基于可信區域的移動IPv6切換優化

摘 要:首先介紹了一種改進的轉交地址的配置方法，以便縮短移動IPv6切換中重復地址檢測(DAD)的時間;然后介紹了目前移動IPv6常用的兩種切換技術，即快速移動和分層移動切換技術;最后提出了一種新的基于可信區域的切換技術。利用OPNET對改進地址配置后的基于可信區域的切換方法進行仿真，并與通常切換方式進行比較。結果表明，基于可信區域的切換方法對乒乓式運動反復切換中綁定時間延遲、綁定信令在骨干網交互數目上都有很大的優化，從而提高了網絡的性能。

關鍵詞:移動IPv6;切換;地址重復檢測;乒乓式運動;可信區域

中圖分類號:TP393 文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2010)03-1106-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.03.083

Handoff optimization for mobile IPv6 based on credible area

YANG Jun， GUO Wei，LIU Jun

(National Key Laboratory of Communication， University of Electronic Science Technology of China， Chengdu 610054， China)

Abstract:Firstly， this paper introduced the new care-of address configuration method to reduce the DAD time.Secondly， introduced fast and hierarchical handoff methods commonly used in the mobile IPv6.Lastly，described a new handoff method based on the credible area for mobile IPv6.The simulation results of the new method in OPNET indicate the new handoff method based on the credible area for mobile IPv6 can optimize the delay and the number of the binding greatly in the ping-pong movement， improve the performance of mobile IPv6.

Key words:mobile IPv6; handoff; DAD(duplicate address detection); ping-pong movement; credible area

隨著互聯網的不斷增加和人類活動日益增大、頻繁，人們對通信的要求也越來越傾向于移動性，這使得現在關注的焦點很大程度上已經由固定網轉向移動網，更促使移動IPv6(MIPv6)在全球范圍逐步取代IPv4成為移動網絡互聯協議。MIPv6以其豐富的地址資源保證端到端通信、豐富的擴展功能帶來的安全性和移動性，使得MIPv6成為移動終端值得信賴的優秀網絡平臺。在MIPv6中，每個移動節點有兩個地址，一個是靜態的家鄉地址，另一個是動態的在移動時所要用到的轉交地址。移動節點在每次切換到另一條鏈路時，都要將家鄉地址與轉交地址進行綁定。由于移動檢測、轉交地址配置和綁定信令的交互，會造成很大的切換時延，尤其是在乒乓式運動中，每一次切換會造成總體切換延時很大，使得切換效率很低，并且過于頻繁地綁定信令會造成骨干網絡資源的浪費，因此切換的優化對于實時的應用是很有價值的。

1 快速轉交地址配置

1.1 重復地址檢測

移動IPv6在切換中有以下步驟:a)鏈路層切換;b)網絡層移動檢測;c)地址自動配置;d)重復地址檢測;e)家鄉綁定。如果進行對端綁定的話，還要執行f)返回路由可達過程;g)對端綁定。其中網絡層移動檢測和地址重復性檢測對切換延遲影響很大。

本文主要針對地址重復性檢測進行優化。重復地址檢測主要是為了移動節點在移入新子網后，配置的轉交地址的惟一性。

1.2 快速轉交地址配置

快速地址配置[1]是通過產生獨特ID可以很快地配置轉交地址，而不用檢測其轉交地址的重復性，如表1所示。因此在進入新子網切換時可以減少綁定時延。

表1 地址的快速配置

標志配置

網絡前綴移動節點ID

轉交地址前綴(路由功能)獨特ID(標志功能)

移動網絡前綴48 bit當前子網前綴16 bit家鄉子網ID16 bit移動節點主機ID48 bit

可以從表1中看出，每個新配置的IP都有四部分標志，這四個部分標志了節點在各子網內移動轉交地址的惟一性。

通過這種配置，子網內的主機地址不會重復，到新子網后轉交地址也不會重復，這樣可以免去地址重復性檢測。這對于MIPv6的移動性管理而言，可以縮短很大的時延。

2 移動IPv6切換技術

2.1 分層移動IPv6切換技術

層次化移動管理技術的主要思想是考慮把移動節點的小范圍運動對較遠距離的家鄉鏈路進行屏蔽。因此，層次化移動管理技術又稱為微移動管理技術。

分層移動IPv6(HMIPv6)降低了移動節點域外注冊開銷以及切換延時，這是以分組的非優化轉發路徑和本地與通信負載的增加為代價的。HMIPv6引入了一種新的實體——移動錨點(MAP)，它負責處理移動節點在本地域內的移動。發生域內移動時，移動節點只需向MAP發送綁定更新進行本地注冊即可。

1)移動錨點 MAP是位于移動節點訪問網絡的特殊路由器，充當移動節點的本地家鄉代理。同一個訪問網絡中可能存在多個MAP。

2)區域轉交地址(RCoA) RCoA是移動節點收到MAP選項時，根據MAP的子網前綴自動配置的一個轉交地址，也是移動節點向家鄉代理和通信對端注冊的地址。

3)鏈路轉交地址(LCoA) LCoA是移動節點根據路由器通告消息所配置的轉交地址，即MIPv6協議中所指的轉交地址。在本地域內，MAP使用該地址標志移動節點。

4)本地綁定更新(LBU) 移動節點發送LBU給MAP，從而建立RCoA和LCoA的綁定關系，與BU相比，LBU添加了一個M標志位，只是該消息執行的是MAP注冊。

在HMIPv6中，當移動節點進到一個MAP域中，它會收到包含一個或多個MAP選項的路由器公告，移動節點從中選擇一個為自己服務，并形成新的RCoA和LCoA。之后，移動節點先向MAP發送LBU以注冊RCoA和LCoA的綁定，然后向家鄉代理和通信對端注冊RCoA。這樣，MAP就會代替移動節點接收來自通信對端的數據分組，并通過隧道將它們轉發到移動節點的LCoA。如果移動節點在域內移動，它只需要向MAP注冊新配置的LCoA，而RCoA保持不變。 每一次檢測到移動，移動節點都會檢查原來的MAP選項是否被包含在新接收到的路由器通告中，以判斷自己是否還在原來的MAP區域內。如果原MAP不再有效，移動節點必須重新選擇一個MAP，配置新的RCoA、LCoA，并向新的MAP注冊。此外，移動節點還要向家鄉代理和通信對端注冊新的RCoA。

2.2 快速移動IPv6切換技術

移動IPv6的快速切換是MIPv6在切換到新的接入路由器后所執行的操作，包括移動檢測、轉交地址配置和位置更新。然而，這些操作通常會造成較長的切換延遲，從而影響了應用程序的通信質量。為了降低切換延遲和減少通信的中斷時間，IETF提出了移動IPv6的快速切換(FMIPv6)協議。它使用鏈路層機制檢測到新的接入路由器，并通過預先注冊來降低切換延遲。

快速切換技術的核心思想是由移動節點預測網絡層的移動，在斷開當前鏈路前，能夠發現新的路由器和網絡前綴并進行切換預處理，其工作過程如下:

a)移動節點發送路由器代理請求消息(RtSolPr)去發現鄰居接入路由器。

b)移動節點收到代理路由宣告消息(PrRtAdv)，其中包含AP-ID，AR-info等消息。

c)移動節點發送快速綁定更新消息(FBU)到舊的接入路由器(PAR)。

d)舊的接入路由器發送切換初始化消息(HI)給新的接入路由器(NAR)。

e)新的接入路由器發送切換確認消息(FAck)給舊的接入路由器。

f)舊的接入路由器發送快速綁定確認消息(FBack)給處于新鏈路上的移動節點，同時這個消息也發送給生成FBU的鏈路。

g)MN連接到新的鏈路后，發送快速鄰居宣告消息(FNA)給新的接入路由器。

在發生突然切換時，移動節點可能在發送FBU消息之前就已經連接到新接入路由器。在這種情況下，移動節點將發送包含FBU消息的FNA，接著后續的過程d)~f)將發生。

3 基于可信區域移動IPv6切換技術

3.1 基于可信區域移動IPv6切換技術方法[2]

在移動檢測的階段中，通過檢測判定轉交區域的可信度來決定進不進行家鄉綁定以及進不進行對端綁定。可信區域，即在可信區域可以進行家鄉綁定;非可信區域，即在非可信區域只與上一個舊路由器進行綁定。

可信區域和非可信區域的劃分可以通過鏈路層收到的信號功率或者信噪比來進行判定(圖1)。靠近基站內部的圓形區域為可信區域，離基站較遠的環形區域為非可信區域。在可信區域中終端距離基站近，因此信號強度強、信噪比高、可信度高;而非可信區域中，終端收到的信號強度較可信區域弱，信噪比相應地降低，可信度自然低。

當移動節點從舊接入路由器進入到新接入路由器時，它先不進行家鄉綁定或者對端綁定，而只是與舊接入路由器綁定，所有發往該移動節點的消息要經過舊接入路由器轉發到新接入路由器，然后發給該移動節點。只有當移動節點移動到可信區域的時候，移動節點才進行家鄉綁定和對端綁定 ，如圖2所示。這樣做的目的是為了防止在舊接入路由器和新接入路由器之間做乒乓式的來回運動，而造成頻繁的家鄉、對端綁定，使得骨干網絡中綁定信令過多影響網絡性能，以及切換時延過多用在綁定更新消息之間的交互上。

可以總結為:在可信區域，進行家鄉、對端綁定;在非可信區域，進行舊接入路由器綁定。其中，OAR(old access router)為舊接入路由器;NAR(new access router)為新接入路由器;HA(home agent)為家鄉代理;MN(mobile node)為移動節點。

當MN從上個子網移動到新子網，轉交成功后，執行以下步驟，流程如圖3所示。

a)根據設定的區域，在非可信區域，先與OAR進行綁定，發送OAR綁定消息，通知自己的新轉交地址和舊轉交地址，告知OAR所有發往舊轉交地址的包都發往新轉交地址。

b)OAR存儲這個MN舊轉交地址和新轉交地址對應表，將所有發往此MN的包發往此MN新位置。

c)當MN繼續向NAR移動時，當進入可信區域就與家鄉綁定、對端綁定，并且MN告知OAR釋放它的新轉交地址和舊轉交地址的對應表項，所有發往該節點的包不經過OAR而直接發送給它的新位置。

d)如果MN又回到舊子網，則通過給OAR發送綁定更新消息通知其MN的回歸，并注銷舊轉交地址和新轉交地址的對應，所有發往MN的包依舊發往舊轉交地址。

3.2 基于可信區域移動IPv6切換技術方法的理論分析

假設每個接入路由器只能與相鄰的接入路由器通信，如圖2所示，OAR和NAR可以直接通信，但是NAR和HA不能直接通信，MN在OAR和NAR非可信區域之間做乒乓運動。

3.2.1 綁定信令在切換時間的優化

如果MN在OAR和NAR之間反復運動，則切換一次所用的時間為T。

假設tho是綁定消息在HA到OAR之間的通信時間;thn是綁定消息在HA到NAR之間的通信時間;ton是綁定消息在OAR和NAR之間的通信時間;t1是MN檢測到移動到新子網并配置新的轉交地址所用的時間;t2是HA或者OAR處理綁定消息的時間，如果切換一次就與家鄉綁定一次，則切換到OAR所需的時間Tmh為

Tmh=2×tho+t1+t2

則切換到NAR所需的時間Tmn為

Tmn=2×thn+t1+t2

設定可信區域后，與OAR綁定所需的時間Tmo為

Tmo=2×ton+t1+t2

因為ton≤tho，ton≤thn，所以tmo≤tmh，tmo≤tmn。

在綁定信令頻繁交互的時候，基于可信區域的移動IPv6切換方法可以在綁定時間上縮短很多，而且網絡越大，時間的優化效果越好。

3.2.2 綁定信令在交互數目的優化

假設MN在OAR和NAR非可信區域之間反復移動m次，兩個接入路由器之間傳遞一次綁定消息為一次信令交互，則在接入路由器之間綁定信令交互的次數為N。

假設nho是HA和OAR交換信令經過的接入路由器的個數;nhn是HA和NAR交換信令經過的接入路由器的個數;m1=int(m/2)，是進入新子網的次數;(m-m1)是移動節點返回舊子網的次數。如果切換一次就與家鄉綁定一次，則切換到OAR所需的Nho為

N ho=2×(nho+1)×m1+2×(nhn+1)×(m-m1)

如果切換一次就與家鄉綁定一次，則切換到NAR所需的Nhn為

Nhn=2×(nhn+1)×m1+2×(nho+1)×(m-m1)

設定可信區域后，與OAR綁定所需的Nmo為

Nmo=2m

因為nhn≥0，nho≥0，所以Nho=2×(nho+1)×m1+2×(nhn+1)×(m-m1)>2×1×m1+2×1×(m-m1)，即Nho=2×(nho+1)×m1+2×(nhn+1)×(m-m1)>2×m=Nmo。

同理，Nhn=2×(nhn+1)×m1+2×(nho+1)×(m-m1)>2×m=Nmo。

因此在綁定信令頻繁交互的時候，基于可信區域的移動IPv6切換方法可以減少骨干網絡綁定信令交互的數目，而且在移動節點移動越頻繁、規模越大的網絡，骨干網絡綁定信令交互的數目減少的效果越明顯。

4 仿真結果及分析

4.1 地址重復性檢測

1)仿真環境

本仿真場景為10 km×10 km，總共六個子網(圖4)。六個子網中的一級節點只能相鄰通信，一級節點發射功率為0.22 W，覆蓋范圍大致半徑為1 km的區域;二級節點發射功率為0.05 W，覆蓋范圍大致為400 km左右的區域。對于AP，其信標楨每隔0.02 s發射，其生存期為0.5 s;路由器通告發射間隔參數為0.5和1的均勻分布，其生存期為0.5 h。

仿真事件是IP地址為2001:db8:0:1:1:0:0:3的節點MN_3從家鄉子網(2001:db8:0:1:1:0:0:1)依次經過其余五個子網(一級節點地址分別為2001:db8:0:2:2:0:0:1;2001:db8:0:3:3:0:0:1;2001:db8:0:4:4:0:0:1;2001:db8:0:5:5:0:0:1;2001:db8:0:6:6:0:0:1，其快速配置的地址分別為2001:db8:0:2:1:0:0:3;2001:db8:0:3:1:0:0:3;2001:db8:0:4:1:0:0:3;2001:db8:0:5:1:0:0:3; 2001:db8:0:6:1:0:0:3。這些配置的轉交地址都是惟一的)。

2)仿真分析

仿真結果如圖5所示。由圖5可以看出，在綁定更新延遲中，地址重復性檢測所耗的時間很大。在仿真中，地址重復性檢測時延為重復地址檢測傳輸時間和鄰居請求間隔的乘積，這一方面反映了地址重復性檢測的復雜和耗時。因此，通過快速地址配置不進行重復性檢測可以節省很大的時間。

4.2 基于可信區域的綁定

1)仿真環境

本仿真環境與4.1節的類似，拓撲同圖4，并且已經采用快速地址配置而省去了地址重復性檢測。為了突出仿真效果，仿真事件為節點MN_3在離自己家鄉較遠的子網5和6的非可信區域之間進行往復的乒乓運動，可信區域的邊界條件可以誤碼率或者功率作為標準。本仿真是以功率為標準、可信區域為半徑大約300 m左右的圓。

圖6是仿真中移動節點在子網5和6的運動路線，其中外部深色環形區域為非可信區域，內部圓形區域為可信區域，MN_3在子網5、6之間的非可信區域作乒乓式往復運動。

2)仿真分析

仿真結果如圖7所示。由圖7可以看出，基于可信區域的MIPv6在乒乓式運動中，綁定時延得到很大的減少，這對于平滑地進行切換有很大的幫助。

至于骨干網中綁定消息的交互也得到了很大的減少。在本文仿真場景中，一級節點之間的網絡為骨干網絡，當采用基于可信區域的移動綁定時，綁定消息只在所在子網的一級節點和相鄰的一級節點之間通信，只傳一跳。如果采用標準的移動綁定時，所在子網與家鄉子網要經過4、5個子網，通過相同數目的一級節點，即每次都需4、5跳，這增加了骨干網絡控制信息的傳輸數目。因此，對于頻繁的往復運動，基于可信區域的移動IPv6切換可以減少骨干網絡的負載。

5 結束語

本文闡述了快速地址配置以及基于可信區域的切換方法，并通過仿真驗證了兩種優化算法的可行性。快速地址配置通過惟一的配置地址而省去了重復地址檢測階段，在進行綁定過程中減少了切換時延;基于可信區域的切換方法利用劃分區域的可靠性以及通過與舊接入路由器的綁定而減少了綁定傳輸時延以及骨干網絡中控制信息的交互量，從而減輕了骨干網絡點負載，尤其對大型網絡中乒乓式往復運動的優化效果最為明顯。

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