應用雙層指針縮短切換時延及優化路由的分布式移動性管理方案

朱德慶， 潘根梅

(1. 杭州師范大學 現代教育技術中心， 浙江 杭州 310036； 2. 嘉興學院 數理與信息工程學院, 浙江 嘉興 314001)

應用雙層指針縮短切換時延及優化路由的分布式移動性管理方案

朱德慶1， 潘根梅2

(1. 杭州師范大學 現代教育技術中心， 浙江 杭州 310036； 2. 嘉興學院 數理與信息工程學院, 浙江 嘉興 314001)

根據錨點位置固定有否，移動IP協議分為錨點固定的移動性管理協議和分布式移動性管理協議兩類，后者允許移動節點在會話開始時動態地選擇較近的接入路由器作為錨點，從而可以縮短切換時延并實現近似最優的路由.然而，對于給定的會話，錨點的位置是固定的，在會話持續時間內進行移動節點切換時，切換操作與錨點固定的移動性管理協議相同，存在切換時延長和路由欠優問題.為解決該問題，提出了應用雙層指針的分布式移動性管理方案.使用“低層指針”在具有移動性管理功能的接入路由器間建立指向關系以縮短切換時延；使用“高層指針”定期向錨點或對端節點注冊優化路由并動態更換錨點；推導了所提方案和已有方案的切換時延公式.數值分析和仿真結果表明，所提方案可以縮短分布式移動性管理的切換時延.

移動性管理；分布式錨點；指針推進；移動IP

0 引 言

移動性管理支持用戶在移動過程中訪問互聯網.隨著電腦、智能手機等便攜設備的普及，移動性管理成為研究熱點.移動IP(Mobile IP, MIP)技術支持用戶在移動過程中使用IP協議訪問互聯網并保持正在進行的通信不中斷.移動IP協議可分為2類：基于主機的和基于網絡的.兩者的主要區別在于：前者要求移動節點(mobile node，MN)參與移動性管理并轉發相關信令，但后者不然.例如，MIPv6[1]屬于前者，而代理移動IPv6協議PMIPv6[2]屬于后者.

移動IP協議中，負責維護MN位置信息的路由器稱為錨點，例如MIPv6中的家鄉代理(home agent，HA)和PMIPv6中的局部移動錨點(local mobility anchor，LMA).當MN移動到新的子網時觸發切換.切換的主要目的是向錨點更新MN的位置信息，從而錨點可以根據該信息轉發給MN的數據包.在MIPv6和PMIPv6中，錨點的位置是固定的，會導致如下問題：1)發生切換時需要與LMA交互切換信令，切換時延可達幾百ms[3]，當MN距離錨點較遠時，時延更長，無法用于時延敏感的應用；2)由于發送給MN的數據包都需要由錨點轉發，增加了數據包傳播時延，本文稱之為路由欠優問題.

為了克服錨點固定的移動性管理協議存在的上述問題，分布式移動性管理允許會話動態選擇錨點.所謂會話(session)指對有數據通信任務的MN提供移動性支持的時間段[4].分布式移動性管理在會話開始時，MN選擇離其較近的接入路由器作為錨點[5]，并且MN可為不同的會話選擇不同的錨點，因此可以縮短切換時延，數據包的轉發路由也能實現近似最優.目前，分布式移動性管理方面的研究已取得了一些成果.文獻[6]分析了當前分布式移動性管理方案存在的缺陷，并提出了一種直觀的分布式移動性管理設想，即在一個子網中放置多個LMA，MN就近選擇LMA，從而克服錨點固定的移動性管理協議的缺點；文獻[7]提出了基于具有移動性管理功能的接入路由器(mobility capable access router, MAR)的分布式移動性管理協議，MAR同時具有LMA和移動接入網關(mobile access gateway, MAG)的功能，該研究還給出了MAR的選擇方法和切換過程的信令交互；文獻[8]設計了MIPv6中的分布式移動性管理方案，后來該方案被擴展并應用到PMIPv6中[9].上述分布式移動性管理方案實現的基本思想類似，統稱為已有方案.在分布式移動性管理實現的具體問題方面，文獻[7]和[10]分別解決了分布式移動性管理中的地址問題，前者解決了發生切換時新的MAR如何獲得MN以前關聯的MAR地址的問題，后者利用分布式邏輯接口解決了MN收發數據包時多個地址(MN可以同時有多個錨點，因此會獲得多個IP地址并同時進行通信)的選擇問題.另外，文獻[11]利用分布式移動性管理思想解決了PMIPv6的域間移動問題，文獻[12]展望了分布式移動管理應用于未來5G網絡的前景.

上述分布式移動性管理實現方案都允許MN為不同的會話選擇最近的接入路由器作為錨點，從而實現縮短切換時延和優化數據包傳播路由的目的.然而，對于給定的會話，錨點是在會話開始時選定的，并且在MN的移動過程中位置不變.因此，在會話持續時間內進行MN切換時，MN移動經過的每個MAR都需要向LMA更新MN的位置，這與錨點固定的移動性管理協議的操作相同.因此，分布式移動性管理仍存在切換時延長和路由欠優的問題.

克服分布式移動性管理存在的上述問題乃本文的研究動機所在.本文的主要工作為：設計基于雙層指針的可縮短切換時延和優化路由的分布式移動性管理方案，并推導所提方案的切換時延公式，在此基礎上進行性能分析.數值分析結果表明，本文方案在切換時延方面優于已有方案.為了驗證數值分析結果的正確性，對本方案和已有方案進行仿真，仿真結果與數值分析結果相符.

1 應用雙層指針的分布式移動性管理方案

1.1 分布式移動性管理

分布式移動性管理允許MN為不同的會話選擇不同的錨點.假設MN最初在MAR1(MARi,i=1, 2, …,表示第i個MAR)管轄范圍，則MN利用MAR1的支持獲得IP地址并建立會話，該會話的錨點為MAR1.如果MN移動到MAR2的管轄區域，此時為了保持該會話不中斷，需借助移動IP技術，以PMIPv6為例，該會話的錨點(LMA)為MAR1，對應的MAG為MAR2.此時如果MN又發起新的會話，則新會話的錨點為MAR2.

然而，對于單個會話，在MN移動過程中錨點是固定不變的.如果MN在會話持續時間內經歷多次切換，則每次切換后MAG均需要向錨點更新MN的當前位置信息，即與LMA交互綁定更新(proxy binding update, PBU)和綁定更新確認(proxy binding acknowledgement, PBA)消息.如圖1所示，在位于MAR0的MN移動進入MAR1, MAR2,…的轄區過程中，MARi(i=1, 2, …)則依次充當該會話的MAG并向MAR0更新MN的位置，其切換信令以及時序如圖2所示，而這恰恰是錨點固定的移動性管理協議的切換操作，因此對于給定的會話，分布式移動性管理仍存在切換時延長和路由欠優問題.

圖1 分布式移動性管理切換過程Fig.1 The handoff process of DMM

圖2 分布式移動性管理的信令交互Fig.2 The signaling exchange of DMM

1.2 應用雙層指針的分布式移動性管理

雙層指針由“低層指針”和“高層指針”構成.低層指針指發生切換時在相鄰的MAR間建立隧道傳播數據代替向LMA注冊的方式切換；當低層指針達到閾值后在LMA和當前MAR間建立的指向關系稱為“高層指針”.建立低層指針的原因是，MN移動時只會從一個MAR管轄的區域移動到相鄰MAR管轄的區域，而相鄰MAR間的距離要比當前MAR到錨點MAR0的距離小得多.因此，采用在MAR間建立指向關系的方式進行切換的時延要短于向LMA注冊的方式.與之對應，高層指針的目的是優化路由.隨著低層指針長度的增加，數據包沿著低層指針鏈傳播的時延越來越長，此時需要采用向LMA注冊的方式來優化路由.但隨著向LMA注冊次數的增多，此方法優化路由的作用有限.因此直接向與之通信的對端節點(correspondent node，CN)發送綁定更新消息，使當前MAR成為該會話的新錨點，從而最大程度優化數據包的傳播路徑.事實上，高層指針的閾值即允許向LMA注冊的方法優化路由的最大次數，達到該閾值后，則向CN注冊，MN所在的MAR則成為該會話的新錨點，從而實現錨點的動態更換.如圖3所示，當MN移動到MAR1和MAR2時，首先在MAR間建立稱為“低層指針”的指針鏈；當MN與MAR3關聯時，低層指針達到了設定的閾值K1(K1=3)，此時MAR3直接向MN的錨點MAR0發起綁定更新過程，并建立從MAR0指向它自己的指針，即高層指針；這個過程一直持續到MN與MARi關聯時，高層指針達到了設定的閾值K2，為了優化路由路徑，此時MARi不是向錨點MAR0，而是直接向與之通信的節點CN發送綁定更新消息.這樣CN發送給MN的數據包可以直接發送給MARi，而MARi成為MN的新錨點，即實現錨點的動態更換.單層指針曾被用來降低MN空閑時的切換代價[13]，采用雙層指針策略能獲得比單層指針推進策略更短的切換時延[14].

為了清楚地表述利用雙層指針的分布式移動性管理方案，假設MN存儲2個變量Low_PF和High_PF，分別表示低層指針和高層指針的長度，兩者對應的閾值分別為K1和K2，初始值都為0.每當MN移動到新的MAR管轄區域，即發生切換時，其執行邏輯為：

步驟1 若Low_PF

圖4 MAR指針鏈構建的信令交互Fig.4 The signaling exchange of MAR chain

步驟2 若Low_PF≥K1且High_PF

步驟3 若步驟1、2均未執行，則MAR向與MN通信的對端節點CN發送綁定更新消息，當前MAR成為該會話的新錨點，實現動態更換錨點和進一步路由優化.將High_PF和Low_PF都置零.

步驟4 結束.

當MAR向與MN通信的對端節點發送要求建立直接通信的消息時，若考慮安全因素，應采取類似MIPv6中的“路由可達”(return routability)驗證過程[1].

2 性能分析

2.1 數值分析

以切換時延為指標分析本文方案和已有方案的性能.

假設MN連接到MARi時向LMA更新MN位置信息的方式切換的時延為Δ(i)，在MAR間建立指向關系更新MN位置的時延為δ.假設MARi向CN建立直接通信的時延為δ′，且δ′=θ2Δ(i)，θ2>1.MN在會話持續時間內穿越的MAR區域的數學期望(即均值)記為M.已有方案每次均采用向LMA注冊的方式切換，因此其總切換時延為：

(1)

(2)

(3)

(4)

接下來推導Δ(i)的表達式.注意到MAR1向LMA切換的時延為δ，而MAR2經MAR1向LMA切換的時延為2δ，故MAR2直接向LMA切換的時延應小于2δ，設為θ12δ，其中θ1<1；MAR3向LMA切換的時延應小于MAR2向LMA切換的時延與MAR3向MAR2切換的時延之和θ12δ+δ，因此可表示為θ1(θ12δ+δ)，以此類推，可將Δ(i)表示為

(5)

由式(3)和(4)可知：

(6)

(7)

(8)

為了對比已有方案和本方案的切換時延，定義時延比率為

(9)

顯然，當η>1時表明本方案在切換時延方面優于已有方案.

接下來分析參數SMR、θ1及θ2對η的影響.會話到達率(λ)與MN移動率(β/α)的比值定義為會話與移動比率(session to mobility ratio, SMR)[14]，記為SMR=λα/β.由式(7)可知，MN的平均移動次數M近似為SMR的倒數.圖5(a)給出了SMR對η的影響，可知隨著SMR的增大η減小，說明當MN移動頻繁，即SMR較小時，與已有方案相比，本方案在時延方面優勢更明顯.由圖5(b)可知，隨著θ1的增大，即向LMA注冊的代價增大，η呈增大趨勢，即所提方案在時延方面優于已有方案.由圖5(c)可知，隨著θ2增大，即MN向CN注冊的代價增大，η呈減小趨勢，說明以向CN注冊的方式進行路由優化代價增大時，MN直接與CN通信對路由優化的作用有限，從而導致本文方案的優勢逐漸不明顯.

此外，由圖5可知，K1和K2對η的影響與K1×K2的值有關，隨著K1×K2值的增大，即隨著總體指針鏈長度增大，η增大.

(a)給定θ1和θ2時SMR對η的影響

(b)給定SMR和θ2時θ1對η的影響

(c)給定SMR和θ1時θ2對η的影響圖5 各參數對η的影響圖Fig.5 The influence of each parameter on η

2.2 仿真實驗

為了驗證數值分析結果的正確性，對所提方案和已有方案進行了仿真.在仿真中，令SMR=0.01, 0.02, …, 0.1;β=10;α=3;θ1=0.6, 0.65, 0.7, 0.75, …, 0.95;θ2=2, 3,…, 6;K1=2, 3, …, 8;K2=2, 3, …, 8; 與數值分析時各變量的取值相同.模擬了100 000次MN移動和100 000個會話到達，MN的逗留時間使用愛爾蘭分布模擬，會話的持續時間使用指數分布模擬.在給定SMR的前提下，統計MN在一個會話內穿越MAR區域N(N=1，2，…)次的概率.統計時，若SMR較小，即MN移動頻繁，則只統計MN完成第100 000次移動時實際產生的會話個數；若SMR較大，即會話到達頻繁，則只統計第100 000次會話到達時，MN的實際移動次數.在此基礎上，對比2種方案的性能.仿真的平均結果如圖6所示，可以看出SMR、θ1和θ2對η的影響與圖5中數值分析結果的趨勢相同，即仿真結果驗證了數值分析結果的正確性.

(a)給定θ1和θ2時SMR對η的影響

(b)給定SMR和θ2時θ1對η的影響

(c)給定SMR和θ1時θ2對η的影響圖6 仿真驗證各參數對η的影響圖Fig.6 The influence of each parameter on η in simulation experiment

3 結 論

在會話持續時間內MN經歷多次切換時，已有的分布式移動性管理方案仍然存在切換時延長和路由欠優的問題.本文設計的應用雙層指針的分布式移動性管理方案，采用定期向LMA(K1達到閾值時)和CN(K2達到閾值時)注冊的方式優化路由和動態更換錨點;利用兩類指針分別解決了時延和路由問題.數值分析和仿真結果均表明，在MN移動頻繁或向LMA注冊代價較大或向CN注冊代價較小時，本方案可以獲得較短的切換時延，且隨著K1×K2值的增大，本方案在切換時延方面的優勢愈加明顯.

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Handoff delay reducing and routing optimizing scheme by two-level pointers for distributed mobility management.

ZHU Deqing1, PAN Genmei2

(1.EducationTechnologyCenter,HangzhouNormalUniversity,Hangzhou310036,China; 2.CollegeofMathematicsPhysicsandInformationEngineering,JiaxingUniversity,Jiaxing314001,ZhejiangProvince，China)

According to the location of the anchor, the mobility IP (MIP) protocols can be divided into the fixed anchor mobility management protocols and the distributed mobility management (DMM). The DMM can reduce handoff delay and acquire near-optimal routing by letting mobile node (MN) choose a nearby access router as its anchor. However, the anchor is chosen at the beginning of a session and fixed during the MN’s movement, which may lead to large handoff delay and sub-optimal routing problems when a MN undergoes many handoffs in a given session. In this case, the handoff process is the same with that of the fixed anchor mobility management protocols. To address this problem, a scheme using two-level pointers is proposed. The lower pointer reduces handoff delay by constructing a pointer chain between mobility capable access router (MAR), and the higher pointer optimize routing by updating MN’s location to local mobility anchor (LMA) or correspondent node (CN). Thus, the anchor can be changed dynamically. Furthermore, the handoff delay under our scheme and the existing schemes are derived. Numerical analysis and simulation indicate that our scheme can reduce handoff delay of DMM.

mobility management; distributed anchoring; pointer forwarding; mobile IP

2016-10-12.

浙江省自然科學基金資助項目(LY16F020031)；杭州師范大學科研啟動經費項目(2017QDL008)；浙江省教育廳科研資助項目(Y201328875).

朱德慶(1979-)，ORCID:http://orcid.org/0000-0002-8130-0595，男，博士,實驗師，主要從事移動IP及無線網絡協議與性能分析等研究，E-mail：dqzhu@hznu.edu.cn.

10.3785/j.issn.1008-9497.2017.04.006

TN 92

A

1008-9497(2017)04-417-07

Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2017,44(4):417-423