移動(dòng)IPv6切換技術(shù)研究

李旭　秦軍　楊昭

摘 要： 由移動(dòng)IPv4技術(shù)發(fā)展而來的移動(dòng)IPv6技術(shù)應(yīng)用前景可觀，但其存在諸多問題，如移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在不同網(wǎng)絡(luò)間移動(dòng)帶來的網(wǎng)絡(luò)切換問題，切換過程中地址重復(fù)檢測(cè)的延遲問題等?；趯哟位囊苿?dòng)IPv6，詳細(xì)闡述了目前移動(dòng)IPv6的幾種切換技術(shù)，并對(duì)現(xiàn)有的幾種切換技術(shù)在切換時(shí)延方面進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)層次型快速切換技術(shù)有更小的切換時(shí)延和丟包率。

關(guān)鍵詞： 移動(dòng)IPv6； 切換技術(shù)； 移動(dòng)檢測(cè)； 重復(fù)地址檢測(cè)； 切換延遲

中圖分類號(hào)：TN915.04 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2015）05-26-03

Abstract： The mobile IPv6 technology developed from the mobile IPv4 technology has a considerable application prospect， but there are many problems， such as the network switching problem when mobile nodes roam between the networks， the handoff delay problem because of duplicate address detection in switching process， and so on. In this paper， several existing mobile IPv6 handover technologies are elaborated and their handoff delay are compared， and the result found that the fast hierarchical handover technology has a lower handoff delay and packet loss rate.

Key words： mobile IPv6； handover technology； mobile detection； duplicate address detection； handover delay

0 引言

近幾年網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）將是今后通信業(yè)務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的核心。以IPv6作為內(nèi)在組成部分的移動(dòng)IPv6技術(shù)，對(duì)于下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)有著極其重要的影響。IPv6有大量的地址資源和其他先進(jìn)的性能，使網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）通信模式向?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)（P2P）模式轉(zhuǎn)換，解決了IPv4存在的一些關(guān)鍵性問題。但是基本移動(dòng)IPv6協(xié)議仍存在較多的問題需要解決，如安全、AAA（身份認(rèn)證、授權(quán)機(jī)制、自動(dòng)計(jì)費(fèi)服務(wù)）、切換延遲、組播等。移動(dòng)IPv6技術(shù)將是下一代網(wǎng)絡(luò)的核心，因此，有必要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和深入研究移動(dòng)IPv6技術(shù)。

1 移動(dòng)IPv6（MIPv6）

在傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)上，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（MN）離開一個(gè)網(wǎng)段而連接到新的網(wǎng)段時(shí)，需要給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)配置不同的IP地址，否則它不能按傳統(tǒng)的路由機(jī)制將數(shù)據(jù)包路由到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)現(xiàn)在的位置，從而導(dǎo)致通信終斷[1]。為了保持MN在移動(dòng)中會(huì)話的連續(xù)性，相關(guān)研究組織提出了移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)。已有出版的移動(dòng)IP：Mobile IPv4（MIPv4）和Mobile IPv6（MIPv6）。MIPv6是MIPv4的升級(jí)版，MIPv6借鑒了MIPv4的很多概念和想法，并提出一些創(chuàng)新機(jī)制，解決了MIPv4中出現(xiàn)的三角路由、安全問題等。在MIPv6中MN可以在任意網(wǎng)內(nèi)隨意漫游，當(dāng)MN與一個(gè)子網(wǎng)斷開時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)連接到另一個(gè)網(wǎng)段，而無需要像傳統(tǒng)Internet進(jìn)行手動(dòng)配置IP地址。

MIPv6為了實(shí)現(xiàn)通信在網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)過程中保持通信不斷，其解決方案可以簡(jiǎn)單地歸納為三個(gè)方面[2-4]。

⑴ 家鄉(xiāng)地址，MN在家鄉(xiāng)鏈路中所獲得的IP地址，MN通過該IP地址與外部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息溝通，保證了對(duì)應(yīng)用的移動(dòng)透明。

⑵ 轉(zhuǎn)交地址，MN移動(dòng)到外鏈路時(shí)，MN根據(jù)外鏈路的子網(wǎng)前綴信息和自身的鏈路層接口生成的一個(gè)IP地址，保證了現(xiàn)有路由模式下通信可達(dá)。

⑶ 家鄉(xiāng)地址與轉(zhuǎn)交地址的映射，建立了應(yīng)用所使用的網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)識(shí)與網(wǎng)絡(luò)層路由所使用的目的標(biāo)識(shí)之間的關(guān)系。

在MIPv6網(wǎng)絡(luò)中，MN從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)轉(zhuǎn)接到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并保持其網(wǎng)絡(luò)連通性的過程叫切換[5]。當(dāng)MN在家鄉(xiāng)網(wǎng)中，MN與通信節(jié)點(diǎn)之間按照傳統(tǒng)的路由技術(shù)進(jìn)行通信。當(dāng)MN移動(dòng)到外地鏈路時(shí)，MN的家鄉(xiāng)地址保持不變，并獲得一個(gè)轉(zhuǎn)交地址，MN把家鄉(xiāng)地址與轉(zhuǎn)交地址的映射告知家鄉(xiāng)代理。通信節(jié)點(diǎn)與MN通信仍然使用MN的家鄉(xiāng)地址，數(shù)據(jù)包仍然發(fā)送到MN的家鄉(xiāng)網(wǎng)；家鄉(xiāng)代理截獲這些數(shù)據(jù)包后，根據(jù)已獲得的映射關(guān)系通過隧道方式將其轉(zhuǎn)發(fā)給MN的轉(zhuǎn)交地址，MN則可以直接和通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信[6-7]。工作原理如圖1所示。

2 移動(dòng)IPv6切換延遲

在MIPv6網(wǎng)絡(luò)中，MN在不同網(wǎng)絡(luò)間切換時(shí)先執(zhí)行鏈路層切換后執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)層切換，在這段期間MN既不能發(fā)送，也不能接收數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致通信的終斷，造成較大的切換延遲。切換延遲如圖2所示。

由此可知，存在數(shù)據(jù)鏈路層切換時(shí)延TDL，網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)檢測(cè)時(shí)延TMD，轉(zhuǎn)交地址配置時(shí)延TCOA，重復(fù)地址檢測(cè)時(shí)延TDAD，綁定更新時(shí)延TBU。為了改善MIPv6的切換性能，IETF提出了以下改進(jìn)協(xié)議：MIPv6快速切換技術(shù)（FMIPv6），MIPv6層次化切換技術(shù)（HMIPv6）和MIPv6層次型快速切換技術(shù)（F-HMIPv6）。

3 移動(dòng)IPv6快速切換技術(shù)（FMIPv6）

FMIPv6采用鏈路層觸發(fā)的方法預(yù)測(cè)切換的發(fā)生，將網(wǎng)絡(luò)層切換的部分操作提到鏈路層切換之前，通過提前預(yù)測(cè)MN的移動(dòng)位置，配置NCOA，進(jìn)行DAD（重復(fù)地址檢測(cè)）過程，加快了切換過程的完成[8]。切換過程如圖3所示。

⑴ 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)由鏈路層觸發(fā)機(jī)制預(yù)測(cè)到自己將要發(fā)生移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向前接入路由器（PAR）發(fā)送路由器請(qǐng)求代理消息。

⑵ PAR返回代理路由器通告消息，告知新接入路由器（NAR）的信息。

⑶ MN形成新轉(zhuǎn)交地址（NCOA），并將其包在快速綁定更新（FBU）消息中發(fā)送給PAR。

⑷ PAR收到FBU消息后在PCOA和NCOA之間建立隧道。然后向NAR發(fā)發(fā)起切換消息（HI），HI消息中包含了MN的NCOA。

⑸ NAR對(duì)NCOA進(jìn)行DAD操作，檢查NCOA是否有效。如果地址無效，NAR會(huì)重新給MN分配一個(gè)NCOA，并在切換確認(rèn)消息（HACK）中將結(jié)果返回給PAR。

⑹ PAR收到HACK后，向 MN和NAR返回FBACK消息，將發(fā)往PCOA 的數(shù)據(jù)通過隧道送至NAR，NAR將數(shù)據(jù)包暫時(shí)緩存起來。

⑺ MN到達(dá)新的子網(wǎng)，向NAR發(fā)送快速鄰居通告消息（FNA），可從NAR接收到緩存的或新來的數(shù)據(jù)。

從上述分析可以看出，MN在連接到新的子網(wǎng)之前，已經(jīng)獲知新子網(wǎng)的信息并配置了經(jīng)過DAD的NCOA，由此可知，預(yù)測(cè)式快速切換可以大大減少網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)檢測(cè)和配置COA的時(shí)間，減少了數(shù)據(jù)的丟包率。

4 移動(dòng)IPv6層次化切換技術(shù)（HMIPv6）

無論是MIPv6還是FMIPv6，都存在切換時(shí)延較大和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過重等問題。于是IETF提出了層次化的MIPv6切換技術(shù)HMIPv6[9]。HMIPv6利用區(qū)域劃分的思想，在邏輯上將網(wǎng)絡(luò)劃分成不同的域，每個(gè)域由一個(gè)稱為“移動(dòng)錨點(diǎn)”（MAP）的實(shí)體來管。一個(gè)MN在一個(gè)MAP域內(nèi)有兩個(gè)COA，分別是RCOA和LCOA[10]。

當(dāng)MN發(fā)生了域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，MN通過RA報(bào)文配置新的LCOA，此時(shí)MN的RCOA對(duì)HA和CN仍然有效。當(dāng)MN發(fā)生域間切換時(shí)，其步驟如下。①M(fèi)N首先通過RA報(bào)文，獲取AR的子網(wǎng)前綴和MAP的子網(wǎng)前綴，然后通過參數(shù)設(shè)置選擇無狀態(tài)的地址配置方式配置LCOA和RCOA。②MN向NMAP發(fā)送包含RCOA和LCOA域內(nèi)綁定更新的LBU報(bào)文后，NMAP更新自己的緩存機(jī)制，更新MN的RCOA和LCOA的映射關(guān)系。③NMAP向MN發(fā)送LBA報(bào)文，表明注冊(cè)成功，MN向HA發(fā)送BU報(bào)文，HA更新自己的綁定緩存記錄。④MN向PMAP發(fā)送PRCOA和NRCOA的對(duì)應(yīng)關(guān)系，PMAP和NMAP之間建立了隧道機(jī)制。⑤當(dāng)CN向MN發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，CN首先檢查它的綁定緩存，檢查MN的RCOA和HA的對(duì)應(yīng)關(guān)系。然后CN更新自己的綁定緩存，記錄MN的RCOA和HA的映射關(guān)系。此后，MN和CN將繞開HA直接進(jìn)行通信。HMIPv6的網(wǎng)絡(luò)流程如圖4所示。

HMIPv6時(shí)延分析：MN在域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，只需綁定新的AR和MAP，不需要向HA和CN發(fā)送BU報(bào)文，所以切換時(shí)延變得比原來小。MN在域間移動(dòng)時(shí)，TBU過程比原來要多幾個(gè)步驟，所以域間移動(dòng)的時(shí)延要比標(biāo)準(zhǔn)MIPv6切換時(shí)延大。

5 移動(dòng)IPv6層次型快速切換技術(shù)（F-HMIPv6）

上面講述到的兩種切換技術(shù)，如果在較小局域內(nèi)進(jìn)行頻繁移動(dòng)時(shí)，可以使用HMIPv6來減少切換延時(shí)，而如果在層次MIPv6網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用FMIPv6，MIPv6的移動(dòng)性將會(huì)得到極大的加強(qiáng)[11-12]。在F-HMIPv6中，建立MAP和NAR之間的快速切換的隧道，MN和MAP之間交換FMIPv6消息。F-HMIPv6切換過程如圖5所示。

操作流程：由預(yù)期的切換，MN將發(fā)送路由器請(qǐng)求代理消息給MAP，MAP收到消息后會(huì)發(fā)送路由器通告消息回復(fù)MN。隨后MN發(fā)送FBU給MAP。MAP在接收到FBU后會(huì)發(fā)送HI消息給NAR，確認(rèn)切換后，MAP和NAR之間將建立一個(gè)雙向隧道。MAP會(huì)根據(jù)PLCOA和NLCOA發(fā)送FBACK消息給MN。MAP通過雙向隧道將發(fā)給MN的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給NAR并由NAR將數(shù)據(jù)包緩存起來。當(dāng)MN移動(dòng)到NAR的范圍內(nèi)，經(jīng)過確認(rèn)消息后，NAR會(huì)將剛才緩存起來的數(shù)據(jù)包通過NLCOA轉(zhuǎn)給移動(dòng)后的MN。

F-HMIPv6時(shí)延分析：F-HMIPv6結(jié)合了FMIPv6和HMIPv6各自的優(yōu)點(diǎn)，減少了TMD、TCOA和TDAD帶來的時(shí)延。在微移動(dòng)情景下，F(xiàn)-HMIPv6減少了TMD、TCOA、TDAD和TBU帶來的總時(shí)延，改善結(jié)果十分明顯。

6 三種切換技術(shù)在時(shí)延上面的比較分析

在FMIPv6中，MN通過鏈路層觸發(fā)機(jī)制減少了網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)檢測(cè)和配置COA的時(shí)間，減少了數(shù)據(jù)的丟包率[7]。在HMIPv6中，當(dāng)MN在域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，只需綁定新的AR和MAP，當(dāng)MN在域間移動(dòng)時(shí)，TBU會(huì)增大，故HMIPv6域內(nèi)移動(dòng)。在層次型快速切換技術(shù)（F-HMIPv6）中，F(xiàn)MIPv6主要減少了配置帶來的時(shí)延，在微移動(dòng)情況下，HMIPv6又減少了TBU的時(shí)延。

由上述時(shí)延分析可知，三種切換技術(shù)都能有效的減少時(shí)延，其中層次型快速切換技術(shù)（F-HMIPv6）減少時(shí)延效果最好。

7 結(jié)束語(yǔ)

MIPv6切換性能已經(jīng)成為阻礙MIPv6網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用和大規(guī)模商業(yè)化的最主要原因之一，因此降低切換時(shí)延有著重要意義。FMIPv6機(jī)制的提出降低了MIPv6的切換時(shí)延，當(dāng)MN在域內(nèi)移動(dòng)時(shí)HMIPv6切換技術(shù)能減少信令負(fù)載，F(xiàn)-HMIPv6減少了移動(dòng)、配置和重復(fù)檢測(cè)帶來的時(shí)延，使得F-HMIPv6在對(duì)實(shí)時(shí)性要求更高的商務(wù)活動(dòng)中更趨于實(shí)用。雖然F-HMIPv6有效的減少了時(shí)延，但也實(shí)現(xiàn)不了無縫切換。同時(shí)影響MIPv6應(yīng)用到實(shí)際通信中的因素還有安全性、服務(wù)質(zhì)量等，這些問題都有待解決。

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