（通信与信息系统专业论文）移动ip组播关键技术及策略的研究.pdf

摘要 网络信息化和移动技术的迅猛发展，一方面使得互联网逐渐成为现代社会 最重要的信息基础设施，另一方面也促进了大量的移动设备的应用。越来越多 的人希望即使在移动环境中也能方便地接入到i n t e m e t 。因此，i n t e r a c t 与移动通 信技术的融合成为了i n t e m e t 发展的必然要求。同时组播技术具有提高网络利用 率、节省发送者资源等优点，将使移动互联网中的组播技术能更好地发挥其高 效传送信息的优势。但是移动i p 和i p 组播的结合也会给两者带来挑战，因此如 何把移动口和i p 组播相结合是值得深入研究的。 论文主要的研究内容和结论如下： 1 、分析总结了移动口组播的难点和相关问题，综述了移动口组播技术研 究的现状和发展趋势。 2 、对现有的移动m 组播协议进行了详细分析。并对其优缺点进行了深入研 究。 3 、总结了i p 组播在移动环境中的地址兼容方法；通过对现有移动i p 组播 协议存在的各种问题和互联网特点的分析，研究了一种区域层次化管理模型， 该模型采用分区分层结构有效地提高组播树的稳定性，并且具有良好的切换性 能。 4 、在移动i p 组播的应用领域，构建了一种面向新媒体环境基于移动i p 组 播技术的手机电视系统架构。 关键词：移动口组播；组播切换；隧道；手机电视 a b s 仃a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i v en e t w o r ka n dm o b i l et e c h n o l o g ym a k e s n t c r n e tb e c o m et h em o s ti m p o r t a n ti n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r ei nm o d e ms o c i e t y , a n d p r o m o t e st h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o n so f m o b i l ed e v i c e s m o r ea n dm o r ep e o p l ed e s i r e t oc o m l c c ti n t e m e tc o n v e n i e n t l ye v e no i lm o b i l ee n v i r o n m e n t t h u si ti se s s e n t i a lf o r t h ei n t e r n e tt e c h n o l o g yt oc o m b i n ei n t e r n e ta n dm o b i l et e c h n o l o g y m e a n w h i l e ，i p m u l t i c a s t 啪e n h a n c et h eu s a g eo ft h en e t w o r ka n ds a v et h er e s o u r c eo ft h es e n d e r , w h i c he n a b l em u i t i c a s to nm o b i l ei pe n v i r o n m e n tt om a k et h eb e s tu s eo fi t sh i g h e f f i c i e n c y b u tt h i sc o m b i n a t i o nw i l la l s ob r i n gc h a l l e n g e st ot h e s et w ot e c h n o l o g i e s ， s oh o wt oc o m b i n et h e mi sw o r t ht os t u d yf u r t h e r t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa n dc o n c l u s i o n si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed i f f i c u l t i e sa n dt h er e l a t e di s s u e so f t h em o b i l ei pm u l i t e a s ta r ea n a l y z e d t h er e s e a r c hs t a t u sa n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h em o b i l ei pm u l t i c a s tt e c h n o l o g y i ss u m m a r i z e d 2 m o s to f t h ec u r r e n tm o b i l ei pm u l t i c a s tp r o t o c o l sa r ca n a l y z e di nd e t a i l s ，a n d a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f e a c hp r o t o c o la r es t u d i e dd e e p l y 3 t h es o l u t i o n sf o rt h ea d d r e s sc o m p a t i b i l i t yo fi pm u l t i c a s t0 1 1m o b i l e e n v i r o m e n ta r e s u m m a r i z e d ；a n a l y z i n gt h ep r o b l e m so ft h ec u r r e n tm o b i l ei p m u l t i c a s tp r o t o c o l sa n dt h ef e a t u r e so fi n t e m e t , t h ea u t h o ri n v e s t i g a t e st h er e g i o n a l h i e r a r c h i c a lm a n a g e m e n tm o d e l t h i sm o d e lu s e sar e # o n a la n dh i e r a r c h i c a ls 劬c t u t oe f f i c i e n t l ye n h a n c et h es t a b i l i t yo ft h em u l t i e a s tt r e e ，a n dh a ss u p e r i o rh a n d o f f p e r f o r m a n c e 4 i nt h ef i e l do ft h ea p p l i c a t i o no fm o b i l ei pm u l t i c a s t ，af r a m e w o r ko ft h e h a n d l em o b i l et vs y s t e mt o w a r dt h en e we n v i r o n m e n ti sc o n s t r u c t e d k e yw o r d s ：m o b i l ei pm u l t i c a s t ；m u l t i c a s th a n d o f f ；t u n n e l i n g ；m o b i l et v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了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 为获得直昌太堂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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：自渤 签字日期：”7 年， 月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：南协 签字日期：伊7 年i 月嵋日 导师签名：亿饥 签字日期：3 7 年j p 月枷 第1 章引言 第1 章引言 1 1 研究背景及意义 随着i n t e m e t 的飞速发展，i n t e m e t 已经将人们日常工作、生活与信息网络紧 密地联系在一起，逐渐成为了最为重要的通信手段。网络规模的不断扩大、用 户数量的急速增长、网络应用的日益丰富与成熟，无不刺激着人们对网络带宽 的需求，同时也进一步加深了人们对网络的依赖。越来越多的人希望在移动中 也能便利的从i n t e m e t 上获取信息和网络服务。这一方面推动了i n t e m e t 和移动 通信技术的发展，同时也促进了i n t e m e t 与移动通信技术的融合，使i n t e m e t 和 移动通信这两个信息产业中最引人注目的通信技术和r r 产业，成为了当前 i n t e m e t 研究的热剧1 - 2 1 。因此支持移动的i n t e m e t 技术的研究成为了i n t e m e t 发 展的必然要求，并且已经有相当多的研究机构正在关注着如何为移动提供相应 支持的研究，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1 3 】的移 动i p ( m o b i l ei p ) 1 4 - 5 1 及其相关技术是主要研究内容，同时也占据着主导地位， 并取得了显著的研究成果。 与传统的蜂窝移动通信以及第三代移动通信系统相比，以i p 分组技术为基 础的无线网络由于具有高速、廉价、安装简便等优点而得到了迅速的普及与推 广。i n t e m e t 在作为一个服务性工具的同时，已经发展成为了一个交互式的信息 平台，从而产生了大量新型的网络应用，如可视电话、多媒体远程教育以及协 同工作等等。然而这些新型网络应用要求网络能够提供更高的带宽、更好的实 时性以及更严格的服务质量控制，这对传统的i p 网络提出了更为严峻的挑战， 因为m 网络采用的是尽力服务的分组转发方式。在这种情况下，口组播1 6 j 显示 了强大的性能优势。它能够有效地提高网络的利用率、节省发送者资源，同时 使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性和应用前景，i p 组播技术一直是国际上互联网络 科学研究领域中的热点研究课题。同时在下一代互联网协议i p v 6 中也同样规定 所有的i p v 6 路由器必须支持组播路由功能。 同时，在移动环境中，由于移动节点常常使用无线链路，因此最明显的特征 就是受限的链路带宽和较高的错误率。并且由于移动节点的体积通常都比较小， 第l 章引言 因而它拥有的能量供应、处理器能力以及存储能力等都比较低，在这种情况下， m 组播高效使用资源的优点对于移动节点来说尤为重要，在移动互联网中实现 组播，将能更好地发挥组播高效传送的优势。因此，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 7 1 。 但是与此同时移动也给组播带来了一些新的问题：由于当前的组播协议 都是假设节点是固定的，并没有考虑到节点的移动性所带来的新特征：在移动 环境中，组播不仅要管理动态组播组成员以及建立和维护组播树，还需要解决 组播组成员位置动态变化的问题。但目前i n t e r n c t 现有的组播协议，如d b m r p ， c b t ，m o s p f ，p i m 等，通常都假设其成员是静态的，而没有考虑到成员位置 动态变化的情况；目前移动口协议主要是对单播进行了研究，而针对组播只 是提出了两种最基本，最简单的移动组播算法，并且这两种基本的解决方案也 都存在着比较严重的缺陷，例如，非最优路由、隧道聚集、切换时延和丢包等 问题，从而增加了移动互联网中组播的实施难度；目前在移动互联网的组播 方面展开的研究，主要是建立在移动i p 所提出的两个移动组播算法得基础之上 的，但是现有的解决方案只是针对这两算法中存在的一个或几个问题进行改进， 没有一个能从整体网络的角度解决这些问题。因此，如何把i p 组播技术和移动 技术相结合，在移动环境中利用组播的高效性，是值得深入研究的。 1 2 移动i p 组播的研究现状 1 2 1 移动i p 组播面临的问题 当在移动网络中引入组播后，组播的高效性和可扩展性就受到了冲击，出 现了很多新的问题。在i p 网络中，每个组播成员的口地址是固定不变的，因此， p 网络组播只需要对组播组成员进行管理以及建立和维护组播树；而在移动网 络中，即使组播组成员没有增减，但是由于每个成员的移动性，组成员的地址 是不断变化的，会导致整个组播树的不稳赳酊。这些都使移动网络组播组的维护 和管理变得更为复杂。 由于组成员的移动性，移动口组播在实现过程中主要存在以下几个问题嗍： ( 1 ) 组播树的维护管理 现有i p 组播路由协议，如d v m r p ( 距离矢量组播路由选择协议) 、m o s p f 2 第1 章引言 ( m u l t i c a s t - o p e ns h o n e s tp a t hf i r s t ) 、c b t ( 核心树) 等都是基于组成员地址固 定这个前提的，如果组成员发生移动，这些协议处理机制采用对原有组成员进 行“剪枝”，而后新增一个组成员的方式进行管理。这种方式对于i p 网络组成员 几乎不移动的情况是有效的，但是对于移动网络则不然，因为移动网中组成员 移动可能是频繁进行的。如果每次组成员移动就重新建立组播树，就会引人过 多的开销，从而导致移动网络中组播树非常不稳定；但是如果不重新计算组播 树而采用其它方式，又将造成使用的路由并非最优路由，甚至还有可能会导致 转发出现错误。 ( 2 ) 组成员的切换延时 i e t f 的移动i p 协议定义了家乡代理、外地链路、外地代理、通信对端等概 念，一个移动节点拥有家乡地址和转交地址这两个口地址。节点在移动过程中， 家乡地址不改变，发送到该节点的数据都通过家乡地址与转交地址之间的隧道 转发给移动节点。当组成员切换时，网络链路间切换的固有时延、重新加入组 播组以及建立组播转发树的时延都将导致组播成员丢包。 这是移动组播相对于i p 组播最突出的两个问题，在后面的章节将会重点针 对这两个问题加以详细而具体地讨论。 1 2 2 现有的移动i p 组播协议 目前对于移动口组播的研究中，针对移动m 组播协议的研究均是基于移动 i p 协议中提出了两种组播方案即“双向隧道”和“远程加入”进行相关的改进 和优化。下面将对移动口组播的这两个基本协议进行简要说明及简单比较。 1 2 2 1 双向隧道 双向隧道( b i - d i r e c t i o n a lt u n n e l ，简称m m b t ) 1 9 - - 1 川是指在移动节点与家 乡代理之间建立双向隧道，移动节点通过双向隧道加入退出组播组，并且通过 该隧道发送和接收组播包。移动节点通过隧道向家乡代理发送i g m p ( 组管理协 议) 报文，请求加入组播组。家乡代理加入组播树后，将组播包通过隧道以单 播的方式发送给移动节点；移动节点向组播组发送数据时，也是首先通过隧道 将组播包发送给家乡代理，然后由家乡代理以组播的形式发送该组播包。 双向隧道方式有效地解决了因为组成员切换给组播树造成频繁调整的问 3 第1 章引言 题，减少了计算量和通信负担。但是，双向隧道存在三角路由以及“隧道聚集” 问题。三角路由不是最佳路由，会给链路带来很大的开销；外地代理有可能通 过隧道从不同的家乡代理收到多个重复的组播数据包，从而产生隧道聚集问题， 导致链路带宽资源的严重浪费。 1 2 2 2 远程加入 远程加入( r e m o t es u b s c r i p t i o n ，简称m i p r s ) 9 - - 1 伽是指移动节点改变地址 后重新加入到组播组中，并由组播协议重新计算组播树。远程加入方式最大的 优点在于无须建立外地代理和家乡代理之间的隧道，因此也就不存在隧道聚集 问题。同时，组播数据包能够沿着最优路径进行转发，避免了三角路由问题。 远程加入存在的问题是：首先，节点每次移动都需要重新计算并建立整个 组播树，这会影响组播树的稳定性，给组播树的管理和维护带来较大的开销； 其次，在频繁切换过程中，退出和重新加入组播组都会产生较大的切换时延， 从而导致播包丢失，影响组播应用的可靠性，尤其是在节点快速移动、频繁切 换的情况下这个问题尤为突出。 1 3 本文的工作及结构安排 本文首先介绍了移动i p 组播技术的相关概念，详细介绍了移动i p 组播技术 的相关技术，概括地介绍了移动基本理论与相关术语，然后重点介绍和分析了 移动i p 组播技术的协议，同时针对m 地址的兼容性、移动i p 组播层次管理以 及切换这三个问题展开了分析和研究，并且根据当前的移动无线蜂窝网络的结 构特点，研究了区域分层管理模型r h m ，最后构建了移动口组播技术在手机电 视中的应用架构。 本文内容组织如下： 第一章绪论简要地介绍了本文研究的背景、意义和移动i p 组播的研究现状 以及本文的工作及章节安排。 第二章简述了移动m 组播技术的基本概念和术语。本章从i p 组播、移动i p 、 移动i p 组播结构、移动m 组播路由以及移动i p 组播切换等方面进行了深入的 分析和研究。 第三章阐述了移动i p 组播路由协议。对移动i p 组播组管理协议和移动m 组播路由协议两方面进行了深入的研究和分析，同时分析了现有主要的移动口 4 第1 章引言 组播算法的优缺点，并对这些算法进行了综合的对比。 第四章主要是针对移动口组播中的关键技术：地址的兼容性、移动m 组播 层次管理以及切换机制进行分析。在对i p v 4 地址和i p v 6 地址分析的基础上，总 结了i i v 4 地址和i p v 6 地址兼容的两种方式，同时通过分析实际的无线蜂窝网络 的特点，研究和分析了一种区域层次化管理模型，该模型能有效提高组播树的 稳定性，并且具有较优切换性能。 第五章在对移动i p 组播分析和研究的基础上，总结了移动i p 组播技术在视 频通信中的的应用，并且针对当前互联网络的发展和信息网络化、数字化的加 剧，构建了一个以移动i p 组播技术为核心的手机电视运营的系统模型。 第六章对本文的工作进行总结以及对下一步的工作进行了展望。 5 第2 章移动i p 组播技术综述 第2 章移动i p 组播技术综述 2 1 组播原理 组播作为网络数据传输的一种方式，相对其他传输方式( 如单播) ，具有许 多优点，它可以节省发送者资源、减少网络流量，允许发送者对每个报文只发 送一次，由路由器自动转发报文到每个目的接收者，从而减小网络中传输报文 的拷贝数。 2 1 1 i p 组播 i p 组播，即网络层组播。在1 9 8 8 年d e e f i n g 就已经提出了i p 组播机制，它 是最早的、最有效的组播传输机制【1 1 j 。在i p 组播中，每个组播会话通过一个组 播地址( 【i p v 4 1 2 2 4 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ； i p v 6 f f ：) 标识，即每个组播组对 应一个组播地址。于是每个组播源只需要向相应的组播地址传输一次报文，就 可以保证所有的组成员都收到这个报文。 i p 组播实现的基本原则是：依托于i p 协议完成组播，口组播强制网络在数 据分发树的分叉处进行信息包复制，而不是由信息源节点多次重复地发送同样 的信息包，从而避免了在链路上传输重复报文，节省了网络带宽，实现了高效 的信息传输，口组播与单播、广播方式的数据包传送过程如图2 1 所示。 谭 源 主机 j !l l 0 路嘴o 路蛆 o 原ob 00 篇0 0o 图2 1 单播、组播和广播方式的数据传送过程 可见，口组播是将i p 数据分组向一组主机传送的技术，该主机由一个单独 的m 目的地址所标记。与单播多次重复发送不同，组播方式只发送每个分组一 次。与广播相比，组播只将数据路由给对应的组成员，非组成员不会接收数据。 6 播 、o 黼、，o 霉”9钳；o嚣 ， 确 第2 章移动i p 组播技术综述 i n t e m e t 中l p 组播模型主要包括3 个方面【1 2 l ： ( 1 ) 兼容口服务。使用u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 协议传送组播包， 提供尽力发送( b e s t e f f o r t ) 服务。 ( 2 ) 开放的组。组播源节点无须知道组播组成员的信息，也不要求一定是 组播组的成员。 ( 3 ) 动态的组。任意节点可以随时加入或离开组播组。 当主机希望加入或者退出某个组播组时，需要使用i n t e m e t 组管理协议i g m p ( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 【1 3 】，或者i p v 6 中的m l d 协训1 4 1 ( 这些 协议将在后面的章节中进行详细的介绍) 。通过i g m p m l d 协议，本地组播路 由器可以对组成员的状态进行管理。组播路由器之间使用组播路由协议建立和 维护组播树。常见的域内组播路由协议有d v m r p 、c b t 、m o s p f 、p i m s m 、 p i m d m ，域间组播路由协议有b g m p 等。组播的体系结构如图2 2 所示。 图2 2 组播体系结构 组播路由器负责将组播数据传送给所有的组播组成员，该功能是通过建立 和维护组播转发树来实现的。根据根节点的选择方式，组播树可以分为共享树 和源树两种方式。共享树方式中，组播树可以选择某点作为公共的根节点，然 后建立：而源树方式中，组播树以数据源为根节点。因此，共享树方式中所有 源都是沿着同一组播树发送数据，多个源采用源树方式时数据沿着各自的组播 树传送。 2 1 2i p 组播的实现方式 m 组播的实现可以归纳成两大阶段：主机一路由器阶段和路由器一路由器 阶段。主机一路由器阶段主要是对组成员进行管理，并完成组播数据包路由至 主机，由组管理协议来完成。组管理工作由指定的组播路由器( m u l t i c a s t r o u t e r ) 7 第2 章移动i p 组播技术综述 负责完成。具体过程如下：组播路由器周期性向组成员发送询问消息，搜索所 有组成员的信息，组成员收到询问信息后发出对应的应答信息，应答消息中包 含该组成员所属的组。而路由器一路由器阶段负责计算组播报文的路由。根据 主机一路由器阶段获得的信息，组播路由器计算组播路由并相互交换组成员信 息。因此，当组播报文在组播路由器间传送时，可以尽可能减少组播报文的重 复性复制，节省网络带宽。 2 2 移动i p 移动p 技术是让计算机在互联网及局域网中不受任何限制的即时漫游，也称 移动计算机技术。 2 2 1 移动口的产生 在i n t e r n e t 上，每个主机分配有唯一的i p 地址或者动态的i p 地址。由于i n t e r n e t 是基于网络前缀的路由，p 数据分组首先路由到m 地址网络前缀对应的网段，然 后转发到目的主机，因此，i p 地址不仅标识一台主机，也表示这台主机的物理网 络位置。t f 的移动i p 工作组在1 9 9 2 年制定了移动i p 1 5 】的最初标准草案，其中 r f c 2 0 0 2 定义了移动m 协议，r f c 2 0 0 3 、r f c 2 0 0 4 、r f c l 7 0 1 定义了移动i p 中用 到的三种隧道技术，i 江c 2 0 0 5 定义了移动i p 的使用，r f c 2 0 0 6 定义了移动i p 的管 理信息库m i b 。移动i p 的m i b 库是实现移动i p 节点的变量集合，管理平台通过简 单网络管理协议s h n 俩r 2 对这些变量检查和配置。 i n t e m e t t 程指导小组i e s g 在1 9 9 6 年6 月通过了移动口标准草案，在1 9 9 6 年1 1 月公布了建议标准，为移动口成为i n t e m e t 正式标准打下了基础，对移动i p 的发展 起了关键性的作用。 2 2 2 移动i p 的工作原理 移动i p 1 5 】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 m e t 基于网络前缀路由前提下，移动i p 使得移动主机在不同网络间不断 移动过程中仍能保持通信。它主要解决： ( 1 ) 移动主机可以通过一个永久的i p 地址连接到任何链路上： ( 2 ) 移动主机在切换到新的链路上时，仍然能保持正在进行的通信； 移动i p 具有扩展性、可靠性和安全性。移动口目的是把数据分组发送到移动 8 第2 章移动i p 组播技术综述 主机，通过路由表项实现转发数据分组到外地链路上的移动主机。移动i p 协议是 网络层协议，与下层数据链路层协议和物理传输介质无关，因此不需要改变移 动主机的永久标识。为了实现移动节点的切换，在移动i p 中的移动节点拥有两个 i p 地址。一个是家乡地址，当节点切换链路时，家乡地址并不改变，该地址主要 用于标识高层连接，例如t c p 连接。另一个地址称为转交地址，它是当移动节点 在外地链路上时，由外地代理分配的临时i p 地址，它标识了移动节点当前的物理 连接位置，反映了网络当前的拓扑。 移动i p 的工作机制：移动i p 中移动节点的工作方式与移动节点在家乡链路还 是外地链路密切相关。只有当移动节点在外地链路时，才需要使用移动i p 的功能， 并且发送数据和接收数据采用的方式也不同。当移动主机发送报文时，直接将 报文发送给所在网络的缺省路由器即可( 如图2 3 中虚线所示) ，其中报文的源地 址是主地址而不是转交地址。当移动节点接收报文时，报文需要通过家乡代理 以隧道的方式转发，具体过程如下：报文先由主网络中主代理截获，再根据报 文的目的地址( 即移动主机的主地址) ，找到其转交地址，然后将封装后的报文 经过隧道发送到对应的转交地址，将报文转发给相应的移动主机( 如图2 3 中实 线所示) 。 图2 3 移动m 工作原理不意图 虽然移动m 协议在支持主机移动方面提供了很好的支持，但是它也存在一 定的问题。其中最主要的问题就是三角路由问题【1 6 1 ，即移动节点接收数据时需 要通过家乡代理以隧道的方式转发数据，而发送数据则直接发送。 除了三角路由问题，移动口中还存在无缝切换问题、安全问题等需要进一 步研究和解决的内容。 9 第2 章移动i p 组播技术综述 2 2 3 移动i p 的术语 在移动叫5 】中定义了如下名词和功能实体： 1 、移动节点( m o b i l e n o d e ，简写为m n ) ：有时也叫做移动主机( m o b i l e h o s t ， 简写为m h ) ：是指从一个网络或子网链路上切换到另一个网络或者子网的主机。 移动节点可以改变它的网络接入点，但是不需要改变其口地址，并且使用原有的 i p 地址能够继续与其他节点通信。 2 、家乡地址( h o m e a d d r e s s ) ：有时也称为主地址，是指每个移动节点在家 乡链路上拥有的一个“长期有效”的i p 地址。对这种地址的管理类似于固定主机 i p 地址的管理。 3 、家乡网络( h o m e n e t w o r k ) ：是指与移动节点的家乡地址具有相同前缀 的网络，可以是一个不存在的虚拟网络。发往移动节点家乡地址的i p 分组会被标 准的口路由机制转发到家乡网络上。 4 、家乡代理( h o m ea g e n t ，简写为h a ) ：有时也称为主代理，是指位于移 动节点家乡链路上的路由器。当移动节点离开家乡网络时，它负责把发送移动 节点的分组通过隧道转发给移动节点，并且维护移动节点当前位置的信息。 5 、转交地址( c a r eo f a d d r e s s ，简写为c o a ) ：有时也称为关照地址，是指 当移动节点离开家乡链路后，它被赋予的反应当前链路接入点的临时地址。转 交地址由外地代理转交地址和合作定位转交地址。 6 、外地网络( f o r e i g n n e t w o r k ) ：是指除了移动节点家乡网络之外的任何网 络，也就是网络前缀与移动节点网络前缀不同的网络。 7 、外地代理( f o r e i g na g e n t ，简写为f a ) ：是指位于移动节点所访问的外地 网络上的路由器，为注册的移动节点提供路由服务。它接收节点的家乡代理通 过隧道发来的数据分组，进行拆封后发给移动节点：对于移动节点发出的数据 报，外地代理提供类似于默认路由器的服务。 8 、隧道( t u n n e l i n g ) ：是指改变原来网络数据报的路由路径。 9 、注册( r e g i s t r a t i o n ) ：是一个程序，整个程序是由移动节点产生注册信息， 由移动节点主动通知家乡代理目前所拥有的转交地址。 2 2 4 移动i p 的主要特点 因为移动i p 技术能使计算机在互联网及局域网中不受限制地即时漫游，相 对于固定的口通信技术，具有独有的特点，其主要的特点如下【17 】： l o 第2 章移动i p 组播技术综述 ( 1 ) 强大的漫游功能：移动用户可以在各子网问、i n t e r a c t 与企业网络之间 自由漫游，方便使用原有企业网中的资源。 ( 2 ) 双向通信：移动用户在位置变化时，仍然可以方便地通过转交地址进 行通信，其他用户也仍然可以通过该用户原来的m 地址与该用户通信，不受地 理位置对网络通信的限制，实现真正的双向通信。 ( 3 ) 网络透明性：移动用户在进行漫游时，不需对计算机原有网络设置做 任何改动，也无需改动所接入的外地网络和家乡网络设置。 ( 4 ) 应用透明性：移动用户在进行漫游时，无需对个人计算机和网络主机 上的基于口的应用进行任何改动，无需增加额外的用户管理和权限管理，实现 了应用系统的透明性。 ( 5 ) 良好的安全性：采用隧道技术进行加密传输和身份认证，不给移动用 户带来的新的安全隐患。 ( 6 ) 实现虚拟企业网功能：安装了移动口服务器的子网之间可以通过隧道 方式进行通信，移动用户也可以通过隧道方式与企业网进行通信，它实际上已 经部分实现了v p n 的功能。 ( 7 ) 链路无关性：移动i p 技术与低层链路无关，可以同时支持无线和有线 网络环境。 2 3 移动i p 组播 移动i p 组播( m o b i l ei pm u l t i e a s t ) 就是将i p 组播技术和移动i p 技术相结 合，在移动环境中进行i p 组播的机制。但是，把i p 组播技术和移动口技术进 行结合，并不是简单的加法，那么如何将两者进行有效的结合，使之能为移动 节点提供高效稳定可行的组播服务，将是一个十分值得研究的问题。研究既要 适用于现有的m 网络，又能适用于未来动态变化网络的组播理论、算法和技术； 研究适用于移动互联网的相关理论和协议，从而解决现有固定网络组播技术和 移动i p 网络组播技术的不足和存在的问题。 2 3 1 现有移动i p 组播组管理的缺陷 在移动m 组播中，对于移动i p 的局部任务而言仍然保持不变，还是负责组 成员管理和局部报文投递，但在移动环境下，直接应用i g m p 协议会产生一些 问题，具体有3 个方面的问题存在 1 8 】：第一个问题就是占用了过多的带宽。由 1 1 第2 章移动i p 组播技术综述 于在移动i p 组播中一些移动主机和m r 之间使用点到点链路，直接应用i g m p ， m r 就必须在每条链路上周期发出询问，等待答应，这显然是不必要的。如果在 共享介质的网络中，这样做必然会使每个组最多只有一个答应报文发送，其他 同组的答应报文将会受到抑制，从而节省了带宽。而在点到点链路上，只有一 个主机与m r 相连，不存在抑制其他同组的答应报文的问题，因此体现不出周 期询问的优越性，反而因周期询问而占用了大量的带宽。第二个问题就是存在 l e a v el a t e n c y 问题。l e a v el a t e n c y 问题是指当m r 在连续几次访问中都无法检 测到某一组答应，就认为局域网上不存在该组成员，而在这期间，即使所有主 机都退出所在的组，还会有报文发送给网络，直到m r 从组列表中删去该组， 造成网络资源的浪费。第三个问题就是使主机无法进入休眠状态。当移动主机 加入到某一组后，移动主机必须随时准备响应m r 的询问报文，从而使它不能 进入休眠状态，即使它没有参与通信，也造成了电力的浪费。这些问题对于一 些电池供电的笔记本来说，尤其严重。 2 3 2 移动口组播路由 当移动主机在主网络上时，发送和接收组播报文原理与固定主机一样，但 对于主机在外网络上就有差别了【ls 】。 当移动主机发送组播报文时，移动组播路由协议在为组播报文选择路由时， 都要用到报文的源地址，要求源地址拓扑正确，即报文源地址的网络前缀必须 与生成报文所在网络的网络地址一致，如果移动主机组播报文源地址使用其主 地址，则组播路由器无法识别，将丢弃该报文。对此，可以使用转发地址作为 组播报文的源地址，并可以使用隧道技术，如图2 4 所示。移动主机对报文进行 封装：内层是正常的组播m 报文，原地址为移动主机的主地址；外层口报文源 地址是移动主机的转发地址，目的地址是移动主机的主代理h a 地址。当报文通 过隧道方式传送给主代理后，主代理解开外层报文，然后同处理正常组播报文 一样投递内层报文，就好像报文是在主网络上生成的一样。这种方法中主代理 承担了组播路由器的任务，因此主代理成为了整个路由的中间节点，从而会引 起三角路由问题i l q 出现。 第2 章移动i p 组播技术综述 图2 4 移动主机发送组播报文 当移动主机接收组播报文时，为了接收报文，移动主机m h 要能够以一种 适当的方式通知组播路由器要加入某一组，组播路由器也要能够找到移动主机 的当前位置。要实现对移动主机当前位置的搜索可以采用以下的3 种方式： 1 、主代理路由 在该方案中。家乡代理同时也是组播路由器，负责为移动主机m h 进行组 播路由。当移动主机位于外地网络时，与家乡代理h a 建立一条双向的隧道，移 动主机通过该隧道向家乡代理发送组成员信息，家乡代理同样也通过该隧道向 移动主机发送组播报文。这种方法的优点在与现有网络有较高的互操作性，只 要m h 和h a 做少量的修改就可以支持组播。但是这种方式不能高效使用网络 资源，不仅存在三角路由问题，而且当外网络上的多个移动主机m h 都加入了 同一组，这些移动主机与各自家乡代理之间建立了不同的隧道，组播报文分别 经过这些隧道到达各自移动主机，会导致资源的严重浪费，如图2 5 所示。 愈- l 移动主机1 ii 外代 a # 移动主机2 l 匆u 主代理l 源 主代理2 图2 5 移动主机以主代理路由方式接收报文 1 3 第2 章移动i p 组播技术综述 2 、外地代理路由 在外地代理路由中，组成员信息的搜索以及组播报文的投递完全由外代理 承担。与主代理路由方式相比，由于省去了家乡代理这个中间环节，因此不存 在三角路由问题，也避免了报文的重复多次复制，节省了网络开销，同时由于 组成员信息的搜集是在本地进行的，因而组成员管理的开销也可以大大降低。 但是由于组播会占用较多的网络资源，并且该方式要求所有的外网络都必须能 够提供组播服务，因而这种方式会使组播的应用范围受到限制。 3 、组合路由 组合路由是主代理路由和外代理路由两种方式的混合。外代理收集组成员 信息并与家乡代理之间为各组建立唯一的一个隧道，组播报文首先发给家乡代 理，经隧道到达外代理，最终投递到移动主机。对某一组而言，当第一个移动 主机提出加入申请时，外代理通知为其服务的家乡代理建立隧道，随后加入的 移动，不管为它们服务的家乡代理是否与第一个相同，都可利用此隧道接收组 播报文。若建立隧道的家乡代理所服务的移动主机m h 都退出了所在的组，此 家乡代理通知外代理拆掉该隧道，重新选择家乡代理建立隧道。该方案的效率 比起主代理而言，在效率上要高，但仍存在三角路由问题；同时由于需要管理 动态隧道，因而管理的开销很大。 2 3 3 移动i p 组播切换 所谓切换就是指当移动主机由一个外地网络移动到一个新的外地网络时， 需要维持已连接通信，而需要进行的加入新的组播组的过程。切换过程可分为 两个阶段：移动检测阶段和重新注册阶段。切换完成后，移动主机就可以在新 的外地网络中正确接收数据包。而原来的外地网络中组播树的树枝则会因为移 动主机移动到外地网络出现超时，因而被删除，或者原来的外地网络中的组播 路由器具有主动发现功能，则路由器主动发现移动主机已经离开网络因而主动 删除组播树中的树枝。 如图2 6 所示，当移动主机m h 由家乡网络i - i n 移动到外地网络f n l 时， 移动主机m h 通过外地网络f n l 中的组播路由器m r l 发送加入组播组的请求， 最终建立从家乡网络的汇集点到组播路由器3 、组播路由器1 ，再到移动主机的 组播树( 如图2 6 中的实线所示) 。当外地网络主机向移动主机发送数据包时， 外地网络主机先将数据包发给移动主机所对应的家乡汇集路由器，再通过组播 1 4 第2 章移动i p 组播技术综述 树转发给移动主机。而移动主机发送给外地网络主机的数据包则是采用正常m 路由。 如果移动主机从外地网络1 移动到外地网络2 时，它向外地网络2 中的组 播路由器2 发起请求加入组播组的加入消息。当加入消息到达组播路由器3 ，在 原有的组播树上增加了一条树枝，新的数据将会沿着这条新的树枝到达移动主 机( 如图2 6 中虚线所示) ，切换过程即告结束。 图2 6 移动i p 组播切换功能示意图 在切换过程中，影响切换性能的因素主要有三个：移动检测时延、重新注 册时延和切换引起的丢包【1 9 1 。在传统的移动i p 中，切换时延等于从移动主机离 开原先的网络起，到移动主机从新的网络发起的注册请求到达家乡代理路由器 为止的这段时间。若在移动环境下采用组播方式进行通信，则切换的时延就等 于移动主机离开原先的网络起，到移动主机发起的加入消息到达交叉组播路由 器的这段时间。因此对于移动i p 组播技术，如何减少切换的时延和降低切换时g 起的丢包将严重决定着移动i p 组播的性能。 1 5 第3 章移动i p 组播协议 第3 章移动i p 组播协议 移动i p 组播协议包括移动i p 组播路由协议和组成员管理协议。移动i p 组播路 由协议用于组播路由器中，在组播路由器之间实现组播数据包的路由，移动m 组播路由协议主要有m i p - b t 、m i p - r s 、m o m 、r b m o m 等。组播组成员管理协 议是局域范围内本地组播路由器与主机之间的交互机制，主要是用来解决两个 问题，一个是如何管理组播成员维护组播组，另一个就是如何把组播数据路由 给各组播组成员，主要采用i g m p 协议，i p v 6 中的组成员管理协议则采用m l d 协 议。 3 1 移动i p 组播管理协议 3 1 1i g m p 协议 i g m p ( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l ，因特网组管理协议) 是由主机 成员关系协议发展而来，目前有三个版本：i g m p v l ( r f c l l l 2 ) ，i g m p v 2 ( r f c 2 2 3 6 ) 和i g m p v 3 ( r f c 3 3 7 6 ) 。主机可以使用i g m p 消息通告本地的组播路由器 它想接收组播流量的主机组地址。如果主机支持i g m p v 2 ，它还可以通告组播路 由器它退出某主机组。组播路由器通过i g m p 协议为其每个端口都维护一张主机 组成员表，并定期的探询表中的主机组成员，以确定该主机组是否存活。 i g m p 消息被置于i p 报文中传送。i g m p v l l 2 0 的报文如图3 1 所示。i g m p v l 中定义了两种消息类型：主机成员询问和主机成员报告。当某主机想要接受某 组播源的组播数据时，它向本地的组播路由器发送“主机成员报告”消息，告 知欲接收的组播地址。组播路由器收到“主机成员报告”消息后把该主机加入 指定的主机组，并在设定的周期内向组播地址2 2 4 0 0 1 ( 代表所有支持组播的主 机) 发送“主机成员询问”消息。主机如果还想继续接收组播数据流，必须发 送“主机成员报告”消息。 l 钟确纬号 类型未用1 6 位校验和 3 2 位组地址( 。类口地址) 图3 1i g m p v l 报文的字段格式 1 6 第3 章移动i p 组播协议 目前通用的是i g m p v 2 协议【2 ”，其报文如图3 2 所示。与i g m p v l 不同的是它 将版本字段和消息类型字段融合，把未使用字段作了“最大响应时间”字段。 在i g m p v 2 协议中，主机退出组播组后，会主动告知组播路由器自己离开的消息， 这可以避免在某子网内已经没有成员接收，但路由器却不知道，依然转发组播 包。i g m p v 2 报文的消息类型字段定义了四种消息类型：成员查询、i g m p v 2 成 员报告、离开组和i g m p v l 成员报告( 与i g m p v l 相同) 。 8 位