代理移動IPv6下子網(wǎng)移動方案的實現(xiàn)與分析

劉騰飛，秦雅娟，王利利

(北京交通大學電子信息工程學院，下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設備國家工程實驗室，北京100044)

0 引言

隨著信息網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，信息的獲取方式更趨多樣化。人們不再滿足使用固定終端或單個移動終端連接到網(wǎng)絡，而是希望能將某個屬性范圍內(nèi)的終端組合起來，形成一個相對穩(wěn)定的集合，IETF(internet engineering task force)將運動屬性相同的實體上的多個終端的集合稱為一個移動子網(wǎng)(network mobility，NEMO)［1］。這種移動子網(wǎng)可以是個人使用的個域網(wǎng)(personal area network，PAN)［2］，也可以是部署在飛機、輪船、火車、公交車、私家車等車輛上的移動子網(wǎng)或傳感器網(wǎng)絡。移動IPv6下的子網(wǎng)移動方案是一個基于主機的移動性管理方案［3-4］，需要終端參與移動性管理，并由此帶來帶寬資源和信令開銷的浪費以及終端復雜度的增加，尤其是子網(wǎng)在路由器之間切換時，終端需要改變網(wǎng)絡地址，從而造成通信中斷。針對上述問題，本文首先介紹了基于網(wǎng)絡的移動性管理協(xié)議—代理移動IPv6，然后分析了3種代理移動IPv6下的子網(wǎng)移動方案，最后通過對3種方案的實現(xiàn)和實驗結(jié)果的驗證分析，比較了3種方案的性能［5］。

1 代理移動IPv6的基本原理

代理移動 IPv6(RFC5213［6］)是對移動 IPv6 協(xié)議(RFC6275 )的擴展。移動IPv6是一種基于主機的移動性管理方案，它需要移動終端參與相關的信令交互，并且當移動終端切換到外地代理時，需要使用外地轉(zhuǎn)交地址進行通信，因而存在改變網(wǎng)絡地址造成通信中斷和三角路由等問題。代理移動IPv6是一種基于網(wǎng)絡的移動性管理方案，它不需要移動終端參與任何移動信令交互，這樣首先降低了對終端的要求，其次終端在一個本地域內(nèi)移動的過程中不改變網(wǎng)絡地址，從而在切換的過程中可以保持通信的連續(xù)性。代理移動IPv6為研究基于網(wǎng)絡的子網(wǎng)移動提供了網(wǎng)絡基礎。

代理移動IPv6的核心實體有2個:本地移動錨點(local mobility anchor，LMA)和移動接入網(wǎng)關(mobile access gateway，MAG)。MAG主要負責檢測MN的接入和離開，代理移動節(jié)點(mobile node，MN)進行代理綁定更新(proxy binding update，PBU)消息的發(fā)送和代理綁定應答(proxy binding acknowledgement，PBA)消息的接收，為MN建立和刪除MAG到 LMA之間的隧道［8］、綁定更新列表(binding update list entry，BULE)和路由。LMA負責接收PBU消息和發(fā)送PBA消息，給MN分配家鄉(xiāng)網(wǎng)絡前綴(home network prefix，HNP)，為MN建立和刪除MAG到LMA之間的隧道、綁定緩存(binding cache entry，BCE)和路由。完成代理注冊后，MAG向MN發(fā)送包含HNP的路由通告消息(router advertisement，RA)。MN收到 RA后，通過獲取其中的HNP，配置相應的IPv6地址，進而可以與通信對端進行正常通信。當MN從MAG1切換到MAG2時，MAG2會代理MN進行注冊，當LMA檢測到MN之前已經(jīng)注冊，會給MN分配相同的HNP，并更新隧道以及相應的路由。在MN接入MAG2的同時，MAG1也會檢測到MN的離開，并為MN進行解注冊。

2 代理移動IPv6子網(wǎng)移動

與代理移動IPv6相比，代理移動IPv6子網(wǎng)移動引入了一個新的實體—移動路由器(mobile router，MR)，通過MR來統(tǒng)一管理子網(wǎng)內(nèi)的移動網(wǎng)絡節(jié)點(mobile network node，MNN)。這樣做有以下優(yōu)點:①節(jié)省信令資源，大量減少每個終端都要進行切換的信令開銷;②減少切換操作，子網(wǎng)整體移動時，子網(wǎng)內(nèi)所有移動終端在MAG之間的切換可以通過單一移動路由器在MAG之間的切換來完成。在IETF公布的關于NEMO的RFC4885［9］中，根據(jù)MNN的活動范圍，將MNN分為本地固定節(jié)點(local fixed node，LFN)和訪問移動節(jié)點(visiting mobile node，VMN)，LFN只在子網(wǎng)內(nèi)部移動，而VMN則可以在子網(wǎng)之間或子網(wǎng)與固定無線路由器之間移動。目前，子網(wǎng)移動有3種實現(xiàn)方案:普通子網(wǎng)移動(C-NEMO)［10］、基于PMIPv6的網(wǎng)絡移動(N-PMIPv6)［11］和基于網(wǎng)絡的網(wǎng)絡移動(N-NEMO)［12］。

2.1 普通子網(wǎng)移動(C-NEMO)

C-NEMO是一種簡單的子網(wǎng)移動方案，其主要思想是MR攜帶的子網(wǎng)內(nèi)的所有終端獲得相同的子網(wǎng)前綴。MAG在代理MR向LMA注冊HNP的同時，也向LMA進行移動子網(wǎng)前綴(mobile network prefix，MNP)的注冊，并為MNP在LMA和MAG之間建立隧道和路由。之后，在MAG發(fā)送給MR的RA消息中不僅包含有MR本身的HNP，還有MR所攜帶子網(wǎng)的MNP，MR收到RA后，內(nèi)核自動使用HNP配置自己的網(wǎng)絡地址［13］，并提取出MNP發(fā)送給MNN。MNN接收MNP，自動配置完成自己的網(wǎng)絡地址后即可進行通信。

普通子網(wǎng)移動方案的信令流程如圖1所示。首先，MR接入MAG，MAG通過MR的MAC地址查找MR對應的mn_id(移動路由器的標識符)。MAG為MR建立BULE，然后代理MR向LMA發(fā)送包含有mn_id的PBU進行注冊。LMA收到PBU后，查找mn_id所對應的 HNP和MNP，為 MR建立一個BCE;然后，將HNP和MNP添加到PBA發(fā)給MAG，并為HNP和MNP建立隧道和路由。MAG收到LMA返回的PBA后，提取MNP和HNP添加到RA消息中發(fā)送給MR，并為HNP和MNP建立BULE、隧道和路由;然后，MNN接入到MR，MR發(fā)現(xiàn)MNN接入后會檢測MNN是否為合法用戶，檢測成功以后給MNN發(fā)送包含MNP的RA消息包，MNN收到RA后使用MNP配置完成本身的網(wǎng)絡地址即可進行通信。這樣所有發(fā)往LFN的消息包都會通過這個隧道發(fā)送至MR，然后由MR轉(zhuǎn)交給MNN。

可見，本方案實現(xiàn)簡單，通信數(shù)據(jù)包的頭部開銷比較小，在通信過程中只需在LMA和MAG之間建立一層隧道，而不需要在MR上建立隧道。MR在MAG間切換時，由于只進行一次注冊，并且隧道只建立在MAG和LMA之間，所以MNN和CN之間進行數(shù)據(jù)通信的切換時延損耗［14］較小。C-NEMO中，由于MAG為MR向LMA進行注冊時，已經(jīng)為其子網(wǎng)里的所有MNN的MNP進行了注冊。在同一個MR下所有MNN共用同一個HNP(即MNP)，而當MNN在MR與MR之間或者是MR與MAG之間切換時，則會接收到帶有不同HNP的RA消息，這將導致網(wǎng)絡地址變化，造成上層應用的中斷，因此，本方案只支持LFN類型的MNN。

圖1 C-NEMO信令流程Fig.1 Communication call-flow in C-NEMO

2.2 嵌套隧道的子網(wǎng)移動(N-PMIPv6)

代理移動IPv6下隧道嵌套子網(wǎng)移動的核心思想是將MR當作一個MAG來使用，MR上運行類似于MAG的軟件。與C-NEMO相比，N-PMIPv6取消了MNP，將子網(wǎng)內(nèi)每一個MNN都視為VMN節(jié)點類型，信令流程如圖2所示。首先，MR接入MAG1，MAG1向LMA進行綁定更新請求，然后，LMA為MR分配HNP并將其添加到PBA中發(fā)送給MAG1，發(fā)送成功后為HNP建立LMA到MAG1的隧道和路由。MAG1收到PBA后提取其中的HNP填入到向MR發(fā)送的RA中。這樣MR收到RA后，配置完成自己的IPv6地址。然后，VMN接入MR，MR會直接向LMA進行注冊，整個流程和MAG為MR進行注冊時一樣，建立的隧道為LMA到MR;然后為VMN分配一個HNP，所有發(fā)往這個HNP的數(shù)據(jù)包都會通過隧道直接從LMA發(fā)到MR，再由MR轉(zhuǎn)交給VMN;數(shù)據(jù)包在LMA和MAG1之間傳輸時網(wǎng)絡層頭部為雙層隧道，即LMA為MR建立的隧道和LMA為VMN建立的隧道，MAG1到MR之間為單層隧道。

本方案的優(yōu)點是支持單點移動性，即對MR下的每個VMN都分配相同的HNP。當VMN在MR之間或者在MR和MAG之間進行切換時，網(wǎng)絡地址始終不變，也就是對于上層應用來說，通信不會中斷。從流程圖2可以看到，對于子網(wǎng)下每個VMN都存在嵌套隧道，即在LMA和MR接入的MAG之間存在雙層隧道，尤其在嵌套子網(wǎng)的情況下，將帶來很大的網(wǎng)絡層頭部開銷，進而浪費帶寬資源。另外，本方案只支持VMN節(jié)點類型，不支持LFN。

圖2 N-PMIPv6信令流程Fig.2 Communication call-flow in N-PMIPv6

2.3 基于N-PMIPv6的子網(wǎng)移動(N-NEMO)

2.3.1 N-NEMO 概述

在N-PMIPv6的基礎上，采用隧道分離和分層注冊思想，文獻［12］提出了 N-NEMO，以支持 LFN和VMN 2種節(jié)點類型。在N-NEMO中，LFN接入MR時，直接為其分配HNP。VMN接入MR時，需要進行本地和全局2次注冊。MR和LMA之間的隧道也分為本地隧道和全局隧道2部分，以解決NPMIPv6存在的隧道嵌套問題，降低網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)包的頭部開銷。

N-NEMO中，LFN接入流程與C-NEMO相同，這里不再贅述。VMN接入的信令流程如圖3所示。

當一個移動節(jié)點接入MAG時，MAG對移動節(jié)點的類型進行識別。當移動節(jié)點為一個MN，MAG則執(zhí)行正常的代理移動IPv6的流程;如果移動節(jié)點為MR，MAG則向LMA發(fā)送代理綁定更新消息，并在其中添加MNP選項。LMA對MNP進行注冊，并為HNP和MNP建立隧道和路由。其中，MNP用來針對性管理MR下面所攜帶LFN的移動性。

MR分2種情況處理移動節(jié)點的接入。

1)如果檢測到移動節(jié)點為LFN，則MR直接提取其向MAG注冊時分配的MNP，放入RA(路由通告)消息中傳遞給LFN;LFN接收到RA后配置自己的地址，即可以與核心網(wǎng)(core network，CN)開始通信。

圖3 N-NEMO中VMN接入流程Fig.3 Communication call-flow for VMN in N-NEMO

2)如果檢測到移動節(jié)點為 VMN，則 MR為VMN建立LBULE(local BULE)，并向上一級MAG發(fā)送LPBU(local PBU)消息進行本地注冊;MAG接收到 LPBU消息包后，為 VMN建立 LBCE(local BCE)和BULE，向LMA發(fā)送GPBU進行全局注冊。LMA收到 GPBU后，為 VMN分配 HNP，并建立BCE、LMA和MAG之間的隧道和路由，向MAG發(fā)送包含HNP的GPBA。MAG收到GPBA后，提取其中的HNP，更新 VMN的 BULE，為 VMN的 HNP建立MAG到LMA之間的隧道和路由，并向MR發(fā)送包含 HNP的 LPBA。然后，MAG更新 VMN的LBCE，并為HNP添加MAG到MR之間的隧道和路由。MR收到MAG發(fā)送的 LPBA后，提取其中的HNP，并更新自己的LBULE，然后為 HNP添加MR到MAG之間的隧道(隧道的兩端為MR和MAG)和路由。MR將LBULE中的HNP填充到RA消息中發(fā)送給VMN，VMN收到RA配置完成網(wǎng)絡地址即可通信。

切換情況分以下2種。

1)VMN從MR切換到MAG。當VMN從MR切換到MAG時，MAG會為VMN建立一個綁定更新列表，并向 LMA進行注冊，發(fā)送 GPBU。LMA收到GPBU后，提取其中的mn_id，查找是否存在和其對應的BCE。若存在對應的BCE，直接提取其中的HNP放入GPBA發(fā)給MAG，然后更新自己的BCE，將隧道的對端從原來MR所接入的MAG調(diào)整到新的MAG，如果不存在對應的BCE，則為mn_id進行重新注冊。在MN切換到新的MAG的同時，MR檢測到 MN的離開，向 MAG發(fā)送解注冊 LPBU(lifetime=0)。MAG收到解LPBU后，向LMA發(fā)送解注冊GPBU(lifetime=0)。LMA收到解注冊GPBU后，向MAG發(fā)送解注冊GPBA(lifetime=0)。MAG收到GPBA后，刪除原來為MN建立的隧道和路由，發(fā)送解注冊LPBA(lifetime=0)，以刪除原來為MN建立的本地隧道和路由。MR收到解注冊LPBA后，刪除之前為MN添加的隧道和路由以及對應的LBULE，完成切換過程。

2)MR在2個MAG之間切換。當MR從MAG1切換到MAG2時，MR通過接收到的RA消息包中MAG地址的改變確認切換的發(fā)生。MR會為其子網(wǎng)內(nèi)的VMN向 MAG2重新進行注冊，具體流程和VMN接入流程相同。MAG1檢測到MR的離開后，為MR以及MR下的VMN進行解注冊，并刪除之前為它們建立的隧道和路由。

可見，與前2種方案相比，N-NEMO有以下2個優(yōu)點:N-NEMO同時支持LFN和VMN;MMN和CN通信時采用了級聯(lián)隧道的方法，可以有效避免NPMIPv6中嵌套隧道帶來的網(wǎng)絡層頭部開銷過大的問題，節(jié)約了網(wǎng)絡資源。但N-NEMO信令交互比較復雜，當MR進行切換時，VMN的切換時延較大，其原因有2個方面:MR切換時，需要為MN重新注冊;MN與CN通信需要經(jīng)過2段隧道。另外，LMA需要管理的前綴數(shù)量較多，增加了LMA處理信令的負擔。

2.3.2 軟件實現(xiàn)

與代理移動IP相比，為了保證級聯(lián)隧道的成功建立，支持子網(wǎng)移動的代理移動IP軟件加入了實體MR，增加了本地代理綁定更新LPBU和本地代理綁定應答LPBA 2個信令。MR為了支持這2個信令，為VMN建立LBULE，并代理VMN發(fā)送LPBU以及接收LPBA來進行本地注冊，同時為VMN建立隧道和路由模塊。MAG加入了對子網(wǎng)移動中的移動節(jié)點支持的LBCE，為VMN進行LPBU的接收和LPBA的發(fā)送，程序模塊之間的流程圖如圖4所示(虛線模塊為新添加部分)。

實體類型的判斷是通過配置文件來實現(xiàn)的，如果判斷本實體為MR，則要進行MR的初始化工作，包括任務隊列的初始化、移動頭套接口的初始化、路由通告接收原始套接字的初始化、隧道控制初始化、本地綁定更新列表初始化、路由規(guī)則初始化以及MR路由通告初始化等。MR上軟件結(jié)構(gòu)分接入檢測程序和代理移動IPv6下主程序2個部分，兩者之間的消息交互通過消息隊列來實現(xiàn)，分別如圖5和圖6所示。

圖4 N-NEMO程序框架Fig.4 Program modules for N-NEMO

圖5 MNN接入偵聽模塊流程圖Fig.5 Flow diagram for MNN connection sense

圖6 MR軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Software architecture for MR

接入偵聽程序通過對AP(access point)發(fā)來syslog消息來判斷MNN的接入和離開，并提取MNN的MAC地址，然后對MNN的類型進行判斷。我們定義18代表節(jié)點類型為VMN，19代表節(jié)點類型為LFN，20表示節(jié)點類型為MR。然后通過消息隊列將MNN的信息發(fā)送給MR主程序。

MR的主程序中分3個大的線程:①移動頭部的接收;通過對接收消息包的判斷，來觸發(fā)信令的交互;②消息隊列觸發(fā)線程:通過接受接入檢測程序所發(fā)送的消息隊列的值，來檢測MN的切換;③RA消息的接受:通過接受RA消息包，并對其中的MAG地址進行判斷，不變將繼續(xù)監(jiān)聽，改變則為MNN向新的MAG進行注冊。

對于實體MAG，MAG首先要進行和MR類似的初始化，由于MAG的程序主要分為:移動頭部的接受以及消息隊列觸發(fā)線程，功能和MR中的2個線程功能類似，代碼結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 MAG軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Software architecture for MAG

3 代理移動IPv6子網(wǎng)移動切換時延分析

3.1 子網(wǎng)移動實驗環(huán)境

為了分析代理移動IPv6下3種子網(wǎng)移動方案的性能，本文搭建了實驗平臺。實驗平臺中包括LMA，MAG，MR，MN，CN 5 個實體，如圖8 所示。下面將就移動子網(wǎng)在2個MAG之間切換以及MN在MAG和MR之間切換2種場景進行時延分析比較。

3.2 MR在MAG之間的切換時延

下面分別采用上述3種子網(wǎng)移動方案測試MR在MAG之間切換的時延。MR在MAG1和MAG2之間共進行150次切換，通過ICMPv6 ping和ICMPv6 reply數(shù)據(jù)包測試MN與CN之間的通信切換時延的最小值、最大值和平均值，并與代理移動IP中MN在MAG之間的切換進行對比，如圖9所示。其中，平均時延:PMIPv6為1.246 775 s，C-NEMO為1.275 94 s，N-PMIPv6為1.291 202 3 s，N-NEMO為 1.300 398 s。由圖9可見，PMIPv6平均時延最小，N-NEMO平均時延最大。實驗結(jié)果與前面的分析吻合。

圖8 PMIPv6子網(wǎng)移動的實驗拓撲圖Fig.8 Mobility scenario in PMIPv6

圖9 MR在MAG1和MAG2之間切換時延性能Fig.9 Handoff delay cost for MR handover between MAG1 and MAG2

3.3 MN在MR和MAG之間的切換時延

具體的切換場景為:首先MR接入到MAG1，MN接入在MR下面的子網(wǎng)，然后MN和CN進行通信的過程中在MR和MAG2之間進行150次切換。由于C-NEMO不支持單點的移動性，所以這個場景的實現(xiàn)里面沒有對其時延進行分析。我們將后2種方案的切換時延進行測試分析，圖10中分別顯示了對2種移動切換實驗的最小值、平均值和最大值(其中平均值:N-PMIPv6為1.498 742 s，N-NEMO為1.504 89 s);N-PMIPv6的性能稍優(yōu)于 N-NEMO，不過兩者的時延相差僅為0.006 148 s，與其所帶來的頭部開銷降低的優(yōu)勢相比是可以接受的。

圖10 MN在MR和MAG之間切換時延性能Fig.10 Handoff delay cost for MN handover between MR and MAG

4 子網(wǎng)移動方案性能分析

通過3種子網(wǎng)移動實現(xiàn)方案的協(xié)議分析，以及兩個場景下3種方案的時延測試，可以看出，在信令開銷方面，由于N-NEMO采用了分層注冊，每次MR切換時都要為其下的移動節(jié)點進行一次注冊，因此，N-NEMO信令開銷最大，C-NEMO信令開銷最小。在網(wǎng)絡層頭部開銷方面，N-PMIPv6的開銷最大，CNEMO和N-NEMO的開銷較小。從支持的節(jié)點類型上看，C-NEMO只能支持LFN節(jié)點，N-PMIPv6只能支持VMN節(jié)點，而N-NEMO可以同時支持LFN和VMN 2種節(jié)點類型。從切換時延上看，MR在MAG間切換時，C-NEMO的切換時延相對最小，NNEMO的切換時延抖動較大;而MN在MR和MAG間切換時，N-PMIPv6和N-NEMO的切換時延幾乎相等。綜上所述，N-NEMO相對其他2種方案雖然信令開銷和切換時延相對較大，但可以支持各種節(jié)點類型，以及網(wǎng)絡層頭部開銷較小的優(yōu)勢，如表1所示。

表1 3種子網(wǎng)移動實現(xiàn)方案對比Tab.1 Comparison in three NEMO mechanisms

5 結(jié)束語

本文介紹了代理移動IPv6下的3種子網(wǎng)移動信令流程和實現(xiàn)方案，詳細分析了N-NEMO方案的信令流程和程序的模塊實現(xiàn)，軟件實現(xiàn)了3種子網(wǎng)移動方案，實驗測試了各種方案的切換時延。NNEMO采用隧道分離技術，在MR和MAG之間以及MAG和LMA之間，為VMN建立隧道，有效地減小了數(shù)據(jù)包在MAG和LMA之間傳輸時的頭部開銷;同時，N-NEMO全面支持2種類型移動節(jié)點，可滿足移動子網(wǎng)中移動節(jié)點不同應用場景的需求。但由于N-NEMO切換時延抖動相對較大，因此，N-NEMO適用于對切換時延和時延抖動不是很敏感的應用。在后續(xù)的研究工作中，將對N-NEMO子網(wǎng)內(nèi)部多個MN的塊注冊［15］進行相關的實現(xiàn)。

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