PMIPv6定時(shí)塊綁定更新技術(shù)研究*

陳光韜，秦雅娟

（北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

PMIPv6定時(shí)塊綁定更新技術(shù)研究*

陳光韜，秦雅娟

（北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

代理移動(dòng)IPv6的IETF草案RFC5213規(guī)范了對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性的管理，且僅偏重于單個(gè)節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)與解注冊(cè)機(jī)制。草案RFC6602在代理移動(dòng)IPv6的基礎(chǔ)上添加了塊綁定更新的功能，用于對(duì)MAG下多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組管理。通過(guò)分析RFC6602中基于塊綁定更新的代理移動(dòng)IPv6注冊(cè)管理機(jī)制及其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，搭建PMIPv6定時(shí)塊綁定更新實(shí)驗(yàn)環(huán)境，測(cè)試分析其信令開銷和交互信令數(shù)量，并與基本PMIPv6進(jìn)行了分析和對(duì)比。

代理移動(dòng)IPv6 塊綁定 定時(shí)更新 注冊(cè)

1 引言

PMIPv6（Proxy Mobile IPv6，代理移動(dòng)IPv6）是IETF（The Internet Engineering Task Force，國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組）草案RFC5213[1]提出的一種基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理協(xié)議，用以解決單個(gè)終端移動(dòng)性管理的問(wèn)題[2]。該協(xié)議對(duì)終端的復(fù)雜性要求低，不需要終端進(jìn)行任何改變，并且通過(guò)保證終端在PMIPv6域內(nèi)移動(dòng)時(shí)使用同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址與通信對(duì)端進(jìn)行通信，來(lái)確保移動(dòng)終端在切換時(shí)不會(huì)造成通信中斷[3]。

在PMIPv6中，隨著接入MAG（Mobility Access Gateway，移動(dòng)接入網(wǎng)關(guān)）的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)增多，功能實(shí)體LMA（Local Mobile Anchor，本地移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)）和MAG之間的信令將成倍增加，從而占用大量網(wǎng)絡(luò)資源[4]。其主要原因是RFC5213規(guī)范了在PBU（ProxyBinding Update，代理綁定更新）和PBA（Proxy Binding Acknowledge，代理綁定確認(rèn)）消息中要攜帶移動(dòng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符選項(xiàng)，因此每個(gè)綁定更新操作只能管理1個(gè)移動(dòng)性會(huì)話，缺乏管理一組移動(dòng)性會(huì)話的能力。另外，為了延長(zhǎng)移動(dòng)會(huì)話的生存時(shí)間，PMIPv6需要MAG代理每個(gè)會(huì)話向LMA發(fā)送1個(gè)PBU消息，這將會(huì)導(dǎo)致LMA和MAG之間的信令數(shù)量線性增加。

為了解決上述問(wèn)題，RFC6602[5]提出了塊綁定更新的概念。通過(guò)添加新的移動(dòng)性選項(xiàng)和標(biāo)志位，塊綁定操作可以控制一組移動(dòng)性會(huì)話，從而減少LMA和MAG之間的信令數(shù)量。本文介紹了PMIPv6的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)管理機(jī)制，研究了定時(shí)塊綁定更新PMIPv6的功能原理，并分析比較了塊綁定更新PMIPv6與基本PMIPv6在信令開銷方面的性能。

2 PMIPv6移動(dòng)節(jié)點(diǎn)管理機(jī)制

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的管理，PMIPv6在移動(dòng)IPv6[6]協(xié)議的基礎(chǔ)上規(guī)范了2個(gè)實(shí)體：LMA和MAG。MAG主要負(fù)責(zé)檢測(cè)MN（Mobile Node，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)）的接入和離開，代理MN進(jìn)行PBU消息的發(fā)送和PBA消息的接收，為MN建立和刪除MAG到LMA的隧道[7]、BULE（Binding Update List Entry，綁定更新列表?xiàng)l目）和路由。LMA負(fù)責(zé)接收PBU消息和發(fā)送PBA消息，為MN分配HNP（Home Network Prefix，家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴），建立和刪除MAG到LMA之間的隧道、BCE（Binding Cache Entry，綁定緩存條目）和路由。完成代理注冊(cè)后，MAG向MN發(fā)送包含HNP的RA（Router Advertisement，路由通告）消息。MN收到RA后，BULE通過(guò)獲取其中的HNP，配置相應(yīng)的IPv6地址，進(jìn)而可以與CN（Correspondent Node，通信對(duì)端）進(jìn)行正常通信。當(dāng)MN從MAG1切換到MAG2時(shí)，MAG2代理MN進(jìn)行注冊(cè)。在MN接入MAG2的同時(shí)，MAG1也會(huì)檢測(cè)到MN的離開，并為MN進(jìn)行解注冊(cè)。在整個(gè)過(guò)程中，MN并不參與信令交互，而是由功能實(shí)體LMA和MAG完成MN路由、前綴、位置等的管理。

PMIPv6通過(guò)LMA和MAG這2個(gè)實(shí)體對(duì)MN進(jìn)行管理，并且上層的管理對(duì)MN是透明的，簡(jiǎn)化了終端的工作。由于LMA和MAG之間交互的信令都攜帶有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符選項(xiàng)，所以其管理是基于單個(gè)節(jié)點(diǎn)的，并且LMA和MAG還要對(duì)節(jié)點(diǎn)的生存周期進(jìn)行管理，即需要定時(shí)的信令交互來(lái)延長(zhǎng)其生存時(shí)間。

基本PMIPv6的3個(gè)階段信令流程如圖1所示：

圖1 PMIPv6信令流程

由此可見，PMIPv6實(shí)現(xiàn)的是對(duì)單個(gè)MN的管理，當(dāng)MN數(shù)量增加時(shí)，其管理機(jī)制是并行的，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間并沒有相互的關(guān)聯(lián)性，導(dǎo)致PMIPv6的管理機(jī)制欠缺靈活性、效率低、存儲(chǔ)與索引節(jié)點(diǎn)信息的復(fù)雜度增大。為了保證其通信不中斷，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，LMA和MAG之間的信令交互數(shù)量將成倍增加，從而增加信令開銷，降低節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性管理的效率。

3 塊綁定更新PMIPv6管理機(jī)制

在RFC6602基礎(chǔ)上，本文通過(guò)在移動(dòng)性頭部添加組標(biāo)識(shí)符選項(xiàng)和塊綁定更新標(biāo)志位B，實(shí)現(xiàn)了塊綁定更新的注冊(cè)與解注冊(cè)機(jī)制，以支持LMA和MAG這2個(gè)實(shí)體對(duì)一組移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的管理。在塊綁定更新中，MAG在接入階段為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組，而LMA在注冊(cè)階段為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組，這2種分組相互獨(dú)立，從而實(shí)現(xiàn)LMA和MAG對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的雙向管理。在定時(shí)更新階段，塊綁定更新只需在PBU和PBA中包含1個(gè)組標(biāo)識(shí)符，為組節(jié)點(diǎn)進(jìn)行生存時(shí)間的延長(zhǎng)，不但降低了LMA和MAG之間信令交互的數(shù)量，也降低了信令的頭部開銷。

基于PMIPv6的定時(shí)塊綁定更新包括接入階段、定時(shí)塊綁定更新階段和切換階段。其核心思想是在定時(shí)塊綁定更新階段，通過(guò)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組管理，以同時(shí)維護(hù)多條鏈路狀態(tài)。

塊綁定更新信令流程如圖2所示：

圖2 塊綁定更新信令流程

（1）接入階段：MN接入MAG，MAG通過(guò)MN的MAC地址查找對(duì)應(yīng)的MN_id，并根據(jù)相應(yīng)的管理機(jī)制為節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的Bulk_MAG_id，然后MAG為MN建立BULE，存儲(chǔ)MN_id和Bulk_MAG_id，并代理MN向LMA發(fā)送包含有MN_id和Bulk_MAG_id的PBU進(jìn)行注冊(cè)。LMA收到后，查找MN_id所對(duì)應(yīng)的HNP，并根據(jù)LMA定義的管理機(jī)制，給MN分配相應(yīng)的Bulk_LMA_ id，然后為MN建立一個(gè)BCE，存儲(chǔ)PBU攜帶的MN_id和Bulk_MAG_id以及LMA自己分配的Bulk_LMA_id，再將HNP和Bulk_LMA_id添加到PBA發(fā)給MAG，并為HNP建立通向MAG的隧道和路由。MAG收到LMA返回的PBA后，提取HNP添加到RA消息中發(fā)送給MN，并為HNP和Bulk_LMA_id更新BULE，建立通向LMA的隧道和路由。

（2）定時(shí)塊綁定更新階段：MN注冊(cè)完畢后，MAG已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了分組，組內(nèi)成員的生存時(shí)間具有同步性。為了延長(zhǎng)生存時(shí)間，MAG會(huì)代理整個(gè)組向LMA進(jìn)行更新，每個(gè)組只需發(fā)送1個(gè)PBU消息，PBU消息中只需攜帶1個(gè)組標(biāo)識(shí)符Bulk_MAG_id，此時(shí)PBU中只包含1個(gè)移動(dòng)性選項(xiàng)。LMA收到該P(yáng)BU消息后，提取Bulk_MAG_id，再根據(jù)該組標(biāo)識(shí)符索引所有組內(nèi)的MN，并為這些節(jié)點(diǎn)延長(zhǎng)生存時(shí)間，然后將Bulk_MAG_id添加到PBA消息發(fā)送給MAG，此時(shí)PBA中只包含1個(gè)移動(dòng)性選項(xiàng)。MAG收到PBA后，提取其中的Bulk_MAG_id，并根據(jù)該組標(biāo)識(shí)符索引所有組內(nèi)的MN，更新其BULE。

（3）切換階段：塊綁定更新的離開過(guò)程與PMIPv6的切換離開過(guò)程相同，接入新MAG的過(guò)程則與塊綁定更新的接入過(guò)程相同。

4 塊綁定更新PMIPv6性能分析

通過(guò)對(duì)基本PMIPv6和塊綁定更新PMIPv6這2種方案的機(jī)制分析可以看出，在信令開銷[8]方面，由于定時(shí)塊綁定更新在接入和切換階段加入了組標(biāo)識(shí)符選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)對(duì)MN的分組管理，因此這2個(gè)階段塊綁定更新信令消息的開銷比PMIPv6大，但是這個(gè)階段信令交互數(shù)量非常少，故其影響可以基本忽略不計(jì)。在定時(shí)塊綁定更新階段，塊綁定更新定時(shí)操作信令只需攜帶組標(biāo)識(shí)符選項(xiàng)，而基本PMIPv6要攜帶所有移動(dòng)性選項(xiàng)，所以在此階段塊綁定更新的信令開銷要小于基本PMIPv6。信令交互數(shù)量方面，在定時(shí)更新階段，由于基本PMIPv6要為每個(gè)節(jié)點(diǎn)定時(shí)延長(zhǎng)生存時(shí)間，因此LMA和MAG在此階段的信令會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而線性增加。定時(shí)塊綁定更新在此階段會(huì)為每個(gè)組定時(shí)延長(zhǎng)整個(gè)組內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，而每個(gè)組只需要一次信令交互，所以采用塊綁定更新機(jī)制會(huì)大大減少LMA和MAG之間的信令交互數(shù)量。切換時(shí)延方面，由于在程序中添加了塊綁定處理模塊，與基本PMIPv6相比只增加了額外的處理時(shí)間，因此切換時(shí)延略有增加，但基本可以忽略不計(jì)。

綜上所述，塊綁定更新在接入和切換階段信令開銷較大，而切換時(shí)延基本相同。但是在定時(shí)更新階段，其大大減小了LMA和MAG之間的信令包數(shù)量及信令開銷，并且增強(qiáng)了對(duì)接入節(jié)點(diǎn)的管理。與基本PMIPv6相比，基于PMIPv6的塊綁定更新的優(yōu)點(diǎn)是：減少了定時(shí)更新階段LMA和MAG之間信令的數(shù)量；減小了定時(shí)更新階段PBU和PBA數(shù)據(jù)包的大??；通過(guò)LMA和MAG分別對(duì)用戶進(jìn)行分組，實(shí)現(xiàn)了對(duì)MN的雙向管理，使通過(guò)通信業(yè)務(wù)、通信質(zhì)量、通信內(nèi)容等來(lái)對(duì)移動(dòng)用戶進(jìn)行管理成為可能。

基本PMIPv6與塊綁定更新PMIPv6對(duì)比具體如表1所示：

表1 基本PMIPv6與塊綁定更新PMIPv6對(duì)比

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證塊綁定更新PMIPv6的性能，本文搭建了如圖3所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這里將5個(gè)MN接入MAG1，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間均設(shè)為15s。由于塊綁定更新的切換時(shí)延與基本PMIPv6的基本一致，因此本文只對(duì)LMA和MAG之間的信令數(shù)量及信令開銷進(jìn)行了分析比較。

圖3 塊綁定更新實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

通過(guò)Wireshark軟件抓取LMA和MAG之間的信令包，得到節(jié)點(diǎn)不同分組數(shù)和不同時(shí)間段內(nèi)的信令數(shù)量，如圖4所示：

圖4 LMA和MAG之間的信令數(shù)量對(duì)比

由 此可見，在多個(gè)MN接入MAG時(shí)，通過(guò)使用塊綁定更新對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)施分組管理，可以顯著減少LMA和MAG之間的信令數(shù)量。

對(duì)塊綁定更新PMIPv6接入階段、定時(shí)更新階段和切換階段信令包的大小進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖5所示：

圖5 3個(gè)階段信令包的大小對(duì)比

由此可見，通過(guò)使用塊綁定更新，可以在定時(shí)更新階段顯著減小數(shù)據(jù)包的大小。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)基本PMIPv6和塊綁定更新PMIPv6的信令流程、管理特性以及塊綁定更新PMIPv6的性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，詳細(xì)設(shè)計(jì)了基于PMIPv6的塊綁定更新功能，軟件實(shí)現(xiàn)了2種方案，并測(cè)試了2種方案的信令數(shù)量及開銷。塊綁定更新采用對(duì)節(jié)點(diǎn)分組管理的機(jī)制，通過(guò)在信令消息中添加組標(biāo)識(shí)符選項(xiàng)和塊綁定更新標(biāo)志位B，有效地減少了信令消息在定時(shí)更新階段的交互數(shù)量和信令開銷。同時(shí)，塊綁定更新也增強(qiáng)了功能實(shí)體對(duì)MN的管理能力，使得通信業(yè)務(wù)、通信質(zhì)量、通信內(nèi)容等的分組管理成為可能[9]。但由于塊綁定更新并沒有一個(gè)規(guī)范的管理機(jī)制，所以根據(jù)哪些特性來(lái)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組管理并沒有過(guò)多的要求。在后續(xù)的研究工作中，將對(duì)塊綁定更新的分組機(jī)制和管理機(jī)制進(jìn)行相關(guān)的研究實(shí)現(xiàn)。

[1] Gundavelli S, Leung K, Devarapalli V, et al. Proxy Mobile IPv6[S]. RFC5213, 2008: 3-30.

[2] 劉騰飛. 代理移動(dòng)IPv6下子網(wǎng)移動(dòng)方案的實(shí)現(xiàn)與分析[J]. 重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2013,25(3): 372-378.

[3] Johnson D, Perkins C, Arkko J. Mobility Support in IPv6[S]. RFC3775, 2004: 5-10.

[4] 延志偉. 基于MIPv6/PMIPv6的移動(dòng)性支持關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2011.

[5] Abinader F, Gundavelli S, Leung K, et al. Bulk Binding Update Support for Proxy Mobile IPv6[S]. RFC6602, 2012: 1-23.

[6] Perkins C, Johnson D, Arkko J. Mobility Support in IPv6[S]. RFC6275, 2011: 8-19.

[7] Simpson W. IP in IP Tunneling[S]. RFC1853, 1995: 3-10.

[8] 劉銀龍. 代理移動(dòng)I Pv6的開銷分析與自適應(yīng)化[J]. 北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào), 2010,33(5): 56-60.

[9] Van Jacobson, Dinna K Smetters, D James, et al. Networking Named Content[D]. USA: Palo Alto Research Center, 2009.

[10] 張載龍,徐莉. 基于PMIPv6的移動(dòng)性管理方案研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展, 2014,24(11): 190-193.★

陳光韜：碩士畢業(yè)于北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)。

秦雅娟：現(xiàn)任北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橄乱淮苿?dòng)交換技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、寬帶無(wú)線通信。

池?zé)槼桑焊呒?jí)工程師，碩士，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院，長(zhǎng)期從事電信業(yè)務(wù)的研究與支撐工作，主要研究方向?yàn)闃I(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)（BSS）、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

Research on Periodic Bulk-Binding-Update under Proxy Mobile IPv6

CHEN Guang-tao, QIN Ya-juan
(School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

The standard IETF draft RFC5213 specifi es mobility support for a single node for Proxy Mobile IPv6. At present, the research on proxy mobile IPv6 (PMIPv6) only focuses on registration and de-registration of single node. The periodic bulk-binding-update is added in the draft RFC6602 on the basis of PMIPv6 which can be used in multinode grouping management under MAG. According to the analyses of both the registration management mechanism and its technical advantages of PMIPv6 based on bulk-binding-update, the experimental platform of PMIPv6 bulkbinding-update was built on which the signaling overhead and the amount of mutual signaling were a nalyzed, and the analysis and comparison with PMIPv6 were presented.

PMIPv6 bulk-binding periodic update registration

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.10.008

TP393

A

1006-1010(2015)10-0041-05

陳光韜,秦雅娟. PMIPv6定時(shí)塊綁定更新技術(shù)研究[J]. 移動(dòng)通信, 2015,39(10): 41-45.

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAH06B01）

2015-01-27

責(zé)任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn