一種基于層次移動IPv6的切換改進策略

楊世欣

摘 要： 移動IPv6協(xié)議解決了移動IPv4協(xié)議三角路由問題，實現(xiàn)路由的優(yōu)化;層次移動IPv6協(xié)議（HMIPv6）可以減少標(biāo)準(zhǔn)切換引起的連接中斷時間，維持或提高已有連接的通信服務(wù)質(zhì)量，是移動IPv6的重要擴展。但是HMIPv6依然存在問題， HMIPv6對移動節(jié)點區(qū)域間的切換注冊開銷和時延性能上沒有任何改進，甚至比標(biāo)準(zhǔn)IPv6的注冊過程更多一次新的域內(nèi)注冊過程;對移動迅速的移動節(jié)點帶來沉重的注冊開銷負擔(dān)。對此提出一種新的HMIPv6切換改進策略，客觀上可減少網(wǎng)絡(luò)中注冊、綁定和更新消息，減輕網(wǎng)絡(luò)的負擔(dān)。

關(guān)鍵詞： 移動IPv6; HMIPv6; MAP; 家鄉(xiāng)代理; 域內(nèi)切換; 域間切換

中圖分類號： TP311

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1007-757X（2019）06-0047-03

Abstract： Mobile IPv6 protocol solves the triangulation problem of mobile IPv4 protocol and realizes the optimization of routing. Hierarchical mobile IPv6 protocol （HMIPv6） can reduce the connection interruption time caused by standard switching， maintain ?improve the communication service quality of existing connections， and is an important extension of mobile IPv6 protocol. But， HMIPv6 has no improvement on the handover of inter-domain cost and delay performance of mobile nodes， even more time needed than the standard IPv6 registration process. It brings heavy burden of registration cost to mobile nodes which move quickly. In this paper， a new HMIPv6 handover improvement strategy is proposed for the existing problems of HMIPv6. Objectively， it can reduce the registration， binding and update messages in the network and reduce the burden of the network.

Key words： Mobile IPv6; HMIPv6; MAP; Home agent; Handover of intra-domain; Handover of inter-domain

0?引言

近十幾年來，以Internet為代表的信息技術(shù)發(fā)展迅速，Internet已深入到人們的日常生活與工作的方方面面。另外，隨著移動通信技術(shù)的快速進步，各種移動通信設(shè)備被廣泛應(yīng)用;用戶對移動設(shè)備的要求也越來越高，希望可以隨時隨地，甚至移動中也能接入Internet。但是原有的IPv4協(xié)議主要是針對固定接入方式設(shè)計的，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的移動性支持不足。為解決此矛盾IETF于1992年制定了移動IP的最初標(biāo)準(zhǔn)，移動IPv4;隨著IPv4地址的耗盡，以及移動IPv4固有的局限性，這個協(xié)議已不能滿足用戶數(shù)大量增加所帶來的各種問題;同時也不能更好的為下一代互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。于是IETF又推出的新的標(biāo)準(zhǔn)即移動IPv6[1]。

1?移動IPv6

除了IPv6巨大的地址空間外，移動IPv6對移動IPv4最大的改變是取消了外地代理（Foreign Agent，F(xiàn)A）。由于IPv6地址資源豐富，每個移動節(jié)點（Mobile Node，MN）都可以獲取單獨的配置轉(zhuǎn)交地址并以此作為數(shù)據(jù)包分組路由的依據(jù)，不再需要通過外地代理的地址轉(zhuǎn)發(fā)。

移動IPv6取消了代理轉(zhuǎn)交地址，只有配置轉(zhuǎn)交地址一種轉(zhuǎn)交地址。MN可能會同時擁有多個配置轉(zhuǎn)交地址，家鄉(xiāng)代理截取的數(shù)據(jù)包分組首先被轉(zhuǎn)發(fā)到MN的主轉(zhuǎn)交地址，當(dāng)發(fā)送失敗時家鄉(xiāng)代理會盡量將數(shù)據(jù)包分組發(fā)送到MN的其他轉(zhuǎn)交地址。同時移動IPv6定義了“第二類路由頭（Type2 Routing Header）”的新IPv6擴展包頭選項，MN可以通過向通信對端（Correspondent Node，CN）注冊，告知其所在位置，CN獲得MN的轉(zhuǎn)交地址后，它發(fā)送給MN的數(shù)據(jù)包分組可以直接路由至MN而無需家鄉(xiāng)代理進行轉(zhuǎn)發(fā)。此時，MN的轉(zhuǎn)交地址放在數(shù)據(jù)包分組的目的地址字段，家鄉(xiāng)地址放在第二類路由頭中。當(dāng)數(shù)據(jù)包分組到達MN的轉(zhuǎn)交地址時，MN從第二類路由頭中提取家鄉(xiāng)地址作為這個數(shù)據(jù)包分組的最終目的地址，使得移動性對上層協(xié)議透明;這樣就解決了三角路由問題，實現(xiàn)路由的優(yōu)化。

2?層次移動IPv6（HMIPv6）

MN在兩個不同子網(wǎng)之間移動時將產(chǎn)生切換。MN在新的子網(wǎng)上獲得新的轉(zhuǎn)交地址，這個新的轉(zhuǎn)交地址需要向家鄉(xiāng)代理（Home Agent，HA）重新注冊，同時也要向CN重新綁定。由于協(xié)議處理和信號強度等原因，切換可能導(dǎo)致MN在一定時間內(nèi)不能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包分組，CN與MN之間的通信會暫時中斷。標(biāo)準(zhǔn)移動IPv6協(xié)議給出了移動檢測[2]、轉(zhuǎn)交地址獲取和重新建立綁定的基本過程，在此基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)具體的環(huán)境，人們分析標(biāo)準(zhǔn)移動IPv6的不足，又提出了新的切換技術(shù)，來減少切換引起的連接中斷時間，維持或提高已有連接的通信服務(wù)質(zhì)量。層次移動IPv6（Hierarchical Mobile IPv6，HMIPv6）[3-4]就是其中的一種。

在移動IPv6中MN可以向CN注冊，使CN知道自己當(dāng)前位置，這在一定程度上優(yōu)化了路由，解決了移動IP的三角路由問題;然而，MN每次發(fā)生切換時，除了需要向HA進行位置注冊外，還需向當(dāng)前所有的CN節(jié)點進行注冊報告自己的位置。所以，移動IPv6面臨最大的問題就是切換過程帶來的通信中斷和位置注冊產(chǎn)生的大量信令開銷。通常，HA和CN處于離MN較遠的位置，可能跨越較多的中間節(jié)點，因此發(fā)生移動切換時，MN向HA和CN進行位置注冊需要花費相當(dāng)長的迂回時延，導(dǎo)致每次MN進行移動切換時，數(shù)據(jù)包分組丟失而引起上層的連接通信中斷。與此同時，MN頻繁的切換操作會在骨干網(wǎng)中引入大量的注冊綁定消息信令開銷。這些冗余信息占據(jù)了帶寬，消耗網(wǎng)絡(luò)資源，引發(fā)沖突，降低數(shù)據(jù)傳輸性能。

IETF提出的HMIPv6對移動IPv6協(xié)議是一個重要擴展，它對移動檢測、轉(zhuǎn)交地址配置和重復(fù)地址檢測所造成的延遲不作考慮，僅從減少位置注冊的時延和開銷的角度來提高移動性管理方案的性能。HMIPv6能夠使MN減少與外部網(wǎng)絡(luò)信令交互，減少切換中斷的時間。在HMIPv6中引入一個新的實體稱為移動錨點（Mobility Anchor Point，MAP），它可以是HMIPv6網(wǎng)絡(luò)中任何層次的路由器，MAP提供本地的區(qū)域代理服務(wù)，作用類似位于家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)的HA。HMIPv6將整個Internet分成若干個管理區(qū)域（Management Region），為每一個管理區(qū)域配置一個MAP作為區(qū)域性移動管理中心，負責(zé)處理MN在本區(qū)域內(nèi)發(fā)生移動切換時的移動性管理。

HMIPv6 為移動節(jié)點定義了兩種轉(zhuǎn)交地址：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)交地址是從MN的當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)那里獲取的一個網(wǎng)絡(luò)IP地址，MAP用鏈路轉(zhuǎn)交地址來標(biāo)示移動節(jié)點。MN在每一次發(fā)生移動切換之后會獲取一個新的LCoA。RCoA是MAP所在的子網(wǎng)上獲得的網(wǎng)絡(luò)IP地址，是可路由的全球唯一IPv6地址。在HMIPv6中，MN可以通過帶有MAP選項的RAS消息來發(fā)現(xiàn)運行在接入路由器中的MAP，可以稱之為MAP發(fā)現(xiàn)操作。MAP發(fā)現(xiàn)操作隨MN的移動與移動IPv6的移動性檢測一起不斷執(zhí)行。每次MN檢測到自己發(fā)生網(wǎng)絡(luò)切換后，它也要執(zhí)行MAP發(fā)現(xiàn)操作看是否還在原來的MAP區(qū)域之內(nèi)，如果還停留在原來的MAP區(qū)域內(nèi)，那么MN只需要用自己獲取的新的LCoA向MAP注冊而不需要向HA和CN注冊，這可以稱之為區(qū)域注冊。相反，MN己經(jīng)離開了原來的MAP區(qū)域，則那么MN需要用自己獲取的新的LCoA向當(dāng)前MAP注冊，同時還需要用新獲取的RCoA通過當(dāng)前MAP向HA和CN注冊，則稱之為家鄉(xiāng)注冊。在HMIPv6中，發(fā)往MN的數(shù)據(jù)包分組路由采用的是MAP代理轉(zhuǎn)發(fā)的機制，CN發(fā)往MN的數(shù)據(jù)包分組將被MAP截獲，MAP接收到來自CN的數(shù)據(jù)包分組，隧道封裝之后將它們轉(zhuǎn)發(fā)到移動節(jié)點的LCoA。

在層次移動IPv6中，如果移動節(jié)點的切換是發(fā)生在同一MAP區(qū)域之內(nèi)，那么它并不需要向HA和CN注冊，因此對HA和CN而言，MN的區(qū)域內(nèi)切換是透明的。這樣將大大降低家鄉(xiāng)注冊的次數(shù)。如圖1所示。

一般說來MN到HA和CN的距離通常是遠遠大于到MAP的距離，跨越的中間節(jié)點也可能很多，再考慮MN可能同時與多個CN進行通信，家鄉(xiāng)注冊時需要向每一個CN進行位置注冊;因此家鄉(xiāng)注冊不論是時延和開銷都遠遠高于區(qū)域注冊，所以HMIPv6通常在切換時延和開銷性能上要優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的移動IPv6。

3?HMIPv6存在的問題

HMIPv6作為移動IPv6重要的擴展，在切換時延和開銷性能方面有了明顯改善，利用MAP作為MN區(qū)域性的移動性管理代理，在一定程度上減少了移動切換所產(chǎn)生的切換時延和注冊開銷。但HMIPv6仍存在一些問題：首先，相比移動IPv6，HMIPv6雖然在發(fā)生區(qū)域內(nèi)注冊時，注冊開銷和時延上性能有所改善，區(qū)域內(nèi)切換注冊過程如圖2所示。

但對于區(qū)域間的切換并沒有任何改進，甚至比標(biāo)準(zhǔn)IPv6的注冊過程更多一次新的域內(nèi)注冊過程;對某些移動迅速的MN而言，頻繁的區(qū)域間切換還帶來沉重的注冊開銷負擔(dān)，區(qū)域間切換注冊過程如圖3所示。

其次，MAP充當(dāng)其區(qū)域內(nèi)所有MN在外地子網(wǎng)的代理，負責(zé)它們的位置注冊和數(shù)據(jù)包分組轉(zhuǎn)發(fā)工作，所有從CN發(fā)送到MN的數(shù)據(jù)包分組都需要先被路由到MAP，然后MAP再通過隧道將數(shù)據(jù)包分組提交到MN的LCoA，這就引起了額外的處理和路由開銷。

為了增強HMIPv6的切換性能，許多研究者也提出了改進方法：Pack等提出在接入路由器（AR）之間引入指針來降低MN想CN進行位置注冊的消息流量[5-7];Yi等則將指針鏈應(yīng)用在MAP之間[8-10]。這些方案在某些特定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可以有效減少網(wǎng)絡(luò)中的位置注冊、綁定、更新消息，切換性能也有不同程度的提高，但是在具有復(fù)雜多變網(wǎng)絡(luò)拓撲的實際環(huán)境中效果有限，也沒有考慮各個MN不同的移動特性，同時也給AR或MAP帶來不小的算法負擔(dān)，不具備良好的適用性和簡單性。

4?一種HMIPv6切換改進策略

本文所提出的HMIPv6改進策略是針對MN在進行區(qū)域間切換時的一種改進方案，對MN的區(qū)域內(nèi)切換還執(zhí)行本身的HMIPv6切換方法。改進的區(qū)域間切換策略還是以降低MN發(fā)生區(qū)域間切換時延，減輕MAP和AR的算法負擔(dān)為出發(fā)點，改策略的基本描述是，將MN最初所在的MAP區(qū)域作為初始區(qū)域，若當(dāng)MN發(fā)生區(qū)域間切換，將切換前所在區(qū)域的MAP（Original MAP，OMAP）作為新MAP的上層代理，用新獲取的當(dāng)前區(qū)域的RCoA作為新的LCoA向OMAP注冊;此時HA和CN仍保存有OMAP區(qū)域轉(zhuǎn)交地址信息，從CN發(fā)送給MA的數(shù)據(jù)包分組可以通過OMAP向新區(qū)域的MAP轉(zhuǎn)發(fā)，MN就可以和CN進行正常的通信，而不需要MN通過新的MAP向HA和CN進行注冊綁定。若當(dāng)MN發(fā)生第二次區(qū)域間切換，這時就要先判斷MN的切換目的區(qū)域是哪個區(qū)域，如果MN又切換到了OMAP的區(qū)域，那么只需要OMAP向現(xiàn)在的MAP作簡單的注冊更新，之后CN仍舊通過OMAP與MN通信，MN依然不需要向HA和CN進行注冊綁定;如果MN切換到了另一個新的MAP區(qū)域，這時就按照HMIPv6區(qū)域間切換的方式，完成新的注冊、綁定、更新，同時將這個新區(qū)域的MAP作為MN再次進行區(qū)域間切換OMAP。該改進策略的流程圖如圖4所示。

提出該HMIPv6改進策略的現(xiàn)實依據(jù)是，法國INRIA公司的研究表明，在通常的MN移動中，有69%的移動是在一定范圍內(nèi)的移動，所以本文提出了相鄰MAP間的代理策略;同時，在一般情況下，MN發(fā)生區(qū)域間切換前后所在兩個區(qū)域的MAP之間的距離往往是很近的，遠遠低于MAP到HA或CN之間的距離，所以本文的改進策略對注冊導(dǎo)致的時延也起到了改善作用，使其大大縮短。

5?總結(jié)

本文首先對移動IPv6的特性進行了深入分析，得知在節(jié)點移動時標(biāo)準(zhǔn)MIPv6協(xié)議的不足，從而引出MIPv6的改進方式之一——層次移動MIPv6（HMIPv6）;HMIPv6作為移動IPv6重要的擴展，一定程度上減少了MIPv6存在的繁瑣切換問題，但在實踐中HMIPv6還有許多方面有待改進;本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出了一種新的HMIPv6切換改進策略，在一定程度上可減少網(wǎng)絡(luò)中注冊、綁定和更新消息，減輕網(wǎng)絡(luò)的負擔(dān)，在文章最后給出了改進策略的具體流程圖。

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（收稿日期： 2018.12.06）