戰術環境下資源預留機制擴展研究*

吳 海，李 璞

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

戰術環境指的是以戰術通信網為主體，包括互聯的無線電臺、路由交換節點、計算機硬件和軟件的集合[1]。戰術環境中，隨著戰術任務的展開，用戶任務節點會穿越不同接入點的無線覆蓋區域，由此帶來會話切換和服務質量重協商的問題。通常的解決方案是采用移動IPv4協議解決會話切換問題，采用資源預留協議解決服務質量協商問題。實際應用中，移動IPv4由于協議機制問題，存在切換時延過長、數據包丟失嚴重的問題。而標準的資源預留協議[2]，并沒有對終端的移動應用進行優化。在無線移動環境中，隨著終端的移動，其轉交地址發生改變，需要通信雙方重新交互信令預留資源，會帶來預留恢復時間長、信令開銷大的問題。為了提升用戶切換過程的業務通信體驗，需要針對戰術環境設計高效的切換機制和服務質量協商機制。

在移動IP協議方面，IETF基于IPv6提出FMIPv6協議。該協議針對無線移動環境進行優化，通過將網絡層切換的部分操作提到鏈路層切換之前，加速了切換過程的完成，且有效解決了移動IPv4在IP地址、路由優化、安全性和擴展性等方面的問題。

在資源預留協議方面，目前的研究方向主要可以分為提前預留、路徑擴展和公共路徑利用三類。提前預留方面，Talukdar等人提出MRSVP協議[3]。該協議通過對節點的移動軌跡進行預測，在節點可能訪問的區域進行提前預留資源，以解決QoS恢復時間過長的問題。但是，提前預留的資源不一定會被真正使用。在多個鄰居區域中無差別地進行提前預留，會造成資源的極大浪費。路徑擴展方面，Gwo-Chuan Lee等人提出了轉發鏈方案[4]?！稗D發鏈”被用來跟蹤移動節點在域內的移動軌跡。移動節點每次移動，其轉發鏈就會增加一段擴展路徑。數據先被轉發到某個固定的路由器，然后通過轉發鏈發送到移動節點當前的區域。該方案的優點是舊預留路徑被完整保留，新預留路徑可以迅速建立；缺點是新路徑并不是通信對端到移動節點的最佳路徑。公共路徑利用方面，Q.Shen等人提出交疊路由器識別方案[5]。該方案的基本思想是充分利用已有的預留，減少重新預留路徑的長度。

FMIPv6協議的提出和資源預留協議研究的成果，為戰術環境下服務質量會話問題的解決提供了新的契機。本文以FMIPv6協議框架為基礎，結合資源預留機制，引入公共路徑利用和提前預留思想，提出一種適用于戰術環境的QoS會話快速恢復方案。

1 優化擴展方案

1.1 方案概述

移動伴隨著切換，通常資源預留協商過程和移動管理過程獨立順序執行，導致協議整體效率不高；切換完成后，移動節點（Mobile Node，MN）和通信節點（Communication Node，CN）進行端到端重協商，需要經歷兩次往返過程，才能恢復QoS會話。

方案的設計出發點如下：（1）充分利用FMIPv6的過程擴展HI消息，擴展后的消息能夠攜帶資源預留的QoS信息，為移動管理與資源預留兩個過程的合并提供前提條件；（2）把資源預留標識和路由標識分離。使用移動節點的家鄉地址標識預留的資源，使用移動節點的轉交地址進行路由轉發，這樣當移動節點的轉交地址發生改變后，仍然可以使用之前的預留，使利用公共路徑資源成為可能；（3）發現路徑上的交疊路由器，利用交疊路由器完成新舊預留路徑的拼接，優化轉發隧道，限制信令交互范圍。

1.2 信令擴展

為了將會話切換和QoS協商融合，需要對FMIPv6協議的HI消息進行擴展，如圖1所示。

圖1 信令擴展

信令擴展新定義一種HI消息的選項。其中，發送者模板描述數據源信息；發送者特征描述數據流特征；上一跳信息描述該狀態信息的上一跳路由器的地址；QoS特征描述流量的QoS需求；家鄉地址用于替代轉交地址標識會話，為應用層數據流在網絡層提供一個不隨節點移動而改變的唯一流標識。

1.3 信令交互流程

擴展后的方案遵循FMIPv6的框架結構和協議流程。假設節點移動到舊接入路由器邊界并觸發了快速切換機制。切換與資源預留過程如圖2所示。

圖2 信令交互過程

（1）MN使用鏈路層機制發現有可用接入點，并將它們的標識符包含在發送給前接入路由器（Previous Access Router，PAR）的路由器代理請求消息（Router Solicitation for Proxy Advertisement，RtSolPr）中。

（2）收到RtSolPr消息后，PAR查找接入點標識符對應的新接入路由器（New Access Router，NAR）信息。PAR將新轉交地址和NAR信息封裝在發送給MN的（Proxy Router Advertisement，PrRtAdv）消息中。

（3）收到PrRtAdv消息后，MN發送快速綁定更新消息（Fast Binding Update，FBU）給PAR，更新PAR中的地址信息。

（4）收到FBU后，PAR將MV的QoS信息通過HI捎帶發送給NAR。中間路由器通過HI消息中的信息判定自己是否是交疊路由器（Cross Access Router，CAR）。判定CAR的方法：PAR向NAR發送HI消息，消息的目的地址為NAR；中間路由器比較HI消息中的家鄉地址、轉交地址和前一跳字段；如果家鄉地址字段一致且轉交地址字段和前一跳字段均不相同，那么該路由器就是CAR。

（5）NAR向PAR回復切換應答消息（Handover Acknowledge，HAck）， 觸 發 PAR器 發 送 快 速綁 定 應 答 消 息（Fast Binding Acknowledgment，FBack）。CAR路由器可以從NAR的切換HAck消息中獲知本次切換成功，則根據本地保存的QoS信息向NAR建立資源預留通道，并刪除它到PAR的資源預留通道，從而完成新舊預留通道的拼接。

（6）MN到達NAR后，發送快速鄰居公告（Fast Neighbor Advertisement，FNA）給NAR，作為響應NAR發送緩沖的數據分組給MN，至此QoS會話完成恢復。

2 方案性能分析

為了驗證本文提出的方法，下面通過數學建模的方法分析新方法對QoS會話恢復時延的改善效果。為了便于表述，下面用PRSVP表示FMIPv6與RSVP簡單配合的方案，用FMRSVP表示本文提出的方案。

這里采用如圖3所示的完全二叉樹拓撲結構，且移動節點在二叉樹的葉子節點的覆蓋范圍移動。這里對葉子節點的路由器從左到右進行標號（從0到n）。MN處于編號為i的路由器的覆蓋范圍，就認為MN處于狀態i。

圖3 網絡拓撲

QoS會話恢復時間D由會話切換完成時間和資源預留完成時間組成。

對于PRSVP方案，資源預留協商是在會話切換之后開始，所以該方案QoS的恢復時間為：

對于FRSVP方案，資源預留協商時在NAR接收到HAck消息之后開始，所以該方案的恢復時間為：

表示CAR接收到HAck消息之前所需的時間，兩個方案是相同的，這里不妨將其設置為固定值對于FRSVP方案，實際應用中，資源會話協商的延遲遠遠大于會話切換中HAck、FBAck以及FNA消息傳輸所產生的延遲，即：

所以，式（1）和式（2）可依次簡化為：

信令消息在網絡中經歷的延遲為傳輸延遲、傳播延遲、處理延遲以及隊列延遲之和。這里，將其進行簡化，認為延遲僅僅與消息經過路由設備的跳數d有關，設定延遲為1，所以：

表示進行資源協商時，協商信令需要經過的路由器的跳數。對于PRSVP方案，每次切換后需要進行端到端的資源重協商，對于k層網絡，有對于FRSVP方案，每次切換后進行部分資源重協商，的取值取決于所處的接入點的位置。在深度為k的網絡中，取值范圍從1～ 1k?。以MN所處的路由器的編號為隨機變量，MN下一時刻所處的路由器的編號僅與當前時刻所處路由器的編號有關，而與過去時刻所處路由器的編號無關，因此可以將其建模為馬爾科夫過程。狀態轉移圖如圖4所示。

圖4 節點狀態轉移圖

i表示MN所處的路由器的編號i從左到右依次編號MN處于狀態i的物理含義為MN處于編號為i的路由器的覆蓋范圍； ()P i表示MN處于狀態i的穩態概率；α表示MN從一個接入路由器向右移動到達一個相鄰接入路由器的概率。

根據狀態轉移圖，可以得到平衡方程：

由所有狀態概率和為1，可得：

令則：

由二叉樹的性質可得，當MN以標號在等差數列 an集合中的路由器為起點向左右移動時，的數學期望為：

SL表示的等差數列的集合，這里是為了獲取兩種協議的相對值，鏈路延遲的具體值無關緊要，不妨令鏈路延遲1D=、0.68=α。通過matlab工具得到隨著網絡深度的增加，兩種協議的預留恢復時間的對比圖，如圖5所示?？梢钥闯?，隨著網絡規模的增大，FRSVP的具有QoS保障的會話的恢復時間預留延遲遠遠小于PRSVP。

圖5 方案對比結果

3 結 語

本文針對戰術環境下傳統方案的問題，在研究FMIPv6切換機制和資源預留機制的基礎上，通過擴展FMIPv6的信令接口和資源預留模型，提出了一種FMIPv6和資源預留融合方案。最后，通過數學分析，證明本方案在二叉樹型網絡拓撲下，相對于傳統方案，在會話恢復時延方面具有明顯優勢。

[1] 王建,劉益和.無線實時數據通信對等網絡架構方案[J].通信技術,2009,43(03):170-172.WANG Jian,LIU Yi-he.Peer-to-Peer Network Architecture Scheme for Wireless Real-time Data Communication[J].Communications Technology,2009,43(03):170-172.

[2] 姚玉坤,王智,杜韻橋.HMIPv6協議中提高移動業務QoS的策略分析[J].通信技術,2007,41(05):36-38.YAO Yu-kun,WANG Zhi,DU Yun-qiao.Analysis of QoS Strategy on Improving Mobile Service in HMIPv6[J].Communications Technology,2007,41(05):36-38.

[3] Talukdar A,Badrinath B.MRSVP:A Resource Reservation Protocol for an Integrated Service Network with Mobile Hosts[C].Wireless Networks,1999,7(01):5-19.

[4] Gwo-Chuan Lee,Tsan-Pin Wang.Resource Reservation with Pointer Forwarding Schemes for the Mobile RSVP[J].Mobile Networks and Applications,20005(07):298-300.

[5] Shen Q,Seah W,Zheng H,et al.An Interoperation Framework for Using RSVP in Mobile IPv6 Networks[C].Wireless Communication,1998,12(03):691-705.