Using Fake Registration to Pre-Establish Routing for Improving Handover Performance in Mobile MPLS Networks

使用假註冊預先建立路由方法以改善行動式

MPLS 網路換手績效之研究

(Using Fake Registration to Pre-Establish Routing for Improving

Handover Performance in Mobile MPLS Networks)

楊欣哲 (Shin-Jer Yang)、曾麟翔 (Lin-Shiang Tzeng)

東吳大學資訊管理學系

Email: sjyang@csim.scu.edu.tw; nms9509@csim.scu.edu.tw

摘要―多協定標籤交換 (MPLS)是以標籤交換的方 式，為不同目的地的封包建立特定傳輸路徑，達到快速傳 送目的。結合 Mobile IP 與 MPLS 網路可有效地支援行動 用戶(MN)，行動用戶換手 (handover)時路徑重建時間的 縮短，可減少通訊的中斷或延遲。而目前多數對於 MPLS 路徑中斷恢復方法，無法有效地支援快速移動中的行動用 戶。另外，網路傳輸路徑並非隨時維持妥善，而造成維護 成本的提高，或導致服務品質(QoS)降低。 因應行動用戶縮短換手時延的需求，本研究提出以假 註 冊 方 式 達 成 預 先 建 立 標 籤 交 換 路 徑 的 方 法 稱 之 為 PEFRR。在行動式 MPLS 網路中，當行動用戶移動至原 無線網路服務臨界邊緣前，一旦偵測到另一個外部網路代 理人(FA)時即進行「假註冊」，以預先建立一條標籤交換路 徑(LSP)，經由模擬結果證實，PEFRR 方法可縮短點對點 的延遲(end-to-end delay)，以及維持穩定的封包通過量 (throughput)。 關鍵詞―多協定標籤交換 (MPLS) 、假註冊 (Fake Registration) 、假註冊與預先建立路由方法 (PEFRR)

Abstract ─ Multi-Protocol Label Switching (MPLS) can setup a particular forwarding path to destination by label switching. It will speed up packets delivering. Shortening the time of LSP establishment for mobile nodes (MN) will fasten handover procedure and reduce latency. There are several ways used for rapid restoration of connectivity, but they can not support fast MN

efficiently. In addition, routing path is not always setup and maintained in stable situation. Generally, unstable routing path may have a higher maintenance cost and is unable to offer a QoS (Quality of Service) compared to the preferred path.

In this paper, we proposed a pre-established with fake registration routing scheme called PEFRR to reduce the handover latency for rapid moving of mobile nodes. In mobile MPLS networks, the "Fake Registration" process will be performed to pre-establish LSP when mobile nodes move to the coverage edge and detect the radio signal from new foreign agent (FA). When the MN determines to do a handover task to a new FA, it will reduce the time for movement detection, MN registration, and LSP establishment latency. The simulation results indicate that our proposed PEFRR can shorten end-to-end delay, and keep constant throughput.

Keywords: MPLS, Fake Registration, PEFRR (Pre-Established with Fake Registration Routing Scheme)

一、前言

隨著資訊科技的進步，網際網路朝向高頻 寬、低傳輸延遲，以及支援行動用戶 (Mobile Node, MN)發展，已經成為基本的需求及發展趨 勢。Mobile IP 的運作會有下列幾個問題[10]：一

是 通 道 建 立 方 式 ， 導 致 發 生 三 角 繞 徑 問 題 (triangle routing)，二是在換手期間造成的封包遺 失(packet loss)問題，三是因為移動期間的換手， 可能因換手決策的設計不良，造成移動裝置與 Home Agent (HA)之間頻繁的註冊，使運作負載 (overhead)過大而造成封包遺失。

多 協 定 標 籤 交 換 (Multi Protocol Label Switching, MPLS)是一種介於 Layer 3 與 Layer 2 之間，具彈性及擴充性的 IP 交換技術，由核心 網路中的標籤交換路由器 (Label Switch Router, LSR) ， 透 過 標 籤 發 送 協 定 (Label Distribution Protocol, LDP)來交換標籤 (Label)，或者將接收 到的 IP 封包加上一個標籤，LSR 依據這個標籤 來決定封包的下一個傳送節點，而封包上舊的標 籤將在新的 LSR 中被替換成另一個新的標籤， 這個標籤交換 (Label Swapping)的方式，提供 MPLS 核心網路將不同目的地和特性的資料流， 分別建立一條從來源端到目的地端的標籤交換 路徑(Label Switched Path, LSP)。因此，網 路上原 有的 IPv4 或 IPv6 路由協定可在不變動的架構 下，與 MPLS 技術結合的通道，來承載資訊流 [4]。然而，在行動網路中運作勢必要克服換手 (handover) 及路徑重建等問題[11,12]，這也將影 響網路傳輸以及服務品質。 在現今無線網路的環境中，因應行動用戶 (MN)漫遊的需求，故在規劃基地台建置時，都會 將無線電訊號涵蓋範圍重疊考量在內。MN 漫遊 到另一個基地台涵蓋範圍的過程中，會依接收到 的訊號強度 (Received Signal Strength, RSS)，以 及換手預測演算法，做出最佳換手時機的換手決 策。在這過程中，MN 只針對所接收到的訊號強 度進行分析，除此之外，對於新連接點到資料傳 送目的地端主機的路徑是否完備，以及目前傳送 中的資料是否會因此造成封包遺失，卻無法有任 何的保證。 由於 MPLS 中的 LSR 標籤表記憶空間有 限，已經建立的 LSP 會因為標籤表的移除而消 失。有些研究只著重於如何建立備用路徑，以提 供主要路徑發生錯誤時替代傳送封包[2]，但本 研 究在不變更 LSP 建立模式及未建立備用路徑的 前提下，預先建立一條確實可用，MN 也可能會 使用的 LSP，使得 LSP 建立時間縮短，而且也提 高 LSR 的標籤表使用效率。建立 LSP 的方法有 很多，有 Topology Based Control Driven [5]、Data Driven 等方法，不過，當 MN 與新的無線網路連 接點完成連線後，從 MN 到 HA 的路徑，多半要 花費額外的時間進行重建，以利通訊的對象(CN, Corresponded Node)能將資料傳送到 MN，因為當 LSP 未使用時，路徑會因網路狀況的變化，如壅 塞或實體 線路損 壞等 造成連線失 敗。 在 建 立 Working Path 之外，IETF RFC 3469 提出 Pre- Established 、 Pre-Qualified 和 Establish-on- Demand 等三種建立 Recovery Path 的方法[12]。 但 MN 的移動或換手隨時會發生，在複雜而廣大 的網路環境中，封包不一定經由曾經存在的 LSP 傳送，加上路徑需要時間重建或維護，故能在短 時間內建立一條 LSP 才是影響傳輸效率的關鍵 因素之一。但在換手程序中，對於 MN 換手前， 直到執行換手程序之間的時間卻未能有效地運 用。本研究提出在 Mobile IP 結合 MPLS 網路 (MMPLS)中，MN 自原提供服務之舊的外部網路 代理人(Foreign Agent, FA) 無線網路訊號涵蓋範 圍，移動至臨界邊緣前，一旦偵測到另一個連接 不同 LSR 新的 FA 時，即透過新的 FA 向 HA 進 行「假註冊」 (Fake Registration)，透過此程序可 預先建立一條自新的 FA 到 HA 的 LSP，有效地 縮短 MN 換手後路徑建立的時間，並且建立一條 確實可用的路徑，當 MN 移動到新的 FA 時，可 簡化換手時所需的移動偵測、註冊、路徑建立等 的作業及時延 (latency)，以及減少封包遺失。總 之，於 MMPLS 網路中本研究利用「假註冊與預 先建立路由方法」 (Pre-Established with Fake Registration Routing scheme, PEFRR)以預先建立 一條 LSP，達到縮短 MN 換手後路徑建立的時間。

本論文章節內容結構如下：第一章敘述網際 網路基本的需求和發展趨勢以及可能遇到的問 題和解決方案。第二章為文獻探討並介紹與本文 相關的研究，包括多協定標籤交換 (MPLS)、資 源預留協定(RSVP)與標籤發送協定(LDP)以及最 佳化行動 MPLS。第三章提出 PEFRR 並說明運 作原理與設計其演算法。第四章則說明模擬實驗 環境與程序，並作結果分析。第五章為結論並說 明未來研究方向。

二、文獻探討與相關研究

(一)多協定標籤交換 (MPLS) 在傳統 IP 網路的封包傳送方法中，路由器 是以 longest prefix match 的方法將每一個封包的 目的地 IP 位址與路由表(routing table)比對，當封 包所要傳送的目的地 IP 位址相似時，可能都會 從同一條路徑傳送出去，這條路徑可能是最短路 徑，不過有時卻不是最佳路徑。然而，在 MPLS 網路中，網路管理人員可依網路流量，適時調整 封包傳送路由，以保持路由的暢通。 Ingress Egress LER LSR LSR LSR LER LER MPLS 核心網路 標籤交換路徑(LSP) 圖一、MPLS 網路組成 為了加快封包傳送的速度，IETF (Internet Engineering Task Force)的 MPLS 制定小組(MPLS Working Group)發展出「多協定標籤交換」(MPLS) 技術，其組成架構如圖一所示。MPLS 在網路層 (network layer)整合 label swapping 機制，LSR 將 封包在主幹網路上傳送路徑相同者標示成同一

種標籤，即使封包的目的地不同，而這種標籤分 類 方 式 稱 為 Forwarding Equivalence Class (FEC)。其方法是當某一個傳送到特定目的地節 點的封包第一次進入到 MPLS 核心網路時，接收 到封包的 LSR 會先完成 FEC 的設定，再將封包 上的標籤置換後往下一個 LSR 傳送，依序到達 最後一個 LSR 即完成一條 LSP 的建立，爾後每 一個相同目的地的封包都可依照對應的 FEC，以 相同的路徑傳送。當封包由一般 IP 網路進入 MPLS 網路時，邊界標籤交換路由器 (Label Edge Router, LER)會參照 FEC 的設定，將封包貼上適 當的標籤 (即封裝成 label packet)，而且到達每一 個 LSR 時，label packet 的標籤都會被置換再往 下一個 LSR 傳送，直到 MPLS 核心網路的最後 一個 LSR 才會將封包的標籤移除，再傳送回一 般 IP 網路。總之 MPLS 不但提升核心網路(Core Network)中封包的傳送速度，並且能使得許多的 應用，如：QoS、VPN、Load Balance 等更容易 實作。 (二)資源預留協定(RSVP)與標籤發送協定(LDP) 資源預留協定(Resource Reservation Protocol, RSVP) 是 IETF 所制訂的網路控制的標準，被設 計於保留適當的資源以達到「服務品質」(QoS) 的需求。其方法是預先保留網路資源，建立一條 具有服務品質保證的路徑，使資訊流能在預期的 品質要求下傳送，即使網路擁塞時，同樣能提供 特定的資源。運作的方式是傳送端向接收端發出 一個 Path Message，讓訊息經過的路由器記錄相 關的路徑狀態 (path state)，以及知道該路徑的上 游節點。當接收端收到這個要求建立路徑的訊 息 ， 且 同 意 要 建 立 路 徑 時 ， 回 應 一 個 Resv Message，沿著 Path Message 的反向路徑送達傳 送端，即完成路徑建立。

標籤發送協定 (Label Distribution Protocol, LDP) 主要應用在 MPLS 核心網路裡，用以建立 一條從邊界 LSR，經過內部 LSR，再到接近目的

端出口的邊界 LSR，其間所經過的 LSRs 組成的 資料流路徑，這條路徑便是 LSP。LDP 之原理是 兩個 LSR 之間以 UDP 通訊協定，將 Hello 訊息 傳送給鄰近的 LSR，用來進行標籤交換以建立 LSP，其運作流程如圖二所示。因此，LDP 必須 正確地傳送標籤，來確保標籤訊息在 MPLS 的核 心網路中能正確循序傳送，從而建立一條相鄰 LSR 之間的訊息傳送通道。另外，LDP 並沒有支 援 QoS，而且路徑的決定是由 LSR 以傳統的 IP 路徑選擇方式獲得，並非由系統管理者設定。但 LSR 仍可透過人為方式，進行各通訊埠的設定， 其目的是可以操控並分散網路流量，避免因網路 擁塞或中斷造成封包的遺失。 LER1 LSR1 LSR2 LSR3 LER2 Label Request Label Request Label Request Label Request Label Mapping Label Mapping Label Mapping Label Mapping 圖二、LDP 運作流程圖 (三)最佳化行動 MPLS

OMMPLS (Optimized Mobile MPLS)是一種 整合 Mobile IPv6 與 MPLS 的方法[1,14]，目的 是 期望能同時完成註冊程序及 LSP 的建立，以減低 換手時延(handover latency)及訊號冗餘(signaling redundancy)的問題。OMMPLS 是將 MPLS 的 IP 標頭 (Header)整合到 MIPv6 的 Binding Update (BU)以及 Binding Acknowledgement (BA)訊息 中，當這個訊息被用於註冊程序，則沿著註冊程 序經過的網路節點都必須處理含有 MPLS IP Header 的封包，可以同時進行 LSR 的標籤交換 程序，如此 LSP 可以被建立起來。另外，因為

OMMPLS 可與階層 式行動 IPv6 (Hierarchical Mobile IPv6, HMIPv6)進行整合，以限制 LSP 路 徑重建的範圍，支援 MN 漫遊到其他網路服務區 域時，快速並且簡化 LSP 路徑重建的程序。依其 理論分析，MN 換手時延會小於 MMPLS。 在未來高頻寬、服務範圍廣的網路環境中， 任二個基地台的無線網路服務訊號涵蓋的重疊 範圍勢必越來越大，在 MN 進入某一基地台服務 範圍時，確定換手至該基地台的機率也會增加， OMMPLS 的方法是在完成換手決策計算後，再 進行註冊及路由建立程序，所以在等待換手的時 間也同樣未能妥善運用。而本研究所提出的假註 冊 與 預 先 建 立 路 由 方 法 (Pre-Established with Fake Registration Routing scheme, PEFRR)，可節 省 MPLS 進行註冊及路由建立程序之前等待換 手的時間。

三、PEFRR 之設計原理與演算法

於 MPLS 的核心網路上(如圖三)，為因應 MN 的增加，對於通訊品質與傳輸效率的要求將 日益嚴苛。近年對於行動式 MPLS 網路研究多數 著 重 於 路 徑 中 斷 恢 復 (Fault Recovery) [6,13,16]，或者關注於以下三個區間的路徑維 護、重建，或換手 績效的提昇：一是 MN 與基地 台 (Base Station)之間的快速轉移；二是基地台與 FA 和 LSR 之間的最小路徑維護成本計算；三是 FA 與 HA 之間的路徑維護、重建等。然而，換 手後路徑重建程序相當耗費網路資源，並且嚴重 影響到網路服務品質，以及產生換手時延。 本研究提出的假註冊與預先建立路由方法 (Pre-Established with Fake Registration Routing scheme, PEFRR)，其預先建立路徑機制以及換手 的程序，有下列二項運作流程：一是 MN (Mobile Node)的假註冊及 LSP 預先建立程序，二是 MN 的換手註冊程序。主要是因為當 MN 從一個網路 連接點服務範圍，移動到與另一個網路連接點接 觸或進入重疊範圍時，並不一定會立即發生換手

(handover)事件，除非處在不得不採用「反應模 式」換手程序環境下，因為多數 MN 仍然採用「預 測模式」換手程序，以減少封包的遺失。現行 MMPLS 環境下，MN 會依接收到的訊號強度， 以及本身所具有的換手預測演算法，做出何時才 是最佳換手時機的換手決策。在這過程中，一旦 所接到的訊號強度低於所設定臨界值，便開始搜 尋新的頻道以及無線網路連接點，並進行換手程 序。但自 MN 移動到接觸新的無線網路連接點， 直到完成與新無線網路連接點作認證程序的整 個過程中的時間，卻也完全浪費在進行換手的決 策上。因此，本研究提出 PEFRR 方法以妥善運 用 MN 在等待下達換手決策前的時間，當接觸到 新的 FA 的廣播訊息時，即進行假註冊及 LSP 預 先建立程序，再下達換手決策後，再依換手註冊 程序進行換手作業，期望增進換手的績效。 圖三、MPLS 的核心網路圖 3.1 PEFRR 之運作流程及換手程序 本節將說明關於 PEFRR 之運作流程及換手 程序。 (一)MN 的假註冊及 LSP 預先建立程序如圖四， 流程說明如下： 1. 在 MPLS 網路環境中，MN 是以收到 FA 的廣 播訊息(Advertisement Message)，得知本身是 在 家 網 域 (home domain) ， 或 在 外 部 網 域 (foreign domain)，若是接收到家網域 FA 的廣 播訊息，則不會進行任何動作，但若同時接 收到外部網域 FA 的廣播訊息，則要開始進行 預先建立路徑作業[8]。 2. 本階段並不進行註冊程序，但當新的 FA 提供 一個 CoA (Care of Address)給 MN 時[9,15]，雖 然運用不到，但為避免造成原功能大幅修 改，所以 MN 會以此 CoA 向新的 FA 發送一 個用於「假註冊」的註冊要求訊息(Registration Request Message, RREQ)，其格式如圖五所 示，為使 HA 收到假註冊封包時不做任何處 理，本階段修改 RREQ 封包，亦即將封包中 的 Flag 第 8 個欄位內容修改為 1，再設定 HA 收到 Flag 第 8 欄為 1 的封包時，不會回傳註 冊 回 覆 訊 息 (Registration Reply Message, RREP)給新的 FA。 3. 新的 FA 會將 MN 的假註冊要求封包傳送向 HA。當 IP 封包傳送到 MPLS 網路的入口端 LSR (Ingress LSR)時，便會依封包上的目的位 址，查詢對應的下一個 LSR 的傳送埠口，並 將封包加上標籤，封裝成 label packet 後，將 封包往下游的 LSR 傳送。 4. 為完成 LSP 的建立，上游 LSR 會同時向下游 LSR 傳送一個 Label Request 訊息，這個程序 會經過每一個往 HA 方向的 LSR，一直到出 口端的 LSR。 5. 接收到 Label Request 訊息的下游 LSR，會回 傳一個 LDP 對應訊息(Label Mapping Message) 給上游 LSR，同時完成 LSR 的 FEC 設定，這 就是 Label Swapping 程序，這個程序會持續 到 IP 封包到達入口端 LSR (Ingress LSR)為 止，此時一條 LSP 即完成建立。當出口端 LSR 收到假註冊封包時，會將封包上的標籤表頭 移除，還原成 IP 封包，再往 HA 傳送[7]。但 本階段並不進行註冊程序，故訊息即便到達 HA，HA 仍然會判讀 IP 封包內容後將封包移 除，不會進行註冊作業，因為 FA 發送訊息後 即不做任何處理，故不影響 FA 處理其他註冊 作業的效能。

MN New FA HA Advertisement Registration Request „ Registration Request Label Request

Label Mapping Message

 ‚ ƒ 5 LER LER LSR … (MPLS region) 圖四、PEFRR 預先建立路徑機制運作流程圖 圖五、Mobile IP 註冊要求訊息格式 (二)MN 的換手註冊程序如圖六，流程說明如下： 1. 在 MPLS 網 路 環 境 中 ， FA 會 定 期 傳 送 advertisement，MN 是以收到此訊息，得知本 身是在家網域，或在外部網域，並判別現在 是處在哪一個 FA 服務範圍。 2. 當 MN 移動，若是處在同一網域 (在同一 FA 服務範圍內)時，則不會執行換手程序，但若 MN 移動到原 FA 服務範圍以外時，則觸發換 手事件，此時 MN 會送一個註冊訊息給現在 所處網域新的 FA。 3. 當 MN 換 手時 ， 仍 會傳 送 binding update message 給舊的 FA，並將新的 CoA 告知舊的 FA，這可以讓舊的 FA 與 MN 之間保持原有 的通訊方法，其目的有助於減少封包遺失。 4. 新的 FA 會將 MN 傳送過來的註冊訊息向 HA 傳送。 5. 因為在「假註冊及 LSP 預先建立」程序中， MPLS 核 心 網 路 中 的 LSR 已 完 成 label swapping，使得 新的 FA 與 HA 之間的 LSP 建 立完成，故在「換手註冊」程序階段，不需 要再執行一次，這個程序的時間為零，然後， HA 會將 Registration Replay Message 傳向新 的 FA。

6. 新的 FA 再將 Registration Replay Message 傳向 MN，完成換手及註冊程序。 MN Old FA New FA Advertisement Registration Request  ‚ HA Registration Request ƒ Registration Reply „ Binding Update 6 Registration Reply 5 無Label Request 或 Label Mapping等程序 LER LER LSR … 圖六、PEFRR 方法的 MN 換手註冊流程圖 3.2 PEFRR 演算法設計 依據 PEFRR 方法之運作流程如 3.1 節所 述，主要的程序及其演算法之虛擬碼設計如下： 1. Handover()：MN 執行 MIP 換手程序。 2. PEFRR_Fake_Reg()：進行 PEFRR 方法的假註 冊程序。 3. RREQ_MSG.FLAG()：設定註冊要求訊息 flag 內容的值。 4. Send_To_Next_Hop()：將接收到的封包向下一 個 hop 傳送。 5. Encapsulate_IP_in_Label_Packet()：將 IP 封包 封裝成標籤封包。 6. Decapsulate_Label_Packet()：將標籤封包解封 裝成 IP 封包。

Algorithm PEFRR() BEGIN

{ Input:

The Advertisement Message from FA delivers to MN Output:

To setup LSP efficiently for improving handover latency Method:

{

ADV_MSG: Advertisement Message from FA RREQ_MSG: Registration Request Message

LRREQ_MSG: Encapsulated Registration Request Message

Do //Listening the Advertisement Message from FA. {

Switch (ADV_MSG)

Case (in Home Domain):

//receive the Advertisement Message form original FA.

// do nothing.

Case (contact with the Foreign Domain): IF Ready_to_Handover

// Contact with the New FA, and lost the Old FA. // According to the handover decision algorithm. Execute Handover();

Else

Execute PEFRR_Fake_Reg(); Break;

} While (Receive the Advertisement packet) }

Sub PEFRR_Fake_Reg() {

Init RREQ_MSG;

Set RREQ_MSG.FLAG(8) = 1; //Set RREQ’s flag column8 =1,

// the HA will discard it. Send_To_Next_Hop(RREQ_MSG);

For (RREQ_MSG) {

IF ( Node != LSR and Node != HA )

Send_RREQ_To_Next_Hop(RREQ_MSG);

ELSE IF ( Node = Ingress_LSR ) //入口 LSR Encapsulate_IP_in_Label_Packet(RREQ_MSG); Perform_Label_Swappin;

Send_To_Next_Hop(LRREQ_MSG);

ELSE IF ( Node = Egress_LSR ) //出口 LSR Decapsulate_Label_Packet(LRREQ_MSG); Send_To_Next_Hop(RREQ_MSG); Return; //LSP had setup ready

ELSE IF (Node = LSR) //in MPLS Core Network

Decapsulate_Label_Packet(LRREQ_MSG); Perform_Label_Swapping;

Encapsulate_IP_in_Label_Packet(RREQ_MSG); Send_To_Next_Hop(LRREQ_MSG);

ELSE IF (Node = HA and RREQ_MSG.FLAG(8) = 1) Discard RREQ_MSG;

} Loop

} //END Sub PEFRR_Fake_Reg() } END PEFRR

四、模擬實驗與結果分析

4.1 模擬實驗環境與程序 本 研 究 所 使 用 的 網 路 模 擬 軟 體 為 NS-2 V2.29 版，以及 MPLS 模組 MNS V2.26 版。為 模擬本研究提出的方法，模擬程式增加控制程 序，以模擬 MN 可以透過新的 FA 向 HA 提出假 註冊要求，並且在 HA 接收到假註冊封包時，會 將該封包丟棄。模擬環境為一個無遮蔽物空間的 MPLS 核心網路，如圖七所示。其模擬環境架構 有 13 個 LSR，其中 9 個在核心網路內的 LSR， 分別為 LSR1 至 LSR9，以及 4 個標籤邊界路由 器 (Label Edge Router，LER)，分別為 LERa 至 LERd。LERa 連接路由器 R1，延伸連接 HA， LERd 連接路由器 R4，延伸連接 CN，LERb 延 伸連接路由器 R2，R2 連接 2 個無線基地台 (Access Point)，分別為 AP1 及 AP2，LERc 延伸 連接路由器 R3，R3 連接 2 個無線基地台，分別 為 AP3 及 AP4，MN 採用無線裝置與 AP2 連接。

PEFRR 主要是改善換手績效，故本模擬實 驗不採用隨機移動模式，而是設定 MN 行進路 徑，正向 AP3 方向前進，環境參數設定如表一 [3]，MN 行進速度預設為每秒 5 公尺。每一個 AP 的涵蓋範圍為 200 公尺，任二 AP 的重疊為 50 公尺，故 MN 在接觸到 AP3 無線電訊號，直 到移出 AP2 涵蓋範圍，約有 10 秒時間。AP 區 域廣播間隔為 2000 ms (2 秒)，MN 在接收到該訊 息後，即會進行假註冊程序。實驗環境設定在

CN 正與 MN 通訊，並在傳送封包的過程中進行 換手程序。為求增加模擬參考及對照，本實驗另 以未經修改的 MPLS 結合 Mobile IP，即 MMPLS 進行模擬。 圖七、 模擬環境架構圖 表一、 模擬參數設定 名稱 參數 單位 MN 移動速度 5 m/s LSR 與 Router 間傳輸延遲 10 ms Router 與 AP 間傳輸延遲 10 ms AP 無線電訊號涵蓋半徑 200 m 任二 AP 之無線電訊號重疊 50 m LSR 與 LSR 間傳輸延遲 10 ms LER Label POP 與 PUSH 時間 5 ms Label 交換時間 15 ms MN 回應註冊的時間 5 ms MN 回應換手的時間 5 ms HA 進行註冊處理的時間 15 ms 封包 Size 1000 bytes MPLS 核心網路頻寬 10 Mbps MPLS 外部網路頻寬 100 Mbps FA 廣播間隔時間 2000 ms 模擬時間 11 Sec. 4.2 模擬實驗結果與討論 本研究衡量的關鍵績效指標有二：一是點對 點的延遲(End-to-End Delay)，二是封包通過量 (Throughput)，模擬實驗結果及分析說明如下： 1. 點對點的延遲(End-to-End Delay): MN 尚未進 行換手程序前，MMPLS 方法與 PEFRR 方法 的延遲時間幾乎毫無差異，然而，在第 9.35 秒時 Delay Time 出現較大的變化與差異，原 因是 MN 開始進行換手程序，模擬實驗比較 如圖八所示。表二是換手期間的模擬實驗數 據，MN 在第 9.35 秒時開始進行換手程序， 到第 9.398 秒結束，所經過的模擬時間為 0.048 秒，MMPLS 的總延遲時間為 410.76 ms(微 秒)，而 PEFRR 的總延遲時間為 277.76 ms， PEFRR 方法的延遲時間較 MMPLS 的延遲時 間大約減少 133 ms，節省 32.38% (節省的延 遲時間 / MMPLS 的換手時延)。 圖八、 MN-CN 點對點的延遲比較圖 表二、模擬實驗延遲數據 類別 模擬時間

Delay Time (Sec.) MMPLS PEFRR 9.35 58.68 39.68 9.358 58.68 39.68 9.366 58.68 39.68 9.374 58.68 39.68 9.382 58.68 39.68 9.39 58.68 39.68 9.398 58.68 39.68 總換手時延 410.76 277.76

2. 封包通過量(Throughput): CN 對 MN 進行封包 傳遞的初始階段，因為 LSP 頻寬充足，所以 throughput 能維持在一個平均狀態，在第 9.35 秒後 MN 開始進行換手程序，throughput 產生 明顯的下降，模擬實驗比較結果如圖九所 示。表三為擷取換手前後二個時間點模擬實 驗 數 據 ， 在 第 9.34 秒 尚 未 進 行 換 手 時 ， MMPLS 與 PEFRR 的 throughput 都在 1008.34 Kbps，但在第 9.53 秒時量測到的 throughput， MMPLS 降到 987.1 Kbps，下降幅度為 2.1%， 而 PEFRR 只降低到 1002.56 Kbps，下降幅度 為 0.6%。 980 985 990 995 1000 1005 1010 1015 1020 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.7 9.8 9.9 10.0 10.1 10.1 10.2 10.3 Simulation Time (sec)

T hr oughput ( kbps ) MMPLS PEFRR 圖九、封包通過量變化圖 表三、模擬實驗封包通過量數據 類別 模擬時間 Throughput (Kbps) MMPLS PEFRR 9.34 1008.36 1008.36 9.53 987.1 1002.56 降低幅度 2.1% 0.6%

五、結論

由於行動用戶的增加，而且對於通訊品質與 傳輸效率的要求日益嚴苛，使用 Mobile IP 通訊 協定的行動用戶，在離開原無線網路服務範圍 時，便需要進行換手作業，而在換手程序進行時 會有短暫的連線中斷，這期間會產生封包遺失， 使得封包通過量下降。而 MPLS 是一種具彈性及 擴充性的 IP 交換技術，只需要在 Layer 2 執行標 籤辨識的動作，透過對標籤的辨識、轉發，加速 了封包傳送的速度，不過，MPLS 只建構於網路 主幹 (backbone)上。 整合 MPLS 在網路主幹上高速交換封包，以 及 Mobile IP (MIP)支援行動用戶高速移動的特 性，讓行動用戶能自由的行動並維持高速的網路 連線，並能解決三角繞徑的問題，同時傳輸延遲 和封包處理時間也會明顯的降低。本研究提出假 註冊與預先建立路徑的方法 (PEFRR)，讓行動用 戶可預先完成 MPLS 網路中，自 FA 到 HA 之間 的路徑建立，不必再等到無線網路訊號衰減到臨 界值時，再考慮換手以及路徑探索等問題。經由 模擬實驗結果證明，可縮短換手時延 32.38%， 並 將 新 的 FA 探索 及路 徑 建 立 (重 建 ) 的時延 (latency) 減 為 零 ， 而 PEFRR 的 封 包 通 過 量 (throughput)的降低幅度，也比 MMPLS 的 2.1% 較小，僅下降 0.6%。由實驗結果顯示，本文提 出的 PEFRR 方法比 MMPLS 有較好的換手績效。 雖 然 本 研 究 的 模 擬 實 驗 未 將 background traffic、noise，及影響網路績效的因素，如多個 行動用戶使用等情況納入，但本研究並未更改 MMPLS 的系統架構，所以這類造成網路不穩定 的因素應不致於影響換手績效，且可彈性的與其 他 研 究 所 提 出 的 方 法 整 合 ， 如 HMPLS (Hierarchical Mobile MPLS)、MINHM (Mobile IP Network based on Hierarchical MPLS)等，應可改 善並增進網路運作績效。

六、參考文獻

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