羅 海,秦雅娟

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

身份與位置分離的網(wǎng)絡(luò)切換機(jī)制優(yōu)化方案

羅 海,秦雅娟

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

身份與位置分離網(wǎng)絡(luò)模型本身的特殊性，使得已有借鑒移動(dòng)IPv6思想而設(shè)計(jì)的移動(dòng)切換機(jī)制存在著某些弊端。移動(dòng)終端發(fā)生切換后，通信對端只能在找到并確認(rèn)身份信息與位置信息的映射關(guān)系后才能繼續(xù)通信，否則通信將發(fā)生中斷。為此，針對該網(wǎng)絡(luò)中的切換機(jī)制，提出了“活躍對端”的概念，以確定移動(dòng)終端與通信對端之間的綁定關(guān)系。當(dāng)移動(dòng)終端的位置信息發(fā)生變化時(shí)，移動(dòng)終端主動(dòng)向其所對應(yīng)的活躍對端告知自己當(dāng)前的位置信息。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種網(wǎng)絡(luò)終端切換機(jī)制的優(yōu)化方案，通過主動(dòng)告知實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)終端的自動(dòng)切換。為驗(yàn)證所提出的方案，建立了基于該方案的實(shí)驗(yàn)環(huán)境并進(jìn)行了改進(jìn)后的切換機(jī)制測試，并就切換時(shí)延和信令開銷等參數(shù)進(jìn)行了對比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的方案能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)切換性能，進(jìn)一步提升通信效率。

身份與位置分離；映射關(guān)系；活躍對端；移動(dòng)切換

1 概 述

傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)體系中，IP地址包含了通信節(jié)點(diǎn)的身份信息與位置信息，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性方面引發(fā)了嚴(yán)重的問題。為此，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)提出了一種網(wǎng)絡(luò)體系方案—LISP(Locator/Identifier Separation Protocol)[1]，將傳統(tǒng)IP地址的雙重屬性分離，使用終端標(biāo)識(Endpoint IDentifier，EID)表示終端的身份信息，使用路由標(biāo)識(Routing LOCator，RLOC)表示終端的位置信息。終端的映射關(guān)系(EID-to-RLOC)使用映射系統(tǒng)(Mapping System，MS)進(jìn)行管理。

LISP網(wǎng)絡(luò)體系和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)體系不同，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可分為接入網(wǎng)與核心網(wǎng)兩部分，如圖1所示。

圖1 LISP網(wǎng)絡(luò)通信模型

在接入網(wǎng)中，數(shù)據(jù)包使用EID進(jìn)行通信；在核心網(wǎng)中，數(shù)據(jù)包使用RLOC進(jìn)行通信。當(dāng)數(shù)據(jù)包在接入網(wǎng)與核心網(wǎng)之間流動(dòng)時(shí)，隧道路由器(Tunnel Router，TR)根據(jù)映射關(guān)系完成數(shù)據(jù)包的封裝與解封裝處理。

移動(dòng)終端(Mobile Node，MN)在網(wǎng)絡(luò)中的EID始終保持不變，系統(tǒng)根據(jù)不同的位置為MN分配相應(yīng)的RLOC，并由MS來保存和維護(hù)EID與RLOC的映射關(guān)系。一旦MN發(fā)生移動(dòng)切換，變化的只是代表位置信息的RLOC。

因此，確保MN能夠在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行正常通信的前提是其存在EID與RLOC的確切映射關(guān)系。如果MN在網(wǎng)絡(luò)中的位置發(fā)生了變化，那么代表其位置信息的RLOC也會(huì)隨之變化。此時(shí)，如果通信對端(Correspond Node，CN)繼續(xù)使用MN之前的RLOC與MN進(jìn)行通信，那么數(shù)據(jù)包將會(huì)被發(fā)送至MN之前所在的TR，從而導(dǎo)致CN無法與當(dāng)前的MN直接通信。

為了解決上述問題，需要LISP支持終端的移動(dòng)性。在移動(dòng)IPv6[2]中，解決此類問題的方法是引入“家鄉(xiāng)代理”[2]模塊，基于這種思想，LISP設(shè)計(jì)出了LISP-MN[3]方案。當(dāng)MN從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)漫游[4]到一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)為其分配一個(gè)轉(zhuǎn)交地址[5]，并在映射系統(tǒng)中將它注冊為本地標(biāo)識(Local LOCator，LLOC)[6]，則映射關(guān)系中就多了一個(gè)元素。CN再次與MN進(jìn)行通信時(shí)，需要重新去MS查找MN最新的LLOC。為此，針對此切換機(jī)制，提出了一種改進(jìn)方案，由MS將MN最新的LLOC主動(dòng)告知CN，并基于該方案搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對切換時(shí)延和信令開銷等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測試與分析。

2 身份與位置分離網(wǎng)絡(luò)中的切換機(jī)制

按照LISP的網(wǎng)絡(luò)模型，身份與位置分離網(wǎng)絡(luò)中MN切換中的通信流程如圖2所示。

當(dāng)MN從TR1的區(qū)域移動(dòng)到TR2的區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)其所處的區(qū)域?yàn)槠浞峙湟粋€(gè)轉(zhuǎn)交地址，并將該轉(zhuǎn)交地址向MS注冊，此時(shí)MN的映射關(guān)系中就多了一個(gè)LLOC。當(dāng)CN與MN通信時(shí)，若CN所處的TR3沒有MN的緩存信息[7]，則需要向MS查詢MN的映射關(guān)系，再根據(jù)映射關(guān)系中的LLOC將數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝并發(fā)送[8]。

圖2 改進(jìn)前的切換流程

若CN在與MN通信的過程中，MN發(fā)生了移動(dòng)切換，此時(shí)CN所處的TR3由于存在MN的緩存關(guān)系，會(huì)繼續(xù)向MN之前所在的TR1發(fā)送數(shù)據(jù)包，但此時(shí)的MN已不在TR1的網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包無法送達(dá)。長時(shí)間沒有收到回信的TR3會(huì)向MS重新查詢MN的映射關(guān)系[9]，此時(shí)TR3才會(huì)得到MN最新映射關(guān)系中的LLOC，才能與MN進(jìn)行正常的通信。

在上述過程中，對于MN來講，切換正常完成。但由于MN與CN處于持續(xù)的通信過程中，MN發(fā)生切換后CN沒有第一時(shí)間得到其最新的位置信息，導(dǎo)致通信的過程中有可能產(chǎn)生丟包。并且CN需要重新查找MN的映射關(guān)系，也增加了切換時(shí)延。因此，為了解決上述問題，決定對該切換機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)。

3 移動(dòng)切換機(jī)制的改進(jìn)

在改進(jìn)方案中，引入了一個(gè)新的概念：活躍對端(Actice Node，AN)，指的是經(jīng)常與MN進(jìn)行通信的CN。MN與AN屬于一對多的關(guān)系，即一個(gè)MN可以有多個(gè)AN。該對應(yīng)關(guān)系保存在MS的活躍對端關(guān)系表中[10]。

AN的出現(xiàn)是觸發(fā)新切換機(jī)制的關(guān)鍵，或者說是專門針對通信對端是AN這種情況下的切換做出的改進(jìn)。

切換中的通信流程如圖3所示。

當(dāng)MN從TR1的區(qū)域移動(dòng)到TR2的區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)其所處的區(qū)域?yàn)槠浞峙湟粋€(gè)轉(zhuǎn)交地址，即MN的LLOC，并將該轉(zhuǎn)交地址向MS注冊[11]。與改進(jìn)前的切換機(jī)制相比，此時(shí)MS需要在活躍對端關(guān)系表中查詢該MN所對應(yīng)的AN，并將MN最新的映射關(guān)系中的LLOC發(fā)送給AN所在的TR3。之后AN發(fā)送的數(shù)據(jù)包就能直接封裝并發(fā)送到MN當(dāng)前所在的TR2。

圖3 改進(jìn)后的切換流程

在該改進(jìn)方案中，主要思想就是在MN發(fā)生切換時(shí)，與其通信的CN能在第一時(shí)間就通過MS其最新的映射關(guān)系，從而得到MN當(dāng)前的LLOC。而在之前的方案中，CN需要通過在發(fā)送的數(shù)據(jù)包無響應(yīng)之后再去MS查詢MN的映射關(guān)系，這一改進(jìn)從理論上降低了切換時(shí)的丟包數(shù)和切換時(shí)延[12]。

4 改進(jìn)切換機(jī)制的性能分析

通過對改進(jìn)前后的切換機(jī)制分析可以看出，在信令開銷方面，MN發(fā)生切換后，核心網(wǎng)中的MS直接將MN最新的映射關(guān)系發(fā)送給CN所在的TR上，但在此基礎(chǔ)上，由于MS無法得知當(dāng)前與MN進(jìn)行通信的CN是否屬于AN，因此切換機(jī)制后續(xù)的基本流程依然不變，這是為了保證非活躍對端的CN依然能和MN進(jìn)行正常的通信。所以理論上改進(jìn)后切換機(jī)制的信令開銷要比改進(jìn)前的切換機(jī)制開銷大[13]。但對于AN而言，MS主動(dòng)與AN所在TR進(jìn)行信息交互，能夠比非活躍對端更快地獲得MN最新的映射關(guān)系，因此若當(dāng)前與MN通信的CN屬于AN，那么切換機(jī)制后續(xù)的流程對它們之間的通信沒有影響。

在丟包數(shù)方面，從MN離開原先所在的TR，到CN所在的TR得到移動(dòng)終端最新的映射關(guān)系之前，這段時(shí)間內(nèi)，到達(dá)MN之前所在TR的數(shù)據(jù)包沒有辦法尋找到移動(dòng)終端，丟包主要發(fā)生在這個(gè)時(shí)間段[14]。而改進(jìn)后的切換機(jī)制，由于CN所在的TR能夠盡快獲得MN最新的映射關(guān)系，丟包發(fā)生的主要時(shí)間段也相應(yīng)減少了，丟包數(shù)自然就降低了。

在切換時(shí)延方面，完成切換的時(shí)間節(jié)點(diǎn)是CN所在的TR獲得MN最新的映射關(guān)系[15]，可以直接向MN當(dāng)前所在的TR發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候。通過之前的分析可知，改進(jìn)后的切換機(jī)制目的就是使CN所在的TR能夠盡快得知MN最新的映射關(guān)系，因此改進(jìn)機(jī)制在切換時(shí)延上的變化較為明顯。

綜上所述，改進(jìn)后的切換機(jī)制總體上的信令開銷有所增大，但對于正在與MN進(jìn)行通信的AN來說，能夠盡可能地減小丟包數(shù)，并縮短切換時(shí)延，能夠進(jìn)一步保證MN與AN之間的正常通信。但有一點(diǎn)需要該機(jī)制進(jìn)行考慮，即一個(gè)MN到底對應(yīng)多少個(gè)AN最合適。由于在改進(jìn)后的機(jī)制中，MN一旦發(fā)生切換，MS就會(huì)將MN最新的映射關(guān)系告知給其所有的AN，如果其對應(yīng)的AN數(shù)量過多，而當(dāng)前這些AN并沒有與MN進(jìn)行通信的話，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一些不必要的信令，因?yàn)楦倪M(jìn)后的切換機(jī)制只是針對AN來說能體現(xiàn)出改進(jìn)效果，而MS無法判斷當(dāng)前與MN通信的CN是否屬于AN，因此適當(dāng)控制MN的AN數(shù)量才能使得改進(jìn)后的機(jī)制更加完善。認(rèn)為可以通過終端本身的一些屬性來對其進(jìn)行分類，如果一個(gè)終端作為一個(gè)服務(wù)提供者并且擁有巨大的訪問量的話，可以為其提供較多的AN，當(dāng)然CN也可以通過提高自己的優(yōu)先級來成為一些MN的AN[16]。

5 改進(jìn)切換機(jī)制的軟件實(shí)現(xiàn)

與改進(jìn)前的切換機(jī)制相比，軟件在TR上的實(shí)現(xiàn)并沒有較大改動(dòng)，只需在MS上添加一個(gè)活躍對端關(guān)系表。當(dāng)MN的映射關(guān)系發(fā)生變化時(shí)，MS需要查詢活躍對端映射表中該MN所對應(yīng)的AN，并向這些AN所在的TR告知MN最新的映射關(guān)系。

圖4 切換機(jī)制的軟件結(jié)構(gòu)圖

切換機(jī)制的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。主要包含TR對數(shù)據(jù)包和相關(guān)消息的處理機(jī)制，以及改進(jìn)前后的切換機(jī)制中MS對MN最新映射關(guān)系的處理。

若TR接收的數(shù)據(jù)包來自核心網(wǎng)，則直接對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解封裝，并將解封裝后的數(shù)據(jù)包發(fā)送給相應(yīng)的終端，若發(fā)送出的數(shù)據(jù)包沒有收到回應(yīng)，則向CN所在的TR發(fā)送反饋，告知其數(shù)據(jù)包發(fā)送失敗。

相應(yīng)的CN所在的TR收到數(shù)據(jù)包發(fā)送失敗的消息后，會(huì)向MS重新查詢目的EID的映射關(guān)系，從而得到目的終端最新的位置信息，再與其進(jìn)行通信。

若TR接收的數(shù)據(jù)包來自接入網(wǎng)，則先查看緩存表中是否存在目的終端的映射關(guān)系，如果存在，則按照相應(yīng)的映射關(guān)系將數(shù)據(jù)包封裝并發(fā)送出去；如果不存在，則需要向MS查找目的終端相應(yīng)的映射關(guān)系，TR將返回的消息中目的終端的映射關(guān)系添加到緩存表中。

若MN發(fā)生移動(dòng)，則MS會(huì)主動(dòng)向其所對應(yīng)AN的TR發(fā)送MN的映射關(guān)系更新消息，TR收到該消息后將更新緩存表中MN的映射關(guān)系。

TR對數(shù)據(jù)包和相關(guān)消息的處理機(jī)制在改進(jìn)前后的切換機(jī)制中相同，也是必不可少的一部分。主要區(qū)別在于，在改進(jìn)后的切換機(jī)制中，TR會(huì)主動(dòng)收到MS發(fā)送的關(guān)于MN映射關(guān)系的消息，從而直接更新MN的映射關(guān)系以便AN與其進(jìn)行通信。這也是改進(jìn)后的機(jī)制在TR上的體現(xiàn)。

在改進(jìn)前的切換機(jī)制中，MS在接收到MN最新的映射關(guān)系后，只在本地的數(shù)據(jù)庫中將MN的映射關(guān)系進(jìn)行更新或添加。而在改進(jìn)后的切換機(jī)制中，MS在接收到MN最新的映射關(guān)系后，直接通過活躍對端關(guān)系表查找到MN所對應(yīng)的AN，并向這些AN所在的TR發(fā)送MN最新的映射關(guān)系。改進(jìn)后的切換機(jī)制與改進(jìn)前相比，添加了一個(gè)對AN的處理模塊。若與MN正在通信的CN屬于AN，則其通過改進(jìn)后的機(jī)制能更快地獲得MN最新的映射關(guān)系。但MS無法判斷CN是否屬于AN，因此改進(jìn)前的處理機(jī)制仍然保留。

由圖4可知，改進(jìn)后的切換機(jī)制與改進(jìn)前的切換機(jī)制的主要區(qū)別在于添加了針對AN情況下，對MN最新映射關(guān)系的處理。此處改進(jìn)主要體現(xiàn)在MS上，相應(yīng)的在MS上添加了活躍對端關(guān)系表。而對于TR來說，改變的只是接收MN映射關(guān)系的方式，在改進(jìn)前的切換機(jī)制中，CN所在TR主動(dòng)向MS詢問MN的映射關(guān)系；而在改進(jìn)后的切換機(jī)制中，MS接收到MN最新的映射關(guān)系后主動(dòng)向CN所在TR通知該映射關(guān)系。

6 實(shí)驗(yàn)測試

6.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了分析比較改進(jìn)前后切換機(jī)制的相關(guān)性能，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中包括MS、TR、MN、CN和核心路由器(Core Router，CR)五個(gè)實(shí)體，并為每一個(gè)TR配備了相應(yīng)的AP以供終端進(jìn)行無線接入，如圖5所示。

圖5 切換機(jī)制拓?fù)鋱D

在實(shí)驗(yàn)中，MN將在TR1與TR2之間切換，CN處于TR3下，固定不變。

下面將從信令開銷、切換時(shí)延、丟包數(shù)三個(gè)方面對兩種方案進(jìn)行比較。

6.2測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖6所示。

(1)信令開銷比較。

將MN接入TR1，CN接入TR3，10 s后將MN切換至TR2，再經(jīng)過10 s后切換回TR1，循環(huán)往復(fù)。在此過程中CN持續(xù)向MN發(fā)送ICMP ping數(shù)據(jù)包。通過Wireshark軟件抓取TR與MS之間，并比較切換10次、20次、30次后兩種方案信令的數(shù)量如圖6(a)所示,10次切換后的信令數(shù)量:改進(jìn)前為40個(gè)，改進(jìn)后為44個(gè)；20次切換后：改進(jìn)前為80個(gè)，改進(jìn)后為86個(gè)；30次切換后：改進(jìn)前為120個(gè)，改進(jìn)后為126個(gè)。

改進(jìn)前的切換機(jī)制每次切換只會(huì)出現(xiàn)兩組信令，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析相符。而改進(jìn)后的切換機(jī)制理論上也只有兩組信令，信令數(shù)量應(yīng)該與改進(jìn)前的相同。分析導(dǎo)致其信令增多的原因?yàn)椋寒?dāng)MS向TR3通知MN最新映射關(guān)系的過程中，TR3也在此時(shí)主動(dòng)向MS查詢MN的映射關(guān)系，因此導(dǎo)致MN在進(jìn)行切換時(shí)，可能會(huì)多出一組信令。當(dāng)CN為與MN進(jìn)行持續(xù)通信時(shí)，這種情況下信令數(shù)量應(yīng)該與改進(jìn)前的數(shù)量持平。也符合過去的分析判斷。

(2)MN在TR之間的切換時(shí)延比較。

MN在TR1和TR2之間共進(jìn)行50次切換，通過ICMP ping和ICMP reply數(shù)據(jù)包測試MN與CN之間的通信切換時(shí)延的最小值、最大值和平均值，如圖6(b)所示。其中在平均時(shí)延方面，改進(jìn)前的切換機(jī)制為118 ms，改進(jìn)后的切換機(jī)制為98 ms。表明改進(jìn)后的切換機(jī)制平均時(shí)延較小，符合理論分析結(jié)果。

圖6 測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖

(3)MN在切換時(shí)的丟包數(shù)比較。

MN在TR1和TR2之間共進(jìn)行50次切換，通過ICMP ping和ICMP reply數(shù)據(jù)包進(jìn)行測試。CN分別以500/s、1 000/s和2 000/s的速率發(fā)送ping包，計(jì)算出平均每次切換的丟包數(shù)。

如圖6(c)所示，CN發(fā)送速率為500/s時(shí)，MN平均每次切換丟包數(shù)為改進(jìn)前1.1個(gè)，改進(jìn)后0.6個(gè)；發(fā)送速率為1 000/s時(shí)，改進(jìn)前為2.9個(gè)，改進(jìn)后為1.3個(gè)；發(fā)送速率為2 000/s時(shí)，改進(jìn)前為8.2個(gè)，改進(jìn)后為3.1個(gè)。

可見在CN以相同速率發(fā)送數(shù)據(jù)包的情況下，隨著數(shù)據(jù)包發(fā)送速率的增大，改進(jìn)后切換機(jī)制的丟包數(shù)明顯小于改進(jìn)前的切換機(jī)制，符合過去的理論分析。

7 結(jié)束語

為了使身份與位置分離網(wǎng)絡(luò)中的切換機(jī)制更加完善、通信更加高效，針對身份與位置分離網(wǎng)絡(luò)中原有切換機(jī)制的缺陷與不足，提出了一種身份與位置分離網(wǎng)絡(luò)中切換機(jī)制的改進(jìn)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在信令數(shù)量持平或增多的情況下，有效地降低了切換時(shí)延，減少了丟包數(shù)。但由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境所限，在進(jìn)行理論分析與測試時(shí)，都是針對只有一個(gè)移動(dòng)終端和一個(gè)通信對端的情況。當(dāng)與移動(dòng)終端進(jìn)行通信的通信對端有多個(gè)或移動(dòng)終端包含不止一個(gè)活躍對端時(shí)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境將變得更為復(fù)雜。在后續(xù)的工作中，將對這些復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的切換機(jī)制和相應(yīng)的管理機(jī)制進(jìn)行研究分析。

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AnOptimizedSchemeofHandoverMechanismforInternetofIdentifier/LocatorSeparation

LUO Hai，QIN Ya-juan

(National Engineering Laboratory for NGI Interconnection Devices,College of Electronic Information Engineering, Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

There are some drawbacks in the existing mobile handover mechanism designed by MIPv6 due to the particularity of Identifier/Locator Separation Network.After the MN has switched the CN should seek and confirm the mapping relationship between the identity information and location information of the MN to continue communication with it,otherwise the communication can be interrupted.For the handover mechanism in the network,the concept of active node is presented to confirm the binding relationship between the MN and the CN.When the location information of the MN changes the MN actively informs its active node of its current location information.Therefore an optimization scheme of network terminal handover mechanism is designed and implemented for the achievement of automatic switching of network terminals through active notification.In order to verify it,the experimental environment is established and the testing of the improved handover mechanism is conducted as well as contrast analysis is carried on for the handover delay and signaling overhead.The experimental results show that it improves the performance of network switches and further promotes the communication efficiency.

Identifier/Locator separation;mapping relationship;active node;mobile handover

TP393

A

1673-629X(2017)10-0001-05

2016-11-14

2017-03-06 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-07-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271201)

羅 海(1992-),男，碩士研究生，研究方向?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)；秦雅娟，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄乱淮苿?dòng)交換技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、寬帶無線通信。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170719.1110.048.html

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.10.001