一種基于標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)移動性管理方案

李雪霞，郜 帥，王利利，張宏科

（北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國家工程實驗室，北京 100044）

0 引言

現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)具有一種網(wǎng)絡(luò)支撐一種主要服務(wù)的特點，嚴(yán)重阻礙了網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)的多樣化發(fā)展趨勢。此外，隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶需求的日益變化，基于IP地址雙重屬性的傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計結(jié)構(gòu)的弊端和不足逐漸暴露出來，迫切需要提出一種新型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來彌補傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的不足。

國家973項目“一體化可信網(wǎng)絡(luò)與普適服務(wù)體系基礎(chǔ)研究［1］”提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架——標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)，其核心思想是實現(xiàn)傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)IP地址的身份和位置的分離。該架構(gòu)使得終端使用唯一的接入標(biāo)識 （accessing identifier，AID），即可在任何地方享受網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，無需終端在移動后使用新的地址去接入網(wǎng)絡(luò)。

標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)很好地解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無法支持普適服務(wù)以及無法實現(xiàn)IP地址雙重屬性分離的問題，但是并未考慮子網(wǎng)移動性支持的問題。如果直接應(yīng)用現(xiàn)有基于移動IP［2］的子網(wǎng)移動性管理協(xié)議［3］來管理標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)下子網(wǎng)的移動，核心網(wǎng)路由表會隨著子網(wǎng)的頻繁切換而反復(fù)更新，從而造成巨大的信令開銷及較大的核心網(wǎng)資源的浪費。

本文在標(biāo)識分離映射體系架構(gòu)下，提出一種分級多層映射機制，使得具有相同移動特征的子網(wǎng)節(jié)點共用同一個位置標(biāo)識（routing identifier，RID）來減少傳統(tǒng)標(biāo)識分離映射機制為每一個節(jié)點分配唯一RID所造成的不必要開銷，以及核心網(wǎng)資源浪費等問題。最后通過信令開銷的對比分析，證明了這一機制對支持標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)下子網(wǎng)部署的重要性。

1 標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)

1.1 標(biāo)識分離映射體系結(jié)構(gòu)

國家973項目“一體化可信網(wǎng)絡(luò)與普適服務(wù)體系基礎(chǔ)研究”分析了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的弊病，并根據(jù)分離映射的需要，對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行了重新劃分，分為2個基本層面:“服務(wù)層”和“網(wǎng)通層”，如圖1所示。

圖1 標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of locator/ID separating network

圖1中，服務(wù)層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的會話、管理和控制，對應(yīng)于TCP/IP協(xié)議的傳輸層及其以上各層，主要由功能實體標(biāo)識分離映射服務(wù)器（locator and identifier mapping server，IDMS）及認(rèn)證服務(wù)器（authentication server，AuS）組成。IDMS主要管理用戶的接入標(biāo)識AID至路由標(biāo)識RID的映射關(guān)系對，AuS用來驗證用戶身份的合法性。網(wǎng)通層主要完成用戶的多元接入（包括固定網(wǎng)絡(luò)、移動網(wǎng)絡(luò)等）及數(shù)據(jù)的完整通信;接入路由器 （access switch router，ASR）處在接入部分與核心部分的邊緣，為通過認(rèn)證的用戶分配RID、緩存AID-RID映射關(guān)系對并向IDMS匯報，完成數(shù)據(jù)包AID到RID的標(biāo)識替換;具有RID標(biāo)識的數(shù)據(jù)包利用核心網(wǎng)交換路由器（core switch router，CSR）在核心網(wǎng)內(nèi)進行傳輸。

1.2 標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)節(jié)點切換流程

標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)中的通信流程如圖2所示。移動節(jié)點 （mobile node，MN）從原接入交換路由器（old ASR，oASR）切換到新的接入交換路由器 （new ASR，nASR）。MN通過 nASR向 AuS發(fā)送認(rèn)證請求，認(rèn)證通過后，AuS向nASR返回認(rèn)證應(yīng)答，允許MN的接入。nASR為 MN分配［MN_AID-MN_nRID］映射關(guān)系對，緩存在本地并向IDMS匯報。IDMS向oASR發(fā)送映射更新通知，映射關(guān)系從［MN_AID-MN_oRID］更新為［MN_AID-MN_nRID］。由CN（communication node）發(fā)出的數(shù)據(jù)包經(jīng)通信對端接入交換路由器CN_ASR首先轉(zhuǎn)發(fā)至oASR，根據(jù)緩存的映射條目再將數(shù)據(jù)包發(fā)送至nASR，最后交給MN，即遵循CN→CN_ASR→oASR→nASR→MN的“三角路由”數(shù)據(jù)傳輸路線。為了消除三角路由，oASR主動向CN_ASR發(fā)出映射更新通知。此后，來自CN的數(shù)據(jù)包直接經(jīng)過CN→CN_ASR→nASR→MN路徑傳輸，達到了路由優(yōu)化的目的。

圖2 標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)中通信流程Fig.2 Communication call-flow in the locator/ID separating network

1.3 身份與位置分離場景下的子網(wǎng)移動

標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)為節(jié)點的移動性支持提供了解決方案，但是對于子網(wǎng)整體移動性的研究，目前還沒有成型方案?？紤]到標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)ASR為每一個通過認(rèn)證的MN分配唯一的RID，并將映射關(guān)系匯報給IDMS統(tǒng)一管理，另外，根據(jù)文獻［4］子網(wǎng)路由方案，可以初步實現(xiàn)對子網(wǎng)移動性的管理。但是由于需要為每一個節(jié)點分配唯一的RID，相應(yīng)IDMS維護的映射條目會隨著MN數(shù)量的增加而線性增加，而且子網(wǎng)的每一次切換，都要更新子網(wǎng)節(jié)點對應(yīng)的所有映射條目，因而信令開銷會隨著切換的頻率而成倍地增加，從而造成嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。

2 標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)下的子網(wǎng)移動

為了有效控制標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)下子網(wǎng)移動性管理過程所造成的信令開銷，降低核心網(wǎng)設(shè)備的負(fù)擔(dān)，本文采用分級多層映射機制實現(xiàn)塊注冊（block register，BR），緩解子網(wǎng)切換時大量節(jié)點單獨注冊（single register，SR）帶來的信令開銷繁重等問題，減輕核心網(wǎng)負(fù)擔(dān)，提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。以下分別從分級多層映射機制以及基于該機制的標(biāo)識分離映射子網(wǎng)的通信過程2個方面加以介紹。標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)下的子網(wǎng)移動場景如圖3所示。

圖3 標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)下的子網(wǎng)移動場景Fig.3 Mobility scenario in the locator/ID separating network

2.1 分級多層映射機制

本文提出的分級多層映射機制，除了在ASR實現(xiàn)AID-RID分離映射之外，在各級子網(wǎng)路由器（mobile router，MR）處又定義了一種新型的AID-AID映射管理。

首先，在接入網(wǎng)部分完成AID-AID多層映射，即MR上完成所有移動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點MN的身份標(biāo)識AID（MN-AID）到其直連MR的身份標(biāo)識AID（MRAID）的映射，以及各C_MR（child_MR）的AID到其P_MR（parent_MR）的AID映射（見圖3），MR2既是MR1的C_MR又是MR4的P_MR;其次，在核心網(wǎng)部分，根據(jù)標(biāo)識分離映射機制為以ASR為根路由器（root MR，R_MR）分配路由標(biāo)識R_MR-RID。

通過上述映射過程，映射服務(wù)器IDMS將緩存兩類映射表項，分別為AID-AID和AID-RID，為了區(qū)分這兩類表項，AID-AID表項根據(jù)MN-AID，P-MRAID及C-MR-AID的不同，為其隨機生成唯一的非零標(biāo)識符（Flag1，F(xiàn)lag2，…），AID-RID緩存表項統(tǒng)一用零標(biāo)識符。

對于嵌套移動子網(wǎng)內(nèi)的中間MR，MR的入口接收來自其C_MR發(fā)送的擴展映射消息，在MR完成其CMR-AID到當(dāng)前MR-AID的映射，并將新的映射關(guān)系擴充到映射請求消息，經(jīng)MR出口發(fā)送，重復(fù)上述過程，最終將所有的映射關(guān)系都匯報給IDMS統(tǒng)一管理。

對于域內(nèi)切換，由于切換前后總是通過同一個根路由器（MR1）接入到ASR（見圖3），僅切換后接入的新P_MR（如MR3）需要重新建立映射關(guān)系，其余的MR，ASR或IDMS根據(jù)P_MR上的映射關(guān)系更新相應(yīng)條目即可。

對于域間切換，由于切換后接入到不同的根路由器下（見圖3），當(dāng)MR4接入到MR5下，MR4發(fā)送接入消息，MR5建立MR4到MR5的映射關(guān)系對，并擴展接入消息，遞歸轉(zhuǎn)發(fā)到ASR2，ASR2收到接入消息后，根據(jù)標(biāo)識分離映射機制為MR5分配核心網(wǎng)路由標(biāo)識MR5-RID，并把映射條目向IDMS匯報。經(jīng)過上述過程，MR5，ASR及IDMS建立的映射條目如圖4所示。

圖4 MR5，ASR及映射服務(wù)器緩存映射列表Fig.4 Mapping entry on MR5，ASR and IDMS

2.2 基于分級多層映射機制的ISMN_NEMO通信過程

圖5給出了數(shù)據(jù)包從CN發(fā)送給MN的過程中途經(jīng) CN端 ASR（即 CN_ASR（ASR3））和 MR端ASR（即MR_ASR（ASR2））所執(zhí)行的標(biāo)識替換過程。

圖5 標(biāo)識查詢替換流程圖Fig.5 ID query and replace call-flow

基于圖5的標(biāo)識替換流程，對端CN-A與子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點MN1之間的通信如圖6所示。在子網(wǎng)從ASR1切換到ASR2的過程中，可以保持通信連續(xù)不中斷。具體過程（核心網(wǎng)優(yōu)化后路由）為CN-A發(fā)送的數(shù)據(jù)包源標(biāo)識在ASR3處完成標(biāo)識映射替換AIDA→RIDA，目的標(biāo)識AID1通過向IDMS查詢，最終替換為MR-RID，為了在標(biāo)識替換過程始終明確通信目標(biāo)且核心網(wǎng)內(nèi)隱藏用戶的真實身份，將AID1對應(yīng)的flag值寫入擴展報頭中，在對端ASR2根據(jù)目地選項中的flag值完成替換，最終定向數(shù)據(jù)包至MN1。攜帶標(biāo)識符的數(shù)據(jù)包格式如圖7所示。

3 性能分析

本節(jié)對比分析大量移動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點單獨注冊（single register，SR）和基于分級多層映射機制的塊注冊 （block register，BR）2種方式下，造成的切換信令開銷 （signaling cost，SC），尤其是核心網(wǎng)絡(luò)（core network，CoN）信令開銷以及切換時延開銷。

分析過程中所引用的變量如表1所示，分析模型采用子網(wǎng)切換場景圖（見圖3）。本文將從子網(wǎng)切換前 （before handoff，BH）、域內(nèi)切換（Intra）、域間切換（Inter）3點展開分析。

表1 參數(shù)列表Tab.1 Parameters entry

3.1 切換信令開銷

為了分析標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)下子網(wǎng)移動過程產(chǎn)生的信令開銷，本文利用隨機游走移動模型［5-6］來分析MR的切換過程，這一模型下，MR在給定的時間內(nèi)以一定的概率向特定的方向移動，MR的移動過程可描述如圖8所示。

圖8 MR隨機游走模型示意圖Fig.8 Random walk model of MR

圖8中，對于標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)下的子網(wǎng)移動賦予馬爾可夫性，其中，π0，π1分別為子網(wǎng)域內(nèi)切換和域間切換的平均可能性，P為子網(wǎng)處在同一根MR管理域的概率，則相應(yīng)可得出以下轉(zhuǎn)移概率矩陣方程:

標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)下一旦子網(wǎng)發(fā)生切換，需要分配新的映射關(guān)系并向IDMS匯報，IDMS根據(jù)匯報消息更新映射表中相應(yīng)條目。由于注冊方式的不同，子網(wǎng)切換前后所造成的信令開銷SCTotal也不同，但可以統(tǒng)一描述為

（2）式中:SCBH，SCIntra，SCInter，T分別為切換前注冊開銷、域內(nèi)切換開銷、域間切換開銷及MR的平均滯留時間。標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)的注冊過程包括認(rèn)證（authenticate）及接入（access）2個環(huán)節(jié)，所以，SCBH（SCIntra/SCInter）可以用（3）式加以計算。

（3）式中:SCauth和SCacc分別為認(rèn)證和接入過程中的信令開銷。如果子網(wǎng)發(fā)生域內(nèi)切換，由于切換前后子網(wǎng)通過同一ASR接入核心網(wǎng)，認(rèn)證請求消息僅在接入網(wǎng)內(nèi)需要交換路由信息，本文假設(shè)接入網(wǎng)內(nèi)的路由信息交互不會產(chǎn)生信令開銷。但是若子網(wǎng)發(fā)生域間切換，則必須重新認(rèn)證，因此域間切換的開銷要大于域內(nèi)切換。假設(shè)子網(wǎng)切換發(fā)生在同一前提下，也即2種注冊情況下切換前注冊開銷SCBH相同，為求分析方便，令SCBH=0。

節(jié)點單獨注冊模式下的域內(nèi)切換，由于在接入網(wǎng)內(nèi)就可以判斷出節(jié)點的合法性，所以不需要核心網(wǎng)內(nèi)的信令交互，只要在接入網(wǎng)內(nèi)為MR及子網(wǎng)內(nèi)移動節(jié)點MN建立新的路由條目并更新原路徑上有關(guān)MR及MN路由項即可;而分級多層映射機制下的塊注冊，接入網(wǎng)內(nèi)的各功能實體均無MR及MN緩存項，所以，接入網(wǎng)內(nèi)無法判定子網(wǎng)的合法性，必須向核心網(wǎng)認(rèn)證中心進行認(rèn)證，認(rèn)證通過后需要為MR分配新的映射關(guān)系并向IDMS匯報這一映射條目，詳細分析結(jié)果如⑷－⑸式所示。

單獨注冊方式的域間切換，由于接入到不同的ASR，需要分配不同的RID信息，所以映射更新要涉及到所有移動的節(jié)點，而基于分級多層映射的塊注冊，則表現(xiàn)出與域內(nèi)切換場景下相似的特性，同樣給出分析過程如（6）式所示。

綜合以上公式分析的結(jié)果，2種注冊方式下，切換過程所引起的核心網(wǎng)內(nèi)信令開銷SCSR（BR）CoN如（7）－（8）式所示。

對比（7）－（8）式明顯看出，基于分級多層映射機制的BR模式引入的核心網(wǎng)內(nèi)信令開銷遠小于SR模式，且這種差距會隨著節(jié)點數(shù)目的增加而更加明顯。

3.2 切換時延開銷

與信令開銷分析過程類似，對于切換時延開銷，本文從域內(nèi)切換時延和域間切換時延2個方面進行對比，分析SR和BR 2種注冊方式下的時延開銷情況DSR和DBR。

無論是域內(nèi)切換還是域間切換，時延開銷基本來自移動檢測Tmd，ASR分配RID時的重復(fù)地址檢測Tdad和ASR向映射服務(wù)器注冊新的映射關(guān)系的時間Treg3個方面，如（9）式所示。

由于域內(nèi)切換，切換前后子網(wǎng)接入同一個ASR下，所以不需要向IDMS注冊新的映射關(guān)系，因此無論是SR模式還是BR模式，Tdad+Treg=0。節(jié)點在SR模式下的域內(nèi)切換DSRIntra和節(jié)點在BR模式下的域內(nèi)切換DBRIntra分別如（10）－（11）式所示。

（10），（11）式中:Prs，Pra分別是路由器請求和路由器通靠消息長度。

對于域間切換來說，由于切換前后子網(wǎng)接入到不同的ASR下，SR模式下需要對每一個子網(wǎng)節(jié)點包括MR執(zhí)行移動檢測，分配RID并向IDMS注冊映射關(guān)系，而在BR模式下，只需要對MR進行移動性檢測，并且如果切換后MR直接接入到ASR，則需要為MR分配RID并執(zhí)行重復(fù)地址檢測，否則，就不需要，此處假設(shè)子網(wǎng)切換后接入新的 MR下，即，ASR向IDMS注冊的映射關(guān)系也僅有與MR相關(guān)的一條，具體如（12）式和（13）式所示。

（12），（13）式中:Pregs，Prega分別是注冊請求和注冊應(yīng)答消息長度。

綜合分析以上公式，基于分級多層映射機制的BR方式所引入的時延DBRhandoff與子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點數(shù)N無關(guān)，而SR模式中產(chǎn)生的時延DSRhandoff則會隨著子網(wǎng)規(guī)模的擴大而呈線性增長，因此，基于分級多層映射機制的BR模式可以有效減小標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)移動性管理產(chǎn)生的時延開銷。

4 仿真分析

本文采用圖3所示的拓?fù)洵h(huán)境來測試上述信令開銷分析的結(jié)果。由圖3可量化h1=h2=3，h3=h4=h5=2。上述分析式中，κ、η分別為無線（子網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)連接方式）和有線（標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部連接方式）鏈路傳輸開銷，一般情況下無線鏈路開銷大于有線鏈路，即κ大于η，為了量化分析需要，依據(jù)文獻［7-8］中參數(shù)賦值特征:κ =2，η =1，H=12，μ =24。仿真結(jié)果分別如圖9－10所示。

圖9 切換信令開銷隨子網(wǎng)平均滯留時間T變化曲線圖Fig.9 Effect of the resident time T of the subnet on the handoff signaling cost

圖10 核心網(wǎng)切換信令開銷隨子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點總數(shù)變化曲線圖Fig.10 Effect of the number of nodes in the subnet on the handoff signaling cost in core network

圖9中，不管是對整個網(wǎng)絡(luò)而言還是針對核心網(wǎng)而論，普通SR模式產(chǎn)生的切換信令開銷，都遠大于分級多層映射機制下的BR模式所產(chǎn)生的切換信令開銷，且這種差距會因節(jié)點數(shù)目的微小變化而變動。另外，切換信令開銷隨著π0的增大而減小，考慮到π0為子網(wǎng)不發(fā)生移動或者產(chǎn)生域內(nèi)切換的概率，可以得出信令開銷主要源自域間切換。

本文時延分析依據(jù)文獻［9-11］對參數(shù)賦值，具體參考表1，而對于各式中的Px，依據(jù)文獻［12］進行賦值，其中，路由器請求和路由器通告消息長度Prs和Pra均取960 bit;注冊請求和注冊應(yīng)答消息長度均取800 bit。時延開銷仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 切換時延開銷隨子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點總數(shù)變化曲線圖Fig.11 Effect of the number of nodes in the subnet on the handoff delay cost

對比圖10和圖11，SR方式下核心網(wǎng)信令開銷和切換時延開銷都隨著子網(wǎng)節(jié)點數(shù)的增加而線性增長，而分級多層映射機制下的BR造成的核心網(wǎng)內(nèi)信令開銷和時延開銷則與節(jié)點數(shù)無關(guān)。從而驗證了理論分析結(jié)果:采用分級多層映射機制可以有效減少標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)下子網(wǎng)的移動所帶來的信令開銷和時延開銷。

5 結(jié)束語

本文在標(biāo)識分離映射體系架構(gòu)下對子網(wǎng)的移動性管理進行相應(yīng)的研究，提出了一種基于分級多層映射機制的子網(wǎng)移動性管理方案，該機制一方面將核心網(wǎng)內(nèi)的載荷重定向到接入網(wǎng)內(nèi)完成，因而克服了子網(wǎng)整體發(fā)生移動時，大量移動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點單獨向標(biāo)識分離映射網(wǎng)絡(luò)進行注冊，造成的核心網(wǎng)信令交互負(fù)擔(dān)過重，以及映射服務(wù)器頻繁更新映射條目而造成的緩存瞬時膨脹等問題;另一方面，通過采用基于分級多層映射機制的塊注冊模式，對子網(wǎng)節(jié)點進行統(tǒng)一管理，從而有效減少了切換過程帶來的時延開銷。本文的仿真結(jié)果進一步說明，分級多層映射機制有效降低了子網(wǎng)移動性管理過程中的信令開銷和切換時延開銷，尤其是核心網(wǎng)內(nèi)的信令開銷，從而避免了核心網(wǎng)內(nèi)的資源浪費，提高了網(wǎng)絡(luò)整體切換性能。

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