PMIPv6的跨域切換機制的研究

齊虹，袁全，龐明寶

（1.天津電子信息職業技術學院網絡技術系，天津 300350；2.河北工業大學土木工程學院，天津 300401）

PMIPv6的跨域切換機制的研究

齊虹1，袁全2，龐明寶2

（1.天津電子信息職業技術學院網絡技術系，天津 300350；2.河北工業大學土木工程學院，天津 300401）

作為一個基于網絡的區域移動性管理協議，PMIPv6允許移動終端在沒有移動信令控制的情況下，在局限網域服務中漫游．然而，PMIPv6只能在一個局限網絡訪問域中保持對移動終端的移動性支持．于是，當移動終端離開了一個PMIPv6訪問域時，它的連接中斷，通信過程中會產生一系列協議切換、延時及不可避免的網絡丟包問題．本文將對PMIPv6基本功能及相關的跨域移動性機制進行研究和分析，對各機制在性能上進行評估分析，為對進一步提升PMIPv6跨域切換性能的研究打下基礎．

代理移動IPv6協議；域間移動性；切換協調機制；切換延時；協議信令成本．

0 PMIPv6發展背景

人們日益增長的對移動終端（Mobile host以下簡稱MH）無時無地接入無線網絡的需求成為一個具有挑戰性的問題，并成為未來部署基于下一代IP的無線網絡過程中的首要考慮因素．諸如VoIP（VoiceoverInternet Protocol，稱為IP電話）、視頻會議、流媒體等這些實時和多媒體服務領域的應用正在迅猛發展．因此，無線網絡連接的性能便影響到了這些服務的質量．當MH的移動趨勢比較明顯的時候，連接性能更為重要．當MH漫游跨域時，IP的移動性管理成為了關鍵問題．它不斷定位MH的接入點并維持MH對其訪問域的連接．所以，互聯網工程任務組（IETF）為了能使MH可以一直維持其通信會話，同時提出了MIPv6和其可以支持MH跨網域移動（即在不同的網絡訪問域中漫游）的優化版本FMIPv6，以及可以支持MH網域內移動（即在同一網絡訪問域中漫游）的HMIPv6[1]．這些協議代表了基于主機的移動管理方式，它要求MH包含移動性相關信令．圖1說明了一個典型的移動接入的例子．

盡管這些協議在支持MH移動性方面有很高的地位，但它們還造成其他一些方面的問題．如高切換延時，數據流丟包，信令消耗，能源消耗等．這些問題對通信性能產生了負面影響，使其無法滿足實時通信服務所需要的不間斷網絡連接的需求．

由IETF提出了代理移動IPv6協議（PMIPv6，Proxy Mobile IPv6）[2]，是一種基于網絡的區域性移動性管理協議（NETLMM，Network-basedLocalized Mobility Management）．該協議試圖應對大多IP移動性管理問題帶來的挑戰，并試圖在一個網絡訪問域中保持對MH移動漫游服務的支持．此外，PMIPv6還分配出網絡實體來代表MH執行移動性相關信令．因此，MH將不會受到協議信令的影響，從而降低了MH在處理時的復雜度，節省了MH的電量，并且允許更多種類的MH使用PMIPv6服務[3]．與此同時，PMIPv6利用局部位置注冊服務，縮短了MH位置同步信令，以便減少中斷延遲和網絡丟包．

圖1 移動管理域處理方法Fig.1Mobility management domain approaches

1 PMIPv6基本理論

PMIPv6是用來為局部拓撲訪問域里的MH提供基于網絡的移動性管理支持的協議，并且分配出網絡實體來代表MH執行移動性相關信令．一旦MH進入PMIPv6網絡訪問域并進行接入認證，服務網絡將會利用前綴模式（per-MH）為每個MH分配一個獨特的主網前綴（HNP）．這個前綴無論它到達本PMIPv6網絡訪問域的何處，理論上都將一直跟隨這臺MH．因此，從MH的角度看整個域便是它的主網．PMIPv6展示了新的實體，如本地移動錨點（LMA）和移動接入網關（MAG），負責處理各種PMIPv6移動性信令．

當MH進入PMIPv6網絡訪問域時，LMA通過保持其地址可達性來提供PMIPv6信令支持，并且保留每個接入MH的綁定緩存表（BCE），及與其接入網關（MAG）的其他信息．LMA面向MH進行所有通信拓撲錨點的確定，LMA還負責通過驗證授權記錄（AAA）服務器決定特定MAG授權狀態．另一方面，MAG通過監測MH接入斷開網絡連接的狀態，來實現PMIPv6功能，并且在LMA上使用代表MH的移動性信令．MAG通過向MH傳送MH-HNP以模擬MH的主鏈路，并為MH的LMA轉發建立雙向通道，來為MH提供IP連接．

PMIPv6移動性相關信令流有兩種類型：MH初次連接和MH切換．MH初次連接信令流是在MH初次連接PMIPv6網絡訪問域，直到它能夠處理轉發至其通信節點（CN）數據流時產生的．MH切換信令流是MH跨域切換時產生的，如圖2中所示．

圖2 PMIPv6網絡中信令流的切換序列Fig.2Handover signaling flow sequence of the PMIPv6 domain

當前的MAG（cMAG）監測到MH與網絡連接斷開時，它向LMA發送一條生存時間為0的注銷代理綁定更新（PBU）信息來刪除MH的BCE記錄．然后，LMA回復給cMAG一條代理綁定確認（PBAck）信息，允許它為這個MH移除綁定和路由狀態．同時，LMA在它刪除MH的BCE記錄和他的路由狀態之前等待一個計時器的時間．在這之后，MH通過新的MAG（nMAG）連入新的訪問域并提供它的MH-ID重新進行接入認證過程．然后，nMAG向AAA服務器為這臺MH請求訪問域接入認證．相應的，如果MH認證成功，AAA服務器將用MH的概要文件回復nMAG．然后，nMAG接著發送一條PBU信息給LMA來更新MH現在的位置．當LMA在計時器一周期的等待期間收到來自同一MH-ID的PBU消息時，它將更新這臺MH的BCE記錄入口，并向nMAG發送一條包含相同MH-HNP的PBAck信息．這樣，nMAG產生一個MH的綁定同步表（BUL）記錄入口，然后建立LMA和nMAG之間的雙向通道．在這之后，nMAG向MH發送帶有相同MH-HNP的回復確認（RtrAdv）信息．最終，直到MH收到這條RtrAdv信息，確認它仍在其主鏈路內，才能繼續數據連接．

總之，PMIPv6是一款用于支持域內移動性漫游的協議，可縮短位置同步信令，減少PMIPv6網絡訪問域內部的中斷時間．然而，PIMPv6仍要因為每次MH進行切換時重復網絡接入認證、地點同步注冊和MH地址重新配置，延時經歷較長的通信中斷．結果造成在通信中斷期間發送的所有數據丟失，當MH漫游到PMIPv6的網絡訪問域邊界時，其通信會話便會中斷甚至無法保持．所以即使PMIPv6的性能及其在切換性能方面的擴展性都強于MIPv6，但仍然有移動設備切換過程中出現過長的切換延時，網絡數據丟包及一些額外的移動性信令問題，也導致了MH漫游性能降低[4]．因此，為了支持用戶跨網域漫游以及避免高切換延時，網絡丟包和額外的協議信令成本等問題，對于PMIPv6的跨網域移動性快速切換機制的研究及進一步提升就顯得尤為重要．

2 PMIPv6的跨域切換機制分析

2.1 諾依曼機制

諾依曼機制[5]的提出，是為了MH用戶在PMIPv6網絡中作域間移動時提供移動性支持．一旦MH進入PMIPv6訪問域，它將在主LMA（hLMA）域內注冊．同時，MH開始通過hLMA訪問域獲得服務，hLMA為MH域間定位認證起到重要作用．而且，它在MH從當前LMA（pLMA）漫游到新連接的LMA（nLMA）的過程中傳輸MH的數據流．

諾依曼的切換信令流如圖3所示．圖3描述了MH在PMIPv6網絡中的跨域移動和它連入nMAG鏈路的連接過程．

圖3 諾伊曼機制中信令流的切換序列Fig.3Handover signaling flow sequence of the Neumann's scheme

一旦nMAG監測到MH的連接，它將向nLMA發送一條PBU信息來進行MH位置認證．nLMA一旦收到這條PBU信息，它將通過發送另一條PBU從hLMA請求MH的地址配置．此外，hLMA收到這條PBU消息后，它將回復給nLMA一條帶有相同的屬于hLMA訪問域的MH地址配置的PBAck信息．然后nLMA轉發從hLMA域收到的帶有PBAck信息的MH的地址配置給nMAG．然后，nMAG在收到MH的地址配置之后將要面向nLMA建立一條雙向通道，并給MH發送帶有相同MH-HNP的RtrAdv信息．最后，直到收到這條RtrAdv消息，MH確認它仍然在其主鏈路，它才能通過nLMA域接入網絡，從而接收數據流．

在諾依曼機制下，如果MH回到它的hLMA訪問域，hLMA將用一條帶有相同MH-HNP原地址PBAck信息回復它的MAG．而且，數據流從hLMA轉發到nLMA訪問域，然后nLMA轉發數據流到MH．因此，根據諾依曼機制，當MH在PMIPv6訪問域中移動時可以通過交換額外的移動性相關信令保持MH的IP地址保持不變．而且，hLMA通過接受所有代表MH的數據流來連續不斷作為MH的拓撲錨點，并且為MH新連接到的nLMA域重定向數據流．

2.2 TD機制

TD機制通過引進流量分配器（TD）的新型網絡實體來處理PIMPv6域間移動性相關信令，它負責支持MH域間移動和在PMIPv6訪問域之間分配MH的數據流．TD切換信令流在如下圖4中表示．

MH在PMIPv6域間漫游并連入nLMA域中的nMAG．只要nMAG監測到MH的連接，它將通過給nLMA發送PBU信息進行MH位置注冊．nLMA收到這條PBU信息，然后將與當前訪問域的pLMA執行請求-回應信令，即通過給pLMA發送PBU_Forwarding信息獲得相同的MH地址．當pLMA收到這條信息，它將回復nLMA PBU_Forwarding_Ack信息，這條信息中包括之前請求的MH的地址配置信息．然后，nLMA將把從pLMA收到的MH地址配置和PBAck信息一起轉發給nMAG．此外，nMAG給MH發送RtrAdv信息傳送相同的pLMA地址．隨后，nLMA選擇一個TD實體，并給他們發送一條PBU_Relay_Request信息，來幫助TD實體為MH建立數據傳送實接口．TD實體通過發送PBU_Relay_Ack信息并建立通向nLMA的通道來回應請求信息．當TD實體收到MH的數據流時，它會將數據流重定向至MH新連接的nLMA．

另外，就TD實體的選擇過程，當nLMA選擇一個新的TD實體建立傳送入口時，其余的TD實體將會從之前的傳送入口中移除，并停止MH數據流重定向[6]．而且，當MH的流量到達MH新連接到的nLMA時，nLMA將會把流量轉發給MH．

2.3 兩種機制的性能分析

本文客觀地從切換延時、實現吞吐量、協議信令成本以及端到端流量交付延時等方面分析傳統PMIPv6跨域切換機制在不同測量方面的移動性性能．2.3.1切換延時

切換延時是一個非常重要的性能指標，它影響著MH在跨域漫游時的移動性性能．切換延時越長，MH接收/發送數據流的中斷也就越長．如果切換延時過長，由于數據流在切換時過高的丟包率，MH的會話將會中斷甚至無法被恢復．在一些延時影響明顯的應用中，例如VoIP和視頻會議，過長的切換延時會造成明顯的聲音傳輸中斷以及在視頻應用中出現斷斷續續的畫面．

無論何時MH發生切換時，諾依曼機制和TD機制都會頻繁地調用MH域位置注冊服務，并且還涉及到一些在nLMA和hLMA/pLMA之間的請求-響應信令處理過程，以此來保證MH的地址不會丟失．而且，它還要在MH恢復其通信會話之前，從AAA服務器上查詢MH的環境基本文件．這整個的處理過程將會在MH移動到新的PMIPv6訪問域后發生．于是，切換延時將取決于從MH訪問鏈路到接入認證完成、位置注冊、獲取MH地址請求-響應信令過程及向MH發送一個RtrAdv信息完成的時間．

公式(1)，(2)分別是諾依曼機制、TD機制切換延時的計算公式．其中Tattach是MH連入新鏈路的時間；TAAA是MH的接入認證處理過程的時間；TnLMA–hLMA和TnLMA–pLMA分別是為了保證MH地址不丟失在新的LMA和主LMA及新LMA和當前LMA之間的請求-響應過程的時間；Ttunnel是建立通道的時間；TRtrAdv是收到路由回復的時間．

諾依曼機制中nLMA與hLMA之間的間隔遠遠大于TD機制[6]中nLMA與pLMA之間的間隔．這是由于nLMA與hLMA之間為了維持MH地址不被替換，花費了很長的延時時間．于是，nLMA與pLMA之間的信令延時TnLMA–pLMA極大程度的小于nLMA與hLMA之間的信令延時TnLMA–hLMA．另外，由于網絡拓撲相同，TAAA和Ttunnel是相同的．所以，TD機制的切換延時比諾依曼機制的切換延時要小．

圖4 TD機制中信令流的切換序列Fig.4Handover signaling flow sequence of the TD's scheme

2.3.2吞吐量

吞吐量指的是每秒產生的所有凈流量總和．一般來說，在MH發生跨域切換時，其吞吐量便會收到相應的制約．這是因為它無法在切換的過程中接收任何數據流．在諾依曼機制和TD機制中，MH在切換過程中的上行流量會有很多丟失，造成了無法恢復的吞吐量降低．這是因為網絡需要一些時間來完成一些移動性相關信令處理——MH的跨域注冊、接入認證、通道建立、維持MH地址等．

2.3.3 協議信令成本

協議信令成本取決于額外的協議信令流量負載．協議信令成本按照CSignalling_cost=number×s×h/t來計算．公式中，number表示協議信令包的數量，s表示協議包的大小，h表示源到目的節點的跳數，然后，取其對時間t的平均值．

為了計算信令成本，需要確定MH跨域切換的概率．設MH在一張拓撲中跨域的概率為p，拓撲中每個訪問域都具有相鄰訪問域的數量并且訪問域總數量為N，MH的總數量為n．于是，MH位于nLMA訪問域回到其和LMA訪問域中的概率pnLMAhLMA為p/N，MH從其hLMA訪問域移動到nLMA訪問域的概率phLMAnLMA為p p/N[6]．于是，諾依曼機制的協議信令消耗包含了對于hLMA訪問域的nLMA的同步信令．如公式(3)所示，當其偵測到MH的連接訪問時，hLMA與nLMA之間便會交換PBU和PBAck信息來完成這個信令．另一方面，TD機制的協議信令消耗包括兩個階段[6]．首先，當MH回到其hLMA時，hLMA會向pLMA發送一個PBU_Forwarding信息并還要向所有TD實體發送一個PBU_Relay_Cancel信息．其次，當MH連接到nLMA訪問域時，nLMA會向pLMA發送一個PBU_Forwarding信息并向特定的TD實體發送一個PBU_Relay_Request信息，然后，它會向由pLMA選出的TD實體（非nLMA選出的）發送PBU_Relay_Cancel信息．TD信令成本的計算公式如公式(4)．

2.3.4 端到端流量交付延時

端到端流量交付延時性能，用從CN生成數據流至數據流到達MH的時間長短來衡量．這個評估會考慮到不同的流量轉發路徑策略下機制切換延時．

圖5說明了所有機制下的端到端流量交付流．在諾依曼機制中，原來訪問域中的hLMA會收到發往MH的全部數據流．然后它用通向nLMA訪問域的通道轉發這些數據流．另一方面，在TD機制中，hLMA與MH的流量轉發無關．而且，憑借TD實體的幫助，流量可以在pLMA-nLMA訪問域之間轉發．這在MH切換直到TD選擇算法完成為MH建立BCE記錄期間將通過一條通道完成．然后，TD將直接把數據流轉發給nLMA．

公式(5)和(6)分別呈現了諾依曼機制和TD機制中端到端流量交付延時的計算．

在諾依曼機制中，端到端流量交付延時包括以下幾個部分．首先，數據流從CN生成需要TCN–AR的時間到達接入路由器（AR）．接下來，在TAR–hLMA時間內，AR轉發流量到MH原來所在的LMA．然后，hLMA需要ThLMA–nLMA時間將流量壓縮并在MH經過切換時間THandover后發送給nLMA．最后，nLMA在TnLMA–nMAG時間內把數據流傳送給它的鏈路（也就是nMAG）．最后，nMAG在TnMAG–MH時間內把流量轉發給MH．

TD機制下，端到端流量交付延時包括以下幾個部分．首先，AR在TCN–AR時間內接收到CN生成的流量，然后在TAR–PTD時間內把流量轉發到節點TD（PTD）．然后在MH切換，標準TD選擇算法，為MH建立BCE記錄入口，pLMA在TpLMA–nLMA時間內轉發MH的的流量．然后，PTD需要TPTD–nLMA時間壓縮生成的新數據流，并在MH切換時間THandover后把它發送給后來的nLMA．最后，nLMA在TnLMA–nMAG時間內把流量轉發給nMAG，nMAG在TnMAG–MH時間內把流量轉發給MH．

圖5 端到端的流量交付Fig.5End-to-end data traffic delivery flows

但是，在TD機制中，流量交付流遇到了三角路由問題．在MH切換過程中，當前訪問域不停將流量重定向至nLMA的訪問域中時，三角路由問題會出現．所以，大部分流量都會有額外的端到端交付延時．此外，這個三角流量數據流會一直持續，直到標準TD選擇算法、MH的BCE過程建立以及新MH的注冊和認證都完成．這便造成了很長的端到端流量交付延時．此外，傳統機制中繁瑣的切換處理過程還會產生很長的切換延時和不可避免的網絡丟包．在MH從當前訪問域中斷開后，到恢復其新的訪問域數據流之前，這些問題都將一直出現．所以，切換延時越長，數據丟包越多．

3 總結

本文對PMIPv6跨域切換機制在切換延時、實現吞吐量、協議信令成本及端到端流量交付延時等性能方面做了評估和研究分析．由于MH域間切換的繁瑣的程序造成了MH通信會話中斷和數據流的丟失，現有的機制不能保證PMIPv6域間的無縫的切換．因此，進一步的研究需要關注PMIPv6跨域漫游性能的提升，滿足實時敏感服務對服務質量（QoS）的需求．

[1]Soliman H，Castelluccia C，El Malki K．Hierarchical mobile IPv6 mobility management[C]//RFC，2005，4140．

[2]Gundavelli S，Leung K，Devarapalli V．Proxy mobile IPv6[C]//2008，RFC 5213．

[3]Kempf J.Goals for network-based localized mobility management（netlmm）[C]//RFC，2007，4831．

[4]Kempf J.Problem statement for network-based localized mobility management[C]//RFC，2007，4830．

[5]Neumann N，Lei J，Fu X.I-pmip:An inter-domain mobility extension for proxy-mobile IP[C]//ACM，2009，994-999．

[6]ZhongF，YeoC K，LeeB S.Enablinginter-pmipv6-domainhandover with trafficdistributors[J]．Journal of NetworkandComputer Applications，2010，33（4）:397-409．

[責任編輯 代俊秋]

Study on the cross domain switching mechanism of PMIPv6

QI Hong1，YUAN Quan2，PANG Mingbao2

(1.School of Network Technology Department,Tianjin Electronic Information College,Tianjin 300350,China;2.School of Civil Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

Asa network-based localizedmobility managementprotocol,ProxyMobile IPv6(PMIPv6)enablesa Mobile Host(MH)to roam within a localized domain without MH intervention in the mobility-related signaling.Therefore, wheneverthe MHroamsaway fromthe PMIPv6 domain,its reachabilitystatuswillbe broken-downcausing highhandover latency and inevitabletrafficlossfor its communicationsession.In thispaper,we will studyand analyze thebasic function of PMIPv6 and the related cross domain mobility mechanism,evaluation and analysis of the performance of the mechanism,in order to further improve the performance of the PMIPv6 cross domain switching.

PMIPv6;Inter-domain mobility;Handover coordinator;Handover latency;Protocol signaling cost.

TP393

A

1007-2373(2015)04-0022-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.04.005

2015-05-03

河北省自然科學基金（E201502266）

齊虹（1972-），女（漢族），副教授．