Mobile IP中的切換技術

2019-11-03 09:04:54

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供稿：網友

葉敏華，劉雨，張惠民
北京郵電大學信息工程學院

　　摘要：介紹了Mobile ip的基本概念和其中的切換問題，分析了影響切換時通信性能的3個因素：移動檢測、重新注冊以及與上層協議的相互作用，提出了新的切換方案：將鏈路標識嵌入到FA的代理廣播消息中，使得MH可以據此進行快速的移動檢測； MH為發送端時，切換后主動發送未應答的TCP包； MH為接收端時，切換后通過主動發送多個TCP SACK包來請求發送端發送已丟失的TCP包。計算機仿真結果表明新的方案具有良好的性能。

　　關鍵詞：移動IP；切換；TCP；鏈路標識；仿真

一、引言

　　隨著Internet的迅猛普及、筆記本計算機的大量使用，以及無線通信設備的發展，用戶產生了對主機移動性的需求，即希望主機在改變其所處的位置時無需中斷已有的通信連接。傳統的IP技術無法支持主機的移動性，為此，IETF 定義了Mobile IP［１］。

二、Mobile IP的基本原理

　　Mobile IP中引入2個網絡實體：家鄉代理（HA）和外地代理（FA），HA和FA分別在家鄉網絡和外地網絡周期性的發送代理廣播消息，移動主機（MH）根據收到的代理廣播消息來判斷自己是處在家鄉網絡還是外地網絡。當MH位于家鄉網絡時，使用正常的IP協議通信；當它進入外地網絡時，需要獲得一個轉交地址（CoA），然后向HA發送注冊消息，通知其當前位置，即CoA。

　　對端通信主機（CH）發送給MH的數據包通過正常的IP路由到達MH的家鄉網絡，HA替MH截獲這些數據包，將它們進行隧道封裝，添加新的IP包頭，其目的地址為CoA，源地址為HA的地址，HA將新的IP包轉發到MH的當前位置，再由FA或MH恢復出原來的IP包；從MH到CH的數據包則采用正常的IP路由。Mobile IP原理如圖1所示。

三、Mobile IP的切換問題

　　Mobile IP是一種簡單有效的網絡層移動性解決方案，但它同時也帶來2個問題：三角路由［２］和切換。其中的切換問題是指從MH離開原先的外地網絡開始，到HA接收到MH的新的注冊請求為止的這段時間內，由于HA不知道MH的最新的CoA，所以它仍然將屬于MH的IP包通過隧道發送到原先的外地網絡，導致這些IP包被丟棄，使得MH與CH間的通信受到影響，特別切換頻繁或者從MH到HA的距離很遠時。整個切換過程分為２個階段：移動檢測階段MH需要進行移動檢測以判斷自己是否更換了接入的子網，這段時間稱為移動檢測時延；重新注冊階段MH判斷出發生移動之后，從MH向HA發送注冊請求，到HA收到請求為止的這段時間，其長短取決于MH到HA的距離。

　　完成上述的２個階段后，MH可以與CH繼續通信，但是在這段時間內的丟包可能會與高層協議相互作用，進一步惡化通信性能，最典型的是和TCP協議的相互作用。TCP［３］是目前Internet中事實上的可靠傳輸協議的標準，它的一個基本假設是所有的丟包都是由網絡擁塞引起的，每次檢測到丟包，TCP都要啟動相應的擁塞控制機制。這個假設在固定網絡中工作得很好，但是在Mobile IP環境下，這個假設就不成立，由切換導致的丟包會使得TCP連接的中斷時間更長，使TCP性能惡化。［4］中的研究表明，由于Mobile IP切換引起的TCP連接中斷時間可以達到6 s，最嚴重的可以到12 s左右，其間有多次的超時重傳。

　　總之，移動檢測、重新注冊以及與上層協議的相互作用3個因素共同決定了MH進行切換時的通信性能。

四、相關的工作

　　1.本地注冊方案

　　［5］中提出了分層的Mobile IP（Hierarchical Mobile IP），在這個方案中，一個區域內的FA按照一定的層次結構（如樹狀結構）組織起來，當MH在該區域內移動時，MH只需向新舊路由上的離MH最近的一個共同的FA（即新舊路由上的交叉FA）注冊即可，即實現了本地注冊；只有當MH移出該區域時，MH才需要重新向HA注冊。這種方案降低了重新注冊的時延，改進了Mobile IP的切換性能。

　　2．原FA通知（PRevious FA Notification）方案

　　［6］中提出了原FA通知方案，它在FA中設置一個緩沖區，用來保存一部分發往MH的數據包。切換發生后，MH將它從原FA接收到的最后的IP包的Source IP和ID連同注冊請求一起發給切換后的FA，由新FA將這些量轉發給原FA。這樣原FA將緩沖區中MH尚未收到的IP包轉發給新FA，最后由新FA轉發給MH。這種方案通過緩存有效地減少了數據包的丟失。但是，如何設置FA中的緩存容量是一個難題，此外，新舊FA之間的通信，需要定義新的協議來支持。

　　上述方案的共同的特點是沒有考慮到移動檢測對MH通信的影響，而且它們僅在IP層考慮如何改善切換時的通信性能。我們認為，為了獲得整體上的優良性能，有必要考慮如何對通信協議的各層分別加以改進以提高性能，考慮各層協議之間的配合協作，而不必保證之間的嚴格獨立，這也是我們下面提出的新的方案的指導思想。

五、快速的移動檢測

　　［1］中定義了MH在Mobile IP層用于移動檢測的2種算法，分別稱之為算法1與算法2。

　　1.算法1

　　該算法利用代理廣播消息中ICMP路由器廣播部分的生存時間域，如果MH在生存時間域規定的時間內卻沒有收到來自當前代理的廣播消息，那么MH就認為自己已經移動到另外的子網，于是它向下一個發來代理廣播消息的FA注冊，進行切換。并規定，代理廣播消息的發送周期為1 s，而生存時間域的值為廣播周期的3倍，即3 s，可知，算法1的平均移動檢測時延為2.5 s。

　　2.算法2

　　該算法利用網絡前綴來進行移動檢測。MH根據代理廣播消息中的網絡前綴擴展來判定它連續收到的2個廣播消息是否來自同一個子網，如果是，就不用進行切換；反之，則需要進行切換。算法2的平均移動檢測時延為0.5 s。

　　3.我們的算法

　　我們提出采取鏈路層和網絡層相配合的方法來實現快速的移動檢測。考慮到在無線通信網絡中，無線鏈路周期性的發送自己的鏈路標識（LID），MH可依據LID來決定是否要更換無線接入點。鏈路層發送LID的頻率遠高于Mobile IP層的代理廣播消息的頻率，比如在CDMA 2000移動網絡中，基站識別碼的發送周期是20 ms［7］。同時，［8］中指出，DECT網絡中發送鏈路標識的周期為10 ms，我們據此提出一種快速的移動檢測方法。

　　我們提出在Mobile IP代理廣播消息中添加一個LID選項，用以指示當前FA轄區內的鏈路標識清單，FA響應MH的代理廣播請求消息時發送的代理廣播消息需要包含該選項。LID選項的格式如圖2所示。

　　當MH更換鏈路或是接入點時，能迅速接收到新的LID，它將該LID通知Mobile IP層，使其檢查該LID是否包含在原先接收到的代理廣播消息中的LID清單內，如果是，表明MH仍然在同一個FA的服務區內，無需進行Mobile IP切換；反之，則說明MH離開了原先的FA的服務區，必須立即進行切換，從而完成移動檢測的過程。如果需要進行Mobile IP層的切換，MH立即主動發送代理廣播請求消息， FA則會用包含新的LID選項的代理廣播消息應答。

　　使用LID選項進行移動檢測所需的時間和鏈路層發送LID的頻率相關，由于后者遠遠高于Mobile IP層的代理廣播消息的頻率，所以使用該方法可以實現快速的移動檢測，所需的時間通常只需幾十毫秒，而不是前面提到的算法的0.5 s，甚至2.5 s。此外，該方法既適用于一個FA管理多條鏈路的情況，也適用于同一條鏈路上有多個FA的情形。

六、減小Mobile IP切換對上層協議的影響

　　如何減小甚至消除由于移動檢測階段和重新注冊階段的丟包所引起的TCP超時重傳是一個很關鍵的問題。在這一節中，我們主要研究如何減小Mobile IP切換對TCP性能的影響，就MH為發送端和接收端的情況，分別提出了改進TCP性能的措施。

　　1.MH為發送端

　　MH為發送端時，由于從CH返回的ACK可能會在原先的FA處丟失，所以MH端的TCP常常會因為收不到ACK而進入超時重傳的狀態。因此我們提出，當切換完成之后，MH將所有還未被應答的TCP分組重新發送，這樣用主動重傳代替超時重傳，可以避免TCP等待超時重傳，減少鏈路空閑的時間，有利于提高網絡的利用率，提高MH的TCP吞吐量。

　　2.MH為接收端

　　MH為接收端時，在MH的切換過程中，由CH發送的數據包可能會在原來的FA處丟失，導致CH端的TCP進入超時重傳的狀態。我們認為，為減少由于切換過程中丟包引起的超時重傳，可以從2個方面著手：一是用主動的重傳代替超時重傳，前提條件是發端需要知道何時需要重傳哪一些包，如同我們在前面所提出的那樣，但是當MH為接收端時，則很難做到這一點，因為CH無法確切的了解MH發生切換的時間；二是將超時重傳轉化為快速重傳，考慮到TCP發端收到3個重復的ACK，則進入快速重傳狀態，否則，則等待超時，因此我們提出，MH發生切換后，立即發送3個TCP SACK（Selective ACK）［９］，含有足夠的相關信息，從而迫使TCP發端進入快速重傳，避免超時重傳。

　　3．實現

　　前面提出的對TCP的改進方案需要修改MH端的TCP協議實現，這顯然是不現實的。所以在這一小節中，我們提出在Mobile IP層實現部分的TCP功能，這樣做的好處是無需對TCP層作任何的更改，而且不會對TCP層產生任何的影響，不需要收端與發端之間的通信配合。

　　MH為發送端時，我們提出在Mobile IP層設立一塊緩存空間，用于緩存TCP層分組，通過檢查接收到的ACK來判斷接收端已收到的分組，將其從緩存空間中刪除。當MH切換之后，將緩存空間中剩余的分組再次發送。MH為接收端的情況則更簡單一些，Mobile IP層檢測MH發送的SACK，并保存MH發送的最后一個SACK，當Mobile IP層切換完成后，Mobile IP將該SACK重發3遍，發送端就可以利用這些信息進行快速重傳，避免了超時重傳。

我們的方法在Mobile IP層利用了TCP層的信息，破壞了通信協議中的嚴格分層的原則，但是我們認為：(1)網絡協議中的分層的概念在過去的很長時間內是設計網絡通信協議的重要的原則，而且也確實是一種非常有效的手段，但是，人們也發現，將通信協議棧嚴格地進行分層，會導致系統整體效率的降低，所以各層之間完全獨立不是非常可行的，適當的互操作是必要的，比如［10］中提出的跨層協議優化（Cross-Layer Optimization）的概念就提倡不同層之間可以相互利用信息，從而改善整體的性能，其中的Snoop就是一個利用TCP層信息來進行鏈路層重傳的協議；(2)我們的方案實現僅在Mobile IP層做了修改，并不破壞其他協議層的實現，也不干擾其他協議層的功能；(3)在我們的方案中，僅對MH中的Mobile IP的實現做了修改，而無需修改其他主機和網絡節點中的任何協議實現，既保持了很好的兼容性，又顯著地改善了性能，同時代價也很小。

七、計算機仿真結果與分析

　　我們使用ns2［１１］進行計算機仿真，所仿真的網絡拓撲如圖３所示。

　　1．快速移動檢測算法的性能

　　我們首先考察不同的切換頻率下，采用不同的移動檢測算法時，從CH發往MH的UDP包的丟包率的情況。UDP包的速率為384 kbit/s，，有線鏈路帶寬為5 Mbps，仿真的時間1 min，仿真結果如圖4所示。很顯然，采用算法1進行移動檢測導致的丟包率是驚人的，算法2的結果明顯優于算法1，而采用LID選項所導致的丟包率遠遠低于上述2種算法。

　　其次，我們考察在不同的LID發送頻率下UDP包的丟包概率， MH 1 min內切換6次，其他參數設置相同，考察LID發送周期與丟包率的關系，結果如圖5所示，隨著LID周期的增大（由20ms逐步增大到120 ms），丟包率基本上是線性上升的。

　　2.改進的TCP性能

　　最后我們考察采用了TCP性能改進措施后，Mobile IP切換時的TCP性能。我們首先仿真了MH作為TCP發送端的情況，仍采用圖3所示的拓撲結構，設鏈路帶寬為10 Mbps，時延為10 ms，TCP分組大小為1 000字節，仿真時間為60 s，在這段時間內，MH發生一次切換。我們統計這段時間內CH接收到的所有的TCP分組的數目，計算出TCP的平均吞吐量，仿真結果如圖6所示。從圖中可以看出，采用我們的方案的性能明顯優于TCP Reno，在切換時延為100 ms時，采用我們的方案會多發送232個TCP分組，而50 ms則為283個TCP分組。而且我們方案的性能隨著切換時延的加大而平穩下降，而TCP Reno在切換時延超過300 ms時性能會有突降，這是因為當切換時延小于300 ms時，TCP Reno性能的下降是由TCP等待第一次超時重傳引起的，而當時延大于300 ms時，此時MH的TCP需要等到第二次超時才能夠重傳成功，所以性能會下降很多。

　　接著我們考察了MH作為TCP接收端的情況，仿真環境設置與MH作為發送端的情況相同，采用的TCP實現為TCP SACK。我們考察了不同切換時延下的TCP吞吐量，如圖７所示。

　　圖６和圖７的結果表明，無論MH作為接收端還是發送端，通過主動的重傳，均可以有效地改善Mobile IP切換時的TCP性能。

八、結語

　　我們在本文中詳細討論了Mobile IP中的切換問題，分析了影響Mobile IP切換性能的幾個關鍵因素，提出了一種采用鏈路層標識選項來加速Mobile IP的移動檢測過程的方案，同時針對MH作為TCP的發送端和接收端，分別提出了改進切換時TCP性能的方案，給出了具體的實現方法，并進行了計算機仿真，結果表明，我們的方案能夠有效地改善Mobile IP的切換性能。Mobile IP中的切換問題是一個很復雜的問題，還有很多的工作需要去做，比如如何進一步地減小Mobile IP的注冊時延、減少切換過程中的丟包、如何和CDMA網絡中的軟切換技術相結合等等。

參考文獻

［１］C Perkins．IP Mobility Support for IPv4［Ｓ］, IETF RFC 3344, Aug. 2002．

［２］C Perkins．Route Optimization in Mobile IP［Ｚ］, draft-ietf-mobileip-optim-10.txt, Internet Draft, IETF, Nov. 2000．

［３］J B Postel.Transmission Control Protocol［Ｓ］, IETF RFC-793,September 1981．

［４］Fikouras N A，et al.Performance of TCP and UDP during mobile IP handoffs in single-agent subnetworks［Ａ］． Wireless Communications and Networking Conference［Ｃ］.IEEE，1999.

［５］Eva Gustafsson, Annika Jonsson, Charles E Perkins．Mobile IPv4 Regional Registration［Ｚ］．IETF Internet draft, draft-ietf-mobileip-reg-tunnel-06.txt，Mar. 2002．

［６］Perkins,C　E, Kuang　Yeh Wang．Optimized Smooth Handoffs in Mobile IP［Ａ］． IEEE International Symposium on Computers and Communications［Ｃ］．IEEE,1999.

［７］3GPP2 C.S002-A, Physical Layer Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems［Ｓ］．

［８］Gyasi-Agyei A. Mobile IP-DECT internetworking architecture supporting IMT-2000 applications［Ｊ］．IEEE Network,２００１，１５（６）：１０～２２．

［９］M Mathis, J Mahdavi，et al. TCP Selective Acknowledgment Options［Ｓ］.IETF RFC 2018, Oct., 1996.

［１０］H Balakrishnan．Challenges to Reliable Data Transport over Heterogeneous Wireless Networks［Ｄ］．UCBerkeley,1998．［１１］Ns2, Network Simulator（Version 2）［ＥＢ／ＯＬ］.http://www.isi.edu/nsnam/ns.

摘自　電訊技術

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