基于指針策略的PMIPv6優(yōu)化方案研究

孫曉林 張新剛 田燕

摘要：代理移動IPv6引入指針推進(jìn)機制，解決了移動節(jié)點切換過程頻繁向本地移動錨點注冊的問題。但相鄰移動接入網(wǎng)關(guān)之間距離較遠(yuǎn)時，切換性能沒有明顯改善。提出一種基于指針策略的PMIPv6優(yōu)化方案，建立指針鏈的同時，優(yōu)先向距離較近的本地移動錨點注冊，優(yōu)化綁定更新的過程。性能分析結(jié)果表明，無論何時，優(yōu)化方案的綁定更新開銷總是小于現(xiàn)有方案，證明了該優(yōu)化方案在減少網(wǎng)絡(luò)開銷方面的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：代理移動IPv6;本地移動錨點;移動接入網(wǎng)關(guān);指針鏈;綁定更新

中圖分類號：TP311.13? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）30-0007-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Research on the Optimization Scheme of PMIPv6 based on Pointer Strategy

SUN Xiao-lin1，ZHANG Xin-gang2，TIAN Yan2

（1.Information Management Center， Nanyang Normal University， Nanyang 473061， China;2.Shool of Computer Science and Technology， Nanyang Normal University， Nanyang 473061， China）

Abstract：Proxy mobile IPv6 has introduced the pointer forwarding mechanism，which reduced the registration with local mobile anchor during the frequent handover. However， the handoff performance was not improved when the distance of mobile access gateways was farther away. A PMIPv6 optimization scheme based on pointer strategy was proposed. The optimization scheme not only established the pointer chain， but also registered with the nearer local mobile anchor， optimizing the binding update process. The results of performance analysis show that the cost of the optimization scheme is always smaller than that of the existing scheme at any time， which proves the superiority of the optimization scheme in reducing the network overhead.

Key words：PMIPv6;LMA;MAG;pointer chain;binding update

1引言

Internet工程任務(wù)組（Internet Engineering Task Force，IETF）提出的MIPv6[1]、快速移動IPv6[2]和層次移動IPv6[3]，是基于主機的移動管理方案，移動節(jié)點（Mobile Node，MN）既具有IPv6協(xié)議棧兼客戶端功能，又負(fù)責(zé)管理切換信息，移動終端承載過重。因此，IETF于2008年提出了基于網(wǎng)絡(luò)的移動管理協(xié)議——代理移動IPv6（Proxy Mobile IPv6，PMIPv6）[4]，引入兩個新的移動管理實體：本地移動錨點（Local Mobile Anchor，LMA）和移動接入網(wǎng)關(guān)（Mobile Access Gateway，MAG），MAG代替MN向LMA發(fā)送綁定更新進(jìn)行位置注冊，MN不需支持PMIPv6協(xié)議，也不參與移動切換過程，降低了數(shù)據(jù)傳輸開銷，節(jié)省了鏈路資源。由于移動終端的多樣化和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜化，具備移動管理優(yōu)勢的PMIPv6得到廣泛關(guān)注和研究。

2 PMIPv6協(xié)議

PMIPv6中，LMA相當(dāng)于MIPv6的家鄉(xiāng)代理，保存所屬MAG地址（Proxy-CoA，PCoA）和MN家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴（Home Network Prefix，HNP）的綁定關(guān)系，維持MN的可達(dá)性;MAG相當(dāng)于MIPv6的接入路由器，檢測MN的移動，處理切換相關(guān)消息，進(jìn)行移動管理，保持MN移動的透明性。

PMIPv6協(xié)議的切換流程如下：

MN進(jìn)入新PMIPv6域后，MAG向LMA發(fā)送代理綁定更新（Proxy Binding Update，PBU）消息，更新MN的位置信息。LMA收到PBU后，設(shè)置雙向隧道的端節(jié)點，更新綁定緩存，將HNP和PCoA進(jìn)行綁定，并向MAG發(fā)送含有HNP的代理綁定確認(rèn)（Proxy Binding Acknowledgement，PBA）消息進(jìn)行回復(fù)。MAG收到PBA消息，表示LMA與MAG之間的雙向隧道成功建立，向MN發(fā)送含有HNP的路由通告消息（Routing Advertisement，RA）。MN根據(jù)HNP判斷是否處于同一MAG域，如果HNP與當(dāng)前HNP相同，表明處在同一鏈路，屬于域內(nèi)移動，不需要重新配置接口地址;否則，屬于域間移動。

作為MN的拓?fù)溴^點，LMA將所有發(fā)往MN的數(shù)據(jù)分組封裝后通過隧道轉(zhuǎn)發(fā)給MAG，MAG解封裝后發(fā)送給MN。而MN發(fā)送的數(shù)據(jù)分組，經(jīng)過MAG和隧道轉(zhuǎn)發(fā)給LMA，經(jīng)解封裝后才能最終路由至目的節(jié)點。

MN一旦進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換，MAG就要向LMA進(jìn)行注冊以更新綁定緩存中MN的位置信息，產(chǎn)生較高的網(wǎng)絡(luò)開銷和較長的切換時延，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。針對該問題，研究學(xué)者提出了很多解決方案，如將PMIPv6與FMIPv6相結(jié)合[5-8]，但是該方案引入信息較多產(chǎn)生過高的信令開銷，因此，提出一種基于指針策略的PMIPV6優(yōu)化方案（The PMIPv6 optimization scheme based on pointer strategy，OpPPMIPv6），重在注冊過程的優(yōu)化，不總是向原MAG（Previous MAG，PMAG）注冊建立指針鏈，而是根據(jù)距離遠(yuǎn)近決定向MAG還是LMA注冊，減少切換延遲，降低丟包率，提高切換效率。

3基于指針策略的PMIPv6優(yōu)化方案

該方案的主要思想是引入指針推進(jìn)機制，建立指針鏈，重要的是讓MAG選擇距離較近的節(jié)點進(jìn)行注冊，優(yōu)化PPMIPv6的切換策略，最大限度地優(yōu)化綁定更新的過程。MN發(fā)生切換后，所屬MAG判斷自己與LMA之間的距離，當(dāng)MAG與LMA的距離小于等于MAG之間的距離時，直接向LMA進(jìn)行注冊，減少注冊過程產(chǎn)生的時延，降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)和指針鏈節(jié)點的數(shù)據(jù)處理開銷，達(dá)到減少網(wǎng)絡(luò)開銷和縮短切換延遲的目的。

3.1 切換策略

OpPPMIPv6主要依據(jù)兩個條件決定綁定更新的對端：一是MAG和PMAG的距離（DMAG）和MAG到LMA的距離（DLMA）大小，二是指針鏈長度Length與指針鏈長度閾值Kmax的大小，分為以下幾種情況：

（1）Length

（2）Length >= Kmax且DMAG

（3）Length = DLMA時，即指針鏈長度未達(dá)到最大值，但MAG距離LMA較近，該情況下，MAG直接向LMA注冊，而不是向PMAG發(fā)送FPBU消息。這種情況下，PPMIPv6和OpPPMIPv6中MAG所選擇的注冊對象完全不同，此時， MAG距離LMA較近，所以綁定更新的代價相應(yīng)較小。

（4）Length >= Kmax且DMAG>= DLMA時，指針鏈長度已達(dá)到最大值，MAG離LMA較近，向LMA進(jìn)行綁定注冊。

由上可知，只有當(dāng)Length

3.2切換流程

MN從PMAG進(jìn)入MAG域內(nèi)，MAG檢測到MN已進(jìn)入管理域，識別其身份并獲取MN-Identifier、Profile等相關(guān)信息。同時，PMAG意識到MN已離開，開始緩存目的地址為MN家鄉(xiāng)地址（MN-HoA）的數(shù)據(jù)分組。

然后，MAG比較自己與PMAG之間距離（DMAG）以及與LMA之間距離（DLMA）的大小：

（1）當(dāng)DMAG大于等于DLMA時，向LMA發(fā)送F=0的FPBU消息將（HNP，PCoA）進(jìn)行綁定，指針鏈長度Length置零。

（2）否則，DMAG小于DLMA時，進(jìn)一步判斷指針鏈長度Length是否達(dá)到最大值，決定是否建立指針鏈：

當(dāng)指針鏈長度Length小于Kmax時，MAG向PMAG發(fā)送F=1的FPBU消息，建立指針鏈。PMAG收到FPBU消息后，更新PT表，各項值為：HNP，PPCoA（PMAG的地址），PCoA（當(dāng)前MAG的地址）。然后，PMAG向MAG回復(fù)FPBA消息，指針鏈長度Length自動加1。此時，PMAG將緩存的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行封裝通過指針鏈轉(zhuǎn)發(fā)給MN。CN與MN通信的數(shù)據(jù)分組都增加了MAG間指針鏈傳輸?shù)倪^程。

當(dāng)Length大于等于Kmax時，說明指針鏈達(dá)到最大值，向LMA發(fā)送F=0的FPBU進(jìn)行綁定更新，Length置零，該過程和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過程與PMIPv6相同，數(shù)據(jù)分組通過MAG和LMA間的雙向隧道進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

4性能分析

優(yōu)化方案OpPPMIPv6重在優(yōu)化綁定更新的過程，減少注冊過程所產(chǎn)生的開銷，下面比較OpPPMIPv6、PPMIPv6和PMIPv6三種方案下MN進(jìn)行n次切換綁定更新開銷。公式中用到參數(shù)如表1所示。

OpPPMIPv6和PPMIPv6的綁定更新開銷由兩部分組成：向LMA注冊開銷和向PMAG發(fā)送FPBU建立指針鏈的開銷，而PMIPv6只有向LMA綁定更新的開銷。因為，綁定更新開銷等于鏈路傳輸開銷和消息處理開銷之和，OpPPMIPv6、PPMIPv6和PMIPv6的綁定更新開銷COpPPMIPv6、CPPMIPv6、CPMIPv6分別為：

[COpPPMIPv6=n=0∞X*Pn*2η[DLMA-DMAG]+n=0∞n*Pn*2ηDMAG+n=0∞n*Pn*2PPBU/PBA]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?①

[CPPMIPv6=n=0∞nKmax*Pn*2η[DLMA-DMAG]+n=0∞n*Pn*2ηDMAG+n=0∞n*Pn*2PPBU/PBA]②

[CPMIPv6=n=0∞n*Pn*2ηDLMA+n=0∞n*Pn*2PPBU/PBA]? ③

（1）COpPPMIPv6與CPPMIPv6比較

根據(jù)OpPPMIPv6和PPMIPv6協(xié)議可知，OpPPMIPv6中MAG向PMAG注冊時需要同時滿足兩個條件：Length

DMAG < DLMA時，COpPPMIPv6=CPPMIPv6

DMAG> DLMA時，根據(jù)3.2可知，無論指針鏈長度是否達(dá)到閾值，OpPPMIPv6中MAG都向LMA發(fā)送FPBU消息進(jìn)行注冊，而PPMIPv6則根據(jù)指針鏈長度決定是否向LMA注冊，所以O(shè)pPPMIPv6中MAG向PMAG進(jìn)行注冊的次數(shù)X一定小于PPMIPv6中向PMAG進(jìn)行綁定更新的次數(shù)，因此，X<[n/Kmax]。

DMAG> DLMA時，COpPPMIPv6

由上可知， MAG距離LMA較近時，OpPPMIPv6產(chǎn)生的綁定更新開銷確實小于PPMIPv6方案，從而證明了提出優(yōu)化方案OpPPMIPv6的必要性。

（2）COpPPMIPv6與CPMIPv6比較

由于[n=X+（n-X）]，代入式③，得：

[CPMIPv6=n=0∞X*Pn*CBU/LMA+n=0∞（n-X）*Pn*CBU/LMA]

由于OpPPMIPv6中，只有指針鏈長度沒達(dá)到最大值Kmax且DMAG< DLMA時，才向MAG進(jìn)行注冊建立指針鏈。DMAG< DLMA時，CBU/LMA>CBU/MAG，代入式①和上式得：COpPPMIPv6

Length >= Kmax時，MAG向LMA進(jìn)行綁定注冊，因此OpPPMIPv6中MAG向LMA注冊的次數(shù)x = n，代入式①和③得：COpPPMIPv6= CPMIPv6。

綜上可知：

DLMA> DMAG時，COpPPMIPv6<=CPMIPv6

DLMA< DMAG時，據(jù)OpPPMIPv6可知，MAG只向LMA進(jìn)行注冊，此過程與PMIPv6相同，因此有：COpPPMIPv6=CPMIPv6

（3）CPPMIPv6與CPMIPv6比較

因為n = [n/Kmax+（n-n/Kmax）]，代入式③，可得：

[CPMIPv6=n=0∞nKmax*Pn*CBU/LMA+n=0∞（n-nKmax）*Pn*CBU/LMA]

當(dāng)DLMA

當(dāng)DLMA>DMAG時，CBU/LMA> CBU/MAG，代入式②和上式，得：CPMIPv6>CPPMIPv6

由上述分析可知，當(dāng)DLMA< DMAG時，COpPPMIPv6=CPMIPv6 DMAG時，COpPPMIPv6=CPPMIPv6

5結(jié)論

OpPPMIPv6對現(xiàn)有的基于指針策略的PMIPv6切換算法（PPMIPv6）進(jìn)行改進(jìn)，只有在指針鏈長度未達(dá)到最大值且MAG距離PMAG較近的情況下，建立指針鏈，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的開銷，從而優(yōu)化綁定更新的過程，提高切換性能。性能分析結(jié)果表明，OpPPMIPv6的綁定更新開銷確實小于等于PMIPv6和PPMIPv6。

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