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基于Delaunay三角剖分的FMIPv6快速切换机制

作者：李振军 柳兴

来源：《计算机应用》2013年第10期

摘要：针对快速移动IPv6（FMIPv6）中预测新接入路由器（NAR） 出错时的丢包问题，提出了一种基于Delaunay三角剖分的快速切换机制（TFMIPv6）。该机制通过Delaunay三角剖分算法将网络分割成虚拟的三角拓扑结构，在相邻的接入路由器间建立隧道，通过目标接入节点候选表来协助移动节点快速重构两个新的转交地址，并将切换过程中到达的包缓存在两个可能的NAR中。仿真结果表明，TFMIPv6能获得比FMIPv6更小的切换延时及丢包率。 关键词：快速移动IPv6；隧道；切换延时；丢包率 中图分类号： TP393.03文献标志码：A英文标题 0引言

快速移动IPv6（Fast Handovers for mobile IPv6， FMIPv6）[1]是下一代互联网协议，其性能的优化一直是业界讨论的热点。目前针对FMIPv6的研究有很多，如：文献[2]提出了一种基于邻居协助的信道扫描机制，降低了切换侦测时期的延时；文献[3]提出协作切换机制，在移动节点（Mobile Node，MN）到达目标小区前，选择该小区内合适的MN，提前完成绑定更新（Binding Update，BU）；文献[4]通过引入转交地址（Care of Address，CoA）查表和地址主动生成机制，减少了因重复地址检测（Duplicate Address Detection，DAD）带来的延时。然而，这些文献的研究重点都放在如何减少切换延时，而较少关注如何精确预测目标接入点（Access Point，AP）。如果FMIPv6预测出现错误，那么缓存在NAR上的数据包将全部丢失，这将严重影响切换性能。

为解决预测出错后丢包率高的问题，本文提出基于Delaunay三角剖分的FMIPv6快速切换机制。该机制首先通过Delaunay三角剖分算法获得网络的拓扑结构，然后在该网络拓扑结构的相邻AR间建立隧道，通过目标AP候选表来协助移动节点快速重构两个新的转交地址，采用同时在两个可能的NAR中缓存包的方式来避免在NAR预测出错情况下的丢包，减少FMIPv6的切换延时及丢包率。1网络模型和问题分析 1.1网络模型

图1所示为FMIPv6切换机制中涉及的主要实体，MN、接入路由器（Access Router， AR）、AP、家乡代理（Home Agent，HA）和通信对端（Correspondent Node，CN）。本文的研究基于图1所示的网络模型，MN在a处时侦测到即将进入AR2的通信范围，AR1会将CN

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发来的包转发给AR2，由于MN的移动速度过快和信令交互延迟等影响，使得MN移动到b处时还没有完成层2切换，当MN移动到c处时MN却连接到AR3上了，在这种情况下，缓存在AR2上的包会丢失，具体信令分析见1.2节。 1.2问题分析

当MN侦测到它已经进入到新的NAR1的通信范围时，MN首先会触发层2切换，然后发送一个路由请求代理（Router Solicitation for Proxy Advertisement，RtSolPr）消息给原网络接入路由器 （Previous Access Router，PAR），PAR收到MN的消息后发送一个包含NAR信息的代理路由器通知（Proxy Router Advertisement，PrRtAdv）消息给MN。MN收到PAR发来的PrRtAdv消息后，向PAR发送快速绑定更新（Fast Binding Update，FBU）消息。PAR收到FBU消息后，通过移交初始化 （Handover Initiate，HI）消息和切换确认 （Handover Acknowledge，HAck）消息与NAR1建立隧道，并向MN和NAR1发送快速绑定确认 （Fast Binding Acknowledge，FBack）消息。在执行层2切换期间，将通信对端CN发来的包通过隧道缓存在NAR1上。层2切换完成后，NAR1就可向MN转发数据包了。这种方式能有效减少丢包率和包交付延时；可是，当MN高速移动时，受侦测误差和移动速度的影响，导致MN错误地切换到其他的接入路由器（AR）上。如图2所示，MN在执行层2切换后，连接到了NAR2上，则MN会向NAR2发送一个封装有FBU消息的快速邻居通知（Fast Neighbor Advertisement，FNA）消息。收到FNA后，NAR2通过向PAR发送一个FBU消息，与PAR建立隧道。在这种情况下，显然PAR与NAR1建立隧道的过程是不必要的，且缓存在NAR1上的包会丢失，切换时延和丢包率也将大幅度增加。 图片图1网络模型 图片图2切换模型

第10期 李振军等：基于Delaunay三角剖分的FMIPv6快速切换机制计算机应用 第33卷2TFMIPv6切换机制 2.1虚拟三角拓扑

TFMIPv6切换机制首先利用Delaunay三角剖分将网络中的所有AP分割成虚拟三角拓扑，如图3所示。现有的Delaunay三角剖分算法[5]已经非常成熟，这里不对该算法的具体过程进行阐述。由Delaunay三角剖分算法生成的虚拟三角拓扑的性质如定理1所述。 定理1给定一个含有AP集合为P={pi|1≤i≤n}的网络，如果其虚拟三角拓扑网络是由Delaunay三角剖分算法所生成，MN在任意三角形pipjpk中移动时，切换只会在pi，pj，pk这三个AP之间发生。

证明对于含有AP集合为P={pi|1≤i≤n}的网络，如果其虚拟三角拓扑网络是由Delaunay三角剖分算法所生成，则虚拟三角拓扑网络中的任意三角形都是合法三角形[6]。又因为合法三

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角形的外接圆内，不包含其他AP。则对任意合法三角形pipjpk，pl是三角形pipjpk的外接圆外的一个AP，根据文献[7]，三角形pipjpk内不可能有pl的覆盖范围。因此切换只会在pi，pj，pk这三个AP之间发生。 图片图3虚拟三角拓扑 2.2隧道技术

生成网络的虚拟三角拓扑后，服务器首先会通知每个AR的邻居AR信息。类似于文献[8]所述，当AR收到这个notify 消息后，会将其邻居AR列入邻居路由表，并请求与其邻居AR建立隧道。如图4，AR1和AR2收到notify 消息后，就知道彼此之间有AP互为邻居（即在同一个虚拟三角拓扑内），则AR1和AR2也会将对方列为邻居AR，假设AR1首先向AR2发送一个tunlestbrequest消息。AR2收到tunlestbrequest消息后，则检查AR1是否为其邻居AR，如果是，则回复一个tunlestbaccept消息，并向服务器回复一个notify应答消息。AR1收到tunlestbaccept消息后，也会向服务器回复一个notify应答消息。当服务器收到第二个notify应答消息后，AR1和AR2之间的隧道建立过程结束。虚拟三角拓扑生成之后就开始建立隧道，因此MN切换时就不需要建立隧道了。 图片图4建立隧道的信令流程 2.3目标AP候选表

MN切换时，及时获得准确的NAR，每个MN都有一个NAR候选表。如表1所示，NAR候选表由4部分组成，即MN所在的三角形、源AP地址、候选目标AP1地址[9]以及候选目标AP2地址。

表格（有表名）表1目标AP候选表

MN所在的三角形源AP地址目标AP1地址目标AP2地址…………

结合图5对NAR候选表的工作过程进行描述。MN在三角形pipjpk内，并链接在AP pi上。根据定理1，MN移动时，切换只可能在pi、pj和pk这三个AP之间发生。因此MN的目标AP候选表中，MN所在的三角形为三角形pipjpk，源AP地址为pi的地址，候选目标AP1和候选目标AP2的地址为pj和pk的地址，这里的目标AP1和目标AP2没有先后顺序。当MN移动时，有3种情况导致NAR候选表变化：

情况1MN在一个三角形内移动，并且一直在同一AP链接下，如图5中，MN从A处移动到B处，目标AP候选表不发生变化。