快速分层切换移动IPv6协议的仿真研究

张 鲲，滕国库

(1.大连海事大学信息科学技术学院计算机科学与技术，辽宁大连116026;2.琼州学院计算机科学与技术系，海南三亚572022)

0 引言

设计场景，对移动IPv6增强协议的综合性能进行分析，通过网络仿真软件NS2，进行仿真实验分析，在端到端的延时，切换延时，吞吐量和丢包率四方面，比较了三种增强协议(FMIPv6、HMIPv6、FHMIPv6)的优劣。得出，FHMIPv6在各个方面都表现为最优，HMIPv6只有在端到端的延时情况下，优于FMIPv6，其余几个方面都表现的比FMIPv6差。尽管在表现上有提高，但是都是以增加协议的复杂度为代价的。为此，还是应该考虑协议实现复杂度，在表现性与复杂度之间找到一个平衡点，发现一种复杂度不高，表现性又好的方案。

1 仿真实验

设定环境进行仿真实验，模拟移动IPv6增强协议切换技术在IEEE802.11网络中的切换流程。设定PAR的位置为(35.0，80.0)，它的有效覆盖范围是以自身为圆点，半径为40米的圆，NAR的位置为(105.0，80.0)，它的有效覆盖范围是也以自身为圆点，半径为40米的圆，分部在两个局域网中。

在NS2网络模拟环境下，在CN与MN之间设定规定类型的点到点的通信。将一个TCP类型的源代理绑定到CN上，一个TCP类型的接受代理绑定到MN上，并在上建立一个FTP应用数据流。经过5秒钟的稳定时间后，于第10 秒以1s/ms的恒定速度由位置(35.0，80.0)运动到(105.0，80.0)，在第 30 秒的时候，MN移动到了NAR的范围之内，MN就会在两个子网中进行切换，在第80秒的时候，MN恰巧移动到NAR所覆盖的区域中心点，至此仿真模拟试验结束。以上过程编译成功后，就会生成场景文件out.Nam以及运行记录文件 out.Trace，仿真场景。

2 仿真数据分析

整个网络模拟仿真过程会通过数据记录的方式进行保存，即所生成的Trace文件。在进行NS2的仿真过程中，所生成的trace文件非常大，通常情况下，为了提取所需数据必须利用相对应的处理工具，实验过程中，通过采用GAWK来提取相应的数据，用Gnuplot来画出所需要的图。

为了研究移动IPv6增强协议的性质，设计仿真环境，模拟移动IPv6增强协议切换技术在IEEE802.11网络中的切换流程，并评估了其各项性能。

对于移动IPv6中基于TCP的切换延时来说，最重要的性能指标保持CN与MN之间端到端的延时(End to end delay)，切换延迟(Handover Delay)，吞吐量以及丢包率，以下是分别对三种切换方案在IEEE802.11网络中的上述指标进行对比分析。为使仿真数据更客观，采用多次实验求平均值方法，试验次数选定为20次。

图1 仿真过程中的状态图

图2 CN与MN间延时

2.1 三种切换方案下端到端延时(End to end delay)三种切换方案下的端到端的延时结果图，在802.11网络中，移动切换延时主要是由于移动切换、节点移动、节点间距变化、网络拥塞引起的。从图中可以看出，当发生切换时，FHMIPv6的切换延时最少，FMIPv6在切换延时的表现上比HMIPv6稍差一点，这是因为HMIPv6在域内移动，减少了域外信令的开销，而此时，FMIPv6要启用链路预测机制，增加了信令负载;当没发生切换是，还是FHMIPv6的切换延时最少，FMIPv6的延时比HMIPv6的延时上稍好一点。

为了更直观的表示三种切换方案的端到端延时，使用数学运算对整个传输过程中的端到端的延时多次实验求其平均结果如表1所示。

表1 三种切换方案端到端的延时

从表中数据得出，端与端的延时尽管FHMIPv6最好，但仅比FMIPv6高约18.7ms，比HMIPv6高约48.28ms，FMIPv6比HMIPv6高约4.48ms，于是当以端到端的延时进行比较时FHMIPv6最好，HMIPv6居中，FMIPv6最差。总体相比实现协议复杂度，效果并不理想。

2.2 三种切换方案下的切换延时(Handoff Delay)切换延时的定义:移动节点由当前子网切换到新子网的过程中，从当前子网收到的最后一个数据包到从新子网收到的第一个数据包的时间间隔。在仿真中，采用从源发送端CN出发，通过CN发送的TCP序列号来计算不同切换方案的平均延时。FHMIPv6的切换延时最小，FMIPv6次之，HMIPv6切换延时最大。

图3 三种协议切换延时比较

经过多次试验得到不同切换方案的平均切换延时如表2所示。

表2 三种协议切换延时

通过表中可以得出FHMIPv6切换延时最少，比FMIPv6切换上快约111.26ms，比 HMIPv6快约205.81ms，此时，FMIPv6比 HMIPv6切换延时低一点，约为94.55ms。

2.3 三种切换方案下的吞吐量与丢包率吞吐量即单位时间内发送数据的多少，本文的吞吐量从发送端定义的。另外，引入了平均有效吞吐量(Average Throughput)的概念，它是综合发送端与接收端所发数据包个数来考查切换性能的参数。丢包率的计算按照原理应该取Throughput和Average Throughput的差值来计算，但为了便于比较和分析三种协议的性能差别，取Average Throughput和无切换情况下的Throughput的差值来计算。

从图可以知到，在切换时间点(30秒左右)，吞吐量明显的减弱，这是由于切换过程中的发送数据包个数减少造成的，同时，由于FHMIPv6切换时间最短，其吞吐量变化稍小，HMIPv6吞吐量变化最大，FMIPv6居中。

图4 三种切换方案吞吐量比较图

为了对三种方案的切换性能有进一步的理解，同时计算不同切换方案的丢包率，通过多次实验取平均的方式计算了不同方案下的平均吞吐量(Throughput)和平均有效吞吐量(Goodput)，

其中:Sum_Send_Packet_byte:CN总共发送的TCP包字节大小;Sum_Receive_Packet_Byte:MN总共接收到的TCP包字节大小;No_Handover_Goodput:无切换时的平均有效吞吐量;Start_Time:TCP包传输的开始时间;End_Time:TCP包传输的结束时间。

表3 三种切换方案的吞吐量和丢包率

从表3中可以看出，FHMIPv6不论在平均吞吐量、平均有效吞吐量还是丢包率上都是表现最好的。此时，FMIPv6的表现比HMIPv6好一点。

综上，移动IPv6三种增强切换技术在IEEE802.11网络中的切换性能有所提高，FHMIPv6在各个方面都表现为最优，HMIPv6只有在端到端的延时情况下优于FMIPv6，其余几个方面都表现的比FMIPv6差。

3 结束语

以现有的切换方案，并对其切换方案进行了分析比较，发现FHMIPv6是三种协议中延时最短的，但是其复杂度比较高，为了综合评价现有各种协议，采用仿真工具NS2，进行了仿真，对现有三种增强协议进行了几方面的比较。通过实验得出了如下结论，FHMIPv6在各个方面都表现为最优，HMIPv6只有在端到端的延时情况下优于FMIPv6，其余几个方面都表现的比FMIPv6差。为改善性能而提出的增强协议，尽管在表现上有所提高，但是某些方面(端到端的延时)提高不大。所以还应该考虑协议实现复杂度，找到一种复杂度不高，表现性又好的切换方案。

［1］李洋，沈策.基本Mobile IPv6及其改进协议切换时延分析和评估［J］，计算机系统应用，2009(2):73－76.

［2］C.Perkins(Ed.).IP Mobility Support for IPv4［S］.RFC3344，2002.

［3］H.Soliman，C.Castelluccia，K.EI ，Malki，L.Bellier.Hierarchical Mobile IPv6 Mobility Management(HMIPv6)［S］.RFC4140，2005.

［4］Koodli R.Fast Handovers for Mobile IPv6［S］.RFC4068，2005.

［5］冯震，孙建伟等.移动IP路由技术研究［J］，计算机工程，2005(20):133－134.

［6］胡涛.移动IPv6快速切换机制研究及仿真［D］.太原:太原理工大学硕士论文，2007.

［7］Lee JS，et al，Analysis of Handoff Delay for Mobile IPv6，IEEE 0 －7803 －8521，2004.

［8］徐晓东，井雅，吕志虎.蜂窝IP的原理及实现机制［J］.中国数据通信.2002(1):16－20.

［9］赵庆林，李忠诚，张玉军等.层次化移动IP的性能分析［J］，计算机学报，2005(28):23－25.

［10］彭雪海，马琳，张宏科.移动IPv6关键协议技术的研究［J］.铁道学院学报，2005(27):128－130.