移动IPv6及其切换性能的优化

移动IPv6及其切换性能的优化1.引言如今的时代是信息的时代，互联网作为主要的信息平台，已经深入到我们生活的方方面面，成为很多人日常活动不可缺少的部分。而随着人类生活节奏的加快，原有的用固定节点从固定接入点点连接到互联网的方式已经逐渐不能满足人们日益增长的需求。人们需要在任何地方、任何时候都能获得互联网服务，这使得移动IP成为当今的研究热点之一。为了迎接这些挑战，互联网工程攻坚组（IETF，InternationalEngineerTaskForce）首先与1992年制订了移动IPv4草案，并在1996年公布了建议标准。它的目的是让人们不论在家中或办公室，还是在火车或飞机上都能通过移动终端随时连接到互联网。但由于移动IPv4中是基于IPv4的基础上，IPv4的固有弱点也必然存在于移动IPv4中，首先其地址空间严重不足，IPv4地址空间有限，它不可能提供大量的移动设备移动接入时需要的大量IP地址。同时，移动IPv4对移动节点所接收的分组进行路由时，使用了一种称为三角路由的路由方案，路由效率不高，而且可能严重加重家乡链路的负担。另外，移动IPv4是对IPv4的扩充，IPSec只是可选功能，不能为移动节点提供较高的安全性，因此，移动IPv4只能是对现有系统进行扩充以支持移动接入的一个应急方案，不可能支持移动主机的大量应用和成为未来的多平台统一通信协议标准。2.移动IPv6的提出及其特点为了更好的满足社会发展的需要，互联网工程攻坚组提出了IPv6协议，旨在搭建一个具有更高性能、更高质量、更加安全的下一代互联网。IPv6相对于IPv4而言，有如下特点：1.地址空间扩大，由原IPv4的32位地址替换为IPv6的128位地址；地址结构变化，包括地址空间的大小变化，地址是一种全球可聚集地址2.简化的报头格式，使得数据报在处理起来更加简单3.加入了流标签的功能，使得对数据流的标记更加方便4.IPSec成为一项必须，它包括AH和ESP两种加密机制由于这些特点，使得IPv6在移动性、扩展性、安全性、服务质量等方面都比IPv4更胜一筹。IETF于2004年6月正式推出了RFC3775和RFC3776，它们定义了移动IPv6（MIPv6，MobileIPversion6）及其安全性方面的要求，定义了移动节点（MN，MobileNode），通信节点（CN，CorrespondingNode），家乡代理（HA，HomeAgent），接入路由器（AR，AccessRouter）概念，解决了移动IPv4在IP地址、路由优化、安全性、扩展性等方面的问题，为移动IPv6的实际应用走出了关键性的一步。移动IPv6的逻辑结构图如图所示：图1：MIPv6基本架构3.切换及其性能优化然而移动IPv6协议中没有说明如何优化移动节点在切换过程中的性能，如何确保移动节点在切换的过程中保持流畅的、连续的通信。流畅的通信在于减小切换过程中的延时，即快速切换；连续的通信在于减少切换过程中的丢包率，即平滑切换。优化切换性能对于高质量的VOIP和视频会议等多媒体应用是非常重要的，因为这些应用是能够吸引现在的互联网使用者从IPv4转向IPv6的关键性应用（KillerApplication）。对人类行为学的研究表明，交互式对话的最高延迟约为200ms；对VOIP方面的研究表明，要保持连续的通话效果，丢包率不超过3%。典型的VOIP数据源为：一个每20ms发送200bytes的UDP数据源。因此，在VOIP数据源下，如果移动节点在切换过程中能够保证足够小的切换延迟时间和丢包率，则可以保证VOIP语音通话过程的畅通性和连续性，对VOIP的广泛应用起到积极的推动作用，进而促进移动IPv6的商业化。切换性能主要的衡量标准包括切换延迟和丢包率，切换延迟是主要衡量标准，在这里我们对它进行深入的分析。切换延迟指的是MN从PAR收到最后一个数据包到从MN从NAR收到第一个数据包的过程所需要的时间。造成延迟的因素按照时间先后，可分为三部分：1.切换顺序延迟：有网络切换的固有顺序引起的，比如必须先发生二层切换（Layer2Handover，又称链路层切换），再发生三层切换（Layer3Handover，又称网络层切换）。国际标准化组织（ISO，InternationalStandardOrganization）制定的网络协议七层模型中（OSI，OpenSystemInterconnect），链路层对应于第二层，网络层对应于第三层，因此得名。2.接入发现延迟由移动节点的移动检测过程缓慢而引起的，这主要是因为路由广播频率太低。为此，MIPv6中修改了路由广播间隔最小默认值，从RFC2461中3秒调整为现在的0.03秒。3.绑定更新延迟指发送与确认绑定更新过程的延迟。这和互联网上的延迟，HA与MN的距离，CN和MN的距离有关。综上所述，移动节点切换时所产生的延迟可以用以下公式进行描述：切换总延迟=切换顺序延迟+接入发现延迟+绑定更新延迟为了实现快速切换和平滑切换，互联网工程攻坚组织主要需要从减小切换顺序延迟和绑定更新延迟入手,提出了两方面的解决方案。其一，层次化移动IPv6（HMIPv6，HierarchicalMobileIPv6）。它引入了移动锚点（MAP，MobilityAnchorPoint）这个新的实体，通过将移动节点的移动区分为宏观移动和微观移动，将切换过程的影响控制在子网范围内，既减小了地址绑定更新过程的延时，又减小了信令消耗。其逻辑结构图如图2所示。当MN从PAR1处移动到PAR2处的时候，为微观移动，由MAP充当本地的家乡代理，此时绑定更新过程只需要在PAR1、PAR2、MAP、MN之间进行，并且绑定更新过程完全对HA和CN透明；而当MN继续从PAR2移动到NAR的时候，为宏观移动，此时绑定更新过程和移动IPv6一样，需要HA、CN的参与。图2：HMIPv6基本架构其二，快速切换移动IPv6（FMIPv6，MobileIPv6withFastHandover）。它通过移动检测，预测切换过程的发生，将网络层切换的部分操作提到链路层切换之前，这样一旦完成链路层切换就可以很快进行网络层的通信，加速了切换过程的完成。其逻辑结构图和移动IPv6一样，基本原理如图3所示。图3：移动IPv6下的切换顺序图4：快速切换移动IPv6下的切换顺序将移动IPv6与以上两种切换优化协议进行对比，如表1所示。表1：移动IPv6与切换优化协议的简单比较在HMIPv6和FMIPv6的基础上，许多研究者还提出了进一步的改进策略，比如将HMIPv6与FMIPv6结合，提出FHMIPv6的改进方案；在丢包率优化方面，主要是通过对接入路由器进行多播（Bicasting）、在接入路由器进行数据包缓冲、接入路由器之间为MN建立隧道等方法。总的来说，目前的研究思路都是设法通过快速切换和层次切换来改进切换顺序延迟和绑定更新延迟，通过多播，缓冲，隧道等机制来实现零丢包率。这些改进协议的效果还在进一步评估当中，比如通过网络模拟器NS来实现协议并进行模拟试验。但相信随着人们对移动IPv6的兴趣日益增长，其切换性能的优化也会得到迅速的改进。薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅