基于IPv6组播的M-FHMIPv6切换技术

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 (MAP)。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1 500 ms，其中为 NCoA 进行 DAD 检测就需要1 050 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 (MulticastListener 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(DenseMode) 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[8]，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 ；

图1 M-FHMIPv6 微移动切换操作过程

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 ；

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 ；

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

图 2 FHMIPv6 切换延迟时间图

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。

图 3 M-FHMIPv6 切换延迟时间

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。

（a）                               （b）

（c）                              （d）

图 4 FHMIPv6 和 M-FHMIPv6 切换过程图

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。

图 5 FHMIPv6中 MN 接收的数据包序列号

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。

图 6 M-FHMIPv6中 MN 接收的数据包序列号局部图

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