一种基于信息交换的层次型快速移动IPv6切换机制
彭 军，张 伟，郭 迎，丁晨阳，孟庆俊
(中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙，410075)
摘 要： 针对现有移动IPv6切换延迟大、分组丢失率高问题，提出一种基于信息交换的层次型快速移动IPv6切换(IFHMIPv6)机制。设计一种信息交换机制，使移动节点可预知领域内各接入路由器之间的邻居关系及相应的第2层和第3层信息；结合分层切换和快速切换，在分层移动IPv6上调整快速移动IPv6的信令流程，简化切换准备阶段操作；通过设置隧道定时器，保留在原路由器中建立的隧道。研究结果表明：IFHMIPv6在减少无线接入网络发现延迟和候选路由器发现延迟的基础上，进一步减少了总体切换延迟和分组丢失率，降低移动节点乒乓运动引入的信令开销；IFHMIPv6的切换延迟和分组丢失率比FMIPv6和HMIPv6的低。
关键词： 移动IPv6；信息交换；IFHMIPv6；切换延迟
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2009)03-0749-07
Information exchange-based fast handover scheme for hierarchical mobile IPv6
PENG Jun, ZHANG Wei, GUO Ying, DING Chen-yang, MENG Qing-jun
(School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: To resolve the problem of long handover delay and high packets loss in MIPv6, an information exchange-based fast handover scheme for Hierarchical Mobile IPv6 (IFHMIPv6) was proposed. With information exchange, mobile node foreknows the neighboring relationship among access routers and their related information. After combining FMIPv6 and HMIPv6, the operation in anticipation phase was simplified by adjusting signaling flow of FMIPv6 over HMIPv6. Furthermore, IFHMIPv6 sets a tunnel timer for reserving the tunnel established in the previous network. The results show that IFHMIPv6 can reduce the time of radio access network discovery and candidate access router discovery, the total handover delay and packets loss, and large signaling cost introduced by mobile node’s ping-pong movement. The performance of IFHMIPv6 handover is excellent.
Key words: MIPv6; information exchange; IFHMIPv6; handover delay
随着无线网络的发展和各种Internet网络服务的出现，人们对实时多媒体业务(如IP电话、在线视频等)的需求不断扩大。移动IPv6协议(MIPv6，即Mobile IPv6)[1]是下一代网络实现无缝漫游的一种基本技术，它能够使移动节点(MN，即Mobile node)在异构网络中随意移动和漫游，但当MN在网络中漫游发生越区切换时，主机既不能发送，也不能接收报文，造成主机通信的中断延迟。现有MIPv6协议存在切换延迟大、分组丢失率高的缺点，不能满足延迟敏感的实时业务的QoS要求。因此，如何减少MIPv6的切换延迟，实现快速平滑的切换，成为近年来MIPv6的研究热点之一[2-4]。目前，针对MIPv6延迟大、分组丢失率高等问题，国内外研究者提出了多种解决方案，如：微移动解决方案Cellular IP[5]，基于多播机制的平滑切换方案[6]，无缝切换机制SMIP[7]和SLIM[8]，优化各局部延时的解决方案[9]，基于流的快速MIPv6[10]等，但这些方案或需要增加新的网络实体(Cellular IP)，或增大了网络资源消耗(多播机制)，且对切换延迟的减少有限[11]。
相对以上各种方案，快速移动IPv6[12-13](FMIPv6，即Fast mobile IPv6)和层次型移动IPv6[14-15](HMIPv6，即Hierarchical mobile IPv6)是更具代表性且更成熟的MIPv6增强方案，目前，已经成为IETF RFC标准。FMIPv6通过在第2层切换之前实行第3层切换对总体切换延迟最小化，而HMIPv6通过向移动锚点(MAP，即Mobility anchor point)注册，减少了局部注册延迟。这2种改进型切换机制分别从不同角度减少了切换延迟，若将两者结合，则可让MIPv6的切换机制得到改善。但之前结合FMIPv6和HMIPv6的方 法[16-17]大多分别处理各自的流程，而不是将这2种方法有机整合，两者融合后仍然存在一些问题需要优化，主要体现在以下3方面：
a. 无线接入网络发现。MN在多种无线技术并存的网络环境中进行切换时，首先需要发现哪种无线接入网络是可获得的。为此，MN通过搜索和扫描它所支持的无线接入网络规范的信道来发现可用的无线接入技术，这将花费相当大的一段时间，占用了总体延迟很大一部分[18]。
b. 候选接入路由器发现。若将IETF制定的候选AR发现协议[19](CARD，即Candidate access router discovery)集成到FMIPv6中，则将进一步改善切换 性能。
c. 切换准备阶段的负面影响。需减少第2层触发消息产生不及时或临时中断造成的负面影响，将切换准备阶段一些费时的操作提前到第2层触发消息产生之前进行，简化切换准备阶段的操作，使得切换操作进入预测模式来实现。
针对上述问题，本文作者提出一种基于信息交换的层次型快速移动IPv6切换机制(IFHMIPv6，即Information exchange-based fast handover for hierarchical mobile IPv6)。首先，设计一种信息交换的方法，将切换准备阶段一些操作提前到第2层触发消息产生之前进行，并将CARD集成到FMIPv6中；然后，改进无线接入网络发现算法，解决无线接入网络发现延迟大的问题；通过设置隧道定时器的方法保留原路由器中建立的隧道，有效减少MN进行乒乓运动时引入的信令开销。
1 IFHMIPv6中的信息交换机制
在IFHMIPv6中，设计一种MAP，AR和MN之间的信息交换机制，使MN预知第2层信息、当前AR的邻居AR及其第3层信息，为快速执行切换提供有效支持。交换的信息分为第2层信息和第3层信息，这些信息定时更新。第2层信息包括AR当前提供的无线接入技术、第2层标识、使用的信道参数、接入点的链路层地址等；第3层信息包括无线网络中通告的网络前缀，相应AR的全局地址等信息。
信息交换包括2个过程：MAP构建并更新邻居信息表和MN获得并储存邻居信息表内的信息。
1.1 邻居信息表的构建与更新
在信息交换机制中，MAP从MN的运动切换过程中学习到AR之间的邻居关系并维护一个邻居信息表，包括其领域中所有AR的第2层、第3层信息以及各AR邻居关系，形成邻居信息表的过程如下：
a. MAP接收其他节点发送来的数据包分组，判断该分组是否为域内AR周期性发送来的有关该AR的第2层、第3层信息，若是，则记录这些信息，并更新原来的邻居信息表中各AR的邻居关系，否则，进行步骤b操作；
b. 判断该分组是否是由MN发送来的BU信息，若是，则MAP从接收的BU消息中提取上个AR和MAP的地址以及当前AR和MAP的地址，MAP比较和这2组地址，更新AR之间的邻居关系。若仅AR地址不同，则说明这2个AR位于同一个MAP领域中，然后，MAP更新PAR和NAR的邻居关系；若AR地址和MAP地址都不相同，则说明这2个AR位于不同的MAP领域中，在这种情况下，不仅要更新PAR和CAR的邻居关系，还要更新PMAP和CMAP的邻居关系。若该分组不是由MN发送来的BU信息，则信息交换机制不对该分组进行任何处理。
邻居信息表的构建及更新过程可由图1和图2所示的实例来说明。
图1 网络拓扑结构图
Fig.1 Topology structure of network
(a) MN从ARI切换到AR3；(b) MN从AR3切换到AR4
图2 MAP中邻居信息表更新过程
Fig.2 Process of neighbor information table update in MAP
网络中共设2个MAP，4个AR和1个MN。每个AR采用不同链路层接入技术，MN中设置多块不同网卡以支持不同接入技术。MN从AR1处向右运动，经由AR2和AR3移动到AR4处进行3次切换，其中，从AR2到AR3时的切换为宏观移动切换。
图2中箭头上数字代表3次切换中的序号。第1次切换时，MAP1通过MN发送过来的BU信息意识到MN已经从AR1移动到AR2，MAP1就更新邻居信息表中AR1和AR2在邻居路由信息表中相应的邻居关系项；第2次切换时，MAP2知道MN从AR2移动过来，而且AR2属于 MAP1，MAP2上邻居信息表中AR3以及MAP2对应的信息就要改变，MAP2还需将邻居信息表发送给MAP1，让MAP1更新AR2和MAP1对应的邻居关系项；同理，当第3次切换时，MAP2更新AR3以及AR4在邻居信息表中相应的邻居关系项。
1.2 邻居信息表的储存
为了避免MN每次进入新子网都要与AR进行路由器请求消息和路由器通告消息的交互来获得邻居AR的信息，本文的信息交换机制支持MN对邻居信息表进行存储。MN只需进入MAP时与MAP之间通过请求/回复模式来获得邻居信息表，因此，定义了2个新的相关消息IRequest/IReply。MN在切换到新MAP后向MAP发送请求信息IRequest，MAP通过IReply消息将邻居信息表发送给MN。
IRequest/IReply这2个新增消息属于ICMPv6消息，IRequest消息格式及各个字段定义与ICMPv6回声请求报文(ERM，即Echo request message)格式相同(见RFC2463[20])，但类型号值为160；IReply消息格式除保留ICMPv6 ERM数据字段且类型号值为161外，还在数据字段添加了选项域。
IReply消息中选项域的有效选项包含第2层信息选项、IP地址选项和邻居关系选项，数据格式如图3所示，其中：图3(a)所示的 IP地址选项中，AR标识用来表示关联同一个AR的相关信息，前缀长度域为AR的IP地址前缀长度，AR地址域为AR的IPv6地址；图3(b)所示为链路层信息选项，包含了各接入点的类型、第2层地址以及使用的相关信道参数；图3(c)所示为邻居关系选项，表示各AR之间邻居关系。
(a) IP地址选项格式；(b) 链路层信息选项格式；(c) 邻居关系选项格式
图3 IReply消息有效选项的数据格式
Fig.3 Formats of IReply message
2 IFHMIPv6机制工作流程
IFHMIPv6切换机制的工作流程可分为3部分：首先，在信息交换机制的基础上改进快速无线接入网络发现算法；然后，给出IFHMIPv6的切换流程；最后，通过设立隧道定时器，减少由于乒乓运动频繁切换引入的信令开销。
2.1 快速无线接入网络发现算法
通过对无线接入网络发现时的完全扫描算法分析，发现有2个主要因素影响信道搜索延迟：需要搜索的信道数以及搜索等待时间。有信息交换支持的选择性信道扫描算法程序如下：
Initiate channel scanning
for each kind of radio access technology i the selected AR supports do
Switch to correspondent radio mode
Broadcast probe request on channel j related to
the radio mode
Start probe timer
while True do
Read probe responses
if Medium is idle until S expires then
break
end if
else if all the APs on this channel have replied then
break
end if
else if B expires then
break
end if
end while
end for
在该算法程序中，S代表最小信道时间，即Min Channel Time。在IFHMIPv6中，通过信息交换，MN预先知道MAP下各个候选路由器及其提供的无线接入技术、接入点使用的信道频率参数以及同一个AR关联的接入点的数目，这样，进行第2层扫描时不需要搜索所有的信道来找到可用的接入网络，只需搜索对应候选AR支持的无线信道(算法程序中第2~4行)，有效减少了搜索的信道数，根据预知的AP数目，当某个信道上没有可提供回复信息的接入点时，无需等待最大信道时间(Max Channel Time，在算法程序中用B表示)结束，就可以停止对此信道的搜索(算法程序中第11~13行)。
2.2 IFHMIPv6切换流程
IFHMIPv6机制仅考虑一个领域中不同子网间的切换，整个网络是一个层次型的体系结构。为了执行信息交换机制，MAP领域内的各个AR会周期性地发送各相邻AR的第2层、第3层信息给MAP，这里统称这些信息为周期性交换信息(PEI，即Periodic exchange information)。切换过程在MN将移动到新的子网边界处时开始，使用IFHMIPv6机制的切换过程如下。
a. MN发送IRequest消息给MAP，请求获得邻居信息表的信息，根据回复的IReply消息，MN发现候选AR并存储邻居信息表。
b. MN根据邻居信息表中的信息为MN预先配置在各邻居网络中使用的转交地址，包含在TFBU消息中发送给MAP，这里的TFBU不同于FMIPv6协议中的FBU消息，包含一个新定义的标志T位，以示区别。
c. 收到TFBU消息以后，MAP发送包含相同T位的HI消息和当前AR相邻的各候选AR。要求在MAP和各邻居AR之间建立转发隧道，这里不在PAR和NAR之间建立隧道，是为了优化路由，减少分组传输延迟。
d. 当每个邻居AR收到HI消息后，会为HI中包含的转交地址进行DAD过程，并以HACK消息作为回应给MAP。与FMIPv6中隧道建立不同的是，在HI/HACK成功交换后，MAP和每个邻居AR之间的隧道不可用，处于临时状态，不会将分组转发给新转交地址。
e. MAP收到HACK消息后发送TFBACK消息，回复MN发送的TFBU消息。
f. 当MN接收到第2层触发信号LGD(链路即将断开)后，发送FBU消息给MAP，其中包含在切换目标网络NAR1中使用的新转交地址，激活原先已建好的MAP和NAR1间的临时隧道，MAP开始将分组转发到NAR1。
g. MN接收到回应的FBACK消息后，发送第2层触发信号LS(链路切换)到第2层，开始执行实际的第2层切换。
h. 实际的第2层切换完成后，一旦MN接收到第2层触发信号LU(链路连接上)，会发送FNA消息给NAR1。
i. 当NAR1从MN接收到FNA后，会将缓存在NAR1上的数据发送给MN。
IFHMIPv6机制的切换过程如图4所示。
图4 IFHMIPv6机制的切换操作过程
Fig.4 Handover operation with IFHMIPv6 scheme
2.3 隧道定时器
IETF规定MN每次接入到新的AR之后，必须在家乡代理及相关通信节点处进行完整的绑定更新过程。当MN位于AR边界时，可能会做乒乓运动，这样，会导致频繁的隧道建立与拆除过程。考虑到这种情况，在IFHMIPv6机制中采用隧道定时器方法，管理隧道资源，以获得更好的切换性能。
操作方法为：每次切换时，当MN完成向MAP的注册更新过程后，不立即拆除隧道，而是将隧道从激活状态变为临时状态，同时启动隧道定时器，记录隧道临时状态的保持时间T。若MN返回到原AR处且T没有超时时间极限值Tn，则将原来隧道的临时状态变为激活状态，直接使用这个隧道传输数据；若T超过Tn，则说明MN再返回到当前AR的概率很小，原来的隧道应被拆除。
时间极限值Tn的计算方式为：
可以看出，每次MN在隧道定时器未超时返回AR时，极限时间值增加?T，直至达到最大值TN后不再增加。因此，当MN频繁地返回AR会导致隧道定时器设置的极限时间越来越长，有效避免了频繁的隧道拆除和重建过程，减少了信令开销。
3 仿真分析
在NS2环境下对IFHMIPv6机制切换性能进行仿真分析，采用HMIPv6，FMIPv6和简单结合HMIPv6与FMIPv6的F-HMIPv6作为对比机制。
3.1 网络仿真场景
网络仿真场景如图5所示，共设11个节点，各节点之间的带宽与延迟见图中标示。采用802.11作为接入技术，AR的覆盖区域半径为70 m，2个AR之间的重叠覆盖范围为25 m。选用CBR/UDP作为数据源，CN发送数据，MN接收数据。MAP域内的有线链路传输延迟为2 ms，总的仿真时间为100 s，MN以5 m/s的速度移动并通过各相邻AR。CN在仿真开始10.4 s后以10 ms的间隔发送256字节的UDP分组到MN，直到仿真结束。
图5 网络仿真结构
Fig.5 Simulation structure of network
3.2 仿真结果分析
3.2.1 切换延迟和分组丢失率
图6所示为对HMIPv6，FMIPv6，FHMIPv6和IFHMIPv6切换过程中UDP报文进行追踪得到的切换延迟和分组丢失情况。
图6 切换延迟和分组丢失对比图
Fig.6 Comparison of handover delay and packet loss with different schemes
分析图6中各机制切换过程中MN接收的UDP分组序号可以发现：与HMIPv6相比，FMIPv6的切换中断时间大大减少，第1个缓存的分组经历了230 ms的延迟，而且整个切换过程中分组丢失很少，这归因于PAR对分组的转发以及NAR对分组的缓存；与FMIPv6相比，IFHMIPv6的切换延迟进一步减少，仅在68 ms内便完成了切换。这是因为IFHMIPv6采用了优化路由并减少了切换准备阶段的延迟，虽然FMIPv6和IFHMIPv6机制中分组丢失情况差不多，但是，由于IFHMIPv6缩短了切换延迟，NAR上所需的缓存空间大大减少，当进入网络中的移动用户增加时，由缓存空间不足导致的分组丢失会较少。
3.2.2 网络传输延迟的影响
图7所示为随着网络传输延迟的增大，分组丢失率和切换延迟的变换情况。从图7可以发现，MIPv6中的分组丢失率和切换延迟随着网络传输延迟的增加而不断增加，而在HMIPv6，FMIPv6和IFHMIPv6中的丢包率和切换延迟基本不受网络传输延迟值变化的影响，一直保持稳定。这是因为FMIPv6和IFHMIPv6机制使用了缓存机制和隧道转发机制。
图7 网络传输延迟对切换延迟和丢包率的影响
Fig.7 Influence of Internet delay on handover delay and packet loss rate
3.2.3 移动节点数的影响
随着MN节点数的增加，切换延迟的变化情况如图8所示。可以发现，当MN节点数少于25时，对切换延迟起主导因素的是网络传输延迟；当MN节点数增加到30以上时，信道会达到饱和，此时，无线链路延迟十分严重，对延迟起主导作用的就是无线链路延迟。IFHMIPv6机制随着MN的增加，切换延迟也较快提高，但其性能仍然优于FMIPv6。因为随着无线信道的饱和，FMIPv6能成功进入预测模式的概率较低，而IFHMIPv6机制均处于预测模式下，信令负载会更少。
图8 移动节点数对切换延迟的影响
Fig.8 Influence of mobile node number on handover delay
3.2.4 隧道定时器的影响
让移动节点在AR1和AR2之间进行100 000次来回切换。图9所示为采用隧道定时器(TT，即Tunnel timer)前后切换过程中信令开销的影响。可见，采用隧道定时器的切换机制，信令开销大大减少。
图9 隧道定时器对信令开销的影响
Fig.9 Influence of tunnel timer on signaling cost
4 结 论
a. 设计了一种MAP，AR和MN之间的信息交换机制，使MN预知第2层信息、当前AR的邻居AR及其第3层信息，为快速地执行切换提供有效支 持，减少了无线接入网络发现和候选AR发现所需的时间。
b. 在信息交换机制的基础上，提出了IFHMIPv6切换机制，有效融合了FMIPv6和HMIPv6的优点，通过在HMIPv6上调整FMIPv6的信令流，让HI/HACK信息交互、隧道的建立和重复地址检测提前完成，并通过设立隧道定时器减少由于乒乓运动频繁切换引入的信令开销。
c. 使用NS-2仿真软件对IFHMIPv6机制的切换性能进行评估，仿真结果证明，IFHMIPv6的切换延迟和分组丢失率比FMIPv6和HMIPv6的低；丢包率和切换延迟基本不受网络传输延迟值变化的影响；FHMIPv6机制随着MN的增加，切换延迟提高，但其性能仍然优于FMIPv6；隧道定时器能有效地减少信令开销。
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收稿日期：2008-06-15；修回日期：2008-09-20
基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(07JJ3128)；中国北车集团公司科技研究开发计划项目(043010100)
通信作者：彭 军(1967-)，女，湖南湘潭人，教授，博士生导师，从事智能交通移动通信系统、多智能体系统研究；电话：0731-2539616；E-mail: pengj@mail.csu.edu.cn
