馬 芳,吉 星

(1.中州大學(xué)信息工程學(xué)院,河南鄭州450044;2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院,河南鄭州450002)

一種優(yōu)化分層式移動(dòng)IPv6路由算法研究

馬 芳1,吉 星2

(1.中州大學(xué)信息工程學(xué)院,河南鄭州450044;2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院,河南鄭州450002)

通過(guò)對(duì)分層移動(dòng)路由協(xié)議的分析，提出一種優(yōu)化的移動(dòng)路由機(jī)制.利用分層移動(dòng)IPv6的路由特氛可以減少網(wǎng)絡(luò)通信中綁定更新消息發(fā)送的距離和數(shù)量，從而減少網(wǎng)絡(luò)中的信令負(fù)載和綁定注冊(cè)時(shí)延.同時(shí)，又利用快速切換的優(yōu)勢(shì)，在切換中引入適當(dāng)?shù)牟⑿胁僮?，從而消除?biāo)準(zhǔn)M IPv6切換時(shí)的大部分時(shí)延和丟包率，通過(guò)引入邊界路由器實(shí)現(xiàn)路由優(yōu)化和解決移動(dòng)錨氛MAP的擁塞問(wèn)題，最后通過(guò)理論性能分析和NS2仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該優(yōu)化移動(dòng)路由可以改善網(wǎng)絡(luò)性能，降低丟包率和切換時(shí)延.

分層移動(dòng)IPv6;移動(dòng)路由;綁定更新;時(shí)延;多播機(jī)制

0 引言

隨著Internet、無(wú)線通信和新業(yè)務(wù)應(yīng)用的不斷發(fā)展,為IP網(wǎng)絡(luò)提供移動(dòng)路由支持成為一個(gè)必然趨勢(shì).目前已經(jīng)提出一些移動(dòng)路由協(xié)議,但是在M IPv6協(xié)議中,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)存在通信時(shí)延和信令負(fù)載的問(wèn)題［1］.筆者對(duì)移動(dòng)路由進(jìn)行分析,在HMIPv6移動(dòng)路由基礎(chǔ)上提出一種優(yōu)化的移動(dòng)路由管理機(jī)制,可以解決HM IPv6中的路由優(yōu)化和MAP負(fù)擔(dān)過(guò)重問(wèn)題,同時(shí)可以降低切換時(shí)延和丟包率,提高網(wǎng)絡(luò)性能和通信的質(zhì)量.

1 現(xiàn)有移動(dòng)路由管理協(xié)議分析

在M IPv6移動(dòng)管理協(xié)議下,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的每次移動(dòng)切換都需要向家鄉(xiāng)代理及其通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送綁定更新消息,這樣會(huì)產(chǎn)生綁定更新時(shí)延;MIPv6還會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生大量的控制信令,這些控制信令在網(wǎng)絡(luò)中傳輸將會(huì)帶來(lái)信令負(fù)載問(wèn)題.

HM IPv6移動(dòng)路由協(xié)議利用層次性和移動(dòng)錨點(diǎn)將MN的綁定更新本地化,使得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在同一管理域內(nèi)移動(dòng)時(shí),所需的綁定更新時(shí)間以及在Internet網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男帕钬?fù)載大大減少.但是,當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN進(jìn)行域間切換時(shí),依舊采用標(biāo)準(zhǔn)M IPv6移動(dòng)路由思想,因此仍然存在MIPv6的切換時(shí)延和信令負(fù)載問(wèn)題.而且,當(dāng)一個(gè)MAP域內(nèi)接人大量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí),還會(huì)造成MAP負(fù)擔(dān)過(guò)重, MAP域內(nèi)的路由不優(yōu)化等問(wèn)題,都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包的時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性帶來(lái)不利影響［2］.

快速移動(dòng)IPv6路由協(xié)議使IP層能夠提前預(yù)知要進(jìn)行的切換,提前進(jìn)行轉(zhuǎn)交地址的配置,從而減少通信連接的中斷時(shí)間,并且該協(xié)議通過(guò)采用隧道轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制可以減少切換中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟包率問(wèn)題,提高網(wǎng)絡(luò)切換性能,保證通信的實(shí)時(shí)傳輸［3］,正好可以彌補(bǔ)HM IPv6的缺陷.但FMIPv6忽略了MIPv6的層次性,仍然具有MIPv6造成的信令負(fù)載問(wèn)題和綁定更新過(guò)程所造成的時(shí)延問(wèn)題.

2 優(yōu)化的移動(dòng)路由管理機(jī)制

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)路由協(xié)議的分析,針對(duì)它們的缺陷,提出一種優(yōu)化的移動(dòng)路由管理機(jī)制.利用分層移動(dòng)IPv6的路由特點(diǎn)減少網(wǎng)絡(luò)通信中綁定更新消息發(fā)送的距離和數(shù)量,從而減少網(wǎng)絡(luò)中的信令負(fù)載和綁定注冊(cè)時(shí)延.同時(shí),又可以利用快速切換的優(yōu)勢(shì),引人并行操作［4］,從而消除標(biāo)準(zhǔn)M IPv6切換的大部分時(shí)延和丟包率.為了解決HMIPv6中的路由優(yōu)化和MAP負(fù)擔(dān)過(guò)重問(wèn)題,研究通過(guò)引人邊界路由器.該優(yōu)化移動(dòng)路由管理機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示.

在移動(dòng)路由模型圖中,移動(dòng)結(jié)點(diǎn)從AR1移動(dòng)到AR3,在MAP1域內(nèi)移動(dòng)時(shí),可以將快速M(fèi)IPv6和分層M IPv6移動(dòng)技術(shù)相結(jié)合,同時(shí)通過(guò)邊界路由器的功能減少M(fèi)AP的負(fù)擔(dān),并能夠優(yōu)化路由.移動(dòng)結(jié)點(diǎn)從MAP1域移向MAP2域時(shí)將實(shí)現(xiàn)域間切換,采用在分層移動(dòng)模型下結(jié)合多播機(jī)制,以進(jìn)一步減少域間切換的延遲,從而移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)域內(nèi)、域間移動(dòng)時(shí)采用了優(yōu)化的路由管理機(jī)制.

圖1 移動(dòng)路由管理機(jī)制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 The network topology of Mobile routing management mechanism

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在域內(nèi)移動(dòng)時(shí)將FM IPv6與HMIPv6結(jié)合,但是兩者簡(jiǎn)單結(jié)合會(huì)使報(bào)文在傳輸過(guò)程進(jìn)行兩次隧道封裝,多次隧道封裝會(huì)加大報(bào)文傳輸?shù)呢?fù)載并時(shí)延報(bào)文的傳輸速率,同時(shí)報(bào)文在傳輸過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)了“三角路由”問(wèn)題.研究的移動(dòng)路由管理機(jī)制與簡(jiǎn)單結(jié)合的移動(dòng)管理機(jī)制相比,在進(jìn)行切換時(shí)建立的隧道減短,直接在MAP和新接人路由器之間建立隧道.采用這種改進(jìn)的快速切換方法可以減少分組轉(zhuǎn)發(fā)的路徑, MAP可以直接將數(shù)據(jù)包發(fā)向NAR.而當(dāng)NAR接收到來(lái)自MAP隧道轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包后,會(huì)將其解封裝并緩存起來(lái).當(dāng)MN移動(dòng)到新區(qū)域的時(shí)候, NAR就會(huì)把緩存的數(shù)據(jù)包傳送給MN［5］.

為解決“三角路由”問(wèn)題,該機(jī)制增加邊界路由器的功能,這樣,MAP1需要增加功能,它能夠?qū)⒁苿?dòng)節(jié)點(diǎn)的綁定更新消息發(fā)向邊界路由器.這需要邊界路由器里存在一個(gè)綁定緩存,里面存放著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的LCoA和RCoA.當(dāng)邊界路由器收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包,會(huì)查詢自己的綁定緩存池.如果對(duì)應(yīng)有相應(yīng)記錄,將會(huì)把移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的RCoA替換成LCoA,這樣就可以越過(guò)MAP直接將數(shù)據(jù)包發(fā)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn),采用這種思想可以進(jìn)一步優(yōu)化路由［6］.

當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)由MAP1域移出并向MAP2移動(dòng)時(shí)將進(jìn)行域間切換.筆者在分層的思想下結(jié)合多播機(jī)制以實(shí)現(xiàn)減少域間切換延遲.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在MAP1邊界時(shí)將向MN發(fā)出請(qǐng)求為其建立多播組.之后MAP1會(huì)為MN建立一個(gè)多播組,即要求臨近AR加人這個(gè)多播組.這時(shí),當(dāng)有發(fā)往移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包時(shí),由較近的AR將數(shù)據(jù)包發(fā)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn).

3 切換時(shí)延性能分析

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)整個(gè)切換過(guò)程產(chǎn)生的總時(shí)延THandoff主要包括注冊(cè)時(shí)延、NCoA配置時(shí)延和移動(dòng)檢測(cè)時(shí)延.而MN在域內(nèi)發(fā)生的切換的機(jī)會(huì)更多,因此筆者針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)M IPv6協(xié)議和我們提出的優(yōu)化的分層式移動(dòng)路由對(duì)切換時(shí)延進(jìn)行性能分析［7］.

設(shè)TMD表示移動(dòng)檢測(cè)的時(shí)延;TNCOA為新轉(zhuǎn)交地址配置的時(shí)延,它包括三部分:移動(dòng)節(jié)點(diǎn)獲取新的子網(wǎng)前綴來(lái)配置自己新的轉(zhuǎn)交地址的時(shí)間TCOA,并在新的子網(wǎng)上進(jìn)行地址沖突檢測(cè)所需要的時(shí)間TDAD,以及表示綁定注冊(cè)時(shí)延TBR.

3.1 標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)IPv6切換時(shí)延

式中:THA為家鄉(xiāng)代理處理家鄉(xiāng)注冊(cè)的時(shí)間; Spacketsize為發(fā)送綁定注冊(cè)包的大小;n為從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到家鄉(xiāng)代理所經(jīng)過(guò)的鏈路數(shù)目;BWlinki為第i條鏈路的帶寬;tlinki為第i條鏈路的鏈路時(shí)延.

3.2 優(yōu)化移動(dòng)管理機(jī)制

當(dāng)MN從AR1切換到AR2時(shí),采用快速切換實(shí)現(xiàn)NCoA配置時(shí)延在正常通信的過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行,減去了NCoA配置時(shí)延;同時(shí)由于分層結(jié)構(gòu)也無(wú)需向家鄉(xiāng)代理進(jìn)行綁定更新.整個(gè)切換過(guò)程所需的時(shí)延為:

式中:m為從MN到移動(dòng)錨點(diǎn)所經(jīng)過(guò)的鏈路數(shù)目［8］;k為從移動(dòng)錨點(diǎn)到邊界路由器所經(jīng)過(guò)的鏈路數(shù)目.在一般情況下,m和k的值都較小,而n遠(yuǎn)大于m和k,在我們的具體模擬環(huán)境中,m是3, k是1,n是6.MN發(fā)送綁定注冊(cè)信息時(shí),由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是分層管理的,家鄉(xiāng)代理HA與MN的鏈路距離要比邊界路由器ER與MN的鏈路遠(yuǎn)的多,從而大大減少了綁定注冊(cè)所需要的時(shí)間,同時(shí)也減去了NCoA配置時(shí)延,并且MAP、ER和HA對(duì)綁定注冊(cè)的處理時(shí)間相對(duì)于移動(dòng)檢測(cè)時(shí)延和綁定注冊(cè)時(shí)延小的多,可以忽略.

在進(jìn)行MAP域間切換時(shí),雖然多了向MAP的注冊(cè)時(shí)延,但是由于網(wǎng)絡(luò)的分層管理,發(fā)送給MAP的綁定更新信息的距離比發(fā)送給HA短,向MAP的注冊(cè)時(shí)延可以忽略不計(jì),從而域間切換時(shí)延和標(biāo)準(zhǔn)M IPv6相比基本相同,并且MN在域內(nèi)移動(dòng)的可能性更大,因此優(yōu)化的分層路由整體性能還是優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)MIPv6.

4 仿真及結(jié)果分析

仿真基于NS2.選取1 000 m×1 000 m的矩形區(qū)域?yàn)榉抡鎱^(qū)域.仿真時(shí)間為80 s［9］.

該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫瑫r(shí)包含了有線鏈路和無(wú)線鏈路.MN和接人路由器之間采用無(wú)線連接,其他采用有線連接.為了能夠更為明顯地體現(xiàn)層次型移動(dòng)IPv6在注冊(cè)方面的優(yōu)勢(shì),模擬家鄉(xiāng)代理、通信對(duì)端距離移動(dòng)節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的情形,將MAP與家鄉(xiāng)代理和通信對(duì)端之間的時(shí)延比其他有線鏈路的時(shí)延設(shè)的長(zhǎng)一些,同時(shí)帶寬設(shè)為2 Mbps.

選擇Internet最普遍的基于TCP的FTP應(yīng)用來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［10］.CN與一個(gè)TCP源代理相連接作為T(mén)CP通信源端,MN與代理TCP/sink相連作為接收端.在CN與MN之間發(fā)起FTP會(huì)話.MN在PAR與NAR之間以1 m/s的速率移動(dòng).通過(guò)改變有線鏈路時(shí)延來(lái)觀察各種移動(dòng)路由管理機(jī)制的切換時(shí)延.圖2描述了在各種協(xié)議中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換時(shí)延情況.

圖2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換時(shí)延圖Fig.2 The graph of the mobile node handoff delay

由圖2可知,有線鏈路時(shí)延越長(zhǎng),采用標(biāo)準(zhǔn)M IPv6協(xié)議的MN切換時(shí)延隨著有線鏈路時(shí)延值的增加而不斷變大;而在優(yōu)化移動(dòng)管理機(jī)制中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的切換時(shí)延幾乎不受有線鏈路時(shí)延值變化的影響,它的值相對(duì)比較穩(wěn)定.這是因?yàn)樵贛IPv6移動(dòng)協(xié)議中,MN的每一次切換都必須向HA和CN發(fā)送綁定更新,而MN移動(dòng)離HA和CN越遠(yuǎn),鏈路時(shí)延就越大,導(dǎo)致這個(gè)切換時(shí)延越大.而采用優(yōu)化的移動(dòng)路由后,綁定更新只需發(fā)送到MAP,這時(shí)MN與HA和CN的距離不再起作用,并且優(yōu)化路由又結(jié)合了快速移動(dòng)路由機(jī)制,將FMIPv6和HMIPv6結(jié)合在一起使用的時(shí)候,可以使得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的切換時(shí)延達(dá)到最小,并且該切換時(shí)延的大小十分穩(wěn)定,受到網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延的影響非常小.

當(dāng)執(zhí)行優(yōu)化移動(dòng)管理機(jī)制時(shí),移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)切換時(shí)延最小化之后,用戶最為關(guān)心的是能否IP報(bào)文丟包率也會(huì)減少到最小.筆者針對(duì)不同情況的丟包率進(jìn)行了分析.隨著有線鏈路時(shí)延的變化,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換時(shí)報(bào)文丟包率情況如圖3所示.

圖3 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換時(shí)報(bào)文丟包率圖Fig.3 The graph of the ratio of drop packet When the mobile node switching

從圖3可以看到,IP報(bào)文的丟包率與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換時(shí)延有著類似的變化.即在M IPv6中,IP報(bào)文的丟包率隨著有線鏈路時(shí)延值的增加而不斷變大;而在優(yōu)化移動(dòng)管理機(jī)制中的丟包率受有線鏈路時(shí)延值變化的影響很小,一直保持著穩(wěn)定的值.

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)分層移動(dòng)路由協(xié)議的分析,提出一種優(yōu)化的移動(dòng)路由機(jī)制.該機(jī)制在分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中結(jié)合快速切換減少時(shí)延的優(yōu)點(diǎn)和多播機(jī)制的思想,并加人邊界路由器,可以減少協(xié)議消息負(fù)載、切換時(shí)延和丟包率,同時(shí)優(yōu)化了路由,從而可以提高實(shí)時(shí)通信的質(zhì)量,為移動(dòng)用戶提供一個(gè)更快捷、更可靠的移動(dòng)計(jì)算環(huán)境,滿足他們對(duì)網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性支持提出的越來(lái)越多的要求.

［1］ PERKINSC.IPmobility support［DB/OL］.［2012-03-12］.http://www.ietf.org/rfc.htm l.

［2］ SOLIMAN H,CASTELLUCCIA C,ELMALKI K,et al.Hierarchical mobile IPv6 mobility management (HMIPv6)［DB/OL］.［2012-03-12］.http:// www.ietf.org/rfc.htm l.

［3］ KOODLIR.Fast handovers formobile IPv6(FMIPv6)［DB/OL］.［2012-03-12］.http://www.ietf.org/ rfc.htm l.

［4］ JUNG H Y,SOLIMAN H,KOH S J,et al.Fast handover for hierarchical MIPv6(F-HMIPv6)［DB/ OL］.［2012-03-12］.http://tools.ietf.org/htm l/ draft-jung-mobopts-fhm iv6-00.

［5］ MOORE N.Optim istic duplicate address detection (DAD)for IPv6［DB/OL］.［2012-03-12］.http://www.ietf.org/rfc htm l.

［6］ RADHWAN M,SHAMALA K.Fast handover technique for efficient IPv6 mobility support in heterogeneous networks［J］.Com puter and Information Science, 2011,181(3):419-428.

［7］ 高天寒,郭楠.一種基于改進(jìn)HMIPv6的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化方案［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2012,33(1):69-72.

［8］ 馬華,劉雪,劉振華,等.基于云存儲(chǔ)的高效FHMIPv6切換協(xié)議［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2014, 43(2):231-234.

［9］ 孫煜,包杰.改進(jìn)的HMIPV6快速切換算法的仿真分析［J］.科技信息,2012(7):206-207.

［10］孫曉林,張建洋,賈曉.層次移動(dòng)IPv6域內(nèi)切換優(yōu)化方案［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2014,34(2):338-340.

The Research on an Optimized Hierarchical Mobile IPv6 Routing Algorithm

MA Fang1,JIXing2
(1.Institute of Information Engineering,Zhongzhou University,Zhengzhou 450044,China;2.Zhengzhou University of Light Industry,Institute of Computer and Communication Engineering,Zhengzhou 450002,China)

This paper analyzes the hierarchicalmobile routing protocols,and puts forward a new optimized mobile routing protocol.By using hierarchicalmobile IPv6,the new protocol can effectively reduce the distance and the number of binding updatemessage to send,so as to reduce the signaling load and the delay of binding registration in the network.At the same time,by using fast switching and parallel operation in the fast switching,most of time delay and packet loss rate of the standard M IPv6 can be eliminated.By using the edge router,it can optimize routing and solve the problem of congestion of the MAP.Finally,through the analysis of theoretical performance and the verify of the simulation experiments in NS2,it shows that the new optimized mobile routing can improve the performance of the network,reduce the packet loss rate and handover delay.

hierarchicalmobile IPv6;mobile routing;binding update;handover;multicastmechanism

TP393

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.03.027

1671-6833(2015)03-0125-04

2015-01-10;

2015-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)項(xiàng)目(61403349)

馬芳(1979-),女,河南鄭州人,中州大學(xué)副教授,主要從事計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)、移動(dòng)網(wǎng)路、數(shù)學(xué)仿真研究,E-mail:chbjw l@163.com.