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移动网络路由优化方案的设计与研究

范文

刘冰

摘要：无线网络近年来发展迅速，其中移动网络更是成为该领域内市场推广和技术研究两方面的热点，该文提出采用改进HMIPv6对NBS移动网络进行路由优化方案的研究思路，利用HMIPv6强大的管理功能，与NBS形成有机结合，并共同构建出更具效率的网络层次结构体系，有效地节约了移动网络内部节点的注册开销，同时也对内部节点通信过程中存在的冗余路由形成了很好的优化，进一步提高了NBS移动网络的路由查找性能，对提高同类型网络的路由优化水平起到了积极的促进作用。

关键词： NBS;层次化结构;IPv6;控制开销;路由优化

中图分类号：TP393? ? ? ? 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）23-0022-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着VAN，PAN等基于移动网络的应用服务得到了越来越广泛的应用，移动网络的发展也在不断地加速，与此同时，用户对网络移动性能的需求也在不断地提高，因此对于移动网络的路由优化也成为该领域内研究的热点。移动网络本身具有其特殊性，其内部节点通常作为一个整体参与到与外界的联结中，而这些节点也具有移动的统一性，并需要借助移动路由器（MR）接入广域网。IETF首先提出对传统的移动IPv6协议进行改进，由此产生了NEMO基本支持协议NBS（NEMO Basic Support Protocol），该协议支持移动网络节点在保持与外界联结的同时切换链路，由此向用户屏蔽了底层网络转换的过程，有效地提高了用户的体验度，但其缺点是开销过大，消耗了过多的资源，且当内部节点（MN）频繁切换移动时，可能会产生超大的网络开销，极大的降低网络资源的利用率。目前大部分的改进方案都着眼于调整IPv6数据包首部指令，也有学者提出应对目前的MIPv6机制进行改善，但多针对路由中间节点的审核机制进行缩减，以控制计算开销，由于移动网络节点的多样性，这类方法的適用范围均受到了限制。

本文提出针对支持NBS的移动网络进行改进，通过对路由机制的优化，提高整个网络的数据传输效率，并通过实验论证了该方案的有效性。

1 移动网络体系结构的构建

图1给出了本文提出的将HMIPv6与移动网络相结合所形成的一种新型的移动网络体系结构。在该体系下，移动网络内部节点MN在移动过程中产生的管理和计算全部被压缩在网内完成，而不会通过移动路由器传输至外网，这就极大地减少了移动路由器的负荷。

如图1中所示，HMIPv6增设了移动锚点（MAP），用来处理内部节点之间的通信需求。此时整个内部网络被抽象成为一个MAP域，而移动路由器MR与MAP位置重叠，即该处节点既具有路由功能，也具备锚定功能，内部网络的节点包括域内固定节点（LFN）、域内移动节点（LMN）和访问移动节点（VMN）。

MAP是保障域内各个节点之间相互通信的关键设备，为了维持域内节点之间通信的稳定性，移动路由器必须定期向其发送MAP选项报文，该报文中包含了MR自身的家乡地址（HoAMR）等信息，而域内节点即可根据该地址向MAP发起通信。这一过程首先都需要域内节点通过MAP向家乡代理注册自身信息，同时与HoAMR形成绑定关系，随后当移动节点在MAP域内产生移动时，将从MAP处获取新的链路关照地址（LCoAMN），移动节点即可直接向MR发送信息，而移动节点在域内的数据通信则不需要重新注册，MR也不会将收到的数据转发至外网。而当移动节点需要跨MAP域通信时，会采用原本传统的NEMO通信模式，通过家乡代理与外网建立联结，并由后者完成与外界的数据传输任务。

2 移动网络路由优化方案

本位提出构建层次化网络体系，并对HMIPv6协议进行改进，形成更具效率的路由优化机（HROS），从而很好的提高移动网络内部节点之间的路由查询效率，进而节约整个移动网络系统的计算开销。HROS机制的作用贯穿于移动网络移动的全过程中。首先，当移动网络离开原本的家乡网络，并与外地网络1构建链路层连接后，针对原本域内不同的移动节点，HROS均可完成该节点与目的地端点之间的路由优化任务;随后，当移动网络离开外地网络1，并链接到外地网络2后，网络节点与目的地端点的路径将会得到优化更新，而当移动网络返回到家乡网络时，HROS则会自动还原原始设置。

由于HROS起到了动态维护MNN-CN list的作用，因此对路由表的查询效率和精确度形成了有效的辅助，另一方面，通信伙伴携带HoAMMN作为家乡地址选项，这也使得其传送的数据包能够判别出发送节点的隶属网络，从而能够极大地简化外地网络节点传送数据至移动网络节点的计算开销，从而提高了网络通信效率。

3 优化效果分析

为了论证本文提出的HROS的有效性，特将其与传统的NBS进行对比，评价对象包括了传输数据开销和移动管理开销两个方面，现介绍如下。

3.1 额外数据包开销

根据大量的统计数据显示，在移动网络数据包的通信过程中，会产生规模不一的额外开销（AO），其主要包括两类开销，分别为是首部封装开销和扩展首部开销。在NBS中，网络内部节点发出的数据包在到达目的地之前，需要经过至少两次封装，即发送方代理和中间家乡代理的封装，而在经过优化后，通过MIPv6机制的协调，将原本两次封装压缩为一次即可到达目的地，而为此付出的代价是需要每个数据包均携带家乡地址选项。对这两种模式进行对比分析：

（1）NBS的额外数据包开销（AONBS）按下式计算：

[AONBS=（80Bytes+64Bytes×（j-1））×k]? ? ? ? ? ? ? （1）

上式中，j表示传送中的数据包数量;k为目的地节点规模。

（2）HROS的额外数据包开销

在HROS机制中，根据路由优化策略，任一网络内部节点发往目的地节点的数据包中，仅仅需要由第一个数据包完成两次封装任务，并由中间家乡代理中装，而其他所有的同源数据包则不再需要第二次的封装，而是直接送往目的地节点所在的移动网络，而每个数据包都需要携带额外的家乡地址选项，因此，HROS的额外数据包开销（AOHROS）通过下式计算：

[AOHROS=（80Bytes+24Bytes×（j-1））×k]? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

通过反复实验可以看出，当访问移动节点与通信伙伴间通信较为频繁时，HROS，能够明显降低额外数据包开销.

3.2 移动管理开销

网络为完成通信而付出的计算、分析、队列等待、资源调配等方面的开销为管理开销。而具体到移动管理开销（MMO）方面，则表述为与移动网络内节点进行通信时（包括进入移动网络和在网络内部移动两个环节），与家乡代理之间的注册过程所带来的时延。

（1）NBS管理开销

在NBS中，所有节点在进行连接访问时，必须通过家乡代理来完成，因此需要向后者发送绑定更新消息，之后还要等待家乡代理给出的反馈确认报文（BA）。现假定目的地节点在其所属的网络内的移动概率为p，则NBS在此过程中的开销（MMONBS）可通过下式计算：

[MMONBS=k（1+p）dBU+k（1+p）dBA]? ? ? ? ?（3）

上式中[dBU]表示向家乡代理发送绑定信息的单向时延，而[dBA]表示确认反馈时延，为访问移动节点与家乡代理间绑定确认消息通信延迟;k为目的地节点规模。

（2）HROS管理开销

HROS对域内的移动节点采用了区域化管理机制，当访问节点初次进入到某个移动网络内时，需要通过家乡代理完成注册过程，但在后续的数据传输过程中，则不再依赖家乡代理进行中转，而是直接与其当前归属的移动网络内的MR进行注册和数据交换。因此，HROS下的移动管理开销（MMOHROS）可通过下式计算：

[MMOHROS=kdBU+kdBA+kpd'BU+kpd'BA]? ? ? ? ? ? （4）

上式中，[d'BU]表示与移动路由器之间传输绑定信息的单向时延，[d'BA]则表示由移动路由器反馈数据到达的时延，k同样表示目的地节点规模。

为了对比分析两种机制所产生的网络时延，特搭建了模拟测试环境，通过反复测试，确定了相关参数的最佳值，其中[dBU]取为55.725，[dBA]取为55.013，[d'BU]取为0.288，[d'BA]取为0.209。选择p=0.5，通过20轮次的对比实验，对两种模式下的开销进行对比分析，其结果如图2所示：

观察上图可以发现，随着k值的增大，[MMOHROS]曲线上升的趋势明显放缓，显著低于同等k值下的[MMONBS]上升趋势，说明随着移动节点规模的增大，本文提出的路由方案的优越性愈发的明显，从而论证了本文方案的有效性。

4 总结

本文提出将HMIPv6与NBS相结合，并在基于层次化移动网络体系结构的基础上，设计了移动网络节点路由的优化方案，去除了无效的冗余路由，显著降低了移动节点的通信开销，减少了网络通信时延，提高了网络资源的利用效率。随着移动网络的发展不断加速，势必会对路由效率提出更高的要求，今后的研究必然会针对移动网络的实时性与可靠性展开，进一步提高网络通信质量，保障用户的服务水平。

参考文献：

[1] 安辉耀，王新安，李挥，等.移动自组网中的先进路由算法与路由协议[M].北京：科学出版社，2009.

[2] Ren Kui， Lou Wenjing. Routing Optimization Security in MobileIPv6[J].Computer Network，2012，50（1）：2401-2419.

[3] 李娟，冯德民.基于层次管理的按需路由协议研究[J].计算机工程，2009（19）.

[2] 肖晓丽，张卫平，康忠毅，等.HWMP协议的路径选择参数的研究与改进[J].计算机工程與应用，2008（23）.

【通联编辑：代影】

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