基于WLAN的移动IPv6切换边缘检测技术研究
时间：2022-02-01 03:20:24
摘要:以对比MIPv6各种常用移动检测方法为基础,提出一种无线局域网环境下移动IPv6低延时移动检测算法。它能在实现快速切换的同时,对节点移动性的检测不需要链路层的触发机制支持,采用边缘主动检测模型减少切换检测产生的延时,降低切换检测过程的负荷。
关键词:移动IPv6;HMIPv6;切换;检测
中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)14-3768-03
Study on Wireless LAN-based Detecting Technology For MIPv6 Handover
SHAO Tie-cheng, CAO Jia-lian
(Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)
Abstract: Comparing the most used methods of movement detection , this paper proposes a way for low-delay mobile IPv6 movement detection in wireless LANs. Without using Layer II triggers, it employs boundary detection model to reduce the delay and the cost of handover detection.
Key words: MIPv6; HMIPv6; Handover; Detect
1 引言
IETF提出的移动 IPv6 协议(MIPv6, Moblie IPv6)是下一代网络实现无缝漫游的一种基本技术。移动IP网络漫游切换过程中包括移动检测过程和注册过程,切换时延相应分成两个部分:移动检测和注册时延。移动节点MN(Mobile Node)通过移动一定的检测算法,通过对周期性广播消息进行判断来确定自己所在的链路,检测算法决定了移动检测过程所需的时间。常用的移动检测有松散信元交换LCS(Lazy Cell Switching),前缀匹配PM(Prefix Matching),饥渴信元交换ECS(Eager Cell Switching)等。
本文在无线局域网的环境下,结合考察了已有的非均匀主动检测模型,提出一种新的边缘主动检测方案,以求可观地减少移动检测产生的时延,而且可以广泛应用于现在的无线局域网络。
2 HMIPv6 (Hierarchical Mobile IPv6)
IETF把移动节点MN的移动分为两类:一类是宏移动(移动结点MN从一个访问网络移动到另外一个访问网络),再者就是微移动(这类移动的区域小、发生的频率高,只限定在某个区域内)。研究表明有近70%的移动是微移动,因此如何在这种微移动下提供快速、无缝的无线网络访问是提高移动节点漫游性能的一个关键所在。
HMIPv6 立足于MN的微观移动性提出“域”(Domain)概念,并在每个域中配置一种称为移动锚点MAP(Mobility Anchor Point)的新实体(如图1所示),其功能是充当所在域内MN的“本地”家乡HA(Home Agent)。MN在一个MAP域中使用两个转交地址:链路转交地址LCoA(on-link care-of address)和区域转交地址RCoA(regional care-of address),其中LCoA用于向 MAP注册, RCoA则是用来进行家乡注册和通信注册。
在微移动时通过在移动节点MN移动发生相对频繁的区域内设置MAP辅助移动节点MN快速完成切换。引入MAP和移动节点区域转交地址RCoA和链路转交地址LCoA后移动节点在域内移动将不发送绑定更新消息给家乡和通信节点,仅仅发送绑定更新消息给MAP,如此就大大减少了发送消息的数量,从而提高切换速度。图2为HMIPv6(Hierarchical Mobile IPv6,层次化移动IPv6)的网络结构,其中AP(Access Point)为接入点。
3 边缘主动检测模型
网络切换性能标准包括切换延迟和丢包率,切换延迟是主要衡量标准,它由三部分组成:
切换顺序延迟:网络切换的固有顺序引起的,例如必须先发生Layer 2 Handover,又称链路层切换,再发生Layer 3 Handover,又称网络层切换。
绑定更新延迟:指发送与确认绑定更新过程的延迟。
接入发现延迟:由移动节点的移动检测开始到检测结束的过程而引起的,主要原因是路由广播频率太低。
现在的技术阶段无线局域网中链路层协议不支持链路层触发机制,要采用链路层触发机制必须修改链路层协议。本文结合无线局域网的特点,在已有的非均匀主动检测模型的基础上设提出了一种新的边缘主动检测方案减少移动检测产生的时延。
3.1 非均匀主动检测模型
在实际的使用中通常所用到的检测方法都是被动的,AR(Access Router)必须不停的发送RA(Router Advertisement)消息,会占用大量的资源;而通过L2层消息触发切换则不符合网络设计的原则。在无线局域网中,无限局域网物理设备可以向网络层提供MN当前接入点AP(Access Point)的MAC地址, MN可以通过检测AP的MAC地址变化来检测MN移动的情况。有研究者提出了一种非均匀主动检测模型,在这种检测方式中,MN通过接入路由AR(Access Router)获得该子网内接入点AP的MAC地址,在移动过程中,MN每隔一段时间就进行检查,若MAC地址与当前的不匹配,则表明MN已经移动到了新的AP中,通过与缓存中的MAC地址对比就能知道是否进入了新的子网中。检测间隔是决定移动检测性能的关键因素。检测间隔太大会造成切换的时延变长;检测间隔过小会给MN带来过重的负担和资源浪费。为缓解效率和资源的矛盾,减小检测时延和频繁检测给MN造成的负担,非均匀间隔检测算法的基本思想是根据MN的切换强度来选择切换间隔。图3表示其网络结构。
假设当前MN所处的位置到接入点AP距离为x,该AP最大覆盖范围半径为d,定义S(x)为MN到AP的距离为x时的切换强度,下面两个式子给出了MN进行切换检测的时间间隔:
(1)
式(1)为检测间隔压缩特性,β为间隔比例,μ为压缩参数。式(2)为检测间隔时间计算公式,Δt为间隔时间,Tmax为最大检测时间,平均检测时,检测间隔取Tmax/2。S(x)为MN在x处发生切换的概率,强度越大,切换概率越大。MN决定是否进行切换的条件是无线信号的强度或信噪比下降到一定的阀值,一般有:P(x1)≥P(x2),(x1≥x2≥0),P(x)表示MN在距AP为x处的切换概率,当MN距AP越远,发生切换的概率越大。在非均匀主动检测模型中,采用μ压缩律,当MN在接入点AP覆盖范围的边缘来回地进行乒乓切换时MN会选择以极短的切换间隔进行检测,会大大加重节点的负担。而且在切换强度的选择上该方案并没有给出可信的表达方式。下面在分析非均匀主动检测模型的基础上,对其算法进行优化,提出边缘主动检测模型。
3.2 边缘主动检测模型
边缘主动检测模型在相同的网络结构,在算法上采用A压缩律并有一定的修改,使检测间隔有两个阀值。在接入点AP覆盖范围的边缘来回进行乒乓切换时MN会选择以有界限值的切换间隔进行检测,减轻了检测对MN造成的负担,对检测间隔具有更高的压缩性能。决定MN检测间隔的计算式如下:
其中(3)式表示检测间隔压缩特性,其中β为间隔比例,A为压缩参数,可以保证β最大为1而最小不低于1/(1+LnA),这样在发生乒乓切换时也不会太大增加负担。而(4)式是检测间隔时间计算公式,Δt为间隔时间,Tmax为最大检测时间(使用平均检测时,检测间隔取Tmax/2)。切换强度S(x)为MN在x处发生切换的概率。因为决定MN是否进行切换的条件是无线信号的强度或信噪比是否达到阀值。一般距离AP越远切换发生的可能性越大:P(x1)≥P(x2),(x1≥x2≥0),P(x)表示MN在距接入点AP为x处的切换概率,P(x)与x应当成正比关系,当MN距离AP越远,发生切换的概率越大。在不考虑其它因素的情况下,切换概率与距离成正比,取:
其中v为无线信号的传播速度,RTT为信号往返时间(Roun Trip Tune)。MN采用上述算法确定的检测间隔对其接入点AP的MAC地址进行检测,以确定其是否发生切换。若接入点AP的MAC地址与当前不匹配,则MN移动到了新的AP中,通过与缓存中的MAC地址对比就能知道是否进入了新的子网中。MN检测到切换发生后,接下来就需要获得当前路由器的IP地址,MN向AR发送路由通告请求,接入路由AR响应此请求发送带有MAP选项的路由通告消息。MN可以获得其链路转交地址LCoA和区域转交地址RCoA。完成移动检测并获得两个转交地址后,就可以按照普通的切换机制完成后续的切换工作了。
4 边缘主动检测的性能分析
4.1 检测间隔的压缩特性
由公式(3)可以得出如图4所示的检测间隔压缩特性曲线,可以看出,在采用边缘主动检测模型时当MN发生切换的强度较小时,间隔比例较大,而当MN发生切换的强度越大,间隔比例越小。因此,按照式(4)决定取用检测时间间隔比例,MN能够在发生切换概率小的位置上降低检测频率,减轻节点的负载。切换发生概率大的位置上减小检测间隔,缩短切换检测时延。同时在A取不同值时(一般取A=e6),间隔比例变化趋势不同,当A增大时,检测间隔的压缩效果明显增加。
4.2 切换检测性能分析
设接入点AP覆盖范围是以d为半径的圆,在理想环境的情况下(即忽略其他干扰因素),可知x的分布函数为:
(7)
则其密度函数为:
(8)
可以得知当时,由此可得间隔比例的数学期望为:
(9)
由式(9)可以求得A=e6时E(β)≈0.78。当Tmax=20毫秒时,检测间隔时间的数学期望为E(t)=TmaxE(Δt)=TmaxE(β)=15.7毫秒,大于以10ms为周期的均匀检测时间间隔,也大于非均匀主动检测算法的检测间隔时间的数学期望。从而减少了平均检测次数,且A值越大,平均检测次数越少。
根据图2来验证一个使用边缘主动检测模型,设最大检测时间20毫秒,接入点AP覆盖范围的半径为50米,MN从AP2出发以5米/秒的速度直线向AP3移动,则发生切换的距离为49米,由式(4)得Δt=9.0毫秒,平均检测时延为4毫秒,而均匀检测时,检测间隔为10毫秒,平均时延为5毫秒。由此例可以得出结论,使用边缘主动检测模型时,检测效率与检测时延都优于使用均匀检测的方法。表1为两种检测方法的监测间隔比较,图5为三种检测方法的检测次数比较。
通过图5的比较,可以得出采用边缘主动检测机制比采用均匀检测机制的效率提高了40%,减少了的平均检测时间20%,比非均匀主动检测机制提高了10%左右的效率。
5 结束语
本文在对比了MIPv6各种常用移动检测方法的基础上,提出一种边缘主动检测的移动检测算法。它能在实现快速切换的同时,对节点移动性的检测不需要链路层的信标或触发的支持,只需在网络层实现;对链路层的切换采用非均匀测的方法,在有效降低移动检测时延的同时,减轻了移动点的负担;在接入点的边缘采用最小门阀值进行检测,减少了乒乓式切换时的负担,是非常具有实用性的检测方法。
参考文献:
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