一種改進(jìn)的層次型移動(dòng)組播協(xié)議

陳華山,王 熠,劉憲成,周 娟（河海大學(xué)常州校區(qū)信息中心，江蘇常州，213022）

一種改進(jìn)的層次型移動(dòng)組播協(xié)議

陳華山,王 熠,劉憲成,周 娟
（河海大學(xué)常州校區(qū)信息中心，江蘇常州，213022）

論文介紹了現(xiàn)有層次性移動(dòng)組播協(xié)議——MobiCast協(xié)議，分析了該協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)。在MobiCast協(xié)議的基礎(chǔ)上通過加入隧道技術(shù)，并減輕基站開銷等方面進(jìn)行了改進(jìn)。仿真與分析表明，改進(jìn)后的MobiCast協(xié)議具有組播數(shù)據(jù)丟包率低、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)開銷小、切換延遲短等特點(diǎn)。

移動(dòng)組播；組播切換；隧道技術(shù)；層次型

0 引言

隨著無線網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，特別是4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，再加上移動(dòng)終端性能的不斷提高，人們通過移動(dòng)終端獲取網(wǎng)絡(luò)資源的要求越來越迫切。目前瀏覽網(wǎng)頁和文件傳輸已經(jīng)能滿足一部分人的要求，但是有一些應(yīng)用，它不但占用很大帶寬，并且對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和同步性要求很高，比如視頻點(diǎn)播、網(wǎng)絡(luò)電視、網(wǎng)絡(luò)課堂、視頻會(huì)議等一些多媒體應(yīng)用。在傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)中，這些多媒體應(yīng)用通常采用組播技術(shù)來解決。組播有它的優(yōu)點(diǎn)，比如實(shí)時(shí)性高，網(wǎng)絡(luò)開銷小，大幅度降低組播源服務(wù)器的壓力，是解決這類多媒體應(yīng)用的最好方案。所以在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中加入組播技術(shù)是十分必要的，移動(dòng)組播不僅要建立和維護(hù)組播轉(zhuǎn)發(fā)樹，還要處理因成員位置變化而帶來的重新綁定。

本論文提出的移動(dòng)組播協(xié)議是在MobiCast移動(dòng)組播協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，緩解了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在不同區(qū)域之間切換而造成的切換延時(shí)和組播數(shù)據(jù)包丟失情況，降低了網(wǎng)絡(luò)開銷，提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

1 關(guān)于MobiCast層次型移動(dòng)組播協(xié)議

MobiCast算法的主導(dǎo)思想是把無線網(wǎng)絡(luò)分成幾層，每層都有相應(yīng)的管理單元，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在底層運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)它的上層網(wǎng)絡(luò)不會(huì)有很大影響。保證了網(wǎng)絡(luò)整體穩(wěn)定性也提高了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的靈活性，就好比把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分成7層模型一樣，是一種采用分層管理的理念。MobiCast中引入?yún)^(qū)域外地代理DFA的概念，區(qū)域由多個(gè)物理上相連的無線蜂窩網(wǎng)組成，每個(gè)區(qū)域中存在一個(gè)DFA。DFA主要負(fù)責(zé)為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供組播組播數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)區(qū)域移動(dòng)到一個(gè)新的區(qū)域，首先向新區(qū)域的DFA注冊(cè)，獲得新區(qū)域的轉(zhuǎn)交地址，并且把獲得的轉(zhuǎn)交地址通知給原來的家鄉(xiāng)代理。如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)只在區(qū)域中移動(dòng)，DFA在域內(nèi)采用“翻譯組播組”的機(jī)制，DFA會(huì)生成以自己為源節(jié)點(diǎn)的組播組，DFA負(fù)責(zé)域內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組播數(shù)據(jù)包的傳遞，不需要改變上層組播樹的結(jié)構(gòu)，充分降低了組播樹重構(gòu)帶來的開銷（如圖1所示）。MobiCast協(xié)議為了避免切換引起的組播數(shù)據(jù)包丟失情況，需要區(qū)域中的基站都加入翻譯組播組當(dāng)中，除自身基站外，其它基站要緩存接收到的組播數(shù)據(jù)包。目的是保證當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變化，切換過程中組播數(shù)據(jù)包的完整性，避免組播數(shù)據(jù)包發(fā)生丟失。

圖1 MobiCast協(xié)議的域內(nèi)切換

2 一種改進(jìn)的層次型移動(dòng)組播協(xié)議

通過分析MobiCast協(xié)議的工作原理，總是想能保留協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，通過局部修改彌補(bǔ)協(xié)議的一些缺點(diǎn)，提高協(xié)議的性能。MobiCast方案在提供快速切換的同時(shí)，它的翻譯組播組機(jī)制卻帶來了很多信令維護(hù)開銷，降低了網(wǎng)絡(luò)的性能。還有MobiCast方案僅僅解決了域內(nèi)的切換處理，沒有給出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在域間切換的優(yōu)化方案。針對(duì)這2種情況，在MobiCast協(xié)議的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的層次型移動(dòng)組播協(xié)議。在探討的過程中，我們?cè)趨^(qū)域外地代理DFA上采用隧道技術(shù)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生區(qū)域移動(dòng)時(shí)，在新的DFA上注冊(cè)更新的時(shí)間段內(nèi)，將組播數(shù)據(jù)通過隧道傳送給新區(qū)域的DFA，控制切換時(shí)的數(shù)據(jù)包丟失。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在區(qū)域間移動(dòng)的主要過程如圖2所示：

圖2 改進(jìn)的MobiCast方案的工作原理

3 仿真實(shí)驗(yàn)與性能分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境

網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)我們通過網(wǎng)絡(luò)仿真軟件實(shí)現(xiàn)，在red hat操作系統(tǒng)下，安裝NS2網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。針對(duì)本實(shí)驗(yàn)層次型的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，NS2模擬網(wǎng)絡(luò)兩層的結(jié)構(gòu)，底層采用了C++編寫的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體和協(xié)議，上層采用TCL腳本定義網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的具體參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，模擬的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫且粋€(gè)10*10的mesh網(wǎng)格，網(wǎng)格中節(jié)點(diǎn)代表子網(wǎng)的接入路由器，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離為50米。一個(gè)完整的網(wǎng)格被分為4塊，每塊是5*5，一共是25個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，我在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各加入一個(gè)DFA路由器，一共4個(gè)DFA路由器，每個(gè)負(fù)責(zé)25個(gè)接入路由器。在網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境中，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)組播數(shù)據(jù)組，也同樣只有一個(gè)組播數(shù)據(jù)源。組播數(shù)據(jù)源每秒鐘發(fā)送300個(gè)組播數(shù)據(jù)分組，模擬數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求很高的組播視頻直播。

3.2 模擬結(jié)果及分析

通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)測試，分別從2個(gè)角度和MobiCast算法進(jìn)行比較，一個(gè)是比較組播數(shù)據(jù)分組的丟失率，一個(gè)是比較組播維護(hù)開銷。其中變量是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為5m/s-30m/s,在仿真網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實(shí)驗(yàn)中，分別記錄了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在不同速度下組播數(shù)據(jù)分組的丟失情況和組播維護(hù)開銷情況，仿真測試數(shù)據(jù)分別為圖3和圖4所示。

圖3是數(shù)據(jù)分組丟包率的比較。從圖中可以看出改進(jìn)的MobiCast算法丟包率得到了很好的控制。MobiCast算法對(duì)數(shù)據(jù)丟失已經(jīng)進(jìn)行了優(yōu)化，改進(jìn)的MobiCast算法移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在區(qū)域間移動(dòng)時(shí)加入了隧道連接，進(jìn)一步降低了組播數(shù)據(jù)包的丟失。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)速度在30m/s時(shí)，MobiCast算法的數(shù)據(jù)丟包率達(dá)到2%左右，改進(jìn)后的MobiCast算法的數(shù)據(jù)丟包率只有1%左右。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度越快，MobiCast算法的延時(shí)較長，改進(jìn)后的MobiCast算法，由于基站加入翻譯組播組中，不需要緩存組播分組，縮短了切換時(shí)間，從而進(jìn)一步降低了數(shù)據(jù)包的丟失率。

圖3 組播分組丟包率的對(duì)比

圖4 是網(wǎng)絡(luò)維護(hù)開銷的比較。從圖中可以看出在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度很慢時(shí)，MobiCast算法和改進(jìn)的MobiCast算法的網(wǎng)絡(luò)開銷基本相當(dāng)，由于改進(jìn)的MobiCast算法加入了隧道連接，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)開銷略高于MobiCast算法。但是在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度很快時(shí)，MobiCast算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)開銷很大的缺點(diǎn)就很明顯，而改進(jìn)后的MobiCast算法不需要所有基站都緩存組播分組，降低了基站的開銷，所以在網(wǎng)絡(luò)開銷方面遠(yuǎn)低于MobiCast算法。

圖4 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)開銷的對(duì)比

4 結(jié)束語

目前在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)組播技術(shù)方面已經(jīng)開展了不少研究，至今仍沒有一個(gè)整體的解決方案。移動(dòng)和組播的結(jié)合是今后移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，同時(shí)也是研究的難點(diǎn)。本文介紹了層次性移動(dòng)組播MobiCast方案的工作原理，并分析了該方案的優(yōu)缺點(diǎn)。在MobiCast方案的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的層次型移動(dòng)組播協(xié)議，通過模擬試驗(yàn)得出相關(guān)結(jié)果，結(jié)果表明，改進(jìn)后的MobiCast方案在組播分組丟包率和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)開銷方面都有顯著改善，縮短了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的切換延遲時(shí)間，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。改進(jìn)后的MobiCast方案保留了MobiCast方案的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了它的一些不足，是一種高效的移動(dòng)組播解決方案。通過分析，本文還有需要改進(jìn)的地方，比如在網(wǎng)絡(luò)仿真方面考慮有所不足，改進(jìn)的方案只是在軟件環(huán)境下做了仿真實(shí)驗(yàn)，還需要在真實(shí)場景中測試方案的有效性。還有僅考慮了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為組播數(shù)據(jù)接收者的情況，如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為組播發(fā)送者的情況，還需要進(jìn)一步探討和研究。

[1] Harrison T G,Williamson C L,Mackrell W L,and Bunt R B.Mobile Multicast(MoM)Protocol:Multicast support for Mobile Hosts.Proceedings of the thirdannual ACM/IEEE international conference on Mobile computing and networking (MOBICOM’97).ACM Press 1997. 151~160.

[2] Lin C R and Wang K M.Scalable Multicast Protocol in IP-Based Mobile Networks[J].ACM/Baltzer Wireless Networks,2002,8(1):27~36.

[3] Suh Young-Joo,Shin Hee-Sook,Kwon Dong-Hee. An Efficient Multicast Routing Protocol in Wireless Mobile Networks[J].ACM Wireless Networks, 2001,7(5):443~453.

[4] 吳茜,吳建平,徐明偉,崔勇.基于快速組播切換的分層移動(dòng)組播體系結(jié)構(gòu)[J].軟件學(xué)報(bào),2006,17(1):86~95.

[5] 王華,周賢偉.一種基于MobiCast的移動(dòng)IP組播方案[J].電訊技術(shù),2005,(4):27~29.

劉憲成，男，工程師，從事校園網(wǎng)建設(shè)和物聯(lián)網(wǎng)研究工作。

周娟，女，工程師，從事信息系統(tǒng)建設(shè)和系統(tǒng)開發(fā)。

A hierarchical mobile multicast protocol improvement

Chen Huashan,Wang Yi,Liu Xiancheng,Zhou Juan
(Information Center of Changzhou Campus,Hohai University,Changzhou,213022)

This paper introduces the existing hierarchical mobile multicast protocol -- MobiCast protocol, analyzes the advantages and disadvantages of this agreement.To join by tunnel technology based on MobiCast protocol,and reduce the improved base station cost etc..Simulation and analysis show that,the improved MobiCast protocol has a multicast data packet loss rate is low,network maintenance overhead is small,the handover delay characteristics of the short.

mobile multicast;multicast handoff;tunnel technology;hierarchical

TP393

A

陳華山（1980-），男，江蘇鹽城人，工程師，從事高校數(shù)字化校園建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)管理和物聯(lián)網(wǎng)研究工作。

王熠（1970-），男，江蘇常州人，工程師，從事校園網(wǎng)絡(luò)管理和研究工作。