CN102158845A - 一种HMIPv6切换性能优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种HMIPv6切换性能优化方法，该方法采用寻找共同根节点MAP的方式进行动态MAP选择，来解决HMIPv6协议中由于固定的选择距离最远的MAP作为转发代理而造成的MAP负担过重和负载平衡问题，尤其是域间切换过程中切换延时过大的问题；同时结合快速切换机制，提出串行重复地址检测的方式来优化HMIPv6切换性能，尤其是域间切换性能。本发明在解决上述问题的同时还增加了网络的灵活性和可拓展性。

Description

一种HMIPv6切换性能优化方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种HMIPv6切换性能优化方法。

背景技术

因特网工程任务组（IETF, Internet Engineering Task Force）于2004年6月提出了移动IPv6（MIPv6，Mobility support in IPv6）协议，简称RFC3775。该协议允许移动节点（MN, Mobile Node）可以通过一个永久的ip地址连接到任何链路上，并且在不同网络间移动时仍能保持正在进行的通信。RFC3775指出，当MN离开家乡网络到达外地网络时，就在外地网络暂时采用一个转交地址（CoA，Care-of Address），MN 将CoA与家乡代理进行绑定，这样，原来发往MN家乡代理的数据包，就会被家乡代理转发到MN的CoA。 但是切换到外地网络的过程中存在切换延时大和丢包率高得问题，很难满足实时业务的需求。因此，移动IPv6信令与切换优化工作组（Mipshop）针对上述问题提出了若干优化方案，下面简要介绍一下：

HMIPv6（Hierarchical Mobile IPv6，层次移动IPv6）协议中由于引入了MAP（Mobility Anchor Point，移动锚点）功能实体，IPv6网络被MAP划分为多个不同的域，每个域由一个或多个MAP来进行管理。当MN进入到另外一个MAP域时，如图1流程所示，根据收到的路由通告消息进行LCoA（On-link CoA，链路转交地址）和RCoA（Regional CoA，区域转交地址）的配置，完成对LCoA和RCoA的重复地址检测后，把LCoA与RCoA进行绑定，同时把RCoA与MN家乡地址进行绑定，这样，所有发往MN的数据包就会被家乡代理转发到MAP，再由MAP把数据包转交给MN，这种情况称为宏移动。当MN在同一MAP域内的不同子网间移动时，只需要重新配置LCoA，将其与RCoA进行重新绑定即可。因此，域内切换可以节省网络开销，减少切换时延。因此，HMIPv6协议一般选取网络中距离最远的MAP作为转发代理，这样可以增加域内切换的概率，提高HMIPv6协议性能。但是，如果域内MN数目相当多的时候，所有MN都选择距离最远的那个MAP作为转发代理，容易造成MAP 的负担过重，存在负载平衡的问题，而且HMIPv6仍然不能满足无缝切换的需求。

FMIPv6（Fast Handovers for Mobile IPv6，快速移动IPv6）利用链路层触发，在切换之前提前完成移动检测，转交地址的配置和验证，从而显著地减少了切换时延。其基本原理如下：MN由链路层触发意识到即将发生切换，MN向当前子网原接入路由器（PAR，Previous Access Point）发送代理路由请求（RtSolPr，Router Solicitation for Proxy）消息，PAR返回代理路由通告（PrRtAdv，Proxy Router Advertisement）消息，里面包含新接入路由器(NAR，New Access Router)的地址以及子网前缀等信息，MN利用接口信息结合NAR子网前缀配置新转交地址，然后向PAR发送快速绑定更新（FBU，Fast Binding Update）消息，PAR 收到后，向NAR发送HI（Handover Initiate，切换发起）消息，里面包含配置的新转交地址，NAR对其进行重复地址检测，并向PAR返回包含检测结果的HAck（Handover Acknowledgement，切换确认）消息，如果地址无冲突，就建立PAR与NAR之间的双向隧道，原来发送到MN旧转交地址的数据包就会通过隧道转发到NAR，MN进入到新子网时立即发送FNA消息来获取分组数据。至此，切换过程结束。

F-HMIPv6（Fast handover for HMIPv6，快速层次移动IPv6）在HMIPv6的基础上引入了快速切换，但是没有减少切换过程中对链路转交地址和区域转交地址进行重复地址检测操作的延时，而这部分延时占据了切换延时的绝大部分，而且，直接结合的方案中还存在两重隧道转发的问题，因此也不能满足无缝切换需求。

发明内容

为弥补现有技术的不足，本发明提供一种HMIPv6切换性能优化方法，其目的是针对HMIPv6协议中由于固定的选择距离最远的MAP作为转发代理而造成的MAP负担过重和负载平衡问题，尤其是域间切换过程中切换延时过大的问题，采用寻找最近共同根节点MAP的方法来动态选取MAP，同时结合快速切换机制，提出串行重复地址检测的方式来优化HMIPv6切换性能，尤其是域间切换性能，本发明在解决上述问题的同时还增加了网络的灵活性和可拓展性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种HMIPv6切换性能优化方法，该方法具体实现步骤如下：

Step1：在HMIPv6网络中，每一个接入路由器AR都在其子网中周期性的广播代理路由通告RA消息，当移动节点MN进入原接入路由器PAR和新接入路由器NAR网络重叠范围时，会收到分别来自PAR和NAR的RA消息；

Step2：MN对RA消息所携带的移动锚点MAP层次列表进行比较，寻找PAR和NAR的最近共同根MAP；若MN未找到最近共同根MAP，就转入step7继续执行；反之，进入Step3继续执行；

Step3：MN找到最近共同根MAP后，将最近共同根MAP与MN当前采用的MAP地址进行比较，若相同，则MN继续使用当前MAP地址，并转入Step5继续执行；反之，需要对新MAP地址进行注册，并进入Step4继续执行；

Step4： MN根据最近共同根MAP地址的前缀进行区域转交地址RCoA的重新配置，根据NAR前缀进行链路转交地址LCoA的重新配置，并转入Step6继续执行；

Step5：根据NAR前缀进行LCoA的重新配置, 并对LCoA进行重复地址检测，若出现地址冲突即新配置的转交地址已经被占用，则转入step5继续执行；反之则转入step8继续执行；

Step6：NAR对LCoA进行重复地址检测,同时新子网的MAP即NMAP独立的对RCoA进行重复地址检测，即为串行重复地址检测；检测期间不必等待NMAP返回检测结果，一旦LCoA通过验证，由于采用了快速切换机制，也就意味着PAR与NAR之间的隧道建立完毕，即转入Step8；若地址冲突，则返回Step4，只重新配置LCoA，直到通过验证，再转入Step8；一旦RCoA检测完成,检测结果会发送到NAR进行缓存；

Step7：MN采用标准HMIPv6协议，当MN与原网络断开即进入到新子网后，配置RCoA和LCoA，然后进行重复地址检测，若地址冲突则继续配置RCoA和LCoA，直到地址验证通过后，转入step8继续进行；若地址不冲突则直接转入step8继续执行；

Step8：当MN与原网络断开连接后，原来发往MN旧转交地址的数据就会通过隧道转发到NAR进行缓存，当MN与新网络建立连接之后，立刻启用新LCoA重新进行数据接收并开始正常通信。

所述Step2中，最近共同根节点MAP指两个不同子网间的AR之间到最高层MAP路由器路径上遇到的第一个公共MAP路由器。

所述Step6中，串行重复地址检测指在域间切换过程中，由于重新配置了RCoA和LCoA，为了节省重复地址检测时间，通过NAR来完成的快速检测方式，具体实现如下：MN向PAR发送快速绑定更新FBU消息，PAR收到后，就会向NAR发送切换发起HI消息，HI包含RCoA和LCoA，NAR收到HI后，对LCoA进行重复地址检测，与此同时，NAR向新子网中的MAP即NMAP也发送一个HI消息，里面包含RCoA，NMAP收到后，对RCoA也进行重复地址检测，一旦LCoA通过验证，NAR就立刻向PAR返回切换确认HAck消息，而不必等待NMAP返回检测结果，因此NMAP的重复地址检测是相对独立的，并不影响正常的信息交换过程。

所述Step2中的MAP层次列表是用来存储不同层次MAP地址信息的堆栈，且此列表存在于RA消息中。

所述Step2中MN利用RA中携带的MAP层次列表进行比较，寻找PAR和NAR的最近共同根MAP的方法为：首先采用PAR中MAP层次列表中的最底层MAP地址，和NAR中MAP层次列表中的地址从最底层到最高层依次对比，如果发现有与其相同的MAP地址，则该MAP即为两个层次列表的最近共同根节点，停止搜索；若没有发现，则再采用PAR中MAP层次列表中的倒数第二层MAP地址重复进行对比搜索，这样依次循环此操作直到找到最近根节点，停止搜索；若PAR中MAP层次列表中的最高层MAP地址进行对比搜索后，仍然没有找到与其相同的MAP地址，则认为没有找到两个层次列表的最近共同根节点。

所述Step3中对新MAP进行注册的情况下，具体切换过程实现如下：

1）              MN向PAR发送FBU消息，PAR收到后，就会向NAR发送HI消息，HI包含RCoA和LCoA，NAR收到HI后，对LCoA进行重复地址检测，与此同时，NAR向NMA也发送一个HI消息，里面包含RCoA，NMAP收到后，对RCoA也进行重复地址检测；

2）              一旦LCoA通过验证，NAR就立刻向PAR返回HAck消息，而不必等待NMAP返回检测结果；

3）              PAR收到HAck消息后，建立PAR与NAR之间的隧道，同时向MN返回快速绑定确认FBA消息；

4）              MN收到 FBA后，开始进行链路层切换，在链路层切换过程中，MN无法接收任何数据包，由于隧道的建立，原来发往MN前转交地址的数据包就会经过隧道转发到MN的新转交地址进行存储，同时，NMAP对RCoA的检测结果HAck消息也会发送给NAR；

5）              与NAR链路建立连接之后，MN立刻向NAR发送一个快速邻居通告FNA消息，通知NAR把缓存的数据转发给MN，同时，NAR还向MN发送一个快速绑定确认FBA消息，告知MN 新RCoA也已经通过验证；

6）              MN收到FBA后，立刻向NMAP发起本地绑定更新LBU，完成LCoA与RCoA的绑定，NMAP返回本地绑定确认LBA消息给MN；

7）              MN收到LBA后，向家乡代理HA和通信对端节点CN发送绑定更新BU消息，完成RCoA与MN家乡地址的绑定，至此，切换过程结束。

本发明的优点如下：

(1) 本发明由于采用了寻找共同根节点MAP的方法，解决了由于只选取距离最远的MAP作为转发代理而容易造成的MAP负担过重以及负载平衡问题，由于寻找共同根节点MAP的方法可以使网络中的其它MAP也分担一部分负载，因此，提高了网络的灵活性和可拓展性；

(2) 本发明由于采用了快速切换机制并且提出了串行重复地址检测方式，显著的减少了切换时延和丢包率。采用快速切换机制，使MN可以在原网络提前进行移动检测，转交地址配置和验证，对于域内切换性能改进明显，采用串行重复地址检测方式，可以解决域间切换由于需要重新配置RCoA和LCoA而造成的时延大的问题；

(3) 本发明由于采用了这两种方式的结合，分别从不同角度对切换性能进行了优化，最终使切换性能更加优越。

附图说明

图1是基本HMIPv6域间切换示意图；

图2是本发明提出的信令交互流程图；

图3是本发明提出的工作流程框图；

图4是仿真拓扑结构（树状结构）网络示意图；

图5是在图4基础上的AR3上的MAP层次列表示意图；

图6是在不同发送速率下，三种协议域内切换时延比较；

图7是在不同发送速率下，三种协议域间切换时延比较。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

一种HMIPv6切换性能优化方法，其信令交互流程和工作流程分别如图2所示和图3所示。具体步骤如下：

一种HMIPv6切换性能优化方法，该方法具体实现步骤如下：

Step1：在HMIPv6网络中，每一个AR（Access Router，接入路由器）都在其子网中周期性的广播RA（Router Advertisement, 代理路由通告）消息，当MN进入PAR和NAR网络重叠范围时，会收到来至PAR和NAR的RA消息；

Step2：MN利用RA中携带的MAP层次列表进行对比分析，寻找PAR和NAR的最近共同根MAP，若没有找到，就采用标准HMIPv6协议；若找到共同根MAP,就与MN当前注册的MAP进行对比，若一致，表明MN不需要改变MAP，此时只需根据NAR前缀进行LCoA的重新配置；若不一致，表明MAP将要发生改变，此时MN会根据刚计算得到的根MAP前缀进行RCoA的重新配置，根据NAR前缀进行LCoA的重新配置，假定发生MAP切换；

Step3：MN向PAR发送FBU消息，PAR收到后，就会向NAR发送HI消息，HI包含RCoA和LCoA，NAR收到HI后，对LCoA进行重复地址检测，与此同时，NAR向新子网中的MAP（即NMAP）也发送一个HI消息，里面包含RCoA，NMAP收到后，对RCoA也进行重复地址检测。一旦LCoA通过验证，NAR就立刻向PAR返回HAck消息，而不必等待NMAP返回检测结果，因此NMAP的重复地址检测是相对独立的，并不影响正常的信息交换过程；

Step4：PAR收到HAck消息后，建立PAR与NAR之间的隧道，同时向MN返回FBA（Fast Binding Acknowledgement，快速绑定确认）消息；

Step5：MN收到 FBAck后，开始进行L2（Layer 2，第2层即链路层）切换，在L2切换过程中，MN无法接收任何数据包，由于隧道的建立，原来发往MN前转交地址的数据包就会经过隧道转发到MN的新转交地址进行存储，同时，NMAP对RCoA的检测结果HAck消息也会发送给NAR；

Step6：与NAR链路建立连接之后，MN立刻向NAR发送一个FNA（Fast Neighbor Advertisement，快速邻居通告）消息，通知NAR把缓存的数据转发给MN，同时，NAR还向MN发送一个FBA消息，告知MN 新RCoA也已经通过验证；

Step7：MN收到FBA后，立刻向NMAP发起LBU（Local Binding Update，本地绑定更新），完成LCoA与RCoA的绑定，NMAP返回LBA（Local Binding Acknowledgement，本地绑定确认）消息给MN；

Step8：MN收到LBA后，向HA和CN发送BU（Binding Update，绑定更新）消息，完成RCoA与MN家乡地址的绑定，至此，切换过程结束。

所述最近共同根节点MAP指两个不同子网间的AR之间到最高层MAP路由器路径上遇到的第一个公共MAP路由器。

所述串行重复地址检测指在域间切换过程中，由于重新配置了RCoA和LCoA，为了节省重复地址检测时间，通过NAR来完成的快速检测方式，具体步骤见step3。

所述step2中MAP层次列表为：此列表存在于RA消息中，是用来存储不同层次MAP地址信息的堆栈。在树状结构网络中，MAP之间是分层次的，高层的MAP一般管理一个或多个低层的MAP，而每一个低层的MAP仅属于一个高层的MAP。因此在树状结构网络中的同一个域内，最高层次的MAP把自己的MAP地址首先加入到RA消息中，然后RA消息顺着此MAP的树枝链路传送到下一层次的不同MAP，下一层次的MAP收到RA后，相应的也把各自的MAP地址加入到RA消息中，然后再顺着自身的树枝链路把RA传送到更第一层的MAP，重复此操作，直到RA消息传送到叶子处的AR上，这样，每个AR上都有且仅有一个分支上的MAP层次列表信息，并且，这些MAP信息在RA中是按照层次从高到低进行排列的。

所述step2中MN利用RA中携带的MAP层次列表进行对比分析，寻找PAR和NAR的最近共同根MAP的方法为：首先采用PAR中MAP层次列表中的最底层MAP地址，和NAR中MAP层次列表中的地址从最底层到最高层依次对比，如果发现有与其相同的MAP地址，则该MAP即为两个层次列表的最近共同根节点，停止搜索；若没有发现，则再采用PAR中MAP层次列表中的倒数第二层MAP地址重复进行对比搜索，这样依次循环此操作直到找到最近根节点，停止搜索。若PAR中MAP层次列表中的最高层MAP地址进行对比搜索后，仍然没有找到与其相同的MAP地址，则认为没有找到两个层次列表的最近共同根节点。

本发明所获得的效果可以通过仿真实验结果进一步说明。

为了体现本发明的优点，仿真拓扑结构图如图4所示，MAP0，MAP1，MAP2，MAP3位于同一个域内，MAP0位于最高层，管理MAP1，MAP2； MAP3位于最低层，由MAP2进行管理；这样的拓扑能够体现动态MAP选取方式的优点；MAP4位于另外一个域内，这样能够突出快速机制结合串行重复地址检测方式的优势。

图5 是在图4基础上，接入路由器3（AR3）上的MAP层次列表示意图，其中MAP0位于最高层，MAP3位于最底层。

本发明仿真条件为：在ubuntu9.10平台上安装NS2.31，无线介质采用802.11WLAN协议，设置CN和MN之间采用UDP协议进行通信,CN分别以0.2Mb/s， 0.4Mb/s， 0.6Mb/s， 0.8Mb/s向MN发送长度为512字节的数据，无线网络带宽为2Mb。相邻AR路由器之间的距离为70m，每个AR路由器的无线覆盖范围设置为40m，因此，相邻AR路由器之间的网络重叠范围为10m，MN沿直线以3m/s从AR1向AR5移动，仿真时间为110s。从NAM演示中可以清晰的看到MN发生四次切换，每次切换分别发生在25s,48s,71s,95s左右。

仿真过程中，对比了三种协议：基本HMIPv6协议；只采用快速切换机制联合串行重复地址检测方式的改进协议（用作一个过渡性对比，为了更好的体现本发明的优越性）；以及本发明所采用的选取共同根节点MAP的方式结合快速切换机制联合串行重复地址检测方式的改进协议。

图6和图7所示为在不同发送速率下，三种协议分别发生域内切换和域间切换的比较示意图。我们可以看到，无论是在域内切换还是在域间切换过程中，本发明所提出的切换性能优化方法极大地减少了切换延时，同时增加了网络的灵活性和可拓展性。

Claims (6)

1.一种HMIPv6切换性能优化方法，其特征是，该方法具体实现步骤如下：

Step1：在HMIPv6网络中，每一个接入路由器AR都在其子网中周期性的广播代理路由通告RA消息，当移动节点MN进入原接入路由器PAR和新接入路由器NAR网络重叠范围时，会收到分别来自PAR和NAR的RA消息； 

Step2：MN对RA消息所携带的移动锚点MAP层次列表进行比较，寻找PAR和NAR的最近共同根MAP；若MN未找到最近共同根MAP，就转入step7继续执行；反之，进入Step3继续执行；

Step3：MN找到最近共同根MAP后，将最近共同根MAP与MN当前采用的MAP地址进行比较，若相同，则MN继续使用当前MAP地址，并转入Step5继续执行；反之，需要对新MAP地址进行注册，并进入Step4继续执行；

Step4： MN根据最近共同根MAP地址的前缀进行区域转交地址RCoA的重新配置，根据NAR前缀进行链路转交地址LCoA的重新配置，并转入Step6继续执行；  

Step5：根据NAR前缀进行LCoA的重新配置, 并对LCoA进行重复地址检测，若出现地址冲突即新配置的转交地址已经被占用，则转入step5继续执行；反之则转入step8继续执行；

Step6：NAR对LCoA进行重复地址检测,同时新子网的MAP即NMAP独立的对RCoA进行重复地址检测，即为串行重复地址检测；检测期间不必等待NMAP返回检测结果，一旦LCoA通过验证，由于采用了快速切换机制，也就意味着PAR与NAR之间的隧道建立完毕，即转入Step8；若地址冲突，则返回Step4，只重新配置LCoA，直到通过验证，再转入Step8；一旦RCoA检测完成,检测结果会发送到NAR进行缓存；

Step7：MN采用标准HMIPv6协议，当MN与原网络断开即进入到新子网后，配置RCoA和LCoA，然后进行重复地址检测，若地址冲突则继续配置RCoA和LCoA，直到地址验证通过后，转入step8继续进行；若地址不冲突则直接转入step8继续执行；

Step8：当MN与原网络断开连接后，原来发往MN旧转交地址的数据就会通过隧道转发到NAR进行缓存，当MN与新网络建立连接之后，立刻启用新LCoA重新进行数据接收并开始正常通信。

2.如权利要求1所述的一种HMIPv6切换性能优化方法，其特征是，所述Step2中，最近共同根节点MAP指两个不同子网间的AR之间到最高层MAP路由器路径上遇到的第一个公共MAP路由器。

3.如权利要求1所述的一种HMIPv6切换性能优化方法，其特征是，所述Step6中，串行重复地址检测指在域间切换过程中，由于重新配置了RCoA和LCoA，为了节省重复地址检测时间，通过NAR来完成的快速检测方式，具体实现如下：MN向PAR发送快速绑定更新FBU消息，PAR收到后，就会向NAR发送切换发起HI消息，HI包含RCoA和LCoA，NAR收到HI后，对LCoA进行重复地址检测，与此同时，NAR向新子网中的MAP即NMAP也发送一个HI消息，里面包含RCoA，NMAP收到后，对RCoA也进行重复地址检测，一旦LCoA通过验证，NAR就立刻向PAR返回切换确认HAck消息，而不必等待NMAP返回检测结果，因此NMAP的重复地址检测是相对独立的，并不影响正常的信息交换过程。

4.如权利要求1所述的一种HMIPv6切换性能优化方法，其特征是，所述Step2中的MAP层次列表是用来存储不同层次MAP地址信息的堆栈，且此列表存在于RA消息中。

5.如权利要求1所述的一种HMIPv6切换性能优化方法，其特征是，所述Step2中MN利用RA中携带的MAP层次列表进行比较，寻找PAR和NAR的最近共同根MAP的方法为：首先采用PAR中MAP层次列表中的最底层MAP地址，和NAR中MAP层次列表中的地址从最底层到最高层依次对比，如果发现有与其相同的MAP地址，则该MAP即为两个层次列表的最近共同根节点，停止搜索；若没有发现，则再采用PAR中MAP层次列表中的倒数第二层MAP地址重复进行对比搜索，这样依次循环此操作直到找到最近根节点，停止搜索；若PAR中MAP层次列表中的最高层MAP地址进行对比搜索后，仍然没有找到与其相同的MAP地址，则认为没有找到两个层次列表的最近共同根节点。

6.如权利要求1所述的一种HMIPv6切换性能优化方法，其特征是，所述Step3中对新MAP进行注册的情况下，具体切换过程实现如下：

1）MN向PAR发送FBU消息，PAR收到后，就会向NAR发送HI消息，HI包含RCoA和LCoA，NAR收到HI后，对LCoA进行重复地址检测，与此同时，NAR向NMA也发送一个HI消息，里面包含RCoA，NMAP收到后，对RCoA也进行重复地址检测；

2）一旦LCoA通过验证，NAR就立刻向PAR返回HAck消息，而不必等待NMAP返回检测结果；

3）PAR收到HAck消息后，建立PAR与NAR之间的隧道，同时向MN返回快速绑定确认FBA消息；

4）MN收到 FBA后，开始进行链路层切换，在链路层切换过程中，MN无法接收任何数据包，由于隧道的建立，原来发往MN前转交地址的数据包就会经过隧道转发到MN的新转交地址进行存储，同时，NMAP对RCoA的检测结果HAck消息也会发送给NAR；

5)与NAR链路建立连接之后，MN立刻向NAR发送一个快速邻居通告FNA消息，通知NAR把缓存的数据转发给MN，同时，NAR还向MN发送一个快速绑定确认FBA消息，告知MN 新RCoA也已经通过验证；

6)MN收到FBA后，立刻向NMAP发起本地绑定更新LBU，完成LCoA与RCoA的绑定，NMAP返回本地绑定确认LBA消息给MN；

7)MN收到LBA后，向家乡代理HA和通信对端节点CN发送绑定更新BU消息，完成RCoA与MN家乡地址的绑定，至此，切换过程结束。

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