基于移动预测的快速分层移动组播体系结构_马学彬

快速切换的远程加 入方式 , 减 少了切 换延迟 问题 . 但由 于这种方案并没有对 多个相 邻基站覆 盖区域 范围 内移 动节点的切换问题进行处理 , 只是在不同网络间使用快 速组播切换算法 , 势必要使相邻的所有基站都做好切换 准备 , 这样增加了网络的开销 , 加重了基站的负担 . HMoM[ 11] 协议是一种分层的 组播 路由协 议 , 利 用了 在处理单播路由中分层移动管理的优势 , 动态选择移动 代理来减少移动节点在域间进行切换的次数 . 当一个移 动节点接 收 到 RA ( router Advertisement) 消 息 时 , 移动 节 点检 层 它 是 否 还 在 相 同 的 移 动 锚 点 ( mobility anchor point , MAP) 域内 , 如 果在 相同 的域 内 , 移 动 节点 只是 执 行域内切换 . 否则 , 需要 执行 切换 MAP 的 域间 切换 . 另 外 , 每当一个移动节点进入一个新的 MAP 域时 , 都需要 计算一下将要驻留 的时间 , 如 果驻留 时间较 短 , 则 选择 高层次的路 由器 作为 自己 的 MAP , 这样 可 以减 少域 间 切换的次数 . 相反 , 如果移动节点的驻留时间较长 , 就选 择低层次的 路由 器作 为自 己的 MAP . 这 种 方法 可以 比 较有效地在组播开销和组播树的重构方面取得平衡 . 但 是这种方法也有个比较突出的问题 , 它没有给出如何计 算移动节点驻留时间的方法 , 无法从移动节点的移动特 性中定量计算出它应 该选择 哪个层次 的路由 器作 为自 己的 MAP 才是最有效的 . 许多学者也提出了其他一些移动组 播方案 , 如 FMSR[ 12] ( first MSA second remote-subscription), RBMoM[ 13] ( range-based mobile multicast), DRB MoM[ 14] ( dynamic range[ 15] based mobile multicast ), FMIPv6-M ( fast MIPv6 for multicast remote subscriptions) 等 , 但 这些 方 案 都 存 在 一 些 缺 陷 , 如果要在移动环境中进行部署 , 还需要进一步改进 . 在现实的移动网络中 , 大多数用户的运动路线是有 规律的 , 比如在高速公 路上行 驶的汽 车 , 它只 会沿 着公 路延伸的方向行驶 , 而且一般会在移动较长一段时间或 距离后才改变运动状态 , 这与实验环境中所使用的随机 移动模型并不相同 . 在实验环境中通常假定移动节点的 运动是无规律的 , 方向 可以随 时改变 , 移动速 度也 是随 机的 , 对于这种无目的的运动显然在现实生活中并不常 见. 于是 , 根据移动节点 当前的 运动状 态预测 某段 时间 后的运动方向和运动速度成为可能 . 本文提出了一种新 的基 于 移 动 预 测 的 分 层 移 动 组 播 体 系 结 构 ( MP-FHMM) , 它利用了 高斯-马尔 可夫 移动 预测 模型来 预测 移 动节点的运动路线以 及移动 节点将会 进入某 个相 邻基 站的覆盖范围之内 , 使 其提前 做好切 换准备 , 利用 这种 方法 , 克服了 FHMM 方 案 中快 速组 播切 换 过程 需要 通 知所有相邻的基站 做好准备 的弊端 , 减少了 网络 开销 , 减轻了基站的负担 . 当然 , 这种方法也有一定的开销 , 首 先移动终端中运行移 动预测 算法会产 生一定 的处 理开 销 , 并且在传输位置信 息时也 会产生 一定的 网络 开销 ,
摘 要 : 由于移动节点的位置是不断变化的 , 移动 IPv6 协议给 出了支持移动节点 的远程加入和双向 隧道两种组 播方法 , 但这两种方法都有各自的缺点 . 本文提出 基于移动预 测的快速 分层移动组 播体系结 构( mobility prediction based fast and hierarchical mobile multicast architecture , 简称 MP -FHMM), 通过移动预测 , 在切换前为移 动节点配置好切换 信息 , 并 且在切换时使用基于 FMIPv6 改进的快速组播切换方法 , 有效减少了切换延迟以及由此引发的组播数据分组丢失 . 另外 , 由于采用层次型结构的移动组播管理 , 屏蔽了节点在子网内的移动 , 减少了因节点移动而重构组播树的频率 . 关键词 : 移动 IP ;移动预测 ;组播 ;快速切换 ;分层结构 中图分类号 : TP393 文献标识码 : A 文章编号 : 0372 -2112 ( 2009) 01 -0048 -07
1 引言 随着用户需求的不断 增加 , 各 种多媒体 业务( 诸如 流媒体 、视频 会议 和 IP 电 视等) 正 成为 Internet 上 信息 传输的主要 组 成部 分 . 由 于多 媒 体业 务对 网络 传 输时 延 、延时抖动等特性比较敏 感 , 并且 这些业 务一般 需要 大量的带宽 , 对现 有的传输 网络提 出了 挑战 . IP 组 播[ 1] 具有扩展性强 、节约网络资源 、效率高等优点 , 使其在多 媒体业务中得到广泛的应 用 , 而移 动组播能 让用 户“ 随 时随地连接到网络” , 因此成为当前研究的热点 . 移动组 [ 2] 播面临很多挑战 , 这 是因为 在移 动环境 中 , 组播 不仅 要管理动态的组成员 、建立 和维护 组播转 发树 , 还 需要 [ 3 ～ 6] 解决组成员位置动态变化的问题 . 现有 的组播协议 大都是基于固定环境设计的 , 在建立组播转发树通常没
Abstract : As mobile nodes dynamically change their locations , Mobile IPv6 offers two methods of multicast services for mobile nodes , which are called remote subscription and bi -directional tunnel , but they both have shortcomings . This paper proposed a mobility prediction based fast and hierarchical mobile multicast architecture ( MP -FHMM), which could configure the handoff information by predicting the mobility of the nodes before multicast handoff , and uses the improved FMIPv6 handoff method when mobile nodes are playing handoff . This architecture reduces handoff latency and packet loss rate causing by handoff . In addition , it uses a hierarchical architecture to isolate the subnet movement from outside , which reduces the frequency of rebuilding multicast tree because of nodes' mobility . Key words : mobile IP; mobility prediction ; multicast ; fast handoff ; hierarchical architecture
收稿日期 : 2007 -10 -24 ; 修回日期 : 2008 -05-20
有考虑到组成员位置动态变化的情况 . 为了解决这一问 题 , IETF 移动 IP 工作组 在移动 IPv6 中提出两 种基 本移 动组播解决方 案 — — —远程加 入[ 7] ( remote subscription , 简 称 MIP-RS) 算法和双 向隧道[ 8] ( bi-directional tunnel , 简称 MIP-BT) 算法 . 在 MIP-RS 协 议中 , 每 当移动 节点 MN ( mobile node) 发生切换 , 就必须重新 加入到 组播组 中 , 并重 新修 改组 成员状态和建立与之对应的组播树分支 . 这种算法的优 点是非常简单 , 可把 MN 按照与静态 节点相同的 方式进 行处理 , 现有的组播协 议都可 应用到 这种算 法上 , 缺点 也是非常明显的 , 节点 的切换 延迟较 大 , 切换 丢包 问题 严重 , 容易产生移动环境中特有的“同步丢失”问题 . 在 MIP-BT 协议 中 , 家乡 代理( home agent , HA) 代替
第1期 2009 年 1 月
电 子 学 报 ACTA ELECTRONICA SINICA
Vol . 37 No . 1 Jan . 2009
基于移动预测的快速分层移动组播体系结构
马学彬 , 温 涛 , 郭 权 , 王 刚
1 1 2 1 ( 1. 东北大学软件中心 , 辽宁沈阳 110004 ; 2. 东软信息学院计算机科学技术系 , 辽宁大连 116023; )
基金项目 : 国家 863 高技术研究发展计划( No . 2002AA113020, No. 2006AA012413) ; 国家自然科学基金( No . 60602061)
第 1 期
马学彬 : 基于移动预动节点和家 乡代理之间建 立双向隧 道 , 并且通过该隧道发送和 接收组 播包 . 该 算法的 优点 是将节点的移动性隐藏起来 , 节点无论如何移动都不会 影响组成员状态和组播转发树 , 因此减少了计算和通信 负担 . 但是这种算法也存在 比较严 重的缺 陷 , 由于 该算 法使用的是三角路由 , 链路 开销大 , 随着家 乡代理 所服 务的节点数量的增加 , 它所处理的任务和负载也会显著 增加 , 这样家乡代理容易成为“失效集中点” . 同时 , 因为 在这种算法中 , 家乡代理以单播的形式通过隧道把组播 包转发到每个移动节点上 , 因此外地代理将从不同的隧 道接收多个重复的组播包拷贝 , 产生“隧道聚集问题” . MobiCast[ 9] 适用于小 型无 线蜂 窝网 络环 境 , 它 把物 理上相邻的多个无线蜂窝网组成一个区域 , 在每个区域 中设 置 一 个 区 域 外 地 代 理 ( domain foreign agent , 简 称 DFA), 它负责移动节点组播包的发送 和接收 . 该 协议的 特点是引入了分层的移动管理 , 把节点的移动性与主要 的组播分发树相分离 . 当一个移动节点移动到一个新的 外地服务 区域 以后 , 移 动节 点首 先 向该 区 域中 的 DFA 注册 , 并把 DFA 的 IP 地址作为 自己 的转交 地址通 知给 家乡代理 . 当移动节点作为 组播成 员接收 组播 包时 , 它 把需要注册的组播 组请求 信息通过 本地的 基站发 送到 DFA , DFA 代表移动节点加入到 组播组 中并且把 请求加 入的组播组使用另一种称 作“ 翻译 组播地 址” 的组 播地 址发送到移动节点 . 翻译组播地址在该区域内是唯一的 并且对所请求的组播组做出响应 . 基站接收发送给已注 册组播组的组播分组 , 并把接收到的组播分组发送给移 动节点 . 只要移动节点停留 在外地 代理的 区域 内 , 对别 的组播组来说移动节点的移动性就被隐藏了 , 并且不需 要重构组播树 . 但是这种方 案也有 弊端 , 在 域间切 换时 只是简单地沿用了远程加入算法 , 使得远程加入算法的 缺点在 MobiCast 的 域间切 换过 程中依 然存 在 , 另 外 , 由 于域内的所有基站需要加入到所有的翻译组播组 , 增加 了处理开销和带宽浪费 , 增重了基站的负担 . FHMM[ 10] 是基于远程加入算法提出的解 决方案 , 其 目的是减小域间切换的延迟 , 减小组播维护的开销和解 决组播树抖动问题 . FHMM 方案中使用快速组 播切换算 法 , 它是对移动 IPv6 快速切 换( fast MIPv6 , FMIPv6) 的扩 展. 这种算法在移动节点实 际切换 到新的 网络 之前 , 对 组播进行了预处理实现了快速组播切换 , 解决了切换延 迟问题 . 在组播管理方面 , 同 样使用 了分层 的移动 组播 管理 , 缓解了组播开销和组 播抖动 问题 , 屏 蔽节点 的移 动性 , 实现了 域 内切 换时 不影 响 域外 的组 播转 发 树主 干. 在实现分层组播管理的同时采用 了与 MobiCast 类似 的“翻译组播地址” 机制 . FHMM 主要解决 了 MobiCast 要 求所有基站都加入到该移动节点所在的组播组的弊端 , 减少了冗余数据 , 减轻了基 站的负 担 , 另外 它通过 使用