子网丢包率

收稿日期:2004-12-03;修返日期:2005-04-14基金项目:国家"863"计划资助项目(2003AA121540);重庆邮电学院博士科研启动基金资助项目基于MPLS的层次微移动协议的性能分析*唐丽均,陈前斌,刘兴潜,聂能,隆克平(重庆邮电学院光互联网及无线信息网络研究中心,重庆400065)摘要:基于MPLS的层次微移动协议是在MPLS网络支持移动性的一种机制,在这种机制中数据包的转发不再基于传统的IP路由,而是基于标签交换路径(LSP)通过标签交换将数据转发出去.
对比讨论了层次微移动IP协议和基于MPLS的层次微移动协议,并通过仿真对这两个协议的性能进行了比较和分析,包括数据包的端到端延迟、切换时延和切换期间的丢包率等.
关键词:多协议标签交换;移动IP;层次微移动协议中图法分类号:TP393.
04文献标识码:A文章编号:1001-3695(2005)06-0207-02PerformanceofMPLS-basedHierarchicalMicromobilityProtocolTANGLi-jun,CHENQian-bin,LIUXing-qian,NIENeng,LONGKe-ping(SpecialResearchCentreforOpticalInternet&WirelessInformationNetworks,ChongqingUniversityofPosts&Telecommunications,Chongqing400065,China)Abstract:MobileMPLSisamechanismthatcansupportmobilityintheMPLSnetwork.
Forthemechanism,datapacketsfor-wardingarebasedonLSPthroughlabelswitchinsteadoftheconventionalIProute.
Therefore,theintegrationofMPLSandMIPcanimprovethespeedofIPdataprocessgreatly.
ThroughsimulationtheendtoenddelayfordatapacketsfromCNtoMH,handoffdelayandlossrateduringhandoffperiod,anddatautilizationbetweenhierarchicalmicro-mobileMPLSprotocolandhierarchicalmicro-mobileIParedemonstrated.
Keywords:MPLS;MobileIP;HierarchicalMicromobilityProtocolMPLS[1]是一种基于定长标签转发的分组转发机制,它在MPLS域的入口标签交换路由器(LSR)对分组进行标签赋值,随后基于标签进行分类转发.
因此在MPLS网络中,核心LSR转发分组只查看标签,而IP头的分析只在边界路由器进行一次.
移动IP[2,3]是移动节点在改变网络接入点时,不必改变其IP地址,能在移动过程中保持通信的连续性.
传统的MPLS并不支持移动性,目前已经有一些结合移动IP和MPLS在MPLS网络支持移动性的方案[4,5].
这些结合方案,从理论上分析是提高了移动IP数据包转发处理速率,但由于方案在理论和实现上的复杂性,目前文献上缺乏对这一方案的较充分的性能评估.
本文对比分析了层次微移动IP协议和基于MPLS的层次微移动协议,主要通过仿真考查了它们在端到端延迟、切换时延和切换期间的丢包率等方面的性能,并分析了造成性能差异的原因.
1层次微移动IP在传统的移动IP网络中,当移动主机(MH)进入一个新的外地网络时,它将发送一个新的注册消息给这个网络的外地代理(FA)[2];FA将通过IP路由转发这个消息给移动主机的归属代理(HA);当HA收到这个注册消息,并从中得知MH的转交地址(COA),将MH的归属地址和转交地址存放在绑定缓存中,完成家乡地址和转交地址的绑定,并发送注册应答给FA;FA再转发应答消息给MH完成注册过程.
如果MH定位到一个外部域,当通信节点(CN)发送分组给它时,分组将被HA截获并对它进行IP封装,然后沿HA与FA之间的IP隧道基于IP路由转发到MH的转交地址.
在层次微移动IP协议[3]中,一个大的移动IP域包含几个小的子网,每个子网都有自己的FA,几个子网有共同的域外部代理(DFA).
当MH从一个子网移到另一个子网时,MH通过新的FA向DFA发起注册消息,而不再发给HA,DFA收到注册消息完成MH归属地址和新的转交地址的绑定更新,通过新的FA发送注册应答消息给MH完成注册过程.
CN发送给MH的分组被DFA截获,根据路由表发给MH.
对于传统的移动,移动主机无论何时移动到一个新的IP网络,都必须通过FA向HA发起注册请求,其中的处理过程将会很长.
在层次微移动IP网络中,MH在子网之间移动只需到域外部代理注册,减少了切换时延,同时也降低了切换期间的丢包率.
2层次微移动MPLS为了提高数据包的转发处理速率和实现QoS的保证,考虑将MPLS与层次微移动IP结合起来,从而形成了层次微移动MPLS[5].
图1是多个MPLS域的层次结构,它包含多个MPLS域,每个域又由几个子网组成.
在这个层次移动MPLS网络中,无论什么时候移动主机从一个子网移动到另一个子网都只需向域外部代理(DFA)发起注册,不必到HA注册.
·702·第6期唐丽均等:基于MPLS的层次微移动协议的性能分析在层次微移动MPLS体系中,MH通过收到来自FA的广播消息判断自己是在归属网络或是外地网络.
当移动主机确定自己在外地网络时,它会从FA处获得一个暂时的COA,并向FA发送注册请求消息,FA通过IP路由转发请求消息给DFA而不是移动主机的HA,然后DFA转发注册消息给HA,当HA收到注册消息获得DFA的IP地址,它以DFA的IP地址作为FEC向FDA发送一个标签请求消息.
FDA回发一个标签映射消息给HA同时发送一个标签请求消息给移动主机所在子网的FA.
当HA收到标签映射消息时,HA与DFA之间的LSP建立完成.
同样,FA也将发送一个标签映射消息给DFA从而完成FA到DFA之间的LSP的建立;然后HA会检查标签表项,把以MH的归属地址作为FEC的条目中的出端口和出口标签修改为与HA到DFA的LSP表项中的值相同;最后HA沿着HA至DFA之间的LSP向DFA发送一个注册应答消息,DFA将通过LSP转发这个应答消息给FA.
当FA收到这个应答消息时,它在标签表中增加一个条目把从应答消息中获得的标签值和端口号作为入口标签和入端口.
移动主机在层次移动MPLS中的注册过程如图2所示.
当通信节点向在外地网络的移动主机发送数据分组时,HA将截获这些数据分组.
在层次移动MPLS中,HA将以入口标签值作为索引查找标签表为这个分组找到出端口和出口标签,沿着HA到DFA之间的LSP通过标签交换将分组转发至DFA,DFA收到分组后将沿着DFA至FA的LSP继续转发至FA,FA收到分组后发现自己是此段LSP的出口,因此出口标签和出端口号为空,它剥去分组的标签头,沿着IP路由转发给移动主机,最后移动主机收到来自通信节点CN的分组.
当移动主机(MH)从同一MPLS域中的一个子网切换到另一个子网时,MH向新的FA发送一个注册请求,FA转发注册请求给DFA.
当DFA收到时发送一个标签请求给新的FA,新的FA应答一个标签映射消息;当DFA收到标签映射消息时,DFA至新FA之间的LSP建立完成,同时发送注册应答给新的FA.
而DFA至HA之间的LSP并未改变.
层次移动MPLS相对传统的移动MPLS的优势是:在切换过程中,不再需要建立完整的FA至HA的LSP,只需建立HA至DFA的LSP.
图3表示了移动主机在新旧FA之间的切换过程.
3仿真分析我们对层次移动MPLS和层次移动IP分别进行了数据分组端到端的延迟、切换延迟、切换期间的丢包率等性能比较.
对层次移动IP的仿真使用了哥伦比亚大学的微移动软件(CIMS)[7],它是基于2.
1b6版本的NS-2仿真器[8]的微移动的扩展.
由于目前没有层次移动MPLS仿真软件,我们在NS-2仿真器的MPLS协议模块上开发了层次移动MPLS仿真软件,实现层次移动MPLS的仿真.
仿真拓扑图如图4所示.
FA1,FA2,FA3,FA4代表同一MPLS域的子网N1,N2,N3,N4的外地代理.
DFA与FA之间的LSP建立采用数据驱动方式,即有数据流到达才建立LSP.
当MH需要切换到新的子网时,MH直接与旧的FA断开,建立DFA至新FA之间的LSP,切换期间CN通过旧的FA发往MH的数据分组全部丢失.
CN至DFA的链路配置是:分组的传输延迟为10ms,带宽为10Mbps.
其他固定链路统一配置为分组传输延迟为5ms,带宽为10Mbps.
无线链路采用802.
11协议,链路带宽为2Mbps,延迟为64μs.
基站的覆盖范围半径是113m,两个基站的重叠区为30m,移动主机MH在子网N3,N4之间来回移动14次,移动速度为20m/s,移动距离为99m.
CN发送CBR(恒定比特率)的间隔时间为10ms.
以上所有参数的设置参照CIMS[7].
图5说明了在层次移动IP和层次移动MPLS两种环境下CN发送分组至MH的端到端延迟情况.
由于移动MPLS转发分组只在边缘路由器查分组的IP头,在中间路由器只进行标签交换不再查路由表和根据地址前缀最短路径优先匹配转发,所以移动MPLS环境中LSP转发分组处理速率较移动IP中基于IP路由转发速率快.
图6是MH在100.
2s仿真时间中的发生切换的切换延迟,在移动过程中一共发生了14次切换.
从仿真图中可以看出移动MPLS的切换延迟高于移动IP,因为移动MPLS切换时要重建LSP,所以导致切换时延的增加,我们可以提前估计移动主机将在t时刻移到新的子网,在t时刻之前建立DFA至新的FA的LSP,那么移动MPLS的时延将会降低.
图7和图8主要对移动主机在不同移动速度下移动MPLS和移动IP切换造成的丢包情况进行考查.
图7是在移动MPLS和移动IP两种环境下仿真期间内所有切换累积丢包率情况;图8是每次切换的平均丢包率,如共发生了N次切换,平均丢包率等于总的丢包率除以N,在我们的仿真中N=14.
从仿真图中可以看出,无论是总的切换丢包率还是平均丢包率,移动MPLS的切换延迟比移动IP略高,主要是因为移动MPLS注册过程中要建立LSP造成切换延迟增大,而我们采用的是硬切换方式,所以会造成丢包率略高于移动IP.
同时在图7,图8中都可以看出,随着移动速率的增加,切换期间的丢包率随之增加.
最后我们对两种场景的有效数据链路利用率进行仿真比较,结果如图9所示.
移动MPLS的有效数据链(下转第212页)·802·计算机应用研究2005年匀粤阅云粤云粤圆云粤员阅云粤云粤圆云粤员MH注册消息FA广播图1层次微移动MPLS的体系结构图5数据分组端到端的延迟图4层次微移动MPLS的仿真拓扑图CNR1FA1R3FA2FA3FA4R5R2R4DFAMH30292827262524020406080100时间渊s)MMPLSMIPMHDFAHAFA广播消息注册请求注册请求注册请求标记请求标记映射注册应答标记请求标记映射注册应答注册应答图2移动主机在层次移动MPLS中的注册过程MHnFADFAoFA广播消息注册请求注册请求标记请求标记映射注册应答注册应答注册应答图3移动主机的切换过程滞留时间,不会在高速网络节点中带来严重的延迟性问题.
4结论和下一步研究方向相对比于流行的SAR解决方案,高速网络节点中的MAS+技术有以下优点:(1)使网络节点的冗余数据率RDR大大降低.
例如,当处理APAN2001年6月1日抽样统计数据所代表的分组时,RDR由SAR方案最低的约20%降低为MAS+方案的约2%.
(2)由于大大降低了网络节点内部需要处理和传输数据的RDR,这就提高了处理带宽利用率,从而在相同处理带宽条件下,可以提高网络节点的分组转发率.
(3)MAS+方案聚合了具有相同输入/输出口地址的分组,产生了较长的仲裁间隔,减少了给内部交换仲裁的负荷,那么,性能更好的仲裁算法就可以被引入节点实现方案.
然而,MAS+方案有一个比较突出的负面影响是:在相同速率设计要求下,该方案需要比SAR方案的容量大得多的缓存器,应用于信元形成模块.
值得庆幸的是,目前大容量缓存相对于节点的其他硬件设计所需硬件部件来讲,价格便宜.
就下一步研究而言,搞清在聚合模块中离开时间(TTL)的具体设定,是实现MAS+支持QoS或COS的一个关键问题.
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作者简介:刘晓冬(1968-),重庆万洲人,工程师,主要研究方向为通信与信息系统;邬江兴(1953-),浙江嘉兴人,工程院院士,教授,博士生导师,主要研究方向为交换技术;郭云飞(1963-),河南郑州人,"863"计划通信主题专家组组长,教授,博士生导师,主要研究方向为交换技术;朱圣平(1968-),浙江东阳人,工程师,主要研究方向为数字通信.
(上接第208页)路利用率明显高于移动IP.
总之,将MPLS与移动IP结合之后,实现了数据分组的快速转发处理,提高了链路利用率.
4结论本文对比讨论了层次微移动IP协议和基于MPLS的层次微移动协议,并通过仿真对这两个协议的性能进行了比较和分析.
仿真表明,在层次移动MPLS中,由于数据分组的转发不再基于传统的IP路由,而是在标签交换路径(LSP)上基于标签交换将分组转发出去,大大提高了分组转发处理的速率,同时数据的链路利用率也有很大提高.
由于采用MPLS的网络有利于实施流量工程,移动MPLS的研究很有必要.
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作者简介:唐丽均(1981-),女,重庆潼南人,硕士研究生,研究方向为个人通信;陈前斌(1967-),男,四川营山人,教授,研究方向为下一代网络、个人通信、多媒体信息处理与传输;刘兴潜(1974-),男,贵州榕江人,硕士研究生,研究方向为个人通信;聂能(1942-),男,重庆涪陵人,教授,研究方向为个人通信;隆克平(1968-),男,四川通江人,教授,研究方向为下一代网络、个人通信、多媒体信息处理与传输.
·212·计算机应用研究2005年假定的有效负载长度渊字节冤渊a)两种方案的RDR随着有效负载长度设定的变化渊b)两种方案在信元组成模块的延迟时间比较图4两种方案的变化及比较分组长度渊字节冤05001000150010210110010-110-2RDRinMAS+100002000400060008000104103102RDRinSARMAS+SAR图7在MH的移动速率下所有切换引起的丢包率图6切换延迟MMPLSMIP65605550454035020406080100时间渊s)543210102030405060移动主机的移动速率渊m/s)MMPLSMIP图8在MH的移动速率下每次切换引起的平均丢包率图9有效数据的链路利用率1.
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