多階無線區域網路之群播管理 (Ⅱ)
Multicasting in Multihop Wireless LANs (Ⅱ)
計劃編號: NSC89-2213-E-009-206
執行日期: 89/8/1 - 90/7/30
主持人 : 王國禎
國立交通大學資訊科學系教授
一、中文摘要
（關鍵詞：無基礎架構的 無 線 網 路 、 智 慧 型 、 網 狀 傳 遞 架 構 、 群 播、基於需求。） 本計畫第二年旨在改善第一年所提的 群播路由協定並實作之。修改的協定稱之 為基於需求之智慧型群播路由協定 (IOD-MRP) 。 它 適用 於網路拓樸快速變動的網 路，如無基礎架構的無線網路。此協定乃 是簡化並改善原核心協助式網狀群播協定 (CAMP) 而發展出來的。兩者主要的差異在 於我們的協定不用核心 (core) 這個輔助 角色。取而代之的是利用基於需求之接收 者觸發程序，動態地建立群播路由，並維 持群播族群關係。此外，我們還設計一個 智慧型行動管理程序來監視群播資料流， 以得知群播網的連結狀態。因此，我們可 以減低行動主機移動所造成的影響並使群 播網最佳化。在無基礎架構的無線網路中 防止封包氾濫是一個很重要的研究主題。 而藉著此程序我們的群播協定可以降低封 包氾濫的訊息量。模擬結果顯示，IOD-MRP 比CAMP的封包氾濫訊息量少了3% 到13%， 而且也稍微減低了群播封包的傳遞延遲和 群播封包的遺失率。此外，我們也實作了 此群播路由協定，同時也撰寫一個群播聊 天室，來展示執行成果。英 文 摘 要
(Keywor ds: ad hoc networks,intelligent, mesh, multicast, on-demand)
In this second year project, we enhance the multicast protocol proposed in the first year and then implement it. The enhanced protocol is called an intelligent on-demand multicast routing protocol (IOD-MRP) which is suited in rapidly changing network
environments, such as ad hoc networks. This protocol simplifies and enhances the existing core-assisted mesh protocol (CAMP). The main difference between our protocol and CAMP is eliminating the cores from CAMP. We remove the cores from CAMP and apply an on-demand receiver-initiated procedure to
dynamically build routes and maintain
multicast group membership. In addition, an intelligent mobility management procedure is used to monitor multicast traffic and learn about link states of the mesh. As a result, the effect of mobility can be reduced and the mesh structure can be optimized. Flooding is an important issue in ad hoc networks and our protocol is able to reduce flooding messages by using this procedure. Simulation results show that IOD-MRP reduces number of control messages by 3% -- 13% compared to CAMP with slightly decreasing packet delay and packet loss rate. In addition, we have implemented the multicast routing protocol and also have written a multicast chat room to demonstrate the efficiency of the protocol.
二、計劃緣由與目的
由於工商業快速發展產生了大量通信 與便利性需求，促使無線通訊在未來市場 上所扮演的角色越來越重要，然而有限的 頻寬成了無線網路的一大限制，所以頻寬 的使用應該要更有效率。由於大部分特殊 無線網路往往是建立在無法經濟地建立有 線網路的特殊場所，再加上網路拓樸型態 (topology) 迥異於傳統蜂巢式網路，使得 在傳統網路執行效能很好的網路協定一旦 移植到結合上述兩種網路的多階無線區域 網路上，往往效能低落。有鑑於此，本研 究計畫將提出一個有別於傳統有線網路群 播方式之有效率動態群播路由安排方法，以適用於以網際網路為主幹之多階無線區 域網路。此一多階無線區域網路架構可以 大量減少傳統蜂巢式網路的基地台建置成 本及行動主機耗電量，並增加特殊無線網 路的應用範圍及發揮其機動特性。 在傳統有線區域網路或是含基礎骨幹 之無線區域網路，有效率的群播協定需保 證每個群播封包只會被任一目的地行動主 機接收一次，而其做法是每個群播封包連 同要接收它的所有目的地行動主機的位址 陣 列 (received address array) 都 會 被 傳送到每個基地台。如此一來，不管任一 目的地行動主機移動到哪個基地台之下， 該基地台都有一份群播封包在等著它，只 要基地台在傳送之前先確認該目的地行動 主機是否在先前的基地台就已收到群播封 包即可。更有論文保證在不充斥訊息於網 路的前提下，只要在傳送群播封包時伴隨 一些額外的資料結構，便可以做到所傳送 的群播封包在基地台按照封包先後順序處 理 BS-FIFO (base station – first in first out)和在行動主機按照封包到達先 後 順 序 處 理 MH-FIFO (mobile host – first in first out)，此需要額外的機制 來處理行動主機的位置管理問題。
然 而 當 網 路 擴 大 成 網 際 網 路 (Internet) 時，source based tree 之群 播協定便因不同傳送者 (senders) 不能共 用群播樹使得擴充性 (scalability) 變差 而 不 適 用 ， 故 本 計 劃 將 改 良 有 線 網 路 shared based tree (如 core-based tree) 之群播協定，使得會員 (member) 加入群 播 樹 時 不 一 定 要 將 join_reguest 送 給 core，亦即，join_reguests 之目的地位 址 (destination address) 可能為群播樹 之 core 或 離 欲 加 入 會 員 最 近 之 群 播 樹 router 或 群 播 樹 內 其 他 member-router，如此一來 join_reguest 所經過 的路由器 (router) 數目減少，使得加入 延遲 (join delay) 和路由器訊息交換負 擔 (packet switch load) 減少。
以上所提及的群播路由安排方法，行 動主機和基地台扮演著截然不同的角色。 然而在多階無線區域網路中，由於行動主 機 的 移 動 頻 繁 會 造 成 網 路 拓 樸 型 態 (topology)的迅速改變，使得行動主機需 直接和相鄰行動主機通訊和透過基地台或 第三著行動主機的協助來與非相鄰的行動 主機間接通訊。在如此的環境之下，有些 文 獻 提 出 路 由 安 排 協 定 ， 藉 由 路 由 維 護 (route maintenance) ， 路 由 發 掘 (route discovery) 及 路 由 選 擇 原 則 (route selection criteria) 來 解 決 單 點 播 送 (unicast)所碰到的問題。雖然群播可由若 干個單點播送來模擬，其代價卻是浪費網 路頻寬。故在此考量下，本研究計畫將針 對以網際網路為主幹之多階無線區域網路 提 出 一 個 有 效 率 的 動 態 群 播 路 由 安 排 方 法，並實現之。 藉由本計畫之研究，可確保在不癱瘓 網 路 的 前 提 之 下 會 有 較 少 的 join delay 和 end-to-end delay，並使群播封包會完 整的送到所有會員 (members)， 因而可使 多階無線區域網路的頻寬更有效率的被使 用 。 本 研 究 成 果 可 以 應 用 於 無 線 出 版 (wireless publishing or broadcast disk)、視訊隨選點播(video on demand) 及 網 路 視 訊 會 議 (network video conference)。無線出版可隨時隨地提供行 動主機使用者掌握下列各種動態資料: 股 市 行 情 ， 共 同 基 金 ， 商 品 價 格 ， 運 動 成 績，交通狀況及工廠樓層狀況等工商業資 訊，而視訊隨選點播則可隨時隨地滿足一 般消費者之收視偏好及習慣。網路視訊會 議則可利用網路無國界無距離的特性，讓 會議經由網路舉行，以提高會議的品質及 時效性。
三、研究方法及成果
為了解決無線網路中群播的問題，我 們提出了一個群播協定。此協定乃是基於 需求之智慧型群播路由協定。下列為此協 定的特色︰ l 群播結構由傳統的樹狀結構改成網狀結 構 (mesh type)。 l 基於需求動態建構。 l 不再需要核心 (core) 這個角色。 l 移動性 (mobility) 的影響將被區域 化。 l 網狀結構的節點選擇會依照連結狀態(link states)和移動性(mobility)來 決定。 l 藉由減少控制訊息的數目來節省更多的 頻寬。 當某個網路節點要加入群播群時，此 節 點 會 進 入 Brocast-JOIN_REQ 模 式 或 是 Unicast-JOIN-REQ模式。這兩個加入模式 可以使節點加入群播群的時間間隔最短， 且所花費的控制訊息數比傳統的方式還要 少。圖(一)和圖(二)顯示了這兩種模式的 運作流程圖。至於欲加入的節點要進入哪 一個模式，乃是取決於此節點是否含有欲 加 入 群 播 群 的 路 由 資 訊 。 在 下 列 的 情 形 下 ， 欲 加 入 的 節 點 會 進 入 Unicast-JOIN-REQ模式︰ l 欲加入節點本身就在欲加入群播群的網 狀結構上。 l 欲加入節點至少有一個鄰近的節點是屬 於欲加人群播群的網狀結構上。 l 欲 加 入 節 點 收 到 欲 加 入 群 播 群 的 Broadcast-JOIN-REQ封包。 Unicast-JOIN-REQ模式可以讓欲加入 節點以unicast的方式傳送join request封 包給欲加入的群播群。此模式可以減少封 包 氾 濫 (flooding) 的 次 數 。 不 同 於 Unicast-JOIN-REQ模 式 ， Broadcast-JOIN-REQ模式是用expanded ring search的方式 來建立路由資訊。此方式會用到較多的控 制訊息封包，為了減少控制訊息封包的數 目，只有在當網路節點完全沒有欲加入群 播群的路由資訊時才會使用這個方式。圖 (一)和圖(二)是這兩種模式的流程圖。 我們提出了一個智慧型的程序來維持 已加入之群播節點的路由資訊。這個程序 有下列的功能︰ l 處理移動性的問題。 l 群播網狀結構之最佳化。 l 減少多餘的控制訊息。 在成功加入群播網狀結構之後，這個 智慧型的程序會監視群播資料流的動向。 藉此，此程序可以為群播網狀結構找到比 較好的路由路徑。而我們用以下兩點來判 斷怎麼樣的資料流代表著最佳路徑︰ l 如果大部分的群播資料都先由某個路徑 傳送過來，那麼這條路徑必定是最短路 徑。 l 在保證最短路徑的同時，這條路徑的封 包遺失率還不能低於某個程度。我們以 這個方式來保證此路徑具有不錯的連結 狀態。 我們用軟體模擬的方式來證明所提出 的協定是可以用在大型的ad hoc網路上。 模 擬 結 果 將 於 下 一 節 討 論 。 除 了 模 擬 之 外 ， 我 們 還 實 作 能 相 容 於 IGMP 的 路 由 程 式。只要執行此程式，任何使用IGMP的群 播軟體，都可以在ad hoc網路下使用。此 程式執行平台為Windows98，我們利用四台 筆記型電腦以及Z-COM無線網路卡實作了此 群播路由協定，同時也撰寫一個群播聊天 室，來展示執行成果。
四、討論與結論
我們用軟體模擬的方式拿 CAMP 和我 們的協定(IOD-MRP)做比較。而 ad hoc 網 路的模組架構則是參考 ns-2 的架構。我們 比較了下列幾個參數︰ l 移動性對控制訊息量的影響︰控制訊息 量會因移動性增加而增加。由圖(三)結 果顯示，IOD-MRP 的控制訊息量較少， 尤其是在移動性較高的環境下。 l 移動性對群播封包延遲的影響︰封包延 遲的大小會因移動性增加而增加。由圖 (四)結果顯示，這兩個協定的封包延遲 差不多。 l 移動性對群播封包遺失率的影響︰封包 遺失率的大小會因移動性增加而增加。 由圖(五)結果顯示，這兩個協定的遺失 率差不多，因為這兩個協定同樣都使用 網狀群播結構。 l 網路節點數對控制訊息量的影響︰控制 訊息量會因網路節點數目增加而增加。 模擬數據顯示，使用 IOD-MRP 這個新 的協定，在有稍微較好的封包遺失率和封 包 延 遲下 ， 可以 減 少 3% 13%的 控 制 訊 息 量。因此，我們的協定確實具有高效能的 特性，可以解決 ad hoc 網路下群播協定效 能瓶頸的問題。此外，實作結果也顯示其 良好的執行效率。五、參考文獻
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六、圖表
Begin Send out Unicast-JOIN-REQ to every sender in MRT Wait for ACK If success Modify MRT;join successfully End
If retransmission time = 0 Enter Broadcast-JOIN-REQ mode Retransmission time - 1 ACK received yes time out no yes no 圖（一）Unicast-JOIN-REQ模式的流程圖。 Receive Broadcast-JOIN-REQ Duplicate ? MRT has routing Info. ? Check active flag
Set as intermediate node and send Unicast-JOIN-REQ
W ait for ACK
Modify MRT and send positive ACK
back to requester Discard this packet Record it in MRT if TTL = 0 Store in cache and re-broadcast
Delete the Info. in M RT; No need to send ACK back
End no
yes
inactive
received positive ACK active yes no yes no tim e out or negative ACK TTL - 1 圖（二）Broadcast-JOIN-REQ模式的流程圖。 圖（三）移動性對控制訊息數量的影響。 圖（四）移動性對群播封包延遲的影響。 圖（五）移動性對群播封包遺失率的影響。 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 2.16 10.8 18 36 72 108 144 180 216 252 288 Average speed (km/hr)
Number of control messages
IOD-MRP CAMP 107 108 109 110 111 112 113 2.16 10.8 18 36 72 108 144 180 216 252 288 Average Speed (km/hr) Packet delay (ms) IOD-MRP CAMP 4.6 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8 6 2.16 10.8 18 36 72 108 144 180 216 252 288 Average speed (km/hr) Packet loss (%) IOD-MRP CAMP
