基于WLAN的移動IPv6切換邊緣檢測技術研究

摘要:以對比MIPv6各種常用移動檢測方法為基礎，提出一種無線局域網(wǎng)環(huán)境下移動IPv6低延時移動檢測算法。它能在實現(xiàn)快速切換的同時，對節(jié)點移動性的檢測不需要鏈路層的觸發(fā)機制支持，采用邊緣主動檢測模型減少切換檢測產(chǎn)生的延時，降低切換檢測過程的負荷。

關鍵詞:移動IPv6;HMIPv6;切換;檢測

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)14-3768-03

Study on Wireless LAN-based Detecting Technology For MIPv6 Handover

SHAO Tie-cheng， CAO Jia-lian

(Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， China)

Abstract: Comparing the most used methods of movement detection ， this paper proposes a way for low-delay mobile IPv6 movement detection in wireless LANs. Without using Layer II triggers， it employs boundary detection model to reduce the delay and the cost of handover detection.

Key words: MIPv6; HMIPv6; Handover; Detect

1 引言

IETF提出的移動 IPv6 協(xié)議(MIPv6， Moblie IPv6)是下一代網(wǎng)絡實現(xiàn)無縫漫游的一種基本技術。移動IP網(wǎng)絡漫游切換過程中包括移動檢測過程和注冊過程，切換時延相應分成兩個部分:移動檢測和注冊時延。移動節(jié)點MN(Mobile Node)通過移動一定的檢測算法，通過對周期性代理廣播消息進行判斷來確定自己所在的鏈路，檢測算法決定了移動檢測過程所需的時間。常用的移動檢測有松散信元交換LCS(Lazy Cell Switching)，前綴匹配PM(Prefix Matching)，饑渴信元交換ECS(Eager Cell Switching)等。

本文在無線局域網(wǎng)的環(huán)境下，結合考察了已有的非均勻主動檢測模型，提出一種新的邊緣主動檢測方案，以求可觀地減少移動檢測產(chǎn)生的時延，而且可以廣泛應用于現(xiàn)在的無線局域網(wǎng)絡。

2 HMIPv6 (Hierarchical Mobile IPv6)

IETF把移動節(jié)點MN的移動分為兩類:一類是宏移動(移動結點MN從一個訪問網(wǎng)絡移動到另外一個訪問網(wǎng)絡)，再者就是微移動(這類移動的區(qū)域小、發(fā)生的頻率高，只限定在某個區(qū)域內(nèi))。研究表明有近70%的移動是微移動，因此如何在這種微移動下提供快速、無縫的無線網(wǎng)絡訪問是提高移動節(jié)點漫游性能的一個關鍵所在。

HMIPv6 立足于MN的微觀移動性提出“域”(Domain)概念，并在每個域中配置一種稱為移動錨點MAP(Mobility Anchor Point)的新實體(如圖1所示)，其功能是充當所在域內(nèi)MN的“本地”家鄉(xiāng)代理HA(Home Agent)。MN在一個MAP域中使用兩個轉(zhuǎn)交地址:鏈路轉(zhuǎn)交地址LCoA(on-link care-of address)和區(qū)域轉(zhuǎn)交地址RCoA(regional care-of address)，其中LCoA用于向 MAP注冊， RCoA則是用來進行家鄉(xiāng)注冊和通信注冊。

在微移動時通過在移動節(jié)點MN移動發(fā)生相對頻繁的區(qū)域內(nèi)設置MAP輔助移動節(jié)點MN快速完成切換。引入MAP和移動節(jié)點區(qū)域轉(zhuǎn)交地址RCoA和鏈路轉(zhuǎn)交地址LCoA后移動節(jié)點在域內(nèi)移動將不發(fā)送綁定更新消息給家鄉(xiāng)代理和通信節(jié)點，僅僅發(fā)送綁定更新消息給MAP，如此就大大減少了發(fā)送消息的數(shù)量，從而提高切換速度。圖2為HMIPv6(Hierarchical Mobile IPv6，層次化移動IPv6)的網(wǎng)絡結構，其中AP(Access Point)為接入點。

3 邊緣主動檢測模型

網(wǎng)絡切換性能標準包括切換延遲和丟包率，切換延遲是主要衡量標準，它由三部分組成:

切換順序延遲:網(wǎng)絡切換的固有順序引起的，例如必須先發(fā)生Layer 2 Handover，又稱鏈路層切換，再發(fā)生Layer 3 Handover，又稱網(wǎng)絡層切換。

綁定更新延遲:指發(fā)送與確認綁定更新過程的延遲。

接入發(fā)現(xiàn)延遲:由移動節(jié)點的移動檢測開始到檢測結束的過程而引起的，主要原因是路由廣播頻率太低。

現(xiàn)在的技術階段無線局域網(wǎng)中鏈路層協(xié)議不支持鏈路層觸發(fā)機制，要采用鏈路層觸發(fā)機制必須修改鏈路層協(xié)議。本文結合無線局域網(wǎng)的特點，在已有的非均勻主動檢測模型的基礎上設提出了一種新的邊緣主動檢測方案減少移動檢測產(chǎn)生的時延。

3.1 非均勻主動檢測模型

在實際的使用中通常所用到的檢測方法都是被動的，AR(Access Router)必須不停的發(fā)送RA(Router Advertisement)消息，會占用大量的資源;而通過L2層消息觸發(fā)切換則不符合網(wǎng)絡設計的原則。在無線局域網(wǎng)中，無限局域網(wǎng)物理設備可以向網(wǎng)絡層提供MN當前接入點AP(Access Point)的MAC地址， MN可以通過檢測AP的MAC地址變化來檢測MN移動的情況。有研究者提出了一種非均勻主動檢測模型，在這種檢測方式中，MN通過接入路由AR(Access Router)獲得該子網(wǎng)內(nèi)接入點AP的MAC地址，在移動過程中，MN每隔一段時間就進行檢查，若MAC地址與當前的不匹配，則表明MN已經(jīng)移動到了新的AP中，通過與緩存中的MAC地址對比就能知道是否進入了新的子網(wǎng)中。檢測間隔是決定移動檢測性能的關鍵因素。檢測間隔太大會造成切換的時延變長;檢測間隔過小會給MN帶來過重的負擔和資源浪費。為緩解效率和資源的矛盾，減小檢測時延和頻繁檢測給MN造成的負擔，非均勻間隔檢測算法的基本思想是根據(jù)MN的切換強度來選擇切換間隔。圖3表示其網(wǎng)絡結構。

假設當前MN所處的位置到接入點AP距離為x，該AP最大覆蓋范圍半徑為d，定義S(x)為MN到AP的距離為x時的切換強度，下面兩個式子給出了MN進行切換檢測的時間間隔:

(1)

式(1)為檢測間隔壓縮特性，β為間隔比例，μ為壓縮參數(shù)。式(2)為檢測間隔時間計算公式，Δt為間隔時間，Tmax為最大檢測時間，平均檢測時，檢測間隔取Tmax/2。S(x)為MN在x處發(fā)生切換的概率，強度越大，切換概率越大。MN決定是否進行切換的條件是無線信號的強度或信噪比下降到一定的閥值，一般有:P(x1)≥P(x2)，(x1≥x2≥0)，P(x)表示MN在距AP為x處的切換概率，當MN距AP越遠，發(fā)生切換的概率越大。在非均勻主動檢測模型中，采用μ壓縮律，當MN在接入點AP覆蓋范圍的邊緣來回地進行乒乓切換時MN會選擇以極短的切換間隔進行檢測，會大大加重節(jié)點的負擔。而且在切換強度的選擇上該方案并沒有給出可信的表達方式。下面在分析非均勻主動檢測模型的基礎上，對其算法進行優(yōu)化，提出邊緣主動檢測模型。

3.2 邊緣主動檢測模型

邊緣主動檢測模型在相同的網(wǎng)絡結構，在算法上采用A壓縮律并有一定的修改，使檢測間隔有兩個閥值。在接入點AP覆蓋范圍的邊緣來回進行乒乓切換時MN會選擇以有界限值的切換間隔進行檢測，減輕了檢測對MN造成的負擔，對檢測間隔具有更高的壓縮性能。決定MN檢測間隔的計算式如下:

其中(3)式表示檢測間隔壓縮特性，其中β為間隔比例，A為壓縮參數(shù)，可以保證β最大為1而最小不低于1/(1+LnA)，這樣在發(fā)生乒乓切換時也不會太大增加負擔。而(4)式是檢測間隔時間計算公式，Δt為間隔時間，Tmax為最大檢測時間(使用平均檢測時，檢測間隔取Tmax/2)。切換強度S(x)為MN在x處發(fā)生切換的概率。因為決定MN是否進行切換的條件是無線信號的強度或信噪比是否達到閥值。一般距離AP越遠切換發(fā)生的可能性越大:P(x1)≥P(x2)，(x1≥x2≥0)，P(x)表示MN在距接入點AP為x處的切換概率，P(x)與x應當成正比關系，當MN距離AP越遠，發(fā)生切換的概率越大。在不考慮其它因素的情況下，切換概率與距離成正比，取:

其中v為無線信號的傳播速度，RTT為信號往返時間(Roun Trip Tune)。MN采用上述算法確定的檢測間隔對其接入點AP的MAC地址進行檢測，以確定其是否發(fā)生切換。若接入點AP的MAC地址與當前不匹配，則MN移動到了新的AP中，通過與緩存中的MAC地址對比就能知道是否進入了新的子網(wǎng)中。MN檢測到切換發(fā)生后，接下來就需要獲得當前路由器的IP地址，MN向AR發(fā)送路由通告請求，接入路由AR響應此請求發(fā)送帶有MAP選項的路由通告消息。MN可以獲得其鏈路轉(zhuǎn)交地址LCoA和區(qū)域轉(zhuǎn)交地址RCoA。完成移動檢測并獲得兩個轉(zhuǎn)交地址后，就可以按照普通的切換機制完成后續(xù)的切換工作了。

4 邊緣主動檢測的性能分析

4.1 檢測間隔的壓縮特性

由公式(3)可以得出如圖4所示的檢測間隔壓縮特性曲線，可以看出，在采用邊緣主動檢測模型時當MN發(fā)生切換的強度較小時，間隔比例較大，而當MN發(fā)生切換的強度越大，間隔比例越小。因此，按照式(4)決定取用檢測時間間隔比例，MN能夠在發(fā)生切換概率小的位置上降低檢測頻率，減輕節(jié)點的負載。切換發(fā)生概率大的位置上減小檢測間隔，縮短切換檢測時延。同時在A取不同值時(一般取A=e6)，間隔比例變化趨勢不同，當A增大時，檢測間隔的壓縮效果明顯增加。

4.2 切換檢測性能分析

設接入點AP覆蓋范圍是以d為半徑的圓，在理想環(huán)境的情況下(即忽略其他干擾因素)，可知x的分布函數(shù)為:

(7)

則其密度函數(shù)為:

(8)

可以得知當時，由此可得間隔比例的數(shù)學期望為:

(9)

由式(9)可以求得A=e6時E(β)≈0.78。當Tmax=20毫秒時，檢測間隔時間的數(shù)學期望為E(t)=TmaxE(Δt)=TmaxE(β)=15.7毫秒，大于以10ms為周期的均勻檢測時間間隔，也大于非均勻主動檢測算法的檢測間隔時間的數(shù)學期望。從而減少了平均檢測次數(shù)，且A值越大，平均檢測次數(shù)越少。

根據(jù)圖2來驗證一個使用邊緣主動檢測模型，設最大檢測時間20毫秒，接入點AP覆蓋范圍的半徑為50米，MN從AP2出發(fā)以5米/秒的速度直線向AP3移動，則發(fā)生切換的距離為49米，由式(4)得Δt=9.0毫秒，平均檢測時延為4毫秒，而均勻檢測時，檢測間隔為10毫秒，平均時延為5毫秒。由此例可以得出結論，使用邊緣主動檢測模型時，檢測效率與檢測時延都優(yōu)于使用均勻檢測的方法。表1為兩種檢測方法的監(jiān)測間隔比較，圖5為三種檢測方法的檢測次數(shù)比較。

通過圖5的比較，可以得出采用邊緣主動檢測機制比采用均勻檢測機制的效率提高了40%，減少了的平均檢測時間20%，比非均勻主動檢測機制提高了10%左右的效率。

5 結束語

本文在對比了MIPv6各種常用移動檢測方法的基礎上，提出一種邊緣主動檢測的移動檢測算法。它能在實現(xiàn)快速切換的同時，對節(jié)點移動性的檢測不需要鏈路層的信標或觸發(fā)的支持，只需在網(wǎng)絡層實現(xiàn);對鏈路層的切換采用非均勻測的方法，在有效降低移動檢測時延的同時，減輕了移動點的負擔;在接入點的邊緣采用最小門閥值進行檢測，減少了乒乓式切換時的負擔，是非常具有實用性的檢測方法。

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