戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下資源預(yù)留機(jī)制擴(kuò)展研究*

吳 海，李 璞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

戰(zhàn)術(shù)環(huán)境指的是以戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)為主體，包括互聯(lián)的無線電臺(tái)、路由交換節(jié)點(diǎn)、計(jì)算機(jī)硬件和軟件的集合[1]。戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中，隨著戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的展開，用戶任務(wù)節(jié)點(diǎn)會(huì)穿越不同接入點(diǎn)的無線覆蓋區(qū)域，由此帶來會(huì)話切換和服務(wù)質(zhì)量重協(xié)商的問題。通常的解決方案是采用移動(dòng)IPv4協(xié)議解決會(huì)話切換問題，采用資源預(yù)留協(xié)議解決服務(wù)質(zhì)量協(xié)商問題。實(shí)際應(yīng)用中，移動(dòng)IPv4由于協(xié)議機(jī)制問題，存在切換時(shí)延過長(zhǎng)、數(shù)據(jù)包丟失嚴(yán)重的問題。而標(biāo)準(zhǔn)的資源預(yù)留協(xié)議[2]，并沒有對(duì)終端的移動(dòng)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。在無線移動(dòng)環(huán)境中，隨著終端的移動(dòng)，其轉(zhuǎn)交地址發(fā)生改變，需要通信雙方重新交互信令預(yù)留資源，會(huì)帶來預(yù)留恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、信令開銷大的問題。為了提升用戶切換過程的業(yè)務(wù)通信體驗(yàn)，需要針對(duì)戰(zhàn)術(shù)環(huán)境設(shè)計(jì)高效的切換機(jī)制和服務(wù)質(zhì)量協(xié)商機(jī)制。

在移動(dòng)IP協(xié)議方面，IETF基于IPv6提出FMIPv6協(xié)議。該協(xié)議針對(duì)無線移動(dòng)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，通過將網(wǎng)絡(luò)層切換的部分操作提到鏈路層切換之前，加速了切換過程的完成，且有效解決了移動(dòng)IPv4在IP地址、路由優(yōu)化、安全性和擴(kuò)展性等方面的問題。

在資源預(yù)留協(xié)議方面，目前的研究方向主要可以分為提前預(yù)留、路徑擴(kuò)展和公共路徑利用三類。提前預(yù)留方面，Talukdar等人提出MRSVP協(xié)議[3]。該協(xié)議通過對(duì)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，在節(jié)點(diǎn)可能訪問的區(qū)域進(jìn)行提前預(yù)留資源，以解決QoS恢復(fù)時(shí)間過長(zhǎng)的問題。但是，提前預(yù)留的資源不一定會(huì)被真正使用。在多個(gè)鄰居區(qū)域中無差別地進(jìn)行提前預(yù)留，會(huì)造成資源的極大浪費(fèi)。路徑擴(kuò)展方面，Gwo-Chuan Lee等人提出了轉(zhuǎn)發(fā)鏈方案[4]。“轉(zhuǎn)發(fā)鏈”被用來跟蹤移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在域內(nèi)的移動(dòng)軌跡。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)每次移動(dòng)，其轉(zhuǎn)發(fā)鏈就會(huì)增加一段擴(kuò)展路徑。數(shù)據(jù)先被轉(zhuǎn)發(fā)到某個(gè)固定的路由器，然后通過轉(zhuǎn)發(fā)鏈發(fā)送到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的區(qū)域。該方案的優(yōu)點(diǎn)是舊預(yù)留路徑被完整保留，新預(yù)留路徑可以迅速建立；缺點(diǎn)是新路徑并不是通信對(duì)端到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的最佳路徑。公共路徑利用方面，Q.Shen等人提出交疊路由器識(shí)別方案[5]。該方案的基本思想是充分利用已有的預(yù)留，減少重新預(yù)留路徑的長(zhǎng)度。

FMIPv6協(xié)議的提出和資源預(yù)留協(xié)議研究的成果，為戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下服務(wù)質(zhì)量會(huì)話問題的解決提供了新的契機(jī)。本文以FMIPv6協(xié)議框架為基礎(chǔ)，結(jié)合資源預(yù)留機(jī)制，引入公共路徑利用和提前預(yù)留思想，提出一種適用于戰(zhàn)術(shù)環(huán)境的QoS會(huì)話快速恢復(fù)方案。

1 優(yōu)化擴(kuò)展方案

1.1 方案概述

移動(dòng)伴隨著切換，通常資源預(yù)留協(xié)商過程和移動(dòng)管理過程獨(dú)立順序執(zhí)行，導(dǎo)致協(xié)議整體效率不高；切換完成后，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（Mobile Node，MN）和通信節(jié)點(diǎn)（Communication Node，CN）進(jìn)行端到端重協(xié)商，需要經(jīng)歷兩次往返過程，才能恢復(fù)QoS會(huì)話。

方案的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)如下：（1）充分利用FMIPv6的過程擴(kuò)展HI消息，擴(kuò)展后的消息能夠攜帶資源預(yù)留的QoS信息，為移動(dòng)管理與資源預(yù)留兩個(gè)過程的合并提供前提條件；（2）把資源預(yù)留標(biāo)識(shí)和路由標(biāo)識(shí)分離。使用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)地址標(biāo)識(shí)預(yù)留的資源，使用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，這樣當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址發(fā)生改變后，仍然可以使用之前的預(yù)留，使利用公共路徑資源成為可能；（3）發(fā)現(xiàn)路徑上的交疊路由器，利用交疊路由器完成新舊預(yù)留路徑的拼接，優(yōu)化轉(zhuǎn)發(fā)隧道，限制信令交互范圍。

1.2 信令擴(kuò)展

為了將會(huì)話切換和QoS協(xié)商融合，需要對(duì)FMIPv6協(xié)議的HI消息進(jìn)行擴(kuò)展，如圖1所示。

圖1 信令擴(kuò)展

信令擴(kuò)展新定義一種HI消息的選項(xiàng)。其中，發(fā)送者模板描述數(shù)據(jù)源信息；發(fā)送者特征描述數(shù)據(jù)流特征；上一跳信息描述該狀態(tài)信息的上一跳路由器的地址；QoS特征描述流量的QoS需求；家鄉(xiāng)地址用于替代轉(zhuǎn)交地址標(biāo)識(shí)會(huì)話，為應(yīng)用層數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)層提供一個(gè)不隨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)而改變的唯一流標(biāo)識(shí)。

1.3 信令交互流程

擴(kuò)展后的方案遵循FMIPv6的框架結(jié)構(gòu)和協(xié)議流程。假設(shè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到舊接入路由器邊界并觸發(fā)了快速切換機(jī)制。切換與資源預(yù)留過程如圖2所示。

圖2 信令交互過程

（1）MN使用鏈路層機(jī)制發(fā)現(xiàn)有可用接入點(diǎn)，并將它們的標(biāo)識(shí)符包含在發(fā)送給前接入路由器（Previous Access Router，PAR）的路由器代理請(qǐng)求消息（Router Solicitation for Proxy Advertisement，RtSolPr）中。

（2）收到RtSolPr消息后，PAR查找接入點(diǎn)標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)的新接入路由器（New Access Router，NAR）信息。PAR將新轉(zhuǎn)交地址和NAR信息封裝在發(fā)送給MN的（Proxy Router Advertisement，PrRtAdv）消息中。

（3）收到PrRtAdv消息后，MN發(fā)送快速綁定更新消息（Fast Binding Update，F(xiàn)BU）給PAR，更新PAR中的地址信息。

（4）收到FBU后，PAR將MV的QoS信息通過HI捎帶發(fā)送給NAR。中間路由器通過HI消息中的信息判定自己是否是交疊路由器（Cross Access Router，CAR）。判定CAR的方法：PAR向NAR發(fā)送HI消息，消息的目的地址為NAR；中間路由器比較HI消息中的家鄉(xiāng)地址、轉(zhuǎn)交地址和前一跳字段；如果家鄉(xiāng)地址字段一致且轉(zhuǎn)交地址字段和前一跳字段均不相同，那么該路由器就是CAR。

（5）NAR向PAR回復(fù)切換應(yīng)答消息（Handover Acknowledge，HAck）， 觸 發(fā) PAR器 發(fā) 送 快 速綁 定 應(yīng) 答 消 息（Fast Binding Acknowledgment，F(xiàn)Back）。CAR路由器可以從NAR的切換HAck消息中獲知本次切換成功，則根據(jù)本地保存的QoS信息向NAR建立資源預(yù)留通道，并刪除它到PAR的資源預(yù)留通道，從而完成新舊預(yù)留通道的拼接。

（6）MN到達(dá)NAR后，發(fā)送快速鄰居公告（Fast Neighbor Advertisement，F(xiàn)NA）給NAR，作為響應(yīng)NAR發(fā)送緩沖的數(shù)據(jù)分組給MN，至此QoS會(huì)話完成恢復(fù)。

2 方案性能分析

為了驗(yàn)證本文提出的方法，下面通過數(shù)學(xué)建模的方法分析新方法對(duì)QoS會(huì)話恢復(fù)時(shí)延的改善效果。為了便于表述，下面用PRSVP表示FMIPv6與RSVP簡(jiǎn)單配合的方案，用FMRSVP表示本文提出的方案。

這里采用如圖3所示的完全二叉樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在二叉樹的葉子節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍移動(dòng)。這里對(duì)葉子節(jié)點(diǎn)的路由器從左到右進(jìn)行標(biāo)號(hào)（從0到n）。MN處于編號(hào)為i的路由器的覆蓋范圍，就認(rèn)為MN處于狀態(tài)i。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

QoS會(huì)話恢復(fù)時(shí)間D由會(huì)話切換完成時(shí)間和資源預(yù)留完成時(shí)間組成。

對(duì)于PRSVP方案，資源預(yù)留協(xié)商是在會(huì)話切換之后開始，所以該方案QoS的恢復(fù)時(shí)間為：

對(duì)于FRSVP方案，資源預(yù)留協(xié)商時(shí)在NAR接收到HAck消息之后開始，所以該方案的恢復(fù)時(shí)間為：

表示CAR接收到HAck消息之前所需的時(shí)間，兩個(gè)方案是相同的，這里不妨將其設(shè)置為固定值對(duì)于FRSVP方案，實(shí)際應(yīng)用中，資源會(huì)話協(xié)商的延遲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于會(huì)話切換中HAck、FBAck以及FNA消息傳輸所產(chǎn)生的延遲，即：

所以，式（1）和式（2）可依次簡(jiǎn)化為：

信令消息在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)歷的延遲為傳輸延遲、傳播延遲、處理延遲以及隊(duì)列延遲之和。這里，將其進(jìn)行簡(jiǎn)化，認(rèn)為延遲僅僅與消息經(jīng)過路由設(shè)備的跳數(shù)d有關(guān)，設(shè)定延遲為1，所以：

表示進(jìn)行資源協(xié)商時(shí)，協(xié)商信令需要經(jīng)過的路由器的跳數(shù)。對(duì)于PRSVP方案，每次切換后需要進(jìn)行端到端的資源重協(xié)商，對(duì)于k層網(wǎng)絡(luò)，有對(duì)于FRSVP方案，每次切換后進(jìn)行部分資源重協(xié)商，的取值取決于所處的接入點(diǎn)的位置。在深度為k的網(wǎng)絡(luò)中，取值范圍從1～ 1k?。以MN所處的路由器的編號(hào)為隨機(jī)變量，MN下一時(shí)刻所處的路由器的編號(hào)僅與當(dāng)前時(shí)刻所處路由器的編號(hào)有關(guān)，而與過去時(shí)刻所處路由器的編號(hào)無關(guān)，因此可以將其建模為馬爾科夫過程。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

i表示MN所處的路由器的編號(hào)i從左到右依次編號(hào)MN處于狀態(tài)i的物理含義為MN處于編號(hào)為i的路由器的覆蓋范圍； ()P i表示MN處于狀態(tài)i的穩(wěn)態(tài)概率；α表示MN從一個(gè)接入路由器向右移動(dòng)到達(dá)一個(gè)相鄰接入路由器的概率。

根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，可以得到平衡方程：

由所有狀態(tài)概率和為1，可得：

令則：

由二叉樹的性質(zhì)可得，當(dāng)MN以標(biāo)號(hào)在等差數(shù)列 an集合中的路由器為起點(diǎn)向左右移動(dòng)時(shí)，的數(shù)學(xué)期望為：

SL表示的等差數(shù)列的集合，這里是為了獲取兩種協(xié)議的相對(duì)值，鏈路延遲的具體值無關(guān)緊要，不妨令鏈路延遲1D=、0.68=α。通過matlab工具得到隨著網(wǎng)絡(luò)深度的增加，兩種協(xié)議的預(yù)留恢復(fù)時(shí)間的對(duì)比圖，如圖5所示。可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，F(xiàn)RSVP的具有QoS保障的會(huì)話的恢復(fù)時(shí)間預(yù)留延遲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PRSVP。

圖5 方案對(duì)比結(jié)果

3 結(jié) 語

本文針對(duì)戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下傳統(tǒng)方案的問題，在研究FMIPv6切換機(jī)制和資源預(yù)留機(jī)制的基礎(chǔ)上，通過擴(kuò)展FMIPv6的信令接口和資源預(yù)留模型，提出了一種FMIPv6和資源預(yù)留融合方案。最后，通過數(shù)學(xué)分析，證明本方案在二叉樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎拢鄬?duì)于傳統(tǒng)方案，在會(huì)話恢復(fù)時(shí)延方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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