一種新的基于HMIPv6的車載網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)協(xié)議仿真研究

劉書如， 張啟坤， 甘 勇

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

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一種新的基于HMIPv6的車載網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)協(xié)議仿真研究

劉書如， 張啟坤， 甘 勇

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

車載網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)移動(dòng)過程中信息交換提出新的挑戰(zhàn)，針對(duì)域內(nèi)及域間頻繁切換所產(chǎn)生的綁定更新信令開銷大、數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間延長(zhǎng)的問題，提出了一種新的車載網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)協(xié)議，該協(xié)議通過改進(jìn)的HMIPv6指針傳遞算法(EPF-HMIPv6)，對(duì)切換過程中的數(shù)據(jù)發(fā)送路由進(jìn)行優(yōu)化.仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法在綁定更新開銷、數(shù)據(jù)包發(fā)送開銷等方面均優(yōu)于現(xiàn)有的車載網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)管理算法.

車載網(wǎng)絡(luò)；指針傳遞；移動(dòng)管理；分層次移動(dòng)IPv6

0 引言

車載網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展對(duì)移動(dòng)管理算法提出了一個(gè)新的挑戰(zhàn).車輛頻繁地從一個(gè)基站移動(dòng)到另一個(gè)基站，從一個(gè)系統(tǒng)切換到另一個(gè)系統(tǒng)，這種頻繁的切換會(huì)影響到數(shù)據(jù)包的丟失率和會(huì)話的連續(xù)性,因此，車載網(wǎng)絡(luò)中如何降低移動(dòng)切換過程中注冊(cè)消息的開銷、降低因切換所帶來的時(shí)延一直是研究的熱點(diǎn).

針對(duì)該問題，IETF工作組提出了MIPv6協(xié)議，MIPv6把移動(dòng)管理協(xié)議分為局部移動(dòng)和全局移動(dòng).但是MIPv6沒有對(duì)局部范圍內(nèi)的移動(dòng)，也就是域內(nèi)移動(dòng)提出更好的解決方法，而是把域內(nèi)移動(dòng)和域間移動(dòng)用相同的處理方法.

為了解決局部移動(dòng)的問題，IETF提出了分層次HMIPv6[1]協(xié)議.HMIPv6建議選擇最遠(yuǎn)的MAP， 這樣可以降低重新注冊(cè)的開銷，這種算法適合高速移動(dòng)的車載網(wǎng)絡(luò).但是對(duì)于低速的移動(dòng)車載網(wǎng)絡(luò)，該算法是低效的.還有一個(gè)問題就是該算法對(duì)于時(shí)延要求比較高的車載網(wǎng)絡(luò)來說不太適合，并且該算法可能會(huì)造成所有移動(dòng)車載注冊(cè)到同一個(gè)MAP，結(jié)果該MAP就可能成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸.

針對(duì)HMIPv6存在的問題，研究者們提出了不同的解決方案.文獻(xiàn)[2]中建議了一種改進(jìn)的MAP選擇算法，主要是考慮MAP的負(fù)載均衡.文獻(xiàn)[3]中提出基于移動(dòng)速度來選擇MAP，快速移動(dòng)的車輛選擇最遠(yuǎn)的MAP，而慢速移動(dòng)的車輛選擇最近的MAP，但是對(duì)于介于兩者之間的情況，并沒有給出一個(gè)很好的解決方法.

針對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)管理協(xié)議，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也進(jìn)行了深入的研究.國(guó)防科技大學(xué)宋宏斌等針對(duì)城市車輛網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理[4]，提出了利用本地訪問頻率和鄰居節(jié)點(diǎn)訪問頻率構(gòu)建收益函數(shù)的方法，通過建立車輛網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景并模擬驗(yàn)證了該收益函數(shù)下的數(shù)據(jù)緩存的優(yōu)越性.文獻(xiàn)[5]提出了一種基于IPv6的城市車載網(wǎng)移動(dòng)切換協(xié)議.該協(xié)議在移動(dòng)過程中由家鄉(xiāng)地址唯一標(biāo)識(shí)，無(wú)須轉(zhuǎn)交地址，因此節(jié)省了轉(zhuǎn)交地址配置時(shí)間和代價(jià)，從而縮短了移動(dòng)切換時(shí)間，降低了移動(dòng)切換代價(jià).文獻(xiàn)[6]評(píng)估了不同協(xié)議在高速車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的性能，結(jié)果表明相比于低速環(huán)境，高速環(huán)境對(duì)四類協(xié)議性能均有嚴(yán)重的影響.文獻(xiàn)[7]提出了一種面向分層移動(dòng)IPv6網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)指針推進(jìn)機(jī)制，移動(dòng)錨點(diǎn)可以依據(jù)管理域的大小，動(dòng)態(tài)的調(diào)整指針推進(jìn)機(jī)制，該方案可以有效降低分層移動(dòng)IPv6的開銷，但是未對(duì)該協(xié)議在車載網(wǎng)絡(luò)中的性能進(jìn)行評(píng)估和分析.

在數(shù)字蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中，指針傳遞算法[8]能夠有效降低信令開銷.文獻(xiàn)[9]在HMIPv6的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了指針傳遞算法，主要思路是在MAP之間建立指針鏈，因此在MAP域間切換的時(shí)候，該算法可以有效降低發(fā)往家鄉(xiāng)代理HA的注冊(cè)信令開銷.但是當(dāng)MAP域足夠大時(shí)，域間切換發(fā)生的頻率并不高，所以該算法的性能就不能充分體現(xiàn).另外，該算法也沒有進(jìn)行路由優(yōu)化.

筆者在上述研究基礎(chǔ)上，結(jié)合車載網(wǎng)絡(luò)本身的特點(diǎn)，提出一種新的基于HMIPv6的車載網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)協(xié)議，將指針傳遞算法引入到車載網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)指針傳遞算法中的路由進(jìn)行了優(yōu)化，并建立分析模型，最后給出了仿真分析結(jié)果.

1 一種新的車載網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)協(xié)議

1.1 EPF-HMIPv6算法

在分層次移動(dòng)IPv6(HMIPV6)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，結(jié)合車載網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性特征，提出一種新的指針傳遞算法，稱為EPF-HMIPv6算法.在HMIPV6網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)MAP覆蓋的范圍比較大，里面包含了很多訪問路由器，MAP域間切換要遠(yuǎn)少于MAP域內(nèi)切換.因此，EPF-HMIPv6算法把指針傳遞鏈建立在訪問路由器AR之間，而不是像其他的指針傳遞算法[10]，把指針鏈建立在MAP之間，從理論說，EPF-HMIPv6能夠更加有效的降低一個(gè)MAP域內(nèi)頻繁切換時(shí)所產(chǎn)生的流量負(fù)載.為了更好的適應(yīng)車載網(wǎng)絡(luò)的特性，EPF-HMIPv6還考慮了車載網(wǎng)絡(luò)中車載網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)快和慢兩種情況，分別來評(píng)估該算法的性能.

1.1.1 MAP域內(nèi)切換綁定更新過程

如圖1所示，在EPF-HMIPv6算法中，每一個(gè)訪問路由器都維持一個(gè)指針鏈表.在該表中，每一行有三個(gè)字段：第一個(gè)字段是移動(dòng)終端MN的家鄉(xiāng)地址；第二個(gè)字段是MN目前所處的AR范圍內(nèi)所取得的轉(zhuǎn)交地址(LCoA)；第三個(gè)字段是MN在新的AR所取得的下一個(gè)轉(zhuǎn)交地址.

EPF-HMIPv6算法綁定更新過程如下：

(1)MN首先在第一個(gè)訪問路由器AR上完成初始化注冊(cè)，此時(shí)AR1的指針鏈表值分別為L(zhǎng)CoA1和NULL；

(2)如果MN移動(dòng)到AR2，MN首先給AR1發(fā)送一個(gè)綁定更新消息，意思是在AR1和AR2之間建立傳遞指針鏈；

(3)AR1收到綁定更新消息后，更新其指針鏈表，表中的下一個(gè)字段的值改為L(zhǎng)CoA2.同時(shí)，AR1發(fā)送一個(gè)綁定更新確認(rèn)消息給MN；

(4)當(dāng)MN收到確認(rèn)消息后，MN把其指針鏈表長(zhǎng)度變量L加1；

(5)整個(gè)綁定更新過程完成后，AR1指針鏈表中的值為L(zhǎng)CoA1和LCoA2.而AR2指針鏈表的值為L(zhǎng)CoA2和NULL.

圖1 車載網(wǎng)絡(luò)

綁定更新過程中，MN始終記錄一個(gè)指針鏈長(zhǎng)度值L，如果L小于預(yù)先設(shè)置好的一個(gè)閥值K，就執(zhí)行上述綁定更行過程.如果L等于K或者M(jìn)N從一個(gè)MAP切換到了另一個(gè)MAP域，那么此時(shí)綁定更新消息就按照HMIPv6中的流程，發(fā)送給MAP，并且長(zhǎng)度值L重新設(shè)置為0.

1.1.2 EPF-HMIPv6路由優(yōu)化

如圖2所示，當(dāng)CN向MN發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)候，整個(gè)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過程描述如下：

圖2 算法路由優(yōu)化

(1)首先CN發(fā)送數(shù)據(jù)包到MN的家鄉(xiāng)代理HA，依據(jù)HA中記錄的MN的RCoA，也就是MAP的地址，把數(shù)據(jù)用隧道封裝方式發(fā)送到MAP；

(2)MAP收到該數(shù)據(jù)包，根據(jù)MAP中記錄的MN的LCoA信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝發(fā)送;

(3)MAP首先把數(shù)據(jù)包發(fā)送到地址LCoA1處，也就是發(fā)送給AR1；

(4)AR1查詢自己指針鏈表中的下一個(gè)字段值，如果下一個(gè)字段值為空，表明可以直接把數(shù)據(jù)發(fā)送給MN.

(5)當(dāng)MN收到來自CN的數(shù)據(jù)包后，MN需要發(fā)送綁定更新到MAP和CN，目的是讓對(duì)方知道自己最新的CoA.同時(shí)，還需要重新初始化自己的指針鏈長(zhǎng)度變量L的值.以后的通信過程就可以實(shí)現(xiàn)MN與CN直接通信，從而優(yōu)化了路由，也減少了數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延.

2 性能分析

2.1 運(yùn)行速度評(píng)估

車載網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行車輛，可以看作是EPF-HMIPv6算法模型中的移動(dòng)終端MN，車輛的移動(dòng)，相當(dāng)于MN在AR路由器之間切換[11].為了盡量降低MN在移動(dòng)過程產(chǎn)生的綁定更新消息開銷以及盡可能減少數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延，需要考慮到節(jié)點(diǎn)移動(dòng)特性[12].EPF-HMIPv6算法中，把MN分為兩類：快速移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和慢速移動(dòng)節(jié)點(diǎn).

當(dāng)MN進(jìn)入到一個(gè)新的AR子網(wǎng)時(shí)，可以用MN在前一個(gè)子網(wǎng)的駐留時(shí)間來評(píng)估在新的AR子網(wǎng)的駐留時(shí)間.

這里采用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均EWMA算法來評(píng)估子網(wǎng)駐留時(shí)間.具體計(jì)算方法如下：

EM(t)=αY(t)+(1-α)EM(t-1) .

(1)

式中：EM(t)表示t時(shí)刻的估計(jì)值；r(t)表示t時(shí)刻測(cè)量值；α(0<α<1)表示對(duì)于歷史測(cè)量值權(quán)重系數(shù).

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，MN比較最新的駐留時(shí)間和預(yù)先設(shè)置好的一個(gè)閥值δ，如果大于δ，那么該車載定義為快速移動(dòng)車載；否則的話，被定義為慢速移動(dòng)車載.對(duì)于快速移動(dòng)車載，發(fā)送帶有RCoA地址的綁定更新消息給CN；而慢速移動(dòng)車載發(fā)送帶有LCoA地址的綁定更新消息給CN.對(duì)于快速移動(dòng)車載來說，通過該方法，可以有效降低綁定更新開銷；同時(shí)，對(duì)于慢速移動(dòng)車載來說，能夠有效地避免MAP的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包開銷.

2.2 流體流動(dòng)模型

為了模擬車載在網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)，采用了流體流動(dòng)模型[13]，該模型中車載移動(dòng)方向是均勻的分布在整個(gè)范圍內(nèi)，該模型適合表達(dá)具有高移動(dòng)性、有方向性的變化.

在域內(nèi)切換過程中，定義λS為每一個(gè)會(huì)話過程中穿越子網(wǎng)的數(shù)字，計(jì)算公式如下所示：

(2)

式中：v表示車載移動(dòng)平均速度；S表示子網(wǎng)面積.同樣的道理，如果D表示MAP域面積，那么每一個(gè)會(huì)話穿越的域的數(shù)量計(jì)算方法如式(3)所示.

(3)

2.3 網(wǎng)絡(luò)模型

圖3是一個(gè)車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)表示為MN，通信節(jié)點(diǎn)表示為CN，訪問路由是AR，移動(dòng)錨點(diǎn)是MAP. MN的移動(dòng)采用上述流體流動(dòng)模型來模擬.

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

2.4 HMIPv6開銷計(jì)算

為了評(píng)估算法性能，有以下幾個(gè)約定：E(LS)表示平均會(huì)話長(zhǎng)度；BHA表示到HA的綁定更新開銷；BMAP表示到MAP的綁定更新開銷；BF表示到前一個(gè)AR的綁定更新開銷.θ表示路由優(yōu)化之前發(fā)送的數(shù)據(jù)包占一個(gè)會(huì)話的總數(shù)據(jù)包的比例，值為0.2.

PNRO表示從CN到MN的未經(jīng)路由優(yōu)化的數(shù)據(jù)包發(fā)送開銷；PRO表示從CN到MN的經(jīng)路由優(yōu)化的數(shù)據(jù)包發(fā)送開銷；PF表示從當(dāng)前AR到前一個(gè)AR的數(shù)據(jù)包發(fā)送開銷.

HMIPV6算法綁定更新消息開銷計(jì)算如下所示：

(4)

數(shù)據(jù)包發(fā)送開銷可以表示為

(5)

2.5 EPF-HMIPv6開銷計(jì)算

EPF-HMIPV6綁定更新開銷計(jì)算如下所示：

(6)

(7)

3 仿真結(jié)果

3.1 車載移動(dòng)速度對(duì)綁定更新開銷影響

圖4給出了車載運(yùn)行速度和綁定更新開銷的關(guān)系.從圖4得出，無(wú)論是哪種算法，隨著運(yùn)行速度的增加，綁定更新開銷都在增加,這是因?yàn)殡S著速度加快，穿越域內(nèi)不同子網(wǎng)以及域間切換都更加頻繁，所以綁定更新總體開銷都會(huì)增加.但是相比于HMIPv6和MAP-AOP[3]算法，EPF-HMIPv6算法表現(xiàn)更加優(yōu)秀，也就是說，車載網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用EPF-HMIPV6指針傳遞算法更加合適.

圖4 車載運(yùn)行速度與綁定更新開銷關(guān)系

3.2 SMR對(duì)開銷影響

圖5中給出了SMR對(duì)總開銷影響的示意圖，縱坐標(biāo)顯示的是相比于MIPv6來說總的開銷比例.當(dāng)SMR[15]采用不同值時(shí)，HMIPv6、MAP-AOP、EPF-HMIPv6算法表現(xiàn)出不同的結(jié)果.

圖5 SMR與總開銷的關(guān)系

從圖5中可以看出，隨著SMR增大，總開銷一直在增加.當(dāng)SMR小于1時(shí)，也就是說相對(duì)于會(huì)話速度來說，移動(dòng)速度是主要影響因素，無(wú)論是HMIPv6、MAP-AOP還是EPF-HMIPv6都能顯著降低網(wǎng)絡(luò)總開銷.但是，當(dāng)SMR大于1時(shí)，這3種算法的總開銷都會(huì)明顯增加，主要是因?yàn)楫?dāng)通信會(huì)話速度占主要地位時(shí)，雖然HMIPv6、MAP-AOP和EPF-HMIPv6 3種算法都能夠降低綁定更新開銷，但是會(huì)增加數(shù)據(jù)包發(fā)送開銷.但是從圖中可以得出，EPF-HMIPv6算法更適合于移動(dòng)速度快，但是會(huì)話速度不是很快的車載網(wǎng)絡(luò).

3.3 指針鏈長(zhǎng)度與SMR

圖6表明了SMR和最優(yōu)指針鏈長(zhǎng)度之間的關(guān)系.當(dāng)SMR值小時(shí)，相比于會(huì)話到達(dá)速度來說，移動(dòng)速度是主要的影響因素，因此，降低綁定更新消息開銷比降低數(shù)據(jù)包發(fā)送開銷更加重要.也就意味著，指針鏈長(zhǎng)度應(yīng)該被加長(zhǎng)，這樣就可以有效降低綁定更新消息開銷.反之，當(dāng)SMR增大時(shí)，表明會(huì)話到達(dá)速度占據(jù)主導(dǎo)因素，因此應(yīng)該通過降低指針鏈長(zhǎng)度，從而來降低數(shù)據(jù)包發(fā)送開銷.因此，隨著SMR的增加，最優(yōu)指針鏈長(zhǎng)度值在減小.

圖6 SMR與最優(yōu)指針鏈長(zhǎng)度關(guān)系

4 結(jié)論

針對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有指針鏈算法，本文提出了一種改進(jìn)的適合車載網(wǎng)絡(luò)的指針鏈算法，并對(duì)數(shù)據(jù)包發(fā)送路由進(jìn)行了優(yōu)化，分析及仿真結(jié)果都表明該算法相比與現(xiàn)有算法在綁定更新開銷、數(shù)據(jù)包發(fā)送開銷方面表現(xiàn)更好，但是該算法對(duì)于進(jìn)行域間切換時(shí)，與現(xiàn)有算法沒有明顯差異，在今后研究工作中，對(duì)于MAP域范圍比較小的情況下的車載網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)管理協(xié)議需要進(jìn)一步深入研究.

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A New Mobility Protocol in The Vehicular Networks Based on HMIPv6

LIU Shuru, ZHANG Qikun, GAN Yong

(School of Computer and Communication Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China)

The frequent inter-domain or intra-domain movement of vehicles in vehicular networks may lead to large binding update costs and packet delivery costs. In order to solve this problem, an improved pointer forwarding scheme(EPF-HMIPv6) was developed in thwas paper. The scheme was based on the existing pointer forwarding scheme in cellular networks, and the routing of packets was optimized. To evaluate the performance of the proposed scheme, Analytical expression we were derived for binding update cost, signaling overhead caused by HMIPv6 and EPF-HMIPv6 handovers. The simulation results showed that the proposed scheme was better than the existing mobility management protocols in vehicular networks.

vehicular network；pointer forwarding；mobility management；HMIPv6

2015-10-09；

2015-12-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61340059)

劉書如(1979—)，男，河南南陽(yáng)人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院講師，主要從事網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性研究，E-mail:maillsr@163.com.

1671-6833(2016)06-0087-05

TP393.1

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.03.032