一種基于HMIPv6網絡的域間切換改進方案*

楊禮（喀什師范學院信息工程技術系，新疆喀什844006）

一種基于HMIPv6網絡的域間切換改進方案*

楊禮
（喀什師范學院信息工程技術系，新疆喀什844006）

針對層次型移動IPv6網絡的域間切換中的切換延遲和丟包問題，提出一種使用轉交地址池改進原來DAD的檢測方法來減少切換延遲，采用雙路徑通信方式降低丟包率的域間切換的改進方案。理論分析改進前后的切換延遲，使用NS-2工具對改進協議進行仿真。實驗結果表明，改進方案在切換時延和丟包率方面表現出較好的優越性。

層次型移動IPv6；域間切換；切換時延；丟包率

0 引言

隨著無線網絡和移動通信技術的蓬勃發展和廣泛應用，移動設備的移動性問題引起越來越多的關注。層次型移動IPv6（Hierarchical Mobile IPv6，HMIPv6）[1]是一種針對移動IPv6協議的改進方案，使用樹形分層結構模型，引人了移動錨點（Mobility Anchor Point，MAP），實現本地化管理。MAP將網絡劃分為若干個域，扮演移動節點（Mobile Node，MN）在外地網絡的本地代理的角色。在HMIPv6網絡中，移動性包括微移動和宏移動，針對MAP的功能和作用，將移動的切換分為域內切換和域間切換，后者屬于一種宏移動的切換[2-3]。

目前HMIPv6的研究熱點主要集中在切換技術、組播技術和IPSec等問題。由于跨區移動無處不在，切換技術成為研究的首要問題，其目標是實現一種無縫切換，滿足人們對實時性的需求。改進思路體現在如何縮短切換延遲以及降低丟包率?，F有的HMIPv6協議的優化方法很多，一種思路是優化結構功能實體，主要表現為MAP的優化及管理、接入路由器的布置及選擇等；另一種思路是優化注冊機制，主要表現是轉交地址的配置、預切換機制等。

在HMIPv6協議中發生域內切換時，移動節點的區域轉交地址（Regional Care-of Address，RCoA）沒有改變，但是鏈路轉交地址（on-Link Care-of Address，LCoA）發生了改變[1]；MN只需要向所屬的MAP注冊LCoA，不需要向家鄉代理（Home Agent，HA）和通信對端節點（Correspondent Node，CN）注冊，因而減少了網絡切換信令的開銷，降低了網絡擁塞。在標準HMIPv6中，對MAP域間切換執行標準的宏切換，這使得HMIPv6域間切換的性能沒有得到優化。因此，對HMIPv6域間切換的研究就變得尤為重要。

1 HM IPv6域間切換分析

在移動過程中，MN通過接收到的路由通告消息（Router Advertisement，RA）中攜帶的MAP選項信息判斷是否發生了MAP域的改變。如果MAP選項信息和當前的MAP域的網絡前綴相同，則為域內移動；否則發生域間移動。MN在新的接入路由器（Access Router，AR）上獲取新的轉交地址（包括RCoA和LCoA），并向新的MAP發送本地綁定更新消息（Local Banding Update，LBU）綁定RCoA和LCoA，然后向HA和CN注冊。其中，MN通過發送鄰居發現消息完成對LCoA的重復地址檢測（Duplicate Address Detection，DAD）[1，4]；MAP收到LBU消息后，需要對RCoA進行DAD操作，DAD檢測成功后向MN發送綁定確認（Local Banding Acknowledgement, LBA）。切換過程中的DAD時間占據了太大的切換延遲，只有完成切換后新的MAP才能為MN提供網絡服務。在切換的過程中，MN無法接收數據，不能很好地滿足實時性交互應用行為。

2 改進的切換方案

通過分析HMIPv6中的MAP域間切換，本文提出了一種新的HMIPv6域間切換改進方法——FPSNM（First Prior MAP Second New MAP）。

2.1 FPSNM切換過程

在移動過程中，MN收到AR2周期性發送的RA消息（該消息中包含MAP2選項信息和AR2的網絡前綴信息）；通過RA消息中攜帶的MAP選項和MN保存的MAP選項信息的不一致性判斷自己進入MAP2域。

在MAP2域內，MN配置新區域轉交地址（new RCoA，nRCoA）和新鏈路轉交地址（new LCoA，nLCoA）。MN向MAP1發送快速綁定更新消息（Fast Binding Update，FBU），其中FBU消息中包含MAP2的IP地址、pRCoA、nRCoA和nLCoA，告知MAP1其新的位置發生變化，同時向MAP2發送LBU消息進行本地注冊。

當MAP1收到MN發送的FBU消息（該消息中包含MN的pRCoA、nRCoA和nLCoA）時，MAP1立即向MAP2發送切換發起消息（Handover Initiate，HI），建立nRCoA和nLCoA的綁定關系，并向MN發送LBA消息；等待MAP2返回的Hack消息指示建立兩者之間的隧道。隧道建立完畢，MAP1將緩存的數據分組轉發至MAP2，MN向CN發送BU消息，等待CN返回一個BA消息。

完成本地綁定，MN向HA和CN進行注冊。HA建立本地家鄉地址與MAP2的RCoA的綁定關系，在HA的緩存列表中建立nRCoA與HoA的列表項，以便HA可以向MAP2發送數據。CN建立MN當前地址與MAP2的RCoA的綁定關系，在CN緩存列表項中建立MN與nRCoA的列表項，至此切換過程完成。FPSNM切換流程如圖1所示。

2.2 FPSNM技術描述

本文采用兩個相鄰MAP注冊的機制，先向MAP1告知MN的新CoA。對MN在MAP1和MAP2之間的乒乓切換，不僅使切換性能得到了提高，實現了兩個相鄰MAP之間的平滑切換，而且減少了外部信令交互量。當MN由MAP2域返回到MAP1域時，MN獲得新的LCoA，只需要向MAP1注冊，切換過程對HA和CN透明，該切換方案較好地解決了MN在兩個MAP域之間乒乓切換的延遲和丟包問題。

圖1 FPSNM切換流程圖

針對MN在新的MAP域中需要進行DAD操作的問題，本文對MAP和AR的功能進行相應的擴展。在MAP和AR上設置轉交地址池[5]，即區域轉交地址池和鏈路轉交地址池，分別由MAP和AR負責維護。在轉交地址池上設置兩張表，分別用于存儲已使用和預先配置且未被使用的RCoA和LCoA；在AR廣播的RA消息中攜帶可使用的轉交地址。MN在接收的RA消息中直接獲得可以使用的轉交地址，無需DAD操作。當MN向新的MAP發送LBU消息時，完成本地注冊，在MAP和AR的地址池緩存列表中增加新的地址項。若MN離開AR進入到一個新的AR，則注銷當前MN已使用的LCoA，以備其他MN使用。當MN離開MAP時，注銷MN在MAP地址緩存列表中的RCoA。

3 改進方案分析

3.1 雙向隧道

MN從MAP1進入MAP2，獲取了新的RCoA和LCoA。MN向MAP1發送FBU消息告知MAP1自己所在的新位置。于是，MAP1向MAP2發起切換請求，建立隧道，該階段充分利用MN在MAP2域進行注冊的時間，將與MN通信的通信對端節點發送的數據分組進行緩存，從而降低丟包率。

對于雙向隧道，需要設置一個合理的生存時間閾值。當MN由MAP2返回MAP1時，MN只需要向MAP1注冊，由MAP2緩存數據分組，經由隧道轉發數據分組至MAP1。由于MAP1和MAP2之間已建立雙向隧道，減少了再次建立隧道而產生的信令交互量，降低網絡中信令擁塞。

3.2 切換時延

影響FPSNM切換時延的四個主要因素：

（1）子網變化時需要進行的移動性檢測時間Tmov；

（2）MN獲取轉交地址的時間TCoA；

（3）切換過程中的信令交互時間Tsig；

（4）MN向HA和CN注冊過程的時間Treg。

移動檢測時間與RA消息的廣播頻率相關，RFC2461[6]建議的RA消息的發送頻率為1次/s，設RA廣播周期為TRA，則：

其中c為系數，根據切換算法不同而進行取值。

由于AR與MAP之間只有一跳，假設ICMP消息的平均長度為l，無線鏈路帶寬為Bwlss，有線鏈路帶寬為Bw，無線鏈路時延為Lwlss，有線鏈路時延為Lw，則：

在新的鏈路進行切換時，信令交互時間包括MN與MAP1、MAP2之間進行信令交互的時間，則：

MN向HA和CN注冊，包括綁定更新所需時間TBU、綁定確認所需時間TBA以及消息在網絡中傳輸所需的時間Ttrs，則：

FPSNM總時延T：

對于標準的HMIPv6域間切換，對CoA進行DAD操作的時間TD=TR+TL，其中RCoA的重復地址檢測時間為TR，LCoA的重復地址檢測時間為TL。

標準的HMIPv6域間切換總時延[7]T0：

在網絡狀態良好的情況下，可以減少DAD操作；通常情況下，DAD操作在整個切換延遲中占據的比重較大。比較T和T0可知，T

4 仿真實驗

4.1 拓撲結構及參數

使用UC Berkeley開發的NS-2[8]作為仿真軟件，移植FHMIP1.3.1模塊[9]支持層次型移動IPv6網絡下的切換技術。對HMIPv6和FPSNM協議進行仿真，共有8個節點。實驗中使用的配置層次地址的網絡拓撲結構如圖2所示。

基于本文對HMIPv6和FPSNM協議的分析，選取的主要性能評估參數分別是切換延遲和數據分組的丟包率。其他需要使用的相關參數如表1所示。

圖2 仿真網絡拓撲結構

表1 其他相關參數配置列表

4.2 仿真結果分析

在相同的網絡拓撲結構下，分別對HMIPv6和FPSNM進行模擬，通過改變MN和nMAP（MAP2）之間的無線鏈路時延，獲得在不同鏈路時延下的切換延遲和丟包率，其中鏈路時延的設置范圍為20 ms～200 ms。HMIPv6和FPSNM協議在不同鏈路時延下的切換延遲和數據分組的丟包率分別如圖3、圖4所示。

圖3 不同鏈路時延下的域間切換延遲

圖4 不同鏈路時延下的域間切換丟包率

從圖3可以看出，總的切換延遲隨著MN和nMAP之間的鏈路時延的增大而變大，總體來說，改進方案FPSNM的切換延遲明顯低于標準的HMIPv6，主要是因為FPSNM使用了轉交地址池，從而減少了DAD操作的時間。

從圖4可以看出，隨著MN和nMAP之間的鏈路時延的增大，數據分組的丟包率也在增大，這主要是由于鏈路時延增大了切換延遲，影響MAP的緩存能力；FPSNM的丟包率在整體上比標準的HMIPv6較低，主要是由于FPSNM采用了隧道機制，在MN進行域間切換期間，由MAP2緩存轉發數據分組，通過隧道轉發給新的移動錨點，從而減少域間切換造成的數據分組的丟失問題。

5 結束語

在HMIPv6網絡結構下，本文提出了一種改進的域間切換方案，降低域間切換過程中的丟包問題和分組亂序。在域間切換方面，切換操作對HA和CN透明，表現出了一定的優越性。在以后的研究中，需要加強對雙路徑下的動態控制機制的分析；服務節點數量過多時，需要對MAP的負荷上限進行深入討論；此外對MN在MAP之間的頻繁切換性能尚待進一步研究。

[1]SOLIMAN H，CATELLUCCIA C，EI-MALKI K，et al. RFC4140 hierarchical mobile IPv6 mobility management（HMIPv6）[S].IETF，2005.

[2]LEE K.A macro mobility handover performance improvement algorithm for HMIPv6[C].ICCSA：Computational Science and Its Applications，2006：1007-1175.

[3]DAS S，DULLA A.IDMP：an intra-domain mobility management protocol for next generation wireless networks[J]. IEEE Wireless Communications，2000，9（3）：38-45.

[4]MOORE N.RFC4429 Optimistic Duplicate Address Detection（DAD）for IPv6[S].IETF，2006.

[5]Cai Kai，Yang Zhimin，Chen Rongyi，et al.A handoff algorithm based on care-of address pool for hierarchical mobile IPv6[C].Proceedings of IEEE International Conference on Pervasive Computing and Application.Alexandria，E-gypt，2008：302-306.

[6]NARTEN T，NORDMARK E，SIPMPSON W.Neighbor discovery for IPv6[EB/OL].（1998）[2014-10-01].http：//www.ietf. org/rfc/rfc2461.txt.

[7]鄧亞平，吳迎秋.改進DAD策略的HMIPv6切換時延研究[J].計算機工程與應用，2010，46（3）：94-97.

[8]University of California at Berkeley.Network Simulator（NS-2）[EB/OL].（2007-11）.[2014-10-01].http：//www.isi. edu/nsnam/ns/.

[9]孫曉林.層次移動IPv6宏切換的優化方案[D].鄭州：鄭州大學，2011：43-49.

An im proved scheme of inter-domain handover based on hierarchical mobile IPv6 networks

Yang Li
（Department of Information Engineering，Kashi Normal University，Kashi 844006，China）

Aiming at the problem of handover delay and packet loss，which existed in hierarchical mobile IPv6 networks，a new handover scheme was proposed.According to improving the technology of duplicate address detection by using care-of address pool，delay time could be reduced.Double communicate path was built in the networks，which was used to reduce the packet loss rate.By using the method of mathematical analysis，the delay before and after improvement was analyzed.NS-2 was used to simulate protocol，and the result of analysis proved the superiority of the improved scheme in terms of delay and packet loss rate.

hierarchical mobile IPv6；inter-domain handover；handover delay；packet loss rate

TP393

A

1674-7720（2015）03-0071-04

2014-10-10）

楊禮（1983-），男，碩士，主要研究方向：計算機網絡。

新疆高校科研計劃重點項目（XJEDU2014I039）