一种改进快速移动IPv6性能的方法

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摘要　快速移动IPv6（FMIPv6）协议是改进移动IPv6（MIPv6）协议性能的增强型协议之一，但是由于链路层触发原语的限制，性能提升十分有限。文章在介绍802.21媒介独立性切换的基础上，通过增加新的原语和参量，提出了一种基于媒介无关切换（MIH）方法来改进快速移动IPv6性能的方案。
0、引言
　　近些年来，移动通信技术发展势头迅猛，各种便携终端的功能也越来越强大。人们对“时时在线”的要求也不断提高，从简单的在线应用到实时的高速视频传输，移动互联网的格局和性能不断得到新的挑战。美国、韩国相继部署了商用的无线城域网络，对当前的移动互联网发展格局产生了很大的影响。而实现移动互联网的关键是要解决“漫游”和“移动”问题。
　　为解决上面的问题，互联网工程任务组（IETF）提出了移动IPv6（MIPv6）[1]的概念，实质上是一个支持主机移动的网络层解决方案。MIPv6作为基于全IP的、未来4G移动通信网络的关键基础技术，允许用户在不同的无线接入网内移动。但是MIPv6的切换效果并不是十分理想[2]，在实际切换中表现出来的时延（大约2s～3s）是许多实时业务所无法接受的。针对此问题，IETF又提出了一些增强型协议——FMIPv6[3]。快速移动IPv6（FMIPv6）通过链路层的预测和触发，预先准备切换的一些信息，减少MIPv6的切换时延。但是，FMIPv6只关注协议的操作而并没有考虑其它问题，如无线接入发现和候选路由器发现，这些对于FMIPv6的性能都是至关重要的。同时由于FMIPv6只是利用链路层触发来进行优化。因此无法进一步提高性能。
1、FMIPv6简介
　　1.1　基本原理
　　MIPv6中，采用了新的机制使得移动节点（MN）在不同子网间移动时，仍可维持与对端通信的连续性。MN利用两个地址来进行移动性管理：一个是固定不变的家乡地址（HoA），用于标识主机；另一个是用于路由的、随节点位置改变而改变的“转交地址（CoA）”。当MN离开家乡移动到外地网络时就会配置转交地址，然后向其家乡代理（HA）注册这一地址。这样，通信对端（CN）发来的分组将由HA通过它与MN之间的双向隧道来转发。如果采用路由优化模式，MN也会向CN注册自己的转交地址，之后MN与CN之间就可以直接通信。
　　FMIPv6在MIPv6基础上进行了一些扩展，主要解决两个问题：a）移动节点如何一检测到新的子网链路就立即发送数据包。b）新的接入路由器如何一检测到移动节点的接入就立即发送数据包到该移动节点。
　　图1是FMIPv6参考场景图，其中PAP、NAP、PAR、NAR分别表示前访问点、新访问点、前接入路由器和新接入路由器。移动节点（MN）在两个访问点之间移动时，发生切换。

图1　FMIPv6参考场景图

　　1.2　信令流程
　　FMIPv6有好几种切换模式，最常用的是“预先”操作模式，本文所进行的改进也是针对此模式进行的。通过链路层触发，MN在发生切换之前，就主动收集新接入路由器的相关信息，因此，切换的性能较之基本移动IPv6有很大幅度的提升。
　　1.3　不足之处
　　快速移动IPv6虽然较基本移动IPv6性能得到了明显的改善，但是这个性能的改善是以预测的准确性为前提的。如果MN获得的新接入路由器链路层的信息出现问题，则往往导致切换的失败。尤其是在两个覆盖区域的边缘进行来回移动时，会产生严重的“乒乓效应”，导致无法准确地进行预测，切换的性能受到严重影响。
2、媒介独立性切换
　　2.1　简介
　　移动通信发展的趋势，是要保证各种不同网络之间的融合，使不同网络的用户能够随时、随地、随意的选择网络接入的能力。而目前的WLAN、3G网络等都还不具备这样能力，关键就是垂直切换的问题没有得到很好的解决。由于各种无线接入技术具有不同的二层链路属性，而且由于环境的改变，某些属性可能发生难以预测的变化，而有些变化不足以导致发生切换，因此，单凭某些属性的改变就进行简单的切换判决，会显著增加切换的延时，甚至导致错误的切换决策。因此IEEE 802工作组提出了802.21标准[4]，即MIH机制，目的就是提供对异构网络之间切换的支持，提供最优的2.5层切换管理方法。
　　图2是MIH在整个协议栈中的简单示意图。

图2　媒介独立性切换示意图

　　2.2　链路层触发
　　FMIPv6的设计思路是：MN提前预测、收集与切换有关的信息，在切换之前做好转交地址的配置工作，这样减少了切换初期地址配置的时延。而提前预测和发起切换需链路层触发（Link Layer Trigger）来支持。链路层触发作为事件被发送给网络层模块，报告链路层和物理层条件的改变。表1中给出了常用的链路层触发。

表1　常用的链路层触发

　　2.3　媒介独立切换功能
　　MIH定义了在不同接入网络间增强切换的同步、异步服务以及下层和上层之间的服务访问点（SAP）。在一个具有多个不同类型的网络接口的系统中，MIPv6可使用MIH提供的事件服务、命令服务、信息服务来管理、判决、控制下层接口状态。MIH提供的这些服务对于MIPv6和其它协议很有用。
　　1）信息服务（IS）
　　信息服务提供了一个框架和相关的机制，利用这种框架和机制，MIH功能实体可以发现、获取一个地理区域中网络信息来加快切换。信息服务主要提供了一个用于信息传输的查询/响应类型机制。信息可以被存储在MIH层或者被提供给某个MIH层可以访问的信息服务器。信息服务提供了对静态信息的访问（如邻居图），有助于进行网络发现。信息服务也提供了对动态信息的访问，用于对不同的网络进行链路层连接的优化。这包含链路层参数，如信道信息、MAC地址、安全信息等。
　　2）事件服务（ES）
　　事件服务用于MIP中加快切换检测。事件通告当前网络的情况，并且传输L2数据链路的行为，如MAC、无线资源管理等。MIP使用请求/确认原语进行注册，接收来自MIH层的事件。
　　定义的事件有预触发（L2切换即将到来）、链路可用、链路连接、链路参数改变、链路即将连接、链路中断、链路即将中断、L2SDU传输状态、事件反转等。
　　3）命令服务（CS）
　　命令服务是指上层向下层发送命令。包括上层给MIH层的命令（如上层移动协议给MIH或策略引擎给MIH的命令）、MIH层给下层的命令（MIH给MAC或MIH给PHY的命令）。这些命令主要包含了上层对下层的一些判决，控制着下层实体的行为。
　　2.4　改进方案
　　一般来说，FMIPv6的IP层需在L2切换之前进行L2触发来执行切换发起，进行新转交地址（CoA）配置。这种情况下，MIH服务对链路层触发非常有用。但是，应用已有的MIH原语，MIPv6的切换性能受到了限制，因为MIH服务只用于检测L2的信息，难以进一步提升FMIPv6的性能。因此，我们提出了应用MIH，并定义了新的原语和参量的增强型切换机制，提高了FMIPv6的切换性能，如表2中所示。

表2　具备新参量的MIH原语

　　在我们所提的机制中，当MN收到来自MIH-LinkList和MIH-LinkAvailable原语的具有AR前缀参量的AP和AR的信息时，MN可以在AP的MAC和AR的前缀之间进行映射。在最初的FMIPv6中，AR交换关于它们邻居的信息，并且必须为包含邻居子网信息的代理通告重建映射表。在所提的方案中，因为MN提前已经具有了关于新原语和参量的映射表，因此AR不需要同其邻居交换信息。同时MN也不需要交换关于路由器发现的RtSolPr/PrRtAdv信息或RS/RA信息，因为路由器信息已经包含在了MIH原语中。因此，与路由器发现或RtSolPr/PrRtAdv相关的CoA配置过程被简化。也就是说，所提方案减少了MIPv6的切换延迟。FMIPv6通过缩减路由器发现的切换过程，可减少切换发起时间。
3、结束语
　　FMIPv6协议是重要的节点移动性管理协议之一，其采用链路层触发的方法，对MN的移动进行提前预测，减少了MN在移动到新网络后的转交地址配置时间，提高了切换性能。但是，由于FMIPv6在性能的提升方面主要依赖于有限的链路层触发原语进行准确预测，因此我们提出了将改进的MIH方法应用于FMIPv6的方案，改进了FMIPv6的切换性能。
参考文献
　　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.