一种支持高速移动的网络预先切换方案

尹 星 吴国新 董永强

(1 东南大学计算机科学与工程学院，南京211189)

(2 江苏大学电气信息工程学院，镇江212013)

(3 东南大学计算机网络和信息集成教育部重点实验室，南京211189)

随着移动终端和无线网络技术的发展，仅为单个主机提供移动性支持的移动IPv6(MIPv6)［1］协议已不能满足用户对联网方式和效率的要求.互联网工程任务组(IETF)在MIPv6 的基础上提出了网络移动性基本支持协议(NEMO BSP)［2］，为诸如列车内的车载设备和乘客携带的终端等多个节点组成的一个子网(称为移动网络)整体发生移动时提供统一、高效的网络连接.由于MIPv6 和NEMO BSP 的切换过程会产生切换时延并引起报文丢失，这对实时性或数据完整性敏感的应用影响较大［3］.

为改善主机的移动切换性能，IETF 以MIPv6为基础提出了快速移动IPv6(FMIPv6)协议［4］，通过预先模式和反应模式的切换来降低切换时延和丢包率，但切换性能较好的预先模式在主机高速移动时容易失效，因此FMIPv6 主要适用于低速移动场景.随后，很多研究将FMIPv6 的快速切换机制应用于网络的移动切换过程.Mussabbir 等［5］提出的切换方案(本文称为F-NEMO)的切换流程与FMIPv6 类似，因此同样存在FMIPv6 的不足.Ryu等［6］在F-NEMO 的基础上提出的EF-NEMO 方案采用向家乡代理发送临时绑定更新的方法来降低报文转发隧道的负荷.文献［7-8］将FMIPv6 与层次化管理方法结合来降低域内移动切换时延.文献［9-10］通过预先建立地址表的方法来降低切换过程中的重复地址检测时延.这些方案都侧重于降低切换时延，并以此来降低丢包率，而对网络在高速移动时容易出现预先模式失效所引起的切换性能较差的问题考虑不足.

本文提出一种改进的快速预先切换方案IFNEMO，针对现有移动网络切换方案存在的高速移动场景下预先模式容易失效的问题，通过优化预先模式的信令流程来提高预先模式的成功率，以提高子网在高速移动时的切换性能.最后通过性能分析和仿真实验来验证该方案的性能优势.

1 移动网络切换模型

为了便于分析和优化移动网络的切换过程，首先构建如图1所示的移动网络切换模型.图1中有2 个相邻的接入路由器(AR)，即原接入路由器(PAR)和新接入路由器(NAR)，并且它们之间存在一定的信号重叠区域.在移动网络的移动过程中，其内部的移动网络节点(MNN)通过移动路由器(MR)与距离最近的AR 相连并接入Internet.当移动网络NEMO 从PAR 的信号覆盖区域向NAR的信号覆盖区域移动时，MR 会执行NEMO BSP所定义的切换处理过程，即按顺序先后执行链路层(L2)切换和网络层(L3)切换.这一过程会导致MNN 与对端节点(CN)或家乡代理(HA)之间的通信暂时中断，并由此引起报文丢失.

图1 移动网络切换模型

基于FMIPv6 的移动网络切换方案根据移动速度的不同，采用预先模式和反应模式的切换来提高网络移动过程中的切换性能.在预先模式中，MR 会在L2 切换之前预先执行部分L3 切换来降低总切换时延，并通过预先建立PAR 与NAR 之间的报文转发隧道和NAR 的报文缓存机制来减少切换过程中的丢包数量.虽然具有较好的切换性能，但预先模式需要进行较长时间的预先L3 切换处理，当移动网络NEMO 移动速度较快(如列车高速行驶)时容易导致预先模式失效，此时将执行反应模式.而反应模式的L3 切换主要发生在L2 切换完成之后，因此仍具有较大的切换时延和丢包率，这就导致FMIPv6 及其扩展方案在高速移动场景中的切换性能仍不理想.

由上述分析可知，提高移动网络在高速移动场景中成功执行预先模式切换的概率，以避免因预先模式失效而执行切换性能较差的反应模式，对提高网络在高速移动场景中的切换性能显得尤为重要.

2 移动网络切换方案IF-NEMO

本文提出的移动网络切换方案IF-NEMO 着重对预先模式切换过程中的信令交互流程进行优化，以降低预先进行L3 切换所需的时延，从而提高预先模式切换过程在网络高速移动时的成功率.下面将详细阐述本文提出的切换方案.

2.1 接入路由器的相关信息维护机制

为了降低L3 切换过程中的地址配置与检测时延，IF-NEMO 方案中每个AR 都通过维护一个AR 信息表来保存所有相邻的其他AR 的信息.当每个AR 启动时会自动生成一个AR 信息表，且相邻AR 之间会依据邻居发现协议［11］所定义的信令交互机制来相互交换地址、前缀等信息，以便实现AR 信息表的动态更新.以图1中的PAR 为例，其所维护的AR 信息表如表1所示.AR 信息表各列含义如下:①AR-ID (48 bit)为AR 的标识符，本方案中使用AR 的链路层地址作为AR-ID;②ARIP (128 bit)为AR 与Internet 相连的接口的IPv6地址;③FNP(64 bit)为AR 在子网内通告的网络前缀.

表1 AR 信息表

此外，为了降低切换过程中的重复地址检测(DAD)时延，每个AR 还需要维护一个已用地址列表，用于保存该AR 下所有移动节点(包括MN和MR)的转交地址.NAR 在生成新的转交地址时都会查询其所维护的已用地址列表，以便使新生成的转交地址不会发生重复.NAR 在生成不重复的新转交地址之后，需要将该地址添加到已用地址列表中.由于每个AR 都需要维护一个AR 信息表和一个已用地址列表，因此本方案会增加AR 的存储开销.但由于AR 往往位于边缘网络，邻居节点数量有限，因此增加的存储开销对接入路由器性能的影响较小.

2.2 IF-NEMO 方案的切换过程

以图1所示的切换模型为例，NEMO 在从PAR 的信号区域向NAR 的信号区域移动的过程中，IF-NEMO 方案的切换过程如图2所示.

图2 IF-NEMO 方案的切换过程时序图

图2所示的IF-NEMO 方案切换过程分析如下:

①当MR 在链路层检测到PAR 信号强度变差或低于预定的阈值时，就会启用接入路由器发现机制以寻找一个最合适的NAR.MR 将NAR-ID 和作为移动网络身份标志的移动网络前缀(MNP)放入路由器请求代理(RtSolPr)消息中，然后发往PAR，以请求获取新链路的相关信息.

②PAR 收到RtSolPr 消息后，会根据消息中的NAR-ID 在其所维护的AR 信息表中查询对应的新接入路由器IP 地址NAR-IP，然后向NAR 发送一个包含MNP 的切换发起(HI)消息，作用是向NAR 通告移动网络即将发生切换，并请求NAR 预先为移动网络中的MR 分配新地址.

③NAR 收到HI 消息后，会使用自己通告的网络前缀为MR 随机生成一个新转交地址(NCoA)，并查询其所维护的已用地址列表，以便对NCoA 执行重复地址检测.若该地址与已用地址列表中的某个地址重复，则MR 会重新执行上述过程，直到生成一个没有重复的NCoA.然后，NAR将NCoA 加入到已用地址列表中，并将NCoA 放入切换确认(HAck)消息中返回给PAR，同时NAR开始将目的地址为NCoA 的报文放入一个先进先出的临时缓存内.此外，NAR 还代替MR 向HA 发送一个包含MNP 与NCoA 之间的关联(也称为绑定，本文用〈MNP，NCoA〉的形式来表示)的预先绑定更新(BBU)消息，以便HA 预先更新绑定缓存.

④PAR 收到HAck 消息后，开始将发往MR原转交地址(PCoA)的报文通过隧道封装的方式向MR 的新地址NCoA 转发，这些报文会被路由到NAR，然后被NAR 放入临时缓存.PAR 还需向MR 返回一个包含NCoA 的代理路由器通告(PrRtAdv)作为对RtSolPr 消息的应答.

⑤当HA 收到NAR 发出的BBU 消息后，就会向NAR 返回一个预先绑定确认(BBAck)消息，同时HA 在绑定缓存中将关于移动网络的绑定表项更新为〈MNP，NCoA〉，此后HA 将发往移动网络内部节点的报文通过隧道封装方式发往NCoA.由于NCoA 是根据NAR 通告的前缀配置的，因此这些报文会被路由到NAR，并被NAR 缓存起来.步骤④和⑤是并行执行的.

⑥一旦收到PAR 发出的PrRtAdv 消息，MR就可以与PAR 断开连接并开始L2 切换，而无需像其他基于FMIPv6 的切换方案中的预先模式那样要等MR 收到FBAck 消息后才能开始L2 切换.由于在步骤④中当PAR 收到HAck 消息后就不再向MR 的原地址PCoA 转发报文，因此当MR 收到PrRtAdv 消息后就开始L2 切换不会导致报文丢失.

⑦当MR 完成L2 切换并接入NAR 后，就会向NAR 发送一个包含NCoA 和MR 在原先链路中收到的最后报文序号(LPN)的非请求邻居通告(UNA)消息，以通告自己的接入.同时MR 向HA发出一个绑定更新(BU)消息.

⑧NAR 收到UNA 消息后，会将其所缓存的目的地址为NCoA 且报文序号大于LPN 的报文向MR 转发.虽然MR 发出的BU 消息的目的地址是HA，但NAR 会截获该消息，并代替HA 生成一个绑定确认(BA)消息，然后发往MR.

⑨当MR 收到BA 消息后就与HA 建立起MR-HA 双向隧道.此后MNN 就可以恢复与CN之间的双向通信.

3 性能分析

为了分析和对比IF-NEMO 方案的切换性能，本文选择网络移动基本支持协议NEMO BSP［2］和基于FMIPv6 的移动网络切换方案的典型代表FNEMO［5］，以及基于FMIPv6 的最新改进切换方案EF-NEMO［6］作为对比方案.

性能分析过程中参照图1构建网络拓扑.假设有线和无线链路时延分别为TW和TWL，节点A 与B 之间的距离(用跳数表示)和端到端时延分别为dA-B和TA-B，消息x 从源节点到目的节点所需时延为Tx.由于切换过程中MR 处于PAR 与NAR 的信号重叠区域，因此认为MR 与PAR 和NAR 的距离相等，则有TMR-AR=TMR-PAR=TMR-NAR=TWL，NAR 向MR 转发数据报文的端到端时延为Tdata=TMR-AR.AR，HA 和CN 这3 个节点相互之间的端到端时延可以视为因特网中任意2 个节点间的平均端到端时延，因此令TAR-HA=TAR-CN=THA-CN=3TW.由于当前路由器等网络设备的计算能力、存储容量以及接口带宽均在不断提高，因此信令消息的处理时延、排队时延和发送时延相对于传播时延而言可以忽略不计.此外，假设需要进行数据缓存的节点具备足够大的数据缓冲区，不会产生缓存溢出.

3.1 切换时延

子网移动过程中的切换时延THO是指，MR 在原先链路中收到最后一个报文的时刻到MR 在新链路中收到第一个报文的时刻之间的间隔，即移动网络因切换而产生的通信中断时延.切换时延包含链路层切换时延TL2和网络层切换时延TL3这2 部分.TL2仅与MR 的外部接口所采用的接入技术有关，可视为常量，而采用不同切换流程的切换方案中的TL3各不相同.下面将分析各方案的切换时延.

3.1.1 NEMO BSP 的切换时延

对于没有采取任何切换优化措施的NEMO BSP，在子网切换过程中网络内部节点始终无法收发报文，因此总切换时延为TL2与TL3之和.NEMO BSP 的TL3包括如下3 部分:

①网络层移动检测时延TMD.MR 在接入新链路后向AR 发送路由器请求(RS)消息以便获取AR 回复的路由器通告(RA)消息，因此TMD=TRS+TRA.

②重复地址检测时延TDAD.由于DAD 过程耗时较长，而生成转交地址的处理时延可以忽略，因此可以用TDAD来表示转交地址配置和检测时延.

③家乡注册时延TREG－HA.TREG－HA是MR 向家乡代理HA 发送BU 消息并等待接收HA 返回BA消息的时延，则TMD=TBU+TBA.

因此NEMO BSP 的总切换时延为

3.1.2 F-NEMO 的切换时延

由于F-NEMO 方案的预先模式和反应模式切换过程分别与FMIPv6 中预先模式和反应模式切换过程相似，只是切换处理由MR 而非MN 执行.在F-NEMO 的预先模式切换过程中，当MR 收到FBAck 消息后就开始进行L2 切换，并在接入新链路后向NAR 发送快速邻居通告(FNA)消息，以便NAR 将缓存的报文转发给MR.因此F-NEMO 的预先模式切换时延为

F-NEMO 的反应模式切换时延包含了从MR开始L2 切换到MR 收到NAR 转发的数据报文的这段时延.因此F-NEMO 的反应模式切换时延为

3.1.3 EF-NEMO 的切换时延

作为F-NEMO 的改进方案，EF-NEMO 通过让NAR 向HA 发送临时绑定更新(TBU)消息的方法来降低隧道开销，但这样并不能降低总切换时延.EF-NEMO 的预先模式切换时延为

在EF-NEMO 的反应模式中，当MR 完成L2切换并接入NAR 后，MR 发出的通告消息UNA 中也包含TBU，因此NAR 会代替MR 向HA 发送TBU 消息，此后HA 便可直接将报文发往MR 的新地址NCoA.EF-NEMO 的反应模式切换时延为

3.1.4 IF-NEMO 的切换时延

在IF-NEMO 方案的切换过程中(见图2)，一旦PAR 收到HAck 消息，就不再向MR 的原地址PCoA 转发报文，而是开始向MR 的新地址NCoA转发.当MR 收到PAR 返回的PrRtAdv 消息后就可以立即开始L2 切换，并且不会产生报文丢失问题.因此IF-NEMO 方案的切换时延为

根据对上述方案切换时延的分析和对比可知，NEMO BSP 的切换时延最大，并且由于切换过程中的报文会全部丢失，因此NEMO BSP 的总体切换性能也最差.式(3)和式(5)所示的F-NEMO 和EF-NEMO 方案的反应模式切换时延虽然略低于NEMO BSP 的切换时延，但它们依然包含了较大的DAD 时延.由式(2)、(4)和(6)可见，F-NEMO，EF-NEMO 和IF-NEMO 方案的预先模式切换时延相同，且明显低于反应模式切换时延.这说明IFNEMO 方案虽然以降低预先模式的预先切换时延为目标，但仍然保持了较低的切换时延.

3.2 预先切换时延

在基于FMIPv6 的切换方案中，预先模式的预先切换时延TPRE是从MR 在链路层检测出将要发生切换并触发网络层发出第1 条切换信令开始，到MR 在不丢包的前提下与PAR 断开连接的这段时间的最小值，即MR 在开始L2 切换之前预先进行L3 切换处理过程所需的最小时延.降低预先切换时延是IF-NEMO 方案的核心目标，因为该时延越小，则表明网络移动速度较快的情况下成功执行预先模式切换的可能性越大，也就越能提高网络在高速移动场景中的切换性能.下面将对各方案中预先模式的预先切换时延进行分析.

未采用预先切换机制的NEMO BSP 不存在预先切换时延，但代价是切换性能较差.

在F-NEMO 方案的预先模式切换过程中，只有当MR 在原先链路中收到FBAck 消息后才可以开始进行L2 切换，否则会产生丢包.因此FNEMO 方案中预先模式的预先切换时延是从MR发出RtSolPr 消息开始，到MR 收到PAR 返回的FBAck 消息的这段时延，其计算公式如下:

EF-NEMO 采取向HA 发送临时绑定更新的方法使HA 提前向MR 的新地址转发报文，但MR仍然需要在原先链路中收到FBAck 消息才能离开原先链路，否则会出现报文丢失.因此EF-NEMO方案中预先模式的预先切换时延为

在IF-NEMO 方案中，当PAR 收到NAR 返回的HAck 消息后，就不再向MR 的原地址PCoA 转发报文，因此PAR 发往原先链路的最后一个数据报文略早于PrRtAdv 消息到达MR.当MR 收到PAR 返回的PrRtAdv 消息后就可以立即开始进行L2 切换，并且不会引起报文丢失.因此，IF-NEMO方案的预先切换时延为

通过上述分析可知，IF-NEMO 方案的预先切换时延低于F-NEMO 方案和EF-NEMO 方案，这说明IF-NEMO 方案通过网络中的接入路由器来执行部分L3 切换过程，在保持较低的切换时延的同时，显著降低了预先模式的预先切换时延.当网络移动速度较快时，IF-NEMO 方案成功执行预先模式切换过程的可能性就会高于其他2 个方案.

3.3 信令开销

在移动网络的切换过程中，各方案需要在不同节点之间进行切换信令消息的交互，所产生的开销称为信令开销［12］，本文用CS表示切换方案的总信令开销，单个信令消息x 所产生的开销用Cx表示，消息x 的长度用Lx表示.作为衡量切换优化方案代价的重要指标，信令开销会降低网络带宽利用率，尤其是当网络频繁发生移动切换时.

一个信令消息所产生的开销是该消息的大小与该消息在传输路径上所经过的跳数的乘积.通常报文在无线链路上的传输开销比在有线链路上的传输开销要大很多，因此设置无线链路开销因子ω，表示传输相同的报文时，在无线链路上所产生的开销是在有线链路上的ω 倍.下面将对各方案的切换信令开销进行分析.

NEMO BSP 的总信令开销为

F-NEMO 的预先模式切换过程信令开销为

EF-NEMO 的预先模式切换过程信令开销为

IF-NEMO 的切换过程所产生信令开销为

参照文献［12］对信令报文大小的分析，上述各方案的切换信令开销随无线链路开销因子ω 的变化情况如图3所示.

图3 信令开销随无线链路开销因子ω 的变化情况

由图3可见，NEMO BSP 由于未采取任何优化措施，其切换信令开销最低，但切换性能较差.由于IF-NEMO 方案在设计过程中尽量减少MR 与AR 之间无线链路上的信令交互次数，因此其信令开销低于F-NEMO 和EF-NEMO，且这种优势会随ω 的增加而增大.此外，由于图3显示的仅是各方案发生单次切换所产生的信令开销，可以推断，当频繁发生移动切换时，IF-NEMO 方案在信令开销方面所具有的优势将更加明显.

4 仿真实验

为了进一步验证IF-NEMO 方案的切换性能，在OMNeT + +环境下进行了仿真实验.实验中构建如图1所示的网络拓扑，并设定PAR 和NAR 的有效信号覆盖半径都为50 m，且它们的信号重叠区域最大宽度为10 m.在仿真过程中，MR 始终沿着各AR 的中心连线进行匀速移动，CN 始终以每秒1 000 个报文的恒定速率向MNN 发送长度1000 B 的报文.其他仿真参数如表2所示.

表2 切换方案仿真参数

为了验证上述各方案在不同网络移动速度v下的切换性能，实验中模拟铁路交通设置如下2 种场景:①低速移动场景，设v=10 m/s=36 km/h，相当于列车低速进站时的速度;②高速移动场景，设v=50 m/s=180 km/h，相当于列车高速行驶时的速度.在上述2 种场景中，MNN 所收到的报文序号N 随仿真时间T 的变化情况分别如图4和图5所示.

由图4可看出，在低速移动场景中，NEMO BSP 由于没有采取切换优化机制，因此切换时延较大且切换过程中报文全部丢失.采用快速切换机制的F-NEMO，EF-NEMO 和IF-NEMO 方案的切换时延相近，且都低于NEMO BSP，同时没有发现报文丢失，说明这3 种方案都执行了预先模式切换过程.完成L2 切换后MNN 接收报文的速率会变大，说明当MR 接入NAR 后，NAR 会以最高的数据发送速率(即无线链路的最大带宽)将其缓存的报文转发给MR，并在缓存报文转发完后恢复原先的数据传输速率.

比较图4和图5可看出，高速移动场景中NEMO BSP 的切换时延与低速移动场景中的切换时延相近，且切换过程中的报文仍然全部丢失.高速移动场景中F-NEMO 和EF-NEMO 的切换时延与低速移动场景中的切换时延相比明显增大，且切换过程中报文也会丢失，说明在子网高速移动时这2 个方案都执行了反应模式的切换过程，导致切换时延和丢包数量与低速移动时相比显著增加，因此在高速移动场景中F-NEMO 和EF-NEMO 的切换性能明显下降.

高速移动场景中IF-NEMO 方案的切换时延与低速移动场景中的切换时延相近，且低于其他方案，同时也没有发现报文丢失现象，说明当子网高速移动时IF-NEMO 方案依然执行的是预先模式切换过程，因此其切换性能明显优于其他对比方案.

图4 低速移动场景中各方案的切换性能

图5 高速移动场景中各方案的切换性能

5 结语

本文提出了一种移动网络切换方案IFNEMO，通过对预先模式切换流程加以改进，并通过网络中的接入路由器来执行部分网络层预先切换处理过程，以降低预先模式的预先切换时延.性能分析表明，IF-NEMO 方案在保持较低的切换时延的同时，显著降低了预先模式的预先切换时延和信令开销，从而提高了移动网络在高速移动场景下成功执行预先模式切换的概率.仿真实验结果也表明，在网络移动速度较快的情况下，IF-NEMO 方案仍然可以成功执行切换性能较好的预先模式切换过程，该方案在诸如高速列车等快速移动场景中为移动网络提供了一种具有较高切换性能的快速切换机制.

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