中華大學

(1)

中華大學碩士論文

題目：藉由Freeze-TCP機制降低換手時無法到達行動節點之封包傳送量

系所別：資訊工程學系碩士班

學號姓名： M09502027 林子勳指導教授：劉懷仁博士

中華民國九十九年一月

(2)

摘要

自從因應行動運算的 Mobile IP 機制發佈以來，IP 行動管理(IP Mobility) 的研究便受到相當大的注目，更快更有效的換手機制相繼被提出來，如 Hierarchical Mobile IP、Fast Mobile IP、Mobility Management System，而其中換手時的延遲更是進一步的縮短。

雖然這些換手機制試圖以更短的延遲來解決行動節點於 IP 網路連接問題，

但對於一般基於 TCP/IP 連線的傳輸而言，依然面臨到因為換手而造成的 IP 封包遺失(Packet Lost)與 TCP 傳送失序(Out-of-Sequence)的問題。

而本篇論文試著結合 Freeze-TCP 的機制於上述的換手機制中，利用 TCP 中的 Zero Window 特性來達到短暫停止傳送，既不需要更動現有的網路架構，也不需要佈署額外裝置，亦不必變更對應節點(Correspondent Node)之程式，便能減少換手時的 IP 封包遺失，並避免 TCP 傳送失序的問題。最後本論文將分析與比較各個換手機制與之 Freeze-TCP 的 IP 封包遺失及 TCP 傳送失序的情況，發現 Freeze-TCP 能在換手時，減少無助益的 IP 封包傳送，更沒有 TCP 傳送失序的影響。

關鍵詞： Freeze-TCP, Handoff Packet Lost, Mobile IPv6, Heirachical Mobile

IPv6, Fast Mobile IPv6, MMS

(3)

致謝

經過了很久的努力，終於完成了這篇論文，其中感謝我的父母這段時間對我的關心與支持，讓我在這段求學的時間內專心的做研究。

接著感謝我的指導教授劉懷仁博士，在我遇到瓶頸時總是能給我一個明確的方向，在我有難題時提供意見與幫忙，更不吝費時的與我討論與指導，使我在問題的解決和研究的進行中受益匪淺，也讓我能在研究上精益求精。

最後感謝實驗室的同學、學長和學弟們，不論在論文的研究上、學業上或是生活方面，相互討論、互相砥礪與幫忙，令我獲益良多，並能在這樣快樂歡愉的研究環境中順利的進行研究與學習。

(4)

2.1 F

REEZE

-TCP ... -

5-

2.2 M

OBILE

IP

V

6(MIP

V

6) ... -

6-

2.2.1 MIPv6 名詞解釋 ... - 6 -

2.2.2 MIPv6 運作流程 ... - 7 -

2.3 H

IERARCHICAL

M

OBILE

IP

V

6(HMIP

V

6) ... -

9-

2.3.1 HMIPv6 名詞解釋： ... - 9 -

2.3.2 HMIPv6 運作流程 ...- 10 -

2.4 F

AST

M

OBILE

IP

V

6(FMIP

V

6) ... -

14-

2.4.1 FMIPv6 名詞解釋：...- 14 -

2.4.2 FMIPv6 運作流程 ...- 15 -

2.5 M

OBILITY

M

ANAGEMENT

S

YSTEM

(MMS) ... -

20-

2.5.1 MMS 名詞解釋 ...- 20 -

2.5.2 MMS 原理 ...- 21 -

2.5.3 MMS 運作流程 ...- 22 -

2.5.4 MMS 換手程序 ...- 22 -

2.5.5 資料傳輸...- 24 -

2.6 P

ROXY

M

OBILE

IP

V

6(PMIP

V

6) ... -

25-

2.6.1 PMIPv6 簡介 ...- 25 -

2.6.2 PMIPv6 名詞解釋...- 25 -

2.6.3 PMIPv6 原理 ...- 26 -

2.6.4 PMIPv6 換手程序...- 27 -

第三章 換手改進 ... - 31 -

3.1

結合 FREEZE

-TCP 的換手改進 ... 錯誤!

尚未定義書籤。

3.2 MIP

V

6

結合

F

REEZE

-TCP(MIP

V

6-F)... -

32-

3.3 HMIP

V

6

結合

F

REEZE

-TCP(HMIP

V

6-F)... -

34-

3.4 FMIP

V

6

結合

F

REEZE

-TCP(FMIP

V

6-F) ... -

35-

(5)

3.5 MMS

結合

F

REEZE

-TCP(MMS-F) ... -

37-

第四章 比較與探討 ... - 39 -

4.1

變數定義與說明 ... -39-

4.2 M

OBILE

IP

V

6 效能分析 ... -

40-

4.3 M

OBILE

IP

V

6 結合 F

REEZE

-TCP 效能分析 ... -

42-

4.4 H

IERARCHICAL

M

OBILE

IP

V

6 效能分析 ... -

43-

4.4.1 Micro 換手 ...- 44 -

4.4.2 Macro 換手 ...- 45 -

4.5 H

IERARCHICAL

M

OBILE

IP

V

6 結合 F

REEZE

-TCP 效能分析 ... -

48-

4.5.1 Micro 換手結合 Freeze-TCP ...- 48 -

4.5.2 Macro 換手結合 Freeze-TCP...- 49 -

4.6 F

AST

M

OBILE

IP

V

6 效能分析 ... -

52-

4.6.1 預測模式...- 52 -

4.6.2 反應模式...- 53 -

4.7 F

AST

M

OBILE

IP

V

6 結合 F

REEZE

-TCP 效能分析 ... -

55-

4.7.1 預測模式...- 55 -

4.7.2 反應模式...- 56 -

4.8 MMS 效能分析... -

57-

4.9 MMS 結合 F

REEZE

-TCP 效能分析 ... -

59-

第五章 量化分析 ... - 61 -

5.1

參數設定與說明 ... -61-

5.2

行動節點至本地代理伺服器延遲(TMN-HA -64-

)對封包遺失時期(P

ACKET

L

OST

P

ERIOD

)的影響 ... 5.3

行動節點至本地代理伺服器延遲(TMN-HA -72-

)對TCP封包回復時期 (R

ECOVERY

P

ERIOD

)的影響 ... 5.4

行動節點至對應節點之延遲(TMN-CN -80-

)

對封包遺失時期(PACKET

L

OST

P

ERIOD

)的影響 ... 5.5

行動節點至對應節點之延遲(TMN-CN -89-

)對TCP封包回復時期(R

ECOVERY

P

ERIOD

)的影響 ... 5.6

對應節點的傳送平均位元率(CN

ABR)的影響 ... -

97-

5.7

改善無法到達行動節點之封包量比例 ... -101-

第六章 結論 ... - 102 -

參考文獻 ... - 103 -

(6)

圖目錄

圖 1：MIPv6 換手示意圖 ... - 8 -

圖 2：MIPv6 換手訊息流程圖 ... - 9 -

圖 3：HMIPv6 Micro 換手示意圖 ...- 12 -

圖 4：HMIPv6 Micro 換手訊息流程圖 ...- 13 -

圖 5：HMIPv6 Macro 換手示意圖 ...- 13 -

圖 6：HMIPv6 Macro 換手訊息流程圖 ...- 14 -

圖 7：FMIPv6 Predictive 換手示意圖 ...- 17 -

圖 8：FMIPv6 Predictive 換手訊息流程圖 ...- 18 -

圖 9：FMIPv6 Reactive 換手示意圖 ...- 19 -

圖 10：FMIPv6 Reactive 換手訊息流程圖 ...- 20 -

圖 11：籍由外部網路提供 MMS 之連線初始示意圖...- 22 -

圖 12：MMS 換手示意圖 ...- 23 -

圖 13：MMS 換手訊息流程圖 ...- 24 -

圖 14：MMS 資料傳輸示意圖 ...- 24 -

圖 15：PMIPv6 架構示意圖 ...- 27 -

圖 16：PMIPv6 換手示意圖 ...- 29 -

圖 17：PMIPv6 換手訊息流程圖 ...- 30 -

圖 18：換手程序結合 Freeze-TCP 示意圖 ...- 31 -

圖 19：MIPv6 換手結合 Freeze-TCP 程序 ...- 33 -

圖 20：HMIPv6 Micro 換手結合 Freeze-TCP 程序 ...- 34 -

圖 21：HMIPv6 Macro 換手結合 Freeze-TCP 程序 ...- 35 -

圖 22：FMIPv6 Predictive 換手結合 Freeze-TCP 程序 ...- 36 -

圖 23：FMIPv6 Reactive 換手結合 Freeze-TCP 程序 ...- 37 -

圖 24：MMS 換手結合 Freeze-TCP 程序 ...- 38 -

圖 25： MIPv6 效能分析模組架構圖 ...- 40 -

圖 26： MIPv6 換手時程圖 ...- 41 -

圖 27： MIPv6 換手結合 Freeze-TCP 時程圖 ...- 43 -

圖 28： HMIPv6 效能分析模組架構圖...- 44 -

圖 29： HMIPv6 Micro 換手時程圖 ...- 45 -

圖 30： HMIPv6 Macro 換手時程圖 ...- 47 -

圖 31： HMIPv6 換手結合 Freeze-TCP Micro 時程圖 ...- 49 -

圖 32： HMIPv6 換手結合 Freeze-TCP Macro 時程圖 ...- 51 -

圖 33： FMIPv6 效能分析模組架構圖 ...- 52 -

圖 34： FMIPv6 Predictive 換手時程圖 ...- 53 -

圖 35： FMIPv6 Reactive 換手時程圖 ...- 54 -

圖 36： HMIPv6 換手結合 Freeze-TCP Predictive 時程圖 ...- 56 -

(7)

圖 37： FMIPv6 換手結合 Freeze-TCP Reactive 時程圖...- 57 -

圖 38： MMS 效能分析模組架構圖 ...- 58 -

圖 39： MMS 換手時程圖 ...- 59 -

圖 40： MMS 換手結合 Freeze-TCP 時程圖...- 60 -

圖 41：T_mn-cn = 50 ms時，MIPv6 在Packet Lost Period的差異 ...- 64 -

圖 44：T_mn-cn = 50 ms時，HMIPv6 Macro 在Packet Lost Period的差異 ...- 66 -

圖 47：T_mn-cn = 50 ms時，HMIPv6 Micro 在Packet Lost Period的差異 ...- 67 -

圖 50：T_mn-cn = 50 ms時，FMIPv6 Predictive 在Packet Lost Period的差異 ...- 68 -

圖 53：T_mn-cn = 50 ms時，FMIPv6 Reactive 在Packet Lost Period的差異 ...- 70 -

圖 56：T_mn-cn = 50 ms時，MMS 在Packet Lost Period的差異 ...- 71 -

圖 59：T_mn-cn = 50 ms時，MIPv6 在Recovery Period的差異 ...- 73 -

圖 62：T_mn-cn = 50 ms時，HMIPv6 Macro 在Recovery Period的差異 ...- 74 -

圖 65：T_mn-cn = 50 ms時，HMIPv6 Micro 在Recovery Period的差異 ...- 75 -

圖 68：T_mn-cn = 50 ms時，FMIPv6 Predictive 在Recovery Period的差異...- 77 -

圖 69：T_mn-cn = 100 ms時，FMIPv6 Predictive 在Recovery Period的差異 ...- 77 -

圖 70：T_mn-cn = 150 ms時，FMIPv6 Predictive 在Recovery Period的差異 ...- 77 -

圖 71：T_mn-cn = 50 ms時，FMIPv6 Reactive 在Recovery Period的差異 ...- 78 -

圖 74：T_mn-cn = 50 ms時，MMS 在Recovery Period的差異...- 79 -

(8)

圖 75：T_mn-cn = 100 ms時，MMS 在Recovery Period的差異 ...- 80 -

圖 76：T_mn-cn = 150 ms時，MMS 在Recovery Period的差異 ...- 80 -

圖 77：T_mn-ha = 50 ms時，MIPv6 在Packet Lost Period的差異 ...- 81 -

圖 80：T_mn-ha = 50 ms時，HMIPv6 Macro 在Packet Lost Period的差異 ...- 82 -

圖 83：T_mn-ha = 50 ms時，HMIPv6 Micro 在Packet Lost Period的差異 ...- 84 -

圖 86：T_mn-ha = 50 ms時，FMIPv6 Predictive 在Packet Lost Period的差異 ...- 85 -

圖 89：T_mn-ha = 50 ms時，FMIPv6 Reactive 在Packet Lost Period的差異 ...- 86 -

圖 92：T_mn-ha = 50 ms時，MMS 在Packet Lost Period的差異 ...- 88 -

圖 95：T_mn-ha = 50 ms時，MIPv6 在Recovery Period的差異 ...- 89 -

圖 98：T_mn-ha = 50 ms時，HMIPv6 Macro 在Recovery Period的差異 ...- 91 -

圖 99：T_mn-ha = 100 ms時，HMIPv6 Macro 在Recovery Period的差異 ...- 91 -

圖 100：T_mn-ha = 150 ms時，HMIPv6 Macro 在Recovery Period的差異...- 91 -

圖 101：T_mn-ha = 50 ms時，HMIPv6 Micro 在Recovery Period的差異 ...- 92 -

圖 104：T_mn-ha = 50 ms時，FMIPv6 Predictive 在Recovery Period的差異 ...- 93 -

圖 107：T_mn-ha = 50 ms時，FMIPv6 Reactive 在Recovery Period的差異 ...- 95 -

圖 110：T_mn-ha = 50 ms時，MMS 在Recovery Period的差異 ...- 96 -

(9)

圖 113：T_mn-cn = 50 ms時，在不同CN->MN ABR下，有無暫存對Packet Lost的影響 ...- 98 -

圖 114：T_mn-cn = 50 ms時，在不同CN->MN ABR下，Buffering與Packet Lost的時期比較 ..- 98 -

圖 115：Tmn-cn = 100 ms 時，在不同 CN->MN ABR 下，有無暫存對 Packet Lost 的影響- 99 - 圖 116：T_mn-cn =100ms時，在不同CN->MN ABR下，Buffering與Packet Lost時期的比較 ..- 99 -

圖 117：T_mn-cn = 150 ms時，在不同CN->MN ABR下，有無暫存對Packet Lost的影響 ... - 100 -

圖 118：T_mn-cn =150ms時，在不同CN->MN ABR下，Buffering與Packet Lost時期的比較 - 100 -

表目錄

表 1：各裝置間的換手延遲定義表 ...- 39 -

表 2：中華大學至各地之傳輸延遲(MN→CN)數據表 ...- 62 -

表 3：分析環境延遲參數表 ...- 63 -

表 4：變動的參數表 ...- 63 -

表 5：改善效益比例表(T_mn-cn為 80ms時) ... - 101 -

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第一章簡介

拜科技日益進步所賜，行動運算裝置越來越高效能、輕薄與省電，因此人們對行動運算的應用與倚賴逐漸增加，而無線技術方面，在其中的無線區域網路 (WLAN)之中，除了先前既有的 IEEE 802.11a/b/g[1]-[3]技術外，新的 IEEE 802.11n[4]的技術也日趨成熟與普及，提供更廣的無線訊號與更高的使用頻寬；

而在無線廣域網路 (WMAN) 上，第四代無線通訊系統技術 IEEE 802.16 WiMAX[5]、3GGP LTE(Long Term Evolution)[6]也在全球廣泛佈置並進入應用階段，快速、穩定且不受侷限的行動運算的夢想就要實現了。

在行動運算之中，為了達到不受網路連接點(Link Layer Attachment)改變與 IP 位址(IP Address)更動的影響，進而保持不間斷的網路連線，IP 行動管理的技術與方法不斷的被提出[7]-[20]，而新的換手機制對於所需的延遲時間則是更加縮短，雖然延遲時間的縮短對於減低換手時的 IP 封包遺失與 TCP 傳送失序有相當的幫助，但兩者依舊無法有效避免。而由換手所造成的 IP 封包的遺失與 TCP 傳送失序，不但浪費頻寬的使用且增加無謂的網路負載，也增加行動裝置對無謂封包處理的負載，為了建構更理想的行動運算環境，減少換手時的 IP 封包遺失與 TCP 傳送失序是一項重要的課題。

以 Mobile IPv6(MIPv6) [7]換手機制來說，雖然能透過 Route Optimization 改善三角傳輸(Triangular Routing)問題，降低封包從對應節點(Correspondent Node，

CN)到行動節點(Mobile Node)的延遲，但依舊存在行動節點換手時，在對應節點尚未收到配對更新(Binding Update)之前，IP 封包還是從舊路徑路由前往舊存取路由器(Access Router)而未能到達行動節點，造成的 IP 封包遺失。而其改良之進階機制[17]，使用建立通道(Tunnel)來避免 IP 封包遺失，與利用基地台(Base Station)暫存空間來減低舊存取路由器的可量化性(Scalablility)問題，但基地台卻也面臨可量化性的問題，且為了使封包不失序，增加了傳送延遲與對應節點重傳計時到期 (Retransmission Timeout，RTO)的風險，而其可能丟棄封包的作法仍無

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法有效改善封包之遺失與失序。

而 Hierarchical Mobile IPv6(HMIPv6)[8]中，藉由行動錨點(Mobile Anchor Point)的建立，能在相同行動錨點下(Micro Handoff)減少本地代理伺服器與對應節點的配對更新次數，但依然面臨換手時，在行動錨點收到配對更新之前，IP 封包從行動錨點照著舊路徑路由前往舊存取路由器，而未能到達行動節點，所造成的 IP 封包遺失；在不同行動錨點下換手時(Macro Handoff)，也是存在相同問題，而對應節點在收到配對更新之前，依照舊路徑路由到舊行動錨點的 IP 封包，

即使舊行動錨點利用建立通道將封包轉送，經由新行動錨點進而送達 MN，避免了部份 IP 封包遺失，但依然可能造成了 TCP 傳送失序的問題。

而新改進的 Stealth-time Hierarchical Mobile IPv6(SHMIPv6)[9]機制，由換手前的通知(Pre-Handoff Notification)，讓舊行動錨點提前暫存(Buffering)IP 封包的方式，兼以 Macro Handoff 完成後提前以本地轉址位址(LCoA)先向本地代理伺服器及對應節點發送配對更新方法，減少部份 IP 封包遺失，但此機制需更改行動錨點路由程式，更造成行動錨點上暫存區(Buffer)沈重的負擔，依舊未能解決 TCP 傳送失序的問題，即使 SHMIPv6 中建議在行動節點或是存取路由器上以實做暫存位置來解決，如此不僅得更動行動節點或存取路由器之程式，更得增加裝置之暫存位置大小，更影響原來 TCP 的壅塞控制(Congestion Control)。

而在 Fast Mobile IPv6(FMIPv6)[10]下，預測模式(Predictive Mode)的換手，

在新存取路由器有足夠的暫存時，能有效避免 IP 封包遺失的問題，而在與對應節點做配對更新之後，新傳送過來的資料流可能會比從對應節點傳送經舊存取路由器轉送過來的舊資料流快到達行動節點，依然避免不了 TCP 傳送失序的問題；

而在反應模式(Reactive Mode)下，未能及時完成建立通道之換手前置作業，即進入換手程序，將導致在換手後建立舊存取路由器至新存取路由器之通道以前的 IP 封包遺失，並且也會面臨 TCP 傳送失序的問題。

而在其它新的研究當中，S-MIP[18]利用 FMIPv6 的代理路由機制來完善 HMIPv6 的缺失，但是需得額外增加一個決策引擎(Decision Engine)裝置，還需修

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改行動錨點與存取路由器之程式，並利用行動錨點之暫存空間來暫存所有新路徑進來的封包，此舉將使行動錨點的暫存空間面臨可量化性的問題。而在 TMSP[19]

的方法中，利用 SIP 轉接伺服器(Redirect Server)來代替本地代理伺服器的作法，

實質上還是面臨與 MIPv6 一樣的 TCP 封包失序與 IP 封包遺失的問題。而在 PETS[20]的方法裡，其中結合 MIPv6 使用的短暫暫停技術與本文的概念十分相似，但其作法是由行動節點與對應節點，各自偵測換手中斷來暫停 TCP 連線，

在即時的反應上，對應節點離舊存取路由器理論上較行動節點遠，造成對換手中斷偵測的反應太慢，而容易形成不必要的 IP 封包遺失與 TCP 封包失序。

而在使用 Go-Back-n 機制的 TCP 連線中，一旦 TCP 傳送失序，之後的 TCP 資料片段(Datagram)將被行動節點被丟棄，直到符合期待順序之 TCP 資料片段接收到，才會依序接受後續之 TCP 資料片段；所以在 Go-Back-n 機制下，TCP 傳送失序就造成之後的封包被行動節點之接受端主動丟棄，其所形成的影響對行動節點之接受端而言，等同於 IP 封包遺失，所以對 Go-Back-n 制的 TCP/IP 連線而言，在其接受端換手時，所造成的 TCP 傳送失序與 IP 封包遺失，是一樣需要對應節點傳送端重新傳輸遺失或失序的資料片段，在暫存與轉送(Buffering &

Forwarding)的換手機制(如：HMIPv6，FMIPv6)中，發生 TCP 逾時(Timeout)的情況下，減少 IP 封包遺失的現象，卻形成 TCP 重複傳送的干擾，例如對應節點傳送一段資料流給行動節點，在沒有暫存與轉送的換手機制中，於 TCP 逾時時，

對應節點將第二次重新發送此段資料流，而第一次資料流將在換手時遺失在舊存取路由器，而行動節點在第二次的發送中收到該資料流。相對於暫存與轉送的換手機制，可能第一次發送的資料流被暫存在舊存取路由器，而 TCP 逾時之後對應節點從新路徑發送第二次的資料流，同時舊存取路由器也開始轉送第一次資料流，因此行動節點可能在同一時間內，同時收到前後二次發送但交錯於一起資料流，造成 TCP 重複傳送的干擾；因此本篇文章將利用 Freeze-TCP[11]的技術在 MIPv6、HMIPv6、FMIPv6 與 MMS[12]之中，藉由 TCP 協定中縮小接收視窗

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應節點傳送端暫時停止傳送 TCP 資料片段的目的，一旦網路層(Layer 3)重新恢復連接即同時將接收視窗設定回原本的大小(FreezeOff)回復傳輸，如此一來便能不論使用何種換手機制，也不必更改網路架構、更動網路裝置或對應節點的程式碼，便能在換手後即時回復 TCP/IP 傳輸溝通不受 IP 封包遺失與 TCP 失序影響。

近年來基於網路(Network-Base)的換手機制 Proxy Mobile IPv6(MIPv6)[13]成為新的熱門研究，其中根據行動存取閘道(MAG，Mobile Access Gateway)偵測行動節點移入，而主動代替行動節點發出代理配對更新(PBU，Proxy Binding Update) 的速度，使 PMIPv6 上一樣會遭遇到 IP 封包遺失與 TCP 失序的問題，而 Freeze-TCP 的方法也可能幫助 PMIPv6 減緩 IP 封包遺失與 TCP 失序的問題，但是 PMIPv6 與 Freeze-TCP 結合將會延伸出許多問題，使得本篇將 PMIPv6 與 Freeze-TCP 結合的可能排除在外。

而在本篇論文中也將針對 MIPv6 與 MIPv6 結合 Freeze-TCP、HMIPv6 與 HMIPv6 結合 Freeze-TCP、FMIPv6 與 FMIPv6 結合 Freeze-TCP、MMS 與 MMS 結合 Freeze-TCP 換手機制相互的差異性與優缺點，還有各個換手機制之間的相互比較進行分析與討論。

本文的後續章節內容編排如下：第二章背景知識與相關研究，將介紹各個換手機制的背景知識研究及 Freeze-TCP 的原理；第三章換手改進，說明如何將 Freeze-TCP 機制與各種換手方法的結合與運作；第四章比較與探討，此章節將分析計算各種方法的 IP 連接回復、IP 封包遺失與 TCP 失序的時間；第五章量化分析，於此章節我們就會分析比較各種情況下各方法所面臨的情況與優劣；第六章結論，我們將於此章為本文作最後的結論。

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第二章背景知識與相關研究

於本章節之中我們將簡單介紹與本論文相關之換手相關機制之研究，包含 Freeze-TCP、Mobile IPv6、Hierarchical Mobile IPv6、Fast Mobile IPv6、Mobility Management System、Proxy Mobile IPv6，我們將依序概述 Freeze-TCP、各個換手機制的運作方法與時間流程。

2.1 Freeze-TCP

當初 TCP 協定的制定是偏向有線之拓撲網路所設定的，而 TCP 的作用是設定在於因為網路壅塞或網路設備連接失敗而造成 IP 封包遺失時，還能達成可靠的 IP 封包傳輸；然而在行動運算中，IP 封包遺失的產生，通常是因為無線訊號的頻率傳輸干擾及暫時性網路連接層中斷連接。

所以 Freeze-TCP 是為了在行動環境下，不讓暫時性網路連接層中斷連接使 TCP 誤以為是網路壅塞或網路設備連接失敗，所提出的解決方法；在 IETF 的標準 TCP[21]協定中，接收端會在接受到資料片段(Datagram)後，回傳確認(Ack，

Acknowledgement )給傳送端，而在回傳的確認之中包含了接收視窗，是用來讓傳送端得知接收端所剩的暫存區大小，使傳送端不至於傳送太多的資料片段，而使接收端來不及接受而產生遺失；其中 TCP 允許接收端廣播接收視窗為零，其後傳送端便會停止傳送，之後以每兩分鐘為時期的做嘗試傳送，而 Freeze-TCP 正是以零接收視窗的方式來達到 FreezeOn，即暫停 TCP 連線的功能，其後再藉由廣播 TCP 接收視窗為暫停前的大小來達成 FreezeOff，即可恢復 TCP 連線，繼續先前的資料傳輸。

使用 Freeze-TCP 的機制，能讓對應節點的 TCP 接受端不將行動節點暫時性網路連接層中斷連接，視為網路壅塞的有效方法，並提升行動環境中的 TCP 傳輸效率。

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2.2 Mobile IPv6(MIPv6)

2.2.1 MIPv6 名詞解釋

 行動節點(MN，Mobile Node)：可到處移動的行動裝置，並能使用相同 IP 位址於外部網路漫遊，並且不中斷網路的連線與溝通。

 本地端位址(Home Address)：在行動節點上對外網路溝通所使用的永久固定 IP 位址。

 本地端網路(Home Network)：行動節點的永久固定 IP 位址之所屬區域網路。

 轉址位址(CoA，Care-of-Address)：行動節點漫遊在外時，於外部網路所取得的一個 IP 位址，能讓到達本地端網路之本地代理伺服器的封包，藉此 IP 位址轉送給行動節點。

 外部網路(Foreign Network)：行動節點目前漫遊位置所屬之外部區域網路。

 本地代理伺服器(HA ，Home Agent)：在本地網路中，幫助漫遊在外的行動節點代理轉送路由至本地端網路，而目的地是本地端位址的 IP 封包，並代替行動節點與本地端網路上的其它裝置進行資料連接層(Layer 2)溝通之伺服器，並記錄著行動節點在外部網路的轉址位址。當有封包要傳送給行動節點時，本地代理伺服器將代收並經由建立通道至轉址位址轉送給行動節點。

 新存取路由器(NAR，New Access Router)：行動節點換手時即將連接的新存取路由器。

 舊存取路由器(PAR，Previous Access Router)：行動節點換手前所連接的存取路由器。

 配對更新(BU，Binding Update)：行動節點在取得新的轉址位址後，向本地代理伺服器或是對應節點傳送配對更新，通知本地代理伺服器或對應節點其行動節點新的轉址位址，使本地代理伺服器或對應節點能更新登錄行動節點之本地端位址與轉址位址之配對，並得知目前行動節點所在的網路位置。

 配對回覆(BAck，Binding Acknowledgement)：本地代理伺服器或對應節點在

(16)

收到配對更新後，回覆給行動節點的確認。

 返回路由能力認證機制(Return Routability Procedure)：是用來防止攻擊者假冒行動節點傳送假的配對更新給對應節點，一開始行動節點將同時發送本地測試初始訊息(Home Test Init)與轉交測試初始訊息(Care-of Test Init)給 CN，

其中本地測試初始需先傳送給本地代理伺服器，再經由本地代理伺服器轉交給對應節點，而對應節點將回傳本地測試(Home Test)與轉交測試(Care-of Test)給行動節點，其中本地測試一樣先轉給本地代理伺服器，再由本地代理伺服器轉交給 MN，如此一來能避免被攻擊者同時攔截到兩個測試。

 註冊(Registration)：指發送配對更新予本地代理伺服器或是對應節點將轉址位址配對登錄的程序。

2.2.2 MIPv6 運作流程

如圖 1 與圖 2 所示，每當行動節點於外部網路漫遊，偵測到新存取連接點的 訊號，並且將要進行換手時，行動節點將先透過自動設置程序(Autoconfigure)取得該網路之轉址位址，再執行重複位址偵測(DAD，Duplicate Address Detection) 程序來驗證所取得的轉址位址是否唯一，當每次行動節點新取得唯一的轉址位址後，便向本地代理伺服器發出配對更新訊息，而本地代理伺服器在收到行動節點的配對更新訊息後，將對行動節點之本地端位址與轉址位址做配對(Binding)的註冊，並在完成配對之後向行動節點發送配對回覆(BAck)訊息通知配對完成，其後到達行動節點之本地端網路的封包，將被本地代理伺服器透過通道的方式轉送到新的轉址位址送達行動節點；而行動節點也應當在與本地代理伺服器做完配對更新之後，向換手前有網路連線而在更新清單上的對應節點做註冊動作，一開始將先進行返回路由能力認證機制，防止其後向對應節點發送的配對更新訊息遭到假冒，在認證完成後行動節點會向對應節點發送配對更新訊息，在對應節點收到配對更新之後，便能對行動節點之本地端位址與所在的轉址位址的配對進行暫存

(17)

(Cache)，對應節點在完成暫存後也會回覆配對回覆給行動節點，即完成註冊動作，之後對應節點便能直接透過轉址位址與行動節點進行傳送與接收 IP 封包，

即完成 MIPv6 換手機制。

而當對應節點一開始要傳送 IP 封包給行動節點時，IP 封包將會路由到行動節點之本地端網路，如果行動節點連接在本地端網路時，行動節點將直接接收對應節點的 IP 封包，若行動節點漫遊在外部網路時，對應節點之 IP 封包將會由本地代理伺服器代收，並用通道的方式轉送到目前行動節點所在的轉址位址，而當行動節點收到對應節點之 IP 封包後，行動節點將會向對應節點做註冊動作，完成註冊之後行動節點將不需再透過代理伺服器來接受對應節點的 IP 封包了。

圖 1：MIPv6 換手示意圖

(18)

圖 2：MIPv6 換手訊息流程圖

2.3 Hierarchical Mobile IPv6(HMIPv6)

2.3.1 HMIPv6 名詞解釋：

 行動錨點(MAP，Mobility Anchor Point)：在外部網路中暫時性的代替本地代理伺服器功能的路由器，。

 本地轉址位址(LCoA，On-link Care-of-Address)：與 MIPv6 的自動設置相同方式，通常是從存取路由器廣播其 IP 位址之前序(Prefix)中取得的 IP 位址，

(19)

如同 MIPv6 中的轉址位址，是行動節點與行動錨點溝通和建立通道所用的 IP 位址。

 區域轉址位址(RCoA ，Region Care-of-Address)：是行動節點在漫遊的外部網路中，由其行動錨點所配予對應本地轉址位址的區域轉址位址，行動錨點將用此 IP 位址替行動節點建立通道與對外溝通。

 本地配對更新(Local BU，Local Binding Update)：相同於 MIPv6 中的配對更新，是由行動節點送給行動錨點，讓外部網路中的行動錨點做配對更新之用。

2.3.2 HMIPv6 運作流程

如圖 3、圖 4、圖 5 與圖 6 所示，當行動節點在有佈署行動錨點之外部網路 漫遊到時，行動節點在接收到新存取路由器的訊號後開始進行路由，首先與 MIPv6 一樣行動節點將透過自動設置程序取得該網路之本地轉址位址(相似於 MIPv6 中的轉址位址)，再執行重複位址偵測程序來驗證所取得的本地轉址位址是否唯一，當每次行動節點新取得唯一的本地轉址位址後，若，行動節點是在相同的行動錨點之下進行漫遊(Micro Handoff)，便先向當地外部網路之行動錨點發出配對更新訊息，而行動錨點在收到行動節點的配對更新訊息後，將對行動節點之本地端位址與本地轉址位址做配對註冊，並在完成配對之後向行動節點發送配對回覆訊息通知配對完成，則即完成換手程序，其後到達行動錨點之區域轉址位址的封包，將被行動錨點透過通道的方式轉送到本地轉址位址送達行動節點。如果行動節點是在不同行動錨點之下進行漫遊(Macro Handoff)，則在取得本地轉址位址後，行動節點還要向新行動錨點請求區域轉址位址，而新行動錨點在執行重複位址偵測程序驗證區域轉址位址為唯一之後，將此區域轉址位址配發給行動節點，行動節點才向行動錨點發出配對更新訊息，行動錨點將本地轉址位址與區域轉址位址做配對註冊，在完成配對之後發送配對回覆訊息給行動節點，接著行動節點將以區域轉址位址代替轉址位址進行如同 MIPv6 一樣的程序，向本地代理

(20)

伺服器註冊，將對行動節點之本地端位址與區域轉址位址做配對，其後到達行動節點之本地端位址的封包，將被本地代理伺服器透過通道的方式轉送到新的區域轉址位址，再經由行動錨點透過通道方式轉送到新的本地轉址位址送達行動節點；而行動節點也應當在與本地代理伺服器做完配對更新之後，以區域轉址位址向更新清單上的對應節點做註冊動作，即完成 HMIPv6 換手機制。

而當對應節點一開始要傳送 IP 封包給行動節點時，IP 封包將會路由到行動節點之本地端網路，如果行動節點連接在本地端網路時，行動節點將直接接收對應節點的 IP 封包，若行動節點漫遊在外部網路時，對應節點之 IP 封包將會由本地代理伺服器代收，並用通道的方式轉送到目前行動節點所在的區域轉址位址，

而行動錨點在收到區域轉址位址的封包後，將被行動錨點透過通道的方式轉送到本地轉址位址送達行動節點，而當行動節點收到對應節點之 IP 封包時，行動節點將會以區域轉址位址向對應節點做註冊動作，完成註冊之後行動節點將不需再透過代理伺服器來接受對應節點的 IP 封包了。

而 HMIPv6 的好處在於同一個行動錨點之下換手(Micro Handoff)，不用頻繁的與本地代理伺服器與對應節點做配對更新及返回路由能力認證，加上通道的機制可以減低 IP 封包遺失的問題。

(21)

圖 3：HMIPv6 Micro 換手示意圖

(22)

圖 4：HMIPv6 Micro 換手訊息流程圖

(23)

圖 6：HMIPv6 Macro 換手訊息流程圖

2.4 Fast Mobile IPv6(FMIPv6)

2.4.1 FMIPv6 名詞解釋：

 舊轉址位址(PCoA，Previous Care-of-Address)：換手前行動節點所使用的轉址位址。

 新轉址位址(NCoA，New Care-of-Address)：換手後行動節點所使用的轉址位址。

(24)

 代理廣播之路由器請求 (RtSolPr ， Router Solicitation for Proxy Advertisement)：由行動節點發送給存取路由器請求幫助換手相關資訊的訊息。

 代理路由器廣播(PrRtAdv，Proxy Router Advertisement)：由存取路由器發送給行動節點帶有附近網路連接資訊，幫助行動節點加速路由程序。

 快速配對更新(FBU，Fast Binding Update)：由行動節點發送給舊存取路由器，指示其轉送行動節點的網路資料流。

 快速配對回覆(FBAck，Fast Binding Acknowledgement)：由舊存路由器回覆行動節點快速配對更新的確認訊息。

 換手初始(HI，Handoff Initiate)：從舊存取路由器發送給新存取路由器的訊息，讓新存取路由器初始行動節點的換手程序。

 換手確認(HAck，Handoff Acknowledgement)：換手初始訊息的回覆。

 非請求性鄰居廣播(UNA，Unsolicited Neighbor Advertisement)：用來代替舊版 FMIPv6[10]中的 FNA 訊息，目的是告知新存取路由器行動節點已經換手並連接至其底下。

2.4.2 FMIPv6 運作流程

如圖 7 與圖 8 所示，在 FMIPv6 中，行動節點須在進入存取路由器訊號範圍 後，可以發送代理宣傳之路由懇求，而存取路由器將回覆代理路由器廣播給行動節點，其中包含附近存取路由器的前序、IP 位址、網路連接位址(Layer 2 Address)。當行動節點接收到資料連接層驅動器的訊號得知將進行換手程序時，

會向依照代理路由器廣播中所得到的資訊來產生一個新轉址位址，此時行動節點還是連接在舊存取路由器上，並發送包含新轉址位址的快速配對更新給舊存取路由器。舊存取路由器在收到快速配對更新後，依照快速配對更新的資訊發送換手初始訊息給行動節點即將換手的新存取路由器，而新存取路由器在收到換手初始

(25)

後，將對其中帶有行動節點自己產生的新轉址位址做重複位址偵測程序，驗證轉址位址是否唯一，並回傳換手回覆給舊存取路由器，而舊存取路由器則會再回傳快速配對回覆給新存取路由器與行動節點。如果新轉址位址不是唯一的話，新存取路由器將透過換手回覆，夾帶另一個為唯一的轉址位址，並經由舊存取路由器發送的快速配對回覆交序行動節點，而行動節點就將以此轉址位址為新轉址位址。在發送完快速配對回覆之後，舊存取路由器將開始暫存所要送給行動節點的封包，並開始與新存取路由器建新通道，建立完通道後舊存取路由器將會把暫存與新接收到要給行動節點的封包，經由通道送至新存取路由器，而之後行動節點也將開始換手改連接至新存取路由器，當行動節點連接上新存取路由器之後，發送非請求性鄰居廣播給新存取路由器，而新存取路由器開始把舊存取路由器轉送過來的封包送給行動節點，而行動節點可以立回復換手前的網路溝通，以上是理想順利進行下的 FMIPv6 的預測模式(Predictive Mode)。

如圖 9 與圖 10 所示，有時候行動節點可能移動的太快或某些原因，而造成 行動節點來不及接收到快速配對回覆，若行動節點於換手至新存取路由器之前，

尚連接舊存取路由器時，未收到快速配對回覆的話，即進入 FMIPv6 的反應模式 (Reactive Mode)，也就是從舊存取路由器在換手至新存取路由器之後，一樣發送非請求性鄰居廣播，接著發送快速配對更新經由新存取路由器轉交給舊存取路由器，如果新存取路由器有提供另的轉址位址給行動節點的話，它將發送包含此轉址位址的鄰居廣播回覆(Neighbor Advertisement Acknowledgement)訊息的路由器廣播。而行動節點也尚未確定產生的新轉址位址是否是唯一，新存取路由器可能直接使用行動節點產生的新轉址位址，也可能將透過路由器廣播 (Router Advertisement)，配發另一個經重複位址偵測程序為唯一的轉址位址給行動節點。另外舊存取路由器收到快速配對更新後，如果之前已經發送過換手初始給新存取路由器的話，將直接回送快速配對回覆與開始轉送給予行動節點之封包；如果未曾發送過則發送換手初始訊息給新存取路由器，而新存取路由器在收到後回傳換手回覆給舊存取路由器，舊存取路由器再回送快速配對回覆連同轉送給予行

(26)

動節點之封包給新存取路由器，即完成反應式 FMIPv6。

圖 7：FMIPv6 Predictive 換手示意圖

(27)

圖 8：FMIPv6 Predictive 換手訊息流程圖

(28)

圖 9：FMIPv6 Reactive 換手示意圖

(29)

圖 10：FMIPv6 Reactive 換手訊息流程圖

2.5 Mobility Management System(MMS)

2.5.1 MMS 名詞解釋

 行動管理系統(MMS，Mobility Management System)：扮演著暫時性的本地代理伺服器功能，同時也是行動節點與對應節點連線溝通的中繼點。

 網域名稱解析請求(DNS Query)：當行動節點與對應節點建立連線之初，會觸發此訊息來查詢對應節點目前的 IP 位址。

 網域名稱解析回覆(DNS Answer)：本地端的網域名稱系統伺服器(DNS，

Domain Name System)會將行動管理系統的IP位址，以及對應節點的IP位址一起包含在此訊息中回傳給MN。

(30)

 存取路由器更新(AR Update)：行動節點在換手後將更新訊息傳至新存取路由器，其中包括行動管理系統的 IP 位址。

 存取路由器回覆(AR Ack)：在新存取路由器收到行動管理系統回覆後，發送給行動節點的回覆。

 IP 分配(IP Assign)：將所查詢到的對應節點之 IP 位址傳送給行動管理系統。

 行動管理更新(MMS Update)：由新存取路由器將此訊息發送行動管理系統，通知行動節點的轉址位址已經改變，讓行動管理系統的網址轉換能變更至新的轉址位址。

 行動管理回覆(MMS Ack)：在行動管理系統更新完行動節點之轉址位址後，

回覆給新存取路由器。

 更新(Update)：在此指用來通知舊存取路由器取消對行動節點的 IP 位址做網址轉換(NAT，Network Address Translation)動作。

 回覆(Ack)：此指舊存取路由器在完成取消網址轉換後回覆確認給新存取路由器。

2.5.2 MMS 原理

行動管理系統的概念是希望在行動節點與對應節點連線中的直線距離的中間，佈置一個行動管理系統裝置與 HMIPv6 相似，讓行動管理系統成為行動節點與對應節點連線的中繼點，將連線切分成兩部分，一部分是行動節點先連線至行動管理系統，再由行動管理系統連線至對應節點，但與 HMIPv6 不同的是行動管理系統不用使用到通道技術，使用類似網址轉換技術(NAT-Like)直接以一般網路連線即可，好處是沒有通道技術的網路負荷，不用增加 IP 封包的表頭(IP Header)，也不用更改其它網路伺服器與對應節點，即連線的網路裝置不需具備通道技術以及行動管理系統也可以連線。

(31)

2.5.3 MMS 運作流程

如圖 11 所示，在行動管理系統機制中，當行動節點一開始與對應節點連線 時，會先經由網域名稱解析訊息去查詢對應節點的 IP 位址，而當網域名稱解析訊息傳至本地網域名稱伺服器時，本地網域伺服器會照一般程序去查得對應節點的 IP 位址，然後本地網域伺服器將行動節點與對應節點的 IP 位址放在 IP 分配訊息送給行動管理系統，之後行動管理系統回覆確認，本地網域名稱伺服器才將行動管理系統的 IP 位址代替對應節點的 IP 位址，用網域名稱回覆送給行動節點，這樣一來行動節點將先與行動管理系統連線，再由行動管理系統再與對應節點連線。

圖 11：籍由外部網路提供 MMS 之連線初始示意圖

2.5.4 MMS 換手程序

如圖 12 與圖 13 所示，在換手時行動節點於新存取路由器之下取得一個轉址 位址後，將得進行重複位址偵測程序，確認轉址位址的唯一性，然後發送存取路

(32)

由器更新，新存取路由器收到之後將同時對舊存取路由器發送更新，以及對行動管理系統發送行動管理更新，通知舊存取路由器取消網址轉換，與通知行動管理系統說行動節已經更改了轉址位址，網址轉換至新轉址位址，舊存取路由器與行動管理節點完成程序後將回送回覆與行動管理回覆給新存取路由器，之後行動節點也會收到存取路由回覆，即完成行動管理換手程序。

圖 12：MMS 換手示意圖

(33)

圖 13：MMS 換手訊息流程圖

2.5.5

資料傳輸

如圖 14，IP 封包將從行動節點至新存取路由器經網址轉換，再從新存取路由器至行動管理系統再經由網址轉換，最後從行動管理系統送至對應節點，傳送與接收皆然。

圖 14：MMS 資料傳輸示意圖

(34)

2.6 Proxy Mobile IPv6(PMIPv6)

2.6.1 PMIPv6 簡介

近年來 MIPv6、HMIPv6、FMIPv6、MMS 此類屬於基於主機(Host-Base)的換手機制已臻至成熟，而相對於基於主機(Host-Base)的新概念：「基於網路之本地行動管理(NETLMM[14]) 」，在被提議成為 IETF 標準(RFC，Request for Comments) 之後，正逐漸成為新的研究議題。

而基於網路之本地行動管理是種提供區域 IP 行動管理的方法之一(相似於 HMIPv6 的區域概念)，它試著提供行動管理服務給予行動節點，而不需要行動節點的參與，藉由所在網域之網路裝置來替行動節點執行換手程序。

此後以基於網路之本地行動管理為目標所設計的 Proxy Mobile IPv6 也被提出，也接著被提議成為 IETF 標準，而 PMIPv6 的概念是基於 MIPv6 的延伸，如其本地行動錨點是基於本地代理伺服器的進階裝置，而其控制訊息是基於 MIPv6 訊息的延伸。而 PMIPv6 相較於 MIPv6 將有許多優點[22]，不需要更動行動節點上的軟體、同時支援 IPv6 與 IPv4、有效的使用無線資源、支援各種的連接技術 (Link Layer)、提升換手效率等。

2.6.2 PMIPv6 名詞解釋

 PMIPv6 網域(PMIPv6-Domain，Proxy Mobile IPv6 Domain) ：指有提供 PMIPv6 來幫行動節點作行動管理的網域，PMIPv6 網域下包含有本地行動錨點(LMA)與行動存取閘道(MAG)，能自動代替行動節點作認證與代理配對更新。

 本地行動錨點(LMA，Local Mobility Anchor)：在 PMIPv6 網域中，本地行動錨點扮演著相當於 MIPv6 中本地代理伺服器的角色，是行動節點使用本地端網路前綴對外通訊時，資料傳輸的中繼錨點，並且是管理行動節點配對

(35)

 行動存取閘道(MAG，Mobile Access Gateway)：擁有能為行動節點行使行動管理功能的路由器，負責偵測行動節點的移動，並替行動節點收發配對訊息予本地行動錨點。

 本地行動錨點位址(LMAA，LMA Address)：本地行動錨點的 IP 位址，也是行動存取閘道與本地行動錨點雙向資料通道的終端 IP 位址之一。

 代理轉址位址(Proxy CoA，Proxy Care-of Address)：行動存取閘道的 IP 位址，

也是行動存取閘道與本地行動錨點雙向資料通道的終端 IP 位址之一。

 行動節點之本地端網路前綴 (MN-HNP ， Mobile Node’s Home Network Prefix) ：由本地行動錨點配對給行動存取閘道之一個或多個前綴，用於行動存取閘道與行動節點之間的連結，相似 MIPv6 中的本地端位址，不同的是 PMIPv6 是將整個前綴(Prefix)配對給行動節點，行動節點能在此前綴之中取得一個或多個本地端網路位址來使用。

 行動節點識別(MN-Identifier，Mobile Node Identifier)：是種不變的識別代碼代表此行動節點，使 PMIPv6 網域中的裝置可以得知此代碼，並識別出行動節點(可能是媒體存取控制位址(Media Access Control Address))。

 政策概要(Policy Profile)：記載為行動節點所設置的參數之檔案，在 PMIPv6 網域之中的行動管理裝置為了提供行動管理服務給予行動節點，必需取得此政策概要。

 代理配對更新(PBU，Proxy Binding Update)：由行動存取閘道發送至行動節點之本地行動錨點，請求分配行動節點之本地端網路前綴，並將其與行動存取閘道建立配對。

 代理配對回覆(PBA，Proxy Binding Acknowledgement)：由本地行動錨點發送的回覆，用於回應行動存取閘道所發送的代理配對更新。

2.6.3 PMIPv6 原理

(36)

如圖 15 所示，Proxy Mobile IPv6 是設計來提供基於網路的行動管理技術，

支援行動節點行使換手管理功能，而無需更動行動節點上的軟體配置，一切將由行動存取閘道來偵測行動節點的移動，並由行動存取閘道替行動節點收發代理配對訊息，由本地行動錨點分配與管理行動節點之本地端網路前綴，行動存取閘道代理本地行動錨點發送路由廣播訊息，廣播此行動節點之本地端網路前綴給予行動節點，使行點節點認為自己一直連接在本地端網路之下，繼而行動節點能在本地端前綴中設定使用一個或多個本地端位址，而 PMIPv6 目前最大的缺點是本地行動錨點將遭遇到可量化性的問題。

圖 15：PMIPv6 架構示意圖

2.6.4 PMIPv6 換手程序

如圖 16 與圖 17 所示，在行動節點所連接的舊行動存取閘道會一直偵測行動 節點的移動，一旦舊行動存取閘道發現與行動節點斷離(Detached)連接了，舊行動存取閘道便會發送代理配對更新給予本地行動錨點取消目前的配對，本地行動錨點則回送代理配對回覆，並在一段時間後若無收到新的更新則移除該配對，而行動節點在新連接至行動存取閘道後，會廣播出路由器請求 (Router Solicitation)，行動存取閘道收到路由器請求後，將識別出該行動節點之行動節點識別，而行動存取閘道將向認證授權帳號伺服器(AAA Server)行使認證，並取得

(37)

該節點之政策概要，向政策概要中記載之本地行動錨點發送代理配對更新，本地行動錨點在收到代理配對更新後也將與認證授權帳號伺服器行使認證，此後本地行動錨點將回傳包含行動節點之本地端網路前綴之代理配對回覆，並開始與行動存取閘道建立所需之雙向資料通道，而行動存取閘道收到後將廣播包含此行動節點之本地端網路前綴之路由器廣播，在行動節點收到此路由器廣播後，將認為自己還連接在相同前綴之本地端網路上，並依照一般無線網路設定機制取得自己所使用的 IP 網路位址。

而在本篇論文中，我們將不應用 Freeze-TCP 的技術於 PMIPv6 之上，因為應用 Freeze-TCP 的技術於 PMIPv6 上將面臨許多問題與缺點，首先因為 PMIPv6 是種基於網路的換手機制，所以行動節點並不會參與換手，而 FreezeOn 與 FreezeOff 本來皆是由行動節點發送的，如果改由行動存取閘道代送的話，行動存取閘道將要隨時監控記錄行動節點之所有 TCP 連線狀態，將需要花費許多資源。而在行動節點換手離開後，由行動存取閘道代送完 FreezeOn 將可能會有延遲發生(依賴於行動存取閘道對行動節點斷離的偵測效率)，而發送完 FreezeOn 暫停行動節點之對應節點的網路連線(Connection)後，行動節點連接至新的行動存取閘道後，還需設法得知舊行動存取閘道的位址，並通知舊行動存取閘道發送 FreezeOff 恢復行動節點之對應節點的網路連線，由於行動節點的不參與的關係，最有效的方式便是透過本地行動錨點來得知舊行動存取閘道的位址，而本地行動錨點本身已面臨可量化性的問題，雖然有目前有方法可減緩可量化性的問題 [15]，但如此將花費不小的時間、資源與負載成本，而由新行動存取向本地行動錨點取得舊行動存取閘道的位址，加上新行動存取閘道通知舊行動存取閘道的延遲後才能發送 FreezeOff 訊息。因此我們認為將 Freeze-TCP 應用於 PMIPv6 將會帶來暫停與恢復訊息傳送的延遲，還有加重本地行動錨點的可量化性問題，將 PMIPv6 結合 Freeze-TCP 的效率不佳，甚至弊大於利，所以本篇我們將排除 PMIPv6 結合 Freeze-TCP 的應用。

(38)

圖 16：PMIPv6 換手示意圖

(39)

圖 17：PMIPv6 換手訊息流程圖

(40)

第三章換手改進

在本章節我們將描述如何使用 Freeze-TCP 的技術，並結合至 MIPv6、

HMIPv6、FMIPv6、MMS 各個方法之中，利用 Freeze-TCP 來改進各個方法的缺點，進一步增加換手之效能。

3.1 結合 Freeze-TCP 的換手改進

結合 Freeze-TCP 方法：

步驟一：

由資料連結層驅動器得知即將進行 IP 連結層之換手時，立即發送 FreezeOn，來讓對應節點暫停 TCP 傳送。

步驟二：

進行 IP 連結層之換手程序(MIPv6、HMIPv6、FMIPv6、MMS…等)。

步驟三：

在 IP 連結層回復與對應節點傳送路徑後，即發送 FreezeOff 來恢復正確的 TCP 傳送順序。

圖 18：換手程序結合 Freeze-TCP 示意圖

(41)

結合 Freeze-TCP 之優點：

擁塞視窗(Congestion Window)的延續：使用 Freeze-TCP 更能避免雙方 TCP 程式將行動節點之換手，誤認為網路擁塞而降低擁塞視窗，因而減低 TCP 傳送效率，Freeze-TCP 明確使對應節點之 TCP 程式得知，換手前停送無法到達行動節點之 TCP 封包，而換手後立即回恢 TCP 封包的傳送順序，而對應節點能維持一樣的擁塞視窗，不因換手而降低 TCP 傳送效率。

減少頻寬的浪費：當得知即將進行換手後，Freeze-TCP 即停止行動節點送出 TCP 封包，並送出通知使對應節點停止發送 TCP 封包至行動節點已經不在的舊路徑，減少網路資源與本地無線訊號連結的頻寬浪費。

更快回復 TCP 連線順序：我們的方法結合 IP 連結層之換手程序，能在一恢 復與對應節點之傳輸，即馬上送出 FreezeOff，不僅通知對應節點可以開始傳送 TCP 封包了，也告知(TCP Ack)了對應節點接下來正確的 TCP 傳送順序。

結合 Freeze-TCP 之缺點：

資料連結層驅動器需於換手前反應：否則 Freeze-TCP 來不及送出 FreezeOn 給對應節點，使 Freeze-TCP 無法作用。

更改行動節點之程式：須更改行動節點上資料連結層之程式(資料連結層驅動器)，再與 IP 連結層換手程序結合，還須更改行動節點上之 TCP 程式來實作 Freeze-TCP。

實踐結合 Freeze-TCP 改進之注意要點：

 於行動節點上佈署資料連結層驅動器程式(Layer 2 Trigger)，使能得知資 料連結層即將換手之訊息。

 能與行動節點使用之 IP 連結層換手機制結合，得知確切 IP 連結層回復 與對應節點傳送路徑之時間點。

 更改行動節點上之 TCP 程式，使能在適當時機停止傳送 TCP 封包，並 且送出 FreezeOn 與 FreezeOff 訊息給所有對應節點。

(42)

3.2 MIPv6 結合 Freeze-TCP(MIPv6-F)

在 MIPv6 中我們試著結合 Freeze-TCP，希望能達到於換手前暫停 TCP 連線，

並在換手完成同時能立即回復 TCP 連線，來減少換手時 IP 封包遺失與 TCP 傳送 失序的問題，如圖 19，首先我們藉由在行動節點佈署的資料連接層驅動器來得 知到即將進行換手程序，行動節點馬上向所有的 TCP 連線(Connection)廣播 FreezeOn 訊息，在換手之前讓 TCP 連線進入零接收視窗，接著進行一般的 MIPv6 程序，而在 MIPv6 程序最後行動節點要送配對更新給對應節點時，同時發送 FreezeOff 的訊息給對應節點。

圖 19：MIPv6 換手結合 Freeze-TCP 程序

(43)

3.3 HMIPv6 結合 Freeze-TCP(HMIPv6-F)

如前所述，MIPv6 分成 Macro 與 Micro 兩種，我們也將各別結合 Freeze-TCP，

來減少換手時 IP 封包遺失與 TCP 傳送失序的問題。

如圖 20，在 HMIPv6 Micro 中，我們一樣藉由資料連接層驅動器的通知，向 所有的 TCP 連線廣播 FreezeOn 訊息，在換手之前讓對應節點的 TCP 連線進入零接收視窗，接著進行一般的 HMIPv6 Micro 程序，而在 HMIPv6 Micro 程序最後，

在行動節點要送本地配對更新給行動錨點時，同時發送 FreezeOff 的訊息給對應節點，使對應節點能回復為換手前的 TCP 接收視窗大小。

圖 20：HMIPv6 Micro 換手結合 Freeze-TCP 程序

另外於 HMIPv6 Macro 時，如圖 21，一樣藉由資料連接層驅動器的通知，向 所有的 TCP 連線廣播 FreezeOn 訊息，在換手之前讓對應節點的 TCP 連線進入零接收視窗，接著進行一般的 HMIPv6 Macro 程序，而在 HMIPv6 Macro 程序最後，

在完成返回路由能力認證之後，而行動節點要送配對更新給對應節點時，同時發

(44)

送 FreezeOff 的訊息給對應節點，使對應節點能回復為換手前的 TCP 接收視窗大小。

圖 21：HMIPv6 Macro 換手結合 Freeze-TCP 程序

3.4 FMIPv6 結合 Freeze-TCP(FMIPv6-F)

如前所述，FMIPv6 也分成預測模式與反應模式兩種模式，我們將說明如何直接利用 FMIPv6 的資料連接層驅動器，來結合 Freeze-TCP 的應用於兩種模式下，減少 FMIPv6 的 IP 封包遺失與 TCP 傳送失序。

在 FMIPv6 預測模式下，如圖 22，我們利用本來 FMIPv6 的資料連接層驅動

(45)

器來得知到即將進行換手程序，向所有對應節點的 TCP 連線廣播 FreezeOn 訊息，通知對應節點的 TCP 連線進入零接收視窗，此時 FMIPv6 預測模式程序也同時開始進行，直到行動節點發送非請求性鄰居廣播時，我們接著同時發送 FreezeOff 的訊息給所有對應節點來回復 TCP 連線的接收視窗。

圖 22：FMIPv6 Predictive 換手結合 Freeze-TCP 程序

在 FMIPv6 反應模式下，如圖 23，我們一樣利用本來 FMIPv6 的資料連接層 驅動器來得知到即將進行換手程序，向所有對應節點的 TCP 連線廣播 FreezeOn 訊息，通知對應節點的 TCP 連線進入零接收視窗，此時 FMIPv6 程序的前置作業未能如期完成，而進入資料連接層的換手，資料連接層換手完成後，行動節點則進入 FMIPv6 反應模式程序，當行動節點發送非請求性鄰居廣播時，我們接著同時發送 FreezeOff 的訊息給所有對應節點來回復 TCP 連線的接收視窗。

(46)

圖 23：FMIPv6 Reactive 換手結合 Freeze-TCP 程序

3.5 MMS 結合 Freeze-TCP(MMS-F)

在行動管理系統中，我們一樣佈署資料連接層驅動器來得知即將進行的換手 程序，於換手前啟動 FreezeOn，如圖 24，一樣我們經行動管理系統對對應節點 做 FreezeOn 動作，之後正常的進行行動管理系統的換手程序，直到行動節點的 IP 連接(IP Conectivity)恢復，也就是在行動節點送出存取路由器更新同時，我們將對行動管理系統發送 FreezeOff 訊息，來回復原來的 TCP 傳送，降低 IP 封包遺失及 TCP 傳送失序。

(47)

圖 24：MMS 換手結合 Freeze-TCP 程序

(48)

第四章比較與探討

在本章節我們將利用設定之變數來試算每個機制換手時，封包的遺失與失序情形，並了解 Freeze-TCP 在各個換手機制中的應用中帶來多少效益。

4.1 變數定義與說明

我們將計算在整體 IP 連接層換手期間，因 IP 連接層換手機制而產生的 IP 封包遺失的時段，我們稱之為 IP 封包遺失期間(Packet Lost Period)。還有整體 IP 連接層換手期間，因 IP 連接層換手機制與 IP 封包的遺失的影響，所造成後續接受到之失序封包時段，我們稱之為 TCP 傳送失序期間(Out-of-Sequence Packet Period)。我們把兩者期間合稱為無效封包期間(Invalid Packet Period)。我們也另外計算了行動節點開始換手至完成後，加上如果有發生的不正確順序傳輸時段，

到對應節點收到 TCP 告知(TCP Ack 或 TCP NAck)後，回復與對應節點之正確 TCP 封包順序傳輸所需的時段，我們稱之為 TCP 傳送回復期間(Recovery Period)。藉由這些期間大小的分析了解各機制的換手程序對封包接收之效能情況。

首先我們將定義數個延遲變數來方便我們做效能分析，如表 1 所示，而 MIPv6、HMIPv6、FMIPv6、MMS中的所有重複位址偵測(DAD，Duplicate Address Detection) 程序，我們皆定義為需要耗費相同的時間T_DAD。

表 1：各裝置間的換手延遲定義表

Latency Between Devices

Device A Device B Latency

MN AR Tmn-ar

MN MAP Tmn-map

MN MMS Tmn-mms

MN HA Tmn-ha

MN CN Tmn-cn

(49)

AR(NAR) PAR Tar-ar

AR(PAR, NAR) MMS Tar-mms

MAP Previous MAP T_map-map

HA CN T_ha-cn

4.2 Mobile IPv6 效能分析

由圖 26 的換手時程表中，我們可以看出MIPv6 的IP封包遺失為資料連接層 的換手(HandoffL2，L2 Handoff)，加上MIPv6 程序開始至最後發送配對更新給對應節點，其期間如式(1)所示；因為IP封包遺失導致MIPv6 換手程序快完成時，最後對應節點發送配對回覆與TCP連線之資料封包(可以一起傳送)，而行動節點收到之TCP資料封包將會變成為TCP傳送失序之封包，直到對應節點收到行動節點的TCP告知(TCP NAck)，才會回復正確的傳送順序，所以對應節點傳送配對更新至行動節點，與行動節點傳送TCP告知封包到對應節點的時間，即為TCP傳送失序期間，其結果如式(2)所示，而TCP回復正確傳送的期間恰為IP封包遺失與TCP 傳送失序兩者相加。當對應節點收到TCP告知(TCP NAck)後即可恢復正確順序之 TCP資料傳送，所以回復期間與無效TCP封包期間相同，如式(3)與式(4)所示。

圖 25： MIPv6 效能分析模組架構圖

IP 封包遺失期間：

(50)

Handoff

_L2

+ 2 × T

_mn-ar

+ T

_DAD

+ 2 × T

_mn-ha

+ Max ( 2 × T

_mn-ha

+ 2 × T

ha-cn

, 2 × T

mn-cn

) + T

mn-cn

TCP 傳送失序期間：

( 1 )

2 × T

mn-cn

無效 TCP 封包期間：

( 2 )

Handoff

L2

+ 2 × T

mn-ar

+ T

DAD

+ 2 × T

mn-ha

+ Max ( 2 × T

mn-ha

+ 2 × T

ha-cn

, 2 × T

_mn-cn

) + 3 × T

_mn-cn

TCP 傳送回復期間：

( 3 )

Handoff

_L2

+ 2 × T

_mn-ar

+ T

_DAD

+ 2 × T

_mn-ha

+ Max ( 2 × T

_mn-ha

+ 2 × T

ha-cn

, 2 × T

mn-cn

) + 3 × T

mn-cn

( 4 )

圖 26： MIPv6 換手時程圖

(51)

4.3 Mobile IPv6 結合 Freeze-TCP 效能分析

圖 27 為 MIPv6 結合 Freeze-TCP 的換手時程圖，而換手產生的 IP 封包遺失 期間被減少成至多為 FreezeOn 訊息的傳送時間，如式(5)所示；結合 Freeze-TCP 後的 MIPv6，將不會增加 TCP 傳送失序的問題，如式(6)所示；無效 TCP 封包期間同 IP 封包遺失期間，如式(7)所示；而在 TCP 傳送回復期間則比原來的快一個行動節點與對應節點的一來一回時間(Round Trip Time)，因為原本的 MIPv6 與結合 Freeze-TCP 的 MIPv6 相比，最快也得等到收到配對更新回覆與對應節點的一個換手後的 TCP 封包(可以一起傳送)，才知道 TCP 傳送已經失序了，然後再發送一個 TCP 封包告知，所以快上一來一回的時間，如式(8)所示。

中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目： 藉由Freeze-TCP機制降低換手時無法到達 行動節點之封包傳送量

系 所 別： 資訊工程學系碩士班

學號姓名： M09502027 林子勳 指導教授： 劉懷仁 博士

中 華 民 國 九 十 九 年 一 月

摘要

IPv6, Fast Mobile IPv6, MMS

致謝

目錄

2.1 F

-TCP ... -

2.2 M

IP

6(MIP

6) ... -

2.3 H

M

IP

6(HMIP

6) ... -

2.4 F

M

IP

6(FMIP

6) ... -

2.5 M

M

S

(MMS) ... -

2.6 P

M

IP

6(PMIP

6) ... -

3.1

-TCP 的換手改進 ... 錯誤!

3.2 MIP

6

F

-TCP(MIP

6-F)... -

3.3 HMIP

6

F

-TCP(HMIP

6-F)... -

3.4 FMIP

6

F

-TCP(FMIP

6-F) ... -

3.5 MMS

F

-TCP(MMS-F) ... -

4.1

4.2 M

IP

6 效能分析 ... -

4.3 M

IP

6 結合 F

-TCP 效能分析 ... -

4.4 H

M

IP

6 效能分析 ... -

4.5 H

M

IP

6 結合 F

-TCP 效能分析 ... -

4.6 F

M

IP

6 效能分析 ... -

4.7 F

M

IP

6 結合 F

中華大學

中華大學碩士論文

題目：藉由Freeze-TCP機制降低換手時無法到達行動節點之封包傳送量

系所別：資訊工程學系碩士班

學號姓名： M09502027 林子勳指導教授：劉懷仁博士

中華民國九十九年一月

第一章簡介

第二章背景知識與相關研究

第三章換手改進

第四章比較與探討