基于NEMO-PMIPv6的城際公交移動通信快速切換方案

呂瑩瑩,李艷翠

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453000）

基于NEMO-PMIPv6的城際公交移動通信快速切換方案

呂瑩瑩,李艷翠

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453000）

在研究代理移動IPv6協(xié)議（proxy mobile IPv6,PMIPv6）與移動網(wǎng)絡(luò)基本支持協(xié)議（network mobility basic support,NEMO-BS）的基礎(chǔ)上,提出一種適合在城際公交上部署的FPMIPv6-NEMO移動通信快速切換方案.方案通過在移動路由器（moblie router,MR）中預(yù)先設(shè)置城際公交線路切換信息,根據(jù)域內(nèi)切換和域間切換類型不同,提前建立隧道,這樣縮短切換延遲并降低了丟包率,達(dá)到城際公交在路程中的無縫切換.實(shí)驗(yàn)表明, FPMIPv6-NEMO方案相較于PMIPv6具有更好的性能與服務(wù)質(zhì)量.

PMIPv6；NEMO-BS；城際公交

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,乘客對城際公交上接入移動網(wǎng)絡(luò)的需求在不斷增加.下一代互聯(lián)網(wǎng)移動IPv6技術(shù)（mobile IPv6,MIPv6）[1]是當(dāng)前研究的熱點(diǎn),它綜合運(yùn)用移動寬帶無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),能夠提供可靠優(yōu)質(zhì)的通信服務(wù).但是,將MIPv6應(yīng)用在城際公交中,由于城際公交中的客流量較大,而MIPv6協(xié)議是以移動節(jié)點(diǎn)（mobile node,MN）為中心的,切換相關(guān)的決策均需要有MN的參與,因此, MN上需要安裝客戶端功能,或者修改網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,而這樣會導(dǎo)致MIPv6的實(shí)施部署難度增大.另外, MIPv6在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮整體網(wǎng)絡(luò)移動性問題,由于一趟城際公交中的所有MN都朝著相同方向進(jìn)行運(yùn)動,當(dāng)發(fā)生切換時(shí),所有城際公交中的MN都要發(fā)送報(bào)文進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換,造成過大的信令開銷.

為了解決MIPv6部署城際公交移動網(wǎng)絡(luò)的問題,本文提出適用于城際公交移動網(wǎng)絡(luò)的基于PMIPv6[2]與NEMO-BS[3]相結(jié)合的IPv6快速切換方案（FPMIPv6-NEMO）.FPMIPv6-NEMO方案中,將PMIPv6與NEMO相結(jié)合,使一趟城際公交可以按照PMIPv6劃分的域內(nèi)和域間進(jìn)行整體切換.同時(shí),針對城際公交運(yùn)行的線性特征,提前保存沿線網(wǎng)絡(luò)信息,通過提前發(fā)起切換并建立隧道,確保移動網(wǎng)絡(luò)無縫切換.

1 NEMO-BS協(xié)議與PMIPv6協(xié)議

1.1 NEMO-BS基本原理

為了使中小型網(wǎng)絡(luò)能夠整體移動,并同時(shí)保持內(nèi)部節(jié)點(diǎn)對切換的透明度,國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（the internet engineeringtask force,IETF）于2005年1月提出移動網(wǎng)絡(luò)基本支持協(xié)議（NEMO-BS）,NEMO的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的移動管理功能都交付給移動路由器（moblie router,MR）,由MR代替單個(gè)MN與家鄉(xiāng)代理（home agent,HA）之間進(jìn)行綁定更新,并建立IPv6-in-IPv6的雙向隧道.在整個(gè)切換中,內(nèi)部移動節(jié)點(diǎn)（moble network node,MNN）不會感知網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的變化.當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)NEMO運(yùn)動至外地網(wǎng)絡(luò)時(shí),MR向HA注冊新子網(wǎng)的轉(zhuǎn)交地址（care ofaddress,CoA）.MR和HA之間通過發(fā)送綁定更新（bindingupdate,BU）與綁定確認(rèn)（bindingacknowledgement,BA）消息來建立IPv6-in-IPv6的雙向隧道.確保了移動節(jié)點(diǎn)家鄉(xiāng)地址（home address,HoA）的全局可達(dá)性.當(dāng)完成與HA的綁定注冊后所有通信對端（correspondent node,CN）發(fā)送來的數(shù)據(jù)包通過雙向隧道由HA發(fā)送至MR,MR將數(shù)據(jù)包進(jìn)行解壓縮并轉(zhuǎn)發(fā)給NEMO內(nèi)的MNN.

1.2 PMIPv6基本原理

為了避免MN參與移動管理過程,IETF于2007年4月提出PMIPv6.該協(xié)議在MIPv6協(xié)議的基礎(chǔ)上,通過引入本地移動錨點(diǎn)（local mobilityanchor,LMA）與移動接入網(wǎng)關(guān)（mobile access gateway,MAG）兩個(gè)新的移動性管理功能實(shí)體,來替代MN執(zhí)行移動性管理功能.PMIPv6協(xié)議中,MN無需再修改網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧或是安裝移動性管理軟件.MAG具有MIPv6中HA的全部功能,主要負(fù)責(zé)MN在PMIPv6域內(nèi)的可達(dá)性. MAG代替MN完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能.通過相互發(fā)送代理綁定新消息（proxybindingupdate,PBU）和代理綁定確認(rèn)消息（proxy binding acknowledgement,PBA）,LMA和MAG之間建立IPv6-in-IPv6的雙向隧道.數(shù)據(jù)包通過隧道將MN的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)至MAG,再由MAG路由至MN.當(dāng)MN在MAG間切換時(shí),如果是在同一個(gè)LMA域內(nèi)切換,即發(fā)起PMIPv6的域內(nèi)切換.在PMIPv6域內(nèi)切換中,LMA需要和MN所在新的接入網(wǎng)關(guān)（newmobileaccess gateway,NMAG）重新完成更新并建立雙向隧道.由于MN則會接收到相同的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴（home network prefix,HNP）,該切換對MN是透明的,MN仍然認(rèn)為自己在相同的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)中,因此可保證通信的連續(xù)性.由于PMIPv6設(shè)計(jì)之初主要研究小型網(wǎng)絡(luò)的切換,因此當(dāng)MN在PMIPv6域間進(jìn)行切換時(shí),PMIPv6并未給出相關(guān)支持.因此當(dāng)發(fā)生域間切換時(shí),將使用MIPv6機(jī)制進(jìn)行切換[4].

當(dāng)前,將PMIPv6與NEMO相結(jié)合的研究還較少,IETF還沒有發(fā)布任何相關(guān)的正式協(xié)議.鑒于PMIPv6與NEMO結(jié)合的廣闊的應(yīng)用前景,PMIPv6與NEMO相結(jié)合將成為今后移動IPv6的研究方向.

2 FPMIPv6-NEMO方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想

一趟城際公交的運(yùn)動軌跡是固定的,而何時(shí)何地到達(dá)哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)卻具有不確定性.為了降低算法的復(fù)雜度,避免因公交晚點(diǎn)等問題產(chǎn)生的錯誤切換等問題,FPMIPv6-NEMO方案中并不考慮公交的到站時(shí)間,僅考慮路線問題.FPMIPv6-NEMO方案中,每趟公交在其MR中維護(hù)一張路徑信息表,用來記錄沿途所有子網(wǎng)信息（見表1）.表1中包含移動接入網(wǎng)關(guān)以及下一接入網(wǎng)關(guān)信息、網(wǎng)絡(luò)所屬域、HNP,同時(shí)該表還標(biāo)識了子網(wǎng)與子網(wǎng)間切換的類型,域內(nèi)切換時(shí),切換標(biāo)識為0,域間切換時(shí),標(biāo)識為1[5].

當(dāng)MR切換至新的網(wǎng)絡(luò)并正常通信后,根據(jù)所在網(wǎng)絡(luò),查找路徑表信息,向MAG發(fā)送一條快速搭建隧道消息（fast build the tunnel,FBT）,該消息是FPMIPv6-NEMO的新增ICMPv6控制消息,消息結(jié)構(gòu)如圖1所示,該消息包含一個(gè)F標(biāo)識位,MR根據(jù)路徑表信息中切換的類型,域內(nèi)切換F位是0；域間切換F位是1；當(dāng)F位為0時(shí),Option-code中攜帶下一接入路由信息和MR-ID；當(dāng)F位為1時(shí),Option-code中除了下一接入路由信息外,還攜帶HNP.FBT是由MR向MAG發(fā)送,MAG在接收到FBT消息后,在MR沒有發(fā)生切換前,就完成隧道的建立.

FPMIPv6-NEMO方案中,在原有切換發(fā)起消息（Handover Initiate,HI）中保留字段添加H標(biāo)示位,用于區(qū)分域內(nèi)和域間切換[6].H位為0表明域內(nèi)切換,H位為1表明域間切換.

2.2 域內(nèi)和域間切換流程

當(dāng)公交進(jìn)行域內(nèi)切換時(shí),具體流程如圖2所示.

（1）MR進(jìn)入MAG1所在網(wǎng)絡(luò)并正常通信后,根據(jù)自身所在接入點(diǎn),查找路徑表,根據(jù)切換的類型,向所在網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)關(guān)MAG1發(fā)送FBT消息.根據(jù)FBT消息中的F位為0,以及將要切換的鄰居路由信息,MAG1發(fā)起域內(nèi)切換.

（2）MAG1接收到MR發(fā)送來的FBT消息后,向MAG2發(fā)起HI消息.HI消息中包含MR-ID.MAG2接收到HI消息后,向MAG1發(fā)送切換確認(rèn)消息（handover acknowledge,HAcK）.通過HI消息和HAcK消息,MAG1與MAG2之間建立一條隧道.該隧道建立后并未激活,MAG1并未向MAG2轉(zhuǎn)發(fā)MR的數(shù)據(jù)包.

（3）當(dāng)MR在MAG1與MAG2重合區(qū)域,MR鏈路層根據(jù)信號的變化向MAG1發(fā)送Link GoingDown觸發(fā).MAG1接收到鏈路層觸發(fā)器后,將MR的數(shù)據(jù)包按照之前建立的隧道發(fā)送給MAG2.

（4）當(dāng)MR完成切換進(jìn)入MAG2區(qū)域,向MAG2發(fā)送路由請求消息（router solicitation,RS）,MAG2將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給MR.

（5）MAG2與LMA1之間使用PMIPv6中的PBU/PBA消息進(jìn)行綁定注冊.綁定完成后發(fā)給MR的數(shù)據(jù)經(jīng)由MAG2轉(zhuǎn)發(fā)至MR.

當(dāng)公交進(jìn)行域間切換時(shí)流程如圖3所示.

（1）MR進(jìn)入MAG2所在網(wǎng)絡(luò)并正常通信后,根據(jù)自身所在接入點(diǎn),查找路徑表,根據(jù)切換的類型為域間切換,向所在網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)關(guān)MAG2發(fā)送FBT消息,FBT消息F位為1.

（2）MAG2向LMA1發(fā)送HI消息,HI消息中攜帶MR-ID和新的HNP.LMA1收到HI消息,向LMA2轉(zhuǎn)發(fā)該消息,LMA2收到HI消息向LMA1發(fā)送HAcK消息,LMA1與LMA2建立隧道.與域內(nèi)切換中的HI消息不同,該HI消息增加新的字段S位,用來標(biāo)識該消息用于域間切換.

（3）當(dāng)MR在MAG2與MAG3重合區(qū)域,MR鏈路層根據(jù)信號的變化發(fā)送Link Going Down觸發(fā), LMA1向LMA2轉(zhuǎn)發(fā)MR的數(shù)據(jù).

（4）當(dāng)MR到達(dá)新網(wǎng)絡(luò)后,根據(jù)新的家鄉(xiāng)地址前綴,配置HNP-ID.并向MAG3發(fā)送RS消息,RS消息中包含MR的新老地址.MAG3接收到MR的RS消息后,向LMA2發(fā)送PBU消息進(jìn)行綁定更新.LMA2向MAG3返回PBA消息,完成注冊,并開始向MR轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù).

2.3 性能分析

通過比較PMIPv6和FPMIPv6-NEMO方案的切換時(shí)延和丟包個(gè)數(shù)來分析FPMIPv6-NEMO方案的性能.本文假定城際公交中所有公交和接入網(wǎng)絡(luò)都進(jìn)行了AAA認(rèn)證,AAA過程忽略不計(jì),同時(shí)忽略鏈路上傳輸延遲,分析從MR斷開舊網(wǎng)絡(luò)連接到在新網(wǎng)絡(luò)接收到數(shù)據(jù)包所產(chǎn)生延遲和丟包[7].切換延遲從整體上可分為鏈路層切換延遲和網(wǎng)絡(luò)層切換延遲.式中所用參數(shù)由表2表示.

2.3.1 域內(nèi)切換分析域內(nèi)切換時(shí),使用PMIPv6協(xié)議,MR在接入新網(wǎng)絡(luò)后,通過鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制得知自己切換到新的網(wǎng)絡(luò),從而發(fā)起切換.因此,從網(wǎng)絡(luò)斷開到接受數(shù)據(jù),使用PMIPv6產(chǎn)生延遲見式（1）.

丟包個(gè)數(shù)見式（2）.

而在FPMIPv6-NEMO方案中,由于鏈路層觸發(fā)機(jī)制,消除了移動檢測TDetect；提前建立隧道,消除了TBT,因此FPMIPv6-NEMO方案在域內(nèi)切換所產(chǎn)生的延遲見式（3）.

由于FPMIPv6-NEMO方案提前建立隧道,并在鏈路觸發(fā)后立刻轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,因此域內(nèi)切換所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包丟失個(gè)數(shù)見式（4）.

2.3.2 域間切換分析PMIPv6并未對域間切換提出切換方案,MN進(jìn)行域間切換時(shí),將使用MIPv6進(jìn)行切換,因此,PMIPv6域間切換產(chǎn)生延遲為MIPv6切換延遲.

FPMIPv6-NEMO方案所提出的域間切換方案,由于公交的運(yùn)行方向是一定的,每一次的切換類型是提前得知的.當(dāng)公交發(fā)生域間切換前,通過提前建立LMA1與LMA2之間的隧道,減少了延遲,同時(shí)避免丟包.因此FPMIPv6-NEMO方案在域間切換的延遲和丟包個(gè)數(shù)由式（5）和式（6）表示.

通過分析可以看到,由于城際公交的線性運(yùn)動,FPMIPv6-NEMO方案通過提前建立隧道,可以減少切換延遲.同時(shí),由于提前設(shè)定了切換網(wǎng)絡(luò)的線路,沒有使用預(yù)測機(jī)制,避免了因?yàn)殒溌穼宇A(yù)測不準(zhǔn)確導(dǎo)致的延遲和丟包,有效保障切換的可靠性.由于PMIPv6協(xié)議主要為小型網(wǎng)絡(luò)切換設(shè)計(jì),域內(nèi)切換比域間切換性能要高,而FPMIPv6-NEMO方案設(shè)計(jì)了域間切換模式,當(dāng)發(fā)生域間切換時(shí),能夠提前建立隧道,確保域間切換的高性能.

3 仿真驗(yàn)證

使用NS2（network simulator version 2）[8]工具對PMIPv6和FPMIPv6-NEMO方案分別進(jìn)行仿真,從域內(nèi)切換和域間切換兩個(gè)方面對切換延遲進(jìn)行比較.

仿真區(qū)域設(shè)置為2 000 m×2 000 m,其中,MAG1和MAG2屬于LMA1域,MAG3屬于LMA2域,每個(gè)MAG的覆蓋半徑設(shè)置為250 m,MR和所有的MAG使用IEEE802.11b協(xié)議,采用無線點(diǎn)到點(diǎn)鏈路鏈接.設(shè)置無線鏈路上的傳輸延遲為20 ms.MR與其子網(wǎng)中所有移動設(shè)備同樣使用無線鏈路鏈接,性能同上.其余網(wǎng)絡(luò)實(shí)體使用100 M線纜連接,所有單跳延遲均為2 ms.在仿真實(shí)驗(yàn)中,CN向MR發(fā)送長度為256 byte的UDP分組,速度設(shè)置為100 packet/s,MR速度分別設(shè)置為5 m/s、10 m/s、20 m/s、30 m/s、40 m/s和50 m/s.每個(gè)運(yùn)動速度下實(shí)驗(yàn)10次,取平均切換延遲.

3.1 域內(nèi)切換

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

由圖4可知,當(dāng)MR保持低速運(yùn)動時(shí),使用PMIPv6產(chǎn)生的平均延遲在400 ms左右,改進(jìn)方案的平均切換延遲保持在100～200 ms之間.當(dāng)設(shè)置MR的運(yùn)動速度為30 m/s、40 m/s和50 m/s時(shí),可以觀察到切換延遲有明顯增加.PMIPv6的平均切換延遲在600 ms左右,而FPMIPv6-NEMO表現(xiàn)較穩(wěn)定,當(dāng)MR速度為50 m/s時(shí),平均延遲為265 ms.

3.2 域間切換

域間切換實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

由圖5可知,當(dāng)MR發(fā)生域間切換時(shí),使用兩種方案的性能都比域內(nèi)切換時(shí)的切換性能差.PMIPv6產(chǎn)生的最高延遲為893 ms,這對正常通信已經(jīng)造成一定影響.FPMIPv6-NEMO方案表現(xiàn)相對較好,最高平均延遲為360 ms.

4 小結(jié)

本文提出一種適合城際公交的無線切換方案.FPMIPv6-NEMO方案融合了PMIPv6與NEMO-BS協(xié)議的特點(diǎn),同時(shí)結(jié)合了城際公交自身特點(diǎn),能夠讓用戶在城際公交上完成網(wǎng)絡(luò)的無縫切換.通過理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真,對PMIPv6與FPMIPv6-NEMO方案進(jìn)行比較,結(jié)果表明FPMIPv6-NEMO方案具有較高的性能.

當(dāng)然,FPMIPv6-NEMO方案中還是具有一些問題,比如FPMIPv6-NEMO不可避免的使用了隧道嵌套,繼續(xù)改進(jìn)方案將成為以后研究的重點(diǎn).

[1]JOHNSOND,PERKINSC,ARKKOJ.Mobilitysupport in IPv6[S].Internet EngineeringTask Force,RFC3775,June 2004.

[2]GUNDAVELLI Ed S,LEUNGK,DEVARAPALLI V,et al.ProxyMobile IPv6[S]Internet EngineeringTask Force,RFC5213,August 2008.

[3]DEVARAPALLIV,WAKIKAWAR,PETRESCUA,et al.NetworkMoblity（NEMO）BasicSupportProtocal[S].IETFRFC3963,2005.

[4]王相林.IPv6核心技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社,2009.

[5]唐偉,湯紅波.基于PMIPv6的移動網(wǎng)絡(luò)快速切換方案[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2003,40（11）：43-47.

[6]吳義鎮(zhèn).面向下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的移動管理關(guān)鍵技術(shù)研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2016.

[7]陳康先,陸以勤,羅旭,等.無線網(wǎng)狀網(wǎng)域間無縫切換技術(shù)研究與設(shè)計(jì)[J].華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2015,47（4）：150-154.

[8]王輝.NS2網(wǎng)絡(luò)模擬器的原理和應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,2008.

（責(zé)任編輯：盧奇）

Researches and implementation of fast handover proposal for intercity bus mobile communication based on NEMO-PMIPv6

LYU Yingying,LI Yancui
（Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang453000,China）

Based on the research of proxy mobile IPv6（PMIPv6）and mobile network basic support protocol（NEMO-BS）,a kind of fast handover proposal for intercity bus mobile communication（FPMIPv6-NEMO）was put forward in this paper.According to the different types of intra-domain handoff and subdomain intra-domain handoff, this proposal aims to build a tunnel in advance to shorten the delay and reduce the packet loss rate by presetting high-speed rail handover information in the mobile router（MR）,which makes a seamless handover in intercity bus. Experimental results showed that compared with PMIPv6,FPMIPv6-NEMO method had better performance and service quality.

PMIPv6；NEMO-BS；intercity bus

TN929.5

A

1008-7516（2016）05-0067-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.05.014

2016-08-22

呂瑩瑩（1985－）,女,山東長青人,碩士,助教.主要從事下一代互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)及云計(jì)算研究.