一種基于FHMIPv6平滑切換的緩存管理策略

何統(tǒng)洲，石義杰

(鄖陽師范高等?？茖W校 物理與電子工程系，湖北 十堰 442000)

使用分層移動IPv6(HMIPv6)可以減少移動主機和家鄉(xiāng)代理的操作，在域內(nèi)切換時，移動主機不需要與遠地的家鄉(xiāng)代理進行綁定更新，而是與本地MAP(Mobile Anchor Point)進行綁定更新，減少了切換的延遲[1].快速切換可以很容易地在移動主機移動到新接入路由器之前，為其配置新的轉(zhuǎn)交地址，減少已有通信連接的中斷時間，保證通信流的實時傳輸[2-3].研究表明，分層移動IPv6和快速切換技術(shù)結(jié)合具有較好的切換性能[4-6]，而鏈路層中斷不可避免，因此有效的緩存管理機制在FHMIPv6(Fast Hierarchical Mobile IPv6)中仍然是必要的[7]，文獻[8]對快速切換的緩存管理策略進行了改進，本文進一步改進了該策略，將MAP引入到系統(tǒng)的緩存管理中，從而提高了整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的緩存利用率，模擬實驗表明，該策略大大降低了切換過程中的丟包率，并減少了實時應用和高優(yōu)先級包的切換延遲時間.

1 基于FHMIPv6的緩存管理策略

1.1 緩存管理策略的基本思想

本策略有以下三個設計目標：①在切換過程中支持Qos服務，擁有不同優(yōu)先級的包在切換過程中應該有不同的服務；②提高整個系統(tǒng)的緩存利用率，在切換過程中，除了利用前訪問路由器和新訪問路由器的緩存外，還要充分利用MAP的緩存；③該策略應該最小化系統(tǒng)的信令開銷.

該策略的基本思想如下，首先，原始的快速切換協(xié)議只在NAR(New Access Router)緩存數(shù)據(jù)包，文獻[8]把它改進成在NAR和PAR(Previous Access Router)同時緩存數(shù)據(jù)包，我們的策略在文獻[8]的基礎上，將MAP也作為數(shù)據(jù)包的緩存點，這樣進一步提高了整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的緩存利用率；其次，在該策略中定義了三種服務類型，這樣，在切換過程中可以對不同優(yōu)先級的包采用不同的服務，從而提高實時應用和高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的服務質(zhì)量，降低這些數(shù)據(jù)包的丟包率，減少它們的切換延遲時間.討論該策略的參考拓撲圖見圖1，設MN的前訪問路由器是AR1，那么在我們的策略中把MAP也作為一個數(shù)據(jù)包緩存點，當MN移動到AR2并將AR2作為新的路由訪問點時，該策略將實時應用數(shù)據(jù)包緩存在AR2，將高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包緩存在MAP，將一般應用的數(shù)據(jù)包緩存在AR1，如果AR2的緩存被用盡，可以將實時應用的一部分數(shù)據(jù)包緩存到MAP，如果MAP的緩存被用盡，可以將一部分高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包緩存到AR1，如果AR1的緩存也被用盡，那么可以丟棄緩存的一般應用的數(shù)據(jù)包，這樣可以降低實時應用和高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的丟包率.

圖1 切換的參考拓撲圖

圖2 切換過程中的信令流

考慮這些被緩存的數(shù)據(jù)包的傳輸延遲，如圖1，假設MAP到AR1的傳輸延遲為Ld1，MAP到AR2的傳輸延遲為Ld2，設無線信道的傳輸延遲為Wd，實時應用數(shù)據(jù)包的傳輸延遲為rl，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的傳輸延遲為pl，一般數(shù)據(jù)包的傳輸延遲為nl，則有：rl=wd或rl=wd+ld2，考慮到緩存在MAP中的實時應用數(shù)據(jù)包要遠少于緩存在AR2中的實時應用數(shù)據(jù)包，所以有：

rl≈wd

(1)

pl=wd、pl=wd+ld2或pl=wd+ld1+ld2，同樣，考慮到高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包主要緩存在MAP，所以有：

pl≈wd+ld2

(2)

nl≈wd+ld1+ld2

(3)

上述討論是基于一般情況進行的，對于如高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包有可能被緩存到AR2，一般的數(shù)據(jù)包也有可能被緩存到MAP中，這些特殊情況在此不予討論.綜合式(1)～(3)，可以看到在一般情況下，該策略減少了被緩存的實時應用和高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的傳輸延遲時間.

1.2 緩存管理策略的控制信令

可以分三個階段討論該策略的信令開銷：切換初始化，數(shù)據(jù)包重定向和緩存釋放.切換過程中的信令流如圖2所示，其中，在該策略中增加的信令用斜體加粗表示.在切換初始化階段，移動主機發(fā)送BI(Buffer Initialization)到PAR請求緩存空間，PAR發(fā)送BR(Buffer Request)到MAP和NAR，NAR和MAP發(fā)送BA(Buffer Acknowledgement)到PAR，PAR、NAR和MAP之間協(xié)商緩存空間的分派.在數(shù)據(jù)包重定向階段，移動節(jié)點在收到PrRtAdv消息后發(fā)送FBU(Fast Binding Update)到PAR，PAR發(fā)送FBACK消息到移動節(jié)點、MAP和NAR，MAP在收到該消息后開始緩存或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包.在緩存釋放階段，移動主機和NAR之間建立了連接，移動主機發(fā)送一個BF(Buffer Forward)消息到PAR、NAR和MAP，在收到BF消息后，NAR、PAR和MAP開始把緩存在它們緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給移動主機，然后結(jié)束這次切換過程.

1.3 Qos服務

在策略中，所有的數(shù)據(jù)包被分成三種類型.第一種類型是實時應用數(shù)據(jù)包，緩存管理策略應該保證使這種數(shù)據(jù)包的切換延遲時間最小，因此，總是將實時應用數(shù)據(jù)包緩存在NAR；第二種類型是高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包對數(shù)據(jù)丟失非常敏感，在我們的策略中，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包可以緩存在NAR、MAP和PAR三個地方，從而降低了切換過程中高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包丟失的可能性；第三種類型是盡力服務的數(shù)據(jù)包，在切換過程中，如果系統(tǒng)的緩存不足，可以丟棄這種數(shù)據(jù)包.在IPv6協(xié)議中，數(shù)據(jù)包的發(fā)送者可以在包頭的服務類型域指定一個數(shù)據(jù)包的服務類型.

2 模擬實驗及結(jié)果分析

用網(wǎng)絡模擬器ns-2的發(fā)布版本ns-allinone-2.1b7a進行模擬實驗，對ns-allinone-2.1b7a進行了擴展，增加了快速切換協(xié)議和文章中建議的機制.模擬場景如圖3，設無線網(wǎng)絡的覆蓋半徑為100 m，路由通告每秒1次，鏈路層的切換延遲為200 ms，所有的移動主機都以10 m/s的速度從一個AR移動到另一個AR，PAR與NAR之間的重疊區(qū)域為20 m，這可以確保移動主機在離開PAR時能從NAR接收到至少1個路由通告消息.我們模擬了兩種不同情況下數(shù)據(jù)包的丟失率，不同切換機制下系統(tǒng)緩存的利用情況以及不同切換機制下各種數(shù)據(jù)包的延遲時間.如圖3所示，第①種切換情況是移動主機在同一個子網(wǎng)內(nèi)從一個AR移動到另一個AR；第二種切換情況是移動主機在兩個不同的子網(wǎng)中進行切換.假設通信鏈路的延遲時間為2 ms，通信對端每20 ms傳送160字節(jié)的UDP包給每一個移動主機，網(wǎng)絡中的移動主機數(shù)從1增加到20個，用來評價網(wǎng)絡能夠同時服務多少切換.F1表示快速分層切換，F(xiàn)2表示文獻[8]提供的緩存策略，F(xiàn)3表示改進后的緩存策略.仿真結(jié)果表明，和F1比較，在同一個子網(wǎng)中切換時，緩存策略F2能使數(shù)據(jù)包的丟失率降低40%左右，本文提供的緩存策略F3能使數(shù)據(jù)包丟失率降低57%以上，在不同子網(wǎng)間切換時，F(xiàn)2能使數(shù)據(jù)包丟失率降低47%以上，本文提供的緩存策略F3能使數(shù)據(jù)包丟失率降低70%以上，同時可以看出，F(xiàn)3比F2和F1具有更強的切換服務能力；針對實時數(shù)據(jù)包的延遲仿真發(fā)現(xiàn)，在同一個子網(wǎng)中切換時，F(xiàn)1、F2和F3的性能相差不多，在不同子網(wǎng)間切換時，F(xiàn)3的性能明顯好于F2和F1.

圖3 模擬場景

圖4 不同緩存策略下的包丟失情況

圖5 不同緩存策略下實時包延遲情況

3 結(jié)論

本文在文獻[8]的基礎上進一步改進了FHMIPv6的緩存策略，改進后的緩存管理策略進一步提高了整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的緩存利用率，使網(wǎng)絡系統(tǒng)能夠同時服務更多的切換，降低了切換過程中數(shù)據(jù)包的丟失率，將實時應用和高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包緩存在NAR和一跳MAP中，在不同子網(wǎng)間切換時，有利于進一步降低實時應用和高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的傳輸延遲，該策略在原FHMIPv6協(xié)議的基礎上增加了有限的幾條信令，不會造成額外的信令開銷，同時該策略也支持QoS服務.最后，用NS-2對提出的緩存管理策略進行了仿真，驗證了該策略的有效性.

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