一种基于网络的全局移动性管理方法

摘 要：MIPv6是由IETF标准化的全局移动性管理协议，它要求MN参与移动性管理，在MN频繁切换时会带来很大的信令开销。PMIPv6基于网络的特性使其避免了开销过大的问题，但它仅适用于本地移动性管理。为此，提出一种基于网络的全局移动性管理方法。该方法采用了级联隧道，避免了隧道嵌套的开销，同时完全基于网络的特点使其避免了无线链路上的隧道开销。仿真研究表明，相对于其他移动性管理协议，该机制在信令开销和数据传输开销方面都更有优势。

关键词：移动性管理; 移动IPv6; 移动IPv6; 隧道嵌套

中图分类号：TN711-34文献标识码：A文章编号：1004-373X(2011)21-0125-04

A Method of Global Mobility Management Based on Network

CAO Da-xing, GAO Shuai, WANG Li-li, ZHANG Si-dong

(National Engineering Laboratory for Next Generation Internet Interconnection Devices, School of

Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract：

MIPv6 is a mobility management protocol standardized by the IETF, which supports global mobility of mobile terminals. However, it requires participation of the MN, which induces high mobility signaling overhead when the MN frequently hands over between subnets. PMIPv6 is proposed to reduce the signaling overhead by using network-based mobility management. However, it only supports localized mobility management. A network-based global mobility management scheme is introduced. It embodies all the advantages of MIPv6 and PMIPv6, which introduces cascaded tunnel instead of nested tunnel and avoids the tunnel on wireless. Simulation results show that the method has advantages in both signaling and packet transmission compared with other mobility management schemes.

Keywords： mobility management; MIPv6; PMIPv6； nested tunnel

收稿日期：2011-05-11

基金项目：国家自然科学基金(60903150);北京交通大学基本科研业务费(2011JBM002)

0 引 言

近年来，无线网络技术和应用服务的迅速发展开创了移动计算时代。于是IETF(Internet Engineering Task Force)开始了移动性协议的研究和标准化工作。移动IPv6［1］(Mobile Internet Protocol version 6，MIPv6)和移动IPv6［2］(Proxy Mobile IPv6,PMIPv6)是IETF提出的移动互联网的两大标准，它们各自都存在一些优势和不足。MIPv6是全局的移动性管理协议，但它是基于终端的移动性管理协议，存在一些弊端，如需要更新现有终端的软件、增加终端复杂性和电量消耗、大量移动性信令占用无线资源等［3］。PMIPv6是基于网络的移动性管理协议，不需要终端参与移动性管理过程，所有的移动性信令都由网络完成，这就解决了对终端的功能要求和无线资源浪费的问题。然而，基于网络的移动性管理协议也决定了它一般只能应用在本地移动性管理中，从而极大地限制了其应用场景［4］。

为了解决上述问题，参考文献［5］提出了Hybrid方案，该方案融合了PMIPv6和MIPv6的优势， MN发生域内切换时的移动性管理是基于网络的，不需要MN参与信令交互过程，而且它避免了在无线链路上传输经过封装的数据包，因此提高了其在信令开销和数据传输方面的性能。但是，在MN发生域间切换时，仍然采用基于主机的移动性管理，同时存在本地移动锚点(Local Mobile Anchor,LMA)和移动接入网关(Mobile Access Gateway,MAG)之间的嵌套隧道问题。

本文提出一种基于网络的全局移动性管理(Global Mobile Management,GMM)机制，该机制结合了MIPv6和PMIPv6的优点，在LMA和MAG之间采用了级联隧道避免隧道嵌套的开销，同时其完全基于网络的特点使其避免了无线链路隧道的开销。

1 基于网络的全局移动性管理

1.1 架构设计

全局移动性管理架构如图1所示。作为全局移动性管理设备，HA控制和管理各个签约的PMIPv6域，维护MN身份信息(家乡地址)和位置信息(转交地址)的绑定。家乡地址(Home Address,HoA)是由家乡分配的固定地址，而转交地址(Care-of Address,CoA)是MN移动到外地域时访问域本地移动锚点(Visit LMA,VLMA)的地址。

图1 全局移动性管理架构

HA主要完成下列功能：

(1) 为MN分配身份标识(HoA)，MN以此固定的地址建立所有上层应用；

(2) 通过邻居通告等机制引导发往HoA的数据包；

(3) 建立MN的HoA和CoA映射关系，这样就能够将发往HoA的数据包映射到正确的位置，而CoA是访问域中VLMA的地址，它标识了MN当前接入的PMIPv6域。

对于LMA，需要建立和MAG的隧道以支持域内移动；此外，LMA还需要和HA建立隧道，以支持域间移动。

1.2 移动性管理过程

本文提出的基于网络的全局移动性管理机制的过程和数据包转发流程如图2所示。

在GMM方法中，MN的移动分为两种，分别是本地移动和全局移动，如图1所示。MN在相同域的不同MAG之间的移动称为本地移动，在本地移动中只需要MAG和LMA之间进行信息交互，更新MN当前的位置信息。MN在不同域的MAG之间的移动称为全局移动，在全局移动中，MAG首先要和新的LMA进行绑定，之后LMA和HA之间也要进行关于MN位置更新的交互。

MN发生域内切换时，流程如下：

(1) MN切换到PMIPv6域中的MAG2，MAG2检测到MN的接入，向LMA1发送绑定更新(Proxy Binding Update,PBU)消息，其中携带MN的HoA和家乡地址(HA Address,HAA)；

(2) LMA1收到PBU消息，检查到保存了关于MN的全局绑定，于是向MAG2回复PBA消息，更新MAG和LMA之间的域内隧道，而全局隧道保持不变；

图2 全局移动性管理机制流程

MN发生域间切换时，流程如下：

(1) MN切换到PMIPv6域中的MAGm，MAGm检测到MN的接入，向LMA2发送PBU消息，其中携带MN的HoA和HAA；

(2) LMA2收到PBU消息，发现自己没有关于MN的全局绑定缓存，于是向HA发送GBU消息；

(3) HA接收到GBU消息后，把LMA2的地址作为MN的转交地址，修改绑定缓存列表中的MN的绑定条目；

(4) HA向LMA2回复GBA，LMA2向MAGm回复PBA，MAGm确认MN切换成功。

2 性能分析

信令开销主要包括两个方面：位置更新的信令开销和数据包传输的信令开销［6］。本文分析并比较了GMM和层次移动IPv6［7］(Hierarchical Mobile IPv6,HMIPv6)、Hybrid在这两方面的信令开销。信令开销定义为：跳数×信令消息大小［8］。

2.1 移动模型

本文中用到的分析模型如图3所示。

假设GMM中的本地移动域(Local Mobility Domain，LMD)和HMIPv6中的移动锚点(Mobility Anchor Point,MAP)域包含R个环，如┩3中虚线所示的六边形。每个环r(r≥0)包括6r个子网。в纱丝梢缘贸觯MAG或AR的个数N(R)(即图中小六边形的个数)可以通过以下公式得出：

И

お

图3 分析模型

MN在任意时刻从一个子网切换到另一个子网的概率为1-q，继续停留在当前子网的概率为q。在如┩3所示的结构中，如果MN当前位于环r(r>0)的┮桓鲎油，MN移动时可能以概率p+(r)移动到环r+1，或者以概率p-(r)移动到环r-1。p+(r)和p-(r)可以通过以下公式计算得出：

И

定义马尔科夫链中的状态r表示MN当前子网和中心子网的距离，也就是说如果MN当前位于环r，则表示MN当前的状态为r。αr,r+1和βr,r-1分别表示MN远离或靠近中心的概率，通过以下公式计算而来：

И

式中q表示继续留在当前子网的概率。

图4所示为随机游走模型的马尔科夫状态转移图。

2.2 开销分析

分析过程中用到的符号及意义如表1所示。

2.2.1 位置更新开销

Cg(HMIPv6)和Cl(HMIPv6)分别表示HMIPv6全局位置更新和本地位置更新的信令开销，可以由以下公

И

MN的每次移动都将触发本地绑定更新，此外，当MN位于本地域边界环R,并从R环移动到R+1环时，还需要额外进行全局绑定更新。因此，单位时间内的位置更新开销为：

2.2.2 数据传输开销

在基本HMIPv6中，数据传输的开销可以由以下公式得出：

ИИ

3 仿真及结果分析

分析并比较HMIPv6,Hybrid和GMM在位置更新和数据传输方面的信令开销。参数设置如表2所示［9］。

3.1 位置更新开销

图5表述了位置更新开销与MN在子网内的平均停留时间的关系。

图5 位置更新开销

位置更新开销随着MN在子网内平均停留时间增加而减小，这是因为MN在子网内停留的时间越长，它切换的频率越小。在HMIPv6中，无论是域内切换还是域间切换，都需要MN自己进行位置更新，因此位置更新开销最大。在Hybrid方案中，位置更新开销有所减小。这是因为在发生域内切换时，移动性管理是基于网络的，不需要MN的参与。但是在发生域间切换的时候，仍然需要MN的参与，因此它的开销要大于GMM。因为GMM是层次移动性管理，同时是完全基于网络的，因此性能最优。

3.2 数据传输开销

图6描述了数据传输的开销和会话到达率的关系。

图6 数据传输开销

HMIPv6的数据传输开销是最大的，因为数据在MAP和MN之间要经过双重隧道的封装，且AR和MN之间的无线线路上也要发送经过封装的数据包。相比而言，Hybrid协议的数据传输开销有所减小，因为它避免了无线链路上的隧道封装。GMM的数据传输开销是最小的，因为它一方面避免了双重隧道的问题。另一方面，它避免了在开销比较大的无线链路上发送封装的数据包。

4 结 语

本文结合MIPv6和PMIPv6的优势，提出了一种基于网络的全局移动性管理机制，对于MN的域内和域间切换采用不同的处理方式。数据传输使用级联隧道，同时不需要在无线链路上建立隧道，减少了开销，提高了性能。从理论分析和仿真结果可以看出，这种基于网络的全局移动性机制和其他的移动性协议相比在信令开销和数据传输方面性能最优。

参考文献

［1］JOHNSON D, PERKINS C, ARKKO J. RFC3775: Mobi-lity Support in IPv6 \[S\].\[S.l.\]: \[s.n.\], 2004.

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［3］KONG K, LEE W, HAN Y, et al. Mobility management for all-IP mobile networks: mobile IPv6 vs. proxy mobile IPv6 \[J\]. IEEE Wireless Communications (Special Issue on Architectures and Protocols for Mobility Management in All-IP Mobile Networks), 2008, 15(2): 36-45.

［4］KEMPF J. RFC4830: statement for network-based localized mobility management (NETLMM) \[S\].\[S.l.\]: \[s.n.\], 2007.

［5］YAN Zhi-wei, ZHOU Hua-chun, ZHANG Hongke, et al. Design and implementation of a hybrid MIPv6/PMIPv6 based mobility management architecture \[J\]. Elsevier Mathematical and Computer Modelling (MCM), 2010, 53(3): 421-442.

［6］YANG Y. Movement-based mobility management and trade off analysis for wireless mobile networks \[J\]. IEEE Transaction on Computer, 2003, 52(6): 791-803.

［7］SOLIMAN H, CASTELLUCCIA C. RFC 4140: hierarchical mobile IPv6 mobility management \[S\].\[S.l.\]: \[s.n.\], 2005.

［8］PEAZ A S, CHOWDHURY P K, ATIQUZZAMAN M, et al. Signalling cost analysis of SINEMO: seamless end-to-end network mobility \[C\]. San Francisco: IEEE/ACM MobiArch, 2006.

［9］PACK S, CHOI Y. A study on performance of hierarchical mobile Ipv6 in IP-based cellular networks \[J\]. IEICE Transaction on Communications, 2004, 87(3): 462-469.

作者简介：

曹大杏 女，1986年出生，河北保定人，硕士生。主要研究方向为下一代互联网和移动互联网。

郜 帅 男，1980年出生，河南济源人，讲师。主要研究方向为下一代互联网。

王利利 女，1986年出生，河南焦作人，博士生。主要研究方向为下一代互联网和移动互联网。

张思东 男，1945年出生，山东寿光人，博士生导师。主要研究方向为下一代互联网。