朱德慶， 潘根梅

(1. 杭州師范大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心， 浙江 杭州 310036； 2. 嘉興學(xué)院 數(shù)理與信息工程學(xué)院, 浙江 嘉興 314001)

應(yīng)用雙層指針縮短切換時(shí)延及優(yōu)化路由的分布式移動(dòng)性管理方案

朱德慶1， 潘根梅2

(1. 杭州師范大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心， 浙江 杭州 310036； 2. 嘉興學(xué)院 數(shù)理與信息工程學(xué)院, 浙江 嘉興 314001)

根據(jù)錨點(diǎn)位置固定有否，移動(dòng)IP協(xié)議分為錨點(diǎn)固定的移動(dòng)性管理協(xié)議和分布式移動(dòng)性管理協(xié)議兩類，后者允許移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在會(huì)話開始時(shí)動(dòng)態(tài)地選擇較近的接入路由器作為錨點(diǎn)，從而可以縮短切換時(shí)延并實(shí)現(xiàn)近似最優(yōu)的路由.然而，對于給定的會(huì)話，錨點(diǎn)的位置是固定的，在會(huì)話持續(xù)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換時(shí)，切換操作與錨點(diǎn)固定的移動(dòng)性管理協(xié)議相同，存在切換時(shí)延長和路由欠優(yōu)問題.為解決該問題，提出了應(yīng)用雙層指針的分布式移動(dòng)性管理方案.使用“低層指針”在具有移動(dòng)性管理功能的接入路由器間建立指向關(guān)系以縮短切換時(shí)延；使用“高層指針”定期向錨點(diǎn)或?qū)Χ斯?jié)點(diǎn)注冊優(yōu)化路由并動(dòng)態(tài)更換錨點(diǎn)；推導(dǎo)了所提方案和已有方案的切換時(shí)延公式.數(shù)值分析和仿真結(jié)果表明，所提方案可以縮短分布式移動(dòng)性管理的切換時(shí)延.

移動(dòng)性管理；分布式錨點(diǎn)；指針推進(jìn)；移動(dòng)IP

0 引 言

移動(dòng)性管理支持用戶在移動(dòng)過程中訪問互聯(lián)網(wǎng).隨著電腦、智能手機(jī)等便攜設(shè)備的普及，移動(dòng)性管理成為研究熱點(diǎn).移動(dòng)IP(Mobile IP, MIP)技術(shù)支持用戶在移動(dòng)過程中使用IP協(xié)議訪問互聯(lián)網(wǎng)并保持正在進(jìn)行的通信不中斷.移動(dòng)IP協(xié)議可分為2類：基于主機(jī)的和基于網(wǎng)絡(luò)的.兩者的主要區(qū)別在于：前者要求移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(mobile node，MN)參與移動(dòng)性管理并轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)信令，但后者不然.例如，MIPv6[1]屬于前者，而代理移動(dòng)IPv6協(xié)議PMIPv6[2]屬于后者.

移動(dòng)IP協(xié)議中，負(fù)責(zé)維護(hù)MN位置信息的路由器稱為錨點(diǎn)，例如MIPv6中的家鄉(xiāng)代理(home agent，HA)和PMIPv6中的局部移動(dòng)錨點(diǎn)(local mobility anchor，LMA).當(dāng)MN移動(dòng)到新的子網(wǎng)時(shí)觸發(fā)切換.切換的主要目的是向錨點(diǎn)更新MN的位置信息，從而錨點(diǎn)可以根據(jù)該信息轉(zhuǎn)發(fā)給MN的數(shù)據(jù)包.在MIPv6和PMIPv6中，錨點(diǎn)的位置是固定的，會(huì)導(dǎo)致如下問題：1)發(fā)生切換時(shí)需要與LMA交互切換信令，切換時(shí)延可達(dá)幾百ms[3]，當(dāng)MN距離錨點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，時(shí)延更長，無法用于時(shí)延敏感的應(yīng)用；2)由于發(fā)送給MN的數(shù)據(jù)包都需要由錨點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，增加了數(shù)據(jù)包傳播時(shí)延，本文稱之為路由欠優(yōu)問題.

為了克服錨點(diǎn)固定的移動(dòng)性管理協(xié)議存在的上述問題，分布式移動(dòng)性管理允許會(huì)話動(dòng)態(tài)選擇錨點(diǎn).所謂會(huì)話(session)指對有數(shù)據(jù)通信任務(wù)的MN提供移動(dòng)性支持的時(shí)間段[4].分布式移動(dòng)性管理在會(huì)話開始時(shí)，MN選擇離其較近的接入路由器作為錨點(diǎn)[5]，并且MN可為不同的會(huì)話選擇不同的錨點(diǎn)，因此可以縮短切換時(shí)延，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路由也能實(shí)現(xiàn)近似最優(yōu).目前，分布式移動(dòng)性管理方面的研究已取得了一些成果.文獻(xiàn)[6]分析了當(dāng)前分布式移動(dòng)性管理方案存在的缺陷，并提出了一種直觀的分布式移動(dòng)性管理設(shè)想，即在一個(gè)子網(wǎng)中放置多個(gè)LMA，MN就近選擇LMA，從而克服錨點(diǎn)固定的移動(dòng)性管理協(xié)議的缺點(diǎn)；文獻(xiàn)[7]提出了基于具有移動(dòng)性管理功能的接入路由器(mobility capable access router, MAR)的分布式移動(dòng)性管理協(xié)議，MAR同時(shí)具有LMA和移動(dòng)接入網(wǎng)關(guān)(mobile access gateway, MAG)的功能，該研究還給出了MAR的選擇方法和切換過程的信令交互；文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了MIPv6中的分布式移動(dòng)性管理方案，后來該方案被擴(kuò)展并應(yīng)用到PMIPv6中[9].上述分布式移動(dòng)性管理方案實(shí)現(xiàn)的基本思想類似，統(tǒng)稱為已有方案.在分布式移動(dòng)性管理實(shí)現(xiàn)的具體問題方面，文獻(xiàn)[7]和[10]分別解決了分布式移動(dòng)性管理中的地址問題，前者解決了發(fā)生切換時(shí)新的MAR如何獲得MN以前關(guān)聯(lián)的MAR地址的問題，后者利用分布式邏輯接口解決了MN收發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)多個(gè)地址(MN可以同時(shí)有多個(gè)錨點(diǎn)，因此會(huì)獲得多個(gè)IP地址并同時(shí)進(jìn)行通信)的選擇問題.另外，文獻(xiàn)[11]利用分布式移動(dòng)性管理思想解決了PMIPv6的域間移動(dòng)問題，文獻(xiàn)[12]展望了分布式移動(dòng)管理應(yīng)用于未來5G網(wǎng)絡(luò)的前景.

上述分布式移動(dòng)性管理實(shí)現(xiàn)方案都允許MN為不同的會(huì)話選擇最近的接入路由器作為錨點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)縮短切換時(shí)延和優(yōu)化數(shù)據(jù)包傳播路由的目的.然而，對于給定的會(huì)話，錨點(diǎn)是在會(huì)話開始時(shí)選定的，并且在MN的移動(dòng)過程中位置不變.因此，在會(huì)話持續(xù)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行MN切換時(shí)，MN移動(dòng)經(jīng)過的每個(gè)MAR都需要向LMA更新MN的位置，這與錨點(diǎn)固定的移動(dòng)性管理協(xié)議的操作相同.因此，分布式移動(dòng)性管理仍存在切換時(shí)延長和路由欠優(yōu)的問題.

克服分布式移動(dòng)性管理存在的上述問題乃本文的研究動(dòng)機(jī)所在.本文的主要工作為：設(shè)計(jì)基于雙層指針的可縮短切換時(shí)延和優(yōu)化路由的分布式移動(dòng)性管理方案，并推導(dǎo)所提方案的切換時(shí)延公式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行性能分析.數(shù)值分析結(jié)果表明，本文方案在切換時(shí)延方面優(yōu)于已有方案.為了驗(yàn)證數(shù)值分析結(jié)果的正確性，對本方案和已有方案進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果相符.

1 應(yīng)用雙層指針的分布式移動(dòng)性管理方案

1.1 分布式移動(dòng)性管理

分布式移動(dòng)性管理允許MN為不同的會(huì)話選擇不同的錨點(diǎn).假設(shè)MN最初在MAR1(MARi,i=1, 2, …,表示第i個(gè)MAR)管轄范圍，則MN利用MAR1的支持獲得IP地址并建立會(huì)話，該會(huì)話的錨點(diǎn)為MAR1.如果MN移動(dòng)到MAR2的管轄區(qū)域，此時(shí)為了保持該會(huì)話不中斷，需借助移動(dòng)IP技術(shù)，以PMIPv6為例，該會(huì)話的錨點(diǎn)(LMA)為MAR1，對應(yīng)的MAG為MAR2.此時(shí)如果MN又發(fā)起新的會(huì)話，則新會(huì)話的錨點(diǎn)為MAR2.

然而，對于單個(gè)會(huì)話，在MN移動(dòng)過程中錨點(diǎn)是固定不變的.如果MN在會(huì)話持續(xù)時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷多次切換，則每次切換后MAG均需要向錨點(diǎn)更新MN的當(dāng)前位置信息，即與LMA交互綁定更新(proxy binding update, PBU)和綁定更新確認(rèn)(proxy binding acknowledgement, PBA)消息.如圖1所示，在位于MAR0的MN移動(dòng)進(jìn)入MAR1, MAR2,…的轄區(qū)過程中，MARi(i=1, 2, …)則依次充當(dāng)該會(huì)話的MAG并向MAR0更新MN的位置，其切換信令以及時(shí)序如圖2所示，而這恰恰是錨點(diǎn)固定的移動(dòng)性管理協(xié)議的切換操作，因此對于給定的會(huì)話，分布式移動(dòng)性管理仍存在切換時(shí)延長和路由欠優(yōu)問題.

圖1 分布式移動(dòng)性管理切換過程Fig.1 The handoff process of DMM

圖2 分布式移動(dòng)性管理的信令交互Fig.2 The signaling exchange of DMM

1.2 應(yīng)用雙層指針的分布式移動(dòng)性管理

雙層指針由“低層指針”和“高層指針”構(gòu)成.低層指針指發(fā)生切換時(shí)在相鄰的MAR間建立隧道傳播數(shù)據(jù)代替向LMA注冊的方式切換；當(dāng)?shù)蛯又羔樳_(dá)到閾值后在LMA和當(dāng)前MAR間建立的指向關(guān)系稱為“高層指針”.建立低層指針的原因是，MN移動(dòng)時(shí)只會(huì)從一個(gè)MAR管轄的區(qū)域移動(dòng)到相鄰MAR管轄的區(qū)域，而相鄰MAR間的距離要比當(dāng)前MAR到錨點(diǎn)MAR0的距離小得多.因此，采用在MAR間建立指向關(guān)系的方式進(jìn)行切換的時(shí)延要短于向LMA注冊的方式.與之對應(yīng)，高層指針的目的是優(yōu)化路由.隨著低層指針長度的增加，數(shù)據(jù)包沿著低層指針鏈傳播的時(shí)延越來越長，此時(shí)需要采用向LMA注冊的方式來優(yōu)化路由.但隨著向LMA注冊次數(shù)的增多，此方法優(yōu)化路由的作用有限.因此直接向與之通信的對端節(jié)點(diǎn)(correspondent node，CN)發(fā)送綁定更新消息，使當(dāng)前MAR成為該會(huì)話的新錨點(diǎn)，從而最大程度優(yōu)化數(shù)據(jù)包的傳播路徑.事實(shí)上，高層指針的閾值即允許向LMA注冊的方法優(yōu)化路由的最大次數(shù)，達(dá)到該閾值后，則向CN注冊，MN所在的MAR則成為該會(huì)話的新錨點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)錨點(diǎn)的動(dòng)態(tài)更換.如圖3所示，當(dāng)MN移動(dòng)到MAR1和MAR2時(shí)，首先在MAR間建立稱為“低層指針”的指針鏈；當(dāng)MN與MAR3關(guān)聯(lián)時(shí)，低層指針達(dá)到了設(shè)定的閾值K1(K1=3)，此時(shí)MAR3直接向MN的錨點(diǎn)MAR0發(fā)起綁定更新過程，并建立從MAR0指向它自己的指針，即高層指針；這個(gè)過程一直持續(xù)到MN與MARi關(guān)聯(lián)時(shí)，高層指針達(dá)到了設(shè)定的閾值K2，為了優(yōu)化路由路徑，此時(shí)MARi不是向錨點(diǎn)MAR0，而是直接向與之通信的節(jié)點(diǎn)CN發(fā)送綁定更新消息.這樣CN發(fā)送給MN的數(shù)據(jù)包可以直接發(fā)送給MARi，而MARi成為MN的新錨點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)錨點(diǎn)的動(dòng)態(tài)更換.單層指針曾被用來降低MN空閑時(shí)的切換代價(jià)[13]，采用雙層指針策略能獲得比單層指針推進(jìn)策略更短的切換時(shí)延[14].

為了清楚地表述利用雙層指針的分布式移動(dòng)性管理方案，假設(shè)MN存儲(chǔ)2個(gè)變量Low_PF和High_PF，分別表示低層指針和高層指針的長度，兩者對應(yīng)的閾值分別為K1和K2，初始值都為0.每當(dāng)MN移動(dòng)到新的MAR管轄區(qū)域，即發(fā)生切換時(shí)，其執(zhí)行邏輯為：

步驟1 若Low_PF

圖4 MAR指針鏈構(gòu)建的信令交互Fig.4 The signaling exchange of MAR chain

步驟2 若Low_PF≥K1且High_PF

步驟3 若步驟1、2均未執(zhí)行，則MAR向與MN通信的對端節(jié)點(diǎn)CN發(fā)送綁定更新消息，當(dāng)前MAR成為該會(huì)話的新錨點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更換錨點(diǎn)和進(jìn)一步路由優(yōu)化.將High_PF和Low_PF都置零.

步驟4 結(jié)束.

當(dāng)MAR向與MN通信的對端節(jié)點(diǎn)發(fā)送要求建立直接通信的消息時(shí)，若考慮安全因素，應(yīng)采取類似MIPv6中的“路由可達(dá)”(return routability)驗(yàn)證過程[1].

2 性能分析

2.1 數(shù)值分析

以切換時(shí)延為指標(biāo)分析本文方案和已有方案的性能.

假設(shè)MN連接到MARi時(shí)向LMA更新MN位置信息的方式切換的時(shí)延為Δ(i)，在MAR間建立指向關(guān)系更新MN位置的時(shí)延為δ.假設(shè)MARi向CN建立直接通信的時(shí)延為δ′，且δ′=θ2Δ(i)，θ2>1.MN在會(huì)話持續(xù)時(shí)間內(nèi)穿越的MAR區(qū)域的數(shù)學(xué)期望(即均值)記為M.已有方案每次均采用向LMA注冊的方式切換，因此其總切換時(shí)延為：

(1)

(2)

(3)

(4)

接下來推導(dǎo)Δ(i)的表達(dá)式.注意到MAR1向LMA切換的時(shí)延為δ，而MAR2經(jīng)MAR1向LMA切換的時(shí)延為2δ，故MAR2直接向LMA切換的時(shí)延應(yīng)小于2δ，設(shè)為θ12δ，其中θ1<1；MAR3向LMA切換的時(shí)延應(yīng)小于MAR2向LMA切換的時(shí)延與MAR3向MAR2切換的時(shí)延之和θ12δ+δ，因此可表示為θ1(θ12δ+δ)，以此類推，可將Δ(i)表示為

(5)

由式(3)和(4)可知：

(6)

(7)

(8)

為了對比已有方案和本方案的切換時(shí)延，定義時(shí)延比率為

(9)

顯然，當(dāng)η>1時(shí)表明本方案在切換時(shí)延方面優(yōu)于已有方案.

接下來分析參數(shù)SMR、θ1及θ2對η的影響.會(huì)話到達(dá)率(λ)與MN移動(dòng)率(β/α)的比值定義為會(huì)話與移動(dòng)比率(session to mobility ratio, SMR)[14]，記為SMR=λα/β.由式(7)可知，MN的平均移動(dòng)次數(shù)M近似為SMR的倒數(shù).圖5(a)給出了SMR對η的影響，可知隨著SMR的增大η減小，說明當(dāng)MN移動(dòng)頻繁，即SMR較小時(shí)，與已有方案相比，本方案在時(shí)延方面優(yōu)勢更明顯.由圖5(b)可知，隨著θ1的增大，即向LMA注冊的代價(jià)增大，η呈增大趨勢，即所提方案在時(shí)延方面優(yōu)于已有方案.由圖5(c)可知，隨著θ2增大，即MN向CN注冊的代價(jià)增大，η呈減小趨勢，說明以向CN注冊的方式進(jìn)行路由優(yōu)化代價(jià)增大時(shí)，MN直接與CN通信對路由優(yōu)化的作用有限，從而導(dǎo)致本文方案的優(yōu)勢逐漸不明顯.

此外，由圖5可知，K1和K2對η的影響與K1×K2的值有關(guān)，隨著K1×K2值的增大，即隨著總體指針鏈長度增大，η增大.

(a)給定θ1和θ2時(shí)SMR對η的影響

(b)給定SMR和θ2時(shí)θ1對η的影響

(c)給定SMR和θ1時(shí)θ2對η的影響圖5 各參數(shù)對η的影響圖Fig.5 The influence of each parameter on η

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證數(shù)值分析結(jié)果的正確性，對所提方案和已有方案進(jìn)行了仿真.在仿真中，令SMR=0.01, 0.02, …, 0.1;β=10;α=3;θ1=0.6, 0.65, 0.7, 0.75, …, 0.95;θ2=2, 3,…, 6;K1=2, 3, …, 8;K2=2, 3, …, 8; 與數(shù)值分析時(shí)各變量的取值相同.模擬了100 000次MN移動(dòng)和100 000個(gè)會(huì)話到達(dá)，MN的逗留時(shí)間使用愛爾蘭分布模擬，會(huì)話的持續(xù)時(shí)間使用指數(shù)分布模擬.在給定SMR的前提下，統(tǒng)計(jì)MN在一個(gè)會(huì)話內(nèi)穿越MAR區(qū)域N(N=1，2，…)次的概率.統(tǒng)計(jì)時(shí)，若SMR較小，即MN移動(dòng)頻繁，則只統(tǒng)計(jì)MN完成第100 000次移動(dòng)時(shí)實(shí)際產(chǎn)生的會(huì)話個(gè)數(shù)；若SMR較大，即會(huì)話到達(dá)頻繁，則只統(tǒng)計(jì)第100 000次會(huì)話到達(dá)時(shí)，MN的實(shí)際移動(dòng)次數(shù).在此基礎(chǔ)上，對比2種方案的性能.仿真的平均結(jié)果如圖6所示，可以看出SMR、θ1和θ2對η的影響與圖5中數(shù)值分析結(jié)果的趨勢相同，即仿真結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值分析結(jié)果的正確性.

(a)給定θ1和θ2時(shí)SMR對η的影響

(b)給定SMR和θ2時(shí)θ1對η的影響

(c)給定SMR和θ1時(shí)θ2對η的影響圖6 仿真驗(yàn)證各參數(shù)對η的影響圖Fig.6 The influence of each parameter on η in simulation experiment

3 結(jié) 論

在會(huì)話持續(xù)時(shí)間內(nèi)MN經(jīng)歷多次切換時(shí)，已有的分布式移動(dòng)性管理方案仍然存在切換時(shí)延長和路由欠優(yōu)的問題.本文設(shè)計(jì)的應(yīng)用雙層指針的分布式移動(dòng)性管理方案，采用定期向LMA(K1達(dá)到閾值時(shí))和CN(K2達(dá)到閾值時(shí))注冊的方式優(yōu)化路由和動(dòng)態(tài)更換錨點(diǎn);利用兩類指針分別解決了時(shí)延和路由問題.數(shù)值分析和仿真結(jié)果均表明，在MN移動(dòng)頻繁或向LMA注冊代價(jià)較大或向CN注冊代價(jià)較小時(shí)，本方案可以獲得較短的切換時(shí)延，且隨著K1×K2值的增大，本方案在切換時(shí)延方面的優(yōu)勢愈加明顯.

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Handoff delay reducing and routing optimizing scheme by two-level pointers for distributed mobility management.

ZHU Deqing1, PAN Genmei2

(1.EducationTechnologyCenter,HangzhouNormalUniversity,Hangzhou310036,China; 2.CollegeofMathematicsPhysicsandInformationEngineering,JiaxingUniversity,Jiaxing314001,ZhejiangProvince，China)

According to the location of the anchor, the mobility IP (MIP) protocols can be divided into the fixed anchor mobility management protocols and the distributed mobility management (DMM). The DMM can reduce handoff delay and acquire near-optimal routing by letting mobile node (MN) choose a nearby access router as its anchor. However, the anchor is chosen at the beginning of a session and fixed during the MN’s movement, which may lead to large handoff delay and sub-optimal routing problems when a MN undergoes many handoffs in a given session. In this case, the handoff process is the same with that of the fixed anchor mobility management protocols. To address this problem, a scheme using two-level pointers is proposed. The lower pointer reduces handoff delay by constructing a pointer chain between mobility capable access router (MAR), and the higher pointer optimize routing by updating MN’s location to local mobility anchor (LMA) or correspondent node (CN). Thus, the anchor can be changed dynamically. Furthermore, the handoff delay under our scheme and the existing schemes are derived. Numerical analysis and simulation indicate that our scheme can reduce handoff delay of DMM.

mobility management; distributed anchoring; pointer forwarding; mobile IP

2016-10-12.

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY16F020031)；杭州師范大學(xué)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(2017QDL008)；浙江省教育廳科研資助項(xiàng)目(Y201328875).

朱德慶(1979-)，ORCID:http://orcid.org/0000-0002-8130-0595，男，博士,實(shí)驗(yàn)師，主要從事移動(dòng)IP及無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與性能分析等研究，E-mail：dqzhu@hznu.edu.cn.

10.3785/j.issn.1008-9497.2017.04.006

TN 92

A

1008-9497(2017)04-417-07

Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2017,44(4):417-423