PMIPv6使用路由优化的条件值推导

2015-12-28 03:46葛伟伦葛晓滨陈小芳
关键词:信令路由时延

葛伟伦 葛晓滨 陈小芳

(安徽财贸职业学院电子信息系,合肥 230601)

代理移动 IPv6协议(proxy mobile IPv6,即PMIPv6)是Internet工程任务组(internet engineering task force,即IETF)提出的基于网络的移动性管理方案[1]。它不需要移动节点(mobile node,即 MN)参与任何与移动性相关的信令流程,从而降低了MN协议栈设计的复杂性。网络中的移动实体会跟踪MN的移动并初始化移动性管理相关信令,设置必需的路由状态。PMIPv6协议中定义的功能实体有本地移动锚(local mobile anchor,即LMA)和移动接入网关(mobile access gateway,即 MAG),LMA维持MN的可达状态并且是MN家乡网络前缀的拓扑锚点。MAG是代替MN执行移动性管理功能的实体,它位于MN所附着的本地链路上,负责检测MN接入和离开本地链路的移动状态。

1 PMⅠPv6相关路由优化方案

按照PMIPv6协议,无论通信节点(correspondent node,即CN)和MN在网络中处于何种位置,即使CN和MN处于同一个LMA域内,当位于MAG的访问链路及MAG之间存在直通链路(LMA和MAG构成三角路由)[2]时,CN和MN传输的分组仍须经过LMA集中式转发,而经过LMA到MAG的双向IPv6-in-IPv6隧道封装传输,势必使LMA成为通信的瓶颈,加重了LMA的负载,隧道封装增加了分组传输的时延和额外开销。在LMA域内有必要采取路由优化策略来提高分组传输效率,提高网络性能,减少LMA的负担。图1所示为MN域内切换和路由优化示意图。

Abeille等人提出一种由LMA发起的路由优化方案。方案中当LMA发现CN与MN所在的MAG访问链路存在直接通路时,它和 MAG进行信令交互以建立CN与MN之间的优化路径,由LMA发起的路由优化方案能平滑过渡到新的优化路径[3]。李向丽等人提出,当MN即将发起域内切换时,由新MAG主动发起路由优化信令交互,减少切换过程中LMA的参与,位置切换和路由优化并行进行,在MN接入新MAG之前就完成优化路径的建立,降低切换延迟和丢包率[4]。Song等人提出由旧MAG发起的路由优化方案,因为旧MAG可提前感知MN移动造成的信号减弱而主动发起路由优化[5]。唐军等人针对PMIPv6域内不同的应用场景,选择合适的路由优化发起方,合理制定路由优化判定规则,同时对交互信令进行优化,减少协议开销[6]。Krishnan也提出了一种本地化路由优化方案,对本地路由优化的发起规则进行了详细阐述,并为其定义了2种路由优化信令格式[7]。

路由优化思路基本是在域内LMA处建立2个绑定缓存入口[8](binding cache entry,即 BCE)——本地绑定缓存入口(local BCE,即LBCE)和通信节点绑定缓存入口(correspondent BCE,即 CBCE)。LBCE记录MN所在MAG链路的代理转交地址(proxy care-of address,即Proxy-CoA)和 MN 的家乡网络前缀(home network prefix,即 HNP)信息,CBE记录CN所在MAG链路的Proxy-CoA地址和CN的HNP信息等。一对LBCE和CBCE,记录CN和MN之间存在一条优化路径,可在MAG之间直接进行路由分组。

图1 MN域内切换和路由优化示意图

以上路由优化方案的路由优化发起方不同,同时发起的时机和规则也不同,但各种路由优化方案在执行时都含有基本的信令交互流程。这里设定LMA为路由优化发起方(不同发起方不影响本文的分析),信令流程如下:

(1)当MN从旧移动接入网关(previous mobile access gateway,即PMAG)切换到新移动接入网关(new mobile access gateway,即 NMAG)后,NMAG 代理MN和LMA完成位置绑定更新。LMA查找LBCE和CBCE,发现MN和CN的通信使用PMAG和 CMAG(correspondent mobile access gateway,即CMAG)之间的优化路径,现在 MN已经切换到NMAG,于是LMA立即更新LBCE和CBCE的对应关系。这里主要修改LBCE中MN的Proxy-CoA和HNP信息为NMAG链路的地址和家乡前缀信息。

(2)LMA发送路由优化初始化(route Optimization initiation,ROI)消息,告诉NMAG当前和MN通信的CN在CMAG,请求NMAG与CMAG建立隧道。消息包含通信节点标识符(correspondent node identifier,即CN-ID),CN的家乡网络前缀(home network prefix,即 HNP),CN在 CMAG处的 Proxy-CoA和CMAG的IP地址。

(3)LMA发送ROI消息给CMAG,现在MN已经接入NMAG,请求CMAG与NMAG建立隧道,消息包含移动节点标识符(mobile node identifier,即MN-ID),MN的 HNP,MN在 NMAG处的 Proxy-CoA和NMAG的IP地址。

(4)LMA发送ROI消息给PMAG,消息包含MN-ID,MN的 HNP,MN在 NMAG处的 Proxy-CoA,将此消息告知PMAG,MN移动到NAMG,释放维护MN映射关系的缓存。

(5)NMAG、CMAG、PMAG修改路由优化状态信息后,分别发送路由优化确认(route optimization acknowledgement,即ROA)消息,告知 LMA已完成路由优化。

(6)NMAG和CMAG的之间优化路径建立,MN和CN可以通过新建的优化路径传输分组。

2 LMA域内改进的路由优化方案

2.1 改进思路分析

LMA域内完成路由优化的同时需占用一定的系统开销,在此应对路由优化加设一定限制条件。设定这样一种工作状态:完成一次路由优化后,MN和CN即传输少量分组,MN由当前MAG切换到下一个MAG;接着又完成下一次路由优化,传输少量分组,再切换到下一个MAG。即在MN频繁切换状态下,每次切换到下一个MAG完成路由优化所占用的开销远大于分组传输开销,这时就不能无条件地将路由优化应用于MN切换频率高且分组传输数目少的工作状态,而是需要考虑MN、CN的通信频率和MN在MAG之间的切换频率[9]。在此需要一个数据量,既能够反映MN、CN通信频率与MN切换频率的数值关系,又使通信频率和切换频率不易获取。本次研究提出一种条件值(θ)的推导方法,统计MN和CN通信的分组传输数目(I)和完成路由优化LMA和MAG交换的基本信令数目(J),用2种数目的比值来决定LMA域内切换是否使用路由优化,比值定义为PRR。

2.2 条件值分析推导

首先定义工作方案。

方案A:当PRR≤θ时,不进行路径优化,仍然按照标准的PMIPv6协议规定路由MN和CN之间传输的分组,此方案称为标准 PMIPv6,仍然记为PMIPv6。

方案B:当PRR>θ时,LMA和MAG按照前述信令交互流程完成路由优化,MN和CN使用优化后路径传输分组。此方案称为基于路由优化的PMIPv6,记为 RO-PMIPv6。

为了求得条件值θ,首先需要计算2种方案的系统总开销,包括LMA、MAG交互的路由优化信令开销和MN、CN传输的分组开销,开销以分组长度和跳数的乘积形式体现[10],RO-PMIPv6和PMIPv6使用的网络拓扑结构相同。

方案A表示MN切换时不进行路由优化,此时只有分组传输开销;但此时分组传输开销是建立在分组经过MAG和LMA之间的隧道传输,且通过LMA的集中式转发完成,开销和时延较大。方案B则是在MN切换时进行路由优化,相对于方案A有额外的路由优化开销,但路由优化完成后分组通过优化路径来传输,分组传输开销要小于方案A的分组传输开销。2种方案的分组传输开销和路由优化开销随着分组传输数目I和路由优化信令数目J发生动态变化,但其系统总开销必然有相等的时刻;因此令方案A、B的系统总开销相等,就可以推导出判定使用路由优化的条件值θ。完成推导所需参数设置如下[11]:

S(x,y)表示从x到y的中间路由器跳数;

Lp为传输的单位分组长度;

LROI为LMA发送的单位ROI分组长度;

LROA为MAG发送的单位ROA响应分组长度;

Cp(MN,LMA)=Lp×S(MN,LMA),为单位分组从MN到LMA的传输开销;

Cp(LMA,CN)=Lp×S(LMA,CN),为单位分组从LMA到CN的传输开销;

CROI(LMA,CMAG)=LROI× S(LMA,CMAG),为路由优化初始化分组从LMA到CMAG的传输开销;

CROI(LMA,NMAG)=LROI× S(LMA,NMAG),为路由优化初始化分组从LMA到NMAG的传输开销;

CROI(LMA,PMAG)=LROI× S(LMA,PMAG),为路由优化初始化分组从LMA到PMAG的传输开销;

CROA(CMAG,LMA)=LROA×S(CMAG,LMA),为路由优化确认分组从CMAG到LMA的传输开销;

CROA(NMAG,LMA)=LROA× S(NMAG,LMA),为路由优化确认分组从NMAG到LMA的传输开销;

CROA(PMAG,LMA)=LROA×S(PMAG,LMA),为路由优化确认分组从PMAG到LMA的传输开销;

CROA(MN,CN)=Lp×S(MN,CN),为单位分组通过优化路径的传输开销;

方案A中,路由优化开销和分组传输开销分别如式(1)和式(2)所示:

方案A系统总开销:

方案B路由优化开销和分组传输开销如下:

方案B系统总开销:

2种工作方案下系统总开销必然有相等的时刻,可得到:CA=CB,即 CARO+CAP=CBRO+CBP。代入式(1),(2),(4),(5)并结合上面的参数设置推出θ的表达式:

由推导出的表达式(7)可算出θ值。当MN由PMAG切换到NMAG,代理MN完成位置绑定更新:若PRR≤θ,按照标准PMIPv6方案路由转发分组;若PRR>θ,按照RO-PMIPv6方案使用优化路径传输分组。在实际操作中统计分组传输数目I达到一定数值时的路由优化信令数目为J,I这个数目要根据网络具体情况来设定。

3 RO-PMⅠPv6 性能分析

3.1 系统总开销

按照设置的参数值可求出条件值θ为0.523,作为判定MN切换过程中是否进行路由优化的依据。系统参数设置如表 1所示[12]。若 PRR≤0.523,则不满足使用路由优化条件,于是使用标准的PMIPv6方案A处理MN的切换;若PRR>0.523时,则满足使用路由优化条件,于是使用 ROPMIPv6方案B处理MN的切换。2种方案系统总开销的计算公式已在前面给出,由式(3)和式(6)可制作LMA域内MN切换时系统总开销和PRR的关系图(图2)。

表1 系统参数设置

图2 系统切换总开销和PRR的关系

随着PRR增大,RO-PMIPv6系统总开销相对于PMIPv6的系统总开销优势越来越明显。

3.2 分组传输时延与路由优化时延分析

在此运用的是基于跳数的链路时延分析法[13],跳数指LMA、MAG、MN和CN之间间隔的路由器个数。用此方法对RO-PMIPv6和PMIPv6的分组传输时延和路由优化时延进行分析,分组传输时延为分组发送时延和分组在链路上传播时延之和。MN和CN到MAG的链路为无线链路,其余各点之间的链路为有线链路。所需参数值设置如下:

WB=20 Mbps,表示无线链路带宽;

B=200 Mbps,表示有线链路带宽;

PWD=1 ms,表示单位分组在无线链路上的传输时延;

PD=0.2 ms,表示单位分组在有线链路上的传输时延;

TLMA=0.003 ms,表示LMA对单位分组的处理时间;

TR=0.001 ms,表示中间路由器查找路由表转发分组所用时间;

TMAG=0.002 ms,表示MAG对单位分组的处理时间;

WDP(MN,MAG)=LP/WB+PWD表示单位分组由MN传输至MAG的无线链路时延;

WDP(MAG,CN)=LP/WB+PWD,表示单位分组由MAG传输至CN的无线链路时延;

DP(MAG,LMA)=(LP/B+PD)×S(MAG,LMA),表示分组由MAG传输至LMA的有线链路时延;

DP(MAG,MAG)=(LP/B+PD)×S(MAG,MAG),表示分组由MAG传输至相邻MAG的有线链路时延;

DROI(LMA,MAG)=(LROI/B+PD)×S(LMA,MAG),表示ROI分组由LMA传输至MAG的有线链路时延;

DROA(MAG,LMA)=(LROA/B+PD)×S(MAG,LMA),表示ROA分组由MAG传输至LMA的有线链路时延。

当MN由PMAG切换到NMAG时,分别进行方案A和方案B对应的分组传输时延和路由优化时延计算。

(1)方案A的分组传输时延及路由优化时延计算。

分组传输时延:

路由优化时延:

(2)方案B的分组传输时延及路由优化时延计算。

分组传输时延:

路由优化时延:

将上面所设置参数值代入式(8)—(11)式进行计算,结果如下:

比较方案A、B的分组传输时延和路由优化时延:当满足PRR>θ时,使用方案B要花费一定的路由优化时间;但在分组传输数目I很大情况下,D远远大于DBP,使用优化路径传输分组节约了很多时间,这时花费的路由优化时间便可忽略不计。

4 结语

本次研究对PMIPv6协议相关路由优化方案进行了分析,针对LMA域内MN和CN通信频率和MN的切换频率问题提出使用路由优化的条件,并且给出了推导条件值的方法。根据PRR是否大于条件值来决定MN切换过程是否优化MN和CN之间的分组传输路径。通过基于数值计算的理论分析,只有当PRR>θ时,使用RO-PMIPv6方案在分组传输开销和时延方面有明显优势。本次研究只针对LMA域内MN切换是否使用路由优化,对LMA域间MN的切换是下一步研究的方向。

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