葛偉倫 葛曉濱 陳小芳

(安徽財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院電子信息系，合肥 230601)

代理移動 IPv6協(xié)議(proxy mobile IPv6，即PMIPv6)是Internet工程任務(wù)組(internet engineering task force，即IETF)提出的基于網(wǎng)絡(luò)的移動性管理方案［1］。它不需要移動節(jié)點(diǎn)(mobile node，即 MN)參與任何與移動性相關(guān)的信令流程，從而降低了MN協(xié)議棧設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。網(wǎng)絡(luò)中的移動實(shí)體會跟蹤MN的移動并初始化移動性管理相關(guān)信令，設(shè)置必需的路由狀態(tài)。PMIPv6協(xié)議中定義的功能實(shí)體有本地移動錨(local mobile anchor，即LMA)和移動接入網(wǎng)關(guān)(mobile access gateway，即 MAG)，LMA維持MN的可達(dá)狀態(tài)并且是MN家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴的拓?fù)溴^點(diǎn)。MAG是代替MN執(zhí)行移動性管理功能的實(shí)體，它位于MN所附著的本地鏈路上，負(fù)責(zé)檢測MN接入和離開本地鏈路的移動狀態(tài)。

1 PMⅠPv6相關(guān)路由優(yōu)化方案

按照PMIPv6協(xié)議，無論通信節(jié)點(diǎn)(correspondent node，即CN)和MN在網(wǎng)絡(luò)中處于何種位置，即使CN和MN處于同一個LMA域內(nèi)，當(dāng)位于MAG的訪問鏈路及MAG之間存在直通鏈路(LMA和MAG構(gòu)成三角路由)［2］時，CN和MN傳輸?shù)姆纸M仍須經(jīng)過LMA集中式轉(zhuǎn)發(fā)，而經(jīng)過LMA到MAG的雙向IPv6-in-IPv6隧道封裝傳輸，勢必使LMA成為通信的瓶頸，加重了LMA的負(fù)載，隧道封裝增加了分組傳輸?shù)臅r延和額外開銷。在LMA域內(nèi)有必要采取路由優(yōu)化策略來提高分組傳輸效率，提高網(wǎng)絡(luò)性能，減少LMA的負(fù)擔(dān)。圖1所示為MN域內(nèi)切換和路由優(yōu)化示意圖。

Abeille等人提出一種由LMA發(fā)起的路由優(yōu)化方案。方案中當(dāng)LMA發(fā)現(xiàn)CN與MN所在的MAG訪問鏈路存在直接通路時，它和 MAG進(jìn)行信令交互以建立CN與MN之間的優(yōu)化路徑，由LMA發(fā)起的路由優(yōu)化方案能平滑過渡到新的優(yōu)化路徑［3］。李向麗等人提出，當(dāng)MN即將發(fā)起域內(nèi)切換時，由新MAG主動發(fā)起路由優(yōu)化信令交互，減少切換過程中LMA的參與，位置切換和路由優(yōu)化并行進(jìn)行，在MN接入新MAG之前就完成優(yōu)化路徑的建立，降低切換延遲和丟包率［4］。Song等人提出由舊MAG發(fā)起的路由優(yōu)化方案，因?yàn)榕fMAG可提前感知MN移動造成的信號減弱而主動發(fā)起路由優(yōu)化［5］。唐軍等人針對PMIPv6域內(nèi)不同的應(yīng)用場景，選擇合適的路由優(yōu)化發(fā)起方，合理制定路由優(yōu)化判定規(guī)則，同時對交互信令進(jìn)行優(yōu)化，減少協(xié)議開銷［6］。Krishnan也提出了一種本地化路由優(yōu)化方案，對本地路由優(yōu)化的發(fā)起規(guī)則進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并為其定義了2種路由優(yōu)化信令格式［7］。

路由優(yōu)化思路基本是在域內(nèi)LMA處建立2個綁定緩存入口［8］(binding cache entry，即 BCE)——本地綁定緩存入口(local BCE，即LBCE)和通信節(jié)點(diǎn)綁定緩存入口(correspondent BCE，即 CBCE)。LBCE記錄MN所在MAG鏈路的代理轉(zhuǎn)交地址(proxy care-of address，即Proxy-CoA)和 MN 的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴(home network prefix，即 HNP)信息，CBE記錄CN所在MAG鏈路的Proxy-CoA地址和CN的HNP信息等。一對LBCE和CBCE，記錄CN和MN之間存在一條優(yōu)化路徑，可在MAG之間直接進(jìn)行路由分組。

圖1 MN域內(nèi)切換和路由優(yōu)化示意圖

以上路由優(yōu)化方案的路由優(yōu)化發(fā)起方不同，同時發(fā)起的時機(jī)和規(guī)則也不同，但各種路由優(yōu)化方案在執(zhí)行時都含有基本的信令交互流程。這里設(shè)定LMA為路由優(yōu)化發(fā)起方(不同發(fā)起方不影響本文的分析)，信令流程如下:

(1)當(dāng)MN從舊移動接入網(wǎng)關(guān)(previous mobile access gateway，即PMAG)切換到新移動接入網(wǎng)關(guān)(new mobile access gateway，即 NMAG)后，NMAG 代理MN和LMA完成位置綁定更新。LMA查找LBCE和CBCE，發(fā)現(xiàn)MN和CN的通信使用PMAG和 CMAG(correspondent mobile access gateway，即CMAG)之間的優(yōu)化路徑，現(xiàn)在 MN已經(jīng)切換到NMAG，于是LMA立即更新LBCE和CBCE的對應(yīng)關(guān)系。這里主要修改LBCE中MN的Proxy-CoA和HNP信息為NMAG鏈路的地址和家鄉(xiāng)前綴信息。

(2)LMA發(fā)送路由優(yōu)化初始化(route Optimization initiation，ROI)消息，告訴NMAG當(dāng)前和MN通信的CN在CMAG，請求NMAG與CMAG建立隧道。消息包含通信節(jié)點(diǎn)標(biāo)識符(correspondent node identifier，即CN-ID)，CN的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴(home network prefix，即 HNP)，CN在 CMAG處的 Proxy-CoA和CMAG的IP地址。

(3)LMA發(fā)送ROI消息給CMAG，現(xiàn)在MN已經(jīng)接入NMAG，請求CMAG與NMAG建立隧道，消息包含移動節(jié)點(diǎn)標(biāo)識符(mobile node identifier，即MN-ID)，MN的 HNP，MN在 NMAG處的 Proxy-CoA和NMAG的IP地址。

(4)LMA發(fā)送ROI消息給PMAG，消息包含MN-ID，MN的 HNP，MN在 NMAG處的 Proxy-CoA，將此消息告知PMAG，MN移動到NAMG，釋放維護(hù)MN映射關(guān)系的緩存。

(5)NMAG、CMAG、PMAG修改路由優(yōu)化狀態(tài)信息后，分別發(fā)送路由優(yōu)化確認(rèn)(route optimization acknowledgement，即ROA)消息，告知 LMA已完成路由優(yōu)化。

(6)NMAG和CMAG的之間優(yōu)化路徑建立，MN和CN可以通過新建的優(yōu)化路徑傳輸分組。

2 LMA域內(nèi)改進(jìn)的路由優(yōu)化方案

2.1 改進(jìn)思路分析

LMA域內(nèi)完成路由優(yōu)化的同時需占用一定的系統(tǒng)開銷，在此應(yīng)對路由優(yōu)化加設(shè)一定限制條件。設(shè)定這樣一種工作狀態(tài):完成一次路由優(yōu)化后，MN和CN即傳輸少量分組，MN由當(dāng)前MAG切換到下一個MAG;接著又完成下一次路由優(yōu)化，傳輸少量分組，再切換到下一個MAG。即在MN頻繁切換狀態(tài)下，每次切換到下一個MAG完成路由優(yōu)化所占用的開銷遠(yuǎn)大于分組傳輸開銷，這時就不能無條件地將路由優(yōu)化應(yīng)用于MN切換頻率高且分組傳輸數(shù)目少的工作狀態(tài)，而是需要考慮MN、CN的通信頻率和MN在MAG之間的切換頻率［9］。在此需要一個數(shù)據(jù)量，既能夠反映MN、CN通信頻率與MN切換頻率的數(shù)值關(guān)系，又使通信頻率和切換頻率不易獲取。本次研究提出一種條件值(θ)的推導(dǎo)方法，統(tǒng)計(jì)MN和CN通信的分組傳輸數(shù)目(I)和完成路由優(yōu)化LMA和MAG交換的基本信令數(shù)目(J)，用2種數(shù)目的比值來決定LMA域內(nèi)切換是否使用路由優(yōu)化，比值定義為PRR。

2.2 條件值分析推導(dǎo)

首先定義工作方案。

方案A:當(dāng)PRR≤θ時，不進(jìn)行路徑優(yōu)化，仍然按照標(biāo)準(zhǔn)的PMIPv6協(xié)議規(guī)定路由MN和CN之間傳輸?shù)姆纸M，此方案稱為標(biāo)準(zhǔn) PMIPv6，仍然記為PMIPv6。

方案B:當(dāng)PRR＞θ時，LMA和MAG按照前述信令交互流程完成路由優(yōu)化，MN和CN使用優(yōu)化后路徑傳輸分組。此方案稱為基于路由優(yōu)化的PMIPv6，記為 RO-PMIPv6。

為了求得條件值θ，首先需要計(jì)算2種方案的系統(tǒng)總開銷，包括LMA、MAG交互的路由優(yōu)化信令開銷和MN、CN傳輸?shù)姆纸M開銷，開銷以分組長度和跳數(shù)的乘積形式體現(xiàn)［10］，RO-PMIPv6和PMIPv6使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同。

方案A表示MN切換時不進(jìn)行路由優(yōu)化，此時只有分組傳輸開銷;但此時分組傳輸開銷是建立在分組經(jīng)過MAG和LMA之間的隧道傳輸，且通過LMA的集中式轉(zhuǎn)發(fā)完成，開銷和時延較大。方案B則是在MN切換時進(jìn)行路由優(yōu)化，相對于方案A有額外的路由優(yōu)化開銷，但路由優(yōu)化完成后分組通過優(yōu)化路徑來傳輸，分組傳輸開銷要小于方案A的分組傳輸開銷。2種方案的分組傳輸開銷和路由優(yōu)化開銷隨著分組傳輸數(shù)目I和路由優(yōu)化信令數(shù)目J發(fā)生動態(tài)變化，但其系統(tǒng)總開銷必然有相等的時刻;因此令方案A、B的系統(tǒng)總開銷相等，就可以推導(dǎo)出判定使用路由優(yōu)化的條件值θ。完成推導(dǎo)所需參數(shù)設(shè)置如下［11］:

S(x，y)表示從x到y(tǒng)的中間路由器跳數(shù);

Lp為傳輸?shù)膯挝环纸M長度;

LROI為LMA發(fā)送的單位ROI分組長度;

LROA為MAG發(fā)送的單位ROA響應(yīng)分組長度;

Cp(MN，LMA)=Lp×S(MN，LMA)，為單位分組從MN到LMA的傳輸開銷;

Cp(LMA，CN)=Lp×S(LMA，CN)，為單位分組從LMA到CN的傳輸開銷;

CROI(LMA，CMAG)=LROI× S(LMA，CMAG)，為路由優(yōu)化初始化分組從LMA到CMAG的傳輸開銷;

CROI(LMA，NMAG)=LROI× S(LMA，NMAG)，為路由優(yōu)化初始化分組從LMA到NMAG的傳輸開銷;

CROI(LMA，PMAG)=LROI× S(LMA，PMAG)，為路由優(yōu)化初始化分組從LMA到PMAG的傳輸開銷;

CROA(CMAG，LMA)=LROA×S(CMAG，LMA)，為路由優(yōu)化確認(rèn)分組從CMAG到LMA的傳輸開銷;

CROA(NMAG，LMA)=LROA× S(NMAG，LMA)，為路由優(yōu)化確認(rèn)分組從NMAG到LMA的傳輸開銷;

CROA(PMAG，LMA)=LROA×S(PMAG，LMA)，為路由優(yōu)化確認(rèn)分組從PMAG到LMA的傳輸開銷;

CROA(MN，CN)=Lp×S(MN，CN)，為單位分組通過優(yōu)化路徑的傳輸開銷;

方案A中，路由優(yōu)化開銷和分組傳輸開銷分別如式(1)和式(2)所示:

方案A系統(tǒng)總開銷:

方案B路由優(yōu)化開銷和分組傳輸開銷如下:

方案B系統(tǒng)總開銷:

2種工作方案下系統(tǒng)總開銷必然有相等的時刻，可得到:CA=CB，即 CARO+CAP=CBRO+CBP。代入式(1)，(2)，(4)，(5)并結(jié)合上面的參數(shù)設(shè)置推出θ的表達(dá)式:

由推導(dǎo)出的表達(dá)式(7)可算出θ值。當(dāng)MN由PMAG切換到NMAG，代理MN完成位置綁定更新:若PRR≤θ，按照標(biāo)準(zhǔn)PMIPv6方案路由轉(zhuǎn)發(fā)分組;若PRR＞θ，按照RO-PMIPv6方案使用優(yōu)化路徑傳輸分組。在實(shí)際操作中統(tǒng)計(jì)分組傳輸數(shù)目I達(dá)到一定數(shù)值時的路由優(yōu)化信令數(shù)目為J，I這個數(shù)目要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)具體情況來設(shè)定。

3 RO-PMⅠPv6 性能分析

3.1 系統(tǒng)總開銷

按照設(shè)置的參數(shù)值可求出條件值θ為0.523，作為判定MN切換過程中是否進(jìn)行路由優(yōu)化的依據(jù)。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表 1所示［12］。若 PRR≤0.523，則不滿足使用路由優(yōu)化條件，于是使用標(biāo)準(zhǔn)的PMIPv6方案A處理MN的切換;若PRR＞0.523時，則滿足使用路由優(yōu)化條件，于是使用 ROPMIPv6方案B處理MN的切換。2種方案系統(tǒng)總開銷的計(jì)算公式已在前面給出，由式(3)和式(6)可制作LMA域內(nèi)MN切換時系統(tǒng)總開銷和PRR的關(guān)系圖(圖2)。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

圖2 系統(tǒng)切換總開銷和PRR的關(guān)系

隨著PRR增大，RO-PMIPv6系統(tǒng)總開銷相對于PMIPv6的系統(tǒng)總開銷優(yōu)勢越來越明顯。

3.2 分組傳輸時延與路由優(yōu)化時延分析

在此運(yùn)用的是基于跳數(shù)的鏈路時延分析法［13］，跳數(shù)指LMA、MAG、MN和CN之間間隔的路由器個數(shù)。用此方法對RO-PMIPv6和PMIPv6的分組傳輸時延和路由優(yōu)化時延進(jìn)行分析，分組傳輸時延為分組發(fā)送時延和分組在鏈路上傳播時延之和。MN和CN到MAG的鏈路為無線鏈路，其余各點(diǎn)之間的鏈路為有線鏈路。所需參數(shù)值設(shè)置如下:

WB=20 Mbps，表示無線鏈路帶寬;

B=200 Mbps，表示有線鏈路帶寬;

PWD=1 ms，表示單位分組在無線鏈路上的傳輸時延;

PD=0.2 ms，表示單位分組在有線鏈路上的傳輸時延;

TLMA=0.003 ms，表示LMA對單位分組的處理時間;

TR=0.001 ms，表示中間路由器查找路由表轉(zhuǎn)發(fā)分組所用時間;

TMAG=0.002 ms，表示MAG對單位分組的處理時間;

WDP(MN，MAG)=LP/WB+PWD表示單位分組由MN傳輸至MAG的無線鏈路時延;

WDP(MAG，CN)=LP/WB+PWD，表示單位分組由MAG傳輸至CN的無線鏈路時延;

DP(MAG，LMA)=(LP/B+PD)×S(MAG，LMA)，表示分組由MAG傳輸至LMA的有線鏈路時延;

DP(MAG，MAG)=(LP/B+PD)×S(MAG，MAG)，表示分組由MAG傳輸至相鄰MAG的有線鏈路時延;

DROI(LMA，MAG)=(LROI/B+PD)×S(LMA，MAG)，表示ROI分組由LMA傳輸至MAG的有線鏈路時延;

DROA(MAG，LMA)=(LROA/B+PD)×S(MAG，LMA)，表示ROA分組由MAG傳輸至LMA的有線鏈路時延。

當(dāng)MN由PMAG切換到NMAG時，分別進(jìn)行方案A和方案B對應(yīng)的分組傳輸時延和路由優(yōu)化時延計(jì)算。

(1)方案A的分組傳輸時延及路由優(yōu)化時延計(jì)算。

分組傳輸時延:

路由優(yōu)化時延:

(2)方案B的分組傳輸時延及路由優(yōu)化時延計(jì)算。

分組傳輸時延:

路由優(yōu)化時延:

將上面所設(shè)置參數(shù)值代入式(8)—(11)式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下:

比較方案A、B的分組傳輸時延和路由優(yōu)化時延:當(dāng)滿足PRR＞θ時，使用方案B要花費(fèi)一定的路由優(yōu)化時間;但在分組傳輸數(shù)目I很大情況下，D遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于DBP，使用優(yōu)化路徑傳輸分組節(jié)約了很多時間，這時花費(fèi)的路由優(yōu)化時間便可忽略不計(jì)。

4 結(jié)語

本次研究對PMIPv6協(xié)議相關(guān)路由優(yōu)化方案進(jìn)行了分析，針對LMA域內(nèi)MN和CN通信頻率和MN的切換頻率問題提出使用路由優(yōu)化的條件，并且給出了推導(dǎo)條件值的方法。根據(jù)PRR是否大于條件值來決定MN切換過程是否優(yōu)化MN和CN之間的分組傳輸路徑。通過基于數(shù)值計(jì)算的理論分析，只有當(dāng)PRR＞θ時，使用RO-PMIPv6方案在分組傳輸開銷和時延方面有明顯優(yōu)勢。本次研究只針對LMA域內(nèi)MN切換是否使用路由優(yōu)化，對LMA域間MN的切換是下一步研究的方向。

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