基于PMIPv6MIPv6的城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)

李婉婷 辛 默 劉予漫 吳 昊（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

近幾十年，中國(guó)的城市軌道交通經(jīng)歷了從無(wú)到有，從單一線路到城市內(nèi)四通八達(dá)的飛速發(fā)展。同時(shí)，城市軌道建設(shè)的發(fā)展也給人們的生活帶來(lái)了巨大的變化，如何在城市軌道建設(shè)中充分體現(xiàn)“以人為本”的主流思想也成為衡量城市軌道建設(shè)質(zhì)量的重中之重。而將和人們?nèi)粘Ｉ蠲懿豢煞值腎n ternet應(yīng)用引入城市軌道交通建設(shè)，自然也成為城市軌道交通在新的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代體現(xiàn)“以人為本”的新趨勢(shì)。

業(yè)界已有很多研究探討過(guò)將移動(dòng)IPv6（M ob ile IPv6, M IPv6）[1]技術(shù)應(yīng)用于列車(chē)環(huán)境，如文獻(xiàn)[2,3]和文獻(xiàn)[4,5]分別研究了面向列車(chē)In ternet應(yīng)用的切換和資源管理問(wèn)題；文獻(xiàn)[6，7]進(jìn)一步提出了列車(chē)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量（Qua lity of Service, QoS）保障機(jī)制和多接口接入方案；文獻(xiàn)[8]對(duì)子網(wǎng)移動(dòng)（Netw ork M ob ility, NEMO）技術(shù)[9]的路由優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了綜述研究，這將為列車(chē)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的路由性能優(yōu)化提供一定的技術(shù)支持。

但是，這些研究都是基于由M IPv6擴(kuò)展而來(lái)的NEMO技術(shù)。雖然NEMO技術(shù)保證了列車(chē)在全局范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)上層應(yīng)用的連續(xù)性，但是其基于終端的移動(dòng)性支持機(jī)制也成為其在實(shí)際部署應(yīng)用上最大的障礙。而在城市軌道交通環(huán)境中，移動(dòng)體的移動(dòng)范圍相對(duì)受限，此外，其突發(fā)性增大的流量和較短的會(huì)話持續(xù)時(shí)間對(duì)于移動(dòng)性支持協(xié)議的性能具有更為苛刻的要求。基于這些特點(diǎn)，本文將深入研究由IETF NETLMM工作組頒布的基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理協(xié)議（Proxy Mobile IPv6, PM IPv6）[10]在城市軌道交通中的應(yīng)用。主要分為以下幾個(gè)部分：首先，本文將介紹基于M IPv6的NEM O技術(shù)；其次，根據(jù)城市軌道交通系統(tǒng)的特征，本文將設(shè)計(jì)基于PM IPv6技術(shù)的子網(wǎng)移動(dòng)機(jī)制及其在城市軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用；最后，對(duì)這兩種信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析比較并對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。

李婉婷，女，碩士畢業(yè)于北京交通大學(xué)，工程師。主要研究方向包括城市軌道交通通信系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。曾參與北京地鐵6號(hào)線、14號(hào)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。曾獲得2009年全國(guó)優(yōu)秀質(zhì)量管理小組等榮譽(yù)。2012年在《鐵道學(xué)報(bào)》發(fā)表論文一篇。

1 NEMO基本原理

IETF在傳統(tǒng)M IPv6協(xié)議[1]基礎(chǔ)上，通過(guò)擴(kuò)展其綁定更新消息（B in d ing U p d a te,BU）和路由器通告消息（R o u te r ad ver tisem en t, RA）的內(nèi)容、增加移動(dòng)路由器選項(xiàng)及相應(yīng)的切換處理流程，形成NEM O基本支持協(xié)議[9]。具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。在NEMO基本支持協(xié)議中，移動(dòng)路由器（M obile Rou ter, MR）與其家鄉(xiāng)代理（Hom e A gen t, H A）之間通過(guò)建立雙向隧道進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。這是在M IPv6協(xié)議基礎(chǔ)上擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)的，其工作機(jī)制同M IPv6中雙向隧道的工作原理一樣。因此，在NEM O基本協(xié)議中，M R既可以作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（Mobile Node, MN），亦可以作為路由器：作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，M R的功能類(lèi)似于一個(gè)M IPv6節(jié)點(diǎn)，只負(fù)責(zé)接收/發(fā)送自己的數(shù)據(jù)包；而作為路由器時(shí)，M R的功能類(lèi)似于一個(gè)邊緣路由器，需要建立和維護(hù)與H A之間的雙向隧道，完成數(shù)據(jù)包的封裝/解封裝和接收/轉(zhuǎn)發(fā)，還要對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進(jìn)行有效配置和移動(dòng)性管理。因此，當(dāng)M R作為路由器時(shí)，至少需要兩個(gè)接口：一個(gè)負(fù)責(zé)連接到外部網(wǎng)絡(luò)；另一個(gè)作為移動(dòng)子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（M obile Netw ork Node,MNN）的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。

當(dāng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)離開(kāi)家鄉(xiāng)鏈路并通過(guò)一個(gè)新的外地網(wǎng)絡(luò)接入路由器（A ccess Rou ter, AR）接入In ternet時(shí)，M R首先需要獲取新的轉(zhuǎn)交地址（Care-of Address, CoA）。然后發(fā)送BU給HA，更新其位置綁定信息。位置更新完成之后，H A和M R之間便建立了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)碾p向隧道，該隧道的兩端分別是H A的地址和M R的CoA。M NN與外部網(wǎng)絡(luò)中的通信對(duì)端節(jié)點(diǎn)（Co r resp on d in g Node, CN）通信時(shí)，數(shù)據(jù)包采用IPv6-in-IPv6方式封裝，并通過(guò)HA-MR間的雙向隧道傳輸。數(shù)據(jù)包的封裝/解封裝由H A和M R負(fù)責(zé)。當(dāng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)整體移動(dòng)，改變網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)時(shí)，只需在M R和H A之間更新綁定狀態(tài)。這樣，對(duì)于CN和M NN來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性被屏蔽了。

2 基于PMIPv6的城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)

雖然NEMO技術(shù)能夠提供車(chē)載環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，并保證列車(chē)在全局范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，乘客上層應(yīng)用的連續(xù)性。但是其基于主機(jī)的特點(diǎn)造成了較大的切換時(shí)延和信令開(kāi)銷(xiāo)[11]。因此，本文將在本章對(duì)基于PM IPv6的城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 基本PMIPv6協(xié)議

PM IPv6是在M IPv6的基礎(chǔ)上引入了本地移動(dòng)錨點(diǎn)（Local Mobility Anchor, LMA）和移動(dòng)接入網(wǎng)關(guān)（M obility Access Gatew ay, MAG）兩個(gè)新的功能實(shí)體。LM A支持M IPv6中H A的功能，并對(duì)其綁定緩存進(jìn)行了擴(kuò)展。此外，LM A為每個(gè)M N分配一個(gè)唯一的前綴，若移動(dòng)節(jié)點(diǎn)有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，則為每個(gè)接口分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)前綴。M AG是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在接入鏈路上的默認(rèn)路由器，具有3個(gè)主要功能：1）檢測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的接入和離開(kāi)；2）通告移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴來(lái)模擬節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)；3）為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸通道。PM IPv6的操作流程如圖2所示。

MN進(jìn)入一個(gè)代理移動(dòng)IPv6域后，其當(dāng)前接入鏈路的MAG將獲得它的標(biāo)識(shí)。通過(guò)該標(biāo)識(shí)，M AG可以對(duì)MN進(jìn)行PM IPv6服務(wù)的認(rèn)證。如果網(wǎng)絡(luò)決定為該MN提供PM IPv6服務(wù)，則MN可以使用任何被允許的地址配置機(jī)制在連接接口獲得地址配置，并且可以在PM IPv6域內(nèi)任意移動(dòng)。M N所獲得的地址配置包括根據(jù)家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴（Home Netw ork Prefix, HNP）生成的地址，當(dāng)前鏈路的默認(rèn)路由器地址和其它相關(guān)的配置參數(shù)。從M N的角度來(lái)看，整個(gè)PM IPv6域是一個(gè)單獨(dú)的鏈路。網(wǎng)絡(luò)將可以使M N認(rèn)為它一直處在獲得初始地址配置的那個(gè)鏈路上，即使是M N改變了自己在網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)，發(fā)往M N和來(lái)自M N的數(shù)據(jù)包都要通過(guò)M AG和LM A之間的隧道進(jìn)行傳輸。PM IPv6對(duì)于切換性能的改進(jìn)主要體現(xiàn)在：

1）提高了切換性能。PM IPv6的設(shè)計(jì)目標(biāo)是減少I(mǎi)P切換的延遲，使切換處理時(shí)延盡可能地接近相應(yīng)的鏈路層切換時(shí)延和IP層移動(dòng)檢測(cè)時(shí)延的總和；

2）減少了與切換相關(guān)的信令量。PM IPv6盡量減少移動(dòng)性管理的信令交互，且在切換的過(guò)程中無(wú)線鏈路未引入任何信令；

3）減小了數(shù)據(jù)發(fā)送開(kāi)銷(xiāo)。PM IPv6建立了MAG和LM A之間的隧道，不同于M IPv6中M N和H A的隧道，從而降低了無(wú)線鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)銷(xiāo)。

2.2 城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

為了在城市軌道交通系統(tǒng)中建設(shè)信息網(wǎng)絡(luò)，首先需要對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1）突發(fā)流量較大。在城市軌道交通中，突發(fā)流量（如上下班高峰）會(huì)給接入網(wǎng)帶來(lái)較大影響，這將有可能造成無(wú)線鏈路的嚴(yán)重?fù)砣?/p>

2）平均會(huì)話時(shí)間較短。由于城市軌道交通乘客的乘車(chē)區(qū)間受限，從而使其在城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起的會(huì)話過(guò)程具有較短的持續(xù)時(shí)間。這將對(duì)乘客移動(dòng)過(guò)程中的切換時(shí)延具有較高的要求；

3）列車(chē)網(wǎng)絡(luò)的域內(nèi)移動(dòng)。由于城市軌道交通的特定建設(shè)路線，使其移動(dòng)范圍被固定在特定的區(qū)域內(nèi)。這意味著列車(chē)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)和切換一直在一個(gè)固定的域內(nèi)進(jìn)行。

2.3 基于PMIPv6的子網(wǎng)移動(dòng)

由上述分析可知，PM IPv6更適合于城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。但是基本的PM IPv6只提供了單個(gè)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性管理，需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)子網(wǎng)移動(dòng)的支持。其結(jié)構(gòu)如圖3所示[11]。

如圖3所示，M AG為部署在城市軌道交通線路中的接入路由器，而NEMO為城市軌道交通構(gòu)成的移動(dòng)子網(wǎng)。為了提供基于網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)移動(dòng)，將PM IPv6的本地移動(dòng)域擴(kuò)展到M R，也就是將M R也作為PM IPv6移動(dòng)性實(shí)體，用于提供乘客的移動(dòng)性管理。同時(shí)將LM A的綁定緩存擴(kuò)展一個(gè)標(biāo)志位（F lag）用于表示綁定的節(jié)點(diǎn)是否位于M AG下面。詳細(xì)的協(xié)議流程如圖4所示。

1）當(dāng)M R接入到M AG時(shí)，M AG通過(guò)認(rèn)證過(guò)程發(fā)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)為一個(gè)路由器，從而在發(fā)向LM A的PBU中包含M R_ID和Y標(biāo)志，分別用于表示接入節(jié)點(diǎn)是標(biāo)識(shí)為M R_ID的路由器，其接入位置為MAG；

2）此時(shí)，LM A更新綁定緩存，為M R建立雙向隧道，并為其分配家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴MR_HNP；

3）由于無(wú)論M R在城市軌道區(qū)間內(nèi)切換到任何一個(gè)MAG，都將收到相同的HNP，所以MR不會(huì)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的移動(dòng)；

4）當(dāng)乘客上車(chē)時(shí)，M R檢測(cè)到了M N的接入，從而向LM A發(fā)起綁定過(guò)程，其中PBU中包含M N_ID和N標(biāo)志，用于表示接入節(jié)點(diǎn)是標(biāo)識(shí)為MN_ID的終端，其接入位置為移動(dòng)路由器；

5）LM A收到M R發(fā)來(lái)的PBU后，更新綁定緩存，并和M R建立了雙向隧道，并為M N分配前綴MN_HNP；

6）由于無(wú)論M N在城市軌道乘車(chē)期間，如何移動(dòng)和換乘，都將收到相同的H NP，所以M N不會(huì)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的移動(dòng)。

為了給M N發(fā)送數(shù)據(jù)包，LM A需要進(jìn)行遞歸的綁定緩存查詢(xún)。該機(jī)制也是對(duì)基本PM IPv6數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的擴(kuò)展，主要借助于Flag標(biāo)志。當(dāng)LM A收到發(fā)向M N的數(shù)據(jù)包時(shí)，通過(guò)匹配H NP找到其接入路由器（AR）。如果該M N的F lag標(biāo)志為Y，那么LM A將封裝的數(shù)據(jù)包直接發(fā)向AR所標(biāo)識(shí)的路由器；但是如果Flag標(biāo)志為N，那么LMA將繼續(xù)查找這一條目的AR所對(duì)應(yīng)的綁定緩存。以此類(lèi)推，直到LM A發(fā)現(xiàn)AR的綁定緩存中F lag為Y。隨后，LM A以綁定緩存查詢(xún)的順序?qū)?shù)據(jù)包進(jìn)行多層封裝。而這個(gè)數(shù)據(jù)包會(huì)被沿途的AR逐一解封裝，并最終到達(dá)MN。

3 性能評(píng)價(jià)

本節(jié)將對(duì)基于M IPv6和基于PM IPv6的兩種機(jī)制進(jìn)行比較分析，以說(shuō)明基于PM IPv6的子網(wǎng)移動(dòng)性擴(kuò)展能夠更好的適用于城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)總結(jié)如表1所示。

由表1可見(jiàn)，基于M IPv6的子網(wǎng)移動(dòng)機(jī)制采用基于終端的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)全局范圍的移動(dòng)性管理。這是沿襲了M IPv6的特點(diǎn)，但也存在M IPv6的缺陷如切換時(shí)延長(zhǎng)，信令開(kāi)銷(xiāo)大等。此外，由于采用基于終端的移動(dòng)性管理，在無(wú)線鏈路上也存在信令交互和隧道封裝，從而嚴(yán)重影響了無(wú)線鏈路的利用率。但是基于PM IPv6的子網(wǎng)移動(dòng)機(jī)制正是從這些缺陷出發(fā)，來(lái)尋求更適合區(qū)域移動(dòng)的高效率子網(wǎng)移動(dòng)性支持協(xié)議。從而使其更適合城市軌道交通的特殊環(huán)境，能夠有效的提高移動(dòng)性管理的性能。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分析城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出了基于PM IPv6的子網(wǎng)移動(dòng)支持協(xié)議及其在城市軌道交通信息網(wǎng)絡(luò)中的部署方式。通過(guò)和基于M IPv6的N EM O技術(shù)的對(duì)比，可以看到本文提出的基于網(wǎng)絡(luò)的本地化子網(wǎng)移動(dòng)支持機(jī)制更適合于在城市軌道交通系統(tǒng)中，為乘客提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。可以作為城市軌道交通系統(tǒng)信息化假設(shè)的一項(xiàng)解決方案。

[1] C.Perkins, D.Johnson, J.Arkko.RFC 6275： Mobility Support in IPv6[S]. 2011.

[2] 李昂.旅客列車(chē)車(chē)載移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2006.

[3] 任彥,蘇偉,張思東,等.列車(chē)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2006,28（1）:121-124.

[4] 原小六.高速客運(yùn)專(zhuān)線寬帶移動(dòng)網(wǎng)中基于QoS的切換研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2007.

[5] 羅立軍.面向旅客列車(chē)Internet應(yīng)用的移動(dòng)IPv6切換性能研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2007.

[6] 嚴(yán)旭影.列車(chē)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量保證關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2008.

[7] 關(guān)建峰,周華春,延志偉，等.基于多接口NEMO的移動(dòng)性支持方案[J].鐵道學(xué)報(bào),2009,31（5）:50-55.

[8] Shahriar A.Z.M., Atiquzzaman M., Ivancic W.. Route optimization in network mobility: Solutions, classification, comparison, and future research directions [J]. IEEE Communications Surveys&Tutorials, 2010，12（1）：24-38.

[9] Vijay Devarapalli, Ryuji Wakikawa, Alexandru Petrescu, et al. RFC 3963：NEMO Basic Support Protocol[S]. 2005.

[10] S. Gundavelli, K. Leung, V. Devarapalli,et al. RFC 5213：Proxy Mobile IPv6[S]. 2008.

[11] I. Soto, CJ. Bernardos, M. Calderon, et al. NEMO-Enabled Localized Mobility Support for Internet Access in Automotive Scenarios [J].IEEE Communications, 2009，47（5）：152-159.