CN108882323B - 一种基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法 - Google Patents

一种基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法，利用SDN概念，在FPMIPv6和MIH协议的基础上，实现一种控制和转发分离的切换控制方法，以降低转交延迟、丢包率和信令开销，优化网络资源的分配，包括移动节点向当前服务网络发送链路状态信息，当前服务网络向SDN控制器请求候选网络资源信息，进行转交初始化；当前服务网络向SDN控制器发起邻居网络请求；SDN控制器通过特定的加权平均算法计算得出最佳的候选网络，并将最佳候选网络的相关信息发给移动节点；SDN控制器下发流表，通知原服务网络和新接入网络修改关于MN的转发规则，实现位置信息的注册和更新；SDN控制器通知原服务网络释放资源；SDN控制器向MN发送切换过程已完成的通知，实现切换的控制。

Description

一种基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法
技术领域
本发明涉及移动通信的技术领域，尤其是指一种基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法。
背景技术
在如今的移动互联网中，移动节点需要在不同的网络之间随时切换，因此保证切换过程中移动节点的通信质量十分重要。为了给移动节点提供更好的服务保证，需要优化切换过程，尽可能减少切换过程中的切换时延、数据丢包率和信令开销，以维持移动节点通信的连续性。移动互联网的迅猛发展，带动了世界范围内的学者和从业人员对新一代移动互联网协议(MIPv6，Mobile IPv6)的研究热情。MIPv6的是基于MIPv4(Mobile IPv4)的改进和扩展，旨在满足移动用户的需求，解决有关网络和访问技术之间的移动性问题。现有的切换控制方法，基本上都是基于移动IPv6协议进行改进，或者将移动MIPv6协议和介质独立切换(MIH，Media Independent Handover)协议进行结合，实现切换控制。但这些方案依然存在以下问题：网络实体本地移动锚点(LMA，Local Mobile Anchor)和移动接入网关(MAG，Mobile Access Gateway)的配置和管理都需要人工进行，耗时且容易出错；MAG作为转发设备，还需要负责一些与移动性相关的较复杂的算法，造成了较大的负担；LMA需要负责数据包的转发和移动节点的移动性管理，使得网络实体的控制和数据转发在同一平面的，不够灵活；没有对网络资源进行统一的调度和管理，无法快速确定目标网络，造成了一定的资源浪费；对候选网络的选择的过程需要移动节点的参与，而通常移动节点是使用电池功能的，这就造成了移动节点额外的能量消耗。
针对现有的方案存在的问题，软件定义网络(SDN，Software Defined Network)恰好可以进行改善。SDN作为一种新型的网络架构，核心是通过OpenFlow协议实现控制和转发的分离，通过集中化的网络控制平面和分布式的数据转发平面来实现对网络资源的统一管理，并进行合理调配，实现对网络性能的优化；同时通过提供开放的编程接口，为网络提供灵活的编程能力，使网络的管理和配置更加灵活。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法，利用SDN在移动性管理中实现控制平面与转发平面分离，降低转发设备的负载，优化网络资源的使用，减少通信开销、丢包率和转交时延，实现一种优化的切换控制方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法，包括以下步骤：
1)移动节点在移动过程中检测链路状态，若当前的链路状态低于某一设定的阈值，就触发一个MIH事件消息，并发送给当前的接入网络，由当前接入网络向SDN控制器发送这个包括移动节点的标识和当前接入网络的标识、地址信息的链路状态报告消息；
2)SDN控制器通过向多个候选网络发起资源查询请求，获取候选网络的状态信息，并根据特定的加权平均算法，计算选出最佳的待接入网络；
3)SDN控制器将选择出的待接入网络的相关标识、地址信息发送给移动节点的原接入网络，移动节点的原接入网络将此消息转发给移动节点；
4)移动节点在收到原接入网络发送过来的包含待接入网络的相关信息的消息后，立即向SDN控制器发出一个MIH消息，通知SDN控制器即将进行转交；
5)SDN控制器收到移动节点发送过来的通知即将进行转交的消息后，立即向当前网络的LMA发送一个带有移动节点的标识、家乡网络前缀和新移动接入网关N-MAG的标识信息的PBU通知LMA更新BCE，LMA就能同时接收来自原接入网络和待接入网络的数据包，然后LMA向SDN控制器发送PBA，确认收到了PBU；
6)SDN控制器在收到LMA发送过来的PBA消息后，立即向选择出的移动节点的最佳候选网络发送资源请求的消息，并在收到回复后，下发流表至最佳候选网络，通知修改关于此移动节点的转发流表；
7)SDN控制器向被选出的最佳候选接入网络发出资源准备请求消息，收到回复后立即通知移动节点开始进行转交；
8)移动节点进行转交，在检测附着至新的接入网络后，立即向N-MAG发送一个MIH事件，代表链路状态的变化；
9)N-MAG收到来自移动节点的代表已成功附着的消息后，立即向SDN控制器发送一个MIH事件消息，通知SDN控制器移动节点已接入新的网络；
10)SDN控制器收到来自新接入网络的MIH事件消息后，就发送Openflow消息请求移动节点的原接入网络修改关于此移动节点的相关转发路由表，修改完成后，给SDN控制器发送一个资源释放完成的通知；
11)SDN收到这个通知就立即向当前网络的LMA发送一个PBU消息，通知LMA更新移动节点的绑定更新表，LMA清空移动节点的原接入网络的相关链路信息，更新移动节点的新链路信息，完成数据包的传输，LMA完成上述过程后，向SDN控制器回复一个PBA消息，通知SDN控制器完成移动节点链路的绑定更新；
12)SDN控制器在收到LMA发送过来的PBA后，就立即向移动节点的原接入网络发送资源释放的请求消息，请求释放和此移动节点相关的网络资源，完成资源释放后，向SDN控制器发出一个流表已修改完成的通知；
13)SDN控制器收到来自移动节点的原接入网络的资源释放完成的消息后，就发送一个MIH消息给移动节点，通知移动节点整个转交过程结束。
在步骤1)中，需要根据当前接入网络的信号质量、噪声级、链路质量参数计算触发链路质量下降的MIH事件消息的阈值。
在步骤2)中，SDN控制器需要通过特定的加权平均算法，计算候选网络的负载情况，选出能够为移动节点提供最佳服务的网络，并将选出的最佳候选网络的标识、地址信息发送给移动节点的原接入网络，由原接入网络转发给移动节点。
在步骤5)中，数据包通过旧的链路传输，由LMA转发给P-MAG，P-MAG知道了移动节点即将进行转交，接入N-MAG，因此P-MAG将LMA发送过来原本应该直接发送给移动节点的数据包，发给N-MAG，缓存在N-MAG，减少丢包率。
在步骤8)中，N-MAG将下行链路的数据包发送至移动节点，移动节点发送给N-MAG的上行链路的数据包，将由N-MAG发送给P-MAG，经由P-MAG发送给LMA。
在步骤9)中，N-MAG接收到移动节点发送过来的消息后，知道移动节点已完成转交，成功附着至新移动接入网关N-MAG，N-MAG就立即将缓存的数据包全部发送给移动节点。
在步骤11)中，新的链路建立好后，由移动节点的通信对端发送过来的数据包就经由LMA发送至N-MAG，由N-MAG发送给移动节点，至此转交完成，SDN控制器通知移动节点的原接入网络的释放与此移动节点相关的通信链路资源，新的通信链路建立完毕。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明将移动性相关的算法迁移至SDN控制器中，减轻了移动节点接入网关的负载，可以加快数据包的转发速度，整个候选网络的选择过程不会移动节点来说是透明的，不会给移动节点带来额外的能量消耗，这对于使用电池功能的移动节点来说，具有重要的实际意义，在一定程度上增加了网络结构的鲁棒性。
2、本发明加入SDN后，LMA和SDN进行PBU、PBA消息的交互，通过在PBU消息中设置一个标志位，表示LMA与移动节点的原服务网络建立一个临时绑定缓存，同时接收来自原接入网络和待接入网络的数据包，并将数据包缓存在新的接入网络中，最大化地降低丢包率，同时不需要在移动节点的原接入网络和新接入网络之间建立双向隧道，也减少了一定的通信开销。
3、本发明加入SDN控制器可以减少信令的交互，通过发送MIH消息，不再需要单独的转交初始化和对转交初始化进行确认的这一握手过程，转交过程变得更加简单，相比于没有SDN的情况整个过程发送消息的数量也减少了，因此降低了信令开销。
4、本发明中SDN掌握网络的全局视图，监控网络状态，搜集网络信息，为移动节点选择最佳的候选网络。
附图说明
图1为本发明的架构图。
图2为本发明的通信过程序列图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，以下将结合附图和具体实施例，对本发明做进一步详细描述。
参见图1所示，本发明的基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法，包括SDN控制器、LMA、由原接入网络的接入点P-AP和移动接入网关P-MAG、新接入网络的接入点N-AP和移动接入网关N-MAG、移动节点，其中：
移动节点的移动模式是随机游走，从原接入网络移动到新接入网络中，用于接收接入网络的接入点、SDN控制器发送的消息和接入网络的移动接入网关发送的数据和消息，并检测当前连接的网络的链路状态，反馈给当前接入网络的接入点，移动节点有多个网络接口，但只有一个接口用来接收数据；
SDN控制器，与LMA、P-MAG、N-MAG相连接，基于MIH消息和OpenFlow消息完成对移动节点的切换过程的控制；
SDN控制器负责通过特定的负载均衡算法，对候选网络的信号质量、噪声级、链路质量等参数进行计算选出能为移动节点提供最佳服务的候选网络，掌握网络的全局视图。
LMA用于和SDN、P-MAG、N-MAG进行信息交互、数据包转发和缓存；
P-MAG和N-MAG用于与LMA和SDN控制器进行信息交互，是支持OpenFlow协议的虚拟交换机，具有缓存数据包的功能。
P-AP和N-AP是支持OpenFlow协议和MIH中的介质独立切换功能的连接至IP子网的链路层设备，用于和移动节点进行信息交互，为移动节点提供无线连接，是一个虚拟交换机。
本发明的基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法的架构，包括至少一个原接入网络和两个目标候选网络，其中原接入网络和目标候选网络的接入点目前最常用的WiFi网络,假设所有的网络实体均已安装部署了MIHF。
参见图2所示，所述的基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法，包括以下步骤：
1)移动节点在移动过程中检测链路状态，若当前的链路状态低于某一设定的阈值RL2，就触发一个链路质量下降的MIH事件消息，并发送给当前的接入网络，由当前接入网络向SDN控制器发送这个包括移动节点的标识和当前接入网络的标识、地址等信息的链路状态报告消息；其中，需要根据当前接入网络的信号质量、噪声级、链路质量等参数计算触发链路质量下降的MIH事件消息的阈值。
2)SDN控制器通过向多个候选网络发起资源查询消息，获取候选网络的状态信息，并根据特定的加权平均算法，计算选出最佳的待接入网络；其中，SDN控制器需要通过特定的加权平均算法，计算候选网络的负载情况，选出可以为移动节点提供最佳服务的网络，并将选出的最佳候选网络的标识、地址等信息发送给移动节点的原接入网络，由原接入网络转发给移动节点。
SDN控制器为移动节点确定最佳的候选网络，代替了MAG执行移动性相关的一些较复杂的计算，减轻了MAG的负载，提高了数据包的转发速度，使MAG的消息数据处理速率也有一定提升，优化了网络资源的利用，SDN控制器中对候选网络的选择过程对移动节点来说是完全透明的，不需要移动节点的参与，SDN控制器完成对候选网络的选择后，只需将选择出的最佳候选网络的相关信息发送给P-MAG，再由P-MAG转发给移动节点。
3)SDN控制器将选择出的待接入网络的相关标识、地址等信息发送给移动节点的原接入网络，移动节点的原接入网络将此消息转发给移动节点；其中，这个过程中原接入网络和新接入网络就分别记录了移动节点的相关标识等信息。
4)移动节点在收到原接入网络发送过来的包含待接入网络的相关信息的消息后，立即向SDN控制器发出一个MIH消息，通知SDN控制器即将进行转交。
5)SDN控制器收到移动节点发送过来的通知即将进行转交的消息后，立即向当前网络的LMA发送一个带有移动节点的标识、家乡网络前缀和N-MAG的标识等信息的PBU通知LMA更新BCE，LMA建立一个临时绑定缓存，于是LMA就能同时接收来自原接入网络和待接入网络的数据包，然后LMA向SDN控制器发送PBA，确认收到了PBU；
其中，LMA收到PBU后，并不会立即清除有关此移动节点的相关地址信息，而是通过SDN控制器发送过来的PBU消息中，读取关于最佳候选网络的标识、地址等信息，然后建立一条道移动节点的待接入候选网络的临时通信链路，同时接收来自原接入网络和待接入网络的数据包，减少丢包率。
数据包通过旧的链路传输，由LMA转发给P-MAG，P-MAG知道了移动节点即将进行转交，接入N-MAG，因此P-MAG将LMA发送过来原本应该直接发送给移动节点的数据包，发给N-MAG，缓存在N-MAG，减少丢包率。
6)SDN控制器在收到LMA发送过来的PBA消息后，立即向选择出的移动节点的最佳候选网络发送资源请求的消息，并在收到回复后，下发流表至最佳候选网络，增加或修改关于此移动节点的转发流表。
7)SDN控制器向被选出的最佳候选接入网络发出资源准备请求消息，收到回复后立即通知移动节点可以开始进行转交。
8)移动节点进行转交，在检测附着至新的接入网络后，立即向N-MAG发送一个MIH事件，代表链路状态的变化；其中，N-MAG将下行链路的数据包发送至移动节点，移动节点发送给N-MAG的上行链路的数据包，将由N-MAG发送给P-MAG，经由P-MAG发送给LMA。
9)新的接入网络N-MAG收到来自移动节点的代表已成功附着的消息后，立即向SDN控制器发送一个MIH事件消息，通知SDN控制器移动节点已接入新的网络；其中，N-MAG接收到移动节点发送过来的消息后，知道移动节点已完成转交，成功附着至新接入网络N-MAG，N-MAG就立即将缓存的数据包全部发送给移动节点。
10)SDN控制器收到来自新接入网络的MIH事件消息后，就发送OpenFlow消息请求移动节点的原接入网络修改关于此移动节点的相关转发路由表，修改完成后，给SDN控制器发送一个消息表示流表已修改完成的通知；
其中，SDN控制器作为网络的核心，对数据转发平面进行控制，实现了控制与转发的分离。
11)SDN收到这个通知就立即向当前网络的LMA发送PBU消息，通知LMA更新移动节点的绑定更新表，LMA清空移动节点的原接入网络的相关链路信息，更新移动节点的新链路信息，完成数据包的传输，LMA完成上述过程后，向SDN控制器回复一个PBA消息，通知SDN控制器完成移动节点链路的绑定更新；其中，新的链路就建立好后，由移动节点的通信对端发送过来的数据包就经由LMA发送至N-MAG，由N-MAG发送给移动节点，至此转交完成，SDN控制器通知移动节点的原接入网络的释放与此移动节点相关的通信链路资源，新的通信链路建立完毕。
12)SDN控制器在收到LMA发送过来的PBA后，就立即向移动节点的原接入网络发送资源释放的请求消息，请求释放和此移动节点相关的网络资源，完成资源释放后，向SDN控制器发出一个资源释放完成的通知。
其中，SDN控制器回收或下发预分配资源，避免了网络资源的浪费，提升了网络资源的利用率；
13)SDN控制器收到来自移动节点的原接入网络的资源释放完成的消息后，就发送一个MIH消息给移动节点，通知移动节点整个转交过程结束。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)移动节点在移动过程中检测链路状态，若当前的链路状态低于某一设定的阈值，就触发一个MIH事件消息，并发送给当前的接入网络，由当前接入网络向SDN控制器发送这个包括移动节点的标识和当前接入网络的标识、地址信息的链路状态报告消息；
2)SDN控制器通过向多个候选网络发起资源查询请求，获取候选网络的状态信息，并根据特定的加权平均算法，计算选出最佳的待接入网络；
3)SDN控制器将选择出的待接入网络的相关标识、地址信息发送给移动节点的原接入网络，移动节点的原接入网络将此消息转发给移动节点；
4)移动节点在收到原接入网络发送过来的包含待接入网络的相关信息的消息后，立即向SDN控制器发出一个MIH消息，通知SDN控制器即将进行转交；
5)SDN控制器收到移动节点发送过来的通知即将进行转交的消息后，立即向当前网络的LMA发送一个带有移动节点的标识、家乡网络前缀和新移动接入网关N-MAG的标识信息的PBU通知LMA更新BCE，LMA就能同时接收来自原接入网络和待接入网络的数据包，然后LMA向SDN控制器发送PBA，确认收到了PBU；
6)SDN控制器在收到LMA发送过来的PBA消息后，立即向选择出的移动节点的最佳候选网络发送资源请求的消息，并在收到回复后，下发流表至最佳候选网络，通知修改关于此移动节点的转发流表；
7)SDN控制器向被选出的最佳候选接入网络发出资源准备请求消息，收到回复后立即通知移动节点开始进行转交；
8)移动节点进行转交，在检测附着至新的接入网络后，立即向N-MAG发送一个MIH事件，代表链路状态的变化；
9)N-MAG收到来自移动节点的代表已成功附着的消息后，立即向SDN控制器发送一个MIH事件消息，通知SDN控制器移动节点已接入新的网络；
10)SDN控制器收到来自新接入网络的MIH事件消息后，就发送Openflow消息请求移动节点的原接入网络修改关于此移动节点的相关转发路由表，修改完成后，给SDN控制器发送一个资源释放完成的通知；
11)SDN收到这个通知就立即向当前网络的LMA发送一个PBU消息，通知LMA更新移动节点的绑定更新表，LMA清空移动节点的原接入网络的相关链路信息，更新移动节点的新链路信息，完成数据包的传输，LMA完成上述过程后，向SDN控制器回复一个PBA消息，通知SDN控制器完成移动节点链路的绑定更新；
12)SDN控制器在收到LMA发送过来的PBA后，就立即向移动节点的原接入网络发送资源释放的请求消息，请求释放和此移动节点相关的网络资源，完成资源释放后，向SDN控制器发出一个流表已修改完成的通知；
13)SDN控制器收到来自移动节点的原接入网络的资源释放完成的消息后，就发送一个MIH消息给移动节点，通知移动节点整个转交过程结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法，其特征在于：在步骤1)中，需要根据当前接入网络的信号质量、噪声级、链路质量参数计算触发链路质量下降的MIH事件消息的阈值。
3.根据权利要求1所述的一种基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法，其特征在于：在步骤2)中，SDN控制器需要通过特定的加权平均算法，计算候选网络的负载情况，选出能够为移动节点提供最佳服务的网络，并将选出的最佳候选网络的标识、地址信息发送给移动节点的原接入网络，由原接入网络转发给移动节点。
4.根据权利要求1所述的一种基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法，其特征在于：在步骤5)中，数据包通过旧的链路传输，由LMA转发给P-MAG，P-MAG知道了移动节点即将进行转交，接入N-MAG，因此P-MAG将LMA发送过来原本应该直接发送给移动节点的数据包，发给N-MAG，缓存在N-MAG，减少丢包率。
5.根据权利要求1所述的一种基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法，其特征在于：在步骤8)中，N-MAG将下行链路的数据包发送至移动节点，移动节点发送给N-MAG的上行链路的数据包，将由N-MAG发送给P-MAG，经由P-MAG发送给LMA。
6.根据权利要求1所述的一种基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法，其特征在于：在步骤9)中，N-MAG接收到移动节点发送过来的消息后，知道移动节点已完成转交，成功附着至新移动接入网关N-MAG，N-MAG就立即将缓存的数据包全部发送给移动节点。
7.根据权利要求1所述的一种基于SDN的IPv6网络移动节点切换控制方法，其特征在于：在步骤11)中，新的链路建立好后，由移动节点的通信对端发送过来的数据包就经由LMA发送至N-MAG，由N-MAG发送给移动节点，至此转交完成，SDN控制器通知移动节点的原接入网络的释放与此移动节点相关的通信链路资源，新的通信链路建立完毕。
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