移动IPv6切换改进研究

移动IPv6切换改进研究

郑博

华南理工大学计算机科学与工程学院，广州(510640)

E-mail：marvel1014@gmail.com

摘 要：移动IPv6协议允许用户在使用便携式设备时，不需要进行任何的手动配置就可以在移动到不同的无线子网的过程中保持通信，这个移动的过程就称为切换。然而移动IPv6协议没有说明如何能够在切换的过程中保持流畅的连续的通信。流畅的通信在于减小切换过程中的延时，即快速切换；连续的通信在于减少切换过程中的丢包率，即平滑切换。针对这个两个方面的要求，研究者做了很多有价值的工作，现在，移动IPv6的切换正朝着无缝，智能化发展。本文主要对几个与移动IPv6切换相关的协议和各自基础上的改进进行了研究，并比较了它们的各自的策略和特点，并主要对MA-MIPv6协议提出了问题，通过分析提出了一些基础的改进想法，这些想法参照了SIGMA结构并引入了SCTP协议。 关键词：移动IPv6，SCTP，ns

1． 引言

IPv6正在全世界得到越来越广泛的支持，许多国家和地区都积极的建立IPv6网络和制订明确的计划来推进IPv6的商业化[1]。IPv6中，对移动性的支持是它的关键特性之一，为此，互联网工程攻坚组织于2004年中制订了移动IPv6协议。

移动IPv6协议允许用户在使用便携式设备时，不需要进行任何的手动配置就可以在移动到不同的无线子网的过程中保持通信，这个移动的过程就称为切换[2]。然而移动IPv6协议没有说明如何能够在切换的过程中保持流畅的连续的通信。流畅的通信在于减小切换过程中的延时，即快速切换；连续的通信在于减少切换过程中的丢包率，即平滑切换。

在移动计算环境中，MN发生移动产生切换，在切换时引入延迟。产生延迟的主要原因主要有如下几种[3]:

1. 网络结构引入的固有延迟 2. 接入延迟 3. 注册延迟

综上所述，移动节点切换时所产生的延迟可以用以下公式进行描述： 切换延迟 = 固有延迟 + 接入延迟 + 注册延迟 （其中，注册延迟是主要延迟。）

从总体上看，要优化移动节点的切换性能，其着眼点应该是提高移动节点在PAR在其即将发生切换时的预测能力和并行处理能力，即在维持通信的同时，尝试进行新的注册。

2．移动IPv6切换的相关协议

2.1移动IPv6协议

IPv6是IETF（Internet工程任务组）为了代替现存的Internet中使用的IP协议（IPv4）而设计的[3]。IETF设计了IPv6协议的扩充－移动IPv6[4]，它可以使IPv6包透明的发送到移动节点，从而充分利用了新版本IP的设计。在移动IPv6中，每个移动节点都为它的家乡地址标识，而与它现在所在Internet中的点的位置无关。当离开了家乡IP子网，移动节点还会

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和一个转交地址（COA）联系起来，它标识了移动节点现在所在的位置。移动IPv6使得任何的IPv6节点都可以去学习和保存与家乡地址联系在一起的转交地址，然后通过IPv6路由头保存了目的地址，即其转交地址，直接发送包到移动节点。

2.2层次移动IPv6

层次化MIPv6[5]（HMIPv6，Hierarchical Mobile IPv6）是考虑到，MIPv6中，MN在外地漫游的时候，如果HA或CN离MN远，则绑定更新过程花费的时间多，这就会导致数据包转发延迟增加。HMIPv6通过增加一个移动锚点（MAP，Mobility Anchor Point），将MN的移动过程分为微观移动和宏观移动。MAP就像一个本地的家乡代理，这样当MN在同一个MAP域内不同的AR之间切换的时候，至少有两个改进点，其一，减少了绑定更新时间，因为MAP通常比HA与MN的距离更近；其二，减少了网络信令，由于MN只需要更新LCoA，而不需要更新它的本地地址与区域转交地址（RCoA，Regional Care of Address）的绑定，所以避免了与HA和CN的通信。

2.3快速切换与层次化MIPv6的整合

快速切换基于一定的预测算法，它考虑到L3切换过程中，DAD过程比较耗时，而如果在L2切换之前根据链路或者其他相关信息，预测MN即将要移入的新网络，事先做好DAD等相关操作，则一旦MN完成L2切换，并移动到新网络时，就可以通过快速邻居通告（FNA，Fast Neighbour Advertisement）表明自己的到来，请求NAR开始转发数据，从而加快了数据包的传输，减小了延迟。在该协议中，增加了一些新的信令，其中快速绑定更新（FBU，Fast Binding Update）通常用来触发数据包从PAR到NAR的转发，FNA通常用来触发数据包从NAR到MN的转发。

还有研究者提出了将快速切换与层次化进行整合，称为层次化快速切换移动IPv6协议（F-HMIPv6），这样能够综合两种协议的优点，进一步减小延迟和丢包率。但是整合过程中，需要注意到MAP作为聚合路由器，比PAR更加适合于和NAR建立隧道，转发目的地为MN的数据包，因此这就会涉及到将快速切换中MN、NAR与PAR的部分通信改为MN、NAR和MAP的通信。

2.4 MA-MIPv6

在文献[3]中, 作者发现有两个问题: 第一，

在FHMIPv6的实际运营过程中，虽然用户的身份认证的问题可以在应用层考虑，然而在网络层，运营商必然要考虑AR负载均衡，考虑切换过程中QoS信息的重建等问题。

第二，

根据IETF2004年10月提出的草案，在文献[8]中，当MN在两个AR之间快速来回移动（乒乓移动）时，切换性能严重下降。根据IETF2004年12月提出的草案，在文献[7]中，也提到，当MN在两个AR之间快速来回移动（乒乓移动）时，需要采取一定的措施改善切换性能。

根据这两个问题作者提出了引入一个切换管理器(HM)来改善这些问题,基本框图如图1所示，与图2的区别只是在于MAP实现多了一个HM的功能。典型的决策过程如下：MN通过具体算法，比如基于RSS的值，来发起一个代理路由请求（RtSolPr）给HM，该消息其中包括MN探测到的RSS，对应的AR Id等值，并且MN开始定期的向HM发送当前的位

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置信息（Position Status），HM分析了一定数量的信息之后（一般来说最少需要三个MN的位置信息），再以历史数据库作为一定的参考，判断出MN移动模式，如线性移动，随机移动，或是乒乓移动，然后据此对MN即将出现的位置做出预测；同时，在收到PAR发给NAR(s)的切换初始化（HI）消息之后，NAR(s)定期的向HM发送将自己的当前负载信息（Load Status）；最后，HM根据MN即将出现的位置、NAR(s)的负载信息来综合决定MN应该和哪个NAR建立连接，其通信过程如图2所示。

图1 MA-MIPv6基本结构图

图2 MA-MIPv6通信序列图

2.5其它的改进思路

文献[7]中，作者针对边缘网络（Edge Network）提出了减少切换延时和切换信令的方法——边缘切换（EH，Edge Handover）。在EH中，数据也是通过隧道的方式由PAR传送到NAR的。

文献[8]中，作者提出了一种网络发起的切换（Network Initiated Handover），它建立在

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FMIPv6之上。在这种协议中，定义了一个终端管理实体（SME，Station Management Entity），它安装在MN上。当SME监听到NAR发出更强的RSS时，就决定让MN进行重新关联（Reassociation），实际上就是进行快速切换的操作。

文献[9][10]中，提出了一个SIGMA的无线接入网络的架构（Seamless IP diversity based Generalized Mobility Architecture）。它基于SCTP协议，在发生切换的时候不删除前接入路由器的IP，使得在某些特定的情况（乒乓移动或随机移动）不需要重新分配IP地址，减少延时。这样能够大大地提高切换地性能。

2.6几个协议的比较分析

参照文章[3],对于这些切换改进协议，按照优化目的可以分为以下几个方面,见表1。 1. 减少切换顺序延时

2. 减少绑定更新延时和网络信令 3. 减少丢包率，实现平滑切换 4．减少重新分配IP的时间

表1 各种改进协议的分类

改进协议目的 减少切换顺序延迟

FMIPv6,MA-MIPv6

移动IPv6切换改进协议名称

Access Router based Fast Handover for MIPv6

减少绑定更新延迟

HMIPv6,MA-MIPv6

Fast Handover for Hierarchical MIPv6 (FHMIPv6) 平滑切换支持

Multiple CoA registrations in MIPv6 Simultaneous Bindings （Bicasting）

减少重新分配IP的时间

SIGMA

3．SCTP协议

SCTP[11][12][13]是面向连接的可靠传送协议，它向上层应用提供了下列服务： ¾ 应用数据的无错误无重复的可靠传输；

¾ 根据检测到的MTU长度进行数据包分段处理，避免IP层的分段； ¾ 在多个流间的用户消息有序递交，及单用户消息按到达顺序递交的选项； ¾ 通过支持关联的多宿主机特性，实现网络级容错。

SCTP为 传输层协议，具有一些独特的特征使得它在传输层的竞争中占有优势，其中两个显著特征是:多宿性(Multi-homing)和多流性 (Multi-streaming)。

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一,多宿性

类似于TCP连接，SCTP中两个端点之间的通信关系称作关联(Association). SCTP多宿性就是支持SCTP端点可以有多个IP地址，在关联初始化的过程中， SCTP端点会交换IP地址列表，其中每个地址都可以用来发送和接受消息，而且会在地址列表中选择一个地址作为主地址，所有数据块在正常传输情况下都发送到这个目的地址。当发送到主地址的数据连续失败超过系统规定的某个阀值后，主地址就会被认为是不可达，然后从备用地址中选择一个可用地址作为新的主地址，重传发送失败的数据。SCTP的多宿性提供了一定的冗余度，避免了端点之间建立的关联受到潜在网络故障的影响，当某条路径或对端的某个接口出现故障时，SCTP端点可以将流量切换到另一个IP地址上，提高了数据传输的连续性和可靠性，并且减少了延时。 二,多流性

在 RFC 2960中，流(Stream)的定义就是关联中的一个单向逻辑信道，可以顺序传送用户消息，也可以提供无序传送业务。多流性就是可以将用户数据分发到单个关联中的多个SUP流中传输，这些流都是相互独立的。

4. 针对MA-MIPv6的改进构思

4.1发现问题

在上面所提到的MA-MIPv6中,可以发现有两个不足之处: 1、HM的位置问题

在MA-MIPv6中,加入了一个(切换管理器)的概念,设置在MAP上,可能会引发两个问题: ¾ 少量的节点计算量不足以造成影响，但是如果存在较多个移动节点的情况,会使得

MAP的负荷过大。这样会引入较多的计算延时，MAP的计算性能越差，造成的影响越大。

¾ 因为存在时延,在判断移动节点的可能会不准确。当MAP的作出移动节点的移动方

式判断时，移动节点又采取了另外的运动方式，这样就会造成错误。

所以可以考虑将HM的部分功能放在移动节点上 ，设置一个HAT(Handover Assistant切换辅助器),通过设置标志位（PST，0表示随机移动，1表示乒乓移动，2表示直线移动）来告诉MAP的HM它采取何种运动方式，通过这一步，可以简化MAP上HM的操作，降低HM的计算量，减少由于延时造成的误差，使得HM的判断更为准确。 2、采用TCP协议的问题

采用TCP进行通信的时候,切换完成之后会删除前接入路由器(PAR)的IP地址,当移动节点采用乒乓移动的方式的时候,重新分配IP地址会损耗时间。考虑到SCTP多宿性的特征,可以考虑采用SCTP协议。在文献[9][10]中，SIGMA的系统结构很好，得出了优化之后的结果理想，所以可以参照该结构。整个系统的框架如图3所示。

4.2系统架构

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图3 整个系统框图

图4 MAP域内切换

在发生MAP域内切换的时候,如图4：

其中Core Router即相当于MAP的角色,上面安装有HM,而移动节点上则装有HAT(Handover Assistant)

设想的切换过程如:(切换从IP1到IP2) 1.发生切换时候,先获得新的IP地址 2.将新的IP加入SCTP联系

3.根据RSS等来检测移动节点处于哪个路由器所在域。使用该IP地址,移动节点HAT判断其运动方式并发送信息（代理路由请求RtSolPr）到MAP的HM。

4.MAP根据这些信息再进行处理.(根据随机移动,乒乓移动和直线移动分别做相应的处理) 当HAT判断其离开两个路由器的重叠区域的时候, MAP发送信息使得IP1不活动,而不是删除它。

在发生MAP域间切换的时候,如图3MN从AR2移动到AR3：

使用SCTP协议，保存地址在两个MAP的RCoA到上一级路由器上，发送移动节点的

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HAT信息到该上级路由器和MAP上，然后再进行处理。

5．总结

本文分析了移动IPv6切换协议及其改进，对这几种协议和其改进的策略进行了对比，同时着重针对MA-MIPv6存在的问题提出了自己的看法，同时参考了STCP协议和SIGMA协议，提出了进一步的改进方法，同时构建了系统模型。而下一步的工作就是使用ns2网络模拟器进行系统的实施和仿真工作。

致谢

感谢我的师兄何坚，他提供了其论文和MA-MIPv6具体代码参考，感谢我的老师俞鹤伟，他在对论文和实验给予了悉心的指导。

参考文献

[1] 蒋亮, 郭健, 下一代网络移动IPv6技术[M], 北京:机械工业出版社,2005

[2] 卢汉成,移动IPv6中的切换优化技术研究[D], 中国科学技术大学,万方学位论文 [3] 何坚，移动IPv6及其切换性能的优化[D]，华南理工大学

[4] Charles E. Perkins, David B. Johnson, Mobility support in IPv6[J] , ACM, Proceedings of the 2nd annual international conference on Mobile computing and networking, Nov. 1996

[5] Hesham Soliman, et al. Hierarchical Mobile IPv6 mobility management, Internet Draft. IETF. 2004.12. Working in Progress

[6] 陈炯,层次移动IPv6快速切换的研究与实现[D],浙江大学，万方学位论文

[7] Nick Sharkey Moore，et al. Edge Handovers for Mobile IPv6[S]. Internet Draft. IETF. 2004.2

[8] Youngjun Park，et al. Network-initiated Handover Framework for FMIPv6[S].Internet Draft. IETF. 2004.1 [9] Shaojian Fu, Liran Ma, Mohammed Atiquzzaman, Yong-Jin Lee, Architecture and Performance of SIGMA: A Seamless Mobility Architecture for Data Networks[J], IEEE 2005

[10] Shaojian Fu, Mohammed Atiquzzaman,Handover latency comparison of SIGMA[J], FMIPv6, HMIPv6, and FHMIPv6, IEEE Globecom 2005

[11] 叶凌伟，陈雁，SCTP与TCP的功能对比及应用分析[J]，中国数据通信, 2003年 01期 [12] 乐辉华,移动IP环境下SCTP协议的性能研究[D],北京邮电大学，万方学位论文

[13] 郭云霞,流控制传输协议（SCTP）的研究及NS仿真实现[D], 南京邮电大学,万方学位论文

The study on the Improvement of the handoff of mobile IPv6

protocol

Zheng Bo

School of Computer Science and Engineering, South China University of Technology，Guangzhou

（510640）

Abstract

Mobile Ipv6 protocol allows the portable equiment users don’t need any Manual configuration while maining the communication moving from one subnet to another.The whole process of this movement is refered to handoff.But mobile Ipv6 Protocol doesn’t illuminate how to maintain the fluent and continuous communication while handoff happens.And Fluent communication is based on two ways,one is to reduce the delay of handoff which is refered to fast handover, the other is to reduce the package lost rate which is refered to smooth handover.In order to fullfill these two requirement,there are many researcher having done valuable jobs, now the handoff of Mobile Ipv6 has a trend to be seamless and intelligentized.This paper is focused on the mobile Ipv6 protocol and its improvements,and make a comparison between them.Through the analyse on MA-MIPv6 protocol, a new and reasonable solution is put forward which is refered to SIGMA struction and introduced STCP protocol.

Keywords：Mobile Ipv6，SCTP，ns

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