CN103118098B

CN103118098B - 基于预测的多连接移动节点接口切换方法

Info

Publication number: CN103118098B
Application number: CN201310028833.4A
Authority: CN
Inventors: 崔勇; 徐鑫; 刘岩; 王文东
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2033-01-25
Also published as: CN103118098A

Abstract

基于预测的多连接移动节点接口切换方法，MN有多个网卡接口（IF）通过各自对应的MAG接入PMIPv6域，由LMA为MN所有网络接口分配相同的家乡网络前缀，并向与MN连接的MAG通告其余与MN连接的MAG的IP地址，当MN检测到某个IF接收到的无线信号持续减弱，并低于某个事先设定的阈值S_th时，向该IF所对应的MAG发送接口预切换信息，该MAG向所述MN的其余IF中最稳定接口所对应MAG发送隧道请求消息以建立双向隧道，使得发往所述信号减弱的IF的数据通过该最稳定接口进行转发，并在设定的时间T后解除所述双向隧道，同时注销所述信号减弱的IF，本发明不需要MAG来缓存数据，从而降低了对MAG数据缓存能力的要求，并减少了隧道的数量，降低了维护隧道的开销。

Description

基于预测的多连接移动节点接口切换方法

技术领域

本发明属于代理移动IPv6（PMIPv6）领域，特别涉及基于预测的多连接移动节点接口切换方法。

背景技术

近年来，各种各样的手持移动设备逐渐大规模普及，这些设备通常都同时配有多个网络接口,如3G、WIFI等，这就使这些移动设备经常处于同时有多个接口接入多个异构网络的场景中，这对无线网络的移动性支持也就提出了更高的要求。

1996年，IETF工作组提出了移动IP协议，并通过之后公布的一系列协议基本实现了移动IPv4的标准化；2002年提出了移动IPv6标准草案，并在之后逐步完善移动IPv6的标准化，现在，MIPv4/MIPv6等移动相关工作组仍在分别致力于移动IPv4/IPv6的标准化工作。

移动IPv4/IPv6协议在IPv4/IPv6协议的基础上增加了移动性支持。但这种移动性支持，需要移动节点修改自身的相关协议栈，在实际应用中，由于移动节点能源有限、自身计算能力不足，通常也就很难满足移动性支持的需求。为了实现使节点无感知的享受移动性服务，IETF于2005年8月成立了专门的工作组来制定不需要终端参与的，基于网络的移动管理协议标准，并于2006年提出代理移动IPv6技术，该技术将原来需要移动节点来处理的移动性管理工作交给了网络，节点无需任何修改，就可无感知的在网络中自由移动，通过使用本地移动锚点（LMA）和移动接入网关（MAG）来对移动节点（MN）进行移动性管理。目前，代理移动IPv6协议已经成为移动IP领域最热门的技术。

在PMIPv6快速切换标准化方面，HidetoshiYokota等发布了《代理移动IPv6快速切换技术》（RFC5949），该文稿规范了移动节点快速水平切换技术，提出了predictivemode和reactivemode两种快速切换技术。然而，这两种技术都需要MAG具有较强的缓存能力，在现实场景中，MAG覆盖范围内通常会有多个移动节点同时切换，这可能导致因MAG存储能力无法满足所有切换需求，而使数据丢失的现象出现。而且数据的缓存必然会增加传输延迟，这对于某些对实时性要求较高的应用来说是无法容忍的。

HaishengJiang等人提出的《代理移动IPv6网络中多接口移动节点错误容忍的接口切换技术》使用重新定向的技术来实现接口切换，一方面它仍需要MAG具有较强的缓存能力；另一方面，重新定向增加了传输路径长度，也必然会大大的增加数据的传输延迟。

清华大学崔勇等人提出的draft-cui-netext-pmipv6-shpmipv6-00-《代理移动IPv6多连接移动节点无缝接口切换技术》虽然解决了MAG缓存能力不足的问题，但是这种方法需要维护的隧道量过大，增加了网元维护隧道状态的开销。同时，由于只要移动节点有多个接口接入PMIPv6域，这些隧道就需要一直维护着，这也会增加隧道保活需要的信令开销。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于预测的多连接移动节点接口切换方法，在代理移动IPv6网络域中，根据切换的实际需求，隧道的创建是由接口切换触发，按照接口切换的需求来建立的，是一种基于预测的按需无缝切换方式。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于预测的多连接移动节点接口切换方法，移动节点（MN）有多个网络接口（IF）通过各自对应的移动接入网关（MAG）接入PMIPv6域，由本地移动锚点（LMA）为MN的所有IF分配相同的家乡网络前缀，并向与MN连接的MAG通告其余与MN连接的MAG的IP地址，当MN检测到某个IF接收到的无线信号持续减弱，并低于某个事先设定的阈值S_th时，向该IF所对应的MAG发送接口预切换信息，该MAG向所述MN的其余IF中最稳定接口所对应MAG发送隧道请求消息以建立双向隧道，使得发往所述信号减弱的IF的数据通过该最稳定接口进行转发，并在设定的时间T后解除所述双向隧道，同时注销所述信号减弱的IF，其中所述最稳定接口是指该接口与MN的通信优先级最高、通信质量最佳的接口。

当LMA检测到MN有新接口接入时，LMA通过在代理绑定更新应答消息（PBA）中携带MAG地址选项的方式向与新接入接口连接的MAG通告与所述MN其它IF连接的MAG的地址，同时向原MAG发送MAG地址通告消息告知该新的MAG的地址，所述新的MAG与LMA建立双向隧道，然后用分配给MN的家乡网络前缀向其对应的IF发送路由广播。

所述阈值S_th的大小随着MN的移动速度v变化而变化，假设IF能够正确接收数据所需的信号强度最小为S_min，该位置离信号源的距离为d_max，MAG间建立关联所需时间为τ，根据无线信号损耗模型可得出发送切换消息时接受信号值大小的阈值为：其中e为路径损耗参数。

LMA检测到MN某个接口离开时，通过MAG地址通告消息将当前依然与MN连接的MAG的地址及其优先级通告给与其它依然与MN连接的MAG。

通过在代理绑定更新消息（PBU）或者代理绑定更新应答消息（PBA）中增加MAG地址选项来维护与MN连接的MAG地址。

当MAG地址通告消息或PBA消息只包含一个MAG地址，此时发往与移动节点非稳定接口连接的MAG的MAG地址通告消息或PBA消息中包含与最稳定接口连接的MAG地址，而发往与最稳定接口连接的MAG的MAG地址通告消息包含与次稳定接口连接的MAG地址。

当MAG地址通告消息或PBA消息包含多个与MN连接的MAG地址，为各地址设置优先级，优先级最高的地址即为与MN最稳定接口连接的MAG地址，当MN一个接口切换时，如果该接口为非稳定接口，则与切换接口连接的MAG将与优先级最高的MAG，即最稳定接口对应MAG建立隧道，并转发数据，如果该接口为最稳定接口，则与它连接的MAG将与优先级第二的接口,即次稳定接口MAG建立隧道，采用此方式，LMA发往与MN连接的各MAG的地址通告消息完全相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：首先，不需要MAG来缓存数据，从而降低了对MAG数据缓存能力的要求；其次，由于只有在接口切换时才建立MAG之间的双向隧道，也就大大减少了隧道的数量，降低了维护隧道的开销。

本发明切换方案也结合流移动特性，当切换完成后，原始在切换接口上传输的业务流将被转发到最合适其传输的网络接口，这将大大提高用户的体验。

总的来说，相对PMIPv6协议中其它接口切换技术，本发明大大减少了切换过程中的丢包率和延迟现象，同时本方面的两个方案对网络侧要求更低，不再需要MAG为切换接口缓存数据，同时MAG需要维护的隧道开销也将大大减少。

附图说明

图1是代理移动IPv6多连接移动节点部署场景。

图2是基于预测的多连接移动节点接口切换方法1信令交互流程。

图3是基于预测的多连接移动节点接口切换方法2信令交互流程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，移动节点在PMIPv6网络域中漫游，且有多个接口同时接入网络，当MAG预测到与之绑定的移动节点的接口即将发生切换时，它会主动与该移动节点稳定接口关联的MAG建立隧道连接，通过稳定接口接收发往切换接口的数据，从而实现切换过程中数据的无缝传输。本发明的主要特点在于，隧道的创建是由接口切换触发，按照接口切换的需求来建立的，是一种基于预测的按需无缝切换方式。

在移动节点同时有多个接口接入网络，并在PMIPv6网络域间移动的场景中，基于预测的多连接移动节点接口切换方法1的主要步骤如图2所示：

步骤（101）：在PMIPv6网络域中，移动节点具有多个网络接口，假设接口IF1已通过MAG1接入PMIPv6域，此时IF1上数据流（FlowX）的传输路径为IF1<->MAG1<->LMA。

步骤（102）：移动节点进入MAG2的覆盖范围，决定将网络接口IF2通过MAG2接入PMIPv6域，并向MAG2发送路由请求消息。

步骤（103）：MAG2接收到IF2发送的路由请求消息，通过读取策略文件获得移动节点的标识（MN-ID），并向LMA发送代理绑定更新请求消息。

步骤（104）：LMA接收到MAG2发送的代理绑定更新请求消息后，检测该移动节点是否已有其他网络接口接入，如果该移动节点已有其它网络节点接入，则LMA将给移动节点分配与其它网络接口相同的家乡网络前缀，并返回包含MAG地址选项代理绑定更新应答消息，该消息中包含与移动节点其它网络接口连接的MAG地址，PBA中MAG地址选项包含内容与MAG地址通告消息内容相同。否则，将为该接口分配新的家乡网络前缀，并返回代理绑定更新消息。

步骤（105）：MAG2接收到LMA发回的代理绑定更新应答消息后，与LMA建立双向隧道，然后用分配给移动节点的家乡网络前缀向IF2发送路由广播。

步骤（106）：在移动节点新接口接入过程中，如果LMA检测到移动节点已有其它接口接入，则LMA在向新接口MAG发送代理绑定更新应答消息的同时，向所有与移动节点其它网络接口连接的MAG发送MAG地址通告消息（如图中MAG1），使与移动节点连接的MAG能够及时的获取与移动节点稳定接口连接的MAG的地址。

步骤（107）：当MAG1接收到LMA发送的MAG地址通告消息后，首先检查该移动节点是否有网络接口与该MAG建连，如果发现该移动节点没有网络接口与之关联，它将向LMA发送MAG地址通告应答消息，通告无此移动节点，否则更新移动节点稳定接口MAG地址，并返回MAG地址通告应答消息。

步骤（108）：移动节点检测到IF1接收到无线信号持续减弱，并低于某个事先设定的阈值时，其向与该接口连接的MAG发送接口预切换report消息。

步骤（109）：MAG1接收到report消息后，知道IF1即将离开时，它向移动节点稳定接口（图2中MAG2）发送隧道请求消息，消息中包含移动节点的MN-ID等信息。

步骤（110）：当MAG2接收到MAG1发送的隧道请求消息后，首先检查该移动节点是否有网络接口与之建连，如果发现该移动节点没有网络接口与之关联，则返回隧道应答消息，通告无此移动节点。否则，发送隧道应答消息，并与之建立双向隧道。

步骤（111）：当MAG1与移动节点稳定接口MAG建立隧道后，通过更改路由，将原本通过它发往IF1的数据包通过隧道转发到MAG2，由于移动节点各接口采用相同的家乡网络前缀，而数据传输的路由是通过前缀匹配的方式转发的，因此MAG2能够将从MAG1传输过来的数据全部转发到移动节点IF2上,此时发往IF1的下行数据流(Flow1)通过“LMA->MAG1->MAG2->IF2”的路径进行转发。

步骤（112）：IF1切换开始，断开与MAG1的连接，MAG1检测到接口IF1离开，它首先设置解隧道关联任务，规定在特定时间T后向MAG2发送隧道请求消息（注销），其中解隧道关联任务的时间T通过MAG本地配置文件设置，其原则是保证在T时间内接口能够切换完成。然后向LMA发送带注销请求的代理绑定更新消息，以注销接口IF1。

步骤（113）：LMA接收到MAG1发送的带注销请求的代理绑定更新消息后，检测移动节点是否有其他网络接口通过MAG1接入。如果有，设置路由及隧道删除任务，该任务在T时间后删除IF1的路由及LMA与MAG1间为IF1创建的隧道。同时向MAG1发送带注销应答的代理绑定更新应答消息，此时发往IF1的数据传输路径为LMA->MAG1->MAG2->IF2；否则按照RFC5213流程注销IF1。

步骤（114）：在执行步骤112的同时，LMA重新评定移动节点的最稳定接口，并向与移动节点连接的所有MAG（图中MAG2）发送MAG地址通告消息。如果此时MN只剩下一个非切换接口接入PMIPv6域，则MAG地址通告消息中MAG地址选项将置零，以通告该唯一非切换接口MAG，移动节点暂无其它接口接入PMIPv6域。

步骤（115）：MAG2接收到LMA发送的MAG地址通告消息后，首先检查移动节点是否有网络接口与其建连，如果发现该移动节点没有网络接口与之关联，它将向LMA发送MAG地址通告应答消息，通告无此移动节点，否则更新移动节点稳定接口MAG地址，并返回MAG地址通告应答消息。

步骤（116）：切换接口IF1在T时间内通过新MAG（NMAG）再次接入PMIPv6域，其接入步骤与步骤（106）到步骤（107）相同，其中NMAG可以是PMIPv6域内任意MAG。

步骤（117）：LMA首先将发往IF1切换前连接的MAG1的数据转发到当前与MN某个网络接口连接的MAG上（图2中可以是NMAG或者MAG2中任意一个），其中该MAG的选择由LMA根据策略选择，具体选择方法不属于本专利内容；然后LMA调用路由及隧道删除任务，删除IF1切换前的隧道及路由。

步骤（118）：MAG1解除隧道关联任务时间T到，启动隧道关联任务，向MAG2发送隧道请求消息（注销），该消息至少包含MN-ID选项，并等待接收隧道应答消息（注销）；如果接收到隧道应答消息（注销）则删除隧道。

步骤（119）：MAG2接收到MAG1发送的隧道请求应答消息（注销）后，向MAG1发送隧道应答消息（注销），并删除与MAG1间为移动节点创建的隧道。

方法2的移动节点切换场景与方法1相同，其主要特征在于：

步骤（201）到步骤（211）与方案1步骤（101）到步骤（111）相同，如图3所示。

步骤（212）：IF1切换开始，断开与MAG1的连接，MAG1检测到接口IF1离开，向LMA发送带注销请求的代理绑定更新消息以注销IF1的绑定。

步骤（213）：LMA在收到代理绑定更新消息后，会检测移动节点是否有多个网络接口接入，如果是，则通过更改路由，将发往IF1的数据流转发到MAG2，并发送代理绑定更新应答消息，此时发往IF1的数据传输路径为

LMA->MAG2->IF2。

步骤（214）：LMA重新评定移动节点稳定接口，并向与移动节点连接的所有MAG（图中MAG2）发送MAG地址通告消息。

步骤（215）：MAG2接收到LMA发送的MAG地址通告消息后，首先检查移动节点是否有网络接口与其建连，如果发现该移动节点没有网络接口与之关联，它将向LMA发送MAG地址通告应答消息，通告无此移动节点，否则更新移动节点稳定接口MAG地址，并返回MAG地址通告应答消息。

步骤（216）：MAG1在收到LMA返回的代理绑定更新应答消息（注销）后，会向MAG2发送隧道请求消息（注销），该消息中至少包含MN-ID选项。

步骤（217）：MAG2在收到隧道请求消息（注销）后会向MAG1发送隧道请求应答消息，然后销毁二者之间的双向隧道。

综上所述，本发明提供了两种在PMIPv6网络域中根据切换需求建立隧道的接口切换技术的实施方案。与已有的接口切换技术相比，其优势是：首先，该发明利用了移动节点多个接口之间的关联，在切换过程中通过改变传输路径进行转发的方式，将在切换接口上传输的数据转发到移动节点非切换接口，因而不需要网络侧MAG处缓存数据，这大大降低了对MAG缓存能力的要求，同时也减少数据缓存的时间，使数据的传输具有更高的时效性。其次，只有当移动节点某个接口即将发生切换时，才在MAG间建立隧道并转发数据，并且切换完成后即删除隧道，因而大大减少了需要维护的隧道的数量及时间，大大减轻了MAG维护隧道状态消息的计算开销及发送keepalive的信令开销。第三，本方面中我们通过设计MAG地址通告及应答消息，使得与移动节点连接的MAG能够及时的获得MN接口的接入情况。第四，我们通过LMA评估移动节点各网络接口稳定情况，在MAG地址通告消息和PBA中制定稳定接口的方式，使得切换过程中切换接口能够借助稳定接口协助其传输数据，从而减少切换过程中数据的丢失。最后我们结合流移动技术，在接口切换完成后，在切换接口上传输的原始业务流将被转发到最合适其传输的网络接口上，以提高用户的体验。

Claims

1.基于预测的多连接移动节点接口切换方法，移动节点(MN)有多个网络接口(IF)通过各自对应的移动接入网关(MAG)接入代理移动IPv6域，由本地移动锚点(LMA)为MN的所有IF分配相同的家乡网络前缀，并向与MN连接的MAG通告其余与MN连接的MAG的IP地址，当MN检测到某个IF接收到的无线信号持续减弱，并低于某个事先设定的阈值S_th时，向该IF所对应的MAG发送接口预切换信息，该MAG向所述MN的其余IF中最稳定接口所对应MAG发送隧道请求消息以建立双向隧道，使得发往所述信号减弱的IF的数据通过该最稳定接口进行转发，并在设定的时间T后解除所述双向隧道，同时注销所述信号减弱的IF，其中所述最稳定接口是指该接口与MN的通信优先级最高、通信质量最佳的接口，其特征在于：

当MAG地址通告消息或应答消息(PBA)只包含一个MAG地址，此时发往与移动节点非稳定接口连接的MAG的MAG地址通告消息或PBA消息中包含与最稳定接口连接MAG的地址，而发往与最稳定接口连接的MAG的MAG地址通告消息包含与次稳定接口连接的MAG地址：

当MAG地址通告消息或PBA消息包含多个与MN连接的MAG地址，为各地址设置优先级，优先级最高的地址即为与MN最稳定接口连接的MAG地址，当MN一个接口切换时，如果该接口为非稳定接口，则与切换接口连接的MAG将与优先级最高的MAG，即最稳定接口对应MAG建立隧道，并转发数据，如果该接口为最稳定接口，则与它连接的MAG将与优先级第二的接口,即次稳定接口MAG建立隧道，采用此方式，LMA发往与MN连接的各MAG的地址通告消息完全相同；

在建立双向隧道后，信号减弱的IF切换开始，首先断开其所对应的MAG连接，由该MAG向最稳定接口所对应MAG发送隧道注销请求消息，然后向LMA发送带注销请求的代理绑定更新消息，LMA在接到该消息后设置路由及隧道删除任务并重新评定MN的最稳定接口，并向与MN连接的所有MAG发送MAG地址通告消息，接收到该通告消息的MAG首先检查该MN是否有IF与其建立连接，如果没有，则向LMA发送MAG地址通告应答消息，通告无此移动节点，否则更新移动节点稳定接口MAG地址，并返回MAG地址通告应答消息，LMA将发往信号减弱的IF切换前连接的MAG的数据转发到当前与MN某个IF连接的MAG上，并调用路由及隧道删除任务，删除切换前的隧道及路由，当T时间到之后，信号减弱的IF对应的MAG启动隧道关联任务，向与其建立双向隧道的MAG发送隧道注销请求消息，该消息至少包含MN-ID选项，并等待接收隧道注销应答消息，如果接收到隧道注销应答消息则删除隧道；或者，

在建立双向隧道后，信号减弱的IF切换开始，首先断开与其对应的MAG的连接，该MAG向LMA发送带注销请求的代理绑定更新消息，LMA收到该消息后，将发往信号减弱的IF的数据流转发至与其对应MAG建立双向隧道的MAG，并发送代理绑定更新应答消息，同时向与MN连接的所有MAG发送MAG地址通告消息，接收到该通告消息的MAG首先检查该MN是否有IF与其建立连接，如果没有，则向LMA发送MAG地址通告应答消息，通告无此移动节点，否则更新移动节点稳定接口MAG地址，并返回MAG地址通告应答消息，信号减弱的IF所对应MAG在收到LMA返回的带注销应答的代理绑定更新应答消息后，向与其建立双向隧道的MAG发送隧道注销请求消息，该消息至少包含MN-ID选项，并等待接收隧道注销应答消息，如果接收到隧道注销应答消息则删除隧道。

2.根据权利要求1所述接口切换方法，其特征在于，当LMA检测到MN有新接口接入时，LMA通过在代理绑定更新应答消息(PBA)中携带MAG地址选项的方式向与新接入接口连接的MAG通告与所述MN其它IF连接的MAG的地址，同时向原MAG发送MAG地址通告消息告知新的MAG的地址，所述新的MAG与LMA建立双向隧道，然后用分配给MN的家乡网络前缀向其对应的IF发送路由广播。

3.根据权利要求1所述接口切换方法，其特征在于，LMA检测到MN某个接口离开时，通过MAG地址通告消息将当前依然与MN连接的MAG的地址及其优先级通告给其它依然与MN连接的MAG。

4.根据权利要求1所述接口切换方法，其特征在于，通过在代理绑定更新消息(PBU)或者代理绑定更新应答消息(PBA)中增加MAG地址选项来维护与MN连接的MAG地址。