李婉婷 辛 默 劉予漫 吳 昊（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

近幾十年，中國的城市軌道交通經(jīng)歷了從無到有，從單一線路到城市內(nèi)四通八達的飛速發(fā)展。同時，城市軌道建設的發(fā)展也給人們的生活帶來了巨大的變化，如何在城市軌道建設中充分體現(xiàn)“以人為本”的主流思想也成為衡量城市軌道建設質(zhì)量的重中之重。而將和人們?nèi)粘Ｉ蠲懿豢煞值腎n ternet應用引入城市軌道交通建設，自然也成為城市軌道交通在新的移動互聯(lián)網(wǎng)時代體現(xiàn)“以人為本”的新趨勢。

業(yè)界已有很多研究探討過將移動IPv6（M ob ile IPv6, M IPv6）[1]技術應用于列車環(huán)境，如文獻[2,3]和文獻[4,5]分別研究了面向列車In ternet應用的切換和資源管理問題；文獻[6，7]進一步提出了列車移動網(wǎng)絡的服務質(zhì)量（Qua lity of Service, QoS）保障機制和多接口接入方案；文獻[8]對子網(wǎng)移動（Netw ork M ob ility, NEMO）技術[9]的路由優(yōu)化問題進行了綜述研究，這將為列車移動網(wǎng)絡的路由性能優(yōu)化提供一定的技術支持。

但是，這些研究都是基于由M IPv6擴展而來的NEMO技術。雖然NEMO技術保證了列車在全局范圍內(nèi)移動時上層應用的連續(xù)性，但是其基于終端的移動性支持機制也成為其在實際部署應用上最大的障礙。而在城市軌道交通環(huán)境中，移動體的移動范圍相對受限，此外，其突發(fā)性增大的流量和較短的會話持續(xù)時間對于移動性支持協(xié)議的性能具有更為苛刻的要求?；谶@些特點，本文將深入研究由IETF NETLMM工作組頒布的基于網(wǎng)絡的移動性管理協(xié)議（Proxy Mobile IPv6, PM IPv6）[10]在城市軌道交通中的應用。主要分為以下幾個部分：首先，本文將介紹基于M IPv6的NEM O技術；其次，根據(jù)城市軌道交通系統(tǒng)的特征，本文將設計基于PM IPv6技術的子網(wǎng)移動機制及其在城市軌道交通系統(tǒng)中的應用；最后，對這兩種信息網(wǎng)絡建設的關鍵技術進行分析比較并對全文進行總結。

李婉婷，女，碩士畢業(yè)于北京交通大學，工程師。主要研究方向包括城市軌道交通通信系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)技術。曾參與北京地鐵6號線、14號線通信系統(tǒng)設計工作。曾獲得2009年全國優(yōu)秀質(zhì)量管理小組等榮譽。2012年在《鐵道學報》發(fā)表論文一篇。

1 NEMO基本原理

IETF在傳統(tǒng)M IPv6協(xié)議[1]基礎上，通過擴展其綁定更新消息（B in d ing U p d a te,BU）和路由器通告消息（R o u te r ad ver tisem en t, RA）的內(nèi)容、增加移動路由器選項及相應的切換處理流程，形成NEM O基本支持協(xié)議[9]。具體網(wǎng)絡架構如圖1所示。在NEMO基本支持協(xié)議中，移動路由器（M obile Rou ter, MR）與其家鄉(xiāng)代理（Hom e A gen t, H A）之間通過建立雙向隧道進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。這是在M IPv6協(xié)議基礎上擴展實現(xiàn)的，其工作機制同M IPv6中雙向隧道的工作原理一樣。因此，在NEM O基本協(xié)議中，M R既可以作為移動節(jié)點（Mobile Node, MN），亦可以作為路由器：作為移動節(jié)點時，M R的功能類似于一個M IPv6節(jié)點，只負責接收/發(fā)送自己的數(shù)據(jù)包；而作為路由器時，M R的功能類似于一個邊緣路由器，需要建立和維護與H A之間的雙向隧道，完成數(shù)據(jù)包的封裝/解封裝和接收/轉(zhuǎn)發(fā)，還要對移動網(wǎng)絡內(nèi)部進行有效配置和移動性管理。因此，當M R作為路由器時，至少需要兩個接口：一個負責連接到外部網(wǎng)絡；另一個作為移動子網(wǎng)節(jié)點（M obile Netw ork Node,MNN）的默認網(wǎng)關。

當移動網(wǎng)絡離開家鄉(xiāng)鏈路并通過一個新的外地網(wǎng)絡接入路由器（A ccess Rou ter, AR）接入In ternet時，M R首先需要獲取新的轉(zhuǎn)交地址（Care-of Address, CoA）。然后發(fā)送BU給HA，更新其位置綁定信息。位置更新完成之后，H A和M R之間便建立了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)碾p向隧道，該隧道的兩端分別是H A的地址和M R的CoA。M NN與外部網(wǎng)絡中的通信對端節(jié)點（Co r resp on d in g Node, CN）通信時，數(shù)據(jù)包采用IPv6-in-IPv6方式封裝，并通過HA-MR間的雙向隧道傳輸。數(shù)據(jù)包的封裝/解封裝由H A和M R負責。當移動網(wǎng)絡整體移動，改變網(wǎng)絡接入點時，只需在M R和H A之間更新綁定狀態(tài)。這樣，對于CN和M NN來說，網(wǎng)絡的移動性被屏蔽了。

2 基于PMIPv6的城市軌道交通信息網(wǎng)絡

雖然NEMO技術能夠提供車載環(huán)境下的網(wǎng)絡接入服務，并保證列車在全局范圍內(nèi)移動時，乘客上層應用的連續(xù)性。但是其基于主機的特點造成了較大的切換時延和信令開銷[11]。因此，本文將在本章對基于PM IPv6的城市軌道交通信息網(wǎng)絡進行詳細介紹。

2.1 基本PMIPv6協(xié)議

PM IPv6是在M IPv6的基礎上引入了本地移動錨點（Local Mobility Anchor, LMA）和移動接入網(wǎng)關（M obility Access Gatew ay, MAG）兩個新的功能實體。LM A支持M IPv6中H A的功能，并對其綁定緩存進行了擴展。此外，LM A為每個M N分配一個唯一的前綴，若移動節(jié)點有多個網(wǎng)絡接口，則為每個接口分配一個網(wǎng)絡前綴。M AG是移動節(jié)點在接入鏈路上的默認路由器，具有3個主要功能：1）檢測移動節(jié)點的接入和離開；2）通告移動節(jié)點的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡前綴來模擬節(jié)點的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡；3）為移動節(jié)點構建數(shù)據(jù)傳輸通道。PM IPv6的操作流程如圖2所示。

MN進入一個代理移動IPv6域后，其當前接入鏈路的MAG將獲得它的標識。通過該標識，M AG可以對MN進行PM IPv6服務的認證。如果網(wǎng)絡決定為該MN提供PM IPv6服務，則MN可以使用任何被允許的地址配置機制在連接接口獲得地址配置，并且可以在PM IPv6域內(nèi)任意移動。M N所獲得的地址配置包括根據(jù)家鄉(xiāng)網(wǎng)絡前綴（Home Netw ork Prefix, HNP）生成的地址，當前鏈路的默認路由器地址和其它相關的配置參數(shù)。從M N的角度來看，整個PM IPv6域是一個單獨的鏈路。網(wǎng)絡將可以使M N認為它一直處在獲得初始地址配置的那個鏈路上，即使是M N改變了自己在網(wǎng)絡中的接入點，發(fā)往M N和來自M N的數(shù)據(jù)包都要通過M AG和LM A之間的隧道進行傳輸。PM IPv6對于切換性能的改進主要體現(xiàn)在：

1）提高了切換性能。PM IPv6的設計目標是減少IP切換的延遲，使切換處理時延盡可能地接近相應的鏈路層切換時延和IP層移動檢測時延的總和；

2）減少了與切換相關的信令量。PM IPv6盡量減少移動性管理的信令交互，且在切換的過程中無線鏈路未引入任何信令；

3）減小了數(shù)據(jù)發(fā)送開銷。PM IPv6建立了MAG和LM A之間的隧道，不同于M IPv6中M N和H A的隧道，從而降低了無線鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷。

2.2 城市軌道交通信息網(wǎng)絡的特點

為了在城市軌道交通系統(tǒng)中建設信息網(wǎng)絡，首先需要對其特點進行分析。

1）突發(fā)流量較大。在城市軌道交通中，突發(fā)流量（如上下班高峰）會給接入網(wǎng)帶來較大影響，這將有可能造成無線鏈路的嚴重擁塞；

2）平均會話時間較短。由于城市軌道交通乘客的乘車區(qū)間受限，從而使其在城市軌道交通信息網(wǎng)絡中發(fā)起的會話過程具有較短的持續(xù)時間。這將對乘客移動過程中的切換時延具有較高的要求；

3）列車網(wǎng)絡的域內(nèi)移動。由于城市軌道交通的特定建設路線，使其移動范圍被固定在特定的區(qū)域內(nèi)。這意味著列車網(wǎng)絡的移動和切換一直在一個固定的域內(nèi)進行。

2.3 基于PMIPv6的子網(wǎng)移動

由上述分析可知，PM IPv6更適合于城市軌道交通信息網(wǎng)絡的建設。但是基本的PM IPv6只提供了單個節(jié)點的移動性管理，需要對其進行擴展以實現(xiàn)對整個子網(wǎng)移動的支持。其結構如圖3所示[11]。

如圖3所示，M AG為部署在城市軌道交通線路中的接入路由器，而NEMO為城市軌道交通構成的移動子網(wǎng)。為了提供基于網(wǎng)絡的子網(wǎng)移動，將PM IPv6的本地移動域擴展到M R，也就是將M R也作為PM IPv6移動性實體，用于提供乘客的移動性管理。同時將LM A的綁定緩存擴展一個標志位（F lag）用于表示綁定的節(jié)點是否位于M AG下面。詳細的協(xié)議流程如圖4所示。

1）當M R接入到M AG時，M AG通過認證過程發(fā)現(xiàn)該節(jié)點為一個路由器，從而在發(fā)向LM A的PBU中包含M R_ID和Y標志，分別用于表示接入節(jié)點是標識為M R_ID的路由器，其接入位置為MAG；

2）此時，LM A更新綁定緩存，為M R建立雙向隧道，并為其分配家鄉(xiāng)網(wǎng)絡前綴MR_HNP；

3）由于無論M R在城市軌道區(qū)間內(nèi)切換到任何一個MAG，都將收到相同的HNP，所以MR不會發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡層的移動；

4）當乘客上車時，M R檢測到了M N的接入，從而向LM A發(fā)起綁定過程，其中PBU中包含M N_ID和N標志，用于表示接入節(jié)點是標識為MN_ID的終端，其接入位置為移動路由器；

5）LM A收到M R發(fā)來的PBU后，更新綁定緩存，并和M R建立了雙向隧道，并為M N分配前綴MN_HNP；

6）由于無論M N在城市軌道乘車期間，如何移動和換乘，都將收到相同的H NP，所以M N不會發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡層的移動。

為了給M N發(fā)送數(shù)據(jù)包，LM A需要進行遞歸的綁定緩存查詢。該機制也是對基本PM IPv6數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的擴展，主要借助于Flag標志。當LM A收到發(fā)向M N的數(shù)據(jù)包時，通過匹配H NP找到其接入路由器（AR）。如果該M N的F lag標志為Y，那么LM A將封裝的數(shù)據(jù)包直接發(fā)向AR所標識的路由器；但是如果Flag標志為N，那么LMA將繼續(xù)查找這一條目的AR所對應的綁定緩存。以此類推，直到LM A發(fā)現(xiàn)AR的綁定緩存中F lag為Y。隨后，LM A以綁定緩存查詢的順序?qū)?shù)據(jù)包進行多層封裝。而這個數(shù)據(jù)包會被沿途的AR逐一解封裝，并最終到達MN。

3 性能評價

本節(jié)將對基于M IPv6和基于PM IPv6的兩種機制進行比較分析，以說明基于PM IPv6的子網(wǎng)移動性擴展能夠更好的適用于城市軌道交通信息網(wǎng)絡。其特點總結如表1所示。

由表1可見，基于M IPv6的子網(wǎng)移動機制采用基于終端的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)全局范圍的移動性管理。這是沿襲了M IPv6的特點，但也存在M IPv6的缺陷如切換時延長，信令開銷大等。此外，由于采用基于終端的移動性管理，在無線鏈路上也存在信令交互和隧道封裝，從而嚴重影響了無線鏈路的利用率。但是基于PM IPv6的子網(wǎng)移動機制正是從這些缺陷出發(fā)，來尋求更適合區(qū)域移動的高效率子網(wǎng)移動性支持協(xié)議。從而使其更適合城市軌道交通的特殊環(huán)境，能夠有效的提高移動性管理的性能。

4 結 論

本文通過分析城市軌道交通信息網(wǎng)絡的特點，提出了基于PM IPv6的子網(wǎng)移動支持協(xié)議及其在城市軌道交通信息網(wǎng)絡中的部署方式。通過和基于M IPv6的N EM O技術的對比，可以看到本文提出的基于網(wǎng)絡的本地化子網(wǎng)移動支持機制更適合于在城市軌道交通系統(tǒng)中，為乘客提供網(wǎng)絡接入服務?？梢宰鳛槌鞘熊壍澜煌ㄏ到y(tǒng)信息化假設的一項解決方案。

[1] C.Perkins, D.Johnson, J.Arkko.RFC 6275： Mobility Support in IPv6[S]. 2011.

[2] 李昂.旅客列車車載移動網(wǎng)絡關鍵技術研究[D].北京:北京交通大學,2006.

[3] 任彥,蘇偉,張思東,等.列車移動網(wǎng)絡關鍵技術的研究[J].鐵道學報,2006,28（1）:121-124.

[4] 原小六.高速客運專線寬帶移動網(wǎng)中基于QoS的切換研究[D].長沙:中南大學,2007.

[5] 羅立軍.面向旅客列車Internet應用的移動IPv6切換性能研究[D].長沙:中南大學,2007.

[6] 嚴旭影.列車移動網(wǎng)絡的服務質(zhì)量保證關鍵技術研究[D].長沙:中南大學,2008.

[7] 關建峰,周華春,延志偉，等.基于多接口NEMO的移動性支持方案[J].鐵道學報,2009,31（5）:50-55.

[8] Shahriar A.Z.M., Atiquzzaman M., Ivancic W.. Route optimization in network mobility: Solutions, classification, comparison, and future research directions [J]. IEEE Communications Surveys&Tutorials, 2010，12（1）：24-38.

[9] Vijay Devarapalli, Ryuji Wakikawa, Alexandru Petrescu, et al. RFC 3963：NEMO Basic Support Protocol[S]. 2005.

[10] S. Gundavelli, K. Leung, V. Devarapalli,et al. RFC 5213：Proxy Mobile IPv6[S]. 2008.

[11] I. Soto, CJ. Bernardos, M. Calderon, et al. NEMO-Enabled Localized Mobility Support for Internet Access in Automotive Scenarios [J].IEEE Communications, 2009，47（5）：152-159.