專利名稱：基于快速組播切換的分層移動組播方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于快速組播切換的分層移動組播方法屬于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及移動環(huán)境中的組播技術(shù)。
背景技術(shù)：
IP組播具有節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬、效率高、能節(jié)省發(fā)送者自身資源等優(yōu)點，另一方面移動環(huán)境常常使用的是無線網(wǎng)絡(luò)，帶寬受限成為最主要的制約因素之一，因此移動環(huán)境中更加需要使用組播技術(shù)組播能有效的節(jié)省無線網(wǎng)絡(luò)帶寬以及移動設(shè)備能力受限等問題，并為移動用戶引入更多更好的應用；與此同時，組播也得到了更多的部署和發(fā)展空間。
然而，在移動環(huán)境中進行組播面臨很多新的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的組播協(xié)議都只考慮了靜態(tài)的情況，并沒有考慮應用于移動環(huán)境中的問題。如果移動節(jié)點仍然按照和靜態(tài)節(jié)點相同的方式進行組播，那么當其位置發(fā)生變化后，由于使用新的轉(zhuǎn)交地址，需要重新加入組播組，因此其組成員的狀態(tài)和組播樹分支都需要進行相應的修改，否則節(jié)點將無法繼續(xù)正常的接收組播分組。由于組播組成員狀態(tài)和組播樹分支的調(diào)整往往需要花費較長時間，因此節(jié)點的切換延遲較大，切換丟包問題也比較嚴重。同時，組播組和組播樹的維護都將引入較大的網(wǎng)絡(luò)負載開銷和設(shè)備計算開銷。如果網(wǎng)絡(luò)中有較多的節(jié)點頻繁移動，則將會帶來嚴重的組播樹穩(wěn)定性問題，以及組播協(xié)議開銷問題。因此，現(xiàn)有的組播協(xié)議不能很好的適應移動環(huán)境的要求。
移動組播算法中最基本的就是移動IP協(xié)議中提出的遠程加入算法和雙向遂道算法，但是這兩個算法都存在較大的缺陷。例如遠程加入算法存在組播樹和組播組成員狀態(tài)維護開銷大、組播樹穩(wěn)定性差，以及切換延遲大和丟包情況嚴重等問題；而雙向遂道算法存在路由效率低、分組轉(zhuǎn)發(fā)效率低、帶寬浪費嚴重，以及存在“失效集中點”等問題。目前對移動組播的研究主要集中于對這兩種算法中存在的問題進行改進，或者對這兩者加以綜合提高整體性能。但是，這些方案都僅僅是針對移動組播中存在的某一個或多個問題提出了解決方法，都還存在較大的缺陷，也無法為移動環(huán)境中部署組播提出整體的解決框架。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了在移動環(huán)境中部署IP組播的框架體系，即基于快速組播切換的分層移動組播解決方案(Fast Multicast Handoff Based Hierarchical Mobile Multicast Scheme，簡稱FHMM)。該方案很好的解決了移動環(huán)境中部署組播的三大問題，即組播開銷問題、路由效率問題，以及切換延遲和丟失率問題，是一個綜合、高效的移動組播解決方案。
本發(fā)明所提出的方法的思路在于本發(fā)明以遠程加入算法為基礎(chǔ)，特別針對其中的兩大主要問題——由于頻繁切換導致的組播開銷問題，以及切換延遲和丟包問題提出了解決方案。針對頻繁切換問題，F(xiàn)HMM將組播進行分層管理，對外屏蔽了域內(nèi)成員位置的變化，保證了組播轉(zhuǎn)發(fā)樹主干的穩(wěn)定性，減少了組播協(xié)議的開銷。針對切換延遲和丟包問題，F(xiàn)HMM則提出了在移動節(jié)點MN(mobile node)和接入路由器AR(access router)之間進行快速組播切換的方案，該方案能夠?qū)⒁苿右l(fā)的組播切換延遲減少到最低，從而也減少了切換引發(fā)的組播分組丟失。另外，當節(jié)點移動到不支持組播的子網(wǎng)時，F(xiàn)HMM仍然可以為節(jié)點提供組播服務(wù)。
本發(fā)明的特征在于1.該方法是以移動IPv6快速切換協(xié)議為基礎(chǔ)來實現(xiàn)域內(nèi)或域間快速組播切換的，它依次含有以下步驟步驟1，在地區(qū)網(wǎng)內(nèi)建立層次化組播結(jié)構(gòu)在地區(qū)網(wǎng)的區(qū)域內(nèi)選擇一個支持組播的路由器作為區(qū)域組播代理，用DMA表示，該DMA是域內(nèi)組播樹的根節(jié)點，所述DMA代表區(qū)域中的節(jié)點加入或退出組播組，然后在區(qū)域內(nèi)以組播的方式把組播數(shù)據(jù)發(fā)送到相應節(jié)點，當節(jié)點在域內(nèi)移動而導致位置變化時，只需把位置變化通知相應的DMA，由該DMA修改域內(nèi)組播樹分支，便使該位置變化信息通過DMA在域間得到了屏蔽；再將子網(wǎng)的接入路由器AR進行擴展作為組播代理，用MA表示，以負責為移動節(jié)點提供組播服務(wù)，該MA或者是一個處理移動事務(wù)的專用實體；當域內(nèi)的組播組(*，G)的加入請求傳遞到所述區(qū)域的DMA時，該DMA便加入到該組播組(*，G)，同時在區(qū)域內(nèi)動態(tài)生成一個翻譯組播組，用(DMA，G’)表示，并且把組播組對應信息{(*，G)<->(DMA，G’)}向區(qū)域中的各AR進行廣播，接收到該對應信息后，那些需要加入到組播組(*，G)的AR便通過正常的方式加入到該翻譯組播組(DMA，G’)；所選區(qū)域中所有的組播組對應信息組成了區(qū)域組播組對應表，用DTMG表示，通過查詢該表，任何一個AR便了解所要找的DMA是否已經(jīng)加入到某個組播組，以及該組播組在區(qū)域內(nèi)對應的是哪一個翻譯組播組；步驟2，用MN表示的移動節(jié)點加入到組播組步驟2.1，在區(qū)域內(nèi)的每個AR中維護一組組播切換信息，其中包括該AR所屬DMA的標識以及該AR是否支持組播，同時各個AR之間通過信息交互協(xié)議獲得相鄰AR的組播切換信息，從而在各AR之間構(gòu)成了組播切換表；步驟2.2，移動節(jié)點加入組播組步驟2.2.1，不論位于哪個網(wǎng)絡(luò)的移動節(jié)點需要加入到組播組時，該MN首先向當前子網(wǎng)中的接入路由器AR請求組播切換信息，以便知道當前AR是否支持組播；步驟2.2.2，若當前AR支持組播，則該MN便向當前AR發(fā)出組播加入請求，用MLD消息表示；若當前AR不支持組播，便轉(zhuǎn)入步驟2.2.4；步驟2.2.3，此時MN將當前AR作為自己的MA，當前AR的DMA作為自己的DMA；若當前AR通過區(qū)域組播組對應表找到有關(guān)組播組(*，G)，該MN便直接加入到相應的翻譯組播組；否則，當前AR向自己的DMA發(fā)送DMAReq請求消息，由該DMA加入該組播組(*，G)，并在區(qū)域內(nèi)新建一個翻譯組播組，經(jīng)區(qū)域廣播通知當前AR，該AR在更新區(qū)域組播組對應表后，按照正常方式加入該翻譯組播組；步驟2.2.4，此時MN將自己的MA和DMA都設(shè)為AR所屬的DMA，通過隧道向當前AR的DMA發(fā)送含有組播組(*，G)的信息，所述DMA便加入該組播組(*，G)，由此再建立一個對應的翻譯組播組，并組建一條新的隧道向該MN轉(zhuǎn)發(fā)組播分組，供該MN接收用；步驟3，組播切換過程，依次含有以下子步驟步驟3.1，該MN在移動IPv6快速切換協(xié)議的報文交互階段從該MN所需要連接的新的AR發(fā)回的PrRtAdv報文中，獲得該新的AR的組播切換信息，從中了解該新的AR是否支持組播；步驟3.2，若該新的AR支持組播，該MN便把包含了需要加入的組播組列表的組播組選項通過所述的移動IPv6快速切換協(xié)議中的FBU報文發(fā)送給當前AR，當前AR再通過HI報文把該選項轉(zhuǎn)發(fā)給新的AR；該新的AR把組播組選項中的每條組播組信息分別當作一個MLD加入請求按上述步驟2來處理；當MN切換到新的外地網(wǎng)絡(luò)后便通過加入了組播組選項的FNA報文告知新的AR；切換完成后，該MN便把新的AR作為自己的組播代理，相應的，該MN自己的DMA也修改為新的AR的DMA；步驟3.3，若新的AR不支持組播對于域內(nèi)切換，該MN向區(qū)域代理即MA發(fā)送包含了該MN在新的AR網(wǎng)絡(luò)中新配置的轉(zhuǎn)交地址的MAKeep消息，該MA便在收到后建立一個到該轉(zhuǎn)交地址的隧道，并通過該隧道轉(zhuǎn)發(fā)組播分組；對于域間切換，該MN向新的AR所屬的DMA發(fā)送包含了該MN在新的AR網(wǎng)絡(luò)中新配置的轉(zhuǎn)交地址的MAKeep消息，所選DMA在收到后便加入到相應的組播組，生成翻譯組播組以及廣播組播組對應關(guān)系，并通過新建立的到該MN新轉(zhuǎn)交地址的隧道來轉(zhuǎn)發(fā)組播分組。
所述MN按以下步驟接收域間組播分組步驟a，組播組(*，G)的分組首先通過所述域間組播轉(zhuǎn)發(fā)樹發(fā)送到所述DMA，該DMA查詢區(qū)域組播組對應表得到對應的翻譯組播組(DMA，G’)，再把原組播分組和源地址和組播地址分別修改為DMA和G’，并通過區(qū)域內(nèi)的翻譯組播轉(zhuǎn)發(fā)樹轉(zhuǎn)發(fā)該翻譯組播分組；步驟b，連接到翻譯組播轉(zhuǎn)發(fā)樹上的AR和DMA，一旦發(fā)現(xiàn)自己所負責的子網(wǎng)有節(jié)點屬于該翻譯組播組對應的原組播組，或者需要通過隧道向某些節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該組播分組，便通過區(qū)域組播組對應表把該翻譯組播分組還原為組播組(*，G)的形式，發(fā)送給相應的成員節(jié)點。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)通過分層的移動組播管理屏蔽了節(jié)點在域內(nèi)的移動，緩解了節(jié)點移動所引起的組播協(xié)議開銷和組播樹抖動問題，特別是保證了域間組播轉(zhuǎn)發(fā)樹主干的穩(wěn)定性。
(2)在域間使用基于快速組播切換的遠程加入方式，避免了跨區(qū)域長距離隧道的出現(xiàn)，保證了域間的組播轉(zhuǎn)發(fā)路徑是最優(yōu)的，從而保證整個組播轉(zhuǎn)發(fā)路徑的近似最優(yōu)性。
(3)通過對現(xiàn)有基本快速切換的適當擴展，通過引入一個新的選項，即組播組選項(mcastgroup option)，實現(xiàn)了快速的域間、域內(nèi)組播切換，由此也減少了切換丟包問題。而且該快速組播切換機制并沒有在域內(nèi)引入過多的冗余組播分組和過多的基站負擔。
(4)在域內(nèi)，本發(fā)明通過使用翻譯組播組實現(xiàn)了區(qū)域組播代理DMA(Domain MulticastAgent)對整個區(qū)域組播應用的管理。因此，可以在地區(qū)網(wǎng)內(nèi)靈活劃分各個區(qū)域，并且這些區(qū)域并不僅僅局限于是邊緣子網(wǎng)。
(5)實際使用性較強。當節(jié)點移動到不支持組播的子網(wǎng)時，本發(fā)明仍然可以為節(jié)點提供組播服務(wù)。
本發(fā)明是一個綜合的移動組播解決方案，它對移動組播中的三大問題即組播開銷問題、路由效率問題，以及切換延遲和丟失率問題都給予了較好的解決。結(jié)果顯示，本發(fā)明具有分組丟失率低、組播分組傳送效率高，以及組播維護開銷少等優(yōu)點，是一個高效的移動組播解決方案。


圖1.FHMM的分層移動組播結(jié)構(gòu)圖中AR1支持組播，區(qū)域內(nèi)具有組播組對應信息{(*，G)<->(DMA，G’)}，—→表示組播組加入的過程， 表示組播分組傳送的過程，——表示網(wǎng)絡(luò)連接。
圖2.MN加入組播組的過程。
圖3.當EAR支持組播時的切換過程。
圖4.組播分組丟失率比較a.MN最大速率為30m/s，組播組大小變化時的結(jié)果；b.組播組大小為30，MN最大速率改變時的結(jié)果。
圖5.組播分組傳送效率比較a.MN最大速率為30m/s，組播組大小變化時的結(jié)果；b.組播組大小為30，MN最大速率改變時的結(jié)果。
圖6.組播維護開銷比較a.MN最大速率為30m/s，組播組大小變化時的結(jié)果；b.組播組大小為30，MN最大速率改變時的結(jié)果。
具體實施例方式
我們首先介紹本發(fā)明的總體情況。
FHMM以遠程加入算法為基礎(chǔ)，主要針對其中存在的兩大主要問題，切換延遲問題，以及組播維護和組播樹抖動問題提出了解決方案。
對于切換延遲問題，F(xiàn)HMM提出了快速組播切換機制。它以現(xiàn)有移動IPv6快速切換為基礎(chǔ)，通過適當?shù)臄U展，使得節(jié)點在實際切換到新的網(wǎng)絡(luò)之前，該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)對組播進行了相應的處理，從而實現(xiàn)快速組播切換。并且該快速組播切換機制既可以用于域內(nèi)切換，也可以用于域間切換。
對于組播開銷和組播樹抖動問題，F(xiàn)HMM通過使用分層的移動組播管理緩解了該問題。通過分層，能夠?qū)ν馄帘喂?jié)點的移動性，實現(xiàn)移動節(jié)點在域內(nèi)的切換不影響域外的組播轉(zhuǎn)發(fā)樹主干，因此能夠緩解節(jié)點移動所引發(fā)的組播樹抖動以及組播協(xié)議開銷過多的問題。為了實現(xiàn)分層組播，F(xiàn)HMM在域內(nèi)采用了“翻譯組播組”機制。這是由于分層的組播要求在區(qū)域內(nèi)組播樹是以組播管理者為根節(jié)點，這樣才能保證區(qū)域組播管理者對整個區(qū)域內(nèi)組播的管理，但是由于組播需要進行反向路徑檢查，因此如果不使用“翻譯組播組”機制，則分層組播只能適用于有且只有一個出口路由器的邊緣網(wǎng)絡(luò)，這顯然限制了組播的應用。通過使用“翻譯組播組”，使得FHMM對區(qū)域的劃分沒有限制，管理員還可以針對不同的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)(如蜂窩網(wǎng)絡(luò)或無線局域網(wǎng))、網(wǎng)絡(luò)的管理屬性，以及網(wǎng)絡(luò)的實際運行狀況對組播域進行靈活的劃分，方便管理。
然后介紹FHMM的層次化組播結(jié)構(gòu)。
FHMM中引入了兩個基本實體，組播代理MA(Multicast Agent)和區(qū)域組播代理DMA(Domain Multicast Agent)。MA負責為移動節(jié)點提供組播服務(wù)，它可以是子網(wǎng)中接入路由器AR，也可以是某個處理移動事務(wù)的專用實體，以下我們統(tǒng)一用AR來敘述。DMA負責管理整個區(qū)域中移動節(jié)點的組播應用，F(xiàn)HMM并不要求所有子網(wǎng)必須支持組播，但要求DMA必須是支持組播的路由器。通過DMA，F(xiàn)HMM實現(xiàn)了分層的移動組播管理。DMA代表區(qū)域中的節(jié)點加入/退出組播組，然后在域內(nèi)以組播的方式將組播數(shù)據(jù)發(fā)送到相應的節(jié)點。因此節(jié)點在域內(nèi)移動時，只需將位置變化通知DMA，同時修改域內(nèi)組播樹分支即可。該位置變化信息通過DMA進行了屏蔽，不會對域外節(jié)點造成影響，因此不需要修改域間的組播轉(zhuǎn)發(fā)樹主干。FHMM對區(qū)域的構(gòu)成沒有限制，網(wǎng)絡(luò)管理員可以靈活的對網(wǎng)絡(luò)進行劃分，以及靈活的選擇DMA。
為實現(xiàn)分層的移動組播管理，F(xiàn)HMM在域內(nèi)采用了翻譯組播組的機制。圖1顯示了FHMM的分層組播結(jié)構(gòu)。區(qū)域內(nèi)組播組(*，G)(FHMM能夠同時支持(*，G)和(S，G)兩種方式的組播組，為方便敘述，以下統(tǒng)一用(*，G)形式的組播組進行說明。這里*表示不確定的、可以是多個的組播源，S表示某個特點的組播源節(jié)點，G是組播組的標識。)的加入請求首先傳遞給區(qū)域的DMA(圖1中的DMA)，DMA加入到組播組(*，G)，同時在域內(nèi)建立一個的翻譯組播組(DMA，G’)，并將組播組對應信息{(*，G)<->(DMA，G’)}向區(qū)域中的AR進行廣播。接收到該對應信息后，那些需要加入到組播組(*，G)的AR通過正常的方式加入到翻譯組播組(DMA，G’)。區(qū)域中所有組播組對應信息組成了“區(qū)域組播組對應表”，又稱DTMG表(Domain Translate Multicast GroupTable)。通過查詢該表，AR可以知道DMA是否已經(jīng)加入到某個組播組，以及該組播組在域內(nèi)所對應的翻譯組播組的情況。
圖2顯示了移動節(jié)點MN加入組播組的過程。FHMM中，每個AR都需要維護自己的“組播切換信息”，它包括AR所屬DMA的標識，以及AR是否支持組播等內(nèi)容。同時AR之間通過信息交互(可以通過擴展CARD(Candidate Access Router Discovery)協(xié)議等方式實現(xiàn))獲得相鄰AR的組播切換信息，從而構(gòu)成了“組播切換表”。
不論MN在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)或是外地網(wǎng)絡(luò)，當它需要加入到組播組時，它首先向當前AR請求“組播切換信息”，根據(jù)該信息，MN可以知道當前AR是否支持組播。接下來的加入過程如圖2所示。如果支持組播，則MN將當前AR作為自己的MA，當前AR的DMA作為自己的DMA。MN按照正常的方式向AR發(fā)送組播組加入請求，即MLD(Multicast Listener Discovery)消息請求加入到組播組(*，G)。AR首先查詢DTMG表，如果找到有關(guān)(*，G)的表項，則直接加入到相應的翻譯組播組，加入過程結(jié)束。如果在DTMG表中沒有查到相關(guān)表項，則AR通過一種新的消息，即DMAReq將該請求轉(zhuǎn)發(fā)給DMA。收到DMAReq消息后，DMA加入到組播組(*，G)，在域內(nèi)建立一個對應的翻譯組播組，并將此組播組對應信息向區(qū)域中的AR進行廣播。AR接收到該對應信息后，更新DTMG表，并通過正常的方式加入到翻譯組播組。組播組加入過程結(jié)束。
若當前AR不支持組播，則MN將自己的MA和DMA都設(shè)為AR所屬的DMA，并通過隧道向DMA發(fā)送MAKeep消息，該消息中包含了組播組(*，G)的信息。DMA接收到MAKeep消息后，除了加入該組播組、新建翻譯組播組并廣播該翻譯組播組的信息以外，還需要建立一個到MN的隧道，并通過該隧道向MN轉(zhuǎn)發(fā)組播分組。組播組加入過程結(jié)束。
加入到組播組之后，MN就可以接收組播分組了。我們以圖1為例介紹組播分組的傳送過程。組播組(*，G)的分組首先通過域間組播轉(zhuǎn)發(fā)樹發(fā)送到DMA，DMA查詢DTMG表獲得對應翻譯組播組(DMA，G’)，然后將原組播分組的源地址和組播組地址分別修改為DMA和G’，從而將組播分組轉(zhuǎn)換成為(DMA，G’)翻譯組播分組。DMA通過區(qū)域內(nèi)的翻譯組播轉(zhuǎn)發(fā)樹傳送該翻譯組播分組。翻譯組播樹上的AR和DMA如果發(fā)現(xiàn)自己所負責的子網(wǎng)有節(jié)點是該組的成員，或者是需要通過隧道向某些節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)組播分組，便通過查詢DTMG表將翻譯組播分組還原為(*，G)形式，然后發(fā)送給相應的成員節(jié)點。此時MN就可以正常的接收組播分組了。因此對于MN來說，它仍然是按照正常的方式接收組播分組。這也是FHMM的優(yōu)點之一。
下面詳細介紹FHMM中的組播切換過程。
當MN通過鏈路層探測等方式檢測到它同時要與一個新的AR(簡稱EAR，expected AR)相連，MN啟動FHMM的快速組播切換過程。FHMM的快速組播切換以現(xiàn)有的快速切換協(xié)議FMIP6為基礎(chǔ)，通過引入一個新的選項，即組播組選項(mcast group option)，使得EAR能夠提前加入到指定的組播組，從而使得MN在切換到新網(wǎng)絡(luò)時能夠快速的接收組播分組。
FHMM的切換過程如圖3所示，其中主要顯示了EAR支持組播時的情況。圖中斜體部分的文字均是現(xiàn)有移動IPv6快速切換協(xié)議(FMIP6)中的基本操作，括弧內(nèi)的黑色文字則是FHMM對它的擴展。在FMIP6的第一階段，即RtSolPr和PrRtAdv報文交互階段，F(xiàn)HMM對PrRtAdv報文進行了擴展，使得MN不僅能夠獲得EAR的網(wǎng)絡(luò)地址前綴等基本信息，還能夠獲得它的“組播切換信息”。通過該信息，MN可以知道EAR是否支持組播，并且通過對比EAR的DMA標識和自己所屬DMA的標識，MN可以判斷此次切換將發(fā)生在域內(nèi)還是域間。
1)EAR支持組播時的切換過程如圖3所示，F(xiàn)HMM向FMIP6引入了組播組選項，該選項中包含了需要加入的組播組列表。MN將該選項通過FBU報文發(fā)送給當前AR，當前AR再通過HI報文將該選項轉(zhuǎn)發(fā)給EAR。EAR將組播組選項中的每條組播組信息都分別當作一個MLD加入請求來處理(處理過程同圖2)。當MN切換到新外地網(wǎng)絡(luò)后，F(xiàn)MIP6通過使用FNA報文使得MN能夠快速的將此連接信息通知EAR。為了提高魯棒性，F(xiàn)HMM在FNA報文中也加入了組播組選項。這樣，當MN由于移動速度過快而無法及時發(fā)送FBU報文時，MN也能在切換新網(wǎng)絡(luò)后盡快通知EAR加入到相關(guān)組播組。切換完成后，MN的MA修改為EAR，DMA修改為EAR的DMA?？焖俳M播切換過程結(jié)束。
2)EAR不支持組播時的切換過程若MN通過PrRtAdv報文中的“組播切換信息”得知EAR不支持組播，則余下的FMIP6過程保持不變，即不再加入組播組選項。通過FMIP6完成提前配置EAR網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)交地址后，MN根據(jù)切換將發(fā)生在域內(nèi)還是域間進行不同的操作對于域內(nèi)切換，MN向MA發(fā)送MAKeep消息，該消息包含了MN在EAR網(wǎng)絡(luò)中新配置的轉(zhuǎn)交地址。MA接收MAKeep消息后，建立一個到該轉(zhuǎn)交地址的隧道，并通過該隧道轉(zhuǎn)發(fā)組播分組。組播切換過程結(jié)束，MN的MA和DMA保持不變。
對于域間切換，MN向EAR所屬的DMA(簡稱EDMA)發(fā)送MAKeep消息，該消息包含了MN在EAR網(wǎng)絡(luò)中新配置的轉(zhuǎn)交地址。接收MAKeep消息后，EDMA的操作與圖2所示的操作完全相同。即加入到相應組播組、生成翻譯組播組、廣播組播組對應關(guān)系，以及建立一個到MN新轉(zhuǎn)交地址的隧道，并通過該隧道轉(zhuǎn)發(fā)組播分組。當MN實際切換到EAR網(wǎng)絡(luò)后，其MA和DMA均修改為EDMA。
由于以上組播組加入和組播樹更新過程是在MN實際切換到新的外地網(wǎng)絡(luò)之前進行的，因此減小了組播切換延遲以及由此引發(fā)的分組丟失。另外為正確的維護組播組狀態(tài)，AR/DMA對組成員的定期查詢還需要包括對組播轉(zhuǎn)發(fā)隧道的定期查詢，如果在一定時間內(nèi)沒有收到任何回復消息，則AR/DMA將刪除該組播轉(zhuǎn)發(fā)隧道。
目前，我們已經(jīng)通過大量的模擬實驗驗證了該解決方案的各方面性能，包括組播分組丟失率、組播分組傳送效率和組播維護開銷，都說明該方案具有很好的性能。
我們以離散事件模擬器Omnet++為基礎(chǔ)，將FHMM解決方案與現(xiàn)有的協(xié)議(MobiCast、MIP-RS以及MIP-BT)進行了對比。模擬環(huán)境的拓撲是一個10×10的mesh網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的每個點代表了一個子網(wǎng)的接入路由器AR。AR的覆蓋范圍是71米，AR之間的距離是100米。為方便比較，這里我們假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的所有子網(wǎng)都支持組播，并且AR就是子網(wǎng)的組播路由器。對于分層的方案，我們在拓撲中加入了4個路由器作為DMA，每個DMA負責管理25(5×5)個AR。
我們模擬的是只有一個組播組、該組播組只有一個組播源的情況。組播源每隔20毫秒發(fā)送一個長度為300字節(jié)的組播分組，用來模擬資源占用較多的組播視頻會議。開始時移動節(jié)點隨機分布在mesh網(wǎng)絡(luò)中，其移動模型使用的是隨機移動模型Random Waypoint MobilityModel，即每次移動前MN在模擬的區(qū)域中隨機選擇一個目的地，從速度區(qū)間[minSpeed，maxSpeed]中隨機選擇運動速率，接著MN就以這個選定的速率向新選擇的目的地移動。到達后MN等待一段隨機選擇的時間，然后重復上述的運動過程。另外我們假設(shè)鏈路是可靠的，組播分組丟失僅僅是由于切換導致的。
在我們的模擬中，移動節(jié)點的數(shù)量和最大運動速率是可變參數(shù)，其變化范圍分別是5至80，以及5米/秒至30米/秒。
圖4是對組播分組丟失率的比較?？梢钥闯?，F(xiàn)HMM由于在域內(nèi)和域間切換時都使用了快速組播切換的機制，因此其分組丟失率是最低的。MobiCast的分組丟失率也很低，但是由于它只在域內(nèi)使用快速組播切換，域間仍然采用一般的組播方案(我們選用的是MIP-RS)，因此整體的分組丟失率要高于FHMM。MIP-BT的分組丟失最嚴重，因為每次切換后MN需要等待配置新轉(zhuǎn)交地址并將該地址向HA綁定更新后，才能從HA接收轉(zhuǎn)發(fā)過來的組播分組。MIP-RS由于不需要等待向HA的綁定更新，因此分組丟失的情況優(yōu)于MIP-BT，特別是當新外地網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)加入到組播組時，MIP-RS還無需等待配置新的轉(zhuǎn)交地址，可以直接通過鏈路層組播接收分組。因此其分組丟失率隨著組播組成員的增多而明顯降低。
圖5比較了組播分組的傳送效率。在MIP-BT中由于組播分組需要通過HA中轉(zhuǎn)從而導致組播轉(zhuǎn)發(fā)路徑遠非最優(yōu)，并且這種隧道方式使得組播從一定程度上演變成了單播，因此組播傳送效率最低。MIP-RS由于總是使用最優(yōu)的組播樹進行轉(zhuǎn)發(fā)，因此轉(zhuǎn)發(fā)效率最高。FHMM由于需要提前通知一個或多個EAR提前加入到組播組并緩存分組，因此引入了冗余數(shù)據(jù)傳輸，組播傳送效率要低于MIP-RS。不過，由于FHMM不需要像MobiCast那樣通知DVM域中的所有AR都加入組播組并緩存分組，因此轉(zhuǎn)發(fā)效率要高于MobiCast。
圖6是組播維護開銷的比較。這里，組播維護開銷包括所有為維護組播組成員狀態(tài)以及組播轉(zhuǎn)發(fā)樹而交互的分組，但不包括其他類型分組捎帶的組播信息，例如FMIP6中的組播組選項信息以及基本的移動IPv6分組等等。通過圖6可以看出，MIP-BT的組播維護開銷最小，因為它只要求HA跟蹤MN的當前位置，而這通過基本的移動IPv6分組就可以完成，不需要交互額外的組播分組。FHMM的開銷介于MIP-BT和MIP-RS之間。MobiCast由于引入了大量復雜的信息交互(如每次切換后引發(fā)的DVM域內(nèi)AR之間大量的信息交互)，因此組播維護開銷問題最嚴重。
綜合模擬結(jié)果可以看出，本發(fā)明提出的方案FHMM具有分組丟失率低、組播分組傳送效率高，以及組播維護開銷少等優(yōu)點，因此它對移動組播中的三方面問題即組播開銷問題、路由效率問題，以及切換延遲和丟失率問題都給予了較好的解決，是一個整體的、高效的移動組播解決方案由此可見，本發(fā)明達到了預期目的。
權(quán)利要求
1.基于快速組播切換的分層移動組播方法，其特征在于，該方法是以移動IPv6快速切換協(xié)議為基礎(chǔ)來實現(xiàn)域內(nèi)或域間快速組播切換的，它依次含有以下步驟步驟1，在地區(qū)網(wǎng)內(nèi)建立層次化組播結(jié)構(gòu)在地區(qū)網(wǎng)的區(qū)域內(nèi)選擇一個支持組播的路由器作為區(qū)域組播代理，用DMA表示，該DMA是域內(nèi)組播樹的根節(jié)點，所述DMA代表區(qū)域中的節(jié)點加入或退出組播組，然后在區(qū)域內(nèi)以組播的方式把組播數(shù)據(jù)發(fā)送到相應節(jié)點，當節(jié)點在域內(nèi)移動而導致位置變化時，只需把位置變化通知相應的DMA，由該DMA修改域內(nèi)組播樹分支，便使該位置變化信息通過DMA在域間得到了屏蔽；再將子網(wǎng)的接入路由器AR進行擴展作為組播代理，用MA表示，以負責為移動節(jié)點提供組播服務(wù)，該MA或者是一個處理移動事務(wù)的專用實體；當域內(nèi)的組播組(*，G)的加入請求傳遞到所述區(qū)域的DMA時，該DMA便加入到該組播組(*，G)，同時在區(qū)域內(nèi)動態(tài)生成一個翻譯組播組，用(DMA，G’)表示，并且把組播組對應信息{(*，G)<->(DMA，G’)}向區(qū)域中的各AR進行廣播，接收到該對應信息后，那些需要加入到組播組(*，G)的AR便通過正常的方式加入到該翻譯組播組(DMA，G’)；所選區(qū)域中所有的組播組對應信息組成了區(qū)域組播組對應表，用DTMG表示，通過查詢該表，任何一個AR便了解所要找的DMA是否已經(jīng)加入到某個組播組，以及該組播組在區(qū)域內(nèi)對應的是哪一個翻譯組播組；步驟2，用MN表示的移動節(jié)點加入到組播組步驟2.1，在區(qū)域內(nèi)的每個AR中維護一組組播切換信息，其中包括該AR所屬DMA的標識以及該AR是否支持組播，同時各個AR之間通過信息交互協(xié)議獲得相鄰AR的組播切換信息，從而在各AR之間構(gòu)成了組播切換表；步驟2.2，移動節(jié)點加入組播組步驟2.2.1，不論位于哪個網(wǎng)絡(luò)的移動節(jié)點需要加入到組播組時，該MN首先向當前子網(wǎng)中的接入路由器AR請求組播切換信息，以便知道當前AR是否支持組播；步驟2.2.2，若當前AR支持組播，則該MN便向當前AR發(fā)出組播加入請求，用MLD消息表示；若當前AR不支持組播，便轉(zhuǎn)入步驟2.2.4；步驟2.2.3，此時MN將當前AR作為自己的MA，當前AR的DMA作為自己的DMA；若當前AR通過區(qū)域組播組對應表找到有關(guān)組播組(*，G)，該MN便直接加入到相應的翻譯組播組；否則，當前AR向自己的DMA發(fā)送DMAReq請求消息，由該DMA加入該組播組(*，G)，并在區(qū)域內(nèi)新建一個翻譯組播組，經(jīng)區(qū)域廣播通知當前AR，該AR在更新區(qū)域組播組對應表后，按照正常方式加入該翻譯組播組；步驟2.2.4，此時MN將自己的MA和DMA都設(shè)為AR所屬的DMA，通過隧道向當前AR的DMA發(fā)送含有組播組(*，G)的信息，所述DMA便加入該組播組(*，G)，由此再建立一個對應的翻譯組播組，并組建一條新的隧道向該MN轉(zhuǎn)發(fā)組播分組，供該MN接收用；步驟3，組播切換過程，依次含有以下子步驟步驟3.1，該MN在移動IPv6快速切換協(xié)議的報文交互階段從該MN所需要連接的新的AR發(fā)回的PrRtAdv報文中，獲得該新的AR的組播切換信息，從中了解該新的AR是否支持組播；步驟3.2，若該新的AR支持組播，該MN便把包含了需要加入的組播組列表的組播組選項通過所述的移動IPv6快速切換協(xié)議中的FBU報文發(fā)送給當前AR，當前AR再通過HI報文把該選項轉(zhuǎn)發(fā)給新的AR；該新的AR把組播組選項中的每條組播組信息分別當作一個MLD加入請求按上述步驟2來處理；當MN切換到新的外地網(wǎng)絡(luò)后便通過加入了組播組選項的FNA報文告知新的AR；切換完成后，該MN便把新的AR作為自己的組播代理，相應的，該MN自己的DMA也修改為新的AR的DMA；步驟3.3，若新的AR不支持組播對于域內(nèi)切換，該MN向區(qū)域代理即MA發(fā)送包含了該MN在新的AR網(wǎng)絡(luò)中新配置的轉(zhuǎn)交地址的MAKeep消息，該MA便在收到后建立一個到該轉(zhuǎn)交地址的隧道，并通過該隧道轉(zhuǎn)發(fā)組播分組；對于域間切換，該MN向新的AR所屬的DMA發(fā)送包含了該MN在新的AR網(wǎng)絡(luò)中新配置的轉(zhuǎn)交地址的MAKeep消息，所選DMA在收到后便加入到相應的組播組，生成翻譯組播組以及廣播組播組對應關(guān)系，并通過新建立的到該MN新轉(zhuǎn)交地址的隧道來轉(zhuǎn)發(fā)組播分組。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于快速組播切換的分層移動組播方法，其特征在于，所述MN按以下步驟接收域間組播分組步驟a，組播組(*，G)的分組首先通過所述域間組播轉(zhuǎn)發(fā)樹發(fā)送到所述DMA，該DMA查詢區(qū)域組播組對應表得到對應的翻譯組播組(DMA，G’)，再把原組播分組和源地址和組播地址分別修改為DMA和G’，并通過區(qū)域內(nèi)的翻譯組播轉(zhuǎn)發(fā)樹轉(zhuǎn)發(fā)該翻譯組播分組；步驟b，連接到翻譯組播轉(zhuǎn)發(fā)樹上的AR和DMA，一旦發(fā)現(xiàn)自己所負責的子網(wǎng)有節(jié)點屬于該翻譯組播組對應的原組播組，或者需要通過隧道向某些節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該組播分組，便通過區(qū)域組播組對應表把該翻譯組播分組還原為組播組(*，G)的形式，發(fā)送給相應的成員節(jié)點。
全文摘要
本發(fā)明屬于移動環(huán)境中的互聯(lián)網(wǎng)組播技術(shù)，其特征在于，通過翻譯組播組技術(shù)在地區(qū)網(wǎng)內(nèi)的區(qū)域中建立以區(qū)域組播代理路由器為根節(jié)點、以區(qū)域內(nèi)的組播路由器為分支節(jié)點的組播樹，從而實現(xiàn)區(qū)域組播代理對整個區(qū)域組播應用的管理，實現(xiàn)移動節(jié)點的域內(nèi)切換對域外屏蔽；以移動IPv6快速切換協(xié)議為基礎(chǔ)，通過擴展使用組播組選項，實現(xiàn)移動節(jié)點在域內(nèi)和域間的快速組播切換；域間切換還以移動IPv6協(xié)議中的遠程加入方式為基礎(chǔ)，保證了組播分組轉(zhuǎn)發(fā)路徑的近似最優(yōu)性。本發(fā)明具有緩解了組播協(xié)議的開銷和組播樹的抖動，保證了域間組播轉(zhuǎn)發(fā)樹主干的穩(wěn)定性，保證了組播轉(zhuǎn)發(fā)路徑的近似最優(yōu)，同時實現(xiàn)了快速組播切換，減少了組播切換延遲和切換丟包等優(yōu)點。
文檔編號H04L29/06GK1744566SQ20051008661
公開日2006年3月8日 申請日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者吳建平, 吳茜, 徐明偉, 崔勇 申請人:清華大學