基于指针推进机制的层次移动IPv6域间切换优化方案

孙晓林+张新刚

摘要：层次移动IPv6协议中，移动节点进行域间切换时需要进行本地绑定更新和家乡绑定注册，其切换性能并没有得到提高。针对该问题，提出基于指针推进机制的HMIPv6域间切换优化方案，利用新旧接入路由器之间建立的指针链将域间切换转换为域内切换，避免层次移动IPv6中复杂的注册过程。性能分析结果表明，优化方案在绑定更新开销和切换延迟方面比层次HMIPv6有明显优势，有效提高了移动节点进行域间切换的性能。

关键词：层次移动IPv6；移动锚点；域间切换；绑定更新；指针链

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）03-0037-02

隨着移动终端的普及和实时业务的发展，人们对无缝、平滑切换的需求越来越高。移动IPv6[1]中，移动节点（Mobile Node，MN）每次改变接入网络，都需要向家乡代理（Home Agent，HA）和通信对端（Correspondent Node，CN）进行绑定注册。MN进行高速移动，发生频繁切换时，引起较高的注册开销和较长的切换时延，导致通信中断。因此，IETF提出了层次移动IPv6[2]，从逻辑上对整个网络进行层次划分，MN的移动相应地分为域内移动和域间移动，分别指MN在同一移动锚点（Mobile Anchor Point，MAP）域的不同接入路由器（Access Router，AR）间移动和MN在不同MAP域的AR间的移动。当MN进行域内移动时，只需向所属MAP进行注册，使绑定更新本地化，减少了位置注册引起的高时延和高开销，提高了域内切换效率。

但是，MN进行域间切换时，不仅向MAP注册，而且向家乡代理和通信对端进行绑定注册，切换性能并没有得到明显改善[3]。针对该问题，结合指针推进机制[4]，提出基于指针推进机制的HMIPv6域间切换优化方案（The Optimization of Inter-HMIPv6 Handover based Pointer Forwarding， OpHPF），建立AR间的指针链，使绑定更新局部化，从而提高域间切换性能，缩短切换时延，减少网络中断。

1 HMIPv6协议概述

HMIPv6引入移动锚点，整个网络中存在多个MAP，大部分布置在网络的边界位置，为本区域内的MN提供区域代理服务，负责管理MN在本域内的移动，相当于移动节点的本地家乡代理。由于MAP的引入和网络的层次性划分，HMIPv6使用两个转交地址来标识MN的位置，分别是：链路转交地址（On-link Care-of Address，LCoA）和区域转交地址（Regional Care-of Address，RCoA）。链路转交地址是MN根据当前接入网络获得的IPv6地址，无论MN发生域内还是域间切换，都会重新配置获取新的LCoA，用来标识MN的具体位置，是MAP与MN通信的地址；区域转交地址是根据所属MAP子网获得的IPv6地址，是MN在IPv6网络中为唯一、可路由的、全局地址，用于向MN、CN的注册和通信[5]。

HMIPv6的具体切换流程如下：

1）当MN进入新AR子网时，收到该路由器发送的路由通告消息（Router Advertisement，RA）。MN根据RA消息中“MAP选项”字段和已有的MAP信息，判断是域内移动还是域间移动。

2）如果二者的MAP信息相同，表明进行域内移动。MN使用无状态地址自动配置机制，根据RA的子网前缀生成新的LCoA，然后向MAP发送本地绑定更新消息（Local Binding Update，LBU）告知该LCoA，并将其与原RCoA进行绑定。绑定成功后，MAP发送LBA消息进行回复。此后，MN与CN的通信数据包通过原MAP和新AR进行转发。

3）若二者的MAP信息不同，表明MN进入新的MAP域，发生了域间移动。MN根据RA的子网前缀和MAP选项信息分别配置LCoA和RCoA，然后分别向MAP和HA、CN进行注册，将（RCoA，LCoA）和（RCoA，HoA）分别进行绑定。此后，MN与CN通过新AR和新MAP之间的隧道进行通信。

HMIPv6协议中数据分组的路由过程如下：

CN向MN发送的数据分组通过RCoA路由至MAP，再通过MAP和MN使用本地注册建立的隧道发送至MN。而MN向CN发送数据包时，首先经过MAP和AR间的隧道进行封装，然后将封装好的分组发送至CN。

2 基于指针推进机制的HMIPv6域间切换优化方案

基于指针推进机制的HMIPv6域间切换优化方案旨在优化绑定更新的过程，通过建立AR之间的指针链使域间切换转换为域内切换。OpHPF的具体切换流程如下：

1）MN进入新MAP域后，首先根据AR发送的RA消息配置新RCoA和新LCoA。该过程与HMIPv6相同。

2）然后，MN判断指针链长度Length是否小于Kmax（指针链的最大长度），若是，则向新AR发送PBU（Pointer-based Binding Update）消息，用以指示建立指针链，其中PBU是增加“P”标识位的BU消息，与PBA配对使用。若Length >= Kmax，则MN按照HMIPv6的流程直接向MAP发送LBU进行注册。

3）新AR收到PBU后，立即转发给原AR。原AR收到该消息后，发送PBA消息进行回复，表示AR间的指针链已成功建立。此时，MN与CN的通信数据开始通过该指针链和原MAP进行转发。

OpHPF的优势在于MN进行域间切换时，只需要向原AR进行注册，而不需要向MAP和HA、CN注册，避免了HMIPv6中域间切换的复杂注册过程，节省了绑定注册的费用，降低了网络开销，从而达到提高切换性能的目的。

3 性能分析

切换延迟是切换性能好坏的一个重要指标[6]，下面主要对HMIPv6和OpHPF的切换延迟进行分析，分析过程用到的符号如下：

TL2表示链路层切换产生的延迟；TMD表示MN检测发现从一个MAP域移动到另一个MAP域所需的时间；TLCoA和TRCoA分别表示链路转交地址和区域转交地址的配置和重复地址检测时间； TLBU表示MN进行本地绑定更新所需的时间；TFBU表示OpHPF中建立指针链所需的时间；TBU表示MN向HA和CN进行绑定更新的时间，包括返回路径可达测试时间。

由于切换过程包括：链路层切换、移动检测、地址配置和绑定更新四部分，所以HMIPv6和OpHPF的域间切换所产生的切换时延分别如下：

由于在切换过程中MN从一个AR移动至相邻的AR，中间只经过一跳，距离很近；而MAP多位于网络的边缘，AR与MAP的距离大于等于一跳。所以，在单位有线链路时延一定的情况下，TLBU大于等于TFBU，即建立指针链的绑定更新所产生的时延小于等于向MAP注册所耗费的时间。

又因为HMIPv6域间切换包括向HA和CN绑定更新的过程，所以OpHPF绑定更新所产生的时延远远小于HMIPv6域间切换的注册时延。

由上可知，Tinter-HMIPv6大于TOpHPF，即HMIPv6域间切换产生的延迟大于OpHPF优化方案产生的时延。

4 结论

OpHPF有效结合了HMIPv6和指针推进机制，MN进入新的MAP后只向AR进行绑定更新建立指针链，最大程度上优化绑定注册的过程。性能分析结果表明，OpHPF不仅降低了绑定更新产生的时延，而且大大减少了域间切换的延迟，提高了切换性能。

参考文献

[1]JOHNSON D，PERKINS C，ARKKO J.Mobility support in IPv6[S].RFC3775，IETF.June 2004.

[2]Soliman H，Bellier L，Malki K E.Hierarchical mobile IPv6 mobility management （HMIPv6）[S].RFC 4140，IETF.August 2005.

[3]Wu X，Nie G. Comparative Study and Performance Analysis of the Macro-mobility Protocol[M].2009：497-500.

[4]孫晓林，张建洋，贾晓.层次移动IPv6域内切换优化方案[J].计算机应用，2014， 34（2）：338-340.

[5]陈剑敏.IPv6的移动性管理关键技术研究[D].重庆大学，2015.

[6]杨礼.一种基于HMIPv6网络的域间切换改进方案[J].微型机与应用，2015， 34（3）：71-74.