基于HMIPv6 的改进的切换协议*

李新建

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

0 引言

互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force，IETF）提出的IP 移动性支持协议要求：只要移动主机（MH）移动到另外一个IP 子网，它就获得另外的转交地址，从而启动注册过程。该过程要求MH 必须通过外地代理（Foreign Agent，FA）向家乡代理（Home Agent，HA）进行注册，由HA来维护MH 的移动绑定。当MH 应用于宏移动（macro mobility）环境时，把移动IP 称为宏移动协议；当其MH 应用于微移动（micro mobility）环境时，则存在许多不足，突出表现在以下3 点：

（1）在网络中将引发大量的注册报文的传输从而严重影响网络性能；

（2）造成较大的切换延迟，特别是当MH 远离其归属网络时，将引起严重的包丢失和通信吞吐量的下降；

（3）采用优化路由时，由于要正确地通过隧道传输IP 包[1]，因而必须保存精确的位置信息，并需要大量的缓存。

因此，对于现有的移动IP 协议必须加以改进或者补充，以适应微移动环境下的应用。基于此本文提出了一种基于层次型移动IPv6 管理（HMIPv6）的改进方法，以及一种新的网络模型，推导出MIPv6、FMIPv6、[F+H]MIPv6、HMIPv6 和NPMAPHMIPv6 各自的注册代价、数据包隧道代价、数据包发送代价、总代价和切换延时，并对各个策略进行分析。

1 蜂窝的基本架构

每个蜂窝与周围6 个蜂窝相邻，每个蜂窝小区中心设置一个接入路由器AR，每个AR 通过无线方式与移动节点（MN）通信，相邻AR 之间通过有线连接。MN 在同一域内的不同AR 之间移动时，只需向本地代理进行区域注册。当MN 移出本地管理域而进入另一个区域时，才需要通过新的MAP向家乡代理进行注册。每层都有一个MAP，MAP之间是有线传输，MN 到MAP 是无线传输。建立蜂窝模型：以网关MAP 为中心（称为第0 层蜂窝）向周围发散，依次为第1,2,3,…层，第r层蜂窝到中心的距离被定义为r。第1 层蜂窝总数为6 个，第2 层蜂窝总数为12 个，第j+1 层蜂窝总数比第j层蜂窝总数多6 个。设管理域共有r+1 层蜂窝，最外层是第r层，其中r代表了区域大小，称为管理域半径。第r层蜂窝到网关MAP 的距离为r，则第j层蜂窝总数为：

假设MN 的运动服从随机游动模型，每次移动定义为1 跳。MN 在蜂窝中停留的概率为1-P，则移动的概率为P，且向相邻6 个蜂窝切换概率相等。处于n层的MN 经过一次移动，向外层、内层和同层的一步转移概率为：

特殊地，式（3）中当MN 从第r层移动到第r+1 层时，为MN 切换到相邻管理域，即发生域间切换。在网络中经过多次随机游动后，MN 处于稳定状态。令MN 位于第r层的稳定状态概率为Pr，初始状态概率为P0，根据状态平衡方程可得：

根据马尔可夫链性质可知，所有稳态概率之和为1，即：

为了降低运算复杂度[2]，在计算切换延迟时，本文采用r层蜂窝模型。在计算切换代价的时候，本文采用两层蜂窝结构，如图1、图2 所示。

图1 两层网络结构

图2 两层圆形蜂窝模型

2 对现有的移动性管理协议的代价和切换延迟的分析

MIPv6 每次连接点改变时都要将改变的IP 地址通知给HA 和所有的通信主机的要求。在HMIPv6 中，每个域中都有MAP 的管理代理。它将作为本地HA为MN 服务，MN 有两个IP 地址，一个是on—link COA（LCOA），另一个是regoinal COA（RCOA）。每次MN 进入一个区域，它首先向MAP 注册[3]，在MAP 的连接中，MN 获得RCOA。此后，MN 用这个地址向HA 注册。只要MN 在MAP 域中移动，MN的移动情况对于域外的节点（包括它的HA）就是透明的，只有LCOA 的改变，而且只通知给MAP。发送到MN 的IPv6 数据包首先到达MAP，其次MAP通过隧道将其发送到MN 的LCOA。

由于MN 在给定的MAP 域内配置COA，因此MN 只需要向MAP 更新它的新位置。只是由于MAP 充当了MN 的当地HA，因此HMIPv6 的绑定更新代价表示为：

因此，总的代价表示为：

归一化延时为：

3 改进算法（NAP-HMIPv6）分析

本文提出的改进算法是基于HMIPv6 的一种新的数据报文绑定更新算法。MAP1 和MAP4 称为网关MAP，其他MAP 是一般的MAP，但它们实质上是AR，充当MN 的局部HA。如图3 所示，将MN 的移动分为域内移动a、域内移动b。MN在位置改变的时候，有着不同的注册过程[5]，需要在新旧路由之间找到一个最近公共的MAP 注册（NPMIPv6）。

图3 改进的网络结构

各个代理的HA、RCOA、LCOA 如表1、表2、表3 所示，其中NPMAP 用星号标出。

表1 域内移动a 时的绑定缓存入口

表2 域内移动b 时的绑定缓存入口

表3 域间移动时的绑定缓存入口

在这种切换中，延迟来自复制地址检测（DAD）和在注册操作中的消息传输延时。改进的算法旨在最小化在注册过程中的时延。假设MN 在AR4，其地址为RCOA3、LCOA4，CN 正在给MN 发送数据包。当MN 运动到MAP3 的边缘的时候，MN 发送控制消息给MAP3 以建立多路广播组。MAP3 收到控制消息后为MN 建立多路广播组[6]，同时发送信息到临近的AR 来参加多路广播组。MAP3 将多路广播数据包发给AR3 和AR5。当MN 接收到来自AR5 的路由广播时，MN 将获得两个地址RCOA5、LCOA5，

然后R5 根据MN 的唯一的接口标志发送多路广播数据包[7]。于是，本文提出了一种改进的NPMIPv6 注册策略，如图4（b）所示。例如，MN从AR4 移动到AR5，步骤如下文所述。

图4 对比实验

（1）MN 发送绑定更新和请求消息给AR5，发送数据包。

（2）AR5 接收到请求消息和绑定更新。AR5根据MN 的唯一的接口标志发送多路广播数据包。同时AR5 发送绑定更新到MAP4，MAP 进行DAD。MN 从AR5 接收临时的多路广播数据包，直到注册结束。

（3）MAP4 接收到绑定更新消息，执行DAD检测。

（4）MAP4 结束DAD 检测，然后更改目的地址。将（RCOA3,LCOA4）改为（RCOA5,LCOA5），然后发送绑定确认消息给MN。

（5）AR5 收到绑定确认消息，发送给MN。

（6）MN 收到绑定确认消息，将包含（RCOA5,LCOA5）的绑定确认消息发送给CN，让CN 更改新的目的地址。

（7）AR5 接收到BU，发送给MAP5。

（8）MAP5 接收到BU 后再发送给MN。

（9）CN 接收到BU 后，改变旧的RCOA3，更新新的RCOA5，发送数据包给MN。

（10）MAP5 根据RCOA5 收到数据包后，再根据LCOA5 发送至AR5。

（11）AR5 收到数据包。

和HMIPv6 相比，PMIPv6 能够使普通的MN 在PMIPv6 域内改变它的连接节点，任何从MN 发送的移动信息并不在PMIPv6 中存在。因此，PMIPv6的绑定代价可以表示为：

则归一化延时为：

对比实验结果如图4 所示。

4 实验分析

4.1 发送信号代价

HMIPv6 和NPHMIPv6 比其他的切换策略表现得更好，因为它们发送时花费的注册信息更少。随着v的增大，发送信息的代价也在增加，但HMIPv6 和NPHMIPv6 花费的代价更小。例如，在HMIPv6 中，MN 在域内由MAP 管理，只有绑定更新和确认消息在它们之间交换；在NPHMIPv6 中，MN 在域内由最近的公共MAP 管理，只有绑定更新和确认消息在它们之间交换，这样减少了消息交换的代价。在MIPv6、FMIPv6、[F+H]MIPv6 中，只要MN 改变它的连接，MN 必须将绑定更新消息发送至HA或者CN。HMIPv6和NPHMIPv6是局部化管理，因此代价最小。FMIPv6、[F+H]MIPv6 发送信息的代价比其他的切换策略表都大，这是因为快速切换和数据缓存机制造成的额外代价。

4.2 数据包发送代价

随着平均会话到达率增加，数据包发送代价显著增加。MIPv6 比其他切换策略表表现得更好，这是因为从CN 发送的数据直接发送至MN。由图4 可知，ω对HMIPv6 和NPMIPv6 没有影响，而MIPv6、FMIPv6、[F+H]MIPv6 显著增加，因为通过间接路由的数据包在增加，而隧道代价FMIPv6、[F+H]MIPv6比其他代价更大。

4.3 数据包隧道代价

即使HMIPv6 和NPMIPv6 在给定的域内采用了局部化管理结构，所有的管理协议也会产生很大的数据包隧道代价，例如在HMIPv6 中，发送至MN的数据包必须由MAP 通过隧道发送至MN。

4.4 总的代价

HMIPv6 和NPMIPv6 在高的移动环境下降低了移动注册代价，但是它们会造成额外的数据包隧道代价。总的来说，在高移动性和低会话到达率的条件下，HMIPv6 和NPMIPv6 的表现要好一些。随着SMR 的增大，总的代价在降低，因为高的SMR 在固定的会话到达率条件下，移动性更小。

4.5 注册延迟

对注册延迟影响分析：

（1）p的影响：随着MN 的移动概率的增大，切换延迟代价也在线性增加。MIPv6 在所有有关的协议里表现得最差。本文提出的协议PMIPv6 的表现得和[F+H]MIPv6 差不多。

（2）驻留时间期望的影响：随着平均驻留时间增加，MN 表现出更小的移动性，所有协议切换延迟都在下降。相比而言，本文提出的协议和[F+H]MIPv6 性能相近，比HMIPv6 和MIPv6 性能高很多。

（3）半径的影响：MIPv6 的切换延迟保持稳定不变，因为MIPv6 并不区别在域内移动和域间移动。PHMIPv6 在对比的协议里表现最好，和[F+H]MIPv6 比较接近。

5 结语

从模型分析的结果可以得到，PHMIPv6 在性能上更接近[F+H]MIPv6，但是[F+H]MIPv6 更大程度上依赖于对即将到来的切换的准确预测。[F+H]MIPv6同时也面临着同步问题。缓存管理同样存在这个问题，在[F+H]MIPv6 中，如果MN 没有足够快地靠近它，NAR 必须缓存发往MN 的数据包。PMIPv6通常沿着从MN 到HA 的路径找到最近的MAP 以转换路径，因此产生了很小的延迟，不需要对切换时间正确的预测，也不会面临其他[F+H]MIPv6 面临的问题，策略更优。