基于多播的移动IP位置管理的研究.doc

第11期薛建生等：基于多播的移动IP位置管理的研究75基于多播的移动IP位置管理的研究薛建生1，万霖宜1，王光兴2（1. 辽宁大学 信息科学与技术学院，辽宁 沈阳 110036；2.东北大学 网络与通信中心，辽宁 沈阳 110006）摘 要：提出了一种通过多播中组管理功能完成移动IP位置管理方法。每一个自治网络中都设置一个移动路由代理 (MA)，形成一个管理移动节点位置绑定信息的虚拟专用网，通过将与移动主机通信的节点联合起来构成一棵多播树，使网络中各节点相互合作维护移动节点的位置更新。设计了绑定信息表的存储结构和管理移动位置绑定信息的算法。模拟实验表明，提出的基于多播的位置管理方案能够使通信对端实时了解移动节点的转交地址，减少向家乡代理注册的时间和次数，减小了传输延迟，为实时业务传输提供较好的支持。同时减轻了家乡代理和各主机的负担，使移动IP的性能得到优化。关键词：多播；移动代理；移动IP；位置管理中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2007)11-0071-05Researches on mobile IP position management based on multicast network collaborationXUE Jian-sheng1, WAN Lin-yi1, WANG Guang-xing2(1. Information Science and Technology College, Liaoning University, Shenyang 110036, China; 2. School of Network and Communication Center, Northeastern University, Shenyang 110006 , China)Abstract: A method of mobile IP position management which uses group managing function in multicast was proposed. Mobile agent (MA) was set in each autonomous network to form a VPN that manage the position binding information of mobile nodes. By putting nodes together for communicating with mobile host to make a multicast tree, the position binding information of mobile nodes was maintained through the collaborative work of each node in network. The storage structure of binding information table and the algorithm on how to manage mobile position binding information were designed. Simulation shown that the method proposed can make correspondent nodes understand mobile nodes care-of address (CoA) in real-time, decrease registration time and times, decrease transmission delay, for supporting real-time service wonderfully. At the same time, the loads of home agent and hosts are alleviated. The performance of mobile IP is optimized. Key words: multicast; mobile agent; mobile IP; position management 1 引言收稿日期：2006-07-24；修回日期：2007-08-25基金项目：国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金资助项目（2002AA784030）Foundation Item: The National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(2002AA784030)移动的主机在不同网络区域之间漫游时，要保持一个固定的IP地址，不需要不断改变，这就是移动IP (mobile IP)技术，它是移动通信和IP技术的深层融合。在移动IP技术所涉及的诸多问题中，移动性管理是最重要的。一般移动通信中的移动性管理包括两方面内容：位置管理和切换管理。其中位置管理的任务是通过网络的位置数据库，使网络发现移动节点的接入点，并向其发起呼叫功能。由于Internet的组织架构与传统的移动通信网不同，在目前的移动IPv6方案中，移动主机在移动通信过程中改变其网络接入点时，在外地链路上获得一个转交地址，移动主机将获得的转交地址与家乡地址的绑定关系，通过绑定更新/确认消息分别向家乡代理以及正在与移动主机通信的通信节点注册，而不是网络的位置数据库，并通过维护一个转交地址和家乡地址的移动性绑定信息表来完成位置更新1,2。但在移动主机已完成家乡代理的注册还没有向通信节点注册时，移动IPv6位置管理仍然要由家乡代理完成,注册时间较长。如果有分布在不同子网中的多个主机同时通信的情况，以上过程会多次交叉进行，使移动主机注册时间延长，传输效率低3。本文针对以上移动IPv6在位置管理方面的不足，提出了一种通过多播中组管理功能完成移动IPv6位置管理方法，使移动节点最新移动位置的绑定问题由多播组中各节点合作解决，优化了移动IPv6的性能。2 基于多播的移动节点位置管理方案在Internet上，每一个自治网络中都设置一个移动路由代理(MA, mobile agent)，用来管理移动节点的绑定信息表。由Internet将各个网络的移动路由代理连接起来，形成一个管理移动节点位置绑定信息的虚拟专用网，各个自治网络上移动路由代理所记录的移动节点绑定信息可以安全、快速地传播。移动虚拟专网的拓扑如图1所示。图1 移动虚拟专网拓扑移动路由代理(MA)可以实现HA（家乡代理）和多播路由器的功能，同时又可以用来管理移动节点的绑定信息。由于MA与通信对端节点(CN,correspond node）对应，MA与通信对端节点CN的对应关系应该分为一对一、多对一和多对多3种情况，针对多对一、多对多情况引入了多播管理。1) 一台主机B与连接在外地链路上的移动节点A的通信过程分6步，时序如图2所示。图2 通信时序 B首先把报文发送到本网段上的移动路由代理MAb。 初始状态时，由于MAb所管理的绑定信息表中并没有移动节点A的绑定信息，它就认为A是普通固定节点，因此会将报文直接发送到移动节点A的家乡网络。 A的家乡代理通过隧道方式把报文发送到A的当前位置4,5， 同时在本文提出的方案中还向MAb发出A当前转交地址的绑定更新，由MAb记录这一绑定更新并给出绑定响应。 B再一次向移动节点A发送报文给MAb。 MAb可以直接查到A当前的转交地址，将报文直接发往移动节点所连接的外地链路6，不用再通过B的家乡代理。随着A节点的不断移动，MAb所记录的绑定更新消息不断变化，维持A与B的实时通信。2) 分布在不同子网的几个主机Bi与一个移动节点A通信的情况。设MAa0是移动节点A的家乡代理，移动主机A位于外地网络时，所有与A通信的节点所在地的MAai(不包括MAa0)构成多播树G。每当移动节点A离开家乡网络,初始状态下，G=,组号为ID。节点B1第一次通过MAa1向A发送消息时，G=MAa1，MAa1向MAa0发一条IGMP报告捎带绑定响应消息，提出希望加入多播组的请求。这样MAa0会建立一棵以MAa0为根，MAa1为叶子节点的多播树，然后根据MAa1的IGMP报告将B1加入组内成员维护表。在某一时刻，如果B2也向MAa0发出IGMP报告，G=MAa1,MAa2，由于此时多播树已经存在，MAa0只需将其添加进去。此后，B3, B4, Bi, Bn陆续向A发送报文后，G的变化情况为MAa1,MAa2,G; MAa1,MAa2,MAa3,G; MAa1,MAa2, MAa3, ,MAaiG;MAa1,MAa2, MAa3, MAai, MAanG。(其中，MAai为Bi当前所在地的移动代理)。MAa1,MAa2, MAa3和MAa4加入后多播树的结构图如图3所示。图3 一对多单层的多播树在数据传输的过程中，如果移动节点A位置发生了变换，A的家乡代理处理完绑定更新消息后，会立刻使用多播方式转发A的当前转交地址（CoA）到组内所有成员7。这样A的当前转交地址（CoA）就会快速、准确地传送到所有通信对端节点（CN）所在地的移动路由代理。CN所在地的移动路由代理收到多播消息后，如果检查关于A的绑定记录，根据这条消息对绑定表进行更新。3) 分布在不同子网的多个主机Bi与多个移动节点Ai通信的情况。在上面多点与单移动节点通信的情况下，所形成的是一个单层的多播树，但在多对多的情况下，在由移动路由代理 (MA)所形成的虚拟专用网中，各个MA分别以各移动节点的家乡代理为某一多播树的树根，形成多个多播树。会出现多个单层的叠加，以及原来树的根成为叶，而叶成为根的结构，最终形成多层多交叉的多播树（如图4所示）。设多播组Gi，i为组号ID；取HAa为多播树G1的根。当一个MA加入G1，命名为MAai，则HAa，MAa1，MAa2, , MAaiG1；当MA同时还加入以HAb为树根的多播树G2，命名为MAabi，则Hab, MAabi, MAb1, , MAbiG2；图4 多层多交叉的多播树当MA又同时还加入以HAc为树根的多播树G3，命名为MAabci，则HAc，MAabci，MAc1, , MAciG3；这样MA同属于多播树G1，G2和G3。若多点通信时，设HAb为树根的多播树G2加入了多播树G1，则G2, Haa, MAa1, MAa2, AaiG1；由于多播协议支持一个节点和分层子树加入多个多播组，因此，通过多播组管理协议的支持，完成在多播组内多个移动路由代理间相互传递移动节点移动更新的消息，将减少移动信息向家乡代理注册的次数，加快移动MA更新效率，优化整个Internet上移动节点位置信息的更新和管理。3 移动节点位置管理方案的实现为了对移动节点位置进行有效的管理，需要完成对绑定信息表及其存储结构的设计，对组内成员的管理以及对管理移动位置绑定信息算法的实现：1）绑定信息表（BIT, binding information table）的设计：存放在通信节点的移动路由代理(MA)上，用来管理移动节点地址对照信息的表格。绑定信息表中每条记录对应着一个移动节点的绑定信息。每条记录都包含有4个字段，分别是移动节点的家乡地址，移动节点当前的转交地址，标志位和该绑定信息的生存期。如果标志位为1，则表示移动节点目前在外地网络；如果标志位为0，则表示移动节点在家乡网络。绑定生存期是指某条绑定信息有效的时间，如果该字段为0，说明这条绑定记录已经无效，应该在绑定信息表中删除。表1是存储在某移动路由代理上的绑定信息表，其中第三条记录标志位为0，说明该移动节点目前仍在家乡网络上，其转交地址字段填上该移动节点家乡代理的地址。表1某移动路由代理上的绑定信息表家乡地址转交地址标志位生存期/ms10.100.179.25202.100.141.14113 20010.100.141.3910.250.135.4112 83010.100.141.13910.100.141.10007 7902) 绑定信息表存储结构的设计：由于移动节点在网络中经常移动，所以对绑定信息表需要频繁的进行插入和删除操作，因此绑定信息表应该采用链式存储结构。其中，每个移动节点的绑定记录都作为链表中的一个节点，链表中每个节点都含有4个域，分别是移动节点的家乡地址，当前的转交地址以及关于该移动节点绑定记录的生存期以及指向下一条绑定记录的指针。当绑定记录的生存期为零时，这条绑定记录将自动被删除。绑定信息表的存储结构如图5所示。图5 绑定信息表的存储结构3) 组成员管理：移动路由代理(MA)使用IGMP报文来维护同时与某一特定移动节点进行通信的多播组中各成员的变化。在通信的过程中，移动路由代理(MA)要定时向属于多播组的移动主机发送IGMP查询，了解其当前多播组的所属情况，通过发送IGMP报告来响应这个IGMP查询。使用这些查询和报告报文，实现MA对多播树进行维护。当某MA要向组内成员转发所管理移动节点的转交地址时，它将根据建立的多播小组转发。如果某一多播组已经没有任何成员，那么由家乡代理承担多播路由器确认功能。4) 管理移动位置绑定信息算法：Internet上移动节点数量很多，并且在某段时间内可能很多移动节点都改变了它在网络中的位置，绑定信息表的信息量庞大，对绑定信息表的操作相应变得复杂，这样设计一个算法用来管理移动路由代理上的绑定信息表是很有必要的。在描述该算法之前，首先给出一个假定：在网络中2个节点之间的通信是连续的，即通信节点发给移动节点一个数据报后，在短时间内与该移动节点通信的可能性最大。为了提高查找速度，通信对端的移动路由代理(MA)应该把它所管辖网段上的所有通信节点最近访问的移动节点的绑定记录存放在绑定信息表的首部，以便最先查找。家乡代理HAi接收MAi发送报文时，HAi管理移动位置的算法如下：Step1 如果绑定记录存在于绑定更新表BIT中，则说明有新的成员加入小组，向发送数据的通信对端CN所属的MAi发绑定更新信息,否则转Step4。 Step2 当HAi收到MAi对更新的响应和加入多播组的申请，将CN所属的MAi加入多播组。Step3 将报文发送给移动主机。后续的数据由于已经有更新消息保留在对端的BIT表中，将直接给移动主机，无须再经过HAi。Step4 移动主机更新绑定消息还没有到达，移动主机没在HAi管理的多播组中，丢弃数据。多播组中的移动路由代理收到一条绑定更新后，多播组信息更新算法如下：Step1 如果该移动节点的绑定记录在本地的BIT中不存在，将该移动节点的绑定记录保存在BIT的首部，并将BIT中的最后一条绑定记录删除，并将此更新信息由多播树转发出去，保证多播组成员变化的信息更新。否则转Step2。Step2 如果存在，将该移动节点原来在表中的绑定记录删除，再将新移动节点新的绑定记录保存在BIT的首部。将此更新信息由多播树转发出去，保证组成员移动位置信息的更新。4 模拟过程及实验结果为了对以上方案的性能进一步分析，在NS上完成了初步模拟。仿真场景包含7个移动路由代理（MA），其中HA是移动节点MN的家乡代理，MAa、MAb分别为MN的移动代理，CN1、CN2为与移动主机通信的对端主机。设定链路参数：移动主机MN与MA间为有差错的无线链路，带宽为2Mbit/s。固定主机上网链路带宽10Mbit/s,传输延时2ms的有线链路。设定CBR通信，速率1Mbit/s（如图6所示）。图6 模拟网络拓扑在测试的过程中CN开始向MN发送报文的时间是随机的。初始时，移动节点位于MAa处，若干秒后切换到MAb处。家乡代理(HA)处理完绑定更新消息后，在组内发布MN当前转交地址(CoA)。每次移动节点收到报文后，它都会将其记录下来。通过实验，将本文的方案与标准移动IP协议进行了比较，通信对端(CN)发送报文数在2种方案的实现是一样的，本文在计算移动节点接受报文数的平均时间的实验中随机取42s作计算时间段。在标准移动IP协议中，移动节点MN接收到一个数据报平均需要42/2575=0.016 3s。而本文提出的方案，由于利用多播组传递移动主机更新消息，减少了数据报文经由家乡代理的次数，MN接收到一个数据报平均只需要42/5034=0.008 3s。通过图7所示的实验曲线可以看出，本文方案中MN 接收到的数据报数量曲线一直在标准移动IP协议的曲线之上，说明接收的报文数量大于标准的移动IP，这表明本文方案移动节点位置更新的效率高，丢包率低，并且随着时间推移，这个趋势会一直保持。图7 2种方案接收报文个数的比较5 结束语本文提出的通过多播中多播管理功能实验证明利用移动节点的家乡代理管理多播树，能够有效地均衡各MA维护多播树的负载，使通信对端能够实时了解移动节点的转交地址，减少注册时间，大大缩短了传输路径，减小了传输延迟，为实时业务传输提供较好的支持。同时减轻了家乡代理和各主机的负担，使移动IP的性能得到优化。但该方案的较优性能是以实现的复杂性为代价的，今后应注重协议的简单性研究。参考文献：1FARKAS K, WELLNITZ O. Real-time service provisioning for mobile and wireless networks J. Elsevier Computer Communication Journal, 2006, 29(5): 540-550. 2XAVIER P,MAR