CN100559899C - 移动IPv6本地代理无缝切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及移动IPv6通信网络切换法，减少切换中断时间降低丢包率减轻本地代理负荷。移动台为单或多模式物理接入终端，监测链路情况获得网络切换触发。获触发信息后移动台向当前接入路由器发送含新接入路由器链路信息的切换信息，当前接入路由器返回新接入路由器网络信息，移动台在链路层切换前开始移动IPv6网络层切换。通信端发往移动台数据直接发到移动台新转交地址。为减少切换丢包新接入路由器在移动台与其建立连接前存储发往移动台的数据，移动台与新接入路由器建立连接后路由器上存储的数据即送往移动台。为减少本地代理负荷本地代理仅管理移动台位置，不替移动台包封装转发。通信端与移动台的通信建立以和本地代理查询移动台位置来完成。

Description

移动IPv6本地代理无缝切换方法
技术领域
本发明涉及移动IPv6网络中的一种切换方法，具体地涉及到一种通过轻负荷移动IPv6本地代理(Home Agent，HA)进行无缝切换的方法。
背景技术
实时数据业务在互联网中占据越来越重要的地位，如网络电话、网络电视、网络游戏和网络家电等。这些实时多媒体业务日益走进人们的生活。同时移动终端的网络功能也得到加强。当集成电路技术发展到一定程度，任何物体都可以具有移动网络功能。
实时业务的时间要求是：语音业务中断低于400毫秒；视频业务每秒多于25帧(传输间隔小于40毫秒)。传输控制协议业务质量分为三级：1)可接受的低误码率和低失败率；2)可接受的低误码率，不可接受的高失败率；3)不可接受的高误码率。本发明可以将切换中断时间和丢包率降低到业务可以接受的程度。当前的互联网传输延时几乎为0，大部分延时来自网络的处理延时(接入网关的处理时间，路由表查询时间，包排队时间)。所以本发明需要对现有的网络协议进行改进。
降低切换的中断时间有许多方法。由于网络化分为七个层次，可以在每个层上进行改进。1)但由于网络的复杂性，即使问题在某一时刻解决了，在网络业务高峰期仍然可能存在问题；2)网络和终端侧的缓存技术很重要，但需要合理的价格和处理速度；3)各个层上的改进需要相互配合才能达到最终目的。由国际组织IETF(Internet工程任务组)提出的移动IPv6技术在一定程度上解决了互联网的移动性问题。但在切换中断和丢包上还有很大问题，尤其是针对实时业务。尚待解决的问题有：①切换中断时间；②丢包率；③本地代理的过载。通过对当前移动IPv6软件的实验，同样发现在复杂网络和多用户情况下切换中断时间和丢包率急剧增加，从而影响了通信质量。本地代理在负责多个移动台的位置管理和包封装与转发时常常出现过载。
IPv6网络的切换过程包括链路层切换和网络层切换两部分。链路层切换发生在同一子网的不同接入点间；网络层切换发生在不同子网的不同接入点间。IETF的移动IPv6(draft-ietf-mobileip-ipv6-20.txt)研究是移动互联网网络层切换的基础。在切换方面IETF还提出了层次化，边缘管道，包头绑定等概念。IEEE(电气与电子工程师协会)的802.11工作组和3GPP(第三代移动通信标准化伙伴项目)正在展开链路层的切换研究(WLAN、CDMA、3G以及蓝牙等)。
学术领域关于移动IPv6的相关研究有：
在文章“The Impact of IPv6on Wireless Networks”，3G MobileCommunication Conference Publication，No.477，323-329，IEEE 2001by KP Worrall中，作者指出IETF的移动IPv6需要进一步改进；在文章“QoSin mobile multimedia networks”，ICCT IEEE 2000by W.Schoneld，R.Steinmetz，N.Berier中，结论是尽量少的移动管道有助于提高通信质量。本发明对本地代理的改进应用了这一结论。在文章“Scalable Mobility andQoS Support Mechanism for IPv6-based Real-time Wireless InternetTraffic”，GLOBECOM IEEE 2001by S.Yasukawa，J.Nishikido，K.Hisashi中指出了RSVP协议和传输代理的结合。在文章“Handoffs for Real-TimeTraffic in Mobile IP Version 6Networks”，GLOBECOM IEEE 2001by J.Mcnair，I.Akyildiz，M.Bender中指出移动台和通信端间可以有两种通信途径。一种是移动IPv6的默认途径，一种是RSVP途径。但两个路径的配合工作需要进一步研究。在文章“Handover Management for MobileNodes in IPv6Networks”，IEEE Communication Magazine August 2002byN.Montavont，T.Noel中，作者对WLAN中运行移动IPv6进行了测试，结果证明在多用户情况下切换中断尤为严重。
IETF工作组SeaMoby专注于移动IPv6无缝切换的研究。该工作组认为实现无缝切换最好的方法就是从多个链路中选择通信质量好的链路。他们的研究方向是：内容边际传输，备用接入选择。他们的工作对本发明是很大的支持。IPv6的研究工作不仅仅包括路由优化，MAC地址的管理，减少过载，压缩报头，数据缓存的使用，通信质量，安全认证和应用也很重要。
从以上的分析中可以看出，目前的技术还不能同时解决实际中存在的问题①、②和③。本发明所提出的轻负载本地代理无缝切换移动IPv6技术，作为网络层的解决技术，适用于高通信质量要求的实时业务，例如：多媒体、视频监控，尤其是网络游戏和网络证券等通信要求较高的业务。
发明内容
为解决前述问题，本发明提供了一种新的移动IPv6无缝切换方法。网络结构如图1。本发明的关键特征如下：
1.移动台有单一或多模式接入链路，移动台可以检测到链路层的相关参数(如CDMA和WLAN的网络标识，信噪比等)；
2.移动台在进行链路层切换前，完成网络层的切换。同时向本地代理发送位置更新信息，本地代理进一步向移动台通信端发送位置更新信息；
3.移动台有网络准转交地址(Care of Address，CoA)的缓存；
4.新接入路由器(nAR)在移动台没有完成切换前，对发往移动台的数据进行缓存；
5.本地代理仅对移动台进行位置管理。当通信端建立和移动台的连接时，本地代理首先向通信端提供移动台的当前转交地址，通信端利用这一地址和移动台直接通信。
在切换过程中，移动台的通信量可以分为两种：已连接通信和潜在通信。已连接通信是移动台和通信端正在进行的通信。潜在通信来自将向移动台发起通信的通信端。移动台及时的位置更新利于潜在通信。路由器的数据缓存利于已建立通信。由于本地代理的位置管理，利于通信端和移动台间的端到端的安全通信。移动台缓存准转交地址利于非可控的切换。
本发明与移动IPv6的比较
如图12，对本发明与移动IPv6进行了比较。可以看出在可控和不可控两种切换情况下，中断时间大大缩短。
本发明是一种新的移动IPv6切换方法。目标是降低中断时间，降低丢包数，减轻本地代理的负载。
(1)中断时间的降低通过预网络层切换实现；
(2)低丢包通过路由器缓存实现；
(3)通过取消本地代理的封装功能来减轻本地代理的负荷。
附图说明
图1是本发明的网络实例和网络内部功能示意图；
图2是可控切换过程的消息流程图；
图3是消息定义结构图；
图4是非可控切换过程的消息流程图；
图5是移动台天线模块的示意图；
图6是对切换与否判断的流程图；
图7是移动台切换图；
图8是移动IPv6切换的时间示意图；
图9表示优化的切换时序；
图10表示路由器缓存模块；
图11是本发明的概括解决方案示意图；
图12表示本发明与移动IPv6的比较。
图2和图4中
RtSolPr：Router Solicitation for Proxy路由代理请求
HI：Handover Initiate切换触发
HACK：Handover Acknowledge切换确认
ACK：Acknowledge确认
图3中
A、H、S、D、L为IETF所定义的信息码
具体实施方式
一.切换准备
为实现移动台在链路层切换完成前完成移动IPv6网络层切换，移动台需要进行切换准备。通过及时监测链路信息从而开始网络层切换。减少整个切换时间。
移动台在通信过程中需要及时发现网络层当前路由器无法连接。这种情况下，移动台应建立新的转交地址并切换到可连接的路由器。为平滑的完成网络层的切换，应该及时地从链路层获得切换触发信息。(通过如下[1]单或多模无线接入和[2]链路层提供数据实现)。这些信息通过链路层的相关协议和驱动软件实现。
[1]单或多模无线接入
移动台有单或多个无线天线，如图5所示。图5中Al到An是移动台的各个天线(n＞＝1)。这些天线可以是CDMA，WLAN，蓝牙或其他的无线天线。图5中的控制模块对所有的天线模块进行控制。移动台的这一模块的实现方法是软件无线电技术。利用软件无线电的物理层动态辐射码和可调前端实现。软件无线电为基础的移动台可以在混合网络中应用，并在各网络中切换。
在天线模块的支持下，移动台可以检测各个链路的通信质量，从而及时地在路由器间切换。
[2]链路层提供数据
当链路层检测到关键参数(如信噪比)低于门限值，链路层向网络层发出切换信号并且同时提供链路层的相关参数。如从WLAN切换到CDMA网络应提供网络的标识。实现函数定义如下。函数的参数可变，这些参数来源于天线模块的控制模块：
Function：L2toL3handoverParameterProvide(LinkP 1n 1，LinkP2n2，LinkP3n3，...)
[3]网络层判断
根据从链路层获得的参数，网络层进行测试。移动台向当前路由器发送请求，当前路由器根据移动台的信息在IPv6网络内进行查询并向移动台返回新路由器的网络信息。由于链路层的切换不一定导致网络层的切换，并不一定需要在路由器间进行切换。如移动台在WLAN同一子网的不同接入点的切换即不需要网络层的参与。移动台将接收到的新网络地址与当前网络地址进行比较，如果是可信的不同网络则开始第三层的切换，如可信但是同一网络则不进行网络层的切换，仅做链路层的切换。图6是这一过程的流程图。
由于及时监测了链路层的通信质量并选择了可靠的新接入链路，从而在当前通信中断前开始并完成了网络层切换。因此，切换中断时间得以缩短。下文详细描述网络层切换的进行过程。
二.准转交地址准备
准备准转交地址主要用于非可控的切换。由于在可控的切换时移动台的转交地址容易获得。当然很难确定某一切换是可控切换还是不可控切换，所以移动台一直保持准转交地址。
由于在移动IPv6中，移动台具有可连接的路由器表和可连接的网络前缀表，可以利用这两个表得到准转交地址表。移动台根据网络前缀，采取静态或动态的地址生成方法，就可以得到准转交地址。下表1是移动台的三个表，现增加的是准转交地址表：
表1移动台缓存表
  Prefix table(前缀列表)   Pre-CoA table(准转交地址表)   router list(路由器列表)
  3ffe:327d:100:1/64   3ffe:327d:100:1::6   3ffe:327d:100:1::1
  3ffe:327d:200:1/64   3ffe:327d:200:1::10   3ffe:327d:100:1::1
  ...   ...   ...
三.向本地代理进行位置更新
当确定了新的转交地址，移动台向本地代理进行位置登记。位置登记信息中“N”比特位置“1”表明这个消息是移动台的位置登记信息并含有移动台的通信端信息。“N”比特如图3所示是移动IPv6绑定消息的保留域。
移动IPv6的绑定消息(BU)用于标准移动IPv6的位置更新。本发明利用它的保留域来实现本发明的特殊功能。为保证绑定消息的安全性，在信息中写有移动台的家地址(HoA)，同时可应用IPsec的功能。
当本地代理接收到移动台的位置更新信息，本地代理向移动台的通信端发出位置更新消息。为实现切换的平滑，移动台仍然同时使用原有的转交地址，直到原有的转交地址被放弃。
由于整个切换过程中本地代理仅对移动台的位置信息进行管理，没有大量的数据包封装和转发。本地代理过载的问题可得以解决。
四.通信端的新功能模块
为了建立到移动台的直接链路，通信端和本地代理里间完成对移动台位置的交互。本地代理收到通信端在建立通信时发送到移动台的信息后，返回移动台的当前转交地址。本地代理接到移动台发来的位置更新信息后同样向通信端发送移动台位置更新信息，如图2。本地代理过载的问题可得以解决。
图1说明了切换的过程。该过程为：①移动台向当前接入路由器(oAR)发送切换请求信号(路由代理请求，从移动台发往当前接入路由器的短信息包，用于通知当前接入路由器移动台开始切换)；②当前接入路由器向新路由器发送请求信号(切换触发，从当前接入路由器发往新接入路由器的短信息包，用于通知新接入路由器移动台的切换信息)；③当前接入路由器向移动台发送切换确认信号(切换确认，从当前路由器发往移动台的对成功接受移动台切换请求的确认短信息包)；④新路由器向当前接入路由器发送网络信息(切换确认，从新路由器发往当前路由器的对包含切换信息的确认短信息包)；⑤当前路由器向移动台返回新路由器的网络信息；⑥移动台将接收到的新信息绑定后发送到本地代理；⑦本地代理向移动台发送绑定确认信息；⑧本地代理向通信端发送移动台位置更新信息。
图2以消息流程的方式说明了切换过程。由于图2所示的是可控的切换过程。对于未可控的切换情况其解决方案则如图4表示。即移动台在连接到新的路由器后开始标准的移动IPv6切换，但由于有准转交地址缓存，可以节省等待获得新转交地址的时间，从而减少非可控切换的切换时间。
五.切换情况分析
如图7所示，移动台可以以有线(1)或无线(2)方式和当前路由器(oAR)连接，随着移动台移动到新的路由器覆盖区域。如果是有线方式切换，当前路由器会立刻发现移动台已不在本区域并采取相应措施。但在无线连接的情况下，当前路由器不知道移动台已不在本区域，仍以无线电波的方式发送数据，这样将造成大量数据丢失。
图8是移动IPv6切换的时间示意图。包括链路层L2切换时间和网络层L3切换时间两部分。T1代表链路层切换时间。T1占整个切换时间的很大部分。在这段时间里移动台无法接收和发送数据。T2代表发现新路由器和新网络前缀的时间，和T1相比这一部分时间很小，但占近一半整个网络层切换时间。在这段时间里，移动台可以发送和接收一些控制信息但无法发送和接收数据。T3代表形成新转交地址的时间，由于这一步由移动台自己完成，时间很短。T4代表到本地代理和通信端的位置更新时间。代表T4的是虚线，因为本地代理和通信端到移动台的距离可以远为地球的两端，或近为两台相邻的机器。
所以总的切换时间T为T1，T2，T3和T4的和，即T＝T1+T2+T3+T4。
本发明将切换分为可控和不可控两类。在已广泛使用的通信系统GSM和CDMA中，大部分为可控制的切换。一般来说可控和不可控的比率如下：
Figure C0314574000111
本发明的系统应该是可控系统，但不排除会发生不可控的情况。所以本发明也对不可控情况提供了方案，如图4。但不可控方案只是整个方案的补充。
移动台采用了智能的天线模块，就可以对通信信道进行选择，则有如图9的切换过程。
这里采用了在链路层切换前完成网络层切换的技术。总的切换时间T＝T1。理论上如果链路层的技术足够好，T1可以为0。则总的切换时间T将是0。由于丢包数为：L＝T*S。S代表通信速率。如果T为0，L将为0。目前测到的结果T＝8s。所以本发明提出在这段时间里由新路由器对数据进行缓存。
六.路由器缓存
如图10所示，在接入路由器上添加新模块。从而对链路层切换过程中的数据包进行缓存，减少由于切换造成的丢包。
在路由器的路由表上添加一条特殊的路由，这条路由的输出地址指向扩展板。在T1时间段缓存发往移动台的数据。扩展板是存储设备，根据移动台的标识(B-ID)对移动台的数据进行存储。当移动台和路由器建立连接后，立即将存储的数据转发给移动台。这一机制避免了在T1时间段内的数据丢失。整个切换过程变为如图11所示。
可以发现，由于路由器缓存了中断时间内的数据，丢包率将大大降低。

Claims (6)

1.一种网络系统中的无缝切换方法，该网络系统包括：移动台、与该移动台当前连接的路由器、该移动台在移动后连接的新路由器、连接这些的本地代理、以及通信端，其特征在于，
在所述移动台中断当前通信之前，所述移动台接收所述新路由器的网络前缀，根据该网络前缀生成新地址，并将该新地址发送到所述本地代理，
所述本地代理，根据接收到的所述新地址来更新在该本地代理内存储的所述移动台的位置登录信息，所述本地代理还向所述通信端发送所述新地址。
2.根据权利要求1所述的切换方法，其特征在于，
所述移动台保存准转交地址，在非可控切换时使用该准转交地址。
3.根据权利要求1所述的切换方法，其特征在于，
所述新路由器在链路层切换过程中对发往所述移动台的数据进行高速缓冲存储。
4.根据权利要求1所述的切换方法，其特征在于，
在所述通信端与所述移动台进行通信时，所述通信端在从所述本地代理接收到所述移动台的所述新地址之后，使用所述新地址与所述移动台直接进行通信。
5.一种移动IPv6本地代理无缝切换方法，其特征在于该方法包含如下部分：
移动台向当前接入路由器发送切换请求信号；
当前接入路由器向新路由器发送请求信号；
当前接入路由器向移动台发送切换确认信号；
新路由器向当前接入路由器发送网络信息；
当前路由器向移动台返回新路由器的网络信息；
移动台将接收到的新信息发送到本地代理；
本地代理向移动台发送绑定确认信息；
本地代理向通信端发送移动台位置更新信息。
上述八个部分完成后，整个切换过程结束，否则，进行普通的移动IPv6切换过程。
6.根据权利要求1或者6的移动IPv6本地代理无缝切换方法，其特征在于：所述移动台具有单或多模式接入信道，对3G、CDMA以及WLAN各信道的链路信息进行监测。
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