楊世欣

摘 要： 移動(dòng)IPv6協(xié)議解決了移動(dòng)IPv4協(xié)議三角路由問題，實(shí)現(xiàn)路由的優(yōu)化;層次移動(dòng)IPv6協(xié)議（HMIPv6）可以減少標(biāo)準(zhǔn)切換引起的連接中斷時(shí)間，維持或提高已有連接的通信服務(wù)質(zhì)量，是移動(dòng)IPv6的重要擴(kuò)展。但是HMIPv6依然存在問題， HMIPv6對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域間的切換注冊(cè)開銷和時(shí)延性能上沒有任何改進(jìn)，甚至比標(biāo)準(zhǔn)IPv6的注冊(cè)過程更多一次新的域內(nèi)注冊(cè)過程;對(duì)移動(dòng)迅速的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)帶來沉重的注冊(cè)開銷負(fù)擔(dān)。對(duì)此提出一種新的HMIPv6切換改進(jìn)策略，客觀上可減少網(wǎng)絡(luò)中注冊(cè)、綁定和更新消息，減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。

關(guān)鍵詞： 移動(dòng)IPv6; HMIPv6; MAP; 家鄉(xiāng)代理; 域內(nèi)切換; 域間切換

中圖分類號(hào)： TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1007-757X（2019）06-0047-03

Abstract： Mobile IPv6 protocol solves the triangulation problem of mobile IPv4 protocol and realizes the optimization of routing. Hierarchical mobile IPv6 protocol （HMIPv6） can reduce the connection interruption time caused by standard switching， maintain ?improve the communication service quality of existing connections， and is an important extension of mobile IPv6 protocol. But， HMIPv6 has no improvement on the handover of inter-domain cost and delay performance of mobile nodes， even more time needed than the standard IPv6 registration process. It brings heavy burden of registration cost to mobile nodes which move quickly. In this paper， a new HMIPv6 handover improvement strategy is proposed for the existing problems of HMIPv6. Objectively， it can reduce the registration， binding and update messages in the network and reduce the burden of the network.

Key words： Mobile IPv6; HMIPv6; MAP; Home agent; Handover of intra-domain; Handover of inter-domain

0?引言

近十幾年來，以Internet為代表的信息技術(shù)發(fā)展迅速，Internet已深入到人們的日常生活與工作的方方面面。另外，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速進(jìn)步，各種移動(dòng)通信設(shè)備被廣泛應(yīng)用;用戶對(duì)移動(dòng)設(shè)備的要求也越來越高，希望可以隨時(shí)隨地，甚至移動(dòng)中也能接入Internet。但是原有的IPv4協(xié)議主要是針對(duì)固定接入方式設(shè)計(jì)的，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性支持不足。為解決此矛盾IETF于1992年制定了移動(dòng)IP的最初標(biāo)準(zhǔn)，移動(dòng)IPv4;隨著IPv4地址的耗盡，以及移動(dòng)IPv4固有的局限性，這個(gè)協(xié)議已不能滿足用戶數(shù)大量增加所帶來的各種問題;同時(shí)也不能更好的為下一代互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。于是IETF又推出的新的標(biāo)準(zhǔn)即移動(dòng)IPv6[1]。

1?移動(dòng)IPv6

除了IPv6巨大的地址空間外，移動(dòng)IPv6對(duì)移動(dòng)IPv4最大的改變是取消了外地代理（Foreign Agent，F(xiàn)A）。由于IPv6地址資源豐富，每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（Mobile Node，MN）都可以獲取單獨(dú)的配置轉(zhuǎn)交地址并以此作為數(shù)據(jù)包分組路由的依據(jù)，不再需要通過外地代理的地址轉(zhuǎn)發(fā)。

移動(dòng)IPv6取消了代理轉(zhuǎn)交地址，只有配置轉(zhuǎn)交地址一種轉(zhuǎn)交地址。MN可能會(huì)同時(shí)擁有多個(gè)配置轉(zhuǎn)交地址，家鄉(xiāng)代理截取的數(shù)據(jù)包分組首先被轉(zhuǎn)發(fā)到MN的主轉(zhuǎn)交地址，當(dāng)發(fā)送失敗時(shí)家鄉(xiāng)代理會(huì)盡量將數(shù)據(jù)包分組發(fā)送到MN的其他轉(zhuǎn)交地址。同時(shí)移動(dòng)IPv6定義了“第二類路由頭（Type2 Routing Header）”的新IPv6擴(kuò)展包頭選項(xiàng)，MN可以通過向通信對(duì)端（Correspondent Node，CN）注冊(cè)，告知其所在位置，CN獲得MN的轉(zhuǎn)交地址后，它發(fā)送給MN的數(shù)據(jù)包分組可以直接路由至MN而無需家鄉(xiāng)代理進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。此時(shí)，MN的轉(zhuǎn)交地址放在數(shù)據(jù)包分組的目的地址字段，家鄉(xiāng)地址放在第二類路由頭中。當(dāng)數(shù)據(jù)包分組到達(dá)MN的轉(zhuǎn)交地址時(shí)，MN從第二類路由頭中提取家鄉(xiāng)地址作為這個(gè)數(shù)據(jù)包分組的最終目的地址，使得移動(dòng)性對(duì)上層協(xié)議透明;這樣就解決了三角路由問題，實(shí)現(xiàn)路由的優(yōu)化。

2?層次移動(dòng)IPv6（HMIPv6）

MN在兩個(gè)不同子網(wǎng)之間移動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生切換。MN在新的子網(wǎng)上獲得新的轉(zhuǎn)交地址，這個(gè)新的轉(zhuǎn)交地址需要向家鄉(xiāng)代理（Home Agent，HA）重新注冊(cè)，同時(shí)也要向CN重新綁定。由于協(xié)議處理和信號(hào)強(qiáng)度等原因，切換可能導(dǎo)致MN在一定時(shí)間內(nèi)不能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包分組，CN與MN之間的通信會(huì)暫時(shí)中斷。標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)IPv6協(xié)議給出了移動(dòng)檢測(cè)[2]、轉(zhuǎn)交地址獲取和重新建立綁定的基本過程，在此基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)具體的環(huán)境，人們分析標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)IPv6的不足，又提出了新的切換技術(shù)，來減少切換引起的連接中斷時(shí)間，維持或提高已有連接的通信服務(wù)質(zhì)量。層次移動(dòng)IPv6（Hierarchical Mobile IPv6，HMIPv6）[3-4]就是其中的一種。

在移動(dòng)IPv6中MN可以向CN注冊(cè)，使CN知道自己當(dāng)前位置，這在一定程度上優(yōu)化了路由，解決了移動(dòng)IP的三角路由問題;然而，MN每次發(fā)生切換時(shí)，除了需要向HA進(jìn)行位置注冊(cè)外，還需向當(dāng)前所有的CN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行注冊(cè)報(bào)告自己的位置。所以，移動(dòng)IPv6面臨最大的問題就是切換過程帶來的通信中斷和位置注冊(cè)產(chǎn)生的大量信令開銷。通常，HA和CN處于離MN較遠(yuǎn)的位置，可能跨越較多的中間節(jié)點(diǎn)，因此發(fā)生移動(dòng)切換時(shí)，MN向HA和CN進(jìn)行位置注冊(cè)需要花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的迂回時(shí)延，導(dǎo)致每次MN進(jìn)行移動(dòng)切換時(shí)，數(shù)據(jù)包分組丟失而引起上層的連接通信中斷。與此同時(shí)，MN頻繁的切換操作會(huì)在骨干網(wǎng)中引入大量的注冊(cè)綁定消息信令開銷。這些冗余信息占據(jù)了帶寬，消耗網(wǎng)絡(luò)資源，引發(fā)沖突，降低數(shù)據(jù)傳輸性能。

IETF提出的HMIPv6對(duì)移動(dòng)IPv6協(xié)議是一個(gè)重要擴(kuò)展，它對(duì)移動(dòng)檢測(cè)、轉(zhuǎn)交地址配置和重復(fù)地址檢測(cè)所造成的延遲不作考慮，僅從減少位置注冊(cè)的時(shí)延和開銷的角度來提高移動(dòng)性管理方案的性能。HMIPv6能夠使MN減少與外部網(wǎng)絡(luò)信令交互，減少切換中斷的時(shí)間。在HMIPv6中引入一個(gè)新的實(shí)體稱為移動(dòng)錨點(diǎn)（Mobility Anchor Point，MAP），它可以是HMIPv6網(wǎng)絡(luò)中任何層次的路由器，MAP提供本地的區(qū)域代理服務(wù)，作用類似位于家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)的HA。HMIPv6將整個(gè)Internet分成若干個(gè)管理區(qū)域（Management Region），為每一個(gè)管理區(qū)域配置一個(gè)MAP作為區(qū)域性移動(dòng)管理中心，負(fù)責(zé)處理MN在本區(qū)域內(nèi)發(fā)生移動(dòng)切換時(shí)的移動(dòng)性管理。

HMIPv6 為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定義了兩種轉(zhuǎn)交地址：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）。鏈路轉(zhuǎn)交地址是從MN的當(dāng)前接入網(wǎng)絡(luò)那里獲取的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)IP地址，MAP用鏈路轉(zhuǎn)交地址來標(biāo)示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。MN在每一次發(fā)生移動(dòng)切換之后會(huì)獲取一個(gè)新的LCoA。RCoA是MAP所在的子網(wǎng)上獲得的網(wǎng)絡(luò)IP地址，是可路由的全球唯一IPv6地址。在HMIPv6中，MN可以通過帶有MAP選項(xiàng)的RAS消息來發(fā)現(xiàn)運(yùn)行在接入路由器中的MAP，可以稱之為MAP發(fā)現(xiàn)操作。MAP發(fā)現(xiàn)操作隨MN的移動(dòng)與移動(dòng)IPv6的移動(dòng)性檢測(cè)一起不斷執(zhí)行。每次MN檢測(cè)到自己發(fā)生網(wǎng)絡(luò)切換后，它也要執(zhí)行MAP發(fā)現(xiàn)操作看是否還在原來的MAP區(qū)域之內(nèi)，如果還停留在原來的MAP區(qū)域內(nèi)，那么MN只需要用自己獲取的新的LCoA向MAP注冊(cè)而不需要向HA和CN注冊(cè)，這可以稱之為區(qū)域注冊(cè)。相反，MN己經(jīng)離開了原來的MAP區(qū)域，則那么MN需要用自己獲取的新的LCoA向當(dāng)前MAP注冊(cè)，同時(shí)還需要用新獲取的RCoA通過當(dāng)前MAP向HA和CN注冊(cè)，則稱之為家鄉(xiāng)注冊(cè)。在HMIPv6中，發(fā)往MN的數(shù)據(jù)包分組路由采用的是MAP代理轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制，CN發(fā)往MN的數(shù)據(jù)包分組將被MAP截獲，MAP接收到來自CN的數(shù)據(jù)包分組，隧道封裝之后將它們轉(zhuǎn)發(fā)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的LCoA。

在層次移動(dòng)IPv6中，如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的切換是發(fā)生在同一MAP區(qū)域之內(nèi)，那么它并不需要向HA和CN注冊(cè)，因此對(duì)HA和CN而言，MN的區(qū)域內(nèi)切換是透明的。這樣將大大降低家鄉(xiāng)注冊(cè)的次數(shù)。如圖1所示。

一般說來MN到HA和CN的距離通常是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于到MAP的距離，跨越的中間節(jié)點(diǎn)也可能很多，再考慮MN可能同時(shí)與多個(gè)CN進(jìn)行通信，家鄉(xiāng)注冊(cè)時(shí)需要向每一個(gè)CN進(jìn)行位置注冊(cè);因此家鄉(xiāng)注冊(cè)不論是時(shí)延和開銷都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于區(qū)域注冊(cè)，所以HMIPv6通常在切換時(shí)延和開銷性能上要優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)IPv6。

3?HMIPv6存在的問題

HMIPv6作為移動(dòng)IPv6重要的擴(kuò)展，在切換時(shí)延和開銷性能方面有了明顯改善，利用MAP作為MN區(qū)域性的移動(dòng)性管理代理，在一定程度上減少了移動(dòng)切換所產(chǎn)生的切換時(shí)延和注冊(cè)開銷。但HMIPv6仍存在一些問題：首先，相比移動(dòng)IPv6，HMIPv6雖然在發(fā)生區(qū)域內(nèi)注冊(cè)時(shí)，注冊(cè)開銷和時(shí)延上性能有所改善，區(qū)域內(nèi)切換注冊(cè)過程如圖2所示。

但對(duì)于區(qū)域間的切換并沒有任何改進(jìn)，甚至比標(biāo)準(zhǔn)IPv6的注冊(cè)過程更多一次新的域內(nèi)注冊(cè)過程;對(duì)某些移動(dòng)迅速的MN而言，頻繁的區(qū)域間切換還帶來沉重的注冊(cè)開銷負(fù)擔(dān)，區(qū)域間切換注冊(cè)過程如圖3所示。

其次，MAP充當(dāng)其區(qū)域內(nèi)所有MN在外地子網(wǎng)的代理，負(fù)責(zé)它們的位置注冊(cè)和數(shù)據(jù)包分組轉(zhuǎn)發(fā)工作，所有從CN發(fā)送到MN的數(shù)據(jù)包分組都需要先被路由到MAP，然后MAP再通過隧道將數(shù)據(jù)包分組提交到MN的LCoA，這就引起了額外的處理和路由開銷。

為了增強(qiáng)HMIPv6的切換性能，許多研究者也提出了改進(jìn)方法：Pack等提出在接入路由器（AR）之間引入指針來降低MN想CN進(jìn)行位置注冊(cè)的消息流量[5-7];Yi等則將指針鏈應(yīng)用在MAP之間[8-10]。這些方案在某些特定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可以有效減少網(wǎng)絡(luò)中的位置注冊(cè)、綁定、更新消息，切換性能也有不同程度的提高，但是在具有復(fù)雜多變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶?shí)際環(huán)境中效果有限，也沒有考慮各個(gè)MN不同的移動(dòng)特性，同時(shí)也給AR或MAP帶來不小的算法負(fù)擔(dān)，不具備良好的適用性和簡(jiǎn)單性。

4?一種HMIPv6切換改進(jìn)策略

本文所提出的HMIPv6改進(jìn)策略是針對(duì)MN在進(jìn)行區(qū)域間切換時(shí)的一種改進(jìn)方案，對(duì)MN的區(qū)域內(nèi)切換還執(zhí)行本身的HMIPv6切換方法。改進(jìn)的區(qū)域間切換策略還是以降低MN發(fā)生區(qū)域間切換時(shí)延，減輕MAP和AR的算法負(fù)擔(dān)為出發(fā)點(diǎn)，改策略的基本描述是，將MN最初所在的MAP區(qū)域作為初始區(qū)域，若當(dāng)MN發(fā)生區(qū)域間切換，將切換前所在區(qū)域的MAP（Original MAP，OMAP）作為新MAP的上層代理，用新獲取的當(dāng)前區(qū)域的RCoA作為新的LCoA向OMAP注冊(cè);此時(shí)HA和CN仍保存有OMAP區(qū)域轉(zhuǎn)交地址信息，從CN發(fā)送給MA的數(shù)據(jù)包分組可以通過OMAP向新區(qū)域的MAP轉(zhuǎn)發(fā)，MN就可以和CN進(jìn)行正常的通信，而不需要MN通過新的MAP向HA和CN進(jìn)行注冊(cè)綁定。若當(dāng)MN發(fā)生第二次區(qū)域間切換，這時(shí)就要先判斷MN的切換目的區(qū)域是哪個(gè)區(qū)域，如果MN又切換到了OMAP的區(qū)域，那么只需要OMAP向現(xiàn)在的MAP作簡(jiǎn)單的注冊(cè)更新，之后CN仍舊通過OMAP與MN通信，MN依然不需要向HA和CN進(jìn)行注冊(cè)綁定;如果MN切換到了另一個(gè)新的MAP區(qū)域，這時(shí)就按照HMIPv6區(qū)域間切換的方式，完成新的注冊(cè)、綁定、更新，同時(shí)將這個(gè)新區(qū)域的MAP作為MN再次進(jìn)行區(qū)域間切換OMAP。該改進(jìn)策略的流程圖如圖4所示。

提出該HMIPv6改進(jìn)策略的現(xiàn)實(shí)依據(jù)是，法國INRIA公司的研究表明，在通常的MN移動(dòng)中，有69%的移動(dòng)是在一定范圍內(nèi)的移動(dòng)，所以本文提出了相鄰MAP間的代理策略;同時(shí)，在一般情況下，MN發(fā)生區(qū)域間切換前后所在兩個(gè)區(qū)域的MAP之間的距離往往是很近的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于MAP到HA或CN之間的距離，所以本文的改進(jìn)策略對(duì)注冊(cè)導(dǎo)致的時(shí)延也起到了改善作用，使其大大縮短。

5?總結(jié)

本文首先對(duì)移動(dòng)IPv6的特性進(jìn)行了深入分析，得知在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)MIPv6協(xié)議的不足，從而引出MIPv6的改進(jìn)方式之一——層次移動(dòng)MIPv6（HMIPv6）;HMIPv6作為移動(dòng)IPv6重要的擴(kuò)展，一定程度上減少了MIPv6存在的繁瑣切換問題，但在實(shí)踐中HMIPv6還有許多方面有待改進(jìn);本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出了一種新的HMIPv6切換改進(jìn)策略，在一定程度上可減少網(wǎng)絡(luò)中注冊(cè)、綁定和更新消息，減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，在文章最后給出了改進(jìn)策略的具體流程圖。

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（收稿日期： 2018.12.06）