移動IPv6切換技術研究

李旭　秦軍　楊昭

摘 要： 由移動IPv4技術發展而來的移動IPv6技術應用前景可觀，但其存在諸多問題，如移動節點在不同網絡間移動帶來的網絡切換問題，切換過程中地址重復檢測的延遲問題等。基于層次化的移動IPv6，詳細闡述了目前移動IPv6的幾種切換技術，并對現有的幾種切換技術在切換時延方面進行了比較，發現層次型快速切換技術有更小的切換時延和丟包率。

關鍵詞： 移動IPv6； 切換技術； 移動檢測； 重復地址檢測； 切換延遲

中圖分類號：TN915.04 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）05-26-03

Abstract： The mobile IPv6 technology developed from the mobile IPv4 technology has a considerable application prospect， but there are many problems， such as the network switching problem when mobile nodes roam between the networks， the handoff delay problem because of duplicate address detection in switching process， and so on. In this paper， several existing mobile IPv6 handover technologies are elaborated and their handoff delay are compared， and the result found that the fast hierarchical handover technology has a lower handoff delay and packet loss rate.

Key words： mobile IPv6； handover technology； mobile detection； duplicate address detection； handover delay

0 引言

近幾年網絡技術快速發展，下一代網絡（NGN）將是今后通信業務和互聯網業務的核心。以IPv6作為內在組成部分的移動IPv6技術，對于下一代移動通信網絡有著極其重要的影響。IPv6有大量的地址資源和其他先進的性能，使網絡地址轉換（NAT）通信模式向對等網絡（P2P）模式轉換，解決了IPv4存在的一些關鍵性問題。但是基本移動IPv6協議仍存在較多的問題需要解決，如安全、AAA（身份認證、授權機制、自動計費服務）、切換延遲、組播等。移動IPv6技術將是下一代網絡的核心，因此，有必要進一步認識和深入研究移動IPv6技術。

1 移動IPv6（MIPv6）

在傳統的IP網絡上，當移動節點（MN）離開一個網段而連接到新的網段時，需要給移動節點配置不同的IP地址，否則它不能按傳統的路由機制將數據包路由到移動節點現在的位置，從而導致通信終斷[1]。為了保持MN在移動中會話的連續性，相關研究組織提出了移動IP網絡。已有出版的移動IP：Mobile IPv4（MIPv4）和Mobile IPv6（MIPv6）。MIPv6是MIPv4的升級版，MIPv6借鑒了MIPv4的很多概念和想法，并提出一些創新機制，解決了MIPv4中出現的三角路由、安全問題等。在MIPv6中MN可以在任意網內隨意漫游，當MN與一個子網斷開時，該節點將自動連接到另一個網段，而無需要像傳統Internet進行手動配置IP地址。

MIPv6為了實現通信在網絡層移動過程中保持通信不斷，其解決方案可以簡單地歸納為三個方面[2-4]。

⑴ 家鄉地址，MN在家鄉鏈路中所獲得的IP地址，MN通過該IP地址與外部節點進行信息溝通，保證了對應用的移動透明。

⑵ 轉交地址，MN移動到外鏈路時，MN根據外鏈路的子網前綴信息和自身的鏈路層接口生成的一個IP地址，保證了現有路由模式下通信可達。

⑶ 家鄉地址與轉交地址的映射，建立了應用所使用的網絡層標識與網絡層路由所使用的目的標識之間的關系。

在MIPv6網絡中，MN從一個網絡自動轉接到另一個網絡，并保持其網絡連通性的過程叫切換[5]。當MN在家鄉網中，MN與通信節點之間按照傳統的路由技術進行通信。當MN移動到外地鏈路時，MN的家鄉地址保持不變，并獲得一個轉交地址，MN把家鄉地址與轉交地址的映射告知家鄉代理。通信節點與MN通信仍然使用MN的家鄉地址，數據包仍然發送到MN的家鄉網；家鄉代理截獲這些數據包后，根據已獲得的映射關系通過隧道方式將其轉發給MN的轉交地址，MN則可以直接和通信節點進行通信[6-7]。工作原理如圖1所示。

2 移動IPv6切換延遲

在MIPv6網絡中，MN在不同網絡間切換時先執行鏈路層切換后執行網絡層切換，在這段期間MN既不能發送，也不能接收數據包，導致通信的終斷，造成較大的切換延遲。切換延遲如圖2所示。

由此可知，存在數據鏈路層切換時延TDL，網絡層移動檢測時延TMD，轉交地址配置時延TCOA，重復地址檢測時延TDAD，綁定更新時延TBU。為了改善MIPv6的切換性能，IETF提出了以下改進協議：MIPv6快速切換技術（FMIPv6），MIPv6層次化切換技術（HMIPv6）和MIPv6層次型快速切換技術（F-HMIPv6）。

3 移動IPv6快速切換技術（FMIPv6）

FMIPv6采用鏈路層觸發的方法預測切換的發生，將網絡層切換的部分操作提到鏈路層切換之前，通過提前預測MN的移動位置，配置NCOA，進行DAD（重復地址檢測）過程，加快了切換過程的完成[8]。切換過程如圖3所示。

⑴ 移動節點由鏈路層觸發機制預測到自己將要發生移動時，移動節點向前接入路由器（PAR）發送路由器請求代理消息。

⑵ PAR返回代理路由器通告消息，告知新接入路由器（NAR）的信息。

⑶ MN形成新轉交地址（NCOA），并將其包在快速綁定更新（FBU）消息中發送給PAR。

⑷ PAR收到FBU消息后在PCOA和NCOA之間建立隧道。然后向NAR發發起切換消息（HI），HI消息中包含了MN的NCOA。

⑸ NAR對NCOA進行DAD操作，檢查NCOA是否有效。如果地址無效，NAR會重新給MN分配一個NCOA，并在切換確認消息（HACK）中將結果返回給PAR。

⑹ PAR收到HACK后，向 MN和NAR返回FBACK消息，將發往PCOA 的數據通過隧道送至NAR，NAR將數據包暫時緩存起來。

⑺ MN到達新的子網，向NAR發送快速鄰居通告消息（FNA），可從NAR接收到緩存的或新來的數據。

從上述分析可以看出，MN在連接到新的子網之前，已經獲知新子網的信息并配置了經過DAD的NCOA，由此可知，預測式快速切換可以大大減少網絡層移動檢測和配置COA的時間，減少了數據的丟包率。

4 移動IPv6層次化切換技術（HMIPv6）

無論是MIPv6還是FMIPv6，都存在切換時延較大和網絡負荷過重等問題。于是IETF提出了層次化的MIPv6切換技術HMIPv6[9]。HMIPv6利用區域劃分的思想，在邏輯上將網絡劃分成不同的域，每個域由一個稱為“移動錨點”（MAP）的實體來管。一個MN在一個MAP域內有兩個COA，分別是RCOA和LCOA[10]。

當MN發生了域內移動時，MN通過RA報文配置新的LCOA，此時MN的RCOA對HA和CN仍然有效。當MN發生域間切換時，其步驟如下。①MN首先通過RA報文，獲取AR的子網前綴和MAP的子網前綴，然后通過參數設置選擇無狀態的地址配置方式配置LCOA和RCOA。②MN向NMAP發送包含RCOA和LCOA域內綁定更新的LBU報文后，NMAP更新自己的緩存機制，更新MN的RCOA和LCOA的映射關系。③NMAP向MN發送LBA報文，表明注冊成功，MN向HA發送BU報文，HA更新自己的綁定緩存記錄。④MN向PMAP發送PRCOA和NRCOA的對應關系，PMAP和NMAP之間建立了隧道機制。⑤當CN向MN發送數據時，CN首先檢查它的綁定緩存，檢查MN的RCOA和HA的對應關系。然后CN更新自己的綁定緩存，記錄MN的RCOA和HA的映射關系。此后，MN和CN將繞開HA直接進行通信。HMIPv6的網絡流程如圖4所示。

HMIPv6時延分析：MN在域內移動時，只需綁定新的AR和MAP，不需要向HA和CN發送BU報文，所以切換時延變得比原來小。MN在域間移動時，TBU過程比原來要多幾個步驟，所以域間移動的時延要比標準MIPv6切換時延大。

5 移動IPv6層次型快速切換技術（F-HMIPv6）

上面講述到的兩種切換技術，如果在較小局域內進行頻繁移動時，可以使用HMIPv6來減少切換延時，而如果在層次MIPv6網絡上應用FMIPv6，MIPv6的移動性將會得到極大的加強[11-12]。在F-HMIPv6中，建立MAP和NAR之間的快速切換的隧道，MN和MAP之間交換FMIPv6消息。F-HMIPv6切換過程如圖5所示。

操作流程：由預期的切換，MN將發送路由器請求代理消息給MAP，MAP收到消息后會發送路由器通告消息回復MN。隨后MN發送FBU給MAP。MAP在接收到FBU后會發送HI消息給NAR，確認切換后，MAP和NAR之間將建立一個雙向隧道。MAP會根據PLCOA和NLCOA發送FBACK消息給MN。MAP通過雙向隧道將發給MN的數據包轉發給NAR并由NAR將數據包緩存起來。當MN移動到NAR的范圍內，經過確認消息后，NAR會將剛才緩存起來的數據包通過NLCOA轉給移動后的MN。

F-HMIPv6時延分析：F-HMIPv6結合了FMIPv6和HMIPv6各自的優點，減少了TMD、TCOA和TDAD帶來的時延。在微移動情景下，F-HMIPv6減少了TMD、TCOA、TDAD和TBU帶來的總時延，改善結果十分明顯。

6 三種切換技術在時延上面的比較分析

在FMIPv6中，MN通過鏈路層觸發機制減少了網絡層移動檢測和配置COA的時間，減少了數據的丟包率[7]。在HMIPv6中，當MN在域內移動時，只需綁定新的AR和MAP，當MN在域間移動時，TBU會增大，故HMIPv6域內移動。在層次型快速切換技術（F-HMIPv6）中，FMIPv6主要減少了配置帶來的時延，在微移動情況下，HMIPv6又減少了TBU的時延。

由上述時延分析可知，三種切換技術都能有效的減少時延，其中層次型快速切換技術（F-HMIPv6）減少時延效果最好。

7 結束語

MIPv6切換性能已經成為阻礙MIPv6網絡的實際應用和大規模商業化的最主要原因之一，因此降低切換時延有著重要意義。FMIPv6機制的提出降低了MIPv6的切換時延，當MN在域內移動時HMIPv6切換技術能減少信令負載，F-HMIPv6減少了移動、配置和重復檢測帶來的時延，使得F-HMIPv6在對實時性要求更高的商務活動中更趨于實用。雖然F-HMIPv6有效的減少了時延，但也實現不了無縫切換。同時影響MIPv6應用到實際通信中的因素還有安全性、服務質量等，這些問題都有待解決。

參考文獻：

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