尹 星 吳國新 董永強(qiáng)

(1 東南大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，南京211189)

(2 江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013)

(3 東南大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京211189)

隨著移動(dòng)終端和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，僅為單個(gè)主機(jī)提供移動(dòng)性支持的移動(dòng)IPv6(MIPv6)［1］協(xié)議已不能滿足用戶對(duì)聯(lián)網(wǎng)方式和效率的要求.互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)在MIPv6 的基礎(chǔ)上提出了網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性基本支持協(xié)議(NEMO BSP)［2］，為諸如列車內(nèi)的車載設(shè)備和乘客攜帶的終端等多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)子網(wǎng)(稱為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò))整體發(fā)生移動(dòng)時(shí)提供統(tǒng)一、高效的網(wǎng)絡(luò)連接.由于MIPv6 和NEMO BSP 的切換過程會(huì)產(chǎn)生切換時(shí)延并引起報(bào)文丟失，這對(duì)實(shí)時(shí)性或數(shù)據(jù)完整性敏感的應(yīng)用影響較大［3］.

為改善主機(jī)的移動(dòng)切換性能，IETF 以MIPv6為基礎(chǔ)提出了快速移動(dòng)IPv6(FMIPv6)協(xié)議［4］，通過預(yù)先模式和反應(yīng)模式的切換來降低切換時(shí)延和丟包率，但切換性能較好的預(yù)先模式在主機(jī)高速移動(dòng)時(shí)容易失效，因此FMIPv6 主要適用于低速移動(dòng)場景.隨后，很多研究將FMIPv6 的快速切換機(jī)制應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)切換過程.Mussabbir 等［5］提出的切換方案(本文稱為F-NEMO)的切換流程與FMIPv6 類似，因此同樣存在FMIPv6 的不足.Ryu等［6］在F-NEMO 的基礎(chǔ)上提出的EF-NEMO 方案采用向家鄉(xiāng)代理發(fā)送臨時(shí)綁定更新的方法來降低報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)隧道的負(fù)荷.文獻(xiàn)［7-8］將FMIPv6 與層次化管理方法結(jié)合來降低域內(nèi)移動(dòng)切換時(shí)延.文獻(xiàn)［9-10］通過預(yù)先建立地址表的方法來降低切換過程中的重復(fù)地址檢測時(shí)延.這些方案都側(cè)重于降低切換時(shí)延，并以此來降低丟包率，而對(duì)網(wǎng)絡(luò)在高速移動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)預(yù)先模式失效所引起的切換性能較差的問題考慮不足.

本文提出一種改進(jìn)的快速預(yù)先切換方案IFNEMO，針對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切換方案存在的高速移動(dòng)場景下預(yù)先模式容易失效的問題，通過優(yōu)化預(yù)先模式的信令流程來提高預(yù)先模式的成功率，以提高子網(wǎng)在高速移動(dòng)時(shí)的切換性能.最后通過性能分析和仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該方案的性能優(yōu)勢.

1 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切換模型

為了便于分析和優(yōu)化移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的切換過程，首先構(gòu)建如圖1所示的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切換模型.圖1中有2 個(gè)相鄰的接入路由器(AR)，即原接入路由器(PAR)和新接入路由器(NAR)，并且它們之間存在一定的信號(hào)重疊區(qū)域.在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)過程中，其內(nèi)部的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(MNN)通過移動(dòng)路由器(MR)與距離最近的AR 相連并接入Internet.當(dāng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)NEMO 從PAR 的信號(hào)覆蓋區(qū)域向NAR的信號(hào)覆蓋區(qū)域移動(dòng)時(shí)，MR 會(huì)執(zhí)行NEMO BSP所定義的切換處理過程，即按順序先后執(zhí)行鏈路層(L2)切換和網(wǎng)絡(luò)層(L3)切換.這一過程會(huì)導(dǎo)致MNN 與對(duì)端節(jié)點(diǎn)(CN)或家鄉(xiāng)代理(HA)之間的通信暫時(shí)中斷，并由此引起報(bào)文丟失.

圖1 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切換模型

基于FMIPv6 的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切換方案根據(jù)移動(dòng)速度的不同，采用預(yù)先模式和反應(yīng)模式的切換來提高網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)過程中的切換性能.在預(yù)先模式中，MR 會(huì)在L2 切換之前預(yù)先執(zhí)行部分L3 切換來降低總切換時(shí)延，并通過預(yù)先建立PAR 與NAR 之間的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)隧道和NAR 的報(bào)文緩存機(jī)制來減少切換過程中的丟包數(shù)量.雖然具有較好的切換性能，但預(yù)先模式需要進(jìn)行較長時(shí)間的預(yù)先L3 切換處理，當(dāng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)NEMO 移動(dòng)速度較快(如列車高速行駛)時(shí)容易導(dǎo)致預(yù)先模式失效，此時(shí)將執(zhí)行反應(yīng)模式.而反應(yīng)模式的L3 切換主要發(fā)生在L2 切換完成之后，因此仍具有較大的切換時(shí)延和丟包率，這就導(dǎo)致FMIPv6 及其擴(kuò)展方案在高速移動(dòng)場景中的切換性能仍不理想.

由上述分析可知，提高移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在高速移動(dòng)場景中成功執(zhí)行預(yù)先模式切換的概率，以避免因預(yù)先模式失效而執(zhí)行切換性能較差的反應(yīng)模式，對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)在高速移動(dòng)場景中的切換性能顯得尤為重要.

2 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切換方案IF-NEMO

本文提出的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切換方案IF-NEMO 著重對(duì)預(yù)先模式切換過程中的信令交互流程進(jìn)行優(yōu)化，以降低預(yù)先進(jìn)行L3 切換所需的時(shí)延，從而提高預(yù)先模式切換過程在網(wǎng)絡(luò)高速移動(dòng)時(shí)的成功率.下面將詳細(xì)闡述本文提出的切換方案.

2.1 接入路由器的相關(guān)信息維護(hù)機(jī)制

為了降低L3 切換過程中的地址配置與檢測時(shí)延，IF-NEMO 方案中每個(gè)AR 都通過維護(hù)一個(gè)AR 信息表來保存所有相鄰的其他AR 的信息.當(dāng)每個(gè)AR 啟動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)AR 信息表，且相鄰AR 之間會(huì)依據(jù)鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議［11］所定義的信令交互機(jī)制來相互交換地址、前綴等信息，以便實(shí)現(xiàn)AR 信息表的動(dòng)態(tài)更新.以圖1中的PAR 為例，其所維護(hù)的AR 信息表如表1所示.AR 信息表各列含義如下:①AR-ID (48 bit)為AR 的標(biāo)識(shí)符，本方案中使用AR 的鏈路層地址作為AR-ID;②ARIP (128 bit)為AR 與Internet 相連的接口的IPv6地址;③FNP(64 bit)為AR 在子網(wǎng)內(nèi)通告的網(wǎng)絡(luò)前綴.

表1 AR 信息表

此外，為了降低切換過程中的重復(fù)地址檢測(DAD)時(shí)延，每個(gè)AR 還需要維護(hù)一個(gè)已用地址列表，用于保存該AR 下所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(包括MN和MR)的轉(zhuǎn)交地址.NAR 在生成新的轉(zhuǎn)交地址時(shí)都會(huì)查詢其所維護(hù)的已用地址列表，以便使新生成的轉(zhuǎn)交地址不會(huì)發(fā)生重復(fù).NAR 在生成不重復(fù)的新轉(zhuǎn)交地址之后，需要將該地址添加到已用地址列表中.由于每個(gè)AR 都需要維護(hù)一個(gè)AR 信息表和一個(gè)已用地址列表，因此本方案會(huì)增加AR 的存儲(chǔ)開銷.但由于AR 往往位于邊緣網(wǎng)絡(luò)，鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，因此增加的存儲(chǔ)開銷對(duì)接入路由器性能的影響較小.

2.2 IF-NEMO 方案的切換過程

以圖1所示的切換模型為例，NEMO 在從PAR 的信號(hào)區(qū)域向NAR 的信號(hào)區(qū)域移動(dòng)的過程中，IF-NEMO 方案的切換過程如圖2所示.

圖2 IF-NEMO 方案的切換過程時(shí)序圖

圖2所示的IF-NEMO 方案切換過程分析如下:

①當(dāng)MR 在鏈路層檢測到PAR 信號(hào)強(qiáng)度變差或低于預(yù)定的閾值時(shí)，就會(huì)啟用接入路由器發(fā)現(xiàn)機(jī)制以尋找一個(gè)最合適的NAR.MR 將NAR-ID 和作為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)身份標(biāo)志的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)前綴(MNP)放入路由器請(qǐng)求代理(RtSolPr)消息中，然后發(fā)往PAR，以請(qǐng)求獲取新鏈路的相關(guān)信息.

②PAR 收到RtSolPr 消息后，會(huì)根據(jù)消息中的NAR-ID 在其所維護(hù)的AR 信息表中查詢對(duì)應(yīng)的新接入路由器IP 地址NAR-IP，然后向NAR 發(fā)送一個(gè)包含MNP 的切換發(fā)起(HI)消息，作用是向NAR 通告移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)即將發(fā)生切換，并請(qǐng)求NAR 預(yù)先為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的MR 分配新地址.

③NAR 收到HI 消息后，會(huì)使用自己通告的網(wǎng)絡(luò)前綴為MR 隨機(jī)生成一個(gè)新轉(zhuǎn)交地址(NCoA)，并查詢其所維護(hù)的已用地址列表，以便對(duì)NCoA 執(zhí)行重復(fù)地址檢測.若該地址與已用地址列表中的某個(gè)地址重復(fù)，則MR 會(huì)重新執(zhí)行上述過程，直到生成一個(gè)沒有重復(fù)的NCoA.然后，NAR將NCoA 加入到已用地址列表中，并將NCoA 放入切換確認(rèn)(HAck)消息中返回給PAR，同時(shí)NAR開始將目的地址為NCoA 的報(bào)文放入一個(gè)先進(jìn)先出的臨時(shí)緩存內(nèi).此外，NAR 還代替MR 向HA 發(fā)送一個(gè)包含MNP 與NCoA 之間的關(guān)聯(lián)(也稱為綁定，本文用〈MNP，NCoA〉的形式來表示)的預(yù)先綁定更新(BBU)消息，以便HA 預(yù)先更新綁定緩存.

④PAR 收到HAck 消息后，開始將發(fā)往MR原轉(zhuǎn)交地址(PCoA)的報(bào)文通過隧道封裝的方式向MR 的新地址NCoA 轉(zhuǎn)發(fā)，這些報(bào)文會(huì)被路由到NAR，然后被NAR 放入臨時(shí)緩存.PAR 還需向MR 返回一個(gè)包含NCoA 的代理路由器通告(PrRtAdv)作為對(duì)RtSolPr 消息的應(yīng)答.

⑤當(dāng)HA 收到NAR 發(fā)出的BBU 消息后，就會(huì)向NAR 返回一個(gè)預(yù)先綁定確認(rèn)(BBAck)消息，同時(shí)HA 在綁定緩存中將關(guān)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的綁定表項(xiàng)更新為〈MNP，NCoA〉，此后HA 將發(fā)往移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的報(bào)文通過隧道封裝方式發(fā)往NCoA.由于NCoA 是根據(jù)NAR 通告的前綴配置的，因此這些報(bào)文會(huì)被路由到NAR，并被NAR 緩存起來.步驟④和⑤是并行執(zhí)行的.

⑥一旦收到PAR 發(fā)出的PrRtAdv 消息，MR就可以與PAR 斷開連接并開始L2 切換，而無需像其他基于FMIPv6 的切換方案中的預(yù)先模式那樣要等MR 收到FBAck 消息后才能開始L2 切換.由于在步驟④中當(dāng)PAR 收到HAck 消息后就不再向MR 的原地址PCoA 轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，因此當(dāng)MR 收到PrRtAdv 消息后就開始L2 切換不會(huì)導(dǎo)致報(bào)文丟失.

⑦當(dāng)MR 完成L2 切換并接入NAR 后，就會(huì)向NAR 發(fā)送一個(gè)包含NCoA 和MR 在原先鏈路中收到的最后報(bào)文序號(hào)(LPN)的非請(qǐng)求鄰居通告(UNA)消息，以通告自己的接入.同時(shí)MR 向HA發(fā)出一個(gè)綁定更新(BU)消息.

⑧NAR 收到UNA 消息后，會(huì)將其所緩存的目的地址為NCoA 且報(bào)文序號(hào)大于LPN 的報(bào)文向MR 轉(zhuǎn)發(fā).雖然MR 發(fā)出的BU 消息的目的地址是HA，但NAR 會(huì)截獲該消息，并代替HA 生成一個(gè)綁定確認(rèn)(BA)消息，然后發(fā)往MR.

⑨當(dāng)MR 收到BA 消息后就與HA 建立起MR-HA 雙向隧道.此后MNN 就可以恢復(fù)與CN之間的雙向通信.

3 性能分析

為了分析和對(duì)比IF-NEMO 方案的切換性能，本文選擇網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)基本支持協(xié)議NEMO BSP［2］和基于FMIPv6 的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切換方案的典型代表FNEMO［5］，以及基于FMIPv6 的最新改進(jìn)切換方案EF-NEMO［6］作為對(duì)比方案.

性能分析過程中參照?qǐng)D1構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?假設(shè)有線和無線鏈路時(shí)延分別為TW和TWL，節(jié)點(diǎn)A 與B 之間的距離(用跳數(shù)表示)和端到端時(shí)延分別為dA-B和TA-B，消息x 從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所需時(shí)延為Tx.由于切換過程中MR 處于PAR 與NAR 的信號(hào)重疊區(qū)域，因此認(rèn)為MR 與PAR 和NAR 的距離相等，則有TMR-AR=TMR-PAR=TMR-NAR=TWL，NAR 向MR 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文的端到端時(shí)延為Tdata=TMR-AR.AR，HA 和CN 這3 個(gè)節(jié)點(diǎn)相互之間的端到端時(shí)延可以視為因特網(wǎng)中任意2 個(gè)節(jié)點(diǎn)間的平均端到端時(shí)延，因此令TAR-HA=TAR-CN=THA-CN=3TW.由于當(dāng)前路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的計(jì)算能力、存儲(chǔ)容量以及接口帶寬均在不斷提高，因此信令消息的處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延和發(fā)送時(shí)延相對(duì)于傳播時(shí)延而言可以忽略不計(jì).此外，假設(shè)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存的節(jié)點(diǎn)具備足夠大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，不會(huì)產(chǎn)生緩存溢出.

3.1 切換時(shí)延

子網(wǎng)移動(dòng)過程中的切換時(shí)延THO是指，MR 在原先鏈路中收到最后一個(gè)報(bào)文的時(shí)刻到MR 在新鏈路中收到第一個(gè)報(bào)文的時(shí)刻之間的間隔，即移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)因切換而產(chǎn)生的通信中斷時(shí)延.切換時(shí)延包含鏈路層切換時(shí)延TL2和網(wǎng)絡(luò)層切換時(shí)延TL3這2 部分.TL2僅與MR 的外部接口所采用的接入技術(shù)有關(guān)，可視為常量，而采用不同切換流程的切換方案中的TL3各不相同.下面將分析各方案的切換時(shí)延.

3.1.1 NEMO BSP 的切換時(shí)延

對(duì)于沒有采取任何切換優(yōu)化措施的NEMO BSP，在子網(wǎng)切換過程中網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)始終無法收發(fā)報(bào)文，因此總切換時(shí)延為TL2與TL3之和.NEMO BSP 的TL3包括如下3 部分:

①網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)檢測時(shí)延TMD.MR 在接入新鏈路后向AR 發(fā)送路由器請(qǐng)求(RS)消息以便獲取AR 回復(fù)的路由器通告(RA)消息，因此TMD=TRS+TRA.

②重復(fù)地址檢測時(shí)延TDAD.由于DAD 過程耗時(shí)較長，而生成轉(zhuǎn)交地址的處理時(shí)延可以忽略，因此可以用TDAD來表示轉(zhuǎn)交地址配置和檢測時(shí)延.

③家鄉(xiāng)注冊(cè)時(shí)延TREG－HA.TREG－HA是MR 向家鄉(xiāng)代理HA 發(fā)送BU 消息并等待接收HA 返回BA消息的時(shí)延，則TMD=TBU+TBA.

因此NEMO BSP 的總切換時(shí)延為

3.1.2 F-NEMO 的切換時(shí)延

由于F-NEMO 方案的預(yù)先模式和反應(yīng)模式切換過程分別與FMIPv6 中預(yù)先模式和反應(yīng)模式切換過程相似，只是切換處理由MR 而非MN 執(zhí)行.在F-NEMO 的預(yù)先模式切換過程中，當(dāng)MR 收到FBAck 消息后就開始進(jìn)行L2 切換，并在接入新鏈路后向NAR 發(fā)送快速鄰居通告(FNA)消息，以便NAR 將緩存的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給MR.因此F-NEMO 的預(yù)先模式切換時(shí)延為

F-NEMO 的反應(yīng)模式切換時(shí)延包含了從MR開始L2 切換到MR 收到NAR 轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)報(bào)文的這段時(shí)延.因此F-NEMO 的反應(yīng)模式切換時(shí)延為

3.1.3 EF-NEMO 的切換時(shí)延

作為F-NEMO 的改進(jìn)方案，EF-NEMO 通過讓NAR 向HA 發(fā)送臨時(shí)綁定更新(TBU)消息的方法來降低隧道開銷，但這樣并不能降低總切換時(shí)延.EF-NEMO 的預(yù)先模式切換時(shí)延為

在EF-NEMO 的反應(yīng)模式中，當(dāng)MR 完成L2切換并接入NAR 后，MR 發(fā)出的通告消息UNA 中也包含TBU，因此NAR 會(huì)代替MR 向HA 發(fā)送TBU 消息，此后HA 便可直接將報(bào)文發(fā)往MR 的新地址NCoA.EF-NEMO 的反應(yīng)模式切換時(shí)延為

3.1.4 IF-NEMO 的切換時(shí)延

在IF-NEMO 方案的切換過程中(見圖2)，一旦PAR 收到HAck 消息，就不再向MR 的原地址PCoA 轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，而是開始向MR 的新地址NCoA轉(zhuǎn)發(fā).當(dāng)MR 收到PAR 返回的PrRtAdv 消息后就可以立即開始L2 切換，并且不會(huì)產(chǎn)生報(bào)文丟失問題.因此IF-NEMO 方案的切換時(shí)延為

根據(jù)對(duì)上述方案切換時(shí)延的分析和對(duì)比可知，NEMO BSP 的切換時(shí)延最大，并且由于切換過程中的報(bào)文會(huì)全部丟失，因此NEMO BSP 的總體切換性能也最差.式(3)和式(5)所示的F-NEMO 和EF-NEMO 方案的反應(yīng)模式切換時(shí)延雖然略低于NEMO BSP 的切換時(shí)延，但它們依然包含了較大的DAD 時(shí)延.由式(2)、(4)和(6)可見，F(xiàn)-NEMO，EF-NEMO 和IF-NEMO 方案的預(yù)先模式切換時(shí)延相同，且明顯低于反應(yīng)模式切換時(shí)延.這說明IFNEMO 方案雖然以降低預(yù)先模式的預(yù)先切換時(shí)延為目標(biāo)，但仍然保持了較低的切換時(shí)延.

3.2 預(yù)先切換時(shí)延

在基于FMIPv6 的切換方案中，預(yù)先模式的預(yù)先切換時(shí)延TPRE是從MR 在鏈路層檢測出將要發(fā)生切換并觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)層發(fā)出第1 條切換信令開始，到MR 在不丟包的前提下與PAR 斷開連接的這段時(shí)間的最小值，即MR 在開始L2 切換之前預(yù)先進(jìn)行L3 切換處理過程所需的最小時(shí)延.降低預(yù)先切換時(shí)延是IF-NEMO 方案的核心目標(biāo)，因?yàn)樵摃r(shí)延越小，則表明網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)速度較快的情況下成功執(zhí)行預(yù)先模式切換的可能性越大，也就越能提高網(wǎng)絡(luò)在高速移動(dòng)場景中的切換性能.下面將對(duì)各方案中預(yù)先模式的預(yù)先切換時(shí)延進(jìn)行分析.

未采用預(yù)先切換機(jī)制的NEMO BSP 不存在預(yù)先切換時(shí)延，但代價(jià)是切換性能較差.

在F-NEMO 方案的預(yù)先模式切換過程中，只有當(dāng)MR 在原先鏈路中收到FBAck 消息后才可以開始進(jìn)行L2 切換，否則會(huì)產(chǎn)生丟包.因此FNEMO 方案中預(yù)先模式的預(yù)先切換時(shí)延是從MR發(fā)出RtSolPr 消息開始，到MR 收到PAR 返回的FBAck 消息的這段時(shí)延，其計(jì)算公式如下:

EF-NEMO 采取向HA 發(fā)送臨時(shí)綁定更新的方法使HA 提前向MR 的新地址轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，但MR仍然需要在原先鏈路中收到FBAck 消息才能離開原先鏈路，否則會(huì)出現(xiàn)報(bào)文丟失.因此EF-NEMO方案中預(yù)先模式的預(yù)先切換時(shí)延為

在IF-NEMO 方案中，當(dāng)PAR 收到NAR 返回的HAck 消息后，就不再向MR 的原地址PCoA 轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，因此PAR 發(fā)往原先鏈路的最后一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文略早于PrRtAdv 消息到達(dá)MR.當(dāng)MR 收到PAR 返回的PrRtAdv 消息后就可以立即開始進(jìn)行L2 切換，并且不會(huì)引起報(bào)文丟失.因此，IF-NEMO方案的預(yù)先切換時(shí)延為

通過上述分析可知，IF-NEMO 方案的預(yù)先切換時(shí)延低于F-NEMO 方案和EF-NEMO 方案，這說明IF-NEMO 方案通過網(wǎng)絡(luò)中的接入路由器來執(zhí)行部分L3 切換過程，在保持較低的切換時(shí)延的同時(shí)，顯著降低了預(yù)先模式的預(yù)先切換時(shí)延.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)速度較快時(shí)，IF-NEMO 方案成功執(zhí)行預(yù)先模式切換過程的可能性就會(huì)高于其他2 個(gè)方案.

3.3 信令開銷

在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的切換過程中，各方案需要在不同節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行切換信令消息的交互，所產(chǎn)生的開銷稱為信令開銷［12］，本文用CS表示切換方案的總信令開銷，單個(gè)信令消息x 所產(chǎn)生的開銷用Cx表示，消息x 的長度用Lx表示.作為衡量切換優(yōu)化方案代價(jià)的重要指標(biāo)，信令開銷會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，尤其是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)頻繁發(fā)生移動(dòng)切換時(shí).

一個(gè)信令消息所產(chǎn)生的開銷是該消息的大小與該消息在傳輸路徑上所經(jīng)過的跳數(shù)的乘積.通常報(bào)文在無線鏈路上的傳輸開銷比在有線鏈路上的傳輸開銷要大很多，因此設(shè)置無線鏈路開銷因子ω，表示傳輸相同的報(bào)文時(shí)，在無線鏈路上所產(chǎn)生的開銷是在有線鏈路上的ω 倍.下面將對(duì)各方案的切換信令開銷進(jìn)行分析.

NEMO BSP 的總信令開銷為

F-NEMO 的預(yù)先模式切換過程信令開銷為

EF-NEMO 的預(yù)先模式切換過程信令開銷為

IF-NEMO 的切換過程所產(chǎn)生信令開銷為

參照文獻(xiàn)［12］對(duì)信令報(bào)文大小的分析，上述各方案的切換信令開銷隨無線鏈路開銷因子ω 的變化情況如圖3所示.

圖3 信令開銷隨無線鏈路開銷因子ω 的變化情況

由圖3可見，NEMO BSP 由于未采取任何優(yōu)化措施，其切換信令開銷最低，但切換性能較差.由于IF-NEMO 方案在設(shè)計(jì)過程中盡量減少M(fèi)R 與AR 之間無線鏈路上的信令交互次數(shù)，因此其信令開銷低于F-NEMO 和EF-NEMO，且這種優(yōu)勢會(huì)隨ω 的增加而增大.此外，由于圖3顯示的僅是各方案發(fā)生單次切換所產(chǎn)生的信令開銷，可以推斷，當(dāng)頻繁發(fā)生移動(dòng)切換時(shí)，IF-NEMO 方案在信令開銷方面所具有的優(yōu)勢將更加明顯.

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證IF-NEMO 方案的切換性能，在OMNeT + +環(huán)境下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⒃O(shè)定PAR 和NAR 的有效信號(hào)覆蓋半徑都為50 m，且它們的信號(hào)重疊區(qū)域最大寬度為10 m.在仿真過程中，MR 始終沿著各AR 的中心連線進(jìn)行勻速移動(dòng)，CN 始終以每秒1 000 個(gè)報(bào)文的恒定速率向MNN 發(fā)送長度1000 B 的報(bào)文.其他仿真參數(shù)如表2所示.

表2 切換方案仿真參數(shù)

為了驗(yàn)證上述各方案在不同網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)速度v下的切換性能，實(shí)驗(yàn)中模擬鐵路交通設(shè)置如下2 種場景:①低速移動(dòng)場景，設(shè)v=10 m/s=36 km/h，相當(dāng)于列車低速進(jìn)站時(shí)的速度;②高速移動(dòng)場景，設(shè)v=50 m/s=180 km/h，相當(dāng)于列車高速行駛時(shí)的速度.在上述2 種場景中，MNN 所收到的報(bào)文序號(hào)N 隨仿真時(shí)間T 的變化情況分別如圖4和圖5所示.

由圖4可看出，在低速移動(dòng)場景中，NEMO BSP 由于沒有采取切換優(yōu)化機(jī)制，因此切換時(shí)延較大且切換過程中報(bào)文全部丟失.采用快速切換機(jī)制的F-NEMO，EF-NEMO 和IF-NEMO 方案的切換時(shí)延相近，且都低于NEMO BSP，同時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)報(bào)文丟失，說明這3 種方案都執(zhí)行了預(yù)先模式切換過程.完成L2 切換后MNN 接收?qǐng)?bào)文的速率會(huì)變大，說明當(dāng)MR 接入NAR 后，NAR 會(huì)以最高的數(shù)據(jù)發(fā)送速率(即無線鏈路的最大帶寬)將其緩存的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給MR，并在緩存報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)完后恢復(fù)原先的數(shù)據(jù)傳輸速率.

比較圖4和圖5可看出，高速移動(dòng)場景中NEMO BSP 的切換時(shí)延與低速移動(dòng)場景中的切換時(shí)延相近，且切換過程中的報(bào)文仍然全部丟失.高速移動(dòng)場景中F-NEMO 和EF-NEMO 的切換時(shí)延與低速移動(dòng)場景中的切換時(shí)延相比明顯增大，且切換過程中報(bào)文也會(huì)丟失，說明在子網(wǎng)高速移動(dòng)時(shí)這2 個(gè)方案都執(zhí)行了反應(yīng)模式的切換過程，導(dǎo)致切換時(shí)延和丟包數(shù)量與低速移動(dòng)時(shí)相比顯著增加，因此在高速移動(dòng)場景中F-NEMO 和EF-NEMO 的切換性能明顯下降.

高速移動(dòng)場景中IF-NEMO 方案的切換時(shí)延與低速移動(dòng)場景中的切換時(shí)延相近，且低于其他方案，同時(shí)也沒有發(fā)現(xiàn)報(bào)文丟失現(xiàn)象，說明當(dāng)子網(wǎng)高速移動(dòng)時(shí)IF-NEMO 方案依然執(zhí)行的是預(yù)先模式切換過程，因此其切換性能明顯優(yōu)于其他對(duì)比方案.

圖4 低速移動(dòng)場景中各方案的切換性能

圖5 高速移動(dòng)場景中各方案的切換性能

5 結(jié)語

本文提出了一種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切換方案IFNEMO，通過對(duì)預(yù)先模式切換流程加以改進(jìn)，并通過網(wǎng)絡(luò)中的接入路由器來執(zhí)行部分網(wǎng)絡(luò)層預(yù)先切換處理過程，以降低預(yù)先模式的預(yù)先切換時(shí)延.性能分析表明，IF-NEMO 方案在保持較低的切換時(shí)延的同時(shí)，顯著降低了預(yù)先模式的預(yù)先切換時(shí)延和信令開銷，從而提高了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在高速移動(dòng)場景下成功執(zhí)行預(yù)先模式切換的概率.仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，在網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)速度較快的情況下，IF-NEMO 方案仍然可以成功執(zhí)行切換性能較好的預(yù)先模式切換過程，該方案在諸如高速列車等快速移動(dòng)場景中為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供了一種具有較高切換性能的快速切換機(jī)制.

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