基于指针策略的PMIPv6优化方案研究

孙晓林 张新刚 田燕

摘要：代理移动IPv6引入指针推进机制，解决了移动节点切换过程频繁向本地移动锚点注册的问题。但相邻移动接入网关之间距离较远时，切换性能没有明显改善。提出一种基于指针策略的PMIPv6优化方案，建立指针链的同时，优先向距离较近的本地移动锚点注册，优化绑定更新的过程。性能分析结果表明，无论何时，优化方案的绑定更新开销总是小于现有方案，证明了该优化方案在减少网络开销方面的优越性。

关键词：代理移动IPv6;本地移动锚点;移动接入网关;指针链;绑定更新

中图分类号：TP311.13      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）30-0007-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research on the Optimization Scheme of PMIPv6 based on Pointer Strategy

SUN Xiao-lin1，ZHANG Xin-gang2，TIAN Yan2

（1.Information Management Center， Nanyang Normal University， Nanyang 473061， China;2.Shool of Computer Science and Technology， Nanyang Normal University， Nanyang 473061， China）

Abstract：Proxy mobile IPv6 has introduced the pointer forwarding mechanism，which reduced the registration with local mobile anchor during the frequent handover. However， the handoff performance was not improved when the distance of mobile access gateways was farther away. A PMIPv6 optimization scheme based on pointer strategy was proposed. The optimization scheme not only established the pointer chain， but also registered with the nearer local mobile anchor， optimizing the binding update process. The results of performance analysis show that the cost of the optimization scheme is always smaller than that of the existing scheme at any time， which proves the superiority of the optimization scheme in reducing the network overhead.

Key words：PMIPv6;LMA;MAG;pointer chain;binding update

1引言

Internet工程任務组（Internet Engineering Task Force，IETF）提出的MIPv6[1]、快速移动IPv6[2]和层次移动IPv6[3]，是基于主机的移动管理方案，移动节点（Mobile Node，MN）既具有IPv6协议栈兼客户端功能，又负责管理切换信息，移动终端承载过重。因此，IETF于2008年提出了基于网络的移动管理协议——代理移动IPv6（Proxy Mobile IPv6，PMIPv6）[4]，引入两个新的移动管理实体：本地移动锚点（Local Mobile Anchor，LMA）和移动接入网关（Mobile Access Gateway，MAG），MAG代替MN向LMA发送绑定更新进行位置注册，MN不需支持PMIPv6协议，也不参与移动切换过程，降低了数据传输开销，节省了链路资源。由于移动终端的多样化和网络环境的复杂化，具备移动管理优势的PMIPv6得到广泛关注和研究。

2 PMIPv6协议

PMIPv6中，LMA相当于MIPv6的家乡代理，保存所属MAG地址（Proxy-CoA，PCoA）和MN家乡网络前缀（Home Network Prefix，HNP）的绑定关系，维持MN的可达性;MAG相当于MIPv6的接入路由器，检测MN的移动，处理切换相关消息，进行移动管理，保持MN移动的透明性。

PMIPv6协议的切换流程如下：

MN进入新PMIPv6域后，MAG向LMA发送代理绑定更新（Proxy Binding Update，PBU）消息，更新MN的位置信息。LMA收到PBU后，设置双向隧道的端节点，更新绑定缓存，将HNP和PCoA进行绑定，并向MAG发送含有HNP的代理绑定确认（Proxy Binding Acknowledgement，PBA）消息进行回复。MAG收到PBA消息，表示LMA与MAG之间的双向隧道成功建立，向MN发送含有HNP的路由通告消息（Routing Advertisement，RA）。MN根据HNP判断是否处于同一MAG域，如果HNP与当前HNP相同，表明处在同一链路，属于域内移动，不需要重新配置接口地址;否则，属于域间移动。

作为MN的拓扑锚点，LMA将所有发往MN的数据分组封装后通过隧道转发给MAG，MAG解封装后发送给MN。而MN发送的数据分组，经过MAG和隧道转发给LMA，经解封装后才能最终路由至目的节点。

MN一旦进行网络切换，MAG就要向LMA进行注册以更新绑定缓存中MN的位置信息，产生较高的网络开销和较长的切换时延，严重影响通信质量。针对该问题，研究学者提出了很多解决方案，如将PMIPv6与FMIPv6相结合[5-8]，但是该方案引入信息较多产生过高的信令开销，因此，提出一种基于指针策略的PMIPV6优化方案（The PMIPv6 optimization scheme based on pointer strategy，OpPPMIPv6），重在注册过程的优化，不总是向原MAG（Previous MAG，PMAG）注册建立指针链，而是根据距离远近决定向MAG还是LMA注册，减少切换延迟，降低丢包率，提高切换效率。

3基于指针策略的PMIPv6优化方案

该方案的主要思想是引入指针推进机制，建立指针链，重要的是让MAG选择距离较近的节点进行注册，优化PPMIPv6的切换策略，最大限度地优化绑定更新的过程。MN发生切换后，所属MAG判断自己与LMA之间的距离，当MAG与LMA的距离小于等于MAG之间的距离时，直接向LMA进行注册，减少注册过程产生的时延，降低数据转发次数和指针链节点的数据处理开销，达到减少网络开销和缩短切换延迟的目的。

3.1 切换策略

OpPPMIPv6主要依据两个条件决定绑定更新的对端：一是MAG和PMAG的距离（DMAG）和MAG到LMA的距离（DLMA）大小，二是指针链长度Length与指针链长度阈值Kmax的大小，分为以下几种情况：

（1）Length

（2）Length >= Kmax且DMAG

（3）Length = DLMA时，即指针链长度未达到最大值，但MAG距离LMA较近，该情况下，MAG直接向LMA注册，而不是向PMAG发送FPBU消息。这种情况下，PPMIPv6和OpPPMIPv6中MAG所选择的注册对象完全不同，此时， MAG距离LMA较近，所以绑定更新的代价相应较小。

（4）Length >= Kmax且DMAG>= DLMA时，指针链长度已达到最大值，MAG离LMA较近，向LMA进行绑定注册。

由上可知，只有当Length

3.2切换流程

MN从PMAG进入MAG域内，MAG检测到MN已进入管理域，识别其身份并获取MN-Identifier、Profile等相关信息。同时，PMAG意识到MN已离开，开始缓存目的地址为MN家乡地址（MN-HoA）的数据分组。

然后，MAG比较自己与PMAG之间距离（DMAG）以及与LMA之间距离（DLMA）的大小：

（1）当DMAG大于等于DLMA时，向LMA发送F=0的FPBU消息将（HNP，PCoA）进行绑定，指针链长度Length置零。

（2）否则，DMAG小于DLMA时，进一步判断指针链长度Length是否达到最大值，决定是否建立指针链：

当指针链长度Length小于Kmax时，MAG向PMAG发送F=1的FPBU消息，建立指针链。PMAG收到FPBU消息后，更新PT表，各项值为：HNP，PPCoA（PMAG的地址），PCoA（当前MAG的地址）。然后，PMAG向MAG回复FPBA消息，指针链长度Length自动加1。此时，PMAG将缓存的数据分组进行封装通过指针链转发给MN。CN与MN通信的数据分组都增加了MAG间指针链传输的过程。

当Length大于等于Kmax时，说明指针链达到最大值，向LMA发送F=0的FPBU进行绑定更新，Length置零，该过程和数据包转发过程与PMIPv6相同，数据分组通过MAG和LMA间的双向隧道进行转发。

4性能分析

优化方案OpPPMIPv6重在优化绑定更新的过程，减少注册过程所产生的开销，下面比较OpPPMIPv6、PPMIPv6和PMIPv6三种方案下MN进行n次切换绑定更新开销。公式中用到参数如表1所示。

OpPPMIPv6和PPMIPv6的绑定更新开销由两部分组成：向LMA注册开销和向PMAG发送FPBU建立指针链的开销，而PMIPv6只有向LMA绑定更新的开销。因为，绑定更新开销等于链路传输开销和消息处理开销之和，OpPPMIPv6、PPMIPv6和PMIPv6的绑定更新开销COpPPMIPv6、CPPMIPv6、CPMIPv6分别为：

[COpPPMIPv6=n=0∞X*Pn*2η[DLMA-DMAG]+n=0∞n*Pn*2ηDMAG+n=0∞n*Pn*2PPBU/PBA]                             ①

[CPPMIPv6=n=0∞nKmax*Pn*2η[DLMA-DMAG]+n=0∞n*Pn*2ηDMAG+n=0∞n*Pn*2PPBU/PBA]②

[CPMIPv6=n=0∞n*Pn*2ηDLMA+n=0∞n*Pn*2PPBU/PBA]  ③

（1）COpPPMIPv6与CPPMIPv6比较

根据OpPPMIPv6和PPMIPv6协议可知，OpPPMIPv6中MAG向PMAG注册时需要同时满足两个条件：Length

DMAG < DLMA时，COpPPMIPv6=CPPMIPv6

DMAG> DLMA时，根据3.2可知，无论指针链长度是否达到阈值，OpPPMIPv6中MAG都向LMA发送FPBU消息进行注册，而PPMIPv6则根据指针链长度决定是否向LMA注册，所以OpPPMIPv6中MAG向PMAG进行注册的次数X一定小于PPMIPv6中向PMAG进行绑定更新的次数，因此，X<[n/Kmax]。

DMAG> DLMA时，COpPPMIPv6

由上可知， MAG距离LMA较近时，OpPPMIPv6产生的绑定更新开销确实小于PPMIPv6方案，从而证明了提出优化方案OpPPMIPv6的必要性。

（2）COpPPMIPv6与CPMIPv6比较

由于[n=X+（n-X）]，代入式③，得：

[CPMIPv6=n=0∞X*Pn*CBU/LMA+n=0∞（n-X）*Pn*CBU/LMA]

由于OpPPMIPv6中，只有指针链长度没达到最大值Kmax且DMAG< DLMA时，才向MAG进行注册建立指针链。DMAG< DLMA时，CBU/LMA>CBU/MAG，代入式①和上式得：COpPPMIPv6

Length >= Kmax时，MAG向LMA进行绑定注册，因此OpPPMIPv6中MAG向LMA注册的次数x = n，代入式①和③得：COpPPMIPv6= CPMIPv6。

综上可知：

DLMA> DMAG时，COpPPMIPv6<=CPMIPv6

DLMA< DMAG时，据OpPPMIPv6可知，MAG只向LMA进行注册，此过程与PMIPv6相同，因此有：COpPPMIPv6=CPMIPv6

（3）CPPMIPv6与CPMIPv6比较

因为n = [n/Kmax+（n-n/Kmax）]，代入式③，可得：

[CPMIPv6=n=0∞nKmax*Pn*CBU/LMA+n=0∞（n-nKmax）*Pn*CBU/LMA]

当DLMA

当DLMA>DMAG时，CBU/LMA> CBU/MAG，代入式②和上式，得：CPMIPv6>CPPMIPv6

由上述分析可知，当DLMA< DMAG时，COpPPMIPv6=CPMIPv6 DMAG时，COpPPMIPv6=CPPMIPv6

5结论

OpPPMIPv6对现有的基于指针策略的PMIPv6切换算法（PPMIPv6）进行改进，只有在指针链长度未达到最大值且MAG距离PMAG较近的情况下，建立指针链，减少数据转发的开销，从而优化绑定更新的过程，提高切换性能。性能分析结果表明，OpPPMIPv6的绑定更新开销确实小于等于PMIPv6和PPMIPv6。

参考文献：

[1] Johnson D，Arkko J.Mobility support in IPv6[R].RFC Editor，2011.

[2] Koodli R.Mobile IPv6 fast handovers[R].RFC Editor，2009.

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[4] Leung K，Devarapalli V，ChowdhuryK，et al.Proxy mobile IPv6[R].RFCEditor，2008.

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