基于位置更新与数据转发分离的NEMO优化机制

汤红波，唐 伟，王领伟

（国家数字交换系统工程技术研究中心，河南 郑州450002）

0 引 言

IETF在移动IPv6的基础上提出了移动网络基本支持协议 （network mobility basic support，NEMO－BS），该协议在网络物理和拓扑结构发生变化时能够执行整体切换，有效地减少切换信令的数量，实现了对网络整体移动性的支持[1]。由于NEMO是由传统移动IPv6扩展而来，它仍是一种基于主机的移动性管理方案，需要对移动终端的协议栈进行修改，增加了终端的复杂度，而且大量信令在无线链路上传输，容易造成切换的不稳定和网络资源开销过大等问题。相比之下，代理移动IPv6（proxy mobile IPv6，PMIPv6）[2]作为最基本的基于网络的移动性管理协议，不需要终端参与移动性管理过程，降低了用户开销，节省了无线网络资源，便于对网络的管控和优化，因而得到广泛关注。

为了在PMIPv6域内提供对移动网络的整体性支持，现有解决方案引入大量额外的信令交互开销。当子网快速移动、频繁切换时，信令开销将大幅增加，如果系统开销超过了各实体的处理能力，会引发网络堵塞，甚至导致服务中断。另一方面，LMA作为域内移动性控制管理、数据包转发的锚节点，在面临较大开销时很容易产生过载问题，导致用户通信质量下降。

文献[3]扩展PMIPv6域，实现对NEMO整体性的支持，但多重隧道封装开销较大。为了降低隧道开销，文献[4]提出基于中继的解决方案，由中继站对数据包进行直接转发，但带来了额外切换开销。上述两种方案未能综合考虑优化过程中产生的信令开销和分组封装开销，无法在两者之间取得合理均衡，限制了方案整体性能的发挥。为了提升LMA可靠性，文献[5]提出一种在不同域的LMA之间进行消息交互的方法，但并未解决在同一个域内集中大量数据流导致网络堵塞的问题。

本文提出一种基于位置更新与数据转发分离的移动网络优化机制 （locate updating and packet forwarding separation based optimization mechanism for NEMO，LUPFSNEMO）。该机制引入专门负责位置信息管理的新功能实体，充分利用架构中各实体上的绑定缓存消息，优化信令流程，实现控制平面和数据平面的分离，从而降低了网络总开销，避免LMA服务能力下降。分析和仿真结果表明，本方案降低了总开销，提升了系统可靠性。

1 相关工作和问题分析

1.1 NEMO－BS和PMIPv6协议基本原理

如图1（a）所示，当NEMO运动到外地网络，通过接入路由器 （access router，AR）访问Internet，NENO－BS协议将整个网络的移动性管理功能集中到移动路由器 （mobile router，MR）上，由MR向其家乡代理 （home agent，HA）注册当前转交地址 （care of address，CoA），保证家乡地址 （home of address，HoA）的全局可达性。MR与HA之间通过发送绑定更新 （binding update，BU）和绑定确认 （binding acknowledgement，BA） 建 立 IPv6－in－IPv6的双向隧道，负责对来自通信对端 （correspondent node，CN）的数据包进行解封装，并转发到NEMO内的移动网络节点 （mobile network node，MNN）。在NEMO发生整体移动的过程中，内部的节点无法感知到接入点的变化，因而可以保证移动的透明性。

图1 PMIPv6和NEMO－BS协议的基本原理

如图1（b）所示，PMIPv6协议引入两个新的移动性管理实体:本地移动锚点 （local mobility anchor，LMA）和移动接入网关 （mobile access gateway，MAG）。LMA类似NEMO中的 HA，作为移动节点 （mobile node，MN）在PMIPv6域内的拓扑锚点，负责维持MN在域内的可达性。MAG类似NEMO中的AR，可以检测移动节点的接入或离开，代替MN完成移动性管理。LMA与MAG之间通过发送代理绑定更新 （proxy binding update，PBU）和代理绑定确认 （proxy binding acknowledgement，PBA）建立双向隧道。数据包可通过该隧道到达MAG，再由MAG路由至MN。当MN在MAG之间移动时，收到由LMA分配同样的家乡网络前缀 （home network prefix，HNP），即认为自己仍在家乡网络域内，从而无需重新配置IP地址，维持了通信的连续性。

1.2 现有机制不足

基于扩展PMIPv6域的N－PMIPv6机制[3]，将 MR所属的移动子网扩充入PMIPv6域，即把MR看作移动MAG与LMA进行移动性信令的交互。LMA具有递归的绑定缓存查询机制，采用多层隧道封装的方法将数据包发送到正确的MAG以及对应的MR，最终转发到目的节点MNN。此外，为了追踪MNN正确的位置信息，MR需要向LMA发起绑定更新过程，所建双向隧道的端点为MR和LMA。当MNN在同一个MAG下的不同MR之间移动时，MR和LMA之间的隧道仍需要被更新和维护，造成不必要的无线资源浪费。N－PMIPv6虽然解决了在PMIPv6域内实现NEMO支持的问题，但随着网络组成结构复杂度增大，多层封装隧道在信令开销和传输效率方面的问题越来越严重。

为了解决N－PMIPv6机制多重隧道封装造成隧道开销过大的问题，Pack提出基于中继的解决方案rNEMO （relay－based NEMO）[4]，在PMIPv6域内部署简单的放大转发或者解码转发中继站，对移动性信令和数据包进行中继，但是该中继站不具有移动性管理功能，因此切换时需要为每个MNN进行额外的切换信令交互。

通过以上分析不难发现，当网络结构复杂或者移动节点数量增加时，这两种方法会产生较大的多重隧道头部开销或者位置更新信令负荷，耗费了位置信息管理节点LMA的计算和处理能力。当PMIPv6域内信令开销过大时，作为移动性管理和数据包分发中心锚点的LMA会由于瓶颈效应引发可靠性问题，给系统和用户造成较大损失。

2 LUPFS－NEMO优化机制

2.1 网络模型与数据包路由

借鉴文献[6，7]提出的互联网分离思想，本节给出了基于PMIPv6的NEMO位置更新与数据转发分离的网络模型。如图2所示，NEMO应用的目标是使域内MD（MN、MR及MNN）能在不改变IP地址的前提下保持通信的连续性。为提高移动性管理的灵活性，LUPF－NEMO机制采用控制平面与数据承载平面相分离的网络架构，LMA不再实现移动性管理和数据转发的双重功能，而是单程进行数据包的转发，位置管理功能则由新增加的移动性管理功能实体－代理位置更新客户端 （proxy location update client，PLUC）实现。PLUC和LMA部署在一起，与LMA进行PBU／PBA信令的交互，可通过在路由器上增加相关功能简单升级实现。当MAG探测到MD执行二层切换后，MAG会触发PLUC与LMA完成位置绑定更新过程。

图2 位置更新与数据转发分离的网络模型

在PMIPv6域中部署NEMO后，MD的地址无法被直接路由，而现有采用多重隧道封装的办法会带来较大的传输开销。为此，本方案借鉴PNEMO的思想优化数据路由机制，充分扩展移动性管理实体上的缓存消息，使用扩展的路由信息策略来替代隧道机制完成数据包的转发，降低了封装开销。

PLUC分配不同的HNP给MD，与MAG交互移动性信令完成位置信息管理过程。表1是PLUC为域内MD建立的代理绑定缓存入口 （proxy binding cache entry，PBCE）消息，该PBCE消息包含标识节点身份的网络访问标识符（network access identifier，NAI）、上层路由器、HNP、代理转交地址 （proxy－CoA，pCoA）和 “N”标志等。新增的“N”标志表示该 MD为NEMO下的 MNN，和直接接入MAG的MN相区别，减小了实体重复检测节点类型带来的额外信令开销。

图3 PFLUS－NEMO机制信令流程

表1 代理绑定缓存入口

LMA负责完成PMIPv6域内的数据转发功能，建立指向MAG的数据隧道，来自CN的数据包在LMA处会被发送到目的节点对应的pCoA。表2是MAG为附属MD建立的隧道缓存列表 （tunneling cache list，TCL），包含节点标识、pCoA、“N”标志以及双向隧道端口等。

作为MD的底层路由信息管理者，MAG负责维持MD的位置信息和隧道端口信息。表3给出了MAG1和MAG2分别为其上MD建立的代理绑定更新列表 （proxy binding update list，PBUL）消息，包括节点标识、上层路由器、HNP和 “N”标志等。

表2 隧道缓存列表

表3 代理绑定更新列表

转发数据包时，LMA查看TCL中目的节点的HNP项，对应的pCoA即为数据包的下一跳。LMA和MAG之间通过隧道将数据包进行分装，而其它传输路径可以对数据包进行直接转发。MAG的PBUL拥有所属的MR和MNN的所有路由信息，MAG和LMA之间只需要一个隧道头部，没有产生其它隧道头部开销。从MR角度看来，MAG相当于LMA的 “代理”。通过扩展的PBCE和PBUL消息，PLUC和MAG共同管理MD位置信息，实现对MD位置信息的获取和更新。LMA和MAG利用扩展的TCL和PBUL消息，共同掌控双向隧道端口信息，实现对目的MD数据包的准确路由。

2.2 信令流程

图3显示的是LUPFS－NEMO机制的信令流程，分为两个基本场景:初始接入过程和切换过程。

2.2.1 初始接入过程

步骤1－3 MAG1通过路由申请 （router solicitation，RS）探测到 MR的接入后向PLUC发送含有 MR＿ID，MAG1＿IP内容的PBU消息，PLUC为其新建PBCE，向LMA发送隧道请求消息 （tunneling request，TReq），该TReq中含有MR现在的地址代理家乡地址 （proxy－HoA，pHoA）及MAG1的地址pCoA＿MAG1等信息。

步骤4 LMA接收TReq后，判断隧道操作类型，建立TCL并添加指向MAG1的单向数据隧道，建立pHoA和pCoA的映射，向PLUC发送隧道确认消息 （tunneling acknowledge，TAck）。

步骤5－6 PLUC接收TAck后，向MAG1发送LMA地址、HNP的移动选项的PBA。MAG1从PBA中提取出LMA地址，建立指向LMA的单向隧道并路由通告 （router announcement，RA）HNP给 MR。MR根据分配的HNP配置地址。

2.2.2 初始接入过程

步骤7－9 当MR从MAG1域中离开并进入MAG2域，PLUC更新其上的PBCE后向LMA发送TReq消息。LMA更新TCL，调整隧道端口为指向MAG2，并分配同样的HNP。MD在不同MAG域间切换位置发生改变时，LMA通过 “N”标志确定节点属性，减少了发送位置更新信令次数，从而降低了位置开销。

步骤10－12 LMA向 MAG2回送TAck，而PLUC将LMA地址通过PBU发至MAG2，MAG2建立指向LMA的单向隧道。MAG2将HNP信息通知MR，这样在MR看来，链路状态并未发生变化。

3 性能分析和仿真

3.1 参数假设

为从总体上比较LUPFS－NEMO、N－PMIPv6、rNEMO和N－NEMO这4种方案的性能，本节记位置更新开销为CL，数据隧道开销为CP，则T时间内网络总开销为CTotal＝CL＋CP。假设实体内部的会话到达时间服从指数分布，会话到达速率为λ，平均会话长度为E。MAG的平均穿越率为μ，则在T时间内穿越MAG的次数是μ·T。根据文献[8，9]定义相关参数意义见表4。

表4 相关参数意义

这里不妨规定:CRS＝CRA＝C1，CPBU＝CPBA＝C2。

3.2 开销分析

3.2.1 NEMO机制

MR代替子网内所有节点完成切换信令操作，MR与HA通过BU／BA方式完成MNP＿MR和CoA＿MR的绑定过程，这里认为BU／BA的开销与PBU／PBA大致相等，这样其位置更新开销可以表示为

式中:α——无线链路单位长度传输开销系数。

当HA收到来自CN的数据包，会在数据包上添加IPv6隧道头部之后发送至MR，MR收到隧道过来的数据，解封装后将数据包发送至MNN，因此数据隧道开销可以表示为

3.2.2 N－PMIPv6机制

MAG代替附着在MR上的MNN进行位置更新信令过程，因此不管NEMO内MNN数量多少，N－PMIPV6的位置更新开销是不变的，可以表示为

式中:β——有线链路的单位长度传输开销系数。

当LMA收到来自CN的数据包，会在数据包上添加内外两个IPv6隧道头部。当MAG收到隧道过来的数据，解封装外部隧道头部后将剩余数据包发送至MR，而MR需要解封装内部隧道头部，因此数据隧道开销可以表示为

3.2.3 rNEMO机制

MAG可以探测MR／MNN的接入和离开，并和LMA通过PBU／PBA消息进行注册和注销过程。而当NEMO进入另一个MAG的时候，MNN和MAG之间进行RS／RA消息的交互，位置更新开销可以表示为

式中:N——子网内MNN的数量。

所有由CN传输的数据通过MAG和新增的中继站路由至MNN，隧道开销只发生在LMA和MAG之间的有线链路上。因此，rNEMO的数据隧道开销可以表示为

3.2.4 LUPFS－NEMO机制

检测到MR的接入后，MAG发送PBU消息告知PLUC关于节点的信息，由PLUC管理NEMO内的节点位置信息。LMA和PLUC部署在一起，它们之间有线链路上的信令开销可以忽略不计，LUPFS－NEMO位置更新开销可以表示为

当LMA接收到目的地址是MNN的数据包后，在BCE内检查对应MAG的IP地址，确定节点属性后，LMA只需要在数据包附加一个PMIPv6隧道头部后发送给MAG。在MAG和LMA之间除了PMIPv6隧道头没有产生其它隧道，故隧道开销可以表示为

3.3 性能验证

为验证所提方案的可用性、合理性，采用NS－2仿真工具，网络拓扑结构取图2，性能分析相关参数取值[10]见表5，将以上开销解析结果与实验仿真数据进行对比分析。

表5 性能分析相关参数

图4为μ＝0.1次／s，α＝2，β＝0.5的情况下，各方案的系统总开销随会话到达率λ的变化情况。当网络内数据流量提升，会话到达率增加时，多重隧道封装开销对总开销产生重要影响，因此 N－PMIPv6的总开销较多。LUPFS－NEMO和rNEMO有相同的数据隧道开销，但rNEMO每个节点需要更多的位置更新开销，因而LUPFS－NEMO开销更低。机制，只需一层PMIPv6隧道头部，因而总开销更小。

图4 总开销随λ的变化

图5 总开销随μ的变化

图6 为μ＝0.1次／s，λ＝0.2sessions／s，β＝0.5的情况下，各方案系统总开销随无线链路的单位长度传输开销系数α的变化情况。更新 MD位置信息时，rNEMO、NPMIPv6比LUPFS－NEMO机制在无线链路上发送更多的移动性信令而导致总开销较高，N－PMIPv6总开销更高的原因是在无线链路上建立了更多的PMIPv6隧道，导致隧道头部开销增大。

图6 总开销随α的变化

图5 为λ＝0.2sessions／s，α＝2，β＝0.5的情况下，各方案的系统总开销随MAG穿越率μ的变化情况。随着切换频繁程度的加剧，rNEMO引入的额外切换信令开销增大而导致总开销增加明显。N－PMIPv6需要两层PMIPv6隧道头部，LUPFS－NEMO采用扩展的路由消息代替多重隧道

从上述分析可以看出，传统NEMO在更新节点位置信息时注册距离过长而导致开销较大，而基于PMIPv6的解决方案可以减少无线信令的交互并且将位置更新过程限定在本地PMIPv6域。本文提出的LUPFS－NEMO机制分离了位置更新和数据转发过程，并对MD类型加以区分，降低了系统总开销。该机制可靠性和可扩展性较强，可适用于大规模网络，切换策略执行效率高，占用系统资源（CPU计算周期、内存等）较少、信令负荷 （信令消息数量、交互次数等）较小，有利于NEMO在PMIPv6域中的实际部署。

4 结束语

NEMO引入PMIPv6域后面临系统总开销较大并且LMA可能过载的问题，本文借鉴网络分离思想，设计了一种PMIPv6域中基于位置更新和数据转发分离的移动网络优化机制。该机制引入负责位置信息管理的新实体PLUC，充分利用移动性管理功能实体上扩展的信令消息，优化信令流程，实现网络架构控制平面和数据平面的有效分离。分析结果表明，该方案降低了系统总开销，提高了通信可靠性。

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