PMIPv6的跨域切换机制的研究

齐虹，袁全，庞明宝

（1.天津电子信息职业技术学院网络技术系，天津 300350；2.河北工业大学土木工程学院，天津 300401）

PMIPv6的跨域切换机制的研究

齐虹1，袁全2，庞明宝2

（1.天津电子信息职业技术学院网络技术系，天津 300350；2.河北工业大学土木工程学院，天津 300401）

作为一个基于网络的区域移动性管理协议，PMIPv6允许移动终端在没有移动信令控制的情况下，在局限网域服务中漫游．然而，PMIPv6只能在一个局限网络访问域中保持对移动终端的移动性支持．于是，当移动终端离开了一个PMIPv6访问域时，它的连接中断，通信过程中会产生一系列协议切换、延时及不可避免的网络丢包问题．本文将对PMIPv6基本功能及相关的跨域移动性机制进行研究和分析，对各机制在性能上进行评估分析，为对进一步提升PMIPv6跨域切换性能的研究打下基础．

代理移动IPv6协议；域间移动性；切换协调机制；切换延时；协议信令成本．

0 PMIPv6发展背景

人们日益增长的对移动终端（Mobile host以下简称MH）无时无地接入无线网络的需求成为一个具有挑战性的问题，并成为未来部署基于下一代IP的无线网络过程中的首要考虑因素．诸如VoIP（VoiceoverInternet Protocol，称为IP电话）、视频会议、流媒体等这些实时和多媒体服务领域的应用正在迅猛发展．因此，无线网络连接的性能便影响到了这些服务的质量．当MH的移动趋势比较明显的时候，连接性能更为重要．当MH漫游跨域时，IP的移动性管理成为了关键问题．它不断定位MH的接入点并维持MH对其访问域的连接．所以，互联网工程任务组（IETF）为了能使MH可以一直维持其通信会话，同时提出了MIPv6和其可以支持MH跨网域移动（即在不同的网络访问域中漫游）的优化版本FMIPv6，以及可以支持MH网域内移动（即在同一网络访问域中漫游）的HMIPv6[1]．这些协议代表了基于主机的移动管理方式，它要求MH包含移动性相关信令．图1说明了一个典型的移动接入的例子．

尽管这些协议在支持MH移动性方面有很高的地位，但它们还造成其他一些方面的问题．如高切换延时，数据流丢包，信令消耗，能源消耗等．这些问题对通信性能产生了负面影响，使其无法满足实时通信服务所需要的不间断网络连接的需求．

由IETF提出了代理移动IPv6协议（PMIPv6，Proxy Mobile IPv6）[2]，是一种基于网络的区域性移动性管理协议（NETLMM，Network-basedLocalized Mobility Management）．该协议试图应对大多IP移动性管理问题带来的挑战，并试图在一个网络访问域中保持对MH移动漫游服务的支持．此外，PMIPv6还分配出网络实体来代表MH执行移动性相关信令．因此，MH将不会受到协议信令的影响，从而降低了MH在处理时的复杂度，节省了MH的电量，并且允许更多种类的MH使用PMIPv6服务[3]．与此同时，PMIPv6利用局部位置注册服务，缩短了MH位置同步信令，以便减少中断延迟和网络丢包．

图1 移动管理域处理方法Fig.1Mobility management domain approaches

1 PMIPv6基本理论

PMIPv6是用来为局部拓扑访问域里的MH提供基于网络的移动性管理支持的协议，并且分配出网络实体来代表MH执行移动性相关信令．一旦MH进入PMIPv6网络访问域并进行接入认证，服务网络将会利用前缀模式（per-MH）为每个MH分配一个独特的主网前缀（HNP）．这个前缀无论它到达本PMIPv6网络访问域的何处，理论上都将一直跟随这台MH．因此，从MH的角度看整个域便是它的主网．PMIPv6展示了新的实体，如本地移动锚点（LMA）和移动接入网关（MAG），负责处理各种PMIPv6移动性信令．

当MH进入PMIPv6网络访问域时，LMA通过保持其地址可达性来提供PMIPv6信令支持，并且保留每个接入MH的绑定缓存表（BCE），及与其接入网关（MAG）的其他信息．LMA面向MH进行所有通信拓扑锚点的确定，LMA还负责通过验证授权记录（AAA）服务器决定特定MAG授权状态．另一方面，MAG通过监测MH接入断开网络连接的状态，来实现PMIPv6功能，并且在LMA上使用代表MH的移动性信令．MAG通过向MH传送MH-HNP以模拟MH的主链路，并为MH的LMA转发建立双向通道，来为MH提供IP连接．

PMIPv6移动性相关信令流有两种类型：MH初次连接和MH切换．MH初次连接信令流是在MH初次连接PMIPv6网络访问域，直到它能够处理转发至其通信节点（CN）数据流时产生的．MH切换信令流是MH跨域切换时产生的，如图2中所示．

图2 PMIPv6网络中信令流的切换序列Fig.2Handover signaling flow sequence of the PMIPv6 domain

当前的MAG（cMAG）监测到MH与网络连接断开时，它向LMA发送一条生存时间为0的注销代理绑定更新（PBU）信息来删除MH的BCE记录．然后，LMA回复给cMAG一条代理绑定确认（PBAck）信息，允许它为这个MH移除绑定和路由状态．同时，LMA在它删除MH的BCE记录和他的路由状态之前等待一个计时器的时间．在这之后，MH通过新的MAG（nMAG）连入新的访问域并提供它的MH-ID重新进行接入认证过程．然后，nMAG向AAA服务器为这台MH请求访问域接入认证．相应的，如果MH认证成功，AAA服务器将用MH的概要文件回复nMAG．然后，nMAG接着发送一条PBU信息给LMA来更新MH现在的位置．当LMA在计时器一周期的等待期间收到来自同一MH-ID的PBU消息时，它将更新这台MH的BCE记录入口，并向nMAG发送一条包含相同MH-HNP的PBAck信息．这样，nMAG产生一个MH的绑定同步表（BUL）记录入口，然后建立LMA和nMAG之间的双向通道．在这之后，nMAG向MH发送带有相同MH-HNP的回复确认（RtrAdv）信息．最终，直到MH收到这条RtrAdv信息，确认它仍在其主链路内，才能继续数据连接．

总之，PMIPv6是一款用于支持域内移动性漫游的协议，可缩短位置同步信令，减少PMIPv6网络访问域内部的中断时间．然而，PIMPv6仍要因为每次MH进行切换时重复网络接入认证、地点同步注册和MH地址重新配置，延时经历较长的通信中断．结果造成在通信中断期间发送的所有数据丢失，当MH漫游到PMIPv6的网络访问域边界时，其通信会话便会中断甚至无法保持．所以即使PMIPv6的性能及其在切换性能方面的扩展性都强于MIPv6，但仍然有移动设备切换过程中出现过长的切换延时，网络数据丢包及一些额外的移动性信令问题，也导致了MH漫游性能降低[4]．因此，为了支持用户跨网域漫游以及避免高切换延时，网络丢包和额外的协议信令成本等问题，对于PMIPv6的跨网域移动性快速切换机制的研究及进一步提升就显得尤为重要．

2 PMIPv6的跨域切换机制分析

2.1 诺依曼机制

诺依曼机制[5]的提出，是为了MH用户在PMIPv6网络中作域间移动时提供移动性支持．一旦MH进入PMIPv6访问域，它将在主LMA（hLMA）域内注册．同时，MH开始通过hLMA访问域获得服务，hLMA为MH域间定位认证起到重要作用．而且，它在MH从当前LMA（pLMA）漫游到新连接的LMA（nLMA）的过程中传输MH的数据流．

诺依曼的切换信令流如图3所示．图3描述了MH在PMIPv6网络中的跨域移动和它连入nMAG链路的连接过程．

图3 诺伊曼机制中信令流的切换序列Fig.3Handover signaling flow sequence of the Neumann's scheme

一旦nMAG监测到MH的连接，它将向nLMA发送一条PBU信息来进行MH位置认证．nLMA一旦收到这条PBU信息，它将通过发送另一条PBU从hLMA请求MH的地址配置．此外，hLMA收到这条PBU消息后，它将回复给nLMA一条带有相同的属于hLMA访问域的MH地址配置的PBAck信息．然后nLMA转发从hLMA域收到的带有PBAck信息的MH的地址配置给nMAG．然后，nMAG在收到MH的地址配置之后将要面向nLMA建立一条双向通道，并给MH发送带有相同MH-HNP的RtrAdv信息．最后，直到收到这条RtrAdv消息，MH确认它仍然在其主链路，它才能通过nLMA域接入网络，从而接收数据流．

在诺依曼机制下，如果MH回到它的hLMA访问域，hLMA将用一条带有相同MH-HNP原地址PBAck信息回复它的MAG．而且，数据流从hLMA转发到nLMA访问域，然后nLMA转发数据流到MH．因此，根据诺依曼机制，当MH在PMIPv6访问域中移动时可以通过交换额外的移动性相关信令保持MH的IP地址保持不变．而且，hLMA通过接受所有代表MH的数据流来连续不断作为MH的拓扑锚点，并且为MH新连接到的nLMA域重定向数据流．

2.2 TD机制

TD机制通过引进流量分配器（TD）的新型网络实体来处理PIMPv6域间移动性相关信令，它负责支持MH域间移动和在PMIPv6访问域之间分配MH的数据流．TD切换信令流在如下图4中表示．

MH在PMIPv6域间漫游并连入nLMA域中的nMAG．只要nMAG监测到MH的连接，它将通过给nLMA发送PBU信息进行MH位置注册．nLMA收到这条PBU信息，然后将与当前访问域的pLMA执行请求-回应信令，即通过给pLMA发送PBU_Forwarding信息获得相同的MH地址．当pLMA收到这条信息，它将回复nLMA PBU_Forwarding_Ack信息，这条信息中包括之前请求的MH的地址配置信息．然后，nLMA将把从pLMA收到的MH地址配置和PBAck信息一起转发给nMAG．此外，nMAG给MH发送RtrAdv信息传送相同的pLMA地址．随后，nLMA选择一个TD实体，并给他们发送一条PBU_Relay_Request信息，来帮助TD实体为MH建立数据传送实接口．TD实体通过发送PBU_Relay_Ack信息并建立通向nLMA的通道来回应请求信息．当TD实体收到MH的数据流时，它会将数据流重定向至MH新连接的nLMA．

另外，就TD实体的选择过程，当nLMA选择一个新的TD实体建立传送入口时，其余的TD实体将会从之前的传送入口中移除，并停止MH数据流重定向[6]．而且，当MH的流量到达MH新连接到的nLMA时，nLMA将会把流量转发给MH．

2.3 两种机制的性能分析

本文客观地从切换延时、实现吞吐量、协议信令成本以及端到端流量交付延时等方面分析传统PMIPv6跨域切换机制在不同测量方面的移动性性能．2.3.1切换延时

切换延时是一个非常重要的性能指标，它影响着MH在跨域漫游时的移动性性能．切换延时越长，MH接收/发送数据流的中断也就越长．如果切换延时过长，由于数据流在切换时过高的丢包率，MH的会话将会中断甚至无法被恢复．在一些延时影响明显的应用中，例如VoIP和视频会议，过长的切换延时会造成明显的声音传输中断以及在视频应用中出现断断续续的画面．

无论何时MH发生切换时，诺依曼机制和TD机制都会频繁地调用MH域位置注册服务，并且还涉及到一些在nLMA和hLMA/pLMA之间的请求-响应信令处理过程，以此来保证MH的地址不会丢失．而且，它还要在MH恢复其通信会话之前，从AAA服务器上查询MH的环境基本文件．这整个的处理过程将会在MH移动到新的PMIPv6访问域后发生．于是，切换延时将取决于从MH访问链路到接入认证完成、位置注册、获取MH地址请求-响应信令过程及向MH发送一个RtrAdv信息完成的时间．

公式(1)，(2)分别是诺依曼机制、TD机制切换延时的计算公式．其中Tattach是MH连入新链路的时间；TAAA是MH的接入认证处理过程的时间；TnLMA–hLMA和TnLMA–pLMA分别是为了保证MH地址不丢失在新的LMA和主LMA及新LMA和当前LMA之间的请求-响应过程的时间；Ttunnel是建立通道的时间；TRtrAdv是收到路由回复的时间．

诺依曼机制中nLMA与hLMA之间的间隔远远大于TD机制[6]中nLMA与pLMA之间的间隔．这是由于nLMA与hLMA之间为了维持MH地址不被替换，花费了很长的延时时间．于是，nLMA与pLMA之间的信令延时TnLMA–pLMA极大程度的小于nLMA与hLMA之间的信令延时TnLMA–hLMA．另外，由于网络拓扑相同，TAAA和Ttunnel是相同的．所以，TD机制的切换延时比诺依曼机制的切换延时要小．

图4 TD机制中信令流的切换序列Fig.4Handover signaling flow sequence of the TD's scheme

2.3.2吞吐量

吞吐量指的是每秒产生的所有净流量总和．一般来说，在MH发生跨域切换时，其吞吐量便会收到相应的制约．这是因为它无法在切换的过程中接收任何数据流．在诺依曼机制和TD机制中，MH在切换过程中的上行流量会有很多丢失，造成了无法恢复的吞吐量降低．这是因为网络需要一些时间来完成一些移动性相关信令处理——MH的跨域注册、接入认证、通道建立、维持MH地址等．

2.3.3 协议信令成本

协议信令成本取决于额外的协议信令流量负载．协议信令成本按照CSignalling_cost=number×s×h/t来计算．公式中，number表示协议信令包的数量，s表示协议包的大小，h表示源到目的节点的跳数，然后，取其对时间t的平均值．

为了计算信令成本，需要确定MH跨域切换的概率．设MH在一张拓扑中跨域的概率为p，拓扑中每个访问域都具有相邻访问域的数量并且访问域总数量为N，MH的总数量为n．于是，MH位于nLMA访问域回到其和LMA访问域中的概率pnLMAhLMA为p/N，MH从其hLMA访问域移动到nLMA访问域的概率phLMAnLMA为p p/N[6]．于是，诺依曼机制的协议信令消耗包含了对于hLMA访问域的nLMA的同步信令．如公式(3)所示，当其侦测到MH的连接访问时，hLMA与nLMA之间便会交换PBU和PBAck信息来完成这个信令．另一方面，TD机制的协议信令消耗包括两个阶段[6]．首先，当MH回到其hLMA时，hLMA会向pLMA发送一个PBU_Forwarding信息并还要向所有TD实体发送一个PBU_Relay_Cancel信息．其次，当MH连接到nLMA访问域时，nLMA会向pLMA发送一个PBU_Forwarding信息并向特定的TD实体发送一个PBU_Relay_Request信息，然后，它会向由pLMA选出的TD实体（非nLMA选出的）发送PBU_Relay_Cancel信息．TD信令成本的计算公式如公式(4)．

2.3.4 端到端流量交付延时

端到端流量交付延时性能，用从CN生成数据流至数据流到达MH的时间长短来衡量．这个评估会考虑到不同的流量转发路径策略下机制切换延时．

图5说明了所有机制下的端到端流量交付流．在诺依曼机制中，原来访问域中的hLMA会收到发往MH的全部数据流．然后它用通向nLMA访问域的通道转发这些数据流．另一方面，在TD机制中，hLMA与MH的流量转发无关．而且，凭借TD实体的帮助，流量可以在pLMA-nLMA访问域之间转发．这在MH切换直到TD选择算法完成为MH建立BCE记录期间将通过一条通道完成．然后，TD将直接把数据流转发给nLMA．

公式(5)和(6)分别呈现了诺依曼机制和TD机制中端到端流量交付延时的计算．

在诺依曼机制中，端到端流量交付延时包括以下几个部分．首先，数据流从CN生成需要TCN–AR的时间到达接入路由器（AR）．接下来，在TAR–hLMA时间内，AR转发流量到MH原来所在的LMA．然后，hLMA需要ThLMA–nLMA时间将流量压缩并在MH经过切换时间THandover后发送给nLMA．最后，nLMA在TnLMA–nMAG时间内把数据流传送给它的链路（也就是nMAG）．最后，nMAG在TnMAG–MH时间内把流量转发给MH．

TD机制下，端到端流量交付延时包括以下几个部分．首先，AR在TCN–AR时间内接收到CN生成的流量，然后在TAR–PTD时间内把流量转发到节点TD（PTD）．然后在MH切换，标准TD选择算法，为MH建立BCE记录入口，pLMA在TpLMA–nLMA时间内转发MH的的流量．然后，PTD需要TPTD–nLMA时间压缩生成的新数据流，并在MH切换时间THandover后把它发送给后来的nLMA．最后，nLMA在TnLMA–nMAG时间内把流量转发给nMAG，nMAG在TnMAG–MH时间内把流量转发给MH．

图5 端到端的流量交付Fig.5End-to-end data traffic delivery flows

但是，在TD机制中，流量交付流遇到了三角路由问题．在MH切换过程中，当前访问域不停将流量重定向至nLMA的访问域中时，三角路由问题会出现．所以，大部分流量都会有额外的端到端交付延时．此外，这个三角流量数据流会一直持续，直到标准TD选择算法、MH的BCE过程建立以及新MH的注册和认证都完成．这便造成了很长的端到端流量交付延时．此外，传统机制中繁琐的切换处理过程还会产生很长的切换延时和不可避免的网络丢包．在MH从当前访问域中断开后，到恢复其新的访问域数据流之前，这些问题都将一直出现．所以，切换延时越长，数据丢包越多．

3 总结

本文对PMIPv6跨域切换机制在切换延时、实现吞吐量、协议信令成本及端到端流量交付延时等性能方面做了评估和研究分析．由于MH域间切换的繁琐的程序造成了MH通信会话中断和数据流的丢失，现有的机制不能保证PMIPv6域间的无缝的切换．因此，进一步的研究需要关注PMIPv6跨域漫游性能的提升，满足实时敏感服务对服务质量（QoS）的需求．

[1]Soliman H，Castelluccia C，El Malki K．Hierarchical mobile IPv6 mobility management[C]//RFC，2005，4140．

[2]Gundavelli S，Leung K，Devarapalli V．Proxy mobile IPv6[C]//2008，RFC 5213．

[3]Kempf J.Goals for network-based localized mobility management（netlmm）[C]//RFC，2007，4831．

[4]Kempf J.Problem statement for network-based localized mobility management[C]//RFC，2007，4830．

[5]Neumann N，Lei J，Fu X.I-pmip:An inter-domain mobility extension for proxy-mobile IP[C]//ACM，2009，994-999．

[6]ZhongF，YeoC K，LeeB S.Enablinginter-pmipv6-domainhandover with trafficdistributors[J]．Journal of NetworkandComputer Applications，2010，33（4）:397-409．

[责任编辑 代俊秋]

Study on the cross domain switching mechanism of PMIPv6

QI Hong1，YUAN Quan2，PANG Mingbao2

(1.School of Network Technology Department,Tianjin Electronic Information College,Tianjin 300350,China;2.School of Civil Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

Asa network-based localizedmobility managementprotocol,ProxyMobile IPv6(PMIPv6)enablesa Mobile Host(MH)to roam within a localized domain without MH intervention in the mobility-related signaling.Therefore, wheneverthe MHroamsaway fromthe PMIPv6 domain,its reachabilitystatuswillbe broken-downcausing highhandover latency and inevitabletrafficlossfor its communicationsession.In thispaper,we will studyand analyze thebasic function of PMIPv6 and the related cross domain mobility mechanism,evaluation and analysis of the performance of the mechanism,in order to further improve the performance of the PMIPv6 cross domain switching.

PMIPv6;Inter-domain mobility;Handover coordinator;Handover latency;Protocol signaling cost.

TP393

A

1007-2373(2015)04-0022-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.04.005

2015-05-03

河北省自然科学基金（E201502266）

齐虹（1972-），女（汉族），副教授．