摘要：由于快速分層切換技術(shù)FHMIPv6將FMIPv6和HMIPv6切換技術(shù)結(jié)合起來，因此，在層次移動(dòng)管理模型中部署快速切換時(shí)具有兩種技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)，可使切換延時(shí)進(jìn)一步減少。文中通過對(duì)FHMIPv6的研究發(fā)現(xiàn)，其切換過程中DAD重復(fù)地址檢測(cè)過程嚴(yán)重影響了切換性能，因此提出了基于IPv6組播的M—FHMIPv6切換技術(shù)。理論分析證明，M-FHMIPv6能有效減少DAD檢測(cè)過程和各種信息交互的延遲。通過NS2實(shí)驗(yàn)仿真進(jìn)一步說明：改進(jìn)的M—FHMIPv6方案能減少切換延遲，平滑切換過程。
關(guān)鍵詞：組播；快速分層切換技術(shù)；切換延遲；平滑切換；地址檢測(cè)

0 引言
    隨著移動(dòng)通信技術(shù)的高速發(fā)展，便攜式移動(dòng)設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用。用戶希望能在任何地方以更靈活的方式接入Internet，于是IETF提出了移動(dòng)IPv6協(xié)議。但是，由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在不同子網(wǎng)間切換會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的切換時(shí)延，引起通信對(duì)端和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的通信暫時(shí)中斷，因此，如何減少切換延遲，保障語(yǔ)音、視頻等實(shí)時(shí)應(yīng)用，就成為移動(dòng)IPv6研究的關(guān)鍵問題。
    本文通過對(duì)FHMIPv6切換技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，切換過程中的DAD重復(fù)地址檢測(cè)過程嚴(yán)重影響了切換性能，但DAD重復(fù)地址檢測(cè)過程又是必需的。于是，在學(xué)習(xí)組播知識(shí)的基礎(chǔ)上，本文提出了基于IPv6組播的M-FHMIPv6切換技術(shù)。該技術(shù)可使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN在進(jìn)入到新的子網(wǎng)時(shí)，由于要檢測(cè)到L2鏈路層觸發(fā)信息而預(yù)知要進(jìn)入新的網(wǎng)絡(luò)，于是會(huì)立即切換至組播模式，并使通信對(duì)端CN成為組播源，同時(shí)將原接入路由器PAR和新接入路由器NAR加入組播組繼續(xù)為MN傳遞數(shù)據(jù)包，直到整個(gè)切換工作完成。
    通過對(duì)切換性能的理論分析證明，M—FHMIPv6雖然在切換過程增加了組播組的構(gòu)建過程，但能有效減少DAD檢測(cè)的過程和各種信息交互的延遲。最后通過NS2實(shí)驗(yàn)仿真進(jìn)一步說明了改進(jìn)的M—FHMIPv6方案能減少切換延遲，平滑切換過程，達(dá)到預(yù)期的效果。

1 FHMIPv6切換技術(shù)
1．1 移動(dòng)IPv6切換技術(shù)概述
    移動(dòng)IPv6快速切換技術(shù)(Fast Handover for MobileIPv6，F(xiàn)MIPv6)是對(duì)移動(dòng)IPv6標(biāo)準(zhǔn)切換的改進(jìn)。它通過提前獲得新網(wǎng)絡(luò)的信息并提前注冊(cè)等方法，來減少標(biāo)準(zhǔn)切換中的延遲。
    分層切換技術(shù)(Hierarchical Mobile IPV6 Management，HMIPv6)將網(wǎng)絡(luò)分為不同的管理域，同時(shí)引入一個(gè)新的實(shí)體——移動(dòng)錨點(diǎn)(MA P)。當(dāng)MN在一個(gè)MAP域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，MAP充當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN的家鄉(xiāng)代理HA，MN不需要向HA或者CN發(fā)送綁定更新BU，CN只需根據(jù)MN的RCoA發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)。
    而快速層次移動(dòng)技術(shù)FHMIPv6則將FMIPv6切換技術(shù)與分層切換技術(shù)HMIPv6結(jié)合在一起，在層次移動(dòng)中實(shí)施快速切換，從而使整個(gè)切換延時(shí)進(jìn)一步減少。
1．2 FHMIPv6切換技術(shù)的缺陷
    當(dāng)MN移動(dòng)到新的網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，會(huì)收到NAR的代理路由公告PrRtAdv。節(jié)點(diǎn)根據(jù)其子網(wǎng)地址和MN的接口自動(dòng)配置得到NCoA。為了避免在同一鏈路中多個(gè)MN同時(shí)進(jìn)行DAD可能造成的網(wǎng)絡(luò)阻塞，通常都需要等待一段隨機(jī)時(shí)間(0～1 000 ms)后才開始DAD。隨后MN通過鄰居請(qǐng)求消息向NAR請(qǐng)求執(zhí)行重復(fù)地址檢測(cè)DAD，NAR收到鄰居請(qǐng)求消息后，對(duì)MN的NLCoA進(jìn)行檢測(cè)過程。如果在開始后的一段時(shí)間內(nèi)未收到已占用此地址的主機(jī)發(fā)出的鄰居公告，則DAD檢測(cè)過程結(jié)束，MN可以使用該地址接入子網(wǎng)。如果檢測(cè)不成功，則需要重新配置。
    從操作過程來看，切換過程必須進(jìn)行重復(fù)地址檢測(cè)DAD，但這會(huì)帶來相當(dāng)大的延時(shí)。進(jìn)行一個(gè)切換所需要的時(shí)間大約為1500ms，其中為NCoA進(jìn)行DAD檢測(cè)就需要1050 ms，所以，整個(gè)過程中DAD檢測(cè)所用的時(shí)間占了整個(gè)切換延遲的65％，因而嚴(yán)重影響了FHMIPv6的切換性能，不能滿足實(shí)時(shí)通信的需要。

2 基于IPv6組播的M-FHMIPv6切換技術(shù)
2．1 IPv6組播技術(shù)中的MLD與PIM協(xié)議
    組播技術(shù)也稱多播技術(shù)，是一種允許一臺(tái)機(jī)器(稱為組播源或者發(fā)送端)一次同時(shí)發(fā)送單一數(shù)據(jù)分組到多臺(tái)主機(jī)(也稱為接收端)的技術(shù)。在IPv4中，組播被分為主機(jī)到路由器和路由器到路由器之間兩個(gè)部分，IPv6的組播也同樣被劃分為這兩個(gè)范圍。前者是多播偵聽者發(fā)現(xiàn)協(xié)議(Multicast Listener Discovery，MLD)，而后者最基本的是協(xié)議無(wú)關(guān)組播協(xié)議(Protocol Independent Multicast，PIM)。
    MLD協(xié)議是路由器與其直接相連之間的協(xié)議，其主要功能就是知道在與其直接相連的主機(jī)中，有哪些主機(jī)希望加入或者離開一個(gè)組播組。MLD協(xié)議的作用是管理主機(jī)與路由器之間的關(guān)系，PIM協(xié)議則是管理路由器與路由器之間的關(guān)系。PIM不依賴于某一特定的單播路由協(xié)議，它可以利用各種單播路由協(xié)議建立的單播路由表力量來完成RPF檢查功能，而無(wú)需收發(fā)組播路由更新，所以，跟其他組播協(xié)議相比，PIM的開銷降低很多。PIM協(xié)議定義了密集模式PIM-DM(Dense Mode)和稀疏模式PIM-SM(Sparse Mode)兩種模式。
2．2 改進(jìn)的基于IPv6組播的M—FHMIPv6算法
    M—FHMIPv6的基本思想是當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN進(jìn)入到新的子網(wǎng)時(shí)，由于檢測(cè)到L2鏈路層觸發(fā)信息，預(yù)知道要進(jìn)入新的網(wǎng)絡(luò)，于是立即切換至組播模式，同時(shí)發(fā)送一個(gè)快速綁定更新消息FBU給家鄉(xiāng)節(jié)點(diǎn)CN，該消息中包含了MN的組播地址。CN收到后也立即切換至組播模式，并向RP注冊(cè)成為組播源，同時(shí)發(fā)送相應(yīng)的綁定確認(rèn)消息FBA給MN。隨后，原先接入的路由器OAR發(fā)送MLD消息給MN，并發(fā)送PIM報(bào)文新接入的路由器NAR，從而在PIM-SM協(xié)議的支撐下構(gòu)建一個(gè)組播網(wǎng)，以使數(shù)據(jù)通過組播網(wǎng)成員OAR、NAR發(fā)給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN。此時(shí)，再進(jìn)行傳統(tǒng)FHMIPv6的DAD檢測(cè)過程，當(dāng)所有切換所需的操作全部完成后，MN、CN與AR之間再通過MLD和PIM消息解除組播網(wǎng)，數(shù)據(jù)報(bào)再通過FHMIPv6正常機(jī)制傳送給MN。
    實(shí)驗(yàn)證明：50個(gè)成員通過MLD構(gòu)建組播網(wǎng)的操作所用的時(shí)間小于300 ms，而在FHMIPv6切換過程中，只有MN、CN、OAR、NAR四個(gè)成員加入到組播網(wǎng)中。前面也論述過，傳統(tǒng)的DAD檢測(cè)需要至少1 000 ms，所以，構(gòu)建組播網(wǎng)比DAD檢測(cè)所用的時(shí)間要少得多。
    綜上所述，本算法能很好地優(yōu)化FHMIPv6過程中DAD檢測(cè)所導(dǎo)致的切換延遲，保證切換過程中的數(shù)據(jù)能正常傳輸，從而保障實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求。
2．3 M—FHMIPv6切換過程中組播組的構(gòu)建
    FHMIPv6微移動(dòng)切換中組播組的構(gòu)建包含消息的交互、成員加入和離開組播組以及數(shù)據(jù)的傳送等過程。
    當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到L2鏈路層的觸發(fā)信息時(shí)，通過NAR的代理路由公告PrRtAdv可獲得NAR的子網(wǎng)前綴。MN隨即切換至組播模式，并發(fā)送快速綁定更新FBU消息給通信節(jié)點(diǎn)CN，該消息中包含了MN的組播地址。
    CN收到FBU后，也切換至組播模式，接著通過PIM-SM協(xié)議為組播組構(gòu)建一棵組共享樹。當(dāng)前接入的OAR成為RP，于是組播源CN通過單播發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求給RP。隨后CN再發(fā)送一個(gè)快速綁定更新確認(rèn)FBA給MN，告訴MN組播網(wǎng)已經(jīng)建立。
    成為RP的OAR會(huì)發(fā)送MLD中的組播偵聽者查詢消息給MN，以詢問MN是否需要接聽MN組播數(shù)據(jù)。作為回應(yīng)，MN需要發(fā)送一個(gè)組播偵聽者報(bào)告消息給OAR，該消息中包含了MN的組播地址。如果該地址不在路由器的組播地址表中，則將地址加入到組播表中，從而開始組播并傳送由CN發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。
    成為RP的OAR可發(fā)送PIM-SM消息給NAR。NAR中的PIM-SM控制消息處理模塊根據(jù)收到的Hello消息，在接口上維護(hù)一個(gè)PIM-SM鄰居表，并建立路由器的鄰居關(guān)系。然后NAR也加入到組播組中，當(dāng)MN移動(dòng)到NAR的子網(wǎng)中時(shí)，便為MN傳遞組播數(shù)據(jù)。
    在FHMIPv6的標(biāo)準(zhǔn)DAD檢測(cè)過程結(jié)束后，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN不再需要接收組播組的信息，于是便向目前直連的NAR發(fā)送MLD的組播偵聽者結(jié)束消息。NAR收到該消息后，開始發(fā)送PIM-SM的剪枝消息，并使剪枝消息沿共享樹上傳，沿途的路由器均刪除相應(yīng)的狀態(tài)信息。至此組播網(wǎng)結(jié)束，MN、CN、OAR和NAR均恢復(fù)到FHMIPv6中的正常單播機(jī)制。
2．4 M—FHMIPv6切換技術(shù)
    圖1所示是M—FHMIPv6切換技術(shù)的詳細(xì)切換操作過程，該過程主要包含以下幾個(gè)步驟：

    (1)當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN檢測(cè)到L2鏈路層觸發(fā)信息時(shí)，預(yù)知道要進(jìn)入新的網(wǎng)絡(luò)，于是發(fā)送路由請(qǐng)求代理RtSolPr給原先接入的路由器OAR，告知它要進(jìn)行切換；
    (2)OAR收到路由請(qǐng)求代理RtSolPr后，發(fā)送一個(gè)路由代理公告PrRtAdv給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN，MN收到該公告后，即可獲得其在新子網(wǎng)的轉(zhuǎn)交地址CoA；
    (3)MN得到CoA后，立即切換至組播模式，并發(fā)送快速綁定更新FBU消息給通信節(jié)點(diǎn)CN，該消息中包含了MN的組播地址；
    (4)CN收到FBU后，也快速切換至組播模式，并發(fā)送PIM注冊(cè)消息給OAR，以組建組播網(wǎng)，然后快速發(fā)送綁定更新確認(rèn)FBA給MN；
    (5)NAR和PAR加入組播網(wǎng)，為CN傳遞數(shù)據(jù)給MN；
    (6)因?yàn)榇藭r(shí)數(shù)據(jù)已經(jīng)通過組播網(wǎng)傳輸，OAR發(fā)送切換發(fā)起HI消息給NAR，NAR收到后便進(jìn)行正常的DAD重復(fù)地址檢測(cè)，完成后則發(fā)送切換消息HACK給OAR；
    (7)OAR收到HACK后，發(fā)送一個(gè)快速綁定確認(rèn)消息FBACK給節(jié)點(diǎn)MN和NAR，需要注意的是，這里不需要再建立基于OAR與NAR的雙向隧道以傳遞數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)一直在通過組播網(wǎng)傳遞給MN；
    (8)因?yàn)閭鹘y(tǒng)的DAD檢測(cè)和切換工作已經(jīng)完成，MN發(fā)送一個(gè)MLD的組播偵聽者完成消息給當(dāng)前接入的NAR，NAR通過PIM-SM協(xié)議進(jìn)行剪枝操作，從而使所有節(jié)點(diǎn)和路由器都恢復(fù)到單播狀態(tài)，此后，CN開始向NAR和MN傳遞數(shù)據(jù)。

3 M-FHMIPv6切換技術(shù)性能分析
3．1 快速分層切換FHMIPv6切換性能分析
    圖2所示是FHMIPv6切換延遲時(shí)間圖。從圖2可以看出，F(xiàn)HMIPv6的平均延遲時(shí)間為：
    TFHMIPv6=TFBU+THI+TDAD+THACK+TBACK+TL2+TFNA

3．2 基于IPv6組播的M—FHMIPv6切換性能分析
    基于IPv6組播的M—FHMIPv6切換延遲時(shí)間如圖3所示。由圖3可以得到，M—FHMIPv6的平均延時(shí)為：
    TM-FHMIPv6=TMulticast+TL2+TMLD

    理論分析證明，M—FHMIPv6雖然在切換過程增加了組播組的構(gòu)建過程，但能有效減少DAD檢測(cè)過程中的各種信息交互的延遲。

4 M—FHMIPv6切換技術(shù)的仿真結(jié)果分析
4．1 M—FHMIPv6切換技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)
    M-FHMIPv6切換技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)所建立的仿真模擬環(huán)境為：VMware，Workstation+Fedora+ns-allinone-2.33+noah+FHMIP1.3.1。
    仿真實(shí)驗(yàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)置有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，MAC層采用802．11MAc協(xié)議，有線網(wǎng)絡(luò)帶寬與延時(shí)設(shè)置為100 Mb／s，10 ms，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬與延時(shí)設(shè)置為1 Mb／s，2 ms。整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)80 s，第5．0 s時(shí)，CN開始以10 ms的間隔發(fā)送512字節(jié)的TCP分組到MN。PAR與NAR之間設(shè)置距離為30 m，無(wú)線路由覆蓋距離設(shè)置為40 m，于是，NAR與PAR之間的重疊覆蓋范圍為10 m。第10 s時(shí)，MN開始以1 m／s的恒定速度由位置(85，136)移動(dòng)到(155，136)，預(yù)計(jì)在第40 s左右時(shí)，由于MN快超出PAR的無(wú)線覆蓋范圍而進(jìn)入NAR的范圍，于是需要發(fā)生切換。第80 s時(shí)，MN到達(dá)終點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)過程結(jié)束。
4．2 仿真結(jié)果分析
    通過運(yùn)行仿真軟件所得到的FHMIPv6和M—FHMIPv6切換過程如圖4所示。

    從圖4的NAM動(dòng)畫模擬可以看到：
    在第5．0 s時(shí)，應(yīng)用層在CN和MN之間建立了，F(xiàn)TP業(yè)務(wù)流，CN開始發(fā)送TCP數(shù)據(jù)包到MN；
    在第10 s時(shí)，MN開始以1m／s的恒定速度由位置(85，136)向(155，136)移動(dòng)，如圖4(a)所示。
    在大約45．37 s時(shí)，MN移動(dòng)到了NAR的范圍，開始在兩個(gè)子網(wǎng)內(nèi)切換進(jìn)行快速分層切換，數(shù)據(jù)的傳輸中斷并開始構(gòu)建組播網(wǎng)，如圖4(b)所示。
    大約在45．57 s時(shí)，組播網(wǎng)構(gòu)建完成，構(gòu)建時(shí)間大約為200 ms，CN形成組播源，PAR和NAR加入組播組同時(shí)為MN傳輸數(shù)據(jù)，如圖4(c)所示。
    大約在46．04 s時(shí)，MN在PAR與NAR之間分層快速切換工作完成，MN開始從NAR接收數(shù)據(jù)包，整個(gè)切換工作完成，切換所需時(shí)間為670 ms，如圖4(d)所示。
    在80 s時(shí)，CN停止FTP應(yīng)用數(shù)據(jù)流，MN停止移動(dòng)，整個(gè)仿真過程完成。
    從切換過程看，在FHMIPv6中，當(dāng)MN在PAR與NAR之間切換時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸中斷，整個(gè)切換過程需要670 ms；而在改進(jìn)的基于IPv6組播的M—FHMIPv6中，MN在切換時(shí)和PAR、NAR成功構(gòu)建組播網(wǎng)，接收組播源CN的數(shù)據(jù)，構(gòu)建過程只需要200 ms，因而可以很好地優(yōu)化FHMIPv6過程中DAD檢測(cè)過程和各種信息交互所帶來的延遲，直到切換過程完成。

    為了更直觀地觀察切換過程中的延遲情況，可以將仿真過程中40～50 s的切換局部放大，所得到的FHMIPv6和M-FHMIPv6的局部放大圖如圖5和圖6所示。

    從局部放大圖中看出，基于IPv6組播的M—FHMIPV6切換技術(shù)能有效改善FHMIPv6切換技術(shù)中的DAD檢測(cè)和各種信息交互所帶來的延遲，從而減少切換時(shí)間，平滑切換過程。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文對(duì)FHMIPv6的研究發(fā)現(xiàn)，切換過程中的DAD重復(fù)地址檢測(cè)過程嚴(yán)重影響了切換性能，為此，本文提出了基于IPv6組播的M—FHMIPv6切換技術(shù)。切換性能的理論分析證明，M-FHMIPv6能有效減少DAD檢測(cè)的過程和各種信息交互的延遲。雖然M-FHMIPv6在切換過程中增加了組播組的構(gòu)建過程，但仍能能有效減少DAD檢測(cè)的過程和各種信息交互的延遲。而通過NS2實(shí)驗(yàn)仿真也進(jìn)一步說明：改進(jìn)后的M-FHMIPv6方案能減少切換延遲，平滑切換過程，可以達(dá)到預(yù)期的效果。