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一、前言
隨著移動通信3G時代的來臨以及手機(jī)功能的日趨強大，人們對移動通信的需求已不再滿足于原有的語音話務(wù)和短信業(yè)務(wù)，大量基于視頻和音頻的多媒體業(yè)務(wù)涌現(xiàn)出來，如視頻點播、電視廣播、視頻會議、網(wǎng)上教育、互動游戲等。此類業(yè)務(wù)的共同特點是：多個用戶同時接收相同數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求較高，對少量數(shù)據(jù)包的傳輸錯誤和丟失可以容忍。移動多媒體業(yè)務(wù)和一般數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相比，還有數(shù)據(jù)量大、持續(xù)時間長、時延敏感等特點。
圖1 單播、廣播和組播的傳輸方式
目前此類業(yè)務(wù)在IP網(wǎng)上幾乎都是采用IP組播的方式來實現(xiàn)的。IP網(wǎng)通信包括三種通信方式（如圖1所示）：單播（Unicast）、廣播（Broadcast）和組播（Multicast）。單播是指源主機(jī)向指定單個目標(biāo)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，單播連接是一一對應(yīng)的，即一個發(fā)送者只能對應(yīng)一個接收者；廣播指源主機(jī)向一個網(wǎng)絡(luò)段中的所有主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，即該網(wǎng)段所有主機(jī)都可以接收這個數(shù)據(jù)信息；組播介于單播、廣播之間，源主機(jī)向網(wǎng)絡(luò)中特定的一組主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，這些主機(jī)是靠組播地址來指定的。
相對于單播，組播技術(shù)可以實現(xiàn)一對多，或者是多對多的數(shù)據(jù)傳輸，極大地減輕了網(wǎng)絡(luò)和源主機(jī)的負(fù)載，提高了傳輸效率；相對于廣播來說，組播技術(shù)能靈活地將信息發(fā)給指定的組成員，而不是網(wǎng)段中所有的主機(jī)，同時通常廣播僅限制在本網(wǎng)段內(nèi)，不能通過路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
二、移動組播的研究現(xiàn)狀
2.1 移動組播面臨的問題
在IP網(wǎng)絡(luò)中，每個組播成員的IP地址在一個組播會話中是固定不變的，因此，IP網(wǎng)絡(luò)組播對組播組成員的管理、建立和維護(hù)組播樹相對比較簡單；在移動網(wǎng)絡(luò)中，即使在會話過程中組播組成員沒有增減，但是由于每個成員的地址在不斷變化，也會導(dǎo)致整個組播樹的不穩(wěn)定。這將使移動網(wǎng)絡(luò)組播組的維護(hù)和管理變得較為復(fù)雜。
由于組成員的移動性，移動組播在實現(xiàn)過程中主要存在以下幾個問題：
(1) 組播樹的維護(hù)管理
現(xiàn)有組播路由協(xié)議，如DVMRP（距離矢量組播路由選擇協(xié)議）、MOSPF（Multicast-Open Shortest Path First）、CBT（核心樹）等都是基于組成員地址是固定的這樣一個前提，如果組成員發(fā)生移動，這些協(xié)議處理機(jī)制采用對原有組成員進(jìn)行“剪枝”，而后新增一個組成員的方式進(jìn)行管理。這種方式對于IP網(wǎng)絡(luò)組成員幾乎不移動的情況是實用的，但是對于移動網(wǎng)絡(luò)，由于組成員頻繁移動，會導(dǎo)致組播樹頻繁地進(jìn)行“剪枝”和新增組成員。因此，移動網(wǎng)絡(luò)中組播樹非常不穩(wěn)定，同時組播樹的管理和維護(hù)會產(chǎn)生大量開銷。
(2) 組成員的切換延時
IETF的移動IP協(xié)議定義了家鄉(xiāng)代理(home Agent，簡稱HA)、外地鏈路、外地代理(foreign Agent，簡稱FA)、通信對端等概念，一個移動節(jié)點擁有兩個IP地址：家鄉(xiāng)地址和轉(zhuǎn)交地址。節(jié)點在移動過程中，家鄉(xiāng)地址不改變，發(fā)送到該節(jié)點的數(shù)據(jù)都通過家鄉(xiāng)地址與轉(zhuǎn)交地址之間的隧道轉(zhuǎn)發(fā)給移動節(jié)點。當(dāng)組成員切換時，包括網(wǎng)絡(luò)鏈路間切換的固有時延，以及重新加入組播組以及建立組播轉(zhuǎn)發(fā)樹的時延，都將導(dǎo)致組播成員丟包。
這是移動組播相對于IP組播最突出的兩個問題，在設(shè)計移動組播協(xié)議過程中需要重點加以考慮。
2.2 現(xiàn)有的移動組播協(xié)議
移動IP協(xié)議中提出了兩種組播方案：“雙向隧道”和“遠(yuǎn)程加入”，以下對這兩種協(xié)議進(jìn)行說明和簡單比較。
2.2.1 雙向隧道
雙向隧道(bi-directional tunnel，簡稱MIP-BT)是指在移動節(jié)點與家鄉(xiāng)代理之間建立雙向隧道，移動節(jié)點通過雙向隧道加入/退出組播組，并且通過該隧道發(fā)送和接收組播包。移動節(jié)點通過隧道向家鄉(xiāng)代理發(fā)送IGMP（組管理協(xié)議）報文，請求加入組播組。而后家鄉(xiāng)代理加入組播樹中，并將組播包通過隧道以單播的方式發(fā)送給移動節(jié)點；移動節(jié)點向組播組發(fā)送數(shù)據(jù)時，也是首先通過隧道將組播包發(fā)送給家鄉(xiāng)代理，然后由家鄉(xiāng)代理以組播的形式發(fā)送該組播包。
雙向隧道方式有效地解決了因組成員切換給組播樹造成頻繁調(diào)整的問題，減少了計算量和通信負(fù)擔(dān)。但是，雙向隧道也存在三角路由以及“隧道聚集”問題。三角路由不是最佳路由，會給鏈路帶來很大的開銷；外地代理有可能通過隧道從不同的家鄉(xiāng)代理收到多個重復(fù)的組播數(shù)據(jù)包從而產(chǎn)生“隧道聚集”問題，導(dǎo)致鏈路帶寬資源的嚴(yán)重浪費。
2.2.2 遠(yuǎn)程加入
遠(yuǎn)程加入(remote subscription,簡稱MIP-RS)是指移動節(jié)點改變地址后重新加入到組播組中，并由組播協(xié)議重新計算組播樹。遠(yuǎn)程加入方式最大的優(yōu)點在于無須建立外地代理和家鄉(xiāng)代理之間的隧道，因此也就不存在隧道聚集問題。同時，組播數(shù)據(jù)包能夠沿著最優(yōu)路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，避免了三角路由問題。
遠(yuǎn)程加入存在的問題是：首先，節(jié)點每次移動都需要重新計算并建立整個組播樹，這會影響組播樹的穩(wěn)定性，給組播樹的管理和維護(hù)帶來較大的開銷；其次，在頻繁切換過程中，退出和重新加入組播組都會產(chǎn)生較大的切換時延，從而導(dǎo)致播包丟失，影響組播應(yīng)用的可靠性，尤其是在節(jié)點快速移動、頻繁切換的情況下這個問題尤為突出。
三、基于代理的移動組播協(xié)議ABMoM
針對雙向隧道和遠(yuǎn)程加入存在的問題，本文提出了一個基于區(qū)域代理的移動組播的實現(xiàn)機(jī)制——ABMoM（Agent-based mobile multicast ）。
3.1 ABMoM的基本原理
ABMoM中引入了組播代理（multicast agent，簡稱MA）的概念，MA可以代替移動節(jié)點加入某個組播組，接收該組播組的數(shù)據(jù)。移動節(jié)點（mobile host，簡稱MH）在一個子網(wǎng)中，如果要加入某個組播組，就向當(dāng)?shù)刈泳W(wǎng)的MA發(fā)送一個加入請求，在MA向組播路由器發(fā)送加入組播組的請求后，通過組播路由協(xié)議建立到該MA的組播樹。
MA接收到組播組的數(shù)據(jù)包后，通過單播的方式發(fā)送給MH，而MH發(fā)往組播組的數(shù)據(jù)也通過MA來轉(zhuǎn)發(fā)。整個ABMoM的原理如圖2所示。
圖2 ABMoM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
3.2 ABMoM組播組加入機(jī)制
在ABMoM協(xié)議中，子網(wǎng)的組播代理MA擔(dān)任了重要角色，MA負(fù)責(zé)子網(wǎng)中所有組播組成員管理。
移動節(jié)點MH加入某個組播組，首先向MA發(fā)送一個組播組加入請求，該請求包含該組的組播地址以及MH的地址。MA將首先查閱本地維護(hù)的活躍組播組列表，如果發(fā)現(xiàn)MH要加入的組播組在本地活躍的組播組列表中，就將MH的地址添加入該組播組成員列表中，一旦接收到該組播組的數(shù)據(jù)即可通過單播的方式轉(zhuǎn)發(fā)給MH。
如果MA查閱到MH請求加入的組播地址并不在本地活躍的組播組中，將向上游的組播路由器發(fā)送IGMP報文，請求加入該組播組。加入成功后，MA在本地的活躍組播組列表中添加該組播地址，并將MH加為該組播組的成員。當(dāng)后續(xù)還有MH要加入該組播組時，MA無須再向上游路由器發(fā)送報文，而是直接將該MH加入到該組播組的成員列表中，進(jìn)行單播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)即可。
在ABMoM機(jī)制中，MA不僅擔(dān)當(dāng)了部分組播路由器的角色，同時負(fù)責(zé)組播子樹的管理。而在區(qū)域內(nèi)發(fā)生組播成員的加入和退出時，一般情況下都不會影響整個組播樹，只有當(dāng)該區(qū)域第一個組播組成員加入和最后一個組播組成員離開時，才需要重建整個組播樹，因此ABMoM可以保證組播樹的相對穩(wěn)定。
3.3 ABMoM組播組退出機(jī)制
在IGMP協(xié)議中，IGMPv1通過組播路由器發(fā)送查詢報文來查詢某一個端口下是否還有組播組成員；IGMPv2則由組播組成員主動向組播路由器發(fā)送退出組的消息。當(dāng)一個MH要退出某個組播組時，ABMoM也有兩種機(jī)制進(jìn)行處理： MH主動向MA發(fā)送退出組播組的請求；MA主動發(fā)現(xiàn)MH已經(jīng)退出組播組。
如圖3所示，當(dāng)MH要退出某個組播組時，主動向MA發(fā)送退出請求，MA接收到該請求，查詢該組播組的成員列表并將該成員從列表中刪除。如果該MH非該組播組的最后一個成員，MA只是簡單地停止向該MH轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；如果該MH是該組播組的最后一個成員，則當(dāng)它退出后，該區(qū)域中無該組的其他成員，為了節(jié)省帶寬資源，MA需要向上游路由器發(fā)送退出請求，或者是由上游路由器進(jìn)行自動“剪枝”。MA并非在該組最后一個成員離開后就立即發(fā)送退出請求，而是要滯后一段時間查看該區(qū)域是否有新的MH加入。這種機(jī)制對于移動組播是非常必要的，可避免MA因MH的移動而頻繁加入退出組播組，導(dǎo)致組播樹的不穩(wěn)定。
在另一種機(jī)制中，MH不向MA發(fā)送退出請求而直接拒收自MA轉(zhuǎn)發(fā)的組播數(shù)據(jù)包，因此MA必須有主動發(fā)現(xiàn)MH退出組的機(jī)制。在ABMoM機(jī)制種，MA定期向組播組成員發(fā)送查詢報文，MH如果仍然在組播組活躍，則在接收查詢報文后立刻響應(yīng)一個活躍報文告知MA，否則MH對MA發(fā)送過來的查詢報文不做任何響應(yīng)。MA在發(fā)送完查詢報文后，在本地啟動一個計時器，如果計時器超時還沒收到響應(yīng)的活躍報文，MA將向該MH再次發(fā)送查詢報文，如果連續(xù)三次都未收到MH的活躍報文，則MA認(rèn)為該MH已經(jīng)退組，將把MH從組播組成員列表中刪除。
圖3 ABMoM中MH退出組播組
3.4 ABMoM的切換機(jī)制
移動組播協(xié)議關(guān)鍵是在節(jié)點移動狀態(tài)下要保證組播數(shù)據(jù)能及時地傳送到節(jié)點。
當(dāng)一個組播組成員改變網(wǎng)絡(luò)中位置的時候，ABMoM協(xié)議的處理機(jī)制是：該節(jié)點在原有的網(wǎng)絡(luò)中退出該組播組，然后在新的網(wǎng)絡(luò)中又加入組播組。
如圖4所示，B為一個移動節(jié)點，在網(wǎng)絡(luò)A中加入了組播組224.2.0.1，并通過C（C為網(wǎng)絡(luò)A中的MA）進(jìn)行組播代理。當(dāng)B移動到網(wǎng)絡(luò)A′后，B向網(wǎng)絡(luò)A′中的組播代理C′發(fā)送加入組播組224.2.0.1的請求。
在極端的情況下，網(wǎng)絡(luò)A中組播組224.2.0.1只有C一個組播成員且網(wǎng)絡(luò)A中后來也無其他MH加入組播組224.2.0.1，C將通知上游路由器退出組播組224.2.0.1，這時候需要重新構(gòu)建組播樹；而在網(wǎng)絡(luò)A′中，原來也沒有組播組224.2.0.1的組成員，當(dāng)B要求加入組播組224.2.0.1時，網(wǎng)絡(luò)A′中的組播代理C′需要向上游網(wǎng)絡(luò)路由器發(fā)送加入組播組224.2.0.1的請求，然后向B轉(zhuǎn)發(fā)該組的組播數(shù)據(jù)包，這時的切換有可能因為切換時延而導(dǎo)致組播數(shù)據(jù)包丟失。
在組播組成員相對集中的情況下，ABMoM性能將會好很多。B不是網(wǎng)絡(luò)A中組播組224.2.0.1中最后一個成員，在離開網(wǎng)絡(luò)A時僅需要組播代理C將B從組播組成員列表中刪除，而對整個組播樹沒有任何影響；而B在移動到網(wǎng)絡(luò)A′中后，如果A′中已經(jīng)有組播組224.2.0.1的組成員，B向C′申請加入該組播組，那么C′只需將B加入本地的組播成員列表中即可，這樣B在網(wǎng)絡(luò)中移動時可不影響組播樹而退出、進(jìn)入組播組。同時，ABMoM要求區(qū)域組播代理MA具有一定的數(shù)據(jù)包緩沖能力，可以在一定程度上處理因移動切換時延帶來的丟包問題。
圖4 ABMoM中MH在網(wǎng)絡(luò)中移動
四、 結(jié)論
ABMoM引入了組播代理MA的概念，在組播組成員相對集中的環(huán)境中，可以很好地解決移動網(wǎng)絡(luò)中組播面臨的問題。
與雙向隧道的移動組播機(jī)制相比，ABMoM不需要在家鄉(xiāng)代理和外地代理之間建立雙向隧道，可以較好地避免“隧道聚集”和三角路由問題；與遠(yuǎn)程加入方式相比，ABMOM無須為移動節(jié)點每次加入和退出重新計算組播樹，避免了組播樹的頻繁重建，減少了網(wǎng)絡(luò)資源消耗，同時ABMoM中MA采用了數(shù)據(jù)包緩沖機(jī)制，在一定程度上可以解決因網(wǎng)絡(luò)切換造成的丟包問題。
參考文獻(xiàn)
[1] “Internet Protocol (IP) Multicast Technology Overview”, Cisco Systems,2000
[2] Beau Williamson, “Developing IP Multicast Networks, Volume1,” Cisco Press, Jan.2000.
[3] Perkins C. IP mobility support for IPv4. RFC 3344, Internet Engineering Task Force, 2002.
[4] Johnson D, Perkins C, Arkko J. Mobility support in IPv6. Internet Draft, draft ietf mobileip ipv6 21.txt, Internet Engineering Task Force, 2003.
[5] 吳茜,吳建平,徐恪,劉瑩, 移動Internet中的IP組播研究綜述,軟件學(xué)報，/2003/14(07)
[6] Johnson D, Perkins C, Arkko J. Mobility support in IPv6. RFC 3775, 2004.
[7] Chikarmane V, Williamson C, Bunt R, Mackrell W. Multicast support for mobile hosts using mobile IP: Design issues and proposed architecture. Mobile Networks and Applications, ACM/Baltzer Mobile Networks and Applications, 1998,3(4):365~379.
