基于MPLS的移动IPv6网络切换方案

刘亚娟

(宜宾学院物理与电子工程学院，四川宜宾644007)

基于MPLS的移动IPv6网络切换方案

刘亚娟

(宜宾学院物理与电子工程学院，四川宜宾644007)

通过分析原有的移动IPv6网络切换方案，提出了一种改进的切换方案——基于MPLS技术的多转交地址切换.即在原有MIPv6协议中的绑定更新消息中增加2个bit，实现多个转交地址的灵活使用.理论分析证明此方案能够降低移动IPv6网络的切换时延和丢包率.

MIPv6；MPLS；转交地址；QoS

移动接入设备的迅猛发展，不但给移动技术带来很大的发展空间，同时也给移动技术提出很多挑战.在下一代无线通信系统中，出于对节约信道等方面的考虑，小蜂窝的架构将会获得越来越多地使用，这样将会导致链路的频繁切换.链路切换常由第二层协议或硬切换完成，而跨越IP子网的切换需要第三层协议或软切换完成.根据切换时采用的方法，切换可分为快速切换、平滑切换和无缝切换三种类型.

快速切换即低延时切换，常采用蜂窝组播的方式，以带宽为代价降低移动节点(MN)在越区切换时分组的延时.如文献[1]中的快速切换方案，在小区边缘处，移动接入设备根据链路的监测结果，预先建立转交链路，以降低切换过程中的时间延迟，但是由于切换过程中同时保持两个链路通信，增加了链路带宽的消耗.平滑切换即低丢失率切换，它采用缓存的方式降低MN在越区切换时的分组丢失.无缝切换既要降低分组的丢失率，又要降低分组的延时.

上述移动IP网络中的切换技术主要是减小网络切换过程的时延、丢包率等性能参数.然而在支持QoS的移动IP网络中不但要保证切换过程的时延、丢包率等性能参数，还要能够对不同的业务提供不同的服务性能，这就对移动IP网络中的切换技术提出了新的挑战.

移动IP网络QoS解决方案的要求：中断期间的QoS数据流终端最少；能够有效确定切换过程中QoS重建所影响的终端路径；切换完成后要能够释放原有路径上的QoS状态信息和已配的资源.

移动IP网络QoS中存在的问题主要有：

①主机的移动性对QoS的影响

在通信连接过程中，移动环境中的无线链路传输质量随机变化，因此在无线环境下，一般无法提供QoS的“硬”保证，这就要求业务能够自适应移动环境的链路质量变化.

②移动IP协议对QoS的影响

移动节点在相邻区域间的切换，引起QoS流的传输路径发生变化，从而对端到端的QoS保证造成很大的影响；即使传输路径没有发生变化，但移动节点转交地址的变化也会引起传输路径上默认节点无法正确转发带有与IP地址有关QoS参数的数据流.

为了解决上述问题，文献[2]、[3]在原有移动IP切换机制的基础定义了一种“QoSObject”选项，通过在移动IPv6网络中利用绑定更新和绑定应答消息中携带此选项，实现切换后QoS路径的重建.文献[4]中提出将IPv6报头中20位的流标签定义为确保业务流质量所需要的最低资源参数，并利用流量类别中剩余2位(CU)来区别分类业务的QoS方案，并通过仿真证明了此方案能够降低移动IPv6网络的切换延迟和丢包率.文献[5]中提出基于MPLS的分层移动IPv6网络，利用隧道技术来提高移动IPv6网络的性能——降低时延、提高吞吐量.

但是这些方案的共同缺点是：在移动协议中定义新的信令消息，增加了节点的处理负担.

1 切换方案的探讨

为了改善移动IPv6网络中的QoS问题，本文在支持Diff-Serv模型的移动MPLSv6网络中提出一种新的改善切换方案.

1.1 原有切换技术

关于在MPLSv6网络的切换过程中为不同业务提供不同的、端到端的QoS的研究，国际上已经存在了很多这方面的研究成果.

在文献[6]中ITU-T推荐了两种切换方案，方案不但能够改善MMPLSv6网络切换性能，而且可能保证MMPLSv6网络的端到端QoS.

在支持MPLS的移动IPv6网络中，当MN从一个外地区域移动到另一个外地区域，MN节点需要向家乡代理(HA)和通信对端(CN)进行注册，并且已经存在的QoSLSP将发生改变，必须利用新的转交地址建立新的QoSLSP.可是这样做的结果是存在着很大的切换时延，并且有可能还会中断数据流的QoS保证.为了减少切换时延和保证QoS，文献[6]中详细的介绍了两种实现方案：

①扩展LSP(E-LSP)

当MN节点从旧的AR(OAR)移动到新的AR (NAR)处时，NAR向OAR发送注册更新消息，通知移动节点新的转交地址，从而建立从OAR到NAR的LSP.这样做的好处是：在切换过程中，CN发送的数据报可以经过OAR缓存后再发送给NAR.在完成切换后，再释放这段LSP，从而减少数据包的丢失率.

虽然这种方案在一定程度上可以解决丢包率的问题，但时延问题依然存在，尤其是在不同的区域间移动的时候.当NAR和OAR处于不同的区域是，在NAR区域的MN向OAR发送绑定更新信息时，信令信息要通过核心传输网的转发，大大地增加了切换时延，同时这种方案还有容易造成环路、增加网络开销等缺点.

②预先建立LSP

MN在OAR区域进行通信时，当MN节点检测到NAR的存在，且获得了新的转交地址，需要向HA和CN发送绑定更新消息来注册新的转交地址，刷新HA和CN的绑定缓存.

由于MIPv6允许MN节点拥有多个转交地址，所以这种方案比较适合MIPv6网络.MN获得新的转交地址立即对HA和CN进行绑定更新，容易造成移动系统中的乒乓效应，进而增加丢包率.

为了解决上述两种方案中存在的问题，本文提出一种改进的方案，以便于尽可能地降低切换时延和丢包率.

1.2 改进的切换方案

方案的主题思想：当MN检测到新的AR并且获得新的转交地址后，并不是立即向HA和CN进行绑定更新.而是利用绑定更新消息将新转交地址放入到MAP/EGW或者是CN的转交地址表中，作为备用转交地址.如果移动节点还在本区域(OAR)内，MAP/EGW根据收到的消息，利用备用转交地址，从MAP/EGW到新的AR之间建立一条符合一定QoS要求的LSP；如果MN已经不在本区域，则建立一条从MN到CN之间的QoSLSP.不需要立即向HA进行绑定更新.

这样做的好处是：如果MN在OAR和BAR的重叠区域，将新转交地址向MAP或者CN注册为备用地址，那么，①当主转交地址的无线信道的误码率太高，导致丢包率过大时，MN可以向MAP/EGW或者CN发送绑定更新消息，通知MAP/EGW或者CN同时使用主转交地址和备用转交地址跟MN进行通信，以此来提高丢包率.②当MN完全移动到某个区域，使用一个AR完全可以满足MN节点的通信要求时，则将此时的转交地址作为主转交地址.③MN在MAP之间的重叠区域，即使MN移回旧的AR，MN可以使用HA中的旧转交地址与CN进行通信.不需要重新进行绑定更新，只需向CN进行绑定更新，以便降低丢包率.

本方案修改MIPv6中的绑定更新消息(图1)，用来通知MAP/EGW或CN是否同时使用主、备转交地址进行通信.其中CC置00：选用备用转交地址作为主转交地址；置11：移动节点请求同时使用主转交地址和备用转交地址进行通信.

图1 修改后的绑定更新消息

2 新切换方案的性能分析

时延和丢包率是移动切换技术好坏的主要性能参数.下面对新方案的性能进行一定的理论分析来说明该切换方案的优越性：切换时延低和低丢包率.

①切换延迟

新切换方案中关于切换延迟的分析如下：

师：在老师没有出示结果之前，我们只能去猜测，硬币可能在老师的右手里，也可能在老师的左手里。现在看（伸开手）一定在老师的（ ）手里，它有可能在陈欣的手里吗？

分析的前提条件：Internet网络为一个节点；网络节点之间的链路延迟相等；网络中QoSLSP是在移动节点完成“绑定更新”过程后建立的.

图2和图3给出了原有的切换方案和新的切换方案在切换时延上的对比.

图2 域间切换方案

图3 切换时延

移动节点在time=0时刻第一次检测到移动性，发起三层的注册过程.如果在移动节点进行三层切换的期间内，再次检测到移动，移动节点将再次发起绑定更新消息进行三层切换，切换延迟将被延长；切换延迟与三层切换的起始时间与再次检测到移动性的时间之差成正比.如果移动节点是在切换过程完成后再次检测到移动性，则需重复注册过程.

②丢包率

数据包被丢弃的条件：至少发现一个误码.已知无线信道的误码率为E(E≪1)，假设数据包的长度为L(L≪1 E)，单位为bit.可使用概率的基本知识推导出丢包率的表达公式.

定义：Pi为数据包中出现i个比特误码的概率：

当MN处于重叠区域时，如果AR为BS，则它的覆盖区域是一个正六边形（图4）.当MN处于图4中的A重叠区域时，MN将会检测到三个AR的存在，获得三个转交地址；当移动节点在图4中B重叠区域时，MN将会检测到两个AR，获得两个转交地址.

图4 AR覆盖图

移动节点使用多个转交地址同时通信时，根据古典概率的基本原理，只有当从多个AR接收到的数据包全部丢弃，才认为该数据包被丢弃.设单个AR的丢包率为P，则数据包的丢包率Pe为：

其中i∈{2,3}，含义为MN在重叠区域能够检测到的所有AR的个数.

3GPP(第三代合作伙伴项目)在TS22.105中提出了不同业务的端到端QoS要求，其中话音业务要求为：时延建议小于150ms，最大不能超过400ms；时延抖动小于1ms；丢包率小于3%.根据上面的公式1可以推导出误码率E：

新的切换方案对应的误码率为：

从图5可以得出：如果要求P≤3%，而64≤L≤1 518，则E≤5.859 375E-5.这就是说即使是传送的最小包长为64字节的分组，为了达到最大丢包率为3%的要求，误码率必须小于5.859 375E-5.

但是由于无线信道的复杂性，不稳定性等特性容易造成误码率不能够达到要求.尤其是在两个小区的重叠区域.这时候，为了保证通信的质量能够达到某一个误码率的要求，可以考虑牺牲带宽来提高误码率.即同时使用多个转交地址与移动节点进行通信.

图6说明同时使用两个转交地址对误码率的改善情况.当主、备转交地址所在区域的信道误码率同为E-4时，使用主、备转交地址通信进行通信信道误码率可以提高到E-8.

图5 分组长度与丢包率的关系

图6 丢包率的改善情况

3 总结

随着WLAN无线网络的快速发展，如何利用多个热点(AR)进行通信，来改善网络的性能，逐渐成为移动网络技术的研究热点.在此基础上，本文提出基于MPLS技术的多转交地址切换方案，并通过理论分析，证明此方案能够利用多个热点改善原有移动IPv6网络的切换性能——切换时延和丢包率.

[1]Koodli R.Mobile IPv6 Fast Handovers[EB/OL].(2009-03)[2014-01-15].http://tools.ietf.org/htm l/draft-ietf-mipshop-rfc5268bis-01.

[2]Chaskar H,KoodliR.A framework for QoSsupport inmobile IPv6 [EB/OL].(2000-03)[2014-01-15].http://mirror.physik-pool.tuberlin.de/pub/ietf/ietf-tools.htm l/draft-chaskar-mobileip-qos-00. htm l.

[3]Chen JC,McAuley A,Caro A,etal.QoSArchitecture Based on differentiated services for next generation wireless IP networks[EB/ OL].(2000-07)[2014-01-15].http://tools.ietf.org/htm l/draft-itsumo-wireless-diffserv-00.

[4]王兴虎,石景山,袁家斌,等.基于流标签的移动IPv6QoS框架研究[J].计算机应用与软件,2013,28(07):60-64.

[5]高为民,肖莉贞,李昕.一种基于移动IPv6移动网络的改进设计与实现[J].计算机应用与软件,2013,30(11):214-217.

[6]Choi JK,Kim M H,Um TW.Mobile IPv6 support in MPLS[EB/ OL].(2001-03)[2014-01-15].http://mirror.physik-pool.tu-berlin. de/pub/ietf/ietf-tools.htm l/draft-choi-mobileip-ipv6-mpls-00.htm l.

【编校：许洁】

A Handoff Plan for M IPv6 Netw ork Based on MPLS

LIUYajuan
(SchoolofPhysicsand Electronic Engineering,Yibin University,Yibin,Sichuan 644007,China)

A new handovermethod on themobile IPv6 network was proposed.This network has amultiple COAs base on the MPLS.By adding two bit in the binding updated message in the old mobile IPv6 network,the new handovermethod can choose the COA which has the bestQoS from multiple COAs.The theoretic analysis proves the new handovermethod can decrease thehandover latency and the rateofpacket losson themobile IPv6 network.

MIPv6;MPLS;care-of-address;QoS

TN929.5

A

1671-5365(2014)12-0089-04

2014-02-28修回：2014-03-29

刘亚娟(1980-)，女，讲师，硕士研究生，研究方向为个人通信技术

时间：2014-04-16 16:51

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20140416.1651.001.htm l