隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們希望隨時(shí)隨地采用移動(dòng)終端接入網(wǎng)絡(luò)，一定數(shù)目的移動(dòng)設(shè)備形成移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)NEMO(NEtwork MObility)，以一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的整體在運(yùn)動(dòng)中獲得網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。IETF在移動(dòng)IPv6基礎(chǔ)上提出了NEMO基本支持協(xié)議NEMO-BS(NEMO Basic Support)。NEMO是由基于主機(jī)的移動(dòng)IPv6協(xié)議擴(kuò)展而來(lái)，會(huì)產(chǎn)生位置開(kāi)銷(xiāo)和隧道開(kāi)銷(xiāo)過(guò)大、切換延遲較大等問(wèn)題，而移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要參與信令交互。大部分切換過(guò)程是在無(wú)線鏈路進(jìn)行，當(dāng)鏈路狀態(tài)不佳時(shí)容易造成切換過(guò)程不穩(wěn)定，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、切換延遲巨幅增加等問(wèn)題。鑒于此，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)提出采用基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理方案支持NEMO。代理移動(dòng)IPv6（Proxy Mobile IPv6,PMIPv6)協(xié)議使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)無(wú)需參與移動(dòng)性管理，提高了無(wú)線環(huán)境下切換的穩(wěn)定性，同時(shí)增強(qiáng)了服務(wù)提供商的靈活性和管控程度。

    目前研究的基于PMIPv6協(xié)議的NEMO方案有以下不足：為更新移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置信息產(chǎn)生的位置開(kāi)銷(xiāo)較大，浪費(fèi)帶寬資源；為傳輸數(shù)據(jù)到目的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的隧道開(kāi)銷(xiāo)較大，甚至導(dǎo)致多層隧道嵌套問(wèn)題[1]。本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上提出了一種PMIPv6域中支持NEMO優(yōu)化方法，除了具有PMIPv6協(xié)議無(wú)需節(jié)點(diǎn)參與移動(dòng)性管理和NEMO-BS支持整體切換的優(yōu)點(diǎn)外，該方法利用增加的標(biāo)志符有效區(qū)分移動(dòng)節(jié)點(diǎn)屬性，更新位置和傳輸數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)有效，無(wú)需重復(fù)檢測(cè)，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)明顯降低。
1 相關(guān)工作與問(wèn)題分析
1.1 NEMO和PMIPv6介紹
    NENO-BS協(xié)議將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理功能集中到移動(dòng)路由器上,由MR向其家鄉(xiāng)代理注冊(cè)轉(zhuǎn)交地址CoA(Care of Address)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)子網(wǎng)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，保證家鄉(xiāng)地址的全局可達(dá)性。該協(xié)議實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的整體移動(dòng)性管理，有效減少切換信令的數(shù)量，降低移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)傳輸功率和復(fù)雜度。
    PMIPv6協(xié)議引入了本地移動(dòng)錨點(diǎn)LMA(Local Mobility Anchor)和移動(dòng)接入網(wǎng)關(guān)MAG(Mobile Access Gateway)兩個(gè)新的移動(dòng)性管理實(shí)體。LMA是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN在PMIPv6域內(nèi)的家鄉(xiāng)代理，維持MN在PMIPv6域內(nèi)的可達(dá)性。MAG可以檢測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，代替MN初始化與移動(dòng)性管理相關(guān)的信令。LMA與MAG之間通過(guò)發(fā)送代理綁定更新PBU(Proxy Binding Update)和代理綁定確認(rèn)PBA(Proxy Binding Acknowledgement)建立傳輸數(shù)據(jù)的雙向隧道。當(dāng)MN在MAG之間移動(dòng)時(shí)，收到同樣的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴HNP(Home Network Prefix)，從而不需重新配置IP地址即可與通信對(duì)端CN保持連續(xù)通信。該協(xié)議使得MN無(wú)需參與移動(dòng)性管理信令的交互，有效增強(qiáng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可控性。
1.2 現(xiàn)有方案存在的不足
    參考文獻(xiàn)[2]提出N-PMIPv6方案，將移動(dòng)路由器視做移動(dòng)MAG（mobile MAG，mMAG）加入PMIPv6域，通過(guò)在LMA與mMAG之間建立雙向隧道，為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)MNN轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，減小了位置更新開(kāi)銷(xiāo)，但增加的嵌套隧道頭部導(dǎo)致隧道開(kāi)銷(xiāo)劇烈增加。參考文獻(xiàn)[3]提出rNEMO機(jī)制，移動(dòng)路由器充當(dāng)一個(gè)小的中繼站，由其對(duì)相關(guān)信令和數(shù)據(jù)包進(jìn)行中繼，減小了隧道頭部開(kāi)銷(xiāo)，但需要額外切換信令來(lái)管理MNN位置信息，極大地增加了位置信令開(kāi)銷(xiāo)。
    總之，將NEMO應(yīng)用在PMIPv6域后，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，多樣的切換場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。現(xiàn)有方案只關(guān)注如何更好地維持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置信息或者如何更好地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，缺乏對(duì)位置開(kāi)銷(xiāo)和隧道開(kāi)銷(xiāo)的統(tǒng)籌考慮。為此，本文提出一種基于擴(kuò)展信令的網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性優(yōu)化方法，記為O-NEMO(Optimized NEMO),充分發(fā)揮相關(guān)移動(dòng)性管理實(shí)體的功能，爭(zhēng)取最大程度地兼顧兩種開(kāi)銷(xiāo)的平衡，提升系統(tǒng)通信效率。
2 基于擴(kuò)展信令的NEMO優(yōu)化方法
2.1 擴(kuò)展信令消息
    如圖1所示為PMIPv6域中支持NEMO場(chǎng)景， NEMO應(yīng)用的目標(biāo)是使MN、mMAG以及附著在mMAG之下的MNN都能在地址不變的前提下保持通信的連續(xù)性。

    表1為擴(kuò)展的信令消息。其中BCE(Binding Cache Entry)是LMA為每一個(gè)接入節(jié)點(diǎn)保存的綁定緩存入口消息,包括節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)和HNP以及代理轉(zhuǎn)交地址pCoA(proxy-CoA)等。而PBUL1(Proxy Binding Update List)和PBUL2分別為兩個(gè)MAG建立所屬節(jié)點(diǎn)的代理綁定更新列表消息，分別表示NEMO下的MNN以及單個(gè)MN情況。

    進(jìn)一步，對(duì)BCE和PBUL消息進(jìn)行有效擴(kuò)展，增加“M”標(biāo)志用以標(biāo)記該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是mMAG網(wǎng)絡(luò)下的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。這樣LMA在其BCE處避免進(jìn)行重復(fù)查找，便于更新MNN的位置信息，可以減小因重復(fù)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)屬性帶來(lái)的位置開(kāi)銷(xiāo)。轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)查看目的地址HNP項(xiàng)，對(duì)應(yīng)的pCoA項(xiàng)即為數(shù)據(jù)包的下一跳。LMA與MAG之間通過(guò)隧道將數(shù)據(jù)包進(jìn)行分裝，其他路徑可以對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行直接轉(zhuǎn)發(fā)。而MAG的PBUL擁有所屬的mMAG和MNN的所有路由信息，MAG與LMA之間只需要一個(gè)隧道頭部，沒(méi)有產(chǎn)生其他隧道頭部開(kāi)銷(xiāo)。
2.2 信令流程
    圖2顯示的是一個(gè)MNN在PMIPv6域內(nèi)通信的完整信令流程，包括mMAG接入MAG1，MNN接入mMAG，mMAG在MAG1和MAG2之間切換三個(gè)場(chǎng)景，具體描述如下。

    場(chǎng)景1：MAG1通過(guò)路由申請(qǐng)RS(Router Solicitation)探測(cè)到mMAG的接入后向LMA發(fā)送PBU消息，LMA將信息記錄在其BCE處，后向MAG1發(fā)送含有分配給mMAG的HNP的PBA，MAG1更新其PBUL列表并通過(guò)路由通告RA(Router Announcement)傳遞給mMAG。mMAG根據(jù)HNP配置地址。
　 場(chǎng)景2：當(dāng)mMAG內(nèi)有MNN接入即發(fā)送PBU給MAG1。MAG1隨后將自己地址加入到PBU中發(fā)送給LMA。LMA通過(guò)檢查是否含有“M”標(biāo)志來(lái)判定節(jié)點(diǎn)的屬性。LMA更新BCE后將含有分配HNP的PBA傳遞給MAG1。MAG1接收到PBA后建立該節(jié)點(diǎn)的PBUL，該P(yáng)BUL已經(jīng)被擴(kuò)展用來(lái)管理mMAG的地址。mMAG接收到PBA后通過(guò)RA將分配的HNP發(fā)送到MNN。MNN根據(jù)該HNP配置其地址并在隨后的切換過(guò)程中保持不變。
    場(chǎng)景3：當(dāng)mMAG從MAG1域中離開(kāi)并進(jìn)入MAG2域內(nèi)，MAG1檢測(cè)到mMAG的離開(kāi)，將生存時(shí)間置于0后與LMA進(jìn)行信令交互，解除mMAG的注冊(cè)消息。MAG2檢測(cè)到mMAG接入后發(fā)送PBU到LMA，LMA更新BCE后將MNN_ID、MNN_HNP通過(guò)PBA消息發(fā)送至MAG2。這樣即使MNN在不同MAG域間切換位置發(fā)生改變時(shí)，LMA通過(guò)“M”標(biāo)志確定節(jié)點(diǎn)屬性，減少了發(fā)送位置更新信令次數(shù)，從而降低了位置開(kāi)銷(xiāo)。
    當(dāng)LMA接收到目的地址是MNN的數(shù)據(jù)包后，在BCE內(nèi)檢查對(duì)應(yīng)MAG的IP地址，確定節(jié)點(diǎn)屬性后，LMA只需要在數(shù)據(jù)包附加一個(gè)PMIPv6隧道頭部后發(fā)送給MAG。這樣，當(dāng)MAG通過(guò)mMAG向MNN發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，不再需要使用額外的隧道頭部，因?yàn)閺膍MAG角度看來(lái)，MAG相當(dāng)于LMA的“代理”。與之前機(jī)制相比，減小了隧道開(kāi)銷(xiāo)，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。

    圖4表示當(dāng)E(S)取值為10且MAG子網(wǎng)穿越率增加時(shí)的系統(tǒng)總開(kāi)銷(xiāo)。從結(jié)果可以看出，rNEMO方法由于每次進(jìn)行切換都需要額外的信令開(kāi)銷(xiāo)而最差，O-NEMO方案只需一層PMIPv6隧道頭部，N-PMIPv6需要兩層，故O-NEMO在系統(tǒng)總開(kāi)銷(xiāo)上更為優(yōu)良。

    現(xiàn)有PMIPv6域中的支持NEMO機(jī)制沒(méi)有同時(shí)兼顧位置更新開(kāi)銷(xiāo)和數(shù)據(jù)隧道開(kāi)銷(xiāo)，為此，本文在以往研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種PMIPv6域中基于擴(kuò)展信令的網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性?xún)?yōu)化方案。該方案充分利用擴(kuò)展的MAG的PBUL和LMA的BCE信令消息，整合追蹤節(jié)點(diǎn)位置和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包過(guò)程，優(yōu)化信令流程，均衡降低了兩種開(kāi)銷(xiāo)。分析表明，該方案降低了系統(tǒng)總開(kāi)銷(xiāo)，提高了通信效率。
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