一種基于層次移動IPv6的切換改進策略

楊世欣

摘 要： 移動IPv6協議解決了移動IPv4協議三角路由問題，實現路由的優化;層次移動IPv6協議（HMIPv6）可以減少標準切換引起的連接中斷時間，維持或提高已有連接的通信服務質量，是移動IPv6的重要擴展。但是HMIPv6依然存在問題， HMIPv6對移動節點區域間的切換注冊開銷和時延性能上沒有任何改進，甚至比標準IPv6的注冊過程更多一次新的域內注冊過程;對移動迅速的移動節點帶來沉重的注冊開銷負擔。對此提出一種新的HMIPv6切換改進策略，客觀上可減少網絡中注冊、綁定和更新消息，減輕網絡的負擔。

關鍵詞： 移動IPv6; HMIPv6; MAP; 家鄉代理; 域內切換; 域間切換

中圖分類號： TP311

文獻標志碼： A

文章編號：1007-757X（2019）06-0047-03

Abstract： Mobile IPv6 protocol solves the triangulation problem of mobile IPv4 protocol and realizes the optimization of routing. Hierarchical mobile IPv6 protocol （HMIPv6） can reduce the connection interruption time caused by standard switching， maintain ?improve the communication service quality of existing connections， and is an important extension of mobile IPv6 protocol. But， HMIPv6 has no improvement on the handover of inter-domain cost and delay performance of mobile nodes， even more time needed than the standard IPv6 registration process. It brings heavy burden of registration cost to mobile nodes which move quickly. In this paper， a new HMIPv6 handover improvement strategy is proposed for the existing problems of HMIPv6. Objectively， it can reduce the registration， binding and update messages in the network and reduce the burden of the network.

Key words： Mobile IPv6; HMIPv6; MAP; Home agent; Handover of intra-domain; Handover of inter-domain

0?引言

近十幾年來，以Internet為代表的信息技術發展迅速，Internet已深入到人們的日常生活與工作的方方面面。另外，隨著移動通信技術的快速進步，各種移動通信設備被廣泛應用;用戶對移動設備的要求也越來越高，希望可以隨時隨地，甚至移動中也能接入Internet。但是原有的IPv4協議主要是針對固定接入方式設計的，對網絡節點的移動性支持不足。為解決此矛盾IETF于1992年制定了移動IP的最初標準，移動IPv4;隨著IPv4地址的耗盡，以及移動IPv4固有的局限性，這個協議已不能滿足用戶數大量增加所帶來的各種問題;同時也不能更好的為下一代互聯網服務。于是IETF又推出的新的標準即移動IPv6[1]。

1?移動IPv6

除了IPv6巨大的地址空間外，移動IPv6對移動IPv4最大的改變是取消了外地代理（Foreign Agent，FA）。由于IPv6地址資源豐富，每個移動節點（Mobile Node，MN）都可以獲取單獨的配置轉交地址并以此作為數據包分組路由的依據，不再需要通過外地代理的地址轉發。

移動IPv6取消了代理轉交地址，只有配置轉交地址一種轉交地址。MN可能會同時擁有多個配置轉交地址，家鄉代理截取的數據包分組首先被轉發到MN的主轉交地址，當發送失敗時家鄉代理會盡量將數據包分組發送到MN的其他轉交地址。同時移動IPv6定義了“第二類路由頭（Type2 Routing Header）”的新IPv6擴展包頭選項，MN可以通過向通信對端（Correspondent Node，CN）注冊，告知其所在位置，CN獲得MN的轉交地址后，它發送給MN的數據包分組可以直接路由至MN而無需家鄉代理進行轉發。此時，MN的轉交地址放在數據包分組的目的地址字段，家鄉地址放在第二類路由頭中。當數據包分組到達MN的轉交地址時，MN從第二類路由頭中提取家鄉地址作為這個數據包分組的最終目的地址，使得移動性對上層協議透明;這樣就解決了三角路由問題，實現路由的優化。

2?層次移動IPv6（HMIPv6）

MN在兩個不同子網之間移動時將產生切換。MN在新的子網上獲得新的轉交地址，這個新的轉交地址需要向家鄉代理（Home Agent，HA）重新注冊，同時也要向CN重新綁定。由于協議處理和信號強度等原因，切換可能導致MN在一定時間內不能發送和接收數據包分組，CN與MN之間的通信會暫時中斷。標準移動IPv6協議給出了移動檢測[2]、轉交地址獲取和重新建立綁定的基本過程，在此基礎上，為了適應具體的環境，人們分析標準移動IPv6的不足，又提出了新的切換技術，來減少切換引起的連接中斷時間，維持或提高已有連接的通信服務質量。層次移動IPv6（Hierarchical Mobile IPv6，HMIPv6）[3-4]就是其中的一種。

在移動IPv6中MN可以向CN注冊，使CN知道自己當前位置，這在一定程度上優化了路由，解決了移動IP的三角路由問題;然而，MN每次發生切換時，除了需要向HA進行位置注冊外，還需向當前所有的CN節點進行注冊報告自己的位置。所以，移動IPv6面臨最大的問題就是切換過程帶來的通信中斷和位置注冊產生的大量信令開銷。通常，HA和CN處于離MN較遠的位置，可能跨越較多的中間節點，因此發生移動切換時，MN向HA和CN進行位置注冊需要花費相當長的迂回時延，導致每次MN進行移動切換時，數據包分組丟失而引起上層的連接通信中斷。與此同時，MN頻繁的切換操作會在骨干網中引入大量的注冊綁定消息信令開銷。這些冗余信息占據了帶寬，消耗網絡資源，引發沖突，降低數據傳輸性能。

IETF提出的HMIPv6對移動IPv6協議是一個重要擴展，它對移動檢測、轉交地址配置和重復地址檢測所造成的延遲不作考慮，僅從減少位置注冊的時延和開銷的角度來提高移動性管理方案的性能。HMIPv6能夠使MN減少與外部網絡信令交互，減少切換中斷的時間。在HMIPv6中引入一個新的實體稱為移動錨點（Mobility Anchor Point，MAP），它可以是HMIPv6網絡中任何層次的路由器，MAP提供本地的區域代理服務，作用類似位于家鄉網絡的HA。HMIPv6將整個Internet分成若干個管理區域（Management Region），為每一個管理區域配置一個MAP作為區域性移動管理中心，負責處理MN在本區域內發生移動切換時的移動性管理。

HMIPv6 為移動節點定義了兩種轉交地址：鏈路轉交地址（On-Link Care of Address，LCoA）和區域轉交地址（Regional Care of Address，RCoA）。鏈路轉交地址是從MN的當前接入網絡那里獲取的一個網絡IP地址，MAP用鏈路轉交地址來標示移動節點。MN在每一次發生移動切換之后會獲取一個新的LCoA。RCoA是MAP所在的子網上獲得的網絡IP地址，是可路由的全球唯一IPv6地址。在HMIPv6中，MN可以通過帶有MAP選項的RAS消息來發現運行在接入路由器中的MAP，可以稱之為MAP發現操作。MAP發現操作隨MN的移動與移動IPv6的移動性檢測一起不斷執行。每次MN檢測到自己發生網絡切換后，它也要執行MAP發現操作看是否還在原來的MAP區域之內，如果還停留在原來的MAP區域內，那么MN只需要用自己獲取的新的LCoA向MAP注冊而不需要向HA和CN注冊，這可以稱之為區域注冊。相反，MN己經離開了原來的MAP區域，則那么MN需要用自己獲取的新的LCoA向當前MAP注冊，同時還需要用新獲取的RCoA通過當前MAP向HA和CN注冊，則稱之為家鄉注冊。在HMIPv6中，發往MN的數據包分組路由采用的是MAP代理轉發的機制，CN發往MN的數據包分組將被MAP截獲，MAP接收到來自CN的數據包分組，隧道封裝之后將它們轉發到移動節點的LCoA。

在層次移動IPv6中，如果移動節點的切換是發生在同一MAP區域之內，那么它并不需要向HA和CN注冊，因此對HA和CN而言，MN的區域內切換是透明的。這樣將大大降低家鄉注冊的次數。如圖1所示。

一般說來MN到HA和CN的距離通常是遠遠大于到MAP的距離，跨越的中間節點也可能很多，再考慮MN可能同時與多個CN進行通信，家鄉注冊時需要向每一個CN進行位置注冊;因此家鄉注冊不論是時延和開銷都遠遠高于區域注冊，所以HMIPv6通常在切換時延和開銷性能上要優于標準的移動IPv6。

3?HMIPv6存在的問題

HMIPv6作為移動IPv6重要的擴展，在切換時延和開銷性能方面有了明顯改善，利用MAP作為MN區域性的移動性管理代理，在一定程度上減少了移動切換所產生的切換時延和注冊開銷。但HMIPv6仍存在一些問題：首先，相比移動IPv6，HMIPv6雖然在發生區域內注冊時，注冊開銷和時延上性能有所改善，區域內切換注冊過程如圖2所示。

但對于區域間的切換并沒有任何改進，甚至比標準IPv6的注冊過程更多一次新的域內注冊過程;對某些移動迅速的MN而言，頻繁的區域間切換還帶來沉重的注冊開銷負擔，區域間切換注冊過程如圖3所示。

其次，MAP充當其區域內所有MN在外地子網的代理，負責它們的位置注冊和數據包分組轉發工作，所有從CN發送到MN的數據包分組都需要先被路由到MAP，然后MAP再通過隧道將數據包分組提交到MN的LCoA，這就引起了額外的處理和路由開銷。

為了增強HMIPv6的切換性能，許多研究者也提出了改進方法：Pack等提出在接入路由器（AR）之間引入指針來降低MN想CN進行位置注冊的消息流量[5-7];Yi等則將指針鏈應用在MAP之間[8-10]。這些方案在某些特定的網絡環境可以有效減少網絡中的位置注冊、綁定、更新消息，切換性能也有不同程度的提高，但是在具有復雜多變網絡拓撲的實際環境中效果有限，也沒有考慮各個MN不同的移動特性，同時也給AR或MAP帶來不小的算法負擔，不具備良好的適用性和簡單性。

4?一種HMIPv6切換改進策略

本文所提出的HMIPv6改進策略是針對MN在進行區域間切換時的一種改進方案，對MN的區域內切換還執行本身的HMIPv6切換方法。改進的區域間切換策略還是以降低MN發生區域間切換時延，減輕MAP和AR的算法負擔為出發點，改策略的基本描述是，將MN最初所在的MAP區域作為初始區域，若當MN發生區域間切換，將切換前所在區域的MAP（Original MAP，OMAP）作為新MAP的上層代理，用新獲取的當前區域的RCoA作為新的LCoA向OMAP注冊;此時HA和CN仍保存有OMAP區域轉交地址信息，從CN發送給MA的數據包分組可以通過OMAP向新區域的MAP轉發，MN就可以和CN進行正常的通信，而不需要MN通過新的MAP向HA和CN進行注冊綁定。若當MN發生第二次區域間切換，這時就要先判斷MN的切換目的區域是哪個區域，如果MN又切換到了OMAP的區域，那么只需要OMAP向現在的MAP作簡單的注冊更新，之后CN仍舊通過OMAP與MN通信，MN依然不需要向HA和CN進行注冊綁定;如果MN切換到了另一個新的MAP區域，這時就按照HMIPv6區域間切換的方式，完成新的注冊、綁定、更新，同時將這個新區域的MAP作為MN再次進行區域間切換OMAP。該改進策略的流程圖如圖4所示。

提出該HMIPv6改進策略的現實依據是，法國INRIA公司的研究表明，在通常的MN移動中，有69%的移動是在一定范圍內的移動，所以本文提出了相鄰MAP間的代理策略;同時，在一般情況下，MN發生區域間切換前后所在兩個區域的MAP之間的距離往往是很近的，遠遠低于MAP到HA或CN之間的距離，所以本文的改進策略對注冊導致的時延也起到了改善作用，使其大大縮短。

5?總結

本文首先對移動IPv6的特性進行了深入分析，得知在節點移動時標準MIPv6協議的不足，從而引出MIPv6的改進方式之一——層次移動MIPv6（HMIPv6）;HMIPv6作為移動IPv6重要的擴展，一定程度上減少了MIPv6存在的繁瑣切換問題，但在實踐中HMIPv6還有許多方面有待改進;本文在前人研究的基礎上提出了一種新的HMIPv6切換改進策略，在一定程度上可減少網絡中注冊、綁定和更新消息，減輕網絡的負擔，在文章最后給出了改進策略的具體流程圖。

參考文獻

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（收稿日期： 2018.12.06）