基于MPLS的移動IPv6網絡切換方案

劉亞娟

(宜賓學院物理與電子工程學院，四川宜賓644007)

基于MPLS的移動IPv6網絡切換方案

劉亞娟

(宜賓學院物理與電子工程學院，四川宜賓644007)

通過分析原有的移動IPv6網絡切換方案，提出了一種改進的切換方案——基于MPLS技術的多轉交地址切換.即在原有MIPv6協議中的綁定更新消息中增加2個bit，實現多個轉交地址的靈活使用.理論分析證明此方案能夠降低移動IPv6網絡的切換時延和丟包率.

MIPv6；MPLS；轉交地址；QoS

移動接入設備的迅猛發展，不但給移動技術帶來很大的發展空間，同時也給移動技術提出很多挑戰.在下一代無線通信系統中，出于對節約信道等方面的考慮，小蜂窩的架構將會獲得越來越多地使用，這樣將會導致鏈路的頻繁切換.鏈路切換常由第二層協議或硬切換完成，而跨越IP子網的切換需要第三層協議或軟切換完成.根據切換時采用的方法，切換可分為快速切換、平滑切換和無縫切換三種類型.

快速切換即低延時切換，常采用蜂窩組播的方式，以帶寬為代價降低移動節點(MN)在越區切換時分組的延時.如文獻[1]中的快速切換方案，在小區邊緣處，移動接入設備根據鏈路的監測結果，預先建立轉交鏈路，以降低切換過程中的時間延遲，但是由于切換過程中同時保持兩個鏈路通信，增加了鏈路帶寬的消耗.平滑切換即低丟失率切換，它采用緩存的方式降低MN在越區切換時的分組丟失.無縫切換既要降低分組的丟失率，又要降低分組的延時.

上述移動IP網絡中的切換技術主要是減小網絡切換過程的時延、丟包率等性能參數.然而在支持QoS的移動IP網絡中不但要保證切換過程的時延、丟包率等性能參數，還要能夠對不同的業務提供不同的服務性能，這就對移動IP網絡中的切換技術提出了新的挑戰.

移動IP網絡QoS解決方案的要求：中斷期間的QoS數據流終端最少；能夠有效確定切換過程中QoS重建所影響的終端路徑；切換完成后要能夠釋放原有路徑上的QoS狀態信息和已配的資源.

移動IP網絡QoS中存在的問題主要有：

①主機的移動性對QoS的影響

在通信連接過程中，移動環境中的無線鏈路傳輸質量隨機變化，因此在無線環境下，一般無法提供QoS的“硬”保證，這就要求業務能夠自適應移動環境的鏈路質量變化.

②移動IP協議對QoS的影響

移動節點在相鄰區域間的切換，引起QoS流的傳輸路徑發生變化，從而對端到端的QoS保證造成很大的影響；即使傳輸路徑沒有發生變化，但移動節點轉交地址的變化也會引起傳輸路徑上默認節點無法正確轉發帶有與IP地址有關QoS參數的數據流.

為了解決上述問題，文獻[2]、[3]在原有移動IP切換機制的基礎定義了一種“QoSObject”選項，通過在移動IPv6網絡中利用綁定更新和綁定應答消息中攜帶此選項，實現切換后QoS路徑的重建.文獻[4]中提出將IPv6報頭中20位的流標簽定義為確保業務流質量所需要的最低資源參數，并利用流量類別中剩余2位(CU)來區別分類業務的QoS方案，并通過仿真證明了此方案能夠降低移動IPv6網絡的切換延遲和丟包率.文獻[5]中提出基于MPLS的分層移動IPv6網絡，利用隧道技術來提高移動IPv6網絡的性能——降低時延、提高吞吐量.

但是這些方案的共同缺點是：在移動協議中定義新的信令消息，增加了節點的處理負擔.

1 切換方案的探討

為了改善移動IPv6網絡中的QoS問題，本文在支持Diff-Serv模型的移動MPLSv6網絡中提出一種新的改善切換方案.

1.1 原有切換技術

關于在MPLSv6網絡的切換過程中為不同業務提供不同的、端到端的QoS的研究，國際上已經存在了很多這方面的研究成果.

在文獻[6]中ITU-T推薦了兩種切換方案，方案不但能夠改善MMPLSv6網絡切換性能，而且可能保證MMPLSv6網絡的端到端QoS.

在支持MPLS的移動IPv6網絡中，當MN從一個外地區域移動到另一個外地區域，MN節點需要向家鄉代理(HA)和通信對端(CN)進行注冊，并且已經存在的QoSLSP將發生改變，必須利用新的轉交地址建立新的QoSLSP.可是這樣做的結果是存在著很大的切換時延，并且有可能還會中斷數據流的QoS保證.為了減少切換時延和保證QoS，文獻[6]中詳細的介紹了兩種實現方案：

①擴展LSP(E-LSP)

當MN節點從舊的AR(OAR)移動到新的AR (NAR)處時，NAR向OAR發送注冊更新消息，通知移動節點新的轉交地址，從而建立從OAR到NAR的LSP.這樣做的好處是：在切換過程中，CN發送的數據報可以經過OAR緩存后再發送給NAR.在完成切換后，再釋放這段LSP，從而減少數據包的丟失率.

雖然這種方案在一定程度上可以解決丟包率的問題，但時延問題依然存在，尤其是在不同的區域間移動的時候.當NAR和OAR處于不同的區域是，在NAR區域的MN向OAR發送綁定更新信息時，信令信息要通過核心傳輸網的轉發，大大地增加了切換時延，同時這種方案還有容易造成環路、增加網絡開銷等缺點.

②預先建立LSP

MN在OAR區域進行通信時，當MN節點檢測到NAR的存在，且獲得了新的轉交地址，需要向HA和CN發送綁定更新消息來注冊新的轉交地址，刷新HA和CN的綁定緩存.

由于MIPv6允許MN節點擁有多個轉交地址，所以這種方案比較適合MIPv6網絡.MN獲得新的轉交地址立即對HA和CN進行綁定更新，容易造成移動系統中的乒乓效應，進而增加丟包率.

為了解決上述兩種方案中存在的問題，本文提出一種改進的方案，以便于盡可能地降低切換時延和丟包率.

1.2 改進的切換方案

方案的主題思想：當MN檢測到新的AR并且獲得新的轉交地址后，并不是立即向HA和CN進行綁定更新.而是利用綁定更新消息將新轉交地址放入到MAP/EGW或者是CN的轉交地址表中，作為備用轉交地址.如果移動節點還在本區域(OAR)內，MAP/EGW根據收到的消息，利用備用轉交地址，從MAP/EGW到新的AR之間建立一條符合一定QoS要求的LSP；如果MN已經不在本區域，則建立一條從MN到CN之間的QoSLSP.不需要立即向HA進行綁定更新.

這樣做的好處是：如果MN在OAR和BAR的重疊區域，將新轉交地址向MAP或者CN注冊為備用地址，那么，①當主轉交地址的無線信道的誤碼率太高，導致丟包率過大時，MN可以向MAP/EGW或者CN發送綁定更新消息，通知MAP/EGW或者CN同時使用主轉交地址和備用轉交地址跟MN進行通信，以此來提高丟包率.②當MN完全移動到某個區域，使用一個AR完全可以滿足MN節點的通信要求時，則將此時的轉交地址作為主轉交地址.③MN在MAP之間的重疊區域，即使MN移回舊的AR，MN可以使用HA中的舊轉交地址與CN進行通信.不需要重新進行綁定更新，只需向CN進行綁定更新，以便降低丟包率.

本方案修改MIPv6中的綁定更新消息(圖1)，用來通知MAP/EGW或CN是否同時使用主、備轉交地址進行通信.其中CC置00：選用備用轉交地址作為主轉交地址；置11：移動節點請求同時使用主轉交地址和備用轉交地址進行通信.

圖1 修改后的綁定更新消息

2 新切換方案的性能分析

時延和丟包率是移動切換技術好壞的主要性能參數.下面對新方案的性能進行一定的理論分析來說明該切換方案的優越性：切換時延低和低丟包率.

①切換延遲

新切換方案中關于切換延遲的分析如下：

師：在老師沒有出示結果之前，我們只能去猜測，硬幣可能在老師的右手里，也可能在老師的左手里。現在看（伸開手）一定在老師的（ ）手里，它有可能在陳欣的手里嗎？

分析的前提條件：Internet網絡為一個節點；網絡節點之間的鏈路延遲相等；網絡中QoSLSP是在移動節點完成“綁定更新”過程后建立的.

圖2和圖3給出了原有的切換方案和新的切換方案在切換時延上的對比.

圖2 域間切換方案

圖3 切換時延

移動節點在time=0時刻第一次檢測到移動性，發起三層的注冊過程.如果在移動節點進行三層切換的期間內，再次檢測到移動，移動節點將再次發起綁定更新消息進行三層切換，切換延遲將被延長；切換延遲與三層切換的起始時間與再次檢測到移動性的時間之差成正比.如果移動節點是在切換過程完成后再次檢測到移動性，則需重復注冊過程.

②丟包率

數據包被丟棄的條件：至少發現一個誤碼.已知無線信道的誤碼率為E(E?1)，假設數據包的長度為L(L?1 E)，單位為bit.可使用概率的基本知識推導出丟包率的表達公式.

定義：Pi為數據包中出現i個比特誤碼的概率：

當MN處于重疊區域時，如果AR為BS，則它的覆蓋區域是一個正六邊形（圖4）.當MN處于圖4中的A重疊區域時，MN將會檢測到三個AR的存在，獲得三個轉交地址；當移動節點在圖4中B重疊區域時，MN將會檢測到兩個AR，獲得兩個轉交地址.

圖4 AR覆蓋圖

移動節點使用多個轉交地址同時通信時，根據古典概率的基本原理，只有當從多個AR接收到的數據包全部丟棄，才認為該數據包被丟棄.設單個AR的丟包率為P，則數據包的丟包率Pe為：

其中i∈{2,3}，含義為MN在重疊區域能夠檢測到的所有AR的個數.

3GPP(第三代合作伙伴項目)在TS22.105中提出了不同業務的端到端QoS要求，其中話音業務要求為：時延建議小于150ms，最大不能超過400ms；時延抖動小于1ms；丟包率小于3%.根據上面的公式1可以推導出誤碼率E：

新的切換方案對應的誤碼率為：

從圖5可以得出：如果要求P≤3%，而64≤L≤1 518，則E≤5.859 375E-5.這就是說即使是傳送的最小包長為64字節的分組，為了達到最大丟包率為3%的要求，誤碼率必須小于5.859 375E-5.

但是由于無線信道的復雜性，不穩定性等特性容易造成誤碼率不能夠達到要求.尤其是在兩個小區的重疊區域.這時候，為了保證通信的質量能夠達到某一個誤碼率的要求，可以考慮犧牲帶寬來提高誤碼率.即同時使用多個轉交地址與移動節點進行通信.

圖6說明同時使用兩個轉交地址對誤碼率的改善情況.當主、備轉交地址所在區域的信道誤碼率同為E-4時，使用主、備轉交地址通信進行通信信道誤碼率可以提高到E-8.

圖5 分組長度與丟包率的關系

圖6 丟包率的改善情況

3 總結

隨著WLAN無線網絡的快速發展，如何利用多個熱點(AR)進行通信，來改善網絡的性能，逐漸成為移動網絡技術的研究熱點.在此基礎上，本文提出基于MPLS技術的多轉交地址切換方案，并通過理論分析，證明此方案能夠利用多個熱點改善原有移動IPv6網絡的切換性能——切換時延和丟包率.

[1]Koodli R.Mobile IPv6 Fast Handovers[EB/OL].(2009-03)[2014-01-15].http://tools.ietf.org/htm l/draft-ietf-mipshop-rfc5268bis-01.

[2]Chaskar H,KoodliR.A framework for QoSsupport inmobile IPv6 [EB/OL].(2000-03)[2014-01-15].http://mirror.physik-pool.tuberlin.de/pub/ietf/ietf-tools.htm l/draft-chaskar-mobileip-qos-00. htm l.

[3]Chen JC,McAuley A,Caro A,etal.QoSArchitecture Based on differentiated services for next generation wireless IP networks[EB/ OL].(2000-07)[2014-01-15].http://tools.ietf.org/htm l/draft-itsumo-wireless-diffserv-00.

[4]王興虎,石景山,袁家斌,等.基于流標簽的移動IPv6QoS框架研究[J].計算機應用與軟件,2013,28(07):60-64.

[5]高為民,肖莉貞,李昕.一種基于移動IPv6移動網絡的改進設計與實現[J].計算機應用與軟件,2013,30(11):214-217.

[6]Choi JK,Kim M H,Um TW.Mobile IPv6 support in MPLS[EB/ OL].(2001-03)[2014-01-15].http://mirror.physik-pool.tu-berlin. de/pub/ietf/ietf-tools.htm l/draft-choi-mobileip-ipv6-mpls-00.htm l.

【編校：許潔】

A Handoff Plan for M IPv6 Netw ork Based on MPLS

LIUYajuan
(SchoolofPhysicsand Electronic Engineering,Yibin University,Yibin,Sichuan 644007,China)

A new handovermethod on themobile IPv6 network was proposed.This network has amultiple COAs base on the MPLS.By adding two bit in the binding updated message in the old mobile IPv6 network,the new handovermethod can choose the COA which has the bestQoS from multiple COAs.The theoretic analysis proves the new handovermethod can decrease thehandover latency and the rateofpacket losson themobile IPv6 network.

MIPv6;MPLS;care-of-address;QoS

TN929.5

A

1671-5365(2014)12-0089-04

2014-02-28修回：2014-03-29

劉亞娟(1980-)，女，講師，碩士研究生，研究方向為個人通信技術

時間：2014-04-16 16:51

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20140416.1651.001.htm l