CN107396335B - 异构网络下的移动切换管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异构网络下的移动切换管理方法，该方法由网络侧完成，且MN的位置信息由POF控制器上的ULM库管理，从而屏蔽了通信双方的物理位置，可以避免物理位置暴露；同时，不仅能快速重建路径来降低切换延时和通信连续性，而且同时保证高质量的QoE。

Description

异构网络下的移动切换管理方法
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种异构网络下的移动切换管理方法。
背景技术
随着网络技术的快速发展，移动终端的数量爆发式增长，未来移动网络将成为网络主导。面对海量的移动设备，传统移动网络管理方案渐渐无法适应。自软件定义网络(SDN,Software Defined Network)的新型网络架构被提出以来，在学术界和工业界引起热烈的讨论和探索。SDN是将传统网络的控制平面和数据平面解耦，控制平面集中管理、控制网络行为，数据平面负责转发操作。SDN集中控制的思想和数据面的可编程性，在移动管理方面具有先天优势。相关研究表明，基于SDN的移动管理比传统移动管理方案具有更好的效果。
协议无感知转发协议(POF,Protocol Oblivious Forwarding)作为SDN的实现协议之一，完全解耦了控制面和数据面，比OpenFlow提供了更高的数据面可编程性。
传统移动管理方案有移动IP(Mobile IP)、代理移动IP(Proxy Mobile IP)、分布式移动管理(DMM,Distributed Mobility Management)等。1)移动IP包含家乡代理(HoA,Home Agent)、外地代理(FA,Foreign Agent)。MN(Mobile Node)必须通过HoA转发消息才能与其他节点通信。当MN离HoA较远时，容易形成三角路由，带来不必要的通信延时和带宽消耗。2)代理移动IP在网络中定义一个固定的锚来代替移动IP中的HoA，两个节点之间通过锚和移动接入网关(MAG,Mobility Access Gateway)进行通信。但是，一旦锚发生故障或受到攻击，则整个移动管理方案都会失效。3)DMM则是将移动管理功能分布到网络中的设备中，然而移动切换后通信双方需要借隧道技术才可通信，这会带来额外的隧道开销，无法保证最短路径。
SDN集中控制的特性非常适用于移动网络的管理和控制。现有的基于SDN的移动管理方案中，有提出利用SDN控制器绑定移动管理缓存信息，这会导致控制器额外的控制开销和复杂的交互机制；有提出利用分层控制器设计移动性管理方案，但却没有提及实现细节。
已有的SDN移动管理方案重点关注如何支持移动性，并未考虑如何保证移动切换后流的连续性问题。当移动终端发生频繁切换时，过多的三层切换不仅会引入较长的切换延时，而且增加了网关维持会话的压力，使得移动用户的QoE(Quality of Experience)很难得到保障。实现兼顾低延时和QoE保障的移动管理，是一大挑战，也是一项创新性的移动切换管理方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种异构网络下的移动切换管理方法，该方案不仅能快速重建路径来降低切换延时，而且能保证通信连续性，为移动用户提供高质量的QoE。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种异构网络下的移动切换管理方法，包括：
当异构网络中的第一移动接入网关MAG检测到移动节点MN的依附时，向POF控制器注册MN的信息；
之后，当CN向MN发起通信时，所述POF控制器将接收到与CN连接的第一POF交换机发送PacketIn消息，然后根据CN与MN的用户身份标识UID，来计算CN与MN之间的最优路径，并以源路由协议下发流表给第一POF交换机；此后，第一POF交换机将来自CN的所有数据包都插入帧头SRH，并按照最优路径进行数据传输；
当MN切换到第二MAG后，第二MAG同样向POF控制器注册MN的信息，POF控制器重新计算最优路径，并以源路由协议下发流表给第一POF交换机，使CN通过第一POF交换机以重新计算的最优路径与MN通信。
所述向POF控制器注册MN的信息包括：若POF控制器中已有MN的信息，则更新用户地址映射ULM库中MN与异构网络中MAG的依附关系；若没有，则将MN的信息以及与异构网络中MAG的依附关系插入ULM库。
所述计算CN与MN之间的最优路径包括：
若要考虑体验质量QoE，则计算出一条包含VNF的路径，作为最优路径；
若无需考虑QoE，则计算出一条最短的路径，作为最优路径。
所述第一POF交换机将来自CN的所有数据包都插入SRH，并按照最优路径进行数据传输包括：
所述第一POF交换机接收到流表后安装到交换机中，流表的帧头包含生存时间和输出端口，生存时间表示除入口交换机，即除第一POF交换机外剩余的POF交换机的跳数，每转发一跳则该值减1，数值为0时表示到达目的MAG，即第一MAG；输出端口是通信节点中间所有下一跳交换机的输出端口，所有的端口组合在一起就是完整的路径，使用源路由协议，控制器只需要下发一条流表给入口交换机，则来自CN的所有数据包都会被插入SRH，直至到达第一MAG再删除SRH，然后数据包被转发给通信MN。
当MN依附于第一MAG，且由MN向CN发起通信时，所述POF控制器将接收到第一MAG发送PacketIn消息，然后根据CN与MN的UID，来计算MN与CN之间的最优路径，并以源路由协议下发流表给第一MAG；此后的数据过程与CN向MN发起通信时的数据传输过程一致。
当MN切换到第二MAG后，CN向MN发起通信或者MN向CN发起通信后，这两个节点的数据传输过程与MN依附于第一MAG时的数据传输过程相同。
由上述本发明提供的技术方案可以看出上述方案具有如下优点：
1)由网络侧完成，且MN的位置信息由POF控制器上的ULM(User equipmentlocator mapping)库管理，从而屏蔽了通信双方的物理位置。SDN适用于移动管理，它能在控制平面集中管理、控制网络行为，使整个网络时刻处于控制器的监控下。控制器只需根据移动终端的UID(Universal ID)来计算通信双方的路径，而不必知道移动用户当前所处的网络位置。
2)移动切换过程路径重建快，延时低。移动管理时，使用源路由建立路径。当两个通信节点之间开始建立通信，控制器计算出它们的最优转发路径。控制器仅需下发一条流表给通信节点的入口交换机，这条流表包含着路径上所有转发节点的输出端口。当移动切换发生时，只需更改入口交换机上的流表即可快速完成路径切换。
3)移动切换过程可保持高质量的QoE。在移动切换发生时，用户的QoE是至关重要的，可是已有的移动管理方案尚未涉及。本方案通过在网络中部署VNF(Virtual networkfunction)来保证用户的QoE在移动过程中得以保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的异构网络下的移动切换管理的架构图；
图2为本发明实施例提供的异构网络下的移动切换管理方法的示意图；
图3为本发明实施例提供的源路由协议的原理图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种异构网络下的移动切换管理方法(以下简称“本方法”)，本方法可以解决已有的移动管理方案中存在的三角路由问题，长切换延时以及可靠性问题等缺陷。下面先介绍本方法的原理。
移动管理的主要研究内容为位置管理和移动切换。MN的位置信息由POF控制器上的ULM(UE Locator Mapping，用户地址映射)模块管理。传统网络中，MN由IP标识身份信息和位置信息。本方法中，用UID(用户身份标识)来标识MN的身份信息，用交换机和端口号来标识其位置信息。这能避免无线网络交界处频繁的三层切换带来的延时，同时较好地保持通信连续性。
针对移动切换，本方法在考虑QoE(体验质量)的同时保证切换的低延时。在数据平面，本方案使用基于POF的源路由协议作为转发协议，实现MN和CN(Correspondent node，通信对端)之间路径的快速建立。在一般的基于SDN的移动方案中，控制器是给MN和CN间的所有节点逐条下发流表，移动切换时除了要下发新路径的流表外，还需删除旧路径上所有节点的流表，这带来了不必要的切换延时，而且随着路径中间节点的增多，延时会进一步变大。而本方法中，采用基于POF的源路由协议，当CN向MN发起通信时，源路由则只需由控制器给CN的入口交换机下发一条流表，这条流表包含了两个通信节点之间所有转发节点交换机的输出端口，这使得通信会话路径能快速地建立；在MN移动时，只需更新CN的入口交换机上的流表，这使得切换延时大大降低，同时减轻了控制器的负载压力和链路带宽损耗。在控制平面，本方法在综合考虑服务QoE的前提下制定切换策略。如果服务不需要考虑QoE，那么POF控制器就直接计算一条最短的路径，并将这条路径信息下发给MAG(移动接入网关)；如果服务需要考虑QoE，那么POF控制器需要计算出一条包括所需VNF的路径，利用网络中的VNF来保证用户的QoE。
POF控制器计算路径时，是根据通信双方的UID来计算路径的，即使一方发生位置变化，UID也不会更改。这与传统网络中根据网络前缀来计算路径的方式不同。传统网络中根据网络前缀来标识不同网络，MN的网络前缀会随着位置的变化而变化，这就使得在通信时必须知道通信对端当前所处的网络环境。但本发明中的UID则不同，通信双方只需知道对方的UID，这就使得MN的位置对另一方透明化。
如图1所示，为异构网络下的移动切换管理的架构图。图1中，POF控制器(POFController)，集中控制着网络设备，拥有全局网络视野，维护设备的UID信息；网络接入点(AP,Access Point)，连接着各种异构网络；POF交换机(POF Switch)，是POF网络中的主要组成部分，负责数据转发工作；MAG，负责检测通信节点的依附，监控MN的移动并随时向POF控制器汇报；VNF，部署在数据中心(Data Center)，能保障不同服务的QoE。其中，下方的三条弧形虚线表示MN的移动过程。
异构网络下的移动切换管理的具体过程如图2所示，该切换管理过程可以兼顾低延时和QoE，其步骤如下：
步骤1、当异构网络中的第一MAG检测到移动节点MN的依附时，向POF控制器注册MN的信息。此时，若POF控制器中已有MN的信息，则更新ULM库中MN与异构网络中MAG的依附关系；若没有，则将MN的信息以及与异构网络中MAG的依附关系插入ULM库。
具体如图2所示，过程为：1)MN要依附于第一MAG(也即图2中的MAG 1，这一过程对应于图2中的①)。2)第一MAG向POF控制器注册MN的信息(对应于图2中的②)。
步骤2、当CN向MN发起通信时，所述POF控制器将接收到与CN连接的第一POF交换机发送PacketIn消息，然后根据CN与MN的用户身份标识UID，来计算CN与MN之间的最优路径，并以源路由协议下发流表给第一POF交换机；此后，第一POF交换机将来自CN的所有数据包都插入SRH(帧头)，并按照最优路径进行数据传输。
具体如图2所示，过程为：
1)CN向MN发起通信时，首先要向第一POF交换机(也即图2中的S1)发起请求(这一过程对应于图2中的③)，当前的异构网络中第一POF交换机也相当与一个MAG。
2)但是，此时由于第一POF交换机没有MN的任何信息，因此，第一POF交换机要向POF控制器发送PacketIn消息(对应于图2中的④)。
3)POF控制器收到PacketIn消息后，将根据CN与MN的用户身份标识UID，来计算CN与MN之间的最优路径，并以源路由协议下发流表给第一POF交换机(对应于图2中的⑤)；计算最优路径时，若要考虑QoE，则计算出一条包含VNF的路径(VNF是提前部署在异构网络中的，可以帮助提升QoE)，作为最优路径；若无需考虑QoE，则计算出一条最短的路径，作为最优路径。
4)所述第一POF交换机接收到流表后安装到交换机中，流表的帧头包含生存时间和输出端口，生存时间表示除入口交换机，即除第一POF交换机外剩余的POF交换机的跳数，每转发一跳则该值减1，数值为0时表示到达目的MAG，即第一MAG；输出端口是通信节点中间所有下一跳交换机的输出端口，所有的端口组合在一起就是完整的路径，使用源路由协议，控制器只需要下发一条流表给入口交换机，则来自CN的所有数据包都会被插入SRH，直至到达第一MAG再删除SRH(上述过程对应于图2中的⑥)，然后数据包被第一MAG转发给通信MN(上述过程对应于图2中的⑦)。在这一传输过程中，CN和MN之间的交换机不需要POF控制器下发流表，几乎不需处理数据包就可将数据包转发给下一跳。
当然，在实际过程中，也可以是MN依附于第一MAG后，由MN向CN发起通信，通信过程与上述步骤2类似，即所述POF控制器将接收到第一MAG发送PacketIn消息，然后根据CN与MN的用户身份标识UID，来计算MN与CN之间的最优路径，并以源路由协议下发流表给第一MAG；此后的数据过程与CN向MN发起通信时的数据传输过程一致。总而言之，这两个节点无论谁作为通信发起方，都只需要根据第一个数据包配置一次源路由，后续的数据包就不会再发送PacketIn消息。
步骤3、在实际应用中，MN并非保持静止状态，对于整个异构网络而言，MN发生移动时，可能从第一MAG切换到第二MAG(也即图2中的MAG 2，这一过程对应于图2中的⑧)，当MN切换到第二MAG后，第二MAG同样向POF控制器注册MN的信息(对应于图2中的⑨)，因为POF控制器已有MN的信息，此时只需更新ULM库。虽然MN切换到第二MAG，但由于此时，CN向MN发起通信还在继续，第二MAG不需要向POF控制器发送PacketIn消息，CN也向第一POF交换机发起请求，只需要POF控制器重新计算最优路径，并以源路由协议下发流表给第一POF交换机(对应于图2中的⑩)，从而使MN和CN快速建立起通信联系，后续的数据传输过程(对应于图2中的
Figure GDA0001436098860000071
)与前文的步骤2相同，故不再赘述。
上述过程所涉及的所涉及的源路由协议的原理如图3所示。源路由的帧头(SRH，Source Routing Header)的结构可分为：生存时间(TTL，Time To Live)和输出端口。TTL表示除入口交换机外剩余的交换机的跳数，每转发一跳则该值减1，数值为0时表示到达目的MAG；输出端口是通信节点中间所有下一跳交换机的输出端口，所有的端口组合在一起就是完整的路径。使用源路由，POF控制器只需要下发一条流表给入口交换机(如图2中S1)，则所有经过入口交换机的数据包(如图2中H1发送的数据包)都会被插入SRH，直至到达出口交换机(如图2中的S4)再删除SRH，然后数据包被转发给通信一方(如图2中的H2)。
本发明实施例上述方案，具有如下优点：
1)由网络侧完成，且MN的位置信息由POF控制器上的ULM库管理，从而屏蔽了通信双方的物理位置。SDN适用于移动管理，它能在控制平面集中管理、控制网络行为，使整个网络时刻处于控制器的监控下。控制器只根据UID来计算通信双方的路径，避免了使用网络前缀造成的物理位置暴露。
2)移动切换过程路径重建快，延时低。移动管理时，使用源路由建立路径。当两个通信节点之间开始建立通信，控制器计算出它们的最优转发路径。控制器仅需下发一条流表给通信节点连接着的入口交换机，这条流表包含着路径上所有转发节点的输出端口。当移动切换发生时，与上述过程类似。
3)移动切换过程可实现高质量的QoE。在移动切换发生时，用户的QoE是至关重要的，可是已有的移动管理方案尚未涉及。本方案通过在网络中部署VNF来保证用户的QoE在移动过程中得以保障。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种异构网络下的移动切换管理方法，其特征在于，包括：
当异构网络中的第一移动接入网关MAG检测到移动节点MN的依附时，向POF控制器注册MN的信息；所述向POF控制器注册MN的信息包括：若POF控制器中已有MN的信息，则更新用户地址映射ULM库中MN与异构网络中MAG的依附关系；若没有，则将MN的信息以及与异构网络中MAG的依附关系插入ULM库；
之后，当CN向MN发起通信时，所述POF控制器将接收到与CN连接的第一POF交换机发送PacketIn消息，然后根据CN与MN的用户身份标识UID，来计算CN与MN之间的最优路径，并以源路由协议下发流表给第一POF交换机；此后，第一POF交换机将来自CN的所有数据包都插入帧头SRH，并按照最优路径进行数据传输；
当MN切换到第二MAG后，第二MAG同样向POF控制器注册MN的信息，POF控制器重新计算最优路径，并以源路由协议下发流表给第一POF交换机，使CN通过第一POF交换机以重新计算的最优路径与MN通信。
2.根据权利要求1所述的一种异构网络下的移动切换管理方法，其特征在于，所述计算CN与MN之间的最优路径包括：
若要考虑体验质量QoE，则计算出一条包含VNF的路径，作为最优路径；
若无需考虑QoE，则计算出一条最短的路径，作为最优路径。
3.根据权利要求1所述的一种异构网络下的移动切换管理方法，其特征在于，所述第一POF交换机将来自CN的所有数据包都插入SRH，并按照最优路径进行数据传输包括：
所述第一POF交换机接收到流表后安装到交换机中，流表的帧头包含生存时间和输出端口，生存时间表示除入口交换机，即除第一POF交换机外剩余的POF交换机的跳数，每转发一跳则跳数值减1，跳数值为0时表示到达目的MAG，即第一MAG；输出端口是通信节点中间所有下一跳交换机的输出端口，所有的端口组合在一起就是完整的路径，使用源路由协议，控制器只需要下发一条流表给入口交换机，则来自CN的所有数据包都会被插入SRH，直至到达第一MAG再删除SRH，然后数据包被转发给通信MN。
4.根据权利要求1所述的一种异构网络下的移动切换管理方法，其特征在于，当MN依附于第一MAG，且由MN向CN发起通信时，所述POF控制器将接收到第一MAG发送PacketIn消息，然后根据CN与MN的UID，来计算MN与CN之间的最优路径，并以源路由协议下发流表给第一MAG；此后的数据过程与CN向MN发起通信时的数据传输过程一致。
5.根据权利要求1所述的一种异构网络下的移动切换管理方法，其特征在于，当MN切换到第二MAG后，CN向MN发起通信或者MN向CN发起通信后，这两个节点的数据传输过程与MN依附于第一MAG时的数据传输过程相同。
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