基于IPv6组播的M—FHMIPv6切换技术

摘要：由于快速分层切换技术FHMIPv6将FMIPv6和HMIPv6切换技术结合起来，因此，在层次移动管理模型中部署快速切换时具有两种技术所具有的优点，可使切换延时进一步减少。文中通过对FHMIPv6的研究发现，其切换过程中DAD重复地址检测过程严重影响了切换性能，因此提出了基于IPv6组播的M—FHMIPv6切换技术。理论分析证明，M-FHMIPv6能有效减少DAD检测过程和各种信息交互的延迟。通过NS2实验仿真进一步说明：改进的M—FHMIPv6方案能减少切换延迟，平滑切换过程。
关键词：组播；快速分层切换技术；切换延迟；平滑切换；地址检测

0 引言
    随着移动通信技术的高速发展，便携式移动设备得到了广泛应用。用户希望能在任何地方以更灵活的方式接入Internet，于是IETF提出了移动IPv6协议。但是，由于移动节点在不同子网间切换会导致长时间的切换时延，引起通信对端和移动节点之间的通信暂时中断，因此，如何减少切换延迟，保障语音、视频等实时应用，就成为移动IPv6研究的关键问题。
    本文通过对FHMIPv6切换技术的研究发现，切换过程中的DAD重复地址检测过程严重影响了切换性能，但DAD重复地址检测过程又是必需的。于是，在学习组播知识的基础上，本文提出了基于IPv6组播的M-FHMIPv6切换技术。该技术可使移动节点MN在进入到新的子网时，由于要检测到L2链路层触发信息而预知要进入新的网络，于是会立即切换至组播模式，并使通信对端CN成为组播源，同时将原接入路由器PAR和新接入路由器NAR加入组播组继续为MN传递数据包，直到整个切换工作完成。
    通过对切换性能的理论分析证明，M—FHMIPv6虽然在切换过程增加了组播组的构建过程，但能有效减少DAD检测的过程和各种信息交互的延迟。最后通过NS2实验仿真进一步说明了改进的M—FHMIPv6方案能减少切换延迟，平滑切换过程，达到预期的效果。

1 FHMIPv6切换技术
1．1 移动IPv6切换技术概述
    移动IPv6快速切换技术(Fast Handover for MobileIPv6，FMIPv6)是对移动IPv6标准切换的改进。它通过提前获得新网络的信息并提前注册等方法，来减少标准切换中的延迟。
    分层切换技术(Hierarchical Mobile IPV6 Management，HMIPv6)将网络分为不同的管理域，同时引入一个新的实体——移动锚点(MA P)。当MN在一个MAP域内移动时，MAP充当移动节点MN的家乡代理HA，MN不需要向HA或者CN发送绑定更新BU，CN只需根据MN的RCoA发送数据报。
    而快速层次移动技术FHMIPv6则将FMIPv6切换技术与分层切换技术HMIPv6结合在一起，在层次移动中实施快速切换，从而使整个切换延时进一步减少。
1．2 FHMIPv6切换技术的缺陷
    当MN移动到新的网络中时，会收到NAR的代理路由公告PrRtAdv。节点根据其子网地址和MN的接口自动配置得到NCoA。为了避免在同一链路中多个MN同时进行DAD可能造成的网络阻塞，通常都需要等待一段随机时间(0～1 000 ms)后才开始DAD。随后MN通过邻居请求消息向NAR请求执行重复地址检测DAD，NAR收到邻居请求消息后，对MN的NLCoA进行检测过程。如果在开始后的一段时间内未收到已占用此地址的主机发出的邻居公告，则DAD检测过程结束，MN可以使用该地址接入子网。如果检测不成功，则需要重新配置。
    从操作过程来看，切换过程必须进行重复地址检测DAD，但这会带来相当大的延时。进行一个切换所需要的时间大约为1500ms，其中为NCoA进行DAD检测就需要1050 ms，所以，整个过程中DAD检测所用的时间占了整个切换延迟的65％，因而严重影响了FHMIPv6的切换性能，不能满足实时通信的需要。

2 基于IPv6组播的M-FHMIPv6切换技术
2．1 IPv6组播技术中的MLD与PIM协议
    组播技术也称多播技术，是一种允许一台机器(称为组播源或者发送端)一次同时发送单一数据分组到多台主机(也称为接收端)的技术。在IPv4中，组播被分为主机到路由器和路由器到路由器之间两个部分，IPv6的组播也同样被划分为这两个范围。前者是多播侦听者发现协议(Multicast Listener Discovery，MLD)，而后者最基本的是协议无关组播协议(Protocol Independent Multicast，PIM)。
    MLD协议是路由器与其直接相连之间的协议，其主要功能就是知道在与其直接相连的主机中，有哪些主机希望加入或者离开一个组播组。MLD协议的作用是管理主机与路由器之间的关系，PIM协议则是管理路由器与路由器之间的关系。PIM不依赖于某一特定的单播路由协议，它可以利用各种单播路由协议建立的单播路由表力量来完成RPF检查功能，而无需收发组播路由更新，所以，跟其他组播协议相比，PIM的开销降低很多。PIM协议定义了密集模式PIM-DM(Dense Mode)和稀疏模式PIM-SM(Sparse Mode)两种模式。
2．2 改进的基于IPv6组播的M—FHMIPv6算法
    M—FHMIPv6的基本思想是当移动节点MN进入到新的子网时，由于检测到L2链路层触发信息，预知道要进入新的网络，于是立即切换至组播模式，同时发送一个快速绑定更新消息FBU给家乡节点CN，该消息中包含了MN的组播地址。CN收到后也立即切换至组播模式，并向RP注册成为组播源，同时发送相应的绑定确认消息FBA给MN。随后，原先接入的路由器OAR发送MLD消息给MN，并发送PIM报文新接入的路由器NAR，从而在PIM-SM协议的支撑下构建一个组播网，以使数据通过组播网成员OAR、NAR发给移动节点MN。此时，再进行传统FHMIPv6的DAD检测过程，当所有切换所需的操作全部完成后，MN、CN与AR之间再通过MLD和PIM消息解除组播网，数据报再通过FHMIPv6正常机制传送给MN。
    实验证明：50个成员通过MLD构建组播网的操作所用的时间小于300 ms，而在FHMIPv6切换过程中，只有MN、CN、OAR、NAR四个成员加入到组播网中。前面也论述过，传统的DAD检测需要至少1 000 ms，所以，构建组播网比DAD检测所用的时间要少得多。
    综上所述，本算法能很好地优化FHMIPv6过程中DAD检测所导致的切换延迟，保证切换过程中的数据能正常传输，从而保障实时应用的需求。
2．3 M—FHMIPv6切换过程中组播组的构建
    FHMIPv6微移动切换中组播组的构建包含消息的交互、成员加入和离开组播组以及数据的传送等过程。
    当移动节点检测到L2链路层的触发信息时，通过NAR的代理路由公告PrRtAdv可获得NAR的子网前缀。MN随即切换至组播模式，并发送快速绑定更新FBU消息给通信节点CN，该消息中包含了MN的组播地址。
    CN收到FBU后，也切换至组播模式，接着通过PIM-SM协议为组播组构建一棵组共享树。当前接入的OAR成为RP，于是组播源CN通过单播发送注册请求给RP。随后CN再发送一个快速绑定更新确认FBA给MN，告诉MN组播网已经建立。
    成为RP的OAR会发送MLD中的组播侦听者查询消息给MN，以询问MN是否需要接听MN组播数据。作为回应，MN需要发送一个组播侦听者报告消息给OAR，该消息中包含了MN的组播地址。如果该地址不在路由器的组播地址表中，则将地址加入到组播表中，从而开始组播并传送由CN发送过来的数据。
    成为RP的OAR可发送PIM-SM消息给NAR。NAR中的PIM-SM控制消息处理模块根据收到的Hello消息，在接口上维护一个PIM-SM邻居表，并建立路由器的邻居关系。然后NAR也加入到组播组中，当MN移动到NAR的子网中时，便为MN传递组播数据。
    在FHMIPv6的标准DAD检测过程结束后，移动节点MN不再需要接收组播组的信息，于是便向目前直连的NAR发送MLD的组播侦听者结束消息。NAR收到该消息后，开始发送PIM-SM的剪枝消息，并使剪枝消息沿共享树上传，沿途的路由器均删除相应的状态信息。至此组播网结束，MN、CN、OAR和NAR均恢复到FHMIPv6中的正常单播机制。
2．4 M—FHMIPv6切换技术
    图1所示是M—FHMIPv6切换技术的详细切换操作过程，该过程主要包含以下几个步骤：

    (1)当移动节点MN检测到L2链路层触发信息时，预知道要进入新的网络，于是发送路由请求代理RtSolPr给原先接入的路由器OAR，告知它要进行切换；
    (2)OAR收到路由请求代理RtSolPr后，发送一个路由代理公告PrRtAdv给移动节点MN，MN收到该公告后，即可获得其在新子网的转交地址CoA；
    (3)MN得到CoA后，立即切换至组播模式，并发送快速绑定更新FBU消息给通信节点CN，该消息中包含了MN的组播地址；
    (4)CN收到FBU后，也快速切换至组播模式，并发送PIM注册消息给OAR，以组建组播网，然后快速发送绑定更新确认FBA给MN；
    (5)NAR和PAR加入组播网，为CN传递数据给MN；
    (6)因为此时数据已经通过组播网传输，OAR发送切换发起HI消息给NAR，NAR收到后便进行正常的DAD重复地址检测，完成后则发送切换消息HACK给OAR；
    (7)OAR收到HACK后，发送一个快速绑定确认消息FBACK给节点MN和NAR，需要注意的是，这里不需要再建立基于OAR与NAR的双向隧道以传递数据，因为数据一直在通过组播网传递给MN；
    (8)因为传统的DAD检测和切换工作已经完成，MN发送一个MLD的组播侦听者完成消息给当前接入的NAR，NAR通过PIM-SM协议进行剪枝操作，从而使所有节点和路由器都恢复到单播状态，此后，CN开始向NAR和MN传递数据。

3 M-FHMIPv6切换技术性能分析
3．1 快速分层切换FHMIPv6切换性能分析
    图2所示是FHMIPv6切换延迟时间图。从图2可以看出，FHMIPv6的平均延迟时间为：
    TFHMIPv6=TFBU+THI+TDAD+THACK+TBACK+TL2+TFNA

3．2 基于IPv6组播的M—FHMIPv6切换性能分析
    基于IPv6组播的M—FHMIPv6切换延迟时间如图3所示。由图3可以得到，M—FHMIPv6的平均延时为：
    TM-FHMIPv6=TMulticast+TL2+TMLD

    理论分析证明，M—FHMIPv6虽然在切换过程增加了组播组的构建过程，但能有效减少DAD检测过程中的各种信息交互的延迟。

4 M—FHMIPv6切换技术的仿真结果分析
4．1 M—FHMIPv6切换技术仿真实验
    M-FHMIPv6切换技术仿真实验所建立的仿真模拟环境为：VMware，Workstation+Fedora+ns-allinone-2.33+noah+FHMIP1.3.1。
    仿真实验的拓扑结构设置有8个节点，MAC层采用802．11MAc协议，有线网络带宽与延时设置为100 Mb／s，10 ms，无线网络带宽与延时设置为1 Mb／s，2 ms。整个实验持续80 s，第5．0 s时，CN开始以10 ms的间隔发送512字节的TCP分组到MN。PAR与NAR之间设置距离为30 m，无线路由覆盖距离设置为40 m，于是，NAR与PAR之间的重叠覆盖范围为10 m。第10 s时，MN开始以1 m／s的恒定速度由位置(85，136)移动到(155，136)，预计在第40 s左右时，由于MN快超出PAR的无线覆盖范围而进入NAR的范围，于是需要发生切换。第80 s时，MN到达终点，实验过程结束。
4．2 仿真结果分析
    通过运行仿真软件所得到的FHMIPv6和M—FHMIPv6切换过程如图4所示。

    从图4的NAM动画模拟可以看到：
    在第5．0 s时，应用层在CN和MN之间建立了，FTP业务流，CN开始发送TCP数据包到MN；
    在第10 s时，MN开始以1m／s的恒定速度由位置(85，136)向(155，136)移动，如图4(a)所示。
    在大约45．37 s时，MN移动到了NAR的范围，开始在两个子网内切换进行快速分层切换，数据的传输中断并开始构建组播网，如图4(b)所示。
    大约在45．57 s时，组播网构建完成，构建时间大约为200 ms，CN形成组播源，PAR和NAR加入组播组同时为MN传输数据，如图4(c)所示。
    大约在46．04 s时，MN在PAR与NAR之间分层快速切换工作完成，MN开始从NAR接收数据包，整个切换工作完成，切换所需时间为670 ms，如图4(d)所示。
    在80 s时，CN停止FTP应用数据流，MN停止移动，整个仿真过程完成。
    从切换过程看，在FHMIPv6中，当MN在PAR与NAR之间切换时，数据传输中断，整个切换过程需要670 ms；而在改进的基于IPv6组播的M—FHMIPv6中，MN在切换时和PAR、NAR成功构建组播网，接收组播源CN的数据，构建过程只需要200 ms，因而可以很好地优化FHMIPv6过程中DAD检测过程和各种信息交互所带来的延迟，直到切换过程完成。

    为了更直观地观察切换过程中的延迟情况，可以将仿真过程中40～50 s的切换局部放大，所得到的FHMIPv6和M-FHMIPv6的局部放大图如图5和图6所示。

    从局部放大图中看出，基于IPv6组播的M—FHMIPV6切换技术能有效改善FHMIPv6切换技术中的DAD检测和各种信息交互所带来的延迟，从而减少切换时间，平滑切换过程。

5 结语
    本文对FHMIPv6的研究发现，切换过程中的DAD重复地址检测过程严重影响了切换性能，为此，本文提出了基于IPv6组播的M—FHMIPv6切换技术。切换性能的理论分析证明，M-FHMIPv6能有效减少DAD检测的过程和各种信息交互的延迟。虽然M-FHMIPv6在切换过程中增加了组播组的构建过程，但仍能能有效减少DAD检测的过程和各种信息交互的延迟。而通过NS2实验仿真也进一步说明：改进后的M-FHMIPv6方案能减少切换延迟，平滑切换过程，可以达到预期的效果。