基于快速DAD的分层移动IPv6切换算法

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1、第1期陈魏鑫等：基于快速DAD的分层移动IPv6切换算法119基于快速DAD的分层移动IPv6切换算法陈魏鑫，韩国栋，刘洪波，蔡惠（国家数字交换系统工程技术研究中心，河南 郑州 450002）摘 要：针对分层移动IPv6（HMIPv6）在重复地址检测（DAD）环节耗时严重的问题，提出一种基于快速DAD的HMIPv6切换算法。该算法通过引入IP地址分配管理（IAAM）模块建立DAD查表和地址主动生成机制，可大大加快DAD进程，且实现简单。仿真结果表明，经过算法优化后的HMIPv6（F-DAD-HMIPv6）可使域内切换延迟减少到202ms，域间切换延迟减少到339ms，优于MIPv6和HMIPv

2、6。关键词：分层移动IPv6；IP地址分配管理；重复地址检测；切换延迟中图分类号：TN915.04；TP393.04 文献标识码：B 文章编号：1000-436X(2008)01-0115-06Handover algorithm using fast DAD mechanism for hierarchical mobile IPv6CHEN Wei-xin, HAN Guo-dong, LIU Hong-bo, CAI Hui(National Digital Switching System Engineering & Technological Research Center, Zhe

3、ngzhou 450002, China)Abstract: To solve the problem that the duplicate address detection (DAD) in hierarchical mobile IPv6 (HMIPv6) links too time consuming, a handover algorithm based on fast DAD mechanism for HMIPv6 was proposed. By introducing the IP address allocation management (IAAM) module to

4、 establish the DAD-lookup and initiative address-generation mechanism, the proposed algorithm can greatly speed up the DAD course and be implemented easily. Simulation results showed the HMIPv6 optimized by the algorithm (F-DAD-HMIPv6) could reduce intra-domain handover delay and inter-domain handov

5、er delay to 202ms, 339ms respectively and was superior to MIPv6 and HMIPv6.Key words: hierarchical mobile IPv6; IP address allocation management; duplicate address detection; handover delay1 引言收稿日期：2007-01-20；修回日期：2007-11-26基金项目：国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金资助项目（2004AA103130）Foundation Item: The National H

6、igh Technology Research and Development Program of China(863 Program) (2004AA103130)移动IPv6（MIPv6）1,2是目前被普遍接受、能够解决未来移动终端在异构网络间漫游的移动性管理协议。然而，该协议在重复地址检测（DAD, duplicate address detection）和位置更新（包含家乡注册和通信注册）环节耗时严重，服务质量很难满足实时业务的要求。随着移动节点（MN, mobile node）离开家乡网络的距离和切换频率的增大，其平均切换延迟会不断增加，协议性能也将随之下降。针对这一问题，IETF

7、提出了分层移动IPv6（HMIPv6, hierarchical mobile IPv6）3，即通过引入微移动概念和层级式管理方式来改善MIPv6切换性能。HMIPv6虽然达到了减少位置更新次数的目的，但在配置转交地址（CoA, care-of address）时依然沿用了MIPv6的DAD工作模式，对切换延迟的改善不明显，特别是当MN进行域间宏移动时，其切换性能并不优于MIPv64。要改善HMIPv6的切换性能，一个很重要的工作就是减少重复地址检测对切换延迟的影响。当前，人们在DAD问题上做了大量的研究，比如，基于预先DAD的快速切换技术5，但该技术引入复杂的信令机制，对MN处理能力要求较高

8、，而且难以准确判断MN何时将发生切换；还有基于随机生成接口标识符的无DAD方案6、弱DAD方案7以及被动式DAD方案8，这些方案在某种程度上容忍了IP地址重复，一旦出现地址冲突，便会造成错误路由、连接中断等一系列严重后果。文中提出了一种基于快速DAD的HMIPv6切换算法，它通过IP地址分配管理（IAAM, IP addresses allocation management）模块建立DAD查表和地址主动生成机制，解决了传统DAD操作需要被动等待检测结果的问题，可有效缩短切换延迟。本文的第2节简要描述了HMIPv6的工作机制；第3节着重讨论基于快速DAD的HMIPv6切换算法；第4节给出该算法

9、的仿真和性能评估；第5节是结束语。2 HMIPv6概述HMIPv6从微观移动性出发，提出“域”概念，并在每个域中配置一种称为移动锚点(MAP, mobility anchor point)的新实体（如图1所示），其功能是充当所在域内MN的“本地”家乡代理（HA, home agent）。MN在一个MAP域中使用两个转交地址：链路转交地址（LCoA, on-link care-of address）和区域转交地址（RCoA, regional care-of address），其中LCoA用于向MAP注册，RCoA则是用来进行家乡注册和通信注册。图1 HMIPv6网络拓扑当MN进入到一个新的MA

10、P域后，即发生域间宏移动，它会收到接入路由器（AR, access router）发出的路由器通告报文（RA, router advertisement），并根据该报文的前缀信息和“MAP选项”配置出LCoA和RCoA。为确保这2个新生成的地址不会与网络中其他节点的地址发生冲突，MN需要分别对它们进行重复地址检测9,10（MN在发出邻居请求报文后的1s内，仍未收到网络中其他节点回复的邻居通告报文，则判定检测成功，被检测的地址有效，否则认定被检测地址与其他节点的地址发生冲突，MN应重新生成一个新地址并再次进行DAD操作，直至被检测的地址有效为止）。首先，MN将在本子网中对LCoA进行DAD操作，

11、检测成功后发送本地绑定更新报文（LBU, local banding update）到MAP进行注册，MAP在收到LBU后会从该报文中提取出RcoA，并在全域范围内对该地址进行DAD操作，检测成功后为MN建立LCoA和RCoA的绑定，并返回Status字段小于128的本地绑定确认报文（LBA, local banding acknowledgement），在收到LBA后，MN会立即向HA和通信节点（CN, correspondent node）发起注册（具体流程如图2所示）。如果MN只是在同一个域内的不同子网间切换，即发生域内微移动，那么它的RCoA无需改变，但要重新配置LcoA，并对其进行D

12、AD操作，成功后只需向MAP注册该LCoA，而不必再向域外的HA和CN进行注册。这种基于MAP域的管理策略使得MN的域内微移动对HA、CN透明，实现了位置更新过程的本地化，既减少了信令开销，又达到了缩短平均切换延迟的目的。尽管如此，由于HMIPv6沿用了MIPv6的重复地址检测方式，其每次DAD操作都要被动等待检测结果并至少造成1 000ms的切换延迟，效率极低11。尤其是当MN发生域间宏移动时，它需要分别对LCoA和RCoA进行重复地址检测，更加剧了延迟，系统丢包严重，难以满足实时业务的要求。3 基于快速DAD的HMIPv6切换算法针对上述问题，本节将介绍一种基于快速DAD的HMIPv6切换

13、算法，它通过在接入路由器（AR）和MAP上引入IAAM模块来优化转交地址配置过程中的DAD操作，可有效减少该环节造成的延迟。3.1 IAAM模块IAAM模块部署在特定路由器（AR和MAP）上，并为每个特定路由器维护一张地址列表。特定路由器通过IAAM在后台监听邻居节点发出的邻居通告报文，并将报文中的源地址记录在地址列表中，表示该地址在本子网（或本MAP域）中已被使用。列表中的每个地址表项是惟一的且都有生命期，IAAM会定期对列表进行清理以删除过期表项。当对MN的CoA进行DAD操作（LCoA、RCoA分别在AR和MAP上进行DAD操作）时，特定路由器不能主动向邻居节点发出邻居请求报文，而是首先

14、通过查表算法12检查待检测的CoA是否出现在地址列表中，若出现则表明地址有冲突。此时，IAAM会随机生成一个接口标识符（IID, interface identifier），并将它与特定路由器的地址前缀结合以配置出新的转交地址，然后重新查表（如图3所示）。如果地址列表中不存在该转交地址，则说明DAD操作成功，IAAM模块会在地址列表中添加一条相应的地址表项；反之，则继续发起生成IID。图2 HMIPv6域间宏移动处理流程特定路由器在对转交地址进行DAD操作的同时还要监听网络中其他节点发出的邻居请求报文，检查报文中Target Address字段包含的地址是否和正在检测的转交地址相同。如果相同，

15、则说明发出邻居请求报文的节点企图使用该地址并且正在进行DAD操作。特定路由器不能直接回复该报文，而只能将这种情况视为待检测的转交地址与其他地址发生冲突。图3 IAAM模块工作3.2 新增报文和选项IAAM模块的引入改变了HMIPv6的重复地址检测方式，为此制定了一些新的报文和选项来加以支持。1) 新增的一类ICMP报文。它包括检测请求报文（DS, detection solicitation）和检测应答报文（DA, detection acknowledgement），用于对LCoA进行DAD操作。其中DS由MN发送给AR，以发起DAD请求，而DA则是AR在完成对LCoA的DAD操作后对MN的

16、回复。图4中，Type字段值为15013，表示该报文属于IPv6类型。Checksum字段为报文首部校验和。Subtype字段用于区分DS和DA，其中DS对应的值为10，DA对应的值为11。Code字段用于表征状态，在DS中，该字段默认为0；对于DA来说，该字段值可反映出对LCoA进行DAD操作的最终结果：0DAD操作成功；128DAD操作失败，新生成的LCoA包含在报文的LCoA字段中；129DAD操作过程中出现错误；130AR不支持快速DAD。Identifier字段可辅助MN判断DA是否与此前发送的DS匹配。LCoA字段用于存放LCoA。图4 检测请求和检测应答报文格式2) 新增的RCo

17、A选项。在对RCoA进行DAD操作的过程中，快速DAD沿用了HMIPv6中的LBU和LBA报文（如图5所示），并为LBA增加了一种新选项RCoA选项（如图6所示）。如果MAP对原RCoA进行了更新，则MAP在回复MN的LBA中必须包含该RCoA选项，并将LBA的Status字段设置为一个新定义的状态值（范围为21271），以告知MN对新RCoA进行处理。图5 LBA报文格式图6 新的RCoA选项3.3 算法描述当MN发现自己已经到达一个新的MAP域时，它会把路由器通告报文中的地址前缀信息和本身的接口标识符相结合，得到LCoA和RCoA，然后再分别对这两个CoA进行重复地址检测。1）对LCoA进

18、行DAD操作。MN首先向AR发送一个DS报文，其源地址为未指明地址（unspecified address），目的地址为路由器通告报文中的源地址，即AR的地址，LCoA字段中存放的是被检测的LCoA。AR在收到DS后便开始在IAAM模块的地址列表中查找该LCoA。若查找到列表中有相同地址存在，IAAM会重新配置出一个有效的LcoA，并将其填入DA的LCoA字段中回复给MN。其中，DA的目的地址为原始LCoA对应的请求节点组播地址（solicited-node multicast address），Code字段值为128。如果查表未查中，IAAM将直接复制该LCoA到DA的LCoA字段，并在其地

19、址列表中为该地址添加一条表项，此时DA的Code值为0。通过判断DA中的Code值，MN可获悉对LCoA进行重复地址检测的结果，并依此对DA采取相应处理以得到有效的LCoA。2）MAP注册。当上述过程处理完毕以后，MN立即向MAP发送LBU进行注册。MAP在收到LBU后会从报文中提取出RCoA并查找IAAM中的地址列表，若查到RCoA已存在，则通过IAAM重新配置出一个有效的RCoA，并为MN建立RCoA和LCoA的绑定，然后回复一个带RCoA选项的LBA，选项中的RCoA字段是IAAM新配置出的RCoA。相反，如果IAAM地址列表中没有RCoA，MAP将直接建立RCoA和LCoA的绑定，然后

20、向MN回复一个正常的LBA。通过判断LBA的Status值，MN可获悉此前配置的LBA是否已被更新，并采取相应措施以得到有效的RCoA。随后，MN便可使用有效RCoA发起家乡注册和通信注册，这部分操作与HMIPv6域间宏移动相同。如果MN是发生域内微移动，那么它首先应按照上述步骤1获得一个有效的LcoA，然后再用该地址向MAP注册，这部分操作与HMIPv6域内微移动相同。可见，通过引入IAAM模块，算法建立了DAD查表及地址主动生成机制，克服了传统DAD操作需要被动等待检测结果的问题，实现简单而且高效。4 性能评估依照图1所示拓扑图，用ns-2构建了一个实验网络14来验证算法性能。其中，无线设

21、备（包括无线AR）使用的是2Mbit/s的802.11标准接口，其余的连接均采用10Mbit/s以太网接口。仿真实验总时间为80s，CN从实验开始的第10s起，每隔100ms就向MN发送一个长度为256字节UDP报文。MN的移动速度为2m/s，在t=25s发生域内微移动（AR1切换到AR2），t=60s时发生域间宏移动（AR2切换到AR3）。网络中的路由器通告报文发送间隔为1000ms。为模拟HA、CN距离MN较远的情形，它们与MAP之间的有线链路延迟设为30ms，其余的有线链路延迟设为5ms，无线链路延迟设为30ms。实验分别模拟了MIPv6、HMIPv6以及经过算法优化后的HMIPv6（用

22、F-DAD-HMIPv6表示），得到这3种情况下MN的切换延迟。通过分析实验结果（如图7、8所示）发现，不论是域内微移动还是域间宏移动，F-DAD-HMIPv6的切换延迟明显低于另外2种协议的切换延迟；由于域间宏移动比域内微移动多了配置RCoA和家乡注册这2个环节，使得HMIPv6的域间宏移动切换延迟比域内微移动的切换延迟增加了（2112-1052=1060ms）（如图7(b)、8(b)所示），而F-DAD-HMIPv6却只增加了（339-202=137ms）（如图7(c)、8(c)所示）。其中，与的差值（1060-137=923ms）体现了基于快速DAD的HMIPv6切换算法对DAD操作的优

23、化程度。5 结束语图7 域内微移动下的切换延迟图8 域间宏移动下的切换延迟HMIPv6进行重复地址检测需要花费大量时间，严重影响MN的切换性能。本文提出了一种基于快速DAD的HMIPv6切换算法，它通过在特定路由器上部署IAAM模块，可有效提高重复地址检测效率。实验表明，该算法极大地减少了HMIPv6的切换延迟，能更好地支持移动实时业务。此外，算法没有引入复杂的信令机制，对MN的无线带宽和处理能力要求较低。如果结合平滑切换技术15，可进一步降低丢包率。今后我们将着眼于IAAM地址列表查询算法以及与快速DAD相关的安全策略的研究。参考文献：1JOHNSON D, PERKINS C, ARKKO

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30、 A. Proceedings of IEEE INFOCOM 2004C. China, 2004.作者简介：陈魏鑫（1983-），男，福建漳州人，国家数字交换系统工程技术研究中心（NDSC）硕士生，主要研究方向为下一代互联网移动接入及切换技术。韩国栋（1964-），男，山东莱阳人，国家数字交换系统工程技术研究中心（NDSC）副教授、硕士生导师，主要研究方向为宽带IP网络传输与交换技术。刘洪波（1979-），男，山东禹城人，国家数字交换系统工程技术研究中心（NDSC）硕士生，主要研究方向为移动IP路由优化技术。蔡惠（1982-），女，福建福州人，国家数字交换系统工程技术研究中心（NDSC）硕士生，助理工程师，主要研究方向为路由协议。