一种改进的下一代无线通信网络移动切换方案

上海交通大学学报

JOURNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY

Vol.43No.7󰀁Jul.2009󰀁

󰀁󰀁文章编号:1006󰀁2467(2009)07󰀁1090󰀁05+1099

一种改进的下一代无线通信网络移动切换方案

郑华贵,󰀁蒋铃鸽,󰀁何󰀁晨,󰀁刘󰀁侠

(上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240)

摘󰀁要:针对移动IPv6和HIP的移动性管理方案在双方同时移动时无法实现无缝切换的不足,提出了一种改进的无缝切换方案SH󰀁HIP。该方案利用RVS服务器作为锚点,维持主机标识与当前

IP地址的映射关系,并且转发更新数据包,有效地解决双方同时移动时连接丢失的问题.仿真结果表明,该方案不仅在双方同时移动时可大大减小切换延时和丢包率,而且保持了HIP的安全性,能有效抵御拒绝服务攻击以及中间人攻击.

关键词:主机标识协议;主机标识;标识分离;网络移动;无缝切换中图分类号:TN929.5󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

AnImprovedHandoffMechanismforNextGenerationWirelessNetwork

ZHENGHua󰀁gui,󰀁JIANGLing󰀁ge,󰀁HEChen,󰀁LIUXia

(SchoolofElectronic,InformationandElectricalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,

Shanghai200240,China)Abstract:SincetheMIPv6andHIPmobilitymanagementschemecannothandlethecasewhenbothhostsmovesimultaneously,thispaperproposedanimprovedseamlesshandoffmanagementcalledSH󰀁HIP,basedonthestudyonhandoffperformanceofMIPv6andHIP.BymakinguseofRVSserverasananchor,whichmaintainsthemappingofID󰀁LOCATORforthehostandrelaystheUPDATEpacketaswell,eachhostcanstillobtainthenewaddressofitspeer.Inthisway,connectionlossisavoided.Thesimulationresultsshowthatthisschemecanreducehandofflatencyandpacketlosssignificantly.Meanwhile,these󰀁curityfeaturesofHIP,suchastheresistancetoDoSandMitMattacksarepreserved.

Keywords:hostidentityprotocol(HIP);hostidentifier;identifiersseparation;networkmobility;seamlesshandoff

󰀁󰀁近年来,随着无线技术的飞速发展,3G通信方兴未艾,4G通信已经成为学术界的研究热点.4G网络将是异构的、具有多个接口的、󰀂全IP 结构的网络[1].它具有更高的数据传输速率、更好的业务质量、更高的安全特性,可随时随地给人们提供网络服务.随着对4G技术研究的不断深入,有两方面始终

收稿日期:2008󰀁07󰀁28

是争论的热点:!在移动场景下,保持通信双方连

接不中断;∀有效抵御各种网络攻击.

移动IPv6(MobileIPv6,MIPv6)是互联网工程任务组(InternetEngineeringTaskForce,IETF)提出的一种解决方案,但它信令开销太大、切换延时过长、丢包率很大,同时它的安全问题

[2]

基金项目:国家自然科学基金重点项目(60832009);国家自然科学基金项目(60872017,60772100)作者简介:郑华贵(1983󰀁),男,广东湛江人,硕士,主要研究方向为下一代全IP网络的无线资源管理.

蒋铃鸽(联系人),女,教授,博士生导师,电话(Tel.):021󰀁34204673;E󰀁mail:lgjiang@sjtu.edu.cn.

󰀁第7期

郑华贵,等:一种改进的下一代无线通信网络移动切换方案󰀁󰀁

1091

也面临严重的挑战,因而不适合实时业务[3].为此,IETF提出了主机标识协议(HostIdentityProto󰀁col,HIP)

[4]

.HIP内置的安全特性最大限度地保

护通信不受威胁,但它不支持双方同时移动的情况.本文在分析MIPv6、HIP切换性能的基础上,基于HIP提出一种改进的无线通信网络移动切换方案,解决同时移动连接丢失的问题,达到提高切换性能的目的,又保持了HIP的安全特性.仿真实验验证了该方案的可行性和有效性.

图2󰀁HIP的层次结构Fig.2󰀁HIPlayerarchitecture

1󰀁MIPv6与HIP

󰀁󰀁HIP协议引入一个新的名字空间∃∃∃主机标识(HostIdentifier,HI).HI是非对称密钥对中的1.1󰀁MIPv6移动切换方案

在MIPv6中,移动节点(MobileNode,MN)在初始入网时由家乡网络分配一个永久的家乡地址(HomeAddress,HoA),当它移动到外地网络时,可以通过有状态或无状态配置获取一个转交地址(CareofAddress,CoA).家乡代理(HomeAgent,HA)负责维持MN的HoA和CoA映射关系.由于通信对端(CorrespondentNode,CN)不知道MN已经发生移动,CN发往MN的数据包,先被路由到MN的家乡网络.数据包被HA截获,再通过隧道发送给MN.MN可以通过反向隧道或者直接的方式向CN发送数据包,前者会增加数据传送的额外开销,后者会产生󰀂三角路由 问题.

MIPv6的切换过程如图1所示.图中:!表示MN向HA发送绑定更新消息,HA返回绑定确认消息;∀表示MN进行返回路由可达过程测试;#表示返回路由可达过程测试成功后,MN向CN发送绑定更新,CN返回绑定确认.

图1󰀁MIPv6切换过程Fig.1󰀁MIPv6handoffprocedure

1.2󰀁HIP移动切换方案

目前网络中,IP地址扮演着󰀂双重角色 [5]

:它既作为网络拓扑的位置标识,也作为主机的身份标识.HIP在网络层和传输层之间引入一个新的子层∃∃∃HIP层,实现网络层和传输层󰀂解耦 ,从而实现主机位置标识和身份标识的分离,如图2所示.

公钥,对HI进行哈希运算得到一个128位序列∃∃∃HIT(HostIdentityTag).HIT和IPv6地址长度相同,可直接用于应用层.上层协议绑定HIT,数据分组到达HIP层,HIT被映射为相应的IP地址.主机移动后,IP地址改变而HIT不变,新的IP地址只需在HIP层重新映射,移动对上层协议透明.HIP初始交换进行4次握手,通过DH算法获得共享密钥,建立HIP安全联盟.此后,通信双方在ESP的保护下进行数据传输.MN移动后需要同时向RVS(Rendezvous)[6]

和CN进行绑定更新,每次更新包括3个步骤(见图3):

󰀁󰀁(1)MN向它的RVS和CN发送更新请求,(见图中!、%).消息中的LOCATOR参数包含MN新的IP地址.

(2)RVS向MN返回UPDATE包(见图中∀),CN向MN返回UPDATE包(见图中&).UP󰀁DATE包中含有ECHO_REQUEST随机序列.

(3)MN向RVS和CN分别回应UPDATE包(见图中#、∋),其中ECHO_RESPONSE复制ECHO_REQUEST随机序列.

图3󰀁HIP的切换过程

Fig.3󰀁HIPhandoffprocedure

󰀁󰀁正如文献[7]中所指出的,HIP协议在无缝切换中存在一些问题.当通信双方同时移动,发往对方原IP地址的更新信令都无法到达.经过若干次重试,连接丢失.双方需要重新进行4次握手交换密

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第43卷󰀁

钥,建立信任关系.由此产生的开销大大浪费网络资源,并且造成很大的切换延时,增大丢包率,影响通信的实时性.

2󰀁改进的移动切换方案SH󰀁HIP

本文利用RVS作为辅助节点,设计一种改进的移动切换机制SH󰀁HIP,使得通信双方在同时移动

的情况下能够保持通信连续性.该方案包括3个更新过程:!向自己的RVS进行更新;∀向CN的RVS进行更新;#向CN进行更新.

当MN移动到新的网络,获得新的IP地址后,启动更新过程.MN把新的IP地址写入LOCA󰀁TOR参数,封装在UPDATE包中,除了向自身RVS更新,还向CN的RVS更新,同时向CN发送该UPDATE包.这3个更新过程是、同时进行的.文献[6]中,RVS的功能只是转发I1包,SH󰀁HIP扩展RVS的功能,使其具有转发UPDATE包的能力.CN收到从MN或者RVS发来的UP󰀁DATE包,只需要进行一次回复.

为了提高安全性,CN收到LOCATOR后,需要进行新地址可达性验证.CN产生一个随机序列,写入ECHO_REQUEST参数封装在UPDATE包中,发往MN.MN收到该UPDATE包,把ECHO_REQUEST中的随机序列拷贝下来,写入ECHO_RESPONSE参数,封装在UPDATE包中进行回应.CN对ECHO_RESPONSE的随机序列进行验证,通过后,新的地址才会启用.

实例1󰀁通信双方同时移动.

󰀁󰀁如图4所示,当双方同时发生移动,原来的IP地址均不再有效.双方向各自的RVS服务器更新IP地址后,启动切换过程.以MN1为例,它先向RVS2和MN2发送UPDATE包,如step1.1和step1.3所示.因为MN1缓存中MN2的IP地址不再有效,所以step1.3的UPDATE包将丢失而无法到达MN2.但MN2获得新IP地址后已经向RVS2更新地址信息,所以RVS2始终保存着MN2最新的IP地址,RVS2收到UPDATE包后,通过MN2的HIT查询出它的IP地址,准确地把UPDATE包转发到MN2,如step1.2所示.MN2收到这个UPDATE包,进行地址可达性的测试,如step1.4所示.MN1对该测试进行应答,如step1.5所示.至此,MN2开始使用MN1新的IP地址进行通信.类似地,MN2向MN1更新它的IP地址(step2.1~2.5),从而完成切换的过程.

图4󰀁通信双方同时移动的切换过程

Fig.4󰀁Handoffprocedureforsimultaneousmovement

󰀁󰀁实例2󰀁CN不移动.

󰀁󰀁如图5所示,在该实例中,只有MN发生移动,而CN没有移动,MN缓存中CN的IP地址继续有效.MN首先向RVS2和CN发送UPDATE包,如step1和step3所示.这时CN将收到2个UPDATE包,它只需对第1个进行应答,如step4所示.MN再对接收到的UPDATE包进行应答,如step5所示.

图5󰀁CN不移动的更新过程

Fig.5󰀁HandoffprocedureforCNnon󰀁movement

3󰀁切换性能分析与仿真结果

假设数据包大小为s,从A节点经由无线和有线链路发送到B节点,所需延时为

t(s,dA-B)=sbwl+󰀁wl+dA-Bsbw

+󰀁w(1)

式中:bwl、bw分别表示无线、有线链路带宽;󰀁wl、󰀁w分别表示无线、有线链路的传输延时和链路层延时之和;dA-B表示AB节点之间有线链路的跳数.3.1󰀁注册更新的信令开销Cu在MIPv6中,MN向HA、CN进行绑定更新,并进行返回路由可达过程测试.在HIP中,MN向RVS和CN进行注册更新.在SH󰀁HIP中,MN除

󰀁第7期

郑华贵,等:一种改进的下一代无线通信网络移动切换方案󰀁󰀁

treg_HIP_2=[t(su,dMN-CN)+twait]Nretry+

t(su,dMN-RVS)+t(su,dRVS-CN)+3t(su,dMN-CN)

(2)(3)

1093

向自己的RVS和CN更新外,还向CN的RVS进行更新:

󰀁Cu_MIPv6=[CMN-AR+2su(dMN-HA+dCN-HA+󰀁󰀁󰀁dMN-CN)+2su(dMN-CN+dMN-HA)]Nm󰀁Cu_HIP=[CMN-AR+3su(dMN-RVS1+

dMN-CN)]Nm

(10)

󰀁󰀁#对于SH󰀁HIP,当CN不移动时,切换延时和

HIP相同,

treg_SH-HIP_1=3t(su,dMN-CN)

(11)

当双方同时移动,发往双方原IP的更新包会丢失,但从各自RVS转发的更新包能正确到达,󰀁󰀁󰀁treg_SH-HIP_2=t(su,dMN-RVS)+󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁t(su,dRVS-CN)+2t(su,dMN-CN)

(12)

󰀁Cu_SH-HIP=[CMN-AR+3su(dMN-RVS1+dMN-CN)+

sudMN-RVS2+sudMN-RVS2]Nm(4)式中:CMN-AR=2su,表示MN获得新IP地址所需的信令开销;su为信令数据包平均长度;Nm为每次会话平均切换次数,Nm=ts/tr,ts为每次会话平均时

间;tr为MN在某个接入路由器中的停留时间.3.2󰀁平均切换延时th

平均切换延时th由3部分组成:

(1)MN发现新子网所需时间td.指从MN断开原来接入路由器,直至连接到新路由器所需时间.如果2个子网重叠区域足够大,断开连接时间为零;最坏的情况是等待一个路由广播的间隔时间tad[8]

,

0󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁tol(tad

td=t2

ad2+tol

2tad-tol󰀁󰀁tol(5)式中,tol表示MN停留在重叠区的时间.

(2)MN获取CoA的时间tc.包括MN发送地址请求和得到确认所需时间,

tc=2t(su,dMN_AR)=2

su

bwl

+󰀁wl(6)

󰀁󰀁(3)MN向相关节点进行注册更新所需时间

treg.

!对于MIPv6,考虑使用优化路由的情况.当CN不移动时,MN和HA之间的更新,与MN和CN之间的更新同时进行,切换延时只与后者有关,

treg_MIPv6_1=4t(su,dMN-CN)(7)如果MN与CN同时发生移动,双方的更新消息都发往原CoA,而此时双方的CoA都不再有效,更新

消息将丢失,重试Nretry次之后,连接中断,需要重新通过HA建立连接:

treg_MIPv6_2=[t(su,dMN-CN)+twait]Nretry+

3t(su,dMN-HA-HA-CN)

(8)

式中:twait为重传等待时间;dMN-HA-HA-CN为MN至HA,HA至CN的HA,再到CN之间的总跳数.

∀对于HIP,当CN不移动时,类似地,切换延时由MN与CN之间的注册时间所决定,

treg_HIP_1=3t(su,dMN-CN)(9)

如果MN与CN同时发生移动,类似地,更新数据包也会丢失,连接中断,需要通过RVS重新连接,

3.3󰀁总丢包数Nloss

在一次会话中,移动节点开始启动切换过程,直至从新地址收到下行链路的数据包,这段时间内丢失的数据包总数用Nloss表示.采取缓存机制可以减少丢包数,本文暂时不考虑缓存机制.󰀁󰀁󰀁󰀁Nloss_MIPv6=th_MIPv6󰀂dNm(13)󰀁󰀁󰀁󰀁Nloss_HIP=th_HIP󰀂dNm

(14)󰀁󰀁󰀁󰀁Nloss_SH-HIP=th_SH-HIP󰀂dNm(15)

式中,󰀂d为下行链路数据包的传输速率.

3.4󰀁仿真结果

本文的仿真实验基于Linux平台[9,10]

,部分实验参数参考文献[8].系统参数为:bwl、bw分别为11、100Mbit/s;󰀁wl、󰀁w分别为2、0.5ms;tad、tol、ts和twait分别为1s、2s、1000s和10ms;󰀂d=Kbit/s,su=48byte,Nretry=3;dMN-HA、dCN-HA、dMN-CN、dMN-RVS1、dMN-RVS2和dCN-RVS2分别为4、4、5、4、4和2.󰀁󰀁图6给出了注册更新信令开销Cu随MN在小区驻留时间tr的变化曲线.

图6󰀁注册信令开销Fig.6󰀁Registrationmessagecost

󰀁󰀁由图可见,tr越小,Cu越大,这是由于频繁移动带来频繁切换所引起的.MIPv6的信令开销最大,HIP由于协议上层绑定的是HIT,IP改变时,只需要通知HIP层对HIT和IP重新映射.在正常情况下,

1094

上󰀁海󰀁交󰀁通󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报

而此时SH󰀁HIP能大大减小th.

第43卷󰀁

SH󰀁HIP比HIP的信令开销稍大,这是因为SH󰀁HIP比HIP多了一个步骤:向对端的RVS进行更新.󰀁󰀁图7给出了单方移动和双方同时移动的平均切换延时th比较.由图可见,单方移动情况下,HIP和

SH󰀁HIP的th基本相同,并且都比MIPv6小.当双方同时移动时,MIPv6与HIP都会产生很大的th,

󰀁󰀁丢包数比较如图8所示.单方移动情况下,HIP与SH󰀁HIP的丢包数Nloss基本相同,与分析结果吻合.而在双方同时移动情况下,SH󰀁HIP能大大减少

丢包数,保证了服务质量.同时可以看出,当tr减小,丢包率显著提高.

(a)单方移动(b)双方同时移动

图7󰀁平均切换延时

Fig.7󰀁Averagehandofflatency

(a)单方移动

图8󰀁丢包总数Fig.8󰀁Totallostpackets

(b)双方同时移动

4󰀁结󰀁语

本文提出的SH󰀁HIP无线网络切换方案,通过对RVS功能进行扩展,使移动主机同时向通信对端和对端的RVS进行注册更新.理论分析和仿真结果表明,在双方同时移动的情况下,SH󰀁HIP不需要中断正在进行的通信,大大减小切换延时和丢包率.同时,能有效抵御拒绝服务攻击以及中间人攻击,提高了网络安全性能.参考文献:

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(下转第1099页)

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周吉超,等:一种基于Markov模型的MIMO󰀁MRC系统自适应调制方法󰀁󰀁

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图5󰀁(2,3)MIMO󰀁MRC系统的Markov󰀁AM

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Fig.5󰀁ASEperformanceofMarkov󰀁AMmodelof

(2,3)MIMO󰀁MRCsystem

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Ireland:

IEEEPress,

2007:

4󰀁结󰀁语

本文给出了一种在MIMO󰀁MRC系统中使用的基于有限状态的Markov模型的自适应调制方法.

建立了MIMO󰀁MRC系统接收机输出信噪比的有限状态的Markov模型,通过数学分析找到了使该Markov模型的每个状态平均频谱效率最大化的调制方式.根据接收机实时输出信噪比所处状态,选取所要采用的调制方式并反馈到接收端.采用Mark󰀁ov模型,可以实时地根据信道的当前条件来确定自适应调制的信噪比门限,选取合适的调制方式,提高准确性.通过在MIMOJakes信道下的仿真实验,验证了该模型的准确性.

󰀁󰀁(上接第1094页)

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