吕莹莹,张培

（河南科技学院,河南新乡453003）

一种优化的无缝快速切换方案的研究与实现

吕莹莹,张培

（河南科技学院,河南新乡453003）

在研究移动IPv6快速切换协议（FMIPv6）的基础上,针对其存在的问题,提出一种优化的无缝快速切换方案.该方案引入新的控制信息协议（ICMPv6）控制消息和多隧道的概念,同时将转交地址（CoA）配置和重复地址检查（DAD）过程提前至切换前完成.仿真实验表明,相较于FMIPv6协议,优化后的算法具有更好的切换性能和服务质量.

移动IPv6；快速切换；乒乓切换；切换延时；丢包率

当前,下一代因特网协议IPv6协议已经发展至实用化阶段,未来将最终代替现有的IPv4网络[1].无线网络一直是IPv6协议的研究重点,为了提高无线网络的服务质量,IETF制定了移动IPv6协议（MIPv6）[2].但是,MIPv6协议仅仅能提供一种基本机制来维护MN在家乡网络和外地网络时的可达性,当MN在子网间切换时会产生较大的切换延迟,对于实时业务来说,切换延迟是影响服务质量的关键因素.为此,IETF制定了移动IPv6快速切换协议（FMIPv6）[3].与MIPv6协议相比,FMIPv6协议具有良好的切换性能,可以为实时系统提供支持.但是FMIPv6协议中仍然存在着一些问题,针对这些问题,本文提出具有更高服务质量的无缝快速切换方案.

1 预测型移动IPv6快速切换协议

FMIPv6的提出,其最主要的目标就是实现快速切换,降低切换延迟和丢包.在FMIPv6中,为实现快速切换而引入了2个链路层的触发器：LinkPreDown触发器和LinkUp触发器[4].链路层根据信号的强度、信噪比与误码率等参数的变化来判断自身的位置,明确是否需要进行切换,当链路层预测到自身要进行子网间切换时,就向网络层发送LinkPreDown触发器,其中包括了新网络的链路信息,网络层根据新网络的链路信息发起预测型快速切换；当MN在完成链路层的切换后,链路层向网络层发送带有新子网信息的LinkUp触发器.网络层在接收到触发器后,将新接入路由器（NAR）改为缺省路由器,并向NAR发送快速邻居通告消息（FNA）消息,该消息的主要目的是通告NAR达到该网络.FMIPv6切换过程如图1所示.

图1 FMIPv6协议预测型模式切换流程Fig.1 The flow chart of predictive mode

与MIPv6协议相比,FMIPv6通过使用链路层触发器,将二层切换与三层切换同时进行,理论上消除掉MIPv6协议中的移动检测延迟和转交地址配置延迟.通过隧道技术的引入,FMIPv6能够将MN在完成与HA和CN进行绑定更新之前的数据,通过PAR转发至MN所在的新网络上,因此消除了因为绑定更新延迟造成的丢包,但FMIPv6中依然存在一些问题值得研究和改进.

首先,FMIPv6使用链路层触发器来预测切换,这种预测通过参数的变化而得到,有可能预测失败,造成通信暂时中断与数据包的丢失,同时产生多余的信令开销.

其次,当MN的运动速度较快时,预测型快速切换模型就会失败,转而进行反应型快速切换.在反应型快速切换模型中,MN需要到新网络中再进行重复地址检查,同时PAR与NAR之间的双向隧道也未建立,造成延迟与数据丢失.

最后,FMIPv6的设计未考虑到MN进行乒乓运动的可能.乒乓运动是指MN在子网的边界来回移动的现象,是典型的节点移动模型.根据FMIPv6的链路层触发机制,当MN在两个子网间来回地切换时, PAR频繁地建立和拆除与NAR间的隧道,会产生大量的信令开销,使网络的性能和通信质量都受到严重的影响.

为了改进FMIPv6的性能,本文在研究FMIPv6的基础上提出了一种优化的无缝快速切换方案.

2 无缝快速切换方案

2.1 方案设计

2.1.1 转交地址的配置 FMIPv6协议中,网络层在收到链路层发来的LinkPreDown触发器后发起切换.转交地址（CoA,）配置和重复地址（DAD）检测过程是在快速切换发起之后进行的.为了提高切换性能,提高网络服务质量,在优化方案中,将在切换发起前完成CoA配置和DAD检测过程.具体的过程如下：当MN和当前AR连接建立后,AR就向其所有邻居AR发送CoA_req消息控制消息[5],该消息是改进方案中新增的ICMPv6控制消息.在该消息中字段定义如下：Type字段值为160,Code字段值为0,由于CoA_req消息不需要回复,因此标志位S位与U位为0.在CoA_req消息中携带MN的链路地址和PCoA.CoA_req消息的结构如图2所示.

图2 CoA_req消息结构Fig.2 Structure of CoA_req message

优化方案规定,AR要定期地向其邻居AR发送CoA-req消息,通知邻居AR为MN配置转交地址.每个AR中需要维护一张CoA表,来记录每一个MN的NCoA.当AR收到邻居AR发来的CoA_req消息之后,首先要根据该CoA_req消息所提供的MN的链路地址和PCoA信息,查找维护的CoA表,确认相关的MN的记录.一旦发现还没有相关的记录则需要根据CoA_req消息当中的链路地址和本网络的子网前缀来配置MN的CoA,并将配置好的CoA进行DAD检测,当验证地址无重复后将该记录插入到CoA表中,并为该记录设置一个生存期,当生存期一到,将删除CoA表中的记录.正常情况,一条记录的生存期设置为100 s.

2.1.2 隧道建立与管理 在优化方案中,引入多隧道的概念[6],当切换发生后,PAR和所有的邻居AR建立隧道.当PAR收到MN发来的路由器请求代理消息（RtSolPr）后,PAR得知MN发生切换,就立即与所有邻居网络建立双向隧道.在优化方案中隧道的建立不再依赖于PAR是否接收到MN发来的快速绑定更新消息（FBU）消息,MN是否知道新子网的网络前缀信息,提高隧道建立的独立性.在优化方案中考虑到乒乓运动所带来的丢包和大量信令开销,对建立的隧道设置了统一的隧道生存期.这里,隧道生存期不是一个固定的值,而是根据实际情况进行计算得到的时间值.双向隧道创建后,由PAR统一设定生存时间,当生存期结束之后,同样由PAR统一拆除所建立的双向隧道.生存期用T表示,在MN第一次发生切换时,PAR建立的隧道生存期为初始值,表示为T0.当MN在生存时间结束之后没有返回PAR所在子网, PAR认为MN进行线性运动.反之,如果MN在隧道生存期未结束之前返回PAR所在网络并再一次发生切换,PAR在激活隧道后重新为MN设置一个隧道生存时间,将原来的隧道生存时间增加ΔT,逐次累加.生存时间可用式1表示.

式（1）中n表示在PAR所在网络发生切换的次数.

当生存时间结束之后,PAR向所有的邻居AR发送FBACK消息,将FBACK消息中的lifetime字段（设置为0）来通知邻居AR拆除隧道.

2.1.3 切换流程 改进方案的切换流程如图2所示,描述如下：

（1）MN进入新子网并正常通信后,MN的PAR向邻居AR发送CoA_req消息,邻居AR根据自身网络前缀为MN配置NCoA,并对NCoA进行DAD检测.

（2）MN收到链路层触发器LinkPreDown,MN发起网络层的快速切换.MN向PAR发送的RtSolPr消息,该消息中携带MN的链路层地址.PAR在收到RtSolPr消息之后,向其邻居AR发送切换发起消息（HI）消息.

（3）NAR收到HI消息之后,根据HI消息中携带的MN的链路地址和自身维护的CoA表中的MAC地址相对照,当NAR查找到了MN相对应的NCoA后,就将其包含在切换确认消息（HACK）消息中发送给PAR.这样,通过PAR与所有邻居AR间的HI和HACK传递,PAR和全部邻居AR之间建立了双向的隧道,隧道建立之后,PAR开始向邻居AR发送MN的数据分组.

（4）当链路层切换完成之后,MN将FNA消息发送给NAR,该消息中携带了FBU消息.NAR收到该消息后,将其中的FBU消息转发给PAR,告知其MN已成功切换至本网络,PAR接收到FBU消息之后开始进行MN的HA和CN的绑定更新,NAR发送NNACK消息给MN并开始将数据转发给MN.

（5）PAR收到FBU消息之后停止向其他AR转发MN的数据,同时设定一个隧道生存期,生存结束后,PAR发送FBACK消息进行拆除隧道.

图3 优化方案的切换流程Fig.3 Handover process of the optimized seamless

2.2 FMIPv6与优化方案的性能分析

2.2.1 切换延迟分析 从切换延迟方面比较FMIPv6协议与优化方案的性能.从切换的发起到MN与HA和CN绑定更新结束,我们可以将切换过程划分为4个部分,分别为：从MN发起快速切换到MN与PAR连接断开过程TPre；二层链路切换过程TL2；进入新子网之后到MN与NAR建立连接过程TFNA；MN向HA和CN进行注册过程TBU[7].

式（2）中

所以

式（2）至式（6）中TMN-PAR表示为MN与PAR之间的链路延迟；TCoA表示为CoA配置和DAD检查延迟；TPAR-NAR表示为PAR与NAR之间的链路上延迟；TMN-NAR表示为MN与NAR之间的链路上延迟；TNAR-HA与TNAR-CN分别表示为NAR和HA之间,NAR和CN之间的链路延迟.

而在优化方案中,由于NCoA的配置被提前到MN进入子网后,因此能够消除TCoA.在切换到新子网前,MN只发送了RtSolpr消息,同时,对隧道建立前的信令进行精简.在优化方案中,PAR提前向HA与CN发送BU消息,使得绑定更新过程与MN与NAR建立连接,接收数据过程并行,因此减少TBU延时.

式（7）中

由于MN向自己的HA和CN的注册时间耗时较长,因此,TFNA＜TBU这个条件一个成立

比较式（6）和式（11）可以看到,与FMIPv6相比优化方案从切换开始到MN与CN正常通信所用时间明显减少.

2.2.2 丢包率分析 下面比较从切换开始到MN的数据被缓存所需要的时间,FMIPv6协议从切换开始到MN的数据被缓存所需的时间由式（12）表示.

而在优化方案中,从切换开始到数据被缓存所需的时间由式（13）表示.在FMIPv6协议中,CN发往MN的数据分组需要在PAR发送FBACK消息之后由PAR发往NAR.一旦MN运动速度过快时,隧道往往无法建立,PAR无法将MN的分组发向NAR并进行缓存,就会造成丢包.从式（12）和式（13）的比较可以明显看到,在优化方案中从发起切换到数据缓存所需要的时间明显要小于FMIPv6协议,由于简化了隧道建立前的流程,减小了隧道建立对MN运动速度的依赖,优化方案可以降低MN的过快运动对快速切换造成的影响.

2.2.3 信令开销分析 信令开销由2部分组成：传输信令开销与各节点对信令的处理开销.FMIPv6协议中,每当MN返回PAR网络后再一次发生切换时产生的信令总开销用式（14）表示.

相同情况下,优化方案的信令开销用式（15）表示.

式中的αm、αp、αn分别表示为MN、PAR与NAR对信令处理所需开销；αh、αc则表示注册信令在HA、CN上的所需处理开销；n则表示PAR和NAR之间的平均跳数；m表示为NAR和HA之间的平均跳数；s表示为NAR和CN之间的平均跳数；k表示为PAR和HA之间的平均跳数,h表示为PAR和CN之间的平均跳数,η用来表示单位距离上无线链路传输开销和有线链路的倍数；δ表示为传输开销和距离的比例常数.其中,PAR与NAR之间互相为邻居路由,理论上有m=k,s=h.

在信令开销,比较式（14）和式（15）,MN进行一次乒乓运动时,改进方案要比FMIPv6协议节省（6η+2n）δ+αp+αn,当MN进行乒乓切换时,在子网间切换次数越多,改进方案在信令开销方面的优势就越明显.

3 仿真实验

使用NS-2实验平台[8]对FMIPv6与优化方案进行实验仿真,分别测试两者在MN不同运动速度下的切换延迟与丢包率.仿真实验场景的网络拓扑结构,链路特征即带宽/（Mbit/s）、延时/ms等如图4所示.

图4 实验场景Fig.4 Experimental scene

仿真实验采用802.11技术,CBR/UDP作为数据源,设置CN发送一个分组的速率为10 ms.数据分组大小设置为256 Bytes,MN的运动速度在5～50 m/s范围内分别取值.实验中模拟FMIPv6协议和优化方案的切换过程,反复多次实验后,计算MN在不同运动速度下所产生的切换延迟和丢包率（Data Loss Rate）.

3.1 切换延时

图5中显示了MN在不同的运动速度下FMIPv6协议和优化方案分别产生的切换延迟.

图5 不同运动速度下的切换延迟Fig.5 Handover delay for different speed

实验中,当MN的运动速度小于在35 m/s时,FMIPv6协议的切换延迟始终保持在350 ms左右,但当MN的运动速度大于35 m/s之后,切换延迟变化较大,其中最大延迟达到860 ms.不论MN的运动速度快慢,优化方案都始终保持着较低的切换延迟.

3.2 丢包率

FMIPv6和优化方案在MN不同运动速度下分别产生的丢包率如图6所示.

图6 不同运动速度下的丢包率Fig.6 Data Loss for different speed

实验中当MN的运动速度保持在25 m/s之内时,FMIPv6协议和优化方案都能够缓存发往MN的UDP分组,丢包率较低.当MN运动速度大于了25 m/s之后,FMIPv6出现较大丢包,当MN的运动速度到达40 m/s后,FMIPv6的丢包率在0.8%以上.优化方案模拟中,MN的运动速度小于35 m/s时,MN的数据包基本被缓存.当MN的运动速度大于35 m/s后开始出现丢包现象,与FMIPv6协议比较来看,丢包率较低,当MN的运动速度达到50 m/s后,丢包保持在0.2%左右.

4 小结

本文所提出的优化方案,通过提前配置CoA、进行DAD检查、建立多隧道、设置隧道生存期等机制对FMIPv6协议进行了优化.通过理论分析和NS2仿真实验两种手段对优化方案与FMIPv6协议进行比较,结果表明优化方案在切换延迟、丢包率与信令开销等性能方面表现更加优越.

[1]范玉宇.移动IPv6的切换技术[J].中国新通信,2014（9）：110-111.

[2]Johnson D,Perkins C E,Arkko J.IETF：RFC3775 Mobility support in IPv6[S].June 2004.

[3]Koodli R.IETF：RFC 4068 Fast handovers for mobile IPv6[S].July 2005.

[4]杨竹卿.基于移动IPv6的网络移动性[D].西安：西安电子科技大学,2010.

[5]Alex C.IEIF：RFC 2473 StePhen deering.generic packet tunneling in IPv6 specification[S].December 1998.

[6]Wu C W,Wang P.Improved fast handover scheme for hierarchical mobile IPv6[C]//Computer Science&Education,2009 4th International Conference.Nanning：IEEE press,2009：294-297.

[7]高为民,肖莉贞,李昕.一种基于移动IPv6的移动网络的改进设计与实现[J].计算机应用与软件,2013,30（7）：215-217.

[8]姜雪松.移动IP技术与NS-2模拟[M].北京：机械工业出版社,2006：130-506.

（责任编辑：卢奇）

Research and implementation of an optimized seamless fast handover proposal

Lv Yingying,Zhang Pei
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

Based on the research of FMIPv6 and its disadvantages,a seamless fast handover scheme have been proposed.The optimization scheme introduces a new control message of ICMPv6 and the new concept of the multitunnel.At the same time,this scheme configurate the Care of Address（CoA）and do duplicate address detection（DAD）before the handover happen.The stimulation results showed that the optimized fast handover method had a better performance than FMIPv6.

mobile IPv6；fast handover；ping-pong movement；handover delay；date loss rate

TN929.5

A

：1008-7516（2015）01-0068-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.01.015

2014-11-10

吕莹莹（1985-）,女,山东长清人,硕士,助教.主要从事下一代互联网、无线网络和云计算研究.