一種改進(jìn)快速移動(dòng)IPv6性能的方法

摘要　快速移動(dòng)IPv6（FMIPv6）協(xié)議是改進(jìn)移動(dòng)IPv6（MIPv6）協(xié)議性能的增強(qiáng)型協(xié)議之一，但是由于鏈路層觸發(fā)原語的限制，性能提升十分有限。文章在介紹802.21媒介獨(dú)立性切換的基礎(chǔ)上，通過增加新的原語和參量，提出了一種基于媒介無關(guān)切換（MIH）方法來改進(jìn)快速移動(dòng)IPv6性能的方案。

0、引言

近些年來，移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛，各種便攜終端的功能也越來越強(qiáng)大。人們對(duì)“時(shí)時(shí)在線”的要求也不斷提高，從簡單的在線應(yīng)用到實(shí)時(shí)的高速視頻傳輸，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的格局和性能不斷得到新的挑戰(zhàn)。美國、韓國相繼部署了商用的無線城域網(wǎng)絡(luò)，對(duì)當(dāng)前的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展格局產(chǎn)生了很大的影響。而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵是要解決“漫游”和“移動(dòng)”問題。

為解決上面的問題，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）提出了移動(dòng)IPv6（MIPv6）[1]的概念，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)支持主機(jī)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)層解決方案。MIPv6作為基于全I(xiàn)P的、未來4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，允許用戶在不同的無線接入網(wǎng)內(nèi)移動(dòng)。但是MIPv6的切換效果并不是十分理想[2]，在實(shí)際切換中表現(xiàn)出來的時(shí)延（大約2s～3s）是許多實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)所無法接受的。針對(duì)此問題，IETF又提出了一些增強(qiáng)型協(xié)議——FMIPv6[3]�？焖僖苿�(dòng)IPv6（FMIPv6）通過鏈路層的預(yù)測和觸發(fā)，預(yù)先準(zhǔn)備切換的一些信息，減少M(fèi)IPv6的切換時(shí)延。但是，F(xiàn)MIPv6只關(guān)注協(xié)議的操作而并沒有考慮其它問題，如無線接入發(fā)現(xiàn)和候選路由器發(fā)現(xiàn)，這些對(duì)于FMIPv6的性能都是至關(guān)重要的。同時(shí)由于FMIPv6只是利用鏈路層觸發(fā)來進(jìn)行優(yōu)化。因此無法進(jìn)一步提高性能。

1、FMIPv6簡介

1.1　基本原理

MIPv6中，采用了新的機(jī)制使得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（MN）在不同子網(wǎng)間移動(dòng)時(shí)，仍可維持與對(duì)端通信的連續(xù)性。MN利用兩個(gè)地址來進(jìn)行移動(dòng)性管理：一個(gè)是固定不變的家鄉(xiāng)地址（HoA），用于標(biāo)識(shí)主機(jī)；另一個(gè)是用于路由的、隨節(jié)點(diǎn)位置改變而改變的“轉(zhuǎn)交地址（CoA）”。當(dāng)MN離開家鄉(xiāng)移動(dòng)到外地網(wǎng)絡(luò)時(shí)就會(huì)配置轉(zhuǎn)交地址，然后向其家鄉(xiāng)代理（HA）注冊(cè)這一地址。這樣，通信對(duì)端（CN）發(fā)來的分組將由HA通過它與MN之間的雙向隧道來轉(zhuǎn)發(fā)。如果采用路由優(yōu)化模式，MN也會(huì)向CN注冊(cè)自己的轉(zhuǎn)交地址，之后MN與CN之間就可以直接通信。

FMIPv6在MIPv6基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些擴(kuò)展，主要解決兩個(gè)問題：a）移動(dòng)節(jié)點(diǎn)如何一檢測到新的子網(wǎng)鏈路就立即發(fā)送數(shù)據(jù)包。b）新的接入路由器如何一檢測到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的接入就立即發(fā)送數(shù)據(jù)包到該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。

圖1是FMIPv6參考場景圖，其中PAP、NAP、PAR、NAR分別表示前訪問點(diǎn)、新訪問點(diǎn)、前接入路由器和新接入路由器。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（MN）在兩個(gè)訪問點(diǎn)之間移動(dòng)時(shí)，發(fā)生切換。

圖1　FMIPv6參考場景圖

1.2　信令流程

FMIPv6有好幾種切換模式，最常用的是“預(yù)先”操作模式，本文所進(jìn)行的改進(jìn)也是針對(duì)此模式進(jìn)行的。通過鏈路層觸發(fā)，MN在發(fā)生切換之前，就主動(dòng)收集新接入路由器的相關(guān)信息，因此，切換的性能較之基本移動(dòng)IPv6有很大幅度的提升。

1.3　不足之處

快速移動(dòng)IPv6雖然較基本移動(dòng)IPv6性能得到了明顯的改善，但是這個(gè)性能的改善是以預(yù)測的準(zhǔn)確性為前提的。如果MN獲得的新接入路由器鏈路層的信息出現(xiàn)問題，則往往導(dǎo)致切換的失敗。尤其是在兩個(gè)覆蓋區(qū)域的邊緣進(jìn)行來回移動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的“乒乓效應(yīng)”，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)測，切換的性能受到嚴(yán)重影響。

2、媒介獨(dú)立性切換

2.1　簡介

移動(dòng)通信發(fā)展的趨勢，是要保證各種不同網(wǎng)絡(luò)之間的融合，使不同網(wǎng)絡(luò)的用戶能夠隨時(shí)、隨地、隨意的選擇網(wǎng)絡(luò)接入的能力。而目前的WLAN、3G網(wǎng)絡(luò)等都還不具備這樣能力，關(guān)鍵就是垂直切換的問題沒有得到很好的解決。由于各種無線接入技術(shù)具有不同的二層鏈路屬性，而且由于環(huán)境的改變，某些屬性可能發(fā)生難以預(yù)測的變化，而有些變化不足以導(dǎo)致發(fā)生切換，因此，單憑某些屬性的改變就進(jìn)行簡單的切換判決，會(huì)顯著增加切換的延時(shí)，甚至導(dǎo)致錯(cuò)誤的切換決策。因此IEEE 802工作組提出了802.21標(biāo)準(zhǔn)[4]，即MIH機(jī)制，目的就是提供對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間切換的支持，提供最優(yōu)的2.5層切換管理方法。

圖2是MIH在整個(gè)協(xié)議棧中的簡單示意圖。

圖2　媒介獨(dú)立性切換示意圖

2.2　鏈路層觸發(fā)

FMIPv6的設(shè)計(jì)思路是：MN提前預(yù)測、收集與切換有關(guān)的信息，在切換之前做好轉(zhuǎn)交地址的配置工作，這樣減少了切換初期地址配置的時(shí)延。而提前預(yù)測和發(fā)起切換需鏈路層觸發(fā)（Link Layer Trigger）來支持。鏈路層觸發(fā)作為事件被發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層模塊，報(bào)告鏈路層和物理層條件的改變。表1中給出了常用的鏈路層觸發(fā)。

表1　常用的鏈路層觸發(fā)

2.3　媒介獨(dú)立切換功能

MIH定義了在不同接入網(wǎng)絡(luò)間增強(qiáng)切換的同步、異步服務(wù)以及下層和上層之間的服務(wù)訪問點(diǎn)（SAP）。在一個(gè)具有多個(gè)不同類型的網(wǎng)絡(luò)接口的系統(tǒng)中，MIPv6可使用MIH提供的事件服務(wù)、命令服務(wù)、信息服務(wù)來管理、判決、控制下層接口狀態(tài)。MIH提供的這些服務(wù)對(duì)于MIPv6和其它協(xié)議很有用。

1）信息服務(wù)（IS）

信息服務(wù)提供了一個(gè)框架和相關(guān)的機(jī)制，利用這種框架和機(jī)制，MIH功能實(shí)體可以發(fā)現(xiàn)、獲取一個(gè)地理區(qū)域中網(wǎng)絡(luò)信息來加快切換。信息服務(wù)主要提供了一個(gè)用于信息傳輸?shù)牟樵?響應(yīng)類型機(jī)制。信息可以被存儲(chǔ)在MIH層或者被提供給某個(gè)MIH層可以訪問的信息服務(wù)器。信息服務(wù)提供了對(duì)靜態(tài)信息的訪問（如鄰居圖），有助于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。信息服務(wù)也提供了對(duì)動(dòng)態(tài)信息的訪問，用于對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鏈路層連接的優(yōu)化。這包含鏈路層參數(shù)，如信道信息、MAC地址、安全信息等。

2）事件服務(wù)（ES）

事件服務(wù)用于MIP中加快切換檢測。事件通告當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的情況，并且傳輸L2數(shù)據(jù)鏈路的行為，如MAC、無線資源管理等。MIP使用請(qǐng)求/確認(rèn)原語進(jìn)行注冊(cè)，接收來自MIH層的事件。

定義的事件有預(yù)觸發(fā)（L2切換即將到來）、鏈路可用、鏈路連接、鏈路參數(shù)改變、鏈路即將連接、鏈路中斷、鏈路即將中斷、L2SDU傳輸狀態(tài)、事件反轉(zhuǎn)等。

3）命令服務(wù)（CS）

命令服務(wù)是指上層向下層發(fā)送命令。包括上層給MIH層的命令（如上層移動(dòng)協(xié)議給MIH或策略引擎給MIH的命令）、MIH層給下層的命令（MIH給MAC或MIH給PHY的命令）。這些命令主要包含了上層對(duì)下層的一些判決，控制著下層實(shí)體的行為。

2.4　改進(jìn)方案

一般來說，F(xiàn)MIPv6的IP層需在L2切換之前進(jìn)行L2觸發(fā)來執(zhí)行切換發(fā)起，進(jìn)行新轉(zhuǎn)交地址（CoA）配置。這種情況下，MIH服務(wù)對(duì)鏈路層觸發(fā)非常有用。但是，應(yīng)用已有的MIH原語，MIPv6的切換性能受到了限制，因?yàn)镸IH服務(wù)只用于檢測L2的信息，難以進(jìn)一步提升FMIPv6的性能。因此，我們提出了應(yīng)用MIH，并定義了新的原語和參量的增強(qiáng)型切換機(jī)制，提高了FMIPv6的切換性能，如表2中所示。

表2　具備新參量的MIH原語

在我們所提的機(jī)制中，當(dāng)MN收到來自MIH-LinkList和MIH-LinkAvailable原語的具有AR前綴參量的AP和AR的信息時(shí)，MN可以在AP的MAC和AR的前綴之間進(jìn)行映射。在最初的FMIPv6中，AR交換關(guān)于它們鄰居的信息，并且必須為包含鄰居子網(wǎng)信息的代理通告重建映射表。在所提的方案中，因?yàn)镸N提前已經(jīng)具有了關(guān)于新原語和參量的映射表，因此AR不需要同其鄰居交換信息。同時(shí)MN也不需要交換關(guān)于路由器發(fā)現(xiàn)的RtSolPr/PrRtAdv信息或RS/RA信息，因?yàn)槁酚善餍畔⒁呀?jīng)包含在了MIH原語中。因此，與路由器發(fā)現(xiàn)或RtSolPr/PrRtAdv相關(guān)的CoA配置過程被簡化。也就是說，所提方案減少了MIPv6的切換延遲。FMIPv6通過縮減路由器發(fā)現(xiàn)的切換過程，可減少切換發(fā)起時(shí)間。

3、結(jié)束語

FMIPv6協(xié)議是重要的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性管理協(xié)議之一，其采用鏈路層觸發(fā)的方法，對(duì)MN的移動(dòng)進(jìn)行提前預(yù)測，減少了MN在移動(dòng)到新網(wǎng)絡(luò)后的轉(zhuǎn)交地址配置時(shí)間，提高了切換性能。但是，由于FMIPv6在性能的提升方面主要依賴于有限的鏈路層觸發(fā)原語進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，因此我們提出了將改進(jìn)的MIH方法應(yīng)用于FMIPv6的方案，改進(jìn)了FMIPv6的切換性能。

參考文獻(xiàn)

1　D Johnson，et a1..Mobility Support in IPv6.IETF RFC 3775 [S]，June 2004.

2　Martin Dunmore，Theo Pagtzis，Chris Edwards.Mobile IPv6 Handovers：Performance Analysis and Evaluation [R]，IST-2001-32603，32603/ULANC/DS/4.1.1/A1，6NET，June 2005.

3　R Koodli Ed.Fast Handovers for Mobile IPv6.IETF RFC 4068[S]，July 2005.

4　IEEE 802.21：Media Independent Handover.May，2005

來源：中國聯(lián)通網(wǎng)站