一种新的基于HMIPv6的车载网络移动协议仿真研究

刘书如， 张启坤， 甘 勇

(郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院，河南 郑州 450002)



一种新的基于HMIPv6的车载网络移动协议仿真研究

刘书如， 张启坤， 甘 勇

(郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院，河南 郑州 450002)

车载网络信息技术的高速发展对移动过程中信息交换提出新的挑战，针对域内及域间频繁切换所产生的绑定更新信令开销大、数据包发送时间延长的问题，提出了一种新的车载网络移动协议，该协议通过改进的HMIPv6指针传递算法(EPF-HMIPv6)，对切换过程中的数据发送路由进行优化.仿真实验结果表明,该算法在绑定更新开销、数据包发送开销等方面均优于现有的车载网络移动管理算法.

车载网络；指针传递；移动管理；分层次移动IPv6

0 引言

车载网络的迅速发展对移动管理算法提出了一个新的挑战.车辆频繁地从一个基站移动到另一个基站，从一个系统切换到另一个系统，这种频繁的切换会影响到数据包的丢失率和会话的连续性,因此，车载网络中如何降低移动切换过程中注册消息的开销、降低因切换所带来的时延一直是研究的热点.

针对该问题，IETF工作组提出了MIPv6协议，MIPv6把移动管理协议分为局部移动和全局移动.但是MIPv6没有对局部范围内的移动，也就是域内移动提出更好的解决方法，而是把域内移动和域间移动用相同的处理方法.

为了解决局部移动的问题，IETF提出了分层次HMIPv6[1]协议.HMIPv6建议选择最远的MAP， 这样可以降低重新注册的开销，这种算法适合高速移动的车载网络.但是对于低速的移动车载网络，该算法是低效的.还有一个问题就是该算法对于时延要求比较高的车载网络来说不太适合，并且该算法可能会造成所有移动车载注册到同一个MAP，结果该MAP就可能成为网络瓶颈.

针对HMIPv6存在的问题，研究者们提出了不同的解决方案.文献[2]中建议了一种改进的MAP选择算法，主要是考虑MAP的负载均衡.文献[3]中提出基于移动速度来选择MAP，快速移动的车辆选择最远的MAP，而慢速移动的车辆选择最近的MAP，但是对于介于两者之间的情况，并没有给出一个很好的解决方法.

针对车载网络移动管理协议，国内很多学者也进行了深入的研究.国防科技大学宋宏斌等针对城市车辆网络的移动性管理[4]，提出了利用本地访问频率和邻居节点访问频率构建收益函数的方法，通过建立车辆网络场景并模拟验证了该收益函数下的数据缓存的优越性.文献[5]提出了一种基于IPv6的城市车载网移动切换协议.该协议在移动过程中由家乡地址唯一标识，无须转交地址，因此节省了转交地址配置时间和代价，从而缩短了移动切换时间，降低了移动切换代价.文献[6]评估了不同协议在高速车载网络环境中的性能，结果表明相比于低速环境，高速环境对四类协议性能均有严重的影响.文献[7]提出了一种面向分层移动IPv6网络的动态指针推进机制，移动锚点可以依据管理域的大小，动态的调整指针推进机制，该方案可以有效降低分层移动IPv6的开销，但是未对该协议在车载网络中的性能进行评估和分析.

在数字蜂窝通信网络中，指针传递算法[8]能够有效降低信令开销.文献[9]在HMIPv6的基础上，实现了指针传递算法，主要思路是在MAP之间建立指针链，因此在MAP域间切换的时候，该算法可以有效降低发往家乡代理HA的注册信令开销.但是当MAP域足够大时，域间切换发生的频率并不高，所以该算法的性能就不能充分体现.另外，该算法也没有进行路由优化.

笔者在上述研究基础上，结合车载网络本身的特点，提出一种新的基于HMIPv6的车载网络移动协议，将指针传递算法引入到车载网络中，对指针传递算法中的路由进行了优化，并建立分析模型，最后给出了仿真分析结果.

1 一种新的车载网络移动协议

1.1 EPF-HMIPv6算法

在分层次移动IPv6(HMIPV6)网络的基础上，结合车载网络移动性特征，提出一种新的指针传递算法，称为EPF-HMIPv6算法.在HMIPV6网络中，一个MAP覆盖的范围比较大，里面包含了很多访问路由器，MAP域间切换要远少于MAP域内切换.因此，EPF-HMIPv6算法把指针传递链建立在访问路由器AR之间，而不是像其他的指针传递算法[10]，把指针链建立在MAP之间，从理论说，EPF-HMIPv6能够更加有效的降低一个MAP域内频繁切换时所产生的流量负载.为了更好的适应车载网络的特性，EPF-HMIPv6还考虑了车载网络中车载网络移动快和慢两种情况，分别来评估该算法的性能.

1.1.1 MAP域内切换绑定更新过程

如图1所示，在EPF-HMIPv6算法中，每一个访问路由器都维持一个指针链表.在该表中，每一行有三个字段：第一个字段是移动终端MN的家乡地址；第二个字段是MN目前所处的AR范围内所取得的转交地址(LCoA)；第三个字段是MN在新的AR所取得的下一个转交地址.

EPF-HMIPv6算法绑定更新过程如下：

(1)MN首先在第一个访问路由器AR上完成初始化注册，此时AR1的指针链表值分别为LCoA1和NULL；

(2)如果MN移动到AR2，MN首先给AR1发送一个绑定更新消息，意思是在AR1和AR2之间建立传递指针链；

(3)AR1收到绑定更新消息后，更新其指针链表，表中的下一个字段的值改为LCoA2.同时，AR1发送一个绑定更新确认消息给MN；

(4)当MN收到确认消息后，MN把其指针链表长度变量L加1；

(5)整个绑定更新过程完成后，AR1指针链表中的值为LCoA1和LCoA2.而AR2指针链表的值为LCoA2和NULL.

图1 车载网络

绑定更新过程中，MN始终记录一个指针链长度值L，如果L小于预先设置好的一个阀值K，就执行上述绑定更行过程.如果L等于K或者MN从一个MAP切换到了另一个MAP域，那么此时绑定更新消息就按照HMIPv6中的流程，发送给MAP，并且长度值L重新设置为0.

1.1.2 EPF-HMIPv6路由优化

如图2所示，当CN向MN发送一个数据包的时候，整个数据包转发过程描述如下：

图2 算法路由优化

(1)首先CN发送数据包到MN的家乡代理HA，依据HA中记录的MN的RCoA，也就是MAP的地址，把数据用隧道封装方式发送到MAP；

(2)MAP收到该数据包，根据MAP中记录的MN的LCoA信息，进行数据封装发送;

(3)MAP首先把数据包发送到地址LCoA1处，也就是发送给AR1；

(4)AR1查询自己指针链表中的下一个字段值，如果下一个字段值为空，表明可以直接把数据发送给MN.

(5)当MN收到来自CN的数据包后，MN需要发送绑定更新到MAP和CN，目的是让对方知道自己最新的CoA.同时，还需要重新初始化自己的指针链长度变量L的值.以后的通信过程就可以实现MN与CN直接通信，从而优化了路由，也减少了数据发送时延.

2 性能分析

2.1 运行速度评估

车载网络中运行车辆，可以看作是EPF-HMIPv6算法模型中的移动终端MN，车辆的移动，相当于MN在AR路由器之间切换[11].为了尽量降低MN在移动过程产生的绑定更新消息开销以及尽可能减少数据发送时延，需要考虑到节点移动特性[12].EPF-HMIPv6算法中，把MN分为两类：快速移动节点和慢速移动节点.

当MN进入到一个新的AR子网时，可以用MN在前一个子网的驻留时间来评估在新的AR子网的驻留时间.

这里采用指数加权移动平均EWMA算法来评估子网驻留时间.具体计算方法如下：

EM(t)=αY(t)+(1-α)EM(t-1) .

(1)

式中：EM(t)表示t时刻的估计值；r(t)表示t时刻测量值；α(0<α<1)表示对于历史测量值权重系数.

根据上述计算结果，MN比较最新的驻留时间和预先设置好的一个阀值δ，如果大于δ，那么该车载定义为快速移动车载；否则的话，被定义为慢速移动车载.对于快速移动车载，发送带有RCoA地址的绑定更新消息给CN；而慢速移动车载发送带有LCoA地址的绑定更新消息给CN.对于快速移动车载来说，通过该方法，可以有效降低绑定更新开销；同时，对于慢速移动车载来说，能够有效地避免MAP的转发数据包开销.

2.2 流体流动模型

为了模拟车载在网络中的移动，采用了流体流动模型[13]，该模型中车载移动方向是均匀的分布在整个范围内，该模型适合表达具有高移动性、有方向性的变化.

在域内切换过程中，定义λS为每一个会话过程中穿越子网的数字，计算公式如下所示：

(2)

式中：v表示车载移动平均速度；S表示子网面积.同样的道理，如果D表示MAP域面积，那么每一个会话穿越的域的数量计算方法如式(3)所示.

(3)

2.3 网络模型

图3是一个车载网络拓扑示意图，移动节点表示为MN，通信节点表示为CN，访问路由是AR，移动锚点是MAP. MN的移动采用上述流体流动模型来模拟.

图3 网络拓扑示意图

2.4 HMIPv6开销计算

为了评估算法性能，有以下几个约定：E(LS)表示平均会话长度；BHA表示到HA的绑定更新开销；BMAP表示到MAP的绑定更新开销；BF表示到前一个AR的绑定更新开销.θ表示路由优化之前发送的数据包占一个会话的总数据包的比例，值为0.2.

PNRO表示从CN到MN的未经路由优化的数据包发送开销；PRO表示从CN到MN的经路由优化的数据包发送开销；PF表示从当前AR到前一个AR的数据包发送开销.

HMIPV6算法绑定更新消息开销计算如下所示：

(4)

数据包发送开销可以表示为

(5)

2.5 EPF-HMIPv6开销计算

EPF-HMIPV6绑定更新开销计算如下所示：

(6)

(7)

3 仿真结果

3.1 车载移动速度对绑定更新开销影响

图4给出了车载运行速度和绑定更新开销的关系.从图4得出，无论是哪种算法，随着运行速度的增加，绑定更新开销都在增加,这是因为随着速度加快，穿越域内不同子网以及域间切换都更加频繁，所以绑定更新总体开销都会增加.但是相比于HMIPv6和MAP-AOP[3]算法，EPF-HMIPv6算法表现更加优秀，也就是说，车载网络中运用EPF-HMIPV6指针传递算法更加合适.

图4 车载运行速度与绑定更新开销关系

3.2 SMR对开销影响

图5中给出了SMR对总开销影响的示意图，纵坐标显示的是相比于MIPv6来说总的开销比例.当SMR[15]采用不同值时，HMIPv6、MAP-AOP、EPF-HMIPv6算法表现出不同的结果.

图5 SMR与总开销的关系

从图5中可以看出，随着SMR增大，总开销一直在增加.当SMR小于1时，也就是说相对于会话速度来说，移动速度是主要影响因素，无论是HMIPv6、MAP-AOP还是EPF-HMIPv6都能显著降低网络总开销.但是，当SMR大于1时，这3种算法的总开销都会明显增加，主要是因为当通信会话速度占主要地位时，虽然HMIPv6、MAP-AOP和EPF-HMIPv6 3种算法都能够降低绑定更新开销，但是会增加数据包发送开销.但是从图中可以得出，EPF-HMIPv6算法更适合于移动速度快，但是会话速度不是很快的车载网络.

3.3 指针链长度与SMR

图6表明了SMR和最优指针链长度之间的关系.当SMR值小时，相比于会话到达速度来说，移动速度是主要的影响因素，因此，降低绑定更新消息开销比降低数据包发送开销更加重要.也就意味着，指针链长度应该被加长，这样就可以有效降低绑定更新消息开销.反之，当SMR增大时，表明会话到达速度占据主导因素，因此应该通过降低指针链长度，从而来降低数据包发送开销.因此，随着SMR的增加，最优指针链长度值在减小.

图6 SMR与最优指针链长度关系

4 结论

针对车载网络的特点，结合现有指针链算法，本文提出了一种改进的适合车载网络的指针链算法，并对数据包发送路由进行了优化，分析及仿真结果都表明该算法相比与现有算法在绑定更新开销、数据包发送开销方面表现更好，但是该算法对于进行域间切换时，与现有算法没有明显差异，在今后研究工作中，对于MAP域范围比较小的情况下的车载网络移动管理协议需要进一步深入研究.

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A New Mobility Protocol in The Vehicular Networks Based on HMIPv6

LIU Shuru, ZHANG Qikun, GAN Yong

(School of Computer and Communication Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China)

The frequent inter-domain or intra-domain movement of vehicles in vehicular networks may lead to large binding update costs and packet delivery costs. In order to solve this problem, an improved pointer forwarding scheme(EPF-HMIPv6) was developed in thwas paper. The scheme was based on the existing pointer forwarding scheme in cellular networks, and the routing of packets was optimized. To evaluate the performance of the proposed scheme, Analytical expression we were derived for binding update cost, signaling overhead caused by HMIPv6 and EPF-HMIPv6 handovers. The simulation results showed that the proposed scheme was better than the existing mobility management protocols in vehicular networks.

vehicular network；pointer forwarding；mobility management；HMIPv6

2015-10-09；

2015-12-20

国家自然科学基金资助项目(61340059)

刘书如(1979—)，男，河南南阳人，郑州轻工业学院讲师，主要从事网络移动性研究，E-mail:maillsr@163.com.

1671-6833(2016)06-0087-05

TP393.1

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.03.032