一种HMIPv6的MAP域内的路由优化的研究

孙文胜，王宇飞

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)



一种HMIPv6的MAP域内的路由优化的研究

孙文胜，王宇飞

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)

摘要：针对MIPv6的不足，学者们提出了很多的优化方法，例如FMIPv6，HMIPv6，PMIPv6等.在HMIPv6的基础上，提出了一种基于双网卡的伪多路径路由优化的方案.利用双网卡实现MAP域内微移动的切换，降低了切换的时延.基于DSR利用双网卡实现了一种伪多路径的路由方案，使MN处于非切换状态时能够采用多路径的方式收发分组.分析结果表明，方案能优化MAP域内微移动的切换时延，增强链路可靠性并平衡链路的负载.

关键词：HMIPv6；动态源路由；负载均衡

0引言

近几年来，随着移动互联网的迅速发展，人们的工作、学习和生活都离不开移动互联网.2004年，互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force, IETF)制定了移动IPv6(Mobile IPv6，MIPv6)协议[1]，后来相继提出了快速移动IPv6(Fast-handover MIPv6，FMIPv6)、分层移动IPv6[2](Hierarchical MIPv6，HMIPv6)等多种改进的切换方式.本文在HMIPv6的基础上，对动态源路由(Dynamic Source Routing，DSR)进行改进，计算出接入路由器(Access Router，AR)到移动锚点(Mobile Anchor Point，MAP)的最佳路由，采用多路径的思想进行负载均衡，并将多路径路由应用到切换中，降低了切换过程中产生的时延.

1分层移动IPv6

在分层移动IPv6中，移动节点(Mobile Node，MN)的移动有宏移动和微移动两种.宏移动即MN在两个不同的MAP管理域间移动，微移动是MN在同一个MAP管理域的不同AR之间移动.MN微移动时，由于MN接入在不同的AR的链路下，收到不同的网络前缀，所以会生成不同的链路转交地址(Link Care-of Address，LCoA)，但是由于同属一个MAP管理域，所以MN的区域转交地址(Regional care-of Address，RCoA)是不变的，因此减少了MAP到归属代理(Home Agent，HA)、通信节点(Correspondent Node，CN)的一系列注册操作，减少了切换时延.MN宏移动时，由于MN属于不同的MAP管理域，因此需要重新配置LCoA和RCoA，重新进行HA，CN的绑定更新.

当前HMIPv6的研究方向主要有以下几个方面：缩短重复地址检测(Duplicate Address Detection，DAD)时延、最优化MAP选择、MAP域内路由等.文献[3]通过优化CoA的配置；文献[4]通过使用地址资源池分配CoA，取消了DAD过程；文献[5]提出了基于MAP负载的MAP选择机制；文献[6]提出了一种基于拓扑的MAP选择机制；文献[7]提出了基于变换模拟退火思想的改进MAP选择机制，从不同方面对MAP选择机制提出了改进；文献[8]提出了基于源路由技术的MAP域内路由技术，改善了MAP域内路由器负载.

2基于负载均衡的DSR双网卡改进方案

DSR协议是一种基于源路由的按需路由协议.DSR的优势是开销非常低，并且能够快速适应网络的变化.每一个数据分组都有一个给定的路径，在报文头部保存有该分组必须经过的有序节点的信息.DSR协议主要包括两个过程：路由建立和路由维护[4].

文献[9]提出了一种基于负载平衡的DSR路由协议(dynamic source routing with load balancing，DSR-LB)，在路由发现过程中，添加负载均衡机制，该路由协议使用了节点的MAC层的接口队列分组长度和接口队列分组长度增量判断节点的负载轻重.

2.1DSR路由分析

DSR路由的优点有：1)网络的中间节点不需要存储路由信息，根据数据分组中的路径直接转发，因此分组转发速度快；2)路由发现阶段发现了多条到终点的路径，可以选择不相交的路径以保证链路的可靠性；3)可以自主选择路径，均衡网络的负载.但是DSR网络也有缺点，例如数据分组中包含了完整路由信息导致报文头部开销大，路由发现阶段洪泛的消息造成网络开销大，因此只适用于小规模的网络，不适合大规模的网络.

MAP域内路由如果采用传统的RIP，OSPF路由协议，不能很好地利用网络资源，路由均衡能力不足.在小规模网络中采用DSR路由协议，有更快的转发效率，同时能够更好地利用当前网络的资源.

2.2路由发现

基于DSR-LB协议，本方案增加了对双网卡的支持，将广播路由请求消息RREQ的源节点增加一个地址空间.当需要双网卡同时进行路由发现时，将双网卡地址保存在报文头部；当只有单网卡进行路由发现的时候，只保存其中之一，按照DSR-LB协议进行路由发现.

2.2.1双网卡同时进行路由发现

基于DSR-LB协议，路由请求RREQ分组的源节点设置为双网卡的LCoA地址，目的节点设置为MAP，按照DSR-LB进行路由查找.

MAP能够接收到多条AR到MAP的路由，根据DSR-LB对所找到的路由进行选择，选择最优的两条路由，然后MAP分别对两个LCoA发送RREP，将所选路由返回通知双网卡.

2.2.2单网卡进行路由发现

基于DSR-LB协议，由于报文头部的源地址有两个地址，这里只需保存一个相应的源地址，另一个源地址留空.主要应用环境是：单链路路由维护、MAP域内不同AR之间的切换.进行单链路路由维护阶段时，按照DSR-LB执行路由维护；当MAP域内不同AR之间的切换时，经过路由查找后能够找到两条最优的路由，此时使用第一条路由作为此网卡进行传输分组的路径，第二条路由作为备用路由，等待第二块网卡接入时使用.

双网卡路由发现的具体流程如图1所示.

图1　双网卡路由发现流程

2.3路由维护

基于DSR协议，按需维护，这样能够减少相应控制的报文.当某一节点的负载过大时，该节点会向源节点发送一个链路错误信号RERR，并且同时将缓存中相应链路的路由选项删除，重新进入路由发现阶段，快速对节点的负载进行响应.

2.4负载均衡

路由发现和路由维护阶段其实已经包含了负载均衡的一部分内容，在选择路由和维护节点负载不超阈值体现了路由均衡负载.

可以选择多条路由同时进行收发数据分组，但是路由的数目不能太大，选择2条或者3条路由比较合适[10].因此本文选择2条路径收发分组.

3MAP域内双网卡伪多路径方案

3.1MAP域内非切换状态时双网卡伪多路径方案

3.1.1MAP的改进

在标准HMIPv6中，一个MN只能分配一个LCoA和一个RCoA，并在MAP进行绑定.但是在双网卡方案中，由于LCoA是由网络前缀和MAC地址一起计算出来的，所以一个MN拥有两个LCoA.当MN处在同一个MAP管理域时，两块网卡拥有相同的RCoA，所以此时只需要在MAP进行修改，使MAP支持一个MN拥有两个LCoA地址，进行绑定，同时对HA无需进行修改，因为RCoA都是只有一个值，HA按照标准HMIPv6进行运作.

3.1.2伪多路径方案

之所以说本文提出的方案是伪多路径，是因为这不是一块网卡的多路径，而是一块网卡一条路径，一个MN节点使用两块网卡实现两条路径.使用DSR-LB的路由发现机制，本方案能够发现多条路径，选择最优和次优路由作为双路径给双网卡使用.

图2　MN域内微移动切换流程

3.2MAP域内微移动双网卡伪多路径方案

MN的双网卡有两条收发路径，在MAP域内切换时，双网卡可以先后进行MAP域内的切换，具体流程如图2所示.

3.2.1切换开始阶段

当MN在同一个MAP管理域中的不同的AR之间移动时，根据标准HMIPv6协议，链路层能够检测到节点即将要执行切换动作，此时根据DSR-LB协议，获取双网卡的链路情况，选择链路状况较优的网卡继续工作，选择链路状况较差的网卡执行HMIPv6标准切换.

3.2.2切换执行阶段

原AR中链路状况较差的网卡执行标准切换，直到MAP注册新LCoA之前，都和标准HMIPv6一致.标准HMIPv6中MAP记录中一个MN只有一个LCoA，根据上一节中，MAP中对于同一个MN有两个绑定的LCoA地址，此时将其中一个LCoA地址更新为新AR中的LCoA地址.由于是同一个MAP管理域内的移动，所以HA是不需要进行更新注册操作的.

3.2.3切换结束阶段

完成绑定操作之后，MAP对于收到属于同一个MN的数据分组根据两条链路的状态进行发送，发送的数据分组完全根据两条链路状态进行发送，自动分配负载，达到减少网络拥塞和增强链路容错能力.

当原AR链路状态完全低于阈值时，原链路断开，执行标准HMIPv6切换，根据2.2.2节切换完成后路由查找过程，直接使用备用路由进行分组收发.

4性能分析

本文提出的方案中，切换的具体执行操作按照标准HMIPv6进行，所改进的地方是MAP管理MN时新增一个LCoA绑定，使一个MN的双网卡的双LCoA能够在MAP注册.虽然实际的切换流程并没有改进，但是由于用了双网卡方案，在切换的同时还能进行数据分组的收发.在域内微移动能够做到平滑切换，减少切换时延和丢包.

在路由查找阶段时，使用DSR取代原有的RIP、OSPF等最短路径方案，DSR能够更好地应对链路的变化.同时在域内非切换状态运用双网卡实现伪多路径路由，达到平衡路由负载，增强链路容错的能力.虽然使用多路径查找，路由表的计算开销和存储空间比较大，但是DSR是按需路由协议，按需特性减少了许多的计算和存储的开销；源路由使用事先确定好的路径发送分组，中间节点只负责进行转发，进一步简化了开销.

基于NS2[11]仿真得到的数据对比如图3、图4所示.

图3　数据传输速率和丢包率的关系

图4　数据传输速率和延时的关系

从图3、图4中可以看出，当传输速率低于700 kbps时，基于双网卡的伪多路径方案能减小50%左右的域内切换时延和丢包率，当传输速率大于700 kbps时，该方案能减小50%以上的域内切换的时延、丢包率.

5结束语

本文在HMIPv6的基础上，基于双网卡和伪多路径方案，实现了MAP域内微移动的平滑切换，同时平衡了链路负载，增强链路容错能力，提高了用户的业务质量.但是本方案最主要缺点是MAP的工作量增加，易成为网络的瓶颈，同时对于MAP域间的宏移动还是没有做到优化，双网卡的成本问题也会影响到应用的实际推广.

参考文献

[1]JOHNSON D, PERKINS C, ARKKO J.RFC 3775:Mobility Support in IPv6[R/OL].[2004-06-01].https://www.rfc-editor.org/rfc/pdfrfc/rfc3775.txt.pdf.

[2]SOLIMAN H, CASTELLUCCIA C, ELMALKI K, et al. RFC5380：Hierarchical Mobile IPv6 (HMIPv6) Mobility Management[R/OL].[2008-10-01].https://www.rfc-editor.org/rfc/pdfrfc/rfc5380.txt.pdf.

[3]RANA M K, MANDAL S, SARDAR B. Optimized HMIPv6 (O-HMIPv6): reducing handoff latency in HMIPv6 networks[C]//Applications and Innovations in Mobile Computing (AIMoC), 2015. Kolkata: IEEE, 2015:18-24.

[4]蔡凯.基于转交地址池的层次型MIPv6切换研究与实现[D].济南：山东大学，2009.

[5]范祚至，张曦煌.基于动态负载均衡的层次性移动IPv6路由优化方案[J].计算机软件与应用，2014:31(4)：128-132.

[6]孙文胜，黄吉.基于一种新的移动锚点选择算法的分层移动IPv6策略[J].计算机应用，2013,33(1):112-114.

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[8]陈峰奕.基于层次化移动IPv6切换技术的研究与改进[D].广州：华南理工大学，2011.

[9]李梅，周继鹏.基于负载均衡的DSR路由协议改进[J].计算机应用研究，2011,28(1)：256-258.

[10]于宏毅.无线移动自组织网[M].北京：人民邮电出版社，2005:171-176.

[11]秦冀，姜雪松.移动IP技术与NS-2模拟[M].北京：机械工业出版社，2006：301-311.

Improvement of Routing Protocol on MAP Domain in HMIPv6

SUN Wensheng, WANG Yufei

(SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：The paper presented a new scheme of multi-path routing optimization by using double network cards, which is based on HMIPv6 switching mode. By using double network cards, we achieve the goal of micro moving handover latency in MAP domain reduce to half; at the same time, when the MN’s state is not at switching mode, an imitate multi-path routing scheme that using double network cards based on dynamic source routing(DSR) in the MAP domain is implemented. The results show that the scheme can optimize the MAP domain micro-mobility handover latency, and enhance reliability of links and link load balancing.

Key words：HMIPv6; dynamic source routing; load-balancing

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.02.006

收稿日期：2015-09-06

作者简介：孙文胜(1966-)，男，安徽巢湖人，副教授，网络通信.

中图分类号：TN929.5

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2016)02-0027-05