一种基于HMIPv6网络的域间切换改进方案*

杨礼（喀什师范学院信息工程技术系，新疆喀什844006）

一种基于HMIPv6网络的域间切换改进方案*

杨礼
（喀什师范学院信息工程技术系，新疆喀什844006）

针对层次型移动IPv6网络的域间切换中的切换延迟和丢包问题，提出一种使用转交地址池改进原来DAD的检测方法来减少切换延迟，采用双路径通信方式降低丢包率的域间切换的改进方案。理论分析改进前后的切换延迟，使用NS-2工具对改进协议进行仿真。实验结果表明，改进方案在切换时延和丢包率方面表现出较好的优越性。

层次型移动IPv6；域间切换；切换时延；丢包率

0 引言

随着无线网络和移动通信技术的蓬勃发展和广泛应用，移动设备的移动性问题引起越来越多的关注。层次型移动IPv6（Hierarchical Mobile IPv6，HMIPv6）[1]是一种针对移动IPv6协议的改进方案，使用树形分层结构模型，引人了移动锚点（Mobility Anchor Point，MAP），实现本地化管理。MAP将网络划分为若干个域，扮演移动节点（Mobile Node，MN）在外地网络的本地代理的角色。在HMIPv6网络中，移动性包括微移动和宏移动，针对MAP的功能和作用，将移动的切换分为域内切换和域间切换，后者属于一种宏移动的切换[2-3]。

目前HMIPv6的研究热点主要集中在切换技术、组播技术和IPSec等问题。由于跨区移动无处不在，切换技术成为研究的首要问题，其目标是实现一种无缝切换，满足人们对实时性的需求。改进思路体现在如何缩短切换延迟以及降低丢包率。现有的HMIPv6协议的优化方法很多，一种思路是优化结构功能实体，主要表现为MAP的优化及管理、接入路由器的布置及选择等；另一种思路是优化注册机制，主要表现是转交地址的配置、预切换机制等。

在HMIPv6协议中发生域内切换时，移动节点的区域转交地址（Regional Care-of Address，RCoA）没有改变，但是链路转交地址（on-Link Care-of Address，LCoA）发生了改变[1]；MN只需要向所属的MAP注册LCoA，不需要向家乡代理（Home Agent，HA）和通信对端节点（Correspondent Node，CN）注册，因而减少了网络切换信令的开销，降低了网络拥塞。在标准HMIPv6中，对MAP域间切换执行标准的宏切换，这使得HMIPv6域间切换的性能没有得到优化。因此，对HMIPv6域间切换的研究就变得尤为重要。

1 HM IPv6域间切换分析

在移动过程中，MN通过接收到的路由通告消息（Router Advertisement，RA）中携带的MAP选项信息判断是否发生了MAP域的改变。如果MAP选项信息和当前的MAP域的网络前缀相同，则为域内移动；否则发生域间移动。MN在新的接入路由器（Access Router，AR）上获取新的转交地址（包括RCoA和LCoA），并向新的MAP发送本地绑定更新消息（Local Banding Update，LBU）绑定RCoA和LCoA，然后向HA和CN注册。其中，MN通过发送邻居发现消息完成对LCoA的重复地址检测（Duplicate Address Detection，DAD）[1，4]；MAP收到LBU消息后，需要对RCoA进行DAD操作，DAD检测成功后向MN发送绑定确认（Local Banding Acknowledgement, LBA）。切换过程中的DAD时间占据了太大的切换延迟，只有完成切换后新的MAP才能为MN提供网络服务。在切换的过程中，MN无法接收数据，不能很好地满足实时性交互应用行为。

2 改进的切换方案

通过分析HMIPv6中的MAP域间切换，本文提出了一种新的HMIPv6域间切换改进方法——FPSNM（First Prior MAP Second New MAP）。

2.1 FPSNM切换过程

在移动过程中，MN收到AR2周期性发送的RA消息（该消息中包含MAP2选项信息和AR2的网络前缀信息）；通过RA消息中携带的MAP选项和MN保存的MAP选项信息的不一致性判断自己进入MAP2域。

在MAP2域内，MN配置新区域转交地址（new RCoA，nRCoA）和新链路转交地址（new LCoA，nLCoA）。MN向MAP1发送快速绑定更新消息（Fast Binding Update，FBU），其中FBU消息中包含MAP2的IP地址、pRCoA、nRCoA和nLCoA，告知MAP1其新的位置发生变化，同时向MAP2发送LBU消息进行本地注册。

当MAP1收到MN发送的FBU消息（该消息中包含MN的pRCoA、nRCoA和nLCoA）时，MAP1立即向MAP2发送切换发起消息（Handover Initiate，HI），建立nRCoA和nLCoA的绑定关系，并向MN发送LBA消息；等待MAP2返回的Hack消息指示建立两者之间的隧道。隧道建立完毕，MAP1将缓存的数据分组转发至MAP2，MN向CN发送BU消息，等待CN返回一个BA消息。

完成本地绑定，MN向HA和CN进行注册。HA建立本地家乡地址与MAP2的RCoA的绑定关系，在HA的缓存列表中建立nRCoA与HoA的列表项，以便HA可以向MAP2发送数据。CN建立MN当前地址与MAP2的RCoA的绑定关系，在CN缓存列表项中建立MN与nRCoA的列表项，至此切换过程完成。FPSNM切换流程如图1所示。

2.2 FPSNM技术描述

本文采用两个相邻MAP注册的机制，先向MAP1告知MN的新CoA。对MN在MAP1和MAP2之间的乒乓切换，不仅使切换性能得到了提高，实现了两个相邻MAP之间的平滑切换，而且减少了外部信令交互量。当MN由MAP2域返回到MAP1域时，MN获得新的LCoA，只需要向MAP1注册，切换过程对HA和CN透明，该切换方案较好地解决了MN在两个MAP域之间乒乓切换的延迟和丢包问题。

图1 FPSNM切换流程图

针对MN在新的MAP域中需要进行DAD操作的问题，本文对MAP和AR的功能进行相应的扩展。在MAP和AR上设置转交地址池[5]，即区域转交地址池和链路转交地址池，分别由MAP和AR负责维护。在转交地址池上设置两张表，分别用于存储已使用和预先配置且未被使用的RCoA和LCoA；在AR广播的RA消息中携带可使用的转交地址。MN在接收的RA消息中直接获得可以使用的转交地址，无需DAD操作。当MN向新的MAP发送LBU消息时，完成本地注册，在MAP和AR的地址池缓存列表中增加新的地址项。若MN离开AR进入到一个新的AR，则注销当前MN已使用的LCoA，以备其他MN使用。当MN离开MAP时，注销MN在MAP地址缓存列表中的RCoA。

3 改进方案分析

3.1 双向隧道

MN从MAP1进入MAP2，获取了新的RCoA和LCoA。MN向MAP1发送FBU消息告知MAP1自己所在的新位置。于是，MAP1向MAP2发起切换请求，建立隧道，该阶段充分利用MN在MAP2域进行注册的时间，将与MN通信的通信对端节点发送的数据分组进行缓存，从而降低丢包率。

对于双向隧道，需要设置一个合理的生存时间阈值。当MN由MAP2返回MAP1时，MN只需要向MAP1注册，由MAP2缓存数据分组，经由隧道转发数据分组至MAP1。由于MAP1和MAP2之间已建立双向隧道，减少了再次建立隧道而产生的信令交互量，降低网络中信令拥塞。

3.2 切换时延

影响FPSNM切换时延的四个主要因素：

（1）子网变化时需要进行的移动性检测时间Tmov；

（2）MN获取转交地址的时间TCoA；

（3）切换过程中的信令交互时间Tsig；

（4）MN向HA和CN注册过程的时间Treg。

移动检测时间与RA消息的广播频率相关，RFC2461[6]建议的RA消息的发送频率为1次/s，设RA广播周期为TRA，则：

其中c为系数，根据切换算法不同而进行取值。

由于AR与MAP之间只有一跳，假设ICMP消息的平均长度为l，无线链路带宽为Bwlss，有线链路带宽为Bw，无线链路时延为Lwlss，有线链路时延为Lw，则：

在新的链路进行切换时，信令交互时间包括MN与MAP1、MAP2之间进行信令交互的时间，则：

MN向HA和CN注册，包括绑定更新所需时间TBU、绑定确认所需时间TBA以及消息在网络中传输所需的时间Ttrs，则：

FPSNM总时延T：

对于标准的HMIPv6域间切换，对CoA进行DAD操作的时间TD=TR+TL，其中RCoA的重复地址检测时间为TR，LCoA的重复地址检测时间为TL。

标准的HMIPv6域间切换总时延[7]T0：

在网络状态良好的情况下，可以减少DAD操作；通常情况下，DAD操作在整个切换延迟中占据的比重较大。比较T和T0可知，T

4 仿真实验

4.1 拓扑结构及参数

使用UC Berkeley开发的NS-2[8]作为仿真软件，移植FHMIP1.3.1模块[9]支持层次型移动IPv6网络下的切换技术。对HMIPv6和FPSNM协议进行仿真，共有8个节点。实验中使用的配置层次地址的网络拓扑结构如图2所示。

基于本文对HMIPv6和FPSNM协议的分析，选取的主要性能评估参数分别是切换延迟和数据分组的丢包率。其他需要使用的相关参数如表1所示。

图2 仿真网络拓扑结构

表1 其他相关参数配置列表

4.2 仿真结果分析

在相同的网络拓扑结构下，分别对HMIPv6和FPSNM进行模拟，通过改变MN和nMAP（MAP2）之间的无线链路时延，获得在不同链路时延下的切换延迟和丢包率，其中链路时延的设置范围为20 ms～200 ms。HMIPv6和FPSNM协议在不同链路时延下的切换延迟和数据分组的丢包率分别如图3、图4所示。

图3 不同链路时延下的域间切换延迟

图4 不同链路时延下的域间切换丢包率

从图3可以看出，总的切换延迟随着MN和nMAP之间的链路时延的增大而变大，总体来说，改进方案FPSNM的切换延迟明显低于标准的HMIPv6，主要是因为FPSNM使用了转交地址池，从而减少了DAD操作的时间。

从图4可以看出，随着MN和nMAP之间的链路时延的增大，数据分组的丢包率也在增大，这主要是由于链路时延增大了切换延迟，影响MAP的缓存能力；FPSNM的丢包率在整体上比标准的HMIPv6较低，主要是由于FPSNM采用了隧道机制，在MN进行域间切换期间，由MAP2缓存转发数据分组，通过隧道转发给新的移动锚点，从而减少域间切换造成的数据分组的丢失问题。

5 结束语

在HMIPv6网络结构下，本文提出了一种改进的域间切换方案，降低域间切换过程中的丢包问题和分组乱序。在域间切换方面，切换操作对HA和CN透明，表现出了一定的优越性。在以后的研究中，需要加强对双路径下的动态控制机制的分析；服务节点数量过多时，需要对MAP的负荷上限进行深入讨论；此外对MN在MAP之间的频繁切换性能尚待进一步研究。

[1]SOLIMAN H，CATELLUCCIA C，EI-MALKI K，et al. RFC4140 hierarchical mobile IPv6 mobility management（HMIPv6）[S].IETF，2005.

[2]LEE K.A macro mobility handover performance improvement algorithm for HMIPv6[C].ICCSA：Computational Science and Its Applications，2006：1007-1175.

[3]DAS S，DULLA A.IDMP：an intra-domain mobility management protocol for next generation wireless networks[J]. IEEE Wireless Communications，2000，9（3）：38-45.

[4]MOORE N.RFC4429 Optimistic Duplicate Address Detection（DAD）for IPv6[S].IETF，2006.

[5]Cai Kai，Yang Zhimin，Chen Rongyi，et al.A handoff algorithm based on care-of address pool for hierarchical mobile IPv6[C].Proceedings of IEEE International Conference on Pervasive Computing and Application.Alexandria，E-gypt，2008：302-306.

[6]NARTEN T，NORDMARK E，SIPMPSON W.Neighbor discovery for IPv6[EB/OL].（1998）[2014-10-01].http：//www.ietf. org/rfc/rfc2461.txt.

[7]邓亚平，吴迎秋.改进DAD策略的HMIPv6切换时延研究[J].计算机工程与应用，2010，46（3）：94-97.

[8]University of California at Berkeley.Network Simulator（NS-2）[EB/OL].（2007-11）.[2014-10-01].http：//www.isi. edu/nsnam/ns/.

[9]孙晓林.层次移动IPv6宏切换的优化方案[D].郑州：郑州大学，2011：43-49.

An im proved scheme of inter-domain handover based on hierarchical mobile IPv6 networks

Yang Li
（Department of Information Engineering，Kashi Normal University，Kashi 844006，China）

Aiming at the problem of handover delay and packet loss，which existed in hierarchical mobile IPv6 networks，a new handover scheme was proposed.According to improving the technology of duplicate address detection by using care-of address pool，delay time could be reduced.Double communicate path was built in the networks，which was used to reduce the packet loss rate.By using the method of mathematical analysis，the delay before and after improvement was analyzed.NS-2 was used to simulate protocol，and the result of analysis proved the superiority of the improved scheme in terms of delay and packet loss rate.

hierarchical mobile IPv6；inter-domain handover；handover delay；packet loss rate

TP393

A

1674-7720（2015）03-0071-04

2014-10-10）

杨礼（1983-），男，硕士，主要研究方向：计算机网络。

新疆高校科研计划重点项目（XJEDU2014I039）