基于PMIPv6的域間切換管理方法及性能分析

摘 要:針對代理移動IPv6(PMIPv6)中域間切換時延較大的問題，提出了一種基于PMIPv6的域間切換管理方案。新方案通過在PMIPv6域間發送PBU綁定更新消息，使得切換目標PMIPv6域提前知道移動節點(MN)的家鄉網絡前綴，避免了移動節點參與移動性管理及重新配置轉交地址，從而有效減小了切換時延。分析和仿真結果表明，與現有的全局移動性管理方案移動IPv6和快速移動IPv6相比較，新方案更加適應移動性管理中低時延、低復雜度、易于操作的要求。

關鍵詞:代理移動IPv6;移動IPv6;快速移動IPv6;切換延時

中圖分類號:TN915 文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2010)03-1118-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.03.086

Proxy mobile IPv6 based inter-domain mobilitymanagement approach and performance analysis

REN San-yang，CHAI Rong，TANG Lun，CHEN Qian-bin

(Research Laboratory of Mobile Communications， Chongqing University of Posts Telecommunications， Chongqing 400065， China)

Abstract:This paper proposed an inter-mobility handover management solution for proxy mobile IPv6(PMIPv6).Using the proxy binding update message between two PMIPv6 domains， the destination PMIPv6 domain was able to obtain the mobile node’s home network prefix in advance， therefore， the mobility management and the reconfiguration the care-of-address performed by the mobile node could be avoided， resulting in the efficient saving in handover latency.Analysis and simulation results show that the proposed approach for PMIPv6 inter-mobility provides better performance in terms of low latency， low complexity and easiness of management， etc.， compared with the existing global mobility management protocol， i.e.，mobile IPv6 and fast mobile IPv6.

Key words:PMIPv6;MIPv6;FMIPv6;handover-delay

隨著Internet技術的迅速發展及移動電話、筆記本電腦、PDA等移動設備的廣泛使用，用戶對設備的移動性要求越來越高。移動IPv6(MIPv6)[1]滿足移動節點(MN)切換時維持因特網可達性。然而，MIPv6協議以MN為中心，切換相關的決策均需要有MN的參與，導致這種方案存在著較大的切換時延及移動終端的協議棧復雜度增大等缺點。

代理移動IPv6(PMIPv6)[2]是基于網絡的移動性管理協議，也即由網絡負責管理IP移動性，MN不參與任何移動性管理相關的信令。PMIPv6中引入兩個特殊的網絡實體——移動接入網關(mobile access gateway，MAG)和區域移動錨點(local mobility anchor，LMA)。MN的家鄉網絡前綴等信息存放在MAG中，類似MN的家鄉網絡，MAG發送定制的路由器通告到MN，MN根據該通告在網絡接口上配置其家鄉地址(MN-HoA)。目前的代理移動IPv6協議中，僅針對PMIPv6域內切換，即MN在同一個LMA下的不同移動接入網關MAG之間的切換，提出了移動性管理方案。對于域間切換，即MN在不同LMA之間進行切換時，仍采用傳統基于MIPv6協議的方案，因而難以克服MIPv6協議固有的缺點。本文提出一種基于代理移動IPv6的域間切換管理方案以有效改善移動性管理性能。

1 相關研究

1.1 代理移動IPv6

代理移動IPv6是一種基于網絡的移動性管理協議，其拓撲結構如圖1所示，其中，區域移動錨點LMA是MN在PMIPv6域的家鄉代理。LMA擁有MIPv6協議中定義的家鄉代理的全部功能，是MN家鄉前綴的拓撲錨點，維持MN在PMIPv6域的可達性。LMA為每一個接入的節點保存一個BCE(binding cache entry)，其中包括MN-Identifier、MN的家鄉網絡前綴(home network prefix，HNP)、代理轉交地址(proxy-CoA)和節點數據傳輸所使用的隧道接口標志符(interface identifier)等。這些信息可以使得MN、LMA和MAG三者聯系在一起。移動接入網關MAG配置在接入路由器AR上，其主要功能是檢測節點的移動性，代替MN初始化與移動性管理相關的信令，完成與LMA的綁定更新。另外，類似MN的家鄉網絡行為，MAG發送定制的路由通告到MN。當MN在MAG之間移動時，收到同樣的家鄉前綴，即認為自己在家鄉網絡域內，從而不需要重新配置IP地址。

PMIPv6協議僅給出移動終端在LMA域內移動的切換管理方案，若節點移動范圍移出了LMA域的管理范圍，此時的切換管理則較為困難。如圖1所示，當MN從MAG1切換到MAG3的區域，由于MAG1和MAG3同屬于一個LMA域，這種切換稱為域內(intra-domain)切換;而當MN從MAG1切換到MAG2的區域，由于MAG1和MAG2分屬于不同的LMA域，這種切換稱為域間(inter-domain)切換。解決域間移動性管理問題可以采用全局移動性管理協議。在現有的全局移動性協議中，常用的有移動IPv6[1]和快速移動IPv6[3]協議，也可采用MOBIKE[4]或者HIP[5]。在這一章主要討論使用移動IPv6和快速移動IPv6技術來解決基于代理移動IPv6的域間切換問題。

1.2 使用移動IPv6和快速移動IPv6技術解決域間切換問題

移動IPv6協議中，當MN漫游到外地代理時，需要重新配置轉交地址，以保證通信的持續性。當MN超出PMIPv6的LMA域時，可以使用移動IPv6協議，在漫游的LMA域內重新配置一個新的地址。該地址可以是新的LMA域的家鄉地址，作為MN的轉交地址。MN需要將這一地址在切換之前的LMA和通信對端節點CN處進行綁定更新。

1)使用MIPv6協議解決基于PMIPv6的域間切換

切換信令流程如圖2所示，其流程分析如下:

步驟1和2 當MN完成二層切換之后，MAG1(當前移動接入網關)向LMA1(當前區域移動錨點)發送PBU(proxy binding update，代理綁定更新)消息，請求解除MAG1的P-CoA與MN的MN-HoA的綁定。LMA1收到PBU之后，給MAG1發送一個PBA(proxy binding acknowledgement，代理綁定確認)消息。

步驟3~6 當MN到達MAG2(新的移動接入網關)范圍時，將收到MAG2發出的路由廣播信息。由于MAG2不屬于LMA1域，不知道MN的家鄉前綴，MN需要使用MIPv6協議才能進行正常的通信。步驟3和6即為MIPv6協議中的RS(router solicitation，路由請求)和RA(router advertisement，路由通告)消息，用來發現鄰居的網絡前綴和配置參數。步驟4和5是MAG2從LMA2中獲取網絡前綴的過程。得到鄰居網絡前綴之后，MN就可以開始重新配置在LMA2域的MN-HoA，并需要進行DAD(重復地址檢測)過程。

步驟7~10 MN完成地址重新配置之后，需要注銷在源PMIPv6域(MAG1)的消息。

步驟11~14 MN使用MIPv6中的消息BU來通知新的接入網，MN已經獲得新的網絡前綴，并且成功配置MN-HoA。LMA2可以根據此消息建立LMA2和MAG2之間的雙向隧道，至此完成整個域間的切換過程。

2)使用快速移動IPv6協議解決基于PMIPv6的域間切換

切換信令流程圖如圖3所示。快速移動IPv6(FMIPv6)協議在移動IPv6協議的基礎上進行了改進，其主要思想是在二層切換完成之前提前觸發三層切換，即MN在鏈路斷開之前提前配置好轉交地址，從而減少切換時延。

步驟1~4 MN提前獲得鄰居網絡的前綴并完成地址配置[3]。

步驟5和10 分別為FBU(快速綁定更新)和FBA(快速綁定確認)消息，與MIPv6中的綁定更新和確認消息相同，用來通知家鄉網絡MN獲得的轉交地址(即MN在LMA2域的MN-HoA)。

步驟6~9 啟動切換的過程，在FMIPv6協議中有詳細的描述[3]。

步驟11 FNA(fast neighbor advertisement，快速鄰居公布)消息是快速移動IPv6協議中定義的消息格式，用來通知LMA2域MN已經進入其覆蓋范圍。

源網絡中的地址注銷及新地址注冊步驟與圖2中所示相同，當LMA2和MAG2之間的雙向隧道建立完成之后，MN的數據就可以通過LMA2域進行傳輸，完成切換過程。

2 基于PMIPv6的域間切換管理方法

前文給出了現有的全局移動性管理協議解決PMIPv6域間切換的方案，這些方案存在著較高的切換信令開銷、較大的更新時延以及嚴重的位置保密性問題等缺點[6，7]。

另外，這些協議的使用均要求MN參與移動性管理，即MN需要同時支持PMIPv6協議及傳統的MIPv6協議，因而大大加重了移動終端的協議棧負擔，這有悖于PMIPv6協議減輕移動終端協議棧復雜度的初衷，同時嚴重降低了PMIPv6協議的性能優勢。因此，有必要研究更有效、更能體現PMIPv6協議優勢的域間切換管理方案。

本章提出了一種前綴綁定的方法，其主要思想是在MN超出LMA1域時，由LMA1發送PBU消息到LMA2，其中包括MN的家鄉網絡前綴;LMA2收到MN的家鄉網絡前綴之后通過MAG2廣播給MN，使得MN收到同樣的家鄉網絡前綴，不需要參與移動性相關的決策，認為還在自己的家鄉網絡。

圖4給出了基于PMIPv6的全局移動性管理的切換流程。其具體方案如下:

本節需要利用到IEEE 802.21[8]定義的鏈路觸發事件，需要在L2切換完成之前完成LMA1與LMA2之間的綁定更新。在步驟1中，L2觸發就是使用的802.21協議中的link going down觸發事件，表明MN測量到當前移動接入網關信號下降，并在某個時間內即將斷開。當MAG1收到link going down觸發事件之后，發送HI(handoff indicator，切換初始化)消息到LMA1，通知LMA1移動節點將要離開LMA1域。LMA收到HI消息之后，發送PBU消息到LMA2，其中包含MN的家鄉網絡前綴。完成MN家鄉網絡前綴綁定更新之后，LMA2域中存在MN的家鄉網絡前綴，可以仿真LMA1完成MN的切換。之后的流程與域間切換的一樣，知道LMA2與MAG2之間建立雙向隧道，切換完成。

由于PMIPv6協議中沒有定義LMA之間的信令交互格式，上述方法中，PBU和PBA消息的格式需在PMIPv6協議定義的格式基礎上稍作改變。這里借用LMA與MAG之間的綁定更新消息，通過在原來消息的基礎上添加一個標志符，用來區別LMA之間的綁定。如圖5所示，使用原PBU消息中的保留位，增加一個標志符I，說明此消息是用在inter-domain域間切換的新定義的消息。同理在PBA消息的相應位置也借用保留位重新定義一個新的標志符I，如圖6所示。

3 性能分析

切換時延是移動性管理的一項主要性能指標，如果時延過大，會引起數據包過多丟失，從而影響一些實時通信及時延敏感傳輸業務的應用。本章將對第1、2章中提到的三種域間切換方案的切換時延進行分析比較。切換時延時間分析模型采用文獻[9，10]中所用模型，如圖7所示，該模型定義了不同網絡實體間的信令傳輸所消耗的時間。

表1 切換模型中各參數的含義

參數含義tmlMAG與LMA之間的鏈路傳輸時間

taLMA或MAG與AAA服務器注冊時間

tlcLMA到CN的路由時間

tllLMA之間的傳輸時間

tmam不同LMA域中MAG之間的傳輸時間

tmm1MN與源MAG之間的傳輸時間

tmm2MN與目標MAG之間的傳輸時間

假設使用MIPv6方案的切換時延為tMP、使用FMIPv6方案的切換時延為tFMP、使用本文方案的切換時延為tPMIPv6，tL2為鏈路層的切換時延。在第一種方案中，tMP包括鏈路層切換時延tL2、地址檢測時延tMD、重復地址檢測時延tDAD、AAA認證時延tAAA、注冊時延tREG及注銷時延tDE-REG。

從圖2可以看出，地址檢測包括圖中步驟1~6，因此

tMD=2(tml+tmm2+tml)(1)

注冊過程包括步驟7~10，另外，LMA2要在CN處進行注冊更新，即

tREG=2(tlc+tml+tmm2)(2)

注銷過程包括步驟11~14及LMA1在CN處進行注銷，故

tDE-REG=2(tlc+tml+tmm1)(3)

根據文獻[9]，AAA注冊時間為

tAAA=2×2ta=4ta(4)

綜上可以得到第一種方案的切換時延為

tMP=tL2+tMD+tDAD+tAAA+tREG+tDE-REG (5)

由于tmm1和tmm2之差對于整個切換時延來說可以忽略不計，可以認為tmm1=tmm2，記為tmm，把式(1)~(4)代入式(5)，得到

tMP=tL2+tDAD+8tml+6tmm+4tlc+4ta(6)

對于第二種方案，由于使用了快速移動IPv6技術，減少了tMD和tDAD，增加了切換初始化的過程，其切換時延為tINI。

tINI=tmm1+2tml+2tmam+max(tmam，tmm1)(7)

tFMP=tFMP=tL2+tINI+tAAA+tREG+tDE-REG(8)

將式(2)~(4)和(7)代入式(8)得到

tFMP=tL2+6tml+5tmm+4tlc+4ta+2tmam+max(tmam，tmm)(9)

對于第三種方案，由于在二層切換之前完成初始化，并且不需要重新配置轉交地址，可得

tPMIPv6=tL2+tAAA+tREG+tDE-REG(10)

將式(2)~(4)式代入式(10)，得到

tPMIPv6=tL2+4tml+4tmm+4tlc+4ta(11)

為了便于分析切換時延，本文采用參考文獻[9，11]中的時間參數設置，針對文獻[12]中提及的多種可能的場景，可以認為文獻[9，11]中設置的參數能夠比較真實地反映每種協議的性能。在本文的分析中，初始參數設置如表2所示。

表2 切換模型中各參數的取值

參數取值/ms參數取值/ms參數取值/ms

tL210ta3tmm10

tml10tlc20tDAD1 001

參數tll和tmam的取值文獻中未提及，根據鏈路狀態和其他假設的參數，可以認為tll和tmam均不超過10 ms，這里假設tll=tmam=10 ms。在切換方案一定時，切換時延主要會受到兩個因素的影響:MN與接入網之間的鏈路時延，MN與CN之間的路由時延。

如圖8所示，三種切換方案的切換時延都隨著MN與接入網之間的鏈路時延tmm的增大而增加，這一結果符合實際通信情況。同時可以看到，使用本文提出的基于PMIPv6的域間切換方案的切換延時要比前兩種方案小得多。

圖9所示為MN與CN之間的路由時延對域間切換的影響，從圖7可以看出，MN與CN之間的路由時延為tml+tmm+tlc。在仿真時考慮的主要參數為tlc，由于tml假設為固定不變的，tmm為MN與接入網之間的鏈路時延，在圖8中已經分析。由圖9中可以看出，當t1c不斷增加時，三種方案的切換延時都將增大，使用本文提出的基于PMIPv6的域間切換方案的切換延時較前兩種方案小得多。

4 結束語

本文提出了一種新的基于PMIPv6協議的全局移動性管理方案，并與熟知的全局移動性管理協議MIPv6和FMIPv6進行了比較。該方案的框架背景是移動節點在不同的LMA域間切換。通過切換前后兩個LMA的信令交互，使得新LMA域提前知道MN的家鄉網絡前綴，從而避免了MN的重新配置轉交地址及參與移動性管理相關的信令傳輸，有效保證了基于網絡的移動性管理的各種優勢。本文最后根據切換時延分析模型對采用新方案與MIPv6、FMIPv6協議進行切換管理時的切換時延進行了數學仿真分析，仿真結果驗證了本文所提方案可以有效減少切換時延。

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