基于PMIPv6MIPv6的城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)

李婉婷 辛 默 劉予漫 吳 昊（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

近幾十年，中國的城市軌道交通經(jīng)歷了從無到有，從單一線路到城市內(nèi)四通八達的飛速發(fā)展。同時，城市軌道建設(shè)的發(fā)展也給人們的生活帶來了巨大的變化，如何在城市軌道建設(shè)中充分體現(xiàn)“以人為本”的主流思想也成為衡量城市軌道建設(shè)質(zhì)量的重中之重。而將和人們?nèi)粘Ｉ蠲懿豢煞值腎n ternet應(yīng)用引入城市軌道交通建設(shè)，自然也成為城市軌道交通在新的移動互聯(lián)網(wǎng)時代體現(xiàn)“以人為本”的新趨勢。

業(yè)界已有很多研究探討過將移動IPv6（M ob ile IPv6, M IPv6）[1]技術(shù)應(yīng)用于列車環(huán)境，如文獻[2,3]和文獻[4,5]分別研究了面向列車In ternet應(yīng)用的切換和資源管理問題；文獻[6，7]進一步提出了列車移動網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量（Qua lity of Service, QoS）保障機制和多接口接入方案；文獻[8]對子網(wǎng)移動（Netw ork M ob ility, NEMO）技術(shù)[9]的路由優(yōu)化問題進行了綜述研究，這將為列車移動網(wǎng)絡(luò)的路由性能優(yōu)化提供一定的技術(shù)支持。

但是，這些研究都是基于由M IPv6擴展而來的NEMO技術(shù)。雖然NEMO技術(shù)保證了列車在全局范圍內(nèi)移動時上層應(yīng)用的連續(xù)性，但是其基于終端的移動性支持機制也成為其在實際部署應(yīng)用上最大的障礙。而在城市軌道交通環(huán)境中，移動體的移動范圍相對受限，此外，其突發(fā)性增大的流量和較短的會話持續(xù)時間對于移動性支持協(xié)議的性能具有更為苛刻的要求?；谶@些特點，本文將深入研究由IETF NETLMM工作組頒布的基于網(wǎng)絡(luò)的移動性管理協(xié)議（Proxy Mobile IPv6, PM IPv6）[10]在城市軌道交通中的應(yīng)用。主要分為以下幾個部分：首先，本文將介紹基于M IPv6的NEM O技術(shù)；其次，根據(jù)城市軌道交通系統(tǒng)的特征，本文將設(shè)計基于PM IPv6技術(shù)的子網(wǎng)移動機制及其在城市軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用；最后，對這兩種信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)進行分析比較并對全文進行總結(jié)。

李婉婷，女，碩士畢業(yè)于北京交通大學，工程師。主要研究方向包括城市軌道交通通信系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。曾參與北京地鐵6號線、14號線通信系統(tǒng)設(shè)計工作。曾獲得2009年全國優(yōu)秀質(zhì)量管理小組等榮譽。2012年在《鐵道學報》發(fā)表論文一篇。

1 NEMO基本原理

IETF在傳統(tǒng)M IPv6協(xié)議[1]基礎(chǔ)上，通過擴展其綁定更新消息（B in d ing U p d a te,BU）和路由器通告消息（R o u te r ad ver tisem en t, RA）的內(nèi)容、增加移動路由器選項及相應(yīng)的切換處理流程，形成NEM O基本支持協(xié)議[9]。具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。在NEMO基本支持協(xié)議中，移動路由器（M obile Rou ter, MR）與其家鄉(xiāng)代理（Hom e A gen t, H A）之間通過建立雙向隧道進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。這是在M IPv6協(xié)議基礎(chǔ)上擴展實現(xiàn)的，其工作機制同M IPv6中雙向隧道的工作原理一樣。因此，在NEM O基本協(xié)議中，M R既可以作為移動節(jié)點（Mobile Node, MN），亦可以作為路由器：作為移動節(jié)點時，M R的功能類似于一個M IPv6節(jié)點，只負責接收/發(fā)送自己的數(shù)據(jù)包；而作為路由器時，M R的功能類似于一個邊緣路由器，需要建立和維護與H A之間的雙向隧道，完成數(shù)據(jù)包的封裝/解封裝和接收/轉(zhuǎn)發(fā)，還要對移動網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進行有效配置和移動性管理。因此，當M R作為路由器時，至少需要兩個接口：一個負責連接到外部網(wǎng)絡(luò)；另一個作為移動子網(wǎng)節(jié)點（M obile Netw ork Node,MNN）的默認網(wǎng)關(guān)。

當移動網(wǎng)絡(luò)離開家鄉(xiāng)鏈路并通過一個新的外地網(wǎng)絡(luò)接入路由器（A ccess Rou ter, AR）接入In ternet時，M R首先需要獲取新的轉(zhuǎn)交地址（Care-of Address, CoA）。然后發(fā)送BU給HA，更新其位置綁定信息。位置更新完成之后，H A和M R之間便建立了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)碾p向隧道，該隧道的兩端分別是H A的地址和M R的CoA。M NN與外部網(wǎng)絡(luò)中的通信對端節(jié)點（Co r resp on d in g Node, CN）通信時，數(shù)據(jù)包采用IPv6-in-IPv6方式封裝，并通過HA-MR間的雙向隧道傳輸。數(shù)據(jù)包的封裝/解封裝由H A和M R負責。當移動網(wǎng)絡(luò)整體移動，改變網(wǎng)絡(luò)接入點時，只需在M R和H A之間更新綁定狀態(tài)。這樣，對于CN和M NN來說，網(wǎng)絡(luò)的移動性被屏蔽了。

2 基于PMIPv6的城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)

雖然NEMO技術(shù)能夠提供車載環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，并保證列車在全局范圍內(nèi)移動時，乘客上層應(yīng)用的連續(xù)性。但是其基于主機的特點造成了較大的切換時延和信令開銷[11]。因此，本文將在本章對基于PM IPv6的城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)進行詳細介紹。

2.1 基本PMIPv6協(xié)議

PM IPv6是在M IPv6的基礎(chǔ)上引入了本地移動錨點（Local Mobility Anchor, LMA）和移動接入網(wǎng)關(guān)（M obility Access Gatew ay, MAG）兩個新的功能實體。LM A支持M IPv6中H A的功能，并對其綁定緩存進行了擴展。此外，LM A為每個M N分配一個唯一的前綴，若移動節(jié)點有多個網(wǎng)絡(luò)接口，則為每個接口分配一個網(wǎng)絡(luò)前綴。M AG是移動節(jié)點在接入鏈路上的默認路由器，具有3個主要功能：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。PM IPv6的操作流程如圖2所示。

MN進入一個代理移動IPv6域后，其當前接入鏈路的MAG將獲得它的標識。通過該標識，M AG可以對MN進行PM IPv6服務(wù)的認證。如果網(wǎng)絡(luò)決定為該MN提供PM IPv6服務(wù)，則MN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PM IPv6域內(nèi)任意移動。M N所獲得的地址配置包括根據(jù)家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴（Home Netw ork Prefix, HNP）生成的地址，當前鏈路的默認路由器地址和其它相關(guān)的配置參數(shù)。從M N的角度來看，整個PM IPv6域是一個單獨的鏈路。網(wǎng)絡(luò)將可以使M N認為它一直處在獲得初始地址配置的那個鏈路上，即使是M N改變了自己在網(wǎng)絡(luò)中的接入點，發(fā)往M N和來自M N的數(shù)據(jù)包都要通過M AG和LM A之間的隧道進行傳輸。PM IPv6對于切換性能的改進主要體現(xiàn)在：

1）提高了切換性能。PM IPv6的設(shè)計目標是減少IP切換的延遲，使切換處理時延盡可能地接近相應(yīng)的鏈路層切換時延和IP層移動檢測時延的總和；

2）減少了與切換相關(guān)的信令量。PM IPv6盡量減少移動性管理的信令交互，且在切換的過程中無線鏈路未引入任何信令；

3）減小了數(shù)據(jù)發(fā)送開銷。PM IPv6建立了MAG和LM A之間的隧道，不同于M IPv6中M N和H A的隧道，從而降低了無線鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷。

2.2 城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)的特點

為了在城市軌道交通系統(tǒng)中建設(shè)信息網(wǎng)絡(luò)，首先需要對其特點進行分析。

1）突發(fā)流量較大。在城市軌道交通中，突發(fā)流量（如上下班高峰）會給接入網(wǎng)帶來較大影響，這將有可能造成無線鏈路的嚴重擁塞；

2）平均會話時間較短。由于城市軌道交通乘客的乘車區(qū)間受限，從而使其在城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起的會話過程具有較短的持續(xù)時間。這將對乘客移動過程中的切換時延具有較高的要求；

3）列車網(wǎng)絡(luò)的域內(nèi)移動。由于城市軌道交通的特定建設(shè)路線，使其移動范圍被固定在特定的區(qū)域內(nèi)。這意味著列車網(wǎng)絡(luò)的移動和切換一直在一個固定的域內(nèi)進行。

2.3 基于PMIPv6的子網(wǎng)移動

由上述分析可知，PM IPv6更適合于城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。但是基本的PM IPv6只提供了單個節(jié)點的移動性管理，需要對其進行擴展以實現(xiàn)對整個子網(wǎng)移動的支持。其結(jié)構(gòu)如圖3所示[11]。

如圖3所示，M AG為部署在城市軌道交通線路中的接入路由器，而NEMO為城市軌道交通構(gòu)成的移動子網(wǎng)。為了提供基于網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)移動，將PM IPv6的本地移動域擴展到M R，也就是將M R也作為PM IPv6移動性實體，用于提供乘客的移動性管理。同時將LM A的綁定緩存擴展一個標志位（F lag）用于表示綁定的節(jié)點是否位于M AG下面。詳細的協(xié)議流程如圖4所示。

1）當M R接入到M AG時，M AG通過認證過程發(fā)現(xiàn)該節(jié)點為一個路由器，從而在發(fā)向LM A的PBU中包含M R_ID和Y標志，分別用于表示接入節(jié)點是標識為M R_ID的路由器，其接入位置為MAG；

2）此時，LM A更新綁定緩存，為M R建立雙向隧道，并為其分配家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴MR_HNP；

3）由于無論M R在城市軌道區(qū)間內(nèi)切換到任何一個MAG，都將收到相同的HNP，所以MR不會發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的移動；

4）當乘客上車時，M R檢測到了M N的接入，從而向LM A發(fā)起綁定過程，其中PBU中包含M N_ID和N標志，用于表示接入節(jié)點是標識為MN_ID的終端，其接入位置為移動路由器；

5）LM A收到M R發(fā)來的PBU后，更新綁定緩存，并和M R建立了雙向隧道，并為M N分配前綴MN_HNP；

6）由于無論M N在城市軌道乘車期間，如何移動和換乘，都將收到相同的H NP，所以M N不會發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的移動。

為了給M N發(fā)送數(shù)據(jù)包，LM A需要進行遞歸的綁定緩存查詢。該機制也是對基本PM IPv6數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的擴展，主要借助于Flag標志。當LM A收到發(fā)向M N的數(shù)據(jù)包時，通過匹配H NP找到其接入路由器（AR）。如果該M N的F lag標志為Y，那么LM A將封裝的數(shù)據(jù)包直接發(fā)向AR所標識的路由器；但是如果Flag標志為N，那么LMA將繼續(xù)查找這一條目的AR所對應(yīng)的綁定緩存。以此類推，直到LM A發(fā)現(xiàn)AR的綁定緩存中F lag為Y。隨后，LM A以綁定緩存查詢的順序?qū)?shù)據(jù)包進行多層封裝。而這個數(shù)據(jù)包會被沿途的AR逐一解封裝，并最終到達MN。

3 性能評價

本節(jié)將對基于M IPv6和基于PM IPv6的兩種機制進行比較分析，以說明基于PM IPv6的子網(wǎng)移動性擴展能夠更好的適用于城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)。其特點總結(jié)如表1所示。

由表1可見，基于M IPv6的子網(wǎng)移動機制采用基于終端的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)全局范圍的移動性管理。這是沿襲了M IPv6的特點，但也存在M IPv6的缺陷如切換時延長，信令開銷大等。此外，由于采用基于終端的移動性管理，在無線鏈路上也存在信令交互和隧道封裝，從而嚴重影響了無線鏈路的利用率。但是基于PM IPv6的子網(wǎng)移動機制正是從這些缺陷出發(fā)，來尋求更適合區(qū)域移動的高效率子網(wǎng)移動性支持協(xié)議。從而使其更適合城市軌道交通的特殊環(huán)境，能夠有效的提高移動性管理的性能。

4 結(jié) 論

本文通過分析城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)的特點，提出了基于PM IPv6的子網(wǎng)移動支持協(xié)議及其在城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)中的部署方式。通過和基于M IPv6的N EM O技術(shù)的對比，可以看到本文提出的基于網(wǎng)絡(luò)的本地化子網(wǎng)移動支持機制更適合于在城市軌道交通系統(tǒng)中，為乘客提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)?？梢宰鳛槌鞘熊壍澜煌ㄏ到y(tǒng)信息化假設(shè)的一項解決方案。

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