随着移动互联网技术的快速发展，人们希望随时随地采用移动终端接入网络，一定数目的移动设备形成移动网络NEMO(NEtwork MObility)，以一个相对稳定的整体在运动中获得网络接入服务。IETF在移动IPv6基础上提出了NEMO基本支持协议NEMO-BS(NEMO Basic Support)。NEMO是由基于主机的移动IPv6协议扩展而来，会产生位置开销和隧道开销过大、切换延迟较大等问题，而移动节点需要参与信令交互。大部分切换过程是在无线链路进行，当链路状态不佳时容易造成切换过程不稳定，导致数据丢失、切换延迟巨幅增加等问题。鉴于此，相关研究机构提出采用基于网络的移动性管理方案支持NEMO。代理移动IPv6（Proxy Mobile IPv6,PMIPv6)协议使移动节点无需参与移动性管理，提高了无线环境下切换的稳定性，同时增强了服务提供商的灵活性和管控程度。

    目前研究的基于PMIPv6协议的NEMO方案有以下不足：为更新移动节点位置信息产生的位置开销较大，浪费带宽资源；为传输数据到目的节点产生的隧道开销较大，甚至导致多层隧道嵌套问题[1]。本文在现有研究基础上提出了一种PMIPv6域中支持NEMO优化方法，除了具有PMIPv6协议无需节点参与移动性管理和NEMO-BS支持整体切换的优点外，该方法利用增加的标志符有效区分移动节点属性，更新位置和传输数据更加精准有效，无需重复检测，系统开销明显降低。
1 相关工作与问题分析
1.1 NEMO和PMIPv6介绍
    NENO-BS协议将整个网络的移动性管理功能集中到移动路由器上,由MR向其家乡代理注册转交地址CoA(Care of Address)实现对整个子网数据包的转发，保证家乡地址的全局可达性。该协议实现了对移动网络的整体移动性管理，有效减少切换信令的数量，降低移动节点的信号传输功率和复杂度。
    PMIPv6协议引入了本地移动锚点LMA(Local Mobility Anchor)和移动接入网关MAG(Mobile Access Gateway)两个新的移动性管理实体。LMA是移动节点MN在PMIPv6域内的家乡代理，维持MN在PMIPv6域内的可达性。MAG可以检测移动节点的移动性，代替MN初始化与移动性管理相关的信令。LMA与MAG之间通过发送代理绑定更新PBU(Proxy Binding Update)和代理绑定确认PBA(Proxy Binding Acknowledgement)建立传输数据的双向隧道。当MN在MAG之间移动时，收到同样的家乡网络前缀HNP(Home Network Prefix)，从而不需重新配置IP地址即可与通信对端CN保持连续通信。该协议使得MN无需参与移动性管理信令的交互，有效增强了整个网络的可控性。
1.2 现有方案存在的不足
    参考文献[2]提出N-PMIPv6方案，将移动路由器视做移动MAG（mobile MAG，mMAG）加入PMIPv6域，通过在LMA与mMAG之间建立双向隧道，为移动网络节点MNN转发数据包，减小了位置更新开销，但增加的嵌套隧道头部导致隧道开销剧烈增加。参考文献[3]提出rNEMO机制，移动路由器充当一个小的中继站，由其对相关信令和数据包进行中继，减小了隧道头部开销，但需要额外切换信令来管理MNN位置信息，极大地增加了位置信令开销。
    总之，将NEMO应用在PMIPv6域后，网络拓扑结构比较复杂，多样的切换场景对系统的设计提出了更高的要求和挑战。现有方案只关注如何更好地维持移动节点位置信息或者如何更好地转发数据包，缺乏对位置开销和隧道开销的统筹考虑。为此，本文提出一种基于扩展信令的网络移动性优化方法，记为O-NEMO(Optimized NEMO),充分发挥相关移动性管理实体的功能，争取最大程度地兼顾两种开销的平衡，提升系统通信效率。
2 基于扩展信令的NEMO优化方法
2.1 扩展信令消息
    如图1所示为PMIPv6域中支持NEMO场景， NEMO应用的目标是使MN、mMAG以及附着在mMAG之下的MNN都能在地址不变的前提下保持通信的连续性。

    表1为扩展的信令消息。其中BCE(Binding Cache Entry)是LMA为每一个接入节点保存的绑定缓存入口消息,包括节点的标识和HNP以及代理转交地址pCoA(proxy-CoA)等。而PBUL1(Proxy Binding Update List)和PBUL2分别为两个MAG建立所属节点的代理绑定更新列表消息，分别表示NEMO下的MNN以及单个MN情况。

    进一步，对BCE和PBUL消息进行有效扩展，增加“M”标志用以标记该移动节点是mMAG网络下的移动网络节点。这样LMA在其BCE处避免进行重复查找，便于更新MNN的位置信息，可以减小因重复检测节点属性带来的位置开销。转发数据时通过查看目的地址HNP项，对应的pCoA项即为数据包的下一跳。LMA与MAG之间通过隧道将数据包进行分装，其他路径可以对数据包进行直接转发。而MAG的PBUL拥有所属的mMAG和MNN的所有路由信息，MAG与LMA之间只需要一个隧道头部，没有产生其他隧道头部开销。
2.2 信令流程
    图2显示的是一个MNN在PMIPv6域内通信的完整信令流程，包括mMAG接入MAG1，MNN接入mMAG，mMAG在MAG1和MAG2之间切换三个场景，具体描述如下。

    场景1：MAG1通过路由申请RS(Router Solicitation)探测到mMAG的接入后向LMA发送PBU消息，LMA将信息记录在其BCE处，后向MAG1发送含有分配给mMAG的HNP的PBA，MAG1更新其PBUL列表并通过路由通告RA(Router Announcement)传递给mMAG。mMAG根据HNP配置地址。
　 场景2：当mMAG内有MNN接入即发送PBU给MAG1。MAG1随后将自己地址加入到PBU中发送给LMA。LMA通过检查是否含有“M”标志来判定节点的属性。LMA更新BCE后将含有分配HNP的PBA传递给MAG1。MAG1接收到PBA后建立该节点的PBUL，该PBUL已经被扩展用来管理mMAG的地址。mMAG接收到PBA后通过RA将分配的HNP发送到MNN。MNN根据该HNP配置其地址并在随后的切换过程中保持不变。
    场景3：当mMAG从MAG1域中离开并进入MAG2域内，MAG1检测到mMAG的离开，将生存时间置于0后与LMA进行信令交互，解除mMAG的注册消息。MAG2检测到mMAG接入后发送PBU到LMA，LMA更新BCE后将MNN_ID、MNN_HNP通过PBA消息发送至MAG2。这样即使MNN在不同MAG域间切换位置发生改变时，LMA通过“M”标志确定节点属性，减少了发送位置更新信令次数，从而降低了位置开销。
    当LMA接收到目的地址是MNN的数据包后，在BCE内检查对应MAG的IP地址，确定节点属性后，LMA只需要在数据包附加一个PMIPv6隧道头部后发送给MAG。这样，当MAG通过mMAG向MNN发送数据时，不再需要使用额外的隧道头部，因为从mMAG角度看来，MAG相当于LMA的“代理”。与之前机制相比，减小了隧道开销，提高了数据传输速率。

    图4表示当E(S)取值为10且MAG子网穿越率增加时的系统总开销。从结果可以看出，rNEMO方法由于每次进行切换都需要额外的信令开销而最差，O-NEMO方案只需一层PMIPv6隧道头部，N-PMIPv6需要两层，故O-NEMO在系统总开销上更为优良。

    现有PMIPv6域中的支持NEMO机制没有同时兼顾位置更新开销和数据隧道开销，为此，本文在以往研究的基础上，设计了一种PMIPv6域中基于扩展信令的网络移动性优化方案。该方案充分利用扩展的MAG的PBUL和LMA的BCE信令消息，整合追踪节点位置和转发数据包过程，优化信令流程，均衡降低了两种开销。分析表明，该方案降低了系统总开销，提高了通信效率。
参考文献
[1] JEON S, KIM Y. NEMO problem statement in PMIPv6 [S]. IETF draft-sijeon-netext-nemo-ps-pmip6-01, 2011.
[2] SOTO I, BERNARDOS C J, CALDERON M, et al.NEMO enabled localized mobility support for internet access in  automotive scenarios[J]. IEEE Communication Magazine, 2009,47(5):152-159.
[3] PACK S. Relay-based network mobility support in proxy  mobile IPv6 networks[C]. Proc IEEE CCNC 2008.
[4] PACK S, SHEN X, MARK J. Adaptive route optimization  in hierarchical mobile IPv6 networks[C].IEEE Trans Mobile Comput 2007 August;6(8):903-14
[5] KLEINROCK L. Queueing system volume.1: theory[M]. John Wiley & Sons:1975.
[6] JEON S, KANG N, KIM Y, et al. Enhanced PMIPv6 route optimization handover[C]. IEEE Trans Commun 2008 November: E91-B(11).