國立臺中教育大學資訊工程學系碩士論文
應用於物聯網的移動性網路管理機制
A Mobility Management Scheme for
Internet of Things
指導教授：林嬿雯 博士
研究生：蕭元愷 撰
誌 謝
轉眼間，最後的學生生涯即將劃下句點，在短短兩年的歷練中，使我的視野更加寬廣， 同時也了解到自己所學只不過是冰山一角。「學海無涯，唯勤是岸」，我們依舊需要不斷的 學習、豐富自己的知識。 感謝指導教授林嬿雯老師，忍受我桀敖不馴的個性，依然給予我悉心的指導。感謝口試 委員：母校國立聯合大學李國川教授、國立中興大學王丕中教授、國立臺中教育大學顧維祺 教授，在百忙之中撥冗蒞臨指導與審閱學生的論文，並且提供寶貴的建議。感謝系上王讚彬 教授、張林煌教授、賴冠州教授、顧維祺教授、孔崇旭教授、黃國展教授、徐國勛教授、李 宗翰教授、李宜軒教授教導不同領域的專業知識，使學生能更多元發展。 論文撰寫期間，感謝學長姐：芳瑜、介民、國唐、怡涵、和展、浩鈞、家浚、碩瑤、裕 其、維屏的經驗分享與指點。感謝佩珊、建豪、宸勳、政彥、育彰、奕綸、明駿、智皓、紹 源、閔遇、郁翔、柏寰、柏均等碩士班同學與學弟妹互相扶持與幫助。感謝以諾、宇軒、承 翰、志煌、志強、本忠、季雯這群大學朋友，在我心情低落與煩惱時給我關懷與鼓勵。感謝 立宇、詩凡，你們提醒我應該對任何事物保持好奇心，並且讓生命填滿不同的色彩。當然不 會忘了中正、柏翔、善尹，我們一起共同熬夜奮戰的那段日子。 最後要感謝我的家人，讓我能無後顧之憂地完成碩士學業，你們的支持是我最強而有力 的後盾，謹此獻給我最深愛的父母與弟弟，我愛你們！！ 蕭元愷 謹誌於 國立臺中教育大學資訊工程學系研究所 中華民國一百零二年七月I
摘 要
IoT 環境中包含許多會移動的物件，諸如：人、動物、車輛、大眾運輸、無人偵察機等 等。為能使這些具有移動性的節點在移動時能夠持續存取網路資源，需要一個有效率的移動 性管理方法（Mobility Management Scheme）。近年來，PMIPv6（Proxy Mobile IPv6）已成為 IoT 環境中解決移動性管理問題的要角。目前已經有許多研究將 PMIPv6 使用在醫療照護、智 慧型運輸系統、智慧家庭等應用中。PMIPv6 其 Network-Based 的特性使得移動節點不需參與 以及了解移動性管理協定的詳細運作過程，藉而減少移動節點控制訊息的發送與電力消耗。 由於這個特性，使得 PMIPv6 更適合使用在未來移動節點資源受限的環境中。然而 PMIPv6 本身屬於 Local Mobility，限制了移動節點僅能在單一的 PMIPv6 Domain 中移動，這個問題無 法滿足 IoT 提供無所不在（Ubiquitous）服務的需求。因此 IETF 所提出 PMIP-MIP Interaction， 針對 PMIPv6 無法提供 Global Mobility 進行改善。然而 PMIP-MIP Interaction 雖然可支援 Global Mobility，但其卻存在控制訊息過多的缺點。此外由於 IoT 環境中可能存在許多由人或交通工 具為中心而一起移動的群組節點，PMIPv6 與 PMIP-MIP Interaction 皆尚未考慮這項議題。因 此本文提出一個 Network-Based、Global Mobility 與支援 Group Mobility 的方法，並與一些著 名的移動性管理方法進行效能分析。分析結果顯示，本文提出的方法可減少換手延遲時間、 降低控制訊息發送量，進而減少移動節點的電力消耗，因此更適合使用在未來 IoT 資源受限 的移動裝置上。
Keywords: 物聯網、智慧型運輸系統、網路為基礎的移動性管理方法、全域移動性、群組移 動性
II
Abstract
There are numerous mobile objects in the future IoT environment, such as human being, animals, vehicles, and public transportations. It is critical to design an efficient mobility management scheme to provide the mobile nodes with seamless network usage. In the recent years, PMIPv6 (Proxy Mobile IPv6) has become a key role to solve the problem of mobility management in IoT. There have been many researches apply PMIPv6 in ITS (Intelligent Transportation System), healthcare, and smart home applications. The most significant feature of PMIPv6 is network-based mobility management that make mobile nodes do not need to involve and aware of the mobility management process. Consequently, the number of control messages and power consumption of the mobile nodes are remarkably reduced. With this feature, PMIPv6 is more suitable for the resource constrain environment. However, PMIPv6 is designed based-on local mobility management that limits the mobile nodes moving around different PMIPv6 domains. This problem is detrimental to supply ubiquitous services in IoT. In spite of PMIP-MIP Interaction which proposed by IETF attempts to solve the local mobility problem of PMIPv6, it causes many unnecessary control messages. Moreover, in ITS, a group of mobile nodes may move together with the human or transportations. Therefore, this thesis proposed a network-based mobility management which supports global mobility and group mobility. As shown in the performance analysis, the mobility management scheme proposed in this thesis can shorten handover delay, lessen control messages, and reduce energy consumption.
III
目 錄
摘 要 ... I Abstract ... II 目 錄 ... III 圖 目 錄 ... V 表 目 錄 ... VIII 第一章 緒論 ... 1 第二章 相關研究 ... 3 2.1. 主機為基礎與網路為基礎的移動性管理方法 ... 3 2.2. 區域與全域移動性 ... 3 2.3. 群組移動性 ... 4 2.4. 相關移動性網路管理協定 ... 5 2.4.1. Mobile IP... 5 2.4.2. Mobile IP + NEMO ... 62.4.3. Proxy Mobile IPv6 ... 7
2.4.4. Proxy Mobile IPv6 + NEMO ... 9
2.4.5. PMIP-MIP Interaction... 10
2.5. 相關移動性網路管理方法之網路架構 ... 13
2.5.1. Mobile IP... 13
2.5.2. Mobile IP + NEMO ... 14
2.5.3. Proxy Mobile IPv6 ... 14
2.5.4. Proxy Mobile IPv6 + NEMO ... 15
IV 第三章 研究方法 ... 17 3.1. 使用場景 ... 17 3.2. 本論文方法介紹 ... 18 3.2.1. 系統模型 ... 18 3.2.2. 網路架構 ... 20 3.2.3. 訊息格式 ... 23 3.2.4. 相關表格 ... 24 3.2.5. 尋找移動節點機制 ... 26 3.2.6. 使用者移動之換手機制 ... 29 3.2.7. 列車移動之換手機制 ... 32 第四章 效能分析 ... 36 4.1. 實驗環境與參數設定 ... 36 4.2. 列車移動之換手延遲時間 ... 40 4.3. 換手控制訊息數量 ... 50 4.4. 節點電力消耗量 ... 56 4.5. 資料傳輸延遲時間 ... 65 第五章 結論 ... 68 參考文獻 ... 69
V
圖 目 錄
Figure 1 : Mobile IP Search Process ... 6
Figure 2 : Mobile IP + NEMO Search Process ... 7
Figure 3 : Network Architecture of PMIPv6 ... 8
Figure 4 : PMIPv6 Search Process ... 9
Figure 5 : PMIPv6 + NEMO Search Process ... 10
Figure 6 : Network Architecture of PMIP-MIP Interaction ... 11
Figure 7 : PMIP-MIP Interaction Search Process ... 12
Figure 8 : Network Architecture of Mobile IP ... 14
Figure 9 : Network Architecture of Mobile IP + NEMO ... 14
Figure 10 : Network Architecture of PMIPv6 ... 15
Figure 11 : Network Architecture of PMIPv6 + NEMO ... 15
Figure 12 : Network Architecture of PMIP-MIP Interaction ... 16
Figure 13 : Usage Scenario ... 17
Figure 14 : System Model ... 20
Figure 15 : Network Architecture of Proposed Scheme ... 22
Figure 16 : Performance Evaluation of the Effects of MR-HA ... 23
Figure 17 : Proposed Scheme Search Process while MNNs Stay Outsides the Train ... 27
Figure 18 : Proposed Scheme Search Process while MNNs Stay Insides the Train ... 29
Figure 19 : Message Flow of Proposed Scheme Before a User Geeting into the Train ... 30
Figure 20 : Message Flow of Proposed Scheme while a User Stays in the Train ... 31
Figure 21 : Message Flow of Proposed Scheme while User Moves Between Various Carriages ... 32
VI
Figure 23 : Message Flow of Intra-LMA Mobility of Proposed Scheme ... 34
Figure 24 : Message Flow of Inter-LMA Mobility of Proposed Scheme ... 35
Figure 25 : Message Flow of Handover in Mobile IP... 42
Figure 26 : Message Flow of Handover in Mobile IP + NEMO ... 42
Figure 27 : Message Flow of Handover in Proxy Mobile IPv6 ... 44
Figure 28 : Message Flow of Handover in PMIPv6 + NEMO ... 44
Figure 29 : Message Flow of Intra-LMA Mobility Handover in PMIP-MIP Interaction ... 45
Figure 30 : Message Flow of Inter-LMA Mobility Handover in PMIP-MIP Interaction ... 46
Figure 31 : Handover Delay for Various k ... 49
Figure 32 : Handover Delay for Various Nk ... 49
Figure 33 : Handover Delay for Various ρ ... 50
Figure 34 : Control Overhead for Various k... 55
Figure 35 : Control Overhead for Various Nk ... 55
Figure 36 : Control Overhead for Various ρ... 55
Figure 37 : Energy Consumption of MNN for Various Interval (ρ = 0.2) ... 61
Figure 38 : Energy Consumption of MNN for Various Interval (ρ = 0.5) ... 61
Figure 39 : Energy Consumption of MNN for Various Interval (ρ = 0.8) ... 61
Figure 40 : Energy Consumption of MRBody for Various Interval ... 61
Figure 41 : Energy Consumption of MNN for Various Velocity (ρ = 0.2) ... 62
Figure 42 : Energy Consumption of MNN for Various Velocity (ρ = 0.5) ... 62
Figure 43 : Energy Consumption of MNN for Various Velocity (ρ = 0.8) ... 62
Figure 44 : Energy Consumption of MRBody for Various Velocity ... 62
Figure 45 : Energy Consumption of MNN for Various BS Communication Range (ρ = 0.2) ... 63
VII
Figure 47 : Energy Consumption of MNN for Various BS Communication Range (ρ = 0.8) ... 63
Figure 48 : Energy Consumption of MRBody for Various BS Communication Range ... 63
Figure 49 : Energy Consumption of MNN for Various Overlay Region (ρ = 0.2) ... 64
Figure 50 : Energy Consumption of MNN for Various Overlay Region (ρ = 0.5) ... 64
Figure 51 : Energy Consumption of MNN for Various Overlay Region (ρ = 0.8) ... 64
Figure 52 : Energy Consumption of MRBody for Various Overlay Region ... 64
VIII
表 目 錄
Table 1 : Comparison of Various Mobility Management Schemes ... 13
Table 2 : Parameter Seetings of Simulations ... 37
Table 3 : The Number of Hop Count in Mobile IP ... 38
Table 4 : The Number of Hop Count in Mobile IP + NEMO ... 38
Table 5 : The Number of Hop Count in PMIPv6 ... 38
Table 6 : The Number of Hop Count in PMIPv6 + NEMO ... 39
Table 7 : The Number of Hop Count in PMIP-MIP ... 39
Table 8 : The Number of Hop Count in Proposed Scheme ... 39
1
第一章 緒論
物聯網（IoT，Internet of Things）[1] [2]已經逐漸成為現今網路中的焦點，而在未來網路 環境中，期望能將所有裝置互相連結、互相溝通，並提供無所不在的服務與網路資源。為了 加速物聯網的推動、普及性與可用性，因此選用 IP-Based 的網路架構以便與現有之 Internet 技術與基礎設施相容[3]。物聯網研究議題包括：異質性（Heterogeneity）、連結性（Connectivity）、 延展性（Scalability）、隱私和安全性（Privacy & Security）、自我管理功能（Self-management Capabilities）、能源管理（Energy Management）、移動性管理（Mobility Management）、品質服 務（Quality of Service）[4] [5]。智慧型運輸系統（ITS，Intelligent Transportation System）是 物聯網中相當熱門的應用之一。智慧型運輸系統整合了物聯網、車載網路與雲端計算，以達 到提供即時交通資訊、安全的行車環境、完善的車隊管理和貨物運輸、監控車輛狀態，並增 進運輸效率和減少空氣汙染[6]。然而物聯網中不同的移動模式影響到其服務品質，因此為了 使移動節點（MN，Mobile Node）在不同的移動模式中能夠持續連結網路服務而不中斷，需 要搭配有效率的移動性網路管理機制。 目前在 IP 網路中，最普及使用來解決移動性網路 IP 位置的方法為 Mobile IP [7]，而針對 不同的網路需求，如：分層架構、拓樸快速移動、移動節點群組移動等，Mobile IP 延伸出許 多種變形，諸如：Hierarchical Mobile IPv6 [8] [9]、Fast Handovers for Mobile IPv6 [10] [11]、 NEtwork MObility Basic Support Protocol（NEMO BSP）[12]。然而此類協定屬於 Host-Based Mobility Protocol，Host-Based Mobility Protocol 在移動節點移動時，移動節點需要負責並參與 移動性管理過程。故當每次 節 點移動位置時，需要自行執行換手 （Handover）與註冊 （Registration）的動作。而在未來物聯網的環境中，移動節點可能具備輕巧、資源有限的特 性，在經常移動的狀況下，將消耗過多移動節點的電力發送控制訊息參與移動性管理，也因 此 Host-Based Mobility Management 較 不 適 合 使 用 在 物 聯 網 中 ， 移 動 節 點 資 源 受 限 （Resource-constrained）的環境[13-15]。2
為了解決此一問題，由 IETF（Internet Engineering Task Force）所制定之 PMIPv6（Proxy Mobile IPv6）[16]屬 Network-Based Mobility Protocol，亦即移動節點不需要深度瞭解與參與協 定的運作，而是利用協定中的基礎設施（如：MAG，Mobile Access Gateway）代為執行移動 性管理機制與流程，藉此減少移動節點控制訊息的發送，降低移動節點的電力消耗。然而 PMIPv6 為 Local Mobility Protocol，移動節點僅限於在單一 PMIP Domain 內移動，無法橫跨 不同 PMIP Domain [16] [18]。此外，當 PMIP Domain 範圍太大時，其 Routing Overhead（如： Binding Cache、系統負載）將會太大而影響效能[18]。為了提供無所不在、無遠弗屆的物聯網 與智慧型運輸系統的服務，PMIPv6 設計上的限制將導致其不適合使用在未來網路環境中。
IETF 提出 PMIP-MIP Interaction [19]，將 PMIPv6 與 Mobile IP 結合，解決 PMIPv6 僅限於 Local Mobility 的缺點，使之擁有 Global Mobility 之特性[19]。但 PMIP-MIP 仍然產生過多的 控制訊息與問題，如：換手程序包含 PMIPv6 與 Mobile IP 控制訊息、移動節點必須自行發送 Mobile IP 的 Binding Update 控制訊息；此外，在 PMIP-MIP 的設計中並未考慮移動節點的群 組移動（Group Mobility）問題。NEMO（Network Mobility）[12] [20]可將整個移動節點群組 視為一個單位（Unit），並且利用 MR（Mobile Router）負責管理群組中移動節點，並且透過 MR 與外部網際網路連結與溝通。
因此本論文提出一個新的移動性網路管理機制適用於 IoT 與 ITS 環境，藉由結合 PMIP-MIP Interaction 與 NEMO，使得移動性網路管理機制可提供 Network-Based、Global Mobility 與 Group Mobility。本論文總共分為五個章節，其餘各個章節簡介如下所述：第二章 分別介紹幾種廣為人知的移動性網路管理機制，並且針對其優缺點、特色以及運作方式進行 討論；第三章介紹本論文之實驗場景與網路架構，並說明所提出之移動性網路管理機制的運 作流程與概念；第四章為討論各種移動性網路管理機制之數值分析，針對換手延遲時間、控 制訊息數量與能源消耗進行分析，並說明不同方法的優劣之處；第五章為本論文結論與未來 研究方向。
3
第二章 相關研究
本章節首先將針對三個主要研究議題：主機為基礎與網路為基礎的移動性管理方法 （Host-Based and Network-Based Mobility Management）、區域與全域移動性（Local and Global Mobility）、群組移動性（Group Mobility）進行比較與說明。隨後將簡單介紹目前常見的移動 性管理方法與運作流程。
2.1. 主機為基礎與網路為基礎的移動性管理方法
為了提供移動節點移動時可持續使用網路服務，因此需要使用移動性網路管理協定，然 而傳統的移動性網路管理協定多屬於 Host-Based Mobility Management，亦即移動節點必須了 解並且參與移動性管理的機制與流程。而在未來 IoT 的環境中，由於移動節點具有資源受限 （Resource-constrained）的特性，若經常性由移動節點發送控制訊息參與移動性管理，將消 耗過多的電力而導致節點快速失效死亡。因此 Host-Based Mobility Management 較不適合使用 在未來 IoT 環境[13-15]。
相對地，Network-Based Mobility Management 的設計，使得移動節點不需要深度參與協定 的運作，而是透過上層基礎設施管理其通訊範圍內的移動節點，並且代為傳送控制訊息。藉 此除了可以省去移動節點在不同網路中移動必須了解不同協定的問題，亦可以減少移動節點 的 控 制 訊 息 發 送 ， 降 低 移 動 節 點 的 電 力 消 耗 。 目 前 最 著 名 的 Network-Based Mobility Management 即為 Proxy Mobile IPv6 [16]。PMIPv6 的方法使移動節點不需參與移動性管理， 而是利用協定中的基礎設施（如：MAG，Mobile Access Gateway）代為執行移動性管理機制 與流程。PMIPv6 的詳細介紹與運作流程請參閱 2.4 節。
2.2. 區域與全域移動性
4
節點僅限於在單一 PMIP Domain 內移動，使得 PMIPv6 應用在 IoT 力求無所不在的服務上出 現致命的缺陷。在實際應用中，若 PMIP Domain 範圍太大時，其 Routing Overhead（如：Binding Cache、Routing Table、系統負載）將會太大而影響效能[18]。因此 PMIP Domain 必須透過適 當大小的分區與分群管理，故移動節點有可能在不同的 PMIPv6 Domain 之間移動；此外，網 際網路中存在著各式各樣不同的網路架構，因此移動節點亦可能在 PMIPv6 Domain 與 non-PMIPv6 Domain 之間移動。
2.3. 群組移動性
NEMO（NEtwork MObility）[12]由 IETF 工作小組發布 RFC3963 是 MIPv6 的延伸設計支 援行動網路的通訊協定，主要是在行動網路中所有節點，即使改變 AR（Access Router）的連 接點，也能保持對 Internet 連結性和節點只要知道 Home Address 而不去管節點移動到哪裡。 NEMO 網路由 MR（Mobile Router）、LFN（Local Fixed Node）、LFR（Local Fixed Router）組 成。與 MIPv6 相似一個路由器作為 HA（Home Agent）。當節點離開 HA，MR 配置一個轉交 位址（CoA-MR），MR 向 HA 發送 Binding Update 訊息，Binding Update 包含 prefix。HA 收 到 Binding Update 後，建立 HoA-MR 和 CoA-MR 紀錄並以 Prefix 建立轉發表，HA 向 MR 發 送 Binding Acknowledgement。註冊完成後，HA 和 MR 建立雙向隧道，這樣封包均由這條隧 道進行傳輸，達到 NEMO 與 Internet 的連結性。
文獻[4]指出 WBAN（Wireless Body Area Network）中的各個裝置可經由 WBAN 的 FFD 裝置（Sink Node）匯集資訊以及位置分配。[21]亦指出在一群 Mobile Node 移動時可經由設 置一個 PR（Proxy Router）裝置負責匯集資訊。由於這些設備皆跟隨著使用者移動，並且若 每個裝置皆各自執行換手機制，將使得換手的延遲時間變長與產生大量控制訊息的傳送，進 而造成網路壅塞，影響網路品質。當感測節點移動後需要連上存取節點重新獲得與設定 IP 位 置，但是這些程序會花費較長的延遲時間。若能經由 MR 或 PR 代為執行註冊與換手動作， 將可以節省大量控制訊息的花費。
5
2.4. 相關移動性網路管理協定
本章節說明 Mobile IP [7]、Mobile IP + NEMO [12]、PMIPv6 [16]、PMIPv6 + NEMO [17] 與 PMIP-MIP Interaction [19]運作原理以及查找移動節點與資料封包傳遞的過程。
2.4.1. Mobile IP
為了使得移動性節點在移動中能夠持續連結網路服務而不中斷，由 IETF（Internet Engineering Task Force）所制定的 Mobile IP 可提供移動節點在不同網路移動時，仍可經由使 用一個相同的 IP 位置與網際網路連結，而不會造成原有連結斷線。MN（Mobile Node）最初 所在的網路（Home Network）存在一台主機 HA（Home Agent），MN 會在此取得一個固定的 IP 位置，稱為 Home Address。當 MN 移動到其他網路（Foreign Network）時，會取得在 Foreign Network 所分配的網路位置 CoA（Care-of Address）。MN 會發送 BU（Binding Update）給 HA， 通知 MN 目前的 CoA 位置，而 MN 亦會回傳 BA（Binding Acknowledgement）。由於 MN 會 通知 HA 目前所在位置，因此不論 MN 移動到哪一個網路，CN（Corresponding Node）皆可 以經由 HA 將資料傳送至 MN。
如 Figure 1 所示，CN 將資料封包目的地位址設為 MN-HoA（Home Address of Mobile Node），因此資料封包會被傳送到 MN-HA（Home Agent for Mobile Node），HA 會根據其 Binding Cache 中相對應的資訊，將封包資料封裝（Encapsulate）轉送到 MN 的 CoA，亦即將封包傳 送到 MN 目前所在的網路。當 MN 收到來自 CN 的資料後，會對 CN 發送 BU 告知 CN 目前 MN 的 CoA，CN 亦會回傳 BA 完成路徑最佳化（Route Optimization）。
6
(Adapted from [7]) Figure 1 : Mobile IP Search Process
2.4.2. Mobile IP + NEMO
NEMO（NEtwork MObility）[12]由 IETF 工作小組發布 RFC3963 是 MIPv6 的延伸設計支 援行動網路的通訊協定，主要是在行動網路中所有節點，即使改變 AR（Access Router）的連 接點，也能保持對 Internet 連結性，並且移動節點不用理會行動網路目前移動到何處。NEMO 網路由 MR（Mobile Router）、LFN（Local Fixed Node）、LFR（Local Fixed Router）組成。與 MIPv6 相似一個路由器作為 HA（Home Agent）。當節點離開 HA，MR 配置一個轉交位址 （MR-CoA），MR 向 HA 發送 BU 訊息，BU 包含 Prefix Address。HA 收到 BU 後，建立 MR-HoA 和 MR-CoA 紀錄並以 Prefix 建立轉發表，HA 向 MR 發送 BA。註冊完成後，HA 和 MR 建立 雙向隧道，這樣封包均由這條隧道進行傳輸，達到 NEMO 與 Internet 的連結性。
如 Figure 2 所示，CN 將資料封包目的地位址設為 MNN-HoA（Home Address of Mobile Network Node），因此資料封包會被傳送到 MR-HA（Home Agent for Mobile Router），HA 會 根據 Prefix Address 尋找其 Binding Cache 中相對應的資訊，將封包資料封裝轉送到 MR 的 CoA，
7
亦即將封包傳送到 MNN 所屬之 MR 目前所在的網路。當 MR 收到來自 CN 的資料後，根據 目的地位址將資料封包傳送給正確的 MNN。
(Adapted from [12]) Figure 2 : Mobile IP + NEMO Search Process
2.4.3. Proxy Mobile IPv6
PMIPv6 [9]分類屬於 Network-Based Mobility Protocol，其最大的優點在於 MN 不需要瞭 解與參與協定的運作。當 MN 進入到一個 Proxy Mobile IPv6 Domain 後，MN 會發送 Rtr. Sol （Router Solicitation）訊息給 MAG（Mobile Access Gateway）。MAG 會根據其所屬的 LMA （Local Mobility Anchor）傳送 PBU（Proxy Binding Update）。LMA 指派一個 HNP（Home Network Prefix）給 MN，並在 Binding Cache 中加入一條 Entry 記錄此 HNP 目前屬於哪一個 MAG。隨後會設置 LMA 到 MAG 之間雙向隧道（Bi-direction Tunnel）的端點（Endpoint）， 並傳送含有 HNP 的 PBA（Proxy Binding Acknowledgment）訊息給 MAG。當 MAG 收到 PBA 後亦會設置 MAG 到 LMA 之間雙向隧道的端點，完成雙向通道的建立。此時 MAG 便可模擬
8
成 MN 的 Home Agent，傳送含有 HNP 的 Rtr. Adv（Router Advertisement）訊息給 MN，使 MN 認為其在於自身的 Home Network 中。
如 Figure 3 所示，當 MN 從 MAG1移動到 MAG2時， MAG1可經由某些機制（如：連結
層的連結中斷、IPv6 Neighbor Unreachability Detection），偵測到 MN 離開的事件。MAG1會
向 所 屬 的 LMA 發 送 De-Registration PBU 訊 息 ， LMA 收 到 後 會 開 始 執 行 MinDelayBeforeBCEDelete Timer，並回應 PBA 給 MAG1。如果在 Timer 過期之前，LMA 收
到 MAG2的 PBU 訊息，將會直接更新 Binding Cache 中 MN 的相關資訊。若 LMA 沒有收到
來自任何 MAG 關於 MN 的 PBU 訊息，將會清除在 Binding Cache 中 MN 的相關記錄。 如 Figure 4 所示，CN 將資料封包目的地位址設為 MNN Address，並且向上傳遞至 CN 所 屬的 MAG1。此時 MAG1會根據目的地位址的 Prefix Address 查找其 Binding Cache 中是否有
相對應的 Binding Entry，若存在則直接傳送到目的節點；若不存在則向上傳遞至 LMA。LMA 根據目的地位址的 Prefix Address 查找其 Binding Cache 中相對應的 Binding Entry，並將資料 封包封裝傳送給 MNN 所在的 MAG2。隨後 MAG2將封包解封裝，並且傳送給 MNN。
(Adapted from [16]) Figure 3 : Network Architecture of PMIPv6
9
(Adapted from [16]) Figure 4 : PMIPv6 Search Process
2.4.4. Proxy Mobile IPv6 + NEMO
PMIPv6 + NEMO [17]是基於 PMIPv6 並加入 NEMO 機制。與 Mobile IP + NEMO 類似， PMIPv6 + NEMO 中 MAG 擔任 AR 的角色，而 NEMO 亦包含 MR 與其他移動節點 MNN。當 移動節點發生移動，MR 會負責發送 Rtr. Sol 與 Rtr. Adv 與 MAG 傳遞與溝通，NEMO 中的移 動節點不會發覺發生移動。故當 NEMO 從 MAG1移動到 MAG2時，MAG1偵測到 NEMO 離
開 而 向 所 屬 的 LMA 發 送 De-Registration PBU 訊 息 ， LMA 收 到 後 會 執 行 MinDelayBeforeBCEDelete Timer，並回應 PBA 給 MAG1。當 NEMO 到達 MAG2範圍後會發
送 Rtr. Sol 給 MAG2並接收 Rtr. Adv 訊息。而 LMA 亦會收到 MAG2所發送的 PBU 訊息，接
著更新 Binding Cache 中 NEMO 的相關資訊。
如 Figure 5 所示，CN 將資料封包目的地位址設為 MNN Address，並且向上傳遞至 CN 所 屬的 MAG1。此時 MAG1會根據目的地位址的 Prefix Address 查找其 Binding Cache 中是否有
10
相對應的 Binding Entry，若存在則直接傳送到目的節點；若不存在則向上傳遞至 LMA。LMA 根據目的地位址的 Prefix Address 查找其 Binding Cache 中相對應的 Binding Entry，並將資料
封包封裝傳送給 MNN 所在的 MAG2。隨後 MAG2將封包解封裝，並且傳送給 MNN 所屬的
MR，MR 再傳送給 MNN。
(Adapted from [17]) Figure 5 : PMIPv6 + NEMO Search Process
2.4.5. PMIP-MIP Interaction
IETF 提出 PMIP-MIP Interaction [19]，以 PMIPv6 為基礎，將 PMIPv6 與 Mobile IP 結合， 加入 Mobile IP 的 Home Agent 機制，使其可以支援在不同 PMIPv6 Domain 間移動，亦即 PMIPv6 負責管理 Local Mobility，Mobile IP 負責管理 Global Mobility。如 Figure 6，當 MN（Mobile Node） 進入 MAG1範圍後，MAG1會發送 PBU（Proxy Binding Update）給所屬的 LMA1，並且 LMA1
11
訊息給 HA（Home Agent）註冊目前 MN 的 CoA（Care-of Address）。當 MN 從 MAG1範圍移
動到 MAG2範圍，MAG2會發送 PBU 訊息給 LMA1。由於 MAG1與 MAG2皆屬於 LMA1，此
類移動為 Intra-domain Mobility，只需通知 LMA1更改其 Binding Cache 中的 Binding Entry，不
需通知 HA 修改對應的 CoA。當 MN 從 MAG2移動到 MAG3時，由於 MAG2與 MAG3隸屬於
不同的 LMA，此類移動屬 Inter-domain Mobility，除了必須通知 LMA2建立 Binding Entry，亦
需通知 HA 更改對應至 MN 新的 CoA。
如 Figure 7 所示，外部節點 CN 傳送資料給 MNN，將資料封包目的地位址設為 MNN-HoA， 因此封包會傳送至 MNN-HA。MNN-HA 根據其 Binding Cache 中相對應的資訊，將封包資料 封裝轉送到 MNN 所屬的 PMIPv6 Domain，亦即所屬的 LMA。LMA 解封裝後根據目的地位 址的 Prefix Address 查找其 Binding Cache 中相對應的 Binding Entry，並將資料封包封裝傳送 給 MNN 所在的 MAG。隨後 MAG 將封包解封裝，並且傳送給 MNN 所屬的 MR，MR 再傳 送給 MNN。
(Adapted from [19]) Figure 6 : Network Architecture of
12
(Adapted from [19]) Figure 7 : PMIP-MIP Interaction Search Process
本文為各種移動性管理協定之比較整理如 Table 1。PMIPv6 與 PMIPv6 + NEMO 為基於 Network-Based 方法而設計，然而 PMIP-MIP Interaction 在節點移動時需要移動節點自行發送 註冊控制訊息，因此本論文將其與 Mobile IP、Mobile IP + NEMO 歸類為 Host-Based Management Protocol。而 PMIPv6 與 PMIPv6 + NEMO 在設計上皆侷限於 Local Mobility Protocol，無法跨越不同的網路移動。而 Mobile IP + NEMO 與 PMIPv6 + NEMO 使用了 NEMO 概念，因此屬於 Group Mobility Protocol。而本論文所提出之方法結合了各種移動性管理協定 的特點，設計出一個具有 Network-Based Management Protocol、Global Mobility Protocol 與 Group Mobility Protocol 三種優點的移動性管理方法。
13
Table 1 : Comparison of Various Mobility Management Schemes
Network-Based Global Mobility Group Mobility
Mobile IP [7] × × Mobile IP + NEMO [12] × PMIPv6 [16] × × PMIPv6 + NEMO [17] × PMIP-MIP [19] × × Proposed Scheme 2.5. 相關移動性網路管理方法之網路架構
本章節說明 Mobile IP [7]、Mobile IP + NEMO [12]、PMIPv6 [16]、PMIPv6 + NEMO [17] 與 PMIP-MIP Interaction [19]網路管理方法使用在本論文場景的網路架構。
2.5.1. Mobile IP
如 Figure 8 所示，在 Mobile IP 中所有移動節點皆直接與路邊裝置連結，路邊裝置即為 Mobile IP 中 Router 的角色，而列車移動會在不同的路邊裝置之通訊範圍移動。當列車移動 到另一路邊裝置後，列車中的移動節點皆需各自執行換手動作，以更新其目前之位置資訊， 通知 Home Agent 移動節點目前所在的路邊裝置服務範圍。當外部節點 CN（Corresponding Node）與移動節點通訊時，CN 會將封包傳遞至移動節點的 HoA（Home Address），此時 Hone Agent 會根據其 Binding Cache 將封包封裝（Encapsulation）到移動節點的 CoA。當封包到達 路邊裝置後，路邊裝置將封包解封裝（Decapsulation）後傳遞至正確的移動節點。
14
2.5.2. Mobile IP + NEMO
如 Figure 9 所示，Mobile IP + NEMO 的網路架構與 Mobile IP 相似，其不同之處在於可將
車廂中一起移動的移動節點形成一個群組（通常以個人為一個群組）。而此群組會挑選一合適
的移動節點做為 MR（Mobile Router），群組中移動節點皆使用 MR 的 MNPs（Mobile Network Prefixes）並且連結至 MR，而 MR 負責匯集的工作，並且直接與路邊裝置連結。當列車在不 同路邊裝置服務範圍移動時，MR 會執行換手機制，通知 Home Agent MR 目前所在的路邊裝 置服務範圍。其中包含群組中移動節點所使用的 MNPs，此機制可以避免群組中各個節點自 行執行換手機制、造成網路壅塞。當外部節點 CN 與移動節點通訊時，CN 會將封包傳遞至移 動節點的 HoA（Home Address），此時 Home Agent 會根據其 Binding Cache 將封包封裝 （Encapsulate）到移動節點所在 MR 的 CoA。當封包傳達至 MR 時，MR 會將封包解封裝 （Decapsulate）後，將封包傳遞至正確的移動節點。
(Adapted from [7]) (Adapted from [12]) Figure 8 : Network Architecture of Mobile IP Figure 9 : Network Architecture of
Mobile IP + NEMO
2.5.3. Proxy Mobile IPv6
如 Figure 10 所示，在 PMIPv6 網路架構中，路邊裝置如同 MAG 的角色，LMA 即為管理 這些 MAG 的 Server。在列車中的移動節點皆直接與路邊裝置連結，故當列車在不同的路邊 裝置間移動時，如同移動節點在不同的 MAG 服務範圍間移動。當 MAG 經由連結層的連結
15
中斷或 IPv6 Neighbor Unreachability Detection 偵測到移動節點離開時，會通知 LMA 移動節點 離開此 MAG 服務範圍，而當移動節點進入另一 MAG 服務範圍時，新 MAG 亦會通知 LMA 移動節點進入新 MAG 服務範圍，此時 LMA 會修改其 Binding Cache 更新移動節點所在位置。 但 PMIPv6 架構並無法提供 Global Mobility，亦即無法提供移動節點在不同的 PMIP Domain 間移動。
2.5.4. Proxy Mobile IPv6 + NEMO
如 Figure 11 所示，PMIP + NEMO 的網路架構與 PMIPv6 相似，其不同之處在於可將車
廂中一起移動的移動節點形成一個群組（通常以個人為一個群組）。而此群組會挑選一合適的
移動節點做為 MR（Mobile Router），群組中移動節點皆使用 MR 的 MNPs（Mobile Network Prefixes）並且連結至 MR，而 MR 負責匯集的工作，並且直接與路邊裝置連結。當列車在不 同路邊裝置服務範圍移動時，如同 NEMO 在不同 MAG 服務範圍間移動。
(Adapted from [16]) (Adapted from [17]) Figure 10 : Network Architecture of PMIPv6 Figure 11 : Network Architecture of
PMIPv6 + NEMO
2.5.5. PMIP-MIP
16
為管理 MAG 的 Server，而網路中存在著多個 PMIP-Domain，因此利用 MNN-HA 記錄移動節 點目前所屬的 LMA-Domain。列車中的移動節點皆直接與路邊裝置連結，故當列車在不同的 路邊裝置間移動時，如同移動節點在不同的 MAG 服務範圍間移動。而火車列車從舊的 pMAG 移動到新的 nMAG 通訊範圍，若 pMAG 與 nMAG 屬於同一個 PMIP-Domain 時，屬於 Intra-LMA Mobility。此時 pMAG 會偵測到移動節點離開通訊範圍，並發送 PBU 訊息告知 LMA 並等待 LMA 回傳 PBA，當列車進入 nMAG 通訊範圍時，nMAG 會發送 PBU 通知 LMA 更新位置資 訊，並等待 LMA 回傳 PBA。若 pMAG 與 nMAG 屬於不同的 PMIP-Domain，則屬於 Inter-LMA Mobility。此時新的 LMA 需要發送 BU 控制訊息給 MNN-HA 更改位置資訊，告知其 MNN 目 前所屬的 LMA。
(Adapted from [19]) Figure 12 : Network Architecture of
17
第三章 研究方法
3.1. 使用場景
本論文所設定之場景如 Figure 13 所示，考慮使用者搭乘高速列車（High Speed Train）， 而使用者身上具備一些感測裝置（Sensors）及智慧型裝置（Smart Devices），這些感測裝置可 能包含使用者身上的生理感測器（如：體溫、血壓、脈搏感測器）與智慧型裝置（手機、PDA、 筆記型電腦），可用來感測人體狀況。而感測裝置與智慧型裝置可以自我形成一個 PAN （Personal Area Network），並且隨著使用者一起移動。此外，感測器與智慧型裝置可透過 WiFi/WiMAX APs（Access Points）或 Cellular Base Stations 等路邊裝置，傳送資料到網際網路 或從網際網路接收資料。當使用者搭乘火車列車，隨著火車列車一起移動時，感測器與智慧 型裝置所形成的 PAN 亦隨著火車列車移動。而火車列車行駛將會經過不同的路邊裝置，由舊
的路邊裝置移往新的路邊裝置。此時感測器與智慧型裝置需要進行換手機制（Handover），以
持續使用網路資源。
18
3.2. 本論文方法介紹 3.2.1. 系統模型
如 Figure 14 所示，為本論文方法之系統模型。以下針對本論文所使用的裝置角色、定義、 功能做簡單的介紹：
PMIPv6 Domain：定義為由一個或多個 MAGs 的通訊範圍所形成的區域，而這些 MAGs 由同一個 LMA 伺服器負責管理。在 PMIPv6 Domain 中，即使用 PMIPv6 之移動性網路 管理機制以維護移動節點存取網路資源的連接性。
LMA（Local Mobility Anchor）：定義為 PMIPv6 Domain 中移動節點的 Home Agent。在本 論文中，LMA 為一大型伺服器，屬於路邊基礎架構的一部分，必須負責管理 PMIPv6 Domain 中的 Binding Cache，藉此用以確認移動節點目前所在的 MAG 通訊範圍。 MAG（Mobile Access Gateway）：定義為提供移動節點連結的存取路由器（Access Router），
在本論文中，MAG 為路邊基地台（Base Station）裝置，屬於路邊基礎架構的一部分，提 供移動節點或其他裝置使用 3G 網路與基地台連結，並可經由基地台取得網際網路的服 務與資源。MAG 由 LMA 負責管理，當移動節點進入或離開 MAG 負責範圍時，MAG 必須傳送註冊控制訊息給 LMA，以維護 Binding Cache 的正確性。
NEMOTrain：定義為由一列火車列車所形成的移動性網路，NEMOTrain由許多 NEMOCarriage
所組成。本論文的 NEMOTrain 由 MRTrain 擔任匯流點。邏輯架構中，NEMOTrain 將涵蓋
NEMOCarriage、NEMOBody；實體架構中，NEMOTrain將包含 MRTrain、MRCarriage、MRBody、
MNNs 等裝置。
NEMOCarriage：定義為由火車列車中一節車廂所形成的移動性網路，NEMOCarriage 由許多
NEMOBody所組成。本論文的 NEMOCarriage由 MRCarriage擔任匯流點，並且由 MRTrain負責
管理。邏輯架構中，NEMOCarriage 將涵蓋 NEMOBody；實體架構中，NEMOCarriage 將包含
19
NEMOBody：定義為由車廂中的使用者所形成的移動性網路，NEMOBody由許多 MNNs 所
組成。本論文的 NEMOBody由 MRBody擔任匯流點，並且由 MRCarriage負責管理。邏輯架構
中，NEMOBody為使用者形成的 PAN；實體架構中，NEMOBody將包含 MRBody與 MNNs
裝置。
MRTrain（LMATrain）：定義為在火車列車中負責 NEMOTrain內資料的匯流節點，同時亦為
火車列車內部 PMIPv6 Domain 的 LMA。在本論文中，MRTrain為火車列車閘道器（Gateway），
負責利用 3G 無線網路轉送 NEMOTrain到基地台（MAG）之間往來的訊息資料，同時也
必須維護 NEMOTrain內 PMIPv6 Domain 的 Binding Cache，藉此用以確認 MNNs 目前所在
的 MAGCarriage通訊範圍。
MRCarriage（MAGCarriage）：定義為在火車列車的車廂中，負責 NEMOCarriage內資料的匯流節
點，同時亦為火車列車內部 PMIPv6 Domain 的 MAG。在本論文中，MRCarriage為設置在
車廂內的 WiFi AP，由 LMATrain 管理，並且利用有線網路轉送 NEMOCarriage 到 MRTrain
（LMATrain）之間往來的訊息資料。當移動節點進入或離開 MAGCarriage 負責範圍時，
MAGCarriage必須傳送註冊控制訊息給 LMATrain，以維護 Binding Cache 的正確性。
MRBody：定義為在火車車廂中，負責 NEMOBody 內資料的匯流節點。在本論文中，為使
用者的 Smart Devices，由 MAGCarriage管理，並且利用 WiFi 無線網路轉送 NEMOBody到
MRCarriage（MAGCarriage）之間往來的訊息資料。
MNN：定義為位於 NEMO 網路內的移動節點。在本論文中，MNNs 為位於 NEMOBody
內使用者的移動感測器，由 NEMOBody負責管理。MNNs 會週期性地感測資料，並且利
20
Figure 14 : System Model
3.2.2. 網路架構
本篇論文提出藉由結合 PMIP-MIP Interaction 與 NEMO，使之可支援 Network-Based、 Global Mobility 與 Group Mobility。本系統架構中，如 Figure 15 所示，基礎設施由多個 PMIPv6 Domain 組成，PMIPv6 Domain 定義為一個由 LMA 所管理的範圍。而一個 PMIPv6 Domain 中可以包含一個或多個 MAGs，在本系統架構中，路邊裝置（APs/BSs）擔任 MAG 的角色。 而 LMA 則是負責管理一個或多個 MAG 的伺服器，並且負責維護在此 PMIPv6 Domain 的 Binding Cache。
如 Figure 15 所示，火車列車如同一個 PMIPv6 Domain，內部包含不同層級的 NEMO 網
路，其網路架構如下所述：（1）NEMOBody 為由使用者感測節點所形成的 PAN 群組，每個
NEMOBody由 MRBody負責管理。在本論文的設計中，MRBody由功能較強大的 Smart Device 擔
21
NEMOBody形成 NEMOCarriage，而每個 NEMOCarriage由個別車廂的 MAGCarriage（亦為 MRCarriage）
負責管理。在本論文的設計中，由 WiFi AP 將擔任 MAGCarriage的角色，負責轉送 NEMOCarriage
與 LMATrain之間往來的訊息資料。（3）整列火車列車所有的 NEMOCarriage形成 NEMOTrain，每
個 NEMOTrain由 LMATrain（亦為 MRTrain）負責管理。在本論文的設計中，LMATrain為由一個
閘道器（Gateway），負責轉送 NEMOTrain與網際網路之間往來的訊息資料。
此外，使用者可能來自不同的 Home Networks。根據原始的 NEMO 架構，當火車移動橫 跨不同路邊裝置時，MRTrain必須發送 BU（Binding Update）控制訊息給每個移動節點所屬的
MNN-HA（Home Agent for Mobile Network Node），因而可能造成相當大的控制訊息發送。故 本論文加入 MR-HA（Home Agent for Mobile Router）記錄目前火車列車 NEMOTrain所屬的
PMIPv6 Domain，使得 LMA 只需要發送 BU 控制訊息通知 MR-HA 目前 MRTrain（亦為 LMATrain）
所屬的 LMA，而不需要發送大量的控制訊息給不同 MNN 所屬的 MNN-HA，期望藉此減少 換手延遲時間與控制訊息數量的發送。Figure 16 (a) ~ (d)為本論文提出之方法中，使用 MR-HA 與不使用 MR-HA 的相關比較。可以發現無論是在換手延遲時間或是控制訊息數量中，使用 MR-HA 有明顯的優勢。因此本論文採用加入 MR-HA 的系統架構以改善其效能。
當外部節點 CN 與移動節點通訊時，CN 會將封包傳遞至移動節點的 MNN-HA，此時 MNN-HA 會根據其 Binding Cache 中的資訊，將封包封裝至移動節點所屬的 MRTrain之 HoA
（Home Address），即傳送到 MR-HA。當封包到達 MR-HA 後，MR-HA 會將封包解封裝，並 根據其 Binding Cache 中的資訊，將封包封裝至 MRTrain所屬的 LMA。一旦封包到達 LMA，
LMA 會將封包解封裝，並且根據 Binding Cache 將封包封裝到 MRTrain，MRTrain將封包解封裝
後根據其 Routing Table 將封包經由正確的 MRCarriage、MRBody傳送給移動節點。詳細流程請參
22
Figure 15 : Network Architecture of Proposed Scheme
23
(c) (d)
Figure 16 : Performance Evaluation of the Effects of MR-HA
3.2.3. 訊息格式
本論文所提出的方法，會使用到以下幾種控制訊息以維護路由。控制訊息包括：Rtr. Sol、 Rtr. Adv、PBU、PBA、BU、BA。以下針對控制訊息的主要欄位做介紹：
Router Solicitation（Rtr. Sol）：當節點需要連結至網路裝置以獲取存取網路連線時，節點 主動發送連結請求的控制訊息。
Source Address：來源節點被賦予的 Address，若尚未被賦予 Address，則使用 Unspecified Address。
Destination Address：通常使用 All-Routers Multicast Address。
Mobile Network Node Prefix Address (Option)：記錄 MR 節點下的 MNN 之 Prefix Address 訊息。
Router Advertisement（Rtr. Adv）：裝置回應 Rtr. Sol 的控制訊息。 Source Address： 發送此 Rtr. Adv 控制訊息的 Address。
Destination Address：通常為 Rtr. Sol 控制訊息中的 Source Address，若無 Source Address 則會使用 All-Nodes Multicast Address。
24
Prefix Information：包含此 Router 可使用或賦予的 Prefix 相關資訊。
Proxy Binding Update（PBU）：裝置用以代替 MNN 節點所發送的位置更新訊息。 Source Address：記錄 MAG Address。
Destination Address：記錄 LMA Address。
Mobile Node Identifier Option：用來記錄控制訊息的來源 Mobile Node 辨識資訊。 Lifetime：提供 LMA 建立 Binding Entry 時的連結有效時間。若為 0，則表示為
De-Registration 訊息。
Proxy Binding Acknowledgement（PBA）：裝置回應 PBU 的控制訊息。 Source Address：記錄 LMA Address。
Destination Address：記錄 MAG Address。
Mobile Node Identifier Option：用來記錄控制訊息的來源 Mobile Node 辨識資訊。 Binding Update（BU）：裝置用以更新位置訊息所發送的控制訊息。
Source Address：記錄 MAG Address。 Destination Address：記錄 LMA Address。
Mobile Node Identifier Option：用來記錄控制訊息的來源 Mobile Node 辨識資訊。 Lifetime：提供 LMA 建立 Binding Entry 時的連結有效時間。若為 0，則表示為
De-Registration 訊息。
Binding Acknowledgement（BA）：裝置回應 BU 的控制訊息。 Source Address：記錄 LMA Address。
Destination Address：記錄 MAG Address。
Mobile Node Identifier Option：用來記錄控制訊息的來源 Mobile Node 辨識資訊。
3.2.4. 相關表格
25
Home Address Care-of Address Lifetime Home Address：記錄 MNN 的原始 IP 位址。 Care-of Address：記錄 MNN 所在網路的 IP 位址。 Lifetime：記錄此 Binding Entry 的時效。
MR-HA 中的 Binding Cache，用以記錄 MRTrain目前所在的位置資訊。
Home Address Care-of Address Lifetime Home Address：記錄 MRTrain的原始 IP 位址。
Care-of Address：記錄 MRTrain所在的 PMIPv6 Domain，即 LMA 的 IP 位址。
Lifetime：記錄此 Binding Entry 的時效。
LMA 中的 Binding Cache，用以記錄移動節點目前所在的位置資訊。 Home Address Care-of Address Lifetime
Home Address：記錄移動節點的原始 IP 位址。 Care-of Address：記錄移動所屬的 MAG 位址。 Lifetime：記錄此 Binding Entry 的時效。
MAG 中的 Binding Cache，用以記錄移動節點的相關資訊。
MAC Address IP Address Prefix Lifetime MAC Address：記錄移動節點實體網路卡位址。
IP Address：記錄移動節點的 IP 位址。
Prefix：記錄移動節點所被賦予的 Prefix Address。 Lifetime：記錄此 Binding Entry 的時效。
26
LMATrain中的 Binding Cache，用以記錄移動節點目前所在的位置資訊。
MAC Address Care-of Address Prefix Lifetime MAC Address：記錄移動節點實體網路卡位址。
Care-of Address：記錄移動所屬的 MAG 位址。 Prefix：記錄移動節點所被賦予的 Prefix Address。 Lifetime：記錄此 Binding Entry 的時效。
MAGCarriage中的 Binding Cache，用以記錄移動節點的相關資訊。
MAC Address Prefix Lifetime MAC Address：記錄移動節點實體網路卡位址。 Prefix：記錄移動節點所被賦予的 Prefix Address。 Lifetime：記錄此 Binding Entry 的時效。
MRBody中的 Routing Table，用以記錄移動網路節點的路由相關資訊。
MAC Address Link-Local Address
MAC Address：記錄移動節點實體網路卡位址。
Link-Local Address：記錄移動節點的 Link-Local Address。
3.2.5. 尋找移動節點機制
尋找移動節點可分為兩種情形進行討論：（1）使用者未搭乘火車列車。（2）使用者搭乘 火車列車。
使用者未搭乘火車列車
如 Figure 17 使用者尚未搭乘火車列車時，感測器連結至 MRBody且經由路邊 Wi-Fi AP、
27
Node）傳送封包給感測節點（即 MNN，Mobile Network Node）時，即將封包傳遞至 MNN-HoA （Home Address of MNN）。此時封包會先傳遞至 MNN 的 Home Agent（MNN-HA），（2）根 據 MNN-HA 中的 Binding Cache，將封包封裝，並且傳遞至使用者目前所在的 PMIPv6 Domain， 即傳遞至正確的 LMA。（3）LMA 解封裝，藉由目的地 Prefix Address 尋找 LMA 中的 Binding Cache，並將封包封裝並傳遞至正確的 MAG。（4）隨後 MAG 解封裝，並將封包傳遞至 MRBody，
（5）MRBody轉傳封包至目的感測節點。
Figure 17 : Proposed Scheme Search Process while MNNs Stay Outsides the Train
28
使用者搭乘火車列車
如 Figure 18 使用者搭乘火車列車時，感測器連結至 MRBody且經由車廂 Wi-Fi AP 連結到
網際網路。（1）當外部節點 CN（Corresponding Node）傳送封包給感測節點（即 MNN，Mobile Network Node）時，即將封包傳遞至 MNN-HoA（Home Address of MNN）。此時封包會先傳 遞至 MNN 的 Home Agent（MNN-HA），（2）根據 MNN-HA 中的 Binding Cache，將封包封裝， 並傳遞至使用者目前所在的 MRTrain，亦即傳送至 MRTrain-HoA（Home Address of MRTrain）。為
了尋找 MRTrain，封包會被傳送至 MRTrain的 Home Agent（MR-HA）。（3）MR-HA 根據其 Binding
Cache 資訊將封包封裝至 MRTrain目前所在的 PMIPv6 Domain，亦即傳送至正確的 LMA。（4）
LMA 解封裝，根據目的地位址尋找 LMA 中的 Binding Cache，並將封包封裝並傳遞至 MRTrain
目前所在的 MAG。（5）MAG 解封裝，並將封包傳遞至 MRTrain。（6）MRTrain解封裝，並根據
目的地 Prefix Address 尋找 LMATrain 中的 Binding Cache，並將封包封裝並傳遞至正確的
MAGCarriage。（7）隨後 MAGCarriage解封裝，並將封包傳遞至 MRBody，（8）MRBody轉傳封包至
29
Figure 18 : Proposed Scheme Search Process while MNNs Stay Insides the Train
3.2.6. 使用者移動之換手機制
考慮到使用者搭乘火車列車，可分為以下四個階段進行討論：（1）使用者尚未進入火車
列車。（2）使用者進入火車列車。（3）使用者在火車車廂間移動。（4）使用者離開火車列車。
使用者尚未進入火車列車
當使用者尚未搭乘火車時，亦即使用者必須自行透過基礎設施連結網際網路。在本論文 的場景中，使用者感測器連結至 MRBody（Smart Device）後，MRBody經由路邊 Wi-Fi AP、或
30
Rtr. Sol（Router Solicitation）控制訊息給基地台（Base Station，亦稱為 MAG），其中會包含 MRBody被賦予的 Prefix Address。（2）MAG 會發送 PBU（Proxy Binding Update）控制訊息給
LMA，通知 LMA 更新 Binding Cache。（3）當 LMA 收到 PBU 控制訊息，若 Binding Cache 中並無 MRBody的 Binding Entry，則會新增一條 Binding Entry，並且發送 PBU 控制訊息給相
對應的 Home Agent。若已存在 MRBody的 Binding Entry，則更新為目前新的位置。（4）當 Home
Agent 更新 Binding Cache 為目前所在的 LMA 後會發送 PBA（Proxy Binding Acknowledgement） 控制訊息給 LMA。（5）LMA 亦回傳 PBA 給 MAG。（6）最後 MAG 會回傳 Rtr. Adv（Router Advertisement）給 MRBody完成位置更新。
Figure 19 : Message Flow of Proposed Scheme Before a User Geeting into the Train
使用者進入火車列車
當使用者進入火車列車後，MRBody發現火車車廂 Wi-Fi AP（即 MAGCarriage、MRCarriage）
訊號強度較強且穩定，會轉而連結至 MAGCarriage。如 Figure 20 所示，（1）首先 MRBody會發送
Rtr. Sol 控制訊息給 MAGCarriage，其中包含 MRBody被賦予的 Prefix Address。（2）MAGCarriage
會發送 PBU 控制訊息給火車列車閘道器（Gateway，即 LMATrain、MRTrain），通知 LMATrain
更新 Binding Cache。（3）當 LMATrain收到 PBU 控制訊息，若 Binding Cache 中並無 MRBody
31
若已存在 MRBody的 Binding Entry，則更新為目前新的位置。（4）當 Home Agent 更新 Binding
Cache 為目前所在的 LMATrain後會發送 PBA（Proxy Binding Acknowledgement）控制訊息給
LMATrain。（5）LMATrain亦回傳 PBA 給 MAGCarriage。（6）最後 MAGCarriage會回傳 Rtr. Adv（Router
Advertisement）給 MRBody完成位置更新。
Figure 20 : Message Flow of Proposed Scheme while a User Stays in the Train
使用者在火車車廂間移動
使用者搭乘火車列車時，可能在車廂間移動。如 Figure 21 所示，（1）MRBody連結原始所
在車廂之 Wi-Fi AP 稱為 pMAGCarriage（Previous-MAGCarriage）。（2）當 MRBody離開 pMAGCarriage
時，（3）pMAGCarriage會發送 PBU 控制訊息給 LMATrain，通知 LMATrain更新 Binding Cache。（4）
當 LMATrain收到 PBU 控制訊息後修改 Binding Cache 中相對應的 Binding Entry，並回傳 PBA
控制訊息給 pMAGCarriage。（5）當 MRBody進入 nMAGCarriage通訊範圍時，（6）MRBody會發送
Rtr. Sol 控制訊息給 nMAGCarriage，其中包含 MRBody被賦予的 Prefix Address。（7）pMAGCarriage
會發送 PBU 控制訊息給 LMATrain，通知 LMATrain更新 Binding Cache。（8）LMATrain更新 Binding
Cache 中相對應的 Binding Entry 後會發送 PBA 控制訊息給 nMAGCarriage。（9）nMAGCarriage亦
32
Figure 21 : Message Flow of Proposed Scheme while User Moves Between Various Carriages
使用者離開火車列車
當使用者離開火車列車，亦即使用者離開車廂 Wi-Fi AP 通訊範圍，此時使用者必須轉向 自行透過基礎設施連結網際網路。換手機制如同「使用者尚未進入火車列車」階段，訊息流 程亦如 Figure 19 所示。
3.2.7. 列車移動之換手機制
如 Figure 22 所示，當火車列車行進中，會經過不同基地台（Base Station，擔任 MAG 的 角色）服務範圍，為了持續提供網路服務，因此火車列車必須執行換手機制，在不同的基地 台服務範圍間切換。考慮火車列車原始所在的基地台稱為 pMAG（Previous-MAG），當火車 列車往前行駛，進入另一個基地台的服務範圍，此基地台稱為 nMAG（Next-MAG）。由於兩 個 MAG 可能屬於同一個 LMA 所管轄，即屬於同一個 PMIPv6 Domain，亦有可能隸屬於不同 的 LMA 負責範圍，亦即屬於不同的 PMIPv6 Domain。因此當火車列車跨越不同基地台通訊
33
範圍，發生換手事件時，有兩種換手情形：（1）前者兩個 MAG 屬於同一個 LMA 管理，稱為
Intra-LMA Mobility；（2）後者 pMAG 與 nMAG 分別屬於 pLMA（Previous-LMA）與 nLMA （Next-LMA）管理，稱為 Inter-LMA Mobility。以下將針對兩種換手情形進行說明。
Figure 22 : The Train Travel through a Few Road Side BSs Communication Range
Intra-LMA Mobility
如 Figure 23 所示為 Intra-LMA Mobility 的訊息流程圖，（1）移動節點 MNN 連結到 MRBody，MRBody連結到 MRCarriage，MRCarriage連結到 MRTrain。（2）MRTrain連結到 pMAG。
（3）火車列車移動而離開 pMAG 的通訊範圍後，MRTrain與 pMAG 斷線。（4）當 pMAG
發現 MRTrain離開其通訊範圍時會發送 PBU（Proxy Binding Update）控制訊息給 LMA，
通知 LMA 火車列車已經離開其通訊範圍。（5）而 LMA 則會回傳 PBA（Proxy Binding Acknowledgement）控制訊息。（6）當火車列車進入 nMAG 的通訊範圍時，MRTrain會開
34
始與連結 nMAG。（7）MRTrain會發送 Rtr. Sol（Router Solicitation）控制訊息給 nMAG。
（8）當 nMAG 收到來自火車列車的 Rtr. Sol 控制訊息後，會發送 PBU 給 LMA 通知 LMA 更改移動節點之位置資訊。（9）而 LMA 亦會回傳 PBA 給 nMAG。（10）隨後 nMAG 會 回傳 Rtr. Adv（Router Advertisement）給 MRTrain。
Figure 23 : Message Flow of Intra-LMA Mobility of Proposed Scheme
Inter-LMA Mobility
如 Figure 24 所示為 Inter-LMA Mobility 的訊息流程圖，（1）移動節點 MNN 連結到 MRBody，MRBody連結到 MRCarriage，MRCarriage連結到 MRTrain。（2）MRTrain連結到 pMAG。
（3）火車列車移動而離開 pMAG 的通訊範圍後，MRTrain與 pMAG 斷線。（4）當 pMAG
發現 MRTrain離開其通訊範圍時會發送 PBU（Proxy Binding Update）控制訊息給 pLMA，
通知 pLMA 火車列車已經離開其通訊範圍。（5）而 pLMA 則會回傳 PBA（Proxy Binding Acknowledgement）控制訊息。（6）當火車列車進入 nMAG 的通訊範圍時，MRTrain會開
35
（8）當 nMAG 收到來自火車列車的 Rtr. Sol 控制訊息後，會發送 PBU 給 nLMA 通知 nLMA 新增移動節點之位置資訊。（9）nLMA 可由 Binding Cache 發現火車列車為 Inter-LMA Mobility，因此必須向 MR-HA 發送 BU（Binding Update）控制訊息，更新目前 MRTrain
所屬的 LMA 位置資訊。（10）MR-HA 更新 MRTrain的位置資訊後會回傳 BA（Binding
Acknowledgement）控制訊息給 nLMA。（11）而 nLMA 亦會回傳 PBA 給 nMAG。（10） 隨後 nMAG 會回傳 Rtr. Adv（Router Advertisement）給 MRTrain。
Figure 24 : Message Flow of Inter-LMA Mobility of Proposed Scheme
36
第四章 效能分析
4.1. 實驗環境與參數設定
本論文採用數值分析方式，分別針對不同移動性網路管理方法的特性：Network-Based 與 Host-Based Management 以及 Group 與 non-Group 不同特性，對於節點耗電量、控制訊息數量、 換手延遲時間、封包傳輸延遲時間加以比較。本實驗場景為一列高速移動的火車，沿著既定 的單向鐵軌軌道路線往前行駛。在列車行駛路線中，將依循著單向鐵軌設置路邊裝置基地台， 提供火車列車中的裝置或是使用者可以透過基地台連接網際網路，並取得所需要的資訊與服 務。在本論文中基地台使用 3.5G 無線網路與使用者或裝置連結，而基地台骨幹網路（Backbone Network）則使用 100Mbps 的有線網路連結。在使用者個人區域網路（NEMOBody）部分，使
用者身上的移動節點感測器（MNNs，Mobility Network Nodes）會週期性發送感測訊息資料， 藉由網路連線送往網際網路。而根據不同的移動性網路管理方法，可能由使用者的智慧型裝 置（Smart Device）擔任 NEMOBody網路中的資料匯流節點（Sink Node），感測器與資料匯流
節點間使用藍芽（Bluetooth）協定互相連結。在本論文所提出的架構裡，火車列車的閘道器 （即 LMATrain）與各個車廂內的 WiFi AP（即 MAGTrain）間使用 100Mbps 有線網路連結、WiFi
AP 與車廂內 NEMOBody的資料匯流節點（即 MRBody）使用 WiFi 互相連結。本論文實驗參數
基本設定列於 Table 2。由於各個實驗中對於觀察對象的需要，因此某些參數設定可能有所不 同，而不同參數設定將會在各個實驗小節中再次說明。此外，各種移動性網路管理方法，裝 置之間的跳數設定列於 Table 3 ~ Table 8。
37
Table 2 : Parameter Seetings of Simulations
Parameter Notation Units Value
The Number of MNNs k Unit 10
The Number of NEMOBody Nk Unit 50
The Probability of Intra-LMA Mobility ρ % 50
Simulation Time TSim Sec 3000
Train Velocity VTrain Km/h 360
The Diameter of Communication Range for Base Stations
BS_ComRange Km 1
Base Stations Overlay Region BS_Overlay Km 0.25
Data Transmit Interval TDT_Interval Sec 300
Energy Consumption of Transmit Data ECDT Unit 7
Energy Consumption of Receive Data ECDR Unit 4
Energy Consumption of Transmit Control Message ECCT Unit 5
Energy Consumption of Receive Control Message ECCR Unit 3
Packet Size of Control Message Byte 96
Packet Size of Data Packet Byte 1280
Bandwidth of Wired Link Mbps 100
Bandwidth of 3.5G Mbps 14.4
Bandwidth of WiFi Mbps 54
38
Table 3 : The Number of Hop Count in Mobile IP
Parameter Value
Hops Between CN and MNN-HA 5
Hops Between MNN-HA and BS 5
Hops Between BS and MNN 1
Table 4 : The Number of Hop Count in Mobile IP + NEMO
Parameter Value
Hops Between CN and MNN-HA 5
Hops Between MNN-HA and BS 5
Hops Between BS and MRBody 1
Hops Between MRBody and MNN 1
Table 5 : The Number of Hop Count in PMIPv6
Parameter Value
Hops Between CN and MNN-HA/LMA 5
Hops Between MNN-HA/LMA and BS/MAG 5
39
Table 6 : The Number of Hop Count in PMIPv6 + NEMO
Parameter Value
Hops Between CN and MNN-HA/LMA 5
Hops Between MNN-HA/LMA and BS/MAG 5
Hops Between BS/MAG and MRBody 1
Hops Between MRBody and MNN 1
Table 7 : The Number of Hop Count in PMIP-MIP
Parameter Value
Hops Between CN and MNN-HA 5
Hops Between MNN-HA and LMA 5
Hops Between LMA and BS/MAG 1
Hops Between BS/MAG and MNN 1
Table 8 : The Number of Hop Count in Proposed Scheme
Parameter Value
Hops Between CN and MNN-HA 5
Hops Between MNN-HA and MR-HA 5
40
Hops Between LMA and BS/MAG 1
Hops Between BS/MAG and MRTrain/LMATrain 1
Hops Between MRTrain/LMATrain and MRCarriage/MAGCarriage 1
Hops Between MRCarriage/MAGCarriage and MRBody 1
Hops Between MRBody and MNN 1
4.2. 列車移動之換手延遲時間 A. 實驗目的 本節實驗目的為觀察不同的移動節點數量（MNN）、由使用者所形成的個人區域網路數 量（NEMOBody）以及換手方法與流程的不同，所造成的列車移動之換手延遲時間。 B. 流程方法 本節實驗在比較當火車列車行經不同的網路服務範圍時，在不同的路邊裝置間執行換手 操作所需花費的換手延遲時間。換手延遲時間定義為移動節點裝置或群組進入或連結到新的 網路服務時，開始執行換手程序到完成換手程序之時間。計算公式如 Expression (1)，為控制 訊息在 A 到 B 之間傳送所需花費的傳輸時間。其中，控制訊息傳輸時間為 A 到 B 之間的跳 數乘上封包的傳輸時間，而封包的傳輸時間取決於封包大小與頻寬大小。
n i B A sage ControlMes n i B A sage ControlMes HO Bandwidth Size sagePacket ControlMes TH
T
i i 1 1 Expression (1)41 以下針對不同的移動性網路管理方法進行訊息流程分析： Mobile IP Mobile IP 中，所有移動節點皆必須各自執行換手程序。如 Figure 25 所示，當火車列 車移動至新的網路服務範圍時，移動節點與舊的路邊裝置基地台斷線，並嘗試與新的基 地台連結：（1）各個移動節點會自行發送 Rtr. Sol 控制訊息給新的基地台，（2）並且等待
基地台回傳 Rtr. Adv 控制訊息。（3）各個移動節點會自行發送 BU 控制訊息給 Home Agent，
更新移動節點目前的位置資訊，（4）並等待 Home Agent 回傳 BA 控制訊息，完成換手程
序。因此一個使用者所形成的 NEMOBody內所有移動節點完成換手的延遲時間（THO）計
算方式如 Expression (2)；若考慮所有使用者所形成的 NEMOBody皆完成換手流程的延遲
時間，則計算方式如 Expression (3)。其中 MNNBS 表示控制訊息在 MNN 與 BS 之間 傳輸的延遲時間。
k i HA MNN MNN BA HA MNN MNN BU BS MNN RtrAdv BS MNN RtrSol MIP HOT
T
T
T
T
i i i i 1 Expression (2)
Nk j k i HA MNN MNN BA HA MNN MNN BU BS MNN RtrAdv BS MNN RtrSol MIP HOT
T
T
T
T
ij ij ij ij 1 1 Expression (3) Mobile IP + NEMOMobile IP 加入 NEMO 機制後，移動節點不需各自執行換手程序，而是交由 MRBody
代為執行換手機制。如 Figure 26 所示，當列車移動至新的網路服務範圍時，移動節點與 舊的路邊裝置基地台斷線，並嘗試與新的基地台連結：（1）MRBody會發送 Rtr. Sol 控制
訊息給新的基地台，（2）並等待基地台回傳 Rtr. Adv 控制訊息。（3）MRBody會對其 Home
agent 發送 BU 控制訊息，更新移動節點目前的位置資訊，（4）隨後 Home Agent 回傳 BA
42
點 完 成換 手 的 延遲 時間 計 算方 式如 Expression (4) ；若 考慮 所有 使 用者 所形 成 的 NEMOBody皆完成換手流程的延遲時間，則計算方式如 Expression (5)。
T
T
T
T
T
MRBA MNN HA HA MNN MR BU BS MR RtrAdv BS MR RtrSol NEMO MIP HO Expression (4)
Nk i HA MNN MR BA HA MNN MR BU BS MR RtrAdv BS MR RtrSol NEMO MIP HOT
T
T
T
T
i i i i 1 Expression (5)Figure 25 : Message Flow of Handover in Mobile IP
Figure 26 : Message Flow of Handover in Mobile IP + NEMO
PMIPv6
如 Figure 27 所示，PMIPv6 中當列車移動至新的網路服務範圍時，移動節點從 pMAG 斷線並連結到 nMAG 時，（1）移動節點各自會發送 Rtr. Sol 給 nMAG，（2）當 nMAG 收 到 Rtr. Sol 後，會發送 PBU 給 LMA，通知 LMA 更改移動節點之位置資訊。（3）而 LMA 亦會回傳 PBA 給 nMAG。（4）隨後 nMAG 會回傳 Rtr. Adv 給移動節點，完成換手流程。
43
因此一個使用者所形成的 NEMOBody內所有移動節點完成換手的延遲時間計算方式如
Expression (6)；若考慮所有使用者所形成的 NEMOBody皆完成換手流程的延遲時間，則
計算方式如 Expression (7)。
k i LMA nMAG PBA LMA nMAG PBU nMAG MNN RtrAdv nMAG MNN RtrSol PMIPv HOT
T
T
T
T
i i i i 1 6 Expression (6)
Nk j k i LMA nMAG PBA LMA nMAG PBU nMAG MNN RtrAdv nMAG MNN RtrSol PMIPv HOT
T
T
T
T
ij ij ij ij 1 1 6 Expression (7) PMIPv6 + NEMOPMIPv6 加入 NEMO 機制後，移動節點不需各自執行換手程序，而是交由 MRBody
代為執行換手機制。如 Figure 28 所示，當列車移動至新的網路服務範圍時，移動節點從 pMAG 斷線並連結到 nMAG 時，（1）MRBody會發送 Rtr. Sol 給 nMAG，（2）當 nMAG 收
到 Rtr. Sol 後，會發送 PBU 給 LMA，通知 LMA 更改移動節點之位置資訊。（3）而 LMA 亦會回傳 PBA 給 nMAG。（4）隨後 nMAG 會回傳 Rtr. Adv 給 MRBody，完成換手流程。
因此一個使用者所形成的 NEMOBody 內所有移動節點完成換手的延遲時間計算方式如
Expression (8)；若考慮所有使用者所形成的 NEMOBody皆完成換手流程的延遲時間，則
計算方式如 Expression (9)。
T
T
T
T
T
nMAGPBA LMALMA nMAG PBU nMAG MR RtrAdv nMAG MR RtrSol NEMO PMIPv HO 6 Expression (8)
Nk i LMA nMAG PBA LMA nMAG PBU nMAG MR RtrAdv nMAG MR RtrSol NEMO PMIPv HOT
T
T
T
T
i i i i 1 6 Expression (9)44
Figure 27 : Message Flow of Handover in Proxy Mobile IPv6
Figure 28 : Message Flow of Handover in PMIPv6 + NEMO
PMIP-MIP
在 PMIP-MIP 的架構下，列車在不同基地台（此時為 MAG）服務範圍間移動時， MAG 可能隸屬於不同的 PMIP-Domain，由不同的 LMA 所管轄。因此必須探討列車移動 是否屬於橫跨不同 LMA 的 Inter-LMA Mobility。
Intra-LMA Mobility 換手流程如 Figure 29 所示：（1）移動節點各自發送 Rtr. Sol 控制 訊息給 nMAG， 並等待 nMAG 回傳 Rtr. Adv。（2）當 nMAG 收到 Rtr. Sol 後，會發送 PBU 給 LMA，通知 LMA 更改移動節點之位置資訊。（3）而 LMA 會回傳 PBA 給 nMAG。 （4）隨後 nMAG 回傳 Rtr. Adv 控制訊息給移動節點，完成換手程序。因此在 Intra-LMA
Mobility 換手時，一個使用者所形成的 NEMOBody內所有移動節點完成換手的延遲時間計
算方式如 Expression (10)；若考慮所有使用者所形成的 NEMOBody皆完成換手流程的延遲
