移動(dòng)IPV6在改進(jìn)數(shù)據(jù)包發(fā)送路徑模型下性能分析

張君昌，韓 濤，谷衛(wèi)東

（1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129；2.西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071）

移動(dòng) IPv6[1]（MIPV6）是 IETF制定的一種 Internet移動(dòng)性管理方案，可使節(jié)點(diǎn)在不同網(wǎng)絡(luò)間移動(dòng)時(shí)仍能保持通信的連續(xù)性。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（MN）改變它的連接點(diǎn)時(shí)，由于IP的路由特性，MN的IP地址就隨之改變。在移動(dòng)IPV6中，每個(gè)MN都由它的家鄉(xiāng)地址（HoA）唯一確定。然而，當(dāng)MN從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，即使在同一個(gè)管理域內(nèi)，移動(dòng)IPV6需要把它新的連接點(diǎn)信息綁定更新至HA（Home Agent）和通信主機(jī)（CH），這樣造成了數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)延和額外數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)。這對(duì)于通信過程等對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用影響較大。自從MIPV6成為一種移動(dòng)性管理協(xié)議之后，許多后續(xù)的工作相繼展開。即使IETF已經(jīng)制定了幾個(gè)協(xié)議，IP的移動(dòng)性管理仍然是最有挑戰(zhàn)性的課題之一。

在MIPV6中，當(dāng)CH發(fā)送數(shù)據(jù)包至MN，起初一些數(shù)據(jù)包先發(fā)送至HA，然后HA用隧道發(fā)送給MN，MN接收這些間接到來的數(shù)據(jù)包時(shí)，同時(shí)發(fā)送綁定消息至CH，這個(gè)消息使CH綁定MN的準(zhǔn)確位置信息，綁定完成后CH通過直接路徑將未發(fā)完的數(shù)據(jù)包發(fā)送至MN。

FMIPV6和HMIPV6[2]為了消除MIPV6的缺陷而發(fā)展起來。當(dāng)MN切換的時(shí)候，F(xiàn)MIPV6采用了數(shù)據(jù)包緩存機(jī)制來防止數(shù)據(jù)包丟失。當(dāng)MN進(jìn)行切換的時(shí)候，數(shù)據(jù)包通過間接路徑先發(fā)送至HA，然后由HA通過隧道發(fā)送至前訪問路由（PAR），當(dāng)切換結(jié)束后這些數(shù)據(jù)包通過隧道發(fā)送至新訪問路由（NAR），最后發(fā)送至MN。隨后，還未發(fā)完的數(shù)據(jù)包通過直接路徑發(fā)送至MN。

HMIPV6則對(duì)MIPV6作了修改。在MIPV6中，當(dāng)MN改變它的連接點(diǎn)時(shí)，都要把改變的IP地址通知給HA和CH。而在HMIPV6中，每個(gè)管理域中都有移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)（MAP）做代理，MN在域內(nèi)移動(dòng)時(shí)只需向MAP注冊(cè)，這樣避免了向HA頻繁注冊(cè)，降低了切換時(shí)延。當(dāng)MN和HA距離較遠(yuǎn)時(shí)HMIPV6的優(yōu)勢(shì)更明顯。當(dāng)MN在MAP域內(nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)包不經(jīng)過HA，其先到達(dá)MAP，然后MAP通過隧道發(fā)送至AR，AR再通過隧道發(fā)送至MN。

最新發(fā)展起來的PMIPV6[3]能夠使MN在給定的PMIPV6域內(nèi)改變連接點(diǎn)的同時(shí)繼續(xù)接收來自CH的數(shù)據(jù)包。PMIPV6是一種基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理協(xié)議，引入了移動(dòng)訪問網(wǎng)關(guān)（MAG）和局部移動(dòng)結(jié)點(diǎn)（LMA），它們共同負(fù)責(zé)MN在給定的PMIPV6域內(nèi)的移動(dòng)管理。MAG位于訪問路由（AR），它能夠檢測(cè)到MN靠近自己。LMA充當(dāng)HA的角色，存儲(chǔ)MAG的注冊(cè)信息，同時(shí)能夠使數(shù)據(jù)包發(fā)送至MN。LMA首先接受從來自CH數(shù)據(jù)包，然后LMA通過隧道發(fā)送至AR，AR再通過隧道發(fā)送數(shù)據(jù)包至MN。

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，上述管理協(xié)議中，數(shù)據(jù)包在AR和MN之間通過代價(jià)很大的隧道發(fā)送，其數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)仍較大，這樣的機(jī)制導(dǎo)致了數(shù)據(jù)包傳輸速率下降和時(shí)延[4]加大。由文獻(xiàn)[5]知數(shù)據(jù)包在通過隧道發(fā)送時(shí)HA首先截獲送往MN家鄉(xiāng)地址的報(bào)文，然后通過隧道轉(zhuǎn)發(fā)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址AR，最后AR取出報(bào)文，直接發(fā)送給MN。因此本文在分析現(xiàn)有移動(dòng)IPV6管理協(xié)議性能模型的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了文獻(xiàn)[6]數(shù)據(jù)包發(fā)送路徑：AR和MN之間數(shù)據(jù)包由代價(jià)很大的隧道發(fā)送改進(jìn)為直接發(fā)送，減少了權(quán)重較大的隧道代價(jià)因子的影響，改進(jìn)后并沒有帶來額外的代價(jià)。在這樣的路徑下數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)降低，時(shí)延減小。

1 數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)分析

如圖1所示為數(shù)據(jù)包發(fā)送模型。數(shù)據(jù)包發(fā)送可以通過直接路徑和間接路徑兩種方式發(fā)送。直接發(fā)送由CH發(fā)送到GATE，然后GATE通過隧道發(fā)送至AR，AR再通過隧道發(fā)送至MN。間接發(fā)送是CH先將數(shù)據(jù)包發(fā)送至HA，然后HA通過隧道發(fā)送數(shù)據(jù)包至AR，AR再將數(shù)據(jù)包通過隧道發(fā)送至MN。

分析可知，數(shù)據(jù)包在AR和MN之間通過代價(jià)很大的隧道發(fā)送，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)包傳輸代價(jià)增大和時(shí)延加大。鑒于此，文中在Jong-Hyouk Lee[6]等人建立的用于分析現(xiàn)有移動(dòng)IPV6管理協(xié)議性能模型的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了數(shù)據(jù)包發(fā)送路徑：如圖2，將AR和MN之間數(shù)據(jù)包由代價(jià)很大的隧道發(fā)送改進(jìn)為直接發(fā)送，即減少了權(quán)重較大的隧道代價(jià)因子對(duì)數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)的影響。 MIPV6、HMIPV6、FMIPV6、PMIPV6 的數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)在改進(jìn)的數(shù)據(jù)包發(fā)送路徑和文獻(xiàn)[6]中的路徑下的分析如下文。

圖1 現(xiàn)有數(shù)據(jù)包發(fā)送模型Fig.1 Structure diagram of the present packet delivery mode

1.1 M IPV6數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)

當(dāng)CH發(fā)送數(shù)據(jù)包至MN，起初一些數(shù)據(jù)包先發(fā)送至HA，然后HA用隧道發(fā)送給MN，MN接收這些間接到來的數(shù)據(jù)包時(shí)，發(fā)送綁定消息至CH，這個(gè)消息使CH綁定MN的準(zhǔn)確位置信息，綁定完成后CH直接將數(shù)據(jù)包發(fā)送至MN。因此，數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)可以表示為：

圖2 改進(jìn)數(shù)據(jù)包發(fā)送路徑模型Fig.2 Structure diagram of the modified packet delivery mode

λ是通過HA發(fā)送的數(shù)據(jù)包和總發(fā)送數(shù)據(jù)包的比率，即間接路徑數(shù)據(jù)包到達(dá)率，ω為數(shù)據(jù)包會(huì)話到達(dá)率，L（P）是數(shù)據(jù)包平均會(huì)話長(zhǎng)度，CMIPV61和CMIPV6PD分別表示間接路徑代價(jià)和直接路徑代價(jià)。

分析發(fā)現(xiàn)間接路徑代價(jià)中數(shù)據(jù)包由HA發(fā)送到AR后，由AR發(fā)送給MN時(shí)可以不再用隧道發(fā)送，可以直接發(fā)送，即可改進(jìn)為

1.2 FM IPV6數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)

當(dāng)MN切換的時(shí)候，F(xiàn)MIPV6用到了數(shù)據(jù)包緩存機(jī)制來阻止數(shù)據(jù)包丟失[7]。在MN切換的時(shí)候，通過間接路徑到達(dá)的數(shù)據(jù)包先緩存至前訪問路由（PAR），當(dāng)切換結(jié)束后這些數(shù)據(jù)包再通過新訪問路由（NAR）發(fā)送至MN。故

同樣分析發(fā)現(xiàn)間接路徑代價(jià)中數(shù)據(jù)包由HA發(fā)送到AR后，由AR發(fā)送給MN時(shí)可以不再用隧道發(fā)送，可以直接發(fā)送，即可改進(jìn)為

d7表示 AR 和 AR 之間的跳數(shù)。 由于＞1，故 βd2＜CTβd2，故改進(jìn)后數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)降低。

1.3 HM IPV6數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)

d5和d6分別表示 GATE和 CH、GATE和 AR之間的跳數(shù)。同樣分析發(fā)現(xiàn)直接路徑代價(jià)中數(shù)據(jù)包由HA發(fā)送到AR后，由AR發(fā)送給MN時(shí)可以不再用隧道發(fā)送，可以直接發(fā)送，即可改進(jìn)為：

1.4 PM IPV6數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)

LMA首先接收從CH發(fā)送至MN的數(shù)據(jù)包，然后通過隧道發(fā)送[8]至AR，因此可以表示為：

同樣分析發(fā)現(xiàn)直接路徑代價(jià)中數(shù)據(jù)包由LMA發(fā)送到AR后，由AR發(fā)送給MN時(shí)可以不再用隧道發(fā)送，可以直接發(fā)送，即可改進(jìn)為

2 實(shí)驗(yàn)仿真與分析

2.1 數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)性能分析

數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)性能仿真是在MATLAB7.0平臺(tái)上進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)參數(shù)參照文獻(xiàn)[5]如下所示：d1=4，d2=1，d3=8，d4=10，d5=6，d6=4，d7=2，α=1，β=2，CT=20。由上文的分析可知，現(xiàn)有移動(dòng)IPV6協(xié)議的數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)在改進(jìn)后的模型下比在現(xiàn)有模型下低。本文僅以MIPV6為例加以仿真，其他協(xié)議類似。同時(shí)，對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)IPV6協(xié)議在改進(jìn)的模型下的性能加以仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 為 λ=0.2，L （p）=10時(shí)，ω=0.5 時(shí)數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)隨著會(huì)話到達(dá)率、間接路徑數(shù)據(jù)包達(dá)到率、數(shù)據(jù)包平均會(huì)話長(zhǎng)度的關(guān)系。隨著移動(dòng)IPV6協(xié)議數(shù)據(jù)包會(huì)話到達(dá)率、平均會(huì)話長(zhǎng)度的增加，其數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)隨之增加。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)和數(shù)據(jù)包平均會(huì)話長(zhǎng)度成正比，所以其二者之間呈線性關(guān)系。隨著移動(dòng)IPV6協(xié)議間接路徑數(shù)據(jù)包到達(dá)率的增加，MIPV6和FMIPV6隨之增加，而HMIPV6和PMIPV6則保持不變，這是因?yàn)镸IPV6和FMIPV6的數(shù)據(jù)包發(fā)送由直接路徑和間接路徑兩部分組成，間接路徑的代價(jià)高于直接路徑，故隨著間接到達(dá)的數(shù)據(jù)包增加，其數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)增加。而HMIPV6和PMIPV6則是由直接路徑傳輸數(shù)據(jù)包，故不會(huì)隨著間接路徑到達(dá)率的變化而變化。

MIPV6的數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)隨著會(huì)話到達(dá)率、間接路徑數(shù)據(jù)包到達(dá)率、數(shù)據(jù)包平均會(huì)話長(zhǎng)度的增大而增大，在改進(jìn)模型下比在現(xiàn)有模型下數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)更低，這種差別隨著會(huì)話到達(dá)率的增大越加明顯。

2.2 時(shí)延和吞吐量分析

網(wǎng)絡(luò)仿真是一種利用數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)分析的方法模擬網(wǎng)絡(luò)的行為，從而獲取特定的網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)的方法。本文的時(shí)延和吞吐量的仿真是建立在OPNET系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)上的。

表1列出了MIPV6、HMIPV6在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型下和改進(jìn)模型下切換時(shí)延和平均吞吐量。從該表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，采用改進(jìn)模型可以有效降低切換時(shí)延，增加平均吞吐量，通信質(zhì)量得到一定的提高。

3 結(jié)束語

圖3 數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)比較Fig.3 Structure diagram of the packet delivery cost

表1 切換時(shí)延和吞吐量分析Tab.1 Analysis of handoff latency and throughput

文中改進(jìn)了現(xiàn)有移動(dòng)IPV6性能分析模型，分析對(duì)比了移動(dòng)IPV6協(xié)議在現(xiàn)有模型下和改進(jìn)模型下的數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)與會(huì)話到達(dá)率、數(shù)據(jù)包會(huì)話長(zhǎng)度和間接路徑數(shù)據(jù)包到達(dá)率的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)仿真表明，移動(dòng)IPV6協(xié)議在改進(jìn)的模型下數(shù)據(jù)包發(fā)送代價(jià)和切換時(shí)延較低，吞吐量有所增加，通信質(zhì)量得到一定的提高。

參考論文：

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