（计算机应用技术专业论文）移动自组网中可靠组播协议研究(1).pdf

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： 日期：趁坐年# 月孕日 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：导师签名 期：2 衅年字月争日 摘要 固定网络采用两种方式利用它的静态特性：第一，它主动地将网络拓扑信 息分发给结点，根据这些拓扑信息，每个结点再使用相对简单的算法计算得到 路由。第二，因为大规模网络的完整拓扑信息很难进行处理或进行全球性的分 布，所以它嵌入一些路由线索到结点的地址中。但是，这两种技术都不能在拥 有移动结点的网络中得到有效的应用，这是因为移动性使拓扑信息很快失效， 而且永久的结点地址也不能包含动态的位置信息。 移动自组网是一种自组织的移动无线网络，它不依赖具有基础设施的网络 结构进行通信。该网络中的结点拥有有限的传输范围，数据包可能要通过多个 结点的转发才能到达目的结点。 提供可靠的组播是建立高级的分布式协议的一个基本要求。而在移动自组 网环境中提供可靠组播尤其具有挑战性。 本论文研究了移动自组网中三种可靠路由协议：单播路由协议、组播路由 协议和广播路由协议。可靠单播路由协议可分为基于拓扑结构的和基于地理位 置信息的。而基于拓扑结构的路由协议又可分为主动式路由、反应式路由和混 合式路由。大部分主动式路由协议都使用最短路径算法以适应移动网络环境。 所以当结点的移动速率很高时，由于它们跟不上拓扑结构的变化而变得不适 用。因而，一些主动式路由协议因为它们的高通信开销而被弃用。反应式路由 算法中，仅当有数据包需要传递给目的结点时才触发路由发现操作。混合式路 由协议综合运用了主动式路由和反应式路由。另一类单播路由协议是基于地理 位置信息的，这些协议假设源结点知道目的结点的位置信息，中问结点就可以 通过该位置信息有效地转发数据包。 虽然目前的移动自组网中组播传输还没有得到广泛地应用，但是在将来的 多媒体通信中它将变得非常重要。组播协议的思想基于查询一回答机制，与实现 单播协议很类似。除了做一些必要的修改以外，组播协议的基本操作与单播协 议类似。单播协议中每个目的节点都拥有一个唯一的序列号。同样地，每个组 播组也拥有一个序列号，以表示组播路由信息的最新性，包含了所有组成员的 组播树按需地形成以支持组播传输。移动自组网中，许多组播路由协议已经被 i v 提出。它们可被划分为两类：基于树的和基于网格的。基于树的组播协议一般 是对有线网络中类似的协议的修改以适应移动自组网环境。基于网格的组播协 议使用网格来代替共享组播树进行数据包传送，网格可以在组成员中提供冗余 的链路。与基于树的组播协议相比，基于网格的组播协议可能要消耗更多的带 宽。 可靠的广播协议可实现高级通信中的组播通信，它们拥有其它协议中没有 的优点。例如，一些路由协议在路由发现过程中使用广播：用来通知一个错误 消息以删除路由表中的错误路由，或者作为高移动性移动自组网中可靠组播的 一种有效机制。广播协议可分为确定性的和概率性的。确定性广播协议，它们 为发送消息给移动自组网中的一组结点提供发送保证。提供这种发送保证的协 议经常在数据源或路由被破坏的局部结点处，尝试探测和修复错误。概率性广 播协议保证一定概率的发送成功率。 虽然移动自组网中存在大量的单播、组播和广播路由协议，但是仅仅一个 协议似乎不能完全适应移动自组网应用中不同的场景和通信模式。主动式路由 协议能很好地适应高移动性的小规模宽带宽移动自组网，而反应式路由协议则 能很好地适应低移动性的大规模窄带宽移动自组网。 本论文还为组播路由协议提出了一种基于超立方体的虚拟动态骨干网模型 以及一些简单的算法。该模型起源于”维超立方体网络，这种网络具有很多优 良特性，如高容错性、短直径性、正则性和对称性。并且，由于结点的移动和 出错，该模型中的超立方体很可能是不完全超立方体，其中的某些结点或链路 不存在。这种基于超立方体的虚拟动态骨干网模型在大规模移动自组网中具有 高可用性和负载均衡的特性。组播可以仅在虚拟动态骨干网中运行，因而提高 了协议的可扩展性。 关键词：移动自组网，可靠组播协议，可靠单播协议，可靠广播协议，虚拟动 态骨干网 v a b s t r a c t f i x e dn e t w o r k st a k ea d v a n t a g eo ft h e i rs t a t i cn a t u r ei nt w ow a y s f i r s t ，t h e y p r o a c t i v e l yd i s t r i b u t en e t w o r kt o p o l o g yi n f o r m a t i o na m o n g t h en o d e s ，a n de a c hn o d e p r e 。c o m p u t e sr o u t e st h r o u g ht h a tt o p o l o g yu s i n gr e l a t i v e l yi n e x p e n s i v ea l g o r i t h m s s e c o n d ，f i x e dn e t w o r k se m b e dr o u t i n gh i n t si nn o d ea d d r e s s e sb e c a u s et h ec o m p l e t e t o p o l o g yo fal a r g en e t w o r ki st o ou n w i e l d yt op r o c e s so rd i s t r i b u t eg l o b a l l y n e i t h e r o ft h e s et e c h n i q u e sw o r kw e l lf o rn e t w o r k sw i t hm o b i l en o d e sb e c a u s em o v e m e n t i n v a l i d a t e s t o p o l o g yi n f o r m a t i o na n dp e r m a n e n tn o d ea d d r e s s e sc a n n o ti n c l u d e d y n a m i cl o c a t i o ni n f o r m a t i o n m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ( m a n e t s ) a r es e l f - o r g a n i z i n gm o b i l ew i r e l e s s n e t w o r k st h a td on o tr e l yo nap r e e x i s t i n gi n f r a s t r u c t u r et oc o m m u n i c a t e n o d e so f s u c hn e t w o r k sh a v el i m i t e dt r a n s m i s s i o nr a n g e ，a n dp a c k e t sm a yn e e dt ot r a v e r s e m u l t i p l eo t h e rn o d e sb e f o r er e a c h i n gt h e i rd e s t i n a t i o n p r o v i d i n gr e l i a b l em u l t i c a s ti sab a s i cr e q u i r e m e n tt ob u i l da d v a n c e dd i s t r i b u t e d p r o t o c o l s o n eo ft h es p e c i a l l yc h a l l e n g i n gr e l i a b l e m u l t i c a s te n v i r o n m e n t si s m a n e t s i nt h i st h e s i s ，w ei n v e s t i g a t eo nt h r e ec a t e g o r i e so fm a n e t sr e l i a b l er o u t i n g p r o t o c o l s ；t m i c a s tp r o t o c o l s ，m u l t i c a s tp r o t o c o l sa n db r o a d c a s tp r o t o c o l s ；o nt h e r e l i a b l eu n i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l s ，t h e yc a nb ed i v i d e di n t ot o p o l o g y b a s e dp r o t o c o l s a n dg e o g r a p h i c a l - b a s e dp r o t o c o l s t o p o l o g y b a s e dp r o t o c o l sc a n b ed i v i d e di n t o p r o a c t i v ep r o t o c o l s ，r e a c t i v ep r o t o c o l sa n dh y b r i dp r o t o c o l s m o s to ft h ep r o a c t i v e r o u t i n gp r o t o c o l sa r eb a s e do ns h o r t e s tp a t ha l g o r i t h m sa d a p t e dt ot h em o b i l e e n v i r o n m e n t a sar e s u l t ，w h e nt h em o b i l i t yr a t eo fn o d e si sh i g h ，p r o a c t i v ep r o t o c o l s a r ei n f e a s i b l es i n c et h e yc a n n o tk e e pu pw i t l lt h ec h a n g e si nt h et o p o l o g y t h u s s e v e r a l p r o a c t i v er o u t i n gp r o t o c o l s w e r ef o r s a k e nb e c a u s eo ft h e i r h i g h c o m m u n i c a t i o no v e r h e a d i nr e a c t i v er o u t i n ga l g o r i t h m s ，r o u t ed i s c o v e r yt oa d e s t i n a t i o nn o d ei so n l yi n i t i a t e dw h e nad a t ap a c k e tn e e d st ob et r a n s m i r e dt ot h a t n o d e h y b r i dr o u t i n gp r o t o c o l sa r em i x e db e t w e e nt h o s ep r o a c t i v ea n dr e a c t i v e p r o t o c o l s t h eo t h e rc a t e g o r yo fu n i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l si sg e o g r a p h i c a l - b a s e d p r o t o c o l s ，t h e s ep r o t o c o l sa s s u n l et h a tt h es o u r c ea l s ok n o w st h el o c a t i o no ft h e d e s t i n a t i o n ，a n dt h ep a c k e t sc o u l db ee f f i c i e n t l yf o r w a r d e db yi n t e r m e d i a t en o d e sw i t h a i do f t h el o c a t i o ni n f o r m a t i o n a l t h o u g hm u l t i c a s tt r a n s m i s s i o nh a sn o tb e e nw i d e l yd e p l o y e di nt h ec u r r e n t m a n e t ，i tw i l lb e c o m ev e r yi m p o r t a n ti nm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n si nt h en e a r f u t u r e t h ei d e ao fm u l t i c a s tp r o t o c o l si sb a s e do nq u e r y r e s p o n s em e c h a n i s ms i m i l a r t ot h a to fu n i c a s tp r o t o c o l s t h eb a s i co p e r a t i o n si nm u l t i c a s tr o u t i n ga r es i m i l a rt o t h o s ei nu n i c a s tr o u t i n g ，e x c e p tf o ral i t t l em o d i f i c a t i o n ；i nu n i c a s tr o u t i n go p e r a t i o n s ， e v e r yd e s t i n a t i o nh a sau n i q u es e q u e n c en u m b e r l i k e w i s e ，e v e r ym u l t i c a s tg r o u p a l s o h a sas e q u e n c en u m b e rt oi n d i c a t et h ef r e s h n e s so ft h em u l t i c a s tr o u t i n gi n f o r m a t i o n t os u p p o r tm u l t i c a s tt r a n s m i s s i o n ，am u l t i c a s tt r e ei sf o r m e do n d e m a n dt oi n c l u d ea l l t h eg r o u pm e m b e r s t h e r eh a v eb e e nm a n ym u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l sp r o p o s e df o r m a n e t s t h e yc o u l db ed i v i d e di n t ot w og r o u p s ：t r e e b a s e dp r o t o c o l sa n dm e s h - b a s e dp r o t o c o l s ；t h et r e e b a s e dp r o t o c o l s o r i g i n a t ef r o mt h e i rc o u n t e r p a r t s i n h a r d w i r e dn e t w o r k s ，t h em e s h b a s e dp r o t o c o l su s eam e s hi n s t e a do fas h a r em u l t i c a s t t r e ef o rp a c k e td e l i v e r y ，w h i c hp r o v i d e sr e d u n d a n tl i n k sa m o n gg r o u pm e m b e r s c o m p a r e dw i t ht r e e - b a s e dp r o t o c o l s ，t h e ym a yc o n s u m em o r eb a n d w i d t h r e l i a b l eb r o a d c a s t p r o t o c o l s a r e t e c h n i q u e s t oa c h i e v em u l t i c a s t c o m m u n i c a t i o n sw i t hh i g h - l e v e lc o m m u n i c a t i o n s t h e ym a yh a v ea d v a n t a g e so v e r o t h e rp r o t o c o l s b r o a d c a s t i n gi su s e di nt h er o u t ed i s c o v e r yp r o c e s si ns e v e r a lr o u t i n g p r o t o c o l s ，w h e na d v i s i n ga ne r r o rm e s s a g et oe r a s ei n v a l i dr o u t e sf r o mt h er o u t i n g t a b l e ，o ra sa ne f f i c i e n tm e c h a n i s mf o rr e l i a b l em u l t i c a s ti naf a s t m o v i n gm a n e t b r o a d c a s tp r o t o c o l sc a nb ec l a s s i f i e di n t od e t e r m i n i s t i ca n dp r o b a b i l i s t i cp r o t o c o l s ； d e t e r m i n i s t i cp r o t o c o l sp r o v i d ed e l i v e r yg u a r a n t e e sf o rt h ed e l i v e r yo fm e s s a g e st oa g r o u po fn o d e si nam a n e t p r o t o c o l so f f e r i n gt h i sk i n do fd e l i v e r yg u a r a n t e em o s t o f t e nt e n dt od e t e c ta n dr e p a i rf a i l u r e s ，e i t h e ra tt h es o u r c e ，o rl o c a l l yw h e r et h er o u t e i sb r o k e n p r o b a b i l i s t i cp r o t o c o l sa r ep r o t o c o l st h a tg u a r a n t e ed e l i v e r yw i t hac e r t a i n p r o b a b i l i t y a l t h o u g ht h e r ea r em a n yk i n d so fu n i c a s t ，m u l t i c a s ta n db r o a d c a s tr o u t i n g p r o t o c o l sf o rt h em a n e t s ，i ts e e m st h a to n ep r o t o c o lc a n n o tf i ta l lt h ed i f f e r e n t s c e n a r i o sa n dt r a f f i cp a t t e r n so fm a n e t sa p p l i c a t i o n s p r o a c t i v er o u t i n gp r o t o c o l s a r ew e l ls u i t e df o rs m a l l s c a l e ，b r o a d b a n dm a n e t sw i t hh i g hm o b i l i t y ，w h i l e r e a c t i v er o u t i n gp r o t o c o l sa r ew e l ls u i t e df o ral a r g e s c a l e ，n a r r o w - b a n dm a n e t s w i t hl o wm o b i l i t y i i i nt h i st h e s i s ，w eh a v ea l s op r o p o s e dah y p e r e u b e b a s e dv i r t u a ld y n a m i c b a c k b o n e ( v d b ) m o d e la n ds o m es i m p l ea l g o r i t h m sf o ram u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 t h ep r o p o s e dm o d e li sd e r i v e df r o m ”- d i m e n s i o n a lh y p e r c u b en e t w o r k s ，w h i c hh a v e m a n ye x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，s u c ha sh i g hf a u l tt o l e r a n c e ，s h o r td i a m e t e r , r e g u l a r i t ya n d s y m m e t r y f u r t h e r m o r e ，t h eh y p e r c u b ei no h rp r o p o s e dm o d e li sm o s tp r o b a b l ya n i n c o m p l e t eh y p e r c u b e ，i nw h i c hc e r t a i np a r t so fi t sn o d e s l i n k sa r em i s s i n gd u et o m o b i l i t ya n df a i l u r eo fn o d e s h y p e r c u b e b a s e dv i r t u a ld y n a m i cb a c k b o n em o d e l h a sh i g ha v a i l a b i l i t ya n dg o o dl o a db a l a n c i n gp r o p e r t i e si nl a r g e s c a l em a n e t s m u l t i c a s tc a nb ep e r f o r m e dw i t h i no n l yt h ev d bs t r u c t u r e t h e r e f o r e ，i ti m p r o v e st h e s e a l a b i l i t yo f s u c hap r o t o c 0 1 k e y w o r d s ：m a n e t s ，r e l i a b l em u l t i c a s tp r o t o c o l s ，r e l i a b l eu n i c a s tp r o t o c o l s ， r e l i a b l eb r o a d c a s tp r o t o c o l s ，v d b i i i c s um a s t e rt h e s i s c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1m a n e t so v e r v i e w m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ( m a n e t s ) a r es e l f - o r g a n i z i n gm o b i l 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s en e t w o r k sr e q u i r eal a r g ei n v e s t m e n ti nf i x e d i n f r a s t r u c t u r eb e f o r et h e ya l eu s e f u l c e n t r a lo f f i c e s ，t r u n k s ，a n dl o c a ll o o p si nt h e c a s eo ft h et e l e p h o n es y s t e m ，r a d i ot o w e r sf o rt h ec e l l u l a rn e t w o r k f u r t h e r m o r e ， u p g r a d i n gt h e s en e t w o r k st om e e ti n c r e a s i n gb a n d w i d t hr e q u i r e m e n t sh a sp r o v e n e x p e n s i v ea n ds l o w t h ef a c tt h a tl a r g ef i x e dc o m m u n i c a t i o ni n f r a s t r u c t u r e sa l r e a d y e x i s tm i g h ts e e mt ol i m i tt h eu s e f u l n e s so fa n yc o m p e t i n ga p p r o a c h t h e r ea l e n u m b e r so fs i t u a t i o n si nw h i c ha dh o en e t w o r k sa l ed e s i r a b l e u s e r sm a yb es os p a r s e o rd e n s et h a tt h ea p p r o p r i a t el e v e lo ff i x e di n f r a s t r u c t u r ei sn o ta ne c o n o m i c a l i n v e s t m e n t s o m e t i m e sf i x e di n f r a s t r u c t u r ee x i s t sb u tc a n n o tb er e l i e du p o n ，s u c ha s d u r i n gd i s a s t e rr e c o v e r y f i n a l l y ，e x i s t i n gs e r v i c e sm a y n o tp r o v i d ea d e q u a t es e r v i c e ， o rm a yb et o oe x p e n s i v e m o b i l ea dh o cn e t w o r k sa r ea t t r a c t i n gal o to f a t t e n t i o nt h e s e d a y sd u et ol i t t l ee f f o r t sn e e d e dt od e p l o yt h e m t h e s en e t w o r k sp r o v et ob e e c o n o m i c a li ns p a r s ea r e a s i ne m e r g e n c ys e r v i c e ss u c ha sd i s a s t e rr e c o v e r yt h e s e n e t w o r k sa r et h eo n l yp o s s i b l eo p t i o n s t h e s en e t w o r k sa r eav a l i ds u b s t i t u t i o nf o r l o c a la r e an e t w o r k sa sw e l l n o d e si nam o b i l ea dh o cn e t w o r kf o r w a r dp a c k e t st o e s t a b l i s hav i r t u a ln e t w o r kb a c k b o n e t h ei d e ao ff o r w a r d i n ge a c ho t h e r sp a c k e t s e l i m i n a t e st h en e e df o raf i x e dn e t w o r kf o rc o m m u n i c a t i o n z e r oc o n f i g u r a t i o n r e q u i r e m e n ti sa l s oa l la t t r a c t i v ep o i n tf o rm o b i l ea dh o cn e t w o r km a k i n gi ts u i t a b l e f o rh o m en e t w o r k so rf o ru s e r sw h oe i t h e rd o n tk n o wh o wt oc o n f i g u r ean e t w o r ko r d o n th a v ea ni n c l i n a t i o nt od os o t h o u g hm o b i l e a dh o cn e t w o r ka r ea t t r a c t i v e ，t h e ya r em o r ed i f f i c u l t t o i m p l e m e n tt h a nl t x e dn e t w o r k s f i x e dn e t w o r k st a k ea d v a n t a g eo ft h e i rs t a t i cn a t u r e i nt w ow a y s f i r s t ，t h e yp r o a c t i v e l yd i s t r i b u t en e t w o r kt o p o l o g yi n f o r m a t i o na m o n g t h en o d e s ，a n de a c hn o d ep r e c o m p u t e sr o u t e st h r o u g ht h a tt o p o l o g yu s i n gr e l a t i v e l y i n e x p e n s i v ea l g o r i t h m s s e c o n d ，f i x e d n e t w o r k se m b e dr o 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e m b e r sc a nj o i na n dl e a v et h en e t w o r ka n yt i m e n ob a s es t a t i o nt op r o v i d ec o n n e c t i v i t yt ob a c k b o n eh o s t so rt oo t h e rm o b i l eh o s t s 2 c s um a s t e rt h e s i sc h a p t e r1i n t r o d u c t i o n n on e e df o rh a n d o v e ra n dl o c a t i o nm a n a g e m e n t e a c hn o d ea c t sa sar o u t e r ，f o r w a r d i n gp a c k e t sf r o mo t h e r sn o d e s 1 2m a n e t sr o u t i n gp r o t o c o l s m o s tr e s e a r c h e se f f o r th a sb e e np u ti nt h er o u t i n gp r o t o c o l ss i n c et h ea p p e a r a n c e o f m a n e t s t h e yc a n b ed i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gc a t e g o r i e s ： 1 ) u n i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l s a t o p o l o g y b a s e dr o u t i n gp r o t o c o l s p r o a c t i v er o u t i n gp r o t o c o l s r e a c