移動網絡路由優化方案的設計與研究

劉冰

摘要：無線網絡近年來發展迅速，其中移動網絡更是成為該領域內市場推廣和技術研究兩方面的熱點，該文提出采用改進HMIPv6對NBS移動網絡進行路由優化方案的研究思路，利用HMIPv6強大的管理功能，與NBS形成有機結合，并共同構建出更具效率的網絡層次結構體系，有效地節約了移動網絡內部節點的注冊開銷，同時也對內部節點通信過程中存在的冗余路由形成了很好的優化，進一步提高了NBS移動網絡的路由查找性能，對提高同類型網絡的路由優化水平起到了積極的促進作用。

關鍵詞： NBS;層次化結構;IPv6;控制開銷;路由優化

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）23-0022-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著VAN，PAN等基于移動網絡的應用服務得到了越來越廣泛的應用，移動網絡的發展也在不斷地加速，與此同時，用戶對網絡移動性能的需求也在不斷地提高，因此對于移動網絡的路由優化也成為該領域內研究的熱點。移動網絡本身具有其特殊性，其內部節點通常作為一個整體參與到與外界的聯結中，而這些節點也具有移動的統一性，并需要借助移動路由器（MR）接入廣域網。IETF首先提出對傳統的移動IPv6協議進行改進，由此產生了NEMO基本支持協議NBS（NEMO Basic Support Protocol），該協議支持移動網絡節點在保持與外界聯結的同時切換鏈路，由此向用戶屏蔽了底層網絡轉換的過程，有效地提高了用戶的體驗度，但其缺點是開銷過大，消耗了過多的資源，且當內部節點（MN）頻繁切換移動時，可能會產生超大的網絡開銷，極大的降低網絡資源的利用率。目前大部分的改進方案都著眼于調整IPv6數據包首部指令，也有學者提出應對目前的MIPv6機制進行改善，但多針對路由中間節點的審核機制進行縮減，以控制計算開銷，由于移動網絡節點的多樣性，這類方法的適用范圍均受到了限制。

本文提出針對支持NBS的移動網絡進行改進，通過對路由機制的優化，提高整個網絡的數據傳輸效率，并通過實驗論證了該方案的有效性。

1 移動網絡體系結構的構建

圖1給出了本文提出的將HMIPv6與移動網絡相結合所形成的一種新型的移動網絡體系結構。在該體系下，移動網絡內部節點MN在移動過程中產生的管理和計算全部被壓縮在網內完成，而不會通過移動路由器傳輸至外網，這就極大地減少了移動路由器的負荷。

如圖1中所示，HMIPv6增設了移動錨點（MAP），用來處理內部節點之間的通信需求。此時整個內部網絡被抽象成為一個MAP域，而移動路由器MR與MAP位置重疊，即該處節點既具有路由功能，也具備錨定功能，內部網絡的節點包括域內固定節點（LFN）、域內移動節點（LMN）和訪問移動節點（VMN）。

MAP是保障域內各個節點之間相互通信的關鍵設備，為了維持域內節點之間通信的穩定性，移動路由器必須定期向其發送MAP選項報文，該報文中包含了MR自身的家鄉地址（HoAMR）等信息，而域內節點即可根據該地址向MAP發起通信。這一過程首先都需要域內節點通過MAP向家鄉代理注冊自身信息，同時與HoAMR形成綁定關系，隨后當移動節點在MAP域內產生移動時，將從MAP處獲取新的鏈路關照地址（LCoAMN），移動節點即可直接向MR發送信息，而移動節點在域內的數據通信則不需要重新注冊，MR也不會將收到的數據轉發至外網。而當移動節點需要跨MAP域通信時，會采用原本傳統的NEMO通信模式，通過家鄉代理與外網建立聯結，并由后者完成與外界的數據傳輸任務。

2 移動網絡路由優化方案

本位提出構建層次化網絡體系，并對HMIPv6協議進行改進，形成更具效率的路由優化機（HROS），從而很好的提高移動網絡內部節點之間的路由查詢效率，進而節約整個移動網絡系統的計算開銷。HROS機制的作用貫穿于移動網絡移動的全過程中。首先，當移動網絡離開原本的家鄉網絡，并與外地網絡1構建鏈路層連接后，針對原本域內不同的移動節點，HROS均可完成該節點與目的地端點之間的路由優化任務;隨后，當移動網絡離開外地網絡1，并鏈接到外地網絡2后，網絡節點與目的地端點的路徑將會得到優化更新，而當移動網絡返回到家鄉網絡時，HROS則會自動還原原始設置。

由于HROS起到了動態維護MNN-CN list的作用，因此對路由表的查詢效率和精確度形成了有效的輔助，另一方面，通信伙伴攜帶HoAMMN作為家鄉地址選項，這也使得其傳送的數據包能夠判別出發送節點的隸屬網絡，從而能夠極大地簡化外地網絡節點傳送數據至移動網絡節點的計算開銷，從而提高了網絡通信效率。

3 優化效果分析

為了論證本文提出的HROS的有效性，特將其與傳統的NBS進行對比，評價對象包括了傳輸數據開銷和移動管理開銷兩個方面，現介紹如下。

3.1 額外數據包開銷

根據大量的統計數據顯示，在移動網絡數據包的通信過程中，會產生規模不一的額外開銷（AO），其主要包括兩類開銷，分別為是首部封裝開銷和擴展首部開銷。在NBS中，網絡內部節點發出的數據包在到達目的地之前，需要經過至少兩次封裝，即發送方代理和中間家鄉代理的封裝，而在經過優化后，通過MIPv6機制的協調，將原本兩次封裝壓縮為一次即可到達目的地，而為此付出的代價是需要每個數據包均攜帶家鄉地址選項。對這兩種模式進行對比分析：

（1）NBS的額外數據包開銷（AONBS）按下式計算：

[AONBS=（80Bytes+64Bytes×（j-1））×k]? ? ? ? ? ? ? （1）

上式中，j表示傳送中的數據包數量;k為目的地節點規模。

（2）HROS的額外數據包開銷

在HROS機制中，根據路由優化策略，任一網絡內部節點發往目的地節點的數據包中，僅僅需要由第一個數據包完成兩次封裝任務，并由中間家鄉代理中裝，而其他所有的同源數據包則不再需要第二次的封裝，而是直接送往目的地節點所在的移動網絡，而每個數據包都需要攜帶額外的家鄉地址選項，因此，HROS的額外數據包開銷（AOHROS）通過下式計算：

[AOHROS=（80Bytes+24Bytes×（j-1））×k]? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

通過反復實驗可以看出，當訪問移動節點與通信伙伴間通信較為頻繁時，HROS，能夠明顯降低額外數據包開銷.

3.2 移動管理開銷

網絡為完成通信而付出的計算、分析、隊列等待、資源調配等方面的開銷為管理開銷。而具體到移動管理開銷（MMO）方面，則表述為與移動網絡內節點進行通信時（包括進入移動網絡和在網絡內部移動兩個環節），與家鄉代理之間的注冊過程所帶來的時延。

（1）NBS管理開銷

在NBS中，所有節點在進行連接訪問時，必須通過家鄉代理來完成，因此需要向后者發送綁定更新消息，之后還要等待家鄉代理給出的反饋確認報文（BA）。現假定目的地節點在其所屬的網絡內的移動概率為p，則NBS在此過程中的開銷（MMONBS）可通過下式計算：

[MMONBS=k（1+p）dBU+k（1+p）dBA]? ? ? ? ?（3）

上式中[dBU]表示向家鄉代理發送綁定信息的單向時延，而[dBA]表示確認反饋時延，為訪問移動節點與家鄉代理間綁定確認消息通信延遲;k為目的地節點規模。

（2）HROS管理開銷

HROS對域內的移動節點采用了區域化管理機制，當訪問節點初次進入到某個移動網絡內時，需要通過家鄉代理完成注冊過程，但在后續的數據傳輸過程中，則不再依賴家鄉代理進行中轉，而是直接與其當前歸屬的移動網絡內的MR進行注冊和數據交換。因此，HROS下的移動管理開銷（MMOHROS）可通過下式計算：

[MMOHROS=kdBU+kdBA+kpd'BU+kpd'BA]? ? ? ? ? ? （4）

上式中，[d'BU]表示與移動路由器之間傳輸綁定信息的單向時延，[d'BA]則表示由移動路由器反饋數據到達的時延，k同樣表示目的地節點規模。

為了對比分析兩種機制所產生的網絡時延，特搭建了模擬測試環境，通過反復測試，確定了相關參數的最佳值，其中[dBU]取為55.725，[dBA]取為55.013，[d'BU]取為0.288，[d'BA]取為0.209。選擇p=0.5， 通過20輪次的對比實驗，對兩種模式下的開銷進行對比分析，其結果如圖2所示：

觀察上圖可以發現，隨著k值的增大，[MMOHROS]曲線上升的趨勢明顯放緩，顯著低于同等k值下的[MMONBS]上升趨勢，說明隨著移動節點規模的增大，本文提出的路由方案的優越性愈發的明顯，從而論證了本文方案的有效性。

4 總結

本文提出將HMIPv6與NBS相結合，并在基于層次化移動網絡體系結構的基礎上，設計了移動網絡節點路由的優化方案，去除了無效的冗余路由，顯著降低了移動節點的通信開銷，減少了網絡通信時延，提高了網絡資源的利用效率。隨著移動網絡的發展不斷加速，勢必會對路由效率提出更高的要求，今后的研究必然會針對移動網絡的實時性與可靠性展開，進一步提高網絡通信質量，保障用戶的服務水平。

參考文獻：

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