基于PMIPv6MIPv6的城市轨道交通信息网络

李婉婷 辛 默 刘予漫 吴 昊（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

近几十年，中国的城市轨道交通经历了从无到有，从单一线路到城市内四通八达的飞速发展。同时，城市轨道建设的发展也给人们的生活带来了巨大的变化，如何在城市轨道建设中充分体现“以人为本”的主流思想也成为衡量城市轨道建设质量的重中之重。而将和人们日常生活密不可分的In ternet应用引入城市轨道交通建设，自然也成为城市轨道交通在新的移动互联网时代体现“以人为本”的新趋势。

业界已有很多研究探讨过将移动IPv6（M ob ile IPv6, M IPv6）[1]技术应用于列车环境，如文献[2,3]和文献[4,5]分别研究了面向列车In ternet应用的切换和资源管理问题；文献[6，7]进一步提出了列车移动网络的服务质量（Qua lity of Service, QoS）保障机制和多接口接入方案；文献[8]对子网移动（Netw ork M ob ility, NEMO）技术[9]的路由优化问题进行了综述研究，这将为列车移动网络的路由性能优化提供一定的技术支持。

但是，这些研究都是基于由M IPv6扩展而来的NEMO技术。虽然NEMO技术保证了列车在全局范围内移动时上层应用的连续性，但是其基于终端的移动性支持机制也成为其在实际部署应用上最大的障碍。而在城市轨道交通环境中，移动体的移动范围相对受限，此外，其突发性增大的流量和较短的会话持续时间对于移动性支持协议的性能具有更为苛刻的要求。基于这些特点，本文将深入研究由IETF NETLMM工作组颁布的基于网络的移动性管理协议（Proxy Mobile IPv6, PM IPv6）[10]在城市轨道交通中的应用。主要分为以下几个部分：首先，本文将介绍基于M IPv6的NEM O技术；其次，根据城市轨道交通系统的特征，本文将设计基于PM IPv6技术的子网移动机制及其在城市轨道交通系统中的应用；最后，对这两种信息网络建设的关键技术进行分析比较并对全文进行总结。

李婉婷，女，硕士毕业于北京交通大学，工程师。主要研究方向包括城市轨道交通通信系统、互联网技术。曾参与北京地铁6号线、14号线通信系统设计工作。曾获得2009年全国优秀质量管理小组等荣誉。2012年在《铁道学报》发表论文一篇。

1 NEMO基本原理

IETF在传统M IPv6协议[1]基础上，通过扩展其绑定更新消息（B in d ing U p d a te,BU）和路由器通告消息（R o u te r ad ver tisem en t, RA）的内容、增加移动路由器选项及相应的切换处理流程，形成NEM O基本支持协议[9]。具体网络架构如图1所示。在NEMO基本支持协议中，移动路由器（M obile Rou ter, MR）与其家乡代理（Hom e A gen t, H A）之间通过建立双向隧道进行数据转发。这是在M IPv6协议基础上扩展实现的，其工作机制同M IPv6中双向隧道的工作原理一样。因此，在NEM O基本协议中，M R既可以作为移动节点（Mobile Node, MN），亦可以作为路由器：作为移动节点时，M R的功能类似于一个M IPv6节点，只负责接收/发送自己的数据包；而作为路由器时，M R的功能类似于一个边缘路由器，需要建立和维护与H A之间的双向隧道，完成数据包的封装/解封装和接收/转发，还要对移动网络内部进行有效配置和移动性管理。因此，当M R作为路由器时，至少需要两个接口：一个负责连接到外部网络；另一个作为移动子网节点（M obile Netw ork Node,MNN）的默认网关。

当移动网络离开家乡链路并通过一个新的外地网络接入路由器（A ccess Rou ter, AR）接入In ternet时，M R首先需要获取新的转交地址（Care-of Address, CoA）。然后发送BU给HA，更新其位置绑定信息。位置更新完成之后，H A和M R之间便建立了数据包传输的双向隧道，该隧道的两端分别是H A的地址和M R的CoA。M NN与外部网络中的通信对端节点（Co r resp on d in g Node, CN）通信时，数据包采用IPv6-in-IPv6方式封装，并通过HA-MR间的双向隧道传输。数据包的封装/解封装由H A和M R负责。当移动网络整体移动，改变网络接入点时，只需在M R和H A之间更新绑定状态。这样，对于CN和M NN来说，网络的移动性被屏蔽了。

2 基于PMIPv6的城市轨道交通信息网络

虽然NEMO技术能够提供车载环境下的网络接入服务，并保证列车在全局范围内移动时，乘客上层应用的连续性。但是其基于主机的特点造成了较大的切换时延和信令开销[11]。因此，本文将在本章对基于PM IPv6的城市轨道交通信息网络进行详细介绍。

2.1 基本PMIPv6协议

PM IPv6是在M IPv6的基础上引入了本地移动锚点（Local Mobility Anchor, LMA）和移动接入网关（M obility Access Gatew ay, MAG）两个新的功能实体。LM A支持M IPv6中H A的功能，并对其绑定缓存进行了扩展。此外，LM A为每个M N分配一个唯一的前缀，若移动节点有多个网络接口，则为每个接口分配一个网络前缀。M AG是移动节点在接入链路上的默认路由器，具有3个主要功能：1）检测移动节点的接入和离开；2）通告移动节点的家乡网络前缀来模拟节点的家乡网络；3）为移动节点构建数据传输通道。PM IPv6的操作流程如图2所示。

MN进入一个代理移动IPv6域后，其当前接入链路的MAG将获得它的标识。通过该标识，M AG可以对MN进行PM IPv6服务的认证。如果网络决定为该MN提供PM IPv6服务，则MN可以使用任何被允许的地址配置机制在连接接口获得地址配置，并且可以在PM IPv6域内任意移动。M N所获得的地址配置包括根据家乡网络前缀（Home Netw ork Prefix, HNP）生成的地址，当前链路的默认路由器地址和其它相关的配置参数。从M N的角度来看，整个PM IPv6域是一个单独的链路。网络将可以使M N认为它一直处在获得初始地址配置的那个链路上，即使是M N改变了自己在网络中的接入点，发往M N和来自M N的数据包都要通过M AG和LM A之间的隧道进行传输。PM IPv6对于切换性能的改进主要体现在：

1）提高了切换性能。PM IPv6的设计目标是减少IP切换的延迟，使切换处理时延尽可能地接近相应的链路层切换时延和IP层移动检测时延的总和；

2）减少了与切换相关的信令量。PM IPv6尽量减少移动性管理的信令交互，且在切换的过程中无线链路未引入任何信令；

3）减小了数据发送开销。PM IPv6建立了MAG和LM A之间的隧道，不同于M IPv6中M N和H A的隧道，从而降低了无线链路数据传输的开销。

2.2 城市轨道交通信息网络的特点

为了在城市轨道交通系统中建设信息网络，首先需要对其特点进行分析。

1）突发流量较大。在城市轨道交通中，突发流量（如上下班高峰）会给接入网带来较大影响，这将有可能造成无线链路的严重拥塞；

2）平均会话时间较短。由于城市轨道交通乘客的乘车区间受限，从而使其在城市轨道交通信息网络中发起的会话过程具有较短的持续时间。这将对乘客移动过程中的切换时延具有较高的要求；

3）列车网络的域内移动。由于城市轨道交通的特定建设路线，使其移动范围被固定在特定的区域内。这意味着列车网络的移动和切换一直在一个固定的域内进行。

2.3 基于PMIPv6的子网移动

由上述分析可知，PM IPv6更适合于城市轨道交通信息网络的建设。但是基本的PM IPv6只提供了单个节点的移动性管理，需要对其进行扩展以实现对整个子网移动的支持。其结构如图3所示[11]。

如图3所示，M AG为部署在城市轨道交通线路中的接入路由器，而NEMO为城市轨道交通构成的移动子网。为了提供基于网络的子网移动，将PM IPv6的本地移动域扩展到M R，也就是将M R也作为PM IPv6移动性实体，用于提供乘客的移动性管理。同时将LM A的绑定缓存扩展一个标志位（F lag）用于表示绑定的节点是否位于M AG下面。详细的协议流程如图4所示。

1）当M R接入到M AG时，M AG通过认证过程发现该节点为一个路由器，从而在发向LM A的PBU中包含M R_ID和Y标志，分别用于表示接入节点是标识为M R_ID的路由器，其接入位置为MAG；

2）此时，LM A更新绑定缓存，为M R建立双向隧道，并为其分配家乡网络前缀MR_HNP；

3）由于无论M R在城市轨道区间内切换到任何一个MAG，都将收到相同的HNP，所以MR不会发现网络层的移动；

4）当乘客上车时，M R检测到了M N的接入，从而向LM A发起绑定过程，其中PBU中包含M N_ID和N标志，用于表示接入节点是标识为MN_ID的终端，其接入位置为移动路由器；

5）LM A收到M R发来的PBU后，更新绑定缓存，并和M R建立了双向隧道，并为M N分配前缀MN_HNP；

6）由于无论M N在城市轨道乘车期间，如何移动和换乘，都将收到相同的H NP，所以M N不会发现网络层的移动。

为了给M N发送数据包，LM A需要进行递归的绑定缓存查询。该机制也是对基本PM IPv6数据转发的扩展，主要借助于Flag标志。当LM A收到发向M N的数据包时，通过匹配H NP找到其接入路由器（AR）。如果该M N的F lag标志为Y，那么LM A将封装的数据包直接发向AR所标识的路由器；但是如果Flag标志为N，那么LMA将继续查找这一条目的AR所对应的绑定缓存。以此类推，直到LM A发现AR的绑定缓存中F lag为Y。随后，LM A以绑定缓存查询的顺序对数据包进行多层封装。而这个数据包会被沿途的AR逐一解封装，并最终到达MN。

3 性能评价

本节将对基于M IPv6和基于PM IPv6的两种机制进行比较分析，以说明基于PM IPv6的子网移动性扩展能够更好的适用于城市轨道交通信息网络。其特点总结如表1所示。

由表1可见，基于M IPv6的子网移动机制采用基于终端的方式，能够实现全局范围的移动性管理。这是沿袭了M IPv6的特点，但也存在M IPv6的缺陷如切换时延长，信令开销大等。此外，由于采用基于终端的移动性管理，在无线链路上也存在信令交互和隧道封装，从而严重影响了无线链路的利用率。但是基于PM IPv6的子网移动机制正是从这些缺陷出发，来寻求更适合区域移动的高效率子网移动性支持协议。从而使其更适合城市轨道交通的特殊环境，能够有效的提高移动性管理的性能。

4 结 论

本文通过分析城市轨道交通信息网络的特点，提出了基于PM IPv6的子网移动支持协议及其在城市轨道交通信息网络中的部署方式。通过和基于M IPv6的N EM O技术的对比，可以看到本文提出的基于网络的本地化子网移动支持机制更适合于在城市轨道交通系统中，为乘客提供网络接入服务。可以作为城市轨道交通系统信息化假设的一项解决方案。

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