多階層式行動IPv6網路下基於行動錨點負載之行動主機管理 The Mobile Node Management Based on Load of Mobile Anchor
Point in Multilevel Hierarchical Mobile IPv6 Networks
林芳昌 郭正偉
朝陽科技大學資訊管理系 朝陽科技大學資訊管理系
[email protected] [email protected]
摘要
多階層式 Mobile IPv6 (Multilevel Hierarchical Mobile IPv6, MHIPv6) 架構的提出，可以讓不同移 動特性的行動主機能依照其行動特性，選擇註冊到 合適的行動錨點。但是若在無法有效判斷 MN 行動 特性的情形之下，MN 不知道應該註冊到覆蓋範圍 較大，具高行動性管理 MAP，或是覆蓋範圍較小的 MAP 中。這可能導致 MN 集中註冊到某一 MAP，
造成 MAP 負載過重或是 MAP 負載不平衡的情況發 生。因此本研究提出一個 MAP 負載調整的方法以 及行動主機的位置更新策略，搭配修改 MAP 負載 訊息傳遞方式，做為 MN 選擇 MAP 註冊的對照，
以達到：(1)MN 進入階層式 Mobile IPv6 架構下，
能適當地依照 MAP 的負載狀況以及 MN 的行動特 性選擇一個其適合歸屬的 MAP、(2)減少 MAP 之間 訊息交換以及降低 MN、HA 與 CN 之間 Binding Update 訊息的傳遞(3)達到 MAP 的負載平衡。
關鍵詞：Mobile IPv6、階層式 Mobile IPv6、負載平 衡、行動錨點
Abstract
MHMIPv6 (Multilevel Hierarchical Mobile IPv6) allowed the MN to select their own MAP, but a MN cannot know whether it has a high or a low mobility characteristic in a Multilevel Hierarchical Mobile IPv6(MHIPv6) network. Therefore, the MN cannot correctly select an appropriate MAP. This may cause load concentration at a particular MAP. In this paper, a novel mobility management scheme is proposed by using the mobility of MN and load balancing management mechanism to select an appropriate MAP in MHIPv6 network. This scheme achieves that (1) A MN can select an appropriate MAP according to the mobility type of the MN in the multilevel HMIPv6 wireless network. (2) The frequent re-registrations of MN are reduced. (3) Reduces the message exchange between MAPs. (4) The load of MAP is balanced.
Keyword：Mobile IPv6, Hierarchical Mobile IPv6, Load Balancing, Mobile Anchor Point
一、前言
IETF (Internet Engineering Task Force) 提出 Mobile IPv6 （Johnson, 2004）的架構，來解決 Mobile IPv4 的架構上會產生換手延遲及三角路由的問
題，並且增加對行動無線通訊網路的支援性。而階 層式 Mobile IPv6 (Hierarchical Mobile IPv6, HMIPv6)
（Castelluccia, 2002）（Soliman, 2005）架構設計目 的則為透過階層式架構降低送往行動代理伺服器 (Home Agent, HA)及通訊節點 (Correspondent Node, CN) 之繫結更新 (Binding Update) 訊息的次數，利 用行動錨點 (Mobility Anchor Point, MAP) 作為一 個 區 域 的 行 動 代 理 伺 服 器 (Local Home Agent, LHA)，將區域內換手動作區域化，區域外的 HA 與 CN 在與行動主機 (Mobile Node, MN) 溝通時不 必知道 MN 在區域內是如何移動的。透過階層式 Mobile IPv6 的架構，可有效降低網路上多餘的訊息 交換，並避免過長的換手延遲所導致封包遺失數量 增加。但是如果 MN 數量多且有複雜的移動特性 時，單一階層的 MAP 仍會因此而負荷過重。而多 階層式 Mobile IPv6 (Multilevel Hierarchical Mobile IPv6, MHIPv6)（Bandai, 2002），可以讓不同移動 特性的 MN 能選擇到適合的 MAP。但是若在無法 有效判斷 MN 行動特性的情形之下，MN 不知道應 該註冊到覆蓋範圍較大，具高行動性管理 MAP，或 是相對覆蓋範圍較小的 MAP 中。這可能會造成 MN 集中註冊到某個特定的 MAP，造成 MAP 負載不平 衡的情況發生。此外有某些負載平衡研究當中，都 是 利 用 在 MAP 之 間 建 立 群 播 群 組 (Multicast Group)，藉由 MAP 負載訊息的交換來調整負載，
如此之下，若是在某個大範圍 MAP 所包含的範圍 之中有著相當大量的中下層 MAP，在這種情形下 MAP 同樣必須不斷交換同步資訊，若是同層次的 MAP 數量過多，大量的交換負載訊息，或是訊息的 交換過度頻繁，也容易造成網路頻寬的浪費。
基於上述議題，本研究提出一個在 MHMIPv6 網 路 之 負 載平 衡 調 整 機制 以 及 行 動主 機 管 理 策 略，搭配我們所建議的 MAP 負載訊息傳遞方式，
支援行動主機進入 MAP domain 時，能適當的依據 MAP 負載情況以及 MN 行動特性選擇一個適合的 MAP。以避免過多的 MN 註冊到同一個 MAP 造成 MAP 負載過量，並達到上下層及同層次 MAP 負載 平衡的目的。
二、文獻探討
本章節將先對 IETF 所提出的階層式行動 IPv6 (Hierarchical Mobile IPv6，HMIPv6) 的架構和階層 式行動 IPv6 中分散式架構中，行動用戶管理的相關
議題分別作說明，並作一討論。
2.1 階層式 Mobile IPv6 架構
在 Mobile IPv6 的架構中，雖然解決了舊有協 定位址空間不足的問題，並增加了對行動網際網路 的支援；但是若 MN 具有高移動特性，在不同的網 域間快速的移動，這也會造成 MN 頻繁的產生註冊 更新的訊息，而 MN 在等待回覆訊息的時間也會增 多，因此換手延遲與封包遺失的機率也會更多。為 避 免 上 述 問 題 ， IETF 提 出 階 層 式 Mobile IPv6 (Hierarchical Mobile IPv6) 架構設計目的為透過階 層式架構降低 MN 對主代理伺服器 (Home Agent，
HA) 及通訊節點 (Correspondent Node ， CN) 之 Binding Update 訊 息 的 次 數 ， 利 用 行 動 錨 點 (Mobility Anchor Point， MAP) 作 為一個區域的 Local HA，將區域內換手動作區域化，區域外的 HA 與 CN 在與 MN 溝通時不必知道 MN 在區域內是 如何移動的。透過 HMIPv6 的架構，將可有效的降 低網路上多餘的訊息交換，並避免過長的 Handoff delay 導致 pack loss 的數量增加 (架構請參照圖 1)。
圖 1 階層式 Mobile IPv6 網路架構圖
2.2 多階層式 Mobile IPv6 架構
藉由 MAP 扮演區域性 Home Agent (Local Home Agent, LHA) 的角色，階層式 Mobile IPv6 可 以有效的減少 MN 與 HA 和 CN 間的 Binding update 訊息的產生；但還是有其缺點存在，如果一 MAP 所覆蓋的範圍很大，雖能有效降低 Binding update 訊息產生；但是 MAP 勢必會因為註冊到上面的 MN 相對變多，而負載過重，造成運作效能不佳；相反 的如果 MAP 覆蓋的範圍小，這可以讓 MAP 有較好 的運作效能；但是會讓 MN 的換手機會增加，而 Binding update 訊息也會跟著增加。因此多階層式 Mobile IPv6 (Multilevel Hierarchical Mobile IPv6, MHIPv6)（Bandai, 2002）（Kawano, 2002）（Kawano, 2004）被提出(請參照圖 2)，藉由多階層的管理架 構，讓高階層，覆範圍大的 MAP 管理行動性高的 MN，而低階層的 MAP，則管理行動性較低的 MN，
因此可分別解決在單一層 MAP，覆蓋範圍大時，效 能不佳及覆蓋範圍小時，Binding update 訊息增加的
問題。
圖 2 多階層式 Mobile IPv6 網路架構圖 然而在多階層式的 Mobile IPv6 的網路架構 下，若在無法有效判斷 MN 行動特性的情形之下，
MN 不知道應該註冊到覆蓋範圍較大，具高行動性 管理 MAP，或是相對覆蓋範圍較小的 MAP 中。這 可能會造成 MN 集中註冊到某個特定的 MAP，造 成 MAP 負載不平衡的情況發生。在目前有許多的 研究針對相關的位置更新策略方面，但是單以行動 特性來管理並不能確保各階層的服務量，可能會造 成某些特定的 MAP 負載過量或是負載不均勻的問 題，因此便激起了我們對於這種架構下去有效平衡 各階層的思考。
2.3 相關的負載平衡機制
在多階層式 Mobile IPv6 網路架構中，需要有 效的位置更新策略，讓高行動性的 MN 註冊到高層 的 MAP，較低行動性的 MN，註冊到較低層的 MAP，使得 Binding update 訊息可以減到最少。另 外也需要負載平衡機制，讓 MAP 的負載不會超過 可負擔的量，使 MAP 可以維持正常效能。本研究 在此針對相關的負載平衡研究做探討。
在此簡單討論為何要平衡 MAP 之間之 MN 負 載量，其主要原因如下：(1)MAP 的負載到達一個 門檻值之後，其運作效能會隨著 MN 之負載量的增 加而遞減，拉長封包傳輸的延遲時間，若 MN 集中 註冊於某 MAP 中將有可能導致負載過量。(2)在無 線網路的環境之中，由於行動主機的移動特性不 一，若在同一時間中，有許多 MN 同時湧入某 MAP 的管理範圍中，將可能造成 MAP 之負載過量。若 能有效平衡各個 MAP 之間的負載量，則可降低負 載過量之風險。
所謂的負載平衡 (Load Balancing) 是當網路 的負載 (MN 註冊量或訊號流量) 局部集中於某實 體裝置或媒介而超過其所能負荷時，自動的依訂定 的負載門檻，將超過的分擔至其它裝置或媒介上，
降低因負載過重而導致該網域效能降低和無法運 作的風險。在階層式 Mobile IPv6 下的 MAP 負載平 衡，其目地是在於平衡各階層 MAP 的負載，防止 MAP 因負荷過重或是不明原因的停止運作而造的 延遲或是封包遺失。目前研究有下列方法：
(1) 備援式的負載平衡機制
在階層式 Mobile IPv6 架構下，結合 Multicast 機制，將 MAP 階層下的 AR 動態的建構群播群組，
與 MAP 同步交換 Binding Cache 資訊，當 MAP 負 載過重時，AR 就可擔當暫時的 MAP 角色。當 MN 的數量接近 MAP 所能負擔的上限時，MAP 會發出 ICMPv6 的錯誤訊息廣播給負載最多 MN 的 AR，藉 時該 AR 會透過其所擁有一份同步的 Binding Cache 資訊直接向與其連線的所有 MN 的 HA 註冊，並將 HA Binding ACK 訊息送給 MAP，此時 MAP 會消 除該部分的 Binding Cache 記錄，而該 AR 則暫時代 理 MAP 的角色，也就是該網域會暫時存在二個 MAP（陳遵共， 民 93）。以備緩式達到負載平衡的 方式，AR 及 MAP 要不斷的同步 Binding Cache 的 資訊，增加傳輸的成本；而且每一 AR 都需要具備 有 MAP 的功能，如果 AR 數量很大，則缺點是會 增加許多的設備成本。
(2) 以行動主機速度為基礎的負載平衡機制 在多階層式 Mobile IPv6 網路架構，存在有多 階層且覆蓋範圍大小不同的 MAP 在 AR 之上，藉 由將不同行動性的 MN 分別做最佳化(高行動性 MN，註冊到高層 MAP；低行動性 MN，註冊到低 層 MAP)。但是 MN 並不曉得自己是屬於高行動性 或是低行動性，因此 MN 無法選擇一個適合其註冊 的 MAP。在這種情況下很可能導行動主機頻繁的再 註冊及 MAP 負載不平衡的情況發生。因此 MN 需 依不同行動特性註冊到適合的 MAP，以避免頻繁再 註冊的情況發生；另外需避免同一 MAP 負載過多 的 MN，達到負載平衡（Kawano, 2004）。
若單純的以 MN 在各個 AR 中的停留時間，來估 算 MN 的速度，可能會存在某些程度上的差異，因 為 MN 在各個 AR 之間所移動的軌跡並不一定，這 可能會造成誤判的狀況。另外我們可以發現 AR 在 此方法中占了重要地位，需要比一般 AR 擁有更強 大的功能，以處理 MN 的註冊程序。另外一點是，
當 MN 跨出了原本所在的 AR 到另一 AR 時，MN 所到的 AR 才產生 User Agent 向 MN 所在的前一 AR 要 MN 在該 AR 的生存時間，這樣的做法會讓 MN 的換手時間大大的拉長，也因此可能導致連線 封包的大量遺失。此外若在一 Domain 中 MN 的速 度都被定為同一速度等級，則有可能會有特定負責 此速度等級的 MAP 會負載過重，且造成 MN 註冊 失敗的情形產生。
(3) 最大負載優先調整機制
為了達到同層 MAP (屬同一上層 MAP 覆蓋範 之 MAP) 之負載平衡，所以同層 MAP 負載量最大 的 MAP，之後欲進入其中之 MN 將往上一層 MAP 註冊，藉此降低負載量高之 MAP 負載成長速度，
以達到同層 MAP 間的負載平衡（林芳昌，民 94）。
以上層 MAP 做為下層負載率最高的 MAP 緩衝空間 之方法，雖然可以有效的平衡同層次 MAP 的負載 量，卻無法有效的保證上下層的 MAP 負載可以達 到平衡，可能會造成某一層次 MAP 負載過量的問 題。另外，以此種方法同層次之間的 MAP 同樣必 須不斷交換同步資訊，若是同層次的 MAP 數量過 多，訊息的交換過度頻繁，也容易造成網路頻寬的 浪費。
三、研究方法
本研究主要考量於多階層式行動 IPv6 網路環 境下，如何讓行動節點選擇註冊到適合的行動錨 點，以分散各個 MAP 的負載量。
在實際的無線網路環境之中，MN 的行動特性 是多樣的，並且 MN 並不會平均的分散在各個 MAP 之管理範圍之中，在這種情形之下可能會有某些 MAP 會負載過量的 MN，而造成 MAP 之運作效率 不佳的問題，也可能有某一 MAP 之管理範圍中 MN 之數量超過 MAP 之負載容量，在這種情形之下則 可能會發生某些 MN 無法被服務的問題。因此如何 有效的將處理行動主機繫結更新與轉送封包的負 載，有效的分散到各個 MAP 上以平衡各層 MAP 之 負載，讓 MN 依照行動的特性且將 MAP 負載量控 制在門檻值內的前提之下，選擇適當的 MAP 將是 本研究之目標。
在我們所提出的負載調整行動管理機制可分 成兩個階段，第一個階段為在行動主機初次進入多 階層式網路或是未能有效判斷行動特性的情形之 下，能夠依照 MAP 負載情況而選擇目前負載最輕 的 MAP 進行註冊，進而調整 MAP 的負載以達到負 載能夠平衡的目的。在第二階段我們提出判斷行動 主機的移動特性以選擇適合其特性的 MAP 進行註 冊。再結合負載調整與行動主機區域移動特性管理 的方法，以求達到 MAP 負載平衡與降低 Binding Update 訊息的目標。以下我們將分為三個階段進行 討論：
3.1 MAP 負載調整機制
在 MAP 的負載調整方面，本研究所提出的方 法是藉由比對 MAP 之間的負載比率，進而選擇合 適之 MAP。在可選擇 MAP 之間只要比對 MAP 之 自身負載比率 (目前負載量/自身可負載量) ，則可 比 對 出 目 前 在 可 選 擇 註 冊 MAP 中 負 載 最 小 之 MAP，當 MN 欲進行註冊步驟時將可依照本研究所 提出之方法，在可選擇的 MAP 中選擇目前負載最 小之 MAP 進行註冊。藉由此種方法可避免 MN 太 過於集中註冊於特定幾個 MAP，有效的分攤 MAP 之負載，進而維持 MAP 運作之效率。我們稱之為 負載比率比對法，本方法最主要目的是，平衡一個 大範圍的 MAP 之下所涵蓋的 MAP 總體之平衡。接 下來我們將舉簡單的例子輔助說明本方法之運作
流程。
在本範例是以三層式 MAP 架構來做說明，對 照下圖，在 Pico MAP 層分別有四個 MAP，而這四 個 MAP 的可負載 MN 數均為 20，在 Micro MAP 層分別有兩個 MAP 其可負載 MN 數分別為 40，而 最高層的 Marco MAP 可負載 MN 數則為 80，如此 設計並無任何特殊意義，目的是為了輔助瞭解本方 法的運作模式。在此我們假設目前各個 MAP 都已 經負載了一定數量的 MN，以 Marco MAP 為例，目 前已經負載了 42 個 MN 而 Marco MAP1 的可負載 MN 數為 80，從這兩個數據來計算 (目前負載量/
自身可負載量) 則可得到 Marco MAP 的自身負載 比率為 0.525。
圖 3 MAP 負載範例圖
圖 4 負載分配運作範例
在此我們將運作流程分為四個步驟加以說明 (請參照圖 4)：
STEP1. Pico MAP1 Domain 有一 MN 進入，此時 MN 所可選擇之 MAP 分別為 Pico MAP1、
Micro MAP1 以及 Marco MAP，比對三個 MAP 之自身負載率，Marco MAP 的自身 負載率為 0.525 小於 Pico MAP 的 0.6 以及 Micro MAP1 的 0.55，可以得知目前 Marco MAP 目前的負載比率最小，因此 MN 選擇 Marco MAP 註冊，註冊完成後 Marco MAP 的自身負載率將由 0.525 更改成 0.5375。
STEP2. Pico MAP2 Domain 有一 MN 進入，此時 MN 所可選擇之 MAP 分別為 Pico MAP2、
Micro MAP1 以及 Marco MAP，比對三個 MAP 之自身負載率，可得出 Marco MAP 之負載比率最小，因此 MN 選擇 Marco MAP 註冊，註冊完成後 Marco MAP 的自 身負載率將由 0.5375 更改成 0.55。
STEP3. Pico MAP1 Domain 有一 MN 進入，此時 MN 所可選擇之 MAP 分別為 Pico MAP1、
Micro MAP1 以及 Marco MAP，比對三個 MAP 之自身負載率，可得出 Marco MAP 之負載比率最小， MN 選擇 Marco MAP 註冊，註冊完成後 Marco MAP 的自身負載 率將由 0.5375 更改成 0.5625。
STEP4. Pico MAP3 Domain 有一 MN 進入，此時 MN 所可選擇之 MAP 分別為 Pico MAP3、
Micro MAP2 以及 Marco MAP，比對三個 MAP 之自身負載率，可得出 Pico MAP3 之 負載比率最小， MN 選擇 Pico MAP3 註 冊，註冊完成後 Pico MAP3 的自身負載率 將由 0.55 更改成 0.6。
從上述四個流程之中我們可以發現，若是一開 始 MN 是出現在 Pico MAP3 的 Domain 之中 MN 會 選擇註冊的 MAP 會是 Marco MAP，但是在這之前 由於前三步驟中 Pico MAP1 與 Pico MAP2 Domain 之中 MN 的增加造成 Marco MAP 的自身負載率提 高，以導致第(4)步驟 MN 必須註冊至 Pico MAP3。
由此可發覺以 MAP 負載比率比對的方法，不僅可 以分散上中下層 MAP 之負載，同時更可影響同層 次 MAP 之負載，使同層次 MAP 達到平衡。
3.2 行動主機位置更新策略
單以速度來判斷 MN 的移動特性可能會存在 某些程度上的差異，MN 的移動特性有可能隨時都 在改變；此外某些 MN 雖然具有高速移動的特性，
卻是在某個特定的小範圍中移動，在這種情形下 MN 註冊到高層 MAP 是較無效率的。因此在行動 主機位置更新策略上，我們希望除了可以判斷 MN 的移動特性外，再藉由觀察 MN 在區域中的移動，
來判斷出 MN 是否具有只在某特定區域中的移動特 性。在我們提出的 行動主機位置更新策略中包
含了兩個來判斷 MN 特性的方法，分別去取得 MN 的移動特性與區域特性。
(1) MN 移動特性判斷
在一單位時間中持續記錄 MN 跨 AR 的換手次 數(換手次數/單位時間)。以取得行動特性(可依實際 情 況 調 整 ) 。 讓 高 移 動 速 度 的 MN 註 冊 到 上 層 MAP，中低移動速度的 MN 註冊到中下層 MAP，
但是只考慮 MN 特性選擇 MAP 註冊，雖然可以有 效降低 Binding Update 訊息的產生，但是很可能會 造成 MAP 負載不平衡的情形；因此在 MN 判斷出 特性後，仍然會結合比對負載比率調整的機制。
(2) MN 區域特性判斷
當 MN 在多階層式 Mobile IPv6 架構下移動，
在跨越不同 MAP 的管理範圍時，會從所接收到的 路由廣播(Router Advertisement, RA)所包含的 MAP option 得知是否已移動到了不同 MAP 的管理範圍 (MAP option 中 記 載 著 各 個 MAP 的 network prefix)。我們所提出方法為在一定單位門檻時間，
判 斷 MN 所 接 收 到 路 由 廣 播 中 所 包 含 的 MAP options 是否有包含新的 MAP 資訊，藉由在時間區 段的累積可以比對出那些 MAP 所屬的 MAP option 並未改變(接收次數最多次)來判斷 MN 是否具有在 特定區域中移動的特性。
若 MN 在我們所設定的門檻時間中並未收接 收到新的 MAP option，則我們可以判斷此 MN 可能 有低移動或是有區域移動的特性，因此 MN 將註冊 至下層 MAP。反之若有接收到新的 MAP Option，
則觀測移動規律若只有底層 MAP Prefix 更改而中 層及上層 MAP Prefix 未更改，則註冊到中層 MAP。
若底層及中層 MAP Prefix 有過更改而上層 MAP Prefix 未更改，則註冊到上層 MAP。藉由這種方法 可以有效的判斷 MN 是否具有在特定區域內移動的 特性，讓中速但是只在小範圍中移動，或是高速只 在中小範圍中移動的 MN 註冊到所屬區域特性之 MAP，可有效減少中高層 MAP 的負載。我們將這 種方法稱為(區域特性錨點註冊)。接下來我們將舉 四個簡單的例子輔助說明本方法之運作。
圖 5 區域移動特性錨點註冊運作範例 Ex1. 無論移動的速度有多快，MN 的移動範圍只
在 Pico MAP1 Domain 中，此時 MN 所接收
到的 MAP option 分別為 Pico MAP1、Micro MAP1 以及 Marco MAP，並未接收到新的 MAP option，因此判斷 MN 可能為低移動或 是有區域移動特性，MN 註冊到最下層的 Pico MAP1。
Ex2. 在這個情形下，MN 只在 Pico MAP1 與 Pico MAP2 的 Domain 中移動，因此所能接收到 的 MAP option 分別有 Pico MAP1、Pico MAP2、Micro MAP1 以及 Marco MAP，從中 可判斷 Micro MAP1 與 Marco MAP 的 MAP option 的次數最多，因此將 MN 註冊至 Micro MAP1。
Ex3. MN 在四個 Pico MAP domain 中移動，因此 會接收到許多不同的 MAP option，從所接收 到的這些 MAP option 可判斷出，Marco MAP 的 MAP option 接收到的次數是最多次的，因 此 MN 將會選擇 Marco MAP 進行註冊。
Ex4. MN 在 Pico MAP1、Pico MAP2 與 Pico MAP3 Domain 中移動，因此接收到 Marco MAP 的 MAP option 最多次因此 MN 會選擇 Marco MAP 進行註冊。
(3) 整合負載調整與行動主機管理策略
考慮 MN 特性選擇 MAP 註冊，雖然可以有效 降低 Binding Update 訊息的產生，但是很可能會造 成 MAP 負載不平衡的情形；因此我們在 MN 判斷 出特性後，仍然會結合比對負載比率調整的機制。
在 MN 判斷出移動特性或是區域移動特性後，欲向 所屬區域移動特性之 MAP 進行註冊，會進行下列 步驟：
STEP1. 判斷所屬特性 MAP(N)之負載是否已達門 檻值。
I. 若所屬特性 MAP(N)之負載未達門檻 值，則註冊至此 MAP。
II. 若所屬特性 MAP(N)之負載已達門檻 值，則續 STEP2。
STEP2. 比對所有可選擇註冊之 MAP 之自身負載 率。
I. 若自身之負載率最小之 MAP 負載未達 門檻值，則註冊至此 MAP。
II. 若所有可選擇註冊 MAP 之負載都已達 門 檻 值 ， 則 註 冊 至 原 本 所 屬 特 性 之 MAP(N)。
3.3 MAP option 新增欄位與訊息傳遞
前兩節介紹了我們所提出的負載平衡以及行 動主機管理策略，來平均分散 MAP 負載量並且讓 MN 依其特性有效的選擇 MAP 進行註冊。在實際 的運作上，我們將對 RFC4140（Soliman, 2005）文 件中行動錨點選項(MAP option)的欄位，以及訊息 傳遞方式稍做修改，以搭配我們所提出的行動主機 負載管理策略。
(1) MAP option 新增欄位
為搭配我們所提出的行動主機管理策略，我們 在路由廣播訊息(Router Advertisement, RA)中所包 含的 MAP option 中新增了兩個新欄位，分別為下圖 中 Level 以及 T 欄位，在此簡單介紹新增欄位之用 途。
圖 6 MAP option 新增欄位
I. Level 欄位主要是記錄著 MAP 的階層值，階 層值越高的 MAP 越適合高移動特性的 MN 進行註冊。
II. T 欄位則是用於判斷 MAP 之負載是否已超過 門檻植，此欄位預設為 1，若 MAP 之負載已 超過負載門檻則會將此欄位設為 0。
(2) MAP option 訊息傳遞
為了要有效的控制 MAP 的負載，有些針對於 階層式 Mobile IPv6 負載平衡的研究中，提出將各 層次的 MAP 結合 Multicast 機制，在 MAP 與 MAP 或是 AR 之間動態的建構群播群組，讓 MAP 與 MAP 之間可以同步的交換負載資訊。在 RFC4140 文件中 所提出的 MAP 選擇機制，也是利用在同一 Domain 中 MAP 與 MAP 之間訊息交換，或是其他負載分散 的協定，做為 MAP 設定 MAP option 中優先權 (Pref) 欄位值的機制，再搭配其他 MAP 相關的資訊，傳 送給負責接收 MAP 資訊的 Router (此 Router 也可以 是 MAP) ，藉由此 Router 將各個 MAP 的 MAP option 包含在路由廣播中傳送出去。上述利用 MAP 之間訊息交換的方法，在階層式架構的應用上或許 是相當有效用的，但是若用在多階層式架構下，若 是在某個大範圍 MAP 所包含的範圍之中有著相當 大量的中下層 MAP，在這種情形下 MAP 同樣必須 不斷交換同步資訊，若是同層次的 MAP 數量過多，
大量的交換負載訊息，或是訊息的交換過度頻繁，
也容易造成網路頻寬的浪費。
有鑑於此，本研究在此提出一個簡單的想法做 為 MAP 負載訊息傳送之依據，各個 MAP 同樣記錄 自身的負載率，但是 MAP option 中優先權的欄位則 是轉交由接收 MAP 資訊的 Router 來設定。各個 MAP 只要將 MAP 資訊以及自身的負載量或是負載 率傳送給負責接收的 Router，Router 只要依照演算 法，將各個 MAP 的負載率或是負載量做比對，則 可設定各個 MAP 的優先權，再將各個 MAP 的 MAP option 包含在路由廣播中傳送給 MN。MN 從 AR 接 收到路由廣播後，則可依據 MAP option 中優先權的 欄位選擇適合其註冊的 MAP 進行註冊。藉由負責
接收 MAP 資訊的 Router 來設定優先值，以這種方 法 MAP 與 MAP 之間就可以減少大量的訊息交換，
在階層式架構或多階層式架構之下都適用於此方 法，本研究將以此方法做為 MAP 負載訊息傳送之 依據，在此提出做為參考。
四、模擬實驗與結果
在 本 章 節 將 針 對 我 們 所 提 出 的 方 法 進 行 評 估，我們將以實驗模擬的方式，針對隨機選擇 MAP 註冊方式、以速度為基準的註冊方式以及本研究所 提出之負載調整的行動管理策略。設計不同移動屬 性的 MN，規劃 MN 的移動模式，比較三種機制在 MN 進行跨 MAP 換手行為時，對 Home Agent 與 Correspondent Node 之間 Binding Update 訊息的產 生數量，以及 MAP 之間的負載平衡，在效能上的 差異，進行分析與討論。
4.1 實驗架構
本實驗所規劃的模擬網路拓樸以階層式架構 來建置，設定為三階層式架構。每一個上層 MAP 都包含 4 個下層 MAP，而最底層的 MAP 則管理 9 個存取路由器(Access Router, AR)。如圖 7 所示，整 個架構內共有 24×24=576 個 AR；在實驗所規劃的 三階層式架構中最底層的 MAP 為(Pico domain MAP)，每一 Pico domain MAP 管理 3×3=9 個 AR，
整個架構共有 64 個 Pico domain MAP；Pico domain MAP 的上一層為中層 MAP (Micro domain MAP)，
每一個 Micro domain MAP 管理 6×6=36 個 AR，也 就是其覆蓋範圍包含了 4 個 Pico domain MAP，整 個架構中共有 16 個 Micro domain MAP，最上層為 上層 MAP (Marco domain MAP) 在整個架構中共有 4 個 Marco domain MAP，分別管理 12×12=144 個 AR，Marco domain MAP 覆蓋 4 個 Micro domain MAP 以及 16 個 Pico domain MAP。
圖 7 實驗網路架構圖
4.2 實驗參數
本研究的實驗參數設定如下，我們模擬了 1300 個 MN 隨機分佈在這個網路拓樸中，分別針對三種 MN 註冊的策略同步進行模擬。每一個 MN 在初始 化以及移動換手的過程中，都會依照三種不同的方 法去進行。
表 1 實驗設定參數
實驗參數 參數設定值
MN產生個數 1300
實驗進行時間 100單位時間 MN移動方向 共8個方向隨機產生
MN移動速度 高：3、中：2、低：1 (單位距離) 各層MAP負載量 上中下層各640個負載空間 MAP之負載門檻 MAP可負載量之70%
MN註冊策略 方法1 – 本研究提出負載調整 行動管理策略(Proposed) 方 法 2 – 行 動 主 機 隨 機 選 擇 MAP進行註冊(Random) 方法3 – 以行動主機速度為基 準的策略(Speed)
具 區 域 移 動 特 性 之MN比例 33%
MN行動屬性比例 高、中、低行動屬性MN各佔33%
高行動屬性MN佔100%
中行動屬性MN佔100%
低行動屬性MN佔100%
對照上表在此特別說明，實驗中我們設計了 4 種不同移動屬性比例的 MN，並在這 4 種比例的情 況下去比較 Proposed、Random 以及 Speed 這三種 策略在負載平衡以及 Binding Update 訊息產生的效 率。
在此要特別註明的是，我們的實驗中，在 1300 個 MN 中有 33%的 MN 具有在某些特定區域移動的 特性，無論速度快或慢，MN 都不會移出所設定的 特定範圍。
4.3 實驗結果分析
在此部份我們將針對 MN 隨機選擇 MAP 註冊 (Random)、以行動主機速度為基準的策略(Speed) 以及本研究提出比對 MAP 負載比率調整之行動管 理策略(Proposed)，依據高、中、低速不同移動特性 MN 佔總數的比例設計不同的實驗，在 33%的 MN 具有在某區域移動的特性情形之下，分別對 Binding Update 訊息的產生以及 MAP 之間的負載平衡，在 效能上的差異，進行分析與討論。
(1) 高、中、低速 MN 各佔 33%
Binding Update 訊息產生
500 100150 200250 300350 400450
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of MNs
Speed Random Proposed
圖 8 BU 訊息產生(高中低速 MN 各佔 33%) 從圖 8 的線圖來看，我們所提出的方法，在初 期 Binding Update 數量高於另外兩種方法，這是因 為在初期 MN 的移動特性並未顯現，只靠負載比率 比對調整只能維持 MAP 之間的負載平衡，因此 MN 可能會註冊到不適合的 MAP；但是在經過大約 8 個時間單位後，MN 的移動特性顯示出來後，本研 究所提出的行動管理策略就能有效的判斷 MN 的移 動特性，因此 MN 就能依照特性去註冊到適合的 MAP，所以整體的 Binding Update 訊息產生數量可 以慢慢減少至趨於穩定。另外從三種方法的比較可 以看出，由於有 33%的 MN 具有區域移動的特性，
因此可能這些 MN 一開始就註冊到中層或高層，因 此就不會再產生 Binding Update 的訊息，而本研究 所提出的方法，在判斷出 MN 具有區域移動的特性 時，MN 會重新向所屬區域特性之 MAP 重新進行 註冊，因此會多產生一些 Binding Update 的訊息。
而在中後期我們可以發現，我們的方法還是較優於 隨機選取 MAP 註冊的方式。
各層MAP負載 ─ Proposed
0 100 200 300 400 500 600 700
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of MNs
上層MAP 中層MAP 下層MAP
圖 9 MAP 負載-Proposed(高中低速 MN 各佔 33%)
各層MAP負載 ─ Random
0 100 200 300 400 500 600 700
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of MNs
上層MAP 中層MAP 下層MAP
圖 10 MAP 負載-Random(高中低速 MN 各佔 33%)
各層MAP負載 ─ Speed
0 100 200 300 400 500 600 700
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of MNs
上層MAP 中層MAP 下層MAP
圖 11 MAP 負載-Speed(高中低速 MN 各佔 33%) 對照圖 9、10、11 我們可以發現，三種方法在 上層的 MAP 負載都高於中低層，這是因為 MN 每 次換手都有 2/3 的機會換到其它層的 MAP，且底層 的 MAP 因為其覆蓋範圍小因此 MN 容易產生換 手，而換手又容易換到高層的 MAP 去，因此愈底 層的 MAP 其負載會較小，愈高層 MAP 相對會愈高。
比較三種方法，可以看出 MN 隨機選取 MAP 註冊的策略在上層 MAP 的負載比中下層的 MAP 高 出許多，而我們所提出的方法在上中下層 MAP 的 負載平衡上較優於以 MN 速度為基準的策略。這是 因為我們的方法能夠有效的依照 MAP 的負載比率 做為一個 MN 選擇註冊的基準。
(2) 高速行動屬性 MN 佔 100%
Binding Update 訊息產生
1000 200300 400500 600700 800900
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of BUs
Speed Random Proposed
圖 12 BU 訊息產生(高速 MN 佔 100%) 從圖 12 可以發現，在高速 MN 佔 100%的情 況之下，以 MN 速度為基準的註冊方式在 Binding Update 訊息的產生數量上是最多的，這是因為單以 MN 的速度去選擇 MAP 註冊，而無任何負載調整 的策略去輔助判斷 MAP 負載量，會造成所有的 MN 在進行跨 MAP 之換手動作時，都往最上層的 MAP 去進行註冊。由於上層 MAP 的總負載量為 640 個，
因此無法容納所有的 MN 註冊，因此 MN 往上層 MAP 註冊而上層無負載空間去服務 MN，會造成 MN 註冊失敗而重新選擇 MAP 進行註冊，進而增 加重新選擇 MAP 註冊的 Binding Update 的數量。
而 MN 隨機選擇 MAP 註冊的方法在 Binding Update 訊息產生的數量與我們所提出的方法較為 趨近，這是因為有 33%的 MN 在一開始可能就註冊 到中層或是上層 MAP，因此之後這些 MN 就不會 產生 Binding Update 的訊息。對照上圖仍可發現本 研究所提出的方法在效能上仍然優於另外兩種方
法。
各層MAP負載 ─ Proposed
0 100 200 300 400 500 600 700
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of MNs
上層MAP 中層MAP 下層MAP
圖 13 MAP 負載量-Proposed(高速 MN 佔 100%)
各層MAP負載 ─ Random
0 100 200 300 400 500 600 700
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of MNs
上層MAP 中層MAP 下層MAP
圖 14 MAP 負載量-Random(高速 MN 佔 100%)
各層MAP負載 ─ Speed
0 100 200 300 400 500 600 700
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of MNs
上層MAP 中層MAP 下層MAP
圖 15 MAP 負載量-Speed(高速 MN 佔 100%) 對照圖 13、14、15 我們可以發現，在所有的 MN 都為高速移動特性的情況下，MN 隨機選取 MAP 註冊的策略和之前一樣，在負載平衡的控制上 仍是較差的。另外以 MN 速度為基準的策略，由於 所有的 MN 都為高速移動特性，因此在上層的 MAP 負載同樣是最高的。而我們所提出的方法仍可有效 的比對 MAP 的負載去分散各層的負載量。
(3) 中速行動屬性 MN 佔 100%
Binding Update 訊息產生
0 100 200 300 400 500
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of BUs
Speed Random Proposed
圖 16 BU 訊息產生(中速 MN 佔 100%)
從圖 16 可以發現，以 MN 速度為基準的註冊 方式在 Binding Update 訊息的產生是最多的，我們 在之前有提到，若無任何負載調整的策略輔助，而 單以 MN 的速度去選擇 MAP 去進行註冊，會造成 所有的 MN 在進行跨 MAP 之換手動作時，都往中 層的 MAP 去進行註冊。因此 MN 往中層 MAP 註冊 而中層 MAP 無負載空間去服務 MN，會造成 MN 註冊失敗而重新選擇 MAP 進行註冊，進而增加重 新選擇 MAP 註冊的 Binding Update 的數量。
同樣的，對照上圖仍可發現本研究所提出的方 法在效能上仍然優於另外兩種方法。
各層MAP負載 ─ Proposed
0 100 200 300 400 500 600 700
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of MNs
上層MAP 中層MAP 下層MAP
圖 17 MAP 負載量-Proposed(中速 MN 佔 100%)
各層MAP負載 ─ Random
0 100 200 300 400 500 600 700
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of MNs
上層MAP 中層MAP 下層MAP
圖 18 MAP 負載量-Random(中速 MN 佔 100%)
各層MAP負載 ─ Speed
0 100 200 300 400 500 600 700
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of MNs
上層MAP 中層MAP 下層MAP
圖 19 MAP 負載量-Speed(中速 MN 佔 100%) 對照圖 17、18、19 我們可以發現，在所有的 MN 都為中速移動特性的情況下，MN 隨機選取 MAP 註冊的策略和之前一樣，在負載平衡的控制上 仍是較差的。
另外以 MN 速度為基準的策略，由於所有的 MN 都為中速移動特性，中層 MAP 的負載會跟上 層 MAP 趨近，這是因為 MN 速度全被判定為同一 速度等級，因此中層 MAP 的負載會過高，如此一 來很容易造成 MN 註冊失敗的情形發生，因此可以 得知在 MN 移動特性全為中速的情況下，以速度為
基準的策略在各層 MAP 的負載平衡效率是較差 的。而我們所提出的方法仍可有效的比對 MAP 的 負載去分散各層的負載量。
(4) 低速行動屬性 MN 佔 100%
Binding Update 訊息產生
0 100 200 300 400
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of BUs
Speed Random Proposed
圖 20 BU 訊息產生(低速 MN 佔 100%) 對照圖 20 可以發現，在低速 MN 佔 100%的 情況下，以 MN 速度為基準的註冊方式在 Binding Update 訊息的產生是最多的，因為單以 MN 的速度 去選擇 MAP 去進行註冊的策略，會造成所有的 MN 在進行跨 MAP 之換手動作時，都往下層的 MAP 去 進行註冊。所有的 MN 都往下層 MAP 註冊而下層 MAP 無負載空間去服務 MN，會造成 MN 註冊失敗 而重新選擇 MAP 進行註冊，進而增加重新選擇 MAP 註冊的 Binding Update 的數量。同樣的，對照 上圖仍可發現本研究所提出的方法在效能上仍然 優於另外兩種方法。
各層MAP負載 ─ Proposed
0 100 200 300 400 500 600 700
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of MNs
上層MAP 中層MAP 下層MAP
圖 21 MAP 負載量-Proposed(低速 MN 佔 100%)
各層MAP負載 ─ Random
0 100 200 300 400 500 600 700
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of MNs
上層MAP 中層MAP 下層MAP
圖 22 MAP 負載量-Random(低速 MN 佔 100%)
各層MAP負載 ─ Speed
0 100 200 300 400 500 600 700
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 Time
Number of MNs
上層MAP 中層MAP 下層MAP
圖 23 MAP 負載量-Speed(低速 MN 佔 100%) 對照圖 21、22、23 我們可以發現，在所有的 MN 都為低速移動特性的情況下，MN 隨機選取 MAP 註冊的策略和之前一樣，在負載平衡的控制上 仍是較差的。
另外以 MN 速度為基準的策略，由於所有的 MN 都為低速移動特性，下層 MAP 的負載會跟上 層 MAP 趨近，這是因為 MN 速度全被判定為同一 速度等級，因此下層 MAP 的負載會過高，如此一 來很容易造成 MN 註冊失敗的情形發生，因此可以 得知在 MN 移動特性全為下速的情況下，以速度為 基準的策略在各層 MAP 的負載平衡效率是較差 的。而我們所提出的方法仍可有效的比對 MAP 的 負載去分散各層的負載量。
4.4 綜合分析
在此將對 Binding Update 訊息產生以及上中 下層負載平衡的實驗結果作一綜合分析並進行評 估。
從 Binding Update 產生訊息的實驗來看，我們 的所提出的方法只有在高中低速 MN 各佔 33%並且 在 MN 具有區域移動的情況之下，在 Binding Update 產生的訊息數量上較多於以速度為基準的策略，這 是因為有 33%的 MN 具有區域移動的特性，因此可 能這些 MN 一開始就註冊到中層或高層，因此就不 會再產生 Binding Update 的訊息。而本研究所提出 的方法，在判斷出 MN 具有區域移動的特性時，
MN 會重新向所屬區域特性之 MAP 重新進行註 冊，因此會多產生一些 Binding Update 的訊息。此 外在其它的情況之下，由於我們所提出的方法，能 夠有效的讓 MN 依照移動特性或是 MAP 的負載去 選擇適合的 MAP 去進行註冊，因此在 Binding Update 訊息產生的數量上都低於另外兩種方法。
從負載平衡的實驗來看，我們可以看出 MN 隨 機選取 MAP 進行註冊的方法，上層 MAP 的負載都 遠遠的超過於中層以及下層的 MAP，這是因為中高 速 MN 在註冊到低層 MAP 時，很容易產生跨 MAP 的情況，而註冊到下層 MAP 的機率只有 33%。此 外上層 MAP 的覆蓋範圍較廣，若 MN 註冊到中上 層 MAP 之後，較不易產生跨 MAP 的行為產生，
MN 容易集中註冊到中上層 MAP，導致上中下層 MAP 負載不平衡的情況發生。
另外以速度為基準的策略，在高中低速 MN 各 佔 33%的情況下，在上中下層的負載平衡也是相當 有效，因為以速度為基準的策略能讓 MN 有效的依 照行動特性去選擇合適的 MAP 進行註冊。但是若 MN 的特性全為同一種速度等級的情況下，會造成 負責此速度等級的 MAP 負載過高，而容易造成負 載不平衡的情況發生。舉例來說，我們可以看到圖 23，在低速 MN 佔 100%的情況下，下層的 MAP 負 載量會高於中層 MAP 且趨近上層，而 MN 一直往 下層 MAP 進行註冊，導致下層 MAP 負載空間不 足，造成 MN 註冊失敗而重新選擇 MAP 註冊導致 Binding Update 訊息數量增加的情況產生。
從負載平衡的實驗我們可以得知，要完美的控 制上中下層 MAP 的負載是相當困難的，而我們所 提出的方法，雖然無法將上中下層 MAP 的負載量 控制的完全相同，卻仍然可以依照 MN 的移動特性 以及考慮 MAP 的負載量選擇合適的 MAP 去進行註 冊，有效的將各層 MAP 的負載控制在一定的數量 上，以避免 MAP 負載失衡造成 MN 註冊失敗的情 況發生。
五、結論
多階層式 Mobile IPv6 的架構，可以讓不同移 動特性的行動主機 MN 能依據移動特性去向合適的 MAP 進行註冊。但是在 MN 剛進入階層式 Mobile IPv6 網路架構，或是在無法有效判斷行動特性的情 形之下，MN 不知應註冊到哪一層的 MAP。這可能 導致 MN 集中註冊到某一 MAP，造成 MAP 負載過 重或是 MAP 負載不平衡的情況發生。
透過本研究所提出的負載率比對調整法，在 MN 剛進入階層式 Mobile IPv6 網路架構，或是在無 法有效判斷行動特性的情形之下，MN 仍可藉由判 斷 MAP option 中優先權欄位，選擇適合的 MAP 進 行註冊。從實驗中證明，我們所提出的方法可以較 有效的平衡各層 MAP 之總負載。在 Binding Update 訊息的產生數量上，本研究所提出的行動管理機 制，可以有效的讓 MN 依據移動特性或是區域特性 向合適的 MAP 去註冊，因而可以分別對不同特性 的 MN 做較佳的配置;如此一來可以有效的降低 MN 在 Binding Update 訊息產生的數量。
根據我們的實驗結果，本研究所提出的負載率 比對調整法與行動管理機制做結合，不僅能讓 MN 在初始化的階段能夠有效依照 MAP 的負載比率，
選擇負載比率最低的 MAP 註冊，控制 MAP 之間負 載。此外在行動管理機制判斷出 MN 的特性後，仍 然會搭配負載比率調整法，除了依照 MN 的移動特 性或是區域特性去選擇所屬特性的 MAP 去註冊，
同時也會考慮到該 MAP 的負載，因此不但可以降 低 Binding Update 訊息的產生，還可減少因某些 MAP 負載過量而造成 MN 註冊失敗的情形產生。
進而達成 MAP 之間的負載平衡。
六、參考文獻
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