在基于IP的無線網(wǎng)絡中提升PM IPv6的跨域切換性能

齊虹，袁全，龐明寶，董維超

（1.天津電子信息職業(yè)技術學院網(wǎng)絡技術系，天津300350；2.河北工業(yè)大學土木工程學院，天津300401；3.北華航天工業(yè)學院研究生部，河北廊坊065000）

在基于IP的無線網(wǎng)絡中提升PM IPv6的跨域切換性能

齊虹1，袁全2，龐明寶2，董維超3

（1.天津電子信息職業(yè)技術學院網(wǎng)絡技術系，天津300350；2.河北工業(yè)大學土木工程學院，天津300401；3.北華航天工業(yè)學院研究生部，河北廊坊065000）

PM IPv6協(xié)議，是一種基于網(wǎng)絡的區(qū)域移動性管理協(xié)議，它是在一個局限的網(wǎng)絡訪問域中保持對移動終端的移動性支持，但傳統(tǒng)的PM IPv6機制不能實現(xiàn)PM IPv6域間無縫切換．本文提出了一個預處理機制，用來管理移動終端的切換過程，保障其在PM IPv6跨網(wǎng)域切換過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性．這個機制引入了一種中級全局移動錨點（GLMA）實體，負責協(xié)調(diào)移動終端的切換及數(shù)據(jù)流量重定向．并通過做出一系列模擬評估實驗，論述這個預處理機制在傳統(tǒng)的PM IPv6跨域交接機制中更加有效地實現(xiàn)切換延時、吞吐量、協(xié)議信令成本及端到端流量交付延遲等問題．

代理移動IPv6協(xié)議；切換協(xié)調(diào)機制；切換延時；流量重定向

1 PM IPv6傳統(tǒng)機制

PM IPv6是一款用于支持域內(nèi)移動性漫游的協(xié)議，其性能及在切換性能方面的擴展性都強于PM IPv6[1-2]，其傳統(tǒng)跨域切換機制有諾依曼機制和TD機制．

諾依曼機制的提出是為了MH用戶在PM IPv6網(wǎng)絡中的域間移動時提供移動性支持[3]．一旦MH進入PM IPv6訪問域，它將在主LMA hLMA域內(nèi)注冊．同時，MH開始通過hLMA訪問域獲得服務，hLMA為MH域間定位認證發(fā)揮作用．而且，它在MH從之前在的當前pLMA漫游到新連接的nLMA的過程中傳輸MH的數(shù)據(jù)流量．TD機制意欲通過引進一種被叫做流量分配器TD的新型的網(wǎng)絡實體來處理PM IPv6域間移動性相關信令，它負責支持MH域間移動和在PM IPv6訪問域之間分配MH的數(shù)據(jù)流量．

在這2個傳統(tǒng)機制中，移動設備切換時仍然出現(xiàn)切換延時長、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)丟包失及一些額外的移動性信令問題，這導致了MH漫游性能降低[4]，不能保證PM IPv6域間的無縫的切換．

2 提升PM IPv6的跨域切換性能-GLMA機制

本文提出了一種有效的機制來支持無縫快速的MH切換．這個機制介紹了一種叫做中級全局移動錨點（GLMA）實體，主要負責協(xié)調(diào)MH的切換和保持數(shù)據(jù)會話的通暢性．GLMA將多個PM IPv6的網(wǎng)絡訪問域連接在一起并協(xié)調(diào)MH在各個域的切換工作，從而提供MH跨域移動的無縫切換服務．

GLMA將1臺MH在漫游跨域之前，同時執(zhí)行預域間位置注冊和重域間接入認證服務[5]．MH連接和從接入點斷開的確切時間無法精確計算，但可以通過一些可靠的網(wǎng)絡事件通知來反應，從而獲得設備的連接狀態(tài)．當相鄰區(qū)域的信號強度高于本地信號強度某一給定的值（達到這個給定的值說明目前連接的信號強度將不足以維持MH的數(shù)據(jù)通信），便會觸發(fā)切換服務．在這個機制中，為了更好的支持MH跨網(wǎng)域漫游的移動性，GLMA還使用了一種新的列表，叫做LMA緩存接入（LCE），LCE用于監(jiān)控LMA群在PM IPv6管理域中的注冊狀態(tài)．當任何一臺LMA并入或脫離這個群時，其狀態(tài)會即時上傳同步．為保證MH地址不被替換，GLMA在其被事件觸發(fā)器提醒時預先通過查找緩存內(nèi)LCE列表，向多個PM IPv6訪問域鄰居泛洪MH的環(huán)境信息文件．PM IPv6訪問域鄰居將暫時儲存這些環(huán)境信息．無論何時這些預注冊過的移動設備連入任意PM IPv6鄰居訪問域時，它都會快速收到一個RtrAdv信息，域內(nèi)的MH便可快速地配置其新連入的端口，恢復通信會話．GLMA還將移動設備的數(shù)據(jù)流量重定向至其新連入的訪問域．而且，為了減少網(wǎng)絡丟包，GLMA還會在MH使用帶有優(yōu)化功能的緩沖技術，儲存上行流量．

此機制利用額外1比特flag“G”字段加入了2個通知信息：Forward_PBU和Forward_PBAck，以啟用前文移動相關性信令流．保障了MH通信會話的連續(xù)性，減少了服務的中斷，提供了無縫的漫游服務．GLMA機制的信令流如圖1所示．

圖1 GLMA的機制下的切換序列Fig.1 Handover signaling flow sequenceof theGLMAmechanism

3 新切換機制與傳統(tǒng)PM IPv6機制的性能對比

3.1 切換延時

3.1.1 切換延時性能分析

無論何時MH發(fā)生切換時，諾依曼機制和TD機制都會頻繁地調(diào)用MH域位置注冊服務，并且還涉及到一些在nLMA和hLMA/pLMA之間的請求-響應信令處理過程，以此來保證MH的地址不會丟失[6]．切換延時取決于從MH訪問鏈路到接入認證完成、位置注冊、獲取MH地址請求-響應信令過程及向MH發(fā)送一個RtrAdv信息完成的時間．

GLMA會在MH確實移動到新的訪問域之前啟動一個預域間注冊進程．這個進程同時處理MH的授權問題和向新的域鄰居轉發(fā)MH環(huán)境信息的過程．所以，這將允許在MH連入它們的訪問域的瞬間啟動一個快速路由推送．這樣一來，本機制的切換延時將取決于從設備訪問鏈路到一個RtrAdv信息發(fā)送至MH的時間．

式(1)、式(2)、式(3)分別是諾依曼機制、TD機制和本文提出的機制切換延時的計算公式．其中：Tattach是MH連入新鏈路的時間；TAAA是MH的接入認證處理過程的時間；TnLMAhLMA和TnLMApLMA分別是為了保證MH地址不丟失，在新的LMA和主LMA及新LMA和當前LMA之間的請求-響應過程的時間；Ttunnel是建立通道的時間；TRtrAdv是收到路由推送的時間．

式(3)解釋了本文提出的機制切換處理過程，即同時在GLMA和nLMA之間啟動預域間注冊信令和MH的環(huán)境信息轉發(fā)（即保證MH地址不丟失），TGLMAnLMA為其所用時間．這個過程避免了像諾依曼機制和TD機制中nLMA與主/當前LMA之間大量的請求-響應信令．此外，nLMA與nMAG之間的接入認證的延時TAAA，建立單項通道時間（12Ttunnel）都不被算在MH的切換延時中．這是因為它們的信令產(chǎn)生時間都在MH漫游至新的訪問域之前．同時，當MH連入nLMA鏈路后，nLMA也只需要一小段時間來為MH進行鏈路注冊TMHnLMA，并建立保留端點通道（12Ttunnel），以完成對MH新的域位置的同步．

對于所有相同的給定網(wǎng)絡拓撲，Tattach和TRtrAdv是相等的．所以，本文提出的機制的切換延時TProposedHandover比TD機制的切換延時TTDHandover短．因此，本文提出的切換機制在切換延時上的性能要遠遠的優(yōu)于諾依曼機制和TD機制．

3.1.2 切換延時對不同無線鏈路延遲的影響

無線鏈路通常不穩(wěn)定并且主要影響著端到端通信性能[7]，本文針對LMA出入鏈路和MH間傳統(tǒng)無線鏈路延遲的影響，分析PM IPv6跨域切換延時．

當MH與其CN通信時，便會發(fā)生從當前域至其它域的跨域切換．各機制下MH的跨域切換狀態(tài)平均切換延時如圖2所示．其中諾依曼機制和TD機制中繁瑣的切換處理造成了很大的切換延時，比本文提出的機制要高的多．

一般來說，所有機制都會受到無線鏈路切換延時的影響，因為它們都會經(jīng)常用到無線連接．當關注MH與LMA之間無線連接延遲的增加時，將會影響到MH用來接收路由推廣以配置其接口地址的時間，以至于當其漫游時切換延時將會大幅增加．然而，本文提出的機制在進入切換狀態(tài)后利用低級移動性相關信令來完成MH的跨域注冊，以提前處理機制顯示了其優(yōu)秀的提升．

3.1.3 切換延時對各種域間延遲的影響

域間延時對切換延時的影響如圖3所示．

圖3 不同內(nèi)部域下切換延遲的影響Fig.3 Impactof thehandover latency over various inter-domain delays

在諾依曼機制和TD機制中，當主/當前訪問域與新訪問域之間的跨域延遲越長，切換延時就會越長[8]．這是因為切換過程在MH從主/當前訪問域斷開連接并連入新的訪問域之后才進行．此外，諾依曼機制與TD機制中的切換過程依靠的是主/當前訪問域與新訪問域之間有線鏈接額外的移動性相關信令．所以，每當域間有線鏈路的延遲增加時，跨域的切換延時將會更加顯著的增加．

相反，本文提出的機制中跨域切換延時將大幅降低．無論域間延遲如何增長，跨域切換延時的減少是不變的，這是因為其中不包含任何主/當前訪問域與新訪問域之間的移動性相關信令．所以，在這個機制中，域間切換延遲與域間切換延時沒有任何關系．

3.2 吞吐量

吞吐量指的是單位時間產(chǎn)生的所有凈流量總和[9]．計算當MH跨域時在其上接受到突發(fā)的吞吐量，研究切換時期對實現(xiàn)吞吐量的影響和MH漫游移動對不同流量源信道利用的影響．

為了得到諾依曼機制、TD機制和本文提出機制的所有吞吐行為，我們計算在MH上當其漫游跨域時對其收到的UDP流量的瞬時吞吐量．一般來說，在MH發(fā)生跨域切換時，其吞吐量便會收到相應的制約．這是因為它無法在切換的過程中接收任何數(shù)據(jù)流量．

切換過程中在MH上收到的瞬時吞吐量在3種機制中的區(qū)別如圖4所示．

圖4 UDP吞吐流量的切換延時Fig.4 Impactof handover latency for UDP throughput

在諾依曼機制和TD機制中，MH在切換過程中的上行流量會有很多丟失，造成了無法恢復的吞吐量降低．這是因為網(wǎng)絡需要一些時間來完成一些移動性相關信令處理——MH的跨域注冊、接入認證、通道建立、維持MH地址等．然而，本文提出的機制和傳統(tǒng)機制不同，吞吐量降低的時間不需要那么長，這是因為大多數(shù)的信令在MH進入切換過程之前就已經(jīng)完成．所以，這將允許MH在造成極少丟包的情況下更快地恢復其通信會話．相比傳統(tǒng)的機制，本文提出的機制可以實現(xiàn)更高的吞吐量．

另一方面，如果在GLMA上啟動了緩沖機制，則此機制將會在MH切換的過程中保存上行流量數(shù)據(jù)，并且在MH連入新訪問域的同時將其轉發(fā)．所以，這個機制實現(xiàn)了更低的丟包率．這樣一來，它便在沒有服務中斷的情況下實現(xiàn)了更佳的流量吞吐．此外，盡管在切換過程中造成了瞬時的吞吐量下降，在切換后持續(xù)的上傳緩沖的流量便有效地解決了這個問題．

3.3 協(xié)議信令成本

協(xié)議信令成本取決于額外的協(xié)議信令流量負載[10]．協(xié)議信令成本按照Csignalling_cost=number×s×h/t來計算．公式中：number表示協(xié)議信令包的數(shù)量；s表示協(xié)議包的大??；h表示源到目的節(jié)點的跳數(shù)．然后，取其對時間t的平均值．

為了計算信令成本，需要確定MH跨域切換的概率．設MH在一張拓撲中跨域的概率為p，拓撲中每個訪問域都具有相鄰訪問域的數(shù)量并且訪問域總數(shù)量為N，MH的總數(shù)量為n．于是，MH位于nLMA訪問域回到其LMA訪問域中的概率pnLMAhLMA為p/N，MH從其hLMA訪問域移動到nLMA訪問域的概率phLMAnLMA為p p/N．諾依曼機制的協(xié)議信令消耗包含了對于hLMA訪問域的nLMA的綁定同步信令．如式(4)所示，當其偵測到MH的連接訪問時，hLMA與nLMA之間便會交換PBU和PBAck信息來完成這個信令．另一方面，TD機制的協(xié)議信令消耗包括2個階段．首先，當MH回到其hLMA時，hLMA會向pLMA發(fā)送一個PBU_Forwarding信息并還要向所有TD實體發(fā)送一個PBU_Relay_Cancel信息．其次，當MH連接到nLMA訪問域時，nLMA會向pLMA發(fā)送一個PBU_Forwarding信息并向特定的TD實體發(fā)送一個PBU_Relay_Request信息，然后，它會向由pLMA選出的TD實體（非nLMA選出的）發(fā)送PBU_Relay_Cancel信息.TD信令成本的計算公式如公式(5)．

本文提出的機制協(xié)議信令成本計算如公式(6)所示．

式(4)、式(5)、式(6)中：n表示協(xié)議信令包的數(shù)量；p設為MH在一張拓撲中跨域概率；pnLMAhLMA為MH位于nLMA訪問域回到其LMA訪問域中的概率；phLMAhLMAMH從其hLMA訪問域移動到nLMA訪問域的概率；SPBU表示代理綁定更新協(xié)議包大小；SPBACK表示代理綁定確定協(xié)議包大??；SPBU_Forwarding表示MH發(fā)送一個PBU_Forwarding信息協(xié)議包大小；Ack均表示與對應信息包的回應；SPBU_Relay_Request表示nLMA向特定的TD實體發(fā)送一個PBU_ Relay_Request信息協(xié)議包的大??；SPBU_Relay_cancel表示由pLMA選出的TD實體（非nLMA選出的）發(fā)送PBU_Relay_ Cancel信息；SForward_PBU表示cLMA發(fā)送一個Forward_PBU信息協(xié)議包大??；hnLMAhLMA表示MH從其hLMA訪問域移動到nLMA訪問域的節(jié)點跳數(shù)；hnLMATD表示MH從其hLMA訪問域移動到TD實體節(jié)點跳數(shù)；hCLMAGLMA表示MH從其cLMA訪問域移動到GLMA訪問域的節(jié)點跳數(shù)；hnLMAGLMA表示MH從其NLMA訪問域移動到GLMA訪問域的節(jié)點跳數(shù)；LCE#表示緩存列表號．

在MH從cLMA訪問域斷開并連入到nLMA訪問域中之前，cLMA會向GLMA發(fā)送一個Forward_PBU信息（flagG字段置為0）．同時，GLMA會基于LCE列表向多個nLMA鄰居訪問域中發(fā)送Forward_PBAck信息（flagG字段置為1）．然后，只要當MH連接到nLMA的訪問域中，nLMA就會向GLMA發(fā)送一個Forward_PBU信息（flagG字段置為1）作為回應，以便完成MH在新訪問域中的位置注冊．

可以看出，這個機制的信令成本低于TD機制的．這是因為其中的預處理的跨域切換機制和在切換過程中更少的需要被執(zhí)行的信令信息．

3.4 端到端流量交付延時

網(wǎng)絡中的端到端流量交付延時指的是數(shù)據(jù)流量從源轉發(fā)到目的地所用的時間．

圖5說明了所有機制下的端到端流量交付流．在諾依曼機制中，原來訪問域中的hLMA會收到發(fā)往MH的全部數(shù)據(jù)流量.然后它用通向nLMA訪問域的通道轉發(fā)這些數(shù)據(jù)流量．另一方面，在TD機制中，hLMA與MH的流量轉發(fā)無關.而且憑借TD實體的幫助，流量可以在pLMA-nLMA訪問域之間轉發(fā)．這在MH切換直到TD選擇算法完成為MH建立BCE記錄期間將通過一條通道完成．然后，TD將直接把數(shù)據(jù)流量轉發(fā)給nLMA[11]．

相反，在本文提出的機制下，GLMA支持快速域間切換并在短暫的切換期內(nèi)維持數(shù)據(jù)流量連續(xù)．這與流量傳輸中與hLMA、pLMA無關，是充分利用優(yōu)化的緩存技術把數(shù)據(jù)流量重定向到nLMA來實現(xiàn)的[12]．因此，本文提出的機制中，端到端流量交付延遲大大降低，同時也減少了網(wǎng)絡丟包．

式(7)、式(8)分別呈現(xiàn)了諾依曼機制和TD機制中端到端流量交付延時的計算．

圖5 端到端的流量交付Fig.5 End-to-end data traffic delivery flows

本文提出機制的端到端數(shù)據(jù)交付延時包括式(9)中呈現(xiàn)的替換部分．

式(7)、(8)、(9)中的T均為各節(jié)點之間的流量交付延時，需要特別說明的是其中Tbuffer為緩沖區(qū)域流量交付延時，Thandover為MH跨區(qū)切換時的流量交付延時．

所有機制中端到端流量交付延時的幾個部分中的TCNAR，TnLMAnMAG和TnMAGMH在相同的網(wǎng)絡拓撲中，正如圖5所示是相等的．此外，式(8)中的TARPTD和TPTDnLMA等于公式(9)中的TARGLMA和TGLMAnLMA，因為它們遵循相同的路由線路．

為了更深入評估端到端流量交付延時，計算諾依曼機制、TD機制和本文提出的機制在單位時間內(nèi)MH接收數(shù)據(jù)流量的端到端流量交付延時，如圖6所示．

從這個圖中能夠看出本文提出的機制中平均端到端流量交付延遲會增加，但與諾依曼機制和TD機制相比增長率低很多．

4 結論

本文提出了一個低延遲的PM IPv6跨域切換機制，這個機制明顯地支持了無縫的MH跨域漫游．這些都源于利用叫做GLMA的媒介作用實體預先對所有MH進行協(xié)調(diào)，并且為了無縫和快速的MH跨域切換，GLMA連接了PM IPv6訪問域組[13]．此外，GLMA利用優(yōu)化過的流量緩沖技術，在MH跨域切換時存儲了MH的上行流量并保持其數(shù)據(jù)會話通暢．所以，它提供了一個在向新的訪問域轉發(fā)流量時不需要包含主訪問域或當前訪問域的流量重定向機制．

圖6 各種端到端的數(shù)據(jù)轉發(fā)路徑交付延遲的影響Fig.6 Impactsof the various forwarding pathsoverend-to-end data traffic delivery latency

該機制的好處：

1）支持MH在PM IPv6下跨網(wǎng)域漫游；

2）減少了切換延時和網(wǎng)絡丟包；

3）減少了協(xié)議信令成本；

4）提供接入認證和MH在全網(wǎng)絡域中切換的漫游支持；

5）改善了所有端到端流量交付延時．

因此，該機制可在基于IP的無線網(wǎng)絡中提升PM IPv6的跨域切換性能，提高端對端服務效率，對于所有MH端到端的服務質(zhì)量將很大程度的改善．

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[責任編輯 代俊秋]

Enhancing inter-PM IPv6-domain for superiorhandover performanceacross IP-basedw irelessdomain networks

QIHong1，YUAN Quan2，PANGM ingbao2，DONGWeichao3

(1.DepartmentofNetwork Technology,Tianjin Electronic Information College,Tianjin300350,China;2.SchoolofCivilEngineering, HebeiUniversity of Technology,Tianjin300401,China;3.DepartmentofPostgraduate,North China InstituteofAerospaceEngineering, HebeiLangfang 065000,China)

ProxyMobile IPv6(PM IPv6),asanetwork-basedmobilitymanagementprotocol,maintains theMH'smobility roam ing supportw ithin an intra-domain.Butthe traditionalPM IPv6mechanism cannotrealizeseam lesshandoveracross domain of PM IPv6.This paper proposesan effectivemechanism tomanageMH handoverandmaintain its data session continually across inter-PM IPv6 domains.The proposedmechanism introduces an intermediate globalmobility anchor entity,called(GLMA),which is responsible to coordinateMH handoverand redirects its traffic across inter-PM IPv6-domains.In addition,severalsimulation experimentswere conducted to show the superiorperformanceof the proposed mechanism over the conventionalinter-PM IPv6-domain schemesin termsofhandover latency to achieve throughput,protocolsignaling cost,and end-to-end traffic delivery latency.

PM IPv6;handover coordinator;handover latency;traffic redirection

TP393

A

1007-2373(2016)03-0093-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.03.016

2016-03-02

河北省自然科學基金（E201502266）

齊虹（1972-），女（漢族），副教授．