基于指針推進機制的層次移動IPv6域間切換優化方案

孫曉林+張新剛

摘要：層次移動IPv6協議中，移動節點進行域間切換時需要進行本地綁定更新和家鄉綁定注冊，其切換性能并沒有得到提高。針對該問題，提出基于指針推進機制的HMIPv6域間切換優化方案，利用新舊接入路由器之間建立的指針鏈將域間切換轉換為域內切換，避免層次移動IPv6中復雜的注冊過程。性能分析結果表明，優化方案在綁定更新開銷和切換延遲方面比層次HMIPv6有明顯優勢，有效提高了移動節點進行域間切換的性能。

關鍵詞：層次移動IPv6；移動錨點；域間切換；綁定更新；指針鏈

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）03-0037-02

隨著移動終端的普及和實時業務的發展，人們對無縫、平滑切換的需求越來越高。移動IPv6[1]中，移動節點（Mobile Node，MN）每次改變接入網絡，都需要向家鄉代理（Home Agent，HA）和通信對端（Correspondent Node，CN）進行綁定注冊。MN進行高速移動，發生頻繁切換時，引起較高的注冊開銷和較長的切換時延，導致通信中斷。因此，IETF提出了層次移動IPv6[2]，從邏輯上對整個網絡進行層次劃分，MN的移動相應地分為域內移動和域間移動，分別指MN在同一移動錨點（Mobile Anchor Point，MAP）域的不同接入路由器（Access Router，AR）間移動和MN在不同MAP域的AR間的移動。當MN進行域內移動時，只需向所屬MAP進行注冊，使綁定更新本地化，減少了位置注冊引起的高時延和高開銷，提高了域內切換效率。

但是，MN進行域間切換時，不僅向MAP注冊，而且向家鄉代理和通信對端進行綁定注冊，切換性能并沒有得到明顯改善[3]。針對該問題，結合指針推進機制[4]，提出基于指針推進機制的HMIPv6域間切換優化方案（The Optimization of Inter-HMIPv6 Handover based Pointer Forwarding， OpHPF），建立AR間的指針鏈，使綁定更新局部化，從而提高域間切換性能，縮短切換時延，減少網絡中斷。

1 HMIPv6協議概述

HMIPv6引入移動錨點，整個網絡中存在多個MAP，大部分布置在網絡的邊界位置，為本區域內的MN提供區域代理服務，負責管理MN在本域內的移動，相當于移動節點的本地家鄉代理。由于MAP的引入和網絡的層次性劃分，HMIPv6使用兩個轉交地址來標識MN的位置，分別是：鏈路轉交地址（On-link Care-of Address，LCoA）和區域轉交地址（Regional Care-of Address，RCoA）。鏈路轉交地址是MN根據當前接入網絡獲得的IPv6地址，無論MN發生域內還是域間切換，都會重新配置獲取新的LCoA，用來標識MN的具體位置，是MAP與MN通信的地址；區域轉交地址是根據所屬MAP子網獲得的IPv6地址，是MN在IPv6網絡中為唯一、可路由的、全局地址，用于向MN、CN的注冊和通信[5]。

HMIPv6的具體切換流程如下：

1）當MN進入新AR子網時，收到該路由器發送的路由通告消息（Router Advertisement，RA）。MN根據RA消息中“MAP選項”字段和已有的MAP信息，判斷是域內移動還是域間移動。

2）如果二者的MAP信息相同，表明進行域內移動。MN使用無狀態地址自動配置機制，根據RA的子網前綴生成新的LCoA，然后向MAP發送本地綁定更新消息（Local Binding Update，LBU）告知該LCoA，并將其與原RCoA進行綁定。綁定成功后，MAP發送LBA消息進行回復。此后，MN與CN的通信數據包通過原MAP和新AR進行轉發。

3）若二者的MAP信息不同，表明MN進入新的MAP域，發生了域間移動。MN根據RA的子網前綴和MAP選項信息分別配置LCoA和RCoA，然后分別向MAP和HA、CN進行注冊，將（RCoA，LCoA）和（RCoA，HoA）分別進行綁定。此后，MN與CN通過新AR和新MAP之間的隧道進行通信。

HMIPv6協議中數據分組的路由過程如下：

CN向MN發送的數據分組通過RCoA路由至MAP，再通過MAP和MN使用本地注冊建立的隧道發送至MN。而MN向CN發送數據包時，首先經過MAP和AR間的隧道進行封裝，然后將封裝好的分組發送至CN。

2 基于指針推進機制的HMIPv6域間切換優化方案

基于指針推進機制的HMIPv6域間切換優化方案旨在優化綁定更新的過程，通過建立AR之間的指針鏈使域間切換轉換為域內切換。OpHPF的具體切換流程如下：

1）MN進入新MAP域后，首先根據AR發送的RA消息配置新RCoA和新LCoA。該過程與HMIPv6相同。

2）然后，MN判斷指針鏈長度Length是否小于Kmax（指針鏈的最大長度），若是，則向新AR發送PBU（Pointer-based Binding Update）消息，用以指示建立指針鏈，其中PBU是增加“P”標識位的BU消息，與PBA配對使用。若Length >= Kmax，則MN按照HMIPv6的流程直接向MAP發送LBU進行注冊。

3）新AR收到PBU后，立即轉發給原AR。原AR收到該消息后，發送PBA消息進行回復，表示AR間的指針鏈已成功建立。此時，MN與CN的通信數據開始通過該指針鏈和原MAP進行轉發。

OpHPF的優勢在于MN進行域間切換時，只需要向原AR進行注冊，而不需要向MAP和HA、CN注冊，避免了HMIPv6中域間切換的復雜注冊過程，節省了綁定注冊的費用，降低了網絡開銷，從而達到提高切換性能的目的。

3 性能分析

切換延遲是切換性能好壞的一個重要指標[6]，下面主要對HMIPv6和OpHPF的切換延遲進行分析，分析過程用到的符號如下：

TL2表示鏈路層切換產生的延遲；TMD表示MN檢測發現從一個MAP域移動到另一個MAP域所需的時間；TLCoA和TRCoA分別表示鏈路轉交地址和區域轉交地址的配置和重復地址檢測時間； TLBU表示MN進行本地綁定更新所需的時間；TFBU表示OpHPF中建立指針鏈所需的時間；TBU表示MN向HA和CN進行綁定更新的時間，包括返回路徑可達測試時間。

由于切換過程包括：鏈路層切換、移動檢測、地址配置和綁定更新四部分，所以HMIPv6和OpHPF的域間切換所產生的切換時延分別如下：

由于在切換過程中MN從一個AR移動至相鄰的AR，中間只經過一跳，距離很近；而MAP多位于網絡的邊緣，AR與MAP的距離大于等于一跳。所以，在單位有線鏈路時延一定的情況下，TLBU大于等于TFBU，即建立指針鏈的綁定更新所產生的時延小于等于向MAP注冊所耗費的時間。

又因為HMIPv6域間切換包括向HA和CN綁定更新的過程，所以OpHPF綁定更新所產生的時延遠遠小于HMIPv6域間切換的注冊時延。

由上可知，Tinter-HMIPv6大于TOpHPF，即HMIPv6域間切換產生的延遲大于OpHPF優化方案產生的時延。

4 結論

OpHPF有效結合了HMIPv6和指針推進機制，MN進入新的MAP后只向AR進行綁定更新建立指針鏈，最大程度上優化綁定注冊的過程。性能分析結果表明，OpHPF不僅降低了綁定更新產生的時延，而且大大減少了域間切換的延遲，提高了切換性能。

參考文獻

[1]JOHNSON D，PERKINS C，ARKKO J.Mobility support in IPv6[S].RFC3775，IETF.June 2004.

[2]Soliman H，Bellier L，Malki K E.Hierarchical mobile IPv6 mobility management （HMIPv6）[S].RFC 4140，IETF.August 2005.

[3]Wu X，Nie G. Comparative Study and Performance Analysis of the Macro-mobility Protocol[M].2009：497-500.

[4]孫曉林，張建洋，賈曉.層次移動IPv6域內切換優化方案[J].計算機應用，2014， 34（2）：338-340.

[5]陳劍敏.IPv6的移動性管理關鍵技術研究[D].重慶大學，2015.

[6]楊禮.一種基于HMIPv6網絡的域間切換改進方案[J].微型機與應用，2015， 34（3）：71-74.