CN105764041A - 一种基于命名数据网络覆盖层的IPv6移动通信方法 - Google Patents

一种基于命名数据网络覆盖层的IPv6移动通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于命名数据网络覆盖层的IPv6移动通信方法。本方法为：1)负责MN位置管理的HA/LMA作为一位置管理服务集合部署；2)MN在移动过程中，位置更新的BU/PBU消息进行发送时，到达距离该MN最近的HA/LMA；3)同一位置管理服务集合中的HA/LMA同步MN的绑定状态；3)MN发送的数据包直接发送到对端节点，但是未和MN建立优化路由的对端节点发送来的数据包在到达该MN的位置管理服务集合中的某个HA/LMA后，该HA/LMA根据绑定状态转发到MN，如果没有该MN的绑定状态，则在该位置管理服务集合中进行MN的位置请求。本发明能最大限度优化MN和CN的通信路径。

Description

一种基于命名数据网络覆盖层的IPv6移动通信方法
技术领域
本发明涉及一种基于命名数据网络覆盖层(NDNoverlay)的IPv6分布式移动通信方法，属于网络技术领域。
背景技术
近年来，无线网络技术和应用服务的迅速发展开创了移动计算时代。但是在传统移动通信网中，移动性管理是在链路层进行的。随着向基于IP的分组交换网络过渡，链路层移动性不能解决移动节点(MobileNode，MN)在不同IP子网切换带来的问题。于是IETF开始了网络层移动性协议的研究和标准化工作。最初，IETF提出的网络层移动性协议都是基于客户端的，即移动IPv6(MobileIPv6，MIPv6)(C.Perkins,etal.,MobilitySupportinIPv6,IETFRFC6275,July2011)及其扩展协议。
但是基于终端的移动性管理协议存在一些弊端，如需要更新现有终端的软件、增加终端复杂性和电量消耗、大量移动性信令占用无线资源等。基于这些因素考虑，IETF成立了NetLMM工作组，提出基于网络的移动性管理协议需求。经过长期讨论之后，正式发布了代理移动IPv6(ProxyMobileIPv6，PMIPv6)标准(S.Gundavelli,etal.,ProxyMobileIPv6,IETFRFC5213,August2008)。基于网络的移动性管理协议不需要终端参与移动性管理过程，所有的移动性信令都由网络完成，这就解决了对终端的功能要求问题和无线资源浪费的问题。
但不论MIPv6还是PMIPv6，协议要求无论MN如何移动，都向自己的位置管理实体(HA或LMA)注册，并通过HA/LMA转发发往MN或MN发出的数据包。当MN远离自己的家乡域时，数据包可能要经过很长的一段路由，带来不必要的数据转发延迟和资源浪费，尤其是MN频繁切换的时候，这种不优化问题带来的后果更为严重。为此，未来移动互联网的发展迫切需要能规避单点失效风险并优化数据包传输路径的分布式移动性管理协议(H.Chan(Ed.),Requirementsofdistributedmobilitymanagement,IETFRFC7333,August2014)。
同时，近些年研究者使用了很多方法和手段来完善和优化现有互联网，使其支持更大规模、更高效率的数据资源获取，如在互联网架构方面建设了越来越多的数据中心，在传输层面越来越广泛地使用P2P等优化数据传输的技术，但是这些“打补丁”的方式使得传统互联网体系结构越来越冗余，功能越来越复杂。为此，国内外学者开展了对未来网络架构重新设计的诸多研究，并将其提升到了国家战略高度，旨在从根本上考虑解决当前互联网支撑高效数据传输的问题。以信息为中心的未来网络体系(InformationCentricNetworking，ICN)，通过以标识的内容取代主机的地址，实现基于内容名字寻址与路由的新型网络架构，得到了广泛的关注，其中“命名数据网络”(NamedDataNetworking，NDN)是其中最为典型的代表方案(V.Jacobsonetal.,NetworkingNamedContent,Proc.ofACMCoNEXT,Rome,Italy,December1-4,2009)。与传统方式相比，NDN基于内容名字的寻址路由致力于改变现有的网络通信模式，从关注于“资源在哪里”转变为“资源是什么”，从实现基于端地址的转发转变为基于资源名字的转发，从而能一定程度上解决路由可扩展性、数据分发效率等问题。
本发明即利用NDN只关心“对象”是什么，而不关心“对象”在哪里的特点，以overlay的方式作为IPv6的信令层，支持MIPv6/PMIPv6的分布式移动性管理，从而能从路由层面解决定位最近的HA/LMA的问题以及优化数据包传输路径这两个关键问题。
与本发明相关的现有技术一
MIPv6规定MN在IPv6网络中移动时，总是通过它的家乡地址(HomeAddress，HoA)被寻址，而不用考虑它当前的接入位置。每个MN的HoA都是固定的，与MN接入网络的位置无关。当MN位于家乡网络时，跟普通节点一样，通过路由规则转发数据包；当MN移动到外地网络时，根据接入网络的路由器通告(RouterAdvertisement，RA)配置一个转交地址(Care-ofAddress，CoA)。然后向家乡代理HA(HomeAgent)发送绑定更新(BindingUpdate，BU)，注册当前的CoA。HA在绑定缓存(BindingCache)中记录HoA和CoA的对应关系，同时向MN发送绑定确认(BindingAcknowledgement，BA)作为对BU的响应。之后，MN和HA之间就建立了一条IPv6-in-IPv6隧道，此隧道两端的地址分别是HA的地址和MN的CoA。MIPv6充分利用了IPv6协议的特点，通过隧道以路由重定向的方式保证了节点在IP层的移动对上层应用的透明。
与本发明相关的现有技术二
PMIPv6是在MIPv6的基础上引入了本地移动锚点(LocalMobilityAnchor,LMA)和移动接入网关(MobilityAccessGateway,MAG)两个新的功能实体。LMA支持MIPv6中HA的功能，并对其绑定缓存进行了扩展。此外，LMA为每个MN分配一个唯一的前缀(HomeNetworkPrefix，HNP)，用于MN发生位置变更时保持不变，从而使其上层应用不受节点切换的影响。此外，在PMIPv6中，MN的位置更新由MAG通过与LMA交互代理绑定更新(ProxyBindingUpdate，PBU)和代理绑定确认(ProxyBindingAcknowledgement，PBA)消息完成，MN完全被从移动性管理的工作中解放。
与本发明相关的现有技术三
NDN通过对内容的直接命名和基于该名字的寻址支持对内容本身的缓存，并通过全分布式的逐跳寻址方式保证了对海量内容寻址的效率，其基本的通信模式如图1所示。
首先对某些内容的请求(Interest)被发送给一个路由器，路由器维护一个等待的Interest表(PIT，PendingInterestTable)，该表中维护了接收到Interest但是还没有收到对应数据包的内容信息，这样NDN路由器就不会重复地发送Interest，从而起到一定程度的聚合作用。PIT中还包含了某个内容名字对应的请求接口，从而可以在接收到对应数据后传回到请求的接口。另外，内容缓存(CS,ContentStore)用于缓存接收到的数据包，当下次再有该内容的请求时，路由器可以直接用CS中的数据予以响应。转发信息表(ForwardingInformationBase，FIB)类似于IP网络中的路由表，指示某个内容应该从哪个接口去请求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于NDNoverlay的IPv6分布式移动通信方法。
本发明基于NDN作为IPv6的overlay，支持MIPv6和PMIPv6的分布式移动性扩展，主要内容包括：
(1)负责MN位置管理的HA/LMA作为一个位置管理服务集合部署，即同时部署相同功能的多台设备执行HA/LMA功能；
(2)MN在移动过程中，位置更新的BU/PBU消息通过NDN的路由原理进行发送，从而到达距离该MN最近的HA/LMA；
(3)同一个位置管理服务集合中的HA/LMA同步MN的绑定状态，其中包含了该MN的实际位置信息(如其CoA或者MAG的地址)；
(4)MN发送出去的数据包直接发送到对端节点，但是未和MN建立优化路由的对端节点发送来的数据包在到达该MN的位置管理服务集合中的某个HA/LMA后，该HA/LMA根据绑定状态转发到MN，如果没有该MN的绑定状态，则在该位置管理服务集合中进行MN的位置请求。
本发明的技术方案为：
一种基于命名数据网络覆盖层的IPv6移动通信方法，其步骤为：
1)在分布式MIPv6的核心网中部署一HA服务集合；其中，该HA服务集合中包括多台共享同一名字的家乡代理HA，且每个HA配置一可达的IPv6地址；HA服务集合中的HA对外通告该名字信息，网络中的路由器记录距离自己位置最近的HA；
2)当移动节点MN从新的接入网络MAG接收到新的路由器通告消息RA时，将配置新的CoA，并发起绑定更新消息给HA；绑定更新消息承载在Interest消息里，且该Interest消息中包括该MN的转交地址CoA和家乡地址HoA；
3)当HA接收到MN的Interest消息时，为该MN建立绑定；然后对该HA所在的HA服务集合中的HA进行状态同步；
4)当MN发送数据包到对端节点CN时，将该数据包的目的地址设置为该CN的地址、源地址设置为该MN的HoA；
5)该CN发送数据包给该MN时，该数据包基于路由协议被转发到距离该CN最近的HA；该HA检查其绑定更新列表定位对应HoA的条目：如果找到对应HoA的条目，该HA将该数据包转发到MN对应的CoA；否则，该HA在该HA服务集合中发送设置组播标志位的Interest消息，其中包含该MN的HoA，具有该MN对应HoA的条目的HA将进行响应；如果在设定时间内距离该CN最近的HA没有收到对应的响应信息，则丢弃该CN发送的数据包。
进一步的，该名字作为一条域名记录存储在域名系统数据库中。
进一步的，该名字作为MIPv6服务的基本信息配置在策略仓库中。
进一步的，进行状态同步的方法为：该HA发出一条新的Interest消息至归属于同一HA服务集合的每一HA；在该新的Interest消息中设置组播路由标志位以及包含该MN的转交地址CoA和家乡地址HoA。
进一步的，具有该MN对应HoA的条目的HA将以Data数据包进行响应。
一种基于命名数据网络覆盖层的IPv6移动通信方法，其步骤为：
1)在分布式PMIPv6的核心网中部署一LMA服务集合；其中，该LMA服务集合中包括多台共享同一名字的本地移动锚点LMA，且每个LMA配置一可达的IPv6地址；LMA服务集合中的LMA对外通告相同的名字信息，网络中的路由器记录距离自己位置最近的LMA；
2)当MN切换到新的接入网络MAG时，MAG将发起的代理绑定更新消息PBU将被路由到最近的LMA；该PBU消息承载在Interest消息里，且该Interest消息中包括该MN的标识信息和该MAG的地址；接收到Interest的LMA以Data数据包进行响应，作为BA消息，其中携带分配给MN的前缀HNP；
3)当LMA接收到MAG发送的该Interest消息时，为该MN建立绑定，然后对该LMA所在的LMA服务集合中的LMA进行状态同步；
4)对于MN发送到对端节点CN的数据包，设置该数据包的源地址为该MN前缀HNP配置的家乡地址HoA、目的地址为该CN地址；
5)对于该CN发送给该MN的数据包，该数据包基于路由协议被转发到距离该CN最近的LMA；该LMA检查其绑定更新列表定位对应HNP的条目：如果找到对应HNP的条目，该LMA将该数据包转发到该MN对应的MAG；否则，该LMA将会在LMA服务集合中发送设置组播标志位的Interest消息，其中包含MN的HNP；具有该MN对应的MAG信息的LMA将进行响应；如果在设定时间内距离该CN最近的LMA没有收到对应的响应信息，则丢弃该CN发送的数据包。
进一步的，将该名字作为一条域名记录存储在域名系统数据库中。
进一步的，将该名字作为PMIPv6服务的基本信息配置在策略仓库中。
进一步的，进行状态同步的方法为：该LMA发出一条新的Interest消息至同一LMA服务集合的每一LMA；该新的Interest消息中包含MN的标识信息和MAG的地址。
进一步的，具有该MN对应的MAG信息的LMA将以Data数据包进行响应。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
1)可以对等部署多个位置管理实体(HA和LMA)，保证MIPv6和PMIPv6服务的健壮性和稳定性；
2)基于NDN路由原理，保证MN能够被最近的HA/LMA服务，优化MIPv6和PMIPv6的性能；
3)提出完整的多个HA/LMA实体之间的管理数据同步和位置请求/应答机制，操作流程简单高效；
4)能最大限度优化MN和CN通信的路径。
附图说明
图1为NDN路由原理图；
图2为本发明的总体协议架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。
本发明的总体协议架构如图2所示。
多个HA/LMA实体被部署在核心网，作为分布式MIPv6/PMIPv6的HA/LMA。
在同一个位置管理集合(HA/LMAServiceCloud)中的多个HA/LMA共享同一个名字，这个名字可以作为一条域名记录存储在域名系统(DomainNameSystem，DNS)数据库中，或作为MIPv6/PMIPv6服务的基本信息配置在策略仓库(policystore)中。下面就本申请同时支持的分布式MIPv6和PMIPv6机制进行详述。
1)分布式MIPv6
a)绑定更新
当MN从新的接入网络接收到新的RA消息时，将配置新的CoA，并发起绑定更新消息给HA。绑定更新消息承载在Interest消息里，该Interest消息具有如下名字：
/ISP/HomeAgent
表示该消息的发送对象是某ISP下面的HA。路由器将基于NDN路由原理发送该消息到对应ISP，而在该ISP里的路由器将通过查询FIB匹配HomeAgent标签，从而定位到最近的HA。为了支持这一功能，Interest消息必须被扩展以使该Interest是作为BU消息从而使HA能够正确解析。在扩展后的Interest消息里面，必须包含的信息包括CoA和HoA。接收到Interest的HA以Data数据包进行响应，作为BA消息。Interest有很多选项和字段可以填充CoA和HoA实现扩展。
此外，所有的归属于同一个HA服务集合的HA必须像NDN中的内容发布者一样对外通告相同的名字信息，从而使网络中的路由器能够记录位置最近的HA。由于本专利的解决方案是在IP基础上建立NDN的overlay，每个HA还会配置一个可达的IPv6地址并用于实际传输MN对应的数据包。
b)状态同步
在同一个HA服务集合中的多个HA具有相同功能，只是以分布式的模式部署。因此，本专利还需要支持多个HA之间绑定信息的同步。由于NDN可以很好地支持类似于组播(multicast)的功能，因此，此功能也是基于NDN实现。
例如，当HA接收到MN的Interest消息时，首先为其建立绑定状态(即对该MN的HoA和CoA的关系进行绑定)，然后将发出一条新的Interest消息，名字为：
/ISP/HomeAgent
在这个Interest消息中，设置multicast路由标志位(即组播路由标志位)。从而使路由器基于记录的FIB条目将该消息发送到归属于同一个HA集合的所有HA。在这个Interest消息中，必须包含的信息是HoA和CoA。当然，也可以用基于NDN的其他服务来进行状态同步，如ChronoSync(Z.ZhuandA.Afanasyev,Let’sChronoSync:DecentralizeddatasetstatesynchronizationinNamedDataNetworking,Proc.ofIEEEICNP,Germany,October2013)。
c)数据包传输
对于MN发送到对端节点(CorrespondingNode，CN)的数据包，可以直接设置MN的HoA和CN的地址为源地址和目的地址进行路由(即设置该数据包的目的地址是CN的地址，源地址是MN的HoA)。由于所有的HA都会对外通告相同的IPv6前缀，该前缀包含了MN的HoA，所以对于CN发送给MN的数据包，将会基于路由协议被转发到距离CN最近的HA。这个HA将会检查其绑定更新列表定位对应HoA的条目：如果找到对应HoA的条目，该HA将通过IPv6第二类路由头(Type2routingheader)将该数据包转发到MN对应的CoA；否则，HA将会在HA服务集合中发送设置组播标志位的Interest消息，其中包含MN的HoA，其他的HA将意识到这个Interest消息是用于请求该HoA的对应CoA，那么具有该信息(即该MN对应HoA的条目)的HA将以Data数据包进行响应。如果在一段时间内HA没有收到对应的Data，将认为该MN未建立可用绑定，从而丢弃该CN发送的数据包。
2)分布式PMIPv6
当MN切换到新的MAG时，MAG将发起代理绑定更新消息PBU。PBU消息承载在Interest消息里，该Interest消息具有如下名字：
/ISP/LocalMobilityAnchor
表示该消息的发送对象是某ISP下面的LMA。路由器将基于NDN路由原理发送该消息到对应ISP，而在该ISP里的路由器将通过查询FIB匹配LocalMobilityAnchor标签，从而定位到最近的LMA。为了支持这一功能，Interest消息必须被扩展以使该Interest消息是作为PBU消息从而使LMA能够正确解析。在这个消息里面，必须包含的信息包括MN的标识信息和新切换到的MAG的地址。接收到Interest的LMA以Data数据包进行响应，作为BA消息，其中携带分配给MN的HNP。
此外，所有的归属于同一个LMA服务集合的LMA必须像NDN中的内容发布者一样对外通告相同的名字信息，从而使网络中的路由器能够记录位置最近的LMA。由于本专利的解决方案是在IP基础上建立NDN的overlay，每个LMA还会配置一个可达的IPv6地址并用于实际传输MN对应的数据包。
b)状态同步
在同一个LMA服务集合中的多个LMA具有相同功能，只是以分布式的模式部署。因此，本专利还需要支持多个LMA之间绑定信息的同步。由于NDN可以很好地支持类似于组播(multicast)的功能，因此，此功能也是基于NDN实现。
例如，当LMA接收到MAG发送的作为PBU的Interest消息时，首先为其建立绑定状态，然后将发出一条新的Interest消息，名字为：
/ISP/LocalMobilityAnchor
在这个Interest消息中，设置multicast路由标志位。从而使路由器基于记录的FIB条目将该消息发送到同一个LMA集合中所有LMA进行状态同步。在这个Interest消息中，必须包含的信息是MN的标识信息和MAG的地址。当然，也可以用基于NDN的其他服务来进行状态同步，如ChronoSync。
c)数据包传输
对于MN发送到对端节点CN的数据包，可以直接设置HNP配置的HoA和CN地址为源地址和目的地址进行路由。由于所有的LMA都会对外通告相同的IPv6前缀，该前缀包含了MN的HNP，所以对于CN发送给MN的数据包，将会基于路由协议被转发到距离CN最近的LMA。这个LMA将会检查其绑定更新列表定位对应HNP的条目：如果找到对应HNP的条目，该LMA将通过IPv6第二类路由头(Type2routingheader)将该数据包转发到MN对应的MAG；否则，LMA将会在LMA服务集合中发送设置组播标志位的Interest消息，其中包含MN的HNP，其他的LMA将意识到这个Interest消息是用于请求该HoA的对应MAG，那么具有该信息的LMA将以Data数据包进行响应。如果在一段时间内LMA没有收到对应的Data，将认为该MN未建立可用绑定，从而丢弃该CN发送的数据包。

Claims (10)

1.一种基于命名数据网络覆盖层的IPv6移动通信方法，其步骤为：
1)在分布式MIPv6的核心网中部署一HA服务集合；其中，该HA服务集合中包括多台共享同一名字的家乡代理HA，且每个HA配置一可达的IPv6地址；HA服务集合中的HA对外通告该名字信息，网络中的路由器记录距离自己位置最近的HA；
2)当移动节点MN从新的接入网络MAG接收到新的路由器通告消息RA时，将配置新的CoA，并发起绑定更新消息给HA；绑定更新消息承载在Interest消息里，且该Interest消息中包括该MN的转交地址CoA和家乡地址HoA；
3)当HA接收到MN的Interest消息时，为该MN建立绑定；然后对该HA所在的HA服务集合中的HA进行状态同步；
4)当MN发送数据包到对端节点CN时，将该数据包的目的地址设置为该CN的地址、源地址设置为该MN的HoA；
5)该CN发送数据包给该MN时，该数据包基于路由协议被转发到距离该CN最近的HA；该HA检查其绑定更新列表定位对应HoA的条目：如果找到对应HoA的条目，该HA将该数据包转发到MN对应的CoA；否则，该HA在该HA服务集合中发送设置组播标志位的Interest消息，其中包含该MN的HoA，具有该MN对应HoA的条目的HA将进行响应；如果在设定时间内距离该CN最近的HA没有收到对应的响应信息，则丢弃该CN发送的数据包。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该名字作为一条域名记录存储在域名系统数据库中。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该名字作为MIPv6服务的基本信息配置在策略仓库中。
4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，进行状态同步的方法为：该HA发出一条新的Interest消息至归属于同一HA服务集合的每一HA；在该新的Interest消息中设置组播路由标志位以及包含该MN的转交地址CoA和家乡地址HoA。
5.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，具有该MN对应HoA的条目的HA将以Data数据包进行响应。
6.一种基于命名数据网络覆盖层的IPv6移动通信方法，其步骤为：
1)在分布式PMIPv6的核心网中部署一LMA服务集合；其中，该LMA服务集合中包括多台共享同一名字的本地移动锚点LMA，且每个LMA配置一可达的IPv6地址；LMA服务集合中的LMA对外通告相同的名字信息，网络中的路由器记录距离自己位置最近的LMA；
2)当MN切换到新的接入网络MAG时，MAG将发起的代理绑定更新消息PBU将被路由到最近的LMA；该PBU消息承载在Interest消息里，且该Interest消息中包括该MN的标识信息和该MAG的地址；接收到Interest的LMA以Data数据包进行响应，作为BA消息，其中携带分配给MN的前缀HNP；
3)当LMA接收到MAG发送的该Interest消息时，为该MN建立绑定，然后对该LMA所在的LMA服务集合中的LMA进行状态同步；
4)对于MN发送到对端节点CN的数据包，设置该数据包的源地址为该MN前缀HNP配置的家乡地址HoA、目的地址为该CN地址；
5)对于该CN发送给该MN的数据包，该数据包基于路由协议被转发到距离该CN最近的LMA；该LMA检查其绑定更新列表定位对应HNP的条目：如果找到对应HNP的条目，该LMA将该数据包转发到该MN对应的MAG；否则，该LMA将会在LMA服务集合中发送设置组播标志位的Interest消息，其中包含MN的HNP；具有该MN对应的MAG信息的LMA将进行响应；如果在设定时间内距离该CN最近的LMA没有收到对应的响应信息，则丢弃该CN发送的数据包。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将该名字作为一条域名记录存储在域名系统数据库中。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将该名字作为PMIPv6服务的基本信息配置在策略仓库中。
9.如权利要求6或7或8所述的方法，其特征在于，进行状态同步的方法为：该LMA发出一条新的Interest消息至同一LMA服务集合的每一LMA；该新的Interest消息中包含MN的标识信息和MAG的地址。
10.如权利要求6或7或8所述的方法，其特征在于，具有该MN对应的MAG信息的LMA将以Data数据包进行响应。
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