CN100366010C - 一种Wi-Fi网络中移动IP的非均匀切换检测方法 - Google Patents

Abstract

一种Wi-Fi网络中移动IP的非均匀切换检测方法。本发明使用检测AP的MAC地址变化的方法来感知切换的发生；使用非均匀间隔检测模型检测；MN检测到切换发生后，得到了新AP的MAC地址，通过对映射表的查找，MN获得其所进入的ESS中AR的IP地址和子网前缀。使用MN的MAC地址和其邻居ESS的子网前缀构造MN的转交地址，并向其邻居ESS中的AR进行唯一性验证和预注册。本发明的显著发明效果包括：对节点移动性的检测不需要链路层的信标或触发器的支持，而只在网络层实现，能够快速应用在当前已经广泛使用的无线局域网环境中；首次对链路层的切换采用非均匀检测的方法，在有效降低移动检测时延的同时，减小了对移动节点造成的负担。

Description

一种Wi-Fi网络中移动IP的非均匀切换检测方法

所属技术领域

本发明涉及一种Wi-Fi网络中移动IP的非均匀切换检测方法。

背景技术

随着无线技术的成熟和Internet上新业务的不断出现，为移动终端提供诸如语音和视频等多媒体业务已经成为通信技术发展的必然趋势。与3G等技术相比，IEEE 802.11无线局域网(Wi-Fi)技术能够提供更高的信道带宽和灵活的组网方式，其在Internet无线接入方面的应用越来越广泛。此外，IETF最近也发布了移动IPv6标准(RFC 3775)，这一标准必将对Internet无线接入技术的普及产生促进作用。

然而，目前的移动IPv6协议(MIPv6：Mobile IPV6)只是解决了保持移动节点(MN：Mobile Node)在移动过程中的通信持续性问题，由于MN在子网间切换时经过的链路层切换和网络层切换过程会产生较大的时延(一般在秒级)，MIPv6还无法为时间敏感的语音和视频业务提供满意的支持。特别是在Wi-Fi的基础结构(infrastructure)模式下，由于链路层的切换过程没有为网络层提供足够的信息，使得网络层无法及时了解链路层的切换情况，导致了整个切换过程的时延进一步增加。

目前针对移动IP切换过程的方法主要有以下几种：

1、预注册切换、后注册切换和混合式切换方法

有减小切换时延和数据丢失率的三种方法：预注册切换、后注册切换和混合式切换方法。这些方法假定MN在向新的接入点(nAP：new Access Point)切换的过程中，还能够保持与原来接入点(oAP：old Access Pornt)间的通信，切换由链路层的触发器触发。

这些方法能够有效改善移动IP的切换性能，但在Wi-Fi环境下，MN的一个无线接口不能够同时建立两条到AP的链路层连接，因此这些方法无法在当前的Wi-Fi网络中应用。

2、同时切换方案及改进方案

有同时切换的方法，该方法通过用链路层Reassociation请求帧来携带网络层注册信息的方式，使链路层与网络层能够并行进行切换。这种同时切换的方法需要修改MAC层的帧结构，同时也破坏了OSI模型的层间无关性，使协议的扩展能力受到影响。

3、快速切换

有MIPv6快速切换方法(FMIPv6)使用链路层的信标来获得切换即将发生的事件，然后向原接入路由器(oAR：old Access Router)或新接入路由器(nAR：newAccess Router)发出快速绑定更新消息。在链路层切换的过程中和nAR收到MN发出的快速邻居通告消息之前，oAR负责向nAR转发其接收的数据，从而保证切换时数据不丢失。

对FMIPv6的研究表明，FMIPv6有效减小了MN在切换过程中的绑定更新时延，但对减小整个切换过程的时延贡献不大，这是由于切换时延的主要部分是由对nAR的发现过程产生的。

4、快速切换代理

针对FMIPv6的缺陷，快速切换代理机制(FHA：Fast Handover Agent)提出了改进的方法。FHA通过快速切换代理向MN通告AR的信息，以减小MN路由器发现过程带来的时延。

FHA的通告消息由链路层的链路建立事件触发，因此在Wi-Fi网络中，也需要链路层的触发器支持。

5、分层移动IPv6

分层MIPv6移动性管理(HMIPv6)是一种纯粹的网络层机制。HMIPv6通过对网络进行分层的方法，减少了MN与通信对端(CN：Correspondent Node)和家乡代理(HA：Home Agent)间的信息交互数量，把MN的移动性屏蔽在小范围的网络内。

当MN进行子网间的切换时，HMIPv6沿用了MIPv6的方法，因此切换时延没有得到改善。

6、周期性切换检测

有另一种在Wi-Fi环境下网络层的切换机制。该方法通过周期性地检测MN的MAC地址的改变情况来感知MN是否发生了切换。在得知切换发生后，MN通过向一个固定的MAC地址进行查询的方法来快速获得新的子网中的nAR的信息。这种机制有效减少了MN在切换检测和路由器发现过程中的时延，同时其切换检测也不需要链路层的触发机制支持和对链路层进行改变。

这种方法的缺陷在于，周期性的MAC地址检测加重了MN的负担。此外，nAR的发现过程需要链路层的支持。

发明内容

目前的MIPv6快速切换算法均需要链路层的支持，因而无法使用在当前广泛应用的Wi-Fi网络环境中。针对这一问题，本发明提出了不需对链路层的协议进行修改，也不需要链路层触发机制支持的新型切换检测方法的一种Wi-Fi网络中移动IP的非均匀切换检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

步骤1：本发明使用检测AP的MAC地址变化的方法来感知切换的发生；

当MN处于一个ESS中时，通过AR获得该ESS中的各个AP的MAC地址，并进行缓存。在移动的过程中，MN标记当前所附着的AP的MAC地址，并每隔一个时间间隔再次检测。如果本次检测到的MAC地址与前次标记的地址不一致，则说明MN已经附着在了新的AP上。通过与缓存中MAC地址的对比，MN就能够知道是否进入了一个新的ESS。

步骤2：使用非均匀间隔检测模型检测；

非均匀间隔切换检测的描述如下：

Δt＝βA

β＝g(x)＝g(I(x))

上述各式中，Δt为检测间隔；A为最大检测间隔；β称为间隔比例；g(x)为检测间隔压缩特性函数，是一个非线性的函数；I(x)为切换强度函数，表征了MN在x处时发生切换的可能性的大小，切换强度越大，表明MN发生切换的概率越大；x为MN在移动过程中的位置。

步骤3：MN检测到切换发生后，接下来就需要获得新接入路由器nAR的IP地址，一个ESS中的AR通过与邻居ESS的AR交互通告消息，获得邻居ESS中AR的IP地址和其中的AP的MAC地址，并建立IP地址到MAC地址的一对多的映射关系，称为ESS的映射表，当MN处于某一个ESS中时，通过其附着的AR就可以得到与当前所处ESS邻接的ESS的映射表，一旦MN检测到切换发生，并得到了新AP的MAC地址，通过对ESS的映射表的查找，MN获得其所进入的ESS中AR的IP地址和子网前缀，

步骤4：在上述的切换检测过程中，设定转交地址预注册门限ψ，当β≤ψ时，MN向原接入路由器oAR发出预注册请求，原接入路由器oAR采用RFC2462的无状态地址自动配置方法，使用MN的MAC地址和其邻居ESS的子网前缀构造MN的转交地址，并向其邻居ESS中的AR进行唯一性验证和预注册，如果预注册成功，原接入路由器oAR向MN发出预注册应答消息，邻居ESS中的AR对该转交地址进行标记，并设定一个预注册定时，当MN进入某一个ESS时，MN使用自身的MAC地址和当前进入的ESS的子网前缀构造转交地址，并立即使用该地址与当前进入的ESS中的AR建立连接，AR将其为MN标记的预注册地址变为占用状态，同时告知MN的原AR取消对MN的转交地址的预注册，如果此时还在MN的预注册定时时间内，原AR告知其邻居ESS取消对MN的预注册。

本发明的显著发明效果包括：对节点移动性的检测不需要链路层的信标或触发器的支持，而只在网络层实现，能够快速应用在当前已经广泛使用的无线局域网环境中；首次对链路层的切换采用非均匀检测的方法，在有效降低移动检测时延的同时，减小了对移动节点造成的负担，而且节省了用于移动节点位置检测的无线链路资源；采用缓存的IP地址与MAC地址映射机制进行AR地址的获取，实现了移动节点转交地址的预注册，减小了切换过程中转交地址配置造成的时延。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是非均匀切换检测的流程图。

图2是移动节点在ESS间切换的移动检测图。

图3是非均匀切换检测的压缩特性图。

具体实施方式

实施例：下面给出实施本发明中提出的方法的一种具体实例，如图1的流程所示；

步骤1：比较AP的MAC地址是否变化。在无法得到链路层是否切换的信息的情况下，MN的移动检测是一种被动的行为，而且AR频繁通过广播的方式在AP的无线端口上发送RA消息也占用了较多的无线资源。由于Wi-Fi硬件能够向网络层提供MN当前所附着的AP的标识，即MAC地址，本发明使用检测AP的MAC地址变化的方法来感知切换的发生。如果MAC地址发生变化，执行步骤2，否则转向步骤7。

步骤2：当MN处于一个ESS中时，通过AR获得该ESS中的各个AP的MAC地址，并进行缓存。

步骤3：根据新AP的MAC地址，在缓存列表中查找新AP的IP地址。MN检测到切换发生后，接下来就需要获得nAR的IP地址，下面给出一种通过IP地址与MAC地址映射来加快获得AR的IP地址的机制。这种机制的基本思想是，一个ESS中的AR通过与邻居ESS的AR交互通告消息，获得邻居ESS中AR的IP地址和其中的AP的MAC地址，并建立IP地址到MAC地址的一对多的映射关系。当MN处于某一个ESS中时，通过其附着的AR就可以得到与当前所处ESS邻接的ESS的映射表。一旦MN检测到切换发生，并得到了新AP的MAC地址，通过对映射表的查找，MN就能够立即获得其所进入的ESS中AR的IP地址和子网前缀。

骤4：构造转交地址CoA，并与新AR连接。oAR采用RFC2462的无状态地址自动配置方法，使用MN的MAC地址和其邻居ESS的子网前缀构造MN的转交地址，并向其邻居ESS中的AR进行唯一性验证和预注册。如果预注册成功，oAR向MN发出预注册应答消息。邻居ESS中的AR对该转交地址进行标记，并设定一个预注册定时。当MN进入某一个ESS时，MN使用自身的MAC地址和当前进入的ESS的子网前缀构造转交地址，并立即使用该地址与当前进入的ESS中的AR建立连接。

步骤5：新AR通过网络告知原AR取消预注册。AR将其为MN标记的预注册地址变为占用状态，同时告知MN的原AR取消对MN的转交地址的预注册。如果此时还在MN的预注册定时时间内，原AR告知其邻居ESS取消对MN的预注册。

步骤6：转向步骤1。

步骤7：根据数据包的往返时间获得x。

步骤8：利用非均匀切换检测模型计算Δt。假设MN处于图2所示的网络环境中，当前MN所处的位置到AP1距离为x，AP1的最大覆盖范围为d。

令检测间隔压缩特性函数采用如下的形式：

$\mathrm{\β}=g\left(x\right)=\frac{\ln (1+\mathrm{\μ}(1-I\left(x\right)))}{\ln (1+\mathrm{\μ})},(\mathrm{\μ}>0,d>x>0)$

在压缩参数μ取不同的值时，压缩效果如图3所示。

根据IEEE 802.11标准，MN决定是否进行切换的条件是无线信号的强度或信噪比下降到一定的门限，在无线信号不受除空中传输衰耗外的其它影响的条件下，有：

Pr(x₁)≥Pr(x₂)，x₁≥x₂≥0

其中Pr(x)是MN到AP1的距离为x时发生切换的概率。

由于MN的切换强度只用于计算切换检测的时间间隔，而不对实际的链路层切换的操作过程产生影响，因此可以通过选择适当的切换强度函数来近似描述切换概率的变化趋势。令L表示MN发生切换时由下式计算得到的值，并设L服从的负指数分布：

$l=\frac{x/d}{d-x},0<x<d$ f_L(l)＝λe^-λl，l＞0

x为MN到AP1的距离

可得L的分布函数：

F_L(l)＝1-e^-λl，l＞0

把L的分布函数作为切换强度，在一给定的位置x^*上，可得MN的切换检测间隔为：

$\mathrm{\&Delta;t}=\mathrm{\&beta;A}=g\left(l\right)A=A\frac{\ln (1+\mathrm{\&mu;}{e}^{-\mathrm{\&lambda;l}})}{\ln (1+\mathrm{\&mu;})}=A\frac{\ln (1+\mathrm{\&mu;}{e}^{-\mathrm{\&lambda;}\frac{x^{*}}{d(d-x^{*})}})}{\ln (1+\mathrm{\&mu;})}$

步骤9：令Δt与预设置的门限值相比较，如果Δt大于门限值，延时Δt后转向步骤1。

步骤10：通知原AR进行预注册，延时Δt后转向步骤1。

对MN所附着AP的MAC地址进行比较的间隔是非均匀的，比较间隔的长短与MN在进行比较的时刻发生切换的概率有关。

Claims (1)

1.一种Wi-Fi网络中移动IP的非均匀切换检测方法，其特征是采用下面的步骤；

步骤1：当MN处于一个ESS中时，通过AR获得该ESS中的各个AP的MAC地址，并进行缓存，在移动的过程中，MN标记当前所附着的AP的MAC地址，并每隔一个时间间隔再次检测，如果本次检测到的MAC地址与前次标记的地址不一致，则说明MN已经附着在了新的AP上，通过与缓存中MAC地址的对比，MN就能够知道是否进入了一个新的ESS，

步骤2：使用非均匀间隔检测模型检测；

非均匀间隔切换检测的描述如下：

Δt＝βA

β＝g(x)＝g(I(x))

上述各式中，Δt为检测间隔；A为最大检测间隔；β称为间隔比例；g(x)为检测间隔压缩特性函数，是一个非线性的函数；I(x)为切换强度函数，表征了MN在x处时发生切换的可能性的大小，切换强度越大，表明MN发生切换的概率越大；x为MN在移动过程中的位置，

步骤3：MN检测到切换发生后，接下来就需要获得新接入路由器nAR的IP地址，一个ESS中的AR通过与邻居ESS的AR交互通告消息，获得邻居ESS中AR的IP地址和其中的AP的MAC地址，并建立IP地址到MAC地址的一对多的映射关系，称为ESS的映射表，当MN处于某一个ESS中时，通过其附着的AR就可以得到与当前所处ESS邻接的ESS的映射表，一旦MN检测到切换发生，并得到了新AP的MAC地址，通过对ESS的映射表的查找，MN获得其所进入的ESS中AR的IP地址和子网前缀，

步骤4：在上述的切换检测过程中，设定转交地址预注册门限ψ，当β≤ψ时，MN向原接入路由器oAR发出预注册请求，原接入路由器oAR采用RFC2462的无状态地址自动配置方法，使用MN的MAC地址和其邻居ESS的子网前缀构造MN的转交地址，并向其邻居ESS中的AR进行唯一性验证和预注册，如果预注册成功，原接入路由器oAR向MN发出预注册应答消息，邻居ESS中的AR对该转交地址进行标记，并设定一个预注册定时，当MN进入某一个ESS时，MN使用自身的MAC地址和当前进入的ESS的子网前缀构造转交地址，并立即使用该地址与当前进入的ESS中的AR建立连接，AR将其为MN标记的预注册地址变为占用状态，同时告知MN的原AR取消对MN的转交地址的预注册，如果此时还在MN的预注册定时时间内，原AR告知其邻居ESS取消对MN的预注册。

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