基于PMIPv6MIPv6的城市軌道交通信息網絡

李婉婷 辛 默 劉予漫 吳 昊（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

近幾十年，中國的城市軌道交通經歷了從無到有，從單一線路到城市內四通八達的飛速發展。同時，城市軌道建設的發展也給人們的生活帶來了巨大的變化，如何在城市軌道建設中充分體現“以人為本”的主流思想也成為衡量城市軌道建設質量的重中之重。而將和人們日常生活密不可分的In ternet應用引入城市軌道交通建設，自然也成為城市軌道交通在新的移動互聯網時代體現“以人為本”的新趨勢。

業界已有很多研究探討過將移動IPv6（M ob ile IPv6, M IPv6）[1]技術應用于列車環境，如文獻[2,3]和文獻[4,5]分別研究了面向列車In ternet應用的切換和資源管理問題；文獻[6，7]進一步提出了列車移動網絡的服務質量（Qua lity of Service, QoS）保障機制和多接口接入方案；文獻[8]對子網移動（Netw ork M ob ility, NEMO）技術[9]的路由優化問題進行了綜述研究，這將為列車移動網絡的路由性能優化提供一定的技術支持。

但是，這些研究都是基于由M IPv6擴展而來的NEMO技術。雖然NEMO技術保證了列車在全局范圍內移動時上層應用的連續性，但是其基于終端的移動性支持機制也成為其在實際部署應用上最大的障礙。而在城市軌道交通環境中，移動體的移動范圍相對受限，此外，其突發性增大的流量和較短的會話持續時間對于移動性支持協議的性能具有更為苛刻的要求?；谶@些特點，本文將深入研究由IETF NETLMM工作組頒布的基于網絡的移動性管理協議（Proxy Mobile IPv6, PM IPv6）[10]在城市軌道交通中的應用。主要分為以下幾個部分：首先，本文將介紹基于M IPv6的NEM O技術；其次，根據城市軌道交通系統的特征，本文將設計基于PM IPv6技術的子網移動機制及其在城市軌道交通系統中的應用；最后，對這兩種信息網絡建設的關鍵技術進行分析比較并對全文進行總結。

李婉婷，女，碩士畢業于北京交通大學，工程師。主要研究方向包括城市軌道交通通信系統、互聯網技術。曾參與北京地鐵6號線、14號線通信系統設計工作。曾獲得2009年全國優秀質量管理小組等榮譽。2012年在《鐵道學報》發表論文一篇。

1 NEMO基本原理

IETF在傳統M IPv6協議[1]基礎上，通過擴展其綁定更新消息（B in d ing U p d a te,BU）和路由器通告消息（R o u te r ad ver tisem en t, RA）的內容、增加移動路由器選項及相應的切換處理流程，形成NEM O基本支持協議[9]。具體網絡架構如圖1所示。在NEMO基本支持協議中，移動路由器（M obile Rou ter, MR）與其家鄉代理（Hom e A gen t, H A）之間通過建立雙向隧道進行數據轉發。這是在M IPv6協議基礎上擴展實現的，其工作機制同M IPv6中雙向隧道的工作原理一樣。因此，在NEM O基本協議中，M R既可以作為移動節點（Mobile Node, MN），亦可以作為路由器：作為移動節點時，M R的功能類似于一個M IPv6節點，只負責接收/發送自己的數據包；而作為路由器時，M R的功能類似于一個邊緣路由器，需要建立和維護與H A之間的雙向隧道，完成數據包的封裝/解封裝和接收/轉發，還要對移動網絡內部進行有效配置和移動性管理。因此，當M R作為路由器時，至少需要兩個接口：一個負責連接到外部網絡；另一個作為移動子網節點（M obile Netw ork Node,MNN）的默認網關。

當移動網絡離開家鄉鏈路并通過一個新的外地網絡接入路由器（A ccess Rou ter, AR）接入In ternet時，M R首先需要獲取新的轉交地址（Care-of Address, CoA）。然后發送BU給HA，更新其位置綁定信息。位置更新完成之后，H A和M R之間便建立了數據包傳輸的雙向隧道，該隧道的兩端分別是H A的地址和M R的CoA。M NN與外部網絡中的通信對端節點（Co r resp on d in g Node, CN）通信時，數據包采用IPv6-in-IPv6方式封裝，并通過HA-MR間的雙向隧道傳輸。數據包的封裝/解封裝由H A和M R負責。當移動網絡整體移動，改變網絡接入點時，只需在M R和H A之間更新綁定狀態。這樣，對于CN和M NN來說，網絡的移動性被屏蔽了。

2 基于PMIPv6的城市軌道交通信息網絡

雖然NEMO技術能夠提供車載環境下的網絡接入服務，并保證列車在全局范圍內移動時，乘客上層應用的連續性。但是其基于主機的特點造成了較大的切換時延和信令開銷[11]。因此，本文將在本章對基于PM IPv6的城市軌道交通信息網絡進行詳細介紹。

2.1 基本PMIPv6協議

PM IPv6是在M IPv6的基礎上引入了本地移動錨點（Local Mobility Anchor, LMA）和移動接入網關（M obility Access Gatew ay, MAG）兩個新的功能實體。LM A支持M IPv6中H A的功能，并對其綁定緩存進行了擴展。此外，LM A為每個M N分配一個唯一的前綴，若移動節點有多個網絡接口，則為每個接口分配一個網絡前綴。M AG是移動節點在接入鏈路上的默認路由器，具有3個主要功能：1）檢測移動節點的接入和離開；2）通告移動節點的家鄉網絡前綴來模擬節點的家鄉網絡；3）為移動節點構建數據傳輸通道。PM IPv6的操作流程如圖2所示。

MN進入一個代理移動IPv6域后，其當前接入鏈路的MAG將獲得它的標識。通過該標識，M AG可以對MN進行PM IPv6服務的認證。如果網絡決定為該MN提供PM IPv6服務，則MN可以使用任何被允許的地址配置機制在連接接口獲得地址配置，并且可以在PM IPv6域內任意移動。M N所獲得的地址配置包括根據家鄉網絡前綴（Home Netw ork Prefix, HNP）生成的地址，當前鏈路的默認路由器地址和其它相關的配置參數。從M N的角度來看，整個PM IPv6域是一個單獨的鏈路。網絡將可以使M N認為它一直處在獲得初始地址配置的那個鏈路上，即使是M N改變了自己在網絡中的接入點，發往M N和來自M N的數據包都要通過M AG和LM A之間的隧道進行傳輸。PM IPv6對于切換性能的改進主要體現在：

1）提高了切換性能。PM IPv6的設計目標是減少IP切換的延遲，使切換處理時延盡可能地接近相應的鏈路層切換時延和IP層移動檢測時延的總和；

2）減少了與切換相關的信令量。PM IPv6盡量減少移動性管理的信令交互，且在切換的過程中無線鏈路未引入任何信令；

3）減小了數據發送開銷。PM IPv6建立了MAG和LM A之間的隧道，不同于M IPv6中M N和H A的隧道，從而降低了無線鏈路數據傳輸的開銷。

2.2 城市軌道交通信息網絡的特點

為了在城市軌道交通系統中建設信息網絡，首先需要對其特點進行分析。

1）突發流量較大。在城市軌道交通中，突發流量（如上下班高峰）會給接入網帶來較大影響，這將有可能造成無線鏈路的嚴重擁塞；

2）平均會話時間較短。由于城市軌道交通乘客的乘車區間受限，從而使其在城市軌道交通信息網絡中發起的會話過程具有較短的持續時間。這將對乘客移動過程中的切換時延具有較高的要求；

3）列車網絡的域內移動。由于城市軌道交通的特定建設路線，使其移動范圍被固定在特定的區域內。這意味著列車網絡的移動和切換一直在一個固定的域內進行。

2.3 基于PMIPv6的子網移動

由上述分析可知，PM IPv6更適合于城市軌道交通信息網絡的建設。但是基本的PM IPv6只提供了單個節點的移動性管理，需要對其進行擴展以實現對整個子網移動的支持。其結構如圖3所示[11]。

如圖3所示，M AG為部署在城市軌道交通線路中的接入路由器，而NEMO為城市軌道交通構成的移動子網。為了提供基于網絡的子網移動，將PM IPv6的本地移動域擴展到M R，也就是將M R也作為PM IPv6移動性實體，用于提供乘客的移動性管理。同時將LM A的綁定緩存擴展一個標志位（F lag）用于表示綁定的節點是否位于M AG下面。詳細的協議流程如圖4所示。

1）當M R接入到M AG時，M AG通過認證過程發現該節點為一個路由器，從而在發向LM A的PBU中包含M R_ID和Y標志，分別用于表示接入節點是標識為M R_ID的路由器，其接入位置為MAG；

2）此時，LM A更新綁定緩存，為M R建立雙向隧道，并為其分配家鄉網絡前綴MR_HNP；

3）由于無論M R在城市軌道區間內切換到任何一個MAG，都將收到相同的HNP，所以MR不會發現網絡層的移動；

4）當乘客上車時，M R檢測到了M N的接入，從而向LM A發起綁定過程，其中PBU中包含M N_ID和N標志，用于表示接入節點是標識為MN_ID的終端，其接入位置為移動路由器；

5）LM A收到M R發來的PBU后，更新綁定緩存，并和M R建立了雙向隧道，并為M N分配前綴MN_HNP；

6）由于無論M N在城市軌道乘車期間，如何移動和換乘，都將收到相同的H NP，所以M N不會發現網絡層的移動。

為了給M N發送數據包，LM A需要進行遞歸的綁定緩存查詢。該機制也是對基本PM IPv6數據轉發的擴展，主要借助于Flag標志。當LM A收到發向M N的數據包時，通過匹配H NP找到其接入路由器（AR）。如果該M N的F lag標志為Y，那么LM A將封裝的數據包直接發向AR所標識的路由器；但是如果Flag標志為N，那么LMA將繼續查找這一條目的AR所對應的綁定緩存。以此類推，直到LM A發現AR的綁定緩存中F lag為Y。隨后，LM A以綁定緩存查詢的順序對數據包進行多層封裝。而這個數據包會被沿途的AR逐一解封裝，并最終到達MN。

3 性能評價

本節將對基于M IPv6和基于PM IPv6的兩種機制進行比較分析，以說明基于PM IPv6的子網移動性擴展能夠更好的適用于城市軌道交通信息網絡。其特點總結如表1所示。

由表1可見，基于M IPv6的子網移動機制采用基于終端的方式，能夠實現全局范圍的移動性管理。這是沿襲了M IPv6的特點，但也存在M IPv6的缺陷如切換時延長，信令開銷大等。此外，由于采用基于終端的移動性管理，在無線鏈路上也存在信令交互和隧道封裝，從而嚴重影響了無線鏈路的利用率。但是基于PM IPv6的子網移動機制正是從這些缺陷出發，來尋求更適合區域移動的高效率子網移動性支持協議。從而使其更適合城市軌道交通的特殊環境，能夠有效的提高移動性管理的性能。

4 結 論

本文通過分析城市軌道交通信息網絡的特點，提出了基于PM IPv6的子網移動支持協議及其在城市軌道交通信息網絡中的部署方式。通過和基于M IPv6的N EM O技術的對比，可以看到本文提出的基于網絡的本地化子網移動支持機制更適合于在城市軌道交通系統中，為乘客提供網絡接入服務。可以作為城市軌道交通系統信息化假設的一項解決方案。

[1] C.Perkins, D.Johnson, J.Arkko.RFC 6275： Mobility Support in IPv6[S]. 2011.

[2] 李昂.旅客列車車載移動網絡關鍵技術研究[D].北京:北京交通大學,2006.

[3] 任彥,蘇偉,張思東,等.列車移動網絡關鍵技術的研究[J].鐵道學報,2006,28（1）:121-124.

[4] 原小六.高速客運專線寬帶移動網中基于QoS的切換研究[D].長沙:中南大學,2007.

[5] 羅立軍.面向旅客列車Internet應用的移動IPv6切換性能研究[D].長沙:中南大學,2007.

[6] 嚴旭影.列車移動網絡的服務質量保證關鍵技術研究[D].長沙:中南大學,2008.

[7] 關建峰,周華春,延志偉，等.基于多接口NEMO的移動性支持方案[J].鐵道學報,2009,31（5）:50-55.

[8] Shahriar A.Z.M., Atiquzzaman M., Ivancic W.. Route optimization in network mobility: Solutions, classification, comparison, and future research directions [J]. IEEE Communications Surveys&Tutorials, 2010，12（1）：24-38.

[9] Vijay Devarapalli, Ryuji Wakikawa, Alexandru Petrescu, et al. RFC 3963：NEMO Basic Support Protocol[S]. 2005.

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

[11] I. Soto, CJ. Bernardos, M. Calderon, et al. NEMO-Enabled Localized Mobility Support for Internet Access in Automotive Scenarios [J].IEEE Communications, 2009，47（5）：152-159.