1 引言

移动计算和移动网络已经逐渐成为了应用系统研究的主流方向之一，其应用面覆盖了小到飞机、轮船和汽车的移动计算设备，大到卫星全球定位系统等多个不同层次。目前单个接入点所能覆盖的范围十分有限，移动节点发生跨区域切换和频繁切换的可能性较高。在文章的第二部分总结了现有的解决方案，它们都可以显著减少移动节点的切换时间。

NAT实现网络地址转换功能。通过NAT可以实现私网与外网的隔离。NAT作为一种安全的技术能够有效保护私网主机的安全。NAT对外出的和外来的网络通信都可以使用。从外出数据包的角度看，NAT允许内部主机共享一个或者多个IP地址；从外来数据包的角度看，NAT把公共地址映射到不同主机的私有地址，使数据包能够到达正确的目的地。

本文在预注册方法与后注册方法的基础上提出了两者相结合的改进办法。可以进一步减少切换时延。此外，还提出将NAT穿透技术与移动节点通信相结合，解决了私网条件下移动节点的互相通信问题。文章末尾还利用petri网建模的方式，验证了改进方法的有效性。

2、基于私网穿越的移动IP无缝切换机制

本文要讨论的问题是移动IPv4的私网穿越问题。所谓无缝切换是指同时具有低延迟切换和低损失切换两种切换优点的切换方式。本节在分析原有的预注册方法的交互过程基础上，提出了改进的方法。

2.1预注册方法

对于低延迟切换采用一种改进的预注册与后注册相结合的切换方法。对于低损失切换采用一种多层次的区域注册的方法(利用GFA)。预注册的过程可以用图1来描述。

a. 原来的外部代理向移动节点即将切换到的新的外部代理发出代理路由请求以便获得新的外部代理的IP地址或者链路层地址（比如mac地址）。

b. 新的外部代理以广播的形式返回自身的IP地址或者链路层地址。

c. 移动节点向原来的外部节点请求新的外部代理的地址。如果没有这一步说明链路层切换是由网络发动的。否则是由移动节点自主发动的。

d. 原来的外部代理向移动节点返回新的外部代理的地址。

e. 移动节点开始向新的外部代理移动。此时，移动节点会向新的外部代理注册。注意到此时还在链路层切换的阶段，实际上并没有建立移动节点到新的外部代理的物理连接。因此，请求实际上通过原来的外部代理进行转发。

f. 新的外部代理向网关外部代理（GFA）进行区域注册。

g. 如果移动节点移动到了另外的网关代理的范围，则重新注册全局COA。

h. 本地代理返回GFA地址作为移动节点新的全局COA。

i. GFA向新的外部代理转发本地代理的注册回复。

j. 新的外部代理向移动节点转发注册回复。注册回复中包括本地COA和全局COA。

图1 预注册方法

2.2 改进的预注册方法与后注册方法的结合方法

原来的相结合的方法是在预注册的方法启动的时候加入一个计时器来设定超时时间，一旦没有在预期的时间内返回注册应答也就是说在正式切换前没有提前完成链路层的切换。这个时候启动后注册的方法建立多个外部代理之间的双向隧道。而改进的预注册与后注册相结合的方法是在预注册的过程中并行加入后注册的方法。

在步骤a中增加：由原来的外部代理向新的外部代理发送切换请求(Handoff request) 在步骤b中增加：在接到切换请求之后新的外部代理发送切换恢复(Handoff reply) 通过增加的部分，可以建立起原来的外部代理与新的外部代理之间的双向隧道。于是在链路层切换没有完成之前节点都可以通过这个双向隧道保持相互的连接不中断。与原来的预注册方法失败之后再调用后注册方法的结合方法相比，改进的方法节约了失败之后建立双向隧道所需的时间，进一步减少了延迟。

2.3 私网穿越

为了能够使得私网的移动结点可以在公网上通信，可以使用NAT穿透技术来解决这一问题。在原型设计中可以把NAT和GFA放在一起考虑。也就是说用软件的方式在同一台服务器上实现NAT和GFA。

X是位于公网上的全局节点，MH是位于GFA/NAT后面的私有节点。X向HA发送以MH为目标节点的数据包。初始化的时候，X、MH各自向各自的GFA进行区域注册。获得了FA和GFA的地址，即LCOA与GCOA。

X请求到MH的数据包首先封装在到FA的IP负载中路由到FA，FA为了穿透防火墙用UDP封装ESP隧道发给GFA，GFA经过地址变换后发送到HA。HA收到数据包之后取出最里层的原始信包，再把信包传递给MH。由于X，MH都已经知道了对方的终端，下一步它们各自GFA就可以直接通信了。当然，所用的穿透方法还是用UDP封装ESP隧道。

3系统建模与性能评价

本节针对改进的方法，利用petri网进行系统建模，得到如图2的滑动窗口协议的链路层快速切换有色网。系统的吞吐量是评价系统性能的主要指标之一，通过GSPN的吞吐量上下界估值法可以比较改进前后系统的性能。

3.1 petri网模型

用ti表示变迁，pj表示库所。各标记的含义说明如下(表1)：

表1 变迁与库所的含义

在使用petri网进行建模的过程中假设：链路层使用类似滑动窗口的简单链路层控制协议。发送窗口的大小为3，接收窗口的大小为1；对于移动节点的预注册与后注册变迁序列折叠成t12和t13。这样做不影响我们对于基本性能的评判。

图2 使用改进方法的协议的有色网

3.2基于吞吐量的性能评价

为了能够比较改进前后系统的吞吐量，考虑使用GSPN（广义随机Petri网）模型对系统进行转化并且假设模型是有界的、活的、守恒的和变迁实施速率与标识无关。吞吐量上下界的求解是基于网结构控制级别的分解和界限值等价替代完成的。

将原来的有色网改成GSPN，如图3所示。图中的t1i表示网络层注册相关的变迁。t2j表示定时器相关的变迁。t3k表示链路层的滑动窗口协议相关的变迁。

图3 对应的GSPN

假设协议的传输错误率是0.2，建立双向通道的时间一定小于移动IP注册的时间，预注册所需时间与定时器超时时间相等。定时器超时速率约等于错误接收的速率，也就是选择重发的速率。发送验证结果到发送方的速率约等于加入比较队列的速率，也等于预注册所需的时间。一般来说，移动IP注册(t15)、定时器超时(t22)、选择重发(t23)、错误接收(t35)、加入ack比较队列(t37)、发送验证结果到发送方(t38)相对于其他变迁需要更多的时间来执行，假设它们的速率是其他变迁实施速率的1/5。可得全部变迁实施速率分别为λ12=λ13=λ14=λ36=1; λ15=λ22=λ23=λ35=λ37=λ38=1/5。

该GSPN包含三个控制级别。按照控制层的大小进行逐层处理。最里层的控制级别是与p1构成的三个子网：<t22,t23,t31,t32>子网1和<t33,t38,t31,t32>子网2以及<t34,t35,t37,t38,t31,t32>子网3。

子网1的吞吐量(x22=x23=x31=x32)=min((子网标记数量/子网总延时),(1/瓶颈服务时间))=min((3/1+1+5),(1/5))=0.2子网2的吞吐量(x33=x38=x31=x32)=min((3/1),(1/1))=1。子网3的吞吐量(x34=x35=x23(x38)=x39=x31=x32)=min((3/5+1+1),(1/5))=0.2。

由于子网1的吞吐量小于子网2和子网3的吞吐量，忽略子网2、子网3的作用。删除与p1以及相联系的弧,并且用单一的变迁tg(D=1)来替代公共通路。

在化简后的网中还存在与p3相关联的两个子网：<t38,t39,tg,t36>子网1和<t37,t11,t12,t13,max(t14,t15),t16,t39,tg,t36>子网2。子网1的吞吐量（x38=x39=xg=x36）=min((3/1+1+5),(1/5))=0.2。子网2的吞吐量(x37=x11=x12=x13=x14(假设t14实施速率小于t15)=x16=x39=xg=x36)=min((4/1+1+5*3+1+5),(1/5))≈0.174<0.2。

由于子网2的吞吐量小于子网1的吞吐量，所以忽略子网1的作用。剩下的网中不存在控制标记。原方法的吞吐量上界=min((1/2+5*4),(1/5))≈0.045，改进方法的吞吐量上界≈0.059。

求解吞吐量的下界，同样首先考虑p1的三个子网，假设αi=αj则三个等效变迁的实施速率为1/7,1和1/7。再考虑与p3相关的两个子网的等效实施速率。子网1显然为1/13(7+1+5)。子网2在使用原来的方法时(走上面的通路)速率为1/29，在使用改进的方法时(使用下面的通路)为1/24。在剩余的网中不含控制标记，吞吐量下界在使用原来的方法时为1/45，在使用改进方法时为1/40。

综上所述，改进方法的吞吐量上、下界较原来的方法都有提高。这证明了改进方法的有效性。

4 结束语

移动IP的切换机制除了需要考虑效率问题之外，另一个主要问题是移动节点与外部节点以及本地节点之间的认证。如何在不损失性能的前提下，加入安全认证机制是一个很需要深思的问题。从模型仿真分析角度看，如何通过对现有的无线协议，比如IEEE 802.11b等进行复杂系统进行精细建模和仿真也是一个重要的课题。

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参考文献:

[1].t12datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/t12_1178952.html.