一種改進的層次型移動組播協(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）

一種改進的層次型移動組播協(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)有層次性移動組播協(xié)議——MobiCast協(xié)議，分析了該協(xié)議的優(yōu)缺點。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行了改進。仿真與分析表明，改進后的MobiCast協(xié)議具有組播數(shù)據(jù)丟包率低、網(wǎng)絡(luò)維護開銷小、切換延遲短等特點。

移動組播；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)時代的到來，再加上移動終端性能的不斷提高，人們通過移動終端獲取網(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，并且對數(shù)據(jù)的實時性和同步性要求很高，比如視頻點播、網(wǎng)絡(luò)電視、網(wǎng)絡(luò)課堂、視頻會議等一些多媒體應(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，比如實時性高，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，移動組播不僅要建立和維護組播轉(zhuǎn)發(fā)樹，還要處理因成員位置變化而帶來的重新綁定。

本論文提出的移動組播協(xié)議是在MobiCast移動組播協(xié)議的基礎(chǔ)上進行了改進，緩解了移動節(jié)點在不同區(qū)域之間切換而造成的切換延時和組播數(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，移動節(jié)點在底層運動時，對它的上層網(wǎng)絡(luò)不會有很大影響。保證了網(wǎng)絡(luò)整體穩(wěn)定性也提高了移動節(jié)點的靈活性，就好比把計算機網(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)域由多個物理上相連的無線蜂窩網(wǎng)組成，每個區(qū)域中存在一個DFA。DFA主要負責(zé)為移動節(jié)點提供組播組播數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送。移動節(jié)點從一個區(qū)域移動到一個新的區(qū)域，首先向新區(qū)域的DFA注冊，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。如果移動節(jié)點只在區(qū)域中移動，DFA在域內(nèi)采用“翻譯組播組”的機制，DFA會生成以自己為源節(jié)點的組播組，DFA負責(zé)域內(nèi)移動節(jié)點組播數(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。目的是保證當移動節(jié)點位置發(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 一種改進的層次型移動組播協(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，通過局部修改彌補協(xié)議的一些缺點，提高協(xié)議的性能。MobiCast方案在提供快速切換的同時，它的翻譯組播組機制卻帶來了很多信令維護開銷，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，沒有給出移動節(jié)點在域間切換的優(yōu)化方案。針對這2種情況，在MobiCast協(xié)議的基礎(chǔ)上提出一種改進的層次型移動組播協(xié)議。在探討的過程中，我們在區(qū)域外地代理DFA上采用隧道技術(shù)，移動節(jié)點發(fā)生區(qū)域移動時，在新的DFA上注冊更新的時間段內(nèi)，將組播數(shù)據(jù)通過隧道傳送給新區(qū)域的DFA，控制切換時的數(shù)據(jù)包丟失。移動節(jié)點在區(qū)域間移動的主要過程如圖2所示：

圖2 改進的MobiCast方案的工作原理

3 仿真實驗與性能分析

3.1 仿真實驗環(huán)境

網(wǎng)絡(luò)仿真實驗我們通過網(wǎng)絡(luò)仿真軟件實現(xiàn)，在red hat操作系統(tǒng)下，安裝NS2網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。針對本實驗層次型的網(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)的拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)實體的具體參數(shù)。在實驗環(huán)境中，模擬的網(wǎng)絡(luò)拓撲是一個10*10的mesh網(wǎng)格，網(wǎng)格中節(jié)點代表子網(wǎng)的接入路由器，每個節(jié)點的距離為50米。一個完整的網(wǎng)格被分為4塊，每塊是5*5，一共是25個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，我在拓撲結(jié)構(gòu)中各加入一個DFA路由器，一共4個DFA路由器，每個負責(zé)25個接入路由器。在網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境中，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個組播數(shù)據(jù)組，也同樣只有一個組播數(shù)據(jù)源。組播數(shù)據(jù)源每秒鐘發(fā)送300個組播數(shù)據(jù)分組，模擬數(shù)據(jù)實時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)實驗測試，分別從2個角度和MobiCast算法進行比較，一個是比較組播數(shù)據(jù)分組的丟失率，一個是比較組播維護開銷。其中變量是移動節(jié)點的移動速度，移動節(jié)點的移動速度為5m/s-30m/s,在仿真網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實驗中，分別記錄了移動節(jié)點在不同速度下組播數(shù)據(jù)分組的丟失情況和組播維護開銷情況，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的MobiCast算法丟包率得到了很好的控制。MobiCast算法對數(shù)據(jù)丟失已經(jīng)進行了優(yōu)化，改進的MobiCast算法移動節(jié)點在區(qū)域間移動時加入了隧道連接，進一步降低了組播數(shù)據(jù)包的丟失。移動節(jié)點速度在30m/s時，MobiCast算法的數(shù)據(jù)丟包率達到2%左右，改進后的MobiCast算法的數(shù)據(jù)丟包率只有1%左右。移動節(jié)點移動速度越快，MobiCast算法的延時較長，改進后的MobiCast算法，由于基站加入翻譯組播組中，不需要緩存組播分組，縮短了切換時間，從而進一步降低了數(shù)據(jù)包的丟失率。

圖3 組播分組丟包率的對比

圖4 是網(wǎng)絡(luò)維護開銷的比較。從圖中可以看出在移動節(jié)點移動速度很慢時，MobiCast算法和改進的MobiCast算法的網(wǎng)絡(luò)開銷基本相當，由于改進的MobiCast算法加入了隧道連接，在移動節(jié)點低速運動時，網(wǎng)絡(luò)開銷略高于MobiCast算法。但是在移動節(jié)點移動速度很快時，MobiCast算法對網(wǎng)絡(luò)開銷很大的缺點就很明顯，而改進后的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)開銷方面遠低于MobiCast算法。

圖4 網(wǎng)絡(luò)維護開銷的對比

4 結(jié)束語

目前在移動網(wǎng)絡(luò)組播技術(shù)方面已經(jīng)開展了不少研究，至今仍沒有一個整體的解決方案。移動和組播的結(jié)合是今后移動網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究重點，同時也是研究的難點。本文介紹了層次性移動組播MobiCast方案的工作原理，并分析了該方案的優(yōu)缺點。在MobiCast方案的基礎(chǔ)上提出一種改進的層次型移動組播協(xié)議，通過模擬試驗得出相關(guān)結(jié)果，結(jié)果表明，改進后的MobiCast方案在組播分組丟包率和網(wǎng)絡(luò)維護開銷方面都有顯著改善，縮短了移動節(jié)點的切換延遲時間，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。改進后的MobiCast方案保留了MobiCast方案的優(yōu)勢，彌補了它的一些不足，是一種高效的移動組播解決方案。通過分析，本文還有需要改進的地方，比如在網(wǎng)絡(luò)仿真方面考慮有所不足，改進的方案只是在軟件環(huán)境下做了仿真實驗，還需要在真實場景中測試方案的有效性。還有僅考慮了移動節(jié)點作為組播數(shù)據(jù)接收者的情況，如果移動節(jié)點作為組播發(fā)送者的情況，還需要進一步探討和研究。

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[5] 王華,周賢偉.一種基于MobiCast的移動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。