何统洲，石义杰

(郧阳师范高等专科学校 物理与电子工程系，湖北 十堰 442000)

使用分层移动IPv6(HMIPv6)可以减少移动主机和家乡代理的操作，在域内切换时，移动主机不需要与远地的家乡代理进行绑定更新，而是与本地MAP(Mobile Anchor Point)进行绑定更新，减少了切换的延迟[1].快速切换可以很容易地在移动主机移动到新接入路由器之前，为其配置新的转交地址，减少已有通信连接的中断时间，保证通信流的实时传输[2-3].研究表明，分层移动IPv6和快速切换技术结合具有较好的切换性能[4-6]，而链路层中断不可避免，因此有效的缓存管理机制在FHMIPv6(Fast Hierarchical Mobile IPv6)中仍然是必要的[7]，文献[8]对快速切换的缓存管理策略进行了改进，本文进一步改进了该策略，将MAP引入到系统的缓存管理中，从而提高了整个网络系统的缓存利用率，模拟实验表明，该策略大大降低了切换过程中的丢包率，并减少了实时应用和高优先级包的切换延迟时间.

1 基于FHMIPv6的缓存管理策略

1.1 缓存管理策略的基本思想

本策略有以下三个设计目标：①在切换过程中支持Qos服务，拥有不同优先级的包在切换过程中应该有不同的服务；②提高整个系统的缓存利用率，在切换过程中，除了利用前访问路由器和新访问路由器的缓存外，还要充分利用MAP的缓存；③该策略应该最小化系统的信令开销.

该策略的基本思想如下，首先，原始的快速切换协议只在NAR(New Access Router)缓存数据包，文献[8]把它改进成在NAR和PAR(Previous Access Router)同时缓存数据包，我们的策略在文献[8]的基础上，将MAP也作为数据包的缓存点，这样进一步提高了整个网络系统的缓存利用率；其次，在该策略中定义了三种服务类型，这样，在切换过程中可以对不同优先级的包采用不同的服务，从而提高实时应用和高优先级数据包的服务质量，降低这些数据包的丢包率，减少它们的切换延迟时间.讨论该策略的参考拓扑图见图1，设MN的前访问路由器是AR1，那么在我们的策略中把MAP也作为一个数据包缓存点，当MN移动到AR2并将AR2作为新的路由访问点时，该策略将实时应用数据包缓存在AR2，将高优先级的数据包缓存在MAP，将一般应用的数据包缓存在AR1，如果AR2的缓存被用尽，可以将实时应用的一部分数据包缓存到MAP，如果MAP的缓存被用尽，可以将一部分高优先级的数据包缓存到AR1，如果AR1的缓存也被用尽，那么可以丢弃缓存的一般应用的数据包，这样可以降低实时应用和高优先级数据包的丢包率.

图1 切换的参考拓扑图

图2 切换过程中的信令流

考虑这些被缓存的数据包的传输延迟，如图1，假设MAP到AR1的传输延迟为Ld1，MAP到AR2的传输延迟为Ld2，设无线信道的传输延迟为Wd，实时应用数据包的传输延迟为rl，高优先级数据包的传输延迟为pl，一般数据包的传输延迟为nl，则有：rl=wd或rl=wd+ld2，考虑到缓存在MAP中的实时应用数据包要远少于缓存在AR2中的实时应用数据包，所以有：

rl≈wd

(1)

pl=wd、pl=wd+ld2或pl=wd+ld1+ld2，同样，考虑到高优先级的数据包主要缓存在MAP，所以有：

pl≈wd+ld2

(2)

nl≈wd+ld1+ld2

(3)

上述讨论是基于一般情况进行的，对于如高优先级的数据包有可能被缓存到AR2，一般的数据包也有可能被缓存到MAP中，这些特殊情况在此不予讨论.综合式(1)～(3)，可以看到在一般情况下，该策略减少了被缓存的实时应用和高优先级数据包的传输延迟时间.

1.2 缓存管理策略的控制信令

可以分三个阶段讨论该策略的信令开销：切换初始化，数据包重定向和缓存释放.切换过程中的信令流如图2所示，其中，在该策略中增加的信令用斜体加粗表示.在切换初始化阶段，移动主机发送BI(Buffer Initialization)到PAR请求缓存空间，PAR发送BR(Buffer Request)到MAP和NAR，NAR和MAP发送BA(Buffer Acknowledgement)到PAR，PAR、NAR和MAP之间协商缓存空间的分派.在数据包重定向阶段，移动节点在收到PrRtAdv消息后发送FBU(Fast Binding Update)到PAR，PAR发送FBACK消息到移动节点、MAP和NAR，MAP在收到该消息后开始缓存或转发数据包.在缓存释放阶段，移动主机和NAR之间建立了连接，移动主机发送一个BF(Buffer Forward)消息到PAR、NAR和MAP，在收到BF消息后，NAR、PAR和MAP开始把缓存在它们缓冲区中的数据包转发给移动主机，然后结束这次切换过程.

1.3 Qos服务

在策略中，所有的数据包被分成三种类型.第一种类型是实时应用数据包，缓存管理策略应该保证使这种数据包的切换延迟时间最小，因此，总是将实时应用数据包缓存在NAR；第二种类型是高优先级的数据包，高优先级数据包对数据丢失非常敏感，在我们的策略中，高优先级数据包可以缓存在NAR、MAP和PAR三个地方，从而降低了切换过程中高优先级数据包丢失的可能性；第三种类型是尽力服务的数据包，在切换过程中，如果系统的缓存不足，可以丢弃这种数据包.在IPv6协议中，数据包的发送者可以在包头的服务类型域指定一个数据包的服务类型.

2 模拟实验及结果分析

用网络模拟器ns-2的发布版本ns-allinone-2.1b7a进行模拟实验，对ns-allinone-2.1b7a进行了扩展，增加了快速切换协议和文章中建议的机制.模拟场景如图3，设无线网络的覆盖半径为100 m，路由通告每秒1次，链路层的切换延迟为200 ms，所有的移动主机都以10 m/s的速度从一个AR移动到另一个AR，PAR与NAR之间的重叠区域为20 m，这可以确保移动主机在离开PAR时能从NAR接收到至少1个路由通告消息.我们模拟了两种不同情况下数据包的丢失率，不同切换机制下系统缓存的利用情况以及不同切换机制下各种数据包的延迟时间.如图3所示，第①种切换情况是移动主机在同一个子网内从一个AR移动到另一个AR；第二种切换情况是移动主机在两个不同的子网中进行切换.假设通信链路的延迟时间为2 ms，通信对端每20 ms传送160字节的UDP包给每一个移动主机，网络中的移动主机数从1增加到20个，用来评价网络能够同时服务多少切换.F1表示快速分层切换，F2表示文献[8]提供的缓存策略，F3表示改进后的缓存策略.仿真结果表明，和F1比较，在同一个子网中切换时，缓存策略F2能使数据包的丢失率降低40%左右，本文提供的缓存策略F3能使数据包丢失率降低57%以上，在不同子网间切换时，F2能使数据包丢失率降低47%以上，本文提供的缓存策略F3能使数据包丢失率降低70%以上，同时可以看出，F3比F2和F1具有更强的切换服务能力；针对实时数据包的延迟仿真发现，在同一个子网中切换时，F1、F2和F3的性能相差不多，在不同子网间切换时，F3的性能明显好于F2和F1.

图3 模拟场景

图4 不同缓存策略下的包丢失情况

图5 不同缓存策略下实时包延迟情况

3 结论

本文在文献[8]的基础上进一步改进了FHMIPv6的缓存策略，改进后的缓存管理策略进一步提高了整个网络系统的缓存利用率，使网络系统能够同时服务更多的切换，降低了切换过程中数据包的丢失率，将实时应用和高优先级数据包缓存在NAR和一跳MAP中，在不同子网间切换时，有利于进一步降低实时应用和高优先级数据包的传输延迟，该策略在原FHMIPv6协议的基础上增加了有限的几条信令，不会造成额外的信令开销，同时该策略也支持QoS服务.最后，用NS-2对提出的缓存管理策略进行了仿真，验证了该策略的有效性.

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