孫文勝 馮志常
(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院 浙江 杭州 310018)
基于負(fù)載均衡的MAP選擇方案的研究
孫文勝 馮志常
(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院 浙江 杭州 310018)
針對(duì)層次移動(dòng)IPv6中,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(MN)選擇移動(dòng)錨點(diǎn)(MAP)沒(méi)有考慮負(fù)載的問(wèn)題,提出一種基于負(fù)載均衡的MAP選擇方案。在該方案中,當(dāng)路徑中路由器的負(fù)載度量值大于所設(shè)置的閾值時(shí),路由器就會(huì)丟棄數(shù)據(jù)分組以減小網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的擁塞。當(dāng)MN進(jìn)入新網(wǎng)絡(luò)時(shí),根據(jù)設(shè)置的實(shí)時(shí)度量值來(lái)選擇負(fù)載小的路徑,然后向該路徑的源MAP進(jìn)行注冊(cè),使MN可以根據(jù)路徑負(fù)載的不同來(lái)選擇不同層的MAP,避免某些MAP成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸,均衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的MAP負(fù)載。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方案能使網(wǎng)絡(luò)中的MAP負(fù)載更加均衡。
HMIPv6 MAP選擇 負(fù)載均衡
近年來(lái),隨著信息技術(shù)和經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展,人們的手持移動(dòng)設(shè)備越來(lái)越多,如何減小移動(dòng)終端切換時(shí)的時(shí)延是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。移動(dòng)IPv6(mobile IPv6,MIPv6)是目前被普遍接受的移動(dòng)IP技術(shù),但是由于移動(dòng)主機(jī)切換時(shí)存在切換時(shí)延高的問(wèn)題,不能很好滿足人們的實(shí)時(shí)需求。為此,互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組IETF(Internet Engineering Task Force)提出了層次移動(dòng)IPv6(hierarchical mobile IPv6,HMIPv6)協(xié)議。HMIPv6通過(guò)引入移動(dòng)錨點(diǎn)MAP(Mobile Anchor Point)并采用層級(jí)管理方式來(lái)優(yōu)化MIPv6切換性能,當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN(Mobile Node)在域內(nèi)移動(dòng)時(shí),其不必向歸屬代理HA(Home Agent)和對(duì)端節(jié)點(diǎn)CN(Correspondent Node)進(jìn)行綁定注冊(cè),大大減小了MN在域內(nèi)的切換時(shí)延。因此為MN選擇一個(gè)最佳MAP,提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能成為HMIPv6一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[1]。
目前主流的MAP選擇機(jī)制有:基于距離的MAP選擇機(jī)制和基于速度的MAP選擇機(jī)制[2]。基于距離的MAP選擇機(jī)制是HMIPv6默認(rèn)的方案,在該方案中,MN選擇層級(jí)最高的MAP,顯著減少了MN在域間切換的次數(shù),但這種機(jī)制比較簡(jiǎn)單,如果網(wǎng)絡(luò)中有大量的MN,最上層的MAP就會(huì)因?yàn)樨?fù)載太大而使網(wǎng)絡(luò)性能大大降低[3],成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。對(duì)于如何根據(jù)MN的速度選擇最優(yōu)的MAP,人們也提出了很多方案。如基于速度閾和基于MN移動(dòng)的軌跡,它們都是根據(jù)MN的速度來(lái)選擇最佳MAP,但是由于MN運(yùn)動(dòng)時(shí)隨機(jī)性太大,很難準(zhǔn)確地估計(jì)出它的速度。并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中MN的移動(dòng)速度都相同時(shí),它們就會(huì)選擇相同的MAP,使網(wǎng)絡(luò)中的某些MAP負(fù)載嚴(yán)重而成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸,而且MN的速度估測(cè)得未必準(zhǔn)確。
除了上述兩種方案,文獻(xiàn)[4]提出了一種基于變換模擬退火思想的MAP選擇機(jī)制。該方案在MAP選擇過(guò)程中加入了隨機(jī)機(jī)制,MN在某一MAP域中停留時(shí)間越長(zhǎng),其就有越大的概率選擇底層的MAP。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中MN非常少或有大量速度快的MN時(shí),該方案的效果較差。文獻(xiàn)[5]提出了基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞腗AP選擇方案,該方案不用預(yù)先設(shè)定閾值,修改了路由器報(bào)文格式,但需要搜索拓?fù)涞拈g隔要足夠短。文獻(xiàn)[6]提出了主動(dòng)預(yù)防MAP過(guò)載的方案,在該方案中,MAP周期性的動(dòng)態(tài)估計(jì)自身的負(fù)載,并向接入路由器AR(Access Router)發(fā)送自身的負(fù)載信息,AR根據(jù)收到的MAP負(fù)載信息,按照主動(dòng)預(yù)防策略來(lái)選擇MAP,可如果網(wǎng)絡(luò)中存在大量MN和MAP,信令開銷會(huì)顯著增大。文獻(xiàn)[7]提出了基于移動(dòng)特征的MAP選擇方案,該方案根據(jù)MN的移動(dòng)特點(diǎn)動(dòng)態(tài)地選擇MAP,通過(guò)設(shè)定固定閾值來(lái)區(qū)分不同速度和移動(dòng)性等級(jí)的MN,但是如何針對(duì)不同類型的MN設(shè)定合理的閾值是比較困難的。
針對(duì)上述方案在選擇MAP沒(méi)有很好考慮MAP負(fù)載的問(wèn)題,本文提出一種基于負(fù)載均衡的MAP選擇方案,該方案使MN可以根據(jù)路徑負(fù)載的不同來(lái)選擇不同層的MAP,使網(wǎng)絡(luò)的MAP負(fù)載更加均衡。
如圖1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)歸屬地代理。 MN在漫游的過(guò)程中,如果是在同一個(gè)域中的不同接入點(diǎn)之間發(fā)生切換,叫做域內(nèi)微移動(dòng),如果在不同區(qū)域之間切換,就叫做域間宏移動(dòng)。MN在發(fā)生切換后,會(huì)接收到AR發(fā)出的路由器通告RA(Router Advertisement)消息,MN從RA消息中可以獲得所在網(wǎng)絡(luò)所有MAP的選項(xiàng)信息,如MAP 的優(yōu)先級(jí)、從MN到MAP的距離、MAP的地址等。MN可以依據(jù)上述信息判斷自身是否移動(dòng)到新的MAP管理域中[8]。
圖1 HMIPv6網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>
若MN判斷出自身已經(jīng)移動(dòng)到新的MAP管理域中,即發(fā)生域間宏移動(dòng)時(shí),它將依據(jù)RA報(bào)文來(lái)選擇新的MAP并進(jìn)行注冊(cè),然后再向HA和CN進(jìn)行注冊(cè)更新,成功后新MAP就可以為MN轉(zhuǎn)發(fā)消息。若MN發(fā)生了域內(nèi)微移動(dòng),只需向當(dāng)前的MAP進(jìn)行注冊(cè),和域間宏移動(dòng)相比,大大減小了信令開銷。圖2為HMIPv6的切換處理流程圖。
圖2 HMIPv6的切換處理流程
在當(dāng)前RA報(bào)文中,加入了新的MAP選項(xiàng)信息,其中包括:MAP 的優(yōu)先級(jí)、從MN到MAP的距離、MAP所在網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)前綴等信息。本文提出的基于負(fù)載均衡的MAP選擇方案中所有的MAP都要單獨(dú)發(fā)送消息,所以在MAP選項(xiàng)信息中不再需要MAP的優(yōu)先級(jí)。
2.1 路徑中路由器的負(fù)載度量機(jī)制
設(shè)計(jì)負(fù)載均衡協(xié)議的首要任務(wù)是確定負(fù)載度量方案,而MAC層接口隊(duì)列分組長(zhǎng)度QLI(Queue Length of Interface)和接口隊(duì)列分組長(zhǎng)度增量QLII(Queue Length Increment of Interface)不但直接反映了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量的情況,也間接反映了MN對(duì)共享廣播信道的競(jìng)爭(zhēng)情況。因此本文使用兩者作為路由器的負(fù)載度量值。
在該方案中,為路徑中的路由器的負(fù)載度量值設(shè)定動(dòng)態(tài)閾值(其中QLI的閾值為ΓQLI,QLII的閾值為ΓQLII)。當(dāng)路徑中路由器收到上層路由器傳遞的消息時(shí),不是馬上傳遞此消息,而是將自己的負(fù)載值與閾值相比較。若是小于閾值,則說(shuō)明自身的負(fù)載較輕,繼續(xù)往下層傳遞數(shù)據(jù),若是大于閾值,則說(shuō)明自身的負(fù)載較重,應(yīng)丟棄該中間數(shù)據(jù)分組。如果路由器同時(shí)滿足下面兩個(gè)條件,則路由器自身負(fù)載嚴(yán)重:
CurrentQLI>ΓQLI
CurrentQLII>ΓQLII
其中,ΓQLI是動(dòng)態(tài)變化的,它反映了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況,隨網(wǎng)絡(luò)流量的變化而變化,它的計(jì)算方法為:
(1)
式中,AveTraffici是路由器i的負(fù)載平均值,SumAveTraffic是路徑中路由器i上層的路由器負(fù)載平均值之和,ni是從源MAP到路由器i的路徑上MAP的個(gè)數(shù)。
2.2MN對(duì)路徑的負(fù)載度量機(jī)制
本文使用路由器的隊(duì)列可用率ARQ(availableratioofqueue)、MAP收到的LBU報(bào)文總個(gè)數(shù)和路徑的跳數(shù)(HOP)作為路徑的即時(shí)負(fù)載度量值。當(dāng)MN進(jìn)入到一個(gè)域中時(shí),會(huì)收到多個(gè)路徑的負(fù)載信息,所以MN需要對(duì)這些路徑上的信息進(jìn)行比較,根據(jù)一定的機(jī)制選擇最佳的路徑。本文選擇的機(jī)制如下:
(1) 路徑上所有路由器的ARQ
第i個(gè)路由器的ARQ計(jì)算公式為:
(2)
式中,AQLIi=MQLIi-CQLIi,AQLIi為第i個(gè)路由器上可用的QLI,MQLIi為路由器i最大的QLI,CQLIi為第i個(gè)路由器當(dāng)前的QLI。所以路徑r上的所有路由器的隊(duì)列可用率為:
ARQr=∏i∈NrARQi
(3)
ARQr的值越大,說(shuō)明該路徑上所有路由器的隊(duì)列可用率越高,路徑r上的業(yè)務(wù)流量越小,應(yīng)該選擇這一路徑作為最佳路由。ARQr越小,該路徑被選擇的概率就越小。
(2) 路徑r上MAP已經(jīng)收到的LBU總數(shù)目NRr
MAP收到的LBU報(bào)文數(shù)量NRi越大,就說(shuō)明該MAP要為越多的MN建立隧道,并通過(guò)隧道技術(shù)將CN發(fā)送給MN的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給MN,其需要處理的業(yè)務(wù)流量也就越大。路徑r上所有MAP收到的LBU報(bào)文個(gè)數(shù)NRr計(jì)算公式為:
NRr=∑i∈NrNRi
(4)
其中NRi為第i個(gè)MAP收到的LBU報(bào)文數(shù)量。
(3) 路徑r上的跳數(shù)HOP
HOP為從發(fā)送RA報(bào)文的源MAP到最終AR的跳數(shù),路徑上的HOP越小意味著MN和MAP之間的路由器越少,這樣在其他條件相同的情況下,兩者之間傳輸?shù)拈_銷越小。
根據(jù)ARQr、NRr和HOP,得出衡量路徑r上總負(fù)載LR(LoadofRoute)的計(jì)算公式為:
LR=a×(1-ARQr)+b×NRr+c×HOP
(5)
其中,a、b、c為預(yù)設(shè)的負(fù)載參數(shù),在實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)各個(gè)負(fù)載值的重要性來(lái)賦值。MN在收到RA消息時(shí),根據(jù)上式計(jì)算出LR,選擇LR最小的路徑為最佳路由,并選擇該路徑上的MAP進(jìn)行注冊(cè)。
2.3 方案描述
(1) 源MAP的操作
在基于負(fù)載均衡的MAP選擇方案中,每一個(gè)MAP都單獨(dú)向下層傳遞消息。因?yàn)镸N在收到RA消息后是根據(jù)MAP的負(fù)載情況來(lái)選擇MAP,因此在MAP選項(xiàng)中不再需要MAP的優(yōu)先級(jí)。同時(shí)在路由器通告消息中的可變長(zhǎng)度選項(xiàng)中加入ARQ、NRr兩個(gè)字段來(lái)衡量該條路徑上的負(fù)載。其中ARQ、NRr都初始化為零。
(2) 路徑中路由器的操作
當(dāng)路徑中路由器收到上層MAP傳來(lái)的消息時(shí),根據(jù)QLI和QLII判斷自身是否重負(fù)載,如果自身當(dāng)前的QLI、QLII分別大于閾值ΓQLI、ΓQLII,則說(shuō)明路由器嚴(yán)重負(fù)載,應(yīng)丟棄該分組,否則就根據(jù)式(3)更新ARQ的值,并將HOP的值加1。如果路由器收到MN發(fā)送的本地綁定更新消息,若目的地址不是自己,則把該消息單播出去;若目的地址就是自身,就為發(fā)送消息的MN的RCoA和LCoA建立綁定關(guān)系,并將自身存儲(chǔ)的NRi加1。
(3)MN的操作
當(dāng)MN移動(dòng)到新的MAP管理域后,最初默認(rèn)選擇最高層MAP。當(dāng)MN在新網(wǎng)絡(luò)中收到多條RA消息后,根據(jù)式(5)計(jì)算各路徑的LR。從中選擇LR值最小的路徑,向該路徑上的源MAP注冊(cè)。如果有多條路徑的LR值相同,就選擇最早收到的消息路徑上的源MAP并向其注冊(cè)。
3.1 仿真環(huán)境設(shè)置
依照?qǐng)D3所示拓?fù)鋱D,在虛擬機(jī)VMWorkstations8.0的Redhat9.0環(huán)境中,用軟件NS-2模擬一個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)驗(yàn)證方案性能。每個(gè)AR的管理區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)以自身為圓心、以50m為半徑的圓形,在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,相鄰AR間的距離為90m,保證相鄰AR間有10m的重疊范圍,并且AR的間距相等。
MAP1與HA、CN的鏈路均采用尾部丟棄算法。其他鏈路采用隨機(jī)早期檢測(cè)算法。仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置的鏈路參數(shù)為:MN通過(guò)2Mbps的802.11WLAN無(wú)線鏈路接入到AR,其中MAP與HA、CN的鏈路帶寬為100Mbps,鏈路時(shí)延設(shè)為10ms,來(lái)模擬MN與HA、CN距離遠(yuǎn)的場(chǎng)景。AR與MAP之間的鏈路是帶寬為2Mbps的雙向鏈路,MAP與MAP間之間的鏈路是帶寬為5Mbps的雙向鏈路。有線鏈路時(shí)延是2ms,無(wú)線鏈路時(shí)延是10ms,每個(gè)鏈路都設(shè)定為duplex-link類型。
圖3 新MAP選擇方案模擬實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D
仿真實(shí)驗(yàn)中總共有50個(gè)MN,把這些MN分為兩部分,其中一部分MN的速度需要手工設(shè)置,另一部分MN的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的,并且運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閱畏较蛞苿?dòng)。兩部分的MN個(gè)數(shù)之比為2∶1。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更易分析,在需要手工設(shè)置速度的MN中,把高速移動(dòng)的MN和低速移動(dòng)的MN的個(gè)數(shù)之比設(shè)置為2∶1。
3.2 仿真結(jié)果及分析
本節(jié)將新的MAP選擇方案和現(xiàn)有的MAP選擇方案進(jìn)行了對(duì)比,其中SD-MAP表示基于速度的MAP選擇方案,DE-MAP表示基于距離的MAP選擇方案,LB-MAP表示本文提出的基于負(fù)載均衡的MAP選擇方案。本文從信令開銷和負(fù)載均衡兩方面來(lái)比較三種方案。
圖4為三種方案的信令開銷對(duì)比圖。從圖中可知,DE-MAP方案的信令開銷最小,SD-MAP方案的開銷最大。這是因?yàn)樵贒E-MAP方案中,MN總是選擇最高層次的MAP即MAP1,切換的次數(shù)最小。SD-MAP方案是完全根據(jù)MN的速度來(lái)選擇MAP,并沒(méi)有考慮路由器的負(fù)載問(wèn)題。LB-MAP方案的信令開銷介于兩者之間,這是因?yàn)長(zhǎng)B-MAP方案考慮每一個(gè)路由器的負(fù)載情況,并會(huì)根據(jù)不同負(fù)載度量值重要性的不同而設(shè)置不同的參數(shù),考慮的因素更多,當(dāng)一條路徑的負(fù)載較大時(shí),MN就會(huì)選擇另一條路徑的源MAP。
圖4 信令開銷分析對(duì)比
在HMIPv6中,將每個(gè)MAP注冊(cè)的MN個(gè)數(shù)定義為該MAP的負(fù)載。由于模擬實(shí)驗(yàn)中總共有50個(gè)MN,因此每個(gè)MAP的最大負(fù)載為50個(gè)MN。在實(shí)驗(yàn)開始的不同時(shí)間采集數(shù)據(jù),并且從各層MAP的負(fù)載情況來(lái)分析。
圖5是第三層MAP的負(fù)載情況。從圖中可知,在DE-MAP方案中,第三層MAP負(fù)載始終為50個(gè)MN。SD-MAP方案在穩(wěn)定后,最高層MAP的負(fù)載情況在30到40之間,這是因?yàn)槟M實(shí)驗(yàn)中高速和低速M(fèi)N個(gè)數(shù)之比在2∶1左右,高速的MN就會(huì)選擇高層MAP。在LB-MAP方案中,實(shí)驗(yàn)開始時(shí),所有MN都選擇了第三層MAP,和本文的方案符合,因?yàn)樵贚B-MAP方案中,模擬實(shí)驗(yàn)開始時(shí)默認(rèn)選擇最高層的MAP。但是隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,當(dāng)MN判斷出其他層MAP的負(fù)載更小后,會(huì)轉(zhuǎn)而選擇其他層的MAP,使最高層MAP的負(fù)載減小。
圖5 第三層MAP的負(fù)載情況
第二層MAP負(fù)載情況如圖6所示,從圖中可知,DE-MAP和SD-MAP方案在第二層MAP的負(fù)載始終為0。這是因?yàn)镈E-MAP方案選擇的都是最高層的MAP;在SD-MAP方案中,高速的MN選擇最高層的MAP,低速的MN選擇最底層的MAP,使中間層MAP負(fù)載為0。在LB-MAP中,第二層MAP負(fù)載不為零,這是由于LB-MAP方案是根據(jù)負(fù)載來(lái)選擇MAP的,當(dāng)MN發(fā)現(xiàn)第二層的MAP負(fù)載較小時(shí),就會(huì)選擇該層的MAP。
圖6 第二層MAP的負(fù)載情況
第一層MAP負(fù)載情況如圖7所示??梢钥闯觯珼E-MAP方案在第一層的MAP負(fù)載為0,基于速度的SD-MAP方案在穩(wěn)定后,最低層MAP的負(fù)載情況在10到20之間,這是因?yàn)槟M實(shí)驗(yàn)中高速和低速M(fèi)N個(gè)數(shù)之比在2∶1左右,低速度移動(dòng)的MN選擇低層的MAP。在LB-MAP方案中, 最初最底層的MAP負(fù)載為0,隨著模擬實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,MN相繼選擇了最底層的MAP,這是因?yàn)镸N在判斷出最底層的MAP負(fù)載較小時(shí),會(huì)選擇最低層的MAP。
圖7 第一層MAP的負(fù)載情況
在DE-MAP方案中,MN選擇的全是最高層的MAP,雖然減小了信令開銷,但使最高層的MAP負(fù)載嚴(yán)重,容易成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸,同時(shí)其他層的MAP不能分擔(dān)最高層MAP的負(fù)載。在SD-MAP方案中,速度大的MN都選擇了最高層的MAP,速度小的MN都選擇了最低層的MAP,這樣就會(huì)使第二層的MAP處于空閑狀態(tài),不能為其他層的MAP分擔(dān)負(fù)載。本文提出的基于負(fù)載均衡的LB-MAP方案,在實(shí)驗(yàn)剛開始時(shí)和DE-MAP方案一樣,MN全都選擇最高層的MAP,但隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,MN會(huì)根據(jù)MAP負(fù)載的不同來(lái)選擇其他層的MAP,每一個(gè)MAP都會(huì)承擔(dān)相應(yīng)的負(fù)載,不會(huì)使一些MAP成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸,使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的MAP負(fù)載比較均衡。
但實(shí)驗(yàn)的結(jié)果只是在虛擬機(jī)上仿真出來(lái)的,仿真環(huán)境的設(shè)置不同,模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果就會(huì)不同,并且仿真的環(huán)境和現(xiàn)實(shí)中還是有著很大差異,因此下一步要把方案應(yīng)用到實(shí)際環(huán)境中。
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RESEARCH ON MAP SELECTION SCHEME BASED ON LOAD BALANCING
Sun Wensheng Feng Zhichang
(SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou310018,Zhejiang,China)
To deal with the problem that Mobile Node(MN) do not take load problem into account when it choose Mobile Anchor Point(MAP), an MAP selection scheme is proposed based on load balancing. In this scheme, when the load of the router in the path is greater than the threshold value, the data packet will be discarded to reduce the congestion in the network. When MN enters a new network, it will select the route with the smallest load according to the real-time measurement, and then register the source MAP. Thus, MN will select MAP in different layers according to the load of route, avoiding some MAP become the bottleneck of the entire network and balancing the MAP load in the whole network. The result of the simulation experiment shows that the new scheme can make the load of MAP in the network more balanced.
Hierarchical mobile IPv6 MAP selection Load balancing
2016-01-06。孫文勝,副教授,主研領(lǐng)域:多媒體通信與無(wú)線通信。馮志常,碩士生。
TP393
A
10.3969/j.issn.1000-386x.2017.02.030