一种改进的层次型移动组播协议

陈华山,王 熠,刘宪成,周 娟（河海大学常州校区信息中心，江苏常州，213022）

一种改进的层次型移动组播协议

陈华山,王 熠,刘宪成,周 娟
（河海大学常州校区信息中心，江苏常州，213022）

论文介绍了现有层次性移动组播协议——MobiCast协议，分析了该协议的优缺点。在MobiCast协议的基础上通过加入隧道技术，并减轻基站开销等方面进行了改进。仿真与分析表明，改进后的MobiCast协议具有组播数据丢包率低、网络维护开销小、切换延迟短等特点。

移动组播；组播切换；隧道技术；层次型

0 引言

随着无线网络的飞速发展，特别是4G网络时代的到来，再加上移动终端性能的不断提高，人们通过移动终端获取网络资源的要求越来越迫切。目前浏览网页和文件传输已经能满足一部分人的要求，但是有一些应用，它不但占用很大带宽，并且对数据的实时性和同步性要求很高，比如视频点播、网络电视、网络课堂、视频会议等一些多媒体应用。在传统的有线网络中，这些多媒体应用通常采用组播技术来解决。组播有它的优点，比如实时性高，网络开销小，大幅度降低组播源服务器的压力，是解决这类多媒体应用的最好方案。所以在无线网络环境中加入组播技术是十分必要的，移动组播不仅要建立和维护组播转发树，还要处理因成员位置变化而带来的重新绑定。

本论文提出的移动组播协议是在MobiCast移动组播协议的基础上进行了改进，缓解了移动节点在不同区域之间切换而造成的切换延时和组播数据包丢失情况，降低了网络开销，提高了网络的整体性能。

1 关于MobiCast层次型移动组播协议

MobiCast算法的主导思想是把无线网络分成几层，每层都有相应的管理单元，移动节点在底层运动时，对它的上层网络不会有很大影响。保证了网络整体稳定性也提高了移动节点的灵活性，就好比把计算机网络分成7层模型一样，是一种采用分层管理的理念。MobiCast中引入区域外地代理DFA的概念，区域由多个物理上相连的无线蜂窝网组成，每个区域中存在一个DFA。DFA主要负责为移动节点提供组播组播数据包的接收和发送。移动节点从一个区域移动到一个新的区域，首先向新区域的DFA注册，获得新区域的转交地址，并且把获得的转交地址通知给原来的家乡代理。如果移动节点只在区域中移动，DFA在域内采用“翻译组播组”的机制，DFA会生成以自己为源节点的组播组，DFA负责域内移动节点组播数据包的传递，不需要改变上层组播树的结构，充分降低了组播树重构带来的开销（如图1所示）。MobiCast协议为了避免切换引起的组播数据包丢失情况，需要区域中的基站都加入翻译组播组当中，除自身基站外，其它基站要缓存接收到的组播数据包。目的是保证当移动节点位置发生变化，切换过程中组播数据包的完整性，避免组播数据包发生丢失。

图1 MobiCast协议的域内切换

2 一种改进的层次型移动组播协议

通过分析MobiCast协议的工作原理，总是想能保留协议的优点，通过局部修改弥补协议的一些缺点，提高协议的性能。MobiCast方案在提供快速切换的同时，它的翻译组播组机制却带来了很多信令维护开销，降低了网络的性能。还有MobiCast方案仅仅解决了域内的切换处理，没有给出移动节点在域间切换的优化方案。针对这2种情况，在MobiCast协议的基础上提出一种改进的层次型移动组播协议。在探讨的过程中，我们在区域外地代理DFA上采用隧道技术，移动节点发生区域移动时，在新的DFA上注册更新的时间段内，将组播数据通过隧道传送给新区域的DFA，控制切换时的数据包丢失。移动节点在区域间移动的主要过程如图2所示：

图2 改进的MobiCast方案的工作原理

3 仿真实验与性能分析

3.1 仿真实验环境

网络仿真实验我们通过网络仿真软件实现，在red hat操作系统下，安装NS2网络仿真软件。针对本实验层次型的网络环境，NS2模拟网络两层的结构，底层采用了C++编写的网络实体和协议，上层采用TCL脚本定义网络参数，包括网络的拓扑结构和网络实体的具体参数。在实验环境中，模拟的网络拓扑是一个10*10的mesh网格，网格中节点代表子网的接入路由器，每个节点的距离为50米。一个完整的网格被分为4块，每块是5*5，一共是25个网络节点，我在拓扑结构中各加入一个DFA路由器，一共4个DFA路由器，每个负责25个接入路由器。在网络模拟环境中，假设网络中只有一个组播数据组，也同样只有一个组播数据源。组播数据源每秒钟发送300个组播数据分组，模拟数据实时性要求很高的组播视频直播。

3.2 模拟结果及分析

通过反复实验测试，分别从2个角度和MobiCast算法进行比较，一个是比较组播数据分组的丢失率，一个是比较组播维护开销。其中变量是移动节点的移动速度，移动节点的移动速度为5m/s-30m/s,在仿真网络环境实验中，分别记录了移动节点在不同速度下组播数据分组的丢失情况和组播维护开销情况，仿真测试数据分别为图3和图4所示。

图3是数据分组丢包率的比较。从图中可以看出改进的MobiCast算法丢包率得到了很好的控制。MobiCast算法对数据丢失已经进行了优化，改进的MobiCast算法移动节点在区域间移动时加入了隧道连接，进一步降低了组播数据包的丢失。移动节点速度在30m/s时，MobiCast算法的数据丢包率达到2%左右，改进后的MobiCast算法的数据丢包率只有1%左右。移动节点移动速度越快，MobiCast算法的延时较长，改进后的MobiCast算法，由于基站加入翻译组播组中，不需要缓存组播分组，缩短了切换时间，从而进一步降低了数据包的丢失率。

图3 组播分组丢包率的对比

图4 是网络维护开销的比较。从图中可以看出在移动节点移动速度很慢时，MobiCast算法和改进的MobiCast算法的网络开销基本相当，由于改进的MobiCast算法加入了隧道连接，在移动节点低速运动时，网络开销略高于MobiCast算法。但是在移动节点移动速度很快时，MobiCast算法对网络开销很大的缺点就很明显，而改进后的MobiCast算法不需要所有基站都缓存组播分组，降低了基站的开销，所以在网络开销方面远低于MobiCast算法。

图4 网络维护开销的对比

4 结束语

目前在移动网络组播技术方面已经开展了不少研究，至今仍没有一个整体的解决方案。移动和组播的结合是今后移动网络领域的研究重点，同时也是研究的难点。本文介绍了层次性移动组播MobiCast方案的工作原理，并分析了该方案的优缺点。在MobiCast方案的基础上提出一种改进的层次型移动组播协议，通过模拟试验得出相关结果，结果表明，改进后的MobiCast方案在组播分组丢包率和网络维护开销方面都有显著改善，缩短了移动节点的切换延迟时间，提高了网络性能。改进后的MobiCast方案保留了MobiCast方案的优势，弥补了它的一些不足，是一种高效的移动组播解决方案。通过分析，本文还有需要改进的地方，比如在网络仿真方面考虑有所不足，改进的方案只是在软件环境下做了仿真实验，还需要在真实场景中测试方案的有效性。还有仅考虑了移动节点作为组播数据接收者的情况，如果移动节点作为组播发送者的情况，还需要进一步探讨和研究。

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[5] 王华,周贤伟.一种基于MobiCast的移动IP组播方案[J].电讯技术,2005,(4):27~29.

刘宪成，男，工程师，从事校园网建设和物联网研究工作。

周娟，女，工程师，从事信息系统建设和系统开发。

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

陈华山（1980-），男，江苏盐城人，工程师，从事高校数字化校园建设、网络管理和物联网研究工作。

王熠（1970-），男，江苏常州人，工程师，从事校园网络管理和研究工作。