CN113285894B - 基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及网络通信技术领域，具体涉及基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制方法及系统，该系统包括：移动终端节点、移动接入点、可编程交换节点和控制节点，控制节点包括本地控制节点和全局控制节点，所述移动终端节点通过无线数据链路与移动接入点连接通信，所述移动接入点通过有线数据链路与可编程交换节点连接通信，所述可编程交换节点、本地控制节点和全局控制节点之间通过控制链路依次连接通信。发明可以有效管理身份标识网络中各网络节点的身份标识与位置标识，实现两者的解耦，有效支持身份标识网络的移动性，同时借助可编程交换机可以柔性灵活地支持移动性管理消息报文的转发，提高身份标识网络在现网中的兼容性。

Description

基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制方法及系统

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，具体涉及基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制方法及系统。

背景技术

全球的移动设备数量以指数级别爆炸式增长，正在逐渐取代固定主机在互联网当中的主导地位，而且Wi-Fi和移动设备的流量规模也将超过其他设备的互联网流量，移动互联网的发展势在必行。现有基于TCP/IP协议栈的互联网技术在设计之初并没有考虑移动性。例如，IP地址具有身份标识和位置标识双重属性，它在传输层中作为终端主机网络接口的身份标识，同时在网络层中作为终端主机网络接口在网络拓扑中的位置标识。因此，当终端设备从一个网络位置移动至另一个网络位置时，代表位置标识的IP地址会发生变化，这不仅会导致端到端的路由路径发生变化，而且会使与位置标识同义的身份标识发生变化，进而导致传输连接和应用发生中断。

以MobilityFirst为代表的身份标识网络旨在通过解耦IP地址的身份标识与位置标识双重语义以支持无缝的主机和网络移动性。与传统互联网不同，MobilityFirst通过不同的名称认证服务为网络中的各种对象分配一个全局唯一标识符（GUID, GloballyUnique IDentifier）作为身份标识，分配给该网络对象的GUID会被映射该网络对象的一组网络地址（NA, Network Address），该网络地址代表该网络对象的位置标识。在通信过程中，MobilityFirst会先将GUID映射到NA，然后再使用NA进行路由。那么，当终端节点发生移动，作为位置标识的NA会改变，但是作为身份标识的GUID无需改变，所以当终端节点重新接入网络后，只需将身份标识映射到新的位置标识即可恢复通信，从而有效解决传统网络难以支持移动性的问题。

然而，MobilityFirst与现有网络设备之间的兼容性较差，难以应用推广。MobilityFirst从二层以上重新设计了网络协议栈，现有的交换设备、路由设备大多都是针对TCP/IP协议栈设计开发的硬件设备，即使是基于应用层实现的软件交换机也需要根据特定的开发平台重新设计实现协议栈。

发明内容

鉴于此，本发明提供了基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制方法及系统，利用P4可编程交换机所提供的软件定义数据平面，灵活支持MobilityFirst身份标识网络的协议栈，其具体技术方案如下：

基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制系统包括：移动终端节点、移动接入点、可编程交换节点和控制节点，控制节点包括本地控制节点和全局控制节点，所述移动终端节点通过无线数据链路与移动接入点连接通信，所述移动接入点通过有线数据链路与可编程交换节点连接通信，所述可编程交换节点、本地控制节点和全局控制节点之间通过控制链路依次连接通信；

所述移动终端节点包括智能手机、平板电脑或者其他具备无线接入功能的计算设备；所述移动接入点，用于释放无线网络信号，维护与移动终端节点之间的连接状态信息；所述可编程交换节点，用于网络节点之间的消息转发；所述本地控制节点，用于维护本地网络内移动终端节点的身份标识信息；所述全局控制节点，用于维护全局网络内移动终端节点身份标识与其所在网络的位置标识之间的绑定关系。

进一步的，所述可编程交换节点与本地控制节点之间的通信协议采用包括P4runtime、Bfruntime的南北向接口协议，本地控制节点和全局控制节点之间采用典型的东西向接口协议。

进一步的，所述移动接入点的功能模块，由无线模块、转发模块、接入探测模块和局部连接状态信息库组成，其中无线模块用于支持Wi-Fi/Wi-MAX的无线接入协议，转发模块用于网络中数据报文以及控制报文的二层转发，接入探测模块负责探测移动终端节点的接入状态，局部连接状态信息库负责记录当前接入的移动终端节点信息，包括身份标识与物理地址。

进一步的，所述本地控制节点与全局控制节点采用相同的功能模块结构，包括：拓扑发现模块、路由计算模块、移动管理模块和连接状态信息库。

进一步的，本地控制节点的移动管理模块负责处理由可编程交换节点上报的接入请求/离开消息，并在本地控制节点的连接状态信息库中增加/删除/更新所接入的移动终端节点信息，本地控制节点的控制连接状态信息库记录所接入移动终端节点的身份标识、位置标识，以及移动接入点的身份标识。

进一步的，全局控制节点的移动管理模块负责处理来自本地控制节点上报的身份-位置标识绑定/解绑消息，并在全局控制节点的连接状态信息库中增加/删除/更新移动终端节点的身份标识和位置标识信息，全局控制节点的连接状态信息库记录所接入移动终端节点的身份标识、位置标识，以及移动接入点的身份标识。

基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制方法，包括以下步骤：

步骤1：移动终端节点通过Wi-Fi/WiMAX无线接入协议连接移动接入点；

步骤2：移动接入点与所接入的移动终端节点周期性交互连接状态探测消息，通过局部连接状态信息库记录接入的移动终端节点的身份标识；

步骤3：移动接入点通过可编程交换节点与本地控制节点交互接入请求消息与接入离开消息，本地控制节点通过本地的连接状态信息库记录从该子网接入的移动终端节点的身份标识；

步骤4：本地控制节点与全局控制节点交互身份-位置标识绑定与解绑消息，全局控制节点通过全局的连接状态信息库，记录网络中所有移动终端节点身份标识与其所接入子网位置标识之间的绑定关系。

进一步的，所述的步骤2，具体包括：

步骤2.1：移动接入点的局部连接状态信息库记录该移动接入点所连接的移动终端节点的身份标识信息，以及对应的生存时间；

步骤2.2：移动接入点向局部连接状态信息库中的移动终端节点，单播发送连接状态探测消息，该消息报文承载在以太网数据链路层上，包含移动接入点的身份标识作为源身份标识，移动终端节点身份标识作为目的身份标识；

步骤2.3：移动接入点通过无线网络端口广播发送连接状态探测消息，该消息报文承载在以太网数据链路层上，包含了移动接入点的身份标识作为源身份标识，广播身份标识作为目的身份标识；

步骤2.4：移动终端节点收到连接状态探测消息后，向移动接入点反馈连接状态响应消息，该消息报文承载在以太网数据链路层上，包含了移动终端节点的身份标识作为源身份标识，移动接入点的身份标识作为目的身份标识；

步骤2.5：移动接入点收到连接状态响应消息之后，将该消息报文携带的移动终端节点身份标识添加入局部连接状态信息库，并更新该移动终端节点的生存时间；

步骤2.6：局部连接状态信息库在超时定时器告警后仍没有收到来自移动终端节点的连接状态响应消息，则删除该移动终端节点的身份标识信息。

进一步的，所述的步骤3，具体包括：

步骤3.1：局部连接状态信息库新增移动终端节点身份标识信息之后，移动接入点向本地控制节点发送接入请求消息，该消息报文承载在以太网数据链路层上，包含了源身份标识为移动接入点身份标识，目的身份标识为本地控制节点的身份标识，载荷为移动终端节点身份标识；

步骤3.2：局部连接状态信息库删除移动终端节点身份标识信息之后，移动接入点向本地控制节点发送接入离开消息，该消息报文承载在以太网数据链路层上，包含了源身份标识为移动接入点身份标识，目的身份标识为本地控制节点的身份标识，载荷为移动终端节点身份标识；

步骤3.3：与移动接入点直连的可编程交换节点收到接入请求消息/接入离开消息，解析消息报文类型字段与目的身份标识并匹配查找本地转发规则，将该报文通过南北向接口协议上报至本地控制节点；

步骤3.4：本地控制节点收到接入请求消息/接入离开消息，在本地的连接状态信息库中新增/删除对应的一端终端节点身份标识，继而通过东西向接口协议向全局控制节点上报身份-位置标识绑定/解绑消息，该消息报文包含了移动终端节点的身份标识，本地控制节点所在子网络自治域的位置标识；

步骤3.5：全局控制节点收到身份-位置标识绑定/解绑消息，在全局的连接状态信息库中新增/删除对应的身份标识-位置标识绑定信息。

本发明的优点：

本发明可以有效管理身份标识网络中各网络节点的身份标识与位置标识，实现两者的解耦，有效支持身份标识网络的移动性，同时借助可编程交换机可以柔性灵活地支持移动性管理消息报文的转发，提高身份标识网络在现网中的兼容性。

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基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的移动接入点功能模块示意图；

图3为本发明实施例提供的控制节点功能模块示意图；

图4为本发明实施例提供的本地控制节点本地连接状态信息库示意图；

图5为本发明实施例提供的全局控制节点全局连接状态信息库示意图；

图6为本发明实施例提供的基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明技术方案进行清楚、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。

如图1所示，本发明的基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制系统，在数据平面，包含移动终端节点、移动接入点AP、P4可编程交换节点，这三种组件之间通过无线/有线数据链路进行通信；在控制平面为控制节点，包含本地控制节点和全局控制节点，这两种组件之间通过控制链路进行通信。

具体的，所述移动终端节点通过无线数据链路与移动接入点连接通信，所述移动接入点通过有线数据链路与可编程交换节点连接通信，所述可编程交换节点、本地控制节点和全局控制节点之间通过控制链路依次连接通信；

所述移动终端节点包括智能手机、平板电脑或者其他具备无线接入功能的计算设备，支持MobilityFirst身份标识网络的主机协议栈；所述移动接入点，用于释放无线网络信号，维护与移动终端节点之间的连接状态信息；所述可编程交换节点，用于网络节点之间的消息转发；所述本地控制节点，用于维护本地网络内移动终端节点的身份标识信息；所述全局控制节点，用于维护全局网络内移动终端节点身份标识与其所在网络的位置标识之间的绑定关系。

所述可编程交换节点与本地控制节点之间的通信协议可以采用P4runtime、Bfruntime等南北向接口协议，控制节点之间可以采用典型的东西向接口协议。

如图2所示，移动接入点AP的功能模块，主要由无线模块、转发模块、接入探测模块和局部连接状态信息库组成，其中无线模块用于支持Wi-Fi/Wi-MAX等无线接入协议，转发模块用于网络中数据报文以及控制报文的二层数据链路层转发，接入探测模块和局部连接状态信息库是移动接入点的关键模块，前者负责探测移动终端节点的接入状态，后者负责记录当前接入的移动终端节点信息，如身份标识与物理地址。

P4可编程交换节点可以是Bmv2、Tofino等支持P4可编程能力的交换节点，灵活支持MobilityFirst身份标识网络数据报文转发，以及控制报文上传控制节点。

如图3所示，所述本地控制节点与全局控制节点采用相同的功能模块结构，包括：拓扑发现模块、路由计算模块、移动管理模块和连接状态信息库，其中拓扑发现模块和路由计算模块是控制节点管理数据平面组件的典型功能，而移动管理模块与连接状态信息库是本发明实施例的关键功能模块。

本地控制节点的移动管理模块负责处理由可编程交换节点上报的接入请求/离开消息，并在本地控制节点的连接状态信息库中增加/删除/更新所接入的移动终端节点信息。本地控制节点的连接状态信息库，所记录的信息条目如图4所示，主要记录所接入移动终端节点的身份标识、位置标识，以及移动接入点的身份标识。

全局控制节点的移动管理模块负责处理来自本地控制节点上报的身份-位置标识绑定/解绑消息，并在全局控制节点的连接状态信息库中增加/删除/更新移动终端节点的身份标识和位置标识信息。全局控制节点的连接状态信息库所记录的信息条目如图5所示，主要记录所接入移动终端节点的身份标识、位置标识，以及移动接入点的身份标识。

根据本发明实施例的上述基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制系统，可以保证身份标识与位置标识的分离，由本地/全局控制节点通过可编程交换节点和移动节点有效管理移动终端节点的移动性，从而保证了移动终端节点在网络位置改变前后端到端连接不中断。

根据本发明实施例，还提供了一种基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制方法，该方法可以利用上述系统实现。

如图6所示，基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制方法，主要包括以下步骤：

步骤1：移动终端节点通过Wi-Fi/WiMAX等无线接入协议就近连接一个移动接入点；

步骤2：移动接入点与所接入的移动终端节点周期性交互连接状态探测消息，移动接入点维护局部连接状态信息库，该信息库记录从移动接入点接入的移动终端节点的身份标识；

步骤3：移动接入点通过可编程交换节点与本地控制节点交互接入请求消息与接入离开消息，本地控制节点维护本地的连接状态信息库，该信息库记录从该子网接入的移动终端节点的身份标识；

步骤4：本地控制节点与全局控制节点交互身份-位置标识绑定与解绑消息，全局控制节点维护全局的连接状态信息库，该信息库记录网络中所有移动终端节点身份标识与其所接入子网位置标识之间的绑定关系。

其中，所述的步骤2，主要包含以下子步骤：

步骤2.1：移动接入点的局部连接状态信息库记录该移动接入点所连接的移动终端节点的身份标识信息，以及对应的生存时间；

步骤2.2：移动接入点向局部连接状态信息库中的移动终端节点，单播发送连接状态探测消息，该消息报文承载在以太网数据链路层上，包含了移动接入点的身份标识作为源身份标识，移动终端节点身份标识作为目的身份标识；

步骤2.3：移动接入点通过无线网络端口广播发送连接状态探测消息，该消息报文承载在以太网数据链路层上，包含了移动接入点的身份标识作为源身份标识，广播身份标识作为目的身份标识；

步骤2.4：移动终端节点收到连接状态探测消息后，向移动接入点反馈一个连接状态响应消息，该消息报文承载在以太网数据链路层上，包含了移动终端节点的身份标识作为源身份标识，移动接入点的身份标识作为目的身份标识；

步骤2.5：移动接入点收到连接状态响应消息之后，将该消息报文携带的移动终端节点身份标识添加入局部连接状态信息库，并更新该移动终端节点的生存时间；

步骤2.6：局部连接状态信息库在超时定时器告警后仍没有收到来自移动终端节点的连接状态响应消息，则删除该移动终端节点的身份标识信息。

所述的步骤3，主要包含以下子步骤：

步骤3.1：局部连接状态信息库新增移动终端节点身份标识信息之后，移动接入点向本地控制节点发送接入请求消息，该消息报文承载在以太网数据链路层上，包含了源身份标识为移动接入点身份标识，目的身份标识为本地控制节点的身份标识，载荷为移动终端节点身份标识；

步骤3.2：局部连接状态信息库删除移动终端节点身份标识信息之后，移动接入点向本地控制节点发送接入离开消息，该消息报文承载在以太网数据链路层上，包含了源身份标识为移动接入点身份标识，目的身份标识为本地控制节点的身份标识，载荷为移动终端节点身份标识；

步骤3.3：与移动接入点直连的可编程交换节点收到接入请求消息/接入离开消息，解析消息报文类型字段与目的身份标识并匹配查找本地转发规则，可知需将该报文通过南北向接口协议上报至本地控制节点；

步骤3.4：本地控制节点收到接入请求消息/接入离开消息，在本地的连接状态信息库中新增/删除对应的一端终端节点身份标识，继而通过东西向接口协议向全局控制节点上报身份-位置标识绑定/解绑消息，该消息报文包含了移动终端节点的身份标识，本地控制节点所在子网络自治域的位置标识；

步骤3.5：全局控制节点收到身份-位置标识绑定/解绑消息，在全局的连接状态信息库中新增/删除对应的身份标识-位置标识绑定信息。

如上所述，借助本发明实施例提供的实现方法，可以有效管理身份标识网络中各网络节点的身份标识与位置标识，实现两者的解耦，有效支持身份标识网络的移动性，同时借助可编程交换机可以柔性灵活地支持移动性控制消息报文的转发，提高身份标识网络在现网中的兼容性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制系统，其特征在于，包括：移动终端节点、移动接入点、可编程交换节点和控制节点，控制节点包括本地控制节点和全局控制节点，所述移动终端节点通过无线数据链路与移动接入点连接通信，所述移动接入点通过有线数据链路与可编程交换节点连接通信，所述可编程交换节点、本地控制节点和全局控制节点之间通过控制链路依次连接通信；

所述移动终端节点包括智能手机、平板电脑或者其他具备无线接入功能的计算设备；所述移动接入点，用于释放无线网络信号，维护与移动终端节点之间的连接状态信息；所述可编程交换节点，用于网络节点之间的消息转发；所述本地控制节点，用于维护本地网络内移动终端节点的身份标识信息；所述全局控制节点，用于维护全局网络内移动终端节点身份标识与其所在网络的位置标识之间的绑定关系；

所述本地控制节点与全局控制节点采用相同的功能模块结构，包括：拓扑发现模块、路由计算模块、移动管理模块和连接状态信息库；

全局控制节点的移动管理模块负责处理来自本地控制节点上报的身份-位置标识绑定/解绑消息，并在全局控制节点的连接状态信息库中增加/删除/更新移动终端节点的身份标识和位置标识信息，全局控制节点的连接状态信息库记录所接入移动终端节点的身份标识、位置标识，以及移动接入点的身份标识。

2.如权利要求1所述的基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制系统，其特征在于，所述可编程交换节点与本地控制节点之间的通信协议采用包括P4runtime、Bfruntime的南北向接口协议，本地控制节点和全局控制节点之间采用典型的东西向接口协议。

3.如权利要求1所述的基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制系统，其特征在于，所述移动接入点的功能模块，由无线模块、转发模块、接入探测模块和局部连接状态信息库组成，其中无线模块用于支持Wi-Fi/Wi-MAX的无线接入协议，转发模块用于网络中数据报文以及控制报文的二层转发，接入探测模块负责探测移动终端节点的接入状态，局部连接状态信息库负责记录当前接入的移动终端节点信息，包括身份标识与物理地址。

4.如权利要求1所述的基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制系统，其特征在于，本地控制节点的移动管理模块负责处理由可编程交换节点上报的接入请求/离开消息，并在本地控制节点的连接状态信息库中增加/删除/更新所接入的移动终端节点信息，本地控制节点的控制连接状态信息库记录所接入移动终端节点的身份标识、位置标识，以及移动接入点的身份标识。

5.基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：移动终端节点通过Wi-Fi/WiMAX无线接入协议连接移动接入点；

步骤2：移动接入点与所接入的移动终端节点周期性交互连接状态探测消息，通过局部连接状态信息库记录接入的移动终端节点的身份标识；

步骤3：移动接入点通过可编程交换节点与本地控制节点交互接入请求消息与接入离开消息，本地控制节点通过本地的连接状态信息库记录从子网接入的移动终端节点的身份标识；

所述的步骤3，具体包括：

步骤3.1：局部连接状态信息库新增移动终端节点身份标识信息之后，移动接入点向本地控制节点发送接入请求消息报文，该消息报文承载在以太网数据链路层上，包含了源身份标识为移动接入点身份标识，目的身份标识为本地控制节点的身份标识，载荷为移动终端节点身份标识；

步骤3.2：局部连接状态信息库删除移动终端节点身份标识信息之后，移动接入点向本地控制节点发送接入离开消息报文，该消息报文承载在以太网数据链路层上，包含了源身份标识为移动接入点身份标识，目的身份标识为本地控制节点的身份标识，载荷为移动终端节点身份标识；

步骤3.3：与移动接入点直连的可编程交换节点收到接入请求消息/接入离开消息，解析消息报文类型字段与目的身份标识并匹配查找本地转发规则，将该报文通过南北向接口协议上报至本地控制节点；

步骤3.4：本地控制节点收到接入请求消息/接入离开消息，在本地的连接状态信息库中新增/删除对应的一端终端节点身份标识，继而通过东西向接口协议向全局控制节点上报身份-位置标识绑定/解绑消息报文，该消息报文包含了移动终端节点的身份标识，本地控制节点所在子网络自治域的位置标识；

步骤3.5：全局控制节点收到身份-位置标识绑定/解绑消息，在全局的连接状态信息库中新增/删除对应的身份标识-位置标识绑定信息；

步骤4：本地控制节点与全局控制节点交互身份-位置标识绑定与解绑消息，全局控制节点通过全局的连接状态信息库，记录网络中所有移动终端节点身份标识与其所接入子网位置标识之间的绑定关系。

6.如权利要求5所述的基于可编程交换机的身份标识网络移动性控制方法，其特征在于，所述的步骤2，具体包括：

步骤2.1：移动接入点的局部连接状态信息库记录该移动接入点所连接的移动终端节点的身份标识信息，以及对应的生存时间；

步骤2.2：移动接入点向局部连接状态信息库中的移动终端节点，单播发送连接状态探测消息报文，该消息报文承载在以太网数据链路层上，包含移动接入点的身份标识作为源身份标识，移动终端节点身份标识作为目的身份标识；

步骤2.3：移动接入点通过无线网络端口广播发送连接状态探测消息报文，该消息报文承载在以太网数据链路层上，包含了移动接入点的身份标识作为源身份标识，广播身份标识作为目的身份标识；

步骤2.4：移动终端节点收到连接状态探测消息后，向移动接入点反馈连接状态响应消息，该消息报文承载在以太网数据链路层上，包含了移动终端节点的身份标识作为源身份标识，移动接入点的身份标识作为目的身份标识；

步骤2.5：移动接入点收到连接状态响应消息之后，将该消息报文携带的移动终端节点身份标识添加入局部连接状态信息库，并更新该移动终端节点的生存时间；

步骤2.6：局部连接状态信息库在超时定时器告警后仍没有收到来自移动终端节点的连接状态响应消息，则删除该移动终端节点的身份标识信息。

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