呂瑩瑩,張培

（河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453003）

一種優(yōu)化的無縫快速切換方案的研究與實現(xiàn)

呂瑩瑩,張培

（河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453003）

在研究移動IPv6快速切換協(xié)議（FMIPv6）的基礎(chǔ)上,針對其存在的問題,提出一種優(yōu)化的無縫快速切換方案.該方案引入新的控制信息協(xié)議（ICMPv6）控制消息和多隧道的概念,同時將轉(zhuǎn)交地址（CoA）配置和重復(fù)地址檢查（DAD）過程提前至切換前完成.仿真實驗表明,相較于FMIPv6協(xié)議,優(yōu)化后的算法具有更好的切換性能和服務(wù)質(zhì)量.

移動IPv6；快速切換；乒乓切換；切換延時；丟包率

當前,下一代因特網(wǎng)協(xié)議IPv6協(xié)議已經(jīng)發(fā)展至實用化階段,未來將最終代替現(xiàn)有的IPv4網(wǎng)絡(luò)[1].無線網(wǎng)絡(luò)一直是IPv6協(xié)議的研究重點,為了提高無線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量,IETF制定了移動IPv6協(xié)議（MIPv6）[2].但是,MIPv6協(xié)議僅僅能提供一種基本機制來維護MN在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)和外地網(wǎng)絡(luò)時的可達性,當MN在子網(wǎng)間切換時會產(chǎn)生較大的切換延遲,對于實時業(yè)務(wù)來說,切換延遲是影響服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素.為此,IETF制定了移動IPv6快速切換協(xié)議（FMIPv6）[3].與MIPv6協(xié)議相比,FMIPv6協(xié)議具有良好的切換性能,可以為實時系統(tǒng)提供支持.但是FMIPv6協(xié)議中仍然存在著一些問題,針對這些問題,本文提出具有更高服務(wù)質(zhì)量的無縫快速切換方案.

1 預(yù)測型移動IPv6快速切換協(xié)議

FMIPv6的提出,其最主要的目標就是實現(xiàn)快速切換,降低切換延遲和丟包.在FMIPv6中,為實現(xiàn)快速切換而引入了2個鏈路層的觸發(fā)器：LinkPreDown觸發(fā)器和LinkUp觸發(fā)器[4].鏈路層根據(jù)信號的強度、信噪比與誤碼率等參數(shù)的變化來判斷自身的位置,明確是否需要進行切換,當鏈路層預(yù)測到自身要進行子網(wǎng)間切換時,就向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送LinkPreDown觸發(fā)器,其中包括了新網(wǎng)絡(luò)的鏈路信息,網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)新網(wǎng)絡(luò)的鏈路信息發(fā)起預(yù)測型快速切換；當MN在完成鏈路層的切換后,鏈路層向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送帶有新子網(wǎng)信息的LinkUp觸發(fā)器.網(wǎng)絡(luò)層在接收到觸發(fā)器后,將新接入路由器（NAR）改為缺省路由器,并向NAR發(fā)送快速鄰居通告消息（FNA）消息,該消息的主要目的是通告NAR達到該網(wǎng)絡(luò).FMIPv6切換過程如圖1所示.

圖1 FMIPv6協(xié)議預(yù)測型模式切換流程Fig.1 The flow chart of predictive mode

與MIPv6協(xié)議相比,FMIPv6通過使用鏈路層觸發(fā)器,將二層切換與三層切換同時進行,理論上消除掉MIPv6協(xié)議中的移動檢測延遲和轉(zhuǎn)交地址配置延遲.通過隧道技術(shù)的引入,FMIPv6能夠?qū)N在完成與HA和CN進行綁定更新之前的數(shù)據(jù),通過PAR轉(zhuǎn)發(fā)至MN所在的新網(wǎng)絡(luò)上,因此消除了因為綁定更新延遲造成的丟包,但FMIPv6中依然存在一些問題值得研究和改進.

首先,FMIPv6使用鏈路層觸發(fā)器來預(yù)測切換,這種預(yù)測通過參數(shù)的變化而得到,有可能預(yù)測失敗,造成通信暫時中斷與數(shù)據(jù)包的丟失,同時產(chǎn)生多余的信令開銷.

其次,當MN的運動速度較快時,預(yù)測型快速切換模型就會失敗,轉(zhuǎn)而進行反應(yīng)型快速切換.在反應(yīng)型快速切換模型中,MN需要到新網(wǎng)絡(luò)中再進行重復(fù)地址檢查,同時PAR與NAR之間的雙向隧道也未建立,造成延遲與數(shù)據(jù)丟失.

最后,FMIPv6的設(shè)計未考慮到MN進行乒乓運動的可能.乒乓運動是指MN在子網(wǎng)的邊界來回移動的現(xiàn)象,是典型的節(jié)點移動模型.根據(jù)FMIPv6的鏈路層觸發(fā)機制,當MN在兩個子網(wǎng)間來回地切換時, PAR頻繁地建立和拆除與NAR間的隧道,會產(chǎn)生大量的信令開銷,使網(wǎng)絡(luò)的性能和通信質(zhì)量都受到嚴重的影響.

為了改進FMIPv6的性能,本文在研究FMIPv6的基礎(chǔ)上提出了一種優(yōu)化的無縫快速切換方案.

2 無縫快速切換方案

2.1 方案設(shè)計

2.1.1 轉(zhuǎn)交地址的配置 FMIPv6協(xié)議中,網(wǎng)絡(luò)層在收到鏈路層發(fā)來的LinkPreDown觸發(fā)器后發(fā)起切換.轉(zhuǎn)交地址（CoA,）配置和重復(fù)地址（DAD）檢測過程是在快速切換發(fā)起之后進行的.為了提高切換性能,提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量,在優(yōu)化方案中,將在切換發(fā)起前完成CoA配置和DAD檢測過程.具體的過程如下：當MN和當前AR連接建立后,AR就向其所有鄰居AR發(fā)送CoA_req消息控制消息[5],該消息是改進方案中新增的ICMPv6控制消息.在該消息中字段定義如下：Type字段值為160,Code字段值為0,由于CoA_req消息不需要回復(fù),因此標志位S位與U位為0.在CoA_req消息中攜帶MN的鏈路地址和PCoA.CoA_req消息的結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 CoA_req消息結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of CoA_req message

優(yōu)化方案規(guī)定,AR要定期地向其鄰居AR發(fā)送CoA-req消息,通知鄰居AR為MN配置轉(zhuǎn)交地址.每個AR中需要維護一張CoA表,來記錄每一個MN的NCoA.當AR收到鄰居AR發(fā)來的CoA_req消息之后,首先要根據(jù)該CoA_req消息所提供的MN的鏈路地址和PCoA信息,查找維護的CoA表,確認相關(guān)的MN的記錄.一旦發(fā)現(xiàn)還沒有相關(guān)的記錄則需要根據(jù)CoA_req消息當中的鏈路地址和本網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)前綴來配置MN的CoA,并將配置好的CoA進行DAD檢測,當驗證地址無重復(fù)后將該記錄插入到CoA表中,并為該記錄設(shè)置一個生存期,當生存期一到,將刪除CoA表中的記錄.正常情況,一條記錄的生存期設(shè)置為100 s.

2.1.2 隧道建立與管理 在優(yōu)化方案中,引入多隧道的概念[6],當切換發(fā)生后,PAR和所有的鄰居AR建立隧道.當PAR收到MN發(fā)來的路由器請求代理消息（RtSolPr）后,PAR得知MN發(fā)生切換,就立即與所有鄰居網(wǎng)絡(luò)建立雙向隧道.在優(yōu)化方案中隧道的建立不再依賴于PAR是否接收到MN發(fā)來的快速綁定更新消息（FBU）消息,MN是否知道新子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)前綴信息,提高隧道建立的獨立性.在優(yōu)化方案中考慮到乒乓運動所帶來的丟包和大量信令開銷,對建立的隧道設(shè)置了統(tǒng)一的隧道生存期.這里,隧道生存期不是一個固定的值,而是根據(jù)實際情況進行計算得到的時間值.雙向隧道創(chuàng)建后,由PAR統(tǒng)一設(shè)定生存時間,當生存期結(jié)束之后,同樣由PAR統(tǒng)一拆除所建立的雙向隧道.生存期用T表示,在MN第一次發(fā)生切換時,PAR建立的隧道生存期為初始值,表示為T0.當MN在生存時間結(jié)束之后沒有返回PAR所在子網(wǎng), PAR認為MN進行線性運動.反之,如果MN在隧道生存期未結(jié)束之前返回PAR所在網(wǎng)絡(luò)并再一次發(fā)生切換,PAR在激活隧道后重新為MN設(shè)置一個隧道生存時間,將原來的隧道生存時間增加ΔT,逐次累加.生存時間可用式1表示.

式（1）中n表示在PAR所在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生切換的次數(shù).

當生存時間結(jié)束之后,PAR向所有的鄰居AR發(fā)送FBACK消息,將FBACK消息中的lifetime字段（設(shè)置為0）來通知鄰居AR拆除隧道.

2.1.3 切換流程 改進方案的切換流程如圖2所示,描述如下：

（1）MN進入新子網(wǎng)并正常通信后,MN的PAR向鄰居AR發(fā)送CoA_req消息,鄰居AR根據(jù)自身網(wǎng)絡(luò)前綴為MN配置NCoA,并對NCoA進行DAD檢測.

（2）MN收到鏈路層觸發(fā)器LinkPreDown,MN發(fā)起網(wǎng)絡(luò)層的快速切換.MN向PAR發(fā)送的RtSolPr消息,該消息中攜帶MN的鏈路層地址.PAR在收到RtSolPr消息之后,向其鄰居AR發(fā)送切換發(fā)起消息（HI）消息.

（3）NAR收到HI消息之后,根據(jù)HI消息中攜帶的MN的鏈路地址和自身維護的CoA表中的MAC地址相對照,當NAR查找到了MN相對應(yīng)的NCoA后,就將其包含在切換確認消息（HACK）消息中發(fā)送給PAR.這樣,通過PAR與所有鄰居AR間的HI和HACK傳遞,PAR和全部鄰居AR之間建立了雙向的隧道,隧道建立之后,PAR開始向鄰居AR發(fā)送MN的數(shù)據(jù)分組.

（4）當鏈路層切換完成之后,MN將FNA消息發(fā)送給NAR,該消息中攜帶了FBU消息.NAR收到該消息后,將其中的FBU消息轉(zhuǎn)發(fā)給PAR,告知其MN已成功切換至本網(wǎng)絡(luò),PAR接收到FBU消息之后開始進行MN的HA和CN的綁定更新,NAR發(fā)送NNACK消息給MN并開始將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給MN.

（5）PAR收到FBU消息之后停止向其他AR轉(zhuǎn)發(fā)MN的數(shù)據(jù),同時設(shè)定一個隧道生存期,生存結(jié)束后,PAR發(fā)送FBACK消息進行拆除隧道.

圖3 優(yōu)化方案的切換流程Fig.3 Handover process of the optimized seamless

2.2 FMIPv6與優(yōu)化方案的性能分析

2.2.1 切換延遲分析 從切換延遲方面比較FMIPv6協(xié)議與優(yōu)化方案的性能.從切換的發(fā)起到MN與HA和CN綁定更新結(jié)束,我們可以將切換過程劃分為4個部分,分別為：從MN發(fā)起快速切換到MN與PAR連接斷開過程TPre；二層鏈路切換過程TL2；進入新子網(wǎng)之后到MN與NAR建立連接過程TFNA；MN向HA和CN進行注冊過程TBU[7].

式（2）中

所以

式（2）至式（6）中TMN-PAR表示為MN與PAR之間的鏈路延遲；TCoA表示為CoA配置和DAD檢查延遲；TPAR-NAR表示為PAR與NAR之間的鏈路上延遲；TMN-NAR表示為MN與NAR之間的鏈路上延遲；TNAR-HA與TNAR-CN分別表示為NAR和HA之間,NAR和CN之間的鏈路延遲.

而在優(yōu)化方案中,由于NCoA的配置被提前到MN進入子網(wǎng)后,因此能夠消除TCoA.在切換到新子網(wǎng)前,MN只發(fā)送了RtSolpr消息,同時,對隧道建立前的信令進行精簡.在優(yōu)化方案中,PAR提前向HA與CN發(fā)送BU消息,使得綁定更新過程與MN與NAR建立連接,接收數(shù)據(jù)過程并行,因此減少TBU延時.

式（7）中

由于MN向自己的HA和CN的注冊時間耗時較長,因此,TFNA＜TBU這個條件一個成立

比較式（6）和式（11）可以看到,與FMIPv6相比優(yōu)化方案從切換開始到MN與CN正常通信所用時間明顯減少.

2.2.2 丟包率分析 下面比較從切換開始到MN的數(shù)據(jù)被緩存所需要的時間,FMIPv6協(xié)議從切換開始到MN的數(shù)據(jù)被緩存所需的時間由式（12）表示.

而在優(yōu)化方案中,從切換開始到數(shù)據(jù)被緩存所需的時間由式（13）表示.在FMIPv6協(xié)議中,CN發(fā)往MN的數(shù)據(jù)分組需要在PAR發(fā)送FBACK消息之后由PAR發(fā)往NAR.一旦MN運動速度過快時,隧道往往無法建立,PAR無法將MN的分組發(fā)向NAR并進行緩存,就會造成丟包.從式（12）和式（13）的比較可以明顯看到,在優(yōu)化方案中從發(fā)起切換到數(shù)據(jù)緩存所需要的時間明顯要小于FMIPv6協(xié)議,由于簡化了隧道建立前的流程,減小了隧道建立對MN運動速度的依賴,優(yōu)化方案可以降低MN的過快運動對快速切換造成的影響.

2.2.3 信令開銷分析 信令開銷由2部分組成：傳輸信令開銷與各節(jié)點對信令的處理開銷.FMIPv6協(xié)議中,每當MN返回PAR網(wǎng)絡(luò)后再一次發(fā)生切換時產(chǎn)生的信令總開銷用式（14）表示.

相同情況下,優(yōu)化方案的信令開銷用式（15）表示.

式中的αm、αp、αn分別表示為MN、PAR與NAR對信令處理所需開銷；αh、αc則表示注冊信令在HA、CN上的所需處理開銷；n則表示PAR和NAR之間的平均跳數(shù)；m表示為NAR和HA之間的平均跳數(shù)；s表示為NAR和CN之間的平均跳數(shù)；k表示為PAR和HA之間的平均跳數(shù),h表示為PAR和CN之間的平均跳數(shù),η用來表示單位距離上無線鏈路傳輸開銷和有線鏈路的倍數(shù)；δ表示為傳輸開銷和距離的比例常數(shù).其中,PAR與NAR之間互相為鄰居路由,理論上有m=k,s=h.

在信令開銷,比較式（14）和式（15）,MN進行一次乒乓運動時,改進方案要比FMIPv6協(xié)議節(jié)?。?η+2n）δ+αp+αn,當MN進行乒乓切換時,在子網(wǎng)間切換次數(shù)越多,改進方案在信令開銷方面的優(yōu)勢就越明顯.

3 仿真實驗

使用NS-2實驗平臺[8]對FMIPv6與優(yōu)化方案進行實驗仿真,分別測試兩者在MN不同運動速度下的切換延遲與丟包率.仿真實驗場景的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),鏈路特征即帶寬/（Mbit/s）、延時/ms等如圖4所示.

圖4 實驗場景Fig.4 Experimental scene

仿真實驗采用802.11技術(shù),CBR/UDP作為數(shù)據(jù)源,設(shè)置CN發(fā)送一個分組的速率為10 ms.數(shù)據(jù)分組大小設(shè)置為256 Bytes,MN的運動速度在5～50 m/s范圍內(nèi)分別取值.實驗中模擬FMIPv6協(xié)議和優(yōu)化方案的切換過程,反復(fù)多次實驗后,計算MN在不同運動速度下所產(chǎn)生的切換延遲和丟包率（Data Loss Rate）.

3.1 切換延時

圖5中顯示了MN在不同的運動速度下FMIPv6協(xié)議和優(yōu)化方案分別產(chǎn)生的切換延遲.

圖5 不同運動速度下的切換延遲Fig.5 Handover delay for different speed

實驗中,當MN的運動速度小于在35 m/s時,FMIPv6協(xié)議的切換延遲始終保持在350 ms左右,但當MN的運動速度大于35 m/s之后,切換延遲變化較大,其中最大延遲達到860 ms.不論MN的運動速度快慢,優(yōu)化方案都始終保持著較低的切換延遲.

3.2 丟包率

FMIPv6和優(yōu)化方案在MN不同運動速度下分別產(chǎn)生的丟包率如圖6所示.

圖6 不同運動速度下的丟包率Fig.6 Data Loss for different speed

實驗中當MN的運動速度保持在25 m/s之內(nèi)時,FMIPv6協(xié)議和優(yōu)化方案都能夠緩存發(fā)往MN的UDP分組,丟包率較低.當MN運動速度大于了25 m/s之后,FMIPv6出現(xiàn)較大丟包,當MN的運動速度到達40 m/s后,FMIPv6的丟包率在0.8%以上.優(yōu)化方案模擬中,MN的運動速度小于35 m/s時,MN的數(shù)據(jù)包基本被緩存.當MN的運動速度大于35 m/s后開始出現(xiàn)丟包現(xiàn)象,與FMIPv6協(xié)議比較來看,丟包率較低,當MN的運動速度達到50 m/s后,丟包保持在0.2%左右.

4 小結(jié)

本文所提出的優(yōu)化方案,通過提前配置CoA、進行DAD檢查、建立多隧道、設(shè)置隧道生存期等機制對FMIPv6協(xié)議進行了優(yōu)化.通過理論分析和NS2仿真實驗兩種手段對優(yōu)化方案與FMIPv6協(xié)議進行比較,結(jié)果表明優(yōu)化方案在切換延遲、丟包率與信令開銷等性能方面表現(xiàn)更加優(yōu)越.

[1]范玉宇.移動IPv6的切換技術(shù)[J].中國新通信,2014（9）：110-111.

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[8]姜雪松.移動IP技術(shù)與NS-2模擬[M].北京：機械工業(yè)出版社,2006：130-506.

（責任編輯：盧奇）

Research and implementation of an optimized seamless fast handover proposal

Lv Yingying,Zhang Pei
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

Based on the research of FMIPv6 and its disadvantages,a seamless fast handover scheme have been proposed.The optimization scheme introduces a new control message of ICMPv6 and the new concept of the multitunnel.At the same time,this scheme configurate the Care of Address（CoA）and do duplicate address detection（DAD）before the handover happen.The stimulation results showed that the optimized fast handover method had a better performance than FMIPv6.

mobile IPv6；fast handover；ping-pong movement；handover delay；date loss rate

TN929.5

A

：1008-7516（2015）01-0068-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.01.015

2014-11-10

呂瑩瑩（1985-）,女,山東長清人,碩士,助教.主要從事下一代互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)和云計算研究.