关于NEMO网络自适应路由协议优化策略的研究

叶朱兵

摘要：移动网络（NEtwork MObility，NEMO）近年来发展迅速，该网络将一组处于移动状态的节点组建成一个统一体，并将其动态联入互联网，其应用场合十分广泛。移动网络协议相对简单，在路由选择环节缺乏优化，因此其通信质量已经成为制约其发展的重要因素。该文围绕NEMO协议展开研究，在基本协议的基础上提出了改进方案，在兼顾到了移动网络需频繁切换这一特征的同时，对NEMO协议路由策略进行了可靠的优化，使其具有了自适应动态调节功能，显著改善了移动网络的路由质量。

关键词： 移动网络;通信隧道;移动IPv6;自适应;路由优化

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）20-0032-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

近年来对移动网络的研究越来越多，例如早期IETF设立的研究小组对此进行了多年开发，但其研究对象均落在了单节点在移动过程中保持与互联网的有效连接这一方面。虽然IETF小组取得了丰硕的成果，如开发了移动IP和移动IPV6等著名协议，但却忽视了目前无线移动通信领域内的另一个主要应用场合，即一组节点作为一个整体移动时的通信需求，例如火车、客轮及其他大型载人工具等。NEMO网络在此背景下逐渐成为研究的热点，该网络基于以往单节点的移动网络加以改进和扩充，并提出了整个多个节点进行统一连接的相关协议族。NEMO网络基于移动IPv6协议，在此框架下，不仅可实现网络内节点的有效连接，同时也显著的增加了通信的附属功能，减少了移动设备的复杂性，提高了识别精确度，降低了控制信息所占用带宽比例，加速了地址更新过程。但同时必须看到，该协议只实现了基本的联结互联网的任务，而并未对路由算法进行可靠的优化，从某种意义上来说，该协议就是以牺牲路由质量来确保节点联结的简单性与可靠性的，在此协议下，IPV6数据报在传输的过程当中可能会经历多个代理节点，而每对节点之间均采用双向隧道进行连接，即通过二次封装来解决网络的异构性，而这显然会带来巨大的通信时延。

目前针对移动网络的路由优化，基本上分为两类，其一是通过添加硬件设备来提高路由匹配效率，即配置优化路由缓存路由器来记录移动网络前缀和转交地址之间的匹配关系，从而在后续的路由查找中快速收敛至以往成功的路由，但该方法对移动IPv6协议造成的变动较大，同时大量硬件设备的添加也带来了高昂的投资成本;其二是采用自动配置的方式，使得任一移动节点在收到广播的网络前缀后，自动配置自己的转交地址，并告知通信节点，由此建立与通信节點的直接路由，该方法虽不需要添加设备，但其算法的空间复杂度较高，对网络传输的效率和稳定性都构成了较为严重的负面影响，因此并未得到广泛的使用。

本文提出在NEMO协议中加入时间门限，使移动网络可以自适应地进行路由优化，并根据时间门限来判别是否需要启动路由优化机制，既保障了路由查询的质量，同时也在无须优化的阶段保证的网络切换的速度，具有一定的实用价值。

1 NEMO概述

1.1 NEMO网络结构分析

为了实现内部网络与外部网络之间的统一连接，NEMO必须配置一台移动路由器（MR）作为接口网关，内部网络中的所有节点均由该路由器审核其合法性连接互联网。其合法节点的类型有三种：①本地固定节点，该节点属于移动网络内部的固定设备，本身不可移动，如车、船上配置的通信设备等;②本地移动节点，同样是网络内部配置的通信设备节点，但其本身可在网络信号可达范围内移动，脱离MR范围后将无法工作;③访问移动节点（Visiting Mobile Node，VMN），及临时加入的移动IP或IPv6节点，这些节点具有自己的家乡链路和代理，该类节点的存在使得路由的灵活性大大增加了，本文针对这一类节点的路由优化展开研究。图1给出了NEMO网络的结构。

1.2 NEMO通信过程

如图1所示，VMN在并入到某个移动网络后，即通过该网络中配置的MR构建出与VMNs HA的连接，当此移动网络位移离开当前链路时，即通过MR重新在外地代理FA进行注册，与此同时仍旧保持与MRs HA的连接，从而构建出路由器、代理节点和VMN之间的双向隧道。其通信过程如下：首先网络内的某客户节点CN向VMN传输数据包，并在数据包的首部中填入了VMN的家乡地址，该数据包在被VMNs HA收取后，通过双向隧道传输至MRs HA，再遵循同样的流程将数据包传输给MRs HA，后者在接收到了该数据包后，经过解析发现封装于首部中的MR的家乡地址，于是按照隧道技术的要求再次封装首部，并将其送至FA，FA在接收数据包后，通过MR将其交付交给VMN，完成本次传输任务，图2给出了各个节点的分组封装信息。

通过对NEMO网络传输过程的分析可以看出，该网络对数据包的处理经过了多次双向隧道，由此导致了大量的处理时延，且随着接入节点的增多，该时延还会不断增长，从而导致传输效率的急剧下降，明显影响了用户使用移动网络的体验度。

2 NEMO路由优化策略的设计

如前文所述，移动网络通常是应用在某种大型交通工具上并与之同步移动的，由于这种位移速度通常较快，因此导致了移动网络链路切换频率较高，因此NEMO及本协议更加侧重于对链路切换的有效处理，而对于交通工具在某固定位置停靠时的路由需求特征则考虑不足。本文提出基于时间门限的方式来解决这一问题，当停留时间超过该门限值时，启动路由优化策略，以提高路由质量，否则维持原来的基本协议，从而保障链路切换效率。

2.1 时间门限的设定

在NEMO网络中，切换优化和路由优化本身就是相互对立的，任何一方效率的提高都会一定程度的影响另一方。基本的NEMO协议实现了较好的切换优化，内部节点均通过MR连接到外部互联网，而VMN只需要在MR处注册即可使用，而VMN本身的切换过程对于CN而言都是透明的，由此加快的链路切换速度。但该协议明显忽略了当NEMO网络长时间固定与某一点时的路由需求，若在移动时临时切换网络，又会显著增大对带宽和系统资源的消耗比例。

为了解决这一矛盾，可在VMN上设置一计时器，并设定以时间门限值t，当NEMO网络在某一链路内停留时间超过t时，启动路由优化策略，VMN向VMNs HA发送绑定更新以优化路由，否则维持原有的基本协议，而t值的设定可通过大量监测采样，并比较分析正常通信状态下NEMO网络穿越各个链路所需时间的最大值得到。

在NEMO网络发生位移并执行了链路切换后，定时器则被清零重新计时，与此同时网络内部的VMN同时发起绑定更新，在瞬间增大了通信流量，形成了绑定风暴，因此，可将门限值t的大小也对链路切换形成了影响，可根据NEMO网络的实际情况设定t的上下限，t值则在此區间内随机得出。

2.2 路由优化策略

传统NEMO网络协议路由方面存在的最大问题就是过多的采用了家乡代理来传输用户分组，这显著增大了资源消耗与网络通信时延，而借助与家乡代理的绑定模式，VMN可以极大地简化路由，其过程如图3所示。

分析上图可知，首先VMN等待时间超过预设的门限t后，即开启路由优化模式，其过程为：

（1）由VMN 向VMNs HA发送绑定更新报文;

（2）VMNs HA随后向MRs HA发送切换初始化消息HI，即通知后者释放原本维系的双向隧道;

（3）在审核完数据包，并完成准备工作后，MRs HA发回应答消息Hack;

（4）VMNs HA审核Hack，若无误则可完成绑定更新，并将新的绑定信息发送给VMN和MRs HA，随后VMN即可在与其家乡代理之间构建新的双向隧道;

（5）在完成了路由优化后，VMN通过FNA报文向VMNs HA进行宣告，并请求发送用户分组。

由于减少了大量的家乡代理作为中间节点，因此在执行完路由优化策略后，VMN的数据传输效率显著增加了，用户的体验度也有了明显的改善。

3 结束语

NEMO网络的路由具有一定的特殊性，本文提出的路由优化策略既兼顾到了移动网络频繁切换链路的客观特点，同时也显著地提高了NEMO节点群长时间停留时的路由选择质量，较好地解决了长期以来存在与链路切换需求与路由优化需求之间的矛盾。随着人工智能技术的快速发展，势必会出现更多高性能的优化方法，进一步提高NEMO网络的路由质量，给用户带来更好的网络服务。

参考文献：

[1] 侯雅毅，钱焕延，王晓喃. MIPv6 中基于身份的安全路由优化[J].计算机工程，2009，35（9）： 127-129.

[2] IETF RFC4225.MobileIP Version6 Route Optimization Security Design Background[S].

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