引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的高速發(fā)展，便攜式移動(dòng)設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用。用戶希望能在任何地方以更靈活的方式接入Internet，于是 IETF 提出了移動(dòng) IPv6 協(xié)議。但是，由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在不同子網(wǎng)間切換會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的切換時(shí)延，引起通信對(duì)端和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的通信暫時(shí)中斷，因此，如何減少切換延遲，保障語音、視頻等實(shí)時(shí)應(yīng)用，就成為移動(dòng) IPv6 研究的關(guān)鍵問題。

本文通過對(duì) FHMIPv6 切換技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，切換過程中的 DAD 重復(fù)地址檢測(cè)過程嚴(yán)重影響了切換性能，但 DAD重復(fù)地址檢測(cè)過程又是必需的。于是，在學(xué)習(xí)組播知識(shí)的基礎(chǔ)上，本文提出了基于 IPv6 組播的 M-FHMIPv6 切換技術(shù)。該技術(shù)可使移動(dòng)節(jié)點(diǎn) MN 在進(jìn)入到新的子網(wǎng)時(shí)，由于要檢測(cè)到 L2 鏈路層觸發(fā)信息而預(yù)知要進(jìn)入新的網(wǎng)絡(luò)，于是會(huì)立即切換至組播模式 , 并使通信對(duì)端 CN 成為組播源，同時(shí)將原接入路由器 PAR 和新接入路由器 NAR 加入組播組繼續(xù)為 MN 傳遞數(shù)據(jù)包，直到整個(gè)切換工作完成。

通過對(duì)切換性能的理論分析證明，M-FHMIPv6 雖然在切換過程增加了組播組的構(gòu)建過程，但能有效減少 DAD 檢測(cè)的過程和各種信息交互的延遲。最后通過 NS2 實(shí)驗(yàn)仿真進(jìn)一步說明了改進(jìn)的M-FHMIPv6 方案能減少切換延遲，平滑切換過程，達(dá)到預(yù)期的效果。

1 FHMIPv6 切換技術(shù)

1.1 移動(dòng) IPv6 切換技術(shù)概述

移 動(dòng) IPv6 快 速 切 換 技 術(shù) (Fast Handover for MobileIPv6，F(xiàn)MIPv6) 是對(duì)移動(dòng) IPv6 標(biāo)準(zhǔn)切換的改進(jìn)。它通過提前獲得新網(wǎng)絡(luò)的信息并提前注冊(cè)等方法，來減少標(biāo)準(zhǔn)切換中的延遲。

分層切換技術(shù)(Hierarchical Mobile IPv6 Management，HMIPv6) 將網(wǎng)絡(luò)分為不同的管理域，同時(shí)引入一個(gè)新的實(shí)體——移動(dòng)錨點(diǎn) (MAP)。當(dāng) MN 在一個(gè) MAP 域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，MAP 充當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn) MN 的家鄉(xiāng)代理 HA，MN 不需要向 HA或者 CN 發(fā)送綁定更新 BU，CN 只需根據(jù) MN 的 RCoA 發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)。

而快速層次移動(dòng)技術(shù) FHMIPv6 則將 FMIPv6 切換技術(shù)與分層切換技術(shù) HMIPv6 結(jié)合在一起，在層次移動(dòng)中實(shí)施快速切換，從而使整個(gè)切換延時(shí)進(jìn)一步減少。

1.2 FHMIPv6 切換技術(shù)的缺陷

當(dāng) MN 移動(dòng)到新的網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，會(huì)收到 NAR 的代理路由公告 PrRtAdv。節(jié)點(diǎn)根據(jù)其子網(wǎng)地址和 MN 的接口自動(dòng)配置得到 NCoA。為了避免在同一鏈路中多個(gè) MN 同時(shí)進(jìn)行DAD 可能造成的網(wǎng)絡(luò)阻塞，通常都需要等待一段隨機(jī)時(shí)間(0~1 000 ms) 后才開始 DAD。隨后 MN 通過鄰居請(qǐng)求消息向NAR 請(qǐng)求執(zhí)行重復(fù)地址檢測(cè) DAD，NAR 收到鄰居請(qǐng)求消息后，對(duì) MN 的 NLCoA 進(jìn)行檢測(cè)過程。如果在開始后的一段時(shí)間內(nèi)未收到已占用此地址的主機(jī)發(fā)出的鄰居公告，則 DAD檢測(cè)過程結(jié)束，MN 可以使用該地址接入子網(wǎng)。如果檢測(cè)不成功，則需要重新配置。

從操作過程來看，切換過程必須進(jìn)行重復(fù)地址檢測(cè) DAD，但這會(huì)帶來相當(dāng)大的延時(shí)。進(jìn)行一個(gè)切換所需要的時(shí)間大約為1 500 ms，其中為 NCoA 進(jìn)行 DAD 檢測(cè)就需要1 050 ms，所以，整個(gè)過程中 DAD 檢測(cè)所用的時(shí)間占了整個(gè)切換延遲的 65%，因而嚴(yán)重影響了 FHMIPv6 的切換性能，不能滿足實(shí)時(shí)通信的需要。

2 基于 IPv6 組播的 M-FHMIPv6 切換技術(shù)

2.1 IPv6 組播技術(shù)中的 MLD 與 PIM 協(xié)議

組播技術(shù)也稱多播技術(shù)，是一種允許一臺(tái)機(jī)器 ( 稱為組播源或者發(fā)送端 ) 一次同時(shí)發(fā)送單一數(shù)據(jù)分組到多臺(tái)主機(jī)( 也稱為接收端 ) 的技術(shù)。在 IPv4 中，組播被分為主機(jī)到路由器和路由器到路由器之間兩個(gè)部分，IPv6 的組播也同樣被劃分為這兩個(gè)范圍。前者是多播偵聽者發(fā)現(xiàn)協(xié)議 (MulticastListener Discovery，MLD)，而后者最基本的是協(xié)議無關(guān)組播協(xié)議 (Protocol Independent Multicast，PIM)。

MLD 協(xié)議是路由器與其直接相連之間的協(xié)議，其主要功能就是知道在與其直接相連的主機(jī)中，有哪些主機(jī)希望加入或者離開一個(gè)組播組。MLD 協(xié)議的作用是管理主機(jī)與路由器之間的關(guān)系，PIM 協(xié)議則是管理路由器與路由器之間的關(guān)系。PIM 不依賴于某一特定的單播路由協(xié)議，它可以利用各種單播路由協(xié)議建立的單播路由表力量來完成 RPF 檢查功能，而無需收發(fā)組播路由更新，所以，跟其他組播協(xié)議相比，PIM的開銷降低很多。PIM 協(xié)議定義了密集模式 PIM-DM(DenseMode) 和稀疏模式 PIM-SM(Sparse Mode) 兩種模式。

2.2 改進(jìn)的基于 IPv6 組播的 M-FHMIPv6 算法

M-FHMIPv6 的基本思想是當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn) MN 進(jìn)入到新的子網(wǎng)時(shí)，由于檢測(cè)到 L2 鏈路層觸發(fā)信息，預(yù)知道要進(jìn)入新的網(wǎng)絡(luò)，于是立即切換至組播模式，同時(shí)發(fā)送一個(gè)快速綁定更新消息 FBU 給家鄉(xiāng)節(jié)點(diǎn) CN，該消息中包含了 MN 的組播地址。CN 收到后也立即切換至組播模式，并向 RP 注冊(cè)成為組播源，同時(shí)發(fā)送相應(yīng)的綁定確認(rèn)消息 FBA 給 MN。隨后，原先接入的路由器 OAR 發(fā)送 MLD 消息給 MN，并發(fā)送 PIM 報(bào)文新接入的路由器 NAR，從而在 PIM-SM 協(xié)議的支撐下構(gòu)建一個(gè)組播網(wǎng)，以使數(shù)據(jù)通過組播網(wǎng)成員 OAR、NAR 發(fā)給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN。此時(shí)，再進(jìn)行傳統(tǒng) FHMIPv6 的 DAD 檢測(cè)過程，當(dāng)所有切換所需的操作全部完成后，MN、CN 與 AR 之間再通過MLD 和 PIM 消息解除組播網(wǎng)，數(shù)據(jù)報(bào)再通過 FHMIPv6 正常機(jī)制傳送給 MN。

實(shí)驗(yàn)證明 ：50 個(gè)成員通過 MLD 構(gòu)建組播網(wǎng)的操作所用的時(shí)間小于 300 ms[8]，而在 FHMIPv6 切換過程中，只有MN、CN、OAR、NAR 四個(gè)成員加入到組播網(wǎng)中。前面也論述過，傳統(tǒng)的 DAD 檢測(cè)需要至少 1 000 ms，所以，構(gòu)建組播網(wǎng)比 DAD 檢測(cè)所用的時(shí)間要少得多。

綜上所述，本算法能很好地優(yōu)化 FHMIPv6 過程中 DAD檢測(cè)所導(dǎo)致的切換延遲，保證切換過程中的數(shù)據(jù)能正常傳輸，從而保障實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求。

2.3 M-FHMIPv6 切換過程中組播組的構(gòu)建

FHMIPv6 微移動(dòng)切換中組播組的構(gòu)建包含消息的交互、成員加入和離開組播組以及數(shù)據(jù)的傳送等過程。

當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到 L2 鏈路層的觸發(fā)信息時(shí)，通過 NAR的代理路由公告 PrRtAdv 可獲得 NAR 的子網(wǎng)前綴。MN 隨即切換至組播模式，并發(fā)送快速綁定更新 FBU 消息給通信節(jié)點(diǎn)

CN，該消息中包含了 MN 的組播地址。CN 收到 FBU 后，也切換至組播模式，接著通過 PIM-SM 協(xié)議為組播組構(gòu)建一棵組共享樹。當(dāng)前接入的 OAR 成為RP，于是組播源 CN 通過單播發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求給 RP。隨后 CN再發(fā)送一個(gè)快速綁定更新確認(rèn) FBA 給 MN，告訴 MN 組播網(wǎng)已經(jīng)建立。

成為 RP 的 OAR 會(huì)發(fā)送 MLD 中的組播偵聽者查詢消息給 MN，以詢問 MN 是否需要接聽 MN 組播數(shù)據(jù)。作為回應(yīng)，MN 需要發(fā)送一個(gè)組播偵聽者報(bào)告消息給 OAR，該消息中包含了 MN 的組播地址。如果該地址不在路由器的組播地址表中，則將地址加入到組播表中，從而開始組播并傳送由 CN 發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。

成為 RP 的 OAR 可發(fā)送 PIM-SM 消息給 NAR。NAR 中的 PIM-SM 控制消息處理模塊根據(jù)收到的 Hello 消息，在接口上維護(hù)一個(gè) PIM-SM 鄰居表，并建立路由器的鄰居關(guān)系。然后 NAR 也加入到組播組中，當(dāng) MN 移動(dòng)到 NAR 的子網(wǎng)中時(shí)，便為 MN 傳遞組播數(shù)據(jù)。

在 FHMIPv6 的標(biāo)準(zhǔn) DAD 檢測(cè)過程結(jié)束后，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN 不再需要接收組播組的信息，于是便向目前直連的 NAR發(fā)送 MLD 的組播偵聽者結(jié)束消息。NAR 收到該消息后，開始發(fā)送 PIM-SM 的剪枝消息，并使剪枝消息沿共享樹上傳，沿途的路由器均刪除相應(yīng)的狀態(tài)信息。至此組播網(wǎng)結(jié)束，MN、CN、OAR 和NAR 均恢復(fù)到FHMIPv6中的正常單播機(jī)制。

2.4 M-FHMIPv6 切換技術(shù)

圖 1 所示是 M-FHMIPv6 切換技術(shù)的詳細(xì)切換操作過程，該過程主要包含以下幾個(gè)步驟 ：

（1）當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn) MN 檢測(cè)到 L2 鏈路層觸發(fā)信息時(shí)，預(yù)知道要進(jìn)入新的網(wǎng)絡(luò)，于是發(fā)送路由請(qǐng)求代理 RtSolPr給原先接入的路由器 OAR，告知它要進(jìn)行切換 ；

(2) OAR 收到路由請(qǐng)求代理 RtSolPr 后，發(fā)送一個(gè)路由代理公告 PrRtAdv 給移動(dòng)節(jié)點(diǎn) MN，MN收到該公告后，即可獲得其在新子網(wǎng)的轉(zhuǎn)交地址CoA ；

(3) MN 得到 CoA 后，立即切換至組播模式，并發(fā)送快速綁定更新 FBU 消息給通信節(jié)點(diǎn) CN，該消息中包含了 MN 的組播地址 ；

(4) CN 收到 FBU 后，也快速切換至組播模式，并發(fā)送 PIM 注冊(cè)消息給 OAR，以組建組播網(wǎng)，然后快速發(fā)送綁定更新確認(rèn) FBA 給 MN ；

(5) NAR 和 PAR 加入組播網(wǎng)，為 CN 傳遞數(shù)據(jù)給 MN ；

圖1 M-FHMIPv6 微移動(dòng)切換操作過程

因?yàn)榇藭r(shí)數(shù)據(jù)已經(jīng)通過組播網(wǎng)傳輸，OAR 發(fā)送切換發(fā)起 HI 消息給 NAR，NAR 收到后便進(jìn)行正常的 DAD 重復(fù)地址檢測(cè)，完成后則發(fā)送切換消息 HACK 給 OAR ；

OAR 收到 HACK 后，發(fā)送一個(gè)快速綁定確認(rèn)消息FBACK 給節(jié)點(diǎn) MN 和 NAR，需要注意的是，這里不需要再建立基于 OAR 與 NAR 的雙向隧道以傳遞數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)一直在通過組播網(wǎng)傳遞給 MN ；

因?yàn)閭鹘y(tǒng)的 DAD 檢測(cè)和切換工作已經(jīng)完成，MN 發(fā)送一個(gè) MLD 的組播偵聽者完成消息給當(dāng)前接入的 NAR，NAR 通過 PIM-SM 協(xié)議進(jìn)行剪枝操作，從而使所有節(jié)點(diǎn)和路由器都恢復(fù)到單播狀態(tài)，此后，CN 開始向 NAR 和 MN 傳遞數(shù)據(jù)。

3 M-FHMIPv6 切換技術(shù)性能分析

3.1 快速分層切換 FHMIPv6 切換性能分析

圖 2所示是 FHMIPv6 切換延遲時(shí)間圖。從圖 2可以看出，F(xiàn)HMIPv6 的平均延遲時(shí)間為 ：

TFHMIPv6=TFBU+THI+TDAD+THACK+TBACK+TL2+TFNA

圖 2 FHMIPv6 切換延遲時(shí)間圖

3.2 基于 IPv6 組播的 M-FHMIPv6 切換性能分析

基于IPv6 組播的 M-FHMIPv6 切換延遲時(shí)間如圖3所示。由圖 3 可以得到，M-FHMIPv6 的平均延時(shí)為 ：

TM-FHMIPv6=TMulticast+TL2+TMLD

理論分析證明，M-FHMIPv6 雖然在切換過程增加了組播組的構(gòu)建過程，但能有效減少 DAD 檢測(cè)過程中的各種信息交互的延遲。

4 M-FHMIPv6 切換技術(shù)的仿真結(jié)果分析

4.1 M-FHMIPv6 切換技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)

M-FHMIPv6 切換技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)所建立的仿真模擬環(huán)境為：

VMware,Workstation+Fedora+ns-allinone-2.33+noah+FHMIP1.3.1。

仿真實(shí)驗(yàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)置有 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)，MAC 層采用802.11MAC 協(xié)議，有線網(wǎng)絡(luò)帶寬與延時(shí)設(shè)置為 100 Mb/s，10 ms，無線網(wǎng)絡(luò)帶寬與延時(shí)設(shè)置為 1 Mb/s，2 ms。整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù) 80 s, 第 5.0 s 時(shí)，CN 開始以 10 ms 的間隔發(fā)送 512 字節(jié)的TCP 分組到 MN。PAR 與 NAR 之間設(shè)置距離為 30 m，無線路由覆蓋距離設(shè)置為 40 m，于是，NAR 與 PAR 之間的重疊覆蓋范圍為 10 m。第 10 s 時(shí)，MN 開始以 1 m/s 的恒定速度由位置 (85，136) 移動(dòng)到 (155，136)，預(yù)計(jì)在第 40 s 左右時(shí)，由于 MN 快超出 PAR 的無線覆蓋范圍而進(jìn)入 NAR 的范圍，于是需要發(fā)生切換。第 80 s 時(shí)，MN 到達(dá)終點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)過程結(jié)束。

圖 3 M-FHMIPv6 切換延遲時(shí)間

4.2 仿真結(jié)果分析

通過運(yùn)行仿真軟件所得到的 FHMIPv6 和 M-FHMIPv6切換過程如圖 4 所示。

（a）                               （b）

（c）                              （d）

圖 4 FHMIPv6 和 M-FHMIPv6 切換過程圖

從圖 4 的 NAM 動(dòng)畫模擬可以看到 ：

在第 5.0 s 時(shí)，應(yīng)用層在 CN 和 MN 之間建立了 FTP 業(yè)務(wù)流，CN 開始發(fā)送 TCP 數(shù)據(jù)包到 MN ；

在第 10 s 時(shí)，MN 開始以 1m/s 的恒定速度由位置 (85，136) 向 (155，136) 移動(dòng) , 如圖 4(a) 所示。

在大約 45.37 s 時(shí)，MN 移動(dòng)到了 NAR 的范圍，開始在兩個(gè)子網(wǎng)內(nèi)切換進(jìn)行快速分層切換，數(shù)據(jù)的傳輸中斷并開始構(gòu)建組播網(wǎng)，如圖 4(b) 所示。

大約在 45.57 s 時(shí)，組播網(wǎng)構(gòu)建完成，構(gòu)建時(shí)間大約為200 ms，CN 形成組播源，PAR 和 NAR 加入組播組同時(shí)為MN 傳輸數(shù)據(jù)，如圖 4(c) 所示。

大約在 46.04 s 時(shí)，MN 在PAR 與 NAR 之間分層快速切換工作完成，MN 開始從 NAR 接收數(shù)據(jù)包，整個(gè)切換工作完成，切換所需時(shí)間為 670 ms，如圖 4(d) 所示。在 80 s 時(shí)，CN 停 止 FTP 應(yīng)用數(shù)據(jù)流，MN 停止移動(dòng)，整個(gè)仿真過程完成。

從切換過程看，在 FHMIPv6中，當(dāng) MN 在 PAR 與 NAR 之間切換時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸中斷，整個(gè)切換 過程 需要 670 ms ；而在改 進(jìn)的基于 IPv6 組播的 M-FHMIPv6中，MN 在切換時(shí)和 PAR、NAR成功構(gòu)建組播網(wǎng)，接收組播源 CN 的數(shù)據(jù)，構(gòu)建過程只需要 200 ms，因而可以很好地優(yōu)化 FHMIPv6 過程中 DAD 檢測(cè)過程和各種信息交互所帶來的延遲，直到切換過程完成。

為了更直觀地觀察切換過程中的延遲情況，可以將仿真過程中 40~50 s 的切換局部放大，所得到的 FHMIPv6 和M-FHMIPv6 的局部放大圖如圖 5 和圖 6 所示。

圖 5 FHMIPv6中 MN 接收的數(shù)據(jù)包序列號(hào)

從局部放大圖中看出，基于 IPv6 組播的 M-FHMIPv6 切換技術(shù)能有效改善 FHMIPv6 切換技術(shù)中的 DAD 檢測(cè)和各種信息交互所帶來的延遲，從而減少切換時(shí)間，平滑切換過程。

5 結(jié) 語

本文對(duì) FHMIPv6 的研究發(fā)現(xiàn)，切換過程中的 DAD 重復(fù)地址檢測(cè)過程嚴(yán)重影響了切換性能，為此，本文提出了基于 IPv6 組播的 M-FHMIPv6 切換技術(shù)。切換性能的理論分析證明，M-FHMIPv6 能有效減少 DAD 檢測(cè)的過程和各種信息交互的延遲。雖然M-FHMIPv6 在切換過程中增加了組播組的構(gòu)建過程，但仍能能有效減少 DAD 檢測(cè)的過程和各種信息交互的延遲。而通過 NS2 實(shí)驗(yàn)仿真也進(jìn)一步說明 ：改進(jìn)后的M-FHMIPv6 方案能減少切換延遲，平滑切換過程，可以達(dá)到預(yù)期的效果。

圖 6 M-FHMIPv6中 MN 接收的數(shù)據(jù)包序列號(hào)局部圖

20210913_613ed453d7111__基于IPv6組播的M