葉朱兵

摘要：移動網(wǎng)絡(luò)（NEtwork MObility，NEMO）近年來發(fā)展迅速，該網(wǎng)絡(luò)將一組處于移動狀態(tài)的節(jié)點組建成一個統(tǒng)一體，并將其動態(tài)聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)，其應(yīng)用場合十分廣泛。移動網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相對簡單，在路由選擇環(huán)節(jié)缺乏優(yōu)化，因此其通信質(zhì)量已經(jīng)成為制約其發(fā)展的重要因素。該文圍繞NEMO協(xié)議展開研究，在基本協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方案，在兼顧到了移動網(wǎng)絡(luò)需頻繁切換這一特征的同時，對NEMO協(xié)議路由策略進(jìn)行了可靠的優(yōu)化，使其具有了自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)功能，顯著改善了移動網(wǎng)絡(luò)的路由質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 移動網(wǎng)絡(luò);通信隧道;移動IPv6;自適應(yīng);路由優(yōu)化

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）20-0032-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

近年來對移動網(wǎng)絡(luò)的研究越來越多，例如早期IETF設(shè)立的研究小組對此進(jìn)行了多年開發(fā)，但其研究對象均落在了單節(jié)點在移動過程中保持與互聯(lián)網(wǎng)的有效連接這一方面。雖然IETF小組取得了豐碩的成果，如開發(fā)了移動IP和移動IPV6等著名協(xié)議，但卻忽視了目前無線移動通信領(lǐng)域內(nèi)的另一個主要應(yīng)用場合，即一組節(jié)點作為一個整體移動時的通信需求，例如火車、客輪及其他大型載人工具等。NEMO網(wǎng)絡(luò)在此背景下逐漸成為研究的熱點，該網(wǎng)絡(luò)基于以往單節(jié)點的移動網(wǎng)絡(luò)加以改進(jìn)和擴(kuò)充，并提出了整個多個節(jié)點進(jìn)行統(tǒng)一連接的相關(guān)協(xié)議族。NEMO網(wǎng)絡(luò)基于移動IPv6協(xié)議，在此框架下，不僅可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的有效連接，同時也顯著的增加了通信的附屬功能，減少了移動設(shè)備的復(fù)雜性，提高了識別精確度，降低了控制信息所占用帶寬比例，加速了地址更新過程。但同時必須看到，該協(xié)議只實現(xiàn)了基本的聯(lián)結(jié)互聯(lián)網(wǎng)的任務(wù)，而并未對路由算法進(jìn)行可靠的優(yōu)化，從某種意義上來說，該協(xié)議就是以犧牲路由質(zhì)量來確保節(jié)點聯(lián)結(jié)的簡單性與可靠性的，在此協(xié)議下，IPV6數(shù)據(jù)報在傳輸?shù)倪^程當(dāng)中可能會經(jīng)歷多個代理節(jié)點，而每對節(jié)點之間均采用雙向隧道進(jìn)行連接，即通過二次封裝來解決網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，而這顯然會帶來巨大的通信時延。

目前針對移動網(wǎng)絡(luò)的路由優(yōu)化，基本上分為兩類，其一是通過添加硬件設(shè)備來提高路由匹配效率，即配置優(yōu)化路由緩存路由器來記錄移動網(wǎng)絡(luò)前綴和轉(zhuǎn)交地址之間的匹配關(guān)系，從而在后續(xù)的路由查找中快速收斂至以往成功的路由，但該方法對移動IPv6協(xié)議造成的變動較大，同時大量硬件設(shè)備的添加也帶來了高昂的投資成本;其二是采用自動配置的方式，使得任一移動節(jié)點在收到廣播的網(wǎng)絡(luò)前綴后，自動配置自己的轉(zhuǎn)交地址，并告知通信節(jié)點，由此建立與通信節(jié)點的直接路由，該方法雖不需要添加設(shè)備，但其算法的空間復(fù)雜度較高，對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性都構(gòu)成了較為嚴(yán)重的負(fù)面影響，因此并未得到廣泛的使用。

本文提出在NEMO協(xié)議中加入時間門限，使移動網(wǎng)絡(luò)可以自適應(yīng)地進(jìn)行路由優(yōu)化，并根據(jù)時間門限來判別是否需要啟動路由優(yōu)化機(jī)制，既保障了路由查詢的質(zhì)量，同時也在無須優(yōu)化的階段保證的網(wǎng)絡(luò)切換的速度，具有一定的實用價值。

1 NEMO概述

1.1 NEMO網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

為了實現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的統(tǒng)一連接，NEMO必須配置一臺移動路由器（MR）作為接口網(wǎng)關(guān)，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點均由該路由器審核其合法性連接互聯(lián)網(wǎng)。其合法節(jié)點的類型有三種：①本地固定節(jié)點，該節(jié)點屬于移動網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的固定設(shè)備，本身不可移動，如車、船上配置的通信設(shè)備等;②本地移動節(jié)點，同樣是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部配置的通信設(shè)備節(jié)點，但其本身可在網(wǎng)絡(luò)信號可達(dá)范圍內(nèi)移動，脫離MR范圍后將無法工作;③訪問移動節(jié)點（Visiting Mobile Node，VMN），及臨時加入的移動IP或IPv6節(jié)點，這些節(jié)點具有自己的家鄉(xiāng)鏈路和代理，該類節(jié)點的存在使得路由的靈活性大大增加了，本文針對這一類節(jié)點的路由優(yōu)化展開研究。圖1給出了NEMO網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。

1.2 NEMO通信過程

如圖1所示，VMN在并入到某個移動網(wǎng)絡(luò)后，即通過該網(wǎng)絡(luò)中配置的MR構(gòu)建出與VMNs HA的連接，當(dāng)此移動網(wǎng)絡(luò)位移離開當(dāng)前鏈路時，即通過MR重新在外地代理FA進(jìn)行注冊，與此同時仍舊保持與MRs HA的連接，從而構(gòu)建出路由器、代理節(jié)點和VMN之間的雙向隧道。其通信過程如下：首先網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的某客戶節(jié)點CN向VMN傳輸數(shù)據(jù)包，并在數(shù)據(jù)包的首部中填入了VMN的家鄉(xiāng)地址，該數(shù)據(jù)包在被VMNs HA收取后，通過雙向隧道傳輸至MRs HA，再遵循同樣的流程將數(shù)據(jù)包傳輸給MRs HA，后者在接收到了該數(shù)據(jù)包后，經(jīng)過解析發(fā)現(xiàn)封裝于首部中的MR的家鄉(xiāng)地址，于是按照隧道技術(shù)的要求再次封裝首部，并將其送至FA，F(xiàn)A在接收數(shù)據(jù)包后，通過MR將其交付交給VMN，完成本次傳輸任務(wù)，圖2給出了各個節(jié)點的分組封裝信息。

通過對NEMO網(wǎng)絡(luò)傳輸過程的分析可以看出，該網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)包的處理經(jīng)過了多次雙向隧道，由此導(dǎo)致了大量的處理時延，且隨著接入節(jié)點的增多，該時延還會不斷增長，從而導(dǎo)致傳輸效率的急劇下降，明顯影響了用戶使用移動網(wǎng)絡(luò)的體驗度。

2 NEMO路由優(yōu)化策略的設(shè)計

如前文所述，移動網(wǎng)絡(luò)通常是應(yīng)用在某種大型交通工具上并與之同步移動的，由于這種位移速度通常較快，因此導(dǎo)致了移動網(wǎng)絡(luò)鏈路切換頻率較高，因此NEMO及本協(xié)議更加側(cè)重于對鏈路切換的有效處理，而對于交通工具在某固定位置?？繒r的路由需求特征則考慮不足。本文提出基于時間門限的方式來解決這一問題，當(dāng)停留時間超過該門限值時，啟動路由優(yōu)化策略，以提高路由質(zhì)量，否則維持原來的基本協(xié)議，從而保障鏈路切換效率。

2.1 時間門限的設(shè)定

在NEMO網(wǎng)絡(luò)中，切換優(yōu)化和路由優(yōu)化本身就是相互對立的，任何一方效率的提高都會一定程度的影響另一方?；镜腘EMO協(xié)議實現(xiàn)了較好的切換優(yōu)化，內(nèi)部節(jié)點均通過MR連接到外部互聯(lián)網(wǎng)，而VMN只需要在MR處注冊即可使用，而VMN本身的切換過程對于CN而言都是透明的，由此加快的鏈路切換速度。但該協(xié)議明顯忽略了當(dāng)NEMO網(wǎng)絡(luò)長時間固定與某一點時的路由需求，若在移動時臨時切換網(wǎng)絡(luò)，又會顯著增大對帶寬和系統(tǒng)資源的消耗比例。

為了解決這一矛盾，可在VMN上設(shè)置一計時器，并設(shè)定以時間門限值t，當(dāng)NEMO網(wǎng)絡(luò)在某一鏈路內(nèi)停留時間超過t時，啟動路由優(yōu)化策略，VMN向VMNs HA發(fā)送綁定更新以優(yōu)化路由，否則維持原有的基本協(xié)議，而t值的設(shè)定可通過大量監(jiān)測采樣，并比較分析正常通信狀態(tài)下NEMO網(wǎng)絡(luò)穿越各個鏈路所需時間的最大值得到。

在NEMO網(wǎng)絡(luò)發(fā)生位移并執(zhí)行了鏈路切換后，定時器則被清零重新計時，與此同時網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的VMN同時發(fā)起綁定更新，在瞬間增大了通信流量，形成了綁定風(fēng)暴，因此，可將門限值t的大小也對鏈路切換形成了影響，可根據(jù)NEMO網(wǎng)絡(luò)的實際情況設(shè)定t的上下限，t值則在此區(qū)間內(nèi)隨機(jī)得出。

2.2 路由優(yōu)化策略

傳統(tǒng)NEMO網(wǎng)絡(luò)協(xié)議路由方面存在的最大問題就是過多的采用了家鄉(xiāng)代理來傳輸用戶分組，這顯著增大了資源消耗與網(wǎng)絡(luò)通信時延，而借助與家鄉(xiāng)代理的綁定模式，VMN可以極大地簡化路由，其過程如圖3所示。

分析上圖可知，首先VMN等待時間超過預(yù)設(shè)的門限t后，即開啟路由優(yōu)化模式，其過程為：

（1）由VMN 向VMNs HA發(fā)送綁定更新報文;

（2）VMNs HA隨后向MRs HA發(fā)送切換初始化消息HI，即通知后者釋放原本維系的雙向隧道;

（3）在審核完數(shù)據(jù)包，并完成準(zhǔn)備工作后，MRs HA發(fā)回應(yīng)答消息Hack;

（4）VMNs HA審核Hack，若無誤則可完成綁定更新，并將新的綁定信息發(fā)送給VMN和MRs HA，隨后VMN即可在與其家鄉(xiāng)代理之間構(gòu)建新的雙向隧道;

（5）在完成了路由優(yōu)化后，VMN通過FNA報文向VMNs HA進(jìn)行宣告，并請求發(fā)送用戶分組。

由于減少了大量的家鄉(xiāng)代理作為中間節(jié)點，因此在執(zhí)行完路由優(yōu)化策略后，VMN的數(shù)據(jù)傳輸效率顯著增加了，用戶的體驗度也有了明顯的改善。

3 結(jié)束語

NEMO網(wǎng)絡(luò)的路由具有一定的特殊性，本文提出的路由優(yōu)化策略既兼顧到了移動網(wǎng)絡(luò)頻繁切換鏈路的客觀特點，同時也顯著地提高了NEMO節(jié)點群長時間停留時的路由選擇質(zhì)量，較好地解決了長期以來存在與鏈路切換需求與路由優(yōu)化需求之間的矛盾。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，勢必會出現(xiàn)更多高性能的優(yōu)化方法，進(jìn)一步提高NEMO網(wǎng)絡(luò)的路由質(zhì)量，給用戶帶來更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 侯雅毅，錢煥延，王曉喃. MIPv6 中基于身份的安全路由優(yōu)化[J].計算機(jī)工程，2009，35（9）： 127-129.

[2] IETF RFC4225.MobileIP Version6 Route Optimization Security Design Background[S].

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