基于DHCP的层次移动IP切换方案的研究

孙文胜，冯志常，王宇飞

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)



基于DHCP的层次移动IP切换方案的研究

孙文胜，冯志常，王宇飞

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)

摘要：针对层次移动IP(HMIPv6)在切换时因重复地址检测(DAD)耗费大量时间的问题，提出基于动态主机配置协议(DHCP)的切换方案.在特定路由器上开辟模块实现了DHCP协议中DHCP服务器的角色，为发生切换的移动节点直接分配地址，并且当移动节点发生切换时，增加请求释放旧地址的消息.模拟实验结果表明，新提出的方案在切换时延性能上明显优于HMIPv6，并与现有方案对比，在大量移动节点高速移动的环境下，新方案的切换时延更小.

关键词：HMIPv6；DAD；DHCP；切换时延

0引言

层次移动IPv6(Hierarchical Mobile IPv6，HMIPv6)虽然使移动节点(Mobile Node，MN)在微移动时不需再向归属地代理(Home Agent，HA)和通信对端节点(Correspondent Node，CN)注册，但MN在获取转交地址(Care-of Address，CoA)时，采用的仍然是移动IPv6的重复地址检测(Duplicate Address Detection，DAD)机制，其切换性能并不明显优于移动IPv6[1].为解决上述问题，文献[2]提出了基于转交地址池的方案(Care-of Address Pool-HMIPv6，CoAP-HMIPv6)，但如果大量MN在接入路由器(Access Router，AR)间快速通过，就会出现地址池耗尽的情况，新的MN因为无地址可用而等待，甚至出现路由中断的现象，使网络性能大大降低.文献[3]提出了优化的HMIPv6切换方案，该方案根据MN的网络ID和接口ID的独特性获取链路转交地址，但并没有解决MN在域间移动时切换时延大的问题.文献[4]从减小移动锚点(Mobile Anchor Point, MAP)负载和利用缓存减少地址配置时间的角度，对HMIPv6切换进行了优化，为人们提供了一种新的思路.

动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP)是互联网中广泛应用的为主机配置地址的技术，并且具有非常优异的安全性.本文提出了一种基于DHCP的切换方案D-HMIPv6，通过在特定路由器上开辟模块来充当DHCP服务器的作用，有效地减小了切换时延.

1层次移动IPv6和DHCP简述

1.1HMIPv6简述

HMIPv6网络拓扑如图1所示，HMIPv6将网络分成不同的域，每个域中都有一个MAP充当临时HA.MN在漫游的过程中，如果在同一个域中切换，叫做域内微移动，如果在不同区域之间切换，叫做域间宏移动.MN在域中使用2个CoA：链路转交地址(On-link Care-of Address，LCoA)和区域转交地址(Regional Care-of Address，RCoA)[1].

图1　HMIPv6网络拓扑

在HMIPv6中，切换时延主要由以下组成：二层切换时延TL2，移动检测时延Tdet，转交地址配置和对其进行DAD操作(MN在发出邻居请求报文后，会等待一段时间，如果在这段时间没收到其它节点发送的邻居通告报文，则该地址有效，否则MN会重新配置一个新地址，并再次对其进行DAD操作，直到获得的地址有效)造成的时延TCD，MN向MAP注册时延TLBU，MN向HA和CN注册时造成的时延TBU[5].故MN域内微移动时切换时延Tmicro-HHD为：

Tmicro-HHD=TL2+Tdet+TCD+TLBU，

(1)

MN进行域间宏移动时切换时延Tmacro-HHD为：

Tmacro-HHD=TL2+Tdet+TCD+TLBU+TBU.

(2)

1.2DHCP简述

DHCP协议工作流程如下：

1)当客户端接入网络时向所在网络广播DHCPDISCOVER消息，网络中所有DHCP服务器都能收到这个消息.该消息中携带着客户端的MAC地址等信息；

2)当DHCP服务器接收到DHCPDISCOVER消息后，从它所维护的地址池中取出一个可用IP地址，将地址和其它配置信息封装成DHCPOFFER包发送给客户端；

3)如果客户端接收到多个DHCPOFFER消息，就从中选择一个(通常选择最先到达的)，并向所在子网广播DHCPREQUEST消息，通知子网中的服务器它选择了哪个服务器；

4)步骤3中被选中的服务器监听到DHCPREQUEST消息后，向客户端回应DHCPACK消息，该消息包含为客户端提供的地址等参数，通知客户端为其分配的地址正式生效[6].步骤3中未被选中的服务器则收回先前分配出去的地址[7].

2基于DHCP的层次移动IP切换方案

2.1D-HMIPv6概述和新增报文

通过上面的分析，本文提出了在HMIPv6中应用DHCP技术的D-HMIPv6方案.在MAP和AR开辟一块空间存储地址，这一块空间的作用就相当于DHCP服务器的作用，其中MAP地址池中存储这一子网中可用的RCoA，AR维护可用的LCoA.

由于MN在移动中能根据路由器通告(Router Advertisement，RA)报文检测是否已经移动到新的子网，所以并不需要像DHCP中第1步一样发送广播报文.在DHCP协议第4步服务器向客户端发送DHCPACK消息并设置了地址租借期限，如果MN已经移出了本子网而分配给它的地址租借期限又很长，就会造成该地址在很长时间内不可用.为了避免上述情况，D-HMIPv6方案增加MN向旧的AR和MAP发出LCoA和RCoA请求释放的消息.

为了与其它网络相兼容，在RA消息、本地绑定更新消息和本地绑定确认(Local Banding Acknowledgement，LBA)消息中都加入一个D标志位来判断该子网是否支持D-HMIPv6.

LCoA消息格式如图2所示，类型表示是否LCoA消息，编码值区分是LCoA请求消息还是LCoA确认消息.类似的，只需将图2中的LCoA替换为RCoA，就得到RCoA消息.

图2　LCoA消息格式

2.2D-HMIPv6的切换模型

当MN发生域内微移动时，MN在移动检测阶段发现自己进入新AR服务范围时，先检查RA消息中的D标志位，如果被置位，MN发送LCoA请求给AR来请求地址，新AR接收到该消息后，从其地址池中取出可用的LCoA，向MN发送LCoA确认消息并把LCoA发送给MN，同时标记这个地址不可再分配给其它MN，当MN收到上述消息后，MN再用该地址向MAP注册[8]，MAP收到该消息后，检查消息中的D标志位支持D-HMIPv6后，绑定新LCoA和RCoA，并向MN发送LBA消息，MN检测D标志位确认支持D-HMIPv6后确认绑定成功，MN向旧AR发送LCoA释放请求消息，旧AR监听到该消息后，标记旧LCoA为可用，这样就可以分配给其它的MN.

当MN发生域间宏移动时，MN检查RA消息中的D标志位，当检测到该子网支持D-HMIPv6方案后，MN根据MAP选项信息判断自身已经移动到新的MAP域中后，向新的AR请求LCoA，新AR接收到该请求后，从其地址池中取出可用的LCoA，向MN发送LCoA确认消息并把LCoA发送给MN，同时标记这个地址不可再分配给其它MN，然后MN向MAP发送RCoA请求消息，MAP监听到该消息后，从其维护的地址池取出一个可用的RCoA，通过RCoA确认消息发送给MN，并对两者进行绑定，然后向MN发送确认消息，MN收到该消息后需要向HA注册.当MN收到绑定确认消息后，向旧AR和旧MAP发送LCoA请求释放消息和RCoA请求释放消息，旧AR标记先前分配给MN的LCoA为可用，旧MAP解除旧RCoA和旧LCoA的绑定关系，并标记旧RCoA为可用，不再因为租借期限未到而使旧LCoA和旧RCoA不可用.

3性能评估

依照图1所示拓扑图，用NS-2来验证方案性能.本文定义的链路参数为：MN通过2 Mbps的802.11WLAN无线链路接入到AR，其中MAP与HA，CN的链路带宽为5 Mbps，链路延迟设为10 ms，来模拟MN与HA，CN距离远的场景.其余有线连接都使用5 Mbps的以太网接口，有线链路延迟是2 ms，无线链路延迟是10 ms.

文中进行了2次切换性能方面的仿真实验.首先将D-HMIPv6与HMIPv6进行对比，得到实验结果如图3所示.从图3可以看出，D-HMIPv6的切换性能明显优于HMIPv6的性能，尤其在域间宏移动时省去了DAD操作，D-HMIPv6的切换时延更小.然后将D-HMIPv6与现有方案CoAP-HMIPv6进行对比，得到实验结果如图4所示.从图4可以看出，与CoAP-HMIPv6方案相比，随着MN速率不断增大，D-HMIPv6的切换时延更小.

图3　D-HMIPv6与HMIPv6切换时延比较

图4　D-HMIPv6与CoAP-HMIPv6切换时延比较

4实验结果分析

由式(1)、式(2)得，在D-HMIPv6中，MN在域内微移动时切换时延Tmicro-DHHD为：

Tmicro-DHHD=TL2+Tdet+TLBU

(3)

MN进行域间宏移动时切换时延Tmicro-DHHD为：

Tmacro-DHHD=TL2+Tdet+TLBU+TBU

(4)

与式(1)、式(2)相比，从式(3)、式(4)可以看出，采用DHCP技术的HMIPv6的切换时延比HMIPv6减少了配置地址和DAD检测的时间TCD，有效地缩短了切换时延.

CoAP-HMIPv6方案为每个地址都设置了可用期限，在这个期限内即使MN已经切换到其它子网，该地址依然不可用，这样可能会耗光地址池，使切换时延大大增加，而这种情况在实际生活中比较常见，比如当两列高速列车通过时；而在D-HMIPv6方案中，增加了请求释放旧地址的消息，在大量MN高速切换的环境下能使切换时延更小.

5结束语

本文研究分析了HMIPv6中MN配置地址而造成的切换时延，提出了一种基于DHCP技术的D-HMIPv6切换方案，缓解了MN在获取转交地址时切换时延大的问题.通过模拟实验表明，D-HMIPv6的切换性能优于HMIPv6；并在大量MN高速移动的环境下，D-HMIPv6方案比CoAP-HMIPv6方案的切换时延更小.

参考文献

[1]陈魏鑫,韩国栋,刘洪波,等.基于快速DAD的分层移动IPv6切换算法[J].通信学报,2008,29(1):115-120.

[2]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.

[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. IEEE, 2015: 18-24.

[4]YANG S J, CHIH S Y. Design VMAP with caching scheme to improving handover performance on the HMIPV6 network[J]. Computer Communications, 2014, 54: 58-66.

[5]MO L L. Research on Mobile IPV6 Technology and Handover Performance Optimization [C]//Proceedings of the 2012 International Conference on Communication, Electronics and Automation Engineering. Springer Berlin Heidelberg, 2013: 941-946.

[6]YAIBUATES M, CHAISRICHAROEN R. ICMP based Malicious Attack Identification Method for DHCP[C]//Information and Communication Technology, Electronic and Electrical Engineering (JICTEE), 2014 4th Joint International Conference on. IEEE, 2014: 1-5.

[7]DUANGPHASUK S, KUNGPISDAN S, HANKLA S. Design and implementation of improved security protocols for DHCP using digital certificates[C]//Networks (ICON), 2011 17th IEEE International Conference on. IEEE, 2011: 287-292.

[8]朱小娟.移动IPv6的切换方法研究与仿真[D].成都:电子科技大学,2012.

Research of Handover Scheme using DHCP Mechanism for Hierarchical Mobile IPv6

SUN Wensheng, FENG Zhichang, WANG Yufei

(SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：To deal with the problem that the duplicate address detection(DAD) in hierarchical mobile IPv6(HMIPv6) links too time consuming, a handover scheme based upon DHCP for HMIPv6 was put forward. Open up a module in particular router to realize the role of DHCP server to allocate address directly for the mobile node(MN) when handover occur, and when mobile node executes handover, adding a new request to release the old address, thus the old address can be assigned to other mobile nodes. Simulation results show that: the new scheme is better than HMIPv6 in handover delay performance, and in comparison with existing schemes, the handoff delay of the new scheme is smaller when a number of MN move at high speed.

Key words：hierarchical mobile IPv6; duplicate address detection; DHCP; handover delay

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.04.003

收稿日期：2015-11-16

作者简介：孙文胜(1966-)，男，安徽巢湖人，副教授，嵌入式系统与无线通信系统.

中图分类号：TP393

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2016)04-0010-05