CN113923593B - 一种按需分布式边缘节点移动管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种按需分布式边缘节点移动管理方法，其特征在于：步骤一：根据终端状态选择是否配置合适的用户面锚点，以保证在终端移动过程中建立稳定会话；步骤二：基于控制的形式和转发分离的架构，判断控制面是否分布来调整方案；步骤三：从需求多样性出发，选择单个会话移动性管理颗粒度；步骤四：采用基于VMME的适应性负载均衡优化方法，执行网络AP负载均衡。本发明可以在现有IPv6协议的基础上，提高移动性管理的性能，降低锚点维护成本的开销，减小数据传输过程中的迂回路径，可实现移动性管控功能的边缘化分布和传输路径的集中决策，保证移动通讯过程中的连续性。
Description
技术领域
本发明属于无线通讯技术领域，具体涉及一种按需分布式边缘节点移动管理方法。
背景技术
目前，已被人们广泛认可的标准的移动管理协议有：移动IP协议(Mobile IPProtocol，MIP)、代理移动IP协议(Proxy Mobile IP Protocol，PMIP)和分层的移动IP协议(Hierarchical Mobile IPv6，HMIP)。移动IPv6协议，是一个基于主机的移动性管理协议，在原有IPv6的基础上，它新添加了几个IPv6扩展头以及一些ICMPv6报文，基本解决了MIPv4的三角路由问题。PMIP，是一种基于网络的区域性移动性管理协议，它定义了移动IP协议的简单扩展，将移动IP协议中的信令以及相关性质重新利用，因此此协议在保证IPv6主机的移动性的基础上，还提高了协议的可靠性和可扩展性。HMIP，在原有MIP和PMIP的基础上引入了移动锚点，简单地对移动节点的控制做了拓展。这些协议通过不同实体之间的交互，从一定程度解决了特定应用场景下移动性管理的问题，但还是存在很多问题亟需解决。首先：上述三种协议都属于集中式移动性管理方案，不可避免地出现三角路由和单点失效等问题；其次，协议内的核心主题的功能分配有着潜在的问题，比如家乡代理和本地锚点等核心主体既要负责数据包的路由转发，还要追踪维护节点的最新信息。上述两个主题之间功能的高度耦合，一来限制各实体之间的工作效率，二来加重了实体的负载，增加了数据传输的开销。再者，集中式的移动性管理方案中，网络流量靠近核心网，导致核心网负载过重。当终端在移动的过程中，网络流量急剧增加，严重影响核心网的正常工作。综上所述，原有的集中式的管理机制已经不适用于现代网络的发展。
为了应对上述集中式管理机制中的三角路由和核心网负载过重等问题，DMM工作组研究通过了分布式移动性管理方案，方案包括：将MN锚点功能分布化，解决了单点失效问题；采用了绑定和隧道技术缓解了三角路由的影响；向网络边缘转移流量，解决了网络流量靠近核心网而导致核心网负载过重的问题，通过上述方法，可以在很大程度上提升网络性能。
目前，有两种方法进行分布式移动性管理研究。一种方式是通过动态路由机制，动态路由通过路由器之间适时的路由信息互换和对路由择域信息库的维护，可以根据链路和节点的变化进行自动调整，如果节点和节点之间的链路出现问题，或者存在其他可用路由时，可以自动选择最优方案，使得数据包、报文等可以高效送达。第二种方式是在传统集中式移动性管理协议中修改和拓展所得，是通过维护移动节点和最新位置的映射，以实现移动性管理的目的。
当前，主要有三种分布式移动管理的方案，一是基于主机的DMM方案，其利用家乡代理为移动结点提供移动性支持，该方案中家乡代理提供锚点功能、路由管理功能和网络位置管理服务功能。移动主机拥有网络位置管理客户端功能和路由管理功能，来维持家乡代理和本身之间的隧道；二是基于网络的DMM方案，该方案中由本地锚点提供锚点功能、路由管理功能和位置管理服务器功能，由接入网关提供位置管理客户端功能；三是基于动态路由的DMM方案。上述方案使得传统集中式移动性管理机制的锚点功能分布化，解决了单点失效的问题。MN在移动过程中切换网络，在原有通话不间断的基础上，如果需要重新发起会话，则MN将会使用切换后网络的IP地址。
同时上述方案还有很多问题尚未解决，第一，前两种方案都是通过映射的方式进行分布式移动性管理机制的设计，网络中DMA、HA实体既要维护MN的位置绑定信息，还要负责数据包的路由转发工作，功能高度耦合，若移动节点数量较多，网络流量急剧增加，实体的负荷过重，严重影响数据包转发的工作效率。第二，网络流量靠近核心网的问题，未从根本上解决，实际工作过程中核心网的负载依然较重。第三，第三种方案在执行过程中，MN没发生一次网络切换，就要操作BGP路由更新，并修改BGP路由表，虽然通过一定的方式将路由更新控制在了一定范围，但使得方案更加复杂，可扩展性大大降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种按需分布式边缘节点移动管理方法，其可以在现有IPv6协议的基础上，提高移动性管理的性能，降低锚点维护成本的开销，减小数据传输过程中的迂回路径，可实现移动性管控功能的边缘化分布和传输路径的集中决策，保证移动通讯过程中的连续性。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种按需分布式边缘节点移动管理方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：根据终端状态选择是否配置合适的用户面锚点，以保证在终端移动过程中建立稳定会话，确定控制移动锚点(CMA)和数据移动锚点(DMA)的位置，以及与锚点位置有关的信息，引入一个移动性管理实体(CNA)来管理移动节点(MN)的信息，并存储该移动节点(MN)在网络中所绑定的条目，移动性管理实体(CNA)根据节点(MN)信息分配网络前缀映射表项，并根据控制移动锚点(CMA)和数据移动锚点(DMA)的位置以及与锚点位置有关的信息为节点(MN)分配移动锚点以管理和控制节点(MN)的相关信息；
步骤二：基于控制的形式和转发分离的架构，判断控制面是否分布来调整方案；
步骤三：从需求多样性出发，选择单个会话移动性管理颗粒度，数据移动锚点(DMA)通过扩展的绑定更新/确认消息模块(RBU/RBA)向移动性管理实体(CNA)注册所述节点(MN)的相关信息，数据移动锚点(DMA)通过向所述移动性管理实体(CNA)查询信令以移动上下文信息，负责数据包在网络中的来向和去向，控制移动锚点模块(CMA)进一步可以为移动节点(MN)分配地址/前缀，跟节点(MN)的位置信息并维护绑定缓存映射；
步骤四：采用基于VMME的适应性负载均衡优化方法，执行网络AP负载均衡。
上述的步骤一中的控制移动锚点模块(CMA)作用于核心N层且控制移动锚点模块(CMA)包含了AF-CP、LM和FM-CP功能。
上述的步骤一中的数据移动锚点模块(DMA)分布在接入层且数据移动锚点模块(DMA)包含了AF-DP和FM-DP功能。
上述的步骤三中的扩展的绑定更新/确认消息模块(RBU/RBA)当节点(MN)切换到服务DMA(S-DMA)，由S-DMA向原来锚定的DMA(A-DMA)发送DBU/DBA消息，更新A-DMA中缓存信息并建立双向隧道，以用于转发所述节点(MN)切换前产生的通信数据。
上述的步骤四中基于VMME的适应性负载均衡优化方法包括以下步骤：
第一步：自适应负载均衡算法在控制器上作为应用部署，间隔周期时间获取当前每个AP关联的用户和用户标识，为所有用户建立列表List，为所有用户的虚拟AP建立列表ListNAP；
第二步：应用从中心信息管理模块获得AP的最大负载值Loadmax和最小负载值Loadmin；
第三步：判断是否负载不均衡，Loadmax>Loadthres,(Loadmax-Loadmin)>0.7*Loadthres；
第四步：如果判断结果为系统中存在负载不均衡，系统就开始执行自适应负载均衡算法；
第五步：选择迁出AP(最大负载Loadmax的AP作为APfrom)，选择迁出用户的虚拟AP，在APfrom下选择AP负载最大的用户MNj，用户标识为NAPj，选择最小负载的AP作为迁入AP。
本发明可以适应未来网络的需求多样性，相比于集中式管理机制更加灵活及稳定，在提高传输效率和用户体验，降低锚点维护成本的同时增强了方案的可扩展性；采用基于VMME的适应性负载均衡优化方法，执行网络AP负载均衡，步骤包括：(1)自适应负载均衡算法在控制器上作为应用部署，间隔周期时间获取当前每个AP关联的用户和用户标识，为所有用户建立列表List，为所有用户的虚拟AP建立列表List NAP；(2)应用从中心信息管理模块获得AP的最大负载值Load max和最小负载值Load min；(3)判断是否负载不均衡，Loadmax>Load thres,(Load max-Load min)>0.7*Load thres；(4)当检测到系统中存在负载不均衡，应执行自适应负载均衡算法，包括：选择迁出AP(最大负载Load max的AP作为APfrom)；选择迁出用户的虚拟AP，在AP from下选择AP负载最大的用户MNj，用户标识为NAPj；选择最小负载的AP作为迁入AP。将移动性管理的锚点功能(Anchoring Function,AF)、转发管理功能(Forwarding Management，FM)细分为控制层功能(Control Plane，CP)和数据层功能(Data Plane,DP)，即AF-CP功能和AF-DP功能、FM-CP功能和FM-DP功能分离；再将控制功能AF-CP、LM(位置管理功能，Location Management)和FM-CP集中部署在较高层次，构成控制移动锚点CMA，作用于核心N层；数据锚点功能AF-DP、FM-DP下放至接入层并进行分布式部署，其中AF-DP和FM-DP组成数据移动锚点DMA；控制移动锚点(CMA)和数据移动锚点(DMA)构成移动性管理系统定义功能实体；CMA可以为移动节点(Mobile Node,MN)分配地址/前缀，跟踪MN的位置信息并维护绑定缓存映射，同时CMA也可以控制DMA进行数据包的封装与转发；DMA检测移动节点切换，转发到达/来自MN的数据包，与别的DMA建立隧道，维护本地节点映射信息。CMA、DMA和节点MN之间通过移动性管理信令发送命令，移动性管理信令分为注册绑定更新/确认消息(RBU/RBA)、分布式绑定更新/确认消息(DBU/DBA)。其中，RBU/RBA用于DMA向CMA请求为MN分配地址并在绑定信息表中建立MN条目。DBU/DBA用于MN切换服务前后的DMA建立隧道和更新切换服务前的DMA中的缓存信息。当MN初始接入锚点DMA1时，DMA1分配给MN网络前缀MN:Prefix1。DMA1发送信令RBU/RBA至CMA，CMA创建一个表项存储MN的当前位置信息和MN的网络前缀；然后MN收到DMA1分配的网络前缀，成功入网；CN(通信对端节点)和MN通过互联网交换的数据包由DMA1转发；当MN移动到DMA1域外时，MN检测到无法连接到DMA1，就开始重新寻找锚点，发现锚点DMA2后，连接到锚点DMA2，DMA2分配给MN网络前缀MN:Prefix2；DMA2发送信令RBU/RBA至CMA，CMA更新存储MN信息的表项数据；然后，CMD发出信令DBU/DBA使DMA1和DMA2之间建立隧道，用于转发DMA1上MN未接收到的信息，MN通过DMA2获取转发的数据，之后DMA2直接通过互联网与CN建立连接，转发CN与MN之间的数据包；锚点可以分为多个层次，较高层次的锚点管理着较低层次的锚点，当MN处于激活状态时，MN切换锚点前后的移动范围较大时，CMA为MN配置较高层次的锚点和交换数据的隧道，可以使CN与MN的会话能够在移动过程中始终稳定；MN切换锚点前后的移动范围较小时，在有限的区域内CMA为MN配置较低层次的锚点，使得CN与MN交换数据包连续；MN没有移动时，CN与MN直接经过锚点进行数据包的交换，不需要配置新的锚点，当MN移动到一个新的区域时，CMA为MN配置新的锚点，新的锚点转发CN与MN之间的数据包；当MN处于空闲状态时，CMA为MN保留IP，并且根据MN不同的移动范围分配不同层次的锚点，当MN被激活后，MN发送数据给锚点，锚点转发CN与MN之间的数据包。
本发明的优点在于以下几点：实现移动性管控功能的边缘化分布和传输路径的集中决策，有效减小迂回路径；设计了移动性管理信令用于注册地址和更新信息，设计了按需的移动性管理设计，可以保证节点切换连接的锚点的过程中通信的连续性；数据转发不需要通过核心网锚定节点，有效降低通信延迟和流量负载；将数据锚点的位置分布在网络结构的边缘位置，可以减少数据传输过程中信令、时间的开销，改善了用户体验；同时简化移动性管理协议信令，提高命令执行的效率；将控制层功能集中部署，便于在网络集中端对其进行控制；通过自适应负载均衡算法解决了分布式移动性管理中AP负载不均衡等问题。
附图说明
图1为本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
一种按需分布式边缘节点移动管理方法，其特征在于：其特征在于包含以下步骤：
步骤一：根据终端状态选择是否配置合适的用户面锚点，以保证在终端移动过程中建立稳定会话，确定控制移动锚点(CMA)和数据移动锚点(DMA)的位置，以及与锚点位置有关的信息，引入一个移动性管理实体(CNA)来管理移动节点(MN)的信息，并存储该移动节点(MN)在网络中所绑定的条目，移动性管理实体(CNA)根据节点(MN)信息分配网络前缀映射表项，并根据控制移动锚点(CMA)和数据移动锚点(DMA)的位置以及与锚点位置有关的信息为节点(MN)分配移动锚点以管理和控制节点(MN)的相关信息；
步骤二：基于控制的形式和转发分离的架构，判断控制面是否分布来调整方案；
步骤三：从需求多样性出发，选择单个会话移动性管理颗粒度，数据移动锚点(DMA)通过扩展的绑定更新/确认消息模块(RBU/RBA)向移动性管理实体(CNA)注册所述节点(MN)的相关信息，数据移动锚点(DMA)通过向所述移动性管理实体(CNA)查询信令以移动上下文信息，负责数据包在网络中的来向和去向，控制移动锚点模块(CMA)进一步可以为移动节点(MN)分配地址/前缀，跟节点(MN)的位置信息并维护绑定缓存映射；
步骤四：采用基于VMME的适应性负载均衡优化方法，执行网络AP负载均衡。
实施例中，步骤一中的控制移动锚点模块(CMA)作用于核心N层且控制移动锚点模块(CMA)包含了AF-CP、LM和FM-CP功能。
实施例中，步骤一中的数据移动锚点模块(DMA)分布在接入层且数据移动锚点模块(DMA)包含了AF-DP和FM-DP功能。
实施例中，步骤三中的扩展的绑定更新/确认消息模块(RBU/RBA)当节点(MN)切换到服务DMA(S-DMA)，由S-DMA向原来锚定的DMA(A-DMA)发送DBU/DBA消息，更新A-DMA中缓存信息并建立双向隧道，以用于转发所述节点(MN)切换前产生的通信数据。
实施例中，步骤四中基于VMME的适应性负载均衡优化方法包括以下步骤：
第一步：自适应负载均衡算法在控制器上作为应用部署，间隔周期时间获取当前每个AP关联的用户和用户标识，为所有用户建立列表List，为所有用户的虚拟AP建立列表ListNAP；
第二步：应用从中心信息管理模块获得AP的最大负载值Loadmax和最小负载值Loadmin；
第三步：判断是否负载不均衡，Loadmax>Loadthres,(Loadmax-Loadmin)>0.7*Loadthres；
第四步：如果判断结果为系统中存在负载不均衡，系统就开始执行自适应负载均衡算法；
第五步：选择迁出AP(最大负载Loadmax的AP作为APfrom)，选择迁出用户的虚拟AP，在APfrom下选择AP负载最大的用户MNj，用户标识为NAPj，选择最小负载的AP作为迁入AP。
本发明可以适应未来网络的需求多样性，相比于集中式管理机制更加灵活及稳定，在提高传输效率和用户体验，降低锚点维护成本的同时增强了方案的可扩展性；采用基于VMME的适应性负载均衡优化方法，执行网络AP负载均衡，步骤包括：(1)自适应负载均衡算法在控制器上作为应用部署，间隔周期时间获取当前每个AP关联的用户和用户标识，为所有用户建立列表List，为所有用户的虚拟AP建立列表List NAP；(2)应用从中心信息管理模块获得AP的最大负载值Load max和最小负载值Load min；(3)判断是否负载不均衡，Loadmax>Load thres,(Load max-Load min)>0.7*Load thres；(4)当检测到系统中存在负载不均衡，应执行自适应负载均衡算法，包括：选择迁出AP(最大负载Load max的AP作为APfrom)；选择迁出用户的虚拟AP，在AP from下选择AP负载最大的用户MNj，用户标识为NAPj；选择最小负载的AP作为迁入AP。将移动性管理的锚点功能(Anchoring Function,AF)、转发管理功能(Forwarding Management，FM)细分为控制层功能(Control Plane，CP)和数据层功能(Data Plane,DP)，即AF-CP功能和AF-DP功能、FM-CP功能和FM-DP功能分离；再将控制功能AF-CP、LM(位置管理功能，Location Management)和FM-CP集中部署在较高层次，构成控制移动锚点CMA，作用于核心N层；数据锚点功能AF-DP、FM-DP下放至接入层并进行分布式部署，其中AF-DP和FM-DP组成数据移动锚点DMA；控制移动锚点(CMA)和数据移动锚点(DMA)构成移动性管理系统定义功能实体；CMA可以为移动节点(Mobile Node,MN)分配地址/前缀，跟踪MN的位置信息并维护绑定缓存映射，同时CMA也可以控制DMA进行数据包的封装与转发；DMA检测移动节点切换，转发到达/来自MN的数据包，与别的DMA建立隧道，维护本地节点映射信息。CMA、DMA和节点MN之间通过移动性管理信令发送命令，移动性管理信令分为注册绑定更新/确认消息(RBU/RBA)、分布式绑定更新/确认消息(DBU/DBA)。其中，RBU/RBA用于DMA向CMA请求为MN分配地址并在绑定信息表中建立MN条目。DBU/DBA用于MN切换服务前后的DMA建立隧道和更新切换服务前的DMA中的缓存信息。当MN初始接入锚点DMA1时，DMA1分配给MN网络前缀MN:Prefix1。DMA1发送信令RBU/RBA至CMA，CMA创建一个表项存储MN的当前位置信息和MN的网络前缀；然后MN收到DMA1分配的网络前缀，成功入网；CN(通信对端节点)和MN通过互联网交换的数据包由DMA1转发；当MN移动到DMA1域外时，MN检测到无法连接到DMA1，就开始重新寻找锚点，发现锚点DMA2后，连接到锚点DMA2，DMA2分配给MN网络前缀MN:Prefix2；DMA2发送信令RBU/RBA至CMA，CMA更新存储MN信息的表项数据；然后，CMD发出信令DBU/DBA使DMA1和DMA2之间建立隧道，用于转发DMA1上MN未接收到的信息，MN通过DMA2获取转发的数据，之后DMA2直接通过互联网与CN建立连接，转发CN与MN之间的数据包；锚点可以分为多个层次，较高层次的锚点管理着较低层次的锚点，当MN处于激活状态时，MN切换锚点前后的移动范围较大时，CMA为MN配置较高层次的锚点和交换数据的隧道，可以使CN与MN的会话能够在移动过程中始终稳定；MN切换锚点前后的移动范围较小时，在有限的区域内CMA为MN配置较低层次的锚点，使得CN与MN交换数据包连续；MN没有移动时，CN与MN直接经过锚点进行数据包的交换，不需要配置新的锚点，当MN移动到一个新的区域时，CMA为MN配置新的锚点，新的锚点转发CN与MN之间的数据包；当MN处于空闲状态时，CMA为MN保留IP，并且根据MN不同的移动范围分配不同层次的锚点，当MN被激活后，MN发送数据给锚点，锚点转发CN与MN之间的数据包。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种按需分布式边缘节点移动管理方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：根据终端状态选择是否配置合适的用户面锚点，以保证在终端移动过程中建立稳定会话，确定控制移动锚点(CMA)和数据移动锚点(DMA)的位置，以及与锚点位置有关的信息，引入一个移动性管理实体(CNA)来管理移动节点(MN)的信息，并存储该移动节点(MN)在网络中所绑定的条目，移动性管理实体(CNA)根据节点(MN)信息分配网络前缀映射表项，并根据控制移动锚点(CMA)和数据移动锚点(DMA)的位置以及与锚点位置有关的信息为节点(MN)分配移动锚点以管理和控制节点(MN)的相关信息；
步骤二：基于控制的形式和转发分离的架构，判断控制面是否分布来调整方案；
步骤三：从需求多样性出发，选择单个会话移动性管理颗粒度，数据移动锚点(DMA)通过扩展的绑定更新/确认消息模块(RBU/RBA)向移动性管理实体(CNA)注册所述节点(MN)的相关信息，数据移动锚点(DMA)通过向所述移动性管理实体(CNA)查询信令以移动上下文信息，负责数据包在网络中的来向和去向，控制移动锚点模块(CMA)进一步可以为移动节点(MN)分配地址/前缀，跟节点(MN)的位置信息并维护绑定缓存映射；
步骤四：采用基于VMME的适应性负载均衡优化方法，执行网络AP负载均衡；
所述的步骤一中的控制移动锚点模块(CMA)作用于核心N层且控制移动锚点模块(CMA)包含了AF-CP、LM和FM-CP功能；
所述的步骤一中的数据移动锚点模块(DMA)分布在接入层且数据移动锚点模块(DMA)包含了AF-DP和FM-DP功能所述的步骤三中的扩展的绑定更新/确认消息模块(RBU/RBA)当节点(MN)切换到服务DMA(S-DMA)，由S-DMA向原来锚定的DMA(A-DMA)发送DBU/DBA消息，更新A-DMA中缓存信息并建立双向隧道，以用于转发所述节点(MN)切换前产生的通信数据；
所述的步骤四中基于VMME的适应性负载均衡优化方法包括以下步骤：
第一步：自适应负载均衡算法在控制器上作为应用部署，间隔周期时间获取当前每个AP关联的用户和用户标识，为所有用户建立列表List，为所有用户的虚拟AP建立列表ListNAP；
第二步：应用从中心信息管理模块获得AP的最大负载值Loadmax和最小负载值Loadmin；
第三步：判断是否负载不均衡，Loadmax>Loadthres,(Loadmax-Loadmin)>0.7*Loadthres；
第四步：如果判断结果为系统中存在负载不均衡，系统就开始执行自适应负载均衡算法；
第五步：选择迁出AP(最大负载Loadmax的AP作为APfrom)，选择迁出用户的虚拟AP，在APfrom下选择AP负载最大的用户MNj，用户标识为NAPj，选择最小负载的AP作为迁入AP。
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