優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)在PB-FMIPv6中的應(yīng)用

馬李罡

（南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210003）

0 引言

當(dāng)前，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分。隨著各種移動(dòng)通信設(shè)備，如智能手機(jī)、平板電腦等的發(fā)展，人們希望能夠在移動(dòng)過(guò)程中依然對(duì)互聯(lián)網(wǎng)保持高速接入，這對(duì)目前的移動(dòng)性管理技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，同時(shí)也促進(jìn)了移動(dòng)性管理技術(shù)的發(fā)展。

MIPv6協(xié)議是IETF (International Engineering Task Force)提出的移動(dòng)性管理協(xié)議，于2004年成為正式RFC3775標(biāo)準(zhǔn)，旨在使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在IPv6網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)時(shí)依然能夠保持通信的連通性[1]。每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)永久唯一的歸屬網(wǎng)絡(luò)地址。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)不在歸屬網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，會(huì)由一個(gè)轉(zhuǎn)交地址表明移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置。送往移動(dòng)節(jié)點(diǎn)歸屬網(wǎng)絡(luò)地址的IPv6數(shù)據(jù)包會(huì)在對(duì)上層“透明”的情況下路由到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的轉(zhuǎn)交地址。

MIPv6使節(jié)點(diǎn)在不同接入路由器間移動(dòng)時(shí)，無(wú)需改變IP地址就可以保持“網(wǎng)絡(luò)連接性”。但在切換過(guò)程中，由于鏈路切換和IP協(xié)議的操作，在“切換時(shí)延”內(nèi)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是不能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的，而“切換時(shí)延”來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)MIPv6協(xié)議的“移動(dòng)檢測(cè)”，“新轉(zhuǎn)交地址配置”和“綁定更新”過(guò)程，這會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)時(shí)應(yīng)用和數(shù)據(jù)包吞吐量敏感應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量，因此，為減少“切換時(shí)延”和“包丟失率”，多種改進(jìn)的方案陸續(xù)被提出，如，F(xiàn)MIPv6 (Mobile IPv6 Fast Handovers)[2]，HMIPv6 (Hierarchical Mobile IPv6)[3]，PMIPv6 (Proxy Mobile IPv6)[4]等。這其中FMIPv6由于其對(duì)MIPv6較好的繼承性和易于實(shí)現(xiàn)性，得到了較為廣泛的應(yīng)用，同時(shí)，文獻(xiàn)[5]通過(guò)仿真證實(shí)：在絕大多數(shù)環(huán)境中，F(xiàn)MIPv6的切換效率要高于HMIPv6和PMIPv6。

FMIPv6通過(guò)鏈路層觸發(fā)預(yù)測(cè)新接入路由，在鏈路層切換發(fā)生之前或過(guò)程中，完成標(biāo)準(zhǔn)MIPv6的“移動(dòng)檢測(cè)”和“新轉(zhuǎn)交地址配置”過(guò)程，同時(shí)對(duì)鏈路層切換過(guò)程中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行緩存，從而降低了切換時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失率。

PB-FMIPv6是文獻(xiàn)[6]中提出的對(duì)FMIPv6的優(yōu)化協(xié)議，該協(xié)議主要針對(duì)FMIPv6的時(shí)延進(jìn)行了優(yōu)化，授權(quán)預(yù)測(cè)新接入路由代替MN在鏈路層切換之前或過(guò)程中進(jìn)行MN與HA和CN的綁定更新過(guò)程，從而使標(biāo)準(zhǔn)MIPv6中發(fā)生在鏈路層切換之后的綁定更新過(guò)程與鏈路層切換并行執(zhí)行，降低了切換時(shí)延。文獻(xiàn)[7]利用OMNeT++，在802.11b模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)FMIPv6和PBFMIPv6進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果顯示PB-FMIPv6的切換時(shí)延較FMIPv6有了顯著下降。

1 相關(guān)研究介紹

1.1 MIPv6

MIPv6可以保證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(MN)在不同子網(wǎng)間移動(dòng)時(shí)，不改變移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的IP地址。但MIPv6切換延時(shí)較大、切換過(guò)程中丟包率大，無(wú)法使用戶得到良好的數(shù)據(jù)接入服務(wù)體驗(yàn)。MIPv6的信令交互流程如圖1所示。

圖1 MIPv6信令流程

本文關(guān)注鏈路層觸發(fā)，所以重點(diǎn)描述與鏈路層切換相關(guān)的處理過(guò)程。

“鏈路層切換”隨鏈路層協(xié)議和具體硬件應(yīng)用場(chǎng)景的不同而不同。

“移動(dòng)檢測(cè)”主要目的是判斷是否發(fā)生L3切換，一般的方法是沿用IPv6的“鄰居發(fā)現(xiàn)”機(jī)制，而“鄰居發(fā)現(xiàn)”又包括“鄰居不可達(dá)檢測(cè)”和“路由器發(fā)現(xiàn)”。當(dāng)通過(guò)“鄰居不可達(dá)檢測(cè)”判斷出默認(rèn)路由器雙向不可達(dá)時(shí)，則發(fā)生了L3切換。

檢測(cè)到L3切換后，MN會(huì)對(duì)其“鏈路域地址”進(jìn)行“重復(fù)地址檢測(cè)”過(guò)程(Duplicate Address Detection, DAD)，通過(guò)“路由器發(fā)現(xiàn)”選擇一個(gè)新的默認(rèn)路由器，然后執(zhí)行“前綴發(fā)現(xiàn)”從而形成新的轉(zhuǎn)交地址[1]。

1.2 FMIPv6

FMIPv6可以減少切換延時(shí)和包丟失率。FMIPv6協(xié)議有兩種工作模式，預(yù)應(yīng)式工作模式和反應(yīng)式工作模式。

1.2.1 預(yù)應(yīng)式工作模式

該工作模式下，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前鏈路中收到FBack，這意味著MN進(jìn)行鏈路層切換的時(shí)候，新舊接入路由器之間的隧道處在工作狀態(tài)，緩存起來(lái)的數(shù)據(jù)包會(huì)在MN接入到新鏈路同時(shí)收到MN發(fā)送的UNA消息后，立即轉(zhuǎn)發(fā)給MN。這種工作模式下，鏈路層切換時(shí)間段的數(shù)據(jù)包因?yàn)榈玫骄彺娑粫?huì)丟失，是理想的工作的模式。

預(yù)應(yīng)式工作模式的信令流程如圖2所示。

與鏈路層切換相關(guān)的操作和MIPv6相同，分別為移動(dòng)檢測(cè)、DAD和新CoA生成，下面將分別描述上述操作過(guò)程。

“移動(dòng)檢測(cè)”過(guò)程如下。MN通過(guò)某些鏈路層機(jī)制（如，WLAN中的“掃描”機(jī)制）發(fā)現(xiàn)可用AP或者僅當(dāng)執(zhí)行“路由器發(fā)現(xiàn)”后，MN發(fā)送RtSolPr (Router Solicitation Proxy Advertisement)消息給當(dāng)前AR，以獲得“AP標(biāo)識(shí)”對(duì)應(yīng)的子網(wǎng)信息。AR回送包含一個(gè)或多個(gè)[AP-ID, AR-Info]組的PrRtAdv (Proxy Router Advertisement)消息。通過(guò)這些信息MN可輕松的進(jìn)行“移動(dòng)檢測(cè)”。

圖2 FMIPv6信令流程

FMIPv6協(xié)議中說(shuō)明，F(xiàn)MIPv6應(yīng)用的場(chǎng)景是通過(guò)某些地址管理機(jī)制，使地址沖突概率極低，可以忽略，進(jìn)而不用進(jìn)行DAD過(guò)程。

MN通過(guò)PrRtAdv消息中的信息形成NCoA。

1.2.2 反應(yīng)式工作模式

該工作模式下，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在新鏈路收到FBack。這時(shí)MN不確定PAR是否成功處理FBU，所以會(huì)在發(fā)送UNA (Unsolicited Neighbor Advertisement)消息之后立即重新發(fā)送FBU。反應(yīng)式工作模式下，MN在連接到新鏈路后才開(kāi)始進(jìn)行FBU等信令交互，由于在鏈路層切換之前新舊路由器間沒(méi)有形成隧道，所以鏈路層切換時(shí)間段和MN收到經(jīng)NAR轉(zhuǎn)發(fā)的來(lái)自PAR的FBack消息之前時(shí)間段的數(shù)據(jù)包都會(huì)丟失，切換性能較預(yù)應(yīng)式工作模式有所下降。

1.3 PB-FMIPv6

PB-FMIPv6的 思 想 是 在PrNAR (Proxy NAR)確定NCoA可用后，由NAR代替MN向HA和CN做綁定更新工作，從而使綁定更新過(guò)程能夠和鏈路層切換并行進(jìn)行，不但降低了切換時(shí)延，而且減少了緩存數(shù)據(jù)包量、減輕了新舊路由器間隧道的負(fù)擔(dān)。PB-FMIPv6的信令流程如圖3所示。

圖3 PB-FMIPv6信令流程

1.4 限定性鏈路層觸發(fā)算法

限定性鏈路層觸發(fā)算法是文獻(xiàn)[8]提出的算法，該算法基于FMIPv6，旨在提供精確的鏈路層觸發(fā)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，使FMIPv6即能工作在預(yù)應(yīng)式工作模式，又不會(huì)因過(guò)早的鏈路層觸發(fā)而造成過(guò)多的服務(wù)時(shí)延和數(shù)據(jù)包緩存量。為更好的說(shuō)明算法原理，F(xiàn)MIPv6預(yù)應(yīng)式工作模式的時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 FMIPv6預(yù)應(yīng)式工作模式時(shí)序圖

Tprep是從L2觸發(fā)到MN收到FBack的時(shí)間，這段時(shí)間包括NCoA生成過(guò)程、NCoA驗(yàn)證過(guò)程和PAR/NAR隧道建立過(guò)程。Twait是MN等待鏈路層切換的時(shí)間，這段時(shí)間由L2觸發(fā)時(shí)間決定，所以這段時(shí)延又被稱作“預(yù)測(cè)時(shí)延”[9]。Tlink是鏈路層切換時(shí)間，這一時(shí)間一般考慮為固定值，同時(shí)這段時(shí)間會(huì)依不同廠商的硬件設(shè)備而產(chǎn)生差別[10]。

針對(duì)802.11 WLAN網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[8]提出了RLT (Remaining Life Time)的概念，這是一個(gè)即時(shí)概念，它表明了該時(shí)刻以MN此時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度移出當(dāng)前服務(wù)WLAN的剩余時(shí)間。tn時(shí)刻的RTL[tn]由式（1）給出：

其中，Redge為WLAN網(wǎng)絡(luò)邊緣信號(hào)強(qiáng)度，R[tn]為tn時(shí)刻的信號(hào)強(qiáng)度，ΔR[tn-1, tn]為tn時(shí)刻的信號(hào)強(qiáng)度變化速率，由式（2）給出：

文獻(xiàn)[8]提出的限定性鏈路層觸發(fā)算法的思想是使當(dāng)RTL等于Tprep時(shí)產(chǎn)生鏈路層觸發(fā)，這樣既能保證FMIPv6工作在預(yù)應(yīng)式工作模式，又使Twait為零，減少了數(shù)據(jù)包延時(shí)、減輕了PRA/ NAR隧道負(fù)擔(dān)。

2 問(wèn)題描述

由移動(dòng)性管理協(xié)議介紹可知，PB-FMIPv6是對(duì)MIPv6協(xié)議較為成功的優(yōu)化協(xié)議，它將HA綁定更新、RRP和CN綁定更新授權(quán)給NAR來(lái)執(zhí)行，使MIPv6和FMIPv6中發(fā)生在鏈路層切換過(guò)程之后的這一系列過(guò)程同鏈路層切換并行執(zhí)行，從而降低了切換時(shí)延，同時(shí)減輕了PAR/NAR隧道負(fù)載。

限定性鏈路層觸發(fā)是基于FMIPv6提出的鏈路層觸發(fā)算法，文獻(xiàn)[8]在Qualnet環(huán)境下仿真結(jié)果表明該算法較固定值鏈路層觸發(fā)算法有更短的數(shù)據(jù)包時(shí)延，同時(shí)可以減輕PAR/NAR隧道負(fù)擔(dān)。

由于PB-FMIPv6同F(xiàn)MIPv6一樣，也有預(yù)應(yīng)式和反應(yīng)式兩種模式，鏈路層觸發(fā)的時(shí)間選擇同樣不但直接決定協(xié)議的工作模式，而且也會(huì)引入預(yù)測(cè)時(shí)延Twait，所以本文借鑒了限定性鏈路層觸發(fā)算法思想，將限定性鏈路層觸發(fā)引入到PBFMIPv6中，同時(shí)考慮到PB-FMIPv6和FMIPv6的差異，提出了優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)算法，使PB-FMIPv6的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

由文獻(xiàn)[11]對(duì)FMIPv6在實(shí)際802.11 WLAN中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，TPrep-T（預(yù)測(cè)隧道時(shí)延），也即Twait，是整個(gè)切換過(guò)程中最耗時(shí)的過(guò)程，平均占總切換時(shí)延的75.63%[11]，所以可以推想引入優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)算法會(huì)對(duì)PB-FMIPv6起到明顯的優(yōu)化效果。

以下部分是對(duì)優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)算法理論分析。

3 優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)算法

因?yàn)镻B-FMIPv6通過(guò)PrNAR來(lái)完成HA綁定更新、RRP和CN綁定更新過(guò)程，所以我們將同時(shí)分析MN和PrNAR的時(shí)序狀況，圖5是PBFMIPv6預(yù)應(yīng)式工作模式的時(shí)序圖。

圖5 PB-FMIPv6預(yù)應(yīng)式工作模式時(shí)序圖

如圖5所示，當(dāng)PrNAR驗(yàn)證了HI中的新轉(zhuǎn)交地址的唯一性后，便發(fā)送HACK告知PAR驗(yàn)證結(jié)果，同時(shí)開(kāi)始綁定更新過(guò)程。Twait是MN收到FBack到舊鏈路斷開(kāi)的時(shí)間段，這段時(shí)延是由鏈路層觸發(fā)引入的，如果將這段時(shí)延減小，那數(shù)據(jù)包時(shí)延將會(huì)縮短，同時(shí)PAR/NAR隧道負(fù)擔(dān)也將減輕。限定性鏈路層觸發(fā)算法在FMIPv6中將Twait置零，但PB-FMIPv6中PrNAR的綁定更新過(guò)程是和MN的鏈路層切換時(shí)同時(shí)進(jìn)行的，而這兩個(gè)過(guò)程所需的時(shí)間是不同的，所以本文提出的優(yōu)化限定性觸發(fā)算法考慮了兩種情況：

(a)如果PrNAR綁定跟新時(shí)間小于等于MN鏈路層切換時(shí)間，則沿用限定性鏈路層觸發(fā)算法的方法，使RLT等于Tprep時(shí)產(chǎn)生鏈路層觸發(fā)。這樣就能最大程度地縮短切換時(shí)延。

(b)如果PrNAR綁定更新時(shí)間大于MN鏈路層切換時(shí)間，則使RLT等于Tprep+TBU-Tlink時(shí)產(chǎn)生鏈路層觸發(fā)。這樣的觸發(fā)時(shí)間選擇，既合理地縮短了切換時(shí)延，又不至于發(fā)生MN切換到新鏈路后等待PrNAR綁定更新過(guò)程結(jié)束的尷尬情況發(fā)生。

圖6 優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)算法流程圖

圖6是優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)算法的流程圖。MN周期性的檢測(cè)WLAN中的R[tn]，當(dāng)R[tn]的值小于WLAN中穩(wěn)定信號(hào)最小值Rlow時(shí)便會(huì)比較TBU和Tlink，TBU和Tlink是上次切換實(shí)測(cè)值，由于MN移動(dòng)范圍的地理連續(xù)性，上次切換實(shí)測(cè)值較文獻(xiàn)[8]中采用的實(shí)驗(yàn)平均值更能真實(shí)的反映網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化情況。如果TBU≤Tlink，則算法處理過(guò)程同限定性鏈路層觸發(fā)算法，這里I1[tn]是比較間隔，由公式 （3）給出：

其中β是調(diào)控參數(shù)，其取值越高則比較間隔越小，判斷精度也就越高。如果TBU＞Tlink，則算法會(huì)判斷使當(dāng)RLT等于Tprep+TBU-Tlink時(shí)產(chǎn)生鏈路層觸發(fā)，圖中I2[tn]是比較間隔，由公式（4）給出：

同樣，β也是調(diào)控參數(shù)，其取值越高則比較間隔越小，判斷次數(shù)越多，判斷精度也就越高。另外，算法中的α是一個(gè)權(quán)重系數(shù)，其取值為1到2，目的是防止RLT變得過(guò)小，當(dāng)然α取值越靠近1，算法的時(shí)間控制越接近理論情況。

4 仿真結(jié)果分析

本文采用OMNeT++仿真環(huán)境，從延遲數(shù)據(jù)包數(shù)量和切換時(shí)間的角度，對(duì)采用固定門(mén)限觸發(fā)算法的PB-FMIPv6協(xié)議和采用優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)算法的PB-FMIPv6協(xié)議進(jìn)行了比較。延遲數(shù)據(jù)包量是指鏈路層觸發(fā)產(chǎn)生的時(shí)刻到MN發(fā)送UNA消息的時(shí)刻中發(fā)往MN的數(shù)據(jù)包的數(shù)量，由于這一時(shí)間段內(nèi)MN停止接收數(shù)據(jù)包，所以這段時(shí)間內(nèi)發(fā)往MN的數(shù)據(jù)包都將產(chǎn)生延遲，延遲數(shù)據(jù)包量反映一種切換方案的切換操作對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用的影響情況。切換時(shí)間是指數(shù)據(jù)鏈路層觸發(fā)產(chǎn)生的時(shí)刻到MN發(fā)送UNA消息的時(shí)刻的時(shí)長(zhǎng)，這段時(shí)間反映一種切換方案的切換操作所消耗的時(shí)間。

圖7是本文仿真的參考網(wǎng)絡(luò)模型，如圖所示，12個(gè)無(wú)線接入子網(wǎng)均采用2.4 GHz 802.11 b標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋區(qū)邊緣信號(hào)強(qiáng)度為-82 dBm，為便于說(shuō)明和簡(jiǎn)單起見(jiàn)，相鄰AP的間距相等，信號(hào)覆蓋范圍重疊區(qū)域面積相等。仿真開(kāi)始時(shí)，MN位于歸屬網(wǎng)絡(luò)，由歸屬網(wǎng)絡(luò)代理路由器HA提供與對(duì)端節(jié)點(diǎn)CN的通信，仿真運(yùn)行過(guò)程中，MN依次經(jīng)過(guò)12個(gè)子網(wǎng)，經(jīng)歷11次切換。MN的首次切換是從歸屬網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)到AR1提供服務(wù)的外地網(wǎng)絡(luò)，遵循MIPv6協(xié)議，剩余的切換遵循PB-FMIPv6協(xié)議。仿真過(guò)程中，CN和MN間進(jìn)行固定碼率(CBR)通信，CN向MN發(fā)送間隔為10～2 s的UDP數(shù)據(jù)包，AR間的鏈路延遲忽略不計(jì)，MN-CN鏈路延遲采用25 msec，MN的移動(dòng)速度分別取5，10，20，30 m/s，以代表移動(dòng)設(shè)備用戶的不同移動(dòng)速度，優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)算法中的調(diào)控參數(shù)α和β分別取1.5和2。

圖7 參考仿真網(wǎng)絡(luò)模型

圖8比較了在MN-CN鏈路延遲為25 msec的情況下，當(dāng)MN以不同速度移動(dòng)時(shí)，采用-76 dBm切換門(mén)限的原始PB-FMIPv6協(xié)議和采用優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)算法的PB-FMIPv6協(xié)議的延遲數(shù)據(jù)包量和切換時(shí)間。圖(a)是延遲數(shù)據(jù)包量的變化情況，從圖中可知，隨著MN移動(dòng)速度的增加，原始PB-FMIPv6的延遲數(shù)據(jù)包量有下降趨勢(shì)，從MN移動(dòng)速度為5 m/s的1467.6變化到MN移動(dòng)速度為30 m/s時(shí)的272.6，盡管數(shù)值有所下降但依舊保持著較高的水平，比較而言，采用優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)算法的PB-FMIPv6協(xié)議的延遲數(shù)據(jù)包量受MN移動(dòng)速度影響不大，一直保持著146.2的平均數(shù)值。圖(b)是切換時(shí)延的變化情況，從圖中可知，原始PB-FMIPv6協(xié)議和采用優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)算法的PB-FMIPv6協(xié)議的切換時(shí)延保持了和圖(a)中延遲數(shù)據(jù)包量一樣的變化趨勢(shì)，原始PB-FMIPv6協(xié)議的切換時(shí)延隨MN速度從1 4679.0 ms變化到2 729.0 ms，采用優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)算法的PB-FMIPv6協(xié)議的切換時(shí)延保持著1 463.3 ms的平均值。由圖8可知，優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)算法較為明顯地提高了PB-FMIPv6的切換性能。

圖8 MN-CN鏈路延遲=25 ms、固定門(mén)限PB-FMIPv6的切換門(mén)限=-76 dBm時(shí)，延遲數(shù)據(jù)包數(shù)量、切換時(shí)間隨MN移動(dòng)速度的變化情況

5 結(jié)論

借鑒FMIPv6中限定性鏈路觸發(fā)算法的思想，本文提出了應(yīng)用在PB-FMIPv6中的優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)算法，該算法綜合考慮了FMIPv6和PB-FMIPv6的共同點(diǎn)和差異，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化情況，提供了精確的鏈路層觸發(fā)時(shí)間，即保證PB-FMIPv6工作在預(yù)應(yīng)式工作模式，又合理地縮短切換時(shí)延，避免了MN切換到新鏈路后等待PrNAR完成綁定更新過(guò)程的尷尬情況。仿真結(jié)果表明優(yōu)化限定性鏈路層觸發(fā)算法對(duì)PB-FMIPv6協(xié)議的延遲數(shù)據(jù)包數(shù)量和切換時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化，提高了PB-FMIPv6協(xié)議的整體切換性能。

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