基于 PMIPv6的高速铁路信息网络

陈 蕙

*北京交通大学通信与信息系统北京市重点实验室 工程硕士研究生,100044 北京

最近几年,乘客对于列车附加功能的要求越来越高,伴随着无线技术 (例如蓝牙、超带宽和卫星)的发展,在高速列车中部署移动互联网将成为铁路发展的新兴业务。

虽然 IPv6(MIPv6),FMIPv6和 HMIPv6为高速列车的移动互联网接入提供了较为完整的移动性解决方案,但这些方案在终端参与到移动性信令交互过程中需要移动终端扩展相应的功能,从而限制了其在列车环境下的应用。为此,研究由 IETF NETLMM工作组颁布的基于网络的移动性管理协议 (PMIPv6)在高速列车环境下的应用。

1 PM IPv6协议流程

PMIPv6是在移动 IPv6的基础上引入了本地移动锚点 (LMA)和移动接入网关 (MAG)2个新的功能实体。LMA支持移动 IPv6中家乡代理的功能,并对其绑定缓存进行了扩展,增加了代理移动IPv6标识,移动节点标识、接口标识、链路本地地址、IPv6家乡前缀、双向隧道标识、接入技术标识和时间戳等选项。此外,LMA为每个移动节点分配 1个惟一的前缀,若移动节点有多个网络接口,则为每个接口分配 1个网络前缀。MAG是移动节点在接入链路上的默认路由器,主要功能:①检测移动节点的接入和离开;②通告移动节点的家乡网络前缀来模拟节点的家乡网络;③为移动节点构建数据传输通道。代理移动IPv6域的结构如图1所示。

PMIPv6的注册过程如图 2所示。移动节点进入一个代理移动 IPv6域后,其当前接入链路的移动接入网关将获得其标识,据此移动接入网关可以对移动节点进行代理移动 IPv6服务的认证。如果网络决定为该移动节点提供代理移动 IPv6服务,则移动节点可以使用任何被允许的地址配置机制在连接接口获得地址配置,并且可以在代理移动IPv6域内任意移动。移动节点所获得的地址配置包括根据家乡网络前缀生成的地址,当前链路的默认路由器地址和其他相关的配置参数。从移动节点的角度看,整个代理移动 IPv6域是一个单独的链路。网络将使移动节点认为它一直处在获得初始地址配置的那个链路上,即使移动节点改变了自己在网络中的接入点。

图1 代理移动 IPv6域

图2 代理移动IPv6注册过程

发往 MN和来自 MN的数据包都要通过MAG和 LMA之间的隧道进行传输。基于网络的区域移动性管理机制有效解决了全局移动性机制中 3个基本问题。

1.提高了切换性能。在切换过程中,从链路切换开始到 IP子网配置和全局移动性管理信令传输完成,这段时间造成的延迟导致了切换时丢包的发生。在此期间,对端节点的通信仍然将数据包发往旧的链接但不能访问 MN,误传的数据包就会被丢弃。设计区域移动性管理机制的目的是减少 IP切换的延迟,使切换之后更改转发的处理时延,尽可能地接近相应的链路层切换时延和 IP层移动检测需要时延的总和,以避免过多的数据包丢失。

2.减少了与切换相关的信令量。信令需求对切换性能有很大的影响,比如会对 MN的共享链路(如无线链路,其链路容量不容易扩展)的链路数据流量造成影响。尽量减少从 MN发送到网络的切换信息量,在切换的过程中只引进 IP层移动检测需要的信令,如果链路层支持 IP层移动性检测,MN在链路层切换后可以不执行其他 IP层的信令。

3.位置安全性考虑。允许 2层检测,对 3层地址限制较少,这些方法可以减少对位置安全的威胁。具体来说,在一个接入网内,MN进行链路间切换时不需要改变IP地址,在一个大的地理区域中保持 IP地址不变。这就减小了攻击者推断出移动节点地理位置的机会。

2 PM IPv6在高速列车中的部署

PMIPv6技术可以为列车上的用户提供移动过程中的网络连接服务。配置在车厢内的移动节点可以是一个列车移动路由器(P-MR),提供无线接入服务;对于沿途部署的 MAG,P-MR就是一个移动节点,其连通性通过 PMIPv6来提供。

图3 P-MR的切换流程

由于车厢内的旅客较多,会带来移动路由器的单点失效及带宽瓶颈问题,所以应在每个车厢部署一个移动路由器,LMA可以部署在可控可管的地方,以方便日常检修和维护。在列车移动过程中,P-MR的切换流程如图3所示。

当 P-MR获得初始地址配置之后执行切换,在原链路上的 MAG将会检测到 P-MR的离开并通知LMA,然后删除维持 P-MR的绑定信息和路由状态。LMA在收到通知后等待一段时间再删除 P-MR的绑定信息,以确保 P-MR的平滑切换。新链路上的 MAG在检测到 P-MR的接入之后将向 LMA发送信令消息,更新 P-MR的绑定状态。更新完毕后,P-MR就可以继续接收包含其家乡网络前缀的路由通告,由于家乡网络前缀不变,P-MR的地址配置也不改变,这使 P-MR认为它仍然在相同的链路上并且继续在新的链路上使用与原来相同的地址进行通信。

3 性能评价

3.1 测试环境

为了模拟铁路应用场景,对 P-MR在 LMA域中的多个 MAG域间以水平运动方式进行切换性能测试。测试拓扑如图4所示。

图4 测试拓扑图

其中,各实体配备的网络设备如下:

LMA上包含有 3块有线网卡,均为 100 Mb/s自适应快速以太网卡。

P-MR采用 DELLD500笔记本电脑,配备 Cisco Aironet 350无线网卡,完成所有的切换过程。

AR1和 AR2作为 MAG1和 MAG2,是 2台接入路由器,配备 100 Mb/s自适应快速以太网卡,同时搭配Cisco Aironet1200AP,负责无线发送通告消息,检测 MN的接入与离开。

CN为互联网中和 P-MR通信的任一主机,实验环境中其为外地网络中的主机 Server,负责与 PMR进行通信,同时也作为整个测试网络中的一台流媒体服务器,配备一块 100 Mb/s有线网卡。各实体的网卡配置如表1所示。

表1 网络环境地址分配情况

3.2 测试结果

在 PMIPv6协议运行过程中,P-MR在 MAG1和 MAG2之间进行切换,条件同上。在 P-MR上抓包如图 5所示。

图5中横坐标为 P-MR上接收到 UDP数据包的时间,纵坐标为接收到数据包的数量,在 20.7 s,51.7 s,92.7 s时 PMR执行切换命令,切换时延分别为230 ms,220ms,190ms。通过 50次的测试,得到平均切换时延为216 ms。

当运行 PMIPv6协议时,令 P-MR向 CN发送 Ping包,每秒发送 1个。每发送 50个 Ping包对 P-MR做一次切换,共发送 500个 Ping包,丢包率为1%。

图5 PMIPv6切换性能分析示意图

在 MIPv6协议运行过程中,P-MR在 MAG1和 MAG2之间进行切换。PMR可以使用带有家乡网络前缀的地址进行通信。通信对端节点地址为3ffe:3240:8007:2005::5。通信对端节点向 P-MR发送 200个 UDP数据包,时间间隔为 0.5 s,并在此过程中进行切换。在 P-MR上抓包如图6所示。

图6 MIPv6切换性能分析示意图

图6中横坐标为 P-MR上接收到 UDP数据包的时间,纵坐标为接收到数据包的数量。图上显示在 23.8 s,54.2 s,78.1 s时 P-MR执行切换命令,切换时延分别为 2.1 s,2.0 s,1.6s。通过 50次测试,得到平均切换时延为 2.03 s。

当运行 MIPv6协议时,令 P-MR向 CN发送Ping包,每秒发送 1个。每发送 50个 Ping包对 PMR做一次切换,共发送 500个 Ping包,丢包率为6%。

相比于 MIPv6移动性管理,PMIPv6能够显著减小切换时延及切换过程中的数据包丢失。

4 结论

PMIPv6可以作为一种极有前景的移动性支持协议。它是 MIPv6的一个应用继承,而不是一种新的方法,其基于网络的移动性管理反映了铁路的特殊应用场景,可以很好地作为高速列车信息网络建设的移动性解决方案。

[1］ D.Johnson,C.Perkins,J.Arkko.Mobility Support in IPv6[S].RFC 3775.June 2003.

[2］ R.Koodli.Fast Handovers for Mobile IPv6[S].RFC 4068.July 2005.

[3］ H.Soliman,C.Castelluccia,K.El Malki.Hierarchical Mobile IPv6Mobility Management[S].RFC 4140.August 2005.

[4］ S.Gundavelli,Ed,K.Leung,V.Devarapalli,K.Chowdhury,B.Patil.Proxy Mobile IPv6.RFC5213.August 2008.