IPv6无缝切换技术

IPv6无缝切换技术（精选5篇）

IPv6无缝切换技术 第1篇

基于移动IPv6的无缝切换技术可以提供一种较为理想的切换过程, 但在某些特殊情况下往往还是存在诸如不能够适用实时应用程序的问题。而我们在研究整个系统的切换技术中其主要目的就在于切换减少延迟性和降低丢包率, 这样一来基于移动IPv6的无缝切换就可以很好地处理一些在运行实时应用中移动节点的移动问题, 因此可以说这种基于移动IPv6的无缝切换技术是较为完善的。通常, 基于移动IPv6的无缝切换技术包括快速切换和平滑切换两种模式, 快速切换模式象征着较低的延迟性, 在切换过程中消除了移动节点并建立了一种新通信路径的延迟, 而平滑切换则意味着可大幅减少丢包率。由此看来, 无缝切换技术即为上述两者的综合, 既具有低延迟性, 又具有低丢包率。一般情况下, 这种切换技术又可分为主要的网络控制欲移动节点控制两者形式, 网络控制的切换过程是实现了在服务区域中以网络元素来决定移动节点的连接点, 并通过某个实体指导来组建与移动节点之间的联接。而在移动节点的切换控制形式中则由移动节点来决定新的连接点且通过新连接点来实现联接。

目前, 部分IT网从一些草案文件中还是介绍了一些不同的切换技术方法, 如[ES00]就是涉及猜测移动节点的移动过程, 将以多个数据包的副本文件发送至移动节点有可能移动的位置, 此草案文件对于普通移动IPv6模式和分层移动IPv6模式均有所考虑。而[SCMB00]中以基于分层移动IPv6的移动性治理模型则完成了对移动IP切换的初步改善, 其主要的一个突破点就在于能够具有提供移动锚点 (MAP) 的功能, 但是从自身模型的构造特点来看仍然具有相对比较大的补充空间, 有待进一步深入改善。

当系统的移动节点从一个链接切换至另一个环节后, 即需要得到一个新的转交地址以便我们能够发送和接收数据包。[kp00]提出了一个方法可以减少进入一个新的转交地址产生移动节点的延迟性, 所以很快重传数据包, 也降低了数据包发送到移动节点的延迟性。如果切换过程是网络控制形式的, 这种草案通知移动代理和通信节点实现, 这将需要一个网络实体引导移动节点的接入路由器切换至另一个, 和该实体知道这个路由器的地址和网络前缀。其他起草等[el00]新的切换方法, 用一组多播 (上海通用) 显式组播 (xcast) 技术。在部分控制/用户数据包基站形成xcast组播, 基站可以访问该移动节点, 然后在数据包被发送至基站和移动节点之间的无线链接线路上。

2 S-MIP基本原理

在一个交换方案, 基于移动IPv6的无缝切换技术 (s-mip, 无缝切换结构的移动网络) 是一个相对较好的方案选择。s-mip属于Fmipv6和HMIPv6的综合方案, 其设计是两者的结合方案中引入一个决策引擎 (DE, Decision Engine) , 从而实现智能适配器的转接。S-MIP系统结构比较复杂, 该模型是通过对用户移动曲线的用户模型加以深入预测, 同时简化了S-MIP的设计结构, 其主要目标就在于用户的移动网络之间可以实现在低延迟条件下能够最大化地减少信令负荷浪费。S-MIP的主要目标则是通过预测用户的移动方式来降低切换过程中的延迟性, 而这一过程中的移动检测、新地址的转换、地址的唯一性确认和各种更新过程都会导致延误性的增加。

S-MIP的用户移动曲线在预测下一个切换过程发生所处的具体位置, 基于这种思想, 可以预见系统网络中的移动节点的接入会发送其新的转换地址。而数据链路层的信息数据包, S-MIP还可以预测切换时的确切时间。此外, 能够产生地址也是较为繁重的一项工作内容, 为了良好解决s-mip系统负担重的问题, 使用重复地址检测Duplicate Address Detection (DAD) 方法可自动生成一个独特唯一的新地址, 可以避免转换地址成为唯一的试验测试过程。从以上几点来看, s-mip能够完成无缝切换, 并通过引入移动模型的概念, 移动节点可以只在网络转变即将发生的对端节点发送更新信息, 而不需要定期发送, 从而减少了信令开销和浪费。另外, S-MIP移动管理模式可分为两个主要组成部分, 即在每一个节点加入移动模式的学习组成模块和一个网络单元实体均可予以执行的一个相关移动管理协议数据包。

3 S-MIP移动管理模型研究

3.1 移动模式

如果S-MIP移动管理模型可以准确地被确定和识别, 它不仅可以减少网络信息更新频繁造成的信号成本, 也可以降低切换延迟性, 这就是所谓的移动方式。如下移动模型模拟了一个覆盖较大的地理区域接入路由器网络, 该网络可以分解为多个六边形蜂窝, 每个单元 (蜂窝) 包含一个基站。图1中显示了一个由17个六边形蜂窝所组成的这种网络, 每个蜂窝通过一对数组 (x, y) 标识, 其中x为行标, y为列标。这种标识机制反映了网络中节点的邻接关系, 移动节点从C1 (x1, y1) ) 移动到C2 (x2, y2) 的位置变化也可以用一对数组 (dx, dy) 表示:dx=x2-x1, dy=y2-y1。当移动节点离开给定单元时, 必然要进入一个邻近的接入路由器。基于这个简单原理, 每个移动节点的移动可以通过dx与dy表示, 其可能值为下列整数:-1、0、1。

为了能够更好地解释学习模式的各个移动节点, 部分移动用户可能会希望研究如下典型的移动管理行为。图1显示的移动用户 (如某些企业员工) 从家居位置到移动装置的管理行为, 通过以下实例我们就可以建立起较为典型的一个工作日的移动行为模式。

移动用户住宿位于 (1, 1) , 标记D, 其工作单位坐落在 (1, 5) , 标志着W。如果用户每天早上七离开家去工作, 从家到工作的道路, 用户将通过 (2, 1) , (3, 1) , (3, 2) , (3, 3) , (2, 4) , 最后到达工作单位 (1, 5) 。为进一步接近问题, 假设每天中午12点, 用户在 (1, 4) 吃午饭, 下午5点左右, 用户停止工作一天早晨一样但反向路径直接回家。所以在整个过程中, 用户离开 (1, 5) , 后 (2, 4) , (3, 3) , (3, 2) , (3, 1) , (2, 1) , 最后回到家 (1, 1) 。每周几个晚上, 用户位于 (2, 2) 的朋友与家人或朋友在附近 (1, 2) 是一个小型超市购物。表2给出了用户漫游历史的示例。

3.2 移动管理模型

s-mip移动管理模式, 在学习模式模块生成的基础上形成一个移动用户, 用户移动模式存储在该移动节点的记忆。该模式存储于系统内存中, 移动节点可以使用存储的信息终端节点发送一个绑定更新消息, 每个消息包含一个移动节点的绑定更新相对于当前时间和位置的移动节点, 必须进入了一个新的网络, 发送数据包。此外, 如果网络可能允许的条件下, 该模型可用于在数据链路层的信息检测新的接入点和估计的可能性, 以任务切换。为实现无缝切换过程, 发送到移动节点的信息必须包括接入网络的移动节点的地址, 地址, 移动节点可以访问网络的子网前缀分配, 始终使用相同的信息所产生的地址, 使移动节点在同一网络地址是永远不变的。

3.3 用户移动曲线

以下详细描述了系统的s-mip移动模式结构, 并阐述了相关概念和移动曲线预测切换时发生的预测机制。表3显示了一个典型的例子, 用户每天从家里到漫游的移动单位的曲线。用户在每天早上7点到7点10分离开 (1, 1) 家庭, 7:50到8:00之间到达 (1, 5) 的工作地点, 这段路用户通过 (2, 1) , (3, 1) , (3, 2) 和 (2, 4) 。模式的每个时间间隔包含指示用户在某一时刻所处的具体位置。例如, 从工作出门行进路程中, 用户可以在7:10到7:15之间途经 (2, 1) 位置。

3.4 切换预测

为了预测切换过程发生在特定的时刻, s-mip使用数据链路层的信息可以用来表明一种可能的新的接入点, 该方法特异功能类似fmipv6。例如, 当前接入点的信号强度降低, 可以根据接收信号的强度预测一个新的接入点位置。这种方法最初是由数据链路层, 如果发现当前接入点不在同一子网层触发开关。s-mip使用移动模型预测移动节点将通过在一个子网, 没有等待的网络层切换触发。换句话说, 移动模式包括单位和子网信息 (见表3) 。因此, 一旦移动节点接收到一个新的接入点的信号将实现信令网络层切换。

3.5 IPv6地址生成与切换过程详解

S-MIP切换过程图示如下。接收的数据链路层网络层切换触发将被予以执行。触发包括一个新接入点的一些标识信息如MAC地址或EUI-64地址。依据标识符, 移动节点可以测试是否接入路由器在移动曲线。如果分布于曲线以内, 它可以生成基于子网前缀为下一个Co A的绑定更新信息。新地址产生, 移动节点向其所有的终端节点和家乡代理发送包含新Co A绑定更新消息, 同时向移动节点的PAR发送FBU。图2给出了S-MIP切换中的信息交换过程。

4 结束语

S-MIP无缝切换具有速度快、丢包率低、信令开销小的优点, 在设计中引入了用户移动曲线的概念, 用以改进传统用户移动模式的预测, 同时简化了的设计结构, 较好的解决了移动无线网络的快速切换问题。

参考文献

[1]李栋, 赵珑, 张有志.移动IPv6快速切换的性能分析及优化[J].计算机应用, 2006 (S1) .

[2]杨文川, 王济世, 杨巍, 等.MIPv6在WLAN内快速切换的性能研究[J].南京大学学报:自然科学版, 2005 (5) .

[3]赵耀培, 郑明春.移动IP协议的研究与分析[J].信息技术与信息化, 2004 (5) .

[4]王海涛, 苗鹏峰.移动IP技术[J], 移动通信, 2005 (8) .

[5]李妙妍, 薛建生, 张凯.一种改进的移动IPv6协议[J], 微计算机信息, 2006 (23) .

IPv6无缝切换技术 第2篇

关键词 WiFi 漫游切换无缝接入技术 市场现状

中图分类号：TP393 文献标识码：A

WiFi是目前携带使用最方便的网络连接技术，是通过无线方式来实现电脑、手机等工具的正常网络使用。为了进一步适用于漫游切换，推出了无缝接入技术，保障了WiFi的市场推广应用性。

1 WiFi漫游市场现状分析

WiFi作为一种新兴的网络无线技术，能够在一定的距离内保持与互联网接入的信号，主要应用于WLAN领域中。①WiFi通常是利用AP来作为接入网络的桥梁工具，相当于内置无线发射器，能够分享使用有线互联网的所有资源信息。同时WiFi与其他互联网连接方式相比，具有一定的自身优势。一是所覆盖的范围广，最远可涵盖96公里的网络信号；二是可以通过对宽带的调整，实现高速稳定的上网环境；三是不受网线的限制，节约了大量的网线牵搭布局的成本，正是由于WiFi具有如此的优势，因此应用范围逐渐加大。由于连接网络的AP覆盖范围有限，一旦离开这一有效范围，就会与AP失去连接，而迅速的与所处位置的新AP建立相关连接，也就是通常所说的漫游切换。这一过程必须经历以下几个阶段：断连当前AP→身份验证新的AP→建立新的关联，具体步骤如下图所示：

传统的WiFi漫游切换通过“先断后连”的方式，来重新建立AP关联，在进行新的身份验证时花费时间较长，必须使用新的WiFi无线密码，通过验证后才能接入互联网，开始享受有线网络的资源信息。②这样的WiFi漫游切换方式，影响了用户的正常体验。为了快速的解决漫游切换缓慢的问题，于是提出了一种新的WiFi切换接入技术——漫游切换无缝接入技术，即利用预先身份验证机制、阈值切换策略来接入互联网，实现漫游切换的快速有效。

2 WiFi漫游切换无缝接入技术概述

2.1 预先身份验证机制技术

通过传统的WiFi漫游切换方式可知，在离开原有AP关联的有效范围时，就会断连开始建立新的AP关联，在此过程中，需要进行用户身份的验证，花费时间较长。而在WiFi漫游切换无缝接入技术中，为了有效的减少身份验证时间，通过预先进行身份验证就能实现网络重新连接的快速性。

首先在WiFi工作站移动过程中，利用主动扫描的方式能够快速的搜索到新的可以访问的AP，开始进行预先身份验证。其次，在可以访问的AP中，通过了身份验证的AP信息保留在WiFi中，既没有和原有AP失去连接，也没有开始请求接入新的AP，互联网接入使用正常。最后，当原有AP信号逐渐减弱，且新的AP信号较强时，就会依照AP信号强度进行阈值判断，与原有AP断连，而直接接入新的AP。这样的预先身份验证技术，真正实现了漫游切换无缝接入，有效的保证了网络用户业务的稳定性，符合了广大WiFi用户对漫游的技术要求。③

2.2 阈值切换策略技术

阈值切换策略的判断标准是，工作站移动过程中，AP信号强度的高低。一般情况下，在WiFi使用工具移动时，随着与AP间距离的逐渐加大，信号强度也会逐渐减弱，这样就大大的降低了网络使用质量。尤其是通过互联网实现的语音信号传输，WiFi信号的减弱使得使用中的QoS无法保持，影响用户的正常业务。

而在WiFi漫游切换无缝接入技术中，提出了根据AP信号强弱进行网络接入的新技术——阈值切换策略。要设置接受AP信号量强度的指示，即RSSI的最小值，当使用工具与当前所关联的AP间信号低于该阈值时，就主动断开与原AP间的连接。断开连接后，为了保证互联网的正常使用，则必须重新建立新的AP关联，可以根据阈值大小来实现新AP连接。该WiFi漫游切换无缝接入技术，避免了AP间的过度切换，同时有效的保持了互联网正常的通信质量，实现了笔记本电脑、手机等系统资源的保护。WiFi漫游切换实现阈值切换策略的具体过程如下图所示：

通过预先身份验证机制与阈值切换策略两种方式来实现的WiFi漫游切换技术，是真正意义上的无缝接入技术，它避免了传统WiFi漫游切换方式的缺陷，保证了互联网用户工作的稳定性与连续性。④其中预先身份验证机制，更是打破了传统WiFi漫游切换的“先断后连”方式，而采用“先验证再断连再重连”的方式，有效的减少了重新连接新的AP所需花费的时间。

3 结语

WiFi由于本身的优越性，在整个WLAN领域内的发展前景就十分宽广。因为在漫游切换过程中，存在时间消耗长的问题，就严重影响了广大用户的使用质量，制约WiFi市场的发展。因此，为了改变传统WiFi漫游切换方式，提出新的漫游切换无缝接入技术，不仅大大改观用户对WiFi的认识，还有效的缩短了WiFi漫游切换的时间，真正的实现无缝接入，为Wifi市场推进提供保障。⑤

注释

① 王红梅.浅谈WiFi技术应用及其发展前景[J].北京：科技创业家，2012（17）：63.

② 周洁.基于WiFi传输与接入技术的发展[J].湖北：信息通信，2012（2）：115-116.

③ 滕劲，徐昌庆.WiFi中多AP间快速切换的研究与实现[J].四川：通信技术，2009，11（42）：121-123.

④ 徐茜亮，王维.基于WiFi的漫游切换无缝接入技术研究[J].江苏：工矿自动化，2011（2）：6-8.

⑤ 倪维国，董永强，夏勤.基于站的IEEE 802.11b/g无线局域网快速切换方案[J].江苏：东南大学学报，2008（2）：149-154.

移动IPV6切换技术研究 第3篇

MIPv6是一种宏移动 (Macro-mobility) 管理协议, 使移动节点移出家乡网络时仍能够维持通信, 即主要处理移动节点域间的切换。每当MN发生域间切换, 就需要配置新的转交地址, 并进行重复地址检测, 这个过程将引起较大的时延, 并且绑定更新消息需要发送到通常离其较远的HA和通信节点 (correspondent node, CN) , 这些信令开销和延时, 对实时应用是不能接受的。为了克服以上不足, 人们提出了多种基于标准MIPV6的解决方案。

1 快速切换方案 (FMIPV6)

FMIPv6是为了提高切换速度而提出的, 切换由三层切换 (L3) 和二层切换 (L2) 组成。二层切换主要是改变无线接入点, 由MN完成。二层切换是否引起高层切换主要取决于无线接入点的有线连接是否在同一网络链接上。三层切换发生时, 移动节点需要通过注册得到一个新IP地址, 需要发送绑定信息到家乡代理和所有的通信对等节点, 导致切换时延较大。

FMIPv6协议是一种基于预先切换的技术, 通过第二层触发 (L2 Trigger) 来预测切换将要发生, 在与当前链路断开之前进行转交地址生成和重复地址检测 (DAD) , 从而在移动结点与新的链路建立连接之后, 就可以使用该转交地址进行通信。这种技术可以减少MIPv6协议中的移动检测和新转交地址配置时延, 减少跨子网络切换的消耗时间, 提高切换速度从而使IP层切换更适应业务发展需求。

2 层次切换方案 (HMIPV6)

HMIPv6协议通过使用本地层次结构, 减少与外部网络的信令交互和注册时间, 减少切换中断的时间。HMIPv6机制引入一个新功能节点, 移动锚点 (MAP) , 以最小扩展移动节点M N的操作, 对应通信节点 (CN) 和家乡代理 (HA) 的操作不受其影响。MAP对域内的MN实际上相当于是一个本地家乡代理, 它可以在自身区域内充当家乡代理来接收M N的绑定更新, 这样就减少了MN在MAP域内进行移动时的绑定更新时延。在HMIPv6协议中, MN拥有两个转交地址:链路转交地址 (LCo A) 和区域转交地址 (RCo A) 。若收到以MN的注册代理地址 (RCo A) 为目的地址的数据, 就重新打包, 通过隧道以M N链路代理地址 (LCo A) 为目的地址发送给MN。

通过划分本地层次, 每个层次区域都有MAP负责移动MN在分层域内移动时的位置映射, HMIPv6可以对层外节点提供透明移动性管理, 从而降低位置管理消息在分层域外的消耗, 同时缩短了位置更新消息的传输路径, 进而在一定程度上降低了切换延迟。

3 快速层次切换方案 (FHMIPV6)

FMIPv6协议和HMIPv6能够从不同的方面减少切换带来的时延, 将基于缓存机制的FMIPv6与HMIPv6相结合起来, 形成了FHMIPv6协议。在网络中同样使用移动锚点 (MAP) 将子网划分层次区域, 另一方面利用FMIPV6中的L2触发预先切换机制, 将网络层切换提前到链路层切换之前进行, 减小新的IP地址获得和注册时间往返信息引起的时延。该协议一方面能够减少MIPv6标准切换中移动检测时延和配置新转交地址时延, 这是利用FMIPv6的技术来实现的;另一方面能够减少MIPv6标准切换在域内切换时MN向HA的绑定更新时延, 两者的结合能够达到更好的切换性能。

4 结语

尽管对于移动IPv6的切换性能已经有了很多的研究, 但目前移动IPv6的切换仍然存在一些问题, 仍然有待改进的空间, 比如在FMIPV6中充分利用底层信息, 优化L2触发事件, 在HMIPV6中合理选取MAP的管理区域, 都对切换性能的提高也有很大影响。随着Internet及移动通信的迅速发展, 对于移动互联网服务质量的要求也将越来越高, 相信对于MIPv6切换过程中存在的一些问题将会得到更好地解决。

摘要：由于基本移动IPv6协议切换过程造成的延迟无法保证实时通信业务的服务质量, 在基本移动IPv6协议的基础上提出了各种改进的切换方案, 结合移动IPv6切换方案的研究进展情况, 介绍了当前主要的切换方案, 并对各切换方案做了深入分析和比较, 最后指出今后的研究方向。

关键词：移动IPv6,FMIPV6,HMIPV6,FHMIPV6

参考文献

[1]D.Johnson, C.Perkins, J.Arkko.Mo-bility Support in IPv6, RFC3775[S].2004, 6.

[2]Rajeev Koodli, Ed., Ed., Fast Handoversfor Mobile IPv6, RFC4068[S].2005, 7.

[3]H.Soliman, K.EIMaki and L.Bellier.Hierarchical Mobile IPv6 MobilityManagement (HMIPv6) .RFC4140[S].2005, 8.

[4]Jaehwoon Lee, Sanghyun Ahn.I-FHMIPv6:A Novel FMIPv6 andHMIPv6 Integration Mechanism.draftjaehwoon-mipshop-ifhmipv6-01[J].txt, 2006, 6.

IPv6无缝切换技术 第4篇

无线Mesh网络是基于IP协议的通信技术, 可支持多点对多点的网状结构[1]。无线Mesh网络必须能够为用户提供移动性支持, 即当移动用户发生移动并切换到新接入点时, 网络必须保证业务通过新接入点进行无缝路由。

目前, 国内外对无线Mesh网络切换技术的研究, 主要存在两种解决思路:第一种是采用传统的移动IP机制来实现网络层的切换[2], 但是移动IP存在着“三角路由”、切换时延大等问题, 并不适用于无线骨干网连接的无线Mesh网络;第二种方法是采用“Ad hoc”的解决方案[3], 此时需要在用户终端设备中增加额外的路由协议或对协议栈进行扩展, 这就与目前用户终端设备不兼容, 限制了大规模商业应用。针对移动IP的快速平滑切换快速切换, 由特定信令完成移动主机路径的更新, 对路由优化, 平滑切换的层次移动管理[4], 但是仅适用于特定的蜂窝IP网络。

在保证用户终端完全透明的前提下, 本文首先分析无线Mesh网的切换机制, 然后从降低切换时延的角度, 提出了一种基于平面路由的低时延快速切换方案, 仿真分析表明, 该技术可以实现无线Mesh网络的无缝切换。

2 无线Mesh网络的切换机制

图1给出了典型的基于802.11的无线Mesh网络结构模型。对于AP而言, 无线Mesh网络可看作一个多跳的无线网络, 每个AP节点均可与其临近AP节点直接通信。当移动用户在无线Mesh网络中移动时, 无线接入点的改变会导致数据链路层切换, 进而触发网络中的路由更新 (即网络层切换) 。

在无线Mesh网络中, AP间是通过无线链路连接形成多跳网络 (类似于Ad hoc网络) 的。因此, AP间的数据转发通信可由Ad hoc网络中的路由协议完成。从移动用户的角度来看, 无线Mesh网络与传统的WLAN没有任何区别, 因此, 终端用户的接入方式和协议均没有任何改变, 移动用户仍然是采用传统的IEEE802.11系列协议通过AP接入internet网络。

3 低时延的快速切换方案

本文在时延敏感型实时业务应用背景下, 研究无线Mesh网络的切换问题, 而且无线Mesh网络中的接入点AP一般是静止不动的, 网络拓扑结构变化相对较小, 因此, 本文选择OLSR这种先应式路由协议[5]来实现无线Mesh网络的快速切换机制。

所谓平面路由是指网络的逻辑结构是平面结构, 网络的所有节点是平等的, 不用区别一般节点和特殊节点, 是一类完全分布式的路由协议[5]。本节提出了基于平面路由的快速切换机制, 其基本思想是利用WLAN数据链路层切换触发网络层路由更新消息的产生, 并通过AP间的平面路由协议对该路由更新消息进行适当传输, 当网络中相关AP的路由表项更新结束时, 网络层切换完成。

3.1 基于主机网络关联 (HNA) 的快速切换

本方案中, 以WLAN的链路层切换触发路由更新消息的产生与广播, 从而实现快速切换, 当网络中所有AP的路由表项更新结束时, 网络层切换完成。此时, 网络中AP的路由表需要维护目的地址为网络中所有移动用户IP地址的路由。AP与移动用户之间的无线链路被看作是无线Mesh网络的外部路由, 当移动用户在AP间发生切换时, AP的外部路由相应发生改变, OLSR协议利用数据链路层切换作为触发, 并使用其定义的HNA消息向全网广播相关外部路由改变的信息。此时, 网络中所有AP根据其已知的到其他AP最短路由路径, 相应更新到该移动用户的路由表项。可以看出, 本方案中移动用户在AP间切换过程实际上就是使用HNA消息在全网进行路由更新的过程[4]。

当移动节点移动到当前AP覆盖范围之外时, 具体切换流程如图2所示, 当移动用户发生切换时, 移动用户的IP地址始终保持不变, 因此所有正在进行的会话和连接都得以继续维持。一旦链路层切换完成, 新AP就在全网广播到该移动用户的路由更新消息, 从而可实现网络层的快速切换;网络中所有AP都能够及时掌握该移动用户的运动状况, 从而保证了任何时刻通信路径都是最优的。上述特点对支持时延敏感型实时业务是至关重要的。然而, 每个AP都需要维护网络中所有移动用户的IP-MAC地址映射表以及到所有移动用户的路由, 因而给网络或者系统带来了一定的开销。

3.2 基于混合路由 (HR) 的快速切换

在实际的通信过程中, 在AP中维护到所有移动用户的所有路由信息是没有必要的。针对HNA方案中存在的这个问题, 本节提出了混合路由快速切换方案。AP间的多跳路由通过先应式的方式进行维护, 而寻址移动用户的通信路由则采用按需的方式。也就是说, AP只维护到Mesh网络中其他所有AP的最短路径路由以及到本地用户的单跳路由, 并不维护到网络中所有其他移动用户的路由。此外, AP间还采用隧道机制实现用户间的通信, 使得连接隧道两端边缘AP的所有中继接入点 (AP) 在不具有任何与通信用户相关信息 (即通信用户的路由信息) 的情况下, 仍能转发用户间的数据包。此时, 若移动用户发生切换并改变其接入点, 只有位于隧道两端边缘AP中的相关信息需要更新 (即路由更新) , 网络中其他所有AP均不需要进行路由更新。与HNA方案类似, 由于所有AP (无线Mesh路由器) 几乎是静止不动的, AP间通过无线链路互联形成的无线Mesh骨干网络拓扑结构变化相对而言就较小, 因此AP可先应式地维护到Mesh网络中其他所有AP的路由。为了便于比较, 本方案中还是选取OLSR协议作为AP间的路由协议[4]。每个AP除了维护一张到其他AP的路由表之外, 还需要维护本地用户信息表和外地用户信息表, 其数据结构如表1所示。整个切换流程如图3所示。步骤1-4与HNA方案中基本一致, 都是采用IEEE802.11b的数据链路层切换过程。但是在HNA方案的基础上, 还需要增加一些额外的步骤[4]。

当移动用户发生切换时, 移动用户的IP地址也始终保持不变, 可保证移动用户端的完全透明。AP间先应式地维护Mesh网络中的路由, 而采用按需方式寻址移动用户的通信路由, 即AP只维护到Mesh网络中其他所有AP的最短路径路由以及到本地用户的单跳路由, 并不需要维护到网络中所有其他移动用户的路由, 从而大大减小了路由表的维护开销。一旦链路层切换开始, 旧AP就向通信对端的接入点AP发送用户撤销请求帧, 向通信对端通告该移动用户发生切换的事实, 使得通信对端可以尽快寻找到该移动用户的新路由, 从而可实现网络层的快速切换。AP间还采用隧道机制实现用户间的通信, 使得连接隧道两端边缘AP的所有中间接入点 (AP) 无需知道任何与通信用户相关的路由信息, 进一步减少了路由表的维护开销, 此外隧道机制还能提供简单且高效的用户移动性管理功能。与HNA方案中所有AP需要进行路由更新的方式不同, 混合路由方案中移动用户发生切换时, 只有位于隧道两端边缘AP中的相关信息需要更新 (即路由更新) , 网络中其他所有AP均不需要进行信息更新。但是, 采用隧道机制会给Mesh网络带来一定的系统开销, 并且相对于HNA方案而言, 切换过程中新隧道的建立需要隧道两端边缘AP的一次握手过程, 因此其切换时延可能较大[1]。

4 仿真及结果分析

本节通过仿真将透明移动IP切换方案 (TMIP) 与本文提出的基于平面路由的2种快速切换方案进行比较分析。图4为仿真拓扑结构, 各AP的覆盖范围半径设定为100米, 其中AP3是带网关功能的接入点。Server用于产生各种业务的数据包, 每10 ms向移动用户发送100字节的UDP数据包。每个AP均配置有双网卡, AP与终端用户链路带宽11 Mbit/s, AP间的链路带宽为54 Mbit/s。

由于STA与AP间的链路层切换与AP骨干网的网络状况无关, 因此HNA方案、HR方案以及TMIP方案的链路层切换时延并没有随着单跳链路时延的变化而变化, 3种方案的链路层切换时延基本保持在40 ms左右[4];但是, HNA方案、HR方案以及TMIP方案的总切换时延都随着单跳链路时延的增加而递增[4]。

假设AP1是STA的家乡AP, STA进行5次切换, 分别从AP1切换到网络中其他AP (即AP2-AP6) , 单跳链路时延为15 ms, 仿真结果如图5和图6所示。

由仿真结果可以看出, 由于STA与AP间的链路层切换与AP骨干网的网络状况无关, 因此HNA方案、HR方案以及TMIP方案的链路层切换时延并没有随着目的AP与当前AP距离的变化而变化, 3种方案的链路层切换时延基本保持在40 ms左右;HNA方案、HR方案以及TMIP方案的切换总时延都随着目的AP与当前AP距离的变化而改变, HNA方案的切换时延取决于通信对端的AP节点与新AP之间的距离及网络的拓扑结构;HR方案的切换时延与新、旧隧道两端边缘AP的距离有关。而TMIP方案的切换时延取决于新AP与移动位置寄存器 (MLR) 之间的距离以及新、旧AP间的距离。

5 结束语

3GPP LTE系统将逐步向IP宽带网方向演进, 接入网结构也将采用eNode的Mesh直接互连方式。本文从降低切换时延的角度出发, 结合无线Mesh网络的无线多跳特性, 提出了一种基于平面路由的快速切换机制, 并给出了两种具体实现该机制的方案。与传统基于移动IP的切换机制相比, 该机制能有效地降低了网络层切换时延, 对时延敏感型实时业务在无线系统的切换研究有一定参考价值。

参考文献

[1]谢伟, 肖明波, 姚彦.新型宽带无线网络技术-无线网状网.电信科学, 2006, (6) :33-36.

[2]S.Sharma, N.Zhu, T.Chiueh.Low-latency mobile IPhandoff for infrastructure-mode wireless LANs.IEEE Transaction on Communications, 2004.5, 22 (4) :643–652.

[3]F.Eshghi, A.Elhakeem, Y.Shayan.Performance evaluation of multihop ad hoc WLANs.IEEE Communications Magazine, 2005.3, 43 (3) :107-115.

[4]袁丽玲.无线Mesh网络的无缝切换技术研究:[硕士].武汉:华中科技大学, 2006.

IPv6无缝切换技术 第5篇

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,通过对周期性代理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”家乡代理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代理和通信节点,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 2Handover,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:

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:

则其密度函数为:

可以得知当时,由此可得间隔比例的数学期望为:

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

[1]Hossain,Kanchana Kanchanasut.A handover management scheme for Mobile IPv6.The14th Internationa Conference on Computer Com-munications and Networks,2005.

[2]Hesham Soliman,Karim EI-Malki,Ludovic Bellier.Hierarchical Mobile IPv6mobility management.IETF Draft,2002.

[3]Rajeev Koodl.Fast Handovers for Mobile IPv6.IETF Draft,2003.

[4]Deering S.Internet Protoco Version6Specification.RFC2460,1998.

[5]林涛,孙向辉,侯自强.一种基Layer2Trigger的移动IPv6快速切换方案的研究及实现[J].计算机学,2004.