一种基于层次移动IPv6的切换改进策略

杨世欣

摘 要： 移动IPv6协议解决了移动IPv4协议三角路由问题，实现路由的优化;层次移动IPv6协议（HMIPv6）可以减少标准切换引起的连接中断时间，维持或提高已有连接的通信服务质量，是移动IPv6的重要扩展。但是HMIPv6依然存在问题， HMIPv6对移动节点区域间的切换注册开销和时延性能上没有任何改进，甚至比标准IPv6的注册过程更多一次新的域内注册过程;对移动迅速的移动节点带来沉重的注册开销负担。对此提出一种新的HMIPv6切换改进策略，客观上可减少网络中注册、绑定和更新消息，减轻网络的负担。

关键词： 移动IPv6; HMIPv6; MAP; 家乡代理; 域内切换; 域间切换

中图分类号： TP311

文献标志码： A

文章编号：1007-757X（2019）06-0047-03

Abstract： Mobile IPv6 protocol solves the triangulation problem of mobile IPv4 protocol and realizes the optimization of routing. Hierarchical mobile IPv6 protocol （HMIPv6） can reduce the connection interruption time caused by standard switching， maintain  improve the communication service quality of existing connections， and is an important extension of mobile IPv6 protocol. But， HMIPv6 has no improvement on the handover of inter-domain cost and delay performance of mobile nodes， even more time needed than the standard IPv6 registration process. It brings heavy burden of registration cost to mobile nodes which move quickly. In this paper， a new HMIPv6 handover improvement strategy is proposed for the existing problems of HMIPv6. Objectively， it can reduce the registration， binding and update messages in the network and reduce the burden of the network.

Key words： Mobile IPv6; HMIPv6; MAP; Home agent; Handover of intra-domain; Handover of inter-domain

0 引言

近十幾年来，以Internet为代表的信息技术发展迅速，Internet已深入到人们的日常生活与工作的方方面面。另外，随着移动通信技术的快速进步，各种移动通信设备被广泛应用;用户对移动设备的要求也越来越高，希望可以随时随地，甚至移动中也能接入Internet。但是原有的IPv4协议主要是针对固定接入方式设计的，对网络节点的移动性支持不足。为解决此矛盾IETF于1992年制定了移动IP的最初标准，移动IPv4;随着IPv4地址的耗尽，以及移动IPv4固有的局限性，这个协议已不能满足用户数大量增加所带来的各种问题;同时也不能更好的为下一代互联网服务。于是IETF又推出的新的标准即移动IPv6[1]。

1 移动IPv6

除了IPv6巨大的地址空间外，移动IPv6对移动IPv4最大的改变是取消了外地代理（Foreign Agent，FA）。由于IPv6地址资源丰富，每个移动节点（Mobile Node，MN）都可以获取单独的配置转交地址并以此作为数据包分组路由的依据，不再需要通过外地代理的地址转发。

移动IPv6取消了代理转交地址，只有配置转交地址一种转交地址。MN可能会同时拥有多个配置转交地址，家乡代理截取的数据包分组首先被转发到MN的主转交地址，当发送失败时家乡代理会尽量将数据包分组发送到MN的其他转交地址。同时移动IPv6定义了“第二类路由头（Type2 Routing Header）”的新IPv6扩展包头选项，MN可以通过向通信对端（Correspondent Node，CN）注册，告知其所在位置，CN获得MN的转交地址后，它发送给MN的数据包分组可以直接路由至MN而无需家乡代理进行转发。此时，MN的转交地址放在数据包分组的目的地址字段，家乡地址放在第二类路由头中。当数据包分组到达MN的转交地址时，MN从第二类路由头中提取家乡地址作为这个数据包分组的最终目的地址，使得移动性对上层协议透明;这样就解决了三角路由问题，实现路由的优化。

2 层次移动IPv6（HMIPv6）

MN在两个不同子网之间移动时将产生切换。MN在新的子网上获得新的转交地址，这个新的转交地址需要向家乡代理（Home Agent，HA）重新注册，同时也要向CN重新绑定。由于协议处理和信号强度等原因，切换可能导致MN在一定时间内不能发送和接收数据包分组，CN与MN之间的通信会暂时中断。标准移动IPv6协议给出了移动检测[2]、转交地址获取和重新建立绑定的基本过程，在此基础上，为了适应具体的环境，人们分析标准移动IPv6的不足，又提出了新的切换技术，来减少切换引起的连接中断时间，维持或提高已有连接的通信服务质量。层次移动IPv6（Hierarchical Mobile IPv6，HMIPv6）[3-4]就是其中的一种。

在移动IPv6中MN可以向CN注册，使CN知道自己当前位置，这在一定程度上优化了路由，解决了移动IP的三角路由问题;然而，MN每次发生切换时，除了需要向HA进行位置注册外，还需向当前所有的CN节点进行注册报告自己的位置。所以，移动IPv6面临最大的问题就是切换过程带来的通信中断和位置注册产生的大量信令开销。通常，HA和CN处于离MN较远的位置，可能跨越较多的中间节点，因此发生移动切换时，MN向HA和CN进行位置注册需要花费相当长的迂回时延，导致每次MN进行移动切换时，数据包分组丢失而引起上层的连接通信中断。与此同时，MN频繁的切换操作会在骨干网中引入大量的注册绑定消息信令开销。这些冗余信息占据了带宽，消耗网络资源，引发冲突，降低数据传输性能。

IETF提出的HMIPv6对移动IPv6协议是一个重要扩展，它对移动检测、转交地址配置和重复地址检测所造成的延迟不作考虑，仅从减少位置注册的时延和开销的角度来提高移动性管理方案的性能。HMIPv6能够使MN减少与外部网络信令交互，减少切换中断的时间。在HMIPv6中引入一个新的实体称为移动锚点（Mobility Anchor Point，MAP），它可以是HMIPv6网络中任何层次的路由器，MAP提供本地的区域代理服务，作用类似位于家乡网络的HA。HMIPv6将整个Internet分成若干个管理区域（Management Region），为每一个管理区域配置一个MAP作为区域性移动管理中心，负责处理MN在本区域内发生移动切换时的移动性管理。

HMIPv6 为移动节点定义了两种转交地址：链路转交地址（On-Link Care of Address，LCoA）和区域转交地址（Regional Care of Address，RCoA）。链路转交地址是从MN的当前接入网络那里获取的一个网络IP地址，MAP用链路转交地址来标示移动节点。MN在每一次发生移动切换之后会获取一个新的LCoA。RCoA是MAP所在的子网上获得的网络IP地址，是可路由的全球唯一IPv6地址。在HMIPv6中，MN可以通过带有MAP选项的RAS消息来发现运行在接入路由器中的MAP，可以称之为MAP发现操作。MAP发现操作随MN的移动与移动IPv6的移动性检测一起不断执行。每次MN检测到自己发生网络切换后，它也要执行MAP发现操作看是否还在原来的MAP区域之内，如果还停留在原来的MAP区域内，那么MN只需要用自己获取的新的LCoA向MAP注册而不需要向HA和CN注册，这可以称之为区域注册。相反，MN己经离开了原来的MAP区域，则那么MN需要用自己获取的新的LCoA向当前MAP注册，同时还需要用新获取的RCoA通过当前MAP向HA和CN注册，则称之为家乡注册。在HMIPv6中，发往MN的数据包分组路由采用的是MAP代理转发的机制，CN发往MN的数据包分组将被MAP截获，MAP接收到来自CN的数据包分组，隧道封装之后将它们转发到移动节点的LCoA。

在层次移动IPv6中，如果移动节点的切换是发生在同一MAP区域之内，那么它并不需要向HA和CN注册，因此对HA和CN而言，MN的区域内切换是透明的。这样将大大降低家乡注册的次数。如图1所示。

一般说来MN到HA和CN的距离通常是远远大于到MAP的距离，跨越的中间节点也可能很多，再考虑MN可能同时与多个CN进行通信，家乡注册时需要向每一个CN进行位置注册;因此家乡注册不论是时延和开销都远远高于区域注册，所以HMIPv6通常在切换时延和开销性能上要优于标准的移动IPv6。

3 HMIPv6存在的问题

HMIPv6作为移动IPv6重要的扩展，在切换时延和开销性能方面有了明显改善，利用MAP作为MN区域性的移动性管理代理，在一定程度上減少了移动切换所产生的切换时延和注册开销。但HMIPv6仍存在一些问题：首先，相比移动IPv6，HMIPv6虽然在发生区域内注册时，注册开销和时延上性能有所改善，区域内切换注册过程如图2所示。

但对于区域间的切换并没有任何改进，甚至比标准IPv6的注册过程更多一次新的域内注册过程;对某些移动迅速的MN而言，频繁的区域间切换还带来沉重的注册开销负担，区域间切换注册过程如图3所示。

其次，MAP充当其区域内所有MN在外地子网的代理，负责它们的位置注册和数据包分组转发工作，所有从CN发送到MN的数据包分组都需要先被路由到MAP，然后MAP再通过隧道将数据包分组提交到MN的LCoA，这就引起了额外的处理和路由开销。

为了增强HMIPv6的切换性能，许多研究者也提出了改进方法：Pack等提出在接入路由器（AR）之间引入指针来降低MN想CN进行位置注册的消息流量[5-7];Yi等则将指针链应用在MAP之间[8-10]。这些方案在某些特定的网络环境可以有效减少网络中的位置注册、绑定、更新消息，切换性能也有不同程度的提高，但是在具有复杂多变网络拓扑的实际环境中效果有限，也没有考虑各个MN不同的移动特性，同时也给AR或MAP带来不小的算法负担，不具备良好的适用性和简单性。

4 一种HMIPv6切换改进策略

本文所提出的HMIPv6改进策略是针对MN在进行区域间切换时的一种改进方案，对MN的区域内切换还执行本身的HMIPv6切换方法。改进的区域间切换策略还是以降低MN发生区域间切换时延，减轻MAP和AR的算法负担为出发点，改策略的基本描述是，将MN最初所在的MAP区域作为初始区域，若当MN发生区域间切换，将切换前所在区域的MAP（Original MAP，OMAP）作为新MAP的上层代理，用新获取的当前区域的RCoA作为新的LCoA向OMAP注册;此时HA和CN仍保存有OMAP区域转交地址信息，从CN发送给MA的数据包分组可以通过OMAP向新区域的MAP转发，MN就可以和CN进行正常的通信，而不需要MN通过新的MAP向HA和CN进行注册绑定。若当MN发生第二次区域间切换，这时就要先判断MN的切换目的区域是哪个区域，如果MN又切换到了OMAP的区域，那么只需要OMAP向现在的MAP作简单的注册更新，之后CN仍旧通过OMAP与MN通信，MN依然不需要向HA和CN进行注册绑定;如果MN切换到了另一个新的MAP区域，这时就按照HMIPv6区域间切换的方式，完成新的注册、绑定、更新，同时将这个新区域的MAP作为MN再次进行区域间切换OMAP。该改进策略的流程图如图4所示。

提出该HMIPv6改进策略的现实依据是，法国INRIA公司的研究表明，在通常的MN移动中，有69%的移动是在一定范围内的移动，所以本文提出了相邻MAP间的代理策略;同时，在一般情况下，MN发生区域间切换前后所在两个区域的MAP之间的距离往往是很近的，远远低于MAP到HA或CN之间的距离，所以本文的改进策略对注册导致的时延也起到了改善作用，使其大大缩短。

5 总结

本文首先对移动IPv6的特性进行了深入分析，得知在节点移动时标准MIPv6协议的不足，从而引出MIPv6的改进方式之一——层次移动MIPv6（HMIPv6）;HMIPv6作为移动IPv6重要的扩展，一定程度上减少了MIPv6存在的繁琐切换问题，但在实践中HMIPv6还有许多方面有待改进;本文在前人研究的基础上提出了一种新的HMIPv6切换改进策略，在一定程度上可减少网络中注册、绑定和更新消息，减轻网络的负担，在文章最后给出了改进策略的具体流程图。

參考文献

[1] S Deering， R Hinden. Internet Protocol Version 6 （IPv6） Specification [S]. IETF RFC 2460， December 1998.

[2] T Narten， E Nordmark， W Simpson. Neighbor Discovery for IP Version 6 （IPv6） Specification [S]. IETF RFC 2461， December 1998.

[3] H Soliman， C Castelluccia， K EI Malki， et al. Hierarchical Mobile IPv6 （HMIPv6） mobility management [S]. IETF RFC 5380， October 2008.

[4] H Soliman， C Castelluccia， K EI Malki ， et al. Hierarchical Mobile IPv6 Mobility Management （HMIPv6） [S]. IETF RFC 4140， August 2005.

[5] Sangheon Pack， Byoungwook Lee， Teakyoung Kwon， et al. A pointer forwarding scheme with mobility-aware binding update in Mobile IPv6 networks[J]. Computer Communications， 2008， 31（5）： 873-884.

[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.

[7] Park J， Lee T J， Choo H. Route optimization with MAP-based enhancement in mobile networks[J]. International Conference on Computational Science， 2007， 44（9）： 336-343.

[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] Myung-Kyu， Jin-Woo Choi，Young-Kyu Yang. A Pointer Forwarding Scheme for Minimizing Signaling Costs in Nested Mobile Networks[C]// 15th IEEE International Conference on Networks （ICON 2007）： 230-234， 2007.

[10] Na J， Choi J. A unified route optimization scheme for network mobility[J]. Lecture Notes in Computer Science， 2004，

（3260）： 29-38.

（收稿日期： 2018.12.06）