支援IEEE 802.11s無線網狀網路無縫交遞之交叉點探索機制

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國

立

交

通

大

學

資訊科學與工程研究所

碩

士

論

文

支援 IEEE 802.11s 無線網狀網路無縫交遞

之交叉點探索機制

Crossover Node Discovery for Seamless Handovers in

IEEE 802.11s Wireless Mesh Networks

研 究 生：廖冠銘

指導教授：曾建超 教授

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支援 IEEE 802.11s 無線網狀網路無縫交遞之交叉點探索機制

Crossover Node Discovery for Seamless Handovers in

IEEE 802.11s Wireless Mesh Networks

研 究 生：廖冠銘 Student：Kuan-Ming Liao

指導教授：曾建超 Advisor：Chien-Chao Tseng

國 立 交 通 大 學

資 訊 科 學 與 工 程 研 究 所

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Institute of Computer Science and Engineering College of Computer Science

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master

in

Computer Science June 2009

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

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支援 IEEE 802.11s 無線網狀網路無縫交遞之

交叉點探索機制

研究生： 廖冠銘 指導教授： 曾建超 教授

國立交通大學資訊學院資訊科學與工程研究所

摘 要

本論文針對 IEEE 802.11s 無線網狀網路（Wireless Mesh Networks），提出一套有 效率、支援行動節點（Mobile Nodes）換手到新網狀擷取點（Mesh Access Points） 時欲利用交叉點（Crossover Node）的交叉點探索機制。所謂的交叉點即為由對應節 點（Corresponding Node，即與行動節點連線的節點）到行動節點連接上的舊擷取點 與新擷取點這兩條路徑的交點（Intersection）。行動節點換手時即時找到並利用交叉點 對於一些無縫交遞的機制是很重要的。舉凡如 Micro-mobility 便利用交叉點做為位置 更新（Location update）的節點，利用此節點將封包導向（Re-direct）至新擷取點， 如此便可以減少位置更新所需花費的時間以及封包繞路的行為；另外，利用交叉點做封 包雙向傳送（Bi-casting）即是將封包複製一份分別往新、舊擷取點傳送，如此得以減 少封包的遺失率（Loss rates）。 雖然先前已有一些找尋交叉點的方法，但在 IEEE 802.11s 無線網狀網路環境中，這 些方法卻無法正確地運作。在 IEEE 802.11s 無線網狀網路，網狀擷取點是做為封包路由 至行動節點的代理者（Proxy），且是以 Layer-2 的方式做路由。此路由機制與其他網路 環境不同。因為這特色，使得先前找尋交叉點的方法會有下列這些問題：第一，大多數 先前研究是針對 MN 與 CN 在不同網域下的情形所設計的，因此這些方法當 MN 與 CN 在相同網域下時會找到錯誤的交叉點；第二，大多數這些方法是基於以行動節點為導向 的路由環境所設計的，即封包的路由是以行動節點為目的進行傳送，並非基於 IEEE 802.11s 無線網狀網路中以代理為基礎（Proxy-based）的路由環境所設計，因此，即 使是 MN 與 CN 在同一網域的情形，這些機制也會找到錯誤的交叉點；第三，先前研究 皆是針對每一行動節點（Per-station based）的找尋交叉點方式，即每一行動節點連接 上擷取點或換手至新擷取點便要重新做找尋交叉點的動作，這樣是很沒有效率的；最 後，大多數這些機制皆僅在行動節點連接新擷取點時才做找尋交叉點的動作，如此只適 用於利用交叉點做封包導向的情景，並無法運作於欲利用交叉點做封包雙向傳送的動 作。因此，本篇論文致力於設計一套有效率的交叉點探索機制，此機制可運作於 IEEE

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802.11s 無線網狀網路找到正確的交叉點且支援不論是封包導向或是封包雙向傳送的換 手情形。

本論文提出一適用於 IEEE 802.11s 無線網狀網路之交叉點探索機制：Per-proxy- Oriented Partition-based（POP）CrN Discovery。IEEE 802.11s 無線網狀網路的 路由機制使得其交叉點找尋不像其它網路環境那樣容易。如前所述，在 IEEE 802.11s 無線網狀網路，網狀擷取點是做為封包傳送至行動節點的代理者（Proxy）。對應節 點所連接上的網狀擷取點，或稱為來源網狀擷取點（Source MAP）與舊網狀擷取點 以及新網狀擷取點便可決定一交叉點，並且，相同的舊網狀擷取點以及新網狀擷取點 其交叉點會隨來源網狀擷取點的不同而不同。此外，真實 IEEE 802.11s 無線網狀網路 佈建上，其路由路徑是幾乎不變的。 POP 機制有以下三個特點：針對每個網狀擷取點（Per-proxy-oriented）之交 叉點找尋，每個網狀擷取點一次性（One-time）分群（Partition-based）之交叉點 找尋以及交叉點資訊分散式化。所謂的每個網狀擷取點之交叉點找尋即 POP 是針對 每個來源網狀擷取點做交叉點找尋程序，如此對於 MN 與 CN 不論在不同網域或是同 一網域的連線情形都可以找到正確的交叉點；此外，POP 僅針對每個網狀擷取點利用 分群的概念做一次性的交叉點找尋動作，並且其交叉點資訊是分散儲存在交叉點上， 此項特點除了可以縮短交叉點找尋的程序外，還可以減少找尋交叉點程序所需花費的 訊息量；最後，交叉點資訊分散式化使得此機制可以很彈性的運作於任何無接縫換手 時欲利用交叉點的情景，亦即封包導向或是封包封包雙向傳送都可以利用 POP 機制 正確且快速地找到交叉點。 為了驗證 POP 機制其效能並與其它交叉點找尋機制做比較，我們使用了學術界 廣為人知的網路模擬器 NS2 進行模擬實驗並與 Cross Router Pre-Discovery （CRPD）做比較。這是由於 CRPD 也是由來源節點（此為 GW）去做找尋交叉點的 動作，雖然並不是由來源代理者。實驗結果顯示 POP 在交叉點找尋所需花費的訊息 量會較 CRPD 來的少，這是因為 POP 所花費的訊息量並不受行動節點的數量與其換 手次數的影響。 關鍵詞：IEEE 802.11s 無線網狀網路、交叉點、無縫交遞、封包轉送、封包雙向 傳送

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Crossover Node Discovery for Seamless Handovers in

IEEE 802.11s Wireless Mesh Networks

Student：Kuan-Ming Liao Advisor： Dr. Chien-Chao Tseng

Institute of Computer Science and Engineering College of Computer Science

National Chiao Tung University

Abstract

In this thesis, we proposed an effective Crossover Node (CrN) discovery mechanism for Mobile Nodes (MN), which may change their attached Mesh Access Points (MAPs), in IEEE 802.11s Wireless Mesh Networks (WMNs). A CrN for an MN is the intersection of the path from a corresponding node (CN), which is communicating with the MN, to the MN’s old Access Point (oAP) and the one from the CN to the MN’s new AP (nAP). Finding CrNs for an imminent handover is crucial to some seamless handover schemes. Micro-mobility schemes employ CrNs to localize location updates and re-direct data packets coming from CNs to nAP, and thus can reduce both the latencies of location updates and packet deliveries during handovers. Bi-casting utilizes for generating two duplicated data stream to both oAP and nAP, to reduce packet loss rates during handovers.

Although some CrN discovery methods have been proposed previously in the literature, none of them can work correctly, not to say efficiently, for 802.11 WMNs. In 802.11s WMNs, MAPs serve as proxies that perform layer-2 routing to deliver packets on behalf of stations. The proxy-based layer-2 routing mechanism make 802.11s WMNs different than other wireless networks. As a consequence, all previous CrN discovery methods possess some of the following four problems. First, most of the previous Crossover Node discovery mechanisms are designed for an MN’s inter-domain sessions with external CNs that situated at domains differ than the one visited by the MN, thus may find incorrect CrNs for the MN’s intra-domain sessions with internal CNs.

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Second, most of them are station-oriented and intended for the station-to-station routing, not for the proxy based one as in 802.11s WMNs. Therefore, some of the previous mechanism may find incorrect Crossover Node even for the MN’s inter-domain sessions. Third, all previous mechanisms are per-station based approaches and need to perform a CrN discovery procedure for an MN’s each communication session with a CN, each time when the MN moves. Therefore, they all cannot work efficiently for 802.11s WMNs. Last but not least, most of previous schemes perform CrN discovery procedure only when MNs attach to nAPs and thus can only use CrN for data re-direction not for bi-casting. Therefore, this thesis aims for designing an effective CrN discovery mechanism that can find the correct CrN for 802.11s WMNs and support both data re-direction and bi-casting.

In this thesis, we propose a Per-proxy-Oriented Partition-based (POP) CrN Discovery Scheme for 802.11s WMNs. The characteristics of 802.11s WMNs make CrN discovery in 802.11s WMNs different from that in other wireless networks. In 802.11s WMNs, MAPs serve as proxies for routing packets on behalf of stations. Therefore, the serving MAP of a CN, henceforth called source MAP (sMAP), and the old MAP (oMAP) and new MAP (nMAP) of an MN determine a unique CrN for the communication path from the CN to the MN, and different sMAP may result in different CrN for a pair of oMAP and nMAP. Furthermore, in a real deployment of 802.11s WMNs, the route between two MAPs are likely to be static.

Therefore, POP adopts three design principles, Per-proxy-oriented CrN discovery, One-time Partition-based approach, and Distributed CrN tables. By adopting Per-proxy-oriented CrN discovery, POP performs a CrN discovery process for each sMAP and thus can find the correct CrN for all sessions, not matter inter- or intra-domain, of an MN. Furthermore, POP performs the CrN discovery procedure just once for each sMAP by using the concept of set partitioning and storing the CrN information at each CrN itself. The One-time Partition-based approach and Distributed CrN Tables, together, not only speedup the CrN discover processes but also reduce significantly the number of messages required for the processes. Finally, Distributed CrN Tables also make it very flexible in using CrN for seamless handover techniques; POP can

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be used for both data re-direction and bi-casting.

In addition of comparing POP qualitatively with other CrN discovery schemes, we also conduct a simulation using a well known network simulator NS2 and compare POP qualitatively with Cross Router Discovery (CRPD) scheme because it also performs CrN discovery from source node, although not the source proxy. Experiment results show that POP outperforms CRPD in terms of the number of discovery messages because the number of discovery messages introduced by POP is independent of the number of MNs in a 802.11s WMN and the number of handovers each MN encountered.

Keywords: IEEE 802.11s Wireless Mesh Networks, Crossover Node,

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致

謝

首先要感謝曾建超老師這兩年多來的指導，提供我這麼好的研究環境，讓我可以 沒有後顧之憂地完成這篇論文。在我的論文的想法一出來時，提醒我需專注的論點。 謝謝老師能夠不厭其煩的提醒我常犯的錯誤及方法修正方法的缺點，讓這篇論文的完 整性更加提升。 再來要感謝各位口試委員，包括了王讚彬老師、嚴力行老師以及曹孝櫟老師，在 百忙之中抽空來參加我的碩士論文口試，並提供了許多寶貴的意見，讓我能更清楚瞭 解自己論文的貢獻與價值。 感謝實驗室的學長群們，Gunter、Gary、大樑哥、承運。尤其是史老大，謝謝 學長在繁忙的博士生涯中抽空聽我的論文且給了我許多建設性的建議，並且指正我報 告的方式。謝謝同屆的夥伴們：良哥、俊延、媛莉、興遷和又仁，無論是在課業上或 是撰寫論文的歷程中，都給予了我許多幫助，讓我從沒感覺到是一個人在奮鬥；謝謝 我最可愛的學弟妹們，讓我在撰寫論文的碩二期間從來不會感到枯燥乏味，小毛、 阿 盧、坤穎、蛋捲、竣晨和銘祥，很開心認識了你們。 還有瑞昱聯合研發中心的大家，謝謝幹頭讓我瞭解做任何事情應有的態度，這是 很有幫助的。 謝謝我的女朋友牛奶寶寶，一直在背後默默地給我鼓勵，讓我在求學階段最失意 的時候重新燃起動力，這些年一直不能陪在妳身邊真是辛苦妳了，謝謝妳一直體諒任 性的我。最後，還要感謝我的家人，感謝爸爸媽媽一路上的支持，姊姊以及妹妹，讓 我可以順順利利的走到這裡。

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目

錄

摘 要 ... iii  Abstract ... v  致 謝 ... viii  目 錄 ... ix  圖目錄 ... xi  表目錄 ... xiii  第一章 緒論 ... 1  1.1 研究動機 ... 1  1.2 研究目的 ... 2  1.3 章節簡介 ... 3  第二章 背景知識介紹 ... 4  2.1 IEEE 802.11s 無線網狀網路 ... 4  2.1.1 IEEE 802.11s 無線網狀網路架構 ... 4 

2.1.2 IEEE 802.11s 無線網狀網路路由機制－Proxy-based Routing ... 5 

2.1.3 IEEE 802.11s 無線網狀網路換手情形及問題 ... 9  2.2 無接縫漫遊機制之交叉點使用情景 ... 9  2.2.1 交叉點之定義 ... 10  2.2.2 換手前使用交叉點之情景（Bi-casting） ... 11  2.2.3 換手後使用交叉點之情景（Data-Redirection） ... 12  2.3 單元總結 ... 13  第三章 相關研究 ... 14  3.1 找尋交叉點所遭遇之困難 ... 14  3.2 找尋交叉點之機制 ... 16 

3.2.1 Use the information of routing table ... 17 

3.2.2 Use the information of Binding Cache ... 20 

3.2.3 Use the information of Hierarchical model ... 23 

3.2.4 Use the information of Geopaging routing table ... 25 

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3.3 單元總結 ... 27 

第四章 Per-proxy-oriented Partition-based (POP) Crossover Node Discovery Mechanism ... 28  4.1 簡介 ... 28  4.2 交叉點探索機制 ... 29  4.2.1 交叉點探索機制 POP 之概念 ... 29  4.2.2 交叉點探索機制 POP 之方法 ... 31  4.2.3 交叉點探索機制 POP 之 Model ... 36  4.3 交叉點使用之情節 ... 42  4.4 POP 機制之延伸 ... 45  4.5 POP 機制之探討 ... 47  4.6 單元總結 ... 48  第五章 模擬實驗結果與討論 ... 49  5.1 簡介 ... 49  5.2 模擬環境 ... 50  5.3 實驗結果與分析 ... 51  5.4 貢獻 ... 56  5.5 單元總結 ... 56  第六章 結論與未來工作 ... 58  6.1 結論 ... 58  6.2 未來工作 ... 59  Reference ... 60 

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圖目錄

Figure 2-1 無線網狀網路與一般無線網路基本架構示意圖 ... 5  Figure 2-2 無線網狀網路封包傳送示意圖(一) ... 7  Figure 2-3 無線網狀網路封包傳送示意圖(二) ... 7  Figure 2-4 交叉點示意圖 ... 10  Figure 2-5 利用交叉點 Bi-casting 示意圖 ... 11  Figure 2-6 利用交叉點做封包導向示意圖 ... 13  Figure 3-1 以 GW 為出發點所找尋之交叉點示意圖 ... 15  Figure 3-2 CN 與 MN 在同一個網路底下其交叉點之示意圖 ... 16  Figure 3-3 CRPD 訊息示意圖 ... 17  Figure 3-4 CRPD 重複性找尋交叉點示意圖 ... 19 

Figure 3-5 Route update 更新流程示意圖 ... 20 

Figure 3-6 行動裝置換手後示意圖 ... 21 

Figure 3-7 無線網狀網路路利用 Binding Cache 找尋交叉點機制示意圖 ... 22 

Figure 3-8 Hierarchical Mobile IP 架構圖 ... 23 

Figure 3-9 Hierarchical Mobile IP Regional Registration 示意圖 ... 24 

Figure 3-10 OCRD 找尋交叉點示意圖 ... 25 

Figure 4-1 路徑生成的 Tree 示意圖 ... 29 

Figure 4-2 Tree rooted from A 之分群示意圖 ... 30 

Figure 4-3 Sub-tree rooted from C 之分群示意圖 ... 31 

Figure 4-4 節點 A 交叉點探索機制之流程(一) ... 32  Figure 4-5 節點 A 交叉點探索機制之流程(二) ... 33  Figure 4-6 節點 A 交叉點探索機制之流程(三) ... 34  Figure 4-7 節點 A 交叉點探索機制之交叉點表格資訊 ... 35  Figure 4-8 交叉點探索機制流程圖示意圖 ... 37  Figure 4-9 POP 示例示意圖 ... 38  Figure 4-10 節點 A 分群及傳遞方向示意圖(一) ... 39  Figure 4-11 節點 A 分群及傳遞方向示意圖(二) ... 40  Figure 4-12 節點 A 分群及傳遞方向示意圖(三) ... 41  Figure 4-13 利用交叉點表格之示意圖－換手前 ... 42  Figure 4-14 利用交叉點表格之示意圖－換手後 ... 43  Figure 4-15 行動裝置延原路徑換手之示意圖 ... 44 

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Figure 4-16 交叉點運用流程圖示意圖 ... 45 

Figure 4-17 POP 機制延伸之示意圖 ... 46 

Figure 4-18 無線網狀網路 Multiple Tree 環境之示意圖 ... 47 

Figure 5-1 模擬環境示意圖 ... 51  Figure 5-2 POP 與 CRPD 之訊息計算方式示意圖 ... 51  Figure 5-3 Grid 3×3 之找尋交叉點訊息量... 52  Figure 5-4 Grid 4×4 之找尋交叉點訊息量... 53  Figure 5-5 Grid 5×5 之找尋交叉點訊息量... 53  Figure 5-6 Grid 6×6 之找尋交叉點訊息量... 53  Figure 5-7 1 MN 之找尋交叉點訊息量 ... 54  Figure 5-8 5 MN 之找尋交叉點訊息量 ... 55  Figure 5-9 10 MN 之找尋交叉點訊息量 ... 55 

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表目錄

Table 3-1 先前研究於非 802.11s 與 802.11s 其 inter- and intra-domain session 時比

較表 ... 26 

Table 4-1 節點 A 之路由表格 ... 32 

Table 4-2 節點 C 之路由表格 ... 33 

Table 4-3 節點 F 之路由表格 ... 34 

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第一章 緒論

1.1 研究動機

近年來，無線寬頻技術快速蓬勃發展，舉凡如 IEEE 802.11 [1]、3G、3.5G、WiMax 以及 3GPP 目前正在推動的長期演進技術（Long Term Evolution－LTE [2]），目的都 希望使用者能利用無線的方式來享受寬頻的網路服務。IEEE 802.11s [3]，無線網狀網 路，為 IEEE 802.11 所制定的網狀網路標準，主要制定無線節點彼此間的連接與溝通方 式（Interconnection），無線網狀網路內的網狀節點（Mesh Point－MP）是透過無 線的方式連接，其僅需要少數幾個（通常為一至二個）網狀節點擔任網狀入口（Mesh Portal Point－MPP）的角色，即接有線連接後端的骨幹網路，負責網狀網路對外的連 線。無線網狀網路目的為減少佈建網路時所需花費的時間與成本，因其不受地理因素的 影響，無線網狀節點佈建好開機後，便可以主動連接起來，而不像佈建擷取點（Access Point－AP）其每個擷取點都必須連接後端的骨幹網路，造成佈建的不易。在擴大或縮 小網路覆蓋範圍時，也只要直接增加或減少網狀節點即可，可說是相當的便利。 無線網路的核心精神就是移動性，讓使用者能夠在使用過程中到處漫遊。但是，使 用者常常會遇到一個問題，就是無線網路在使用者移動的情況下會發生斷線、訊號不穩 定的問題。這種情形在 802.11s 覆蓋範圍廣的無線網路環境尤其可見其發生的頻率，當 使用者換手（Handover）時，若沒有適當的無接縫漫遊機制（Mobility Management）， 使用者使用網路的情形便會被迫中斷，尤其是使用 Voice over Internet Protocol （VoIP）等即時性應用服務，影響更為顯著，能夠快速且順暢地在擷取點間換手是一項 重要的需求。因此，解決換手所造成的上述問題，一直是許多相關研究的目標。 從以往的研究得知，交叉點（Crossover Node）經常在無接縫漫遊機制中扮演著 重要的角色，這裡先解釋一下何謂交叉點：其即為兩條路徑最後一個相同的節點。交叉 點的應用範圍很多，舉凡如換手前或換手後都可以利用交叉點來提高換手的效益，交叉 點常使用的情景如下：在行動裝置即將要換手的時候，利用交叉點將原本要送往行動裝 置的封包複製（Duplicate）一份並傳往行動裝置即將連接上的擷取點，而當行動裝置 一連接上新擷取點時便可以立即取得封包，如此便得以縮短換手延遲（Handover Latency），此行為通常稱為 Bi-casting。而 Bi-casting 的行為並非一直持續下去，當 行動裝置連接上新擷取點時還需要做位置更新（Location Update）的動作，此動作為 更新需要被通知的節點（通常為來源節點）該行動裝置已經換手到新擷取點底下，不要

- 2 - 再將封包往舊擷取點傳送，而在更新的過程中同樣可以在交叉點收到更新訊息的時候提 早將 Bi-casting 往舊擷取點傳送的封包停止傳送，僅傳送給新擷取點即可，因為行動裝 置已經連接上新擷取點了，送往舊擷取點的封包實屬不必要，如此亦可以減少頻寬的浪 費。 另外一個使用交叉點的情景為在行動裝置連接上新擷取點時，做位置更新的時候使 用，在更新的過程中，若交叉點收到此更新訊息便可以提前將封包直接傳往新擷取點， 此動作稱為封包導向（Data-Redirection），此交叉點的使用可以減少送往舊擷取點的 封包數：若舊擷取點沒有暫存機制（Buffer），便可以減少封包遺失（Packets Loss）； 而若舊擷取點有暫存機制，即可以減少封包的繞路。因為若沒有利用交叉點，在來源節 點收到位置更新前，封包都會一直往舊擷取點傳送，但行動裝置卻已經不連接在舊擷取 點底下。此時舊擷取點收到封包後不是將之丟棄（造成封包遺失），就是將之轉往新擷 取點（造成封包的繞路），視舊擷取點的機制而定。因此，若能利用交叉點提前將封包 導向傳送至新擷取點，便可以減少上述這些問題。 由以上過去研究使用交叉點的情景，我們可以得知，交叉點在漫遊機制中扮演著很 重要的角色的，善用交叉點確實可以有效增加換手的效益。而無線網狀網路由於網狀節 點間彼此透過無線的方式連接，隨著節點傳送的 Hop 數增多，上述問題就更顯得嚴重， 因此，若能在無線網狀網路環境使用交叉點，勢必也可以增加換手的效益，減少上述情 況所會發生的問題。 目前尋找交叉點的研究並不適用於無線網狀網路的環境，因為這些研究通常利用該 網路環境的特色來找尋交叉點，並且除了找尋訊息量過多以及找尋次數過多外，這些研 究對於來源行動裝置與目的行動裝置在同一個無線網狀網路內時，也會找到錯誤的交叉 點。因此本論文即是從此處出發，希望能夠改善解決此問題。

1.2 研究目的

在上一節裡，我們已經瞭解所要研究的問題以及需求所在，因此本節中將簡單敘述 我們想要達成的目標。 根據先前的研究，適時的利用交叉點確實可以改善換手的延遲與減少頻寬的浪費， 又由於無線網狀網路內無線節點無線連結的關係，因此，我們認為在無線網狀網路的環 境使用交叉點亦可以改善換手所造成的問題。 以往的找尋交叉點研究，其找尋交叉點通常直接利用該網路的特性去尋找，而這樣 的特性與無線網狀網路的環境中是不相同的，且這些研究找尋交叉點所會花費的訊息量 數太高，我們稍後會對這些研究做詳細的介紹。

- 3 - 另外，這些研究在找尋交叉點時，是針對目的行動裝置（Mobile Node－MN）與 來源行動裝置（Corresponding Node－CN）在不同網域下溝通的情形做找尋，因此 沒有考慮當目的行動裝置與來源行動裝置在同一網域下溝通時，目的行動裝置換手的情 形。當這些情況發生時，所要利用的交叉點便不再是以閘道器（Gateway）為 Root 所 長出的樹狀架構的交叉點了，其真正的交叉點必須為以來源行動裝置所連接上的節點為 Root 所長出的樹狀架構，依據此樹狀架構所找到的交叉點才是正確的。其樹狀結構代 表以一節點出發至其它所有節點的路徑。而先前的研究其找尋交叉點機制僅找尋了以閘 道器為 Root 所找出的樹狀架構所得到的交叉點，對於在目的行動裝置與來源行動裝置 在同一網狀網路下溝通時，其所找到的交叉點會是錯誤的。而當在這些情況下換手時， 若使用了錯誤的交叉點，對於增進換手的效益是沒有幫助的。因此，找尋到正確的交叉 點以適用於任何的換手環境是很重要的。 本論文所提出的「交叉點探索之機制」，目的就是要找出所有並且正確的交叉點。 其主要為透過路由表的資訊以及分群的概念，利用最少的訊息傳遞量，找到無線網狀網 路內以任一節點為來源節點的任兩網狀節點間的交叉點。而先前的研究為根據行動裝置 的連接去找尋交叉點，因此花費的訊息量在行動裝置數量多時會很可觀，而本方法可以 一次性的找尋任兩網狀節點間的交叉點且不受行動裝置連接的影響。因此，本方法可以 很有效率且快速的找出所有正確的交叉點，並且適用於所有的換手環境。我們會將所提 出的機制利用 Network Simulator-2（NS-2），嘗試與分析此機制運作的結果與效能， 驗證此作法的可行性。

1.3 章節簡介

本篇論文的章節編排與內容簡介如下： 第一章：緒論，簡介本篇論文的研究動機即預期達到的目標。 第二章：背景知識概述，介紹本篇論文所要探討的主題及其所應用到的相關知識， 包括 802.11s 的基本架構及其路由機制，802.11s 行動裝置換手後所會遭 遇到的問題及基本漫遊機制中利用交叉點情景的簡介。 第三章：相關研究，簡介本篇論文主題之前發表過的相關研究文獻資料。 第四章：交叉點探索機制，說明我們所提出之交叉點探索機制的原理與運作流程。 第五章：效能分析與結果，針對我們所提出的交叉點探索機制，進行相關的模擬環 境測試，並提供效能分析報告。 第六章：結論與未來工作，總結本篇論文的結果，以及未來可繼續研究的方向。

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第二章 背景知識介紹

2.1 IEEE 802.11s 無線網狀網路

IEEE 802.11s [3]為無線網狀網路（Wireless Mesh Network－WMN）標準規範， 為 IEEE 802.11 為了實現網狀網路所制定的標準，目前仍是草案（Draft），其主要定義 了無線節點彼此間的連接與溝通方式。想像一個情境，在一個由許多網狀節點所形成的 網路，這些網狀節點僅需要其中一、二個節點連結後端的有線骨幹網路，所有的網狀節 點皆透過無線的方式相互連結。透過這些網狀節點的無線連接，可以很輕易的擴大整個 網路的覆蓋範圍，且佈建的過程也不需要花費龐大的工程拉線。因此，無線網狀網路的 便利性是顯而易見的。IEEE 802.11s 規格主要的目標如下 [4]： ¾ 增加網路的涵蓋範圍與使用上的彈性 ¾ 可靠的運作效率 ¾ 無縫隙的安全性 ¾ 支援多媒體的傳輸 ¾ 運作省電 ¾ 與 802.11 相容 ¾ 能經由網路的不同階層 底下就無線網狀網路架構、無線網狀網路的路由（Routing）機制以及無線網狀網 路的換手所會遭遇的困難依序介紹。

2.1.1 IEEE 802.11s 無線網狀網路架構

802.11s 網路將節點依其功能性分為三類，網狀路口（Mesh Portal Point－MPP）、 網狀擷取點（Mesh Access Point－MAP）以及網狀節點（Mesh Point－MP），說明 如下： ¾ MPP：為連接後端骨幹網路的節點，一個網狀網路內至少要有一個網狀路口。 ¾ MAP：可供行動裝置連接上的節點。 ¾ MP：不含上述兩項功能的無線網狀網路內的節點，負責封包的路由，無線網 狀網路內的所有節點都可以稱作是 MP。 簡單來說，構成無線網狀網路的節點都可以稱其為 MP，負責封包的路由；若此

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MP 有對外連接後端骨幹網路的能力，便可稱其為 MPP；而若此 MP 具有讓行動裝置 連接的能力，便可稱其為 MAP，底下提到的網狀節點亦可以代表網狀擷取點或是網狀 路口。一個網狀網路的基本架構如 Figure 2-1 所示：

Figure 2-1 無線網狀網路與一般無線網路基本架構示意圖

2.1.2 IEEE 802.11s 無線網狀網路路由機制－Proxy-based Routing

網狀節點形成無線網狀網路後，其最重要的莫過於是資料封包處理與轉送：當無線 擷取點收到來自行動裝置的封包後，要如何將封包錄由到正確的目的地呢？此行為在無 線網狀網路裡扮演著很重要的角色。混合型無線網狀協定（Hybrid Wireless Mesh Protocol－HWMP）為 802.11s 所制定的網狀路徑選擇協定（Mesh Path Selection Protocol），其結合了需要式路徑選擇（On-demand Path Selection）與主動性樹狀 建立（Proactive Tree Building）。需要式路徑選擇提供了在變動環境時路徑選擇的彈 性，而主動性樹狀建立則是提供在固定環境時有較好的效率。IEEE 802.11s 建議這兩種 路選擇協定在無線網狀網路形成時是同時存在的 [3]。 其主要概念便是，當無線網狀網路形成時，網狀路口會主動地建立以其為 Root 的 樹狀網路（Tree-based）拓樸，此即主動性樹狀建立。建好後，網狀路口便會有到所 有網狀節點的路徑（以＜目的地，下一個節點＞方式儲存）；而所有網狀節點同樣也會 有到網狀路口的路徑。這對封包需要經由網狀路口進出其效果是很好的，不過，若是有 封包要送給同一個網狀網路內的節點或是行動裝置，若只靠此路徑協定，都必須先將封 包送往網狀路口，再由網狀路口送至目的地，就會有繞遠路的情形。需要式路徑選擇協 定就是為了解決上述問題，當有封包要送給同一個網狀網路內的節點時，來源網狀節點 啟動需要式路徑選擇協定可以找到到目的網狀節點的最好路徑，此法僅在網狀節點要傳

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送封包時且沒有到目的節點的路徑才會啟動。需要式路徑選擇協定是使用 Radio Aware Ad Hoc On Demand Distance Vector（RA-AODV）此路徑協定，本論文不會詳細說 明這兩種路徑選擇的細節，僅會介紹藉由上述這兩種路徑選擇找到路徑後，網狀節點如 何根據這些資訊將封包傳送到目的地，若讀者有興趣可自行參考 IEEE 802.11s Draft [3]，裡頭有很詳細的說明。 無線網狀網路的封包路由是以代理為基礎的路由方式（Proxy-based Routing）， 亦即，行動裝置連接上的網狀擷取點做為代理行動裝置的角色，封包在網狀網路內的路 由都是針對代理的角色（即網狀節點）去查找而非行動裝置本身，不像一般的網路路由 都是針對行動裝置去查找。 其主要依照兩個表格的查詢在進行：路由表（Routing Table）以及代理表（Proxy Table）。路由表是封包在無線網狀網路內路由時會查詢的表格，紀錄格式為＜ Destination，Next Hop＞，代表若要將封包路由至目的地網狀節點時，需將封包傳往 哪個網狀節點；而代理表則是用來紀錄網狀擷取點與行動裝置的對應關係，紀錄格式為 <Owner，Station>，提供行動裝置連結在哪一個網狀擷取點的資訊。當一個來源網狀 擷取點要幫連接上的來源行動裝置傳送封包時，會有下列幾個動作： 一、 先查詢代理表，得知目的行動裝置連結在哪一個網狀擷取點底下。跳到 Step 2 二、 接著查詢路由表，得知封包送給目的網狀節點要傳送給哪一個網狀節點，接著 便將封包傳送給查詢到的網狀節點。跳到 Step 3 三、 網狀節點收到封包後，檢查自己是否為目的地網狀節點，是便跳到 Step 4，否 則重複 Step 2。 四、 目的網狀擷取點將封包收下，接著再將封包傳送給連接上的目的行動裝置。 Figure 2-2 為在代理表與路由表有資訊的情況下，封包傳送的示意圖，CN 欲傳送 封包給 MN： 1. MAP-S 收到 CN 的封包，查詢代理表得知 MN 於 MAP-D 底下。 2. MAP-S 接著查詢路由表，得知欲到 MAP-D 的下一個節點為 MAP-A。 3. MAP-S 將封包傳往 MAP-A。

- 7 - MN MPP-R MAP-S MAP-D Wired Network CN MAP-A MAP-B MAP-C MAP-N MAP-S Proxy table MN MAP-D --- ---MAP-S Route Table Dest Next MAP-D MAP-A --- ---MAP-D Proxy table MN MAP-D --- ---1. 2. 3. 4. 4. Figure 2-2 無線網狀網路封包傳送示意圖(一) 上述之行為是建立在已知目的行動裝置連結在哪一個網狀擷取點以及已知如何到 此網狀擷取點的情形下的步驟，即由代理表和路由表可查詢到資訊。若是一開始的網狀 網路情形，來源行動裝置可能會不知道目的行動裝置的實體位址（MAC Address， 802.11s 是根據實體位址來路由的，也就是所謂的 Layer2 Routing），而僅會知道目的 行動裝置的 IP 位址，並且路由表和代理表也尚未有相對應的資訊，此時無線網狀網路 其行為又會是怎樣呢？底下便介紹在這樣情況下時行動裝置欲傳送封包其網狀節點的 行為。 Figure 2-3 無線網狀網路封包傳送示意圖(二)

- 8 - 根據上述，當無線網狀網路形成時，網狀路口會啟動主動性樹狀建立，之後網狀路 口便會有到所有網狀節點的路徑，反之亦然。Figure 2-3 顯示，一開始行動裝置 CN 連 上網狀擷取點 MAP-S；行動裝置 MN 連上網狀擷取點 MAP-D，CN 欲傳送封包給 MN， 但 CN 僅知道 MN 的 IP 位址，此時傳送封包的步驟如下： 1. CN 發送 ARP request 廣播以詢問 MN 的實體位址。

2. MN 收到 ARP request 後，回應 ARP reply 單點傳播，目的位址為 CN 實體位 址。 [5]

3. MAP-D 收到此 ARP reply 後，查詢代理表以及路由表發現無此資訊（因為不 知道目的位址為網狀節點或是行動裝置，所以兩個表格都會查詢），便先將此 ARP reply 傳送至網狀入口（若在沒有主動性樹狀建立的情形該節點會直接啟 動需要式路徑選擇）。先傳送至網狀路口是因為不知道此目的位址是否在同一 網狀網路裡，若只因不知道目的位址資訊就隨意啟動需要式路徑選擇會造成多 餘的封包，因為若目的位址是在網狀路口外，此時啟動需要式路徑選擇便會找 不到路徑，因此在查表無資訊時都會先傳送給網狀路口。 4. 網狀路口收到 ARP reply 後，查詢代理表以及路由表也發現沒有目的位址 CN 資訊，於是會啟動需要式路徑選擇，找尋到 CN 的路徑。MAP-S 會代替 CN 回應網狀路口，CN 在其底下。 5. 網狀路口這時便可將封包送往 MAP-S，MAP-S 收到後再將封包傳送給 CN， CN 才真正的收到 ARP reply 封包。此時，MAP-S 因為收到來自 MAP-D 幫 MN 傳送的封包，會將<MAP-D，MN>的代理關係記錄在代理表，緊接著查 詢路由表後發現沒有到達 MAP-D 的資訊，因此會啟動需要式路徑選擇，將到 達 MAP-D 的路徑建立好，存在路由表裡，以供接下來使用，需要式路徑選擇 所建立的也是雙向路徑。 6. CN 收到 ARP Reply 知道了 MN 的實體位址，便可以開始傳送封包傳給 CN。 這時 MAP-S 收到 CN 要傳送的封包，查詢代理表，便可知道 MN 在 MAP-D 底下，同時查詢路由表，得知到 MAP-D 的路徑，就可以將封包給傳送出去了， 途中的網狀節點在剛剛的建立路徑過程中，也都知道到 MAP-D 的路徑，便可 依序的將封包傳送到 MAP-D，MAP-D 收到後再傳送給 MN，之後 MN 回傳 的封包便可以從反向路徑回去，不需要再送往網狀路口，此即封包的傳送過程。 總結來說，無線網狀網路形成後，網狀路口會啟動主動性樹狀建立，當來源網狀節 點要傳送封包時，若路由表或代理表沒有目的地節點資訊時，會先將封包傳送給網狀路 口，網狀路口收到封包後視情形決定是否啟動需要式路徑選擇（視路由表有無目的地網 狀節點的資訊而定），接著網狀路口便可將封包送往目的網狀節點，收到單點傳送封包

- 9 - 的目的網狀節點會紀錄來源網狀節點與來源行動裝置的對應關係，並查看是否有到來源 網狀節點的路徑，若無的話便啟動需要式路徑選擇找尋到來源網狀節點的路徑，之後的 封包便可以依循著建好的最佳路徑傳送，如此僅有一開始的少數幾個封包需要經由網狀 路口，之後都可以透過最佳路徑傳送到目的地。

2.1.3 IEEE 802.11s 無線網狀網路換手情形及問題

根據上節介紹，無線網狀網路的封包路由是倚賴路由表與代理表的查詢所完成的， 即要傳送封包給某一行動裝置時，首先查詢代理表，得知此行動裝置在哪一個網狀擷取 點下，接著查詢路由表，將封包路由到此網狀擷取點，目的網狀擷取點收到封包後，再 將封包傳送給連接上的目的行動裝置。在這樣的網狀網路環境下，行動裝置的換手行為 便會產生一些問題，若要達到無接縫漫遊，則勢必要有一些機制來解決這些問題。 行動裝置換手後，第一個會遇到的問題便是：舊網狀擷取點仍會有一段時間持續收 到傳送給行動裝置的封包，但行動裝置卻已經不與舊網狀擷取點連接了，此時節點若沒 有任何漫遊機制，封包便會被舊網狀擷取點丟棄（Drop）。隨著第一點衍生出來的問 題便是：來源網狀擷取點代理表的更新，因為若沒有更新的機制，來源網狀擷取點會一 直紀錄著行動裝置在舊網狀擷取點底下的資訊，因此會持續的將封包往舊網狀擷取點 送，行動裝置在這段時間都無法收到封包，802.11s 並沒有規範行動裝置在無線網狀網 路內換手後，要如何去處理這些問題。在沒有任何的機制下，舊網狀擷取點發現其底下 並沒有此行動裝置時，便會通知來源網狀擷取點，請它重新詢問行動裝置現在在哪一個 網狀擷取點底下，而來源網狀擷取點便會啟動需要式路徑選擇去找尋路徑，接著再將封 包送往新網狀擷取點。在這樣的機制下，此行為便會有所謂的封包遺失（Packet Losses） 以及換手延遲（Handover Latencies），802.11s 並沒有規範這段時間的處理機制，這 便讓研究者可以有更多的想像空間，提出一些漫遊機制以其達到無接縫漫遊。

2.2 無接縫漫遊機制之交叉點使用情景

無接縫漫遊機制其主要目的是希望讓使用行動裝置的使用者在其移動的過程中，即 使行動裝置更換擷取點，使用者也不會感覺有任何斷線的情形，即使用者使用網路的情 形不會因為使用者的移動而有任何停頓。要達到無接縫漫遊，一般來說要符合以下兩個 條件：一為無封包遺失（No Packet Loss），即行動裝置在換到新擷取點時不會有任何 的封包遺失掉；另一為延遲時間要短（Low Latency），即行動裝置從舊擷取點斷線後 到連接上新擷取點重新取得封包的時間，要越短越好。無接縫漫遊機制對使用者來說是 很重要的，試想一情形，當您在使用網路電話時移動，網路電話卻突然不通了，這甚至

- 10 - 可能會影響一筆生意的成功與否。也因無接縫漫遊的重要性，便有了許多研究，希望透 過一些機制來達到無接縫漫遊，前章有提到，許多研究會利用交叉點對封包做一些處 理，以改善換手的效益，常見的不外乎是在換手前利用交叉點做封包預先傳送到新擷取 點的動作亦或是換手後利用交叉點提前將封包導向到新擷取點，並利用這些基本概念再 去延伸一些優化的機制，底下便就這些交叉點定義、使用情景及其好處做介紹與討論。

2.2.1 交叉點之定義

既然本論文為提出一交叉點機制，我們就來介紹何謂交叉點，首先先來定義一些名 詞： ¾ 路由路徑（Routing Path）：即由來源節點到目的節點依序所需經過節點的集 合。

¾ 相同路徑（Common Sequence of Paths）：即有相同來源節點的兩條或多

條路徑其路由路徑中相同的節點。

¾ 交叉點（Crossover Node－CrN）：即相同路徑的最後一個節點。

Figure 2-4 交叉點示意圖

Figure 2-4 為交叉點示意圖，由圖中可以看到路由路徑 Path-1={A, B, C, E}、 Path-2={A, B, D, F}，而 Path-1 與 Path-2 的相同路徑 Path-1∩Path-2 為{A, B}，因此， 根據上述交叉點的定義，交叉點 CrN=B。

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2.2.2 換手前使用交叉點之情景（Bi-casting）

在一些可以知道新擷取點的情形下，有許多研究會在行動裝置即將換手的時候利用 交叉點預先建立新擷取點的路徑 [6]~[9]、預先暫存封包 [10]、或是預先將封包複製一 份並傳往新擷取點 [11]，其實這些利用交叉點的目的都是希望能縮短行動裝置連接上 新擷取點後還要向舊擷取點拿取封包的這段程序。我們就交叉點將封包複製一份並傳往 新擷取點的情形做探討，這種節點複製一份封包並傳往另一擷取點的行為稱為 Bi-casting，其主要精神為，當行動裝置要離開舊擷取點時，會通知交叉點，使交叉點 再傳送一份封包到新擷取點，新擷取點收到後先將之暫存，等行動裝置連接上新擷取點 後便可以立刻從新擷取點取得暫存資料，這樣的目的是希望減少換手延遲，當行動裝置 連接上新擷取點時，便可以直接由新擷取點取得封包，而不需要再去向舊擷取點拿取封 包。其延遲僅受換手過程的影響，視行動裝置多快連接上新擷取點而定，而換手過程的 延遲改善並非本論文討論的重點。欲使用 Bi-casting 需要預測（Prediction）新擷取點， 即必須知道行動裝置接下來要連接的擷取點才有辦法使用 Bi-casting 機制，因為是要先 將封包送往新的擷取點，而預測新擷取點的機制亦並非本論文所討論。Figure 2-5 為利 用交叉點做 Bi-casting 示意圖： Figure 2-5 利用交叉點 Bi-casting 示意圖 如 Figure 2-5 所示，行動裝置 MN 現在連接上擷取點 D，接下來要連接的擷取點 為擷取點 N， CN 與 MN 正在傳送資料，原本的傳輸路徑為 RÆAÆBÆD，當 MN 換 手連接上新擷取點 N 後，其傳輸路徑會變為 RÆAÆBÆN，根據上述交叉點定義，此例 B 即為交叉點，因此可以在 MN 要換手的時候通知交叉點 B，請交叉點 B 將封包複製一

- 12 - 份並送往新擷取點 N，擷取點 N 先將封包暫存，如此當 MN 連接上新擷取點 N 後便可 以立即拿取封包，而不需要再去向舊擷取點。 而在 MN 連接上新擷取點後，在有 Bi-casting 的情形下，要做位置更新的時候， 同樣可以利用交叉點提前將往舊擷取點的封包不再傳送，如此便可以避免頻寬的浪費， 因為此時 MN 已經連接上新擷取點，並不需要再將封包送往舊擷取點了。 讀者可能會有疑問，為什麼一定要利用交叉點去做 Bi-casting 的動作，難道其他節 點不行嗎？首先要知道的是，這兩條路徑分別為從來源端到舊擷取點以及從來源端到新 擷取點的最好路徑，亦即使用路徑演算法所選出的路徑。而若選擇 Bi-casting 的節點為 交叉點前任一節點，在交叉點前就會有兩份相同的封包在同一條路徑上傳送，在交叉點 才會開始走不同的路徑，這對交叉點前的頻寬是浪費的，因為會有兩份相同的封包走相 同的路徑，這其實是不必要的；而若選擇 Bi-casting 的節點為舊路徑交叉點後任一節 點，雖然此點仍可以根據路徑演算法選擇最好的路徑送往新擷取點，但封包從來源擷取 點Æ此點Æ新擷取點的路徑並非是最好的（因為最好的路徑為來源擷取點Æ交叉點Æ新 擷取點），因此，在來源端收到位置更新前的這段時間，封包會一直有繞路的行為，而 這對頻寬亦是一種浪費，若利用交叉點做 Bi-casting 便可以減少上述的問題，因此，大 部分研究皆透過換手前利用交叉點做事先與新擷取點的溝通以減少換手延遲。

2.2.3 換手後使用交叉點之情景（Data-Redirection）

交叉點使用的情景並不僅侷限於換手前的運用，畢竟預測新擷取點這件事並不會是 百分之百正確的，因此另有研究便致力於換手後如何增進換手的效益 [8][12]。在行動 裝置連接上新擷取點的時候，如前所述，通常需要做位置更新的動作，讓來源端不要再 將封包往舊擷取點傳送，不過在來源端收到更新前的這段時間，封包還是會持續往舊擷 取點傳送，而若能在交叉點收到便提前將封包往新擷取點傳送（Redirection），便可 以減少封包遺失，當然，即使是舊擷取點有暫存再轉送（Buffer and Forward）的機制， 利用交叉點做封包導向的動作同樣可以減少封包的繞路。Figure 2-6 為利用交叉點做封 包導向示意圖，在交叉點收到更新封包後便直接將封包導向新擷取點，此時交叉點再接 著繼續將位置更新封包往來源端傳送，來源端收到後才真的將封包傳向新擷取點。

- 13 - Figure 2-6 利用交叉點做封包導向示意圖 所謂的暫存再轉送便是當行動裝置從舊擷取點離開後，舊擷取點會暫時將要送給行 動裝置的封包暫存住（Buffer），而當行動裝置連接上新擷取點後，由新擷取點去向舊 擷取點要求暫存的資料，舊擷取點便可將暫存的資料轉送給（Forward）新擷取點，這 時行動裝置便可以拿到這些資料。

2.3 單元總結

本章介紹了無線網狀網路的基本架構及其傳送封包的特性，說明了在換手時所會遭 遇到的一些問題，並介紹交叉點在無接縫漫遊機制其扮演的角色為何。由過去研究可 知，交叉點確實可以縮短換手延遲、減少頻寬的浪費與減少封包遺失，總結來說，善用 交叉點確實可以有效的增加換手的效益，前述我們也說明了，相較於交叉點前、後的節 點，交叉點是對頻寬影響最小的節點，所以使用交叉點做上述之行為，對於增進換手的 效益，尤其是無線網狀網路的環境來說，是很好的方式，因此我們希望在無線網狀網路 也可以使用交叉點來增進換手的效益，不過在無線網狀網路環境下，要如何將交叉點找 尋出來呢？先前的研究並不適用於無線網狀網路環境，同時亦有其缺點，而這便是本篇 論文要討論的重點，詳細內容會在下一章介紹與討論。

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第三章 相關研究

3.1 找尋交叉點所遭遇之困難

前章我們介紹了交叉點在無接縫漫遊機制中通常扮演著很重要的角色，有許多研究 皆透過交叉點的利用以增進換手的效益，在無線網狀網路中，網狀節點間是透過無線連 結的方式連接在一起，換手所受到的延遲影響會更加顯著，尤其當節點間傳輸的 Hop 數增長時，因此，若能在無線網狀網路的環境善用交叉點，勢必也可以有效的減少換手 時所會遇到的問題。也因為如此，如何在無線網狀網路找到正確的交叉點便成了一件很 重要的議題。 依據交叉點的定義：自來源端到新、舊擷取點路徑的最後一個相同的節點。因此， 若可以明確的知道兩條路徑所需經過的節點，便可以輕易找出交叉點，但是，網路的路 由並不一定得知道完整的路徑才可以將封包傳送到目的。在路由協定（Routing Protocol）的分類中，可以依運作特性而區分出所謂的連結狀態路由（Link State）以 及距離向量路由（Distance Vector）。連結狀態路由協定是這樣運作的，首先，每個 節點會蒐集自己周遭鄰居的資訊（Link State Information），其次，節點會與同區域 的所有其它節點交換彼此之前蒐集到的連結狀態資訊，這個階段完成後，每個節點都會 得到所有其它節點以及本身的連結狀態資訊，最後，各個節點會根據前述資訊，以最短 路徑優先（Shortest Path First）演算法算出以自己為基準點至所有其他節點的 Tree （Topological Tree），然後，再以此 Tree 為基礎，建構它自己的路由表；而距離向 量路由呢？它的建構路由表之依據，完全依賴來自鄰居所提供的資訊（包括自己知道的 資訊），而鄰居提供的資訊，又則是鄰居的鄰居提供… [13]。簡單來說，這兩種分類其 主要區別為連結狀態路由會擁有來源節點要傳送封包給目的節點時所要經過的所有節 點資訊，也就是完整路徑；而距離向量路由卻只會有到目的節點要傳送封包給下一個節 點的資訊。根據前章介紹的網狀網路路由封包機制，其路由是以後者的方式運行，由於 沒有完整的路徑資訊，無法直接比對兩條路徑以找尋分點，交叉點是不容易找尋到的。 在過去的研究裡，雖然也有研究是在以距離向量路由的資訊下去尋找交叉點，但這 些研究其找尋交叉點的方式並不適用於無線網狀網路，因為這些研究係是透過其網路的 特性去將交叉點找尋出來，但無線網狀網路的環境裡並無這樣的特性，因此便無法以這 樣的方式去尋找交叉點，另外，某些研究其找尋交叉點所需花費的訊息量過高亦是這些 機制的缺點，因為這些機制都是針對每個行動裝置去作找尋的動作，這些詳細內容會在

- 15 - 下一節做介紹。 而這些研究所存在的另一主要問題為，根據定義，交叉點是自一節點出發到任兩節 點路徑的最後一個共同點，而任一節點都會有以它自己到所有節點的路徑，任一節點都 會以它自己生成一個樹狀拓樸，而這樣的架構就會有一個現象，任兩節點間的交叉點會 隨著出發節點的不同而有所改變。以往研究其交叉點的找尋都是根據閘道器（Gateway －GW）出發所長出的樹狀拓樸去找尋交叉點 [6]~[12]，因此，其結果為任兩節點間的 交叉點就只會有一個點，如 Figure 3-1 所示：擷取點 D 與擷取點 N 的交叉點僅會有 A 這一點，因為先前研究通常僅是考慮 Correspondent Node（CN）在 GW 外，MN 進 行換手的情形，因此，不論 CN 在網路外哪個地方，封包都會由 GW 進入，因此交叉點 便僅需由 GW 出發去找尋。 Figure 3-1 以 GW 為出發點所找尋之交叉點示意圖 由 GW 找尋交叉點的機制或許適用於部份情況，倘若現在考慮到，CN 與 MN 在同 一個網域底下，MN 進行換手，那又是會有什麼現象呢？其結果是任兩節點間的交叉點 就會受 CN 位置不同而有所改變。舉 Figure 3-2 例子來看：

- 16 - Figure 3-2 CN 與 MN 在同一個網路底下其交叉點之示意圖 MN2 行動裝置與 CN2 行動裝置正在溝通，當 MN2 由舊擷取點 D 換到新擷取點 N 時，交叉點便不再是以 GW 出發所找尋之結果，圖中可以看到 CN2 到舊擷取點 D 其封 包所走的路徑為實線，而 CN2 到新擷取點 N 其封包所走的路徑為 EÎN，此時交叉點 的找尋必須是以 CN2 所連接的擷取點出發去找尋其結果才會是正確的交叉點，在這裡 舊擷取點 D 與新擷取點 N 的交叉點即為 CN2 連上的擷取點。因此，兩兩節點間的交叉 點會受到 CN 的位置不同而不同。若 CN 與 MN 不在同網域內，那交叉點當然都是一樣 的，因為都是以 GW 出發所找尋之結果；但若 CN 與 MN 在同一網域內，就必須是以 CN 所連上的擷取點出發所找尋之結果，而這是先前研究中沒有考慮到的。 下一節會跟讀者介紹先前研究中找尋交叉點之機制及其優缺點，以其利用交叉點在 換手前、後做一些機制增進換手的效益。如前所述，交叉點的用處是可以很多的，其主 要都是為了行動裝置在從舊的擷取點移動到新的擷取點後，利用交叉點加速與優化行動 裝置接收封包情形，以達到無接縫漫遊的目標。

3.2 找尋交叉點之機制

本節將會介紹幾種以往研究中找尋交叉點的方式，我們將這些研究分為幾類，分別 是：1.利用路由表的資訊找尋，此法將會是本論文比較的對象，因其符合無線網狀網路 的路由環境。2.利用 Routing cache 的資訊找尋，此法較適用於 Cellular IP 這種會有 Binding cache 機制的網路環境。3.利用知道所有路徑的資訊找尋，此法較適用於

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Hierarchical Mobile IP 這類會知道整條路徑資訊的網路環境。4.利用 Geopaging routing table 的資訊找尋，此法必須節點有支援 Geopaging 才適用。上述這些方法都 有其優缺點，我們會詳細介紹。雖然這些研究都可以找到以 GW 出發所建立的樹狀拓樸 之任兩節點的交叉點，但對於 CN 與 MN 在同一網域底下，MN 換手的情形均沒有探討 到，在這種情況下，上述研究所找尋之交叉點便是錯誤的，底下將介紹這些方法的運作 方式。

3.2.1 Use the information of routing table

D. H. Cuong [6][7]提出了 Crossover Router Pre-Discovery（CRPD）找尋交叉點 的機制，其主要精神為：利用 Fast Mobile IPv6（FMIPv6） [14]的一些訊息機制，在 這些訊息中加入作者找尋交叉點的方法，使其找尋交叉點的時機與節點間的交叉點資訊 都可以透過這些訊息交換的過程中得以完成，Figure 3-3 為 CRPD 找尋交叉點的訊息示 意圖：Fast Neighbor Advertisement（FNA）、Binding Update（BU）以及 Binding Acknowledgement（BA）為 Mobile IPv6 中原本就有的訊息交換機制：FNA 是用來 通知連接上的擷取點已進入該網域；BU 即為通知 CN 來源行動裝置 MN 行動裝置現在 的位置為何；BA 即 CN 所回應的更新確認訊息。而 CRPD_Act 訊息為本研究作者所新 增之訊息，BA+CRD 的 CRD 則是本研究作者加在 BA 訊息裡的新欄位（Option）。

MN ARi CrN GW CN

Connect

1.Fast Neighbor Adv. FNA

(Contain CN IP address, MN nCOA, and IP addresses of all candidate ARs)

3.Inspect BA packets 2.CRPD_Act

5.Binding Ack BA 6.Add CRD option BA+CRD 7.Check for CrNi BA+CRD

Remove CRD BA

Add its IP address into CrNi CRD CrN info. is

stored in ARi 4.Binding Update

BU

Check for CrNi

Serving Candidate Crossover ARi ARi+1 Unknown

Serving Candidate Crossover ARi ARi+1 CrN

CRPD_Act

BA+CRD

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接下來介紹此找尋交叉點之機制，當行動裝置 MN 連接上擷取點 ARi：

在FMIPv6架構下MN會發出FNA 告知ARi已進入該網域。此時ARi便會啟動CRPD

機制，ARi會發出 CRPD_Act，此訊息會挾帶著來源端 CN 的 IP 位址、MN 的 nCOA（此

即為行動裝置在此網路所使用的 IP 位址）以及 MN 換手後有可能連接的擷取點－候選 擷取點（Candidate ARs）的 IP 位址。至於要如何得知候選擷取點呢？作者並沒有探討 此問題，僅說明可以用手動的方式設定或者其它預測的方式得知。以下為 CRPD 訊息傳 遞流程： 1. MN 會發出 FNA 告知 ARi已進入該網域 2. 此 CRPD_Act 會被沿著往 GW 的路徑傳送。 3. 當 GW 收到此訊息後，便開始監控由 CN 傳送過來的 BA 訊息。 4. 接著 MN 會再送出 BU 封包給 CN 更新其位置。 5. CN 回應 BA。 6. GW 收到 CN 傳送的 BA 時，由於已經啟動監控 CN 的 BA 訊息，因此會在 BA 訊息的欄位加入額外的資訊－候選擷取點（BA+CRD）。 7. GW 與中間收到此訊息的節點代表著要找尋 ARi與這些候選擷取點 ARi+1的交 叉點，其找尋的方式為：節點會查詢路由表，分別比對到 ARi與到所有 ARi+1 （所有候選擷取點）的下一個節點是否相同。若相同的話，表示還不知道交叉 點為何；而若是不同的話，則表示該節點即為交叉點，此時便會紀錄 ARi與比 對到相同下一個節點的 ARi+1的交叉點為該節點，並標示成已找尋，其餘與 ARi 有相同下一個節點的 ARi+1仍標示成未找尋。接著，便將此訊息繼續往 ARi的 下一個節點傳送，下一個節點收到後，重複上述動作，比對到 ARi與到其餘仍 標示未找尋的 ARi+1的下一個節點是否相同，有相同的下一個節點仍然是未找 尋，不同的則該節點本身就是交叉點，將資訊填完後再將訊息往到 ARi的下一 個節點傳送。 以此類推，當 ARi收到後，便將附在 BA 後的 CRD（即 ARi與所有 ARi+1的交叉點 為何的資訊）儲存在 ARi上，接著再將 BA 傳給 MN。如此，ARi便有了與候選擷取點 的交叉點為何的這筆資訊了。 而當要利用交叉點做事時，ARi直接查詢交叉點表格得知交叉點為何後便可以將欲 傳送的訊息傳送給交叉點了，其交叉點表格傳遞的內容如 Figure 3-3 的下部份所示。 此方法固然可以找到交叉點，不過卻有些缺點，若 MN 與 CN 在同一個網域底下，

- 19 - 如同前述，這方法僅找尋了由 GW 所建立之樹狀拓樸的節點間交叉點，因此所找到的交 叉點會是錯誤的；二為找尋訊息觸發的太過頻繁，此機制每當行動裝置連接上擷取點與 換手都必須觸發找尋交叉點的動作，若另一行動裝置的候選擷取點是相同的話，所找到 的交叉點也會是相同的，如此便會多浪費網路頻寬去取得相同的資訊，而當行動裝置一 多，整個網路便會充斥著這些找尋交叉點的訊息；三為無法適用於所有欲利用交叉點的 情景，此方法必須把連接上的擷取點與所有候選擷取點的交叉點資訊一併往 ARi傳送， 由 ARi紀錄著這些資訊，因此此法僅適用於換手前利用交叉點之情景，若換手後想要利 用交叉點，還必須請 GW 重新做找尋動作，因為僅有舊擷取點有此交叉點表格資訊。

MN1 CrN table

Candidate CrN

AR

i+1

CrN

MN2 CrN table

Candidate CrN

AR

i+1

CrN

1. 2. 3. Move 4.No CrN table info. Figure 3-4 CRPD 重複性找尋交叉點示意圖 Figure 3-4 為 CRPD 重複性找尋交叉點示意圖，圖中分別為不同的行動裝置 MN1 與 MN2 連上相同的擷取點 ARi，其候選擷取點皆為 ARi+1，在這樣的情形下，其交叉點 以 GW 出發找尋會是相同的，但在 CRPR 的機制卻還需要做一次交叉點找尋的動作， 如此便造成多餘不必要的找尋，當行動裝置多與換手次數頻繁時，勢必造成網路內部充 斥著這些找尋訊息。 而我們亦可以由 Figure 3-4 看到交叉點表格式儲存在舊擷取點上的，本機制是利 用交叉點預先建立連線到新擷取點，因此並無考慮到換手後利用交叉點的情景，當行動 裝置 MN1 換手到新擷取點 ARi+1後，若欲利用交叉點，此時 ARi+1是沒有交叉點的資 訊的，因為必須再重新往 GW 做找尋的動作才能得知交叉點為何，因此機制對於換手後 欲利用交叉點的情景是不適用的。

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3.2.2 Use the information of Binding Cache

在 A. T. Campbell [8]與 J. Y. Hu 等 [12]裡利用 Cellular IP [15]裡的 Binding Cache 特性得以找到新、舊擷取點間的交叉點，並利用交叉點對封包做重新導向的動 作，我們稱此找尋機制為 Binding Cache-based （BCB） Mechanism for Crossover Node Discovery。在 Cellular IP 網路內其路由是利用這項資訊得以將封包正確的傳送 到目的地的。當 MN 進入 Cellular IP 網路內時，便會向其所連上的基地台（Base Station －BS）發出一個 Binding update 的訊息，此 Binding Update 會被從 BS 沿著往 GW 的路徑更新，沿路上的節點收到此 Binding Update 都會更新其 Cache 紀錄，當 GW 收到更新後，之後有封包從 GW 來便可依據 Cache 的資訊將封包正確的傳送到 AR，如 Figure 3-5 所示：

Figure 3-5 Route update 更新流程示意圖

利用此 Cache 機制的特性便可以很輕易的找到交叉點，其方法是，當行動裝置連 接上新擷取點時後，同樣會送一個 BU 給新擷取點，而候選擷取點收到此訊息後，同樣 的沿著往 GW 的路徑發送此 BU，當沿路上的 BS 收到此訊息時，若無此 MN 的 Cache 記錄，則繼續將訊息往 GW 的路徑傳送；若先前有此 MN 的 Cache 紀錄，且是從不同 的 BS 傳送過來的，則此 BS 本身便是交叉點了，如 Figure 3-6 所示：當 BS-1 收到此 訊息時，它原本有 MN 的 Cache 資訊（往 BS-2），在此時必須修改成 BS-3，如此， BS-1 就會知道自己是 Serving BS 與 New BS 間的交叉點了，而當知道自己為交叉點 後，BS-1 便直接將封包往新 BS 傳送，做導向的動作，接著再延著往舊 BS 的路徑將 Cache 清除。

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CN

MN:Radio GW Searving BS New BS MN BS-1 BS-2 BS-3 MN:BS-1 MN:BS-2 MN:Serving BS Binding update 2. 1. Data route 3.Binding update 4. CrN MN:BS-3 Figure 3-6 行動裝置換手後示意圖 此方法同樣僅能找到以 GW 出發的交叉點，對於 MN 與 CN 在同一個網域底下還 是不適用，而其主要缺點是，必須從新 BS 出發才能找尋到交叉點，若從舊 BS 出發是 沒有辦法找到交叉點的，因為舊 BS 到 GW 沿路都有 Cache 行動裝置的資訊，無法利 用此方法找到交叉點。這對換手後欲利用交叉點的一些機制可以使用，不過若要在換手 前利用交叉點做 Bi-casting，此法是不適用的，因為換手前行動裝置連接上的是舊 BS。 不過，在本篇研究有提到可以在換手前先發一個 Semisoft 訊息給新 BS，接著再馬上連 回舊 BS，新 BS 依據上述依然可以找到交叉點，並讓交叉點再傳送一份封包給新 BS， 此法同樣也可以達到預期的結果，不過，MN 必須預先連上新 BS 就有點不實用。 然而，撇開此缺點不談，此機制依然是完全不適用於無線網狀網路的環境，其主要 原因為，無線網狀網路並不會只有『GW 到行動裝置連接上的網狀擷取點這條路徑上的 網狀節點知道行動裝置的資訊』，無線網狀網路內的任何網狀節點都有可能要與行動裝 置溝通因而知道如何到達行動裝置，亦即，任何網狀節點皆有可能會有行動裝置的資 訊，我們舉個本機制在網狀網路環境下找到錯誤分叉點的例子，如 Figure 3-7 所示：

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MN

MPP-R

MAP-S

MAP-D

Wired Network

CN2

MAP-A

MAP-B

MAP-C

MAP-N

CN1

Da

ta

pa

ck

ets

MAP-S Proxy table MN MAP-D --- ---MAP-D Proxy table MN MAP-D --- ---MAP-D Proxy table MN MAP-D --- ---2.BCB 3. CrN

Figure 3-7 無線網狀網路路利用 Binding Cache 找尋交叉點機制示意圖

MN 行動裝置現在連接上 MAP-D 網狀擷取點，CN2 行動裝置連接上 MAP-S 並與 MN 溝通，過一段時間後，CN2 便離開了，但此時 MAP-S 仍有 MN 在 MAP-D 底下 的資訊，而此時 CN1 與 MN 溝通。如前章所述，路由的方式是先查詢代理表得知行動 裝置在哪一個網狀擷取點下，再將封包依據路由表的查詢路由到此網狀擷取點，中間網 狀節點只要查詢路由表即可。不同於 Cellular IP，在無線網狀網路環境下並非是 MPP-R、MAP-A、MAP-B 會有如何到達 MAP-D 的資訊，其餘的網狀擷取點如 MAP-S 都有可能知道 MN 連接上 MAP-D，並且有如何 MAP-D 的資訊，當這些網狀節點有和 行動裝置溝通過，這種情況就有可能發生，而這樣便無法以 Binding Cache Mechanism 資訊找到交叉點，我們可以由圖中看到，若利用 Binding Cache Mechanism 資訊的找 法，MAP-S 會認為自己是交叉點，而這是錯的，MAP-A 才是真正 MAP-D 與 MAP-N 的交叉點。因此，利用 Binding Cache Mechanism 資訊其找尋交叉點的機制是不適用 於無線網狀網路的，即使在 MN 與 CN 在不同網域的情況，在無線網狀網路的環境亦無 法找到正確的交叉點。

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3.2.3 Use the information of Hierarchical model

在 D. Tandjaoui [10]等是利用 Hierarchical Mobile IP [16]的特性去找尋交叉點， 本篇研究主要精神是希望在行動裝置要換手前，利用交叉點暫存封包，等到行動裝置連 接上新擷取點時便可直接向交叉點拿取封包，而不需要到再向舊擷取點拿取，目的是希 望減少封包到達新擷取點的順序錯誤（Mis-ordered）與換手延遲，所謂的 Mis-ordered 即換手後新擷取點通知交叉點將封包傳往新擷取點的封包會比舊擷取點暫存再轉送的 封包快到達新擷取點，因為在樹狀結構下，更新的封包勢必會先經過交叉點接著才到達 舊擷取點，如此會導致來源節點較晚傳送的封包反而比較快到達新擷取點，因此換手前 利用交叉點暫存封包便可以避免此問題，在行動裝置換手後便不需要再向舊節取點取得 封包，僅需要跟交叉點要求暫存的封包即可。

Figure 3-8 Hierarchical Mobile IP 架構圖

Hierarchical Mobile IP 的架構如 Figure 3-8 所示：當行動裝置 MN 進入 Hierarchical 網路時，會收到 Foreign Agent（FA，這裡為 FA-5）所發出的 Agent advertisement，此訊息會帶著從 GW（這裡為 FA-1）到此 FA-5 所會經過的所有路徑 （這裡為 FA-1ÆFA-2ÆFA-5）。而當 MN 連上後，會發出註冊要求（Registration request），通知其 Home Agent（HA）更新行動裝置的位置，要將封包傳送往行動裝 置現在所在的網路，HA 更新後亦會回註冊回應（Registration Reply），之後封包便可 以依圖中的紀錄依序丟給行動裝置了。

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裝置換到新擷取點後便不用每次都要向 HA 註冊，僅需註冊到交叉點更新其行動裝置的 記錄資訊，因為交叉點前的資訊都是一樣的。而此架構下找尋交叉點方式很簡單，因其 其擁有完整的路徑資訊，如 Figure 3-9 所示：當 MN 連接上新擷取點時（此為 FA-6）， 同樣的，也會收到 FA-6 所發出的 Agent Advertisement，此訊息同樣會帶著 GW 到此 FA-6 會經過的所有路徑（這裡為 FA-1ÆFA-2ÆFA-6），MN 在與前一筆資料比對後 （FA-1ÆFA-2ÆFA-5 與 FA-1ÆFA-2ÆFA-6）便可以很清楚得知交叉點為 FA-2，此時 便緊要傳送 Regional Registration 訊息至 FA-2 即可，之後交叉點 FA-2 便會將封包往 新擷取點傳送，而舊擷取點暫存的資料接著再去向其拿取即可，而若僅利用交叉點做註 冊這樣的方式便會有上述的封包順序錯誤（Mis-ordered）與換手延遲的問題。

Figure 3-9 Hierarchical Mobile IP Regional Registration 示意圖

而此篇研究是希望利用交叉點做暫存封包的動作，找尋交叉點的方式同上述，皆是 透過完整的路徑資訊找尋出交叉點的，其主要精神如下：當 MN 移動到新擷取點的範 圍，聽到新擷取點發出 Agent Advertisement 並決定要換手過去時，會請舊擷取點發 一個通知訊息給新擷取點並且帶著舊擷取點其 GW 到舊擷取點的所有路徑資訊 （FA-1ÆFA-2ÆFA-5），新擷取點收到後同樣會有 GW 到新擷取點的所有路徑資訊 （FA-1ÆFA-2ÆFA-6），新擷取點再依據上述之方式比對後便可以很輕易的知道交叉 點為何，接著新擷取點便可以通知交叉點請它暫存要送給 MN 的封包，而當行動裝置連 接上新擷取點時，依據前述會找出交叉點並做 Regional Registration 的動作，當交叉 點收到此 Regional Registration 後，將暫存的封包送往新擷取點，新擷取點收到後再 傳送給 MN 即可。此找尋交叉點的方法同樣是完全不適用於無線網狀網路的，因為網狀

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節點不會有完整的路徑資訊，不過由此篇研究我們也可以知道交叉點確實在漫遊機制中 扮演著很重要的角色。

3.2.4 Use the information of Geopaging routing table

在 R. V. Ferré [9]等是利用 Geopaging routing table [17]的資訊去尋找交叉點，利 用交叉點在換手前與新擷取點做一些訊息交換的動作，取代了原本需由舊擷取點與新擷 取點的訊息交換，以達到無接縫漫遊。此研究主要是基於 FMIPv6 [14]的架構下做探討， 其方法名稱為 Optimal Crossover Router Discovery（OCRD）。Geopaging 為一種 IPv6 的群播協定（Multicast Protocol），其目的是希望有效率地在 IPv6 架構 （IPv6-based）的 Cellular network 裡傳送 paging 資訊。Geopaging 其各個 Cell 的 位址為根據 Cell 實際的地理位置去配置出來的，而 Geopaging Routing Table 則是根 據所配置出來的位址來建構，Geopaging Routing Table 其建制過程本論文不會介紹， 僅會探討此篇研究是如何利用 Geopaging Routing Table 特性找出交叉點。OCRD 的 機制如 Figure 3-10 所示：

Figure 3-10 OCRD 找尋交叉點示意圖

圖中表格為根據 Geopaging 之位址配置所建構的路由表，Cell/IP 代表此節點底下 有的 Cell。以 GW 舉例，其底下有 A、B、C 三個 Cell，A 與 B 在同一個分區內，表示 要到 A 與 B 需往同一個 GW 的介面傳送，要到 C 則往另一個 GW 的介面傳送，Metric 則表示還需要經過幾個 Router。當 AR-1 收到行動裝置發出的 Router Solicitation for

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Proxy（Rtsolpr）後（此訊息會帶有行動裝置所掃描到的擷取點，目的是向 AR-1 取得 這些擷取點的資訊，為 FMIPv6 機制所制定的訊息），AR-1 便會觸發找尋交叉點機制， 即 orcd_req[A B]，A 為現在的 Cell，B 為即將要換手過去的 Cell，此訊息會被沿著往 GW 方向的路徑傳送，沿途上的 Router 都會依據 Geopaging routing table 檢查自己 是否為 A 與 B 的交叉點，當 R-1 收到後，檢查 A 與 B 在不同的分區即可知道自己為交 叉點，此時便回應 ocrd_res[R-1]，AR-1 收到後便會將交叉點 R-1 挾帶在 Proxy Router Advertisement（PrRtAdv）訊息裡傳送給行動裝置（此訊息為回應 Rtsolpr，即所找 到的候選擷取點的資訊），行動裝置接著會發出 FBU（此訊息告知 AR-1 其即將連上的 擷取點為何）並挾帶交叉點的 IP，AR-1 收到後便會將此訊息轉送給交叉點，交叉點此 時便可代替原本 FMIPv6 中舊擷取點的角色，與新擷取點做接下來的訊息交換（交換 HI 與 Hack 訊息），之後交叉點便可以直接將封包傳給新擷取點而不需要再透過舊擷取 點了。上述之 Rtsolpr、PrRtAdv、FBU、HI 與 Hack 皆為 FMIPv6 所制定的訊息，與 交叉點無直接關係，本論文不多介紹。 此方法雖然可以透過舊擷取點找到交叉點，但缺點為整個網路都需要支援 Geopaging 此協定，透過此協定建立的路由表才可以找到交叉點，但在一般的網路環 境並不會有節點支援這些協定的，尤其是無線網狀網路，再者，要多實做此一機制對網 路來說亦是額外的負擔，因此，此法亦是不適用於無線網狀網路的。

3.2.5 找尋交叉點機制之比較

Table 3-1 先前研究於非 802.11s 與 802.11s 其 inter- and intra-domain session 時比較表 Non-802.11s Inter-domain session Non-802.11s Intra-domain session 802.11s Inter-domain session 802.11s Intra-domain session CRPD Yes No Yes No Binding Cache Yes No No No Hierarchical Mobile IP Yes No No No Geopaging Yes No No No Env. Mech.