基于HMIPv6 的改進的切換協議*

李新建

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

0 引言

互聯網工程任務組（Internet Engineering Task Force，IETF）提出的IP 移動性支持協議要求：只要移動主機（MH）移動到另外一個IP 子網，它就獲得另外的轉交地址，從而啟動注冊過程。該過程要求MH 必須通過外地代理（Foreign Agent，FA）向家鄉代理（Home Agent，HA）進行注冊，由HA來維護MH 的移動綁定。當MH 應用于宏移動（macro mobility）環境時，把移動IP 稱為宏移動協議；當其MH 應用于微移動（micro mobility）環境時，則存在許多不足，突出表現在以下3 點：

（1）在網絡中將引發大量的注冊報文的傳輸從而嚴重影響網絡性能；

（2）造成較大的切換延遲，特別是當MH 遠離其歸屬網絡時，將引起嚴重的包丟失和通信吞吐量的下降；

（3）采用優化路由時，由于要正確地通過隧道傳輸IP 包[1]，因而必須保存精確的位置信息，并需要大量的緩存。

因此，對于現有的移動IP 協議必須加以改進或者補充，以適應微移動環境下的應用。基于此本文提出了一種基于層次型移動IPv6 管理（HMIPv6）的改進方法，以及一種新的網絡模型，推導出MIPv6、FMIPv6、[F+H]MIPv6、HMIPv6 和NPMAPHMIPv6 各自的注冊代價、數據包隧道代價、數據包發送代價、總代價和切換延時，并對各個策略進行分析。

1 蜂窩的基本架構

每個蜂窩與周圍6 個蜂窩相鄰，每個蜂窩小區中心設置一個接入路由器AR，每個AR 通過無線方式與移動節點（MN）通信，相鄰AR 之間通過有線連接。MN 在同一域內的不同AR 之間移動時，只需向本地代理進行區域注冊。當MN 移出本地管理域而進入另一個區域時，才需要通過新的MAP向家鄉代理進行注冊。每層都有一個MAP，MAP之間是有線傳輸，MN 到MAP 是無線傳輸。建立蜂窩模型：以網關MAP 為中心（稱為第0 層蜂窩）向周圍發散，依次為第1,2,3,…層，第r層蜂窩到中心的距離被定義為r。第1 層蜂窩總數為6 個，第2 層蜂窩總數為12 個，第j+1 層蜂窩總數比第j層蜂窩總數多6 個。設管理域共有r+1 層蜂窩，最外層是第r層，其中r代表了區域大小，稱為管理域半徑。第r層蜂窩到網關MAP 的距離為r，則第j層蜂窩總數為：

假設MN 的運動服從隨機游動模型，每次移動定義為1 跳。MN 在蜂窩中停留的概率為1-P，則移動的概率為P，且向相鄰6 個蜂窩切換概率相等。處于n層的MN 經過一次移動，向外層、內層和同層的一步轉移概率為：

特殊地，式（3）中當MN 從第r層移動到第r+1 層時，為MN 切換到相鄰管理域，即發生域間切換。在網絡中經過多次隨機游動后，MN 處于穩定狀態。令MN 位于第r層的穩定狀態概率為Pr，初始狀態概率為P0，根據狀態平衡方程可得：

根據馬爾可夫鏈性質可知，所有穩態概率之和為1，即：

為了降低運算復雜度[2]，在計算切換延遲時，本文采用r層蜂窩模型。在計算切換代價的時候，本文采用兩層蜂窩結構，如圖1、圖2 所示。

圖1 兩層網絡結構

圖2 兩層圓形蜂窩模型

2 對現有的移動性管理協議的代價和切換延遲的分析

MIPv6 每次連接點改變時都要將改變的IP 地址通知給HA 和所有的通信主機的要求。在HMIPv6 中，每個域中都有MAP 的管理代理。它將作為本地HA為MN 服務，MN 有兩個IP 地址，一個是on—link COA（LCOA），另一個是regoinal COA（RCOA）。每次MN 進入一個區域，它首先向MAP 注冊[3]，在MAP 的連接中，MN 獲得RCOA。此后，MN 用這個地址向HA 注冊。只要MN 在MAP 域中移動，MN的移動情況對于域外的節點（包括它的HA）就是透明的，只有LCOA 的改變，而且只通知給MAP。發送到MN 的IPv6 數據包首先到達MAP，其次MAP通過隧道將其發送到MN 的LCOA。

由于MN 在給定的MAP 域內配置COA，因此MN 只需要向MAP 更新它的新位置。只是由于MAP 充當了MN 的當地HA，因此HMIPv6 的綁定更新代價表示為：

因此，總的代價表示為：

歸一化延時為：

3 改進算法（NAP-HMIPv6）分析

本文提出的改進算法是基于HMIPv6 的一種新的數據報文綁定更新算法。MAP1 和MAP4 稱為網關MAP，其他MAP 是一般的MAP，但它們實質上是AR，充當MN 的局部HA。如圖3 所示，將MN 的移動分為域內移動a、域內移動b。MN在位置改變的時候，有著不同的注冊過程[5]，需要在新舊路由之間找到一個最近公共的MAP 注冊（NPMIPv6）。

圖3 改進的網絡結構

各個代理的HA、RCOA、LCOA 如表1、表2、表3 所示，其中NPMAP 用星號標出。

表1 域內移動a 時的綁定緩存入口

表2 域內移動b 時的綁定緩存入口

表3 域間移動時的綁定緩存入口

在這種切換中，延遲來自復制地址檢測（DAD）和在注冊操作中的消息傳輸延時。改進的算法旨在最小化在注冊過程中的時延。假設MN 在AR4，其地址為RCOA3、LCOA4，CN 正在給MN 發送數據包。當MN 運動到MAP3 的邊緣的時候，MN 發送控制消息給MAP3 以建立多路廣播組。MAP3 收到控制消息后為MN 建立多路廣播組[6]，同時發送信息到臨近的AR 來參加多路廣播組。MAP3 將多路廣播數據包發給AR3 和AR5。當MN 接收到來自AR5 的路由廣播時，MN 將獲得兩個地址RCOA5、LCOA5，

然后R5 根據MN 的唯一的接口標志發送多路廣播數據包[7]。于是，本文提出了一種改進的NPMIPv6 注冊策略，如圖4（b）所示。例如，MN從AR4 移動到AR5，步驟如下文所述。

圖4 對比實驗

（1）MN 發送綁定更新和請求消息給AR5，發送數據包。

（2）AR5 接收到請求消息和綁定更新。AR5根據MN 的唯一的接口標志發送多路廣播數據包。同時AR5 發送綁定更新到MAP4，MAP 進行DAD。MN 從AR5 接收臨時的多路廣播數據包，直到注冊結束。

（3）MAP4 接收到綁定更新消息，執行DAD檢測。

（4）MAP4 結束DAD 檢測，然后更改目的地址。將（RCOA3,LCOA4）改為（RCOA5,LCOA5），然后發送綁定確認消息給MN。

（5）AR5 收到綁定確認消息，發送給MN。

（6）MN 收到綁定確認消息，將包含（RCOA5,LCOA5）的綁定確認消息發送給CN，讓CN 更改新的目的地址。

（7）AR5 接收到BU，發送給MAP5。

（8）MAP5 接收到BU 后再發送給MN。

（9）CN 接收到BU 后，改變舊的RCOA3，更新新的RCOA5，發送數據包給MN。

（10）MAP5 根據RCOA5 收到數據包后，再根據LCOA5 發送至AR5。

（11）AR5 收到數據包。

和HMIPv6 相比，PMIPv6 能夠使普通的MN 在PMIPv6 域內改變它的連接節點，任何從MN 發送的移動信息并不在PMIPv6 中存在。因此，PMIPv6的綁定代價可以表示為：

則歸一化延時為：

對比實驗結果如圖4 所示。

4 實驗分析

4.1 發送信號代價

HMIPv6 和NPHMIPv6 比其他的切換策略表現得更好，因為它們發送時花費的注冊信息更少。隨著v的增大，發送信息的代價也在增加，但HMIPv6 和NPHMIPv6 花費的代價更小。例如，在HMIPv6 中，MN 在域內由MAP 管理，只有綁定更新和確認消息在它們之間交換；在NPHMIPv6 中，MN 在域內由最近的公共MAP 管理，只有綁定更新和確認消息在它們之間交換，這樣減少了消息交換的代價。在MIPv6、FMIPv6、[F+H]MIPv6 中，只要MN 改變它的連接，MN 必須將綁定更新消息發送至HA或者CN。HMIPv6和NPHMIPv6是局部化管理，因此代價最小。FMIPv6、[F+H]MIPv6 發送信息的代價比其他的切換策略表都大，這是因為快速切換和數據緩存機制造成的額外代價。

4.2 數據包發送代價

隨著平均會話到達率增加，數據包發送代價顯著增加。MIPv6 比其他切換策略表表現得更好，這是因為從CN 發送的數據直接發送至MN。由圖4 可知，ω對HMIPv6 和NPMIPv6 沒有影響，而MIPv6、FMIPv6、[F+H]MIPv6 顯著增加，因為通過間接路由的數據包在增加，而隧道代價FMIPv6、[F+H]MIPv6比其他代價更大。

4.3 數據包隧道代價

即使HMIPv6 和NPMIPv6 在給定的域內采用了局部化管理結構，所有的管理協議也會產生很大的數據包隧道代價，例如在HMIPv6 中，發送至MN的數據包必須由MAP 通過隧道發送至MN。

4.4 總的代價

HMIPv6 和NPMIPv6 在高的移動環境下降低了移動注冊代價，但是它們會造成額外的數據包隧道代價。總的來說，在高移動性和低會話到達率的條件下，HMIPv6 和NPMIPv6 的表現要好一些。隨著SMR 的增大，總的代價在降低，因為高的SMR 在固定的會話到達率條件下，移動性更小。

4.5 注冊延遲

對注冊延遲影響分析：

（1）p的影響：隨著MN 的移動概率的增大，切換延遲代價也在線性增加。MIPv6 在所有有關的協議里表現得最差。本文提出的協議PMIPv6 的表現得和[F+H]MIPv6 差不多。

（2）駐留時間期望的影響：隨著平均駐留時間增加，MN 表現出更小的移動性，所有協議切換延遲都在下降。相比而言，本文提出的協議和[F+H]MIPv6 性能相近，比HMIPv6 和MIPv6 性能高很多。

（3）半徑的影響：MIPv6 的切換延遲保持穩定不變，因為MIPv6 并不區別在域內移動和域間移動。PHMIPv6 在對比的協議里表現最好，和[F+H]MIPv6 比較接近。

5 結語

從模型分析的結果可以得到，PHMIPv6 在性能上更接近[F+H]MIPv6，但是[F+H]MIPv6 更大程度上依賴于對即將到來的切換的準確預測。[F+H]MIPv6同時也面臨著同步問題。緩存管理同樣存在這個問題，在[F+H]MIPv6 中，如果MN 沒有足夠快地靠近它，NAR 必須緩存發往MN 的數據包。PMIPv6通常沿著從MN 到HA 的路徑找到最近的MAP 以轉換路徑，因此產生了很小的延遲，不需要對切換時間正確的預測，也不會面臨其他[F+H]MIPv6 面臨的問題，策略更優。