移動(dòng)IP中的多播實(shí)現(xiàn)機(jī)制

2019-11-03 09:16:24

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供稿：網(wǎng)友

徐凱　紀(jì)紅　樂(lè)光新
北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院

　　摘要本文首先介紹了移動(dòng)ip技術(shù)的基本原理，并在此基礎(chǔ)上給出了移動(dòng)IP中實(shí)現(xiàn)多播機(jī)制的四種網(wǎng)絡(luò)模型，并分別分析了其工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)。最后指出了移動(dòng)IP中實(shí)現(xiàn)多播存在的問(wèn)題并對(duì)其研究前景闡述了自己的觀點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞移動(dòng)IP 隧道多播分級(jí)策略

1 引言

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，產(chǎn)生了許多的多媒體應(yīng)用，如電視會(huì)議、遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)都需要把數(shù)據(jù)包從一個(gè)源地址發(fā)送到多個(gè)目的地址，多播（Multicast）這種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)的多播技術(shù)處理的都是針對(duì)固定節(jié)點(diǎn)的情況，而在移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)多播，不僅要考慮到動(dòng)態(tài)的成員關(guān)系，還要考慮到成員的動(dòng)態(tài)的位置關(guān)系。每當(dāng)成員發(fā)生移動(dòng)時(shí)，如果都需要重新計(jì)算多播分發(fā)樹，網(wǎng)絡(luò)開銷較大；但如果不更改多播分發(fā)樹，又可能導(dǎo)致多播包路由不正確，甚至導(dǎo)致移動(dòng)節(jié)點(diǎn)無(wú)法接收數(shù)據(jù)包。因此，隨著移動(dòng)IP的逐漸成熟和完善，該網(wǎng)絡(luò)模型下如何較好地實(shí)現(xiàn)多播，成為人們迫切要解決的問(wèn)題。

2 移動(dòng)IP的基本原理

　　移動(dòng)IP通過(guò)引入兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體：家鄉(xiāng)代理（HA）和外地代理（FA）來(lái)進(jìn)行移動(dòng)性管理。這兩個(gè)代理分別在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)和外地網(wǎng)絡(luò)通過(guò)發(fā)送廣播消息來(lái)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（MN）通知自己的存在。MN依據(jù)代理廣播消息來(lái)判斷自己是在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)還是在外地網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)MN在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它使用正常的IP通信。當(dāng)它進(jìn)入外地網(wǎng)絡(luò)后，需要獲得一個(gè)新的IP地址，稱為轉(zhuǎn)交地址（Care of Address，CoA）。MN要么通過(guò)FA，要么直接向HA發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求消息，告訴HA它的當(dāng)前位置（CoA）。

　　通信節(jié)點(diǎn)（CN）發(fā)送給MN的數(shù)據(jù)包通過(guò)正常的IP路由到達(dá)MN的HA。HA替MN截獲這些數(shù)據(jù)包，將他們重新封裝，添加新的IP包頭，其目的地址為CoA，源地址為HA的地址，HA將封裝過(guò)的IP包通過(guò)隧道技術(shù)（Tunneling）轉(zhuǎn)發(fā)到MN的當(dāng)前位置（CoA），再由FA或MN自己將原來(lái)的IP包恢復(fù)出來(lái)。從MN到CN的數(shù)據(jù)包則采用正常的IP路由協(xié)議。從中可以看出，移動(dòng)IP中存在著三角路由的問(wèn)題，即從CN到MN的數(shù)據(jù)包需要經(jīng)過(guò)HA的轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過(guò)的路徑不是最佳路由，路由效率低。特別是當(dāng)CN和MN的距離很近，離HA很遠(yuǎn)的時(shí)候，三角路由問(wèn)題對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懜鼮橥怀觥?br>
3 移動(dòng)IP中的多播實(shí)現(xiàn)

3.1 雙向隧道方案

　　所謂雙向隧道是指MN收發(fā)多播包都通過(guò)隧道進(jìn)行，該方案要求HA具有多播功能，MN通過(guò)HA來(lái)加入或離開多播組，發(fā)送和接收多播包。當(dāng)MN在外地網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它通過(guò)隧道向HA發(fā)送多播請(qǐng)求消息，請(qǐng)求加入多播組。HA將自身加入到多播分發(fā)樹中，替MN接收數(shù)據(jù)包，并通過(guò)隧道將多播包發(fā)送給MN。這樣，MN的移動(dòng)性對(duì)于其他多播成員來(lái)說(shuō)是透明的，各個(gè)成員的位置關(guān)系是固定的，即使MN發(fā)生移動(dòng)，多播樹也不用更新。

　　該方案的優(yōu)點(diǎn)是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN的移動(dòng)性對(duì)于其他多播成員來(lái)說(shuō)是透明的，即使MN發(fā)生移動(dòng)，多播成員之間的關(guān)系仍然是固定的，多播樹也不用更新和重建。但是，該方案中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN收發(fā)數(shù)據(jù)都要通過(guò)隧道來(lái)完成，因此路由優(yōu)化問(wèn)題沒(méi)有得到解決，路由效率低。并且當(dāng)有大量屬于同一多播組的MN，通過(guò)同一個(gè)FA通信時(shí)，由于各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具有不同的HA（即使具有相同的HA，同一多播包也需要復(fù)制多份，然后逐個(gè)發(fā)送到同一個(gè)FA），存在“隧道匯聚”的問(wèn)題，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源利用率不高。針對(duì)“隧道匯聚”的問(wèn)題，人們提出了許多解決辦法，如家鄉(xiāng)代理路由、外地代理路由以及移動(dòng)多播等，請(qǐng)參閱有關(guān)的文獻(xiàn)。

3.2 遠(yuǎn)程訂閱方案

　　此方案要求FA具有多播功能。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN在外地網(wǎng)絡(luò)時(shí)，直接向FA發(fā)送多播請(qǐng)求消息，請(qǐng)求加入多播組，外地網(wǎng)絡(luò)中的多播路由器FA會(huì)加入到多播分發(fā)樹中。當(dāng)MN切換到另外的網(wǎng)絡(luò)，它需要重新進(jìn)行上述的過(guò)程，而原來(lái)的多播樹枝可能會(huì)因?yàn)槌瑫r(shí)而被刪除。在這種方案中，多播分發(fā)樹的更新頻率是與MN的切換頻率相關(guān)的。

　　該方案的優(yōu)點(diǎn)是從源地址到多播組各個(gè)成員的數(shù)據(jù)不需要通過(guò)HA的轉(zhuǎn)交，路由都是最佳的，因此它的效率很高，并且不存在“隧道匯聚”問(wèn)題。此方案的缺點(diǎn)是每當(dāng)MN發(fā)生移動(dòng)到另一個(gè)外地網(wǎng)絡(luò)，多播分發(fā)樹都需要重新計(jì)算，這樣網(wǎng)絡(luò)開銷會(huì)很大；并且當(dāng)MN在不同的外地網(wǎng)絡(luò)之間切換時(shí)，由于需要重新建立多播樹，會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延較大并有可能使數(shù)據(jù)丟失，這對(duì)于許多實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，是不允許的。

3.3 分級(jí)策略多播方案

　　為徹底解決“隧道匯聚”以及MN切換時(shí)延過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，人們提出了一種基于分級(jí)策略的多播解決方案。該方案引入了新的功能實(shí)體RootFA——根外地代理，并要求其具有多播功能，MN的本地注冊(cè)過(guò)程也可以通過(guò)根外地代理完成（如圖5所示）。該方案可以分別與雙向隧道和遠(yuǎn)程訂閱方案相結(jié)合。

　　首先看與雙向隧道方案相結(jié)合的情況。此時(shí)，如果MN想加入多播組并接收多播包，必然先向最接近的外地代理（例如FA5）發(fā)送多播加入請(qǐng)求消息。FA5獲得多播加入請(qǐng)求消息后，把該消息送往上一級(jí)FA2，直到送至Root FA1。根外地代理通過(guò)分析多播請(qǐng)求加入消息，獲得MN的轉(zhuǎn)交地址，并把該消息送往MN的HA。HA獲得該消息后，同時(shí)獲得MN的轉(zhuǎn)交地址，并把自己加入多播組，替MN接收多播包。并通過(guò)HA至Root FA1之間的隧道向根外地代理Root FA1傳送一份多播包（因?yàn)镽oot FA1具有多播功能），這樣就從本質(zhì)上解決了隧道匯聚問(wèn)題。并且根外地代理獲得多播包后，同樣可通過(guò)隧道或下級(jí)具有多播功能的外地代理來(lái)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN傳送此多播包。

　　單純的遠(yuǎn)程訂閱方案，雖然不存在隧道匯聚的問(wèn)題，但是，無(wú)法克服大量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在不同的外地代理之間切換時(shí)，給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的巨大開銷，并且切換時(shí)延和丟包率也較大。當(dāng)與分級(jí)策略方案相結(jié)合時(shí)，由于Root FA具有多播和本地注冊(cè)的功能，因此能較好地克服遠(yuǎn)程訂閱的缺點(diǎn)。因此，基于分級(jí)策略的移動(dòng)IP多播方案能從根本上解決“隧道匯聚”問(wèn)題，并且當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN在不同的網(wǎng)路之間切換時(shí)，由于根外地代理的作用，切換時(shí)延及丟包率都有明顯的改善。但是該方案系統(tǒng)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)成本較高，只適合于大型高速移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)。

3.4 明確指示多播方案

　　所謂明確指示多播方案是指在多播包中明確列出多播目的地址的一種多播解決方案，多播包的傳送可以通過(guò)單播路由協(xié)議來(lái)傳送，是上述多播方案的一種有益補(bǔ)充。圖6給出了明確指示多播和雙向隧道方案相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)模型。由圖可見(jiàn)，HA送往FA的明確指示多播包中明確列出MN的轉(zhuǎn)交地址（CoA1、CoA2、CoA3），F(xiàn)A獲得多播包后通過(guò)分析多播包中的多播地址，從而把多播包送往不同的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（MN1、MN2、MN3）。當(dāng)然，明確指示多播也可以和遠(yuǎn)程訂閱以及分級(jí)策略的多播方案相結(jié)合，以提高這些解決方案的靈活性，并可進(jìn)一步達(dá)到“軟化”這些方案的目的。

　　明確指示多播方案的優(yōu)點(diǎn)是，不需要分配多播地址，不需要單獨(dú)的多播路由協(xié)議支持，多播路由器中無(wú)需保存多播路由表，并且可以“軟方式”解決三角路由問(wèn)題，可充分利用有效的網(wǎng)絡(luò)資源，并能自動(dòng)支持一般的路由協(xié)議。由于多播地址明確列出，因此提高了網(wǎng)絡(luò)多播功能的簡(jiǎn)單性和安全性，并且使多播技術(shù)較容易嫁接到其他的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，使多播這種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有了較強(qiáng)的伸縮性。但是該多播方案最大的缺點(diǎn)是由于明確列出多播地址而導(dǎo)致的多播包頭過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題，這必然增加包頭的處理時(shí)間。并且隨著多播組成員數(shù)量的增加，其多播包頭的長(zhǎng)度呈線性增加，因此不適合于具有數(shù)量較大的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的多播網(wǎng)絡(luò)，僅僅是其他移動(dòng)IP多播解決方案的有益補(bǔ)充。

4 結(jié)論

　　移動(dòng)IP技術(shù)是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以為網(wǎng)絡(luò)提供主機(jī)移動(dòng)性的解決方案，成為下一代網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，人們提出了許多基于移動(dòng)IP的多播實(shí)現(xiàn)機(jī)制，但由前面的分析可知，各種多播算法仍然存在這樣那樣的問(wèn)題，并且大多處于試驗(yàn)階段，離算法的真正實(shí)用仍有很長(zhǎng)的路要走。因此，研究有效實(shí)用的多播算法，仍然是移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)下一步研究的一個(gè)重要方向。并且隨著移動(dòng)IP技術(shù)的不斷成熟和完善，多播算法的安全性和可靠性也越來(lái)越成為算法研究必需要解決的問(wèn)題。

----《中國(guó)數(shù)據(jù)通信》