摘  要： 針對層次型移動IPv6網(wǎng)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(xié)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(xiàn)出較好的優(yōu)越性。

　　關鍵詞： 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(wǎng)絡和移動通信技術的蓬勃發(fā)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(xié)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(xiàn)本地化管理。MAP將網(wǎng)絡劃分為若干個域，扮演移動節(jié)點（Mobile Node，MN）在外地網(wǎng)絡的本地代理的角色。在HMIPv6網(wǎng)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(nèi)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(qū)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(xiàn)一種無縫切換，滿足人們對實時性的需求。改進思路體現(xiàn)在如何縮短切換延遲以及降低丟包率?，F(xiàn)有的HMIPv6協(xié)議的優(yōu)化方法很多，一種思路是優(yōu)化結構功能實體，主要表現(xiàn)為MAP的優(yōu)化及管理、接入路由器的布置及選擇等；另一種思路是優(yōu)化注冊機制，主要表現(xiàn)是轉交地址的配置、預切換機制等。

　　在HMIPv6協(xié)議中發(fā)生域內(nèi)切換時，移動節(jié)點的區(qū)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(fā)生了改變[1]；MN只需要向所屬的MAP注冊LCoA，不需要向家鄉(xiāng)代理（Home Agent，HA）和通信對端節(jié)點（Correspondent Node，CN）注冊，因而減少了網(wǎng)絡切換信令的開銷，降低了網(wǎng)絡擁塞。在標準HMIPv6中，對MAP域間切換執(zhí)行標準的宏切換，這使得HMIPv6域間切換的性能沒有得到優(yōu)化。因此，對HMIPv6域間切換的研究就變得尤為重要。

1 HMIPv6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(fā)生了MAP域的改變。如果MAP選項信息和當前的MAP域的網(wǎng)絡前綴相同，則為域內(nèi)移動；否則發(fā)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(fā)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(fā)送鄰居發(fā)現(xiàn)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(fā)送綁定確認（Local Banding Acknowledgement,LBA）。切換過程中的DAD時間占據(jù)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(wǎng)絡服務。在切換的過程中，MN無法接收數(shù)據(jù)，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(fā)送的RA消息（該消息中包含MAP2選項信息和AR2的網(wǎng)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(nèi)，MN配置新區(qū)域轉交地址（new RCoA，nRCoA）和新鏈路轉交地址（new LCoA，nLCoA）。MN向MAP1發(fā)送快速綁定更新消息（Fast Binding Update，F(xiàn)BU），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(fā)生變化，同時向MAP2發(fā)送LBU消息進行本地注冊。

　　當MAP1收到MN發(fā)送的FBU消息（該消息中包含MN的pRCoA、nRCoA和nLCoA）時，MAP1立即向MAP2發(fā)送切換發(fā)起消息（Handover Initiate，HI），建立nRCoA和nLCoA的綁定關系，并向MN發(fā)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(shù)據(jù)分組轉發(fā)至MAP2，MN向CN發(fā)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(xiāng)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(fā)送數(shù)據(jù)。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(xiàn)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。

　　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(qū)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(fā)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(fā)送FBU消息告知MAP1自己所在的新位置。于是，MAP1向MAP2發(fā)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(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分組，經(jīng)由隧道轉發(fā)數(shù)據(jù)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(chǎn)生的信令交互量，降低網(wǎng)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：

　?。?）子網(wǎng)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；

　?。?）切換過程中的信令交互時間Tsig；

　?。?）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(fā)送頻率為1次/s，設RA廣播周期為TRA，則：

　　Tmov=cTRA（1）

　　其中c為系數(shù)，根據(jù)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(wǎng)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(wǎng)絡狀態(tài)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(jù)的比重較大。比較T和T0可知，T<T0，理論上改進后的域間切換方案具有更小的切換時延。

4 仿真實驗

　　4.1 拓撲結構及參數(shù)

　　使用UC Berkeley開發(fā)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(wǎng)絡下的切換技術。對HMIPv6和FPSNM協(xié)議進行仿真，共有8個節(jié)點。實驗中使用的配置層次地址的網(wǎng)絡拓撲結構如圖2所示。

　　基于本文對HMIPv6和FPSNM協(xié)議的分析，選取的主要性能評估參數(shù)分別是切換延遲和數(shù)據(jù)分組的丟包率。其他需要使用的相關參數(shù)如表1所示。

　　4.2 仿真結果分析

　　在相同的網(wǎng)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(xié)議在不同鏈路時延下的切換延遲和數(shù)據(jù)分組的丟包率分別如圖3、圖4所示。

　　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(shù)據(jù)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(fā)數(shù)據(jù)分組，通過隧道轉發(fā)給新的移動錨點，從而減少域間切換造成的數(shù)據(jù)分組的丟失問題。

5 結束語

　　在HMIPv6網(wǎng)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(xiàn)出了一定的優(yōu)越性。在以后的研究中，需要加強對雙路徑下的動態(tài)控制機制的分析；服務節(jié)點數(shù)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。

參考文獻

　　[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， Egypt， 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(yōu)化方案[D].鄭州：鄭州大學，2011：43-49.