一种基于标识分离映射网络的子网移动性管理方案

李雪霞，郜 帅，王利利，张宏科

（北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室，北京 100044）

0 引言

现有信息网络具有一种网络支撑一种主要服务的特点，严重阻碍了网络和服务的多样化发展趋势。此外，随着网络环境和用户需求的日益变化，基于IP地址双重属性的传统互联网设计结构的弊端和不足逐渐暴露出来，迫切需要提出一种新型的网络结构来弥补传统网络的不足。

国家973项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究［1］”提出了一种新的网络构架——标识分离映射网络，其核心思想是实现传统互联网IP地址的身份和位置的分离。该架构使得终端使用唯一的接入标识 （accessing identifier，AID），即可在任何地方享受网络服务，无需终端在移动后使用新的地址去接入网络。

标识分离映射网络很好地解决了传统网络无法支持普适服务以及无法实现IP地址双重属性分离的问题，但是并未考虑子网移动性支持的问题。如果直接应用现有基于移动IP［2］的子网移动性管理协议［3］来管理标识分离映射网络下子网的移动，核心网路由表会随着子网的频繁切换而反复更新，从而造成巨大的信令开销及较大的核心网资源的浪费。

本文在标识分离映射体系架构下，提出一种分级多层映射机制，使得具有相同移动特征的子网节点共用同一个位置标识（routing identifier，RID）来减少传统标识分离映射机制为每一个节点分配唯一RID所造成的不必要开销，以及核心网资源浪费等问题。最后通过信令开销的对比分析，证明了这一机制对支持标识分离映射网络下子网部署的重要性。

1 标识分离映射网络

1.1 标识分离映射体系结构

国家973项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”分析了现有网络的弊病，并根据分离映射的需要，对传统网络进行了重新划分，分为2个基本层面:“服务层”和“网通层”，如图1所示。

图1 标识分离映射网络体系结构Fig.1 Architecture of locator/ID separating network

图1中，服务层主要负责网络业务的会话、管理和控制，对应于TCP/IP协议的传输层及其以上各层，主要由功能实体标识分离映射服务器（locator and identifier mapping server，IDMS）及认证服务器（authentication server，AuS）组成。IDMS主要管理用户的接入标识AID至路由标识RID的映射关系对，AuS用来验证用户身份的合法性。网通层主要完成用户的多元接入（包括固定网络、移动网络等）及数据的完整通信;接入路由器 （access switch router，ASR）处在接入部分与核心部分的边缘，为通过认证的用户分配RID、缓存AID-RID映射关系对并向IDMS汇报，完成数据包AID到RID的标识替换;具有RID标识的数据包利用核心网交换路由器（core switch router，CSR）在核心网内进行传输。

1.2 标识分离映射网络节点切换流程

标识分离映射网络中的通信流程如图2所示。移动节点 （mobile node，MN）从原接入交换路由器（old ASR，oASR）切换到新的接入交换路由器 （new ASR，nASR）。MN通过 nASR向 AuS发送认证请求，认证通过后，AuS向nASR返回认证应答，允许MN的接入。nASR为 MN分配［MN_AID-MN_nRID］映射关系对，缓存在本地并向IDMS汇报。IDMS向oASR发送映射更新通知，映射关系从［MN_AID-MN_oRID］更新为［MN_AID-MN_nRID］。由CN（communication node）发出的数据包经通信对端接入交换路由器CN_ASR首先转发至oASR，根据缓存的映射条目再将数据包发送至nASR，最后交给MN，即遵循CN→CN_ASR→oASR→nASR→MN的“三角路由”数据传输路线。为了消除三角路由，oASR主动向CN_ASR发出映射更新通知。此后，来自CN的数据包直接经过CN→CN_ASR→nASR→MN路径传输，达到了路由优化的目的。

图2 标识分离映射网络中通信流程Fig.2 Communication call-flow in the locator/ID separating network

1.3 身份与位置分离场景下的子网移动

标识分离映射网络为节点的移动性支持提供了解决方案，但是对于子网整体移动性的研究，目前还没有成型方案。考虑到标识分离映射网络ASR为每一个通过认证的MN分配唯一的RID，并将映射关系汇报给IDMS统一管理，另外，根据文献［4］子网路由方案，可以初步实现对子网移动性的管理。但是由于需要为每一个节点分配唯一的RID，相应IDMS维护的映射条目会随着MN数量的增加而线性增加，而且子网的每一次切换，都要更新子网节点对应的所有映射条目，因而信令开销会随着切换的频率而成倍地增加，从而造成严重的网络负担。

2 标识分离映射网络下的子网移动

为了有效控制标识分离映射网络下子网移动性管理过程所造成的信令开销，降低核心网设备的负担，本文采用分级多层映射机制实现块注册（block register，BR），缓解子网切换时大量节点单独注册（single register，SR）带来的信令开销繁重等问题，减轻核心网负担，提高网络整体性能。以下分别从分级多层映射机制以及基于该机制的标识分离映射子网的通信过程2个方面加以介绍。标识分离映射网络下的子网移动场景如图3所示。

图3 标识分离映射网络下的子网移动场景Fig.3 Mobility scenario in the locator/ID separating network

2.1 分级多层映射机制

本文提出的分级多层映射机制，除了在ASR实现AID-RID分离映射之外，在各级子网路由器（mobile router，MR）处又定义了一种新型的AID-AID映射管理。

首先，在接入网部分完成AID-AID多层映射，即MR上完成所有移动网络节点MN的身份标识AID（MN-AID）到其直连MR的身份标识AID（MRAID）的映射，以及各C_MR（child_MR）的AID到其P_MR（parent_MR）的AID映射（见图3），MR2既是MR1的C_MR又是MR4的P_MR;其次，在核心网部分，根据标识分离映射机制为以ASR为根路由器（root MR，R_MR）分配路由标识R_MR-RID。

通过上述映射过程，映射服务器IDMS将缓存两类映射表项，分别为AID-AID和AID-RID，为了区分这两类表项，AID-AID表项根据MN-AID，P-MRAID及C-MR-AID的不同，为其随机生成唯一的非零标识符（Flag1，Flag2，…），AID-RID缓存表项统一用零标识符。

对于嵌套移动子网内的中间MR，MR的入口接收来自其C_MR发送的扩展映射消息，在MR完成其CMR-AID到当前MR-AID的映射，并将新的映射关系扩充到映射请求消息，经MR出口发送，重复上述过程，最终将所有的映射关系都汇报给IDMS统一管理。

对于域内切换，由于切换前后总是通过同一个根路由器（MR1）接入到ASR（见图3），仅切换后接入的新P_MR（如MR3）需要重新建立映射关系，其余的MR，ASR或IDMS根据P_MR上的映射关系更新相应条目即可。

对于域间切换，由于切换后接入到不同的根路由器下（见图3），当MR4接入到MR5下，MR4发送接入消息，MR5建立MR4到MR5的映射关系对，并扩展接入消息，递归转发到ASR2，ASR2收到接入消息后，根据标识分离映射机制为MR5分配核心网路由标识MR5-RID，并把映射条目向IDMS汇报。经过上述过程，MR5，ASR及IDMS建立的映射条目如图4所示。

图4 MR5，ASR及映射服务器缓存映射列表Fig.4 Mapping entry on MR5，ASR and IDMS

2.2 基于分级多层映射机制的ISMN_NEMO通信过程

图5给出了数据包从CN发送给MN的过程中途经 CN端 ASR（即 CN_ASR（ASR3））和 MR端ASR（即MR_ASR（ASR2））所执行的标识替换过程。

图5 标识查询替换流程图Fig.5 ID query and replace call-flow

基于图5的标识替换流程，对端CN-A与子网内节点MN1之间的通信如图6所示。在子网从ASR1切换到ASR2的过程中，可以保持通信连续不中断。具体过程（核心网优化后路由）为CN-A发送的数据包源标识在ASR3处完成标识映射替换AIDA→RIDA，目的标识AID1通过向IDMS查询，最终替换为MR-RID，为了在标识替换过程始终明确通信目标且核心网内隐藏用户的真实身份，将AID1对应的flag值写入扩展报头中，在对端ASR2根据目地选项中的flag值完成替换，最终定向数据包至MN1。携带标识符的数据包格式如图7所示。

3 性能分析

本节对比分析大量移动网络节点单独注册（single register，SR）和基于分级多层映射机制的块注册 （block register，BR）2种方式下，造成的切换信令开销 （signaling cost，SC），尤其是核心网络（core network，CoN）信令开销以及切换时延开销。

分析过程中所引用的变量如表1所示，分析模型采用子网切换场景图（见图3）。本文将从子网切换前 （before handoff，BH）、域内切换（Intra）、域间切换（Inter）3点展开分析。

表1 参数列表Tab.1 Parameters entry

3.1 切换信令开销

为了分析标识分离映射网络下子网移动过程产生的信令开销，本文利用随机游走移动模型［5-6］来分析MR的切换过程，这一模型下，MR在给定的时间内以一定的概率向特定的方向移动，MR的移动过程可描述如图8所示。

图8 MR随机游走模型示意图Fig.8 Random walk model of MR

图8中，对于标识分离映射网络下的子网移动赋予马尔可夫性，其中，π0，π1分别为子网域内切换和域间切换的平均可能性，P为子网处在同一根MR管理域的概率，则相应可得出以下转移概率矩阵方程:

标识分离映射网络下一旦子网发生切换，需要分配新的映射关系并向IDMS汇报，IDMS根据汇报消息更新映射表中相应条目。由于注册方式的不同，子网切换前后所造成的信令开销SCTotal也不同，但可以统一描述为

（2）式中:SCBH，SCIntra，SCInter，T分别为切换前注册开销、域内切换开销、域间切换开销及MR的平均滞留时间。标识分离映射网络的注册过程包括认证（authenticate）及接入（access）2个环节，所以，SCBH（SCIntra/SCInter）可以用（3）式加以计算。

（3）式中:SCauth和SCacc分别为认证和接入过程中的信令开销。如果子网发生域内切换，由于切换前后子网通过同一ASR接入核心网，认证请求消息仅在接入网内需要交换路由信息，本文假设接入网内的路由信息交互不会产生信令开销。但是若子网发生域间切换，则必须重新认证，因此域间切换的开销要大于域内切换。假设子网切换发生在同一前提下，也即2种注册情况下切换前注册开销SCBH相同，为求分析方便，令SCBH=0。

节点单独注册模式下的域内切换，由于在接入网内就可以判断出节点的合法性，所以不需要核心网内的信令交互，只要在接入网内为MR及子网内移动节点MN建立新的路由条目并更新原路径上有关MR及MN路由项即可;而分级多层映射机制下的块注册，接入网内的各功能实体均无MR及MN缓存项，所以，接入网内无法判定子网的合法性，必须向核心网认证中心进行认证，认证通过后需要为MR分配新的映射关系并向IDMS汇报这一映射条目，详细分析结果如⑷－⑸式所示。

单独注册方式的域间切换，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动的节点，而基于分级多层映射的块注册，则表现出与域内切换场景下相似的特性，同样给出分析过程如（6）式所示。

综合以上公式分析的结果，2种注册方式下，切换过程所引起的核心网内信令开销SCSR（BR）CoN如（7）－（8）式所示。

对比（7）－（8）式明显看出，基于分级多层映射机制的BR模式引入的核心网内信令开销远小于SR模式，且这种差距会随着节点数目的增加而更加明显。

3.2 切换时延开销

与信令开销分析过程类似，对于切换时延开销，本文从域内切换时延和域间切换时延2个方面进行对比，分析SR和BR 2种注册方式下的时延开销情况DSR和DBR。

无论是域内切换还是域间切换，时延开销基本来自移动检测Tmd，ASR分配RID时的重复地址检测Tdad和ASR向映射服务器注册新的映射关系的时间Treg3个方面，如（9）式所示。

由于域内切换，切换前后子网接入同一个ASR下，所以不需要向IDMS注册新的映射关系，因此无论是SR模式还是BR模式，Tdad+Treg=0。节点在SR模式下的域内切换DSRIntra和节点在BR模式下的域内切换DBRIntra分别如（10）－（11）式所示。

（10），（11）式中:Prs，Pra分别是路由器请求和路由器通靠消息长度。

对于域间切换来说，由于切换前后子网接入到不同的ASR下，SR模式下需要对每一个子网节点包括MR执行移动检测，分配RID并向IDMS注册映射关系，而在BR模式下，只需要对MR进行移动性检测，并且如果切换后MR直接接入到ASR，则需要为MR分配RID并执行重复地址检测，否则，就不需要，此处假设子网切换后接入新的 MR下，即，ASR向IDMS注册的映射关系也仅有与MR相关的一条，具体如（12）式和（13）式所示。

（12），（13）式中:Pregs，Prega分别是注册请求和注册应答消息长度。

综合分析以上公式，基于分级多层映射机制的BR方式所引入的时延DBRhandoff与子网内的节点数N无关，而SR模式中产生的时延DSRhandoff则会随着子网规模的扩大而呈线性增长，因此，基于分级多层映射机制的BR模式可以有效减小标识分离映射网络子网移动性管理产生的时延开销。

4 仿真分析

本文采用图3所示的拓扑环境来测试上述信令开销分析的结果。由图3可量化h1=h2=3，h3=h4=h5=2。上述分析式中，κ、η分别为无线（子网网内连接方式）和有线（标识分离映射网络内部连接方式）链路传输开销，一般情况下无线链路开销大于有线链路，即κ大于η，为了量化分析需要，依据文献［7-8］中参数赋值特征:κ =2，η =1，H=12，μ =24。仿真结果分别如图9－10所示。

图9 切换信令开销随子网平均滞留时间T变化曲线图Fig.9 Effect of the resident time T of the subnet on the handoff signaling cost

图10 核心网切换信令开销随子网内节点总数变化曲线图Fig.10 Effect of the number of nodes in the subnet on the handoff signaling cost in core network

图9中，不管是对整个网络而言还是针对核心网而论，普通SR模式产生的切换信令开销，都远大于分级多层映射机制下的BR模式所产生的切换信令开销，且这种差距会因节点数目的微小变化而变动。另外，切换信令开销随着π0的增大而减小，考虑到π0为子网不发生移动或者产生域内切换的概率，可以得出信令开销主要源自域间切换。

本文时延分析依据文献［9-11］对参数赋值，具体参考表1，而对于各式中的Px，依据文献［12］进行赋值，其中，路由器请求和路由器通告消息长度Prs和Pra均取960 bit;注册请求和注册应答消息长度均取800 bit。时延开销仿真结果如图11所示。

图11 切换时延开销随子网内节点总数变化曲线图Fig.11 Effect of the number of nodes in the subnet on the handoff delay cost

对比图10和图11，SR方式下核心网信令开销和切换时延开销都随着子网节点数的增加而线性增长，而分级多层映射机制下的BR造成的核心网内信令开销和时延开销则与节点数无关。从而验证了理论分析结果:采用分级多层映射机制可以有效减少标识分离映射网络下子网的移动所带来的信令开销和时延开销。

5 结束语

本文在标识分离映射体系架构下对子网的移动性管理进行相应的研究，提出了一种基于分级多层映射机制的子网移动性管理方案，该机制一方面将核心网内的载荷重定向到接入网内完成，因而克服了子网整体发生移动时，大量移动网络节点单独向标识分离映射网络进行注册，造成的核心网信令交互负担过重，以及映射服务器频繁更新映射条目而造成的缓存瞬时膨胀等问题;另一方面，通过采用基于分级多层映射机制的块注册模式，对子网节点进行统一管理，从而有效减少了切换过程带来的时延开销。本文的仿真结果进一步说明，分级多层映射机制有效降低了子网移动性管理过程中的信令开销和切换时延开销，尤其是核心网内的信令开销，从而避免了核心网内的资源浪费，提高了网络整体切换性能。

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