李雪霞，郜 帥，王利利，張宏科

（北京交通大學下一代互聯網互聯設備國家工程實驗室，北京 100044）

0 引言

現有信息網絡具有一種網絡支撐一種主要服務的特點，嚴重阻礙了網絡和服務的多樣化發(fā)展趨勢。此外，隨著網絡環(huán)境和用戶需求的日益變化，基于IP地址雙重屬性的傳統互聯網設計結構的弊端和不足逐漸暴露出來，迫切需要提出一種新型的網絡結構來彌補傳統網絡的不足。

國家973項目“一體化可信網絡與普適服務體系基礎研究［1］”提出了一種新的網絡構架——標識分離映射網絡，其核心思想是實現傳統互聯網IP地址的身份和位置的分離。該架構使得終端使用唯一的接入標識 （accessing identifier，AID），即可在任何地方享受網絡服務，無需終端在移動后使用新的地址去接入網絡。

標識分離映射網絡很好地解決了傳統網絡無法支持普適服務以及無法實現IP地址雙重屬性分離的問題，但是并未考慮子網移動性支持的問題。如果直接應用現有基于移動IP［2］的子網移動性管理協議［3］來管理標識分離映射網絡下子網的移動，核心網路由表會隨著子網的頻繁切換而反復更新，從而造成巨大的信令開銷及較大的核心網資源的浪費。

本文在標識分離映射體系架構下，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節(jié)點共用同一個位置標識（routing identifier，RID）來減少傳統標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識分離映射網絡下子網部署的重要性。

1 標識分離映射網絡

1.1 標識分離映射體系結構

國家973項目“一體化可信網絡與普適服務體系基礎研究”分析了現有網絡的弊病，并根據分離映射的需要，對傳統網絡進行了重新劃分，分為2個基本層面:“服務層”和“網通層”，如圖1所示。

圖1 標識分離映射網絡體系結構Fig.1 Architecture of locator/ID separating network

圖1中，服務層主要負責網絡業(yè)務的會話、管理和控制，對應于TCP/IP協議的傳輸層及其以上各層，主要由功能實體標識分離映射服務器（locator and identifier mapping server，IDMS）及認證服務器（authentication server，AuS）組成。IDMS主要管理用戶的接入標識AID至路由標識RID的映射關系對，AuS用來驗證用戶身份的合法性。網通層主要完成用戶的多元接入（包括固定網絡、移動網絡等）及數據的完整通信;接入路由器 （access switch router，ASR）處在接入部分與核心部分的邊緣，為通過認證的用戶分配RID、緩存AID-RID映射關系對并向IDMS匯報，完成數據包AID到RID的標識替換;具有RID標識的數據包利用核心網交換路由器（core switch router，CSR）在核心網內進行傳輸。

1.2 標識分離映射網絡節(jié)點切換流程

標識分離映射網絡中的通信流程如圖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)送認證請求，認證通過后，AuS向nASR返回認證應答，允許MN的接入。nASR為 MN分配［MN_AID-MN_nRID］映射關系對，緩存在本地并向IDMS匯報。IDMS向oASR發(fā)送映射更新通知，映射關系從［MN_AID-MN_oRID］更新為［MN_AID-MN_nRID］。由CN（communication node）發(fā)出的數據包經通信對端接入交換路由器CN_ASR首先轉發(fā)至oASR，根據緩存的映射條目再將數據包發(fā)送至nASR，最后交給MN，即遵循CN→CN_ASR→oASR→nASR→MN的“三角路由”數據傳輸路線。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的數據包直接經過CN→CN_ASR→nASR→MN路徑傳輸，達到了路由優(yōu)化的目的。

圖2 標識分離映射網絡中通信流程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移動

標識分離映射網絡為節(jié)點的移動性支持提供了解決方案，但是對于子網整體移動性的研究，目前還沒有成型方案。考慮到標識分離映射網絡ASR為每一個通過認證的MN分配唯一的RID，并將映射關系匯報給IDMS統一管理，另外，根據文獻［4］子網路由方案，可以初步實現對子網移動性的管理。但是由于需要為每一個節(jié)點分配唯一的RID，相應IDMS維護的映射條目會隨著MN數量的增加而線性增加，而且子網的每一次切換，都要更新子網節(jié)點對應的所有映射條目，因而信令開銷會隨著切換的頻率而成倍地增加，從而造成嚴重的網絡負擔。

2 標識分離映射網絡下的子網移動

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

圖3 標識分離映射網絡下的子網移動場景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AID-RID分離映射之外，在各級子網路由器（mobile router，MR）處又定義了一種新型的AID-AID映射管理。

首先，在接入網部分完成AID-AID多層映射，即MR上完成所有移動網絡節(jié)點MN的身份標識AID（MN-AID）到其直連MR的身份標識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，在核心網部分，根據標識分離映射機制為以ASR為根路由器（root MR，R_MR）分配路由標識R_MR-RID。

通過上述映射過程，映射服務器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MN-AID，P-MRAID及C-MR-AID的不同，為其隨機生成唯一的非零標識符（Flag1，Flag2，…），AID-RID緩存表項統一用零標識符。

對于嵌套移動子網內的中間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到當前MR-AID的映射，并將新的映射關系擴充到映射請求消息，經MR出口發(fā)送，重復上述過程，最終將所有的映射關系都匯報給IDMS統一管理。

對于域內切換，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系，其余的MR，ASR或IDMS根據P_MR上的映射關系更新相應條目即可。

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MR4接入到MR5下，MR4發(fā)送接入消息，MR5建立MR4到MR5的映射關系對，并擴展接入消息，遞歸轉發(fā)到ASR2，ASR2收到接入消息后，根據標識分離映射機制為MR5分配核心網路由標識MR5-RID，并把映射條目向IDMS匯報。經過上述過程，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給出了數據包從CN發(fā)送給MN的過程中途經 CN端 ASR（即 CN_ASR（ASR3））和 MR端ASR（即MR_ASR（ASR2））所執(zhí)行的標識替換過程。

圖5 標識查詢替換流程圖Fig.5 ID query and replace call-flow

基于圖5的標識替換流程，對端CN-A與子網內節(jié)點MN1之間的通信如圖6所示。在子網從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（核心網優(yōu)化后路由）為CN-A發(fā)送的數據包源標識在ASR3處完成標識映射替換AIDA→RIDA，目的標識AID1通過向IDMS查詢，最終替換為MR-RID，為了在標識替換過程始終明確通信目標且核心網內隱藏用戶的真實身份，將AID1對應的flag值寫入擴展報頭中，在對端ASR2根據目地選項中的flag值完成替換，最終定向數據包至MN1。攜帶標識符的數據包格式如圖7所示。

3 性能分析

本節(jié)對比分析大量移動網絡節(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），尤其是核心網絡（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，分析模型采用子網切換場景圖（見圖3）。本文將從子網切換前 （before handoff，BH）、域內切換（Intra）、域間切換（Inter）3點展開分析。

表1 參數列表Tab.1 Parameters entry

3.1 切換信令開銷

為了分析標識分離映射網絡下子網移動過程產生的信令開銷，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，對于標識分離映射網絡下的子網移動賦予馬爾可夫性，其中，π0，π1分別為子網域內切換和域間切換的平均可能性，P為子網處在同一根MR管理域的概率，則相應可得出以下轉移概率矩陣方程:

標識分離映射網絡下一旦子網發(fā)生切換，需要分配新的映射關系并向IDMS匯報，IDMS根據匯報消息更新映射表中相應條目。由于注冊方式的不同，子網切換前后所造成的信令開銷SCTotal也不同，但可以統一描述為

（2）式中:SCBH，SCIntra，SCInter，T分別為切換前注冊開銷、域內切換開銷、域間切換開銷及MR的平均滯留時間。標識分離映射網絡的注冊過程包括認證（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分別為認證和接入過程中的信令開銷。如果子網發(fā)生域內切換，由于切換前后子網通過同一ASR接入核心網，認證請求消息僅在接入網內需要交換路由信息，本文假設接入網內的路由信息交互不會產生信令開銷。但是若子網發(fā)生域間切換，則必須重新認證，因此域間切換的開銷要大于域內切換。假設子網切換發(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切換，由于在接入網內就可以判斷出節(jié)點的合法性，所以不需要核心網內的信令交互，只要在接入網內為MR及子網內移動節(jié)點MN建立新的路由條目并更新原路徑上有關MR及MN路由項即可;而分級多層映射機制下的塊注冊，接入網內的各功能實體均無MR及MN緩存項，所以，接入網內無法判定子網的合法性，必須向核心網認證中心進行認證，認證通過后需要為MR分配新的映射關系并向IDMS匯報這一映射條目，詳細分析結果如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，則表現出與域內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果，2種注冊方式下，切換過程所引起的核心網內信令開銷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模式引入的核心網內信令開銷遠小于SR模式，且這種差距會隨著節(jié)點數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時的重復地址檢測Tdad和ASR向映射服務器注冊新的映射關系的時間Treg3個方面，如（9）式所示。

由于域內切換，切換前后子網接入同一個ASR下，所以不需要向IDMS注冊新的映射關系，因此無論是SR模式還是BR模式，Tdad+Treg=0。節(jié)點在SR模式下的域內切換DSRIntra和節(jié)點在BR模式下的域內切換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，由于切換前后子網接入到不同的ASR下，SR模式下需要對每一個子網節(jié)點包括MR執(zhí)行移動檢測，分配RID并向IDMS注冊映射關系，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)行重復地址檢測，否則，就不需要，此處假設子網切換后接入新的 MR下，即，ASR向IDMS注冊的映射關系也僅有與MR相關的一條，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與子網內的節(jié)點數N無關，而SR模式中產生的時延DSRhandoff則會隨著子網規(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識分離映射網絡子網移動性管理產生的時延開銷。

4 仿真分析

本文采用圖3所示的拓撲環(huán)境來測試上述信令開銷分析的結果。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（子網網內連接方式）和有線（標識分離映射網絡內部連接方式）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，依據文獻［7-8］中參數賦值特征:κ =2，η =1，H=12，μ =24。仿真結果分別如圖9－10所示。

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

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

圖9中，不管是對整個網絡而言還是針對核心網而論，普通SR模式產生的切換信令開銷，都遠大于分級多層映射機制下的BR模式所產生的切換信令開銷，且這種差距會因節(jié)點數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為子網不發(fā)生移動或者產生域內切換的概率，可以得出信令開銷主要源自域間切換。

本文時延分析依據文獻［9-11］對參數賦值，具體參考表1，而對于各式中的Px，依據文獻［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;注冊請求和注冊應答消息長度均取800 bit。時延開銷仿真結果如圖11所示。

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

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

5 結束語

本文在標識分離映射體系架構下對子網的移動性管理進行相應的研究，提出了一種基于分級多層映射機制的子網移動性管理方案，該機制一方面將核心網內的載荷重定向到接入網內完成，因而克服了子網整體發(fā)生移動時，大量移動網絡節(jié)點單獨向標識分離映射網絡進行注冊，造成的核心網信令交互負擔過重，以及映射服務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，對子網節(jié)點進行統一管理，從而有效減少了切換過程帶來的時延開銷。本文的仿真結果進一步說明，分級多層映射機制有效降低了子網移動性管理過程中的信令開銷和切換時延開銷，尤其是核心網內的信令開銷，從而避免了核心網內的資源浪費，提高了網絡整體切換性能。

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