基于NEMO-PMIPv6的城际公交移动通信快速切换方案

吕莹莹,李艳翠

（河南科技学院,河南新乡453000）

基于NEMO-PMIPv6的城际公交移动通信快速切换方案

吕莹莹,李艳翠

（河南科技学院,河南新乡453000）

在研究代理移动IPv6协议（proxy mobile IPv6,PMIPv6）与移动网络基本支持协议（network mobility basic support,NEMO-BS）的基础上,提出一种适合在城际公交上部署的FPMIPv6-NEMO移动通信快速切换方案.方案通过在移动路由器（moblie router,MR）中预先设置城际公交线路切换信息,根据域内切换和域间切换类型不同,提前建立隧道,这样缩短切换延迟并降低了丢包率,达到城际公交在路程中的无缝切换.实验表明, FPMIPv6-NEMO方案相较于PMIPv6具有更好的性能与服务质量.

PMIPv6；NEMO-BS；城际公交

随着信息技术的不断发展,乘客对城际公交上接入移动网络的需求在不断增加.下一代互联网移动IPv6技术（mobile IPv6,MIPv6）[1]是当前研究的热点,它综合运用移动宽带无线网络技术与下一代互联网络技术,能够提供可靠优质的通信服务.但是,将MIPv6应用在城际公交中,由于城际公交中的客流量较大,而MIPv6协议是以移动节点（mobile node,MN）为中心的,切换相关的决策均需要有MN的参与,因此, MN上需要安装客户端功能,或者修改网络协议栈,而这样会导致MIPv6的实施部署难度增大.另外, MIPv6在设计时没有考虑整体网络移动性问题,由于一趟城际公交中的所有MN都朝着相同方向进行运动,当发生切换时,所有城际公交中的MN都要发送报文进行网络切换,造成过大的信令开销.

为了解决MIPv6部署城际公交移动网络的问题,本文提出适用于城际公交移动网络的基于PMIPv6[2]与NEMO-BS[3]相结合的IPv6快速切换方案（FPMIPv6-NEMO）.FPMIPv6-NEMO方案中,将PMIPv6与NEMO相结合,使一趟城际公交可以按照PMIPv6划分的域内和域间进行整体切换.同时,针对城际公交运行的线性特征,提前保存沿线网络信息,通过提前发起切换并建立隧道,确保移动网络无缝切换.

1 NEMO-BS协议与PMIPv6协议

1.1 NEMO-BS基本原理

为了使中小型网络能够整体移动,并同时保持内部节点对切换的透明度,国际互联网工程任务组（the internet engineeringtask force,IETF）于2005年1月提出移动网络基本支持协议（NEMO-BS）,NEMO的整个网络的移动管理功能都交付给移动路由器（moblie router,MR）,由MR代替单个MN与家乡代理（home agent,HA）之间进行绑定更新,并建立IPv6-in-IPv6的双向隧道.在整个切换中,内部移动节点（moble network node,MNN）不会感知网络接入点的变化.当整个网络NEMO运动至外地网络时,MR向HA注册新子网的转交地址（care ofaddress,CoA）.MR和HA之间通过发送绑定更新（bindingupdate,BU）与绑定确认（bindingacknowledgement,BA）消息来建立IPv6-in-IPv6的双向隧道.确保了移动节点家乡地址（home address,HoA）的全局可达性.当完成与HA的绑定注册后所有通信对端（correspondent node,CN）发送来的数据包通过双向隧道由HA发送至MR,MR将数据包进行解压缩并转发给NEMO内的MNN.

1.2 PMIPv6基本原理

为了避免MN参与移动管理过程,IETF于2007年4月提出PMIPv6.该协议在MIPv6协议的基础上,通过引入本地移动锚点（local mobilityanchor,LMA）与移动接入网关（mobile access gateway,MAG）两个新的移动性管理功能实体,来替代MN执行移动性管理功能.PMIPv6协议中,MN无需再修改网络协议栈或是安装移动性管理软件.MAG具有MIPv6中HA的全部功能,主要负责MN在PMIPv6域内的可达性. MAG代替MN完成数据转发功能.通过相互发送代理绑定新消息（proxybindingupdate,PBU）和代理绑定确认消息（proxy binding acknowledgement,PBA）,LMA和MAG之间建立IPv6-in-IPv6的双向隧道.数据包通过隧道将MN的数据分组转发至MAG,再由MAG路由至MN.当MN在MAG间切换时,如果是在同一个LMA域内切换,即发起PMIPv6的域内切换.在PMIPv6域内切换中,LMA需要和MN所在新的接入网关（newmobileaccess gateway,NMAG）重新完成更新并建立双向隧道.由于MN则会接收到相同的家乡网络前缀（home network prefix,HNP）,该切换对MN是透明的,MN仍然认为自己在相同的家乡网络中,因此可保证通信的连续性.由于PMIPv6设计之初主要研究小型网络的切换,因此当MN在PMIPv6域间进行切换时,PMIPv6并未给出相关支持.因此当发生域间切换时,将使用MIPv6机制进行切换[4].

当前,将PMIPv6与NEMO相结合的研究还较少,IETF还没有发布任何相关的正式协议.鉴于PMIPv6与NEMO结合的广阔的应用前景,PMIPv6与NEMO相结合将成为今后移动IPv6的研究方向.

2 FPMIPv6-NEMO方案设计

2.1 设计思想

一趟城际公交的运动轨迹是固定的,而何时何地到达哪个网络却具有不确定性.为了降低算法的复杂度,避免因公交晚点等问题产生的错误切换等问题,FPMIPv6-NEMO方案中并不考虑公交的到站时间,仅考虑路线问题.FPMIPv6-NEMO方案中,每趟公交在其MR中维护一张路径信息表,用来记录沿途所有子网信息（见表1）.表1中包含移动接入网关以及下一接入网关信息、网络所属域、HNP,同时该表还标识了子网与子网间切换的类型,域内切换时,切换标识为0,域间切换时,标识为1[5].

当MR切换至新的网络并正常通信后,根据所在网络,查找路径表信息,向MAG发送一条快速搭建隧道消息（fast build the tunnel,FBT）,该消息是FPMIPv6-NEMO的新增ICMPv6控制消息,消息结构如图1所示,该消息包含一个F标识位,MR根据路径表信息中切换的类型,域内切换F位是0；域间切换F位是1；当F位为0时,Option-code中携带下一接入路由信息和MR-ID；当F位为1时,Option-code中除了下一接入路由信息外,还携带HNP.FBT是由MR向MAG发送,MAG在接收到FBT消息后,在MR没有发生切换前,就完成隧道的建立.

FPMIPv6-NEMO方案中,在原有切换发起消息（Handover Initiate,HI）中保留字段添加H标示位,用于区分域内和域间切换[6].H位为0表明域内切换,H位为1表明域间切换.

2.2 域内和域间切换流程

当公交进行域内切换时,具体流程如图2所示.

（1）MR进入MAG1所在网络并正常通信后,根据自身所在接入点,查找路径表,根据切换的类型,向所在网络的接入网关MAG1发送FBT消息.根据FBT消息中的F位为0,以及将要切换的邻居路由信息,MAG1发起域内切换.

（2）MAG1接收到MR发送来的FBT消息后,向MAG2发起HI消息.HI消息中包含MR-ID.MAG2接收到HI消息后,向MAG1发送切换确认消息（handover acknowledge,HAcK）.通过HI消息和HAcK消息,MAG1与MAG2之间建立一条隧道.该隧道建立后并未激活,MAG1并未向MAG2转发MR的数据包.

（3）当MR在MAG1与MAG2重合区域,MR链路层根据信号的变化向MAG1发送Link GoingDown触发.MAG1接收到链路层触发器后,将MR的数据包按照之前建立的隧道发送给MAG2.

（4）当MR完成切换进入MAG2区域,向MAG2发送路由请求消息（router solicitation,RS）,MAG2将数据转发给MR.

（5）MAG2与LMA1之间使用PMIPv6中的PBU/PBA消息进行绑定注册.绑定完成后发给MR的数据经由MAG2转发至MR.

当公交进行域间切换时流程如图3所示.

（1）MR进入MAG2所在网络并正常通信后,根据自身所在接入点,查找路径表,根据切换的类型为域间切换,向所在网络的接入网关MAG2发送FBT消息,FBT消息F位为1.

（2）MAG2向LMA1发送HI消息,HI消息中携带MR-ID和新的HNP.LMA1收到HI消息,向LMA2转发该消息,LMA2收到HI消息向LMA1发送HAcK消息,LMA1与LMA2建立隧道.与域内切换中的HI消息不同,该HI消息增加新的字段S位,用来标识该消息用于域间切换.

（3）当MR在MAG2与MAG3重合区域,MR链路层根据信号的变化发送Link Going Down触发, LMA1向LMA2转发MR的数据.

（4）当MR到达新网络后,根据新的家乡地址前缀,配置HNP-ID.并向MAG3发送RS消息,RS消息中包含MR的新老地址.MAG3接收到MR的RS消息后,向LMA2发送PBU消息进行绑定更新.LMA2向MAG3返回PBA消息,完成注册,并开始向MR转发数据.

2.3 性能分析

通过比较PMIPv6和FPMIPv6-NEMO方案的切换时延和丢包个数来分析FPMIPv6-NEMO方案的性能.本文假定城际公交中所有公交和接入网络都进行了AAA认证,AAA过程忽略不计,同时忽略链路上传输延迟,分析从MR断开旧网络连接到在新网络接收到数据包所产生延迟和丢包[7].切换延迟从整体上可分为链路层切换延迟和网络层切换延迟.式中所用参数由表2表示.

2.3.1 域内切换分析域内切换时,使用PMIPv6协议,MR在接入新网络后,通过邻居发现机制得知自己切换到新的网络,从而发起切换.因此,从网络断开到接受数据,使用PMIPv6产生延迟见式（1）.

丢包个数见式（2）.

而在FPMIPv6-NEMO方案中,由于链路层触发机制,消除了移动检测TDetect；提前建立隧道,消除了TBT,因此FPMIPv6-NEMO方案在域内切换所产生的延迟见式（3）.

由于FPMIPv6-NEMO方案提前建立隧道,并在链路触发后立刻转发数据包,因此域内切换所产生的数据包丢失个数见式（4）.

2.3.2 域间切换分析PMIPv6并未对域间切换提出切换方案,MN进行域间切换时,将使用MIPv6进行切换,因此,PMIPv6域间切换产生延迟为MIPv6切换延迟.

FPMIPv6-NEMO方案所提出的域间切换方案,由于公交的运行方向是一定的,每一次的切换类型是提前得知的.当公交发生域间切换前,通过提前建立LMA1与LMA2之间的隧道,减少了延迟,同时避免丢包.因此FPMIPv6-NEMO方案在域间切换的延迟和丢包个数由式（5）和式（6）表示.

通过分析可以看到,由于城际公交的线性运动,FPMIPv6-NEMO方案通过提前建立隧道,可以减少切换延迟.同时,由于提前设定了切换网络的线路,没有使用预测机制,避免了因为链路层预测不准确导致的延迟和丢包,有效保障切换的可靠性.由于PMIPv6协议主要为小型网络切换设计,域内切换比域间切换性能要高,而FPMIPv6-NEMO方案设计了域间切换模式,当发生域间切换时,能够提前建立隧道,确保域间切换的高性能.

3 仿真验证

使用NS2（network simulator version 2）[8]工具对PMIPv6和FPMIPv6-NEMO方案分别进行仿真,从域内切换和域间切换两个方面对切换延迟进行比较.

仿真区域设置为2 000 m×2 000 m,其中,MAG1和MAG2属于LMA1域,MAG3属于LMA2域,每个MAG的覆盖半径设置为250 m,MR和所有的MAG使用IEEE802.11b协议,采用无线点到点链路链接.设置无线链路上的传输延迟为20 ms.MR与其子网中所有移动设备同样使用无线链路链接,性能同上.其余网络实体使用100 M线缆连接,所有单跳延迟均为2 ms.在仿真实验中,CN向MR发送长度为256 byte的UDP分组,速度设置为100 packet/s,MR速度分别设置为5 m/s、10 m/s、20 m/s、30 m/s、40 m/s和50 m/s.每个运动速度下实验10次,取平均切换延迟.

3.1 域内切换

实验结果如图4所示.

由图4可知,当MR保持低速运动时,使用PMIPv6产生的平均延迟在400 ms左右,改进方案的平均切换延迟保持在100～200 ms之间.当设置MR的运动速度为30 m/s、40 m/s和50 m/s时,可以观察到切换延迟有明显增加.PMIPv6的平均切换延迟在600 ms左右,而FPMIPv6-NEMO表现较稳定,当MR速度为50 m/s时,平均延迟为265 ms.

3.2 域间切换

域间切换实验结果如图5所示.

由图5可知,当MR发生域间切换时,使用两种方案的性能都比域内切换时的切换性能差.PMIPv6产生的最高延迟为893 ms,这对正常通信已经造成一定影响.FPMIPv6-NEMO方案表现相对较好,最高平均延迟为360 ms.

4 小结

本文提出一种适合城际公交的无线切换方案.FPMIPv6-NEMO方案融合了PMIPv6与NEMO-BS协议的特点,同时结合了城际公交自身特点,能够让用户在城际公交上完成网络的无缝切换.通过理论分析和实验仿真,对PMIPv6与FPMIPv6-NEMO方案进行比较,结果表明FPMIPv6-NEMO方案具有较高的性能.

当然,FPMIPv6-NEMO方案中还是具有一些问题,比如FPMIPv6-NEMO不可避免的使用了隧道嵌套,继续改进方案将成为以后研究的重点.

[1]JOHNSOND,PERKINSC,ARKKOJ.Mobilitysupport in IPv6[S].Internet EngineeringTask Force,RFC3775,June 2004.

[2]GUNDAVELLI Ed S,LEUNGK,DEVARAPALLI V,et al.ProxyMobile IPv6[S]Internet EngineeringTask Force,RFC5213,August 2008.

[3]DEVARAPALLIV,WAKIKAWAR,PETRESCUA,et al.NetworkMoblity（NEMO）BasicSupportProtocal[S].IETFRFC3963,2005.

[4]王相林.IPv6核心技术[M].北京：科学出版社,2009.

[5]唐伟,汤红波.基于PMIPv6的移动网络快速切换方案[J].计算机科学,2003,40（11）：43-47.

[6]吴义镇.面向下一代网络架构的移动管理关键技术研究[D].合肥：中国科学技术大学,2016.

[7]陈康先,陆以勤,罗旭,等.无线网状网域间无缝切换技术研究与设计[J].华南师范大学学报（自然科学版）,2015,47（4）：150-154.

[8]王辉.NS2网络模拟器的原理和应用[M].西安：西北工业大学出版社,2008.

（责任编辑：卢奇）

Researches and implementation of fast handover proposal for intercity bus mobile communication based on NEMO-PMIPv6

LYU Yingying,LI Yancui
（Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang453000,China）

Based on the research of proxy mobile IPv6（PMIPv6）and mobile network basic support protocol（NEMO-BS）,a kind of fast handover proposal for intercity bus mobile communication（FPMIPv6-NEMO）was put forward in this paper.According to the different types of intra-domain handoff and subdomain intra-domain handoff, this proposal aims to build a tunnel in advance to shorten the delay and reduce the packet loss rate by presetting high-speed rail handover information in the mobile router（MR）,which makes a seamless handover in intercity bus. Experimental results showed that compared with PMIPv6,FPMIPv6-NEMO method had better performance and service quality.

PMIPv6；NEMO-BS；intercity bus

TN929.5

A

1008-7516（2016）05-0067-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.05.014

2016-08-22

吕莹莹（1985－）,女,山东长青人,硕士,助教.主要从事下一代互联网、无线网络及云计算研究.