层次移动IPv6协议简介和优化方案

1.层次移动IPv6 (HMIPv6)基本术语

与MIPv6 相比，HMIPv6 新增了以下术语:

(1)移动停靠点(Mobility Anchor Point，MAP): MAP 的作用相当于本地HA，属于RME (区域移动实体)中的一种，它用于管理主机在区域内的移动性问题。一个区域可以有一个或多个MAP。

(2)地区关照地址(Regional CoA，RCoA): RCoA 是MH 在外地网络中获得的地址，其前缀为MAP 的前缀，是MH 在区域内的身份标识。它由MH 根据获得的MAP 前缀和自身的介质访问控制(MAC)地址自动配置而成。

(3)链路上关照地址(on-Link CoA，LCoA): LCoA 也是MH 在外地网络中获得的地址，其前缀为AR 的前缀，是MH 在区域内的位置标识。它由MH 根据获得的AR 前缀和自身的MAC 地址自动配置而成。

2.HMIPv6 消息

HMIPv6 的操作需要在MIPv6 的基础上增加以下主要消息:

(1)本地绑定更新(Local Binding Update): 该消息由MH 发送给MAP，使其记录MH的RCoA 和LCoA 的关系。

(2)本地绑定更新响应(Local Binding Acknowledge): 该消息由MAP 发送给MH，作为收到本地绑定更新消息的响应。

3.HMIPv6 工作机制

作为基于隧道型的微移动管理方案的典型代表，HMIPv6 的主要思想是将整个网络分为多个区域，每个区域的路由器部署成层次型结构。HMIPv6 通过在区域中放置MAP 来代替HA 管理MH 在区域内的移动，使MH 的微移动对HA 透明，帮助MH 实现快速切换、减少MH 与外部网络的信令交互。在HMIPv6 中，一个子网中可存在一个或多个MAP。HMIPv6 的工作机制如图5-4-3 所示，图中的虚线表示两实体之间可能由多跳网络结点连接。

图5-4-3　HMIPv6 工作机制

(1)当MH 进入一个新的MAP 区域时，它将通过路由器广播(Router Advertisement，RA)消息获得所接入的AR 的IP 地址前缀和该AR 所属的MAP 的IP 地址前缀。于是，MH使用无状态地址自动配置(Stateless Address Auto- configuration)的方式形成两个地址:LCoA 和RCoA。其中，前者为MH 的实际位置标识，后者为MH 在区域中的身份标识，且LCoA 地址由所接入的AR 的IP 地址前缀和MH 的MAC 地址构成，而RCoA 地址由MAP 的IP 地址前缀和MH 的MAC 地址构成。

(2)在获得LCoA 和RCoA 后，MH 向MAP 发送本地绑定更新消息，使MAP 将MH 的LCoA 和RCoA 进行绑定。

(3)MAP 收到本地绑定更新消息后，将对MH 的RCoA 进行重复地址检测(Duplicate Address Detection，DAD)，避免同一链路的不同接口享用同一IP 地址。如果DAD 成功，则MAP 将向MH 返回指示注册成功的本地绑定响应消息；否则，返回带有相应故障代码的本地绑定响应消息。

(4)在收到MAP 发来的用于指示注册成功的本地绑定响应消息后，MH 需向HA 执行家乡注册过程，目的是使HA 将MH 的RCoA 和家乡地址绑定，告知HA 自己当前所在的MAP 区域。

(5)在保障安全的情况下，MH 也可以向CH 进行“通信对端绑定”，使CH 记录下MH的RCoA 和家乡地址的映射关系。(www.xing528.com)

(6)MAP 扮演区域HA 的角色，截获所有发往MH 的RCoA 地址的分组，查找保存的<RCoA，LCoA>的映射关系，然后对这些分组进行隧道封装。设置外层IPv6 报头的目的地址为MH 的LCoA，外层IPv6 报头的源地址为MAP 地址，由此将分组正确地转发到MH的当前位置。当然，如果区域内的主机想要发送分组至域外主机，则也必须通过MAP 与MH 之间的隧道。此时，外层IPv6 报头的源地址为MH 的LCoA，外层IPv6 报头的目的地址为MAP 地址；而内层IPv6 报头的源地址为MH 的RCoA，内层IPv6 报头的目的地址为目的主机地址。

(7)MH 在MAP 区域内发生了切换。当MH 从AR1 切换到AR2 时，则仅需执行(1)和(2)过程。在这个过程中，MH 改变了它的LCoA，于是，MH 向MAP 执行区域注册，使MAP 记录下MH 的新的LCoA 和RCoA 的映射关系。由此，MAP 能够在MH 进行区域移动后，仍然能将分组通过与MH 之间的隧道，正确地传送至MH 的当前位置。此外，由于MH发生区域移动时，其RCoA 并没有发生改变，因此MH 无须向HA (或者CH)进行家乡注册(或者通信对端绑定)，从而实现了MH 的区域移动对HA 和CH 的透明性，加速了MH 的切换进程。

(8)MH 发生了MAP 区域之间的切换。当MH 从AR2 切换到AR3 时，则需重新执行上述的(1)～ (5)过程，使新的MAP 记录<RCoA，LCoA>的映射关系，使HA 或CH 记录<RCoA，家乡地址>的映射关系。

MIPv6 协议作为IPv6 协议关于移动性管理的扩展方案，虽然能使用户在移动过程中无须更换IP 地址也能实现不间断的通信，但它不能支持主机的高速移动。因为MIPv6 协议规定: 一旦MH 发生切换，MH 就必须向HA 进行家乡注册。在这样的协议操作下，主机移动速度越快，MH 发生切换的频率就会越高，导致MH 频繁向家乡代理进行家乡注册。家乡注册的过程，对MH 而言，会增加切换时延，导致用户获得的QoS 下降；对系统而言，会增加信令冗余，且信令冗余会随着网络中主机数量的增加，以及主机与HA 距离的增加而增加。

为了解决上述问题，研究者在MIPv6 的基础上提出了许多扩展的移动管理方案。这些方案的主要思想是: 将网络分区，使整个网络由若干区域组成。当MH 在区域内移动时，称为域内移动，也叫微移动；当MH 在区域之间移动时，称为域间移动，也叫宏移动。当微移动发生时，使用扩展的移动管理方案来进行移动性管理；当宏移动发生时，使用MIPv6 来进行移动性管理。由于作用范围不同，因此又称MIPv6 为宏移动管理方案，称扩展的移动管理方案为微移动管理方案。

目前，存在多种微移动管理方案，如Cellular IP、Cellular IPv6、HAWAII、HMIPv6、MIPv4 区域注册、MIPv6 区域注册、区域MIPv6、TeleMIP、IDMP 等。根据主机定位方式的不同，可以把众多微移动管理方案分为两大类: 基于主机路由型的微移动管理方案和基于隧道型的微移动管理方案。

1)基于主机路由型的微移动管理方案

基于主机路由型的微移动管理方案的基本思想如图5-4-4 所示。该类方案为区域中的每个MH 分配一个IP 地址作为标识，该地址可能是网关地址，也可能是网关采用类似动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP)为MH 分配的地址。MH在获得该地址后，将其作为CoA，并向HA 注册。当MH 在区域内移动时，该地址保持不变。

图5-4-4　基于主机路由型的微移动管理方案

由于MH 在区域内的标识不变，因此该类方案更适合与目前IETF 提出的一些QoS 模型(如RSVP 和MPLS 等)集成。因为这些QoS 模型在设计时，均认为主机的标识是不变的。然而，不变的标识使网络在定位主机时，需要采用主机路由方式。这种方式要求区域内从网关到MH 之间的沿途路由器记录与MH 相关的路由信息。为了达到这一目的，MH 需要隐式(如发送探测分组)或显式地发送信令至网关，使网关至MH 之间的路由器记录能路由至MH 的下一跳信息。为了使该信息能准确地反映到达移动主机的路由，基于主机路由型的微移动管理方案要求MH 周期性地发送隐式(或显式)信令，以更新网络结点中与MH 相关的路由信息。这样，当MH 切换到另外一个接入点时，无效的路由信息会因为没有被及时更新而被相应的路由器删除，这实际上是一种“软状态”的位置信息保存方式。“软状态”方式增加了网络中的信令冗余，并且使网络的可扩展性变差，因为位置信息的查找复杂度会随着网络内主机数量的增加而急剧增加。

2)基于隧道型的微移动管理方案

基于隧道型的微移动管理方案的基本思想如图5-4-5 所示。

图5-4-5　基于隧道型的微移动管理方案

基于隧道型的微移动管理方案为区域中的每个MH 分配两个地址: 一个作为区域内的身份标识，另一个作为区域内的位置标识。为了将这两个地址绑定，基于隧道型的微移动管理方案在区域内引入区域移动管理实体(Regional Mobility Entity，RME)，以代替HA 管理MH在区域内的移动。当MH 发生微移动时，MH 仅需向RME 进行区域注册，告知RME 自己的当前位置。只有当MH 发生域间移动时，MH 才需向HA 进行家乡注册，告知HA 自己的当前区域。这样，无论MH 在域内如何移动，RME 都能获知MH 在区域内的确切位置，从而能将分组正确地通过隧道方式转发给MH，实现MH 的域内移动对HA 的透明。由于位置信息仅保存在RME 中，且位置信息的保存不需要MH 使用周期性的信令(或分组)进行更新，因此基于隧道型的微移动管理方案具有良好的可扩展性，而这一优点也使该类方案成为微移动管理方案的发展方向。

作为基于隧道型的微移动管理方案的典型代表，HMIPv6 由于其简单有效的优点吸引了很多研究者的关注，并最终成为目前众多微移动管理方案中的唯一标准——RFC 4140。虽然HMIPv6 是作为MIPv6 的扩展协议而提出的，但是HMIPv6 并不是在任何情况下都能比MIPv6 的性能要好。换句话说，在不同的条件下，MIPv6 和HMIPv6 表现出不同的性能。