摘 要： 目前移動IPv6中對移動節(jié)點" title="移動節(jié)點">移動節(jié)點的切換過程進行優(yōu)化的方法均著眼于加速切換時的信令" title="信令">信令重建過程。通過介紹移動IPv6實驗床上進行的一系列切換測試，提出了測量移動節(jié)點切換時信令重建過程延遲的方法，并評估了此過程對ICMPv6和TCP業(yè)務性能的影響。
關鍵詞： 移動IPv6 切換 信令重建
在移動IPv6中，移動節(jié)點的切換可以分為移動檢測和信令重建兩個階段。在移動檢測階段，移動節(jié)點利用ICMPv6路由器發(fā)現(xiàn)機制來判定移動節(jié)點當前的位置是位于家鄉(xiāng)鏈路" title="鏈路">鏈路還是外地鏈路，從而判斷移動節(jié)點是否發(fā)生了鏈路切換。如果發(fā)生了鏈路切換，移動節(jié)點就需要進行信令重建。在信令重建階段，移動節(jié)點通過IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)機制，以無狀態(tài)的地址自動配置方式獲得一個或多個轉交地址，然后向家鄉(xiāng)代理發(fā)送“綁定更新”消息，得到家鄉(xiāng)代理的應答消息后，將一個轉交地址注冊到家鄉(xiāng)代理上。
當前對移動節(jié)點切換的研究主要集中在信令重建階段，例如層次化移動IPv6[1]減少了切換時需要重建的鏈路長度和在移動?？奎cMAP(Mobility Anchor Point)域外發(fā)送信令的數(shù)量，而快速切換[2]機制更是提前進行了信令重建。雖然現(xiàn)有的提高切換性能的方案可以減少切換對移動節(jié)點通信的影響，但是在切換時仍然會丟包。這必然會對業(yè)務性能產(chǎn)生影響，尤其對使用傳輸控制協(xié)議TCP的業(yè)務影響較大。
當前大多數(shù)對移動IPv6中移動節(jié)點切換的分析都是基于模擬仿真來進行的。為了更真實、更準確地分析切換時信令重建過程對業(yè)務性能的影響，本文在移動IPv6實驗床上對移動節(jié)點和通信對端之間的ICMPv6業(yè)務和TCP業(yè)務進行了測試。從測試數(shù)據(jù)可以看出：移動節(jié)點切換時信令重建延遲具有非對稱性；隨著無線信道" title="無線信道">無線信道速率的提高，信令重建延遲有所減少；切換時移動節(jié)點和無線接入點" title="無線接入點">無線接入點的距離與信令重建延遲沒有明顯的聯(lián)系。
1 測試環(huán)境和測試方案
1.1 移動IPv6實驗床
本測試中使用的移動IPv6環(huán)境是安裝了芬蘭赫爾辛基技術大學開發(fā)的基于Linux操作系統(tǒng)的移動IPv6 MIPL(Mobile IPv6 for Linux)實驗床[3]，使用的MIPL系統(tǒng)版本為mipv6-1.1-v2.4.26，配套使用的Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核版本為Linux 2.4.26。實驗床的拓撲結構如圖1所示。
節(jié)點CN、HA和AR是安裝了MIPL軟件的Linux主機，它們之間通過純IPv6有線網(wǎng)絡互聯(lián)。AP1和AP2為無線接入點AP(Access Point)，型號為Linksys Wap11。移動節(jié)點MN安裝了Linux操作系統(tǒng)和MIPL軟件的Acer Notepad，它通過使用802.11b協(xié)議的無線網(wǎng)卡與AP1、AP2進行通信。
1.2 測試方案
1.2.1 切換過程
在正常的切換過程中，移動節(jié)點發(fā)生切換是因為移動節(jié)點移出了原來的無線接入點的信號覆蓋范圍，或是移動節(jié)點檢測到了信號更好的無線接入點。這樣的切換過程包括本文前面提到的移動檢測和信令重建兩個過程。為了單獨分析移動節(jié)點切換時的信令重建過程，本測試中通過在移動節(jié)點上執(zhí)行iwconfig命令，將移動節(jié)點的無線網(wǎng)卡連接到新的無線接入點。之后，移動節(jié)點就可以從新的無線接入點處接收路由器通告，獲得轉交地址，向家鄉(xiāng)代理進行注冊，從而完成切換。整個切換過程排除了移動檢測階段，因此測試中所有涉及到的切換過程均只包括信令重建過程。
1.2.2 測試業(yè)務
本文對使用ICMPv6協(xié)議和TCP協(xié)議的業(yè)務進行了測試。選擇這兩種業(yè)務，主要是基于如下考慮：
(1)ICMPv6中的PING6命令被用于檢測遠程節(jié)點是否可達，以及測試本地節(jié)點與遠程節(jié)點間的通信延遲。在本文的實驗中，節(jié)點CN使用PING6命令連續(xù)向移動節(jié)點MN發(fā)送ICMPv6 回顯請求(Echo Request)消息，通過對ICMPv6消息中斷時間的觀測給出移動節(jié)點MN切換時信令重建過程的延遲。
(2)在有線網(wǎng)絡中，由于誤碼率非常低，TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)包丟失看作是網(wǎng)絡發(fā)生擁塞的信號，啟動擁塞控制機制。但是，在無線移動網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)包丟失主要是由無線信道高誤碼率和移動節(jié)點的切換造成的。當移動節(jié)點發(fā)生切換時，TCP 協(xié)議誤認為網(wǎng)絡發(fā)生了擁塞而采取擁塞控制措施。這樣不但不能改善性能，反而降低了吞吐量，導致性能下降。本文通過對TCP擁塞窗口CWND(Congestion Window)的觀測，嘗試對TCP業(yè)務在信令重建過程中受到的影響進行分析。
1.2.3 通信速率
本文測試中通過設定無線網(wǎng)卡固定傳輸速率的方法來限定無線信道的傳輸速率。由于移動節(jié)點MN的無線網(wǎng)卡是使用802.11b協(xié)議，因此本文的測試中只使用1Mbps、2Mbps、5.5Mbps和11Mbps四種速率。
1.2.4 測試內(nèi)容
ICMPv6業(yè)務測試分為兩種情況：一種是移動節(jié)點MN由家鄉(xiāng)鏈路切換到外地鏈路，另一種是移動節(jié)點MN從外地鏈路切換回家鄉(xiāng)鏈路。節(jié)點CN使用PING6命令檢測移動節(jié)點MN的家鄉(xiāng)地址是否可達，通過tcpdump命令收集數(shù)據(jù)包，并分析移動節(jié)點切換對于ICMPv6業(yè)務的影響。
TCP業(yè)務的測試過程與ICMPv6業(yè)務基本相同，所不同的是節(jié)點CN使用TCP協(xié)議與移動節(jié)點MN進行通信。為了得到TCP連接的擁塞窗口大小，使用getsockopt命令來得到TCP連接的詳細信息。
2 實驗數(shù)據(jù)及分析
2.1 切換對ICMP業(yè)務的影響
表1給出了從tcpdump命令收集的數(shù)據(jù)中得到的移動節(jié)點切換延遲。
在表1中，距離指發(fā)生切換時MN距離無線接入點的距離；速率指設定的移動節(jié)點MN無線網(wǎng)卡的最高速率；OUT表示移動節(jié)點MN切換到外地鏈路時的切換延遲；IN表示移動節(jié)點MN切換回家鄉(xiāng)鏈路時的切換延遲。
可以看出，移動節(jié)點切換時的信令重建延遲是非對稱的，移動節(jié)點從家鄉(xiāng)鏈路切換到外地鏈路時的信令重建過程延遲為2～2.5秒，而從外地鏈路切換回家鄉(xiāng)鏈路時的信令重建過程延遲約為1～1.5秒。這是因為移動節(jié)點從家鄉(xiāng)鏈路切換到外地鏈路時需要通過自動配置獲得轉交地址COA(Care-Of-Address)，而從外地鏈路切換回家鄉(xiāng)鏈路時則沒有地址自動配置過程。
受無線信道質量的限制，移動節(jié)點實際很難達到11Mbps的通信速率。在去掉11Mbps的測試數(shù)據(jù)后不難發(fā)現(xiàn)，在切換測試中，移動節(jié)點使用5.5Mbps的通信速率時信令重建延遲普遍較小，特別是在MN距離無線接入點距離較大時。可見，移動節(jié)點的信令重建延遲與無線信道速率有一定聯(lián)系，隨著無線信道速率的提高，信令重建延遲有所減少。由于實際測試中對無線信道的干擾因素較多，因此在測試數(shù)據(jù)中不可避免地會出現(xiàn)一些異常數(shù)據(jù)，例如1米距離的測試數(shù)據(jù)中5.5Mbps的延遲要高于2Mbps和1Mbps的延遲。為了保證數(shù)據(jù)的真實性，本文保留了這些數(shù)據(jù)。
受實驗條件的限制，無法進行更遠距離的切換測試。從現(xiàn)有的測試數(shù)據(jù)來看，移動節(jié)點與無線接入點間的距離和移動節(jié)點的信令重建延遲沒有明顯的聯(lián)系。
2.2 切換對TCP業(yè)務的影響
2.2.1 相同通信速率和距離
圖2是移動節(jié)點MN使用5.5Mbps的速率與節(jié)點CN進行通信時TCP擁塞窗口報文段個數(shù)(CWND)的變化曲線。發(fā)生切換時MN與無線接入點的距離為3米。
從圖2中可以看出，在沒有切換發(fā)生時，擁塞窗口CWND的變化較為規(guī)則，擁塞窗口最小為7，切換過程中擁塞窗口保持為1，而且在切換完成后重新啟動了慢啟動過程?？梢奣CP協(xié)議將移動節(jié)點的切換誤判斷為網(wǎng)絡擁塞，啟動了擁塞控制機制。其結果就是降低了TCP協(xié)議的性能。
OUT曲線中CWND值為1的時間為6.006秒，IN曲線中CWND值為1的時間為2.942秒。由于CWND保持值為1的時間包括切換的信令重建時間和TCP協(xié)議的操作時間，因此這一時間要長于表1中的切換時間。MN切換到外地鏈路時通信中斷時間較長，對TCP業(yè)務性能的影響也較大。
2.2.2 相同距離不同通信速率
圖3和圖4分別是移動節(jié)點距離無線接入點3米處切換回家鄉(xiāng)鏈路和距離無線接入點1米處切換到外地鏈路時擁塞窗口CWND的變化曲線。移動節(jié)點分別以1Mbps、2Mbps、5.5 Mbps和11 Mbps的速率與節(jié)點CN進行通信。
圖3中CWND值為1的時間分別為3.483秒(1Mbps)、2.909秒(2Mbps)、2.942秒(5.5Mbps)和3.665秒(11Mbps)。圖4中CWND值為1的時間分別為4.951秒(1Mbps)、5.183秒(2Mbps)、3.023秒(5.5Mbps)和5.134秒(11Mbps)?？梢钥闯觯斎サ敉ㄐ潘俾蕿?1Mbps的數(shù)據(jù)后，隨著無線信道的速率提高，切換所需的時間有所減少。
3 總結與展望
從測試數(shù)據(jù)可以看出，移動節(jié)點切換時的信令重建延遲是非對稱的，移動節(jié)點切換到外地鏈路時的信令重建延遲要大于切換回家鄉(xiāng)鏈路時的信令重建延遲。隨著無線信道速率的提高，切換延遲有所減少。但是僅從測試收集的數(shù)據(jù)來看，切換時MN與無線接入點的距離對切換延遲并無明顯的影響。對于使用TCP協(xié)議的業(yè)務，由于還存在TCP協(xié)議自身的操作過程，業(yè)務中斷時間要長于信令重建延遲。
由于測試均在實際環(huán)境中進行，存在一些如無線信道干擾等難以控制的客觀因素，因此造成實驗中存在一些異常數(shù)據(jù)。受實驗條件限制，測試中未考慮同一AP下多個移動節(jié)點競爭的情況和通信對端為移動節(jié)點的情況，這也是今后將要深入研究的內(nèi)容。
本文客觀、準確地對信令重建延遲進行了測量和分析，對如何加速信令重建過程、減少信令重建延遲具有一定的指導意義。雖然在移動節(jié)點發(fā)生切換后仍能保持TCP連接，但是由于TCP協(xié)議啟動了擁塞控制機制，且切換所需的時間較長，因此不可避免地降低了業(yè)務性能。如何使得TCP協(xié)議能夠區(qū)分網(wǎng)絡擁塞丟包、切換丟包和無線信道誤碼丟包，避免TCP協(xié)議在切換和無線誤碼丟包時進入擁塞控制階段，以加速TCP業(yè)務的切換過程，提高TCP協(xié)議性能是值得深入研究的課題。
參考文獻
1 Soliman H，Castelluccia C，Malki K E et al.Hierarchical mobile IPv6 mobility management (HMIPv6).RFC4140，2005
2 Koodli R.Fast handovers for mobile IPv6.RFC4068，2005
3 Mobile IPv6 for Linux(MIPL).http：//www.mobile-ipv6.org/