代理移动IPv6下子网移动方案的实现与分析

刘腾飞，秦雅娟，王利利

(北京交通大学电子信息工程学院，下一代互联网互联设备国家工程实验室，北京100044)

0 引言

随着信息网络技术的快速发展，信息的获取方式更趋多样化。人们不再满足使用固定终端或单个移动终端连接到网络，而是希望能将某个属性范围内的终端组合起来，形成一个相对稳定的集合，IETF(internet engineering task force)将运动属性相同的实体上的多个终端的集合称为一个移动子网(network mobility，NEMO)［1］。这种移动子网可以是个人使用的个域网(personal area network，PAN)［2］，也可以是部署在飞机、轮船、火车、公交车、私家车等车辆上的移动子网或传感器网络。移动IPv6下的子网移动方案是一个基于主机的移动性管理方案［3-4］，需要终端参与移动性管理，并由此带来带宽资源和信令开销的浪费以及终端复杂度的增加，尤其是子网在路由器之间切换时，终端需要改变网络地址，从而造成通信中断。针对上述问题，本文首先介绍了基于网络的移动性管理协议—代理移动IPv6，然后分析了3种代理移动IPv6下的子网移动方案，最后通过对3种方案的实现和实验结果的验证分析，比较了3种方案的性能［5］。

1 代理移动IPv6的基本原理

代理移动 IPv6(RFC5213［6］)是对移动 IPv6 协议(RFC6275 )的扩展。移动IPv6是一种基于主机的移动性管理方案，它需要移动终端参与相关的信令交互，并且当移动终端切换到外地代理时，需要使用外地转交地址进行通信，因而存在改变网络地址造成通信中断和三角路由等问题。代理移动IPv6是一种基于网络的移动性管理方案，它不需要移动终端参与任何移动信令交互，这样首先降低了对终端的要求，其次终端在一个本地域内移动的过程中不改变网络地址，从而在切换的过程中可以保持通信的连续性。代理移动IPv6为研究基于网络的子网移动提供了网络基础。

代理移动IPv6的核心实体有2个:本地移动锚点(local mobility anchor，LMA)和移动接入网关(mobile access gateway，MAG)。MAG主要负责检测MN的接入和离开，代理移动节点(mobile node，MN)进行代理绑定更新(proxy binding update，PBU)消息的发送和代理绑定应答(proxy binding acknowledgement，PBA)消息的接收，为MN建立和删除MAG到 LMA之间的隧道［8］、绑定更新列表(binding update list entry，BULE)和路由。LMA负责接收PBU消息和发送PBA消息，给MN分配家乡网络前缀(home network prefix，HNP)，为MN建立和删除MAG到LMA之间的隧道、绑定缓存(binding cache entry，BCE)和路由。完成代理注册后，MAG向MN发送包含HNP的路由通告消息(router advertisement，RA)。MN收到 RA后，通过获取其中的HNP，配置相应的IPv6地址，进而可以与通信对端进行正常通信。当MN从MAG1切换到MAG2时，MAG2会代理MN进行注册，当LMA检测到MN之前已经注册，会给MN分配相同的HNP，并更新隧道以及相应的路由。在MN接入MAG2的同时，MAG1也会检测到MN的离开，并为MN进行解注册。

2 代理移动IPv6子网移动

与代理移动IPv6相比，代理移动IPv6子网移动引入了一个新的实体—移动路由器(mobile router，MR)，通过MR来统一管理子网内的移动网络节点(mobile network node，MNN)。这样做有以下优点:①节省信令资源，大量减少每个终端都要进行切换的信令开销;②减少切换操作，子网整体移动时，子网内所有移动终端在MAG之间的切换可以通过单一移动路由器在MAG之间的切换来完成。在IETF公布的关于NEMO的RFC4885［9］中，根据MNN的活动范围，将MNN分为本地固定节点(local fixed node，LFN)和访问移动节点(visiting mobile node，VMN)，LFN只在子网内部移动，而VMN则可以在子网之间或子网与固定无线路由器之间移动。目前，子网移动有3种实现方案:普通子网移动(C-NEMO)［10］、基于PMIPv6的网络移动(N-PMIPv6)［11］和基于网络的网络移动(N-NEMO)［12］。

2.1 普通子网移动(C-NEMO)

C-NEMO是一种简单的子网移动方案，其主要思想是MR携带的子网内的所有终端获得相同的子网前缀。MAG在代理MR向LMA注册HNP的同时，也向LMA进行移动子网前缀(mobile network prefix，MNP)的注册，并为MNP在LMA和MAG之间建立隧道和路由。之后，在MAG发送给MR的RA消息中不仅包含有MR本身的HNP，还有MR所携带子网的MNP，MR收到RA后，内核自动使用HNP配置自己的网络地址［13］，并提取出MNP发送给MNN。MNN接收MNP，自动配置完成自己的网络地址后即可进行通信。

普通子网移动方案的信令流程如图1所示。首先，MR接入MAG，MAG通过MR的MAC地址查找MR对应的mn_id(移动路由器的标识符)。MAG为MR建立BULE，然后代理MR向LMA发送包含有mn_id的PBU进行注册。LMA收到PBU后，查找mn_id所对应的 HNP和MNP，为 MR建立一个BCE;然后，将HNP和MNP添加到PBA发给MAG，并为HNP和MNP建立隧道和路由。MAG收到LMA返回的PBA后，提取MNP和HNP添加到RA消息中发送给MR，并为HNP和MNP建立BULE、隧道和路由;然后，MNN接入到MR，MR发现MNN接入后会检测MNN是否为合法用户，检测成功以后给MNN发送包含MNP的RA消息包，MNN收到RA后使用MNP配置完成本身的网络地址即可进行通信。这样所有发往LFN的消息包都会通过这个隧道发送至MR，然后由MR转交给MNN。

可见，本方案实现简单，通信数据包的头部开销比较小，在通信过程中只需在LMA和MAG之间建立一层隧道，而不需要在MR上建立隧道。MR在MAG间切换时，由于只进行一次注册，并且隧道只建立在MAG和LMA之间，所以MNN和CN之间进行数据通信的切换时延损耗［14］较小。C-NEMO中，由于MAG为MR向LMA进行注册时，已经为其子网里的所有MNN的MNP进行了注册。在同一个MR下所有MNN共用同一个HNP(即MNP)，而当MNN在MR与MR之间或者是MR与MAG之间切换时，则会接收到带有不同HNP的RA消息，这将导致网络地址变化，造成上层应用的中断，因此，本方案只支持LFN类型的MNN。

图1 C-NEMO信令流程Fig.1 Communication call-flow in C-NEMO

2.2 嵌套隧道的子网移动(N-PMIPv6)

代理移动IPv6下隧道嵌套子网移动的核心思想是将MR当作一个MAG来使用，MR上运行类似于MAG的软件。与C-NEMO相比，N-PMIPv6取消了MNP，将子网内每一个MNN都视为VMN节点类型，信令流程如图2所示。首先，MR接入MAG1，MAG1向LMA进行绑定更新请求，然后，LMA为MR分配HNP并将其添加到PBA中发送给MAG1，发送成功后为HNP建立LMA到MAG1的隧道和路由。MAG1收到PBA后提取其中的HNP填入到向MR发送的RA中。这样MR收到RA后，配置完成自己的IPv6地址。然后，VMN接入MR，MR会直接向LMA进行注册，整个流程和MAG为MR进行注册时一样，建立的隧道为LMA到MR;然后为VMN分配一个HNP，所有发往这个HNP的数据包都会通过隧道直接从LMA发到MR，再由MR转交给VMN;数据包在LMA和MAG1之间传输时网络层头部为双层隧道，即LMA为MR建立的隧道和LMA为VMN建立的隧道，MAG1到MR之间为单层隧道。

本方案的优点是支持单点移动性，即对MR下的每个VMN都分配相同的HNP。当VMN在MR之间或者在MR和MAG之间进行切换时，网络地址始终不变，也就是对于上层应用来说，通信不会中断。从流程图2可以看到，对于子网下每个VMN都存在嵌套隧道，即在LMA和MR接入的MAG之间存在双层隧道，尤其在嵌套子网的情况下，将带来很大的网络层头部开销，进而浪费带宽资源。另外，本方案只支持VMN节点类型，不支持LFN。

图2 N-PMIPv6信令流程Fig.2 Communication call-flow in N-PMIPv6

2.3 基于N-PMIPv6的子网移动(N-NEMO)

2.3.1 N-NEMO 概述

在N-PMIPv6的基础上，采用隧道分离和分层注册思想，文献［12］提出了 N-NEMO，以支持 LFN和VMN 2种节点类型。在N-NEMO中，LFN接入MR时，直接为其分配HNP。VMN接入MR时，需要进行本地和全局2次注册。MR和LMA之间的隧道也分为本地隧道和全局隧道2部分，以解决NPMIPv6存在的隧道嵌套问题，降低网络层数据包的头部开销。

N-NEMO中，LFN接入流程与C-NEMO相同，这里不再赘述。VMN接入的信令流程如图3所示。

当一个移动节点接入MAG时，MAG对移动节点的类型进行识别。当移动节点为一个MN，MAG则执行正常的代理移动IPv6的流程;如果移动节点为MR，MAG则向LMA发送代理绑定更新消息，并在其中添加MNP选项。LMA对MNP进行注册，并为HNP和MNP建立隧道和路由。其中，MNP用来针对性管理MR下面所携带LFN的移动性。

MR分2种情况处理移动节点的接入。

1)如果检测到移动节点为LFN，则MR直接提取其向MAG注册时分配的MNP，放入RA(路由通告)消息中传递给LFN;LFN接收到RA后配置自己的地址，即可以与核心网(core network，CN)开始通信。

图3 N-NEMO中VMN接入流程Fig.3 Communication call-flow for VMN in N-NEMO

2)如果检测到移动节点为 VMN，则 MR为VMN建立LBULE(local BULE)，并向上一级MAG发送LPBU(local PBU)消息进行本地注册;MAG接收到 LPBU消息包后，为 VMN建立 LBCE(local BCE)和BULE，向LMA发送GPBU进行全局注册。LMA收到 GPBU后，为 VMN分配 HNP，并建立BCE、LMA和MAG之间的隧道和路由，向MAG发送包含HNP的GPBA。MAG收到GPBA后，提取其中的HNP，更新 VMN的 BULE，为 VMN的 HNP建立MAG到LMA之间的隧道和路由，并向MR发送包含 HNP的 LPBA。然后，MAG更新 VMN的LBCE，并为HNP添加MAG到MR之间的隧道和路由。MR收到MAG发送的 LPBA后，提取其中的HNP，并更新自己的LBULE，然后为 HNP添加MR到MAG之间的隧道(隧道的两端为MR和MAG)和路由。MR将LBULE中的HNP填充到RA消息中发送给VMN，VMN收到RA配置完成网络地址即可通信。

切换情况分以下2种。

1)VMN从MR切换到MAG。当VMN从MR切换到MAG时，MAG会为VMN建立一个绑定更新列表，并向 LMA进行注册，发送 GPBU。LMA收到GPBU后，提取其中的mn_id，查找是否存在和其对应的BCE。若存在对应的BCE，直接提取其中的HNP放入GPBA发给MAG，然后更新自己的BCE，将隧道的对端从原来MR所接入的MAG调整到新的MAG，如果不存在对应的BCE，则为mn_id进行重新注册。在MN切换到新的MAG的同时，MR检测到 MN的离开，向 MAG发送解注册 LPBU(lifetime=0)。MAG收到解LPBU后，向LMA发送解注册GPBU(lifetime=0)。LMA收到解注册GPBU后，向MAG发送解注册GPBA(lifetime=0)。MAG收到GPBA后，删除原来为MN建立的隧道和路由，发送解注册LPBA(lifetime=0)，以删除原来为MN建立的本地隧道和路由。MR收到解注册LPBA后，删除之前为MN添加的隧道和路由以及对应的LBULE，完成切换过程。

2)MR在2个MAG之间切换。当MR从MAG1切换到MAG2时，MR通过接收到的RA消息包中MAG地址的改变确认切换的发生。MR会为其子网内的VMN向 MAG2重新进行注册，具体流程和VMN接入流程相同。MAG1检测到MR的离开后，为MR以及MR下的VMN进行解注册，并删除之前为它们建立的隧道和路由。

可见，与前2种方案相比，N-NEMO有以下2个优点:N-NEMO同时支持LFN和VMN;MMN和CN通信时采用了级联隧道的方法，可以有效避免NPMIPv6中嵌套隧道带来的网络层头部开销过大的问题，节约了网络资源。但N-NEMO信令交互比较复杂，当MR进行切换时，VMN的切换时延较大，其原因有2个方面:MR切换时，需要为MN重新注册;MN与CN通信需要经过2段隧道。另外，LMA需要管理的前缀数量较多，增加了LMA处理信令的负担。

2.3.2 软件实现

与代理移动IP相比，为了保证级联隧道的成功建立，支持子网移动的代理移动IP软件加入了实体MR，增加了本地代理绑定更新LPBU和本地代理绑定应答LPBA 2个信令。MR为了支持这2个信令，为VMN建立LBULE，并代理VMN发送LPBU以及接收LPBA来进行本地注册，同时为VMN建立隧道和路由模块。MAG加入了对子网移动中的移动节点支持的LBCE，为VMN进行LPBU的接收和LPBA的发送，程序模块之间的流程图如图4所示(虚线模块为新添加部分)。

实体类型的判断是通过配置文件来实现的，如果判断本实体为MR，则要进行MR的初始化工作，包括任务队列的初始化、移动头套接口的初始化、路由通告接收原始套接字的初始化、隧道控制初始化、本地绑定更新列表初始化、路由规则初始化以及MR路由通告初始化等。MR上软件结构分接入检测程序和代理移动IPv6下主程序2个部分，两者之间的消息交互通过消息队列来实现，分别如图5和图6所示。

图4 N-NEMO程序框架Fig.4 Program modules for N-NEMO

图5 MNN接入侦听模块流程图Fig.5 Flow diagram for MNN connection sense

图6 MR软件结构图Fig.6 Software architecture for MR

接入侦听程序通过对AP(access point)发来syslog消息来判断MNN的接入和离开，并提取MNN的MAC地址，然后对MNN的类型进行判断。我们定义18代表节点类型为VMN，19代表节点类型为LFN，20表示节点类型为MR。然后通过消息队列将MNN的信息发送给MR主程序。

MR的主程序中分3个大的线程:①移动头部的接收;通过对接收消息包的判断，来触发信令的交互;②消息队列触发线程:通过接受接入检测程序所发送的消息队列的值，来检测MN的切换;③RA消息的接受:通过接受RA消息包，并对其中的MAG地址进行判断，不变将继续监听，改变则为MNN向新的MAG进行注册。

对于实体MAG，MAG首先要进行和MR类似的初始化，由于MAG的程序主要分为:移动头部的接受以及消息队列触发线程，功能和MR中的2个线程功能类似，代码结构如图7所示。

图7 MAG软件结构图Fig.7 Software architecture for MAG

3 代理移动IPv6子网移动切换时延分析

3.1 子网移动实验环境

为了分析代理移动IPv6下3种子网移动方案的性能，本文搭建了实验平台。实验平台中包括LMA，MAG，MR，MN，CN 5 个实体，如图8 所示。下面将就移动子网在2个MAG之间切换以及MN在MAG和MR之间切换2种场景进行时延分析比较。

3.2 MR在MAG之间的切换时延

下面分别采用上述3种子网移动方案测试MR在MAG之间切换的时延。MR在MAG1和MAG2之间共进行150次切换，通过ICMPv6 ping和ICMPv6 reply数据包测试MN与CN之间的通信切换时延的最小值、最大值和平均值，并与代理移动IP中MN在MAG之间的切换进行对比，如图9所示。其中，平均时延:PMIPv6为1.246 775 s，C-NEMO为1.275 94 s，N-PMIPv6为1.291 202 3 s，N-NEMO为 1.300 398 s。由图9可见，PMIPv6平均时延最小，N-NEMO平均时延最大。实验结果与前面的分析吻合。

图8 PMIPv6子网移动的实验拓扑图Fig.8 Mobility scenario in PMIPv6

图9 MR在MAG1和MAG2之间切换时延性能Fig.9 Handoff delay cost for MR handover between MAG1 and MAG2

3.3 MN在MR和MAG之间的切换时延

具体的切换场景为:首先MR接入到MAG1，MN接入在MR下面的子网，然后MN和CN进行通信的过程中在MR和MAG2之间进行150次切换。由于C-NEMO不支持单点的移动性，所以这个场景的实现里面没有对其时延进行分析。我们将后2种方案的切换时延进行测试分析，图10中分别显示了对2种移动切换实验的最小值、平均值和最大值(其中平均值:N-PMIPv6为1.498 742 s，N-NEMO为1.504 89 s);N-PMIPv6的性能稍优于 N-NEMO，不过两者的时延相差仅为0.006 148 s，与其所带来的头部开销降低的优势相比是可以接受的。

图10 MN在MR和MAG之间切换时延性能Fig.10 Handoff delay cost for MN handover between MR and MAG

4 子网移动方案性能分析

通过3种子网移动实现方案的协议分析，以及两个场景下3种方案的时延测试，可以看出，在信令开销方面，由于N-NEMO采用了分层注册，每次MR切换时都要为其下的移动节点进行一次注册，因此，N-NEMO信令开销最大，C-NEMO信令开销最小。在网络层头部开销方面，N-PMIPv6的开销最大，CNEMO和N-NEMO的开销较小。从支持的节点类型上看，C-NEMO只能支持LFN节点，N-PMIPv6只能支持VMN节点，而N-NEMO可以同时支持LFN和VMN 2种节点类型。从切换时延上看，MR在MAG间切换时，C-NEMO的切换时延相对最小，NNEMO的切换时延抖动较大;而MN在MR和MAG间切换时，N-PMIPv6和N-NEMO的切换时延几乎相等。综上所述，N-NEMO相对其他2种方案虽然信令开销和切换时延相对较大，但可以支持各种节点类型，以及网络层头部开销较小的优势，如表1所示。

表1 3种子网移动实现方案对比Tab.1 Comparison in three NEMO mechanisms

5 结束语

本文介绍了代理移动IPv6下的3种子网移动信令流程和实现方案，详细分析了N-NEMO方案的信令流程和程序的模块实现，软件实现了3种子网移动方案，实验测试了各种方案的切换时延。NNEMO采用隧道分离技术，在MR和MAG之间以及MAG和LMA之间，为VMN建立隧道，有效地减小了数据包在MAG和LMA之间传输时的头部开销;同时，N-NEMO全面支持2种类型移动节点，可满足移动子网中移动节点不同应用场景的需求。但由于N-NEMO切换时延抖动相对较大，因此，N-NEMO适用于对切换时延和时延抖动不是很敏感的应用。在后续的研究工作中，将对N-NEMO子网内部多个MN的块注册［15］进行相关的实现。

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