引言

　　随着无线互联网的迅猛发展和移动主机的迅速增加,移动通信的蜂窝范围从宏蜂窝缩小到微蜂窝,甚至是微微蜂窝,极大地增加了移动主机在各个小区之间漫游时的切换时延,频繁的切换必然导致通信负荷和阻塞率的增加。为了减少时延,人们提出了基于多协议标记交换(MPLS)的IP微移动技术协议[1],应用于微小移动网络中的快速链路建立。但是该技术采用树状的层次化结构,未给出如何寻回切换过程中发送到前一个代理数据的方式,即默认为重传,这样造成的切换时延必将难以被接受。一旦网络拓扑结构发生变化,整个系统需要重置[2-4]。除此之外,对于IPv6已经提出解决方案的三角路由问题,该体系也没有考虑到[5-6]。因此,找到一种灵活的分布式的,结合MPLS,并从根本上改变传统的移动IP路由机制,适应移动IP网络动态性的体系结构是十分必要的。

　　移动代理技术是目前在计算机网络中应用广泛的具有自主移动、自主执行功能的技术[7]。如果能够通过移动代理完成移动主机在发生不同代理小区间漫游切换时的链路建立,信令过程将大大简化。而信令过程所引起的网络负荷也将显著下降。

　　由于移动代理具有数据携带功能,在完成信令过程的同时让移动代理携带途经各节点的实时邻接拓扑信息,并传播到网络中,再对选路算法做相应的适宜动态拓扑结构的改进,则可以实现对移动IP系统路由的优化,解决目前存在的三角路由问题。那么系统结构将更加灵活,更具可靠性,系统性能也将得到很大提高。

　　基于此,本文提出了一种基于移动代理(Mobile Agent,MA)的结合MPLS的通信链路快速建立方案,可以相对完善地解决上述问题。论文首先介绍如何采用移动代理技术来改造移动微IP在切换时的网络结构,改变目前基于MPLS的树状网络拓扑。其次,将移动代理引入改进后的微移动网络来实现快速的链路建立信令过程,并分析其性能。最后,通过在一个网络中的仿真验证提出方法的效率。

　　1基于移动代理技术IP微移动网络

　　移动IP定义了三种功能实体:移动主机、家乡代理和外地代理。与移动主机通信的主机称为通信主机,通信主机可以是移动的,也可以是静止的。通信主机与移动主机通信时,通信主机总是把数据包发送到移动主机的家乡地址,而不考虑移动主机的当前位置情况。当移动主机离开家乡链路时,它的家乡代理把发往移动主机的所有数据包转发到移动主机的当前位置。家乡代理可以使用代理ARP或其他有效方法在家乡链路上截获发往移动主机的数据包。对于每个截获的数据包,家乡代理使用隧道技术把它们发送到移动主机的当前转交地址。如果转交地址是外地代理的IP地址,那么这个外地代理是隧道的终端,此时外地代理从数据包中移走隧道报头,并把剩余部分发送到移动主机。如果移动主机使用一个临时地址作为转交地址,那么数据包将直接通过隧道传送

　　收稿日期:2007-10-12;修回日期:2007-12-19。

　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(60772013);国家863计划项目(2006AA03Z422);华中科技大学科研基金项目(2006M041)。

　　作者简介:李蔚(1968-),女,湖北武汉人,副教授,博士,主要研究方向:智能网络与通信;李源(1971-),男,湖北武汉人,讲师,博士研究生,主要研究方向:计算机网络;刘洋(1984-),男,湖北人,工程师,硕士,主要研究方向:移动通信网络。

　　83 8计算机应用第28卷

　　到移动主机。

　　一个基于MPLS、支持微移动技术的分级网络结构如图1所示。

　　从图1中还可以看到,当移动节点在同一域内移动时,只需更新相关的FA或RFA的位置信息即可。也就是通过网关代理(GFA)向归属代理和通信节点(CN)隐藏了移动节点的移动。将移动节点的移动最大限度地本地化,以减少移动节点在移动过程中向移动代理和通信节点注册与绑定更新的次数,从而达到减少切换时延和网络链路信令开销的目的。

　　其链路建立机制与移动IP基本相同。首先,MN通过接收FA发出的代理广播消息来确定自己是在归属域中还是在外地域中,如果MN确定自己处于外地域中,MN将会从FA获得一个转交地址CoA。接着,MN发送注册请求消息给FA,收到消息的FA将为这个移动节点(用其归属地址标识)建立一个列表,并将自己的IP地址插入到注册消息分组中,使用正常的移动IP分组转发功能将注册请求消息发送到RFA。然后,收到消息的RFA采用相同的操作将分组转发给GFA,如果MN是首次进入该域,GFA还将把注册消息发送给HA。当HA收到GFA转发来的注册请求消息,由于GFA将其IP地址插入到注册消息分组中,HA便可以从该消息中获取GFA的IP地址,并根据此地址向GFA发送注册应答消息。GFA收到注册应答消息后,通过检查建立的列表信息,确认是哪一个移动节点的注册应答,从而将应答消息转发给相应的RFA。RFA采取重复相同的操作,逐层转发,通过FA最终将应答消息转发到移动节点。如图2所示,链路建立需要较多的步骤。而且还有三个主要的问题:

　　1)虽然数据传输由于摆脱了IP in IP方式获得改善,但切换时链路建立过程依然比较复杂,切换造成的时延需要进一步缩短。

　　2)树状体系限制了系统的可扩展性和灵活性,微移动域的GFA一旦失效,整个微移动域的通信将被中断。

　　3)没有提出MN进行代理切换时将已发往前一个代理的数据切换到当前代理的方案,数据的丢失也会造成时延。为了解决这些问题,本文将移动代理引入IP网络建立过程,首先基于移动代理将IP微移动网络进行重新划分,如图3所示。

　　2基于移动代理的快速链路建立

　　在图3改进的体系结构中,基于MA的移动IP网络结构依然由主干网和微移动域组成,由于具有了移动代理的主动选路机制,可以实现快速链路建立过程,切换发生时的链路重建过程发送一次MA即可完成。MA可沿所需的通信路径自主定向依次移动,直到到达目的节点,完成链路建立。

　　链路建立过程如图4所示,包括三个步骤:

　　1)代理发现。当MN发现自己处于新代理区域中时,将发送MA进行链路建立或者一段时间没有收到代理信息,而通信即将发起,将主动进行广播搜索。

　　第4期李蔚等:基于移动代理技术的移动IP网络中链路快速建立方法83 9

　　2)建立链路。MA从FA0到达FA1后,如判断此为新代理(这里的新不一定指地理位置,如果上次通信结束到此次通信开始间隔时间过长,LSP已被取消,则代理删除原注册信息时,MA再次到达,该代理依然被视为新代理),则进行注册;FA1返回注册消息,此后将上行数据从发往FA1转至FA0,并且MN开始从FA0接受下行数据。完成注册后的MA将根据当前FA(即FA1)所在微移动域的查询路由表,以当前域的GFA(CGFA)为目的地移动。到达CGFA后,查询路由表驱动LDP建立CGFA往MN分组的LSP至FA1,然后判断是否发生了域间移动,若没有发生,则任务完成MA销毁;若发生了,则MA以HA为目的地移动,同样建立HA至CGFA的LSP。链路建立即完成。

　　3)数据切换过程。在链路未建立完成期间,仍有数据发往FA0。MN收到注册回复后,不再从FA0接收下行数据,并以FA0为目的地址发出第二个MA,建立往MN分组的LSP至FA1,将切换过程中发往FA0的下行数据转至FA1。这样可以避免切换过程中包丢失导致的延时。

　　从图2与图4的比较可以看出,切换的信令过程明显简化,同时,由于第二个MA在新链路建立同时完成了对发往前一个代理的数据寻回工作,切换时延将会大大降低。

　　而且LSP的建立与拆除与移动主机的业务发起与完成相关联,每个移动主机不再在未发生代理转换期间一直占用大量网络资源。

　　移动主机在收到代理广告发现到达新代理,或要进行通信而长时间没有收到代理信息时即要发送MA建立LSP通信链路。当第一个MA完成注册后,移动主机发送的第二个MA将完成寻回切换过程中发往前一代理数据的工作,即建立一条由前一代理到移动主机的LSP。因此,代理发现移动主机发送MA的关键步骤应如图5所示。

　　为了判断MA进入的是否是新代理,在收到FA的注册应答之后,要对MA重新进行初始化,但由于在新代理注册后需要发送第二个MA完成切换数据寻回过程,因此对注册应答信息(如当前注册的FA、GFA)应做暂存,待第二个MA发送出去后,立即对后面可能发出的MA进行重新初始化。

　　另一方面,MA离开移动主机,进入代理节点后,基于Aglet平台的MA的功能区结构如图6所示。

　　MA新到达一个节点后,首先判断是否到达了自己要去的栈顶目的地(DA),如果不是,则进入移动与拓扑修正模块,根据DA地址通过ATP协议继续移动,并完成拓扑信息的散布工作;如果是,那么进入应用过程。判断是否到达还是原先注册过的MA,如果是,则MA直接销毁,因为LSP依然存在,还未被拆除,通信可以直接继续。如果当前代理(CA)不是

　　PFA,那么可判断已进入新代理,接着要对新代理做出操作。

　　进入新FA后,通过注册标志判断是否注册过以及是否完成了切换丢失数据的找回,以此判断MA是属于第一MA使命还是第二MA使命。通过对DA堆栈的修改来决定MA的任务类型———是第一还是第二。任务决定后,进入选路模块,根据网络状况得到正确的路径,驱动LSP申请,并将路径信息传递给LDP,完成此段LSP建立。

　　3基于移动代理的链路建立过程性能分析

　　无论移动节点发生的是域内切换或是域间切换,第二个MA建立寻回切换过程丢失建立LSP的过程都要稍长于第一个MA完成切换发生节点(GFA、HA或CN)所需的时间。所以新链路建立时间T_linkMA事实上取决于第二个MA的任务时间。除了第二个MA的任务时间T_t,再加上收到注册应答后发送MA的反应时间T_s,MA驱动LDP协议后末段LSP(PFA到PGFA)的建立时间T_LDP,以及切换后数据回传时间T_b。,MA移动至PFA时间T_m,即式(1)所示:

　　T_linkMA=T_s+T_t+T_ldp+T_b(1)

　　其中,T_t又包含MA移动至PFA在单链路中传送的时间T_ m,以及在每个节点MA运行时间T_p。随发生切换的地理位置不同,T_m、T_LDP以及T_p的个数也不相同。但由于T_m

　　T_p,故可省去,以一层微域为例。

　　如果发生域内切换则MA将通过两个节点,建立链路时间如式(2)所示:

　　T_link1MA=T_s+2T_p+T_LDP+T_b(2)

　　如果发生域间切换则MA将通过四个节点,建立链路时间如式(3)所示:

　　T_link2MA=T_s+4T_p+3T_LDP+T_b(3)而对于无移动代理的MPLS与微移动技术结合方案,通过对图4的分析,我们可以发现,由于CFA不能立即对MN的注册消息作出应答,那么放弃原通信LSP的时刻应该从MN发起注册请求开始,而新链路建立完成应该为丢失的数据包在新的LSP建立完成之后被重传到MN的时刻。那么新链路建立时间T_linkMP应该包括注册完成时间T_r、用户数据以传统方式发送到切换发生节点时间T_d、LSP建立时间T

　　_LDP以及数据重传时间T_re。

　　对于T_r又由注册请求时间T_rrq以及注册应答时间T_ rrp多次组合,由于该体系下采用被动式注册,每个GFA要存储几乎经过其域内的每个MN的信息,数据库相当庞大,因此T_rrp是个很大的值。在此我们也只考虑数据在节点内处理的

　　时间,不考虑在单链路中传递的时间。同样以一层微域为例。

　　如果发生域内切换,建立链路时间如式(4)所示:

　　T_link1MP=2T_rrq+2T_rrp+T_d+T_LDP+T_re(4)如果发生域间切换,建立链路时间如式(5)所示:

　　T_link1MP=3T_rrq+3T_rrp+T_d+a T_ldp+T_re;

　　1<a<2。(5)

　　84 0计算机应用第28卷

　　可以判断,T_rrq>T_s,T_d>T_b,对于域内切换,由于T _p和T_rrq分别跟所处理的数据量有关,T_p所处理的数据两只是与单个MN相关,其结构在上面已经给出,而T_rrp所处理的数据量需要对整个微域所有MN的信息进行遍历,那么显然T_p T_rrp,因此可以得到建立链路时间如式(6)所示:

　　T_link1MAνT_link1MP(6)

　　同理也可以分析出对于发生域间切换的情况如式(7):

　　T_link2MA<<T_link2MP(7)可以看到,采用MA与MPLS结合的链路建立过程时间

　　将远远少于普通的MPLS的链路建立时间。

　　4仿真以及结果分析

　　通过OPNET仿真系统对上述方案进行了仿真,设定了一

　　个8节点的网络,其中除了FA之外,这些节点中包含了两个GFA以及HA,如图7所示。仿真中有以下两点假设:1)理想无错误无线链路;2)无线小区无重叠,以中间线为界,为理想的无缝覆盖,移动主机从一个基站到另一个基站不存在同时与两个基站同时通信的事件。

　　首先对建立链路的时延进行了仿真测试,在模拟界面系统中显示出本文提出的通信链路建立方案在移动IP系统中运行情况如图8所示。来自HA(192.168.1.8)的移动用户MN(192.168.1.50)从由PGFA(192.168.1.13)管辖的PFA

　　(192.168.1.12)漫游到CGFA(192.168.1.15)管辖下的CA(192.168.1.11),图中数据显示了MN对MA初始化数据的情况以及代理节点对MN注册记录的情况。

　　图8与图9是移动主机漫游切换前后功能状态的示意图。对M IP、结合MPLS的IP微移动方案以及本文所提出的基于MA的移动IP链路建立方案在三种不同技术系统下TCP报文的时延测试结果如图10所示。在图10中,基于MA的切换链路建立方案明显优于其他方案,其切换时延明显较小,随不同应用情况比原方案减少27%～41%,切换过程趋于平滑,使移动IP系统更接近真正的无缝漫游。

　　5结语

　　结合了MA后的体系结构将MPLS通过标签交换实现一次路由多次交换的能力充分发挥到移动IP领域中,大大简化了节点从一个代理移动到另一个代理后的链路建立过程,同时又保留了采用MPLS技术后在数据传输过程中低开销、快速交换的特性。采用MA技术将切换过程中发往前代理的数据找回,减少了包丢失,缩短了时延,真正实现了移动中的无缝连接。对基于移动代理技术的移动IP个体链路建立进行了性能分析和理论分析,发现本文所提出的方法可显著减少漫游切换延时,仿真测试证明随不同实际应用情况减少时延