（计算机应用技术专业论文）无缝切换过程中缓存管理机制及其性能研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学计算机应用技术 研究方向：计算机通信网络 作者：2 0 0 7 一级研究生眉红宜 指导教师：张载龙 题目：无缝切换过程中缓存管理机制及其性能研究 英文题目：s t u d yo n b u f f e rm a n a g e m e n tm e c h a n i s ma n di t s p e r f o r m a n c ei ns e a m l e s sh a n d o v e rp r o c e s s 主题词：无缝切换，缓存管理，平滑切换，移动i p v 6 k e y w o r d s ：s e a m l e s sh a n d o v e r ，b u f f e rm a n a g e m e n t ，s m o o t hh a n d o v e r ， m o b i l ei p v 6 9-_舢055 川，iii1y 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 无缝切换中缓存管理的研究主要是为了减少切换过程中数据分组的丢失，以提高切 换的整体性能，是无缝切换所要研究的目标之一。 为了减少切换过程中分组的丢失，i e t f 提出了平滑切换缓存管理框架结构。该机 制有效地减少了切换过程中分组的丢失，但还存在一些不足之处，比如缓存利用率低和 突发丢包等问题。 针对缓存利用率低的问题，本文提出了一种机制：多业务共享缓存管理机制，该机 制主要是对不同的业务进行分类，并根据其服务质量要求采用不同的缓存管理策略，缓 存在相应的缓存空间中，从而提高了缓存利用率，也保证了业务的服务质量。针对突发 丢包问题，本文提出了一种基于网络预测的缓存转发控制机制，该机制通过对当前网络 情况的预测来有效控制缓存转发速率，从而有效地避免了缓存转发过程中突发丢包现象 的发生。 本文采用n s 2 仿真软件，在l i n u x 操作系统下搭建了仿真实验平台。分别对多业 务共享缓存管理机制和基于网络预测的缓存转发控制机制进行仿真。通过分析仿真结 果，验证了本文所提方案的可行性。 关键字：无缝切换，缓存管理，平滑切换，移动i p v 6 ， b u r s tl o s so ff o r w a r d i n gp r o c e s s i nt h i sp a p e r ，w em a k eu s eo fn s 2s o f t w a r ei nt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m t ob u i l da s i i i l u l a t i o np l a t f o m i nt h i ss i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h eh a n d o v e rp e r f o r m a n c e so f m u l t i 。s e r v i c e s h a r e db u f f e rm a n a g e m e n tm e c h a n i s ma n dn e t w o r k b a s e dp r e d i c t i o n b u f f e rf o r w a r d i n g c o n t r o lm e c h a n i s m 打et e s t e dr e s p e c t i v e l y t h ea n a l y s i so f t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e st h a t t h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o g r a mi sc o n f i r m e d k e ) w o r d s ：s e a m l e s sh a n d o v e r ，b u f f e rm a n a g e m e n t ，s m o o t h h a n d o v e r ，m o b i l ei p v 6 i i ， i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘要：i a b s t r a c t i i 缩略语i i i 第l 章绪论1 1 1 前言1 1 2 研究目的2 1 3 论文的框架2 第2 章相关技术研究：3 2 1 国内外研究现状3 2 2 移动i p v 6 概述4 2 3 无缝切换技术一5 2 4 平滑切换技术一6 2 4 1 框架描述6 2 4 2 平滑切换的缓存管理7 2 4 3 平滑切换缓存管理机制所存在的问题1 0 2 5 本章小结1 l 第3 章带转发控制的多业务共享缓存管理机制1 2 3 1 缓存管理机制研究的必要性1 2 3 2 平滑切换缓存管理机制的不足与研究1 2 3 3 多业务共享缓存管理机制，1 3 3 3 1 设计目标1 4 3 3 2 设计思想1 4 3 3 3 框架结构1 5 3 3 5 缓存空间的分配1 7 3 3 6 多业务共享缓存操作1 8 3 4 缓存转发控制机制2 2 3 4 1i u t 的测量2 3 3 4 2 基于网络预测的缓存转发控制2 4 3 5 与f h m i p v 6 机制协作2 6 3 5 1 预先式切换2 6 3 5 2 反应式切换2 8 3 5 2f h m i p v 6 中信令的扩展2 9 3 6 方案性能比较分析3 2 3 7 本章小结3 3 第4 章性能仿真实验3 4 4 1 仿真工具简介3 4 4 2 仿真环境搭建3 5 4 2 1n s 二次开发：3 5 4 2 2 仿真拓扑结构3 6 4 3 仿真结果比较与分析：3 6 4 3 1 仿真结果3 6 4 3 2 性能比较分析4 5 4 4 本章小结4 7 第5 章总结与展望：4 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 一! 二竺一 一一。 5 1 论文总结帅 5 2 论文展望 致 射一， 参考文献“ 发表论文” v 南京邮电大学硕士研究生学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 前言 随着移动通信技术的快速发展，移动i n t e m e t 业务的丰富以及移动、智能终端的普 及，越来越多的用户习惯了移动通信方式，同时也希望自己能够更加灵活、不受限制地 进行通信和接入到互联网。但在移动过程中，如果用户是从一个子网移动到另一个子网， 在切换过程中难免会出现分组的丢失，这对于那些要求可靠传输的业务来说是不能容忍 的。因此如何减少移动节点在不同子网间切换时分组的丢失已经成为无线网络中一个十 分重要的问题，这也是无缝切换所研究的目标之一。 随着v o l p 等实时业务的出现，移动i p 中的切换效率也变得更加重要，既要做到 快速又要做到低丢包率，尽量做到无缝切换【2 】。无缝切换主要包括两个方面：快速切换 和平滑切换。快速切换就是低时延切换，主要是为了降低移动节点在切换过程中产生的 时延和通信连接的中断时间【3 】【4 】；平滑切换则是低丢失率切换，主要目的是使切换过程 中丢失的数据分组数量达到最小【5 】。但是最初的平滑切换机制并不能保证数据分组不丢 失，只是尽量降低丢包率。于是互联网工程任务组( i e t f ，t h ei n t e m e te n g i n e e r i n gt a s k f o r c e ) 紧接着又在平滑切换机制基础上提出了平滑切换缓存管理框架结构1 6 j 。具体就是 在先前接入路由器上开辟一部分缓存，用来缓存切换过程中移动节点不能接收的分组， 等到切换完成后，先前接入路由器再将缓存的数据分组转发给新子网接入路由器。缓存 管理机制的引入【7 】，有效地减少了分组的丢失，保持了应用的连续性和业务质量的可靠 性，使平滑切换的性能得到了很大的提高。由此看来合理的缓存管理机制对降低分组丢 失率是十分有用的。 未来的网络可以承载多种业务，不同的业务其服务质量要求不一样，对于实时业务 和可靠性业务来说，在切换过程中应尽量减少分组的丢失，尽可能地不影响数据传输的 实时性和可靠性。这就对缓存管理提出了更高的要求，需要对不同的业务采取不同的缓 存管理机制，使切换尽可能逼近无缝切换，提高业务的性能，使用户真正感觉到网络的 无处不在【8 】。在实际的网络环境中，接入路由器需要同时为多个移动节点提供服务，但 其自身资源是有限的，多种业务共享一块缓存必然会导致资源竞争。如果不采用合理的 缓存管理机制，既有失公平性原则，也可能会引起本来可以避免丢失的数据分组的丢失。 另外缓存区大小【9 1 、数据转发机制【】等因素也可能影响移动节点切换期间的数据分组是 否能够被顺利保存到所申请的缓存区，并在移动节点切换到新的子网后快速可靠地把数 据分组转发到移动节点。由以上分析可以看出，无缝切换中的缓存管理研究非常重要。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第1 章绪论 毫无疑问，3 g 和未来的4 g 都是高速、高移动性的无线网络。这将会给人们的生活 带来了很多的好处，但在这种网络环境下所引发的分组丢失率也是有目共睹的，这将会 对那些要求可靠性传输的业务产生很大的影响。因此随着网络的发展，缓存管理的研究 将会更加重要。 1 2 研究目的 无缝切换是综合低延迟切换和低丢失率切换二者的目标，即既要达到切换过程中通 信连接中断时间最短，又要达到丢失或者延迟分组数量最少f l l 】。为了减少分组的丢失， i e t f 提出了平滑切换缓存管理机制，该机制有效地降低了切换过程中分组的丢失，但是 还存在一些不足之处，突出表现为：缓存利用率低、数据转发时突发丢包等问题。而且 该机制并没有对不同的业务进行区别对待，对所有业务采用相同的策略进行缓存管理， 这样对那些服务质量要求高的业务来说有失公平性，不利于保障这些业务的服务质量。 在本篇文章中，通过对切换过程中缓存利用率低的研究，提出一种多业务共享缓存管理 机制，根据不同的业务对服务质量要求的不同，采取不同的缓存管理操作，使不同的业 务可以根据其服务质量的要求公平的分享资源，从而提高了资源利用率，减少无缝切换 过程中分组的丢失，同时也改善了业务性能，提高无缝切换的整体性能。通过对数据突 发的研究，本文还提出了一种基于网络预测的缓存转发控制机制，通过对当前网络拥塞 情况的判断来控制缓存转发速率，避免突发丢包现象的发生。 1 3 论文的框架 第1 章：绪论：主要介绍了无缝切换缓存管理机制研究的必要性。 第2 章：相关技术研究：介绍了目前国内外关于无缝切换缓存管理机制的研究现状， 简要介绍移动i p v 6 的几种相关切换技术以及平滑切换过程中的缓存管理机制。 第3 章：介绍了提出的无缝切换缓存管理机制，并将该机制与快速分层移动 i p v 6 ( f h m i p v 6 ，f a s th a n d o v e ra n dh i e r a c h i c a lm o b i l ei p v 6 ) 机制相结合，有效地降低了 无缝切换过程中分组的丢失率。 第4 章：仿真分析：介绍了网络仿真机制，并对网络仿真软件进行了扩展，介绍了 仿真过程并对仿真结果进行分析。 第5 章：总结与展望：总结本篇论文，指出其中不足之处并对未来研究方向进行讨 论。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 皇塑羞垫查婴窒 4 第2 章相关技术研究 2 1 国内外研究现状 为了减少切换过程中数据分组的丢失，i e t f 在移动i p 协议的基础之上针对i p v 6 引入了平滑切换( s m o o t hh a n d o v e r ) 1 5 1 的概念，并提出了平滑切换缓存管理机制【6 】。引入 该机制后，移动节点要求当前的接入路由器来缓存数据分组，直到移动节点完成向新子 网路由器的注册。一旦注册完成，再将缓存的数据分组转发给移动节点。通过引入该缓 存管理机制后，切换过程中数据分组的丢失率大大减少，上层协议的性能也得到了一定 程度的增强。但通过分析可知【i 引，该机制还存在一些问题，突出表现为缓存利用率低、 数据转发时的突发丢包、重复包和乱序等问题。文献 1 2 1 4 针对数据包突发和缓存利用 率低的问题对制定的缓存管理框架结构进行了优化，提出了相应的缓存管理策略，但这 些机制普遍存在的问题就是对一些参数的获取方面比较困难。 目前对缓存管理的研究中，有的将缓存部署在新的接入路由器a r ，n e wa c c e s s r o u t e r ) 上，而有的将缓存部署在先前的接入路由器( p a r ，p r e v i o u s a c c e s sr o u t e r ) 上，目 的都是为了减少切换过程中分组的丢失。文献 1 5 】定义了移动i p v 6 ( m i p v 6 ，m o b i l ei p v 6 ) 的一种缓存机制，移动节点( m n ，m o b i l en o d e ) 要求当前子网的路由器缓存它的数据分 组，直到m n 完成向新子网路由器的注册过程。一旦注册完成，m n 在新网络中就有了 合法的转交地址，缓存的数据分组从先前的路由器转发过来，减少了移动过程中数据包 丢失的可能性。文献 1 6 使用新子网中接入路由器缓存数据包，当m n 向新子网内路由 器注册的同时，通知n a r 把缓存的数据包发过来。这两种缓存管理机制尽管不同于平 滑切换的缓存管理机制，但也有效地降低了分组的丢失率。但是这两种机制具有与平缓 切换缓存管理相似的问题，即缓存利用率低和缓存转发突发问题。 缓存管理中为了提高缓存利用率，在切换过程中缓存大小的设定也很重要，如果设 置过小，可能会造成数据分组的丢失，相反则会造成资源的浪费。文献 1 7 1 提出了基站 缓存共享的缓存管理机制，从而减少了整体缓存大小，提高了缓存利用率，也减少了基 站的代价，但这种机制中对于一些参数的取值比较复杂。当然，也可以在切换过程中根 据不同业务需求来动态地变缓存大小，文献 1 8 】中就提到了这样一种方法，通过媒介独 立切换( m i h ，m e d i ai n d e p e n d e n th a n d o v e r ) 里的一些信息【1 9 1 ，预测出切换过程所需的缓 存大小，然后根据预测值对缓存大小进行更新，这样可以节约资源。 对于t c p 业务来说，如果缓存管理不当会造成丢包、延迟甚至失序等现象，可能会 对t c p 业务产生较大影响，因为在t c p 协议中，丢失、延迟甚至失序的数据分组不仅 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章相关技术研究 会导致t c p 源端进行重传，还会错误地启动t c p 协议的拥塞控制过程，使得t c p 性能 出现劣化，有时其性能甚至不如不采用平滑切换技术时的性能，那么这时缓存管理就变 得很有必要了【2 0 1 。为了改善t c p 业务性能，文献【2 l 】提出了一种后来先丢的缓存管理策 略，这种机制在缓存溢出和超时重传同时发生的情况下，增加了t c p 业务的吞吐量， 从而改善了t c p 业务性能。但是该机制也有其局限性，在超时重传发生概率比较小的 情况下，该机制对t c p 性能反而会造成一定的影响。文献【2 2 】提出了一种动态缓存控制 机制，来克服宽带无线网络中切换引起的t c p 业务性能的衰退。但在该机制中缓存门 限值和三重a c k 产生概率的取值比较困难。 随着移动性管理协议的广泛研究，i e t f 提出了代理移动i p v 6 ( p m i p v 6 ，p r o x ym o b i l e i p v 6 ) ，使移动节点不参与信令交互。但是它与移动i p v 6 一样在切换过程中都存在分组 丢失，为此文献 2 3 】提出了一种智能缓存管理机制，来解决代理移动i p v 6 机制切换过程 中分组的丢失。该智能缓存机制主要是由新自够动接入网关通过探测接收信号强度指示 值( r s s i ，r e c e i v i n gs i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n ) 来判断移动节点是否连接到新子网，探测 到移动节点连接到新子网后通知给旧的移动接入网关，然后旧移动接入网关将缓存的数 据分组转发给新的移动接入网关，进而转发给移动节点。但是该机制中r s s i 值的探测 有一定的难度。 对于流媒体业务来说，对实时性要求比较高，因此在切换过程中应尽量确保快速。 但为了切换平滑，还是要分配一定的缓存空间，采用一定的缓存管理机制。文献 2 4 1 就 是针对无缝流切换提出了一种缓存管理机制，该机制在接入路由器上部署缓存，缓存切 换过程中丢失的分组，而移动节点根据信道质量来控制接入路由器的转发速率，防止出 现突发现象，从而实现了无缝流切换，但该机制中信道质量参数的获得比较复杂，同时 也增加了移动节点的负担。 随着网络的发展，用户也可以通过异构网络来进行通信，为了保证业务性能，在异 构网络切换过程中采用合理的缓存管理机制也是很有必要的。文献 2 5 1 提出了一种应用 于b 3 g 网络环境中的缓存管理机制。在该机制中对不同业务进行分类，当缓存可利用 空间低于某个门限值时，相应的业务就会转向另一个接入网进行转发，从而也实现了异 构网络服务的移动性。该机制有效地提高了资源利用率，也减少了分组的丢失。但该机 中缓存门限值的设定比较复杂，很难把握。 2 2 移动i p v 6 概述 未来的通信技术中，移动性是一个非常需要和重要的特性。目前，第二层无线通信 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 技术层出不穷，o n 8 0 2 1 i b 和3 g 等。未来移动通信与互联网的 之一。移动互联网将成为我们日常生活的一部分，改变我们 网不仅仅是移动接入互联网，它还提供一系列以移动性为核 制工具、购物付款等。这些设备将具有i p 协议栈，而且，网 核心骨干网，因此i p v 6 的移动性是网络发展所必需的。 移动i p v 6 允许i p v 6 主机在i n t e m e t 上移动时仍能使用它的 来保证会话的连续性。当移动节点在家乡网络时，使用传统的路由机制与外界进行通信。 当移动节点连接到某个外地链路上时，通过一个或多个转交地址与外界进行通信。 移动节点来到外地链路时，通过i p v 6 的一些常规机制，比如无状态或有状态地址配 置来获取新的转交地址，然后向家乡代理发送“绑定更新”进行绑定注册，使移动节点 家乡地址与转交地址进行绑定，家乡代理通过返回“绑定确认”消息进行响应。 在绑定确认后，移动节点便可以通过反向隧道模式或者路由优化模式与通信对端进 行通信。反向隧道模式避免了入口过滤问题，但会产生较大时延。路由优化模式中，移 动节点和通信对端的通信不需要经过家乡代理，但是该模式在实际运营中会给运营商的 计费带来一定的困难。 2 3 无缝切换技术 当通信主机在i p v 6 网络中移动的过程中，有可能会跨越不同a p 的覆盖范围甚至不同 a r 的管理范围，这种跨区域的切换过程对于移动通信方式是必须的，在切换过程中通 信性能的保持对于整体移动通信过程中通信性能有重大的影响。 为此i e t f 提出了多种切换机制，最完美的切换机制就是无缝切换。无缝切换主要包 括两个方面：快速切换和平滑切换。快速切换就是低时延切换，主要是为了降低移动节 点在切换过程中产生的时延和通信连接的中断时间【2 6 1 1 2 刀。平滑切换则是低丢失率切换， 主要目的是使切换过程中丢失的数据分组数量达到最小【副。但是最初的平滑切换机制并 不能保证数据分组不丢失，只是尽量降低丢包率。无缝切换则是综合低延迟切换和低丢 失率切换二者的目标，即既要达到切换过程中通信连接中断时间最短，又要达到丢失或 者延迟分组数量最少。 移动i p v 6 无缝切换技术的基本思想是，依靠低层提供的物理信道信息，使i p 层能够 预先知道将要进行的切换，快速响应切换事件，通过减少移动检测时间和转交地址的配 置时间，加快移动节点的切换过程，减少通信连接的中断时间；通过缓存、隧道转发等 机制，降低切换过程中的数据分组的丢失率，提高网络切换性能，保证通信的实时传输。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章相关技术研究 这样看起来似乎打破了协议的分层规则，似乎不是一种很好的实现方法，但是能大幅度 的减少移动i p 切换所需要的时间。单纯的i p 层切换很难做到快速切换，满足将来的实时 业务需求。 2 4 平滑切换技术 随着v o i p 等实时应用的出现，移动i p 中的切换效率变得也越来越重要。当运行实时 应用程序的移动节点进行切换时，切换需要尽量地平滑。对于实时传输，在切换过程中 不仅要保证快速切换，还要考虑到状态信息的转移等问题。移动i p 平滑切换中使用i p v 6 中的绑定更新消息来携带状态转移信息，使得切换具有低延迟、低分组丢失和移动节点 通信中断达到最小的特点。 2 4 1 框架描述 移动节点从旧接入路由器切换到新接入路由器，在进行切换时，需要将移动节点的 控制状态和数据分组从旧接入路由器转发到新接入路由器。网络结构如图2 1 所示： 图2 - 1 平滑切换网络结构 平滑切换可以分为两种情况，一种是网络控制移动节点协助( n c m a ， n e t w o r k c o n t r o l l e d ，m o b i l e a s s i s t e d ) ，另外一种则是移动节点控制网络协助( 不) 协助 ( m c n a ，m o b i l e c o n t r o l l e d ，n e t w o r k 一( u n ) a s s i s t e d ) 。 在n c m a 的情况下，网络能够知道移动节点切换到哪个路由器。一旦移动节点的新 链路建立，服务于移动节点的旧接入路由器能够与新接入路由器通信并在其上建立请求 状态。 在m c n a 的情况下，移动节点的i p 层能够收到切换即将发生的通知，收到通知后可 以建立发送移动i p v 6 注册消息。然而，除了这个一般的通知，移动节点没有发起关于状 态传输的功能。移动节点的i p 层也可能没有检测到即将发生的切换。在两种情况下，移 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章相关技术研究 动节点需要为状态传输发送必要的消息。 在移动节点移动到新t p v 6 连接点后，第一个动作将是邻居发现。路由器通告消息携 带的信息可以指导移动节点对切换特性进行选择。由于可以使用多个特性，每个特性 可以通过路由器通告消息中使用适当的标记进行表示。 在配置了新转交地址后，移动节点必须向家乡代理( 或邻近的区域移动代理) 发送绑 定更新消息。我们指定移动节点向默认路由器发送带有平滑切换发起消息( s h i n ，s m o o t h h a n d o v e ri n i t i a t e ) 目的选项的绑定更新消息。对每个需要的特性，目的地址选项包含相 应的子选项。 图2 2 显示了完整的消息结构：s h i n 是新的目的地址选项，每个特性都具有子选项。 发向移动代理的绑定更新分组被封装在新的i p v 6 报头中，新切换选项s h i n 放在封装的绑 定请求的前面。 图2 2 平滑切换发起消息的完整消息结构 s h i n 目的选项的子选项包括： ( 1 ) s h i n 目的地选项头； ( 2 ) 新接入路由器使用的子选项； ( 3 ) 新旧接入路由器同时使用的予选项； ( 4 ) 旧接入路由器使用的子选项； 封装头的目的地址为新接入路由器，新接入路由器负责从移动节点的前一个连接点 得到相关的上下文信息。为此需要在新接入路由器和旧接入路由器之间交换一些消息， 消息的内容依赖于s h i n 目的地选项中移动节点选择的特殊子选项。 2 4 2 平滑切换的缓存管理 i e t f 定义了移动i p v 6 下平滑切换的缓存管理的框架，尽量减少切换发生时数据包的 丢失，这种思路已经被很多协议使i f jr 3 1 1 【3 2 】。要在移动网络中支持实时应用程序，如v o l p ， 需要考虑的一个重要问题就是平滑切换的能力。当移动节点在网络中移动时，平滑切换 能最小化数据分组的丢失率。在平滑切换缓存管理机制中，移动节点要求当前子网接入 路由器缓存它的数据分组，直到移动节点完成向新子网的接入路由器的注册过程。一旦 完成注册，移动节点在新予网中就有了合法的转交地址，缓存的数据分组从先前接入路 由器转发过来，这样，就减少了移动过程中的数据分组丢失的可能性。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章棍关技术研究 具有缓存管理功能的路由器，在路由器通告消息中包含缓存管理机制定义的“b 比特位，向感兴趣的移动节点通告它的缓存能力。当移动节点收到指示后可以获得缓存 服务的路由器通告消息时，它可以使用定义的缓存初始化( b i ，b u f f e ri n i t i a l i z a t i o n ) 子选 项请求缓存。移动节点可以请求确定的缓存空间或者接收默认的缓存空间；路由器根据 可用资源，可以接收或者拒绝这个请求，或者根据需要分配一个更小的缓存区域。分配 的缓存空间的实际大小通过定义的缓存确认( b a ，b u f f e ra c k n o w l e d g m e n t ) 子选项通知移 动节点。 缓存状态与一个目标地址相关，这个地址为移动节点到达新接入网络之前的i p 地址 ( p a d d r ，p e r v i o u sa d d r e s s ) 。路由器除了转发发往移动节点原地址p a d d r 的数据分组，还 要为移动节点缓存这些数据分组。当分配给移动节点的缓存全部占用，使用适当的替换 策略对数据分组进行替换。默认的替换策略是先丢弃“旧”的数据分组，后丢弃“新” 的数据分组。数据分组必须以整个数据分组为单位丢弃。 在到新接入网的链路建立后，移动节点可以通过缓存管理机制定义的缓存转发( b f ， b u f f e rf o r w a r d ) 子选项要求前一个网络上的路由器将其缓存的数据分组转发到移动节点 的新i p 地址( n a d d r ，n e wa d d r e s s ) 。作为响应，路由器将所有为p a d d r 缓存的数据分组通 过隧道传递到移动节点的n a d d r 。如果p a d d r 的生存期超时，所有相关的缓存状态将会释 放。 如果无法接收新的缓存请求，路由器不会清除以后的路由器通告中的“b 比特位， 因为这样做可能会严重影响切换操作。路由器应该对缓存初始化请求返回一个否定的回 答，直到资源再次可以使用为止。 在每一种切换形式中，无论是否与以前的切换过程有关，都假设下面的一些操作己 经完成。 ( 1 ) p a r 发送一个b = i 的路由器通告。 ( 2 ) p a r 自 建了与p a d d r 相关的缓存状态。 l 、移动节点控制网络辅助( m c n a ) 切换 在移动节点控制网络辅助( m c n a ) 切换过程中，移动节点使用某些标识，比如到邻 居通告或者某些下层消息，比如信噪比( s n r ，s i g n a l t on o i s er a t i o ) ，来决定是否需要改 变接入路由器。如果为其提供了多个可供选择的接入路由器，移动节点可以根据信号强 度，或者路由器通告携带的资源信息决定切换到哪个新的接入路由器。一旦切换到新的 接入路由器，移动节点负责在新接入路由器上初始化缓存状态，并请求以前的路由器转 发缓存的数据分组。 r 。南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章相关技术研究 m c n a 切换过程中用于缓存的典型信令见图2 3 。这里假设，p a r 和n a r 都支持缓 存管理，移动节点可以利用两个路由器的缓存管理服务。 - 一。5 ：s h r e p + b a 发包 图2 3m c n a 切换过程 现在，假设移动节点从路由器n a r 获得新接入地址n a d d r 。 ( 1 ) 移动节点发送一个带有两个缓存子选项的平滑切换初始s h i n 消息到n a r ：带有 非零生存期的缓存初始化子选项b i ，要求n a r 创建与n a d d r 相关的缓存状态，以及缓存 转发子选项b f 。 ( 2 ) n a r 发送一个平滑切换请求s h r e q 消息给p a r ，s h r e q 消息中包含的b f 子选项 与它从移动节点接收到的b f 子选项相同。 ( 3 ) p a r 给n a r 回应一个含有缓存确认b a 子选项的平滑切换应答s h r e p 消息。 ( 4 ) p a r 转发与p a d d r 相关的缓存数据分组到移动节点的n a d d r 。 2 、网络控制移动节点辅助( n c m a ) 切换 在n c m a 切换过程中，网络决定移动节点何时应该在两个路由器之间切换。这种方 案优点是，以前的路由器能够在切换发生之前向新的路由器提供移动节点的当前状态。 缓存状态的初始化和缓存数据分组的转发，可以在没有移动节点显示要求的情况下完 成。但是，平滑切换框架仍然要求移动节点在切换过程中请求转发，以确保数据分组的 正确转发。为了在m c n a 和n c m a 切换中获得缓存管理特性，如果收到带有对应比特置 位的路由器通告，移动节点应该向n a r 发送一个s h i n 消息，将以前的i p 接入地址和新 的接入地址相关联。 图2 4 说明了n c m a 切换过程中用于缓存管理的典型信令。这里假设p a r 和n a r 都 支持缓存管理，移动节点可以利用两个路由器的缓存管理服务。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章相关技术研究 图2 4 n c m a 切换过程 现在，假设移动节点在一个接入网络内从路由器n a r 获得新接入地址n a d d r 。 ( 1 ) p a r 通过发送带有缓存初始化子选项b i 的切换初始化消息h i ，准备传输与p a d d r 相关的缓存数据分组到n a r ，n a r 为移动节点分配合适的缓存空间。 ( 2 ) p a r 使用封装头转发与p a d d r 相关的缓存数据分组到n a r ，n a r 解封装并缓存每 个数据分组，p a r 继续缓存新到达的目的地址为p a d d r 的数据分组，并把他们直接转发到 n a r 。 ( 3 ) 移动节点发送一个带有两个缓存子选项的s h i n 消息到n a r ：带有非零生存期的 缓存初始化b i 子选项，要求n a r t 呈j 建与n a d d r 相关的缓存状态，和缓存转发子选项b f 。 ( 4 ) n a r 转发与p a d d r 相关的缓存数据分组到移动节点的n a d d r 。 ( 5 ) n a r 发送含有缓存确认子选项b a 的平滑切换请求s h r e q 消息给p a r ，指示消息 h i 已经收到，并且p a r 已经处理了转发过程。 在某些情况下，先前的接入路由器不可能在移动节点获得n a d d r 之前，传输缓存的 数据分组到新接入路由器。例如，n a r 和p a r 无法维持相互信任，或者n a r 可能没有足 够的缓存空间。在这些情况下，先前的接入路由器的操作和m c n a 切换过程一样，它等 待来自于移动节点的显式缓存转发请求b f ，然后直接转发缓存数据分组到移动节点的 n a d d r 。 2 4 3 平滑切换缓存管理机制所存在的问题 自从平滑切换中引入缓存管理机制后，确实大大降低了切换过程中分组的丢失率， 上层协议的性能也得到了一定的增强。但是还存在一些问题，该机制仅利用当前接入路 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章相关技术研究 由器缓存数据分组，缓存非常有限，而且接入路由器可能同时与多个移动节点进行通信， 缓存自然就成了一种瓶颈，这样就容易造成缓存利用率低下，也影响网络的服务性能。 而且该机制对不同的业务采用相同的缓存管理方法，让所有的业务分组缓存在同一缓存 队列中，这样一方面可能会造成多业务竞争资源的现象，另一方面对于那些服务质量要 求高的业务有失公平性，可能会影响这些业务的服务质量。 同时在先前接入路由器向新接入路由器转发缓存数据的过程中，由于路由器对缓存 数据的转发缺乏速率控制机制，缓存数据的转发采用突发传输方式，这样很可能超过网 络带宽的承受能力，当结点的发送速率超过网络带宽的承受能力时则会造成网络的拥 塞。其次，虽然t c p r e n o 的超时重传机制能够一定程度上解决由于轻度拥塞造成少量丢 包的问题，但是对于持续的较大量丢包，这种机制仍然无法奏效。 2 5 本章小结 本章首先简单阐述了无缝切换的基本思想，然后详细介绍了平滑切换的缓存管理机 制。通过对该机制的分析，尽管该机制有效的降低了分组丢失率，但该机制还存在一些 问题，即缓存利用率低和缓存数据转发突发。 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第3 章带转发控制的多业务共享缓存管理机制 第3 章带转发控制的多业务共享缓存管理机制 3 1 缓存管理机制研究的必要性 层次型快速切换可以明显缩短第三层切换的延迟，但链路层的切换延迟是无法避免 的，那么在这段时间内如何减少分组的丢失，尽可能实现无缝切换已变得十分重要。目 前的i e e e 8 0 2 1 1 网卡只能连接到一个接入点，因此需要一个缓存来防止在数据高速传输 的情况下切换过程中的数据分组丢失，移动节点可以要求它的新接入路由器或先前路由 器来缓存切换过程中移动节点无法接收的分组，等到切换完成后，再将缓存的数据分组 转发给移动节点。但是接入路由器缓存空间有限，如果接入路由器的缓存空间不足够大， 则可能会造成数据分组的丢失。但如果简单地增加缓存空间的大小的话，这样势必会带 来一些额外的切换延迟，降低了切换性能。而且未来的网络可以承载多种业务，那么在 切换过程中就会出现多种业务竞争资源的现象，最终有可能会导致重要的数据分组的丢 失，影响了业务性能，导致资源利用率下降。因此就需要一个好的缓存管理机制来管理 缓存空间，以提高切换整体性能。 。 3 2 平滑切换缓存管理机制的不足与研究 根据对平滑切换中缓存管理机制的分析，该机制的引入尽管有效地减少了分组的丢 失，但还存在着一些不足之处，诸如缓存利用率低、重复分组接收等问题【l 引。同时在完 成切换后先前的接入路由器在向新接入路由器转发缓存分组的过程中，由于缺乏转发控 制机制，那么缓存数据的转发有可能会引起数据转发突发，这样有可能会超出网络的承 受能力，引起网络拥塞。 针对平滑切换过程中缓存利用率低的问题，目前已有很多这方面的研究。文献 【1 2 1 1 3 1 针对平滑切换中缓存管理机制中缓存利用率低的情况进行了研究，提出一种基 于切换模糊预测的自适应资源管理算法，通过该算法我们可以预测出移动节点进入或离 开切换区域的信息，通过这些信息来控制缓存空间申请和释放的时机。但是这种方法要 通过当前子网对无线信号的监测，而无线网络信号强度与无线网络类型、实际使用场景、 地形等因素有关，非常复杂很难把握。文献 1 7 】也针对切换过程中缓存利用率低的问题 提出了缓存共享的概念，利用共享基站缓存的方法来提高切换过程中缓存利用率。但是 以上这些机制都没有进行业务的分类，而是将所有的业务分组缓存在一起而不加区分， 这样对那些服务质量要求高的业务来说有失公平性，不利于保证这些业务的服务质量。 为此本文提出了一种多业务共享缓存管理机制，该机制在切换过程中共享先前接入路由 器和新接入路由器中分配的缓存，通过这两部分缓存的协同工作来提高切换过程中缓存 1 2 堕室堂皇奎兰堡主婴窒生兰垡堡茎 笙! 童堂堑垄丝型堕兰些堑茎兰堡堡笪型! ! 型 利用率。同时该机制将业务进行分类，对不同的业务根据服务质量要求采用不同的缓存 管理方法，使不同的业务可以根据其服务质量要求来分享缓存空间，这样既可以避免多 业务竞争资源的现象，也有利于保障业务的服务质量。 针对缓存转发突发所引发的丢包的问题，目前也有一些研究。文献【1 4 】针对该问题 提出了一种缓存转发控制机制，该机制通过数据包对测量技术，来探测出新接入路由器 到移动节点的新通路上的可用带宽信息，通过可用带宽的信息来计算缓存数据的转发时 间间隔，新接入路由器根据新的转发时间间隔将缓存分组转发给移动节点，从而避免了 突发现象的产生。但是这种测量方法并不是很准确，并不能真实反映当前链路的真实情 况。文献【2 4 为了控制缓存转发速率，由移动节点将当前信道质量信息反馈给新接入路 由器，新接入路由器根据这些信息来控制转发速率，但是该机制中信道质量参数的获得 比较复杂，也比较困难，同时也增加了移动节点的负担。本文针对缓存转发突发问题提 出了一种基于网络预测的缓存转发控制机制，该机制通过正向r t t 和反向r 1 阿的测量来 预测出当前网络的拥塞情况，然后通过拥塞控制机制中的慢启动算法来控制新接入路由 器中的缓存转发速率。与以上机制相比，基于网络预测机制中，r 1 陌的测量和慢启动算 法都是目前比较成熟的机制，而且该机制中我们将r t t 进行了双向统计，打破了传统的 对称分布的思想，这样更能反映网络的真实情况，同时为了减轻新接入路由器的负担， 该机制中采用简单的慢启动算法来控制转发速率，这样就不会消耗接入路由器中太多的 资源。 3 3 多业务共享缓存管理机制 针对上面提到的平滑切换中缓存管理机制所引发的缓存利用率低的问题，本文提出 了一种多业务共享缓存管理机制，在该机制中，在先前接入路由器和新的接入路由器上 都部署缓存。并对业务进行分类，对不同的业务采用不同的缓存操作，缓存在不同接入 路由器的缓存中。在该机制中，不同的业务按照规定好的服务质量要求来分享网络资源。 但是由于缓存资源有限，在切换过程中并不是所有的业务分组都被缓存，不同类型的业 务分组应该区别对待，在缓存过程中应该根据业务的服务质量要求对一些业务分组进行 丢弃，尽量保证服务质量要求较高业务的性能。另外，在实际网络中，接入路由器可能 需要同时与多个移动节点进行通信，这样缓存自然就成了一种瓶颈，采用将当前接入路 由器缓存和新接入路由器缓存共享的方法，这样既有利于提高资源的利用率，又可以提 高网络的服务性能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第3 章带转发控制的多业务共享缓存管理机制 3 3 1 设计目标 在该机制中共有五个设计目标： ( 1 ) 降低分组丢失率 在切换过程中应尽可能地减少分组的丢失，使切换尽可能地平滑，从而改善切换性 能。 ( 2 ) 在切换过程中支持q o s 具有不同业务类型的分组在切换过程中应根据q o s 要求采用不同的缓存操作，从而 实现q o s 的要求。 ( 3 ) 在切换过程中支持实时传输 对于实时传输的分组，由于对实时性要求比较高，因此在切换过程中应尽量快速转 发。具体在提出的机制中，应当使这些分组在缓存空间中等待的时间，以及从先前接入 路由器到新接入路由器的转发时间尽可能