基于位置更新與數據轉發分離的NEMO優化機制

湯紅波，唐 偉，王領偉

（國家數字交換系統工程技術研究中心，河南 鄭州450002）

0 引 言

IETF在移動IPv6的基礎上提出了移動網絡基本支持協議 （network mobility basic support，NEMO－BS），該協議在網絡物理和拓撲結構發生變化時能夠執行整體切換，有效地減少切換信令的數量，實現了對網絡整體移動性的支持[1]。由于NEMO是由傳統移動IPv6擴展而來，它仍是一種基于主機的移動性管理方案，需要對移動終端的協議棧進行修改，增加了終端的復雜度，而且大量信令在無線鏈路上傳輸，容易造成切換的不穩定和網絡資源開銷過大等問題。相比之下，代理移動IPv6（proxy mobile IPv6，PMIPv6）[2]作為最基本的基于網絡的移動性管理協議，不需要終端參與移動性管理過程，降低了用戶開銷，節省了無線網絡資源，便于對網絡的管控和優化，因而得到廣泛關注。

為了在PMIPv6域內提供對移動網絡的整體性支持，現有解決方案引入大量額外的信令交互開銷。當子網快速移動、頻繁切換時，信令開銷將大幅增加，如果系統開銷超過了各實體的處理能力，會引發網絡堵塞，甚至導致服務中斷。另一方面，LMA作為域內移動性控制管理、數據包轉發的錨節點，在面臨較大開銷時很容易產生過載問題，導致用戶通信質量下降。

文獻[3]擴展PMIPv6域，實現對NEMO整體性的支持，但多重隧道封裝開銷較大。為了降低隧道開銷，文獻[4]提出基于中繼的解決方案，由中繼站對數據包進行直接轉發，但帶來了額外切換開銷。上述兩種方案未能綜合考慮優化過程中產生的信令開銷和分組封裝開銷，無法在兩者之間取得合理均衡，限制了方案整體性能的發揮。為了提升LMA可靠性，文獻[5]提出一種在不同域的LMA之間進行消息交互的方法，但并未解決在同一個域內集中大量數據流導致網絡堵塞的問題。

本文提出一種基于位置更新與數據轉發分離的移動網絡優化機制 （locate updating and packet forwarding separation based optimization mechanism for NEMO，LUPFSNEMO）。該機制引入專門負責位置信息管理的新功能實體，充分利用架構中各實體上的綁定緩存消息，優化信令流程，實現控制平面和數據平面的分離，從而降低了網絡總開銷，避免LMA服務能力下降。分析和仿真結果表明，本方案降低了總開銷，提升了系統可靠性。

1 相關工作和問題分析

1.1 NEMO－BS和PMIPv6協議基本原理

如圖1（a）所示，當NEMO運動到外地網絡，通過接入路由器 （access router，AR）訪問Internet，NENO－BS協議將整個網絡的移動性管理功能集中到移動路由器 （mobile router，MR）上，由MR向其家鄉代理 （home agent，HA）注冊當前轉交地址 （care of address，CoA），保證家鄉地址 （home of address，HoA）的全局可達性。MR與HA之間通過發送綁定更新 （binding update，BU）和綁定確認 （binding acknowledgement，BA） 建 立 IPv6－in－IPv6的雙向隧道，負責對來自通信對端 （correspondent node，CN）的數據包進行解封裝，并轉發到NEMO內的移動網絡節點 （mobile network node，MNN）。在NEMO發生整體移動的過程中，內部的節點無法感知到接入點的變化，因而可以保證移動的透明性。

圖1 PMIPv6和NEMO－BS協議的基本原理

如圖1（b）所示，PMIPv6協議引入兩個新的移動性管理實體:本地移動錨點 （local mobility anchor，LMA）和移動接入網關 （mobile access gateway，MAG）。LMA類似NEMO中的 HA，作為移動節點 （mobile node，MN）在PMIPv6域內的拓撲錨點，負責維持MN在域內的可達性。MAG類似NEMO中的AR，可以檢測移動節點的接入或離開，代替MN完成移動性管理。LMA與MAG之間通過發送代理綁定更新 （proxy binding update，PBU）和代理綁定確認 （proxy binding acknowledgement，PBA）建立雙向隧道。數據包可通過該隧道到達MAG，再由MAG路由至MN。當MN在MAG之間移動時，收到由LMA分配同樣的家鄉網絡前綴 （home network prefix，HNP），即認為自己仍在家鄉網絡域內，從而無需重新配置IP地址，維持了通信的連續性。

1.2 現有機制不足

基于擴展PMIPv6域的N－PMIPv6機制[3]，將 MR所屬的移動子網擴充入PMIPv6域，即把MR看作移動MAG與LMA進行移動性信令的交互。LMA具有遞歸的綁定緩存查詢機制，采用多層隧道封裝的方法將數據包發送到正確的MAG以及對應的MR，最終轉發到目的節點MNN。此外，為了追蹤MNN正確的位置信息，MR需要向LMA發起綁定更新過程，所建雙向隧道的端點為MR和LMA。當MNN在同一個MAG下的不同MR之間移動時，MR和LMA之間的隧道仍需要被更新和維護，造成不必要的無線資源浪費。N－PMIPv6雖然解決了在PMIPv6域內實現NEMO支持的問題，但隨著網絡組成結構復雜度增大，多層封裝隧道在信令開銷和傳輸效率方面的問題越來越嚴重。

為了解決N－PMIPv6機制多重隧道封裝造成隧道開銷過大的問題，Pack提出基于中繼的解決方案rNEMO （relay－based NEMO）[4]，在PMIPv6域內部署簡單的放大轉發或者解碼轉發中繼站，對移動性信令和數據包進行中繼，但是該中繼站不具有移動性管理功能，因此切換時需要為每個MNN進行額外的切換信令交互。

通過以上分析不難發現，當網絡結構復雜或者移動節點數量增加時，這兩種方法會產生較大的多重隧道頭部開銷或者位置更新信令負荷，耗費了位置信息管理節點LMA的計算和處理能力。當PMIPv6域內信令開銷過大時，作為移動性管理和數據包分發中心錨點的LMA會由于瓶頸效應引發可靠性問題，給系統和用戶造成較大損失。

2 LUPFS－NEMO優化機制

2.1 網絡模型與數據包路由

借鑒文獻[6，7]提出的互聯網分離思想，本節給出了基于PMIPv6的NEMO位置更新與數據轉發分離的網絡模型。如圖2所示，NEMO應用的目標是使域內MD（MN、MR及MNN）能在不改變IP地址的前提下保持通信的連續性。為提高移動性管理的靈活性，LUPF－NEMO機制采用控制平面與數據承載平面相分離的網絡架構，LMA不再實現移動性管理和數據轉發的雙重功能，而是單程進行數據包的轉發，位置管理功能則由新增加的移動性管理功能實體－代理位置更新客戶端 （proxy location update client，PLUC）實現。PLUC和LMA部署在一起，與LMA進行PBU／PBA信令的交互，可通過在路由器上增加相關功能簡單升級實現。當MAG探測到MD執行二層切換后，MAG會觸發PLUC與LMA完成位置綁定更新過程。

圖2 位置更新與數據轉發分離的網絡模型

在PMIPv6域中部署NEMO后，MD的地址無法被直接路由，而現有采用多重隧道封裝的辦法會帶來較大的傳輸開銷。為此，本方案借鑒PNEMO的思想優化數據路由機制，充分擴展移動性管理實體上的緩存消息，使用擴展的路由信息策略來替代隧道機制完成數據包的轉發，降低了封裝開銷。

PLUC分配不同的HNP給MD，與MAG交互移動性信令完成位置信息管理過程。表1是PLUC為域內MD建立的代理綁定緩存入口 （proxy binding cache entry，PBCE）消息，該PBCE消息包含標識節點身份的網絡訪問標識符（network access identifier，NAI）、上層路由器、HNP、代理轉交地址 （proxy－CoA，pCoA）和 “N”標志等。新增的“N”標志表示該 MD為NEMO下的 MNN，和直接接入MAG的MN相區別，減小了實體重復檢測節點類型帶來的額外信令開銷。

圖3 PFLUS－NEMO機制信令流程

表1 代理綁定緩存入口

LMA負責完成PMIPv6域內的數據轉發功能，建立指向MAG的數據隧道，來自CN的數據包在LMA處會被發送到目的節點對應的pCoA。表2是MAG為附屬MD建立的隧道緩存列表 （tunneling cache list，TCL），包含節點標識、pCoA、“N”標志以及雙向隧道端口等。

作為MD的底層路由信息管理者，MAG負責維持MD的位置信息和隧道端口信息。表3給出了MAG1和MAG2分別為其上MD建立的代理綁定更新列表 （proxy binding update list，PBUL）消息，包括節點標識、上層路由器、HNP和 “N”標志等。

表2 隧道緩存列表

表3 代理綁定更新列表

轉發數據包時，LMA查看TCL中目的節點的HNP項，對應的pCoA即為數據包的下一跳。LMA和MAG之間通過隧道將數據包進行分裝，而其它傳輸路徑可以對數據包進行直接轉發。MAG的PBUL擁有所屬的MR和MNN的所有路由信息，MAG和LMA之間只需要一個隧道頭部，沒有產生其它隧道頭部開銷。從MR角度看來，MAG相當于LMA的 “代理”。通過擴展的PBCE和PBUL消息，PLUC和MAG共同管理MD位置信息，實現對MD位置信息的獲取和更新。LMA和MAG利用擴展的TCL和PBUL消息，共同掌控雙向隧道端口信息，實現對目的MD數據包的準確路由。

2.2 信令流程

圖3顯示的是LUPFS－NEMO機制的信令流程，分為兩個基本場景:初始接入過程和切換過程。

2.2.1 初始接入過程

步驟1－3 MAG1通過路由申請 （router solicitation，RS）探測到 MR的接入后向PLUC發送含有 MR＿ID，MAG1＿IP內容的PBU消息，PLUC為其新建PBCE，向LMA發送隧道請求消息 （tunneling request，TReq），該TReq中含有MR現在的地址代理家鄉地址 （proxy－HoA，pHoA）及MAG1的地址pCoA＿MAG1等信息。

步驟4 LMA接收TReq后，判斷隧道操作類型，建立TCL并添加指向MAG1的單向數據隧道，建立pHoA和pCoA的映射，向PLUC發送隧道確認消息 （tunneling acknowledge，TAck）。

步驟5－6 PLUC接收TAck后，向MAG1發送LMA地址、HNP的移動選項的PBA。MAG1從PBA中提取出LMA地址，建立指向LMA的單向隧道并路由通告 （router announcement，RA）HNP給 MR。MR根據分配的HNP配置地址。

2.2.2 初始接入過程

步驟7－9 當MR從MAG1域中離開并進入MAG2域，PLUC更新其上的PBCE后向LMA發送TReq消息。LMA更新TCL，調整隧道端口為指向MAG2，并分配同樣的HNP。MD在不同MAG域間切換位置發生改變時，LMA通過 “N”標志確定節點屬性，減少了發送位置更新信令次數，從而降低了位置開銷。

步驟10－12 LMA向 MAG2回送TAck，而PLUC將LMA地址通過PBU發至MAG2，MAG2建立指向LMA的單向隧道。MAG2將HNP信息通知MR，這樣在MR看來，鏈路狀態并未發生變化。

3 性能分析和仿真

3.1 參數假設

為從總體上比較LUPFS－NEMO、N－PMIPv6、rNEMO和N－NEMO這4種方案的性能，本節記位置更新開銷為CL，數據隧道開銷為CP，則T時間內網絡總開銷為CTotal＝CL＋CP。假設實體內部的會話到達時間服從指數分布，會話到達速率為λ，平均會話長度為E。MAG的平均穿越率為μ，則在T時間內穿越MAG的次數是μ·T。根據文獻[8，9]定義相關參數意義見表4。

表4 相關參數意義

這里不妨規定:CRS＝CRA＝C1，CPBU＝CPBA＝C2。

3.2 開銷分析

3.2.1 NEMO機制

MR代替子網內所有節點完成切換信令操作，MR與HA通過BU／BA方式完成MNP＿MR和CoA＿MR的綁定過程，這里認為BU／BA的開銷與PBU／PBA大致相等，這樣其位置更新開銷可以表示為

式中:α——無線鏈路單位長度傳輸開銷系數。

當HA收到來自CN的數據包，會在數據包上添加IPv6隧道頭部之后發送至MR，MR收到隧道過來的數據，解封裝后將數據包發送至MNN，因此數據隧道開銷可以表示為

3.2.2 N－PMIPv6機制

MAG代替附著在MR上的MNN進行位置更新信令過程，因此不管NEMO內MNN數量多少，N－PMIPV6的位置更新開銷是不變的，可以表示為

式中:β——有線鏈路的單位長度傳輸開銷系數。

當LMA收到來自CN的數據包，會在數據包上添加內外兩個IPv6隧道頭部。當MAG收到隧道過來的數據，解封裝外部隧道頭部后將剩余數據包發送至MR，而MR需要解封裝內部隧道頭部，因此數據隧道開銷可以表示為

3.2.3 rNEMO機制

MAG可以探測MR／MNN的接入和離開，并和LMA通過PBU／PBA消息進行注冊和注銷過程。而當NEMO進入另一個MAG的時候，MNN和MAG之間進行RS／RA消息的交互，位置更新開銷可以表示為

式中:N——子網內MNN的數量。

所有由CN傳輸的數據通過MAG和新增的中繼站路由至MNN，隧道開銷只發生在LMA和MAG之間的有線鏈路上。因此，rNEMO的數據隧道開銷可以表示為

3.2.4 LUPFS－NEMO機制

檢測到MR的接入后，MAG發送PBU消息告知PLUC關于節點的信息，由PLUC管理NEMO內的節點位置信息。LMA和PLUC部署在一起，它們之間有線鏈路上的信令開銷可以忽略不計，LUPFS－NEMO位置更新開銷可以表示為

當LMA接收到目的地址是MNN的數據包后，在BCE內檢查對應MAG的IP地址，確定節點屬性后，LMA只需要在數據包附加一個PMIPv6隧道頭部后發送給MAG。在MAG和LMA之間除了PMIPv6隧道頭沒有產生其它隧道，故隧道開銷可以表示為

3.3 性能驗證

為驗證所提方案的可用性、合理性，采用NS－2仿真工具，網絡拓撲結構取圖2，性能分析相關參數取值[10]見表5，將以上開銷解析結果與實驗仿真數據進行對比分析。

表5 性能分析相關參數

圖4為μ＝0.1次／s，α＝2，β＝0.5的情況下，各方案的系統總開銷隨會話到達率λ的變化情況。當網絡內數據流量提升，會話到達率增加時，多重隧道封裝開銷對總開銷產生重要影響，因此 N－PMIPv6的總開銷較多。LUPFS－NEMO和rNEMO有相同的數據隧道開銷，但rNEMO每個節點需要更多的位置更新開銷，因而LUPFS－NEMO開銷更低。機制，只需一層PMIPv6隧道頭部，因而總開銷更小。

圖4 總開銷隨λ的變化

圖5 總開銷隨μ的變化

圖6 為μ＝0.1次／s，λ＝0.2sessions／s，β＝0.5的情況下，各方案系統總開銷隨無線鏈路的單位長度傳輸開銷系數α的變化情況。更新 MD位置信息時，rNEMO、NPMIPv6比LUPFS－NEMO機制在無線鏈路上發送更多的移動性信令而導致總開銷較高，N－PMIPv6總開銷更高的原因是在無線鏈路上建立了更多的PMIPv6隧道，導致隧道頭部開銷增大。

圖6 總開銷隨α的變化

圖5 為λ＝0.2sessions／s，α＝2，β＝0.5的情況下，各方案的系統總開銷隨MAG穿越率μ的變化情況。隨著切換頻繁程度的加劇，rNEMO引入的額外切換信令開銷增大而導致總開銷增加明顯。N－PMIPv6需要兩層PMIPv6隧道頭部，LUPFS－NEMO采用擴展的路由消息代替多重隧道

從上述分析可以看出，傳統NEMO在更新節點位置信息時注冊距離過長而導致開銷較大，而基于PMIPv6的解決方案可以減少無線信令的交互并且將位置更新過程限定在本地PMIPv6域。本文提出的LUPFS－NEMO機制分離了位置更新和數據轉發過程，并對MD類型加以區分，降低了系統總開銷。該機制可靠性和可擴展性較強，可適用于大規模網絡，切換策略執行效率高，占用系統資源（CPU計算周期、內存等）較少、信令負荷 （信令消息數量、交互次數等）較小，有利于NEMO在PMIPv6域中的實際部署。

4 結束語

NEMO引入PMIPv6域后面臨系統總開銷較大并且LMA可能過載的問題，本文借鑒網絡分離思想，設計了一種PMIPv6域中基于位置更新和數據轉發分離的移動網絡優化機制。該機制引入負責位置信息管理的新實體PLUC，充分利用移動性管理功能實體上擴展的信令消息，優化信令流程，實現網絡架構控制平面和數據平面的有效分離。分析結果表明，該方案降低了系統總開銷，提高了通信可靠性。

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