代理移动IPv6是集中式的基于网络的移动管理协议, 其本地移动锚点已成为限制网络规模的瓶颈.为了解决这一问题, 提出一种部分分布式移动管理方案, 将本地移动锚点的前缀分配和路由功能分布至接入网络端的路由器上, 接入路由器通过任播地址寻址到最靠近接入网络的数据库完成位置管理.此外, 当移动节点距离初始的接入网络过远、切换时延过长时, 重启会话.综合分析结果显示, 此方案具有一定的可行性.
Proxy mobile IPv6 is a centralized network-based mobility management protocol. Its local mobility anchor has become the bottleneck of network size growth. To solve this problem, a partially distributed scheme of proxy mobile IPv6 is proposed, where the prefix allocation and routing function of local mobility anchor is distributed to the access network. The access router reaches a nearest database by an anycast address to manage location. Besides, when the mobile node is far from the initial access network and the handover latency is too long, the proposed scheme will restart flows connection. The comprehensive analysis shows the proposed scheme is feasible.
代理移动IPv6 (PMIPv6, proxy mobile IPv6) 是一种集中式的基于网络的移动管理方案[1].本地移动锚点(LMA, local mobile anchor)负责前缀分配、路由和位置管理，移动接入网关(MAG, mobile access gateway)代替移动节点(MN，mobile node)与LMA建立隧道以转发MN的数据.因此，LMA是控制信令和数据的锚点，同时也成为了限制网络规模的瓶颈.
互联网工程任务组于2012年成立了分布式移动管理工作组，研究如何解决集中式结构存在的问题.当前，工作组尚未发布RFC文档.作为基于网络的移动管理方案代表，PMIPv6已经成为关注热点.
1 PMIPv6分布式部署的难度在相关研究中，Chan[2]等总结了集中式移动管理方案的弊端和分布式移动部署的优点和问题. Giust等[3]提出了2种方案，一种是将LMA的全部功能部署到MAG上，另一种是只将前缀分配和路由功能部署到MAG上.二者的共同点是MN在每个接入网络都会获得一个IP地址. Yi等[4]将LMA功能拆分为一个负责位置管理的控制实体和多个负责数据转发的实体，数据转发实体只对部分MN负责，控制实体记录所有MN的位置信息，并分配适合的数据转发实体为MN服务. Ernest等[5]将PMIPv6划分为多个区域来缓解LMA的瓶颈问题，每个区域都有相应的LMA和MAG，LMA只对自己区域的MN进行位置管理，LMA的宕机只会对当前域的MN产生影响.
以上几种方案在进行分布式部署时，会存在以下问题.
1) 需要集中式的数据库记录会话初始时的锚点和MN当前位置的映射关系.每个MN根据IP的不同会有多个锚点.
2) MN每切换1次即获得1个新IP地址，同时还要维护旧会话使用的旧IP.
3) 追踪MN上存活的会话的代价很大.由于MN不参与移动性管理，因此切换时，需有第三方手段追踪MN需要保持的旧会话.
2 建议方案PD-PMIPv6针对前面的问题，笔者提出一种新方案——PMIPv6部分分布(PD-PMIPv6, partially disturbed PMIPv6). PD-MIPv6将LMA的前缀分配和路由功能分配到MAG上.对某个MN而言，最开始接入的MAG作为MN的锚点.由于每个MN的初始接入点不同，因此网络信令不会全部集中到某个MAG上.同时，当MN切换到离初始MAG较远的位置，切换时延超过一定的阈值时，将当前位置的MAG作为新的锚点.新方案引入以下2个新的网络实体(见图 1).
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图 1 PD-MIPv6网络拓扑与附着过程 |
1) 部分分布移动接入网关(PD-MAG, partially disturbed MAG)：具有MAG的功能，还有前缀分配与路由功能.
2) 位置管理数据库(LMD, location management database)：记录MN的锚点和MN当前位置的映射关系.
一个LMD附近有多个具备PD-MAG的接入网络，LMD之间会互通数据库信息.每个PD-MAG可通过任播地址寻找到最近的LMD.
通过代理绑定更新(PBU, proxy binding update)和代理绑定确认(PBA, proxy binding acknowledgment)消息，PD-MAG可以与其他PD-MAG联系，也可以向LMD汇报MN的位置.因为PD-MAG需要向LMD咨询MN的锚点信息，所以PBU和PBA消息都需要添加一个可以携带移动锚点地址的移动选项，命名为移动锚点选项(MAO, mobile anchor option).
2.1 初始化如图 1所示，当MN在PD-MAG0的小区开机后，会经过以下3个步骤.
1) 锚点查询. PD-MAG0发送一个以LMD公告的任播地址为目的地址的PBU消息.该PBU通过任播机制会递送到一个就近的LMD，设为LMD0. LMD0发现它没有存储MN的信息，判断MN是刚开机，同时回复PBA，其中MAO为空.
2) 前缀分配与注册. PD-MAG0收到PBA消息后，将自己作为MN的锚点，启动前缀分配功能，通过路由器通告(RA, router advertisement)消息分配1个前缀给MN，记为HNP0，同时通过PBU向LMD0报告锚点和前缀信息.
3) LMD网络信息周知. LMD0发现有新的MN加入，通知其他LMD关于MN的锚点和前缀信息.
2.2 切换当MN从PD-MAGi-1切换到PD-MAGi时，PD-MAGi先发起锚点查询，找到最靠近的LMD，记为LMDi.由于LMD网络的信息是实时互通的，因此LMDi存储了MN的锚点PD-MAG0的地址. LMDi计算PD-MAG0和PD-MAGi之间的距离，若距离太远使切换和注册的时延超过重新申请一个新IP所需的时间，执行方案B，否则执行方案A.方案A和方案B的信令流程如图 2和图 3所示.距离和时延计算过程见第3节.
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图 2 方案A信令流程 |
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图 3 方案B信令流程 |
方案A：
1) PD-MAGi感知MN的接入，发送PBU给LMDi进行查询.
2) LMDi发现MN当前所在的PD-MAGi与锚点PD-MAG0距离在可接受范围内，将PD-MAG0的地址放在PBA的MAO中发送给PD-MAGi.
3)~4) PD-MAGi代替MN向PD-MAG0注册.
5) PD-MAGi公告前缀HNP0. PD-MAG0和PD-MAGi之间建立转发隧道.
方案B：
1) PD-MAGi感知MN的接入，发送PBU给LMDi进行查询.
2) LMDi发现MN当前所在的PD-MAGi与锚点PD-MAG0距离超过一定距离，回复一个MAO为空的PBA给PD-MAGi.
3)~6) PD-MAGi收到这个PBA后，发现MAO为空，则让自己作为MN的新锚点，执行2.1节中MN初始化的过程，获得新前缀HNP1.
为了维护MN的隧道，PD-MAG会定期检测MN是否还在自己的范围内.若是，则通知隧道对端进行计时器更新.锚点重置后，旧锚点在一定时间内收不到更新信息就会释放隧道.
PD-PMIPv6方案中，当MN的切换按方案B执行时，会更换IP. IP的变化会引起一次LMD网络信息周知的过程.虽然它对MN的切换时延不会产生影响，但会消耗一定的网络资源.若MN更换IP的频率很高，则这部分的消耗费用会比较大. 3.2节将考查MN更换IP的频率.
3 PD-PMIPv6的性能分析用正六边形模拟移动蜂窝小区，每个小区用坐标(x，y)表示.取某个小区为坐标原点(0，0)，依次编号，如图 4所示.
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图 4 移动蜂窝模型编号 |
易知任意2个PD-MAG，即(x1, y1)和(x2, y2)之间的距离为|x1－x2|+|y1－y2|.假设LMD能获知小区的编号，从而能通过上式计算任意2个PD-MAG之间的距离.
3.1 时延阈值时延定义为MN断开与前一个接入路由器的连接到重新有能力接收或发送数据包为止的时间段.对比方案A和方案B，可知图 2和图 3中的1)、2) 两步时延相同.在对比二者切换时延差时，可以不考虑.定义ΔTA为方案A相较于方案B产生的不同的切换时延，而ΔTB为方案B相较于方案A产生的不同的切换时延.
方案A中，PD-MAGi与PD-MAG0建立隧道后MN便具有通信能力，因此ΔTA指图 2中第3)、4) 步产生的时延；方案B中，MN配置好新IP后拥有通信能力，因此ΔTB指PD-MAGi用RA消息为MN公告一个新的前缀且MN配置IP的过程，其中重复地址检测(DAD，duplicate address detection)过程将占较大的时延.方案B中的第4)、5) 步，不需加入ΔTB的计算，因为它不影响MN的IP配置. ΔTA和ΔTB的计算公式如式(1) 和式(2) 所示，参数说明如表 1所示.
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(1) |
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(2) |
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表 1 参数定义 |
记nf为一条信令在无线链路上发送失败的次数，P{nf}为nf次重传后该条信令发送成功的概率，则Kwl可表示为
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(3) |
定义ΔT=ΔTA－ΔTB为方案A和方案B的切换时延差.若ΔT>0，表明在切换到PD-MAGi时，MN用新的IP重新建立会话会比为保持这些会话的持续性向PD-MAG0注册而产生的时延更小.即当MN切换到某PD-MAGi时，若ΔT首次大于零，则应该将这个PD-MAGi作为新的锚点.由ΔT>0并结合式(1) 和式(2) 可得
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(4) |
其中r来自LMDi对于PD-MAG0与PD-MAGi之间距离的判断，为整数.当LMD发现r符合式(4) 时，将PD-MAGi作为MN的新锚点.
称符合式(4) 的最小r值为时延阈值，记为R. LMDi发现PD-MAG0与PD-MAGi的距离超过R时，执行方案B，否则执行方案A.
3.2 IP更换频率MN首次切换到距离为R的小区后会更换IP地址，从而引发LMD网络信息周知过程.为计算IP更换频率(R的倒数)，先计算MN从PD-MAG0启动，到首次切换至距离为r的PD-MAGi后，平均经过的小区数(记为i). R对应的i值用I表示.
下面用Akyildiz[6]的聚合状态的随机游六边形蜂窝模型分析I值.他将具有同样邻居的六边形聚合成同一个状态(x, y)，其中x表示环数，y表示该环下的第y个状态，如图 5所示.
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图 5 聚合状态的随机游六边形蜂窝模型 |
MN在PD-MAG0启动时，可认为其在蜂窝中心(0，0) 处.因为r表示MN与(0，0) 的跳数距离，所以r就是环数.需要计算MN从第0环开始，到首次进入到第R环上任意一个六边形的过程中，平均经过了多少个六边形.
依照随机游模型，MN会以1/6的概率向6个邻居移动.与文献[6]不同，当MN首次移动到第R环时，该六边形中的PD-MAG将作为新的锚点，因此R环上的所有六边形可以聚合成一个吸收态(R，*)，即图 5中的最外层(R=4).由图 5可得如图 6所示的一步转移概率，进而在此基础上得到j步转移矩阵P(j).
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图 6 一步转移概率(R=5) |
定义f(0, 0)(R, *)(j)为MN通过j次切换从(0, 0) 首次到达(R, *)的概率，由文献[6]可得
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(5) |
其中p(x, y)(x′, y′)(j)为MN从(x, y)经过j次切换到达(x′, y′)的概率.因此，MN从(0, 0) 首次切换到(R, *)所需的平均次数I为
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(6) |
I越大，说明IP更换频率越低，因IP更换引起的LMD网络信息周知过程次数就越少.
3.3 会话中断率执行方案B会中断MN当前保持的会话.本节分析中断的会话所占的比率，记为p.为计算p值，需要知道MN从PD-MAG0到PD-MAGI这段时间内发起的平均会话总数N，以及在切换至PD-MAGI时仍在继续的平均会话数M.
为计算N和M，先定义以下参数.
1) 会话持续时间D，对应的分布函数为FD(t)；
2) MN的会话到达率λf；
3) MN切换至第i个小区的时间点为ti，t0=0；
4) MN在每个小区的平均停留时间为T，易知ti=T×i;
5) 定义Mi, I为MN在第i个小区时到达并且可以持续到第I个小区的会话个数.
根据文献[7]，Mi, I可表示为
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(7) |
因此
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(8) |
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(9) |
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(10) |
由式(4) 可计算出最小的整数r值作为实验阈值，其中参数取值如表 2所示.通过计算得R=5.
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表 2 参数取值[8] |
式(6) 在计算过程中截取至j=200，可求得当MN首次切换到距离锚点跳数为5的小区时，发生的平均切换次数I=21.即MN平均切换21个网络后才会发生一次IP更换，这说明IP更换在通常情况下并不会频繁发生.
设会话持续时间D服从指数分布，平均时间为1/d，则FD(t)=1－e－dt.由式(7)~式(10) 可求得p. 图 7描述了当T=900 s时，d对p的影响. d越大表示会话平均持续时间越短，在切换时还需持续的会话个数越少，因此p值越小. 图 8描述了当d=1/300时，T对p的影响. T越大代表MN在每个小区的停留时间越长，会话在切换前已经结束的可能性越大，因此p值越小.其中，当MN切换速度较快，平均小区停留时间为5 min(T=300 s)时，p值仍小于6%，即MN在切换了21个小区后，平均只有6%的会话断开，这个数值在可接受范围内.
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图 7 d对p的影响(T=900 s) |
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图 8 T对p的影响(d=1/300) |
当前分布式移动管理成为研究热点，其中PMIPv6协议中因MN不参与移动性管理的特性，增添了PMIPv6分布式部署的难度.笔者提出的PD-PMIPv6方案，由具有前缀分配和移动路由功能的接入路由器PD-MAG与负责MN位置管理的数据库LMD完成所有移动管理工作.它具有的优点：① 能消除PMIPv6中LMA的瓶颈问题；② LMD是分布式的，克服了单点故障的问题；③ 数据包的投递费用不会无限制增长，新方案通过更换锚点来降低隧道长度，节省了资源.其不足是当MN切换到超过时延阈值的PD-MAG后需要更换IP地址，会导致会话中断，影响用户体验.但分析表明，会话中断率和IP地址的更换频率都在可接受的范围之内.
因此，本方案在可承受适当会话中断率的前提下，具有优势，可以考虑部署.
| [1] | Gundavelli S, Devarapalli V, Chowdhury K, et al. RFC5213-2008, Proxy Mobile IPv6 [S]. IETF, 2008. |
| [2] | Chan H A, Yokota H, Xie Jiang, et al. Distributed and dynamic mobility management in mobile internet: current approaches and issues[J].Journal of Communications, 2011, 6(1): 4–15. |
| [3] | Giust F, Oliva A D L, Bernardos C J, et al. A network-based localized mobility solution for distributed mobility management [C]//2011 14th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications. Brest: IEEE Press, 2011: 1-5. |
| [4] | Yi Li, Zhou Huachun, Zhang Hongke. An efficient distributed mobility management scheme based on PMIPv6 [C]//2012 6th International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing (IMIS). Palermo: IEEE Press, 2012: 274-249. |
| [5] | Ernest P P, Falowo O E, Chan H A. Network-based distributed mobility management: design and analysis [C]//2013 IEEE 9th International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications. Lyon: IEEE Press, 2013: 499-506. |
| [6] | Akyildiz I F, Lin Yibing, Lai Weiru, et al. A new random walk model for PCS networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2000, 18(7): 1254–1260. doi: 10.1109/49.857925 |
| [7] | Yi Li, Zhou Huachun, Huang Daochao et al. Performance analysis for distributed mobility management schemes based on flow duration [C]//2012 IEEE Globecom Workshops. Anaheim: IEEE Press, 2012: 1068-1072. |
| [8] | Lee J H, Chung T M. Cost analysis of IP mobility management protocols for consumer mobile devices[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2010, 56(2): 1010–1017. doi: 10.1109/TCE.2010.5506033 |