陳 蕙

*北京交通大學(xué)通信與信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 工程碩士研究生,100044 北京

最近幾年,乘客對(duì)于列車附加功能的要求越來(lái)越高,伴隨著無(wú)線技術(shù) (例如藍(lán)牙、超帶寬和衛(wèi)星)的發(fā)展,在高速列車中部署移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將成為鐵路發(fā)展的新興業(yè)務(wù)。

雖然 IPv6(MIPv6),FMIPv6和 HMIPv6為高速列車的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入提供了較為完整的移動(dòng)性解決方案,但這些方案在終端參與到移動(dòng)性信令交互過(guò)程中需要移動(dòng)終端擴(kuò)展相應(yīng)的功能,從而限制了其在列車環(huán)境下的應(yīng)用。為此,研究由 IETF NETLMM工作組頒布的基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理協(xié)議 (PMIPv6)在高速列車環(huán)境下的應(yīng)用。

1 PM IPv6協(xié)議流程

PMIPv6是在移動(dòng) IPv6的基礎(chǔ)上引入了本地移動(dòng)錨點(diǎn) (LMA)和移動(dòng)接入網(wǎng)關(guān) (MAG)2個(gè)新的功能實(shí)體。LMA支持移動(dòng) IPv6中家鄉(xiāng)代理的功能,并對(duì)其綁定緩存進(jìn)行了擴(kuò)展,增加了代理移動(dòng)IPv6標(biāo)識(shí),移動(dòng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、接口標(biāo)識(shí)、鏈路本地地址、IPv6家鄉(xiāng)前綴、雙向隧道標(biāo)識(shí)、接入技術(shù)標(biāo)識(shí)和時(shí)間戳等選項(xiàng)。此外,LMA為每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分配 1個(gè)惟一的前綴,若移動(dòng)節(jié)點(diǎn)有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口,則為每個(gè)接口分配 1個(gè)網(wǎng)絡(luò)前綴。MAG是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在接入鏈路上的默認(rèn)路由器,主要功能:①檢測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的接入和離開;②通告移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴來(lái)模擬節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò);③為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸通道。代理移動(dòng)IPv6域的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PMIPv6的注冊(cè)過(guò)程如圖 2所示。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入一個(gè)代理移動(dòng) IPv6域后,其當(dāng)前接入鏈路的移動(dòng)接入網(wǎng)關(guān)將獲得其標(biāo)識(shí),據(jù)此移動(dòng)接入網(wǎng)關(guān)可以對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行代理移動(dòng) IPv6服務(wù)的認(rèn)證。如果網(wǎng)絡(luò)決定為該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供代理移動(dòng) IPv6服務(wù),則移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以使用任何被允許的地址配置機(jī)制在連接接口獲得地址配置,并且可以在代理移動(dòng)IPv6域內(nèi)任意移動(dòng)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所獲得的地址配置包括根據(jù)家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴生成的地址,當(dāng)前鏈路的默認(rèn)路由器地址和其他相關(guān)的配置參數(shù)。從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的角度看,整個(gè)代理移動(dòng) IPv6域是一個(gè)單獨(dú)的鏈路。網(wǎng)絡(luò)將使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為它一直處在獲得初始地址配置的那個(gè)鏈路上,即使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)改變了自己在網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)。

圖1 代理移動(dòng) IPv6域

圖2 代理移動(dòng)IPv6注冊(cè)過(guò)程

發(fā)往 MN和來(lái)自 MN的數(shù)據(jù)包都要通過(guò)MAG和 LMA之間的隧道進(jìn)行傳輸。基于網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域移動(dòng)性管理機(jī)制有效解決了全局移動(dòng)性機(jī)制中 3個(gè)基本問題。

1.提高了切換性能。在切換過(guò)程中,從鏈路切換開始到 IP子網(wǎng)配置和全局移動(dòng)性管理信令傳輸完成,這段時(shí)間造成的延遲導(dǎo)致了切換時(shí)丟包的發(fā)生。在此期間,對(duì)端節(jié)點(diǎn)的通信仍然將數(shù)據(jù)包發(fā)往舊的鏈接但不能訪問 MN,誤傳的數(shù)據(jù)包就會(huì)被丟棄。設(shè)計(jì)區(qū)域移動(dòng)性管理機(jī)制的目的是減少 IP切換的延遲,使切換之后更改轉(zhuǎn)發(fā)的處理時(shí)延,盡可能地接近相應(yīng)的鏈路層切換時(shí)延和 IP層移動(dòng)檢測(cè)需要時(shí)延的總和,以避免過(guò)多的數(shù)據(jù)包丟失。

2.減少了與切換相關(guān)的信令量。信令需求對(duì)切換性能有很大的影響,比如會(huì)對(duì) MN的共享鏈路(如無(wú)線鏈路,其鏈路容量不容易擴(kuò)展)的鏈路數(shù)據(jù)流量造成影響。盡量減少?gòu)?MN發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的切換信息量,在切換的過(guò)程中只引進(jìn) IP層移動(dòng)檢測(cè)需要的信令,如果鏈路層支持 IP層移動(dòng)性檢測(cè),MN在鏈路層切換后可以不執(zhí)行其他 IP層的信令。

3.位置安全性考慮。允許 2層檢測(cè),對(duì) 3層地址限制較少,這些方法可以減少對(duì)位置安全的威脅。具體來(lái)說(shuō),在一個(gè)接入網(wǎng)內(nèi),MN進(jìn)行鏈路間切換時(shí)不需要改變IP地址,在一個(gè)大的地理區(qū)域中保持 IP地址不變。這就減小了攻擊者推斷出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)地理位置的機(jī)會(huì)。

2 PM IPv6在高速列車中的部署

PMIPv6技術(shù)可以為列車上的用戶提供移動(dòng)過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)。配置在車廂內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)列車移動(dòng)路由器(P-MR),提供無(wú)線接入服務(wù);對(duì)于沿途部署的 MAG,P-MR就是一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn),其連通性通過(guò) PMIPv6來(lái)提供。

圖3 P-MR的切換流程

由于車廂內(nèi)的旅客較多,會(huì)帶來(lái)移動(dòng)路由器的單點(diǎn)失效及帶寬瓶頸問題,所以應(yīng)在每個(gè)車廂部署一個(gè)移動(dòng)路由器,LMA可以部署在可控可管的地方,以方便日常檢修和維護(hù)。在列車移動(dòng)過(guò)程中,P-MR的切換流程如圖3所示。

當(dāng) P-MR獲得初始地址配置之后執(zhí)行切換,在原鏈路上的 MAG將會(huì)檢測(cè)到 P-MR的離開并通知LMA,然后刪除維持 P-MR的綁定信息和路由狀態(tài)。LMA在收到通知后等待一段時(shí)間再刪除 P-MR的綁定信息,以確保 P-MR的平滑切換。新鏈路上的 MAG在檢測(cè)到 P-MR的接入之后將向 LMA發(fā)送信令消息,更新 P-MR的綁定狀態(tài)。更新完畢后,P-MR就可以繼續(xù)接收包含其家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴的路由通告,由于家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴不變,P-MR的地址配置也不改變,這使 P-MR認(rèn)為它仍然在相同的鏈路上并且繼續(xù)在新的鏈路上使用與原來(lái)相同的地址進(jìn)行通信。

3 性能評(píng)價(jià)

3.1 測(cè)試環(huán)境

為了模擬鐵路應(yīng)用場(chǎng)景,對(duì) P-MR在 LMA域中的多個(gè) MAG域間以水平運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行切換性能測(cè)試。測(cè)試拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 測(cè)試拓?fù)鋱D

其中,各實(shí)體配備的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如下:

LMA上包含有 3塊有線網(wǎng)卡,均為 100 Mb/s自適應(yīng)快速以太網(wǎng)卡。

P-MR采用 DELLD500筆記本電腦,配備 Cisco Aironet 350無(wú)線網(wǎng)卡,完成所有的切換過(guò)程。

AR1和 AR2作為 MAG1和 MAG2,是 2臺(tái)接入路由器,配備 100 Mb/s自適應(yīng)快速以太網(wǎng)卡,同時(shí)搭配Cisco Aironet1200AP,負(fù)責(zé)無(wú)線發(fā)送通告消息,檢測(cè) MN的接入與離開。

CN為互聯(lián)網(wǎng)中和 P-MR通信的任一主機(jī),實(shí)驗(yàn)環(huán)境中其為外地網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī) Server,負(fù)責(zé)與 PMR進(jìn)行通信,同時(shí)也作為整個(gè)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中的一臺(tái)流媒體服務(wù)器,配備一塊 100 Mb/s有線網(wǎng)卡。各實(shí)體的網(wǎng)卡配置如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境地址分配情況

3.2 測(cè)試結(jié)果

在 PMIPv6協(xié)議運(yùn)行過(guò)程中,P-MR在 MAG1和 MAG2之間進(jìn)行切換,條件同上。在 P-MR上抓包如圖 5所示。

圖5中橫坐標(biāo)為 P-MR上接收到 UDP數(shù)據(jù)包的時(shí)間,縱坐標(biāo)為接收到數(shù)據(jù)包的數(shù)量,在 20.7 s,51.7 s,92.7 s時(shí) PMR執(zhí)行切換命令,切換時(shí)延分別為230 ms,220ms,190ms。通過(guò) 50次的測(cè)試,得到平均切換時(shí)延為216 ms。

當(dāng)運(yùn)行 PMIPv6協(xié)議時(shí),令 P-MR向 CN發(fā)送 Ping包,每秒發(fā)送 1個(gè)。每發(fā)送 50個(gè) Ping包對(duì) P-MR做一次切換,共發(fā)送 500個(gè) Ping包,丟包率為1%。

圖5 PMIPv6切換性能分析示意圖

在 MIPv6協(xié)議運(yùn)行過(guò)程中,P-MR在 MAG1和 MAG2之間進(jìn)行切換。PMR可以使用帶有家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴的地址進(jìn)行通信。通信對(duì)端節(jié)點(diǎn)地址為3ffe:3240:8007:2005::5。通信對(duì)端節(jié)點(diǎn)向 P-MR發(fā)送 200個(gè) UDP數(shù)據(jù)包,時(shí)間間隔為 0.5 s,并在此過(guò)程中進(jìn)行切換。在 P-MR上抓包如圖6所示。

圖6 MIPv6切換性能分析示意圖

圖6中橫坐標(biāo)為 P-MR上接收到 UDP數(shù)據(jù)包的時(shí)間,縱坐標(biāo)為接收到數(shù)據(jù)包的數(shù)量。圖上顯示在 23.8 s,54.2 s,78.1 s時(shí) P-MR執(zhí)行切換命令,切換時(shí)延分別為 2.1 s,2.0 s,1.6s。通過(guò) 50次測(cè)試,得到平均切換時(shí)延為 2.03 s。

當(dāng)運(yùn)行 MIPv6協(xié)議時(shí),令 P-MR向 CN發(fā)送Ping包,每秒發(fā)送 1個(gè)。每發(fā)送 50個(gè) Ping包對(duì) PMR做一次切換,共發(fā)送 500個(gè) Ping包,丟包率為6%。

相比于 MIPv6移動(dòng)性管理,PMIPv6能夠顯著減小切換時(shí)延及切換過(guò)程中的數(shù)據(jù)包丟失。

4 結(jié)論

PMIPv6可以作為一種極有前景的移動(dòng)性支持協(xié)議。它是 MIPv6的一個(gè)應(yīng)用繼承,而不是一種新的方法,其基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理反映了鐵路的特殊應(yīng)用場(chǎng)景,可以很好地作為高速列車信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的移動(dòng)性解決方案。

[1］ D.Johnson,C.Perkins,J.Arkko.Mobility Support in IPv6[S].RFC 3775.June 2003.

[2］ R.Koodli.Fast Handovers for Mobile IPv6[S].RFC 4068.July 2005.

[3］ H.Soliman,C.Castelluccia,K.El Malki.Hierarchical Mobile IPv6Mobility Management[S].RFC 4140.August 2005.

[4］ S.Gundavelli,Ed,K.Leung,V.Devarapalli,K.Chowdhury,B.Patil.Proxy Mobile IPv6.RFC5213.August 2008.