为了使移动IPv6路由优化，移动IPv6通过绑定更新、绑定确认和绑定请求以及IPv6的选路报头，不经过家乡代理直接将数据包发送到移动节点的转交地址。只有当绑定更新选项中设置A位时，明确表示需要移动节点发送此信息时才会产生这一选项。8位“选项类型”字段的值为193。图5.4绑定确认选项格式图3.绑定请求选项绑定请求选项用来请求移动节点发出绑定更新信息。......
2023-10-18
下一代计算机网络技术：移动IPv6路由策略的改进与优化
【摘要】：5.7.2.1无家乡代理的移动IPv6路由策略对于移动客户端节点只需要所在移动网络动态分配给一个网络地址作为家乡地址，当发生网络切换时候，通过Sockets绑定获取转交地址序列通知传输层切换事件的发生，进而达到端到端的不间断连接，同时待对方应答的主机发送绑定请求。
为了支持全球的Internet网络互通和设备的漫游，IETF提出了IP移动性支持协议——移动IPv6。其中规定：只要MN移动到另外一个IP子网，它就会获得另外的转交地址，从而启动向家乡代理注册过程，从而在网络中产生大量的注册报文，降低网络性能，造成较大的注册延时，从而引起严重的包丢失和通信吞吐量下降，因此有必要加以改进。
5.7.2.1 无家乡代理的移动IPv6路由策略
对于移动客户端节点只需要所在移动网络动态分配给一个网络地址作为家乡地址，当发生网络切换时候，通过Sockets绑定获取转交地址序列通知传输层切换事件的发生，进而达到端到端的不间断连接，同时待对方应答的主机发送绑定请求。其原理如图5.11，图5.12所示。
图5.11 基于Socket绑定移动IP原理图
图5.12 Socket地址绑定关系图
其特点有如下几点：
（1）没有家乡地址和家乡代理的概念。
（2）Socket绑定的是地址序列，不是单个转交地址。
（3）不需要家乡代理，有效优化了网络性能。
（4）实现了传输层无缝漫游。
（5）对于TCP：每个CN缓存与之通信的节点的地址信息，连接是动态的。地址信息由移动节点的绑定更新请求更新。
（6）对于UDP：CN不缓存通信节点的信息根据收到的UDP数据包作出响应。
（7）IP层的无缝切换影响与否取决于底层的技术。
5.7.2.2 适应局部频繁切换IPv6路由优化策略
根据参考文献在移动网络区域注册的思想，在移动IPv6中引入MA（Mobile Anchor），用它来管理下属子网级移动接入网络。一个移动网络中可有若干个这样的MA（每个MA对应一个较大的区域），它与这个区域中所有子网中的接入路由器相连，并且在通常情况下这个代理是固定的。这样，MN在外地区域的子网中同样也有两个转交地址，即MA区域转交地址和转交地址。当MN在同一MA的不同子网之中移动时可不必改变其MA区域转交地址，而只改变其转交地址。
1.基本原理
层次化移动IPv6增加了一个功能体即移动锚接点（MAC-Mobile Anchor），并在路由器通告消息中定义了用于发布MA地址和工作模式等信息的选项。诸如家乡代理（HA-HomeAgent）、移动节点（MN-Mobile Node）、通信节点（CN-Correspondent Node）、接入路由器（AR-Access Router）等术语和标准MIPv6中的含义相同。MN使用区域转交地址（MCoA-MA Care-of Address）、转交地址（CoA-Care-of Address）以及家乡地址（HA-Home Address）实现移动管理的分层管理，如图5.13所示。
图5.13 基于MA的位置通告图
①～③—注册过程
移动梦网位置注册过程有如下几点：
（1）MN通过无状态自动配置生成转交地址CoA，依据MA选项中的MA地址来判断分层域的变化，并使用该地址的64位作为前缀结合接口硬件地址生成区域转交地址MCoA。
（2）在MA中设置MN的转交地址CoA与家乡地址的绑定条目。
（3）在HA和CN中设置区域转交地址MCoA同家乡地址的绑定条目，当MN在分层域内切换时改变了转交地址CoA，而MCoA一般保持不变，因此只需要更新MA中的缓存条目，向分层域外呈现透明的移动管理。
移动梦网分组路由处理过程有如下几点：
（1）某一通信节点CN要发送数据报到移动节点MN时，它先检查绑定地址表，如果CN在绑定地址表中未发现MN对应的MCoA地址，分组首先被正常路由到MN的家乡链路，HA拦截得到该分组，将其封装进以MCoA为目的地址的隧道；MA接收该隧道分组，并再次封装进以CoA为出口的隧道最终到达移动节点MN。同时MN向CN进行位置注册以优化路由CN形成MCoA与家乡地址的绑定，并借助路由报头发送后续分组；如果CN在绑定地址表中发现对应的MCoA地址绑定时，通信节点CN就用第二路由头直接转发给MA，再由MA转发给MN 的当前转交地址。
（2）MN使用路由优化时，以MCoA为源地址、CN为目的地址，借助目的扩展报头的家乡地址选项向CN发送后续分组。
（3）当MN移动到一个新的MA区域时，这时候MN把获取的MA区域转交地址MCoA通知给HA和其缓存列表里的地址发出绑定更新请求。
移动梦网来自CN分组的路由处理工作流程如图5.14所示。
图5.14 来自CN分组的路由处理图
①～⑦—路由处理顺序
相对于参考文献，通信节点CN向MN发送的IP包不经过HA转发而直接发往MA再由MA转发，充分利用移动IPv6的第二路由头和地址选项等特性，从而优化了路由路径，特别是当CN离HA位置较远，而CN离MN的位置又较近，这种优化的效果将尤其明显。另外，当MN在同一MA区域的不同子网间频繁切换时，MN只需向MA重新通告，而不必向HA重新通告，从而相对固定代理转发误传数据包方案大大减轻了家乡代理的负担。
2.移动过程数学模型分析
马尔可夫过程的基本概念是系统状态及状态转换的概念，移动主机的通信模型符合随机游走模型和生灭过程模型。下面我们分析分层管理前后代价费用变化的模型。
图5.15 网络传输代价模型图
如图5.15所示，MN为MA范围内的一个移动节点，其位置切换事件遵从平均速率为μ的泊松过程。随机变量a、β、y分别为M的家乡代理HA到MA、第i个通信节点CNi到MA、MA到MN传送单位字节的网络传输代价模型。
随机变量X、Y、Z分别表示MN同HA、CN以及与MA完成一次位置注册所产生的消息字节数；随机变量U表示MA为流入的分组进行隧道封装所增加的字节数，m表示MN具有的CN个数，HA和CNi分别以平均分组速率为λ0、λi独立的泊松过程向MN发送数据。
采用分层管理后层外因位置管理消息的减少而节省的平均网络传输代价是为
流入MN的分组因MA的隧道封装而增加的层内平均网络传输代价是：
分层管理后因交换位置管理消息流程的变化所增加的层内平均网络传输代价是：式中，随机过程C1，C2，C3分别表示采用分层管理后层外因位置管理消息的减少而节省的平均网络传输花费、流入MN的分组因MA的隧道封装而增加的层内平均网络传输花费以及分层域内因交换位置管理消息流程的变化所增加的层内平均网络传输花费。
同时，采用分层管理后，层外分发位置管理消息、层内分发数据分组和位置管理消息所占的带宽相对于分层管理前的变化分别为：(www.chuimin.cn)
式中，随机过程B1、B2、B3分别表示采用采用分层管理后，层外减少的位置管理消息的字节数、流入MN的分组由于MA的隧道封装而增加的层内流量的字节数以及分层域内因交换位置管理消息流程的变化所增加的层内流量的字节数。
从上面可以看出增加分层管理后减少位置管理消息在域外的代价，即E（C1）、E（B1）；但是，又同时在域内却产生了大小分别为E（C2）+E（C3）、E（B2）+E（B3）的网络传输代价和带宽占用。
因此，分层管理降低骨干网络上的移动管理代价是以增加域内网络传输代价和带宽占用为代价的。
通过上面可以看出，对于频繁切换环境下，在移动IPv6中引入MA，用它来管理下属子网级移动接入网络，可以大大减少域外网络中的代价，切换越频繁，减少的代价就越多，效果就越明显，极大地提高了整个骨干网络性能。
3.MA选择与管理
对于MN，当它收到的路由广播中同时含有MA 1和MA2的相关信息，此时，MN既可以在MA1上注册，也可以在MA2上注册，那么究竟应该在哪个上面注册呢？这就是MA选择问题，因为选择一个好的MA会提高整个系统的性。为了体现移动节点的移动频繁性，用“相对速度”的概念表示移动节点移动速度。为此，对移动节点的操作需要作一些扩展，要求移动节点必须能够接收包含“节点移动速度”参数，MN根据接收到的参数综合分析相关数据后选择恰当的MA进行注册。这里的“移动速度”是一个相对值，它主要是移动节点通过对于当前的物理层相关参量的测量后，由底层向IP层传送的一个反映移动节点移动速度的参考值，当这个值较大的时候表示移动节点的运动速度较高，反之亦然。当运动速度较高时，移动节点在小区间的切换频率就会增加，此时，必须考虑选择离移动节点较远的一个MA进行注册，这样可以减少注册的次数。
假设，移动节点接收到的MA Option中的距离参数是D；移动节点接收到的从底层传来的移动速度相对值是V，移动速度门限值是V0。
①移动节点将接收到的邻居发现（Neighbor Discovery）中的MA选项（Option）进行整理，按照升序或降序排列。
②根据V0进行选择，当V门限值时，表示移动节点移动速度快，此时应该选择距离移动节点最远的MA进行注册；当V小于门限值时，则可以选择距离移动节点最近的MA注册，因为此时切换不会频繁发生。
4.仿真模型与结果分析
把移动主机与网络中其他主机的通信过程看作是一个生灭过程，当移动主机处于状态i时，只能转移到（i+1）或（i-1），或停留在i状态。假设由状态i跃迁到状态（i+1）的转移概率为bi，由状态i跃迁到（i-1）状态的转移概率是di-1可以认为对所有的状态i，bi=b，di-1=d，则稳定状态概率分布为
假设：代理间报文传输代价与传输距离成正比，传输距离用路由跳数来表示并设单位距离（即一跳）的传输代价为δ（ms）；每个代理处理注册报文的都相等并用W0（ms）表示并设为δ的q倍；设移动节点到当前AR（接入路由器）之间的传输代价均相等，用Wma表示并设为δ的t倍；设d为HA（家乡代理）与AR（接入路由器）之间的距离（跳数），Wha为AR与HA之间的传输代价。则标准移动IPv6的一次注册代价为
MN经过m次切换后，MN所在位置与HA的平均距离D1，则D1为
式中 ji——第i次移动MN所在位置到HA的距离；
pi——状态（i-1）转移到i状态的稳态概率。
设MN经过m次切换后平均注册代价W1，则W1为
引入移动锚接点（区域代理）MA后平均注册代价的变化如下：
进入MA切换时，MN向HA绑定MA区域转交地址的平均注册代价为τ，则τ为
式中 l0——切换时AR与MA之间的距离；
WaM——AR与MA之间的传输代价；
WMh——MA与HA之间的传输代价。
一次向MA局部注册代价为
式中 l——AR与MA之间的距离。
MN经过m次切换中，MN与MA的距离为
，则
为
根据式（5.11），式（5.12），式（5.13）得出经过m次切换后平均注册代价为W2，则W2为
引进MA后，移动切换平均注册代价与标准移动IPv6平均注册代价比值为Ψ为
其仿真参数约定如表5.2所示。
表5.2 仿真计算参数
根据式（5.10），式（5.13）以及式（5.14）对不同的q，m，d进行计算结果如表5.3所示。
表5.3 Ψ计算结果
续表
从结果可以看出：在移动节点远离家乡网络时候（d>>1），m越大，表明移动切换次数越多，引入MA后的在注册代价方面的优势就越大。尤其是当线路传输代价高于代理处理报文的代价时（q＜1），这种优势更加明显。
由于基本移动IP模型所固有的缺陷使其很难解决通信路由优化和主机在子网间频繁切换时带来的网络性能问题之间的矛盾。通过上面分析本文提出了一种改进的移动IPv6路由方案，此方案实现起来简单，优化了由CN发送数据报到MN时的路由传输路径，适合于移动用户在较大区域中频繁移动时接收、传送对实时性要求较高的信息，是一种较好的方案。
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