基于代理管理锚点的PMIPv6切换性能优化分析

葛云生，申哲健(桂林理工大学信息科学与工程学院，广西桂林　541004)



基于代理管理锚点的PMIPv6切换性能优化分析

葛云生，申哲健
(桂林理工大学信息科学与工程学院，广西桂林541004)

摘要:代理移动IPv6中，由于移动节点在移动接入网关( MAG)间切换时，新的MAG都必须与本地移动锚点( LMA)进行注册，导致较高的切换开销。为减少这种开销，引入了代理管理锚点( PMAP)，每个PMAP管理由多个MAG子网所构成的域，这样当移动节点在PMAP域内的MAG子网间切换时，MAG只需要与距离较近的PMAP进行切换信令的交互;只有在PMAP域间切换时，才需要MAG与PMAP，以及PMAP与LMA之间的切换信令的交互，避免了一次会话过程中移动节点在MAG子网之间切换时MAG与LMA的频繁切换信令交互的开销。模型和数值分析的结果表明:与PMIPv6方案比较，PMAP－PMIPv6方案的平均切换开销小，域内的切换时延低，一次会话的平均丢包数也少，在一定程度上优化了网络性能。关键词:代理移动IPv6;代理管理锚点;分析模型;切换开销

0　引言

随着移动通信的迅速发展，移动互联网技术也受到广泛的重视，目前全IP技术已经成为通信技术的一种发展趋势。在移动互联网中，移动IPv6协议被认为是最有发展前景的技术之一。其中包括基于主机移动管理的MIPv6协议［1］和基于网络移动管理的PMIPv6协议［2］，这两个协议被3GPP接纳［3］。在MIPv6中，由于移动节点( MN)参与移动管理，移动节点本身需要配置移动管理的功能，增加了MN的资源消耗和通信成本，在应用领域难以得到推广。PMIPv6则将MN的移动管理功能前移到接入路由，通过引入移动接入网关( MAG)和本地移动锚点( LMA)来实现移动节点的本地化管理。但每次移动节点进入本地MAG管辖的区间时，都存在一个切换信令的交互，即MAG和节点的LMA之间要进行必要的代理绑定更新和绑定应答的分组交换，并产生为MN的数据进行转发的通信隧道。而且移动节点每次切换到新的MAG区间时，都要进行这个切换过程，这增加了网络的通信成本。由于MAG和LMA之间往往存在较长的通信距离，切换过程就会产生较长的切换时延，这在一定程度上增加了数据通信的丢包率，以及数据包的传输时延，因此也影响一些对时间较敏感的业务在移动互联网的应用。为减少这种切换所引起的影响，笔者借助于MIPv6中层次切换的思想［4］，即在相邻的一组MAG子网构成一个域，在域内引入一个代理管理锚点( PMAP)。当移动节点在域内的MAG子网之间移动时，PMAP代理LMA，切换信令在MAG和PMAP之间交互。只有在MN移动到新的PMAP域时，切换信令的交互需要在MAG与新的PMAP之间，以及新的PMAP与LMA之间进行。由于PMAP与MAG之间的通信距离较近，域内切换信令的开销就大大降低了，会话的丢包率也就降低，使得通信的质量相应地提高。

1　基于PMAP的PMIPv6　的网络结构

1. 1网络基本结构

在PMIPv6网络结构的基础上引入代理管理锚点( PMAP)，构成基于PMAP的PMIPv6网络结构模型( PMAP－PMIPv6方案)，如图1所示。在此结构模型中以PMAP为中心，将一组MAG组成的子网组成一个域。当移动节点首次切换到本域时，MAG首先与本域的PMAP建立代理绑定的关系，而PMAP代替MAG与节点的LMA进行绑定。在LMA的绑定缓存条目( BCE)表中，PMAP节点地址就为节点的代理转交地址。移动节点在此结构中的切换可分为两类:域内切换和域间切换。域内切换即在同一PMAP域内的MAG子网之间的切换。在执行这种切换时，新的MAG只需要与本域的PMAP进行代理绑定，无需与节点的LMA进行代理绑定更新信令的交互。域间切换是指移动节点跨不同PMAP域之间的切换，这时MAG和PMAP之间，以及PMAP与节点的LMA之间都要进行代理绑定更新的信令交互，其所耗费的绑定更新开销与PMIPv6相类似。由于移动节点在一次会话过程中的域内切换只需要与近距离的PMAP进行代理绑定更新的信令交互，其切换开销优于与LMA的绑定更新切换开销。因此会话的整体切换性能得到优化。

1. 2 PMIPv6网络切换的基本过程

根据PMIPv6协议，当移动节点MN在外地移动到MAG管理子网时，MAG和LMA之间切换信令交互的详细流程如图2所示，过程的步骤描述如下:

图1　基于PMAP的FMIPv6网络模型Fig. 61FMIPv6 network model based on PMAP

图2　FMIPv6基本切换过程Fig. 62FMIPv6 basic handoff procedure

( 1) MN在L2感知切换到MAG，对MAG发送路由请求信令，希望得到本地网络地址。

( 2)当MAG收到路由请求后，根据MN的策略库信息得到MN的LMA地址，然后向LMA发送代理绑定更新信令PBU。

( 3)当LMA收到PBU后，更新BCE表中的MN信息，分配MN的网络前缀，建立与MAG的端到端的隧道。随后发送代理绑定应答分组( PBA)到MAG。

( 4) MAG收到PBA后，建立与LMA的双向数据通信隧道，为MN建立路由，然后向MN发送路由公告，以便MN配置IP地址。

整个过程中都需要LMA参与切换信令的交互，因此其切换过程相当漫长。

1. 3基于PMAP的PMIPv6网络域内切换基本过程

当PMIPv6网络中引入PMAP后，移动节点在MAP子网间的切换可以分为两种类型:域内切换和域间切换。

当MN在同一PMAP的域内切换时，对MAG来说，由于PMAP代理了LMA的功能，所以在切换的过程中MAG只需要与PMAP进行切换信令的交互。基本过程与PMIPv6类似，只是用与MN更近的PMAP代替了MN的LMA。而由于PMAP更接近于MN，其切换过程所需要的绑定更新信令的传输时延则比PMIPv6要小的多，这也是本网络模型最基本的优化部分。由于LMA不参与域内移动切换绑定更新的信令交互，在切换期间对MAP来说是透明的。

1. 4基于PMAP的PMIPv6网络域间切换的基本流程

当移动节点MN从原来的PMAP域切换到新的PMAP域时，就发生了PMAP域间切换。由于LMA的BCE中MN节点记录需要更新对应的PMAP，因此LMA也需要参与节点的移动管理。切换的详细过程如图3所示。其步骤描述如下:

图3　基于PMAP的FMIPv6切换过程Fig. 63FMIPv6 handoff procedure based on PMAP

( 1)与1. 2节类似，MN检测到MAG并在L2上与MAG建立连接后向新的MAG发送路由请求信令，以获得主机地址。

( 2)当MAG收到路由请求后，向本地域的PMAP发送代理绑定更新信令。

( 3)当PMAP在代理的BCE ( PBCE)中找不到MN节点的记录时，则向LMA发送基于PMAP的代理绑定更新( PPBU)信令。类似于HMIPv6，对PPBU设定M标志位并置位，以区别于PMIPv6中的PBU。

( 4) LMA根据PPBU信息更新MN记录，将新的PMAP作为MN的MAG代理转交地址，分配MN的家乡网络前缀，创建LMA端的隧道，然后向PMAP发送标志位M置位的基于PMAP的PPBA信令。

( 5) PMAP收到PPBA后，在PBCE表中添加MN记录绑定MAG节点地址，与LMA建立双向隧道，更新MN节点路由，建立与MAG之间的双向的隧道;同时向MAG发送PBA。

( 7) MN收到路由公告后，在L3上建立以MN、MAP、PMAP和LMA组成的数据通信路径，从而完成切换过程。

从上述的流程可见，虽然在PMAP域间切换过程中，由于PMAP的存在，其切换效率不如基本的PMIPv6的切换，但是域内切换时，由于PMAP参与切换信令的交互，其距离要远小于LMA，切换的时延要远好于PMIPv6。在一次会话的过程中，由于域内切换的次数要远多于域间切换，从整体上说其切换效率得到明显的改善。

2　建模与性能分析

本文主要考虑切换过程中的切换信令传输开销所产生的对网络性能的影响，而且只考虑3层切换开销，采用图4模型来分析开销［5］。由于切换时延与所传输的分组的大小成正比，在性能分析中主要考虑信令传输所引起的流量开销，将本模型和基本PMIPv6的切换开销进行比较。

图4　切换开销分析模型图Fig. 64Model for the handoff cost analysis

本模型中假设: ( 1)移动节点在MAG子网间的切换率服从参数为μ的指数分布，则在PMAP域间切换率近似服从参数的指数分布［6］，其中n为PMAP域所包含的MAG子网个数; ( 2)移动节点一次会话的平均长度为1/λ的指数分布。文献［9］的研究表明，在切换性能的分析中，指数分布模型是复杂性和精确性的一个很好的折中;由文献［10］知，一次会话过程中MN需要的平均切换次数为E( n) =μ/λ。以下对基本PMIPv6和本模型在一次会话过程中的平均切换信令开销进行分析。

2. 1 PMIPv6切换开销

PMIPv6中，当移动节点从原MAG子网移动到新的MAG子网时，其切换信令开销主要由BMAG－MN和BMAG－LMA组成。一次会话过程中移动节点的平均切换开销CPMIPv6可估算如下［7］:

CPMIPv6= E( n) ( BMAG－MN+ BMAG－LMA)。( 1)其中，E( n) =μ/λ为一次会话中MAG子网之间的平均切换次数。

模拟沥青混凝土心墙坝的分期施工过程，根据试验数据选择合理计算参数，分析不同工况、不同部位的应力应变情况。

BMAG－MN= dMAG－MN( RS + RD) ;( 2)

BMAG－LMA= dMAG－LMA( PBU + PBA)。( 3)其中: dX－Y表示X和Y两点之间链路的跳数; RS和RD分别表示路由请求和路由公告分组长度; PBU 和PBA分别表示代理绑定更新请求和代理绑定更新应答的分组长度。

2. 2 PMAP－PMIPv6模型的切换开销

本模型的切换开销分为两部分:域内切换开销和域间切换开销。域内切换开销是由BMAG－MN和BPMAP－MAG组成;域间切换开销是由BMAG－MN、BPMAP－MAG和BLMA－PMAP组成。一次会话过程中移动节点的平均开销CPMAP可估算如下: CPMAP= E( nintra) ( BMAG－MN+ BPMAP－MAG) +

E( ninter) ( BMAG－MN+ BPMAP－MAG+ BLMA－PMAP)。( 4)其中，为PMAP域间的平均切换次数;为PMAP域内子网间的平均切换次数。

BPMAP－MAG= dPMAP－MAG( PBU + PBA) ; ( 5)

BLMA－PMAP= dPMAP－LMA( PPBU + PPBA)。( 6) PPBU和PPBA分别为PMAP和LMA之间的代理绑定更新请求和代理绑定更新应答的信息长度。

2. 3切换时延与丢包率

为简化切换时延的计算，在此不考虑切换信令的丢包问题，以及切换数据包在各个传输路由节点的等待时间可以忽略。因此，大小为s的数据包在X和Y之间传输的时间tX－Y可以描述为其中: Bwl、Bw分别表示无线、有线链路的带宽; Lwl、Lw分别为无线链路和有线链路的传输时间。

对于PMIPv6来说，其切换时延可表示为

DPMIPv6= tRS+ tRD+ tPBU+ tPBA。( 8)而对PMAP－PMIPv6方案来说，会话的切换时延分为PMAP域内切换和PMAP域间切换。域内切换时，其切换时延可表示为

DPMAP－intra= tRS+ tRD+ tPBU' + tPBA'。( 9)其中: tPBU'、tPBA'分别表示PBU和PBA在MAP和PMAP之间的传输时间，而域间切换的时延可表示为

DPMAP－inter= DPMAP－intra+ tPPBU+ tPPBA。( 10)

一次会话过程中，由于切换所引起的数据包的丢失跟切换的时延和数据包的到达率成正比。设数据包的到达率为ρ，则PMAP的丢包率可表示成

PPMIPv6= E( n) DPMIPv6ρ;( 11) PMAP－PMIPv6方案的丢包率可表示成

PPMAP=［E( nintra) DPMAP－intra+ E( ninter) DPMAP－inter］ρ。( 12)

3　数值分析

在性能分析的基础上，本节对PMIPv6方案、PMAP－PMIPv6方案的开销进行比较，分析PMAP域中的子网个数、节点移动的速度以及会话长度等对开销的影响。另外，对切换时延和平均丢包数进行比较。主要参数的设计参见表1，其中PBU/PBA和PPBU/PPBA的长度遵循和参考PMIPv6协议，RS/RD长度遵循邻接发现协议［8］，两设备间的传输路径长度需小于32。

表1　参数设置Table 1　Analysis parameters

3. 1 PMAP域中的子网个数对开销的影响

图5给出了PMAP域内子网数对会话间切换开销的影响。其中假设一次会话的平均切换次数E( n) =μ/λ为1。对PMIPv6方案来说，由于每次切换都必须与LMA进行绑定，不存在子网数的影响;而对PMAP－PMIPv6方案来说，由于在PMAP域内切换时只需要MAG和PMAP之间的信令交互，减少了与LMA的绑定次数，其切换开销明显减少，而且随域内子网数的增加，一次会话过程中的域内切换的次数就越多，一次会话的平均切换开销就越少。

图5　PMAP域内子网数对切换开销的影响Fig. 65Effect of the subnet number in PMAP domain on handoff cost

3. 2一次会话节点切换次数对切换开销的影响

显然一次会话中切换的次数越多，产生的切换开销就越大(图6)。切换开销与E( n)成正比。也即，当会话长度固定时，切换开销与节点的移动速度成正比，移动速度越快，切换率就越大，切换开销就越大;类似的，当移动速度一定，则切换开销与会话时间成正比。而PMAP－PMIPv6方案的平均切换开销总是比PMIPv6方案要小，PMAP域内的子网越多，则切换开销就越小。

图6　节点移动速度对切换开销的影响Fig. 66Effect of the mobile rate on handoff cost

3. 3 PMAP域内和域间的切换时延分析

若不考虑传输路由中的对信令的处理延时，图7给出了MN在PMIPv6方案和PMAP－PMIPv6方案的切换时延。可以看出，当MN在PMAP域内切换时，则切换时延要比PMIPv6更好;在PMAP域间切换时，则时延与PMIPv6相同。

图7　切换时延Fig. 67Handoff latency

3. 4 PMAP－PMIPv6方案的丢包率分析

图8给出了平均丢包数随E( n)变化的曲线。E( n)越大则平均丢包数就越多，即一次会话中切换的次数越多，平均丢包数就越多。

但是在PMAP－PMIPv6方案中，其平均丢包数总要比PMIPv6方案要少，随E( n)的增长的速度也要慢;而且PMAP域内的子网数越多，则平均丢包数就越少，随E( n)的增长的速度也越慢。

图8　平均丢包数Fig. 68Average packet loss

4　结论

在PMIPv6的方案基础上增加PMAP构成的PMAP－PMIPv6方案，与PMIPv6方案比较，节点在PMAP域内切换过程中缩短了信令交互所传输的距离，节约了切换开销，因此也减少了切换时延。结果表明，PMAP域内子网个数越多，则切换开销的减少就越明显;切换开销也与节点的移动速度和节点的会话长度成正比。从切换引起的时延看，PMAP－PMIPv6方案的域内切换的时延比PMIPv6方案要小的多;域间切换和PMIPv6方案相一致。从一次会话的平均丢包数来看，PMAPPMIPv6方案都要比PMIPv6方案要少，随E( n)增长而增长的速度也要慢，而且PMAP域的子网数越多，平均丢包数就越少，增长速度也越慢。因此PMAP－PMIPv6方案在一定程度上提高了网络的性能。

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Performance optimization analysis of PMIPv6 handoff based on proxy management anchor point

GE Yun-sheng，SHEN Zhe-jian
( College of Information Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)

Abstract:In proxy mobile IPv6，when the mobile node takes handoff between Mobile Access Gateways ( MAG)，the new MAG must be registered to the local mobile anchor，which resulting in higher handoff costs．To reduce this cost，the Proxy Management Anchor Point ( PMAP) is introduced．Each PMAP manages one domain composed of a group of MAG subnets，so that when the handoff happens between MAGs within the same PMAG domain MAG needs to register to the shorter distance PMAP．When the handoff is between the PMAP domains，MAG must be registered to LMA through PMAP．This model avoids the frequent registration from MAG to LMA as the mobile node moves across the MAG subnet．Compared with PMIPv6 scheme，numerical analysis results show that the PMAP-PMIPv6 scheme has low handoff cost，low intra-PMAP handoff latency，and low average packet loss for one session．That，in part，improves the network performance．

Key words:proxy mobile IPv6; proxy management anchor point; analysis model; handoff cost

作者简介:葛云生( 1964—)，男，硕士，副研究员，计算机科学与技术专业，yshge@ glut. edu. cn。

基金项目:国家自然科学基金项目( 61262076) ;广西自然科学基金项目( 2012GXNSFBA053172)

收稿日期:2014－04－16

doi:10. 3969/j．issn. 1674－9057. 2015. 01. 031

文章编号:1674－9057( 2015) 01－0192－06

文献标志码:A

中图分类号:TP393

引文格式:葛云生，申哲健．基于代理管理锚点的PMIPv6切换性能优化分析［J］．桂林理工大学学报，2015，35( 1) : 192－197．