移動IPV6在改進數據包發送路徑模型下性能分析

張君昌，韓 濤，谷衛東

（1.西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129；2.西安電子科技大學 電子工程學院，陜西 西安 710071）

移動 IPv6[1]（MIPV6）是 IETF制定的一種 Internet移動性管理方案，可使節點在不同網絡間移動時仍能保持通信的連續性。當移動節點（MN）改變它的連接點時，由于IP的路由特性，MN的IP地址就隨之改變。在移動IPV6中，每個MN都由它的家鄉地址（HoA）唯一確定。然而，當MN從一個網絡移動到另一個網絡，即使在同一個管理域內，移動IPV6需要把它新的連接點信息綁定更新至HA（Home Agent）和通信主機（CH），這樣造成了數據包發送時延和額外數據包發送代價。這對于通信過程等對實時性要求較高的應用影響較大。自從MIPV6成為一種移動性管理協議之后，許多后續的工作相繼展開。即使IETF已經制定了幾個協議，IP的移動性管理仍然是最有挑戰性的課題之一。

在MIPV6中，當CH發送數據包至MN，起初一些數據包先發送至HA，然后HA用隧道發送給MN，MN接收這些間接到來的數據包時，同時發送綁定消息至CH，這個消息使CH綁定MN的準確位置信息，綁定完成后CH通過直接路徑將未發完的數據包發送至MN。

FMIPV6和HMIPV6[2]為了消除MIPV6的缺陷而發展起來。當MN切換的時候，FMIPV6采用了數據包緩存機制來防止數據包丟失。當MN進行切換的時候，數據包通過間接路徑先發送至HA，然后由HA通過隧道發送至前訪問路由（PAR），當切換結束后這些數據包通過隧道發送至新訪問路由（NAR），最后發送至MN。隨后，還未發完的數據包通過直接路徑發送至MN。

HMIPV6則對MIPV6作了修改。在MIPV6中，當MN改變它的連接點時，都要把改變的IP地址通知給HA和CH。而在HMIPV6中，每個管理域中都有移動錨節點（MAP）做代理，MN在域內移動時只需向MAP注冊，這樣避免了向HA頻繁注冊，降低了切換時延。當MN和HA距離較遠時HMIPV6的優勢更明顯。當MN在MAP域內時，數據包不經過HA，其先到達MAP，然后MAP通過隧道發送至AR，AR再通過隧道發送至MN。

最新發展起來的PMIPV6[3]能夠使MN在給定的PMIPV6域內改變連接點的同時繼續接收來自CH的數據包。PMIPV6是一種基于網絡的移動性管理協議，引入了移動訪問網關（MAG）和局部移動結點（LMA），它們共同負責MN在給定的PMIPV6域內的移動管理。MAG位于訪問路由（AR），它能夠檢測到MN靠近自己。LMA充當HA的角色，存儲MAG的注冊信息，同時能夠使數據包發送至MN。LMA首先接受從來自CH數據包，然后LMA通過隧道發送至AR，AR再通過隧道發送數據包至MN。

進一步的研究發現，上述管理協議中，數據包在AR和MN之間通過代價很大的隧道發送，其數據包發送代價仍較大，這樣的機制導致了數據包傳輸速率下降和時延[4]加大。由文獻[5]知數據包在通過隧道發送時HA首先截獲送往MN家鄉地址的報文，然后通過隧道轉發到移動節點的轉交地址AR，最后AR取出報文，直接發送給MN。因此本文在分析現有移動IPV6管理協議性能模型的基礎上，改進了文獻[6]數據包發送路徑：AR和MN之間數據包由代價很大的隧道發送改進為直接發送，減少了權重較大的隧道代價因子的影響，改進后并沒有帶來額外的代價。在這樣的路徑下數據包發送代價降低，時延減小。

1 數據包發送代價分析

如圖1所示為數據包發送模型。數據包發送可以通過直接路徑和間接路徑兩種方式發送。直接發送由CH發送到GATE，然后GATE通過隧道發送至AR，AR再通過隧道發送至MN。間接發送是CH先將數據包發送至HA，然后HA通過隧道發送數據包至AR，AR再將數據包通過隧道發送至MN。

分析可知，數據包在AR和MN之間通過代價很大的隧道發送，導致了數據包傳輸代價增大和時延加大。鑒于此，文中在Jong-Hyouk Lee[6]等人建立的用于分析現有移動IPV6管理協議性能模型的基礎上，改進了數據包發送路徑：如圖2，將AR和MN之間數據包由代價很大的隧道發送改進為直接發送，即減少了權重較大的隧道代價因子對數據包發送代價的影響。 MIPV6、HMIPV6、FMIPV6、PMIPV6 的數據包發送代價在改進的數據包發送路徑和文獻[6]中的路徑下的分析如下文。

圖1 現有數據包發送模型Fig.1 Structure diagram of the present packet delivery mode

1.1 M IPV6數據包發送代價

當CH發送數據包至MN，起初一些數據包先發送至HA，然后HA用隧道發送給MN，MN接收這些間接到來的數據包時，發送綁定消息至CH，這個消息使CH綁定MN的準確位置信息，綁定完成后CH直接將數據包發送至MN。因此，數據包發送代價可以表示為：

圖2 改進數據包發送路徑模型Fig.2 Structure diagram of the modified packet delivery mode

λ是通過HA發送的數據包和總發送數據包的比率，即間接路徑數據包到達率，ω為數據包會話到達率，L（P）是數據包平均會話長度，CMIPV61和CMIPV6PD分別表示間接路徑代價和直接路徑代價。

分析發現間接路徑代價中數據包由HA發送到AR后，由AR發送給MN時可以不再用隧道發送，可以直接發送，即可改進為

1.2 FM IPV6數據包發送代價

當MN切換的時候，FMIPV6用到了數據包緩存機制來阻止數據包丟失[7]。在MN切換的時候，通過間接路徑到達的數據包先緩存至前訪問路由（PAR），當切換結束后這些數據包再通過新訪問路由（NAR）發送至MN。故

同樣分析發現間接路徑代價中數據包由HA發送到AR后，由AR發送給MN時可以不再用隧道發送，可以直接發送，即可改進為

d7表示 AR 和 AR 之間的跳數。 由于＞1，故 βd2＜CTβd2，故改進后數據包發送代價降低。

1.3 HM IPV6數據包發送代價

d5和d6分別表示 GATE和 CH、GATE和 AR之間的跳數。同樣分析發現直接路徑代價中數據包由HA發送到AR后，由AR發送給MN時可以不再用隧道發送，可以直接發送，即可改進為：

1.4 PM IPV6數據包發送代價

LMA首先接收從CH發送至MN的數據包，然后通過隧道發送[8]至AR，因此可以表示為：

同樣分析發現直接路徑代價中數據包由LMA發送到AR后，由AR發送給MN時可以不再用隧道發送，可以直接發送，即可改進為

2 實驗仿真與分析

2.1 數據包發送代價性能分析

數據包發送代價性能仿真是在MATLAB7.0平臺上進行的，實驗參數參照文獻[5]如下所示：d1=4，d2=1，d3=8，d4=10，d5=6，d6=4，d7=2，α=1，β=2，CT=20。由上文的分析可知，現有移動IPV6協議的數據包發送代價在改進后的模型下比在現有模型下低。本文僅以MIPV6為例加以仿真，其他協議類似。同時，對現有移動IPV6協議在改進的模型下的性能加以仿真。實驗結果如圖3所示。

圖3 為 λ=0.2，L （p）=10時，ω=0.5 時數據包發送代價隨著會話到達率、間接路徑數據包達到率、數據包平均會話長度的關系。隨著移動IPV6協議數據包會話到達率、平均會話長度的增加，其數據包發送代價隨之增加。這是因為數據包發送代價和數據包平均會話長度成正比，所以其二者之間呈線性關系。隨著移動IPV6協議間接路徑數據包到達率的增加，MIPV6和FMIPV6隨之增加，而HMIPV6和PMIPV6則保持不變，這是因為MIPV6和FMIPV6的數據包發送由直接路徑和間接路徑兩部分組成，間接路徑的代價高于直接路徑，故隨著間接到達的數據包增加，其數據包發送代價增加。而HMIPV6和PMIPV6則是由直接路徑傳輸數據包，故不會隨著間接路徑到達率的變化而變化。

MIPV6的數據包發送代價隨著會話到達率、間接路徑數據包到達率、數據包平均會話長度的增大而增大，在改進模型下比在現有模型下數據包發送代價更低，這種差別隨著會話到達率的增大越加明顯。

2.2 時延和吞吐量分析

網絡仿真是一種利用數學建模和統計分析的方法模擬網絡的行為，從而獲取特定的網絡特性參數的方法。本文的時延和吞吐量的仿真是建立在OPNET系統開發平臺上的。

表1列出了MIPV6、HMIPV6在傳統網絡模型下和改進模型下切換時延和平均吞吐量。從該表的實驗數據中可以看出，采用改進模型可以有效降低切換時延，增加平均吞吐量，通信質量得到一定的提高。

3 結束語

圖3 數據包發送代價比較Fig.3 Structure diagram of the packet delivery cost

表1 切換時延和吞吐量分析Tab.1 Analysis of handoff latency and throughput

文中改進了現有移動IPV6性能分析模型，分析對比了移動IPV6協議在現有模型下和改進模型下的數據包發送代價與會話到達率、數據包會話長度和間接路徑數據包到達率的關系。實驗仿真表明，移動IPV6協議在改進的模型下數據包發送代價和切換時延較低，吞吐量有所增加，通信質量得到一定的提高。

參考論文：

[1]Johnson D，Perkins C，Arkko J.Mobility Support in IPv6[S].IETF RFC 3775，2004.

[2]Soliman H，Castelluccia C，ElMalki K，et al.Hierarchical Mobile IPv6 Mobility Management （HMIPv6）[S].IETF RFC 4140，2005.

[3]Gundavelli S，Leung K，Devarapalli V，et al.Proxy Mobile IPv6[S].IETF RFC 5213，2008.

[4]Hossain A K M.M， Kanchanasut K.A handover management scheme for mobile IPv6 networks[J].Computer Communications and Networks，2005：1095-2055.

[5]江國星，申易彬.移動IP的優化管理策略[J].計算機與數字工程，2006，4（20）:30-35.JIANG Guo-xing， SHEN Yi-bin， Optimization of mobile IP’s management[J].Computer and Digital Engineering，2006，20（11）:30-35.

[6]Lee J H，Ernst T，Chung T M.Cost analysis of IP mobility management protocols for consumer mobile devices[J].IEEE Transactionson ConsumerElectronics，2010，56（2）：1010-1017.

[7]Taleb T，Letaief K B.A cooperative diversity based handoff management scheme [J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2010，9（4）：1462-1471.

[8]Pack S， Kwon T， Choi Y， et al.An adaptive network mobility support protocol in hierarchical mobile IPv6 network[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2009，58（17）：3627-3639.