基于 PMIPv6的高速鐵路信息網絡

陳 蕙

*北京交通大學通信與信息系統北京市重點實驗室 工程碩士研究生,100044 北京

最近幾年,乘客對于列車附加功能的要求越來越高,伴隨著無線技術 (例如藍牙、超帶寬和衛星)的發展,在高速列車中部署移動互聯網將成為鐵路發展的新興業務。

雖然 IPv6(MIPv6),FMIPv6和 HMIPv6為高速列車的移動互聯網接入提供了較為完整的移動性解決方案,但這些方案在終端參與到移動性信令交互過程中需要移動終端擴展相應的功能,從而限制了其在列車環境下的應用。為此,研究由 IETF NETLMM工作組頒布的基于網絡的移動性管理協議 (PMIPv6)在高速列車環境下的應用。

1 PM IPv6協議流程

PMIPv6是在移動 IPv6的基礎上引入了本地移動錨點 (LMA)和移動接入網關 (MAG)2個新的功能實體。LMA支持移動 IPv6中家鄉代理的功能,并對其綁定緩存進行了擴展,增加了代理移動IPv6標識,移動節點標識、接口標識、鏈路本地地址、IPv6家鄉前綴、雙向隧道標識、接入技術標識和時間戳等選項。此外,LMA為每個移動節點分配 1個惟一的前綴,若移動節點有多個網絡接口,則為每個接口分配 1個網絡前綴。MAG是移動節點在接入鏈路上的默認路由器,主要功能:①檢測移動節點的接入和離開;②通告移動節點的家鄉網絡前綴來模擬節點的家鄉網絡;③為移動節點構建數據傳輸通道。代理移動IPv6域的結構如圖1所示。

PMIPv6的注冊過程如圖 2所示。移動節點進入一個代理移動 IPv6域后,其當前接入鏈路的移動接入網關將獲得其標識,據此移動接入網關可以對移動節點進行代理移動 IPv6服務的認證。如果網絡決定為該移動節點提供代理移動 IPv6服務,則移動節點可以使用任何被允許的地址配置機制在連接接口獲得地址配置,并且可以在代理移動IPv6域內任意移動。移動節點所獲得的地址配置包括根據家鄉網絡前綴生成的地址,當前鏈路的默認路由器地址和其他相關的配置參數。從移動節點的角度看,整個代理移動 IPv6域是一個單獨的鏈路。網絡將使移動節點認為它一直處在獲得初始地址配置的那個鏈路上,即使移動節點改變了自己在網絡中的接入點。

圖1 代理移動 IPv6域

圖2 代理移動IPv6注冊過程

發往 MN和來自 MN的數據包都要通過MAG和 LMA之間的隧道進行傳輸。基于網絡的區域移動性管理機制有效解決了全局移動性機制中 3個基本問題。

1.提高了切換性能。在切換過程中,從鏈路切換開始到 IP子網配置和全局移動性管理信令傳輸完成,這段時間造成的延遲導致了切換時丟包的發生。在此期間,對端節點的通信仍然將數據包發往舊的鏈接但不能訪問 MN,誤傳的數據包就會被丟棄。設計區域移動性管理機制的目的是減少 IP切換的延遲,使切換之后更改轉發的處理時延,盡可能地接近相應的鏈路層切換時延和 IP層移動檢測需要時延的總和,以避免過多的數據包丟失。

2.減少了與切換相關的信令量。信令需求對切換性能有很大的影響,比如會對 MN的共享鏈路(如無線鏈路,其鏈路容量不容易擴展)的鏈路數據流量造成影響。盡量減少從 MN發送到網絡的切換信息量,在切換的過程中只引進 IP層移動檢測需要的信令,如果鏈路層支持 IP層移動性檢測,MN在鏈路層切換后可以不執行其他 IP層的信令。

3.位置安全性考慮。允許 2層檢測,對 3層地址限制較少,這些方法可以減少對位置安全的威脅。具體來說,在一個接入網內,MN進行鏈路間切換時不需要改變IP地址,在一個大的地理區域中保持 IP地址不變。這就減小了攻擊者推斷出移動節點地理位置的機會。

2 PM IPv6在高速列車中的部署

PMIPv6技術可以為列車上的用戶提供移動過程中的網絡連接服務。配置在車廂內的移動節點可以是一個列車移動路由器(P-MR),提供無線接入服務;對于沿途部署的 MAG,P-MR就是一個移動節點,其連通性通過 PMIPv6來提供。

圖3 P-MR的切換流程

由于車廂內的旅客較多,會帶來移動路由器的單點失效及帶寬瓶頸問題,所以應在每個車廂部署一個移動路由器,LMA可以部署在可控可管的地方,以方便日常檢修和維護。在列車移動過程中,P-MR的切換流程如圖3所示。

當 P-MR獲得初始地址配置之后執行切換,在原鏈路上的 MAG將會檢測到 P-MR的離開并通知LMA,然后刪除維持 P-MR的綁定信息和路由狀態。LMA在收到通知后等待一段時間再刪除 P-MR的綁定信息,以確保 P-MR的平滑切換。新鏈路上的 MAG在檢測到 P-MR的接入之后將向 LMA發送信令消息,更新 P-MR的綁定狀態。更新完畢后,P-MR就可以繼續接收包含其家鄉網絡前綴的路由通告,由于家鄉網絡前綴不變,P-MR的地址配置也不改變,這使 P-MR認為它仍然在相同的鏈路上并且繼續在新的鏈路上使用與原來相同的地址進行通信。

3 性能評價

3.1 測試環境

為了模擬鐵路應用場景,對 P-MR在 LMA域中的多個 MAG域間以水平運動方式進行切換性能測試。測試拓撲如圖4所示。

圖4 測試拓撲圖

其中,各實體配備的網絡設備如下:

LMA上包含有 3塊有線網卡,均為 100 Mb/s自適應快速以太網卡。

P-MR采用 DELLD500筆記本電腦,配備 Cisco Aironet 350無線網卡,完成所有的切換過程。

AR1和 AR2作為 MAG1和 MAG2,是 2臺接入路由器,配備 100 Mb/s自適應快速以太網卡,同時搭配Cisco Aironet1200AP,負責無線發送通告消息,檢測 MN的接入與離開。

CN為互聯網中和 P-MR通信的任一主機,實驗環境中其為外地網絡中的主機 Server,負責與 PMR進行通信,同時也作為整個測試網絡中的一臺流媒體服務器,配備一塊 100 Mb/s有線網卡。各實體的網卡配置如表1所示。

表1 網絡環境地址分配情況

3.2 測試結果

在 PMIPv6協議運行過程中,P-MR在 MAG1和 MAG2之間進行切換,條件同上。在 P-MR上抓包如圖 5所示。

圖5中橫坐標為 P-MR上接收到 UDP數據包的時間,縱坐標為接收到數據包的數量,在 20.7 s,51.7 s,92.7 s時 PMR執行切換命令,切換時延分別為230 ms,220ms,190ms。通過 50次的測試,得到平均切換時延為216 ms。

當運行 PMIPv6協議時,令 P-MR向 CN發送 Ping包,每秒發送 1個。每發送 50個 Ping包對 P-MR做一次切換,共發送 500個 Ping包,丟包率為1%。

圖5 PMIPv6切換性能分析示意圖

在 MIPv6協議運行過程中,P-MR在 MAG1和 MAG2之間進行切換。PMR可以使用帶有家鄉網絡前綴的地址進行通信。通信對端節點地址為3ffe:3240:8007:2005::5。通信對端節點向 P-MR發送 200個 UDP數據包,時間間隔為 0.5 s,并在此過程中進行切換。在 P-MR上抓包如圖6所示。

圖6 MIPv6切換性能分析示意圖

圖6中橫坐標為 P-MR上接收到 UDP數據包的時間,縱坐標為接收到數據包的數量。圖上顯示在 23.8 s,54.2 s,78.1 s時 P-MR執行切換命令,切換時延分別為 2.1 s,2.0 s,1.6s。通過 50次測試,得到平均切換時延為 2.03 s。

當運行 MIPv6協議時,令 P-MR向 CN發送Ping包,每秒發送 1個。每發送 50個 Ping包對 PMR做一次切換,共發送 500個 Ping包,丟包率為6%。

相比于 MIPv6移動性管理,PMIPv6能夠顯著減小切換時延及切換過程中的數據包丟失。

4 結論

PMIPv6可以作為一種極有前景的移動性支持協議。它是 MIPv6的一個應用繼承,而不是一種新的方法,其基于網絡的移動性管理反映了鐵路的特殊應用場景,可以很好地作為高速列車信息網絡建設的移動性解決方案。

[1］ D.Johnson,C.Perkins,J.Arkko.Mobility Support in IPv6[S].RFC 3775.June 2003.

[2］ R.Koodli.Fast Handovers for Mobile IPv6[S].RFC 4068.July 2005.

[3］ H.Soliman,C.Castelluccia,K.El Malki.Hierarchical Mobile IPv6Mobility Management[S].RFC 4140.August 2005.

[4］ S.Gundavelli,Ed,K.Leung,V.Devarapalli,K.Chowdhury,B.Patil.Proxy Mobile IPv6.RFC5213.August 2008.