移动IPv6快速切换方案

1、1、引言当前 ，互联网和无线通信技术保持高速发展，互连网已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分。随着移动通信技术的迅猛发展，手机、PDA、笔记本电脑等便携式移动设备的广泛应用，人们希望在移动的过程中仍能保持互联网接入和连续通信。与IPv4相比，IPv6有更大的地址空间，更有利于移动技术的发展，移动IPv6技术已成为当前研究的热点.IETF于1996年1月公布了第一个移动IPv6协议草案，经过24个版本的改进，于2004年6月将移动IPv6协议(MIPv6)提交为标准。基本移动IPv6协议仍有许多问题需要解决，如切换延迟、AAA、组播、安全等，其中切换延迟是当前急需解决的间题。切换延迟指的是移动

2、节点从一个网络切换到另一个网络恢复网络层正常通信所需要的时间。标准移动IPv6协议的切换延迟较长，容易造成连接中断和数据包丢失，无法满足VoIP等实时应用和对数据丢失敏感应用的要求。在基本移动IPv6协议中，移动节点每次移动都要向远处的家乡代理和通信节点发送绑定注册消息，引入了大量的信令负载.为了实现无缝漫游，提高切换性能，必须改进IPv6切换过程。2、问题的提出移动IP是在原来IP协议的基础上为了支持节点移动而提出的解决方案，这种技术就是让人们随时随地通过移动终端访问Internet并实现移动终端与Internet的动态连接，从而在不重新启动、不重新配置网络终端，甚至在不中断网络会话的情况下

3、，保持与Internet的无缝连接。基于IPv6的移动IPv6协议就为新一代Internet的移动用户(尤其是无线用户)提供了无线支持。移动节点从一个子网移动到另一个子网就产生了切换。移动节点在新的网络上获得新的转交地址，新的转交地址不同于前一个网络上的转交地址，因此，移动节点需要向家乡代理重新注册，以及向通信对端重新绑定。移动IP是关于第三层，即网络层上的协议，由于消息传输和协议处理都需要时间，加上无线链路的高误码率、无线信号强度动态变化等多方面的原因，切换可能导致移动节点在一定时间内不能发送和接收数据分组引起通信对端与移动节点之间的通信暂时中断。如何保持通信的连续性，支待各种实时应用，缩短

4、切换引起的通信中断时间，减少切换对服务质量的影响，是移动IP研究中重点关注的问题。在基本移动IPv6协议中，移动节点在不同网络间切换时需要经过移动检测、新转交地址配置、重复地址检测、绑定注册过程，造成了较大的切换延迟.其切换过程如图1所示.移动节点(MN)在家乡网络获得的地址称为家乡地址(HoA，Home of Address)，在外地网络获得的地址称为转交地址(CoA，Care of Address)，移动节点是通过家乡地址寻址的.当移动节点离开家乡网络切换到外地或者在不同的网络间切换时，移动节点检测到自身已切换到新网络后，配置当前网络的转交地址，经过重复地址检测验证地址唯一后，向家乡代理(

5、HA)发送绑定更新消息(BU).家乡代理绑定移动节点的家乡地址和转交地址，向移动节点发送绑定确认消息(BA).移动节点向通信节点发送绑定更新消息，以便与通信节点直接建立连接,从而完成切换过程。图1基本移动IPv6的切换过程基本IPv6切换过程3、切换延迟问题 基本移动IPv6的切换延迟包括移动检测延迟、转交地址配置与重复地址检测延迟和绑定注册延迟，如图2所示. 图2 总切换延迟移动检测延迟指的是移动节点发现自身切换到新的网络所需要的时间，用TDetect表示;转交地址配置延迟指的是移动节点配置新网络的转交地址、做重复地址检测确保地址唯一所需要的时间，用TCom表示;绑定注册延迟指的是移动节点切

6、换到新网络后，向家乡代理发送绑定更新消息，注册它当前的转交地址，并等待家乡代理回送绑定确认消息的过程所经历的时间，用TBu表示.网络层切换延迟包括TDetect、TCom、和TBu，用TL3表示。TL3 = TDetect + TCom+ TBu链路层切换延迟指的是移动节点从物理上离开一个网络到接入到另一个网络所需要的时间，用TL2表示。移动节点切换时经历的总切换延迟包括TL2和TL3。T = TL2 + TL3其中网络切换延迟时间较长，是影响移动IPv6切换性能的主要因素。4、快速切换方案本文提出了一种移动IPv6快速切换方案，其基本思想是:利用链路层触发信号优化移动检测过程，并且采用一种新

7、的地址分配方式使得MN能够在移动至新的网络后迅速获取新的转交地址(nCoA)，从而避免了DAD过程:然后在MN和之前的接入路由器(pAR)之间建立理IPv6-in-IPv6隧道，从而在MN向HA/CN绑定更新之前即恢复数据通信。图3中 ，MN由无线接入点AP1移动至无线接入点AP2。由于AP1、AP2分别连接在不同的接入路由器上，因此这种情况下MN就发生了子网间切换。在本快速切换方法中，为了优化移动检测过程，需要链路层提供Linkup触发信号，该信号由终端产生，即由MN的链路层向上层提供此信号，以表明与新的无线接入点的链路层连接已经建立成功。快速切换过程如图4所示。图3 移动IPv6切换情景图

8、图4 快速切换过程可以看到，快速切换过程可分为以下几个步骤完成：1、当MN切换至新的无线接入点并与之建立了链路层连接后，移动节点的。路层会产生Linkup触发信号。2、MN收到Linkup信号后，立即发送特殊的路由器请求(RS+) 报文，进行移动检 测。RS+和普通RS 报文的区别有两点:(1)在ICMPv6首部中新增一个标志位C，以请求路由器为MN配置转交地址;(2) 新增一个IP地址选项， 其内容为之前连接的接入路由器pAR的IP地址;3、nAR路由器收到MN发送的RS+报文后，检测该报文是否包含标志位C.如果没有，就按照一般的RS报文进行处理:否则，说明是移动节点在快速切换 期间发送的R

9、S+报文。这时，路由器需要判断移动节点MN是否发生了子网 间切换。判断过程如下: 将RS+报文中IP地址选项包含的地址与路由器自己的IP地址进行比较，如果二者相同，说明MN没有发生子网间切换，这时,路由器向MN回复一个普通的路由器应答(RA)报文即可;否则，说明MN发生了子网间切换，此时新的路由器(nAR)执行以下操作:（1）配置转交地址 根据接收端口的网络前缀和RS+报文中包含的MN的MAC地址 ，nAR为MN构造新的转交地址nCoA，然后检查该地址是否已经被其他用户使用，以保证该转交地址nCoA 的唯一性。如果已经被使用，则nAR需要为MN分配另一个地址，并重新验证该地址的唯一性。在IPv

10、6 的具体实现中，接入路由器为了进行用户接入控制和用户数据转发，一般都有用户信息列表，在该列表中保存有所有下联主机的IP地址。因此可以利用该表进行重复地址检测。（2）构造特殊的路由器应答(RA+)报文 与普通的RA报文相比，该报文除了包含网络前缀、MAC地址等选项外，还要新增一个转交地址选项，其内容是路由器为该MN配置的转交地址。为区别于一般的RA报文，将其称之为RA+报文。（3）向MN发送RA+报文 在构造好RA+报文后，nAR将该报文发送到MN。RFC2462规定，为了避免冲突，路由器收到RS 报文后并不能立即发送RA报文 ，而要随机延迟0-0.5s。我们采用了一种快速RA方案来发送RA+

11、报文 ,即在一条链路上允许有一个路由器不进行上述延时，而是立即发送RA 。4、MN收到RA+后，根据RA+中包含的网络前缀等信息判断是否发生了子网间切换 。如果没有发生子网间切换，则快速切换过程中止;否则，进行以下操作 :（1）配置新的转交地址nCoA，即RA+报文中转交地址选项包含的IP地址。由于该地址已经过重复地址检测，因此不必执行DAD过程。（2）构造快速绑定更新(FBU)报文，并发送至pAR.在FBU报文中，IP首部的源地址为 nCoA，目的地址为pAR的IP地址。FBU的家乡地址选项(Home Address Option) 中包含之前的转交地址pCoA。5、pAR收到FBU后，根据

12、报文内容进行以下操作后，pAR截获目的地址为pCoA的报文后进行理IPv6-in-IPv6封装，然后转发至MN。(1) 为 MN 建立绑定表项，其中，家乡地址为pCoA，转交地址为nCoA。(2) 在 nCoA和pCoA之间建立企IPv6-in-IPv6隧道。该隧道的生存期可以根据FBU 选项中的Lifetime域进行设置，隧道过期后将会被删除。隧道生存期的选择与MN进行绑定更新过程的时间有关。(3) 向MN发送快速绑定应答(FBACK)报文。6、 MN收到FBACK 如果该报文表明pAR已成功进行了相关操作，则建立MN和pAR之间的反向隧道。反向隧道建立完毕，这样就在pAR和MN之间建立起了

13、一个双向隧道(Bi-directional Tunnel)。之后，MN对即将发送出去的源地址为pCoA 的报文进行IPv6-in-IPv6封装，使得外层的IPv6首部的源、目的地址分别为nCoA和pAR的IP地址。这些报文到达pAR后，经解封装，然后再转发至真正的目的地。至此，MN与CN的通信得以恢复。7、移动节点MN通过路由器nAR以源地址nCoA向HA/CN发送绑定更新报文。注意，反向隧道建立后，仅源地址为pCoA的数据报是经过IPv6-in-lpv6封装后发送出去的。由于MN向HA/CN发送的绑定更新报文的源地址是nCoA，因此不会采用隧道方式，而是直接发送出去。8、移动节点MN对HA/

14、CN的绑定更新完成后，数据流开始使用新转交地址nCoA进行转发，随后双向隧道到期并被删除。如果由于某些原因，MN向HA/CN的绑定更新过程在隧道的生存期内没有完成，这时就必须重新向pAR发送FBU报文更新隧道的生存期，以便能够通过隧道继续通信。5、快速切换方案时延分析在图5中 ，tL2为链路层切换时延，tMD是移动检测时延tFBU是从MN发送FBU到收到pAR回复的FBACK报文之间的时间。由于在移动检测过程中，MN完成配置新转交的地址nCoA，并且避免了DAD，因此移动检测完毕，MN就已经建立了新链路上的IP连接，即可以用nCoA收发IP报文。图5 移动IPv6快速切换时延快速切换过程是指从

15、链路层切换开始，到MN收到FBACK报文结束，从而在MN和pAR之间建立双向隧道。MN由于切换引起的时延TF是从开始链路层切换到MN收到IPv6-in-IPv6封装的报文从而恢复通信之间的时间，即: TF= tL2+tMD+tFBU与基本移动IPv6的切换过程相比，本文提出的快速切换方案在以下三个方面明显减小切换时延:1、采用链路层信号减小移动检测时延 如上文所述，在基本移动IPv6中，MN通过侦听周期性发送的路由器公告RA进行移动检测。而路由器组播RA的时间间隔可能比较大，因此移动检测时延较大。在本快速切换方案中，MN与新无线接入点建立连接后，链路层产生LinkuP触发信号，通知上层主动向路

16、由器发送RS+报文进行移动检测，移动检测时延为RS+和RA+之间的时间间隔 。由于避免了等待周期性组播的RA报文，另外采用快速RA机制使得路由器能够立即发送RA，因此减小了移动检测时延。2、避免了DAD过程 如上文所述，基本移动IPv6的DAD过程所引入的时延至少为1秒。在本快速切换方案中，MN的新转交地址nCoA由nAR分配。nAR为MN构造出nCoA后，遍历用户表。由于用户表中包含该路由器下联所有用户的IP地址，因此如果在用户表中没有和nCoA 重复的IP地址，即可以认为nCoA没有被其他节点使用。这样，如果在收到RA+中包含nCoA，MN就可以配置并直接使用该地址，而不必进行DAD过程。

17、3、通过快速绑定更新FBU在MN和pAR之间建立双向隧道，从而在MN完成HA/CN注册之前能够继续使用pCoA进行通信，避免HA/CN 注册过程引起的业务中断。6、结论与展望本文针对基于移动IP协议的全IP网络中的切换性能（特别是切换时延）等问题，进行了较为深入的研究，给出了移动IPv6快速切换方案，给出了快速切换过程，并进行了分析。对移动IPv6 快速切换提供了一种方法，尽量减少了切换时延，基本满足移动网络中实时业务的要求和标准。当然 ，本文只是作者在写作期间工作的一个总结，有待于进一步研究的问题还有很多，在B3G/4G及未来的移动通信场景中，用户对移动性的要求目标是要实现“5W”通信。即任

18、何人可在任何时候、任何地方、与任何人及相关物体进行任何形式的通信。各种层出不穷的无线接入网络技术共同为用户提供了泛在的接入网络环境，用户可以通过多模终端，或通过基于软件无线电技术的共享MAC层协议实现跨无线频段接入，实现多种接入渠道的信息传递和通信，为了满足用户的移动性需求，向用户提供泛在、异构、协同网络的无缝服务，支持用户跨泛在、异构、协同网络的无缝漫游和切换，支持泛在、异构、协同网络的移动性切换管理技术成为未来基于全IP架构的信息通信网络中必须解决的重要问题之一。参考文献1Chung-Ming Huang. A Novel SIP-Based Route Optimization for Network Mobility. IEEE