關(guān)于NEMO網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路由協(xié)議優(yōu)化策略的研究

葉朱兵

摘要：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（NEtwork MObility，NEMO）近年來(lái)發(fā)展迅速，該網(wǎng)絡(luò)將一組處于移動(dòng)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)組建成一個(gè)統(tǒng)一體，并將其動(dòng)態(tài)聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)，其應(yīng)用場(chǎng)合十分廣泛。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單，在路由選擇環(huán)節(jié)缺乏優(yōu)化，因此其通信質(zhì)量已經(jīng)成為制約其發(fā)展的重要因素。該文圍繞NEMO協(xié)議展開(kāi)研究，在基本協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方案，在兼顧到了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需頻繁切換這一特征的同時(shí)，對(duì)NEMO協(xié)議路由策略進(jìn)行了可靠的優(yōu)化，使其具有了自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能，顯著改善了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的路由質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò);通信隧道;移動(dòng)IPv6;自適應(yīng);路由優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）20-0032-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

近年來(lái)對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的研究越來(lái)越多，例如早期IETF設(shè)立的研究小組對(duì)此進(jìn)行了多年開(kāi)發(fā)，但其研究對(duì)象均落在了單節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過(guò)程中保持與互聯(lián)網(wǎng)的有效連接這一方面。雖然IETF小組取得了豐碩的成果，如開(kāi)發(fā)了移動(dòng)IP和移動(dòng)IPV6等著名協(xié)議，但卻忽視了目前無(wú)線移動(dòng)通信領(lǐng)域內(nèi)的另一個(gè)主要應(yīng)用場(chǎng)合，即一組節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)整體移動(dòng)時(shí)的通信需求，例如火車(chē)、客輪及其他大型載人工具等。NEMO網(wǎng)絡(luò)在此背景下逐漸成為研究的熱點(diǎn)，該網(wǎng)絡(luò)基于以往單節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)加以改進(jìn)和擴(kuò)充，并提出了整個(gè)多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一連接的相關(guān)協(xié)議族。NEMO網(wǎng)絡(luò)基于移動(dòng)IPv6協(xié)議，在此框架下，不僅可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的有效連接，同時(shí)也顯著的增加了通信的附屬功能，減少了移動(dòng)設(shè)備的復(fù)雜性，提高了識(shí)別精確度，降低了控制信息所占用帶寬比例，加速了地址更新過(guò)程。但同時(shí)必須看到，該協(xié)議只實(shí)現(xiàn)了基本的聯(lián)結(jié)互聯(lián)網(wǎng)的任務(wù)，而并未對(duì)路由算法進(jìn)行可靠的優(yōu)化，從某種意義上來(lái)說(shuō)，該協(xié)議就是以犧牲路由質(zhì)量來(lái)確保節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)的簡(jiǎn)單性與可靠性的，在此協(xié)議下，IPV6數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸?shù)倪^(guò)程當(dāng)中可能會(huì)經(jīng)歷多個(gè)代理節(jié)點(diǎn)，而每對(duì)節(jié)點(diǎn)之間均采用雙向隧道進(jìn)行連接，即通過(guò)二次封裝來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，而這顯然會(huì)帶來(lái)巨大的通信時(shí)延。

目前針對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的路由優(yōu)化，基本上分為兩類(lèi)，其一是通過(guò)添加硬件設(shè)備來(lái)提高路由匹配效率，即配置優(yōu)化路由緩存路由器來(lái)記錄移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)前綴和轉(zhuǎn)交地址之間的匹配關(guān)系，從而在后續(xù)的路由查找中快速收斂至以往成功的路由，但該方法對(duì)移動(dòng)IPv6協(xié)議造成的變動(dòng)較大，同時(shí)大量硬件設(shè)備的添加也帶來(lái)了高昂的投資成本;其二是采用自動(dòng)配置的方式，使得任一移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在收到廣播的網(wǎng)絡(luò)前綴后，自動(dòng)配置自己的轉(zhuǎn)交地址，并告知通信節(jié)點(diǎn)，由此建立與通信節(jié)點(diǎn)的直接路由，該方法雖不需要添加設(shè)備，但其算法的空間復(fù)雜度較高，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性都構(gòu)成了較為嚴(yán)重的負(fù)面影響，因此并未得到廣泛的使用。

本文提出在NEMO協(xié)議中加入時(shí)間門(mén)限，使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可以自適應(yīng)地進(jìn)行路由優(yōu)化，并根據(jù)時(shí)間門(mén)限來(lái)判別是否需要啟動(dòng)路由優(yōu)化機(jī)制，既保障了路由查詢的質(zhì)量，同時(shí)也在無(wú)須優(yōu)化的階段保證的網(wǎng)絡(luò)切換的速度，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 NEMO概述

1.1 NEMO網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的統(tǒng)一連接，NEMO必須配置一臺(tái)移動(dòng)路由器（MR）作為接口網(wǎng)關(guān)，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)均由該路由器審核其合法性連接互聯(lián)網(wǎng)。其合法節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型有三種：①本地固定節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)屬于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的固定設(shè)備，本身不可移動(dòng)，如車(chē)、船上配置的通信設(shè)備等;②本地移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，同樣是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部配置的通信設(shè)備節(jié)點(diǎn)，但其本身可在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)可達(dá)范圍內(nèi)移動(dòng)，脫離MR范圍后將無(wú)法工作;③訪問(wèn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（Visiting Mobile Node，VMN），及臨時(shí)加入的移動(dòng)IP或IPv6節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)具有自己的家鄉(xiāng)鏈路和代理，該類(lèi)節(jié)點(diǎn)的存在使得路由的靈活性大大增加了，本文針對(duì)這一類(lèi)節(jié)點(diǎn)的路由優(yōu)化展開(kāi)研究。圖1給出了NEMO網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。

1.2 NEMO通信過(guò)程

如圖1所示，VMN在并入到某個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)后，即通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)中配置的MR構(gòu)建出與VMNs HA的連接，當(dāng)此移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)位移離開(kāi)當(dāng)前鏈路時(shí)，即通過(guò)MR重新在外地代理FA進(jìn)行注冊(cè)，與此同時(shí)仍舊保持與MRs HA的連接，從而構(gòu)建出路由器、代理節(jié)點(diǎn)和VMN之間的雙向隧道。其通信過(guò)程如下：首先網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的某客戶節(jié)點(diǎn)CN向VMN傳輸數(shù)據(jù)包，并在數(shù)據(jù)包的首部中填入了VMN的家鄉(xiāng)地址，該數(shù)據(jù)包在被VMNs HA收取后，通過(guò)雙向隧道傳輸至MRs HA，再遵循同樣的流程將數(shù)據(jù)包傳輸給MRs HA，后者在接收到了該數(shù)據(jù)包后，經(jīng)過(guò)解析發(fā)現(xiàn)封裝于首部中的MR的家鄉(xiāng)地址，于是按照隧道技術(shù)的要求再次封裝首部，并將其送至FA，F(xiàn)A在接收數(shù)據(jù)包后，通過(guò)MR將其交付交給VMN，完成本次傳輸任務(wù)，圖2給出了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的分組封裝信息。

通過(guò)對(duì)NEMO網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程的分析可以看出，該網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)包的處理經(jīng)過(guò)了多次雙向隧道，由此導(dǎo)致了大量的處理時(shí)延，且隨著接入節(jié)點(diǎn)的增多，該時(shí)延還會(huì)不斷增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致傳輸效率的急劇下降，明顯影響了用戶使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的體驗(yàn)度。

2 NEMO路由優(yōu)化策略的設(shè)計(jì)

如前文所述，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通常是應(yīng)用在某種大型交通工具上并與之同步移動(dòng)的，由于這種位移速度通常較快，因此導(dǎo)致了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)鏈路切換頻率較高，因此NEMO及本協(xié)議更加側(cè)重于對(duì)鏈路切換的有效處理，而對(duì)于交通工具在某固定位置?？繒r(shí)的路由需求特征則考慮不足。本文提出基于時(shí)間門(mén)限的方式來(lái)解決這一問(wèn)題，當(dāng)停留時(shí)間超過(guò)該門(mén)限值時(shí)，啟動(dòng)路由優(yōu)化策略，以提高路由質(zhì)量，否則維持原來(lái)的基本協(xié)議，從而保障鏈路切換效率。

2.1 時(shí)間門(mén)限的設(shè)定

在NEMO網(wǎng)絡(luò)中，切換優(yōu)化和路由優(yōu)化本身就是相互對(duì)立的，任何一方效率的提高都會(huì)一定程度的影響另一方?；镜腘EMO協(xié)議實(shí)現(xiàn)了較好的切換優(yōu)化，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)均通過(guò)MR連接到外部互聯(lián)網(wǎng)，而VMN只需要在MR處注冊(cè)即可使用，而VMN本身的切換過(guò)程對(duì)于CN而言都是透明的，由此加快的鏈路切換速度。但該協(xié)議明顯忽略了當(dāng)NEMO網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間固定與某一點(diǎn)時(shí)的路由需求，若在移動(dòng)時(shí)臨時(shí)切換網(wǎng)絡(luò)，又會(huì)顯著增大對(duì)帶寬和系統(tǒng)資源的消耗比例。

為了解決這一矛盾，可在VMN上設(shè)置一計(jì)時(shí)器，并設(shè)定以時(shí)間門(mén)限值t，當(dāng)NEMO網(wǎng)絡(luò)在某一鏈路內(nèi)停留時(shí)間超過(guò)t時(shí)，啟動(dòng)路由優(yōu)化策略，VMN向VMNs HA發(fā)送綁定更新以優(yōu)化路由，否則維持原有的基本協(xié)議，而t值的設(shè)定可通過(guò)大量監(jiān)測(cè)采樣，并比較分析正常通信狀態(tài)下NEMO網(wǎng)絡(luò)穿越各個(gè)鏈路所需時(shí)間的最大值得到。

在NEMO網(wǎng)絡(luò)發(fā)生位移并執(zhí)行了鏈路切換后，定時(shí)器則被清零重新計(jì)時(shí)，與此同時(shí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的VMN同時(shí)發(fā)起綁定更新，在瞬間增大了通信流量，形成了綁定風(fēng)暴，因此，可將門(mén)限值t的大小也對(duì)鏈路切換形成了影響，可根據(jù)NEMO網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況設(shè)定t的上下限，t值則在此區(qū)間內(nèi)隨機(jī)得出。

2.2 路由優(yōu)化策略

傳統(tǒng)NEMO網(wǎng)絡(luò)協(xié)議路由方面存在的最大問(wèn)題就是過(guò)多的采用了家鄉(xiāng)代理來(lái)傳輸用戶分組，這顯著增大了資源消耗與網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延，而借助與家鄉(xiāng)代理的綁定模式，VMN可以極大地簡(jiǎn)化路由，其過(guò)程如圖3所示。

分析上圖可知，首先VMN等待時(shí)間超過(guò)預(yù)設(shè)的門(mén)限t后，即開(kāi)啟路由優(yōu)化模式，其過(guò)程為：

（1）由VMN 向VMNs HA發(fā)送綁定更新報(bào)文;

（2）VMNs HA隨后向MRs HA發(fā)送切換初始化消息HI，即通知后者釋放原本維系的雙向隧道;

（3）在審核完數(shù)據(jù)包，并完成準(zhǔn)備工作后，MRs HA發(fā)回應(yīng)答消息Hack;

（4）VMNs HA審核Hack，若無(wú)誤則可完成綁定更新，并將新的綁定信息發(fā)送給VMN和MRs HA，隨后VMN即可在與其家鄉(xiāng)代理之間構(gòu)建新的雙向隧道;

（5）在完成了路由優(yōu)化后，VMN通過(guò)FNA報(bào)文向VMNs HA進(jìn)行宣告，并請(qǐng)求發(fā)送用戶分組。

由于減少了大量的家鄉(xiāng)代理作為中間節(jié)點(diǎn)，因此在執(zhí)行完路由優(yōu)化策略后，VMN的數(shù)據(jù)傳輸效率顯著增加了，用戶的體驗(yàn)度也有了明顯的改善。

3 結(jié)束語(yǔ)

NEMO網(wǎng)絡(luò)的路由具有一定的特殊性，本文提出的路由優(yōu)化策略既兼顧到了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)頻繁切換鏈路的客觀特點(diǎn)，同時(shí)也顯著地提高了NEMO節(jié)點(diǎn)群長(zhǎng)時(shí)間停留時(shí)的路由選擇質(zhì)量，較好地解決了長(zhǎng)期以來(lái)存在與鏈路切換需求與路由優(yōu)化需求之間的矛盾。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)更多高性能的優(yōu)化方法，進(jìn)一步提高NEMO網(wǎng)絡(luò)的路由質(zhì)量，給用戶帶來(lái)更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

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