浅谈L2触发的异构网络

所谓异构网络(Heterogeneous Network）是一种类型的网络，其是由不同制造商生产的计算机,网络设备和系统组成的，大部分情况下运行在不同的协议上支持不同的功能或应用。

因特网工程任务组（IETF）提出了网络层移动性管理协议：移动IPv6（MIPv6）及扩展切换FMIPv6，能够保证移动节点在移动中的连通性[1]。MIPv6本质上为硬切换，移动节点在切换开始时必须先中断与当前接入路由器连接，直至网络层完成移动检测、地址冲突检测、绑定更新才能恢复通信,这将产生较高的切换时延和丢包率,导致用户可察觉的服务质量（QoS）降低。IETF RFC5268制定了FMIPv6协议,有效地降低了MIPv6切换丢包和切换时延。在FMIPv6协议中定义了L2链路层触发，移动节点检测到移向新接入路由器（NAR）时，在断开原接入路由器（PAR）连接之前，执行移动检测、地址冲突检测，从而减少了切换时延和丢包率。然而，FMIPv6并没有规定L2触发时刻，因此本文结合IEEE 802.21媒体独立切换MIH（Media Independent Handover）协议提出一种基于L2层触发的异构网络垂直切换的解决方案[2]。

1 MIH切换模型

MIH集团，很多关心互联网的中国用户，应该对这个名字不陌生。从2001年到2002年，在互联网产业最低迷的时候，MIH先后从电讯盈科、 IDG和腾讯主要创始人手中购得腾讯46.5%的股权，成为腾讯最大的单一股东，也成为MIH集团在海外迄今最成功的一笔投资。目前，MIH持有的腾讯股权为34.47%(数据摘自腾讯公司公布的截至2010年4月30日的股份信息.)，价值数十亿美元。

图1描述了MIH在协议栈的位置及移动节点和网络之间的交互。所有MIH用户具备MIHF实体，MIHF与MIH用户、MIHF与低层之间的通信依赖于已定义的服务原语，服务接入点（SAP）包含一套服务原语[4]。目前802.21标准定义了3种SAP：MIH_SAP、MIH_LINK_SAP和MIH_NET_SAP。MIH_SAP是MIHF实体与协议栈高层移动性管理协议之间的接口，通常保持相同的名字和原语。MIH_LINK_SAP是MIHF实体与协议栈低层特定接入技术之间的抽象接口，在特定媒体将重新命名和定义，例如3GPP网络命名为MIH_3GLINK_SAP；IEEE 802.11成功鉴权之前使用MSGCF_SAP传输MIH信令，鉴权之后通过LSAP传播有效负荷；IEEE 802.16在网络重接入前使用M_SAP和C_SAP提供链路服务，网络重接入后使用CS_SAP在数据平台上提供服务。MIH_NET_SAP是远程MIHF实体之间信息交互的接口。

2 切换方案

基于L2触发的垂直切换通过IEEE 802.21定义的MIH原语获取相关的链路层信息。假设移动节点周期性瞬时接收信号强度为RSSiNSt，加权平均值为：

无差错的接收分组的最小功率阈值为RSSLD,即触发Link_Down原语；L2触发切换的功率阈值为RSSLGD,即触发Link_Going_Down原语。预测系数α为：

其中，α越大，产生Link_Going_Down原语的时间越早，即链路层断开之前提前进行邻居网络发现、IP地址配置的时间越早，越能有效减少切换时延和丢包，但会引起服务网络使用率的降低。α=1表示没有提前触发网络层切换，即链路层切换完成后再进行网络层切换，α>1为本文提出的基于L2触发的切换方案。此外，α随着移动节点速度的增加而增加，详解见仿真分析。为了避免切换产生乒乓效应，定义自信阈值RSSLHI和自信系数β，其中自信系数为：

移动节点周期性地监听RSSinST，其加权平均值RSSavg

随着RSSinst持续降低，当RSSavg

3 仿真分析

为了评价L2触发对切换性能的影响，本文采用NIST提供NS-2.29平台下的移动性管理模块[6]，仿真场景以IEEE 802.11无线局域网与UMTS网络之间切换为例，通信对端（CN）通过带宽为100 Mb/s有线网络连接到核心网。因此，本文通过引入MIH辅助的L2触发切换，在L3切换开始之前获取网络层切换相关的信息，从而减小切换时延和丢包率。

图3为有/无L2触发的切换中断时延对比。这里定义切换中断时延为移动节点在切换期间任何接口都不能接收任何信息包的时间。移动节点以1 m/s的速度移动，预测系数α=1.2，自信系数β=0.8,无L2触发情形下119.99 s发生切换，切换中断时延为0.364 s，有L2触发情形下119.08 s发生切换，切换时延为0.164 s，比无L2触发的切换时延降低55%。切换时刻稍有差别是因为单位时间内接收信号强度RSSavg低于自信阈值RSSLHI将重定向信息流。

图4为不同网络负荷下丢包数目的对比，随着网络负荷增大,丢包的数目急剧增加。例如网络负荷为50 kb/s时无L2触发丢包35，有L2触发丢包15；网络负荷为384 kb/s时，无L2触发丢包307，有L2触发丢包138。由图4计算得知，有L2触发切换比无L2触发的平均丢包降低59%。

从图3和图4可知，基于MIH协议的L2触发显著地优化了切换期间的时延和丢包。基于L2触发切换方案的预测系数和移动节点速度对切换性能起决定性作用。因此，本文下面分析不同移动速度、不同预测系数对L2触发切换的中断概率、丢包率和网络使用率的影响。

图5为移动节点在不同速度下切换中断概率的对比。中断概率定义为：中断概率=，切换时延包括链路层切换时延和网络层移动检测、IP地址配置、绑定更新产生时延总和。如果中断概率为0表示切换是平滑的，移动节点在断开服务网络之前已完成切换过程，中断概率越大表示L2触发切换越类似于无L2切换触发情形。移动节点速度为1 m/s时，不同预测系数α中断概率相差不大；移动速度达到20 m/s时，α=1.4比α=1.1的切换中断概率降低30%。因此，移动速度增大时，α也需相应地增大，从而获取最佳切换性能。

图6为移动节点在不同速度下切换丢包率的对比，丢包率定义为：丢包率=。显然，相同速度下α越大，提前触发的时间就越早，丢包率就越低。图7为移动节点在不同速度下的网络使用概率，本文指IEEE 802.11网络的使用概率。本文定义网络使用率如下：网络使用率=。网络使用率曲线不平滑的主要原因是本文切换涉及到网络层切换，从而作为UMTS与802.11重叠覆盖时首选网络的切换判决准则相违背，因此综合考虑切换性能选择合适的预测系数α将是异构网络切换的研究方向之一。

本文提出了一种异构网络L2触发切换模型，L2触发由MIH协议的Link_Going_Down事件辅助实现。以IEEE 802.11切换到UMTS为例，在NS-2软件平台上有效地验证了有L2触发切换比无L2触发降低55%切换时延和59%丢包率。在基于L2触发的切换模型中，预测系数和移动节点的移动速度对切换性能起着关键性作用，因此本文通过仿真定性地分析了它们对切换中断概率、丢包率和网络使用率的影响。基于L2触发的预测系数与移动节速度的定量分析将是笔者的下一步工作。

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