孫文勝，馮志常，王宇飛

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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基于DHCP的層次移動(dòng)IP切換方案的研究

孫文勝，馮志常，王宇飛

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

摘要：針對(duì)層次移動(dòng)IP(HMIPv6)在切換時(shí)因重復(fù)地址檢測(cè)(DAD)耗費(fèi)大量時(shí)間的問題，提出基于動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(DHCP)的切換方案.在特定路由器上開辟模塊實(shí)現(xiàn)了DHCP協(xié)議中DHCP服務(wù)器的角色，為發(fā)生切換的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)直接分配地址，并且當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生切換時(shí)，增加請(qǐng)求釋放舊地址的消息.模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新提出的方案在切換時(shí)延性能上明顯優(yōu)于HMIPv6，并與現(xiàn)有方案對(duì)比，在大量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)的環(huán)境下，新方案的切換時(shí)延更小.

關(guān)鍵詞：HMIPv6；DAD；DHCP；切換時(shí)延

0引言

層次移動(dòng)IPv6(Hierarchical Mobile IPv6，HMIPv6)雖然使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(Mobile Node，MN)在微移動(dòng)時(shí)不需再向歸屬地代理(Home Agent，HA)和通信對(duì)端節(jié)點(diǎn)(Correspondent Node，CN)注冊(cè)，但MN在獲取轉(zhuǎn)交地址(Care-of Address，CoA)時(shí)，采用的仍然是移動(dòng)IPv6的重復(fù)地址檢測(cè)(Duplicate Address Detection，DAD)機(jī)制，其切換性能并不明顯優(yōu)于移動(dòng)IPv6[1].為解決上述問題，文獻(xiàn)[2]提出了基于轉(zhuǎn)交地址池的方案(Care-of Address Pool-HMIPv6，CoAP-HMIPv6)，但如果大量MN在接入路由器(Access Router，AR)間快速通過，就會(huì)出現(xiàn)地址池耗盡的情況，新的MN因?yàn)闊o地址可用而等待，甚至出現(xiàn)路由中斷的現(xiàn)象，使網(wǎng)絡(luò)性能大大降低.文獻(xiàn)[3]提出了優(yōu)化的HMIPv6切換方案，該方案根據(jù)MN的網(wǎng)絡(luò)ID和接口ID的獨(dú)特性獲取鏈路轉(zhuǎn)交地址，但并沒有解決MN在域間移動(dòng)時(shí)切換時(shí)延大的問題.文獻(xiàn)[4]從減小移動(dòng)錨點(diǎn)(Mobile Anchor Point, MAP)負(fù)載和利用緩存減少地址配置時(shí)間的角度，對(duì)HMIPv6切換進(jìn)行了優(yōu)化，為人們提供了一種新的思路.

動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP)是互聯(lián)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的為主機(jī)配置地址的技術(shù)，并且具有非常優(yōu)異的安全性.本文提出了一種基于DHCP的切換方案D-HMIPv6，通過在特定路由器上開辟模塊來充當(dāng)DHCP服務(wù)器的作用，有效地減小了切換時(shí)延.

1層次移動(dòng)IPv6和DHCP簡(jiǎn)述

1.1HMIPv6簡(jiǎn)述

HMIPv6網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，HMIPv6將網(wǎng)絡(luò)分成不同的域，每個(gè)域中都有一個(gè)MAP充當(dāng)臨時(shí)HA.MN在漫游的過程中，如果在同一個(gè)域中切換，叫做域內(nèi)微移動(dòng)，如果在不同區(qū)域之間切換，叫做域間宏移動(dòng).MN在域中使用2個(gè)CoA：鏈路轉(zhuǎn)交地址(On-link Care-of Address，LCoA)和區(qū)域轉(zhuǎn)交地址(Regional Care-of Address，RCoA)[1].

圖1　HMIPv6網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

在HMIPv6中，切換時(shí)延主要由以下組成：二層切換時(shí)延TL2，移動(dòng)檢測(cè)時(shí)延Tdet，轉(zhuǎn)交地址配置和對(duì)其進(jìn)行DAD操作(MN在發(fā)出鄰居請(qǐng)求報(bào)文后，會(huì)等待一段時(shí)間，如果在這段時(shí)間沒收到其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的鄰居通告報(bào)文，則該地址有效，否則MN會(huì)重新配置一個(gè)新地址，并再次對(duì)其進(jìn)行DAD操作，直到獲得的地址有效)造成的時(shí)延TCD，MN向MAP注冊(cè)時(shí)延TLBU，MN向HA和CN注冊(cè)時(shí)造成的時(shí)延TBU[5].故MN域內(nèi)微移動(dòng)時(shí)切換時(shí)延Tmicro-HHD為：

Tmicro-HHD=TL2+Tdet+TCD+TLBU，

(1)

MN進(jìn)行域間宏移動(dòng)時(shí)切換時(shí)延Tmacro-HHD為：

Tmacro-HHD=TL2+Tdet+TCD+TLBU+TBU.

(2)

1.2DHCP簡(jiǎn)述

DHCP協(xié)議工作流程如下：

1)當(dāng)客戶端接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)向所在網(wǎng)絡(luò)廣播DHCPDISCOVER消息，網(wǎng)絡(luò)中所有DHCP服務(wù)器都能收到這個(gè)消息.該消息中攜帶著客戶端的MAC地址等信息；

2)當(dāng)DHCP服務(wù)器接收到DHCPDISCOVER消息后，從它所維護(hù)的地址池中取出一個(gè)可用IP地址，將地址和其它配置信息封裝成DHCPOFFER包發(fā)送給客戶端；

3)如果客戶端接收到多個(gè)DHCPOFFER消息，就從中選擇一個(gè)(通常選擇最先到達(dá)的)，并向所在子網(wǎng)廣播DHCPREQUEST消息，通知子網(wǎng)中的服務(wù)器它選擇了哪個(gè)服務(wù)器；

4)步驟3中被選中的服務(wù)器監(jiān)聽到DHCPREQUEST消息后，向客戶端回應(yīng)DHCPACK消息，該消息包含為客戶端提供的地址等參數(shù)，通知客戶端為其分配的地址正式生效[6].步驟3中未被選中的服務(wù)器則收回先前分配出去的地址[7].

2基于DHCP的層次移動(dòng)IP切換方案

2.1D-HMIPv6概述和新增報(bào)文

通過上面的分析，本文提出了在HMIPv6中應(yīng)用DHCP技術(shù)的D-HMIPv6方案.在MAP和AR開辟一塊空間存儲(chǔ)地址，這一塊空間的作用就相當(dāng)于DHCP服務(wù)器的作用，其中MAP地址池中存儲(chǔ)這一子網(wǎng)中可用的RCoA，AR維護(hù)可用的LCoA.

由于MN在移動(dòng)中能根據(jù)路由器通告(Router Advertisement，RA)報(bào)文檢測(cè)是否已經(jīng)移動(dòng)到新的子網(wǎng)，所以并不需要像DHCP中第1步一樣發(fā)送廣播報(bào)文.在DHCP協(xié)議第4步服務(wù)器向客戶端發(fā)送DHCPACK消息并設(shè)置了地址租借期限，如果MN已經(jīng)移出了本子網(wǎng)而分配給它的地址租借期限又很長(zhǎng)，就會(huì)造成該地址在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不可用.為了避免上述情況，D-HMIPv6方案增加MN向舊的AR和MAP發(fā)出LCoA和RCoA請(qǐng)求釋放的消息.

為了與其它網(wǎng)絡(luò)相兼容，在RA消息、本地綁定更新消息和本地綁定確認(rèn)(Local Banding Acknowledgement，LBA)消息中都加入一個(gè)D標(biāo)志位來判斷該子網(wǎng)是否支持D-HMIPv6.

LCoA消息格式如圖2所示，類型表示是否LCoA消息，編碼值區(qū)分是LCoA請(qǐng)求消息還是LCoA確認(rèn)消息.類似的，只需將圖2中的LCoA替換為RCoA，就得到RCoA消息.

圖2　LCoA消息格式

2.2D-HMIPv6的切換模型

當(dāng)MN發(fā)生域內(nèi)微移動(dòng)時(shí)，MN在移動(dòng)檢測(cè)階段發(fā)現(xiàn)自己進(jìn)入新AR服務(wù)范圍時(shí)，先檢查RA消息中的D標(biāo)志位，如果被置位，MN發(fā)送LCoA請(qǐng)求給AR來請(qǐng)求地址，新AR接收到該消息后，從其地址池中取出可用的LCoA，向MN發(fā)送LCoA確認(rèn)消息并把LCoA發(fā)送給MN，同時(shí)標(biāo)記這個(gè)地址不可再分配給其它MN，當(dāng)MN收到上述消息后，MN再用該地址向MAP注冊(cè)[8]，MAP收到該消息后，檢查消息中的D標(biāo)志位支持D-HMIPv6后，綁定新LCoA和RCoA，并向MN發(fā)送LBA消息，MN檢測(cè)D標(biāo)志位確認(rèn)支持D-HMIPv6后確認(rèn)綁定成功，MN向舊AR發(fā)送LCoA釋放請(qǐng)求消息，舊AR監(jiān)聽到該消息后，標(biāo)記舊LCoA為可用，這樣就可以分配給其它的MN.

當(dāng)MN發(fā)生域間宏移動(dòng)時(shí)，MN檢查RA消息中的D標(biāo)志位，當(dāng)檢測(cè)到該子網(wǎng)支持D-HMIPv6方案后，MN根據(jù)MAP選項(xiàng)信息判斷自身已經(jīng)移動(dòng)到新的MAP域中后，向新的AR請(qǐng)求LCoA，新AR接收到該請(qǐng)求后，從其地址池中取出可用的LCoA，向MN發(fā)送LCoA確認(rèn)消息并把LCoA發(fā)送給MN，同時(shí)標(biāo)記這個(gè)地址不可再分配給其它MN，然后MN向MAP發(fā)送RCoA請(qǐng)求消息，MAP監(jiān)聽到該消息后，從其維護(hù)的地址池取出一個(gè)可用的RCoA，通過RCoA確認(rèn)消息發(fā)送給MN，并對(duì)兩者進(jìn)行綁定，然后向MN發(fā)送確認(rèn)消息，MN收到該消息后需要向HA注冊(cè).當(dāng)MN收到綁定確認(rèn)消息后，向舊AR和舊MAP發(fā)送LCoA請(qǐng)求釋放消息和RCoA請(qǐng)求釋放消息，舊AR標(biāo)記先前分配給MN的LCoA為可用，舊MAP解除舊RCoA和舊LCoA的綁定關(guān)系，并標(biāo)記舊RCoA為可用，不再因?yàn)樽饨杵谙尬吹蕉古fLCoA和舊RCoA不可用.

3性能評(píng)估

依照?qǐng)D1所示拓?fù)鋱D，用NS-2來驗(yàn)證方案性能.本文定義的鏈路參數(shù)為：MN通過2 Mbps的802.11WLAN無線鏈路接入到AR，其中MAP與HA，CN的鏈路帶寬為5 Mbps，鏈路延遲設(shè)為10 ms，來模擬MN與HA，CN距離遠(yuǎn)的場(chǎng)景.其余有線連接都使用5 Mbps的以太網(wǎng)接口，有線鏈路延遲是2 ms，無線鏈路延遲是10 ms.

文中進(jìn)行了2次切換性能方面的仿真實(shí)驗(yàn).首先將D-HMIPv6與HMIPv6進(jìn)行對(duì)比，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.從圖3可以看出，D-HMIPv6的切換性能明顯優(yōu)于HMIPv6的性能，尤其在域間宏移動(dòng)時(shí)省去了DAD操作，D-HMIPv6的切換時(shí)延更小.然后將D-HMIPv6與現(xiàn)有方案CoAP-HMIPv6進(jìn)行對(duì)比，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.從圖4可以看出，與CoAP-HMIPv6方案相比，隨著MN速率不斷增大，D-HMIPv6的切換時(shí)延更小.

圖3　D-HMIPv6與HMIPv6切換時(shí)延比較

圖4　D-HMIPv6與CoAP-HMIPv6切換時(shí)延比較

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由式(1)、式(2)得，在D-HMIPv6中，MN在域內(nèi)微移動(dòng)時(shí)切換時(shí)延Tmicro-DHHD為：

Tmicro-DHHD=TL2+Tdet+TLBU

(3)

MN進(jìn)行域間宏移動(dòng)時(shí)切換時(shí)延Tmicro-DHHD為：

Tmacro-DHHD=TL2+Tdet+TLBU+TBU

(4)

與式(1)、式(2)相比，從式(3)、式(4)可以看出，采用DHCP技術(shù)的HMIPv6的切換時(shí)延比HMIPv6減少了配置地址和DAD檢測(cè)的時(shí)間TCD，有效地縮短了切換時(shí)延.

CoAP-HMIPv6方案為每個(gè)地址都設(shè)置了可用期限，在這個(gè)期限內(nèi)即使MN已經(jīng)切換到其它子網(wǎng)，該地址依然不可用，這樣可能會(huì)耗光地址池，使切換時(shí)延大大增加，而這種情況在實(shí)際生活中比較常見，比如當(dāng)兩列高速列車通過時(shí)；而在D-HMIPv6方案中，增加了請(qǐng)求釋放舊地址的消息，在大量MN高速切換的環(huán)境下能使切換時(shí)延更小.

5結(jié)束語(yǔ)

本文研究分析了HMIPv6中MN配置地址而造成的切換時(shí)延，提出了一種基于DHCP技術(shù)的D-HMIPv6切換方案，緩解了MN在獲取轉(zhuǎn)交地址時(shí)切換時(shí)延大的問題.通過模擬實(shí)驗(yàn)表明，D-HMIPv6的切換性能優(yōu)于HMIPv6；并在大量MN高速移動(dòng)的環(huán)境下，D-HMIPv6方案比CoAP-HMIPv6方案的切換時(shí)延更小.

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Research of Handover Scheme using DHCP Mechanism for Hierarchical Mobile IPv6

SUN Wensheng, FENG Zhichang, WANG Yufei

(SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：To deal with the problem that the duplicate address detection(DAD) in hierarchical mobile IPv6(HMIPv6) links too time consuming, a handover scheme based upon DHCP for HMIPv6 was put forward. Open up a module in particular router to realize the role of DHCP server to allocate address directly for the mobile node(MN) when handover occur, and when mobile node executes handover, adding a new request to release the old address, thus the old address can be assigned to other mobile nodes. Simulation results show that: the new scheme is better than HMIPv6 in handover delay performance, and in comparison with existing schemes, the handoff delay of the new scheme is smaller when a number of MN move at high speed.

Key words：hierarchical mobile IPv6; duplicate address detection; DHCP; handover delay

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.04.003

收稿日期：2015-11-16

作者簡(jiǎn)介：孫文勝(1966-)，男，安徽巢湖人，副教授，嵌入式系統(tǒng)與無線通信系統(tǒng).

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-9146(2016)04-0010-05