基于切換頻率的分層可靠移動ＩＰ組播研究

摘要：從以切換頻率區(qū)分移動節(jié)點類別的角度，提出了一種新的可靠移動IP組播方案，目的是讓不同類別的移動節(jié)點都能得到相應的、接近最佳的可靠組播服務。與現(xiàn)有的可靠移動IP組播協(xié)議相比，提出了基于移動節(jié)點的切換頻率對移動節(jié)點進行分類的概念；提出了對不同類別的移動節(jié)點分別使用相應的可靠移動IP組播協(xié)議的思想；根據上述思想改進了RRBMoM協(xié)議，得到了新協(xié)議——ARRBMoM協(xié)議。在此基礎上，利用OPNET分別模擬ARRBMoM和RRBMoM協(xié)議的運行情況，對其性能進行了分析和比較。仿真結果表明了ARRBMoM協(xié)議在多種速度類別的移動節(jié)點同時存在時，以及移動節(jié)點運動速度較快時，比RRBMoM協(xié)議在組播樹重構、端到端延時、重傳率、丟失率等方面具有更好的性能。

關鍵詞：移動互聯(lián)網協(xié)議組播；可靠組播；切換頻率；移動節(jié)點分類；多層結構

中圖分類號：TP393．01文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)01－0078－04

0引言

組播（multicast）是介于傳統(tǒng)的單播和廣播通信之間的、面向組的數據傳送方式。它能同時向一組用戶發(fā)送數據。自Stephen Deering等人首次提出組播模型[1]后，組播技術得到了廣泛的關注和研究。此后，提出了許多較為成熟的組播路由協(xié)議，如DVMRP（distance vector multicast routing protocol）[2]、CBT（core based trees）[3]、MOSPF（multicast extensions to OSPF）[4]、PIM（protocol independent multicast）[5~7]等。

移動環(huán)境中，由于受無線鏈路帶寬有限、錯誤率較高、移動節(jié)點能量、處理器能力和存儲能力較低等限制，使用組播技術可以高效使用資源[8]。移動IP組播在移動IP中引入IP組播的機制。與傳統(tǒng)的組播相比，由于組播成員的移動性會引發(fā)組播樹頻繁重構、協(xié)議開銷大、路由不優(yōu)化、端到端延時大、丟包嚴重等情況。特別是當節(jié)點移動速率較快、頻繁發(fā)生切換時，組播樹會頻繁重構，導致性能受到嚴重的影響。

RBMoM(range based MoM)[9]和RRBMoM協(xié)議(reliable RBMoM)[10]試圖通過設置服務范圍在最短轉發(fā)路徑和頻繁重建組播樹之間獲得折中的最佳服務范圍。在實際應用中存在各種速度的移動節(jié)點，最佳范圍只是一種折中的選擇，它并不是所有移動節(jié)點的最佳選擇：對移動速度慢、很少發(fā)生切換的節(jié)點，需要的服務范圍小，并且折中的最佳范圍延長了數據包的轉發(fā)路徑；對移動速度快、經常發(fā)生切換的節(jié)點，需要的服務范圍大，然而折中的最佳范圍無法抑制組播樹的頻繁重構。

本文考慮移動節(jié)點速度的差異、移動節(jié)點切換頻率的差異，以解決組播樹重構與轉發(fā)路徑優(yōu)化之間的矛盾?？紤]到在一定的基站覆蓋范圍下，MN(mobile node，移動節(jié)點) 的移動速度直接影響著MN的越區(qū)切換頻率，而切換頻率又會直接影響到組播樹重構頻率，本文提出了一種基于切換頻率的多層可靠MIP組播機制。該機制是根據移動切換頻率來區(qū)分MN的類別，并對各類MN分別使用相應的可靠移動IP組播協(xié)議，從而使每類MN都能得到對應的、接近最佳的可靠組播服務。

1基于切換頻率的多層可靠移動組播

1．1基本思想

基于切換頻率的多層可靠組播機制引入切換頻率的概念。移動節(jié)點在不同運動狀況下產生不同的切換頻率，根據切換頻率對移動節(jié)點進行分類，并針對不同類別的移動節(jié)點分別使用不同的可靠移動IP組播協(xié)議，從而使每類MN都能得到接近最佳的可靠組播服務。

物理層次結構為固定網節(jié)點、外地代理（FA）/基站（BS）、移動節(jié)點。假設所有的FA/BS（如圖1中BS1~BS6）都具有遠程簽署協(xié)議系列中FA的功能，其中部分FA/BS（如圖1中BS3和BS4）稱之為高速移動節(jié)點的區(qū)域代理。它還具有雙向隧道協(xié)議中HA(家鄉(xiāng)代理)的功能。高速移動節(jié)點的區(qū)域代理同時運行遠程簽署和雙向隧道兩個系列的協(xié)議，兼具本地服務（一個BS的服務范圍）和區(qū)域服務（一個區(qū)域的范圍）的功能。其既能為本地的所有MN（包括低速和高速的MN）提供組播服務，也能為本區(qū)域的其他BS范圍內的高速MN提供組播服務。非高速移動節(jié)點的區(qū)域代理只能為本地的低速MN提供組播服務，如本地BS。

邏輯結構分為固定網節(jié)點、高速移動節(jié)點的區(qū)域代理、外地代理/基站、移動節(jié)點四層。高速移動節(jié)點的區(qū)域代理從物理層次結構的視角來看屬于微級別（micro level）；從邏輯層次結構的視角來看屬于宏級別（macro level），如圖1所示。

利用這種層次結構，通過調整組播代理范圍的大小可以更加靈活地調節(jié)組播管理范圍，可以不用對網絡拓撲結構進行改動，解決組播樹頻繁重構問題，提高組播服務質量。

1．2ARRBMoM(advanced reliable RBMoM)協(xié)議

ARRBMoM協(xié)議是利用基于切換頻率的多層可靠移動IP組播的思想對RRBMoM協(xié)議改進的。RRBMoM協(xié)議只能使用一種服務范圍，并且無法實時確定最佳范圍。本文所提出的ARRBMoM協(xié)議是在RRBMoM協(xié)議的基礎上設立的多級MHA，包括組播家鄉(xiāng)代理（MHA）、中級組播家鄉(xiāng)代理（middle level MHA，M MHA）和高級組播家鄉(xiāng)代理（high level MHA，H MHA），如圖2所示。這些代理的服務范圍依次嵌套構成了多級嵌套服務范圍，即MHA包含M MHA的服務范圍；M MHA包含MHA的服務范圍；MHA包含BS的服務范圍。以此來獲得更好的性能。

1)組播樹管理和組播成員管理

在ARRBMoM協(xié)議中，組播路由器加入和退出組播樹時，沿用了RRBMoM協(xié)議使用的核心樹（CBT）協(xié)議[3]。在ARRBMoM協(xié)議中，加入組播樹只要加入核即可。當一個組播路由器及其所有子路由器的服務范圍內沒有任何組播組成員，且這個組播路由器已經收到了所有來自核心樹上子節(jié)點的退出請求時，便可向核心樹上的父節(jié)點（parent）發(fā)出退出組播樹的請求。

ARRBMoM協(xié)議的組播組成員管理包括MN加入指定的組播組、MN離開指定的組播組?？梢杂脙煞N方法實現(xiàn)：MN可以在向FA注冊的同時請求加入指定的組播組；也可以在移動IP注冊后再發(fā)送加入請求。當MN離開組播組時，可以向FA發(fā)送請求；也可以等到超時發(fā)生時自動離開。當MN退出組播組或離開組播服務區(qū)域時，可以由MN主動發(fā)出請求；也可由MHA上綁定超時記錄，自動檢測到MN已經離開當前區(qū)域。當MHA發(fā)現(xiàn)MN離開時，將其從組播組成員列表中刪除。如果組播成員列表變?yōu)榭?，MHA向M MHA發(fā)送離開組播組的請求；M MHA將此MHA從組播樹中刪除。MN退出組播組的步驟全部結束。

2)選擇MHA和各級MHA之間切換

開始時MHA 就是HA，HA隨時記錄MN當前MHA的信息。當MN進入新的外地網絡時，F(xiàn)A提取MN的切換頻率記錄（handoffList），得到MN最近單位時間內的切換頻率。通過與區(qū)分值α和β比較，判定MN現(xiàn)在所屬的類別（低速、中速或高速）。如果MN現(xiàn)在的類別與以前相比發(fā)生了變化，那么FA將按照協(xié)議，為MN指定一個不同級別的MHA替代當前服務的MHA；若無變化，則按照下面的方法選擇MHA進行切換。

如果新的FA是M MHA，則指定該M MHA為新的MHA；否則，新的FA從HA處獲得MHA的信息，然后依此計算出它與MHA之間的距離。如果距離大于MHA的服務范圍，則需要重新選擇MHA。如果FA已經加入了組播樹，則指定FA作為MN新的MHA；否則，計算MN與HA的距離。如果小于服務范圍，就指定HA為新的MHA；否則指定FA作為新的MHA。新的MHA需要加入到組播組中，相應地更新組播轉發(fā)樹，同時通知MN的HA更新MHA的信息。如果MN仍然在MHA的服務范圍之內，則不需要作任何改動，新的FA只需與MHA建立聯(lián)系即可。MN發(fā)生移動后，如果它離開了原MHA的服務范圍，就需要重新選擇MHA。

3)應答和數據恢復機制

ARRBMoM在RRBMoM協(xié)議的基礎上進行了改進，采用一種增強的ACK應答機制與單播、組播混合的重傳方式。具體方式如下：

a）在宏級別上，由于H MHA、M MHA和MHA/BS之間是低誤碼率的高速有線鏈路，丟失分組的概率很小，并且H MHA管理的M MHA個數有限，M MHA管理的MHA個數也有限。FA向MHA、MHA向M MHA、M MHA向H MHA應答只采用周期性發(fā)送ACK消息；H MHA向M MHA、M MHA向MHA、MHA向FA的重傳方式采用單播。

b）在微級別上，MN向MHA周期性地發(fā)送ACK應答。與此同時，MN在進入新的外地網絡，向新的FA注冊時，主動提供已經接收到的最大組播數據包序列號，稱之為增強的ACK應答機制。由于無線傳輸介質的開放性和共享性，在局部區(qū)域內的MN容易受到同一干擾源的影響，子網內的多個MN可能同時丟失相同的組播分組。在ARRBMoM協(xié)議中，F(xiàn)A采用組播方式重傳丟失分組給其子網內的所有MN。各級MHA均作為數據備份節(jié)點（backup node）。當得到服務范圍內所有接收者的確認后立即將數據刪除，避免重傳請求回溯到組播源，減少了重傳時間。

2仿真分析

本文采用OPNET進行仿真，仿真拓撲環(huán)境設計為2 000 m×2 000 m的范圍。其中均勻分布有100（10×10）個小區(qū)。每個小區(qū)內設一個BS，其功率覆蓋范圍是200 m×200 m，共設置了96個BS。設置1個固定節(jié)點的組播源；4個M MHA作為特殊的BS，分別位于5×5的基站區(qū)域中心；每個M MHA與相鄰的4個BS、每個BS與相鄰的4個BS之間的有線鏈路。在OPNET環(huán)境中，采用C++編寫了ARRBMoM和RRBMoM的進程模型中的每一個狀態(tài)。

組播包產生速率為0.1packets/時間單位，即每10個時間單位發(fā)出一個組播數據包。不同仿真場景中組播成員個數為30~180個不等，均為MN；每個節(jié)點的無線傳播范圍是250 m。假設在固定網絡中，所有數據包均能夠正確收發(fā)；無線網絡范圍內誤碼率（BER）從10-4~10-7分別進行仿真。速度區(qū)分參數α和β的值在仿真模型中實測統(tǒng)計得到α=3，β=8。每次仿真程序都執(zhí)行1 h的仿真時間。仿真中MN的移動基本服從隨機游走模型[11]，并且考慮到MN的移動具有一定的連續(xù)性[12]。假設移動速度v在第一次隨機選取后就一直保持不變，設定一個轉向概率η(η=1%，2%，…，100%)，以η的概率選擇新的移動方向θ。據此對現(xiàn)實應用中的MN切換頻率進行統(tǒng)計，得到經驗參數α和β，并采用實際的統(tǒng)計值作為區(qū)分參數α和β。

本文仿真了RRBMoM和ARRBMoM協(xié)議，共設置了57個仿真場景。其中對RRBMoM協(xié)議進行模擬的仿真場景有32個，ARRBMoM協(xié)議的場景有25個。

圖3給出了在各種情況下兩種協(xié)議的平均端到端延時隨半徑變化的情況。從圖中可以看出，ARRBMoM的平均端到端延時要比RRBMoM協(xié)議的平均延時小。雖然服務范圍的增大導致了傳輸路徑不優(yōu)化，但是傳輸路徑的變化不大(一跳左右)[9]，在可靠移動組播協(xié)議中不是影響端到端時延的主要因素。相對而言，可靠移動組播中組播數據包的重傳較大幅度地增加了端到端的時延，因此，當MHA服務范圍增大時，MN的切換次數減少，重傳率降低，平均端到端延時下降。

圖4給出了ARRBMoM和RRBMoM協(xié)議組播樹重構次數隨半徑變化的對比情況。從圖4中可以看出，ARRBMoM的組播樹重構次數都比RRBMoM協(xié)議要少；并且在RRBMoM協(xié)議的MHA服務范圍較小時，ARRBMoM的優(yōu)勢更加明顯。RRBMoM的組播樹重構次數隨著MHA服務范圍的增大，重構次數明顯下降。這與文獻[9]的描述相一致。原因在于服務范圍的增大明顯減少了MN的切換次數，所以MHA申請加入和退出組播樹的次數減少，組播樹趨于穩(wěn)定。

圖5~7給出了在同一誤碼率情況下的三種不同切換頻率MN在服務范圍變化時，平均端到端延時的情況。

從圖中可以看出：RRBMoM協(xié)議平均端到端延時隨著MHA半徑的增大都呈現(xiàn)了下降趨勢，并且ARRBMoM平均端到端延時比RRBMoM協(xié)議小；當MN的移動性較小時，ARRBMoM對RRBMoM協(xié)議的性能改善不是很明顯，移動性增強時，改善越來越顯著。

圖8、9給出了在不同誤碼率情況下， MHA服務范圍分別為200、400、600和800 m時，平均端到端延時的情況。圖8顯示了ARRBMoM協(xié)議和RRBMoM協(xié)議（在各種半徑設置情況下）平均端到端延時隨比特誤碼率（BER）變化的對比情況。圖中曲線共同趨勢是隨著比特誤碼率的增加，平均端到端延時逐漸增大。ARRBMoM與RRBMoM協(xié)議一樣會受到無線傳輸信道傳輸質量的影響。但是在同樣的條件下，ARRBMoM的平均端到端延時性能總是優(yōu)于RRBMoM協(xié)議。

3結束語

本文從一個新的角度提出了基于切換頻率的多層可靠移動IP組播的思想，并根據該思想對經典的RRBMoM協(xié)議進行了改進。從仿真結果看，改進后的ARRBMoM協(xié)議在端到端延時、組播樹重構次數等方面的性能均優(yōu)于RRBMoM。同時，本文給出了MN數量、無線信道的比特誤碼率對ARRBMoM協(xié)議性能的影響。需要指出的是，這種思想并不局限于對RRB MoM協(xié)議的改進，也適用于對其他移動IP組播協(xié)議的改進。

參考文獻：

［1］DEERING S， CHERITON D．Multicast routing in datagram internetworks and extended LANs［J］．ACM Trans on Computer Systems，1990，8（2）:85 110.

[2]WAITZMAN D，PARTRIDGE C，DEERING S．RFC 1075，Distance vector multicast routing protocol (DVMRP) ［S］．[S.l.]:Internet Engineering Task Force，1988.

[3]BALLARDIE A． RFC 2 201，Core based trees (CBT) multicast routing architecture［S］．[S.l.]:Internet Engineering Task Force，1997.

[4]MOY J．RFC 1584，Multicast extensions to OSPF[S]．[S.l.]:Internet Engineering Task Force，1994.

[5]DEERING S，ESTRIN D，F(xiàn)ARINACCI D，et al．The PIM architecture for wide area multicast routing［J］．IEEE/ACM Transactions on Networking，1996，4（2）:153 162.

[6]ESTRIN D，F(xiàn)ARINACCI D，HELMY A，et al． RFC 2362，Protocol independent multicast sparse mode (PIM SM):protocol specification［S］．[S.l.]:Internet Engineering Task Force，1998.

[7]ADAMS A，NICHOLAS J，SIADAK W．RFC 3973，Protocol indepen dent multicast dense mode (PIM DM):protocol specification［S］．[S.l.]:Internet Engineering Task Force，2005.

[8]VARSHNEY U．Multicast support in mobile commerce applications［J］．Computer，2002，35(2):115 117.

[9]LIN C R，WANG K M．Mobile multicast support in IP networks[C]//Proc of GLOBECOM’02.[S.l.]:IEEE，2002:1935 1939.

[10]LIN C R，CHUNG C J．Mobile reliable multicast support in IP networks[C]//Proc of IEEE International Conference on Communications(ICC 2000).2000:1421 1425.

[11]REVESE P.Random walk in random and non random environments［M］.[S.l.]:World Scientific Publishing， 1990.

[12]SADAGOPAN B F，HELMY A. Important:a framework to systematically analyze the impact of mobility on performance of routing protocol for Ad hoc networks[C]//Proc of IEEE INFOCOM 2003.San Francisco:[s.n.]，2003.

[13]DIOT C， LEVINE B N，LYLES B，et al．Deployment issues for the IP multicast service and architecture［J］．IEEE Network，2000，14（1）:78－88.

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