卫星网络移动性管理协议S-MIPv6

窦志斌

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

卫星网络移动性管理协议S-MIPv6

窦志斌

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

天基网络要求卫星具有跨波束、跨卫星的移动性管理功能，而传统地面网络中的移动性管理协议MIPv4和MIPv6都无法同时支持单节点和子网的移动性。针对以上问题提出了一种基于IPv6的同时支持单节点和移动子网的移动性管理协议—S-MIPv6，该协议充分吸收了MIPv6、NEMO和PMIPv6协议的优点，采用基于网络的移动性管理架构，并根据卫星空间组网的特点优化了信令流程，降低了链路通信开销。同时对S-MIPv6协议的入网、域内和域间切换开销给出了理论分析，为后续S-MIPv6协议的实现和完善奠定了基础。

卫星通信；移动性管理；移动子网；天基网络

0 引言

IP业务使卫星网络的移动性管理复杂化。由于IP地址承载了身份和位置双重语义，而星载路由器根据波束划分IP网段，因此当接入终端发生波束切换后，其IP地址会发生变化，从而导致IP业务流发生中断。低轨LEO卫星、空基飞行器（如导弹和飞机等）由于波束切换频繁，其移动性管理问题更加突出，鉴于此卫星网络必须解决接入终端的移动性管理问题。

一方面IPv4在设计时没有考虑节点的移动性，因此基于IPv4的移动IP协议（即MIPv4［1］）需要对IP协议栈进行修改，在应用层运行移动IP代理，这导致MIPv4协议无法兼容已有的IPv4节点；另一方面，IPv6在设计时加入了对移动IP协议的支持（即MIPv6［2］），且考虑更好地与地面网络的IPv6化融合，卫星网络采用基于IPv6承载的移动性管理协议是当前的发展趋势。

在深入研究移动IP协议的基础上，结合卫星网络拓扑稀疏、单卫星多波束等特点，提出了域内、域间区分处理的卫星网络移动性管理协议——S-MIPv6，能够解决单节点和子网的移动性问题，且降低了信令开销和切换时延。

1 S-MIPv6协议

卫星网络中的移动性管理无法照搬地面的MIPv6标准，这是由于MIPv6仅支持单节点移动而不支持子网移动；MIPv6扩展NEMO［3］虽然支持子网移动，但是其继承了MIPv6的缺点，即移动节点需要参与移动性管理相关的信令过程，增加了部署和管理的难度；PMIPv6［4］仅支持单节点移动性。FMIPv6［5］和FPMIPv6［6］分别对MIPv6和PMIPv6进行改进，加入了快速切换功能，但仍仅支持单节点的移动性管理。LISP［7］采用身份和位置分离的思想，但是需要标识映射服务支持，其相关标准未成熟，目前较难兼容现有体系。文献［8－10］分别考虑了移动网络的网络管理、分簇路由和网络定位，但都未涉及网络的移动性管理。

S-MIPv6协议将卫星网络划分为多个域，每个卫星及其所含波束对应一个本地移动域，域内采用改进的PMIPv6协议，而域间（卫星间）采用改进的MIPv6协议。S-MIPv6协议的设计充分考虑了波束切换的特点，即移动节点／子网的异星异波束切换频率远远小于同星异波束切换概率（因为每个卫星波束的覆盖范围广），因此大大降低了星地链路的通信次数。

以下仅以移动节点MN为移动路由器（即下挂移动子网）的情况进行说明，移动节点为单节点的情况是其特例，不再单独说明。

1.1 逻辑网元

S-MIPv6协议中主要逻辑网元的定义如下，其它网元遵循MIPv6、NEMO或PMIPv6中的相关定义。

1.1.1 移动接入网关（Mobile Access Gateway，MAG）

MAG为附着在其链路上的MN代理其相关的移动信令，并负责与LMA进行信令交互、维护MAG与LMA之间的双向隧道。MN在域内移动时，仅需LMA及时更新MN与MAG的映射关系。MAG还负责跟踪MN的移动，并向附着在其链路上的MN发送路由通告消息。

1.1.2 本地移动锚点（Local Mobility Anchor，LMA）

LMA管理其管辖域内所有MAG实体与对应MN之间的映射关系。LMA与MN所在的MAG之间通过双向隧道来解决MN在本LMA管辖的不同MAG之间移动的问题。LMA集中控制所有相关的家乡网络前缀（HNP），并记录和维护所有已经分配给其管辖内的所有HNP。

1.2 域内移动

定义域内移动为同星异波束切换，如图1所示。MN下挂子网的网络前缀为MN-HNP1，由网络在MN初始入网时分配。定义单颗卫星为一个本地移动域（LMD），在图1中卫星＃1对应的本地移动域为LMD1。规定每个波束对应一个MAG，命名方式为MAG＋卫星编号＋波束编号。每个移动域包含一个LMA，命名方式为LMA＋卫星编号。每颗卫星的LMA和各波束对应的MAG通过内部网络互联。图1中附着在网元上的圆圈表示该网元的一个IP接口，图上标注的是其IPv6地址。如MAG11的IP接口对应的IPv6地址为Proxy-CoA11，命名方式为Proxy-CoA＋卫星编号＋波束编号。LMA1有2个IP接口，一个为内部接口LMAA1，另外一个为对外接口Proxy-CoA_LMA1，后者通过星间链连接到卫星网络。图1中所示的与MN通信的节点CN位于其他卫星。域内移动场景如图1所示，从MAG11对应的波束切换到MAG1n对应的波束，域内移动的特点是MAG发生了改变，而LMA不变。

图1 域内移动场景

1.3 域间移动

定义域间移动为异星异波束切换，如图2所示。域间移动的特点是MN在波束切换前、后分属不同的LMD，在图2中为LMD1和LMD2，即其对应的LMA管理实体发生改变。

图2 域间移动示意

2 移动性管理

2.1 域内移动性管理

域内移动性管理基于PMIPv6协议，并通过对该协议进行改进增强来满足卫星网络的移动性管理需求，即通过增加协议消息字段获取MN家乡代理的IP地址来使PMIPv6能够与MIPv6协议相结合，使其能够同时支持域内、域间移动性管理，并降低信令开销。

2.1.1 MN初始附着S-MIPv6域

MN初始入网，不妨设MN最终选择在如图1所示的MAG11所对应的波束进行驻留，在完成链路层的附着后，执行如下的网络层的连接配置：

①生成链路本地地址，并可选地对该地址运行重复地址检测（DAD）；

②MN发送路由请求消息RS到MAG11；

③根据MAG11应答的路由通告消息RA，MN设置单播可路由地址并对其运行DAD，并根据单播可路由地址设置节点请求多播地址，加入所有节点多播组；

④根据RA消息设置缺省路由（包括设置默认路由器的链路本地地址、链路层地址等）；

⑤如果该MN是移动路由器，则需要向该移动子网通告移动网络前缀MN-HNP1；

⑥MN保存LMA1的单播可路由地址，即Proxy-CoA_LMA1。该地址包含于RA消息中，用于域间切换。

定义MN初始附着于MAG11所对应LMA1为该MN的家乡代理，记做LMA1MN（HA）。在不引起歧义的情况下简记为LMA1（HA）。

过程②和过程③涉及到的与其他逻辑网元的交互流程如图3所示。

MN根据IPv6规范发送路由请求消息RS到所属波束的MAG11，MAG11收到RS请求后，代表该MN向LMA1（HA）发送代理绑定更新消息PBU。该PBU消息是对MIPv6绑定更新消息BU的扩展。LMA1需要查看绑定缓存（Binding Cache，BC）是否包含该PBU对应的MN条目。BC是MIPv6规范定义的绑定缓存的扩展版本，加入了多个扩展字段，包括MN ID、服务该MN的MAG的ID、IP地址等。若该请求被接受，则MN在该S-MIPv6域（包括域内和域间）使用的单播可路由IP地址HoA，及其对应的移动子网的网络前缀都要根据MH-HNP1进行配置生成。MH-HNP1的分配由LMA1（HA）决定，其分配策略可以是预先指定或全局配置，但必须满足该MH-HNP1由该MN及其子网专享，且属于LMA1（HA）的管辖范围。

图3 MN初始附着S-MIPv6域

LMA1与MAG11之间的数据传输采用IP-in-IP的双向隧道方式。随后LMA1（HA）创建代理绑定应答PBA消息并发送至对应的MAG11。该PBA消息包括了对应的PBU消息的请求结果，同时也包括MN的MN-ID、分配给该MN的HNP、LMA1（HA）的对外单播可路由地址Proxy-CoA_LMA1。若MAG11收到的PBA消息为接收该注册请求，则MAG11需要为该MN设置转发规则，进行IP-in-IP隧道封装。

当MAG11完成对该PBA消息的处理后，MAG11要以RA消息响应MN发出的RS消息。该RA消息通告MN其分配的MH-HNP1、LMA1（HA）的单播可路由地址等相关信息，随后MN节点根据MH-HNP1配置其单播可路由地址，并根据全网配置决定是否运行DAD，以及设置对应的节点请求多播地址、所有节点多播地址。

2.1.2 域内切换流程

MN在S-MIPv6域内的切换流程如图4所示，图中方框中的流程命名为去附着流程。当MN离开附着的链路时，MAG11检测到相关的去附着事件，向LMA1（HA）发送一个注销消息。LMA1（HA）收到该注销消息后，并不马上删除与该MN有关的绑定缓存条目（BCE），而是启动一个可调整的定时器，当该定时器超时，则删除该BCE。当MAG11收到对应该注销PBU消息的PBA消息后，立即删除所有与该MN相关的状态信息。

图4 MN域内切换流程

MN在发送的RS消息中要包含其在初始入网阶段获得的MN-HNP1和LMA1Proxy-CoA_LMA1。这2个字段仅用于域间切换，但是由于MN无法感知是何种切换，因此始终在RS消息中携带这2个字段。

MAG1n检测到MN的附着，向LMA1（HA）发送PBU消息进行注册。LMA1（HA）收到该请求后检测到在BC中存在一个与该MN对应的条目，因此仅更新该条目相关的字段信息。LMA1（HA）发出的应答消息PBA包含相同的MN-HNP1，因此MN收到的网络前缀不变。此外，为了保证链路层完全对MN透明，MAG1n发送的RA消息要包括与MAG11相同的链路本地地址和链路层地址（即MAG1n与MAG11具有相同的链路本地地址和链路层地址），否则MN会检测到缺省路由的改变。

2.2 域间移动性管理

域间移动性管理以MIPv6协议为基础，针对卫星网络特点进行优化，即将移动性管理信令功能从MN中剥离，转由该MN当前附着的MAG所对应的LMA负责。与MIPv6协议类似，S-MIPv6对域间移动的情况同时支持业务流经由HA隧道转发和路由优化两种模式。与域内切换流程相比，MN的域间切换流程增加了LMA2向LMA1（HA）进行绑定更新流程和可选的路由优化流程（后主用于解决三角路由），而去附着流程与域内切换相同。由MN发出的RS消息中包括MN-HNP1以及LMA1（HA）的单播可路由IP地址。MAG21向LMA2发送的PBU消息包括MN-HNP1和LMA1（HA）的地址Proxy-CoA_ LMA1。LMA2随后向LMA1（HA）发起绑定更新流程通知LMA1（HA）更新其BCE，并获取该MN的相关信息以及建立LMA1（HA）与LMA2之间的双向转发隧道。同时，路由优化模式要求LMA2向MN的通信对端节点CN发起类似的绑定更新流程，从而避免三角路由。在域间切换流程中，MAG21通过解析收到的PBA消息向MN发送RA消息。在该RA消息中包含的MN-HNP1、路由器的本地链路地址和链路层地址保持不变，因此MN在IP层面感知不到网络变化。

3 性能分析

3.1 入网时延

设入网时延为Tia，由入网的11个步骤组成：①对MAG11的链路层附着；②生成本机回环地址；③生成链路本地地址；④MN向MAG11发送路由请求消息RS；⑤MAG11向LMA发送消息PBU；⑥LMA向MAG11发送应答消息PBA；⑦MAG11向MN发送应答消息RA；⑧MN根据RA消息设置其单播地址、节点请求多播地址；⑨根据RA消息，MN设置缺省路由器；⑩向移动子网通告网络前缀MN-HNP1；⑪ MN保存LMA1的单播可路由地址。

除步骤①、③、④和⑦之外的时间开销可忽略不计。步骤①中，链路层附着延迟Tll_total（MN）与使用的链路层技术相关。步骤③中，MN需要对生成的本地链路地址运行DAD。该时间与星地链路的传输时延、DAD参数的设置相关。若按照IPv6协议的建议值，则对于卫星场景，该时间开销大于3 s。若保证该链路本地地址不会与其他接入用户的链路本地地址发生冲突，则无需DAD过程。步骤④中的时间开销为星地链路的传播延时，记为Tprop（MN）。步骤⑦中，IPv6规定RS的应答RA必须随机延迟一段时间，该时间服从均匀分布U［0，MAX_RA_ DELAY_TIME］，且后续的RA消息必须是限制发送频率的，发送间隔必须大于MIN_DELAY_ BETWEEN_RAS。因此总的时间开销为：U［0，MAX_RA_DELAY_TIME］＋Tprop（MN）。综上，当禁止DAD时有：

由于取消了DAD过程，为了防止多个节点同时发送RA消息对网络造成冲击，RA的发送必须随机延迟一段时间U［0，MAX_RA_DELAY_TIME］。

3.2 域内开销

3.2.1 切换开销

记域内切换时延为Tintra-domain-HO（MN），域内切换流程分为4个步骤：

①MN去附着MAG11，记为Tll_detach（MN）；

②MN附着MAG1n，同初始附着，为Tll_total（MN）；

③MN向MAG1n发送路由请求消息RS，为传播时延Tprop（MN）；

④MAG1n向MN发送路由应答消息RA，为传播时延Tprop（MN）。综上，域内切换的时间开销为：

3.2.2 数据缓存开销

为了保证MN在域内切换时不发生丢包，假设MN的业务速率为SMNbps，则MN的缓存长度要大于SMN×Tintra-domain-HO（MN）。

3.3 域间开销

3.3.1 切换开销

记域间切换时延为Tinter-domain-HO（MN），域间切换流程分为6个步骤：

①MN去附着，同为Tll_detach（MN）；

②MN附着，同为Tll_total（MN）；

③MN发送RS消息，为传播时延Tprop（MN）；

④BU消息（LMA2-＞LMA1），为星间链路传播时延，记为Tprop（LMA2，LMA1，MN）；

⑤BUA消息（LMA1-＞LMA2），为Tprop（LMA2，LMA1，MN）；

⑥MAG21向MN发送路由应答消息RA，为传播时延Tprop（MN）。综上，域间切换的时间开销为：

3.3.2 数据缓存开销

①MN：为了保证MN在域间切换时不发生丢包，假设MN的业务速率为SMNbps，则缓存的长度要大于SMN×Tinter-domain-HO（MN）；

②LMA1（HA）：由于CN并不知道MN已经移动到LMA2：MAG21所管辖的网段，因此LMA1（HA）会收到CN发给MN的数据包，在MN的切换时间里，LMA1（HA）要缓存来自CN的数据包，假设CN的业务流速率为PCNbps，则需要的缓存大小为：PCN×Tinter-domain-HO（MN）。

4 结束语

针对现有的移动性管理协议无法对卫星网络环境下的子网、单节点的移动性提供支持，提出了一种结合PMIPv6和MIPv6思想的移动性管理协议。S-MIPv6协议将卫星网络划分为域内和域间，针对域内移动性，改进PMIPv6协议，当MN在本地域内移动时，不需要向HA进行信令交互，只需要更新LMA与MAG的映射关系，采用双向隧道解决域内移动性，因此降低了信令开销和切换时延；针对域间移动性，S-MIPv6采用MIPv6思想解决PMIPv6无法跨越多个LMA实体进行移动性管理的问题。给出了S-MIPv6协议对MN的入网时延等指标的性能分析，为后续的协议设计提供了支撑，满足卫星网络对子网、单节点移动性管理的需求。

［1］PERKINS C E.IP Mobility Support for IPv4［S］.IETF，RFC 5944，2010.

［2］PERKINS C E，JOHNSON D，ARKKO J.Mobility Support in IPv6［S］.IETF RFC 6275，2011.

［3］DEVARAPALLI V，WAKIKAWA R，PETRESCU A，et al. Network Mobility（NEMO）Basic Support Protocol［S］. IETF RFC 3963，2005.

［4］GUNDAVELLI S E，DEVARAPALLI V，PATIL B.Proxy Mobile IPv6［S］.IETF RFC 5213，2008.

［5］KOODLI R E.Mobile IPv6 Fast Handovers［S］.IETF RFC 5268，2009.

［6］YOKOTA H，CHOWDHURY K，PATIL Batil.Fast Han-dovers for Proxy Mobile IPv6［S］.IETF RFC 5949，2010.

［7］FARINACCI D，FULLER V，MEYER D，et al.The Locator／ID Separation Protocol（LISP）［S］.IETF RFC 6830，2013.

［8］王 景，邓建良.基于移动代理的MANET网络管理任务切换［J］.无线电通信技术，2011，37（3）：1－3.

［9］张绪昌，何加铭，谢志军，等.无线传感网络移动分簇路由策略［J］.无线电通信技术，2012，38（5）：6－8，42.

［10］王 辉，熊 飞，谷源涛.移动Mesh网络定位系统研究［J］.无线电通信技术，2012，38（1）：12－15.

A Mobility Management Protocol S-MIPv6 for Satellite Networks

DOU Zhi-bin
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

In the space-based network，the satellites are required to have the capability of inter-beam and inter-satellite mobility management functions，and in the traditional ground-based network，the mobility management protocols（i.e.MIPv4，MIPv6）are incapable to support simultaneously the mobility of nodes and networks.Based on this problem，this paper puts forward an IPv6-based mobility management protocol（S-MIPv6）.S-MIPv6 adopts the design principles of MIPv6，NEMO and PMIPv6，and optimizes the signa-ling flow based on satellite networking characteristics for radio-link communication overhead reduction.The theoretical analysis is performed for the overhead of three core S-MIPv6 procedures：initial network access，intra-domain handover and inter-domain handover，which provides the guideline for the implementation and improvement of S-MIPv6.

satellite communications；mobility management；mobile subnetwork；space-based network

TP393.11

A

1003－3106（2015）10－0011－05

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.03

窦志斌.卫星网络移动性管理协议S-MIPv6［J］.无线电工程，2015，45（10）：11－15.

窦志斌男，（1980—），博士，工程师。主要研究方向：移动通信、卫星通信和计算机网络。

2015-07-08

国家高技术研究发展计划（“863”计划）资助项目（2012AA01A505）。