陶銘 潘曉衡 鄧見光

(東莞理工學(xué)院 工程技術(shù)研究院，廣東東莞 523808)

IETF提出的層次型移動IPv6(HMIPv6，Hierarchical Mobile IPv6)［1］通過引入移動錨點 (MAP，Mobility Anchor Point)提供本地的家鄉(xiāng)代理服務(wù)，實現(xiàn)局部綁定更新，減少移動節(jié)點在外地網(wǎng)絡(luò)移動時，與家鄉(xiāng)代理和通信對端之間的頻繁綁定更新，提高有效數(shù)據(jù)的傳輸效率。MAP需要處理局部綁定更新以及對發(fā)往移動節(jié)點的隧道數(shù)據(jù)包進行封裝和解封裝操作。如果在采用了HMIPv6協(xié)議的大規(guī)模無線/移動網(wǎng)絡(luò)中僅部署單個MAP，隨著移動終端數(shù)量的增加，該MAP易成為流量傳輸?shù)钠款i。因此，在實際應(yīng)用中，通常需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的大小，采用多層MAP架構(gòu)以提供擴展性和魯棒性更好的移動服務(wù)。MAP可以是位于任意層次的特殊路由器，且可以位于同一層但功能獨立、互不干擾。然而，多層MAP架構(gòu)也帶來了額外的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和處理的開銷。文獻 ［2－3］在一定的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，對劃分最優(yōu)的MAP層數(shù)進行了建模分析。Pack在多層HMIPv6網(wǎng)絡(luò)中基于流體流動 (fluid-flow)移動模型提出了一種劃分最優(yōu)MAP層數(shù)的分析模型［2］，并分析了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、Session-to-Mobility(SMR)以及單位傳輸/綁定更新開銷對最優(yōu)層數(shù)的影響。Dutta在通用的N層HMIPv6網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中依據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及移動終端的移動模式提出了一種決定最優(yōu)MAP層數(shù)的數(shù)學(xué)分析模型［3］。同時，在部署了多層MAP的HMIPv6網(wǎng)絡(luò)中，為實現(xiàn)通信的連續(xù)性及減少系統(tǒng)開銷，為即將準(zhǔn)備切換的移動節(jié)點選擇一個最佳服務(wù)MAP以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的整體性能也是一個非常重要的問題。

MAP選擇策略可以大致劃分為兩類:靜態(tài)MAP選擇機制以及動態(tài)MAP選擇機制。本文首先對目前典型的MAP選擇策略進行了調(diào)研，然后選擇了三種典型的MAP選擇方案:Further-based、Velocitybased以及SMR-based作為比較對象，通過設(shè)置三種實驗場景，比較分析了這三種典型MAP選擇方案在系統(tǒng)開銷、平均切換時延方面的性能表現(xiàn)。

1 幾種典型的MAP選擇策略

靜態(tài)MAP選擇機制包括基于距離的選擇機制 (Distance-based)。其中，最遠MAP(Furthest-based)選擇機制是HMIPv6協(xié)議中建議的一種機制。通常來說，更高層的MAP其覆蓋范圍也更寬廣。對于快速移動節(jié)點來說，由于其需要頻繁地執(zhí)行越區(qū)切換，且HMIPv6對于“宏移動”仍然沿用MIPv6的標(biāo)準(zhǔn)切換過程，具有較大的切換時延和數(shù)據(jù)丟包率。因此，為有效避免快速移動節(jié)點頻繁地改變服務(wù)MAP以及執(zhí)行與家鄉(xiāng)代理 (HA，Home Agent)、通信對端 (CN，Corresponding Node)之間的全局綁定更新，F(xiàn)urthest-based比較適用于此類移動節(jié)點。但是由于移動節(jié)點具有不同的移動特性，如子網(wǎng)停留時間(Residence Time)、子網(wǎng)通過率 (Cross-over rate)等，F(xiàn)urthest-based并不適用于所有類型的移動節(jié)點。如果移動節(jié)點在外地網(wǎng)絡(luò)僅限于在局部區(qū)域內(nèi)移動，由于移動節(jié)點與最遠MAP之間的跳數(shù)最大，則選擇最遠MAP將增加傳輸局部綁定更新信令迂回的時延且導(dǎo)致更大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)開銷。此外，如果所有的移動節(jié)點都選擇最遠MAP作為它們的服務(wù)MAP，那么該MAP必將成為傳輸性能上的瓶頸，容易引起單點故障和負(fù)荷集中問題。

動態(tài)MAP選擇機制是一種MAP選擇的替代方案，通?？紤]MAP的當(dāng)前狀態(tài)以及移動節(jié)點的移動特性等因素，為移動節(jié)點選擇服務(wù)MAP?；谝苿铀俾实腗AP選擇機制 (Velocity-based)［4－5］主要是以移動節(jié)點的移動速率為評判標(biāo)準(zhǔn)選擇服務(wù)MAP。比如，對于需要頻繁越區(qū)切換的快速移動節(jié)點則選擇最高層的MAP，目的是減少由于頻繁更換服務(wù)MAP導(dǎo)致的全局綁定更新的開銷;而對于慢速移動節(jié)點，由于其并不需要頻繁地更換服務(wù)MAP，可為之選擇低層的MAP以減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的開銷。該機制的關(guān)鍵是需要事先定義移動速率的閾值以劃分移動節(jié)點是快速移動還是慢速移動。Natalizio將移動節(jié)點的移動速率定義為單位時間內(nèi)穿過的子網(wǎng)的數(shù)量［5］。但是由于移動節(jié)點并不總是保持一種移動狀態(tài)，而移動速率閾值的設(shè)置是固定的，因此，Velocity-based并不能夠充分反應(yīng)移動節(jié)點的行為特征，且閾值也較難設(shè)定。

自適應(yīng)MAP選擇機制也是一種典型的動態(tài)MAP選擇機制。Pack通過預(yù)測會話到達率和移動率的比值 (SMR，Session-to-Mobility)，為移動節(jié)點選擇服務(wù)MAP以最小化系統(tǒng)開銷［6］。Session定義為單位時間內(nèi)到達的會話 (Sessions)的數(shù)量;Mobility定義為單位時間內(nèi)移動節(jié)點訪問過的子網(wǎng)數(shù)量 (切換次數(shù))。SMR值越小，表示移動節(jié)點的移動率相比較會話到達率要高，為了減少頻繁更換服務(wù)MAP導(dǎo)致的全局綁定更新開銷，則應(yīng)考慮選擇高層的MAP;反之，為了保持會話的穩(wěn)定以及減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)開銷，則應(yīng)考慮選擇低層的MAP。Wang通過定義“Location rate”表示單位時間內(nèi)移動節(jié)點經(jīng)過的不同AR的數(shù)量，然后結(jié)合移動率和會話到達率，為移動節(jié)點選擇服務(wù)MAP［7］。Vilhar認(rèn)為移動節(jié)點所經(jīng)過路徑的重復(fù)性［8］可作為預(yù)知未來可用MAP的依據(jù)，并通過采用“移動節(jié)點到所選MAP的平均距離”和“平均服務(wù)MAP更換數(shù)量”兩個指標(biāo)進行衡量，為移動節(jié)點選擇合適的MAP。Kumagai基于移動節(jié)點的“移動歷史”提出了一種MAP選擇方案［9］。當(dāng)移動節(jié)點切換至新的AR時，該AR計算上層每個可達MAP的覆蓋率，即移動節(jié)點以往經(jīng)過的AR數(shù)量占各MAP覆蓋范圍內(nèi)AR總數(shù)量的比例，然后為移動節(jié)點選擇覆蓋率最大的MAP以避免其頻繁地更換服務(wù)MAP，減少宏移動的次數(shù)。Jeong則通過引入“Virtual MAP”的虛擬MAP層，自適應(yīng)選擇服務(wù)MAP以減少移動過程中的信令交互及位置更新開銷［10］。Hu綜合考慮了如下影響MAP選擇的因素:移動節(jié)點的速率 (Velocity)、會話到達率 (Session Arrival Rate)、MAP負(fù)載 (Load)及移動節(jié)點與MAP之間的距離 (Distance)等，為具有不同行為特征的移動節(jié)點選擇服務(wù)MAP［11］。Baek同樣考慮了如上影響因素［12］，但該方案對移動節(jié)點并不透明，移動節(jié)點的參與造成了額外的能耗開銷。

2 實驗比較分析

2.1 實驗設(shè)置

為了有效避免移動節(jié)點在移動過程中的邊界效應(yīng)，所采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ蜑榄h(huán)繞式模型［12］，如圖1所示。在該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，總共部署?層MAP，一個低層MAP域覆蓋4個AR，則高層MAP域覆蓋了64個AR。n表示MAP所在的層次，取n=0，1，2。各AR之間有信號覆蓋重疊區(qū)域，整個訪問域為無縫覆蓋。系統(tǒng)初始化時，將在場景中部署50個移動節(jié)點且各移動節(jié)點以等概率的方式朝任意方向移動。由于無線鏈路具有低帶寬、高誤碼率等特點，因此，數(shù)據(jù)包在無線鏈路上的傳輸開銷及傳輸時延要比在有線鏈路上的傳輸開銷要大。另外，由于Internet通常需要處理大量的數(shù)據(jù)，其網(wǎng)絡(luò)傳輸時延也應(yīng)比較大，因此，Internet的鏈路時延設(shè)置為20 ms。

本文設(shè)置了三種實驗場景，在總體部署的移動節(jié)點數(shù)量一定的情況下，各場景中具有不同移動速率的移動節(jié)點的比例各不相同，具體設(shè)置如表1所示。目的是觀察移動節(jié)點的移動速率對上述三種MAP選擇方案性能的影響。另外，各場景中的整個仿真過程將持續(xù)100 s。

圖1 仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

表1 三種實驗場景中具有不同移動速率的移動節(jié)點的比例分配表

2.2 性能分析與比較

2.2.1 系統(tǒng)開銷

圖2 三種MAP選擇方案在三種實驗場景中的系統(tǒng)開銷

三種MAP選擇方案在上述三種實驗場景中為移動節(jié)點選擇服務(wù)MAP時的系統(tǒng)開銷如圖2所示，其中會話到達率的值設(shè)置為。Furthest-based不管影響MAP選擇的因素如何變化，總是為移動節(jié)點選擇最高層的MAP，在實驗網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲斜憩F(xiàn)為MAP-0層的MAP。盡管減少了移動節(jié)點跨MAP域的切換所帶來的頻繁全局綁定更新開銷，但最高層MAP與移動節(jié)點之間的跳數(shù)最多，數(shù)據(jù)傳輸開銷也相應(yīng)最大。因此，相比較其他三種MAP選擇方案，F(xiàn)urthest-based具有最大的系統(tǒng)總開銷，且隨著會話達到率的增加，這種情況也愈加明顯。另外，從場景－1到場景－3，隨著低速移動節(jié)點比例的增加，移動節(jié)點越區(qū)切換的幾率減少。因此，綁定更新開銷有一定程度的減少，系統(tǒng)總開銷也隨之減少。Velocity-based以移動節(jié)點的移動速率作為選擇服務(wù)MAP的評判標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)移動速率較慢時，由于不需要頻繁地執(zhí)行越區(qū)切換，因此偏向于選擇低層MAP。隨著移動速率的增加，為減少頻繁全局綁定更新開銷，轉(zhuǎn)而選擇更高層的MAP，但數(shù)據(jù)傳輸開銷也隨之增加。從系統(tǒng)總開銷的分析模型來看，數(shù)據(jù)傳輸開銷占系統(tǒng)總開銷的比重更大。因此，從場景－1到場景－3，隨著低速移動節(jié)點的增加，更多地偏向于選擇低層MAP，數(shù)據(jù)傳輸開銷有一定程度的減少，系統(tǒng)總開銷也隨之減少。在SMR-based中，SMR定義為會話到達率與子網(wǎng)穿過率的比值。根據(jù)其選擇最佳服務(wù)MAP的原理，隨著會話達到率的增加，當(dāng)移動速率相對較小時，SMR的值相對較大，則優(yōu)先選擇低層MAP。當(dāng)移動速率增加時，SMR值變小的幅度更大，同樣為了減少頻繁全局綁定更新開銷，且為了保持會話的穩(wěn)定，優(yōu)先選擇高層MAP，但數(shù)據(jù)傳輸開銷也隨之增長。但從圖中可以看出，SMR-based的系統(tǒng)總開銷比起其它兩種方案都具有優(yōu)勢。

2.2.2 平均切換時延

所選服務(wù)MAP也是決定移動節(jié)點切換頻率的主要因素。由于MAP域間切換需要執(zhí)行全局綁定更新，因此，平均MAP域間切換時延要比平均MAP域內(nèi)切換時延要嚴(yán)重。三種MAP選擇方案在上述三種實驗場景中的平均切換時延所圖3所示。

圖3 三種MAP選擇方案在三種實驗場景中的切換時延

Furthest-based總是為移動節(jié)點選擇最高層的MAP作為服務(wù)MAP，減少了MAP域間切換的頻率且減少了所帶來的全局綁定更新時延。然而距離最遠的MAP與移動節(jié)點之間的跳數(shù)最多，當(dāng)發(fā)生MAP域內(nèi)切換時，局部綁定更新信令的交互時延將增加，MAP域內(nèi)切換時延也相應(yīng)增加。從場景－3到場景－1中，隨著高速移動節(jié)點數(shù)量的增加，MAP域內(nèi)切換將更加頻繁。因此，相比較其他三種方案，F(xiàn)urthest-based具有最長的平均MAP域內(nèi)切換時延。Velocity-based以移動節(jié)點的移動速率做為評判標(biāo)準(zhǔn)，其中，移動速率較慢的移動節(jié)點偏向于選擇低層MAP。由于在上述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲袑⒏鲗覯AP與HA、CN的距離設(shè)置成固定值，則各層MAP與HA、CN之間的信令傳輸時延是一定的。因此，低層MAP可減少MAP域內(nèi)切換局部綁定更新信令的交互時延。而隨著移動速率的增加，移動節(jié)點執(zhí)行越區(qū)切換的幾率也隨之增加。為了減少頻繁的全局綁定更新，轉(zhuǎn)而選擇更高層的MAP。然而當(dāng)發(fā)生MAP域內(nèi)切換時，高層MAP會增加局部綁定更新信令的交互時延。但總體來說，Velocity-based的平均域內(nèi)切換時延要比Furthest-based低。從場景－3到場景－1，隨著高速移動節(jié)點數(shù)量的增加，MAP域間切換的頻率將增加，移動節(jié)點的平均切換時延也將隨之增加。SMR-based將根據(jù)SMR的值選擇合適的服務(wù)MAP。當(dāng)移動速率增加時，為減少全局綁定更新開銷且保持會話的穩(wěn)定，優(yōu)先選擇高層MAP。但高速移動節(jié)點執(zhí)行切換的頻率將增加，平均切換時延也隨之增加。但相比較而言，SMR-based為移動節(jié)點選擇服務(wù)MAP的過程更加具有自適應(yīng)性。因此，SMR-based的平均域內(nèi)切換時延在三種方案中最小。

3 結(jié)語

引入MAP可以有效減少移動節(jié)點在域內(nèi)漫游時與外部節(jié)點之間的信令交互開銷。在實際應(yīng)用中，通常需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的大小，采用多層MAP架構(gòu)以提供擴展性和魯棒性更好的移動服務(wù)。然而，多層MAP架構(gòu)也帶來了額外的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和處理的開銷。因此，為即將準(zhǔn)備切換的移動節(jié)點選擇一個最佳服務(wù)MAP以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的整體性能是一個非常重要的問題。本文通過對目前典型的MAP選擇方案進行調(diào)研分析，選擇了三種典型的MAP選擇方案:Further-based、Velocity-based以及SMR-based作為比較對象，并設(shè)置了三種實驗場景，分別比較分析了這三種典型MAP選擇方案在系統(tǒng)開銷和平均切換時延方面的性能表現(xiàn)。下一步的工作將綜合考慮影響服務(wù)MAP選擇的各種因素，并權(quán)衡考慮主要的性能目標(biāo)，設(shè)計一種新的最佳服務(wù)MAP選擇策略。

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