何志林，王春紅，李向麗

(1.運城學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，山西 運城 044000；2.鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

移動IPv6也稱為MIPv6[1]，作為用于將來IP網(wǎng)絡(luò)中實施管理的一項高效手段，這種技術(shù)手段能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)無線接入，從而實現(xiàn)移動主機可以通過不同的網(wǎng)絡(luò)互相建立聯(lián)系。不過這種技術(shù)所采用的協(xié)議仍然有一定的問題，比如在MN的移動速度過高的情況下，HA與CN之間的信息交流比較大，在長距離的時候可能會出現(xiàn)滯后以及數(shù)據(jù)丟包的弊端。針對這一問題，目前也采取了一定的措施，如MIPv6采用高速的切換[2]或者是采用多個層次HIPv6[3]等。

HMIPv6主要是采用了一種“域”的思想，這種不同的“域”中都會設(shè)定一個移動錨點(MAP)作為其中的一個新的實體，其相當(dāng)于一個區(qū)域內(nèi)的本地代理，主要用途在于將其中的位子變化的過程進(jìn)行本體化的操作。通過這種手段能夠有效降低信號的傳輸以及信息的切換遲滯，最終減少節(jié)點在移動過程中產(chǎn)生的對域外網(wǎng)絡(luò)的干擾情況。MAP的選擇對MN的通信性能影響極大，如果選擇不當(dāng)將會造成MAP負(fù)載過重、通信延時增加及丟包率過高等問題。但是，HMIPv6中默認(rèn)采用的最遠(yuǎn)MAP選擇算法，即選取距離MN跳數(shù)最多的MAP進(jìn)行注冊，導(dǎo)致高層MAP負(fù)載過重，低層MAP利用率低，使得網(wǎng)絡(luò)資源利用不合理。尤其是發(fā)生宏切換時，由于距離過遠(yuǎn)會增加通信開銷、切換時延及丟包率。

文中主要是在原有的基礎(chǔ)上對MN的運動軌跡進(jìn)行分析，然后實施判定。結(jié)合MN移動特征在時間和空間上的相關(guān)性、連貫性及可預(yù)判性，通過對MN運動軌跡進(jìn)行預(yù)測，提出一種新的基于MN移動軌跡預(yù)測的MAP選擇算法(TP-MAP)。通過實驗表明，TP-MAP算法具有較好的負(fù)載分擔(dān)性能，能夠提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，減少切換時延和丟包率。

1 相關(guān)研究

MAP選擇算法是當(dāng)前國內(nèi)外都非常關(guān)注的熱點。目前這種算法大致可分為以下三類：

1.1 基于距離矢量

距離矢量是指MN與MAP之間的路由跳數(shù)。最常見的是最大距離矢量MAP選擇算法。MN通過路由器通告消息(router advertisements，RA)獲取MAP和距離矢量信息，接下來挑選其中距離矢量值最高的一個MAP量進(jìn)行注冊。該方法能夠降低MN移動時的宏切換頻率，但會使高層MAP負(fù)載過大而形成通信瓶頸。

1.2 基于移動速度

這種手段主要是利用了MN中的移動速度來進(jìn)行判定。但是在實際的操作中，速度并不能很好地進(jìn)行判定，這種速度是一種抽象的概念。在MAP中對數(shù)據(jù)點的選取上，針對不同的層次，對其中的不同速度范圍分別對應(yīng)了不同的MN請求。通常層次高，處理就快。該算法能很好地解決負(fù)載分擔(dān)問題。文獻(xiàn)[4]提出的MAP選取算法就是典型的基于移動速度的MAP選取算法。

1.3 基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這類算法主要是利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆椒▉韺崿F(xiàn)所需的目的，其實施的操作流程為：第一步，及時地提取每個MN中所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)；第二步針對上一步提取的信息進(jìn)行處理與整合，然后選取適當(dāng)?shù)男畔?。在文獻(xiàn)[5-6]中采取的選取算法就是采用了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴ā?/p>

2 改進(jìn)方案

文中結(jié)合現(xiàn)有的算法進(jìn)行分析并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新型選取算法。該算法也是建立在MN移動估計預(yù)測基礎(chǔ)上的。

2.1 基本思想

改進(jìn)算法結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞乃枷耄簿C合考慮到MN在運動過程中表現(xiàn)出來的性能以及對應(yīng)的速度對算法產(chǎn)生的干擾。其中心思想圍繞了MN移動呈現(xiàn)出來的特性在空間以及時間上對應(yīng)的關(guān)聯(lián)性，選取特定時間對這一特性進(jìn)行分析。

具體的實施流程為：

第一步對測量到的軌跡進(jìn)行分類整理；第二步對其中的運動速度進(jìn)行測定，這種測定方法主要是給定一個時間T，然后看軌跡；最后一步是結(jié)合前面測量的軌跡，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诮Y(jié)構(gòu)上達(dá)到要求的情況下挑選出新的MAP。其中速度都是通過特定時間里經(jīng)過的AR的個數(shù)來側(cè)面表示的。

選取合適的時間間隔T，能夠選取合適的MAP，從而降低分析的負(fù)擔(dān)，提高效率，減少切換時間并在一定程度上降低丟包率。

2.2 AR和MN功能擴展

為了實現(xiàn)該算法，需要對現(xiàn)有接入路由器(access router，AR)和MN功能進(jìn)行如下擴展。

(1)根據(jù)要求制定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒈怼?/p>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒈碛涗浟苏麄€網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲蠱AP的層次關(guān)系以及每個MAP域內(nèi)下屬的所有MAP和AR。該表可通過文獻(xiàn)[5]提供的方法獲取，圖1中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒈砣鐖D2所示。

(2)引入MN移動軌跡記錄文檔。

MN移動軌跡記錄文檔記錄了MN在原MAP域移動過程中所經(jīng)過的AR、移動時間t及在前一個MAP域內(nèi)的移動速度Vm-1。

(3)引入AR距離間隔表。

AR距離間隔是指兩個AR之間相隔的最少AR數(shù)目，每個AR中設(shè)置一份AR距離間隔表，記錄其他AR與該AR的距離間隔d。AR距離間隔表可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)手工加入，也可以通過文獻(xiàn)[7]中信息學(xué)習(xí)的方法獲取。為了防止該表過大，需設(shè)置一個最大距離間隔D。

(4)引入MAP調(diào)整計時器。

該計時器所對應(yīng)的時間間隔為T，在每一個間隔中，利用MN對其運動的軌跡進(jìn)行分析與處理，并預(yù)測下一個間隔T的新移動軌跡，選取新的MAP。如果在間隔T內(nèi)發(fā)生宏切換，將T歸零并做軌跡預(yù)測。

圖1 HMIPv6拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒈?/p>

2.3 MN移動軌跡類型歸納

文中將MN移動軌跡分為以下三類[8]：

(1)類直線運動。MN的移動軌跡中不會出現(xiàn)重復(fù)的AR記錄。如圖1，若MN的移動軌跡為{AR1，AR2，AR3，AR5，AR6}，則MN做類直線運動。

(2)局部運動。MN在一定范圍內(nèi)運動，移動軌跡中會出現(xiàn)多次同樣的AR記錄，稱為局部運動，這種情況如軌跡滿足{AR1，AR2，AR3，AR4，RA3，AR1}。

(3)其他類運動。不符合類直線運行或局部運動的軌跡運動。

2.4 軌跡預(yù)測

預(yù)測方法為：首先結(jié)合AR的距離間隔表還有對應(yīng)的MN的軌跡來進(jìn)行分析，推導(dǎo)獲取MN處于最初的MAP域里面的首個AR以及NAR之間的間隔d；接著設(shè)定MN在初始的MAP域中停滯的時長為t(0≤t≤T)，則MN在該MAP域內(nèi)的速度為：

在對測量速度精準(zhǔn)性提出要求時，可以根據(jù)需求將分析對象前一步的速度Vm-1作為參考，因此引入?yún)?shù)α(0≤α≤1)，令MN第m次宏切換時的移動速度為：

Vm=αVq+(1-α)Vm-1，0≤α≤1

如果MN按照速度Vm移動，可得出在上述時間間隔T內(nèi)MN移動的最大距離矢量為P=T·Vm。

然后根據(jù)NAR中的距離間隔表找出距離間隔d小于等于P的AR集合C。

最后確定預(yù)測軌跡需結(jié)合MN移動類型的不同選用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行。如設(shè)定對應(yīng)的Cpmn作為MN在初始MAP域中所有的軌跡所對應(yīng)的AR集合，同時設(shè)定Cnmn為與之對應(yīng)的預(yù)測的集合。

當(dāng)滿足MN運動類型為類直線型時，對應(yīng)的MN不會出現(xiàn)在原始的Cpmn中，這種情況為了避免出現(xiàn)過多的數(shù)據(jù)，則需要對前期信息進(jìn)行消除,即Cnmn=C-Cpmn。

當(dāng)滿足MN運動類型為局部運動時，這種情況則需要分類考慮，具體操作為：

(1)在時間間隔T歸零前產(chǎn)生的宏移動。

這種情況其軌跡有一定幾率與之前出現(xiàn)過的重疊，為了避免對應(yīng)的區(qū)域太小影響判定，需要在新的集合加入原有的，即：

Cnmn=C∪Cpmn

(2)在時間間隔歸零前未產(chǎn)生的宏移動。

對于這種情況，說明所對應(yīng)的管理域過大，這種情況則需要挑選出其中比較小的域進(jìn)行注冊，即：

Cnmn=Cpmn

選用上述的合適方法進(jìn)行處理，后續(xù)通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步挑選出滿足要求的MAP來實施相應(yīng)的注冊。

2.5 算法分析

若MN當(dāng)前沒有注冊MAP，則選擇距其最近的MAP注冊，若有則按如下方法選擇。

當(dāng)MN為類直線或局部運動時，采用如下公式進(jìn)行MAP調(diào)整。

其中，N(MAPx∩Cnmn)為所對應(yīng)的距離矢量，該量表示x所對應(yīng)的移動錨點管理域中MAPx所對應(yīng)的所有的AR整體和MN所預(yù)測的所有軌跡中包含的AR的數(shù)量；NCnmn表示MN中移動軌跡里面所對應(yīng)的AR的數(shù)量；PMAPx表示MAP中針對MN軌跡預(yù)測所對應(yīng)的所有的AR數(shù)量。

如果滿足P=1，則表示該域可以涵蓋所有MN的軌跡；

如果P<1，則表示該域無法涵蓋所有MN的軌跡；

在實際情況中始終有條件滿足P=1，這個需要充分地尋找對應(yīng)的區(qū)域，找到對應(yīng)x最小的情況，然后尋找對應(yīng)的MAP進(jìn)行注冊。最后將T歸零處理，并刪除原有的記錄表，但是要保留對應(yīng)的Vm，接下來重新開始登記對應(yīng)的MAP。

當(dāng)重新登記的軌跡不是原始軌跡，則不需要調(diào)整，只需要清理對應(yīng)的記錄表，然后重新開始統(tǒng)計即可。

3 仿真實驗及結(jié)果分析

3.1 仿真模型

實驗使用NS2作為仿真平臺，對最大距離矢量(F-MAP)和基于軌跡預(yù)測MAP選擇方案(PT-MAP)進(jìn)行模擬[9]，仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)置了1個一層MAP，2個二層MAP，每個二層MAP下又包含了2個三層MAP，MAP最大負(fù)載為20。設(shè)定每一層只有三個AR，并且覆蓋直徑為一百米。對應(yīng)的區(qū)間全面覆蓋。每個仿真區(qū)域選取二十個MN，速度設(shè)定為每秒十厘米到二十厘米。這二十種運動形式設(shè)定為六個直線，十個局部，剩下的隨機[10]。其中統(tǒng)一所有的MN是同種類型的調(diào)整計時器，其中時間間隔為一百五十秒，對應(yīng)的參數(shù)α取值0.5。其中CN和對應(yīng)的UDP連接在一起，MN則和null接收器連接在一起[11]。仿真開始后，CN從第5 s開始向MN發(fā)送UDP數(shù)據(jù)，一直到整個實驗結(jié)束，總的模擬時間是300 s。

3.2 仿真結(jié)果及性能分析

主要圍繞著F-MAP、PT-MAP進(jìn)行對比分析，通過以下三個方向進(jìn)行[12]。

(1)負(fù)載分擔(dān)。

負(fù)載主要是針對特定時間中MAP所包含的MN總的個數(shù)，統(tǒng)計頻率為25 s。具體可以參照圖3。通過該圖不難看出各層負(fù)載不存在分擔(dān)的情況，在第一層滿了才會往下一層分?jǐn)?，這種情況會讓資源得不到充分利用，采用負(fù)載分擔(dān)以后，每層都可以參與信息的處理，從而達(dá)到資源的高效利用。

(2)切換時延。

圖4展示的就是兩種不同的切換時延的類型。切換時延為切換前接收到最后一個分組的時間與切換后接收到第一個分組的時間的間隔。每25 s統(tǒng)計一次。不難發(fā)現(xiàn)，PT-MAP方案切換時延整體小于F-MAP方案的切換時延。由于在PT-MAP方案中MN向其最近的MAP注冊，所以前70 s內(nèi)PT-MAP方案切換時延大于F-MAP，在一開始時會導(dǎo)致宏切換較為頻繁，造成時延過大；隨著實驗的進(jìn)行，由于MN在MAP選擇處于穩(wěn)定后，PT-MAP方案切換時延逐漸小于F-MAP方案，域間切換是造成切換時延的主要因素，PT-MAP方案中部分MN向距其較近的MAP進(jìn)行注冊，平均時延較小[13]。

圖4 不同時刻平均切換時延

(3)丟包率。

丟包率是指在某時刻CN發(fā)送的總數(shù)據(jù)包與MN接收到的數(shù)據(jù)包之差和發(fā)送總數(shù)據(jù)包的比值。圖5比較了兩種方案的丟包率，每25 s統(tǒng)計一次?？梢钥闯?，PT-MAP方案丟包率整體小于F-MAP方案丟包率。丟包主要是由于切換時會出現(xiàn)通訊中斷的情況，這個時候就會容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的丟失。采用PT-MAP這套方案，其中的平均時延比較小，因此丟包的情況也會比較少。

圖5 不同時刻丟包率

4 結(jié)束語

文中提出一種基于MN移動軌跡預(yù)測的MAP選擇算法，綜合考慮了MN的移動特征、移動速度以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素，為MN選擇最合適的MAP進(jìn)行注冊。仿真實驗表明，該算法提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率，實現(xiàn)了MAP負(fù)載分擔(dān)，降低了切換時延和丟包率，更好地滿足了實際應(yīng)用的需求[14]。

算法中關(guān)鍵是選擇調(diào)整計時時間T，如果T選取過小會導(dǎo)致MN注冊MAP管理域過小，從而增大宏切換頻率；T選取過大，導(dǎo)致注冊MAP管理域過大，底層MAP利用不充分，同時會增加通信時延[15]。因此，下一步需要對T的選擇進(jìn)行研究。