劉亞娟

(宜賓學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，四川宜賓644007)

基于MPLS的移動IPv6網(wǎng)絡(luò)切換方案

劉亞娟

(宜賓學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，四川宜賓644007)

通過分析原有的移動IPv6網(wǎng)絡(luò)切換方案，提出了一種改進(jìn)的切換方案——基于MPLS技術(shù)的多轉(zhuǎn)交地址切換.即在原有MIPv6協(xié)議中的綁定更新消息中增加2個bit，實(shí)現(xiàn)多個轉(zhuǎn)交地址的靈活使用.理論分析證明此方案能夠降低移動IPv6網(wǎng)絡(luò)的切換時延和丟包率.

MIPv6；MPLS；轉(zhuǎn)交地址；QoS

移動接入設(shè)備的迅猛發(fā)展，不但給移動技術(shù)帶來很大的發(fā)展空間，同時也給移動技術(shù)提出很多挑戰(zhàn).在下一代無線通信系統(tǒng)中，出于對節(jié)約信道等方面的考慮，小蜂窩的架構(gòu)將會獲得越來越多地使用，這樣將會導(dǎo)致鏈路的頻繁切換.鏈路切換常由第二層協(xié)議或硬切換完成，而跨越IP子網(wǎng)的切換需要第三層協(xié)議或軟切換完成.根據(jù)切換時采用的方法，切換可分為快速切換、平滑切換和無縫切換三種類型.

快速切換即低延時切換，常采用蜂窩組播的方式，以帶寬為代價降低移動節(jié)點(diǎn)(MN)在越區(qū)切換時分組的延時.如文獻(xiàn)[1]中的快速切換方案，在小區(qū)邊緣處，移動接入設(shè)備根據(jù)鏈路的監(jiān)測結(jié)果，預(yù)先建立轉(zhuǎn)交鏈路，以降低切換過程中的時間延遲，但是由于切換過程中同時保持兩個鏈路通信，增加了鏈路帶寬的消耗.平滑切換即低丟失率切換，它采用緩存的方式降低MN在越區(qū)切換時的分組丟失.無縫切換既要降低分組的丟失率，又要降低分組的延時.

上述移動IP網(wǎng)絡(luò)中的切換技術(shù)主要是減小網(wǎng)絡(luò)切換過程的時延、丟包率等性能參數(shù).然而在支持QoS的移動IP網(wǎng)絡(luò)中不但要保證切換過程的時延、丟包率等性能參數(shù)，還要能夠?qū)Σ煌臉I(yè)務(wù)提供不同的服務(wù)性能，這就對移動IP網(wǎng)絡(luò)中的切換技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn).

移動IP網(wǎng)絡(luò)QoS解決方案的要求：中斷期間的QoS數(shù)據(jù)流終端最少；能夠有效確定切換過程中QoS重建所影響的終端路徑；切換完成后要能夠釋放原有路徑上的QoS狀態(tài)信息和已配的資源.

移動IP網(wǎng)絡(luò)QoS中存在的問題主要有：

①主機(jī)的移動性對QoS的影響

在通信連接過程中，移動環(huán)境中的無線鏈路傳輸質(zhì)量隨機(jī)變化，因此在無線環(huán)境下，一般無法提供QoS的“硬”保證，這就要求業(yè)務(wù)能夠自適應(yīng)移動環(huán)境的鏈路質(zhì)量變化.

②移動IP協(xié)議對QoS的影響

移動節(jié)點(diǎn)在相鄰區(qū)域間的切換，引起QoS流的傳輸路徑發(fā)生變化，從而對端到端的QoS保證造成很大的影響；即使傳輸路徑?jīng)]有發(fā)生變化，但移動節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)交地址的變化也會引起傳輸路徑上默認(rèn)節(jié)點(diǎn)無法正確轉(zhuǎn)發(fā)帶有與IP地址有關(guān)QoS參數(shù)的數(shù)據(jù)流.

為了解決上述問題，文獻(xiàn)[2]、[3]在原有移動IP切換機(jī)制的基礎(chǔ)定義了一種“QoSObject”選項，通過在移動IPv6網(wǎng)絡(luò)中利用綁定更新和綁定應(yīng)答消息中攜帶此選項，實(shí)現(xiàn)切換后QoS路徑的重建.文獻(xiàn)[4]中提出將IPv6報頭中20位的流標(biāo)簽定義為確保業(yè)務(wù)流質(zhì)量所需要的最低資源參數(shù)，并利用流量類別中剩余2位(CU)來區(qū)別分類業(yè)務(wù)的QoS方案，并通過仿真證明了此方案能夠降低移動IPv6網(wǎng)絡(luò)的切換延遲和丟包率.文獻(xiàn)[5]中提出基于MPLS的分層移動IPv6網(wǎng)絡(luò)，利用隧道技術(shù)來提高移動IPv6網(wǎng)絡(luò)的性能——降低時延、提高吞吐量.

但是這些方案的共同缺點(diǎn)是：在移動協(xié)議中定義新的信令消息，增加了節(jié)點(diǎn)的處理負(fù)擔(dān).

1 切換方案的探討

為了改善移動IPv6網(wǎng)絡(luò)中的QoS問題，本文在支持Diff-Serv模型的移動MPLSv6網(wǎng)絡(luò)中提出一種新的改善切換方案.

1.1 原有切換技術(shù)

關(guān)于在MPLSv6網(wǎng)絡(luò)的切換過程中為不同業(yè)務(wù)提供不同的、端到端的QoS的研究，國際上已經(jīng)存在了很多這方面的研究成果.

在文獻(xiàn)[6]中ITU-T推薦了兩種切換方案，方案不但能夠改善MMPLSv6網(wǎng)絡(luò)切換性能，而且可能保證MMPLSv6網(wǎng)絡(luò)的端到端QoS.

在支持MPLS的移動IPv6網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)MN從一個外地區(qū)域移動到另一個外地區(qū)域，MN節(jié)點(diǎn)需要向家鄉(xiāng)代理(HA)和通信對端(CN)進(jìn)行注冊，并且已經(jīng)存在的QoSLSP將發(fā)生改變，必須利用新的轉(zhuǎn)交地址建立新的QoSLSP.可是這樣做的結(jié)果是存在著很大的切換時延，并且有可能還會中斷數(shù)據(jù)流的QoS保證.為了減少切換時延和保證QoS，文獻(xiàn)[6]中詳細(xì)的介紹了兩種實(shí)現(xiàn)方案：

①擴(kuò)展LSP(E-LSP)

當(dāng)MN節(jié)點(diǎn)從舊的AR(OAR)移動到新的AR (NAR)處時，NAR向OAR發(fā)送注冊更新消息，通知移動節(jié)點(diǎn)新的轉(zhuǎn)交地址，從而建立從OAR到NAR的LSP.這樣做的好處是：在切換過程中，CN發(fā)送的數(shù)據(jù)報可以經(jīng)過OAR緩存后再發(fā)送給NAR.在完成切換后，再釋放這段LSP，從而減少數(shù)據(jù)包的丟失率.

雖然這種方案在一定程度上可以解決丟包率的問題，但時延問題依然存在，尤其是在不同的區(qū)域間移動的時候.當(dāng)NAR和OAR處于不同的區(qū)域是，在NAR區(qū)域的MN向OAR發(fā)送綁定更新信息時，信令信息要通過核心傳輸網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)，大大地增加了切換時延，同時這種方案還有容易造成環(huán)路、增加網(wǎng)絡(luò)開銷等缺點(diǎn).

②預(yù)先建立LSP

MN在OAR區(qū)域進(jìn)行通信時，當(dāng)MN節(jié)點(diǎn)檢測到NAR的存在，且獲得了新的轉(zhuǎn)交地址，需要向HA和CN發(fā)送綁定更新消息來注冊新的轉(zhuǎn)交地址，刷新HA和CN的綁定緩存.

由于MIPv6允許MN節(jié)點(diǎn)擁有多個轉(zhuǎn)交地址，所以這種方案比較適合MIPv6網(wǎng)絡(luò).MN獲得新的轉(zhuǎn)交地址立即對HA和CN進(jìn)行綁定更新，容易造成移動系統(tǒng)中的乒乓效應(yīng)，進(jìn)而增加丟包率.

為了解決上述兩種方案中存在的問題，本文提出一種改進(jìn)的方案，以便于盡可能地降低切換時延和丟包率.

1.2 改進(jìn)的切換方案

方案的主題思想：當(dāng)MN檢測到新的AR并且獲得新的轉(zhuǎn)交地址后，并不是立即向HA和CN進(jìn)行綁定更新.而是利用綁定更新消息將新轉(zhuǎn)交地址放入到MAP/EGW或者是CN的轉(zhuǎn)交地址表中，作為備用轉(zhuǎn)交地址.如果移動節(jié)點(diǎn)還在本區(qū)域(OAR)內(nèi)，MAP/EGW根據(jù)收到的消息，利用備用轉(zhuǎn)交地址，從MAP/EGW到新的AR之間建立一條符合一定QoS要求的LSP；如果MN已經(jīng)不在本區(qū)域，則建立一條從MN到CN之間的QoSLSP.不需要立即向HA進(jìn)行綁定更新.

這樣做的好處是：如果MN在OAR和BAR的重疊區(qū)域，將新轉(zhuǎn)交地址向MAP或者CN注冊為備用地址，那么，①當(dāng)主轉(zhuǎn)交地址的無線信道的誤碼率太高，導(dǎo)致丟包率過大時，MN可以向MAP/EGW或者CN發(fā)送綁定更新消息，通知MAP/EGW或者CN同時使用主轉(zhuǎn)交地址和備用轉(zhuǎn)交地址跟MN進(jìn)行通信，以此來提高丟包率.②當(dāng)MN完全移動到某個區(qū)域，使用一個AR完全可以滿足MN節(jié)點(diǎn)的通信要求時，則將此時的轉(zhuǎn)交地址作為主轉(zhuǎn)交地址.③MN在MAP之間的重疊區(qū)域，即使MN移回舊的AR，MN可以使用HA中的舊轉(zhuǎn)交地址與CN進(jìn)行通信.不需要重新進(jìn)行綁定更新，只需向CN進(jìn)行綁定更新，以便降低丟包率.

本方案修改MIPv6中的綁定更新消息(圖1)，用來通知MAP/EGW或CN是否同時使用主、備轉(zhuǎn)交地址進(jìn)行通信.其中CC置00：選用備用轉(zhuǎn)交地址作為主轉(zhuǎn)交地址；置11：移動節(jié)點(diǎn)請求同時使用主轉(zhuǎn)交地址和備用轉(zhuǎn)交地址進(jìn)行通信.

圖1 修改后的綁定更新消息

2 新切換方案的性能分析

時延和丟包率是移動切換技術(shù)好壞的主要性能參數(shù).下面對新方案的性能進(jìn)行一定的理論分析來說明該切換方案的優(yōu)越性：切換時延低和低丟包率.

①切換延遲

新切換方案中關(guān)于切換延遲的分析如下：

師：在老師沒有出示結(jié)果之前，我們只能去猜測，硬幣可能在老師的右手里，也可能在老師的左手里。現(xiàn)在看（伸開手）一定在老師的（ ）手里，它有可能在陳欣的手里嗎？

分析的前提條件：Internet網(wǎng)絡(luò)為一個節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的鏈路延遲相等；網(wǎng)絡(luò)中QoSLSP是在移動節(jié)點(diǎn)完成“綁定更新”過程后建立的.

圖2和圖3給出了原有的切換方案和新的切換方案在切換時延上的對比.

圖2 域間切換方案

圖3 切換時延

移動節(jié)點(diǎn)在time=0時刻第一次檢測到移動性，發(fā)起三層的注冊過程.如果在移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三層切換的期間內(nèi)，再次檢測到移動，移動節(jié)點(diǎn)將再次發(fā)起綁定更新消息進(jìn)行三層切換，切換延遲將被延長；切換延遲與三層切換的起始時間與再次檢測到移動性的時間之差成正比.如果移動節(jié)點(diǎn)是在切換過程完成后再次檢測到移動性，則需重復(fù)注冊過程.

②丟包率

數(shù)據(jù)包被丟棄的條件：至少發(fā)現(xiàn)一個誤碼.已知無線信道的誤碼率為E(E?1)，假設(shè)數(shù)據(jù)包的長度為L(L?1 E)，單位為bit.可使用概率的基本知識推導(dǎo)出丟包率的表達(dá)公式.

定義：Pi為數(shù)據(jù)包中出現(xiàn)i個比特誤碼的概率：

當(dāng)MN處于重疊區(qū)域時，如果AR為BS，則它的覆蓋區(qū)域是一個正六邊形（圖4）.當(dāng)MN處于圖4中的A重疊區(qū)域時，MN將會檢測到三個AR的存在，獲得三個轉(zhuǎn)交地址；當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)在圖4中B重疊區(qū)域時，MN將會檢測到兩個AR，獲得兩個轉(zhuǎn)交地址.

圖4 AR覆蓋圖

移動節(jié)點(diǎn)使用多個轉(zhuǎn)交地址同時通信時，根據(jù)古典概率的基本原理，只有當(dāng)從多個AR接收到的數(shù)據(jù)包全部丟棄，才認(rèn)為該數(shù)據(jù)包被丟棄.設(shè)單個AR的丟包率為P，則數(shù)據(jù)包的丟包率Pe為：

其中i∈{2,3}，含義為MN在重疊區(qū)域能夠檢測到的所有AR的個數(shù).

3GPP(第三代合作伙伴項目)在TS22.105中提出了不同業(yè)務(wù)的端到端QoS要求，其中話音業(yè)務(wù)要求為：時延建議小于150ms，最大不能超過400ms；時延抖動小于1ms；丟包率小于3%.根據(jù)上面的公式1可以推導(dǎo)出誤碼率E：

新的切換方案對應(yīng)的誤碼率為：

從圖5可以得出：如果要求P≤3%，而64≤L≤1 518，則E≤5.859 375E-5.這就是說即使是傳送的最小包長為64字節(jié)的分組，為了達(dá)到最大丟包率為3%的要求，誤碼率必須小于5.859 375E-5.

但是由于無線信道的復(fù)雜性，不穩(wěn)定性等特性容易造成誤碼率不能夠達(dá)到要求.尤其是在兩個小區(qū)的重疊區(qū)域.這時候，為了保證通信的質(zhì)量能夠達(dá)到某一個誤碼率的要求，可以考慮犧牲帶寬來提高誤碼率.即同時使用多個轉(zhuǎn)交地址與移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信.

圖6說明同時使用兩個轉(zhuǎn)交地址對誤碼率的改善情況.當(dāng)主、備轉(zhuǎn)交地址所在區(qū)域的信道誤碼率同為E-4時，使用主、備轉(zhuǎn)交地址通信進(jìn)行通信信道誤碼率可以提高到E-8.

圖5 分組長度與丟包率的關(guān)系

圖6 丟包率的改善情況

3 總結(jié)

隨著WLAN無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，如何利用多個熱點(diǎn)(AR)進(jìn)行通信，來改善網(wǎng)絡(luò)的性能，逐漸成為移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究熱點(diǎn).在此基礎(chǔ)上，本文提出基于MPLS技術(shù)的多轉(zhuǎn)交地址切換方案，并通過理論分析，證明此方案能夠利用多個熱點(diǎn)改善原有移動IPv6網(wǎng)絡(luò)的切換性能——切換時延和丟包率.

[1]Koodli R.Mobile IPv6 Fast Handovers[EB/OL].(2009-03)[2014-01-15].http://tools.ietf.org/htm l/draft-ietf-mipshop-rfc5268bis-01.

[2]Chaskar H,KoodliR.A framework for QoSsupport inmobile IPv6 [EB/OL].(2000-03)[2014-01-15].http://mirror.physik-pool.tuberlin.de/pub/ietf/ietf-tools.htm l/draft-chaskar-mobileip-qos-00. htm l.

[3]Chen JC,McAuley A,Caro A,etal.QoSArchitecture Based on differentiated services for next generation wireless IP networks[EB/ OL].(2000-07)[2014-01-15].http://tools.ietf.org/htm l/draft-itsumo-wireless-diffserv-00.

[4]王興虎,石景山,袁家斌,等.基于流標(biāo)簽的移動IPv6QoS框架研究[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2013,28(07):60-64.

[5]高為民,肖莉貞,李昕.一種基于移動IPv6移動網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2013,30(11):214-217.

[6]Choi JK,Kim M H,Um TW.Mobile IPv6 support in MPLS[EB/ OL].(2001-03)[2014-01-15].http://mirror.physik-pool.tu-berlin. de/pub/ietf/ietf-tools.htm l/draft-choi-mobileip-ipv6-mpls-00.htm l.

【編校：許潔】

A Handoff Plan for M IPv6 Netw ork Based on MPLS

LIUYajuan
(SchoolofPhysicsand Electronic Engineering,Yibin University,Yibin,Sichuan 644007,China)

A new handovermethod on themobile IPv6 network was proposed.This network has amultiple COAs base on the MPLS.By adding two bit in the binding updated message in the old mobile IPv6 network,the new handovermethod can choose the COA which has the bestQoS from multiple COAs.The theoretic analysis proves the new handovermethod can decrease thehandover latency and the rateofpacket losson themobile IPv6 network.

MIPv6;MPLS;care-of-address;QoS

TN929.5

A

1671-5365(2014)12-0089-04

2014-02-28修回：2014-03-29

劉亞娟(1980-)，女，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)閭€人通信技術(shù)

時間：2014-04-16 16:51

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20140416.1651.001.htm l