基于 PMIPv6的高速鐵路信息網(wǎng)絡(luò)

陳 蕙

*北京交通大學(xué)通信與信息系統(tǒng)北京市重點實驗室 工程碩士研究生,100044 北京

最近幾年,乘客對于列車附加功能的要求越來越高,伴隨著無線技術(shù) (例如藍(lán)牙、超帶寬和衛(wèi)星)的發(fā)展,在高速列車中部署移動互聯(lián)網(wǎng)將成為鐵路發(fā)展的新興業(yè)務(wù)。

雖然 IPv6(MIPv6),FMIPv6和 HMIPv6為高速列車的移動互聯(lián)網(wǎng)接入提供了較為完整的移動性解決方案,但這些方案在終端參與到移動性信令交互過程中需要移動終端擴展相應(yīng)的功能,從而限制了其在列車環(huán)境下的應(yīng)用。為此,研究由 IETF NETLMM工作組頒布的基于網(wǎng)絡(luò)的移動性管理協(xié)議 (PMIPv6)在高速列車環(huán)境下的應(yīng)用。

1 PM IPv6協(xié)議流程

PMIPv6是在移動 IPv6的基礎(chǔ)上引入了本地移動錨點 (LMA)和移動接入網(wǎng)關(guān) (MAG)2個新的功能實體。LMA支持移動 IPv6中家鄉(xiāng)代理的功能,并對其綁定緩存進(jìn)行了擴展,增加了代理移動IPv6標(biāo)識,移動節(jié)點標(biāo)識、接口標(biāo)識、鏈路本地地址、IPv6家鄉(xiāng)前綴、雙向隧道標(biāo)識、接入技術(shù)標(biāo)識和時間戳等選項。此外,LMA為每個移動節(jié)點分配 1個惟一的前綴,若移動節(jié)點有多個網(wǎng)絡(luò)接口,則為每個接口分配 1個網(wǎng)絡(luò)前綴。MAG是移動節(jié)點在接入鏈路上的默認(rèn)路由器,主要功能:①檢測移動節(jié)點的接入和離開;②通告移動節(jié)點的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴來模擬節(jié)點的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò);③為移動節(jié)點構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸通道。代理移動IPv6域的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PMIPv6的注冊過程如圖 2所示。移動節(jié)點進(jìn)入一個代理移動 IPv6域后,其當(dāng)前接入鏈路的移動接入網(wǎng)關(guān)將獲得其標(biāo)識,據(jù)此移動接入網(wǎng)關(guān)可以對移動節(jié)點進(jìn)行代理移動 IPv6服務(wù)的認(rèn)證。如果網(wǎng)絡(luò)決定為該移動節(jié)點提供代理移動 IPv6服務(wù),則移動節(jié)點可以使用任何被允許的地址配置機制在連接接口獲得地址配置,并且可以在代理移動IPv6域內(nèi)任意移動。移動節(jié)點所獲得的地址配置包括根據(jù)家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴生成的地址,當(dāng)前鏈路的默認(rèn)路由器地址和其他相關(guān)的配置參數(shù)。從移動節(jié)點的角度看,整個代理移動 IPv6域是一個單獨的鏈路。網(wǎng)絡(luò)將使移動節(jié)點認(rèn)為它一直處在獲得初始地址配置的那個鏈路上,即使移動節(jié)點改變了自己在網(wǎng)絡(luò)中的接入點。

圖1 代理移動 IPv6域

圖2 代理移動IPv6注冊過程

發(fā)往 MN和來自 MN的數(shù)據(jù)包都要通過MAG和 LMA之間的隧道進(jìn)行傳輸?；诰W(wǎng)絡(luò)的區(qū)域移動性管理機制有效解決了全局移動性機制中 3個基本問題。

1.提高了切換性能。在切換過程中,從鏈路切換開始到 IP子網(wǎng)配置和全局移動性管理信令傳輸完成,這段時間造成的延遲導(dǎo)致了切換時丟包的發(fā)生。在此期間,對端節(jié)點的通信仍然將數(shù)據(jù)包發(fā)往舊的鏈接但不能訪問 MN,誤傳的數(shù)據(jù)包就會被丟棄。設(shè)計區(qū)域移動性管理機制的目的是減少 IP切換的延遲,使切換之后更改轉(zhuǎn)發(fā)的處理時延,盡可能地接近相應(yīng)的鏈路層切換時延和 IP層移動檢測需要時延的總和,以避免過多的數(shù)據(jù)包丟失。

2.減少了與切換相關(guān)的信令量。信令需求對切換性能有很大的影響,比如會對 MN的共享鏈路(如無線鏈路,其鏈路容量不容易擴展)的鏈路數(shù)據(jù)流量造成影響。盡量減少從 MN發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的切換信息量,在切換的過程中只引進(jìn) IP層移動檢測需要的信令,如果鏈路層支持 IP層移動性檢測,MN在鏈路層切換后可以不執(zhí)行其他 IP層的信令。

3.位置安全性考慮。允許 2層檢測,對 3層地址限制較少,這些方法可以減少對位置安全的威脅。具體來說,在一個接入網(wǎng)內(nèi),MN進(jìn)行鏈路間切換時不需要改變IP地址,在一個大的地理區(qū)域中保持 IP地址不變。這就減小了攻擊者推斷出移動節(jié)點地理位置的機會。

2 PM IPv6在高速列車中的部署

PMIPv6技術(shù)可以為列車上的用戶提供移動過程中的網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)。配置在車廂內(nèi)的移動節(jié)點可以是一個列車移動路由器(P-MR),提供無線接入服務(wù);對于沿途部署的 MAG,P-MR就是一個移動節(jié)點,其連通性通過 PMIPv6來提供。

圖3 P-MR的切換流程

由于車廂內(nèi)的旅客較多,會帶來移動路由器的單點失效及帶寬瓶頸問題,所以應(yīng)在每個車廂部署一個移動路由器,LMA可以部署在可控可管的地方,以方便日常檢修和維護(hù)。在列車移動過程中,P-MR的切換流程如圖3所示。

當(dāng) P-MR獲得初始地址配置之后執(zhí)行切換,在原鏈路上的 MAG將會檢測到 P-MR的離開并通知LMA,然后刪除維持 P-MR的綁定信息和路由狀態(tài)。LMA在收到通知后等待一段時間再刪除 P-MR的綁定信息,以確保 P-MR的平滑切換。新鏈路上的 MAG在檢測到 P-MR的接入之后將向 LMA發(fā)送信令消息,更新 P-MR的綁定狀態(tài)。更新完畢后,P-MR就可以繼續(xù)接收包含其家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴的路由通告,由于家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴不變,P-MR的地址配置也不改變,這使 P-MR認(rèn)為它仍然在相同的鏈路上并且繼續(xù)在新的鏈路上使用與原來相同的地址進(jìn)行通信。

3 性能評價

3.1 測試環(huán)境

為了模擬鐵路應(yīng)用場景,對 P-MR在 LMA域中的多個 MAG域間以水平運動方式進(jìn)行切換性能測試。測試拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 測試拓?fù)鋱D

其中,各實體配備的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如下:

LMA上包含有 3塊有線網(wǎng)卡,均為 100 Mb/s自適應(yīng)快速以太網(wǎng)卡。

P-MR采用 DELLD500筆記本電腦,配備 Cisco Aironet 350無線網(wǎng)卡,完成所有的切換過程。

AR1和 AR2作為 MAG1和 MAG2,是 2臺接入路由器,配備 100 Mb/s自適應(yīng)快速以太網(wǎng)卡,同時搭配Cisco Aironet1200AP,負(fù)責(zé)無線發(fā)送通告消息,檢測 MN的接入與離開。

CN為互聯(lián)網(wǎng)中和 P-MR通信的任一主機,實驗環(huán)境中其為外地網(wǎng)絡(luò)中的主機 Server,負(fù)責(zé)與 PMR進(jìn)行通信,同時也作為整個測試網(wǎng)絡(luò)中的一臺流媒體服務(wù)器,配備一塊 100 Mb/s有線網(wǎng)卡。各實體的網(wǎng)卡配置如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境地址分配情況

3.2 測試結(jié)果

在 PMIPv6協(xié)議運行過程中,P-MR在 MAG1和 MAG2之間進(jìn)行切換,條件同上。在 P-MR上抓包如圖 5所示。

圖5中橫坐標(biāo)為 P-MR上接收到 UDP數(shù)據(jù)包的時間,縱坐標(biāo)為接收到數(shù)據(jù)包的數(shù)量,在 20.7 s,51.7 s,92.7 s時 PMR執(zhí)行切換命令,切換時延分別為230 ms,220ms,190ms。通過 50次的測試,得到平均切換時延為216 ms。

當(dāng)運行 PMIPv6協(xié)議時,令 P-MR向 CN發(fā)送 Ping包,每秒發(fā)送 1個。每發(fā)送 50個 Ping包對 P-MR做一次切換,共發(fā)送 500個 Ping包,丟包率為1%。

圖5 PMIPv6切換性能分析示意圖

在 MIPv6協(xié)議運行過程中,P-MR在 MAG1和 MAG2之間進(jìn)行切換。PMR可以使用帶有家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴的地址進(jìn)行通信。通信對端節(jié)點地址為3ffe:3240:8007:2005::5。通信對端節(jié)點向 P-MR發(fā)送 200個 UDP數(shù)據(jù)包,時間間隔為 0.5 s,并在此過程中進(jìn)行切換。在 P-MR上抓包如圖6所示。

圖6 MIPv6切換性能分析示意圖

圖6中橫坐標(biāo)為 P-MR上接收到 UDP數(shù)據(jù)包的時間,縱坐標(biāo)為接收到數(shù)據(jù)包的數(shù)量。圖上顯示在 23.8 s,54.2 s,78.1 s時 P-MR執(zhí)行切換命令,切換時延分別為 2.1 s,2.0 s,1.6s。通過 50次測試,得到平均切換時延為 2.03 s。

當(dāng)運行 MIPv6協(xié)議時,令 P-MR向 CN發(fā)送Ping包,每秒發(fā)送 1個。每發(fā)送 50個 Ping包對 PMR做一次切換,共發(fā)送 500個 Ping包,丟包率為6%。

相比于 MIPv6移動性管理,PMIPv6能夠顯著減小切換時延及切換過程中的數(shù)據(jù)包丟失。

4 結(jié)論

PMIPv6可以作為一種極有前景的移動性支持協(xié)議。它是 MIPv6的一個應(yīng)用繼承,而不是一種新的方法,其基于網(wǎng)絡(luò)的移動性管理反映了鐵路的特殊應(yīng)用場景,可以很好地作為高速列車信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的移動性解決方案。

[1］ D.Johnson,C.Perkins,J.Arkko.Mobility Support in IPv6[S].RFC 3775.June 2003.

[2］ R.Koodli.Fast Handovers for Mobile IPv6[S].RFC 4068.July 2005.

[3］ H.Soliman,C.Castelluccia,K.El Malki.Hierarchical Mobile IPv6Mobility Management[S].RFC 4140.August 2005.

[4］ S.Gundavelli,Ed,K.Leung,V.Devarapalli,K.Chowdhury,B.Patil.Proxy Mobile IPv6.RFC5213.August 2008.