基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)性機(jī)制

黃玉寶，王磊，文云柯，邱毅嬌

（1.中國移動(dòng)通信集團(tuán)海南有限公司，海南?？?70125；2.中國電建集團(tuán)海南電力設(shè)計(jì)研究院，海南?？?70125）

基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)性機(jī)制

黃玉寶1，王磊1，文云柯2，邱毅嬌1

（1.中國移動(dòng)通信集團(tuán)海南有限公司，海南?？?70125；2.中國電建集團(tuán)海南電力設(shè)計(jì)研究院，海南?？?70125）

針對(duì)現(xiàn)有位置標(biāo)識(shí)分離網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)注冊以及丟包較大的問題，提出了基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)性支持。仿真表明：基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)機(jī)制，相比較現(xiàn)有的位置標(biāo)識(shí)分離機(jī)制有更低的信令開銷和較低的丟包個(gè)數(shù)，可以更好地支持節(jié)點(diǎn)的微移動(dòng)以及宏移動(dòng)。

位置標(biāo)識(shí)分離；移動(dòng)性；位置注冊；信令開銷

引言

在傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，IP地址既是節(jié)點(diǎn)的位置標(biāo)識(shí)又是節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)識(shí)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)改變IP地址時(shí)，傳輸層連接中斷，需要重新建立連接，因此傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)難以支持節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性。

本文提出一種基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)機(jī)制，該機(jī)制由兩層網(wǎng)絡(luò)組成。頂層為基于分布式的映射存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，底層網(wǎng)絡(luò)為入口隧道路由器（Ingress TunnelRouter，ITR），負(fù)責(zé)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN的接入。結(jié)合LISP協(xié)議的特點(diǎn)，該機(jī)制能降低節(jié)點(diǎn)微移動(dòng)和宏移動(dòng)的信令開銷以及丟包個(gè)數(shù)，較好地支持移動(dòng)性［1］。

1 基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)性機(jī)制

1.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

位置與身份標(biāo)識(shí)分離協(xié)議（Locator/ID Separation Protocol，LISP）將現(xiàn)有的IP地址分成身份標(biāo)識(shí)（EID）和路由標(biāo)識(shí)（RLOC）。該協(xié)議為一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)固定的EID，并基于EID建立會(huì)話；報(bào)文使用RLOC地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，RLOC可以動(dòng)態(tài)變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)性的有效管理。

當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN進(jìn)入一個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)時(shí)，MN節(jié)點(diǎn)通過接入路由器ITR接入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的ITR周期性地發(fā)送通告消息。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，MN首先收到ITR_3路由器通告消息，表明MN在ITR_3路由器的接入?yún)^(qū)域。MN將自己的EID標(biāo)識(shí)發(fā)送到ITR_3，與ITR_3的RLOC地址形成EID-to-RLOC映射關(guān)系，然后ITR_3將該EID-to-RLOC映射關(guān)系發(fā)送給Map Sever_2。當(dāng)對(duì)端通信節(jié)點(diǎn)（Correspond Node，CN）需要和MN建立通信連接時(shí)，CN向接入路由器ITR_1和Map Server_1發(fā)送請(qǐng)求消息，該報(bào)文源地址和目的地址為通信雙方的EID。當(dāng)CN在網(wǎng)絡(luò)中查詢到MN的EID-to-RLOC映射關(guān)系后返回給CN，CN以MapServer_2為目的發(fā)送報(bào)文，該報(bào)文包含CN的EID地址。MapServer_2收到報(bào)文后發(fā)送到ITR_3，最后ITR_3再發(fā)送給MN。MN收到含有CN的EID地址報(bào)文后確認(rèn)對(duì)端為CN，兩者建立通信［2］。

1.2 域內(nèi)移動(dòng)注冊

當(dāng)MN發(fā)生微移動(dòng)（在同一個(gè)Map Sever內(nèi)不同ITR之間移動(dòng)）時(shí)，MN根據(jù)所接收到的ITR發(fā)送的報(bào)文消息，判斷自己是否是域內(nèi)移動(dòng)。如果報(bào)文消息中有同一個(gè)Map Sever的標(biāo)識(shí)，則表明MN是域內(nèi)移動(dòng)。

域內(nèi)移動(dòng)注冊流程：當(dāng)節(jié)點(diǎn)MN移動(dòng)到ITR_2接入時(shí)，MN需要向ITR_2以及Map Sever_1進(jìn)行位置注冊。

步驟1：MN接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)向ITR_2發(fā)送EID標(biāo)識(shí)，MN進(jìn)行位置更新。

步驟2：ITR_2與EID形成EID-to-RLOC映射關(guān)系，進(jìn)行位置更新，并向MN回復(fù)一個(gè)確認(rèn)信息，表明位置更新成功。

步驟3：ITR_2向MapSever_1發(fā)送EID-to-RLOC映射關(guān)系，且MapSever_1進(jìn)行位置更新。

步驟4：Map Sever_1更新后向ITR_2發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信息表明更新成功。

1.3 域間移動(dòng)注冊

當(dāng)MN發(fā)生宏移動(dòng)（從Map Sever_1移動(dòng)到Map Sever_2）時(shí)，MN根據(jù)所接收到的ITR發(fā)送的報(bào)文消息，判斷自己是否是域間移動(dòng)。如果報(bào)文消息中有不同的Map Sever標(biāo)識(shí)，則表明MN是域間移動(dòng)。

域間移動(dòng)注冊流程：

步驟2：ITR_3與EID形成EID-to-RLOC映射關(guān)系，進(jìn)行位置更新，并向MN回復(fù)一個(gè)確認(rèn)信息，表明位置更新成功。

步驟3：ITR_3向MapSever_2發(fā)送EID-to-RLOC映射關(guān)系，且MapSever_2進(jìn)行位置更新。

步驟4：Map Sever_2更新后向ITR_3發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信息表明更新成功。

步驟5：Map Sever_2向Map Sever_1發(fā)送新的EID-to-RLOC映射關(guān)系。

步驟6：Map Sever_1進(jìn)行位置更新，且向Map Sever_2回復(fù)一個(gè)確認(rèn)信息，表明更新成功。

1.4 移動(dòng)切換機(jī)制

切換過程采用快速切換和增強(qiáng)緩存管理快速切換相結(jié)合的方案。主要設(shè)計(jì)思想是引入鏈路層移動(dòng)預(yù)測機(jī)制，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換到新網(wǎng)絡(luò)前完成映射注冊過程。

2 信令開銷

基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)機(jī)制中信令開銷主要包括位置更新開銷和報(bào)文遞交開銷。

隨著植株的生長，要逐漸加大通風(fēng)，鍛煉植株，以適應(yīng)完全撤膜后的強(qiáng)光照等環(huán)境條件。進(jìn)入4月后氣溫回升較快，當(dāng)室外氣溫白天在20℃以上，夜間在12℃以上時(shí)，可以把棚膜全部卷起,進(jìn)行晝夜全揭膜通風(fēng)，但不撤膜，以備寒流來時(shí)，及時(shí)覆蓋防凍。一般在4月中下旬撤膜，如有寒流，則要等到寒流過后撤膜。

2.1 位置更新信令開銷

基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)機(jī)制中，MN域內(nèi)移動(dòng)過程中位置進(jìn)行的開銷C 1為：

MN域間移動(dòng)過程中位置進(jìn)行的開銷C2為：

設(shè)網(wǎng)絡(luò)中共有N個(gè)子網(wǎng)，MN可以在各個(gè)Map Sever間自由移動(dòng)［3］。，設(shè)m為MN移動(dòng)次數(shù)，則經(jīng)過m次移動(dòng)后，移入新的MapSever區(qū)域（域間移動(dòng)）概率為：

因此，MN進(jìn)入新的Map Sever區(qū)域所需移動(dòng)次數(shù)的期望E［m］為：

因此，在基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)機(jī)制中，總的位置更新開銷C為：

2.2 報(bào)文遞交信令開銷

在基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)機(jī)制中，Map Sever和ITR的報(bào)文遞交信令開銷與其管理的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和子網(wǎng)數(shù)量有關(guān)［4］。因此Vi和Vr分別為：

上式中，r為ITR進(jìn)行帶寬分配的開銷；x為Map Sever進(jìn)行帶寬分配的開銷。d為查找MN的權(quán)重，q為路由表查找的權(quán)重，k為每個(gè)ITR包含的MN個(gè)數(shù)，k為一個(gè)Map Sever包含ITR的數(shù)量。因此，報(bào)文遞交信令開銷D為

在基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)機(jī)制中，總的信令開銷S為：

2.3 丟包過程分析

在域內(nèi)切換時(shí)采用快速切換方案，此時(shí)發(fā)生的丟包時(shí)間為鏈路層切換時(shí)延。則丟包個(gè)數(shù)為：

上式中，為域內(nèi)移動(dòng)丟包個(gè)數(shù)；Closs為鏈路層切換開銷，在此認(rèn)為鏈路層開銷包括在位置更新開銷中，Closs=1ms；v為CN給MN發(fā)送數(shù)據(jù)包速率。

在域間切換采用強(qiáng)緩存管理快速切換方案。在該方案中路由器具有緩存轉(zhuǎn)發(fā)功能，因此丟包個(gè)數(shù)為：

3 性能仿真分析

3.1 CMR（call-to-mobility ratio）對(duì)信令開銷的影響

仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 CMR對(duì)信令開銷的影響

由圖可知，在三種移動(dòng)機(jī)制方式下，開銷都隨著CMR的增加而降低。由于，當(dāng)C M R較小時(shí)，移動(dòng)速率u較大，MN更新位置信息較為頻繁。在基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)機(jī)制中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為兩層。域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，只需在本地Map Server進(jìn)行位置更新；域間移動(dòng)時(shí)，僅需在本地Map Server和上一個(gè)域中的Map Server進(jìn)行位置更新。該機(jī)制優(yōu)化了位置更新流程。

3.2 呼叫到達(dá)率對(duì)信令開銷的影響

設(shè)呼叫速率y服從指數(shù)分布

b為該指數(shù)分布的期望，并且b隨著時(shí)間變化。則信令開銷S為：

當(dāng)移動(dòng)速率u為1時(shí)，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 呼叫到達(dá)速率對(duì)信令開銷的影響（u=1）

由圖可知當(dāng)呼叫到達(dá)速率u為1時(shí)，三種移動(dòng)機(jī)制的信令開銷都隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN移動(dòng)速率期望b的增加而增加，S3的增加幅度明顯小于S1和S2。在基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)機(jī)制中，ITR和Map Server都需要進(jìn)行呼叫報(bào)文的遞交處理。而基于層次位置管理的HIP移動(dòng)性機(jī)制和傳統(tǒng)分布式映射機(jī)制需要更大的呼叫報(bào)文處理開銷。

3.3 移動(dòng)速率對(duì)信令開銷的影響

設(shè)MN的移動(dòng)速率u服從指數(shù)分布：

a為該指數(shù)分布的期望，并且a隨著時(shí)間變化。則信令開銷S為：

當(dāng)呼叫到達(dá)速率y為1時(shí)，仿真結(jié)果如圖3所示

圖3 移動(dòng)速率對(duì)信令開銷的影響（y=1）

由圖可知，當(dāng)呼叫到達(dá)速率y為1時(shí)，三種移動(dòng)機(jī)制的信令開銷都隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN移動(dòng)速率期望a的增加而增加。S3的增加幅度明顯小于S1和S3。在基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)機(jī)制中，域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，只需在本地Map Server進(jìn)行位置更新；域間移動(dòng)時(shí)，僅需在本地Map Server和上一個(gè)域中的Map Server進(jìn)行位置更新。該機(jī)制優(yōu)化了位置更新流程。

3.4 數(shù)據(jù)包發(fā)送速率對(duì)丟包影響

圖4比較了三種機(jī)制在不同數(shù)據(jù)包速率下的丟包情況。S1和S2切換時(shí)存在較大時(shí)延，因此存在丟包較大的情況。由于S3采用快速切換和增強(qiáng)緩存管理快速切換相結(jié)合的機(jī)制，因此切換時(shí)延較小，丟包個(gè)數(shù)較小。

圖4 包傳輸速率

4 結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)有位置標(biāo)識(shí)分離網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)注冊以及報(bào)文遞交開銷較大的問題，本文提出了基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)性支持。建立位置標(biāo)識(shí)分離機(jī)制下MN移動(dòng)時(shí)的信令開銷解析模型，并且分析了該機(jī)制在微移動(dòng)和宏移動(dòng)過程中信令開銷影響。仿真結(jié)果表明，基于分布式映射管理的LISP移動(dòng)性支持對(duì)于微移動(dòng)和宏移動(dòng)都有較低的信令開銷以及較低的丟包個(gè)數(shù)。

［1］ZhiweiYan，Jong-Hyouk Lee.State-Aware Pointer Forwarding Scheme With Fast Handover Support in a PMIPv6 Domain［J］，IEEE Systems Journal，2013，7（1）：92-101.

［2］呂繼萍，徐明偉，吳茜，鄧輝移動(dòng)IPv6快速切換研究綜述［J］.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2007，28（7）：21-23.

［3］MakayaC，Pierre S.An analytical framework for performance evaluation of IPv6-based mobility management protocols［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2008，7（3）:972-983.

［4］楊水根，張宏科，周華春，等.基于層次位置管理的HIP移動(dòng)性支持機(jī)制［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（6）:148-150.

（編輯：賈娟）

Mobility Mechanism in LISP Based on Distributed Mapping Management

Huang Wang bao1，Wang Lei1，Wen Yuke2，Qiu Yijiao1
（1.China Mobile Group Hainan Co.，Ltd.，Haikou Hainan570125；2.Hainan Electric Power Design and Research Institute，Haikou Hainan570125）

Thecost of mobile registration and packet loss overheadfor the Locator/ID Separation network mobile node.In this paper we present the mobility mechanism in LISP mased on mistributed mapping management.The simulation results show that mobility Mechanism in LISP based on distributed mapping managementhas lower signal cost and lower packetsloss comparing with other Locator/ID Separation network.It supports micro and macro mobility well.

Locator/IDSeparation；mobility；location registration；signaling cost

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.14.44

TP393

A

2095-0748（2016）14-0095-04

2016-06-12

黃玉寶（1987—），男，碩士研究生，畢業(yè)于太原理工大學(xué)，主要研究方向：無線網(wǎng)優(yōu)化、IT系統(tǒng)建設(shè)。