移动IPV6在改进数据包发送路径模型下性能分析

张君昌，韩 涛，谷卫东

（1.西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710129；2.西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071）

移动 IPv6[1]（MIPV6）是 IETF制定的一种 Internet移动性管理方案，可使节点在不同网络间移动时仍能保持通信的连续性。当移动节点（MN）改变它的连接点时，由于IP的路由特性，MN的IP地址就随之改变。在移动IPV6中，每个MN都由它的家乡地址（HoA）唯一确定。然而，当MN从一个网络移动到另一个网络，即使在同一个管理域内，移动IPV6需要把它新的连接点信息绑定更新至HA（Home Agent）和通信主机（CH），这样造成了数据包发送时延和额外数据包发送代价。这对于通信过程等对实时性要求较高的应用影响较大。自从MIPV6成为一种移动性管理协议之后，许多后续的工作相继展开。即使IETF已经制定了几个协议，IP的移动性管理仍然是最有挑战性的课题之一。

在MIPV6中，当CH发送数据包至MN，起初一些数据包先发送至HA，然后HA用隧道发送给MN，MN接收这些间接到来的数据包时，同时发送绑定消息至CH，这个消息使CH绑定MN的准确位置信息，绑定完成后CH通过直接路径将未发完的数据包发送至MN。

FMIPV6和HMIPV6[2]为了消除MIPV6的缺陷而发展起来。当MN切换的时候，FMIPV6采用了数据包缓存机制来防止数据包丢失。当MN进行切换的时候，数据包通过间接路径先发送至HA，然后由HA通过隧道发送至前访问路由（PAR），当切换结束后这些数据包通过隧道发送至新访问路由（NAR），最后发送至MN。随后，还未发完的数据包通过直接路径发送至MN。

HMIPV6则对MIPV6作了修改。在MIPV6中，当MN改变它的连接点时，都要把改变的IP地址通知给HA和CH。而在HMIPV6中，每个管理域中都有移动锚节点（MAP）做代理，MN在域内移动时只需向MAP注册，这样避免了向HA频繁注册，降低了切换时延。当MN和HA距离较远时HMIPV6的优势更明显。当MN在MAP域内时，数据包不经过HA，其先到达MAP，然后MAP通过隧道发送至AR，AR再通过隧道发送至MN。

最新发展起来的PMIPV6[3]能够使MN在给定的PMIPV6域内改变连接点的同时继续接收来自CH的数据包。PMIPV6是一种基于网络的移动性管理协议，引入了移动访问网关（MAG）和局部移动结点（LMA），它们共同负责MN在给定的PMIPV6域内的移动管理。MAG位于访问路由（AR），它能够检测到MN靠近自己。LMA充当HA的角色，存储MAG的注册信息，同时能够使数据包发送至MN。LMA首先接受从来自CH数据包，然后LMA通过隧道发送至AR，AR再通过隧道发送数据包至MN。

进一步的研究发现，上述管理协议中，数据包在AR和MN之间通过代价很大的隧道发送，其数据包发送代价仍较大，这样的机制导致了数据包传输速率下降和时延[4]加大。由文献[5]知数据包在通过隧道发送时HA首先截获送往MN家乡地址的报文，然后通过隧道转发到移动节点的转交地址AR，最后AR取出报文，直接发送给MN。因此本文在分析现有移动IPV6管理协议性能模型的基础上，改进了文献[6]数据包发送路径：AR和MN之间数据包由代价很大的隧道发送改进为直接发送，减少了权重较大的隧道代价因子的影响，改进后并没有带来额外的代价。在这样的路径下数据包发送代价降低，时延减小。

1 数据包发送代价分析

如图1所示为数据包发送模型。数据包发送可以通过直接路径和间接路径两种方式发送。直接发送由CH发送到GATE，然后GATE通过隧道发送至AR，AR再通过隧道发送至MN。间接发送是CH先将数据包发送至HA，然后HA通过隧道发送数据包至AR，AR再将数据包通过隧道发送至MN。

分析可知，数据包在AR和MN之间通过代价很大的隧道发送，导致了数据包传输代价增大和时延加大。鉴于此，文中在Jong-Hyouk Lee[6]等人建立的用于分析现有移动IPV6管理协议性能模型的基础上，改进了数据包发送路径：如图2，将AR和MN之间数据包由代价很大的隧道发送改进为直接发送，即减少了权重较大的隧道代价因子对数据包发送代价的影响。 MIPV6、HMIPV6、FMIPV6、PMIPV6 的数据包发送代价在改进的数据包发送路径和文献[6]中的路径下的分析如下文。

图1 现有数据包发送模型Fig.1 Structure diagram of the present packet delivery mode

1.1 M IPV6数据包发送代价

当CH发送数据包至MN，起初一些数据包先发送至HA，然后HA用隧道发送给MN，MN接收这些间接到来的数据包时，发送绑定消息至CH，这个消息使CH绑定MN的准确位置信息，绑定完成后CH直接将数据包发送至MN。因此，数据包发送代价可以表示为：

图2 改进数据包发送路径模型Fig.2 Structure diagram of the modified packet delivery mode

λ是通过HA发送的数据包和总发送数据包的比率，即间接路径数据包到达率，ω为数据包会话到达率，L（P）是数据包平均会话长度，CMIPV61和CMIPV6PD分别表示间接路径代价和直接路径代价。

分析发现间接路径代价中数据包由HA发送到AR后，由AR发送给MN时可以不再用隧道发送，可以直接发送，即可改进为

1.2 FM IPV6数据包发送代价

当MN切换的时候，FMIPV6用到了数据包缓存机制来阻止数据包丢失[7]。在MN切换的时候，通过间接路径到达的数据包先缓存至前访问路由（PAR），当切换结束后这些数据包再通过新访问路由（NAR）发送至MN。故

同样分析发现间接路径代价中数据包由HA发送到AR后，由AR发送给MN时可以不再用隧道发送，可以直接发送，即可改进为

d7表示 AR 和 AR 之间的跳数。 由于＞1，故 βd2＜CTβd2，故改进后数据包发送代价降低。

1.3 HM IPV6数据包发送代价

d5和d6分别表示 GATE和 CH、GATE和 AR之间的跳数。同样分析发现直接路径代价中数据包由HA发送到AR后，由AR发送给MN时可以不再用隧道发送，可以直接发送，即可改进为：

1.4 PM IPV6数据包发送代价

LMA首先接收从CH发送至MN的数据包，然后通过隧道发送[8]至AR，因此可以表示为：

同样分析发现直接路径代价中数据包由LMA发送到AR后，由AR发送给MN时可以不再用隧道发送，可以直接发送，即可改进为

2 实验仿真与分析

2.1 数据包发送代价性能分析

数据包发送代价性能仿真是在MATLAB7.0平台上进行的，实验参数参照文献[5]如下所示：d1=4，d2=1，d3=8，d4=10，d5=6，d6=4，d7=2，α=1，β=2，CT=20。由上文的分析可知，现有移动IPV6协议的数据包发送代价在改进后的模型下比在现有模型下低。本文仅以MIPV6为例加以仿真，其他协议类似。同时，对现有移动IPV6协议在改进的模型下的性能加以仿真。实验结果如图3所示。

图3 为 λ=0.2，L （p）=10时，ω=0.5 时数据包发送代价随着会话到达率、间接路径数据包达到率、数据包平均会话长度的关系。随着移动IPV6协议数据包会话到达率、平均会话长度的增加，其数据包发送代价随之增加。这是因为数据包发送代价和数据包平均会话长度成正比，所以其二者之间呈线性关系。随着移动IPV6协议间接路径数据包到达率的增加，MIPV6和FMIPV6随之增加，而HMIPV6和PMIPV6则保持不变，这是因为MIPV6和FMIPV6的数据包发送由直接路径和间接路径两部分组成，间接路径的代价高于直接路径，故随着间接到达的数据包增加，其数据包发送代价增加。而HMIPV6和PMIPV6则是由直接路径传输数据包，故不会随着间接路径到达率的变化而变化。

MIPV6的数据包发送代价随着会话到达率、间接路径数据包到达率、数据包平均会话长度的增大而增大，在改进模型下比在现有模型下数据包发送代价更低，这种差别随着会话到达率的增大越加明显。

2.2 时延和吞吐量分析

网络仿真是一种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络的行为，从而获取特定的网络特性参数的方法。本文的时延和吞吐量的仿真是建立在OPNET系统开发平台上的。

表1列出了MIPV6、HMIPV6在传统网络模型下和改进模型下切换时延和平均吞吐量。从该表的实验数据中可以看出，采用改进模型可以有效降低切换时延，增加平均吞吐量，通信质量得到一定的提高。

3 结束语

图3 数据包发送代价比较Fig.3 Structure diagram of the packet delivery cost

表1 切换时延和吞吐量分析Tab.1 Analysis of handoff latency and throughput

文中改进了现有移动IPV6性能分析模型，分析对比了移动IPV6协议在现有模型下和改进模型下的数据包发送代价与会话到达率、数据包会话长度和间接路径数据包到达率的关系。实验仿真表明，移动IPV6协议在改进的模型下数据包发送代价和切换时延较低，吞吐量有所增加，通信质量得到一定的提高。

参考论文：

[1]Johnson D，Perkins C，Arkko J.Mobility Support in IPv6[S].IETF RFC 3775，2004.

[2]Soliman H，Castelluccia C，ElMalki K，et al.Hierarchical Mobile IPv6 Mobility Management （HMIPv6）[S].IETF RFC 4140，2005.

[3]Gundavelli S，Leung K，Devarapalli V，et al.Proxy Mobile IPv6[S].IETF RFC 5213，2008.

[4]Hossain A K M.M， Kanchanasut K.A handover management scheme for mobile IPv6 networks[J].Computer Communications and Networks，2005：1095-2055.

[5]江国星，申易彬.移动IP的优化管理策略[J].计算机与数字工程，2006，4（20）:30-35.JIANG Guo-xing， SHEN Yi-bin， Optimization of mobile IP’s management[J].Computer and Digital Engineering，2006，20（11）:30-35.

[6]Lee J H，Ernst T，Chung T M.Cost analysis of IP mobility management protocols for consumer mobile devices[J].IEEE Transactionson ConsumerElectronics，2010，56（2）：1010-1017.

[7]Taleb T，Letaief K B.A cooperative diversity based handoff management scheme [J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2010，9（4）：1462-1471.

[8]Pack S， Kwon T， Choi Y， et al.An adaptive network mobility support protocol in hierarchical mobile IPv6 network[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2009，58（17）：3627-3639.