基于快速切换的代理移动IPv6路由优化方案

基于快速切换的代理移动IPv6路由优化方案
张一芳;张奇支
【摘要】针对代理移动IPv6移动节点(MN)切换后重建优化路径时延较长问题,提出一种基于快速切换的路由优化方案.新方案通过在MN快速切换过程中由旧移动接入网关提前发起路由优化,实现了优化路径的快速重建.性能分析表明,新域内路由优化方案比局部移动锚点发起的路由优化方案减少了21.7％的路由优化平均费用和45.4％的路由优化状态建立时延；新域间路由优化方案比现有域间切换及路由优化方案减少了72.2％的路由优化状态建立时延.%Concerning the long recovery time to re-establish the optimized path after mobile node's handover, this paper proposed a fast handover based route optimization approach in proxy mobile IPv6. The new approach, which was initiated by previous mobile access gateway in advance in mobile node's fast handover procedure, achieved fast recovery of optimized path. Performance analysis shows that the new intra-domain route optimization method can reduce average route optimization cost by 21.7% and the setup time of route optimization state by 45.4%, compared with the local mobility anchor initiated route optimization protocol. In addition, the new inter-domain route optimization method can decrease the setup time of route optimization state by 72.2% in comparison with the existing inter-domain handover and route optimization approach.
【期刊名称】《计算机应用》
【年(卷),期】2012(032)002
【总页数】5页(P335-339)
【关键词】代理移动IPv6;快速切换;路由优化;流体移动模型
【作者】张一芳;张奇支
【作者单位】华南师范大学计算机学院,广州510631;华南师范大学计算机学院,广
州510631
【正文语种】中文
【中图分类】TP393.03
0 引言
代理移动 IPv6［1］(Proxy Mobile IPv6，PMIPv6)是 Internet工程任务组(Internet Engineering Task Force，IETF)提出的基于网络的局部移动性管理方案。

PMIPv6与移动IPv6(Mobile IPv6，MIPv6)方案相比，不需要移动节点(Mobile Node，MN)参与移动性管理，降低了移动节点协议软件复杂度。

PMIPv6主要功能实体有局部移动锚点(Local Mobility Anchor，LMA)和移动接入网关(Mobile Access Gateway，MAG)。

LMA相当于MN在PMIPv6域内的家乡代理，是
MN家乡前缀的拓扑锚点。

MAG负责检测MN的接入和离开，代表MN初始化
移动性管理相关的信令，以及通告MN的家乡前缀。

在PMIPv6协议中，不管MN和通信节点(Correspondent Node，CN)所在位置如何，MN发给CN的数据包都要由LMA转发，同时由LMA接收CN发给MN
的数据包。

这种集中式路由容易导致LMA成为瓶颈节点。

此外，当MN和CN均处在MAG访问链路且MAG之间存在直接通路时就会产生三角路由问题。

因此，PMIPv6方案有必要采取策略支持路由优化。

文献［2］中提出一种由LMA发起
的路由优化方案。

当MN与CN通信，LMA发现MN与CN所在的MAG访问链路之间存在直接通路时，它和MAG进行路由优化控制信息交互以建立MN与CN 之间的优化路径。

文献［3］中提出由MAG发起的路由优化，因为MN不参与移动性管理而MAG可以感知MN移动造成的拓扑结构变化并能迅速完成路由优化。

优化路径建成后，MN与CN通过优化路径通信。

当MN离开旧移动接入网关(Previous Mobile Access Gateway，PMAG)进入新移动接入网关(New Mobile Access Gateway，NMAG)范围内，CN不知道MN
已经移动，仍将数据包发送到PMAG处，PMAG如果没有缓存这些数据包并转发给NMAG，MN将接收不到这些数据包。

NMAG代表MN与LMA完成绑定更新后，LMA或者MAG可以重新发起路由优化，建立MN和CN之间新的优化路径。

MN与CN之间的通信从旧的优化路径过渡到新的优化路径过程中，容易出现乱
序问题［4-5］。

因为NMAG与LMA进行绑定更新后还未与CN所在的通信节
点移动接入网关(Correspondent Mobile Access Gateway，CMAG)建立优化路径，MN发送给CN数据包须经过LMA这条非优化路径;等到新的优化路径建成，MN发给CN数据包经过优化路径。

如果优化路径上后发送的数据包比非优化路
径上先发送的数据包先到达目的地，就会出现乱序。

1 现有路由优化方案
1.1 路由优化场景
MN和CN分别在PMIPv6域内的PMAG和CMAG接入，PMAG与CMAG已
经建立好优化路径。

MN从PMAG移动到NMAG后，NMAG与CMAG重新建
立一条优化路径。

由于PMAG和NMAG属于同一个LMA，此时MN的切换属
于域内(intra-domain)切换。

如图1所示。

图1 MN域内切换
1.2 相关研究
针对上面的路由优化场景，文献［6］中提出MN切换后由LMA发起的路由优化方案，这种方案避免了乱序，使得MN与CN之间的通信能从旧的优化路径平滑
过渡到新的优化路径。

主要思路是在LMA处保存两个缓存：本地绑定缓存(Local Binding Cache Entry，LBE)和通信节点绑定缓存(Correspondent Binding Cache Entry，CBE)。

LBE记录MN所在MAG的IP地址，而CBE记录CN所在MAG的IP地址。

一对LBE
和CBE的对应，表明MN和CN之间一条优化路径。

当MN接入 NMAG，NMAG与LMA完成绑定更新后，LMA查找LBE和CBE，发现MN与CN通信经过PMAG和CMAG这条隧道，MN在PMAG，现在MN 已经移动到NMAG，于是LMA更新LBE和CBE的对应关系。

之后LMA发送通
信节点绑定更新(Correspondent Binding Update，CBU)消息告诉NMAG，当
前和 MN通信的 CN在 CMAG，请求 NMAG与CMAG建立隧道;同时，LMA发送CBU消息告诉CMAG，现在MN已经接入NMAG，请求CMAG与NMAG建立隧道;此外，LMA发送CBU消息告诉PMAG，MN移动到了NMAG。

PMAG，NMAG和CMAG进行路由更新后分别回复通信节点绑定确认(Correspondent Binding Acknowledgement，CBA)消息给LMA。

PMAG处缓存MN切换中
CN发送给MN的数据包，之后将这些数据包发给NMAG，NMAG转发给MN。

当CMAG与NMAG之间隧道建成，MN与CN可以立刻通过优化路径通信。

具
体流程如图2所示。

图2 LMA发起的路由优化方案
2 基于快速切换的路由优化方案
2.1 基于快速切换的域内路由优化方案
1.2 节中给出了MN切换后重新建立优化路径的方案。

MN与CN要等待绑定更
新完成、路由优化控制信息交互完成和隧道建立后才能直接通信，时延较长。

本节在此基础上，提出由最先感知节点离开的PMAG发起域内路由优化和快速切换［7］相结合的方案。

主要思路是MN在进入切换过程后，PMAG提前请求NMAG和CMAG建立直接通路。

当MN接入NMAG后，立即启用这条新的优化路径和CN通信。

MAG处记录节点的路由优化状态，若路由优化状态可用，则MN与CN通信采用优化路径;若路由优化状态不可用则MAG根据基本PMIPv6中定义的绑定缓存列表(Binding Update List Entry，BULE)转发。

MAG处路由优化状态记录移动节点标志符(MN Identifier，MN ID)、家乡网络前缀、目的地址和下一跳等信息。

这个表的优先级高于BULE列表。

具体步骤如下，流程如图3所示。

图3 基于快速切换的域内路由优化方案
步骤1 MN根据收到的信号强弱感知即将切换到新的接入点，于是通过二层机制将新接入点的标志符(New Access Point Identifier，N-AP ID)告知当前所接入的PMAG。

步骤2 PMAG根据收到的N-AP ID信息判断出MN即将进入 NMAG范围内，于是向 NMAG发送切换初始化(Handover Initiate，HI)消息。

在HI消息中包括MN ID、MN的家乡网络前缀以及MN所在的LMA的IP地址。

步骤3 NMAG向PMAG回复切换确认(Handover Acknowledge，HAck)消息。

步骤4 NMAG和PMAG进行一次HI/HAck交互，请求PMAG给NMAG发送数据。

步骤5 PMAG把发给MN的数据包传送给NMAG，NMAG缓存这些数据。

步骤6 PMAG向NMAG发送预通信节点绑定更新(Predicative Correspondent Binding Update，PCBU)消息，请求NMAG和CMAG建立隧道。

在PCBU消息中包括CMAG的IP地址，CN所在的LMA的IP地址、MN ID和CN ID。

步骤7 NMAG收到PCBU消息后，同意和CMAG建立隧道，向 PMAG回复预通
信节点绑定确认(Predictive Correspondent Binding Acknowledgment，PCBA)消息。

步骤8 PMAG收到NMAG的确认后，发送PCBU消息给CMAG，请求CMAG
和NMAG建立隧道，并且告知CMAG，NMAG已经同意和CMAG建立隧道。

在PCBU消息中包括NMAG的IP地址，MN所在的LMA的IP地址、MN ID和CN ID。

步骤9 CMAG同意和NMAG建立隧道后回复PCBA消息给PMAG，CMAG和NMAG建立隧道中。

步骤10MN接入NMAG。

步骤11 NMAG发送通信节点绑定更新(Correspondent Binding Update，CBU)消息给CMAG请求CMAG更新路由优化状态。

步骤12 在MN与NMAG之间三层连接建立后，NMAG将缓存的数据包发给MN。

步骤13 CMAG更新路由优化状态并回复通信节点绑定确认(CorrespondentBinding Acknowledgement，CBA)消息。

NMAG收到确认消
息后更新路由优化状态。

步骤14 NMAG和CMAG之间的优化路径启用。

MN和CN通过这条优化路径进行通信。

步骤15 NMAG向LMA发送代理绑定更新(Proxy Binding Update，PBU)消息。

步骤16 LMA回复代理绑定确认(Proxy Binding Acknowledgement，PBA)消息。

2.2 基于快速切换的域间路由优化方案
2.1 节中给出了MN域内切换时由PMAG发起的路由优化和快速切换相结合的方案。

若MN从LMA1域进入LMA2域，此时PMAG和NMAG分别属于不同LMA域，MN发生域间(inter-domain)切换，如图4所示。

图4 MN域间切换
针对域间切换，文献［8］中提出一种前缀绑定方案。

当MN即将超出LMA1域时，LMA1发送包含MN家乡网络前缀的PBU消息给LMA2，LMA2通过NMAG广播给MN，使得MN收到同样的家乡网络前缀，仍认为自己在家乡网络。

但是，该方案没有结合快速切换，造成MN的切换时延较大。

针对MN域间切换后的路由优化问题，文献［9］中提出：MN移动到LMA2域，NMAG向LMA2发送PBU消息的同时发送路由优化请求(Route Optimization Request，ROR)，LMA2将ROR发送给 LMA1，LMA1将 ROR直接转发给CMAG，CMAG收到后与NMAG进行消息交互建立优化路径。

该方案只考虑了MN域间切换后与CN建立优化路径，没有考虑MN与CN通信过程中，MN发
生域间切换，MN与CN之间优化路径的快速恢复。

本节在此基础上，提出由PMAG发起的域间路由优化和快速切换的结合方案。

主要思路是由PMAG通过二层机制判断出MN即将超出LMA1域进入NMAG所在的LMA2域，于是向LMA1报告，LMA1发送包含MN家乡网络前缀的PBU消
息给LMA2，结合快速切换，LMA2再向NMAG发送HI消息，其中包括MN ID、MN的家乡网络前缀等，NMAG同意后通告MN的前缀并缓存MN快速切换过
程中的数据。

之后，PMAG请求NMAG和CMAG建立优化路径。

具体流程如图5。

图5 基于快速切换的域间路由优化方案
3 性能分析
本节将基于快速切换的域内路由优化方案与LMA发起的路由优化方案进行比较;基于快速切换的域间路由优化方案与文献［8-9］作者提出的域间切换及路由优化方案进行比较。

3.1 域内路由优化平均费用
与移动通信网类似，本文采用六边形蜂窝网络模型来描述PMIPv6的架构［10］，每个PMIPv6域内包括相同数目的单元。

一个六边形单元相当于一个MAG的覆
盖范围。

本文标记最中心的单元为第0层，依次向外递增。

第r(r＞0)层上的单元
个数为6r(r=1，2，…)。

假设PMIPv6域共有R层，包含的总单元个数为
单元周长为L，单元面积Ac为
整个PMIPv6域面积为
在PMIPv6中，移动节点的特征可以采用流体移动(fluidflow)模型来描述［11］。

在这个模型中，MN的移动方向均匀分布在(0，2π)，MN的平均移动速度是 v，MN的密度是ρ;Rc表示单元穿越率，Rd表示整个PMIPv6域穿越率，L(R)表示
整个PMIPv6域的周长，L为MAG覆盖范围周长。

Rc和Rd表达式如下所示：
其中L(R)=(2R+1)L。

为了方便分析，定义以下参数：
CLM表示LMA与MAG之间的平均传输费用;
CMM表示MAG与MAG之间的平均传输费用;
PPMAG表示PMAG处更新绑定缓存及路由优化状态平均处理费用;
PNMAG表示NMAG处更新绑定缓存及路由优化状态平均处理费用;
PCMAG表示CMAG处更新绑定缓存及路由优化状态平均处理费用;
P表示LMA发起的路由优化方案中LMA处更新绑定缓存、查找LBE和CBE对应表、发送CBU消息平均处理费用;
P表示基于快速切换的域内路由优化方案中LMA处更新绑定缓存平均处理费用。

根据图2，由LMA发起的路由优化方案费用如式(6)所示：
根据图2，当LMA完成绑定更新要向 PMAG、NMAG和CMAG发送3次CBU
消息，LMA处计为1次平均处理费用，因此LMA处平均处理费用较大。

相对于LMA，MAG只需要更新绑定缓存及路由优化状态而不需要查表检索，因此平均处理费用较小。

发送消息和接收消息都要计算平均处理费用，若是收到消息后触发回复消息则计为一次平均处理费用。

比如，PMAG收到CBU消息后引起触发回复CBA消息给LMA，则PMAG处计为1次平均处理费用。

根据图3，计算方法同上，基于快速切换的域内路由优化方案费用如式(7)所示：
这两种方案中MN移动造成的路由优化平均费用［11］如式(8)和(9)所示：1～
20(单位：m/s)，L=120(单位：m)。

MN移动速度对域内路由优化平均费用的影响如图6所示。

其中R=3，N(R)=37，随着MN移动速度的增加，基于快速切换的域内路由优化方案与LMA发起的路由优化方案相比，路由优化平均费用减少了21.7%。

其中N(R)×Rc-Rd表示MN移动穿越MAG覆盖范围而没有穿越LMA覆盖范围
的总穿越率。

在计算实体之间的传输费用时，主要根据实体之间经历的路由跳数作为主要参考依据。

一跳的传输费用用u表示。

沿用文献［9，11］中的一些设定值，各参数的假设值如下：
图6 MN平均移动速度对域内路由优化平均费用的影响
3.2 域内路由优化状态建立时延
本文定义MAG处路由优化状态建立时延为从MN接入NMAG后到NMAG和
CMAG更新路由优化状态时延。

那么由LMA发起的路由优化方案中CMAG处路由优化状态建立时延如式(10)所示。

NMAG处路由优化状态建立时延同CMAG。

定义TL2为二层链路接入时间，TLM为LMA与MAG之间传输时延，TBC为在LMA或MAG处查找更新绑定缓存和更新路由优化状态时延。

由于 LMA向PMAG、NMAG和CMAG同时发送CBU消息，并收到CBA消息，所以认为是2 ×TLM。

基于快速切换的域内路由优化方案中CMAG处路由优化状态建立时延如式(11)所示，定义TMM为MAG之间传输时延：
TLM对域内路由优化状态建立时延的影响如图7所示。

沿用文献［9，11］中设定值，LMA与MAG之间为16跳，MAG之间为4跳，那么可以近似认为
TLM=4TMM。

可以看出随着TLM的增加，基于快速切换的域内路由优化方案与LMA发起的路由优化方案相比，路由优化状态建立时延减少了45.4%。

图7 TLM对域内路由优化状态建立时延的影响
3.3 域间路由优化平均费用
参数定义同3.1节，另外定义以下参数：
CLL表示LMA与LMA之间的平均传输费用;
PLMA1/LMA2表示LMA1/LMA2处更新绑定缓存平均处理费用。

文献［8-9］作者提出的域间切换及路由优化方案费用如式(12)所示：
基于快速切换的域间路由优化方案费用如式(13)所示：
这两种方案中MN移动造成的路由优化平均费用如式(14)和(15)所示：
其中Rd表明MN移动穿越LMA覆盖范围的总穿越率。

沿用文献［9，11］中的一些设定值，各参数的假设值如下(其余参数同3.1 节)：CLL=20u，PLMA1=14u，PLMA2=14u。

MN移动速度对域间路由优化平均费用的影响如图8所示，随MN速度的增大，
基于快速切换的域间路由优化方案比文献［8-9］提出的域间切换及路由优化方案增加了7.2%的费用。

图8 MN平均移动速度对域间路由优化平均费用的影响
3.4 域间路由优化状态建立时延
同3.2节，文献［8-9］提出的域间切换及路由优化方案中CMAG处路由优化状
态建立时延如式(16)所示，定义TLL为LMA之间传输时延：
基于快速切换的域间路由优化方案中CMAG处路由优化状态建立时延如式(17)所示：
如图9所示，基于快速切换的域间路由优化方案与域间切换及路由优化方案相比
减少了72.2%的时延。

虽然基于快速切换的域间路由优化方案路由优化平均费用
较域间切换及路由优化方案高7.2%，但是实现了MN域间切换后优化路径的快速重建。

图9 TLM对域间路由优化状态建立时延的影响
4 结语
本文提出基于快速切换的PMIPv6路由优化方案，在MN快速切换过程中提前建
立NMAG与CMAG之间优化路径，减少了MN切换时延和MN切换后与CN重建优化路径时延。

不足之处是PMAG要判断MN是否需要路由优化，须提前进行
快速切换和路由优化状态的判断并发起路由优化。

参考文献：
［1］GUNDAVELLI S，LEUNG K，DEVARAPALLI V，et al.IETF RFC 5213，Proxy mobile IPv6 ［S］.IETF， 2008.
［2］ABEILLE J，LIEBSCH M，MELIA T.Mobility anchor controlled route optimization for network based mobility management［C］
//GLOBECOM'07：IEEE Global Telecommunications Conference.Piscataway：IEEE，2007：1802-1807.
［3］SONG J， KIM H， HAN S.Route optimization in PMIPv6 environment ［C］//CIT'09：IEEE Ninth International Conference on Computer and Information Technology.Washington，DC：IEEE Computer Society，2009，2：341-346.
［4］WONG Y-C，WANG T-P，LIN Y-B.Effects of route optimization on
out-of-order packet delivery in mobile IP networks ［J］.Information Sciences，2005，169(3/4)：263-278.
［5］LEE J-H，LIM H-J，CHUNG T-M.Preventing out-of-sequence packets on the route optimization procedure in proxy mobile IPv6 ［C］//AINA 2008：22nd International Conference on Advanced Information Networking and Applications.Washington， DC：IEEE Computer Society，2008：950-954.
［6］CHOI J S， JUNG B G， KIM T.LMA initiated route optimization protocol for improving PMIP handover performance ［J］.IEEE Communications Letters，2009，13(11)：871-873.
［7］YOKOTA H，CHOWDHURY K，KOODLI R，et al.IETF RFC 5949，Fast
handovers for Proxy Mobile IPv6 ［S］.IETF， 2010.
［8］任三阳，柴蓉，唐伦，等.基于PMIPv6的域间切换管理方法及性能分析［J］.计算机应用研究，2010，27(3)：1118-1121
［9］李占波，王利明，王薛苑.基于ROE的轻型PMIPv6路由优化策略［J］.计算机工程，2011，36(22)：108-110.
［10］AKYILDIZ I F，WANG W.A dynamic location management scheme for next-generation multitier PCS systems ［J］.IEEE Transactions on Wireless Communication，2002，1(1)：178-189.
［11］PACK S， CHOI Y.A study on performance of hierarchical mobile IPv6 in IP-based cellular networks ［J］.IEICE Transactions on Communications，2004， E87-B(3)：462-469.。