。当移动节点处在外地网络时，会生成一 2 引言 个转交地址，该地址能够提供移动节点的当前位置信息。以移动节点的家乡地址 作为目的地址，发往移动节点的i p v 6 数据包，会被透明地传输到移动节点的转交 地址，也就是节点的当前位置，而向上层协议递交的i p v 6 数据包仍以家乡地址作 为目的。为了达到上述目的，m i p v 6 协议定义了若干种移动头报文以及选项格式， 并规定了移动节点的位置更新、数据路由、消息处理等操作的流程。 2 f m i p v 6 ( f a s th a n d o v e l sf o rm o b i l ei p v 6 ) 协议 f m i p v 6 协议是基本m i p v 6 协议的扩展协议，i e t f 已经发布了f m i p v 6 的正 式协议标准r f c 4 0 6 8 。 当节点在各个接入路由器之间移动时，m i p v 6 协议能够保持节点与i n t e r n e t 的 连接，并保证上层通信的持续，这个过程称为切换。在切换的过程中，链路层的 切换以及口层的协议操作会产生一定时延，移动节点在这段时延间隔内将不能够 收发数据。这种切换时延主要源于基本m i p v 6 协议中的移动检测过程、转交地址 的配置过程、绑定更新过程。由于切换时延的存在，m i p v 6 不能满足诸如v o i p 等实时业务的要求。f m i p v 6 协议提供了一种解决方案，能够减小m i p v 6 协议所产 生的时延。 3 h m i p v 6 ( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6 ) 协谢比1 h m i p v 6 协议是基本m i p v 6 协议的扩展协议，i e t f 发布了h m i p v 6 的正式协 议标准r f c 4 1 4 0 。 当移动节点数目较多时，由于需要处理和维护这些移动节点发送的绑定更新 并转发数据，家乡代理和通信节点会有较重的负担。此外，当移动节点切换至距 家乡网络较远的外地网络时，发往家乡代理的绑定更新会产生较大的传输开销。 h m i p v 6 针对以上两个问题提出了解决方案，定义了一种功能实体m a p ( 移动锚 点) ，用于处理移动节点小范围移动时的位置更新并转发数据，从而避免了大量绑 定更新消息发往家乡代理和通信节点，同时避免了绑定更新的传输开销。 4 n e m o ( n e t w o r km o b i l i t y ) 协议p 1 n e m o 协议是基本m i p v 6 协议的扩展协议，i e t f 发布了n e m o 的正式协议 标准r f c 3 9 6 3 。 n e m o 协议是m i p v 6 协议的功能扩展，是对一个网络提供移动性支持。当网 络发生移动并改变其接入点时，n e m o 协议保证网络中的所有节点上层通信的持 续性，并能保证网络中节点的可达性。移动路由器作为移动网络接入i n t e m e t 的接 入点，运行n e m o 协议，负责向其家乡代理发送位置更新信息，并负责转发内部 节点的数据流量。移动网络的内部节点不需要感知网络的移动，网络的移动对它 们来说是透明的。 3 北京交通人学硕十学位论文 1 2 2i p 组播技术 组播技术【8 】的起源要追溯到传统的单播路由协议在处理一对多和多对多的通 信问题中遇到的困惑和采用广播技术造成网络拥塞和带宽的浪费问题。组播改变 了传统的一对一的通信模式，引入了组通信的概念。经过几十年内的研究，组播 技术取得了迅速的发展。组播技术经历了从i p 层到应用层，从i p 网到m p l s 网的 历程，展示了其强劲的生命力。 纵观组播技术的发展里程，大体可以分为以下三个阶段。 第一阶段：早期基础理论研究阶段 1 9 8 8 年斯坦福大学的s t e v ed e e r i n g 提出了距离向量组播路由协议( d v m r p , d i s t a n c ev e c t o rm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 和组播主机组( h o s tg r o u p ) 模型，这 是组播技术发展的起点。1 9 9 2 年出现了m b o n e 试验床用来测试组播路由协议。早 期的组播理论协议设计比较简单，适用范围和支持的组播组规模小，安全性、扩 展性和生存性差。 第二阶段：“固定”网络组播发展阶段 这一阶段主要是以“固定网络”组播为主，陆续出现了m o s p f ( m u l t i c a s t e x t e n s i o n st o o s p f ) 13 1 、c b t v 2 ( c o r eb a s e dt r e e sv 2 ) t 14 1 、p i m s m ( p r o t o c o l i n d e p e n d e n tm u l t i c a s t s p a r s em o d e ) 2 1 、p i m d m ( p r o t o c o li n d e p e n d e n t m u l t i c a s t d e n s em o d e ) 1 4 j 等多种组播路由协议，组播从域内发展到域间，逐步 从理论走向测试应用。 i e t f 的m a g m a ( m u l t i c a s t & a n y c a s tg r o u pm e m b e r s h i p ) 、p i m ( p r o t o c o l i n d e p e n d e n tm u l t i c a s t ) 、s s m ( s o u r c e s p e c i f i cm u l t i c a s t ) 16 1 、r t m ( r e l i a b l em u l t i c a s t t r a n s p o r t ) 、m s e c ( m u l t i c a s ts e c u r i t y ) 、m b o n e d ( m b o n ed e p l o y m e n t ) 等多个工 作组致力于研究组播组成员管理、p i m 、s s m 、可靠组播协议、组播安全体系以及 组播部署等问题，指导i p 组播技术的发展，推动组播服务的大规模应用。但i p 组 播在实际部署中遇到了困难，缺少有效的安全性、可靠性、扩展性和可管理等机 制。同时，随着移动i p 技术的发展，出现了移动组播终端，而传统的组播路由协 议都没有考虑对节点移动性的支持，这使得组播技术进入了新的发展阶段。 应用层组播就是其中一个方向，从1 9 9 9 年起相继出现了一系列应用层组播技 术如y ，o i d ，n a r a d a ，a i m l 等。应用层组播的基本思想是保持互联网原有的简单、 不可靠、单播的转发模型，由端系统实现组播转发功能。它假设：( 1 ) 网络的带宽 和转发资源相对丰富，服务器能力是主要瓶颈：( 2 ) 组播组成员可贡献资源用于转 发；( 3 ) 应用对性能要求并不苛刻，可容忍报文丢失和较大延迟。应用层组播只需 改变端系统，不改变现有的网络路由器，便于实现和推广；便于针对特定应用优 4 引言 化，并能实现各种接入控制如差错控制、流控制、拥塞控制等。但相对于i p 组播 而言，它消耗了更多网络资源，且端系统可能不稳定，使得组播的可靠性受影响， 从而导致延迟、转发速率等性能的下降。 第三阶段：移动组播发展阶段 随着m i p v 4 、m i p v 6 、n e m o 技术的研究和各种移动终端的出现，移动组播技 术日益成为研究的热点。目前，移动组播方案大多数都是在双向隧道( m i p - b t , m o b i l e 口b i d i r e c t i o nt u n n e l i n g ) tm 】【1 7 l 和远程加入( m i p r s ，m o b i l ei pr e m o t e s u b s c r i p t i o n ) 1 0 】【1 7 1 的基础上创建的，具有代表性的移动组播方案有：m o m ( m o b i l e m u l t i c a s t ) 0 9 1 ，主要针对隧道聚集【1 7 j 问题进行了改进；r b m o m 2 0 1 ( r a n g e b a s e d m o m ) 在m o m 的基础上进行了改进；m a ( m u l t i c a s ta g e n t ) 算法，通过引入组 播代理来避免隧道聚合；m m g 2 1 1 ( m o b i l em u l t i c a s tg a t e w a y ) ，通过设置网关路由 器来解决隧道聚集问题；m o b i c a s t ( m o b i l ej u s t i n t i m em u l t i c a s t i n g ) 1 2 3 算法，采用 分层移动管理，屏蔽节点的移动性以实现域内的快速切换；m s s m v 6 ( m o b i l es s m s o u r c e sf o ri p v 6 ) 方案，只是提供了s s m 组播的源移动解决方案。 随着移动i p v 6 技术的发展，一些基于m i p v 6 、f m i p v 6 和h m i p v 6 的移动组播 方法相继出现。基本移动i p v 6 的切换时间大约有2 3 秒，显然不能满足实时应用 服务的要求。f m i p v 6 结合二层技术，在m n 接入到新网络前就开始配置新转交地 址n c o a ( n e wc o a ) ，减少切换时间，并利用p a r ( p r e v i o u sa r ) 和n c o a 之间的 隧道减少切换丢刨】。h m i p v 6 通过移动锚点m a p ( m o b i l i t ya n c h o rp o i n t ) 在外地 网络实现本地家乡代理h a 功能【1 2 】，减少全局切换信令的传输。 基于f m i p v 6 ，f x i a 等提出快速组播切换方法m f h ( m u l t i c a s tf a s t h a n d o v e r ) 2 4 1 ，在快速绑定更新f b u ( f a s tb i n d i n gu p d a t e ) 和切换发起h i ( h a n d o v e r i n i t i a t e ) 消息中增加一个组播信息选项m g i o ( m u l t i c a s tg r o u pi n f o r m a t i o no p t i o n ) 来包含m n 已经加入的组信息，并通过p a r 发送给n a r 预先建立相应的组播状 态，该方法减少了组播加入延时和丢包。 在h m i p v 6 环境下，t h o m a ss c h m i d t 等提出了无缝移动组播切换方法 m h m i p v 6 2 5 1 ，利用具有组播功能的m a p 传输组播数据，隐藏m n 的微移动特性。 当m n 移出m a p 域时，采用前一个m a p ( p m a p ) 到新的l c o a ( n l c o a ) 的隧道传 输组播数据，直到m n 从新的m a p 获取组播数据为止。但由于p m a p 到n l c o a 的隧道是在m n 完成二层切换和三层切换后才创建的，因此造成了组播数据的丢 失。 基于m l d 协议，c j e l g e r l 2 2 】等新增了m l dl i s t e n e rh o l d 消息，当m n 移到 外地后先通过b t 方法获得数据，然后再利用r s 方法加入组播组。一旦m n 从外 地获取组播数据，则发送m l dl i s t e n e rh o l d 消息给h a ，使其停止数据转发并保 5 北京交通大学硕士学位论文 留组播转发状态。该方法提供了优化的组播数据传输，但存在较长的组播服务中 断。 基于移动互联网协议及组播技术发展历程的论述，本论文主要讨论及实现基于 基本m i p v 6 和n e m o v 6 的移动组播方法，着重实现m l d 代型3 6 1 的功能，充分利 用基本的移动组播算法b t 和r s 1 0 】f 1 7 1 ，最终可以为移动终端提供组播服务。 1 3 论文的主要工作及结构 本论文所实现的移动组播的设计方案，能够实现移动节点及移动网络在移动过 程中可以接收组播视频流，并保证最少的丢包和时延。 论文的主要工作是对i p v 6 协议、m i p v 6 协议和n e m o 协议进行了全面地研究 分析，并阅读分析了大量的源代码，在此基础上结合p i m s m 的协议代码及m l d 代理的协议代码，设计并实现了移动互联网的组播实现流程，最后对整个系统进 行全面测试。所涉及的内容包括： l 、在深入研究p i m s m 和m l d 的协议实现原理和基于i p v 6 的组播实现的源代码 的基础上，实现了基于m i p v 6 的双向隧道的m l d 代理。 2 、在l i n u x 2 6 8 1 的内核基础上，修改内核，实现p i m s m 协议代码和m i p v 6 协议代码的共存。 3 、在深入研究m i p v 6 协议和n e m o 协议的工作原理、协议操作流程的基础上， 总结实现了两种移动协议下移动节点端的m l d 协议。 4 、在阅读分析m l d 代理软件的源代码，以及m i p v 6 协议、n e m o 协议的协议栈 源代码的基础上，设计了移动互联网组播的方案，并加以实现。 5 、对系统进行了全面的测试。 6 、对论文的主要工作进行总结，明确下一步的研究方向。 论文的组织结构如下： 第一章阐述了论文的研究背景和意义，列出了论文的主要工作和组织结构。 第二章介绍了i p 组播路由协议、m l d 协议、基本m i p v 6 协议及基本n e m o 协议的基本原理，介绍了双向隧道和远程加入两种基本的移动组播算法。 第三章详细阐述了移动互联网组播的设计思想，首先给出总体的设计思想，然 后各个主要的功能模块进行详细设计。 第四章详细阐述了移动互联网组播的具体实现。首先介绍其总的实现流程，然 后给出各个模块的功能及实现代码。 第五章对移动互联网组播进行了详细测试并对结果进行了分析。 第六章对论文进行了总结，对移动互联网组播的研究方向进行了探讨。 6 移动互联网组播的研究综述 2 移动互联网组播的研究综述 本章介绍了i p 组播路由协议、m l d 协议、基本m i p v 6 协议及基本n e m o 协议的基本原理，介绍了双向隧道和远程加入两种基本的移动组播算法。 2 1i p 组播协议概述 组播是一种有效的点到多点和多点到多点的路由机制，它通过在组成员之间 构建组播转发树来转发数据。组播包括两部分内容，一是组播路由器和主机之间 通过组成员管理协议如i g m p ( i n t e r a c tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) m j 、m l d ( m u l t i c a s tl i s t e n e r d i s c o v e r y ) 等构建和维护组成员关系，二组播路由器之间通 过组播路由协议( 如p i m s m 、p i m d m 、d v m r p 2 6 1 ) 来构建和维护组播转发 结构。 通过i g m p 或者m l d 协议，组播路由器可以判断在与自己连接的任何一个 网络上，是否存在组播组成员。i g m p 或者m l d 只需要维护组播组是否具有成 员的状态消息，而不维护组播组有哪些成员，因此状态信息不会随着组播组成员 的增加而增加。通过组播接收者和组播路由器之间采用组管理协议进行交互，组 播接收者可以动态地通知所在子网的组播路由器自己所希望接收哪些组播源发 给哪些组播组地址的数据包，而组播路由器则可以动态地了解所在子网上的组播 接收者们对哪些组播源和组播组地址的报文感兴趣，从而使得组播网络具有动态 性和灵活性。 组播路由器之间采用组播路由协议来建立和更新维护组播分发树，并根据组 播分发树得出复制和分发组播报文的路径，保证组播数据包从上到下沿着组播转 发树到达组播接收者。 在众多组播路由协议中，按照作用域大小可以分为域内组播协议和域间组播 协议两种。域内组播协议通常有距离矢量组播路由协议d v m r p ( d i s t a n c ev e c t o r m u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 协议、协议无关组播密集模式p i m d m ( p r o t o c o l i n d e p e n d e n tm u l t i c a s t d e n s em o d e ) 协议、有核树组播路由协议c b t ( c o r eb a s e d t r e e sm u l t i c a s tr o u t i n g ) 和开放组播最短路径优先m o s p f ( m u l t i c a s to p e n s h o r t e s tp a t hf i r s t ) 协议；域间组播协议包括组播源发现协议m s d p ( m u l t i c a s t s o u r c ed i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) 【27 1 、组播边界网关协议m b g p ( m u l t i p r o t o c o lb g p ) 【2 9 1 和源特定组播s s m ( s o u r c es p e c i f i cm u l t i c a s t ) 1 1 6 。按照组播分发树可以分为 有源分发树( s o u r c ed i s t r i b u t i o nt r e e ) 和共享分发树( s h a r e dd i s t r i b u t i o nt r e e ) 7 北京交通人学硕士学位论文 两大类。有源树组播协议包括d v m r p 、m o s p f 和p i m d m 等，共享树包括c b t 竺 弋亍。 典型的组播路由协议包括d v m r p ，p i m s m 和p i m d m 协议等，现概述如 下： 1 、d v m i t p d v m r p 的开发是基于路由选择信息协议( r i p ) 3 0 】。d v m r p 整合r i p 中的 许多特性和截断方向路径广播( t r p b ：t r u n c a t e dr e v e r s ep a t hb r o a d c a s t i n g ) 算 法。另外，为了试验跨越不支持多播的网络可行性，开发了一种叫“隧道”的机制。 d v m r p 和r i p 的主要不同之处在于：r i p 路由和转发数据报到明确的目的地。 d v m r p 的目的是为了跟踪到组播数据报出发地的返回路径。d v m r p 数据包封 装于i p 数据报中，使用的i p 协议号为2 。 2 、p i m d m p i m d m 采用“扩散剪枝”机制建立组播转发树。在p i m d m 域中，运行 p i m d m 协议的路由器周期性地发送h e l l o 消息，发现邻接的p i m 路由器，进行 叶子网络、叶子路由器的判断，并且负责在多路访问网络中选举指定路由器 ( d r ) 。p i m d m 协议假定当组播源开始发送组播数据包时，域内所有的网络节 点都需要接收，因此首先将组播数据包扩散到全网，然后通过协议剪枝不需要数 据的网段。为了完成组播数据包的转发，沿途的路由器需要为组g 和源s 创建 相应的组播路由项( s ，g ) 。( s ，g ) 路由项包括组播源地址、组播组地址、入接口 列表、出接口列表、定时器和标志等。 3 、p i m s m p i m s m 协议采用了汇聚点机制，它规定每个组播组必须有一个有效的汇聚 点路由器，组播转发分为两种，即以组g 的汇聚点( r p ) 为根的共享树( r p t ) 和以 组播源为根的最短路径树( s p t ) 【2 】。p i m s m 允许有直连组播数据接收者的路由器 从r p t 切换到s p t 来接收组播数据。 综上所述，可以知道p i m 是不依赖于某一特定单播路由协议，它可利用各种 单播路由协议建立的单播路由表完成r p f 检查功能，而不是维护一个分离的组 播路由表实现组播转发。由于p i m 无需收发组播路由更新，所以与其它组播协 议相比，p i m 开销降低了许多。p i m 的设计出发点是在i n t e m e t 范围内同时支持 s p t 和共享树，并使两者之间灵活转换，因而集中了它们的优点提高了组播效率。 p i m 定义了两种模式：密集模式( d e n s e m o d e ) 和稀疏模式( s p a r s e - m o d e ) 。所以， p i m s m 已经成为了事实上的域内组播路由协议的标准，此外p i m s m 协议还支 持特定源组播s s m 。 所以，本论文着重论述p i m s m 协议及m l d 协议。 8 移动互联网组播的研究综述 2 1 1p i m s m 协议概述 p i m s m 协议采用了汇聚点机制，它规定每个组播组必须有一个有效的汇聚 点路由器，组播转发分为两种，即以组g 的汇聚点( r p ) 为根的共享树( r p t ) 和以 组播源为根的最短路径树( s p t ) 。p i m s m 允许有直连组播数据接收者的路由器 从r p t 切换到s p t 来接收组播数据。 p i m s m 协议工作的基本机制如下： ( 1 ) 共享树的加入 共享树的根节点称为汇聚点( r p ) 。共享树也叫r p 树，常记做i 冲t 。r p 从 源接收所有组播数据，并将组播数据转发给接收者。组播组成员会显示地连接至 r p ，这样，每个组播组不论有多少个源，都只有一个树。r p t 的通配符项表示 为( ，g ) ，其中g 表示组播组。 下面通过图2 1 中的例子简述在p i m s m 中，在共享树上接收者加入组播组 g 的过程。由此触发本地指定路由器( d r ) ( 在本例中为路由器e ) 加入该组的 共享树。 图2 - lp i m s m 加入共享树l f i g 2 1p i m - s mj o i ns h a r e dt r e e1 共享树加入的第一步是由组播接收者发送m l d 成员报告消息到其指定路由 器d r ，如图2 1 中的所示。 当指定路由器d r ( 即路由器e ) 接收到发送给组g 的m l d 加入消息时， d r 搜索其组播路由表，查找该组的( 幸，g ) 项。接收者1 是本例中第一个加入 g 的主机，所以d r 找不到一个( 幸，g ) 项。因此路由器e 会在组播路由表中 为这个组创建一个通配符组播路由项，在这里指的是一个( ，g ) 项，把以太 网接口加入到( 木，g ) 条目的输出接口列表中，并查找与该组播组相关联的r p 。 路由器e 会周期性地向r p 发送p i m 加入消息，如图2 1 中的所示，以便 加入到组g 的共享树中。当加入请求消息向上行发送时，路由器b 也建立相应 9 北京交通人学硕士学位论文 的组播转发状态，包括( ，g ) 项以及输入、输出接口列表等，以便需要的组 播信息可以沿树向下转发。r p 收到( 奉，g ) 加入消息后，在其组播路由表中建 立一个相应的组播转发项，并把路由器f 的链路添加到其输出接口列表中。此时， 作为组播组g 的共享树就已经在r p 和路由器b 、路由器e 及接收站点1 之间建 立起来了，如图2 1 中的所示。至此，到达r p 的组播组g 的任何信息都能沿 着共享树向下转发到该接收主机。 若另一个主机( 接收者2 ) 也想加入到组播组g 中，同样，发送m l d 成员 关系报告消息到路由器h ，如图2 2