基于指針推進(jìn)機(jī)制的層次移動(dòng)IPv6域間切換優(yōu)化方案

孫曉林+張新剛

摘要：層次移動(dòng)IPv6協(xié)議中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行域間切換時(shí)需要進(jìn)行本地綁定更新和家鄉(xiāng)綁定注冊(cè)，其切換性能并沒(méi)有得到提高。針對(duì)該問(wèn)題，提出基于指針推進(jìn)機(jī)制的HMIPv6域間切換優(yōu)化方案，利用新舊接入路由器之間建立的指針鏈將域間切換轉(zhuǎn)換為域內(nèi)切換，避免層次移動(dòng)IPv6中復(fù)雜的注冊(cè)過(guò)程。性能分析結(jié)果表明，優(yōu)化方案在綁定更新開(kāi)銷(xiāo)和切換延遲方面比層次HMIPv6有明顯優(yōu)勢(shì)，有效提高了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行域間切換的性能。

關(guān)鍵詞：層次移動(dòng)IPv6；移動(dòng)錨點(diǎn)；域間切換；綁定更新；指針鏈

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）03-0037-02

隨著移動(dòng)終端的普及和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的發(fā)展，人們對(duì)無(wú)縫、平滑切換的需求越來(lái)越高。移動(dòng)IPv6[1]中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（Mobile Node，MN）每次改變接入網(wǎng)絡(luò)，都需要向家鄉(xiāng)代理（Home Agent，HA）和通信對(duì)端（Correspondent Node，CN）進(jìn)行綁定注冊(cè)。MN進(jìn)行高速移動(dòng)，發(fā)生頻繁切換時(shí)，引起較高的注冊(cè)開(kāi)銷(xiāo)和較長(zhǎng)的切換時(shí)延，導(dǎo)致通信中斷。因此，IETF提出了層次移動(dòng)IPv6[2]，從邏輯上對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行層次劃分，MN的移動(dòng)相應(yīng)地分為域內(nèi)移動(dòng)和域間移動(dòng)，分別指MN在同一移動(dòng)錨點(diǎn)（Mobile Anchor Point，MAP）域的不同接入路由器（Access Router，AR）間移動(dòng)和MN在不同MAP域的AR間的移動(dòng)。當(dāng)MN進(jìn)行域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，只需向所屬M(fèi)AP進(jìn)行注冊(cè)，使綁定更新本地化，減少了位置注冊(cè)引起的高時(shí)延和高開(kāi)銷(xiāo)，提高了域內(nèi)切換效率。

但是，MN進(jìn)行域間切換時(shí)，不僅向MAP注冊(cè)，而且向家鄉(xiāng)代理和通信對(duì)端進(jìn)行綁定注冊(cè)，切換性能并沒(méi)有得到明顯改善[3]。針對(duì)該問(wèn)題，結(jié)合指針推進(jìn)機(jī)制[4]，提出基于指針推進(jìn)機(jī)制的HMIPv6域間切換優(yōu)化方案（The Optimization of Inter-HMIPv6 Handover based Pointer Forwarding， OpHPF），建立AR間的指針鏈，使綁定更新局部化，從而提高域間切換性能，縮短切換時(shí)延，減少網(wǎng)絡(luò)中斷。

1 HMIPv6協(xié)議概述

HMIPv6引入移動(dòng)錨點(diǎn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)MAP，大部分布置在網(wǎng)絡(luò)的邊界位置，為本區(qū)域內(nèi)的MN提供區(qū)域代理服務(wù)，負(fù)責(zé)管理MN在本域內(nèi)的移動(dòng)，相當(dāng)于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的本地家鄉(xiāng)代理。由于MAP的引入和網(wǎng)絡(luò)的層次性劃分，HMIPv6使用兩個(gè)轉(zhuǎn)交地址來(lái)標(biāo)識(shí)MN的位置，分別是：鏈路轉(zhuǎn)交地址（On-link Care-of Address，LCoA）和區(qū)域轉(zhuǎn)交地址（Regional Care-of Address，RCoA）。鏈路轉(zhuǎn)交地址是MN根據(jù)當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)獲得的IPv6地址，無(wú)論MN發(fā)生域內(nèi)還是域間切換，都會(huì)重新配置獲取新的LCoA，用來(lái)標(biāo)識(shí)MN的具體位置，是MAP與MN通信的地址；區(qū)域轉(zhuǎn)交地址是根據(jù)所屬M(fèi)AP子網(wǎng)獲得的IPv6地址，是MN在IPv6網(wǎng)絡(luò)中為唯一、可路由的、全局地址，用于向MN、CN的注冊(cè)和通信[5]。

HMIPv6的具體切換流程如下：

1）當(dāng)MN進(jìn)入新AR子網(wǎng)時(shí)，收到該路由器發(fā)送的路由通告消息（Router Advertisement，RA）。MN根據(jù)RA消息中“MAP選項(xiàng)”字段和已有的MAP信息，判斷是域內(nèi)移動(dòng)還是域間移動(dòng)。

2）如果二者的MAP信息相同，表明進(jìn)行域內(nèi)移動(dòng)。MN使用無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置機(jī)制，根據(jù)RA的子網(wǎng)前綴生成新的LCoA，然后向MAP發(fā)送本地綁定更新消息（Local Binding Update，LBU）告知該LCoA，并將其與原RCoA進(jìn)行綁定。綁定成功后，MAP發(fā)送LBA消息進(jìn)行回復(fù)。此后，MN與CN的通信數(shù)據(jù)包通過(guò)原MAP和新AR進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

3）若二者的MAP信息不同，表明MN進(jìn)入新的MAP域，發(fā)生了域間移動(dòng)。MN根據(jù)RA的子網(wǎng)前綴和MAP選項(xiàng)信息分別配置LCoA和RCoA，然后分別向MAP和HA、CN進(jìn)行注冊(cè)，將（RCoA，LCoA）和（RCoA，HoA）分別進(jìn)行綁定。此后，MN與CN通過(guò)新AR和新MAP之間的隧道進(jìn)行通信。

HMIPv6協(xié)議中數(shù)據(jù)分組的路由過(guò)程如下：

CN向MN發(fā)送的數(shù)據(jù)分組通過(guò)RCoA路由至MAP，再通過(guò)MAP和MN使用本地注冊(cè)建立的隧道發(fā)送至MN。而MN向CN發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，首先經(jīng)過(guò)MAP和AR間的隧道進(jìn)行封裝，然后將封裝好的分組發(fā)送至CN。

2 基于指針推進(jìn)機(jī)制的HMIPv6域間切換優(yōu)化方案

基于指針推進(jìn)機(jī)制的HMIPv6域間切換優(yōu)化方案旨在優(yōu)化綁定更新的過(guò)程，通過(guò)建立AR之間的指針鏈?zhǔn)褂蜷g切換轉(zhuǎn)換為域內(nèi)切換。OpHPF的具體切換流程如下：

1）MN進(jìn)入新MAP域后，首先根據(jù)AR發(fā)送的RA消息配置新RCoA和新LCoA。該過(guò)程與HMIPv6相同。

2）然后，MN判斷指針鏈長(zhǎng)度Length是否小于Kmax（指針鏈的最大長(zhǎng)度），若是，則向新AR發(fā)送PBU（Pointer-based Binding Update）消息，用以指示建立指針鏈，其中PBU是增加“P”標(biāo)識(shí)位的BU消息，與PBA配對(duì)使用。若Length >= Kmax，則MN按照HMIPv6的流程直接向MAP發(fā)送LBU進(jìn)行注冊(cè)。

3）新AR收到PBU后，立即轉(zhuǎn)發(fā)給原AR。原AR收到該消息后，發(fā)送PBA消息進(jìn)行回復(fù)，表示AR間的指針鏈已成功建立。此時(shí)，MN與CN的通信數(shù)據(jù)開(kāi)始通過(guò)該指針鏈和原MAP進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

OpHPF的優(yōu)勢(shì)在于MN進(jìn)行域間切換時(shí)，只需要向原AR進(jìn)行注冊(cè)，而不需要向MAP和HA、CN注冊(cè)，避免了HMIPv6中域間切換的復(fù)雜注冊(cè)過(guò)程，節(jié)省了綁定注冊(cè)的費(fèi)用，降低了網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)，從而達(dá)到提高切換性能的目的。

3 性能分析

切換延遲是切換性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)[6]，下面主要對(duì)HMIPv6和OpHPF的切換延遲進(jìn)行分析，分析過(guò)程用到的符號(hào)如下：

TL2表示鏈路層切換產(chǎn)生的延遲；TMD表示MN檢測(cè)發(fā)現(xiàn)從一個(gè)MAP域移動(dòng)到另一個(gè)MAP域所需的時(shí)間；TLCoA和TRCoA分別表示鏈路轉(zhuǎn)交地址和區(qū)域轉(zhuǎn)交地址的配置和重復(fù)地址檢測(cè)時(shí)間； TLBU表示MN進(jìn)行本地綁定更新所需的時(shí)間；TFBU表示OpHPF中建立指針鏈所需的時(shí)間；TBU表示MN向HA和CN進(jìn)行綁定更新的時(shí)間，包括返回路徑可達(dá)測(cè)試時(shí)間。

由于切換過(guò)程包括：鏈路層切換、移動(dòng)檢測(cè)、地址配置和綁定更新四部分，所以HMIPv6和OpHPF的域間切換所產(chǎn)生的切換時(shí)延分別如下：

由于在切換過(guò)程中MN從一個(gè)AR移動(dòng)至相鄰的AR，中間只經(jīng)過(guò)一跳，距離很近；而MAP多位于網(wǎng)絡(luò)的邊緣，AR與MAP的距離大于等于一跳。所以，在單位有線(xiàn)鏈路時(shí)延一定的情況下，TLBU大于等于TFBU，即建立指針鏈的綁定更新所產(chǎn)生的時(shí)延小于等于向MAP注冊(cè)所耗費(fèi)的時(shí)間。

又因?yàn)镠MIPv6域間切換包括向HA和CN綁定更新的過(guò)程，所以O(shè)pHPF綁定更新所產(chǎn)生的時(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于HMIPv6域間切換的注冊(cè)時(shí)延。

由上可知，Tinter-HMIPv6大于TOpHPF，即HMIPv6域間切換產(chǎn)生的延遲大于OpHPF優(yōu)化方案產(chǎn)生的時(shí)延。

4 結(jié)論

OpHPF有效結(jié)合了HMIPv6和指針推進(jìn)機(jī)制，MN進(jìn)入新的MAP后只向AR進(jìn)行綁定更新建立指針鏈，最大程度上優(yōu)化綁定注冊(cè)的過(guò)程。性能分析結(jié)果表明，OpHPF不僅降低了綁定更新產(chǎn)生的時(shí)延，而且大大減少了域間切換的延遲，提高了切換性能。

參考文獻(xiàn)

[1]JOHNSON D，PERKINS C，ARKKO J.Mobility support in IPv6[S].RFC3775，IETF.June 2004.

[2]Soliman H，Bellier L，Malki K E.Hierarchical mobile IPv6 mobility management （HMIPv6）[S].RFC 4140，IETF.August 2005.

[3]Wu X，Nie G. Comparative Study and Performance Analysis of the Macro-mobility Protocol[M].2009：497-500.

[4]孫曉林，張建洋，賈曉.層次移動(dòng)IPv6域內(nèi)切換優(yōu)化方案[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014， 34（2）：338-340.

[5]陳劍敏.IPv6的移動(dòng)性管理關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶大學(xué)，2015.

[6]楊禮.一種基于HMIPv6網(wǎng)絡(luò)的域間切換改進(jìn)方案[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015， 34（3）：71-74.