何志林，王春紅，李向麗

(1.運(yùn)城學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044000；2.鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

移動(dòng)IPv6也稱為MIPv6[1]，作為用于將來IP網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施管理的一項(xiàng)高效手段，這種技術(shù)手段能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)無線接入，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)主機(jī)可以通過不同的網(wǎng)絡(luò)互相建立聯(lián)系。不過這種技術(shù)所采用的協(xié)議仍然有一定的問題，比如在MN的移動(dòng)速度過高的情況下，HA與CN之間的信息交流比較大，在長(zhǎng)距離的時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)滯后以及數(shù)據(jù)丟包的弊端。針對(duì)這一問題，目前也采取了一定的措施，如MIPv6采用高速的切換[2]或者是采用多個(gè)層次HIPv6[3]等。

HMIPv6主要是采用了一種“域”的思想，這種不同的“域”中都會(huì)設(shè)定一個(gè)移動(dòng)錨點(diǎn)(MAP)作為其中的一個(gè)新的實(shí)體，其相當(dāng)于一個(gè)區(qū)域內(nèi)的本地代理，主要用途在于將其中的位子變化的過程進(jìn)行本體化的操作。通過這種手段能夠有效降低信號(hào)的傳輸以及信息的切換遲滯，最終減少節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中產(chǎn)生的對(duì)域外網(wǎng)絡(luò)的干擾情況。MAP的選擇對(duì)MN的通信性能影響極大，如果選擇不當(dāng)將會(huì)造成MAP負(fù)載過重、通信延時(shí)增加及丟包率過高等問題。但是，HMIPv6中默認(rèn)采用的最遠(yuǎn)MAP選擇算法，即選取距離MN跳數(shù)最多的MAP進(jìn)行注冊(cè)，導(dǎo)致高層MAP負(fù)載過重，低層MAP利用率低，使得網(wǎng)絡(luò)資源利用不合理。尤其是發(fā)生宏切換時(shí)，由于距離過遠(yuǎn)會(huì)增加通信開銷、切換時(shí)延及丟包率。

文中主要是在原有的基礎(chǔ)上對(duì)MN的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，然后實(shí)施判定。結(jié)合MN移動(dòng)特征在時(shí)間和空間上的相關(guān)性、連貫性及可預(yù)判性，通過對(duì)MN運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出一種新的基于MN移動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)的MAP選擇算法(TP-MAP)。通過實(shí)驗(yàn)表明，TP-MAP算法具有較好的負(fù)載分擔(dān)性能，能夠提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，減少切換時(shí)延和丟包率。

1 相關(guān)研究

MAP選擇算法是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外都非常關(guān)注的熱點(diǎn)。目前這種算法大致可分為以下三類：

1.1 基于距離矢量

距離矢量是指MN與MAP之間的路由跳數(shù)。最常見的是最大距離矢量MAP選擇算法。MN通過路由器通告消息(router advertisements，RA)獲取MAP和距離矢量信息，接下來挑選其中距離矢量值最高的一個(gè)MAP量進(jìn)行注冊(cè)。該方法能夠降低MN移動(dòng)時(shí)的宏切換頻率，但會(huì)使高層MAP負(fù)載過大而形成通信瓶頸。

1.2 基于移動(dòng)速度

這種手段主要是利用了MN中的移動(dòng)速度來進(jìn)行判定。但是在實(shí)際的操作中，速度并不能很好地進(jìn)行判定，這種速度是一種抽象的概念。在MAP中對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的選取上，針對(duì)不同的層次，對(duì)其中的不同速度范圍分別對(duì)應(yīng)了不同的MN請(qǐng)求。通常層次高，處理就快。該算法能很好地解決負(fù)載分擔(dān)問題。文獻(xiàn)[4]提出的MAP選取算法就是典型的基于移動(dòng)速度的MAP選取算法。

1.3 基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這類算法主要是利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆椒▉韺?shí)現(xiàn)所需的目的，其實(shí)施的操作流程為：第一步，及時(shí)地提取每個(gè)MN中所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)；第二步針對(duì)上一步提取的信息進(jìn)行處理與整合，然后選取適當(dāng)?shù)男畔ⅰＴ谖墨I(xiàn)[5-6]中采取的選取算法就是采用了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴ā?/p>

2 改進(jìn)方案

文中結(jié)合現(xiàn)有的算法進(jìn)行分析并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新型選取算法。該算法也是建立在MN移動(dòng)估計(jì)預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上的。

2.1 基本思想

改進(jìn)算法結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞乃枷?，也綜合考慮到MN在運(yùn)動(dòng)過程中表現(xiàn)出來的性能以及對(duì)應(yīng)的速度對(duì)算法產(chǎn)生的干擾。其中心思想圍繞了MN移動(dòng)呈現(xiàn)出來的特性在空間以及時(shí)間上對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)性，選取特定時(shí)間對(duì)這一特性進(jìn)行分析。

具體的實(shí)施流程為：

第一步對(duì)測(cè)量到的軌跡進(jìn)行分類整理；第二步對(duì)其中的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)定，這種測(cè)定方法主要是給定一個(gè)時(shí)間T，然后看軌跡；最后一步是結(jié)合前面測(cè)量的軌跡，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诮Y(jié)構(gòu)上達(dá)到要求的情況下挑選出新的MAP。其中速度都是通過特定時(shí)間里經(jīng)過的AR的個(gè)數(shù)來側(cè)面表示的。

選取合適的時(shí)間間隔T，能夠選取合適的MAP，從而降低分析的負(fù)擔(dān)，提高效率，減少切換時(shí)間并在一定程度上降低丟包率。

2.2 AR和MN功能擴(kuò)展

為了實(shí)現(xiàn)該算法，需要對(duì)現(xiàn)有接入路由器(access router，AR)和MN功能進(jìn)行如下擴(kuò)展。

(1)根據(jù)要求制定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒈怼?/p>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒈碛涗浟苏麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲蠱AP的層次關(guān)系以及每個(gè)MAP域內(nèi)下屬的所有MAP和AR。該表可通過文獻(xiàn)[5]提供的方法獲取，圖1中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒈砣鐖D2所示。

(2)引入MN移動(dòng)軌跡記錄文檔。

MN移動(dòng)軌跡記錄文檔記錄了MN在原MAP域移動(dòng)過程中所經(jīng)過的AR、移動(dòng)時(shí)間t及在前一個(gè)MAP域內(nèi)的移動(dòng)速度Vm-1。

(3)引入AR距離間隔表。

AR距離間隔是指兩個(gè)AR之間相隔的最少AR數(shù)目，每個(gè)AR中設(shè)置一份AR距離間隔表，記錄其他AR與該AR的距離間隔d。AR距離間隔表可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)手工加入，也可以通過文獻(xiàn)[7]中信息學(xué)習(xí)的方法獲取。為了防止該表過大，需設(shè)置一個(gè)最大距離間隔D。

(4)引入MAP調(diào)整計(jì)時(shí)器。

該計(jì)時(shí)器所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔為T，在每一個(gè)間隔中，利用MN對(duì)其運(yùn)動(dòng)的軌跡進(jìn)行分析與處理，并預(yù)測(cè)下一個(gè)間隔T的新移動(dòng)軌跡，選取新的MAP。如果在間隔T內(nèi)發(fā)生宏切換，將T歸零并做軌跡預(yù)測(cè)。

圖1 HMIPv6拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒈?/p>

2.3 MN移動(dòng)軌跡類型歸納

文中將MN移動(dòng)軌跡分為以下三類[8]：

(1)類直線運(yùn)動(dòng)。MN的移動(dòng)軌跡中不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)的AR記錄。如圖1，若MN的移動(dòng)軌跡為{AR1，AR2，AR3，AR5，AR6}，則MN做類直線運(yùn)動(dòng)。

(2)局部運(yùn)動(dòng)。MN在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)軌跡中會(huì)出現(xiàn)多次同樣的AR記錄，稱為局部運(yùn)動(dòng)，這種情況如軌跡滿足{AR1，AR2，AR3，AR4，RA3，AR1}。

(3)其他類運(yùn)動(dòng)。不符合類直線運(yùn)行或局部運(yùn)動(dòng)的軌跡運(yùn)動(dòng)。

2.4 軌跡預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)方法為：首先結(jié)合AR的距離間隔表還有對(duì)應(yīng)的MN的軌跡來進(jìn)行分析，推導(dǎo)獲取MN處于最初的MAP域里面的首個(gè)AR以及NAR之間的間隔d；接著設(shè)定MN在初始的MAP域中停滯的時(shí)長(zhǎng)為t(0≤t≤T)，則MN在該MAP域內(nèi)的速度為：

在對(duì)測(cè)量速度精準(zhǔn)性提出要求時(shí)，可以根據(jù)需求將分析對(duì)象前一步的速度Vm-1作為參考，因此引入?yún)?shù)α(0≤α≤1)，令MN第m次宏切換時(shí)的移動(dòng)速度為：

Vm=αVq+(1-α)Vm-1，0≤α≤1

如果MN按照速度Vm移動(dòng)，可得出在上述時(shí)間間隔T內(nèi)MN移動(dòng)的最大距離矢量為P=T·Vm。

然后根據(jù)NAR中的距離間隔表找出距離間隔d小于等于P的AR集合C。

最后確定預(yù)測(cè)軌跡需結(jié)合MN移動(dòng)類型的不同選用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行。如設(shè)定對(duì)應(yīng)的Cpmn作為MN在初始MAP域中所有的軌跡所對(duì)應(yīng)的AR集合，同時(shí)設(shè)定Cnmn為與之對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)的集合。

當(dāng)滿足MN運(yùn)動(dòng)類型為類直線型時(shí)，對(duì)應(yīng)的MN不會(huì)出現(xiàn)在原始的Cpmn中，這種情況為了避免出現(xiàn)過多的數(shù)據(jù)，則需要對(duì)前期信息進(jìn)行消除,即Cnmn=C-Cpmn。

當(dāng)滿足MN運(yùn)動(dòng)類型為局部運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種情況則需要分類考慮，具體操作為：

(1)在時(shí)間間隔T歸零前產(chǎn)生的宏移動(dòng)。

這種情況其軌跡有一定幾率與之前出現(xiàn)過的重疊，為了避免對(duì)應(yīng)的區(qū)域太小影響判定，需要在新的集合加入原有的，即：

Cnmn=C∪Cpmn

(2)在時(shí)間間隔歸零前未產(chǎn)生的宏移動(dòng)。

對(duì)于這種情況，說明所對(duì)應(yīng)的管理域過大，這種情況則需要挑選出其中比較小的域進(jìn)行注冊(cè)，即：

Cnmn=Cpmn

選用上述的合適方法進(jìn)行處理，后續(xù)通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步挑選出滿足要求的MAP來實(shí)施相應(yīng)的注冊(cè)。

2.5 算法分析

若MN當(dāng)前沒有注冊(cè)MAP，則選擇距其最近的MAP注冊(cè)，若有則按如下方法選擇。

當(dāng)MN為類直線或局部運(yùn)動(dòng)時(shí)，采用如下公式進(jìn)行MAP調(diào)整。

其中，N(MAPx∩Cnmn)為所對(duì)應(yīng)的距離矢量，該量表示x所對(duì)應(yīng)的移動(dòng)錨點(diǎn)管理域中MAPx所對(duì)應(yīng)的所有的AR整體和MN所預(yù)測(cè)的所有軌跡中包含的AR的數(shù)量；NCnmn表示MN中移動(dòng)軌跡里面所對(duì)應(yīng)的AR的數(shù)量；PMAPx表示MAP中針對(duì)MN軌跡預(yù)測(cè)所對(duì)應(yīng)的所有的AR數(shù)量。

如果滿足P=1，則表示該域可以涵蓋所有MN的軌跡；

如果P<1，則表示該域無法涵蓋所有MN的軌跡；

在實(shí)際情況中始終有條件滿足P=1，這個(gè)需要充分地尋找對(duì)應(yīng)的區(qū)域，找到對(duì)應(yīng)x最小的情況，然后尋找對(duì)應(yīng)的MAP進(jìn)行注冊(cè)。最后將T歸零處理，并刪除原有的記錄表，但是要保留對(duì)應(yīng)的Vm，接下來重新開始登記對(duì)應(yīng)的MAP。

當(dāng)重新登記的軌跡不是原始軌跡，則不需要調(diào)整，只需要清理對(duì)應(yīng)的記錄表，然后重新開始統(tǒng)計(jì)即可。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 仿真模型

實(shí)驗(yàn)使用NS2作為仿真平臺(tái)，對(duì)最大距離矢量(F-MAP)和基于軌跡預(yù)測(cè)MAP選擇方案(PT-MAP)進(jìn)行模擬[9]，仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)置了1個(gè)一層MAP，2個(gè)二層MAP，每個(gè)二層MAP下又包含了2個(gè)三層MAP，MAP最大負(fù)載為20。設(shè)定每一層只有三個(gè)AR，并且覆蓋直徑為一百米。對(duì)應(yīng)的區(qū)間全面覆蓋。每個(gè)仿真區(qū)域選取二十個(gè)MN，速度設(shè)定為每秒十厘米到二十厘米。這二十種運(yùn)動(dòng)形式設(shè)定為六個(gè)直線，十個(gè)局部，剩下的隨機(jī)[10]。其中統(tǒng)一所有的MN是同種類型的調(diào)整計(jì)時(shí)器，其中時(shí)間間隔為一百五十秒，對(duì)應(yīng)的參數(shù)α取值0.5。其中CN和對(duì)應(yīng)的UDP連接在一起，MN則和null接收器連接在一起[11]。仿真開始后，CN從第5 s開始向MN發(fā)送UDP數(shù)據(jù)，一直到整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，總的模擬時(shí)間是300 s。

3.2 仿真結(jié)果及性能分析

主要圍繞著F-MAP、PT-MAP進(jìn)行對(duì)比分析，通過以下三個(gè)方向進(jìn)行[12]。

(1)負(fù)載分擔(dān)。

負(fù)載主要是針對(duì)特定時(shí)間中MAP所包含的MN總的個(gè)數(shù)，統(tǒng)計(jì)頻率為25 s。具體可以參照?qǐng)D3。通過該圖不難看出各層負(fù)載不存在分擔(dān)的情況，在第一層滿了才會(huì)往下一層分?jǐn)偅@種情況會(huì)讓資源得不到充分利用，采用負(fù)載分擔(dān)以后，每層都可以參與信息的處理，從而達(dá)到資源的高效利用。

(2)切換時(shí)延。

圖4展示的就是兩種不同的切換時(shí)延的類型。切換時(shí)延為切換前接收到最后一個(gè)分組的時(shí)間與切換后接收到第一個(gè)分組的時(shí)間的間隔。每25 s統(tǒng)計(jì)一次。不難發(fā)現(xiàn)，PT-MAP方案切換時(shí)延整體小于F-MAP方案的切換時(shí)延。由于在PT-MAP方案中MN向其最近的MAP注冊(cè)，所以前70 s內(nèi)PT-MAP方案切換時(shí)延大于F-MAP，在一開始時(shí)會(huì)導(dǎo)致宏切換較為頻繁，造成時(shí)延過大；隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，由于MN在MAP選擇處于穩(wěn)定后，PT-MAP方案切換時(shí)延逐漸小于F-MAP方案，域間切換是造成切換時(shí)延的主要因素，PT-MAP方案中部分MN向距其較近的MAP進(jìn)行注冊(cè)，平均時(shí)延較小[13]。

圖4 不同時(shí)刻平均切換時(shí)延

(3)丟包率。

丟包率是指在某時(shí)刻CN發(fā)送的總數(shù)據(jù)包與MN接收到的數(shù)據(jù)包之差和發(fā)送總數(shù)據(jù)包的比值。圖5比較了兩種方案的丟包率，每25 s統(tǒng)計(jì)一次?？梢钥闯觯琍T-MAP方案丟包率整體小于F-MAP方案丟包率。丟包主要是由于切換時(shí)會(huì)出現(xiàn)通訊中斷的情況，這個(gè)時(shí)候就會(huì)容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的丟失。采用PT-MAP這套方案，其中的平均時(shí)延比較小，因此丟包的情況也會(huì)比較少。

圖5 不同時(shí)刻丟包率

4 結(jié)束語

文中提出一種基于MN移動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)的MAP選擇算法，綜合考慮了MN的移動(dòng)特征、移動(dòng)速度以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素，為MN選擇最合適的MAP進(jìn)行注冊(cè)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該算法提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率，實(shí)現(xiàn)了MAP負(fù)載分擔(dān)，降低了切換時(shí)延和丟包率，更好地滿足了實(shí)際應(yīng)用的需求[14]。

算法中關(guān)鍵是選擇調(diào)整計(jì)時(shí)時(shí)間T，如果T選取過小會(huì)導(dǎo)致MN注冊(cè)MAP管理域過小，從而增大宏切換頻率；T選取過大，導(dǎo)致注冊(cè)MAP管理域過大，底層MAP利用不充分，同時(shí)會(huì)增加通信時(shí)延[15]。因此，下一步需要對(duì)T的選擇進(jìn)行研究。