呂瑩瑩,李艷翠

（河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453000）

基于NEMO-PMIPv6的城際公交移動通信快速切換方案

呂瑩瑩,李艷翠

（河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453000）

在研究代理移動IPv6協(xié)議（proxy mobile IPv6,PMIPv6）與移動網(wǎng)絡基本支持協(xié)議（network mobility basic support,NEMO-BS）的基礎上,提出一種適合在城際公交上部署的FPMIPv6-NEMO移動通信快速切換方案.方案通過在移動路由器（moblie router,MR）中預先設置城際公交線路切換信息,根據(jù)域內切換和域間切換類型不同,提前建立隧道,這樣縮短切換延遲并降低了丟包率,達到城際公交在路程中的無縫切換.實驗表明, FPMIPv6-NEMO方案相較于PMIPv6具有更好的性能與服務質量.

PMIPv6；NEMO-BS；城際公交

隨著信息技術的不斷發(fā)展,乘客對城際公交上接入移動網(wǎng)絡的需求在不斷增加.下一代互聯(lián)網(wǎng)移動IPv6技術（mobile IPv6,MIPv6）[1]是當前研究的熱點,它綜合運用移動寬帶無線網(wǎng)絡技術與下一代互聯(lián)網(wǎng)絡技術,能夠提供可靠優(yōu)質的通信服務.但是,將MIPv6應用在城際公交中,由于城際公交中的客流量較大,而MIPv6協(xié)議是以移動節(jié)點（mobile node,MN）為中心的,切換相關的決策均需要有MN的參與,因此, MN上需要安裝客戶端功能,或者修改網(wǎng)絡協(xié)議棧,而這樣會導致MIPv6的實施部署難度增大.另外, MIPv6在設計時沒有考慮整體網(wǎng)絡移動性問題,由于一趟城際公交中的所有MN都朝著相同方向進行運動,當發(fā)生切換時,所有城際公交中的MN都要發(fā)送報文進行網(wǎng)絡切換,造成過大的信令開銷.

為了解決MIPv6部署城際公交移動網(wǎng)絡的問題,本文提出適用于城際公交移動網(wǎng)絡的基于PMIPv6[2]與NEMO-BS[3]相結合的IPv6快速切換方案（FPMIPv6-NEMO）.FPMIPv6-NEMO方案中,將PMIPv6與NEMO相結合,使一趟城際公交可以按照PMIPv6劃分的域內和域間進行整體切換.同時,針對城際公交運行的線性特征,提前保存沿線網(wǎng)絡信息,通過提前發(fā)起切換并建立隧道,確保移動網(wǎng)絡無縫切換.

1 NEMO-BS協(xié)議與PMIPv6協(xié)議

1.1 NEMO-BS基本原理

為了使中小型網(wǎng)絡能夠整體移動,并同時保持內部節(jié)點對切換的透明度,國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務組（the internet engineeringtask force,IETF）于2005年1月提出移動網(wǎng)絡基本支持協(xié)議（NEMO-BS）,NEMO的整個網(wǎng)絡的移動管理功能都交付給移動路由器（moblie router,MR）,由MR代替單個MN與家鄉(xiāng)代理（home agent,HA）之間進行綁定更新,并建立IPv6-in-IPv6的雙向隧道.在整個切換中,內部移動節(jié)點（moble network node,MNN）不會感知網(wǎng)絡接入點的變化.當整個網(wǎng)絡NEMO運動至外地網(wǎng)絡時,MR向HA注冊新子網(wǎng)的轉交地址（care ofaddress,CoA）.MR和HA之間通過發(fā)送綁定更新（bindingupdate,BU）與綁定確認（bindingacknowledgement,BA）消息來建立IPv6-in-IPv6的雙向隧道.確保了移動節(jié)點家鄉(xiāng)地址（home address,HoA）的全局可達性.當完成與HA的綁定注冊后所有通信對端（correspondent node,CN）發(fā)送來的數(shù)據(jù)包通過雙向隧道由HA發(fā)送至MR,MR將數(shù)據(jù)包進行解壓縮并轉發(fā)給NEMO內的MNN.

1.2 PMIPv6基本原理

為了避免MN參與移動管理過程,IETF于2007年4月提出PMIPv6.該協(xié)議在MIPv6協(xié)議的基礎上,通過引入本地移動錨點（local mobilityanchor,LMA）與移動接入網(wǎng)關（mobile access gateway,MAG）兩個新的移動性管理功能實體,來替代MN執(zhí)行移動性管理功能.PMIPv6協(xié)議中,MN無需再修改網(wǎng)絡協(xié)議棧或是安裝移動性管理軟件.MAG具有MIPv6中HA的全部功能,主要負責MN在PMIPv6域內的可達性. MAG代替MN完成數(shù)據(jù)轉發(fā)功能.通過相互發(fā)送代理綁定新消息（proxybindingupdate,PBU）和代理綁定確認消息（proxy binding acknowledgement,PBA）,LMA和MAG之間建立IPv6-in-IPv6的雙向隧道.數(shù)據(jù)包通過隧道將MN的數(shù)據(jù)分組轉發(fā)至MAG,再由MAG路由至MN.當MN在MAG間切換時,如果是在同一個LMA域內切換,即發(fā)起PMIPv6的域內切換.在PMIPv6域內切換中,LMA需要和MN所在新的接入網(wǎng)關（newmobileaccess gateway,NMAG）重新完成更新并建立雙向隧道.由于MN則會接收到相同的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡前綴（home network prefix,HNP）,該切換對MN是透明的,MN仍然認為自己在相同的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡中,因此可保證通信的連續(xù)性.由于PMIPv6設計之初主要研究小型網(wǎng)絡的切換,因此當MN在PMIPv6域間進行切換時,PMIPv6并未給出相關支持.因此當發(fā)生域間切換時,將使用MIPv6機制進行切換[4].

當前,將PMIPv6與NEMO相結合的研究還較少,IETF還沒有發(fā)布任何相關的正式協(xié)議.鑒于PMIPv6與NEMO結合的廣闊的應用前景,PMIPv6與NEMO相結合將成為今后移動IPv6的研究方向.

2 FPMIPv6-NEMO方案設計

2.1 設計思想

一趟城際公交的運動軌跡是固定的,而何時何地到達哪個網(wǎng)絡卻具有不確定性.為了降低算法的復雜度,避免因公交晚點等問題產(chǎn)生的錯誤切換等問題,FPMIPv6-NEMO方案中并不考慮公交的到站時間,僅考慮路線問題.FPMIPv6-NEMO方案中,每趟公交在其MR中維護一張路徑信息表,用來記錄沿途所有子網(wǎng)信息（見表1）.表1中包含移動接入網(wǎng)關以及下一接入網(wǎng)關信息、網(wǎng)絡所屬域、HNP,同時該表還標識了子網(wǎng)與子網(wǎng)間切換的類型,域內切換時,切換標識為0,域間切換時,標識為1[5].

當MR切換至新的網(wǎng)絡并正常通信后,根據(jù)所在網(wǎng)絡,查找路徑表信息,向MAG發(fā)送一條快速搭建隧道消息（fast build the tunnel,FBT）,該消息是FPMIPv6-NEMO的新增ICMPv6控制消息,消息結構如圖1所示,該消息包含一個F標識位,MR根據(jù)路徑表信息中切換的類型,域內切換F位是0；域間切換F位是1；當F位為0時,Option-code中攜帶下一接入路由信息和MR-ID；當F位為1時,Option-code中除了下一接入路由信息外,還攜帶HNP.FBT是由MR向MAG發(fā)送,MAG在接收到FBT消息后,在MR沒有發(fā)生切換前,就完成隧道的建立.

FPMIPv6-NEMO方案中,在原有切換發(fā)起消息（Handover Initiate,HI）中保留字段添加H標示位,用于區(qū)分域內和域間切換[6].H位為0表明域內切換,H位為1表明域間切換.

2.2 域內和域間切換流程

當公交進行域內切換時,具體流程如圖2所示.

（1）MR進入MAG1所在網(wǎng)絡并正常通信后,根據(jù)自身所在接入點,查找路徑表,根據(jù)切換的類型,向所在網(wǎng)絡的接入網(wǎng)關MAG1發(fā)送FBT消息.根據(jù)FBT消息中的F位為0,以及將要切換的鄰居路由信息,MAG1發(fā)起域內切換.

（2）MAG1接收到MR發(fā)送來的FBT消息后,向MAG2發(fā)起HI消息.HI消息中包含MR-ID.MAG2接收到HI消息后,向MAG1發(fā)送切換確認消息（handover acknowledge,HAcK）.通過HI消息和HAcK消息,MAG1與MAG2之間建立一條隧道.該隧道建立后并未激活,MAG1并未向MAG2轉發(fā)MR的數(shù)據(jù)包.

（3）當MR在MAG1與MAG2重合區(qū)域,MR鏈路層根據(jù)信號的變化向MAG1發(fā)送Link GoingDown觸發(fā).MAG1接收到鏈路層觸發(fā)器后,將MR的數(shù)據(jù)包按照之前建立的隧道發(fā)送給MAG2.

（4）當MR完成切換進入MAG2區(qū)域,向MAG2發(fā)送路由請求消息（router solicitation,RS）,MAG2將數(shù)據(jù)轉發(fā)給MR.

（5）MAG2與LMA1之間使用PMIPv6中的PBU/PBA消息進行綁定注冊.綁定完成后發(fā)給MR的數(shù)據(jù)經(jīng)由MAG2轉發(fā)至MR.

當公交進行域間切換時流程如圖3所示.

（1）MR進入MAG2所在網(wǎng)絡并正常通信后,根據(jù)自身所在接入點,查找路徑表,根據(jù)切換的類型為域間切換,向所在網(wǎng)絡的接入網(wǎng)關MAG2發(fā)送FBT消息,FBT消息F位為1.

（2）MAG2向LMA1發(fā)送HI消息,HI消息中攜帶MR-ID和新的HNP.LMA1收到HI消息,向LMA2轉發(fā)該消息,LMA2收到HI消息向LMA1發(fā)送HAcK消息,LMA1與LMA2建立隧道.與域內切換中的HI消息不同,該HI消息增加新的字段S位,用來標識該消息用于域間切換.

（3）當MR在MAG2與MAG3重合區(qū)域,MR鏈路層根據(jù)信號的變化發(fā)送Link Going Down觸發(fā), LMA1向LMA2轉發(fā)MR的數(shù)據(jù).

（4）當MR到達新網(wǎng)絡后,根據(jù)新的家鄉(xiāng)地址前綴,配置HNP-ID.并向MAG3發(fā)送RS消息,RS消息中包含MR的新老地址.MAG3接收到MR的RS消息后,向LMA2發(fā)送PBU消息進行綁定更新.LMA2向MAG3返回PBA消息,完成注冊,并開始向MR轉發(fā)數(shù)據(jù).

2.3 性能分析

通過比較PMIPv6和FPMIPv6-NEMO方案的切換時延和丟包個數(shù)來分析FPMIPv6-NEMO方案的性能.本文假定城際公交中所有公交和接入網(wǎng)絡都進行了AAA認證,AAA過程忽略不計,同時忽略鏈路上傳輸延遲,分析從MR斷開舊網(wǎng)絡連接到在新網(wǎng)絡接收到數(shù)據(jù)包所產(chǎn)生延遲和丟包[7].切換延遲從整體上可分為鏈路層切換延遲和網(wǎng)絡層切換延遲.式中所用參數(shù)由表2表示.

2.3.1 域內切換分析域內切換時,使用PMIPv6協(xié)議,MR在接入新網(wǎng)絡后,通過鄰居發(fā)現(xiàn)機制得知自己切換到新的網(wǎng)絡,從而發(fā)起切換.因此,從網(wǎng)絡斷開到接受數(shù)據(jù),使用PMIPv6產(chǎn)生延遲見式（1）.

丟包個數(shù)見式（2）.

而在FPMIPv6-NEMO方案中,由于鏈路層觸發(fā)機制,消除了移動檢測TDetect；提前建立隧道,消除了TBT,因此FPMIPv6-NEMO方案在域內切換所產(chǎn)生的延遲見式（3）.

由于FPMIPv6-NEMO方案提前建立隧道,并在鏈路觸發(fā)后立刻轉發(fā)數(shù)據(jù)包,因此域內切換所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包丟失個數(shù)見式（4）.

2.3.2 域間切換分析PMIPv6并未對域間切換提出切換方案,MN進行域間切換時,將使用MIPv6進行切換,因此,PMIPv6域間切換產(chǎn)生延遲為MIPv6切換延遲.

FPMIPv6-NEMO方案所提出的域間切換方案,由于公交的運行方向是一定的,每一次的切換類型是提前得知的.當公交發(fā)生域間切換前,通過提前建立LMA1與LMA2之間的隧道,減少了延遲,同時避免丟包.因此FPMIPv6-NEMO方案在域間切換的延遲和丟包個數(shù)由式（5）和式（6）表示.

通過分析可以看到,由于城際公交的線性運動,FPMIPv6-NEMO方案通過提前建立隧道,可以減少切換延遲.同時,由于提前設定了切換網(wǎng)絡的線路,沒有使用預測機制,避免了因為鏈路層預測不準確導致的延遲和丟包,有效保障切換的可靠性.由于PMIPv6協(xié)議主要為小型網(wǎng)絡切換設計,域內切換比域間切換性能要高,而FPMIPv6-NEMO方案設計了域間切換模式,當發(fā)生域間切換時,能夠提前建立隧道,確保域間切換的高性能.

3 仿真驗證

使用NS2（network simulator version 2）[8]工具對PMIPv6和FPMIPv6-NEMO方案分別進行仿真,從域內切換和域間切換兩個方面對切換延遲進行比較.

仿真區(qū)域設置為2 000 m×2 000 m,其中,MAG1和MAG2屬于LMA1域,MAG3屬于LMA2域,每個MAG的覆蓋半徑設置為250 m,MR和所有的MAG使用IEEE802.11b協(xié)議,采用無線點到點鏈路鏈接.設置無線鏈路上的傳輸延遲為20 ms.MR與其子網(wǎng)中所有移動設備同樣使用無線鏈路鏈接,性能同上.其余網(wǎng)絡實體使用100 M線纜連接,所有單跳延遲均為2 ms.在仿真實驗中,CN向MR發(fā)送長度為256 byte的UDP分組,速度設置為100 packet/s,MR速度分別設置為5 m/s、10 m/s、20 m/s、30 m/s、40 m/s和50 m/s.每個運動速度下實驗10次,取平均切換延遲.

3.1 域內切換

實驗結果如圖4所示.

由圖4可知,當MR保持低速運動時,使用PMIPv6產(chǎn)生的平均延遲在400 ms左右,改進方案的平均切換延遲保持在100～200 ms之間.當設置MR的運動速度為30 m/s、40 m/s和50 m/s時,可以觀察到切換延遲有明顯增加.PMIPv6的平均切換延遲在600 ms左右,而FPMIPv6-NEMO表現(xiàn)較穩(wěn)定,當MR速度為50 m/s時,平均延遲為265 ms.

3.2 域間切換

域間切換實驗結果如圖5所示.

由圖5可知,當MR發(fā)生域間切換時,使用兩種方案的性能都比域內切換時的切換性能差.PMIPv6產(chǎn)生的最高延遲為893 ms,這對正常通信已經(jīng)造成一定影響.FPMIPv6-NEMO方案表現(xiàn)相對較好,最高平均延遲為360 ms.

4 小結

本文提出一種適合城際公交的無線切換方案.FPMIPv6-NEMO方案融合了PMIPv6與NEMO-BS協(xié)議的特點,同時結合了城際公交自身特點,能夠讓用戶在城際公交上完成網(wǎng)絡的無縫切換.通過理論分析和實驗仿真,對PMIPv6與FPMIPv6-NEMO方案進行比較,結果表明FPMIPv6-NEMO方案具有較高的性能.

當然,FPMIPv6-NEMO方案中還是具有一些問題,比如FPMIPv6-NEMO不可避免的使用了隧道嵌套,繼續(xù)改進方案將成為以后研究的重點.

[1]JOHNSOND,PERKINSC,ARKKOJ.Mobilitysupport in IPv6[S].Internet EngineeringTask Force,RFC3775,June 2004.

[2]GUNDAVELLI Ed S,LEUNGK,DEVARAPALLI V,et al.ProxyMobile IPv6[S]Internet EngineeringTask Force,RFC5213,August 2008.

[3]DEVARAPALLIV,WAKIKAWAR,PETRESCUA,et al.NetworkMoblity（NEMO）BasicSupportProtocal[S].IETFRFC3963,2005.

[4]王相林.IPv6核心技術[M].北京：科學出版社,2009.

[5]唐偉,湯紅波.基于PMIPv6的移動網(wǎng)絡快速切換方案[J].計算機科學,2003,40（11）：43-47.

[6]吳義鎮(zhèn).面向下一代網(wǎng)絡架構的移動管理關鍵技術研究[D].合肥：中國科學技術大學,2016.

[7]陳康先,陸以勤,羅旭,等.無線網(wǎng)狀網(wǎng)域間無縫切換技術研究與設計[J].華南師范大學學報（自然科學版）,2015,47（4）：150-154.

[8]王輝.NS2網(wǎng)絡模擬器的原理和應用[M].西安：西北工業(yè)大學出版社,2008.

（責任編輯：盧奇）

Researches and implementation of fast handover proposal for intercity bus mobile communication based on NEMO-PMIPv6

LYU Yingying,LI Yancui
（Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang453000,China）

Based on the research of proxy mobile IPv6（PMIPv6）and mobile network basic support protocol（NEMO-BS）,a kind of fast handover proposal for intercity bus mobile communication（FPMIPv6-NEMO）was put forward in this paper.According to the different types of intra-domain handoff and subdomain intra-domain handoff, this proposal aims to build a tunnel in advance to shorten the delay and reduce the packet loss rate by presetting high-speed rail handover information in the mobile router（MR）,which makes a seamless handover in intercity bus. Experimental results showed that compared with PMIPv6,FPMIPv6-NEMO method had better performance and service quality.

PMIPv6；NEMO-BS；intercity bus

TN929.5

A

1008-7516（2016）05-0067-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.05.014

2016-08-22

呂瑩瑩（1985－）,女,山東長青人,碩士,助教.主要從事下一代互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡及云計算研究.