基于MPLS的移动IPV6网络的切换管理研究

【摘要】研究了移动IPv6网络的切换管理问题，由于移动节点在离开家乡网络接入外地网络时，要重新切换链路，出现服务质量下降或业务中断的情况，因此提出在集成多协议标签交换的移动IPV6网络中设计一种层次型切换管理方案。从MPLS的体系结构及工作原理出发，列举当前移动IPV6网络中常见的切换方法，标准的移动IPV6网络切换过程及切换性能。通过引入区域锚点来减轻层次型切换优化方案中家乡和通信对端节点处理注册信息的负担，从而减少注册延迟和切换延迟，提高切换性能。理论和仿真分析表明，所提方案的切换时延小于标准移动IPV6的时延，更好地支持主机的高速移动。

【关键词】多协议标记交换 移动互联网协议版本6 切换延迟 移动锚点

引言

3G是一个能综合实时和非实时业务、宽带业务的，满足多媒体和视频业务发展的需求移动网络通信技术。目前，移动设备越来越多，这些设备都有连接Internet的需求，如何保证这些移动设备能够得到高质量的通信服务，更好地支持端到端及多媒体等业务，已成为研究者们的热点话题。移动IP技术解决移动主机在中断通信的情况下接入网络的一种技术。由于移动节点的移动频率较高，移动节点若不及时将新转交地址（Care of Address）注册到家乡（Home Agent），就会发生数据包丢失的情况，在移动IPv6网络中，出现这种状况可以通过网间平滑切换来解决。

将多协议标签交换融合到移动IPv6后可提高网络的分组转发速度和服务质量，但两者融合后，主机的切换时延不仅要包括由移动IPv6 协议操作引入的时延，还要包括重新建立标签交换路径（LSP）的时延。当用户频繁切换时，会出现服务质量急剧下降甚至业务中断的情况。因此，研究低时延和低分组丢失率的IPv6移动网络切换管理方案，显得尤为重要。

文献[1]-[3]均提出了移动IPv6的工作机制和移动IPv6中的关键技术，分析了移动Ipv6直接应用于移动网络所带来的问题，提出了一种对移动IPv6作一些改进来支持移动网络的方案；文献[4]研究了移动IPv6的工作原理及目前在Windows 、BSD和Linux操作系统上开发出来的各种移动IPv6实验系统，并建立了实验环境对Linux下的MIPL移动IPv6实验系统进行了测试；文献[5]-[8]主要对移动IP与MPLS结合的移动管理技术进行了研究。ITU-T也积极参与移动IP与MPLS结合技术的研究工作，并且已经提出了一系列的草案、标准，初步建立了面向下一代网络的移动IP与MPLS结合基本框架和实现方式，为实现更为有效的网络移动性管理提供了新的途径。

1、MPLS体系结构及工作原理

MPLS技术是在面向无连接的IP网络中引入了面向连接的通信机制，采用一个短的、固定长度的标记，通过标记分发协议（LDP： Label Distribution Protocol）建立标记交换通道（LSP： Label Switched Path），利用标记交换机制实现数据分组转发，它的技术核心是：边缘路由和核心交换。MPLS具有IP路由协议的灵活性和第二层标记交换快速、高效的特点，可支持流量工程和显式路由，提供简单、高速的数据交换，保证网络通信Qos和安全性。

MPLS的体系结构如图1所示。MPLS的基本单元是标签交换路由LSR，由LSR构成的网络称为MPLS域。位于MPLS域边缘，连接其它用户网络的LSR称为LER（Label Edge Router，边缘LSR），区域内部的LSR称为核心LSR。核心LSR支持MPLS的路由器，也可由ATM交换机等升级而成。域内部的LSR之间使用MPLS通信，MPLS域的边缘由LER与传统IP技术进行适配。分组在入口LER被压入标签后，沿着由一系列LSR构成的LSP传送，其中，入口LER被称为Ingress，出口LER被称为Egress，中间的节点则称为Transit。

标签是一个格式和长度固定的数据报头。当IP数据包由入口LER进入IP/MPLS骨干时，标签入在IP数据包的第二层报头与第三层报头之间。在ATM骨干网接入时，标签映射到ATM PVC的VPI/VCI字段。数据包在IP/MPLS骨干内的传输不再需要LSR上的逐跳路由选择过程，而是由各个LSR上的接口根据标签信息表（Label Information Base-- LIB）决定其传输路径的。LIB是由LSR上的每一个接口维护的动态标签交换表，它是通过MPLS的信令过程产生的。LIB中的每一表项具有相同的格式，即：入口接口+入口标签+出口标签+出口接口。

MPLS的工作原理如下：（1）首先，标签分发协议和传统路由协议一起，在各个LSR中为有业务需求的FEC建立路由表和LIB；（2）入口LER接收分组，完成第三层功能，判定分组所属的FEC，并给分组加上标签，形成MPLS标签分组；（3）在LSR构成的网络中，LSR根据分组上的标签以及标签转发表进行转发，对标签分组不进行第三层处理；（4）在MPLS出口LER去掉分组中的标签，进行后面的IP转发。

由此可以看出，MPLS并不是一种业务或者应用，它实际上是一种隧道技术，也是一种将标签交换转发和网络层路由技术集于一身的路由与交换技术平台。这个平台不仅支持多种高层协议与业务，而且，在一定程度上可以保证信息传输的安全性。

2、移动IPv6切换技术及切换性能

2.1移动IPv6切换技术

在移动IPv6网络中，当移动节点发生移动，一般是从一个子网移动到另一个子网时，就需要进行切换。移动节点离开家乡后向家乡HA绑定它的转交地址，建立与HA之间的双向隧道，此后与通信对端节点CN之间的数据分组由HA转发。由于无线传输链路的高误码率、信号稳定性差等原因，切换过程会导致移动节点不能接收和发送数据。为了减少切换对Qos的影响，移动IPv6定义了移动检测、转交地址获取和重新绑定等基础过程，并将切换技术分为四大类型[2-4]：

（1）平滑切换。平滑切换是针对降低IP数据包丢失率而提出的一种切换方案，又称为低分组切换。其特点是移动节点在切换的过程中几乎不丢失分组，利用移动IPv6的缓存机制，当移动节点移动到一个新的网络还没有完成注册时，由于原先转发的数据包还没有发完，移动节点要求当前子网的路由器缓存它的数据包，以便它完成向新网络内路由器的注册过程。注册完成后，移动节点在新网络中就会拥有合法的转交地址，先前在原子网路由器中缓存的数据包便可直接转发过来，减少了移动过程中数据包丢失的可能性。

（2）快速切换。快速切换又称低时延切换，是对移动IPv6协议的扩展，它要求移动节点的切换过程快，分组的时延尽可能的小。采用预先切换和基于隧道的切换机制，通过预先注册在新的外地网络切换未完成前仍与前一个网络保持通信的方法，实现快速切换。

（3）无缝切换。无缝切换结合了平平滑切换和快速切换技术的特点，是一种可较好的实现低时延，低分组丢失的切换方法。

（4）层次型快速切换。层次型快速切换结合层次型移动IPv6技术和快速切换技术，利用层次型移动IPv6可以明显的缩短移动节点家乡注册和通信对端注册的延迟，而快速切换可以减少移动节点在切换过程中连接的中断时间，保证通信流的实时传输。

2.2切换性能

切换性能的主要衡量指标是切换时延，由于移动节点中不同的切换方法采用的切换机制不同，因而造成不同的切换时延。以标准的移动IPv6节点切换为例，我们来分析一下它的切换性能。

移动节点的切换是和前接入路由器断开连接再和另外一个新接入路由器建立连接的过程，包含二层切换和三层切换两个部分，切换过程如下图2。

其中：取决于发送路由器通告的间隔，即接收到新接入路由器发送的路由器通告所带来的延迟；

指移动节点从一个家乡链路接入另一个外地网络的过程；

在移动IPv6总切换延迟中所占分量最大，移动节点通过多次发送邻居请求检测此子网是否有使用相同地址的主机，为避免冲突，会产生一段延迟时间；是移动节点对家乡和通信节点的注册时延。

3、基于MPLS的分层IPv6移动网络切换管理方案

3.1方案描述

方案思想基于层次移动IPv6（HMIPv6），HMIPv6是由标准移动IPv6扩展来的一种微移动协议，采用划分区域的思想将整个网络分成不同区域，接入路由器选取最底层的MAP注册，通过对MAP简单扩展，实现将n个MAP域级联为一个区域RAP，伴随MN的移动，以动态交替的方式完成区域切换。这种分层思想把小范围的切换限制在每个MAP域内，减少信令开销。在采用MPLS技术的分层移动IPv6网络中，当移动节点进入外地网络，移动节点采用IPv6的邻居发现和地址自动配置机制，获得转交地址，并通过逐跳方式发送绑定更新消息给家乡（HA）和通信对端节点（CN）。基于MPLS技术的分层移动IPv6网络结构如图3所示。

优化方案中RAP的功能是充当一个临时家乡HA，但比移动锚点MAP管理的范围更大。此时，移动节点的转交地址由链路转交地址（指保存在MAP内的MN的临时地址）、锚转交地址（指保存在MAP和RAP内的MN的临时地址，即MAP所在的子网前缀）和域转交地址（指保存在HA和CN内的MN的地址，即RAP所在的子网前缀）组成。此时移动节点访问网络时的切换方式分两种情况。（1）移动节点在同一RAP域内移动（由于移动节点在同一MAP内移动时切换方式等同于上述4.1所提得层次性快速切换，故不作讨论）；（2）移动节点在不同的RAP域内移动。HMIPv6与MPLS结合后，不仅使移动节点在较大范围内移动的性能得到改善，也为移动节点实现小范围快速无缝移动提供了保证。

3.2 切换过程

3.2.1 MN在相同的RAP域内的切换过程

当移动节点在同一个RAP域内移动时，移动锚点对于RAP来说就相当于MN。这时，移动节点的区域转交地址保持不变，而链路转交地址和锚域转交地址均发生改变。切换过程如图5所示。

（1）MN通过LSR获得锚转交地址和链路转交地址。然后，MN向MAP发送一个Binding update，链路转交地址作为Binding update的源地址。

（2）MAP在其链路上对MN的锚转交地址进行重复的地址检测，并且移动锚点根据发送来的绑定更新消息来判断与先前的MAP是否在同一个RAP域内。若是，则MAP迅速发送绑定更新消息至区域锚点RAP。该绑定更新消息包括MN的链路转交地址，锚转交地址和域转交地址。

（3）区域锚点RAP充当一个家乡，将其链路上针对MN的域转交地址执行重复地址检测，并返回一个Binding Ack消息至移动锚点MAP。

（4）MAP收到REP返回的Binding Ack消息之后返回一个绑定确认消息至MN，确认消息中包含移动节点的区域转交地址。

（5）MN向HA和CN发送绑定更新请求，注册新的转交地址。

（6）数据包将通过隧道从MAP传送至MN的链路转交地址，完成切换。

3.2.2 MN在不同的RAP域内的切换过程

当MN移动至新的RAP域内时，MN通过入口LER构成锚转交地址。MN发送Binding Update消息至MAP，该消息将MN的链路转交地址和锚转交地址相绑定。MAP发送Binding Update至REP，通过LER构成区域转交地址，并将三个转交地址进行绑定，发送Binding Ack至MAP。MAP收到RAP的Binding Ack后再发送绑定确认消息给MN，这时MN的区域转交地址已发生改变，因此向HA和CN发送Binding Update请求，注册新的转交地址。

4、仿真实验与分析

为了验证提出方案的切换性能和比较各切换方法，首先构造一个简单的仿真环境见图5。在拓扑图中，假设AR的覆盖范围区域不重叠，且不存在AR覆盖的真空区域，有线链路的速率为100Mbps，每条链路时延固定为1ms，无线链路速率为20Mbps，时延为5ms。链路切换过程中不计丢包。由CN向MN发送数据，采用适用于实时业务的UDP数据分组类型，每个包大小为50KB，UDP发送间隔10ms。同时，设定MN开始无线接入到AR1上，并由AR1向AR4移动。MN接收由CN发送过来的数据包，MN的转交地址由链路转交地址、锚转交地址和域转交地址组成，它们分别来自于AR、MAP和RAP。

仿真过程中，MN按上述5.2所述进行移动，AR1―>AR2移动为锚点域内切换，AR2―>AR3移动为区域锚点域内切换，AR4―>RAP域移动为区域外切换。为便于比较分析，在仿真中去掉方案中相同的切换时延 ，对MN的切换延时做了10次测试，取它们的平均值，仿真结果如图6所示。

从图6可看出，MN适合在一定区域内的移动，当它的移动范围超出一定区域后，切换性能明显降低，其原因就是MN在跨越RAP域的时候要花费大量的 进行多次的重复地址检测，而

在切换时延中所占的比重最大。

结语：目前MPLS技术体系已覆盖了多业务的IP骨干网，ATM/光纤网络骨干上的IP传输，ATM骨干向IP骨干迁移等多个领域。分层移动IPv6与MPLS结合网络结构不但具有基本结合网络结构的所有特点和优势，而且，MIPv6能有效支持对移动节点在相邻AR之间的移动管理，大大降低移动节点与HA， CN间的信令负荷，支持快速移动切换。

参考文献：

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