動態的基于快速切換的層次型移動組播協議

摘 要：為了提高移動IPv6網絡中組播的服務質量，提出一種動態的基于快速切換的層次型移動組播協議——DFHMM。協議設置兩級組播代理，對外屏蔽節點的域內切換；利用移動錨點擔當區域組播移動代理，提供配置的高靈活性和通信的強魯棒性；使用基于鏈路層觸發的快速切換機制，縮短組播服務的中斷時間。給出了協議的體系結構、切換流程、數據結構和操作細節。

關鍵詞：移動組播； 層次體系結構； 快速切換； 翻譯組播組

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1001-3695(2008)08-2495-04

Dynamic fast handover-based hierarchical mobile multicast protocol

WAN Zhenga，YU Lanb

(a. School of Information Technology， b. College of Physical Education，Jiangxi University of Finance Economics，Nanchang 330013，China)

Abstract:To improve the quality of service of multicast in mobile IPv6 networks， this paper proposeda dynamic fast handover based hierarchical mobile multicast protocol:DFHMM. DFHMM deployed two levels of multicast agent to conceal handover within a domain， and used the mobility anchor point as domain multicast agentto provide deploy flexibility and communication robustness. It adoptedlayer-2 trigger based fast handover mechanism to reduce the halting time of multicast service .Then presented architecture， handover procedures， data structure and operation details of DFHMM.

Key words: mobile multicast; hierarchical architecture; fast handover; translation multicast group

隨著無線通信技術的發展，越來越多的用戶使用無線終端訪問Internet資源。無線接入要求終端能夠在移動過程中保持與網絡的連接。為此，IETF提出了移動IPv4^[1]和移動IPv6^[2]協議，以使Internet支持終端的移動。另一方面，多媒體技術的迅速發展極大地改善了視頻和音頻的質量，網絡電視、視頻點播、視頻會議、網絡游戲等實時多媒體應用逐漸成為Internet上的主流應用。IP組播^[3]具有網絡開銷小、可擴展性強等優點，非常適合多媒體數據的點對多點或多點對多點的傳輸要求。

無線鏈路具有網絡帶寬有限、誤碼率高等特點。因此，在無線和移動環境中支持組播是一個具有挑戰性的課題。移動組播不僅要管理動態的組成員關系、建立和維護組播轉發樹，而且還要處理組成員位置的動態變化。相對于固定網絡組播，移動組播主要面臨以下兩個問題：

a）組播樹重構開銷。組成員移動時，為了繼續使用組播方式轉發數據包，需要重新構建組播轉發樹，這會產生大量的信令傳輸開銷與處理開銷。如果不重構組播樹，又會導致組播包的低效轉發。可以從降低組播樹的重構范圍與重構頻率兩方面來減少組播樹的重構開銷。

b） 組播服務中斷與包丟失。從接收端發生移動到它在新位置接收到第一個組播包，組播服務均處于中斷狀態。這段時間包括切換延時、組播成員資格協商延時、組播樹計算延時，以及第一個組播包到達新位置的傳輸延時。在完成組播樹計算之前，發往移動節點的組播包都將丟失，因為它們仍被轉發給先前的轉交地址(care of address， CoA)。

移動IPv4和移動IPv6協議均提出了雙向隧道和遠程簽署兩種基本組播機制。在此基礎上，國內外學者提出一些改進機制。本文提出一種動態的快速切換的層次型移動組播協議（dynamic fast handover based hierarchical mobile multicast protocol， DFHMM）。它采用層次型移動IPv6（HMIPv6）體系結構^[4]，使用移動錨點(mobility anchor point， MAP)作為區域組播代理（domain multicast agent， DMA），使用接入路由器(access router， AR)作為子網組播代理（subnet multicast agent， SMA），屏蔽了移動節點在MAP域內進行的切換。同時，DFHMM還引入了移動IPv6的快速切換機制^[5]，減少了切換延時和組播包丟失。

1 相關工作

1.1 移動組播研究現狀

遠程簽署和雙向隧道是兩種基本的移動組播機制。在遠程簽署中，移動節點通過外地網絡中的組播路由器加入組播組，具有最優的組播包轉發路徑，對現有協議的修改也很少。這一機制的缺點是每次切換時節點都需重新加入組播組，從而造成組播樹的頻繁重構和組播服務的長時間中斷。在雙向隧道中，家鄉代理代替移動節點加入組播組，組播包由家鄉代理以隧道方式轉發給移動節點。雙向隧道機制無須重構組播樹，因為它屏蔽了節點的移動。但是，組播包由家鄉代理轉發，其轉發路徑遠非最優。此外，雙向隧道還存在隧道聚集問題(tunnel convergence problem)^[6]，造成了網絡資源的嚴重浪費。

基于IP組播的移動組播協議可以被分為三類^[7]，即基于雙向隧道的協議、基于遠程簽署的協議和混合協議。基于雙向隧道的協議主要有MoM^[8]和RBMoM^[9]。前者解決了雙向隧道中的隧道聚集問題；后者則通過限制組播家鄉代理的服務范圍縮短了隧道的長度。

基于遠程簽署的協議包括MA^[10]、MobiCast^[11]和MMA^[12]等。在MA協議中，組播代理為多個外地網絡提供組播服務，代替服務區域內的移動節點加入組播樹。加入操作僅在移動節點是某個組播組在服務區域內的首位成員時執行。MobiCast協議引入層次移動管理機制和預先注冊機制，為蜂窩網絡中的移動節點提供組播服務。MMA協議則使用外地網絡之間的轉發機制替代預先注冊。

混合協議包括雙重加入^[13]、MMG^[14]和MMP^[15]等。在雙重加入協議中，移動節點在外地網絡執行遠程簽署的同時，通過家鄉代理或先前的組播代理暫時接收組播包。遠程簽署保證了組播包在較長時期內通過最優路由轉發，而家鄉代理或先前組播代理的轉發則減少了移動節點執行遠程簽署期間組播包的丟失。MMG和MMP協議利用類似組播代理的設備為移動節點提供組播服務。圖1給出了主要移動組播協議的分類。

1.2 HMIPv6及其快速切換

在移動IPv6中，節點向家鄉代理和通信對端注冊它在外地使用的轉交地址，從而與其他節點通信。由于每次切換均要注冊節點的新位置，信令開銷很大。為此，研究者提出HMIPv6協議，利用移動錨點對外屏蔽節點在某個區域內進行的切換，有效降低了信令負載。另一方面，移動IPv6的快速切換機制（FMIPv6）通過提前掃描節點下一步可能前往的新網絡并配置相應轉交地址的方式降低了節點的切換延時。層次型體系結構與快速切換相結合(F-HMIPv6)^[16]，進一步提升了移動IPv6的整體性能。圖2描述了F-HMIPv6的切換過程。其中，PAR和NAR分別表示當前網絡和預期網絡的接入路由器。

a)節點使用鏈路層預測機制發現新接入點(access point， AP)后，向MAP發送RtSolPr消息。其中包含新發現AP的標志符。

b)MAP查找與新AP標志符對應的NAR，并將NAR相關信息包含在發送給移動節點的PrRtAdv消息中。移動節點使用這些信息配置新的鏈路轉交地址——NLCoA。

c)移動節點發送FBU消息給MAP。其中包含先前鏈路轉交地址（PLCoA）和NLCoA。

d) 收到FBU后，MAP發送HI消息給NAR。NAR為移動節點的PLCoA建立主機路由項，并回復HAck消息。在收到移動節點的FNA消息之前，NAR為移動節點緩沖來自MAP的數據包。

e)MAP發送FBack消息給移動節點的PLCoA和NLCoA，然后MAP開始將發往移動節點的數據包通過隧道轉發給NAR。

f)移動節點到達NAR鏈路后，向NAR發送FNA消息。于是，NAR將緩沖的數據包發送給移動節點的NLCoA。

g)移動節點繼續HMIPv6的操作過程。

2 DFHMM概述

DFHMM基于HMIPv6體系結構，利用MAP充當DMA，這是DFHMM與其他層次型移動組播協議的主要區別。在MobiCast和MA中，AR或外地代理僅隸屬于一個DMA，后者的相關信息由AR靜態保存，這嚴重限制了移動組播協議的應用。如果惟一的DMA發生故障，區域內所有移動節點均將無法獲得組播服務。即使啟用了新的DMA，也無法在短時間內更新所有AR的配置信息。在HMIPv6中，MAP冗余配置，主MAP發生故障可立即啟動備用MAP。移動節點可以根據MAP選項中的優先級、距離等字段，選擇合適的MAP。之后，MAP代替它所服務的移動節點加入組播組，接收來自真實組播源的組播包。在MAP區域內部，移動節點所在AR加入由MAP充當組播源的翻譯組播組^[11]，以組播方式接收數據。

另一方面，DFHMM利用快速切換機制在預期到達的子網為移動節點提前配置轉交地址，從而大大縮短了切換延時。DFHMM在一些快速切換信令中添加組播組信息，如果節點即將發生域間切換，預期的MAP就可以提前獲得節點的組播組列表并加入相應組播樹。因此，DFHMM不僅擁有較短的切換延時，而且其組播樹重構操作不會造成組播服務中斷。

3 DFHMM體系結構

DFHMM定義了兩級組播代理，即區域組播代理（DMA）和子網組播代理（SMA）。DMA由MAP擔當，它是一個組播路由器，代替區域內的所有移動節點加入組播組，同時從組播樹中接收組播包并轉發給SMA。SMA通常由AR擔當，其上無須運行組播路由協議。但是，SMA必須承當DMA與移動節點之間的橋梁，從節點處獲取組播組列表轉發給DMA，同時從DMA處接收組播包轉發給節點。分級的組播代理體系結構可以對外屏蔽節點的移動。當節點發生域內切換時，由于MAP已經加入組播樹，無須修改域外的組播樹。

如圖3所示，組播包由組播源發出后，經過Internet中的組播樹到達移動節點當前所屬DMA——MAP1。此時，MAP1可以采用兩種方式將組播包轉發給AR1。一是與MobiCast類似，在域內建立一個翻譯組播組。這種方法的優點是在域內也能利用組播的優勢，減少網絡帶寬的消耗；缺點是域內需要配置若干組播路由器，在某些環境中可能無法滿足。另一種方式是建立由MAP1到AR1的單播隧道，其優點是對設備要求低，管理和維護方便；缺點是網絡帶寬的消耗大。無論通過何種方式接收到組播包，AR1都會立即將組播包發送給移動節點。本文后續敘述中默認采用翻譯組播組方式。

如果節點由AR1覆蓋區域移動到AR2覆蓋區域，AR2便會加入翻譯組播組（MAP1， G）。由于MAP1已經加入組播組，域外組播樹無須修改。如果節點移出MAP1區域進入AR3所在的MAP2區域，那么AR3會通知MAP2加入原始組播組（*， G），同時自己加入MAP2的翻譯組播組（MAP2， G）。

無論原MAP在節點將要到達的子網中是否可用，節點都可能選擇新的MAP，這取決于節點的MAP選擇策略。例如，為了優化轉發路徑，節點可能選擇Dist字段最小的MAP。又如，節點可能選擇優先級最高的MAP，或者出于負載平衡目的選擇MAP。

4 DFHMM細節

4.1 切換流程

DFHMM中移動節點的切換流程如圖4所示。其中，MN代表移動節點。從圖中可以看出，DFHMM對F-HMIPv6進行了以下修改：

a) 取消了MN離開期間的數據轉發隧道。組播應用程序通常是實時的，在限定時間以外到達的數據對于應用來說無任何意義，反而會占用無線信道帶寬，影響后續播放。在DFHMM中不建立類似FMIPv6和F-HMIPv6中的數據轉發隧道。

b) 由PAR與MN交互RtSolPr、PrRtAdv、FBU、FBack等消息，與NAR交互HI、HAck等消息，即DFHMM放棄了F-HMIPv6對FMIPv6作出的改進。F-HMIPv6用MAP取代PAR，是為了縮短MN離開PAR期間的數據轉發隧道，因為MAP與NAR之間的距離通常小于PAR與NAR之間的距離。如前所述，DFHMM取消了數據轉發隧道，所以沒有必要用MAP取代PAR。更為重要的是，如果用MAP取代PAR，那么DFHMM將無法支持域間切換。這是因為當MN發生域間切換時，它可能無法與原MAP保持通信，從而導致后續的快速切換操作和組播組加入操作無法進行。

c) 在FBU和HI消息中添加組播組與策略選項，包含節點已加入的組播組列表和節點的MAP選擇策略。NAR獲取節點的MAP選擇策略后可以代替MN提前選擇更為合適的MAP。若更換了MAP（即預期將要發生域間切換），NAR會將節點的組播組列表轉發給新MAP。如果新MAP還未加入這些組播組，它會立即加入。

4.2 數據結構

圖5給出了DFHMM在AR和MAP上分別維護的數據結構。AR上維護的數據結構包括：

a) 真實—翻譯組播組映射表（real-translation group mapping table，RTGM）。AR為每個MAP維護一張RTGM表，以判斷自己是否已加入真實組播組所對應的翻譯組播組。RTGM表的每一項包含四個字段，即真實組播組、翻譯組播組、加入標志（J標志）和指向下一項的指針。其中J標志指示AR是否已加入翻譯組播組。

b) MN-MAP映射表。記錄訪問AR的每一個MN所對應的MAP。

c) 組成員列表。AR為每個組播組維護組成員列表，從而將組播包轉發給已加入的MN。

MAP僅維護它的RTGM表，并且此表不包含J標志。

4.3 操作細節

1）在AR上發生的操作

(1)接收到翻譯組播組廣播。根據源地址匹配MAP；根據真實組播組查詢RTGM表，如果有匹配項，且兩個組播組均有效，那么不執行任何操作；如果有匹配項，但只有真實組播組有效，那么根據廣播內容填寫翻譯組播組，并加入翻譯組播組；否則，若沒有匹配項，就在RTGM表中添加一項，根據廣播內容填寫兩個組播組，置J標志為0。

（2）接收到HI消息。代替MN進行MAP選擇，根據結果在MN-MAP表中添加一項；針對MN組播組列表中的每一項，更新組成員列表；查詢MN所選MAP的RTGM表。如果找到匹配項，且J標志為1，那么不執行任何操作；如果J標志為0，那么加入匹配項指示的翻譯組播組；否則，若未找到匹配項，就在RTGM表中添加一項，填寫真實組播組并置J標志為0。發送TransReq消息給MAP。

（3）組成員離開。查詢每個組播組的組成員列表，將MN所在項刪除；如果組成員列表變為空，那么查詢MN所選MAP的RTGM表，獲取翻譯組播組信息；退出翻譯組播組。

（4）接收到組播包。遍歷組播組的組成員列表，將組播包轉發給每一個成員。

2）MAP上發生的操作

（1）接收到TransReq。查詢RTGM表，如果有匹配項，那么，廣播翻譯組播組；否則，加入真實組播組，分配并廣播翻譯組播組。

（2）接收到組播包。在RTGM表中查詢組播包所屬組播組對應的翻譯組播組；通過翻譯組播組將組播包發送出去。

5 結束語

本文提出的DFHMM協議適用于實際的層次型移動IPv6網絡。DFHMM不僅對外屏蔽了節點的域內切換，而且還利用快速切換機制使區域組播代理提前加入組播組，從而避免了域外切換時由于組播樹重構引起的組播服務中斷。此外，移動錨點的動態發現機制保障了區域組播代理的配置靈活性，其冗余的配備方式則為組播通信提供了較高的可靠性。

通過仿真量化DFHMM的性能是下一步的主要工作。

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