移动IPv6切换技术研究

李旭　秦军　杨昭

摘 要： 由移动IPv4技术发展而来的移动IPv6技术应用前景可观，但其存在诸多问题，如移动节点在不同网络间移动带来的网络切换问题，切换过程中地址重复检测的延迟问题等。基于层次化的移动IPv6，详细阐述了目前移动IPv6的几种切换技术，并对现有的几种切换技术在切换时延方面进行了比较，发现层次型快速切换技术有更小的切换时延和丢包率。

关键词： 移动IPv6； 切换技术； 移动检测； 重复地址检测； 切换延迟

中图分类号：TN915.04 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2015）05-26-03

Abstract： The mobile IPv6 technology developed from the mobile IPv4 technology has a considerable application prospect， but there are many problems， such as the network switching problem when mobile nodes roam between the networks， the handoff delay problem because of duplicate address detection in switching process， and so on. In this paper， several existing mobile IPv6 handover technologies are elaborated and their handoff delay are compared， and the result found that the fast hierarchical handover technology has a lower handoff delay and packet loss rate.

Key words： mobile IPv6； handover technology； mobile detection； duplicate address detection； handover delay

0 引言

近几年网络技术快速发展，下一代网络（NGN）将是今后通信业务和互联网业务的核心。以IPv6作为内在组成部分的移动IPv6技术，对于下一代移动通信网络有着极其重要的影响。IPv6有大量的地址资源和其他先进的性能，使网络地址转换（NAT）通信模式向对等网络（P2P）模式转换，解决了IPv4存在的一些关键性问题。但是基本移动IPv6协议仍存在较多的问题需要解决，如安全、AAA（身份认证、授权机制、自动计费服务）、切换延迟、组播等。移动IPv6技术将是下一代网络的核心，因此，有必要进一步认识和深入研究移动IPv6技术。

1 移动IPv6（MIPv6）

在传统的IP网络上，当移动节点（MN）离开一个网段而连接到新的网段时，需要给移动节点配置不同的IP地址，否则它不能按传统的路由机制将数据包路由到移动节点现在的位置，从而导致通信终断[1]。为了保持MN在移动中会话的连续性，相关研究组织提出了移动IP网络。已有出版的移动IP：Mobile IPv4（MIPv4）和Mobile IPv6（MIPv6）。MIPv6是MIPv4的升级版，MIPv6借鉴了MIPv4的很多概念和想法，并提出一些创新机制，解决了MIPv4中出现的三角路由、安全问题等。在MIPv6中MN可以在任意网内随意漫游，当MN与一个子网断开时，该节点将自动连接到另一个网段，而无需要像传统Internet进行手动配置IP地址。

MIPv6为了实现通信在网络层移动过程中保持通信不断，其解决方案可以简单地归纳为三个方面[2-4]。

⑴ 家乡地址，MN在家乡链路中所获得的IP地址，MN通过该IP地址与外部节点进行信息沟通，保证了对应用的移动透明。

⑵ 转交地址，MN移动到外链路时，MN根据外链路的子网前缀信息和自身的链路层接口生成的一个IP地址，保证了现有路由模式下通信可达。

⑶ 家乡地址与转交地址的映射，建立了应用所使用的网络层标识与网络层路由所使用的目的标识之间的关系。

在MIPv6网络中，MN从一个网络自动转接到另一个网络，并保持其网络连通性的过程叫切换[5]。当MN在家乡网中，MN与通信节点之间按照传统的路由技术进行通信。当MN移动到外地链路时，MN的家乡地址保持不变，并获得一个转交地址，MN把家乡地址与转交地址的映射告知家乡代理。通信节点与MN通信仍然使用MN的家乡地址，数据包仍然发送到MN的家乡网；家乡代理截获这些数据包后，根据已获得的映射关系通过隧道方式将其转发给MN的转交地址，MN则可以直接和通信节点进行通信[6-7]。工作原理如图1所示。

2 移动IPv6切换延迟

在MIPv6网络中，MN在不同网络间切换时先执行链路层切换后执行网络层切换，在这段期间MN既不能发送，也不能接收数据包，导致通信的终断，造成较大的切换延迟。切换延迟如图2所示。

由此可知，存在数据链路层切换时延TDL，网络层移动检测时延TMD，转交地址配置时延TCOA，重复地址检测时延TDAD，绑定更新时延TBU。为了改善MIPv6的切换性能，IETF提出了以下改进协议：MIPv6快速切换技术（FMIPv6），MIPv6层次化切换技术（HMIPv6）和MIPv6层次型快速切换技术（F-HMIPv6）。

3 移动IPv6快速切换技术（FMIPv6）

FMIPv6采用链路层触发的方法预测切换的发生，将网络层切换的部分操作提到链路层切换之前，通过提前预测MN的移动位置，配置NCOA，进行DAD（重复地址检测）过程，加快了切换过程的完成[8]。切换过程如图3所示。

⑴ 移动节点由链路层触发机制预测到自己将要发生移动时，移动节点向前接入路由器（PAR）发送路由器请求代理消息。

⑵ PAR返回代理路由器通告消息，告知新接入路由器（NAR）的信息。

⑶ MN形成新转交地址（NCOA），并将其包在快速绑定更新（FBU）消息中发送给PAR。

⑷ PAR收到FBU消息后在PCOA和NCOA之间建立隧道。然后向NAR发发起切换消息（HI），HI消息中包含了MN的NCOA。

⑸ NAR对NCOA进行DAD操作，检查NCOA是否有效。如果地址无效，NAR会重新给MN分配一个NCOA，并在切换确认消息（HACK）中将结果返回给PAR。

⑹ PAR收到HACK后，向 MN和NAR返回FBACK消息，将发往PCOA 的数据通过隧道送至NAR，NAR将数据包暂时缓存起来。

⑺ MN到达新的子网，向NAR发送快速邻居通告消息（FNA），可从NAR接收到缓存的或新来的数据。

从上述分析可以看出，MN在连接到新的子网之前，已经获知新子网的信息并配置了经过DAD的NCOA，由此可知，预测式快速切换可以大大减少网络层移动检测和配置COA的时间，减少了数据的丢包率。

4 移动IPv6层次化切换技术（HMIPv6）

无论是MIPv6还是FMIPv6，都存在切换时延较大和网络负荷过重等问题。于是IETF提出了层次化的MIPv6切换技术HMIPv6[9]。HMIPv6利用区域划分的思想，在逻辑上将网络划分成不同的域，每个域由一个称为“移动锚点”（MAP）的实体来管。一个MN在一个MAP域内有两个COA，分别是RCOA和LCOA[10]。

当MN发生了域内移动时，MN通过RA报文配置新的LCOA，此时MN的RCOA对HA和CN仍然有效。当MN发生域间切换时，其步骤如下。①MN首先通过RA报文，获取AR的子网前缀和MAP的子网前缀，然后通过参数设置选择无状态的地址配置方式配置LCOA和RCOA。②MN向NMAP发送包含RCOA和LCOA域内绑定更新的LBU报文后，NMAP更新自己的缓存机制，更新MN的RCOA和LCOA的映射关系。③NMAP向MN发送LBA报文，表明注册成功，MN向HA发送BU报文，HA更新自己的绑定缓存记录。④MN向PMAP发送PRCOA和NRCOA的对应关系，PMAP和NMAP之间建立了隧道机制。⑤当CN向MN发送数据时，CN首先检查它的绑定缓存，检查MN的RCOA和HA的对应关系。然后CN更新自己的绑定缓存，记录MN的RCOA和HA的映射关系。此后，MN和CN将绕开HA直接进行通信。HMIPv6的网络流程如图4所示。

HMIPv6时延分析：MN在域内移动时，只需绑定新的AR和MAP，不需要向HA和CN发送BU报文，所以切换时延变得比原来小。MN在域间移动时，TBU过程比原来要多几个步骤，所以域间移动的时延要比标准MIPv6切换时延大。

5 移动IPv6层次型快速切换技术（F-HMIPv6）

上面讲述到的两种切换技术，如果在较小局域内进行频繁移动时，可以使用HMIPv6来减少切换延时，而如果在层次MIPv6网络上应用FMIPv6，MIPv6的移动性将会得到极大的加强[11-12]。在F-HMIPv6中，建立MAP和NAR之间的快速切换的隧道，MN和MAP之间交换FMIPv6消息。F-HMIPv6切换过程如图5所示。

操作流程：由预期的切换，MN将发送路由器请求代理消息给MAP，MAP收到消息后会发送路由器通告消息回复MN。随后MN发送FBU给MAP。MAP在接收到FBU后会发送HI消息给NAR，确认切换后，MAP和NAR之间将建立一个双向隧道。MAP会根据PLCOA和NLCOA发送FBACK消息给MN。MAP通过双向隧道将发给MN的数据包转发给NAR并由NAR将数据包缓存起来。当MN移动到NAR的范围内，经过确认消息后，NAR会将刚才缓存起来的数据包通过NLCOA转给移动后的MN。

F-HMIPv6时延分析：F-HMIPv6结合了FMIPv6和HMIPv6各自的优点，减少了TMD、TCOA和TDAD带来的时延。在微移动情景下，F-HMIPv6减少了TMD、TCOA、TDAD和TBU带来的总时延，改善结果十分明显。

6 三种切换技术在时延上面的比较分析

在FMIPv6中，MN通过链路层触发机制减少了网络层移动检测和配置COA的时间，减少了数据的丢包率[7]。在HMIPv6中，当MN在域内移动时，只需绑定新的AR和MAP，当MN在域间移动时，TBU会增大，故HMIPv6域内移动。在层次型快速切换技术（F-HMIPv6）中，FMIPv6主要减少了配置带来的时延，在微移动情况下，HMIPv6又减少了TBU的时延。

由上述时延分析可知，三种切换技术都能有效的减少时延，其中层次型快速切换技术（F-HMIPv6）减少时延效果最好。

7 结束语

MIPv6切换性能已经成为阻碍MIPv6网络的实际应用和大规模商业化的最主要原因之一，因此降低切换时延有着重要意义。FMIPv6机制的提出降低了MIPv6的切换时延，当MN在域内移动时HMIPv6切换技术能减少信令负载，F-HMIPv6减少了移动、配置和重复检测带来的时延，使得F-HMIPv6在对实时性要求更高的商务活动中更趋于实用。虽然F-HMIPv6有效的减少了时延，但也实现不了无缝切换。同时影响MIPv6应用到实际通信中的因素还有安全性、服务质量等，这些问题都有待解决。

参考文献：

[1] 伍孝金.IPv6技术与应用[M].清华大学出版社，2010.

[2] D. Johnson， C. Perkins， 1.Arkko. Mobility Support in IPv6[S].RFC3775，June 2004.

[3] Optimistic Duplicate Address Detection （DAD） for IPv6[S]. RFC4429，April 2006.

[4] Cheng Y， Kao S， Chang F. Time-oriented care-of address for mobile IPv6 networks [C].2012 IEEE International Conference on Communication， Networks and Satellite，2012：74-78

[5] 蒋亮，郭健.下一代网络移动IPv6技术[M].机械工业出版社，2005.

[6] 张杰群.移动IPv6切换技术研究[D].西安电子科技大学，2010.

[7] 林嘉燕，俞鹤伟.移动IPv6切换技术[J].计算机技术与发展，2008.10.

[8] 文雪飞.基于数据链路层移动IPv6快速切换方案的研究及实现[D].兰州大学，2007.

[9] R.Koodli. Fast handovers for mobile IPv6[S]. IETF RFC 5568， July2009.

[10] H.Soliman. Hierarchical mobile IPv6 （HMIPv6） mobility manage-ment[S]. IETF RFC 5380， Oct 2008.

[11] 陈魏鑫，韩国栋，刘洪波.基于快速DAD的分层移动IPv6切换算法[J].通信学报，2008.1.

[12] 金源，李松年，张世永.基于F-HMlPv6的MAP自适应选择算法[J].计算机应用与软件，2007.9.