摘  要： 针对层次型移动IPv6网络的域间切换中的切换延迟和丢包问题，提出一种使用转交地址池改进原来DAD的检测方法来减少切换延迟，采用双路径通信方式降低丢包率的域间切换的改进方案。理论分析改进前后的切换延迟，使用NS-2工具对改进协议进行仿真。实验结果表明，改进方案在切换时延和丢包率方面表现出较好的优越性。

　　关键词： 层次型移动IPv6；域间切换；切换时延；丢包率

0 引言

　　随着无线网络和移动通信技术的蓬勃发展和广泛应用，移动设备的移动性问题引起越来越多的关注。层次型移动IPv6（Hierarchical Mobile IPv6，HMIPv6）[1]是一种针对移动IPv6协议的改进方案，使用树形分层结构模型，引人了移动锚点（Mobility Anchor Point，MAP），实现本地化管理。MAP将网络划分为若干个域，扮演移动节点（Mobile Node，MN）在外地网络的本地代理的角色。在HMIPv6网络中，移动性包括微移动和宏移动，针对MAP的功能和作用，将移动的切换分为域内切换和域间切换，后者属于一种宏移动的切换[2-3]。

　　目前HMIPv6的研究热点主要集中在切换技术、组播技术和IPSec等问题。由于跨区移动无处不在，切换技术成为研究的首要问题，其目标是实现一种无缝切换，满足人们对实时性的需求。改进思路体现在如何缩短切换延迟以及降低丢包率。现有的HMIPv6协议的优化方法很多，一种思路是优化结构功能实体，主要表现为MAP的优化及管理、接入路由器的布置及选择等；另一种思路是优化注册机制，主要表现是转交地址的配置、预切换机制等。

　　在HMIPv6协议中发生域内切换时，移动节点的区域转交地址（Regional Care-of Address，RCoA）没有改变，但是链路转交地址（on-Link Care-of Address，LCoA）发生了改变[1]；MN只需要向所属的MAP注册LCoA，不需要向家乡代理（Home Agent，HA）和通信对端节点（Correspondent Node，CN）注册，因而减少了网络切换信令的开销，降低了网络拥塞。在标准HMIPv6中，对MAP域间切换执行标准的宏切换，这使得HMIPv6域间切换的性能没有得到优化。因此，对HMIPv6域间切换的研究就变得尤为重要。

1 HMIPv6域间切换分析

　　在移动过程中，MN通过接收到的路由通告消息（Router Advertisement，RA）中携带的MAP选项信息判断是否发生了MAP域的改变。如果MAP选项信息和当前的MAP域的网络前缀相同，则为域内移动；否则发生域间移动。MN在新的接入路由器（Access Router，AR）上获取新的转交地址（包括RCoA和LCoA），并向新的MAP发送本地绑定更新消息（Local Banding Update，LBU）绑定RCoA和LCoA，然后向HA和CN注册。其中，MN通过发送邻居发现消息完成对LCoA的重复地址检测（Duplicate Address Detection，DAD）[1，4]；MAP收到LBU消息后，需要对RCoA进行DAD操作，DAD检测成功后向MN发送绑定确认（Local Banding Acknowledgement,LBA）。切换过程中的DAD时间占据了太大的切换延迟，只有完成切换后新的MAP才能为MN提供网络服务。在切换的过程中，MN无法接收数据，不能很好地满足实时性交互应用行为。

2 改进的切换方案

　　通过分析HMIPv6中的MAP域间切换，本文提出了一种新的HMIPv6域间切换改进方法——FPSNM（First Prior MAP Second New MAP）。

　　2.1 FPSNM切换过程

　　在移动过程中，MN收到AR2周期性发送的RA消息（该消息中包含MAP2选项信息和AR2的网络前缀信息）；通过RA消息中携带的MAP选项和MN保存的MAP选项信息的不一致性判断自己进入MAP2域。

　　在MAP2域内，MN配置新区域转交地址（new RCoA，nRCoA）和新链路转交地址（new LCoA，nLCoA）。MN向MAP1发送快速绑定更新消息（Fast Binding Update，FBU），其中FBU消息中包含MAP2的IP地址、pRCoA、nRCoA和nLCoA，告知MAP1其新的位置发生变化，同时向MAP2发送LBU消息进行本地注册。

　　当MAP1收到MN发送的FBU消息（该消息中包含MN的pRCoA、nRCoA和nLCoA）时，MAP1立即向MAP2发送切换发起消息（Handover Initiate，HI），建立nRCoA和nLCoA的绑定关系，并向MN发送LBA消息；等待MAP2返回的Hack消息指示建立两者之间的隧道。隧道建立完毕，MAP1将缓存的数据分组转发至MAP2，MN向CN发送BU消息，等待CN返回一个BA消息。

　　完成本地绑定，MN向HA和CN进行注册。HA建立本地家乡地址与MAP2的RCoA的绑定关系，在HA的缓存列表中建立nRCoA与HoA的列表项，以便HA可以向MAP2发送数据。CN建立MN当前地址与MAP2的RCoA的绑定关系，在CN缓存列表项中建立MN与nRCoA的列表项，至此切换过程完成。FPSNM切换流程如图1所示。

　　2.2 FPSNM技术描述

　　本文采用两个相邻MAP注册的机制，先向MAP1告知MN的新CoA。对MN在MAP1和MAP2之间的乒乓切换，不仅使切换性能得到了提高，实现了两个相邻MAP之间的平滑切换，而且减少了外部信令交互量。当MN由MAP2域返回到MAP1域时，MN获得新的LCoA，只需要向MAP1注册，切换过程对HA和CN透明，该切换方案较好地解决了MN在两个MAP域之间乒乓切换的延迟和丢包问题。

　　针对MN在新的MAP域中需要进行DAD操作的问题，本文对MAP和AR的功能进行相应的扩展。在MAP和AR上设置转交地址池[5]，即区域转交地址池和链路转交地址池，分别由MAP和AR负责维护。在转交地址池上设置两张表，分别用于存储已使用和预先配置且未被使用的RCoA和LCoA；在AR广播的RA消息中携带可使用的转交地址。MN在接收的RA消息中直接获得可以使用的转交地址，无需DAD操作。当MN向新的MAP发送LBU消息时，完成本地注册，在MAP和AR的地址池缓存列表中增加新的地址项。若MN离开AR进入到一个新的AR，则注销当前MN已使用的LCoA，以备其他MN使用。当MN离开MAP时，注销MN在MAP地址缓存列表中的RCoA。

3 改进方案分析

　　3.1 双向隧道

　　MN从MAP1进入MAP2，获取了新的RCoA和LCoA。MN向MAP1发送FBU消息告知MAP1自己所在的新位置。于是，MAP1向MAP2发起切换请求，建立隧道，该阶段充分利用MN在MAP2域进行注册的时间，将与MN通信的通信对端节点发送的数据分组进行缓存，从而降低丢包率。

　　对于双向隧道，需要设置一个合理的生存时间阈值。当MN由MAP2返回MAP1时，MN只需要向MAP1注册，由MAP2缓存数据分组，经由隧道转发数据分组至MAP1。由于MAP1和MAP2之间已建立双向隧道，减少了再次建立隧道而产生的信令交互量，降低网络中信令拥塞。

　　3.2 切换时延

　　影响FPSNM切换时延的四个主要因素：

　　（1）子网变化时需要进行的移动性检测时间Tmov；

　　（2）MN获取转交地址的时间TCoA；

　　（3）切换过程中的信令交互时间Tsig；

　　（4）MN向HA和CN注册过程的时间Treg。

　　移动检测时间与RA消息的广播频率相关，RFC2461[6]建议的RA消息的发送频率为1次/s，设RA广播周期为TRA，则：

　　Tmov=cTRA（1）

　　其中c为系数，根据切换算法不同而进行取值。

　　由于AR与MAP之间只有一跳，假设ICMP消息的平均长度为l，无线链路带宽为Bwlss，有线链路带宽为Bw，无线链路时延为Lwlss，有线链路时延为Lw，则：

　　在新的链路进行切换时，信令交互时间包括MN与MAP1、MAP2之间进行信令交互的时间，则：

　　MN向HA和CN注册，包括绑定更新所需时间TBU、绑定确认所需时间TBA以及消息在网络中传输所需的时间Ttrs，则：

　　FPSNM总时延T：

　　对于标准的HMIPv6域间切换，对CoA进行DAD操作的时间TD=TR+TL，其中RCoA的重复地址检测时间为TR，LCoA的重复地址检测时间为TL。

　　标准的HMIPv6域间切换总时延[7]T0：

　　在网络状态良好的情况下，可以减少DAD操作；通常情况下，DAD操作在整个切换延迟中占据的比重较大。比较T和T0可知，T<T0，理论上改进后的域间切换方案具有更小的切换时延。

4 仿真实验

　　4.1 拓扑结构及参数

　　使用UC Berkeley开发的NS-2[8]作为仿真软件，移植FHMIP1.3.1模块[9]支持层次型移动IPv6网络下的切换技术。对HMIPv6和FPSNM协议进行仿真，共有8个节点。实验中使用的配置层次地址的网络拓扑结构如图2所示。

　　基于本文对HMIPv6和FPSNM协议的分析，选取的主要性能评估参数分别是切换延迟和数据分组的丢包率。其他需要使用的相关参数如表1所示。

　　4.2 仿真结果分析

　　在相同的网络拓扑结构下，分别对HMIPv6和FPSNM进行模拟，通过改变MN和nMAP（MAP2）之间的无线链路时延，获得在不同链路时延下的切换延迟和丢包率，其中链路时延的设置范围为20 ms~200 ms。HMIPv6和FPSNM协议在不同链路时延下的切换延迟和数据分组的丢包率分别如图3、图4所示。

　　从图3可以看出，总的切换延迟随着MN和nMAP之间的链路时延的增大而变大，总体来说，改进方案FPSNM的切换延迟明显低于标准的HMIPv6，主要是因为FPSNM使用了转交地址池，从而减少了DAD操作的时间。

　　从图4可以看出，随着MN和nMAP之间的链路时延的增大，数据分组的丢包率也在增大，这主要是由于链路时延增大了切换延迟，影响MAP的缓存能力；FPSNM的丢包率在整体上比标准的HMIPv6较低，主要是由于FPSNM采用了隧道机制，在MN进行域间切换期间，由MAP2缓存转发数据分组，通过隧道转发给新的移动锚点，从而减少域间切换造成的数据分组的丢失问题。

5 结束语

　　在HMIPv6网络结构下，本文提出了一种改进的域间切换方案，降低域间切换过程中的丢包问题和分组乱序。在域间切换方面，切换操作对HA和CN透明，表现出了一定的优越性。在以后的研究中，需要加强对双路径下的动态控制机制的分析；服务节点数量过多时，需要对MAP的负荷上限进行深入讨论；此外对MN在MAP之间的频繁切换性能尚待进一步研究。

参考文献

　　[1] SOLIMAN H， CATELLUCCIA C， EI-MALKI K， et al. RFC4140 hierarchical mobile IPv6 mobility management（HMIPv6）[S]. IETF，2005.

　　[2] LEE K. A macro mobility handover performance improvement algorithm for HMIPv6[C]. ICCSA： Computational Science and Its Applications， 2006：1007-1175.

　　[3] DAS S， DULLA A. IDMP： an intra-domain mobility management protocol for next generation wireless networks[J]. IEEE Wireless Communications， 2000，9（3）：38-45.

　　[4] MOORE N. RFC4429 Optimistic Duplicate Address Detection （DAD） for IPv6[S]. IETF， 2006.

　　[5] Cai Kai， Yang Zhimin， Chen Rongyi， et al. A handoff algorithm based on care-of address pool for hierarchical mobile IPv6 [C]. Proceedings of IEEE International Conference on Pervasive Computing and Application. Alexandria， Egypt， 2008：302-306.

　　[6] NARTEN T， NORDMARK E， SIPMPSON W. Neighbor discovery for IPv6[EB/OL].（1998）[2014-10-01]. http：//www.ietf.org/rfc/rfc2461.txt.

　　[7] 邓亚平，吴迎秋.改进DAD策略的HMIPv6切换时延研究[J].计算机工程与应用，2010，46（3）：94-97.

　　[8] University of California at Berkeley. Network Simulator （NS-2） [EB/OL]. （2007-11）.[2014-10-01]. http：//www.isi.edu/nsnam/ns/.

　　[9] 孙晓林.层次移动IPv6宏切换的优化方案[D].郑州：郑州大学，2011：43-49.