CN101511054B - 新型IPv6网络移动组播协议 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型IPv6网络移动组播协议。它是一种新的基于动态组播代理的移动组播协议TD-DMAMoM(Time and Distance-aided Dynamic Multicast Agent-based MobileMulticast protocol)。TD-DMAMoM采用了新的快速组播切换机制，实现了无缝的移动切换，大大降低了组播服务中断时间。另外，该方案还引入时间量度和距离量度的概念，并以此为依据，充分考虑节点的移动速率及移动方式，动态更新组播代理，为移动较慢，在同一子网内停留时间较长的移动组播接收节点提供优化的组播传输路径；为移动较快的节点提供快速的组播分组转发服务，并避免组播树的频繁重构。

Description

新型IPv6网络移动组播协议

技术领域

本发明涉及一种新型IPv6网络移动组播协议，属于移动互联网技术领域。

背景技术

随着无线网络技术的飞速发展和移动设备的迅速普及，越来越多的人能够通过无线设备访问Internet。因此，Internet网络协议必须能够提供移动性支持。基于下一代互联网协议IPv6的移动IPv6(Mobile IPv6，MIPv6)[1]能够为移动节点(Mobile Node，MN)提供无缝的Internet接入。

另一方面，大量新兴的Internet多媒体应用(如视频会议，IP电视等)需要网络提供IP组播支持，以提高网络资源的利用率。移动性和IP组播的结合进一步扩大了组播的应用范围，使得用户能够在移动环境中获得组播服务。目前，移动组播的发展面临诸多挑战[2，3]。移动组播协议不仅要建立并维护组播转发树、处理动态的组成员关系，还要解决组成员位置动态改变所导致的组播树重构及组播通信的服务质量下降等问题。现在已有的组播路由协议，如DVMRP[4]，MOSPF[5]，PIM-SM[6]等都是基于固定网络环境设计的，它们在构建组播转发树时只考虑了组成员关系的动态变化，而没有考虑组成员位置动态变化的情况，因此这些协议不适合移动环境下的组播通信。

针对上述问题，IETF提出了两种基本的移动组播方案[1，7]：远程加入(Remote Subscription，RS)和双向隧道(Bi-directional Tunnel，BT)。RS算法的突出优点是其具有优化的组播传输路径，但由于每当MN发生切换，必须重新加入组播组，建立新的到组播转发树的传输路径，因此导致组播转发树频繁重构，切换延迟较大。而采用BT算法，MN的家乡代理(Home Agent，HA)代替MN加入组播组，因此MN的移动切换不会引起组播树的重构，但由于MN通过隧道经HA收发组播分组，不仅引入了三角路由问题，增加了组播分组的传输时延，而且加重了家乡网络的负担，浪费了网络资源。

文献[8，9]提出了一种基于动态组播代理(Dynamic Multicast Agent)的移动组播方案。为方便起见，将其简称为DMAMoM(Dynamic Multicast Agent-based Mobile Multicast)。DMAMoM方案结合了RS和BT算法各自的优点，根据节点的移动切换情况动态选择组播代理，目的是实现优化组播路由的同时，降低组播树的重构频率。为了实现上述目的，DMAMoM引入了组播子网代理(Multicast Subnet Agent，MSA)和动态组播代理(Dynamic Multicast Agent，DMA)的概念。MSA可以由每个子网内的指定路由器(Designated Router，DR)充当，它一方面运行组播组管理协议MLD(Multicast Listener Discovery)[10]，发现本地链路上出现的组播侦听节点及其感兴趣的组播地址，另一方面将接收到的组播分组转发到本地网络内相应的组播接收者。DMA可以是节点当前子网的组播代理(current MSA，cMSA)，也可以由节点所经过的某一个前子网组播代理(previous MSA，pMSA)充当。DMA是MN到组播骨干网的访问接入点，其代表MN加入组播转发树。每个MN只对应一个DMA，DMA根据移动节点经过的路径动态切换。

图1给出了运行该协议的网络模型。如图所示，当MN每次到达新的外地网络，完成子网切换后，立刻向当前网络的MSA发送MLD成员报告消息。MSA收到MN的MLD消息后，如果MN是所属组在当前子网内的第1个组成员，则MSA与MN的当前DMA通信。在MN的当前DMA一侧，按照一定的规则计算DMA是否发生切换。若没有发生切换，则MN目前处于DMA所在子网之外的其他子网中，那么当前MSA向DMA发送建立隧道请求，DMA负责通过隧道传输组播分组到MN当前网络的MSA，由该MSA将数据路由到MN。若发生了切换，即当前网络的MSA作为新的DMA，那么MN直接从DMA获得组播数据，无须建立隧道。后来的作为该组成员的移动节点就可以直接从MSA接收组播分组。

DMAMoM对DMA的选择是动态的、分布式的，因此在一定程度上降低了节点频繁移动对组播树构造的影响，并能够使用次优的传输路径为MN提供组播服务。通过分析不难发现，DMA选择更新算法是本方案的关键，对该协议性能的影响很大。但遗憾的是，文献[9]仅仅给出了一种简单的DMA选择更新算法，即以MSA的“路径增加值”(path increment)为依据，当该值超过一定的门限时，当前MSA成为新的DMA。由于每个MN的移动速率及移动方式不同，因此该算法简单地以路径增加值作为DMA更新的依据会导致其最终演变为基于服务范围的算法[11]，并导致MSA过多地依赖隧道从DMA接收组播数据，增加了协议负担，限制了移动组播性能的进一步提高。另外，每当DMA切换发生，MSA与DMA的信息交换及MSA成为新的DMA的过程必然增加MN的组播中断时间，这对实时性高的用户来说可能是不可接受的。因此有必要对DMAMoM进行深入的研究并做出改进。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述方案的不足，提出了一种新型IPv6网络移动组播协议，即基于动态组播代理的移动组播协议TD-DMAMoM(Time and Distance-aided Dynamic MulticastAgent-based Mobile Multicast protocol)。TD-DMAMoM采用了新的快速组播切换机制，实现了无缝的移动切换，大大降低了组播服务中断时间。另外，该方案还引入时间量度和距离量度的概念，并以此为依据，充分考虑节点的移动速率及移动方式，动态更新DMA，为移动较慢，在同一子网内停留时间长的MN提供优化的组播传输路径，为移动较快的节点提供快速的组播分组转发服务，并避免组播树的频繁重构。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型IPv6网络移动组播协议，它的方法为：

(1)初始状态：当MN在当前网络中对组播组G感兴趣时，便通过MLD查询/响应机制或主动的MLD报告消息告知当前子网的组播代理cMSA；当cMSA接收到该成员报告消息后，cMSA首先查询其组播路由表：

(a)如果对于组播组G，相应的组播路由表已经存在，则cMSA将该MN的地址添加到组播路由表的出接口列表中，然后查看该组播组G相应的隧道状态：

·如果隧道已经开启，表明当前子网中已经存在该组播组G的组成员，并且cMSA正在通过隧道从DMA接收组播数据，然后cMSA将MN的地址及其DMA的地址添加到相应的访问者列表中，并统计其发出的绑定更新消息的数目，将数值保存于相应的NoBU表项中；

·如果该组播组G相应的隧道状态已经关闭，则cMSA为MN创建新的访问者列表；

(b)如果对于组播组G，相应的组播路由表并不存在，则说明MN是当前网络中该组的第一个组成员。相应的组播路由表、访问者列表及MSA列表会被创建；

当上述过程结束之后，cMSA启动组播转发机制，开始向MN转发组播包；

(2)当MN离开当前网络，切换到相邻的另一网络后，由TD-DMAMoM的快速组播切换机制进行子网切换和组播代理的切换；

(3)DMA更新：当组播子网代理通过不在同一网络的DMA接收组播数据并转发到当前网络内的多个移动接收者时，采用基于时间度量和距离度量的DMA算法。cMSA为每一个移动组播接收者建立访问者列表，定时统计这些移动节点发出的绑定更新消息的数目，并进行统计分析比较，以此来判断当前网络是否存在移动速度慢、逗留时间长的移动节点；当cMSA经过分析判断得知当前网络内存在移动速度慢、停留时间长的移动节点后，其加入组播转发树，成为新的DMA，并撤销其与先前的DMA的隧道联系；此时，当前网络内的移动组播接收者可以获得最优的组播路由路径，大大降低了组播传输时间。

所述步骤(2)中，TD-DMAMoM的快速组播切换机制为，TD-DMAMoM对文献[12]中定义的HI/HACK消息的”Multicast Address Option”选项增加”DMA Address”字段(如图4所示)；对于TD-DMAMoM，当cMSA收到pMSA发送的HI消息后，cMSA首先查询其组播路由表和访问者列表，以确定是否存在相应的组播组及DMA；若存在，则cMSA向pMSA回复HACK消息时将“Multicast Address Option”置为空；否则，cMSA将该选项复制到HACK中并发送至pMSA，同时产生包含该组播地址的隧道连接请求消息TSReq并发送到DMA；当cMSA接收到DMA肯定的回复消息TSRep后，cMSA与原DMA建立了隧道连接；否则，cMSA立即发送PIM加入消息请求加入组播组，cMSA成为新的DMA；当MN一旦接入cMSA所在的子网，可以立刻向cMSA发送FNA消息和主动的MLD成员报告消息以触发组播分组接收及更新cMSA的组播路由表和访问者列表；

对于子网内的任一组播组，当MSA通过MLD查询/响应机制确认该组没有接收者后，其向该组对应的DMA发送隧道撤消消息TCncel，并删除该组对应的组播路由表；

而在DMA一侧，DMA利用MLD维护本地网络内所有组播组的组成员关系，并向它们提供直接的组播数据转发服务；同时，DMA维护MSA列表，通过隧道向该列表记录的所有的MSA转发组播数据；当DMA收到cMSA的TSReq消息后，首先查看相应的组是否已经存在：

(1)若不存在，则为该组建立一个新的MSA列表并将cMSA的地址添加到该表中，同时产生一个包含“DMA地址”选项的回复消息TSRep，将DMA自身的地址复制到该选项中并发送至cMSA；

(2)若存在，并且DMA确认此时“MSA列表”仍有空的表项，则同意该请求，并将cMSA的地址添加到列表中，然后产生与上述(1)中相同的TSRep消息并发送cMSA；否则，将TSRep消息的“DMA地址”选项置为空，然后发送到cMSA；

当DMA收到MSA的TCncel消息后，删除“MSA列表”中该MSA的地址；当DMA查询到某组播组的MSA列表为空，表明该组既没有活动的MSA，则删除该表；若DMA发现该组在本地网络内也不存在接收者，则发送PIM剪枝消息退出相应的组播转发树。

所述步骤(3)中，DMA选择更新算法过程为：

TD-DMAMoM使用变量DMA_dec作为DMA更新的判定依据，DMA_dec的定义如下：

DMA_dec＝d*t    (1)

其中d是距离的比较判定值，称之为距离量度；t为对本地网络内是否存在停留时间较长的MN的统计判定值，称之为时间量度；d和t均为逻辑变量，取值“1”或“0”，计算如下：

(a)d的计算

假设MSA到DMA的距离及MSA到网络中组播转发树上组播路由器的最短距离，均以跳数计，分别为d_SD及d_SM，则公式(1)中的d定义为：

$d=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{if}(d\_\mathrm{SD}<d\_\mathrm{SM})\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(2\right)$

对上述距离的计算可以通过分别向DMA和组播组发送并接收处理重新定义的ICMPv6消息或简单修改的ICMP回声请求/回声应答消息来获得；

(b)t的计算

TD-DMAMoM协议要求各MSA定时统计本地网络中MN及其发出的绑定更新消息量，以判断是否存在移动速度慢、停留时间长的MN；以{MN₁，MN₂，…，MN_n}表示加入同一组播组的移动节点集合，相应的绑定更新消息量以随机变量X表示；

假设在s_t＝m*T时刻(m＝1，2，…，T为统计间隔时间，其值略大于绑定更新消息生存周期)统计得到绑定更新消息量的集合{X₁，X₂，…，X_n}，则其均值μ为：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_i---\left(3\right)$

标准差σ为：

$\mathrm{\&sigma;}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(X_i-\mathrm{\&mu;})}^2}---\left(4\right)$

根据切比雪夫不等式，其中，μ为随机变量X的均值，σ²为其方差，ε是任意正数：

$p\left\{\right|X-\mathrm{\&mu;}|<\mathrm{\&epsiv;}\}\&GreaterEqual;1-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&epsiv;}}^2}---\left(5\right)$

可以推出：

$p\left\{\right|X-\mathrm{\&mu;}|<\mathrm{k\&sigma;}\}\&GreaterEqual;1-\frac{1}{k^2},(k>1)---\left(6\right)$

公式(6)表示对于任意分布的数据，至少有

的数据落在k个标准差之内，其中k是大于1的任意值；

假设子网中属于同一组播组的平均绑定更新消息量以变量L_BU表示，并定义L_BU的计算公式如下：

L_BU＝μ+kσ    (k＞1)    (7)

则定义t如下：

至此，由公式(1)可知：如果d＝1并且t＝1成立，则DMA_dec的值为真，说明子网中存在移动速度较慢、停留时间长的节点，并且其到组播树的路由路径更加优化，此时MSA可以代表MN加入组播组，此MSA成为新的DMA。

本发明的突出优点是：

TD-DMAMoM是一种新的基于动态组播代理的移动组播协。TD-DMAMoM通过加入快速组播切换机制，有效地降低了组播服务中断时间，并充分利用移动IPv6的绑定更新机制，通过对特定子网内移动节点停留时间的统计判断，动态更新DMA，为MN提供优化的组播传输路径的同时，避免了对组播转发树的频繁重构。仿真结果表明，TD-DMAMoM是一种基于MIPv6的高性能的移动组播算法。

附图说明

图1是基于动态组播代理的移动组播协议的网络模型图；

图2是TD-DMAMoM协议MSA的数据结构图；

图3是TD-DMAMoM协议DMA的数据结构图；

图4是HI/HACK消息的组播地址选项；

图5给出了预测式(predictive)快速组播切换的协议流程；

图6是TD-DMAMoM与DMAMoM的组播数据传输延迟仿真结果；

图7是TD-DMAMoM与DMAMoM的组播切换延迟仿真结果；

图8是TD-DMAMoM与DMAMoM的组播树重构率仿真结果；

图9表示了TD-DMAMoM的整个协议流程。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

本发明针对移动组播中存在的两个主要问题，一是切换延迟问题，一是组播路由优化和组播重构问题，提出了一种新的移动组播解决方案。

本发明引入了快速组播切换机制，有效地解决了组播切换延迟问题。同时，该方案充分结合双向隧道和远程加入算法的优势，并利用组播代理这种灵活的移动组播实现方式，以一种精确化的组播代理更新算法为依据，有效地解决了移动组播路由优化和组播重构的问题。

(1)TD-DMAMoM的快速组播切换机制：DMAMoM协议中，MN移动切换后新的组播代理cMSA需要从原DMA通过隧道接收分组。这种代理之间的协商机制并不利于降低组播切换延迟。为了解决上述问题，TD-DMAMoM采用经过简单修改的移动IPv6快速组播切换协议[12]。同DMAMoM的组播切换机制相比，TD-DMAMoM不仅实现了无缝的快速组播切换，同时保持了与现有协议的兼容性，降低了系统的复杂性。

为了符合TD-DMAMoM协议的要求，需要对文献[12]中定义的HI/HACK消息的“MulticastAddress Option”进行修改并对原协议规范做出新的解释。

如图4所示，TD-DMAMoM在该选项中增加了“DMAAddress”字段。对于TD-DMAMoM，当cMSA收到pMSA发送的HI消息后，cMSA首先查询其组播路由表和访问者列表，以确定是否存在相应的组播组及DMA。若存在，则cMSA向pMSA回复HACK消息时将“Multicast AddressOption”置为空，否则，cMSA将该选项复制到HACK中并发送至pMSA，同时产生包含该组播地址的隧道连接请求消息TSReq并发送到DMA。当cMSA接收到DMA肯定的回复消息TSRep后，cMSA与原DMA建立了隧道连接。否则，cMSA立即发送PIM加入消息[6]请求加入组播组，cMSA成为新的DMA。当MN一旦接入cMSA所在的子网，可以立刻向cMSA发送FNA消息[12]和主动的MLD成员报告消息[10]以触发组播分组接收及更新cMSA的组播路由表和访问者列表。

对于子网内的任一组播组，当MSA通过MLD查询/响应机制确认该组没有接收者后，其向该组对应的DMA发送隧道撤消消息TCncel，并删除该组对应的组播路由表。

而在DMA一侧，DMA利用MLD维护本地网络内所有组播组的组成员关系，并向它们提供直接的组播数据转发服务。同时，DMA维护“MSA列表”，通过隧道向该列表记录的所有的MSA转发组播数据。当DMA收到cMSA的TSReq消息后，首先查看相应的组是否已经存在：

(1)若不存在，则为该组建立一个新的MSA列表并将cMSA的地址添加到该表中，同时产生一个包含“DMA地址”选项的回复消息TSRep，将DMA自身的地址复制到该选项中并发送至cMSA。

(2)若存在，并且DMA确认此时“MSA列表”仍有空的表项，则同意该请求，并将cMSA的地址添加到列表中，然后产生与上述(1)中相同的TSRep消息并发送cMSA；否则，将TSRep消息的“DMA地址”选项置为空，然后发送到cMSA。

当DMA收到MSA的TCncel消息后，删除“MSA列表”中该MSA的地址。当DMA查询到某组播组的MSA列表为空，表明该组既没有活动的MSA，则删除该表。若DMA发现该组在本地网络内也不存在接收者，则发送PIM剪枝消息[6]退出相应的组播转发树。

上述快速切换流程可以总结归纳为图5所示的流程图。

隧道连接请求消息TSReq、回复消息TSRep及隧道撤销消息TCncel可以定义为ICMPv6信息消息，因此，上述消息的详细格式可以参考文献[13]。

(2)DMA选择更新算法：不同于DMAMoM，TD-DMAMoM充分利用节点的移动速率及移动方式来改善协议的性能。当MN高速移动时，快速组播切换机制保证其可以获得无缝的组播切换，大大降低了组播服务中断延迟，同时避免了组播树的频繁重构。当MN低速移动时，MN所在子网的MSA会加入组播组，从而获得优化的组播传输路径。为了实现上述目标，TD-DMAMoM协议结合移动IP规范[1]中移动节点的转交地址注册及绑定更新机制，定时统计节点发出的绑定更新消息的数量：MN移动越慢，在子网的覆盖范围一定的情况下，MN在此网络内停留的时间越长，其向HA发出的绑定更新消息数也越多。在此情况下，MSA如果仍依赖于隧道方式转发组播数据，会导致组播性能的降低[14]，此时MSA更适合直接加入组播组，成为新的DMA。

另一方面，DMA管理的本地MN的多少及与各MSA之间的隧道数亦是影响系统性能的重要因素。因此当“MSA列表”存储的MSA数量较多时，会加重DMA的负担，同时可能带来“长隧道”问题[2]。

在上述条件下，TD-DMAMoM使用变量DMA_dec作为DMA更新的判定依据。DMA_dec的定义如下：

DMA_dec＝d*t    (1)

其中d是距离的比较判定值，我们称之为距离量度；t为对本地网络内是否存在停留时间较长的MN的统计判定值，我们称之为时间量度。d和t均为逻辑变量，取值“1”或“0”，计算如下：

(a)d的计算

假设MSA到DMA的距离及MSA到网络中组播转发树上组播路由器的最短距离(均以跳数计)分别为d_SD及d_SM，则公式(1)中的d定义为：

$d=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{if}(d\_\mathrm{SD}<d\_\mathrm{SM})\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(2\right)$

对上述距离的计算可以通过分别向DMA和组播组发送并接收处理重新定义的ICMPv6消息或简单修改的ICMP回声请求/回声应答(Echo Request/Echo Reply)[15]消息来获得。

(b)t的计算

TD-DMAMoM协议要求各MSA定时统计本地网络中MN及其发出的绑定更新消息量，以判断是否存在移动速度慢、停留时间长的MN。我们以{MN₁，MN₂，…，MN_n}表示加入同一组播组的移动节点集合，相应的绑定更新消息量以随机变量X表示。

假设在s_t＝m*T时刻(m＝1，2，…，T为统计间隔时间，其值略大于绑定更新消息生存周期)统计得到绑定更新消息量的集合{X₁，X₂，…，X_n}，则其均值μ为：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_i---\left(3\right)$

标准差σ为：

$\mathrm{\&sigma;}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(X_i-\mathrm{\&mu;})}^2}---\left(4\right)$

根据切比雪夫(Chebyshev)不等式(其中，μ为随机变量X的均值，σ²为其方差，ε是任意正数)：

$p\left\{\right|X-\mathrm{\&mu;}|<\mathrm{\&epsiv;}\}\&GreaterEqual;1-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&epsiv;}}^2}---\left(5\right)$

可以推出：

$p\left\{\right|X-\mathrm{\&mu;}|<\mathrm{k\&sigma;}\}\&GreaterEqual;1-\frac{1}{k^2},(k>1)---\left(6\right)$

公式(6)表示对于任意分布的数据，至少有

的数据落在k个标准差之内，其中k是大于1的任意值。

假设子网中属于同一组播组的平均绑定更新消息量以变量L_BU表示，并定义L_BU的计算公式如下：

L_BU＝μ+kσ    (k＞1)    (7)

则定义t如下：

至此，由公式(1)可知：如果d＝1并且t＝1成立，则DMA_dec的值为真，说明子网中存在移动速度较慢、停留时间长的节点，并且其到组播树的路由路径更加优化，此时MSA可以代表MN加入组播组，此MSA成为新的DMA。

下面介绍TD-DMAMoM的具体实现过程。

(1)初始状态：当MN在当前网络(可能是家乡网络，也可能是外地网络)中对组播组G感兴趣时，便通过MLD查询/响应机制或主动的MLD报告消息告知当前子网的组播代理cMSA。当cMSA接收到该成员报告消息后，cMSA首先查询其组播路由表[9]：

◆如果对于组播组G，相应的组播路由表已经存在，则cMSA将该MN的地址添加到组播路由表的出接口列表(Egress Interface List)中，然后查看该组播组G相应的隧道状态(Tunnel_State)。

如果隧道已经开启，表明当前子网中已经存在该组播组G的组成员，并且cMSA正在通过隧道从DMA接收组播数据，然后cMSA将MN的地址及其DMA的地址添加到相应的访问者列表(Visitor Table)中，并统计其发出的绑定更新消息的数目，将数值保存于相应的NoBU表项中(如图2所示，TD-DMAMoM同DMAMoM一样，MSA需要维护一张组播路由表(MulticastRoute Table)。同时，TD-DMAMoM修改了DMAMoM定义的访问者列表(Visitor Table)：在表项中增加“NoBU(Number of Binding Update)”项，表项中与MN对应的NoBU值表示MN在当前子网内发出的绑定更新消息的数目，TD-DMAMoM使用此记录值作为DMA更新的依据之一)。

如果该组播组G相应的隧道状态已经关闭(比如组G的移动接收者刚刚离开当前网络，但该组播路由表尚未撤销)，则cMSA为MN创建新的访问者列表。出于路由优化的考虑，cMSA即为MN新的DMA，因此相应的MSA列表也会被创建(由于此cMSA同时也是DMA，所以该表的首表项填写cMSA的地址)。

◆如果对于组播组G，相应的组播路由表并不存在，则说明MN是当前网络中该组的第一个组成员。相应的组播路由表、访问者列表及MSA列表会被创建。

当上述过程结束之后，cMSA启动组播转发机制，开始向MN转发组播包。

(2)当MN离开当前网络，切换到相邻的另一网络后，由TD-DMAMoM的快速组播切换机制及图4可以看出：该切换过程不仅包括了子网切换，同时也完成了组播代理的切换。因此，该切换过程是一种优化的、高效的快速组播切换机制，可以大大降低组播切换延迟。

本发明同时考虑到如下情况：对于存在多个移动接收者的子网，如果该子网的代理是通过不在本地网络的DMA接收组播数据(经由隧道)，存在的问题是：该组播路由路径可能是次优的，并且可能存在比当前所使用的DMA更为合适的组播树枝节点。出于上述考虑，TD-DMAMoM引入了基于时间度量和距离度量的DMA更新算法。如前所述，cMSA为每一个移动组播接收者建立访问者列表，定时统计这些移动节点发出的绑定更新消息的数目，并进行统计分析比较，以此来判断当前网络是否存在移动速度慢、逗留时间长的移动节点。当cMSA经过分析判断得知当前网络内存在移动速度慢、停留时间长的移动节点后，其加入组播转发树，成为新的DMA，并撤销其与先前的DMA的隧道联系。此时，当前网络内的移动组播接收者可以获得最优的组播路由路径，大大降低了组播传输时间。

上述TD-DMAMoM协议过程如图9所示。

为了验证该方法是否达到了预期的目的，我们使用离散事件模拟器NS2对DMAMoM及TD-DMAMoM两种移动组播方案进行仿真对比。使用gt-itm产生分层网络拓扑，该拓扑包含450个有线节点及400个基站节点。MN以仿真开始时所在的第一个子网作为家乡网络，并从该子网中的多个基站中随机选择一个作为家乡代理。选择一个有线节点作为组播源，并采用PIM-SM协议构造组播树。组播源以恒定速率(1Mbytes/s)发送组播分组，使用UDP进行传输。产生1～50个移动节点作为组播分组的接收者。仿真过程中，MN随机移动，其组成员关系保持不变。仿真中设置DMAMoM和TD-DMAMoM的MSA列表大小均为5。仿真时间为t_s＝5000s。

图6是TD-DMAMoM与DMAMoM的组播数据传输延迟的比较。移动组播接收者的个数为1～50，仿真时间为5000s。

组播数据传输延迟是组播分组从组播源到各个MN的传输延迟。包括：分组从源到DMA的传输延迟、从DMA经由MSA到MN的传输延迟(经由隧道)，由于TD-DMAMoM采用更加精确的DMA更新算法为MN动态选择DMA，因此相对于DMAMoM简单地以“路径增加值”作为DMA的选择算法，TD-DMAMoM避免了DMA→MSA→MN的长隧道的出现，优化了组播传输路径，显著降低了组播数据的传输延迟。同时，从图中可以看出，随着加入组播会话的MN个数的增加，组播分组传输延迟略有下降，这是因为随着网络拓扑的增大，随机移动的MN靠近组播源的概率增大，组播源与DMA之间的平均距离减小，从而组播源→DMA传输延迟降低。如在MN数目为5，且运行DMAMoM协议时，测得的平均传输延迟为1042.4ms，而运行TD-DMAMoM协议时，测得的平均传输延迟为940.4ms。而当MN数目为40，且运行DMAMoM协议时，测得的平均传输延迟为1009.2ms，而运行TD-DMAMoM协议时，测得的平均传输延迟为910.3ms。

图7是TD-DMAMoM与DMAMoM的组播切换延迟的比较。移动组播接收者的个数为1～50，仿真时间为5000s。

MN从一个子网移动到另一个子网时，移动切换会导致组播服务中断。该时间值，即MN在cMSA收到第一个组播数据与其在pMSA收到最后一个组播数据的时间差，包括MN在cMSA获得新的转交地址并完成绑定注册的时间t₁，及MN以此转交地址收到组播分组的时间t₂。由于DMAMoM和TD-DMAMoM都是基于MIPv6协议[1]，因此对于这两种方案，t₁是相同的。t₂是MN获得新的转交地址直至在cMSA所在子网中开始收到组播分组的时间。由于TD-DMAMoM优化了组播源→DMA的传输路径及避免了DMA→MSA→MN的长隧道，降低了分组从组播源/DMA→MN的传输时间t₂，因而MN在子网间切换时组播服务中断时间也随之降低。

图8是TD-DMAMoM与DMAMoM的组播树重构率的比较。移动组播接收者的个数为1～50，仿真时间为5000s，移动节点的速度分别为10m/s和20m/s。

本发明以MN在组播会话中DMA计算更新次数与MSA切换次数的比值作为衡量组播树重构率的参数。由图中对比可以看出，当节点移动速率增加时，组播树的重构频率会随之增大。TD-DMAMoM在保证相对优化的组播传输路径的前提下，通过对MN在特定子网内驻留时间的统计判断动态选择DMA，因此当节点移动较快时，相对于DMAMoM，TD-DMAMoM仍然可以获得较低的组播树重构频率。如在MN数目为40且移动速度为10m/s的情况下，当使用DMAMoM协议时，测得的组播树重构率为3.75％，同等条件下运行TD-DMAMoM协议时，测得的组播树重构率为2.87％；当MN的速度变为20m/s而上述其他条件不变时，相应的组播树重构率分别为4.67％和3.70％。

综合上述仿真结果可以看出，本发明提出的TD-DMAMoM协议有效地降低了组播切换延迟，因而其适用于实时性要求较高的移动环境下的多媒体组播应该中。同时，它对于移动组播中的路由优化和组播树重构问题给予了很好地解决，并且尽量避免了对现有协议的修改，因而是一个简单的、高效地移动组播解决方案。

由此可见，本发明达到了预期的目的。

上述内容中的参考文献包括：

[1]D.Johnson，C.Perkins，J.Arkko.Mobility Support in IPv6. IETF RFC 3775， June 2004.

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Claims (3)

1.一种新型IPv6网络移动组播方法，其特征是，它的方法为：

(1)初始状态：当移动节点MN在当前网络中对组播组G感兴趣时，便通过组播侦听者发现MLD查询/响应机制或主动的MLD报告消息告知当前子网组播代理cMSA；当cMSA接收到该成员报告消息后，cMSA首先查询其组播路由表：

(a)如果对于组播组G，相应的组播路由表已经存在，则cMSA将该移动节点的地址添加到组播路由表的出接口列表中，然后查看该组播组G相应的隧道状态：

如果隧道已经开启，表明当前子网中已经存在该组播组G的组成员，并且cMSA正在通过隧道从动态组播代理DMA接收组播数据，然后cMSA将该移动节点的地址及其DMA的地址添加到相应的访问者列表中，并统计其发出的绑定更新消息的数目，将数值保存于相应的绑定更新数NoBU表项中；

如果该组播组G相应的隧道状态已经关闭，则cMSA为移动节点创建新的访问者列表；

(b)如果对于组播组G，相应的组播路由表并不存在，则说明该节点是当前网络中该组的第一个组成员，之后相应的组播路由表、访问者列表及组播子网代理MSA列表会被创建；

当上述过程结束之后，cMSA启动组播转发机制，开始向该节点转发组播包；

(2)当移动节点离开当前网络，切换到相邻的另一网络后，由基于动态组播代理的移动组播协议TD-DMAMoM的快速组播切换机制进行子网切换和组播代理的切换；TD-DMAMoM的快速组播切换机制为，对于在不同的子网间切换的移动节点，为了便于交换组播代理的信息，TD-DMAMoM需要修改切换发起/切换确认HI/HACK消息格式；

(3)DMA更新：当组播子网代理通过不在同一网络的DMA接收组播数据并转发到当前网络内的多个移动接收者时，采用基于时间度量和距离度量的DMA算法；cMSA为每一个移动组播接收者建立访问者列表，定时统计这些移动节点发出的绑定更新消息的数目，并进行统计分析比较，以此来判断当前网络是否存在移动速度慢、逗留时间长的移动节点；当cMSA经过分析判断得知当前网络内存在移动速度慢、停留时间长的移动节点后，其加入组播转发树，成为新的DMA，并撤销其与先前的DMA的隧道联系；此时，当前网络内的移动组播接收者可以获得最优的组播路由路径，大大降低了组播传输时间。

2.如权利要求1所述的新型IPv6网络移动组播方法，其特征是，所述步骤(2)中，TD-DMAMoM需要修改切换发起/切换确认HI/HACK消息格式为，在HI/HACK消息的″Multicast Address Option″选项中增加″DMA Address″字段；当cMSA收到前组播子网代理前组播子网代理pMSA发送的HI消息后，cMSA首先查询其组播路由表和访问者列表，以确定是否存在相应的组播组及DMA；若存在，则cMSA向pMSA回复HACK消息时将Multicast Address Option置为空；否则，若不存在，cMSA将该选项复制到HACK中并发送至pMSA，同时产生包含该组播地址的隧道连接请求消息TSReq并发送到DMA；当cMSA接收到DMA肯定的回复消息TSRep后，cMSA与原DMA建立了隧道连接；否则，cMSA立即发送协议无关组播PIM加入消息请求加入组播组，cMSA成为新的DMA；当MN一旦接入cMSA所在的子网，可以立刻向cMSA发送快速邻居发现FNA消息和主动的MLD成员报告消息以触发组播分组接收及更新cMSA的组播路由表和访问者列表；

对于子网内的任一组播组，当MSA通过MLD查询/响应机制确认该组没有接收者后，其向该组对应的DMA发送隧道撤消消息TCncel，并删除该组对应的组播路由表；

而在DMA一侧，DMA利用MLD维护本地网络内所有组播组的组成员关系，并向它们提供直接的组播数据转发服务；同时，DMA维护MSA列表，通过隧道向该列表记录的所有的MSA转发组播数据；当DMA收到cMSA的TSReq消息后，首先查看相应的组是否已经存在：

(1)若不存在，则为该组建立一个新的MSA列表并将cMSA的地址添加到该表中，同时产生一个包含“DMA地址”选项的回复消息TSRep，将DMA自身的地址复制到该选项中并发送至cMSA；

(2)若存在，并且DMA确认此时“MSA列表”仍有空的表项，则同意该请求，并将cMSA的地址添加到列表中，然后产生与上述(1)中相同的TSRep消息并发送cMSA；否则，将TSRep消息的“DMA地址”选项置为空，然后发送到cMSA；

当DMA收到MSA的TCncel消息后，删除“MSA列表”中该MSA的地址；当DMA查询到某组播组的MSA列表为空，表明该组既没有活动的MSA，则删除该表；若DMA发现该组在本地网络内也不存在接收者，则发送PIM剪枝消息退出相应的组播转发树。

3.如权利要求1所述的新型IPv6网络移动组播方法，其特征是，所述步骤(3)中，DMA选择更新算法过程为：

TD-DMAMoM使用变量DMA_dec作为DMA更新的判定依据，DMA dec的定义如下：

DMA_dec＝d*t    (1)

其中d是距离的比较判定值，称之为距离量度；t为对本地网络内是否存在停留时间较长的MN的统计判定值，称之为时间量度；d和t均为逻辑变量，取值“1”或“0”，计算如下：

(a)d的计算

假设MSA到DMA的距离及MSA到网络中组播转发树上组播路由器的最短距离，均以跳数计，分别为d_SD及d_SM，则公式(1)中的d定义为：

$d=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{if}(d\_\mathrm{SD}<d\_\mathrm{SM})\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(2\right)$

对上述距离的计算可以通过分别向DMA和组播组发送并接收处理重新定义的第六版互联网控制信息协议ICMPv6消息或简单修改的互联网控制信息协议ICMP回声请求/回声应答消息来获得。

(b)t的计算

TD-DMAMoM协议要求各MSA定时统计本地网络中MN及其发出的绑定更新消息量，以判断是否存在移动速度慢、停留时间长的MN；以{MN₁，MN₂，…，MN_n}表示加入同一组播组的移动节点集合，相应的绑定更新消息量以随机变量X表示；

设在s_t＝m*T时刻，其中m取自然数，T为统计间隔时间，T的值大于绑定更新消息生存周期。统计得到绑定更新消息量的集合{X₁，X₂，…，X_n}，则其均值μ为：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{X}_i---\left(3\right)$

标准差σ为：

$\mathrm{\&sigma;}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(X_i-\mathrm{\&mu;})}^2}---\left(4\right)$

根据切比雪夫不等式，其中，μ为随机变量X的均值，σ²为其方差，ε是任意正数：

$p\left\{\right|X-\mathrm{\&mu;}|<\mathrm{\&epsiv;}\}\&GreaterEqual;1-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{{\mathrm{\&epsiv;}}^2}---\left(5\right)$

可以推出：

$p\left\{\right|X-\mathrm{\&mu;}|<\mathrm{k\&sigma;}\}\&GreaterEqual;1-\frac{1}{k^2},(k>1)---\left(6\right)$

公式(6)表示对于任意分布的数据，至少有

的数据落在k个标准差之内，其中k是大于1的任意值；

假设子网中属于同一组播组的平均绑定更新消息量以变量L_BU表示，并定义L_BU的计算公式如下：

L_BU＝μ+kσ(k＞1)(7)

则定义t如下：

至此，由公式(1)可知：如果d＝1并且t＝1成立，则DMA_dec的值为真，说明子网中存在移动速度较慢、停留时间长的节点，并且其到组播树的路由路径更加优化，此时MSA可以代表MN加入组播组，此MSA成为新的DMA。

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