一種基于HMIPv6網(wǎng)絡(luò)的域間切換改進(jìn)方案*

楊禮（喀什師范學(xué)院信息工程技術(shù)系，新疆喀什844006）

一種基于HMIPv6網(wǎng)絡(luò)的域間切換改進(jìn)方案*

楊禮
（喀什師范學(xué)院信息工程技術(shù)系，新疆喀什844006）

針對層次型移動IPv6網(wǎng)絡(luò)的域間切換中的切換延遲和丟包問題，提出一種使用轉(zhuǎn)交地址池改進(jìn)原來DAD的檢測方法來減少切換延遲，采用雙路徑通信方式降低丟包率的域間切換的改進(jìn)方案。理論分析改進(jìn)前后的切換延遲，使用NS-2工具對改進(jìn)協(xié)議進(jìn)行仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)方案在切換時延和丟包率方面表現(xiàn)出較好的優(yōu)越性。

層次型移動IPv6；域間切換；切換時延；丟包率

0 引言

隨著無線網(wǎng)絡(luò)和移動通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用，移動設(shè)備的移動性問題引起越來越多的關(guān)注。層次型移動IPv6（Hierarchical Mobile IPv6，HMIPv6）[1]是一種針對移動IPv6協(xié)議的改進(jìn)方案，使用樹形分層結(jié)構(gòu)模型，引人了移動錨點(diǎn)（Mobility Anchor Point，MAP），實(shí)現(xiàn)本地化管理。MAP將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個域，扮演移動節(jié)點(diǎn)（Mobile Node，MN）在外地網(wǎng)絡(luò)的本地代理的角色。在HMIPv6網(wǎng)絡(luò)中，移動性包括微移動和宏移動，針對MAP的功能和作用，將移動的切換分為域內(nèi)切換和域間切換，后者屬于一種宏移動的切換[2-3]。

目前HMIPv6的研究熱點(diǎn)主要集中在切換技術(shù)、組播技術(shù)和IPSec等問題。由于跨區(qū)移動無處不在，切換技術(shù)成為研究的首要問題，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一種無縫切換，滿足人們對實(shí)時性的需求。改進(jìn)思路體現(xiàn)在如何縮短切換延遲以及降低丟包率?，F(xiàn)有的HMIPv6協(xié)議的優(yōu)化方法很多，一種思路是優(yōu)化結(jié)構(gòu)功能實(shí)體，主要表現(xiàn)為MAP的優(yōu)化及管理、接入路由器的布置及選擇等；另一種思路是優(yōu)化注冊機(jī)制，主要表現(xiàn)是轉(zhuǎn)交地址的配置、預(yù)切換機(jī)制等。

在HMIPv6協(xié)議中發(fā)生域內(nèi)切換時，移動節(jié)點(diǎn)的區(qū)域轉(zhuǎn)交地址（Regional Care-of Address，RCoA）沒有改變，但是鏈路轉(zhuǎn)交地址（on-Link Care-of Address，LCoA）發(fā)生了改變[1]；MN只需要向所屬的MAP注冊LCoA，不需要向家鄉(xiāng)代理（Home Agent，HA）和通信對端節(jié)點(diǎn)（Correspondent Node，CN）注冊，因而減少了網(wǎng)絡(luò)切換信令的開銷，降低了網(wǎng)絡(luò)擁塞。在標(biāo)準(zhǔn)HMIPv6中，對MAP域間切換執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的宏切換，這使得HMIPv6域間切換的性能沒有得到優(yōu)化。因此，對HMIPv6域間切換的研究就變得尤為重要。

1 HM IPv6域間切換分析

在移動過程中，MN通過接收到的路由通告消息（Router Advertisement，RA）中攜帶的MAP選項(xiàng)信息判斷是否發(fā)生了MAP域的改變。如果MAP選項(xiàng)信息和當(dāng)前的MAP域的網(wǎng)絡(luò)前綴相同，則為域內(nèi)移動；否則發(fā)生域間移動。MN在新的接入路由器（Access Router，AR）上獲取新的轉(zhuǎn)交地址（包括RCoA和LCoA），并向新的MAP發(fā)送本地綁定更新消息（Local Banding Update，LBU）綁定RCoA和LCoA，然后向HA和CN注冊。其中，MN通過發(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)消息完成對LCoA的重復(fù)地址檢測（Duplicate Address Detection，DAD）[1，4]；MAP收到LBU消息后，需要對RCoA進(jìn)行DAD操作，DAD檢測成功后向MN發(fā)送綁定確認(rèn)（Local Banding Acknowledgement, LBA）。切換過程中的DAD時間占據(jù)了太大的切換延遲，只有完成切換后新的MAP才能為MN提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在切換的過程中，MN無法接收數(shù)據(jù)，不能很好地滿足實(shí)時性交互應(yīng)用行為。

2 改進(jìn)的切換方案

通過分析HMIPv6中的MAP域間切換，本文提出了一種新的HMIPv6域間切換改進(jìn)方法——FPSNM（First Prior MAP Second New MAP）。

2.1 FPSNM切換過程

在移動過程中，MN收到AR2周期性發(fā)送的RA消息（該消息中包含MAP2選項(xiàng)信息和AR2的網(wǎng)絡(luò)前綴信息）；通過RA消息中攜帶的MAP選項(xiàng)和MN保存的MAP選項(xiàng)信息的不一致性判斷自己進(jìn)入MAP2域。

在MAP2域內(nèi)，MN配置新區(qū)域轉(zhuǎn)交地址（new RCoA，nRCoA）和新鏈路轉(zhuǎn)交地址（new LCoA，nLCoA）。MN向MAP1發(fā)送快速綁定更新消息（Fast Binding Update，F(xiàn)BU），其中FBU消息中包含MAP2的IP地址、pRCoA、nRCoA和nLCoA，告知MAP1其新的位置發(fā)生變化，同時向MAP2發(fā)送LBU消息進(jìn)行本地注冊。

當(dāng)MAP1收到MN發(fā)送的FBU消息（該消息中包含MN的pRCoA、nRCoA和nLCoA）時，MAP1立即向MAP2發(fā)送切換發(fā)起消息（Handover Initiate，HI），建立nRCoA和nLCoA的綁定關(guān)系，并向MN發(fā)送LBA消息；等待MAP2返回的Hack消息指示建立兩者之間的隧道。隧道建立完畢，MAP1將緩存的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)至MAP2，MN向CN發(fā)送BU消息，等待CN返回一個BA消息。

完成本地綁定，MN向HA和CN進(jìn)行注冊。HA建立本地家鄉(xiāng)地址與MAP2的RCoA的綁定關(guān)系，在HA的緩存列表中建立nRCoA與HoA的列表項(xiàng)，以便HA可以向MAP2發(fā)送數(shù)據(jù)。CN建立MN當(dāng)前地址與MAP2的RCoA的綁定關(guān)系，在CN緩存列表項(xiàng)中建立MN與nRCoA的列表項(xiàng)，至此切換過程完成。FPSNM切換流程如圖1所示。

2.2 FPSNM技術(shù)描述

本文采用兩個相鄰MAP注冊的機(jī)制，先向MAP1告知MN的新CoA。對MN在MAP1和MAP2之間的乒乓切換，不僅使切換性能得到了提高，實(shí)現(xiàn)了兩個相鄰MAP之間的平滑切換，而且減少了外部信令交互量。當(dāng)MN由MAP2域返回到MAP1域時，MN獲得新的LCoA，只需要向MAP1注冊，切換過程對HA和CN透明，該切換方案較好地解決了MN在兩個MAP域之間乒乓切換的延遲和丟包問題。

圖1 FPSNM切換流程圖

針對MN在新的MAP域中需要進(jìn)行DAD操作的問題，本文對MAP和AR的功能進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展。在MAP和AR上設(shè)置轉(zhuǎn)交地址池[5]，即區(qū)域轉(zhuǎn)交地址池和鏈路轉(zhuǎn)交地址池，分別由MAP和AR負(fù)責(zé)維護(hù)。在轉(zhuǎn)交地址池上設(shè)置兩張表，分別用于存儲已使用和預(yù)先配置且未被使用的RCoA和LCoA；在AR廣播的RA消息中攜帶可使用的轉(zhuǎn)交地址。MN在接收的RA消息中直接獲得可以使用的轉(zhuǎn)交地址，無需DAD操作。當(dāng)MN向新的MAP發(fā)送LBU消息時，完成本地注冊，在MAP和AR的地址池緩存列表中增加新的地址項(xiàng)。若MN離開AR進(jìn)入到一個新的AR，則注銷當(dāng)前MN已使用的LCoA，以備其他MN使用。當(dāng)MN離開MAP時，注銷MN在MAP地址緩存列表中的RCoA。

3 改進(jìn)方案分析

3.1 雙向隧道

MN從MAP1進(jìn)入MAP2，獲取了新的RCoA和LCoA。MN向MAP1發(fā)送FBU消息告知MAP1自己所在的新位置。于是，MAP1向MAP2發(fā)起切換請求，建立隧道，該階段充分利用MN在MAP2域進(jìn)行注冊的時間，將與MN通信的通信對端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行緩存，從而降低丟包率。

對于雙向隧道，需要設(shè)置一個合理的生存時間閾值。當(dāng)MN由MAP2返回MAP1時，MN只需要向MAP1注冊，由MAP2緩存數(shù)據(jù)分組，經(jīng)由隧道轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組至MAP1。由于MAP1和MAP2之間已建立雙向隧道，減少了再次建立隧道而產(chǎn)生的信令交互量，降低網(wǎng)絡(luò)中信令擁塞。

3.2 切換時延

影響FPSNM切換時延的四個主要因素：

（1）子網(wǎng)變化時需要進(jìn)行的移動性檢測時間Tmov；

（2）MN獲取轉(zhuǎn)交地址的時間TCoA；

（3）切換過程中的信令交互時間Tsig；

（4）MN向HA和CN注冊過程的時間Treg。

移動檢測時間與RA消息的廣播頻率相關(guān)，RFC2461[6]建議的RA消息的發(fā)送頻率為1次/s，設(shè)RA廣播周期為TRA，則：

其中c為系數(shù)，根據(jù)切換算法不同而進(jìn)行取值。

由于AR與MAP之間只有一跳，假設(shè)ICMP消息的平均長度為l，無線鏈路帶寬為Bwlss，有線鏈路帶寬為Bw，無線鏈路時延為Lwlss，有線鏈路時延為Lw，則：

在新的鏈路進(jìn)行切換時，信令交互時間包括MN與MAP1、MAP2之間進(jìn)行信令交互的時間，則：

MN向HA和CN注冊，包括綁定更新所需時間TBU、綁定確認(rèn)所需時間TBA以及消息在網(wǎng)絡(luò)中傳輸所需的時間Ttrs，則：

FPSNM總時延T：

對于標(biāo)準(zhǔn)的HMIPv6域間切換，對CoA進(jìn)行DAD操作的時間TD=TR+TL，其中RCoA的重復(fù)地址檢測時間為TR，LCoA的重復(fù)地址檢測時間為TL。

標(biāo)準(zhǔn)的HMIPv6域間切換總時延[7]T0：

在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好的情況下，可以減少DAD操作；通常情況下，DAD操作在整個切換延遲中占據(jù)的比重較大。比較T和T0可知，T

4 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)

使用UC Berkeley開發(fā)的NS-2[8]作為仿真軟件，移植FHMIP1.3.1模塊[9]支持層次型移動IPv6網(wǎng)絡(luò)下的切換技術(shù)。對HMIPv6和FPSNM協(xié)議進(jìn)行仿真，共有8個節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中使用的配置層次地址的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

基于本文對HMIPv6和FPSNM協(xié)議的分析，選取的主要性能評估參數(shù)分別是切換延遲和數(shù)據(jù)分組的丟包率。其他需要使用的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖2 仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 其他相關(guān)參數(shù)配置列表

4.2 仿真結(jié)果分析

在相同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，分別對HMIPv6和FPSNM進(jìn)行模擬，通過改變MN和nMAP（MAP2）之間的無線鏈路時延，獲得在不同鏈路時延下的切換延遲和丟包率，其中鏈路時延的設(shè)置范圍為20 ms～200 ms。HMIPv6和FPSNM協(xié)議在不同鏈路時延下的切換延遲和數(shù)據(jù)分組的丟包率分別如圖3、圖4所示。

圖3 不同鏈路時延下的域間切換延遲

圖4 不同鏈路時延下的域間切換丟包率

從圖3可以看出，總的切換延遲隨著MN和nMAP之間的鏈路時延的增大而變大，總體來說，改進(jìn)方案FPSNM的切換延遲明顯低于標(biāo)準(zhǔn)的HMIPv6，主要是因?yàn)镕PSNM使用了轉(zhuǎn)交地址池，從而減少了DAD操作的時間。

從圖4可以看出，隨著MN和nMAP之間的鏈路時延的增大，數(shù)據(jù)分組的丟包率也在增大，這主要是由于鏈路時延增大了切換延遲，影響MAP的緩存能力；FPSNM的丟包率在整體上比標(biāo)準(zhǔn)的HMIPv6較低，主要是由于FPSNM采用了隧道機(jī)制，在MN進(jìn)行域間切換期間，由MAP2緩存轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組，通過隧道轉(zhuǎn)發(fā)給新的移動錨點(diǎn)，從而減少域間切換造成的數(shù)據(jù)分組的丟失問題。

5 結(jié)束語

在HMIPv6網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，本文提出了一種改進(jìn)的域間切換方案，降低域間切換過程中的丟包問題和分組亂序。在域間切換方面，切換操作對HA和CN透明，表現(xiàn)出了一定的優(yōu)越性。在以后的研究中，需要加強(qiáng)對雙路徑下的動態(tài)控制機(jī)制的分析；服務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量過多時，需要對MAP的負(fù)荷上限進(jìn)行深入討論；此外對MN在MAP之間的頻繁切換性能尚待進(jìn)一步研究。

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An im proved scheme of inter-domain handover based on hierarchical mobile IPv6 networks

Yang Li
（Department of Information Engineering，Kashi Normal University，Kashi 844006，China）

Aiming at the problem of handover delay and packet loss，which existed in hierarchical mobile IPv6 networks，a new handover scheme was proposed.According to improving the technology of duplicate address detection by using care-of address pool，delay time could be reduced.Double communicate path was built in the networks，which was used to reduce the packet loss rate.By using the method of mathematical analysis，the delay before and after improvement was analyzed.NS-2 was used to simulate protocol，and the result of analysis proved the superiority of the improved scheme in terms of delay and packet loss rate.

hierarchical mobile IPv6；inter-domain handover；handover delay；packet loss rate

TP393

A

1674-7720（2015）03-0071-04

2014-10-10）

楊禮（1983-），男，碩士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

新疆高校科研計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（XJEDU2014I039）