優化限定性鏈路層觸發在PB-FMIPv6中的應用

馬李罡

（南京郵電大學 自動化學院，南京 210003）

0 引言

當前，互聯網已經成為人們生活中不可缺少的一部分。隨著各種移動通信設備，如智能手機、平板電腦等的發展，人們希望能夠在移動過程中依然對互聯網保持高速接入，這對目前的移動性管理技術提出了挑戰，同時也促進了移動性管理技術的發展。

MIPv6協議是IETF (International Engineering Task Force)提出的移動性管理協議，于2004年成為正式RFC3775標準，旨在使移動節點在IPv6網絡中移動時依然能夠保持通信的連通性[1]。每個移動節點擁有一個永久唯一的歸屬網絡地址。當移動節點不在歸屬網絡的時候，會由一個轉交地址表明移動節點的當前位置。送往移動節點歸屬網絡地址的IPv6數據包會在對上層“透明”的情況下路由到移動節點當前的轉交地址。

MIPv6使節點在不同接入路由器間移動時，無需改變IP地址就可以保持“網絡連接性”。但在切換過程中，由于鏈路切換和IP協議的操作，在“切換時延”內，移動節點是不能發送和接收數據包的，而“切換時延”來自標準MIPv6協議的“移動檢測”，“新轉交地址配置”和“綁定更新”過程，這會嚴重影響實時應用和數據包吞吐量敏感應用的服務質量，因此，為減少“切換時延”和“包丟失率”，多種改進的方案陸續被提出，如，FMIPv6 (Mobile IPv6 Fast Handovers)[2]，HMIPv6 (Hierarchical Mobile IPv6)[3]，PMIPv6 (Proxy Mobile IPv6)[4]等。這其中FMIPv6由于其對MIPv6較好的繼承性和易于實現性，得到了較為廣泛的應用，同時，文獻[5]通過仿真證實：在絕大多數環境中，FMIPv6的切換效率要高于HMIPv6和PMIPv6。

FMIPv6通過鏈路層觸發預測新接入路由，在鏈路層切換發生之前或過程中，完成標準MIPv6的“移動檢測”和“新轉交地址配置”過程，同時對鏈路層切換過程中的數據包進行緩存，從而降低了切換時延和數據包丟失率。

PB-FMIPv6是文獻[6]中提出的對FMIPv6的優化協議，該協議主要針對FMIPv6的時延進行了優化，授權預測新接入路由代替MN在鏈路層切換之前或過程中進行MN與HA和CN的綁定更新過程，從而使標準MIPv6中發生在鏈路層切換之后的綁定更新過程與鏈路層切換并行執行，降低了切換時延。文獻[7]利用OMNeT++，在802.11b模擬網絡環境下對FMIPv6和PBFMIPv6進行了比較，仿真結果顯示PB-FMIPv6的切換時延較FMIPv6有了顯著下降。

1 相關研究介紹

1.1 MIPv6

MIPv6可以保證移動節點(MN)在不同子網間移動時，不改變移動節點的IP地址。但MIPv6切換延時較大、切換過程中丟包率大，無法使用戶得到良好的數據接入服務體驗。MIPv6的信令交互流程如圖1所示。

圖1 MIPv6信令流程

本文關注鏈路層觸發，所以重點描述與鏈路層切換相關的處理過程。

“鏈路層切換”隨鏈路層協議和具體硬件應用場景的不同而不同。

“移動檢測”主要目的是判斷是否發生L3切換，一般的方法是沿用IPv6的“鄰居發現”機制，而“鄰居發現”又包括“鄰居不可達檢測”和“路由器發現”。當通過“鄰居不可達檢測”判斷出默認路由器雙向不可達時，則發生了L3切換。

檢測到L3切換后，MN會對其“鏈路域地址”進行“重復地址檢測”過程(Duplicate Address Detection, DAD)，通過“路由器發現”選擇一個新的默認路由器，然后執行“前綴發現”從而形成新的轉交地址[1]。

1.2 FMIPv6

FMIPv6可以減少切換延時和包丟失率。FMIPv6協議有兩種工作模式，預應式工作模式和反應式工作模式。

1.2.1 預應式工作模式

該工作模式下，移動節點在當前鏈路中收到FBack，這意味著MN進行鏈路層切換的時候，新舊接入路由器之間的隧道處在工作狀態，緩存起來的數據包會在MN接入到新鏈路同時收到MN發送的UNA消息后，立即轉發給MN。這種工作模式下，鏈路層切換時間段的數據包因為得到緩存而不會丟失，是理想的工作的模式。

預應式工作模式的信令流程如圖2所示。

與鏈路層切換相關的操作和MIPv6相同，分別為移動檢測、DAD和新CoA生成，下面將分別描述上述操作過程。

“移動檢測”過程如下。MN通過某些鏈路層機制（如，WLAN中的“掃描”機制）發現可用AP或者僅當執行“路由器發現”后，MN發送RtSolPr (Router Solicitation Proxy Advertisement)消息給當前AR，以獲得“AP標識”對應的子網信息。AR回送包含一個或多個[AP-ID, AR-Info]組的PrRtAdv (Proxy Router Advertisement)消息。通過這些信息MN可輕松的進行“移動檢測”。

圖2 FMIPv6信令流程

FMIPv6協議中說明，FMIPv6應用的場景是通過某些地址管理機制，使地址沖突概率極低，可以忽略，進而不用進行DAD過程。

MN通過PrRtAdv消息中的信息形成NCoA。

1.2.2 反應式工作模式

該工作模式下，移動節點在新鏈路收到FBack。這時MN不確定PAR是否成功處理FBU，所以會在發送UNA (Unsolicited Neighbor Advertisement)消息之后立即重新發送FBU。反應式工作模式下，MN在連接到新鏈路后才開始進行FBU等信令交互，由于在鏈路層切換之前新舊路由器間沒有形成隧道，所以鏈路層切換時間段和MN收到經NAR轉發的來自PAR的FBack消息之前時間段的數據包都會丟失，切換性能較預應式工作模式有所下降。

1.3 PB-FMIPv6

PB-FMIPv6的 思 想 是 在PrNAR (Proxy NAR)確定NCoA可用后，由NAR代替MN向HA和CN做綁定更新工作，從而使綁定更新過程能夠和鏈路層切換并行進行，不但降低了切換時延，而且減少了緩存數據包量、減輕了新舊路由器間隧道的負擔。PB-FMIPv6的信令流程如圖3所示。

圖3 PB-FMIPv6信令流程

1.4 限定性鏈路層觸發算法

限定性鏈路層觸發算法是文獻[8]提出的算法，該算法基于FMIPv6，旨在提供精確的鏈路層觸發時間標準，使FMIPv6即能工作在預應式工作模式，又不會因過早的鏈路層觸發而造成過多的服務時延和數據包緩存量。為更好的說明算法原理，FMIPv6預應式工作模式的時序圖如圖4所示。

圖4 FMIPv6預應式工作模式時序圖

Tprep是從L2觸發到MN收到FBack的時間，這段時間包括NCoA生成過程、NCoA驗證過程和PAR/NAR隧道建立過程。Twait是MN等待鏈路層切換的時間，這段時間由L2觸發時間決定，所以這段時延又被稱作“預測時延”[9]。Tlink是鏈路層切換時間，這一時間一般考慮為固定值，同時這段時間會依不同廠商的硬件設備而產生差別[10]。

針對802.11 WLAN網絡，文獻[8]提出了RLT (Remaining Life Time)的概念，這是一個即時概念，它表明了該時刻以MN此時的運動速度移出當前服務WLAN的剩余時間。tn時刻的RTL[tn]由式（1）給出：

其中，Redge為WLAN網絡邊緣信號強度，R[tn]為tn時刻的信號強度，ΔR[tn-1, tn]為tn時刻的信號強度變化速率，由式（2）給出：

文獻[8]提出的限定性鏈路層觸發算法的思想是使當RTL等于Tprep時產生鏈路層觸發，這樣既能保證FMIPv6工作在預應式工作模式，又使Twait為零，減少了數據包延時、減輕了PRA/ NAR隧道負擔。

2 問題描述

由移動性管理協議介紹可知，PB-FMIPv6是對MIPv6協議較為成功的優化協議，它將HA綁定更新、RRP和CN綁定更新授權給NAR來執行，使MIPv6和FMIPv6中發生在鏈路層切換過程之后的這一系列過程同鏈路層切換并行執行，從而降低了切換時延，同時減輕了PAR/NAR隧道負載。

限定性鏈路層觸發是基于FMIPv6提出的鏈路層觸發算法，文獻[8]在Qualnet環境下仿真結果表明該算法較固定值鏈路層觸發算法有更短的數據包時延，同時可以減輕PAR/NAR隧道負擔。

由于PB-FMIPv6同FMIPv6一樣，也有預應式和反應式兩種模式，鏈路層觸發的時間選擇同樣不但直接決定協議的工作模式，而且也會引入預測時延Twait，所以本文借鑒了限定性鏈路層觸發算法思想，將限定性鏈路層觸發引入到PBFMIPv6中，同時考慮到PB-FMIPv6和FMIPv6的差異，提出了優化限定性鏈路層觸發算法，使PB-FMIPv6的優勢更加明顯。

由文獻[11]對FMIPv6在實際802.11 WLAN中的實驗結果顯示，TPrep-T（預測隧道時延），也即Twait，是整個切換過程中最耗時的過程，平均占總切換時延的75.63%[11]，所以可以推想引入優化限定性鏈路層觸發算法會對PB-FMIPv6起到明顯的優化效果。

以下部分是對優化限定性鏈路層觸發算法理論分析。

3 優化限定性鏈路層觸發算法

因為PB-FMIPv6通過PrNAR來完成HA綁定更新、RRP和CN綁定更新過程，所以我們將同時分析MN和PrNAR的時序狀況，圖5是PBFMIPv6預應式工作模式的時序圖。

圖5 PB-FMIPv6預應式工作模式時序圖

如圖5所示，當PrNAR驗證了HI中的新轉交地址的唯一性后，便發送HACK告知PAR驗證結果，同時開始綁定更新過程。Twait是MN收到FBack到舊鏈路斷開的時間段，這段時延是由鏈路層觸發引入的，如果將這段時延減小，那數據包時延將會縮短，同時PAR/NAR隧道負擔也將減輕。限定性鏈路層觸發算法在FMIPv6中將Twait置零，但PB-FMIPv6中PrNAR的綁定更新過程是和MN的鏈路層切換時同時進行的，而這兩個過程所需的時間是不同的，所以本文提出的優化限定性觸發算法考慮了兩種情況：

(a)如果PrNAR綁定跟新時間小于等于MN鏈路層切換時間，則沿用限定性鏈路層觸發算法的方法，使RLT等于Tprep時產生鏈路層觸發。這樣就能最大程度地縮短切換時延。

(b)如果PrNAR綁定更新時間大于MN鏈路層切換時間，則使RLT等于Tprep+TBU-Tlink時產生鏈路層觸發。這樣的觸發時間選擇，既合理地縮短了切換時延，又不至于發生MN切換到新鏈路后等待PrNAR綁定更新過程結束的尷尬情況發生。

圖6 優化限定性鏈路層觸發算法流程圖

圖6是優化限定性鏈路層觸發算法的流程圖。MN周期性的檢測WLAN中的R[tn]，當R[tn]的值小于WLAN中穩定信號最小值Rlow時便會比較TBU和Tlink，TBU和Tlink是上次切換實測值，由于MN移動范圍的地理連續性，上次切換實測值較文獻[8]中采用的實驗平均值更能真實的反映網絡的動態變化情況。如果TBU≤Tlink，則算法處理過程同限定性鏈路層觸發算法，這里I1[tn]是比較間隔，由公式 （3）給出：

其中β是調控參數，其取值越高則比較間隔越小，判斷精度也就越高。如果TBU＞Tlink，則算法會判斷使當RLT等于Tprep+TBU-Tlink時產生鏈路層觸發，圖中I2[tn]是比較間隔，由公式（4）給出：

同樣，β也是調控參數，其取值越高則比較間隔越小，判斷次數越多，判斷精度也就越高。另外，算法中的α是一個權重系數，其取值為1到2，目的是防止RLT變得過小，當然α取值越靠近1，算法的時間控制越接近理論情況。

4 仿真結果分析

本文采用OMNeT++仿真環境，從延遲數據包數量和切換時間的角度，對采用固定門限觸發算法的PB-FMIPv6協議和采用優化限定性鏈路層觸發算法的PB-FMIPv6協議進行了比較。延遲數據包量是指鏈路層觸發產生的時刻到MN發送UNA消息的時刻中發往MN的數據包的數量，由于這一時間段內MN停止接收數據包，所以這段時間內發往MN的數據包都將產生延遲，延遲數據包量反映一種切換方案的切換操作對實時應用的影響情況。切換時間是指數據鏈路層觸發產生的時刻到MN發送UNA消息的時刻的時長，這段時間反映一種切換方案的切換操作所消耗的時間。

圖7是本文仿真的參考網絡模型，如圖所示，12個無線接入子網均采用2.4 GHz 802.11 b標準，覆蓋區邊緣信號強度為-82 dBm，為便于說明和簡單起見，相鄰AP的間距相等，信號覆蓋范圍重疊區域面積相等。仿真開始時，MN位于歸屬網絡，由歸屬網絡代理路由器HA提供與對端節點CN的通信，仿真運行過程中，MN依次經過12個子網，經歷11次切換。MN的首次切換是從歸屬網絡移動到AR1提供服務的外地網絡，遵循MIPv6協議，剩余的切換遵循PB-FMIPv6協議。仿真過程中，CN和MN間進行固定碼率(CBR)通信，CN向MN發送間隔為10～2 s的UDP數據包，AR間的鏈路延遲忽略不計，MN-CN鏈路延遲采用25 msec，MN的移動速度分別取5，10，20，30 m/s，以代表移動設備用戶的不同移動速度，優化限定性鏈路層觸發算法中的調控參數α和β分別取1.5和2。

圖7 參考仿真網絡模型

圖8比較了在MN-CN鏈路延遲為25 msec的情況下，當MN以不同速度移動時，采用-76 dBm切換門限的原始PB-FMIPv6協議和采用優化限定性鏈路層觸發算法的PB-FMIPv6協議的延遲數據包量和切換時間。圖(a)是延遲數據包量的變化情況，從圖中可知，隨著MN移動速度的增加，原始PB-FMIPv6的延遲數據包量有下降趨勢，從MN移動速度為5 m/s的1467.6變化到MN移動速度為30 m/s時的272.6，盡管數值有所下降但依舊保持著較高的水平，比較而言，采用優化限定性鏈路層觸發算法的PB-FMIPv6協議的延遲數據包量受MN移動速度影響不大，一直保持著146.2的平均數值。圖(b)是切換時延的變化情況，從圖中可知，原始PB-FMIPv6協議和采用優化限定性鏈路層觸發算法的PB-FMIPv6協議的切換時延保持了和圖(a)中延遲數據包量一樣的變化趨勢，原始PB-FMIPv6協議的切換時延隨MN速度從1 4679.0 ms變化到2 729.0 ms，采用優化限定性鏈路層觸發算法的PB-FMIPv6協議的切換時延保持著1 463.3 ms的平均值。由圖8可知，優化限定性鏈路層觸發算法較為明顯地提高了PB-FMIPv6的切換性能。

圖8 MN-CN鏈路延遲=25 ms、固定門限PB-FMIPv6的切換門限=-76 dBm時，延遲數據包數量、切換時間隨MN移動速度的變化情況

5 結論

借鑒FMIPv6中限定性鏈路觸發算法的思想，本文提出了應用在PB-FMIPv6中的優化限定性鏈路層觸發算法，該算法綜合考慮了FMIPv6和PB-FMIPv6的共同點和差異，根據網絡的動態變化情況，提供了精確的鏈路層觸發時間，即保證PB-FMIPv6工作在預應式工作模式，又合理地縮短切換時延，避免了MN切換到新鏈路后等待PrNAR完成綁定更新過程的尷尬情況。仿真結果表明優化限定性鏈路層觸發算法對PB-FMIPv6協議的延遲數據包數量和切換時間進行了優化，提高了PB-FMIPv6協議的整體切換性能。

[1] IETF, Mobility Support in IPv6, in RFC3775, D.B. Johnson, C.E. Perkins and J. Arkko, D.B. Johnson, C.E. Perkins and J. Arkko^Editors. 2004.

[2] IETF, Mobile IPv6 Fast Handovers, in RFC5568, R. Koodli, R. Koodli^Editors. 2009.

[3] IETF, Hierarchical Mobile IPv6 (HMIPv6) Mobility Management, in RFC5380, H. Soliman, et al., H. Soliman, et al.^Editors. 2008. [4] IETF, Proxy Mobile IPv6, in RFC5213, S. Gundavelli, et al., S. Gundavelli, et al.^Editors. 2008.

[5] Hu, B., S. Chen,X. Jiang.A Performance Evaluation of IP Mobility Support Protocols[C]. in 2010 Second Internatinal Conference on MultiMedia and Information Technology,2010.

[6] Yousaf, F.Z.,C. Wietfeld.Optimizing the Performance of FMIPv6 by Proactive Proxy Bindings[C].in Vehicular Technology Conference,2009.

[7] Espi, J.Proactive Route Optimization for Fast Mobile IPv6[C].in Vehicular Technology Conference,2009.

[8] Yang, M.Definitive Link Layer Triggers for Predictive Handover Optimization[C].in Vehicular Technology Conference,2008.

[9] Lu, H., et al., Performance Evaluation of Link Layer Triggers for Fast Handovers in Mobile IPv6[C].in Communications and Networking in China, 2006. ChinaCom’06. First International Conference,2006.

[10] Mishra, A.,M. Shin,W. Arbaugh.An Empirical Analysis of The IEEE 802.11 MAC Layer Handoff Process[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2003,33.

[11] Song, Y.Handove Lantency of Predictive FMIPv6 in IEEE 802.11 WLANs: A Cross Layer Perspective[C].in Computer Communications and Networks, 2009. ICCCN 2009. The 18th International Conference. 2009.