基于SIP的NEMO網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化的研究

韋霖

摘要：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)近年來(lái)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系中的重要組成部分。該類型網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)是接入位置的靈活性高，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臅r(shí)效性強(qiáng)，即所謂的網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性NEMO（NetworkMobility）。為了滿足用戶對(duì)該性能的需求，產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)的NEMO協(xié)議，但仍然無(wú)法有效的解決網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性帶來(lái)的一些問(wèn)題，該文提出采用SIP技術(shù)對(duì)NEMO路由協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，明顯提高了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的通信性能，具有一定的參考意義和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：SIP；NEMO網(wǎng)絡(luò)；路由優(yōu)化

1概述

進(jìn)入全球化信息時(shí)代后，各種類型的通信網(wǎng)絡(luò)得到飛速發(fā)展，多種網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備不斷面世并投入使用。目前，以手機(jī)、掌上電腦和筆記本電腦為代表的便攜式智能設(shè)備的普及率越來(lái)越高，已經(jīng)逐漸成為了百姓生活中不可或缺的一部分，與此對(duì)應(yīng)而來(lái)的則是大規(guī)模用戶群體對(duì)基于移動(dòng)式的網(wǎng)絡(luò)通信需求的不斷上升，這也為我國(guó)的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)企業(yè)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。不少專家預(yù)測(cè)，未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)將會(huì)發(fā)展為一個(gè)全I(xiàn)P的復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)，用戶可以隨時(shí)隨地的在任意地點(diǎn)接入Internet，并享受到快捷的數(shù)據(jù)通信服務(wù)，用戶群會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，而當(dāng)一組移動(dòng)用戶或者設(shè)備具有相同的移動(dòng)路徑的時(shí)候，就可參照有線網(wǎng)絡(luò)中的自制系統(tǒng)一樣，將其抽象為一個(gè)統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)來(lái)研究。這將大大的降低相關(guān)路由協(xié)議的復(fù)雜度，也可有效的應(yīng)對(duì)當(dāng)該節(jié)點(diǎn)不斷移動(dòng)時(shí)所帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟愿哳l率、大幅度為特點(diǎn)的波動(dòng)問(wèn)題。這就是互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組設(shè)計(jì)NEMO路由協(xié)議的出發(fā)點(diǎn)，該協(xié)議較好地解決了網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性問(wèn)題，但也導(dǎo)致了一些新的問(wèn)題的出現(xiàn)，如雙向隧道模式所帶來(lái)的分組頭部開銷過(guò)大、處理時(shí)延增加、家鄉(xiāng)代理的生存性較差等問(wèn)題。本文提出采用SIP技術(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，取得了較好的效果。

2NEMO網(wǎng)絡(luò)的蝶型路由

NEMO路由協(xié)議對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的基本拓?fù)鋯卧隽巳缦乱?guī)定：在一個(gè)NEM0網(wǎng)絡(luò)中，至少存在一臺(tái)MIPv6路由器（MRl，當(dāng)該MR被移動(dòng)到了異地時(shí)，就必須和仍處于原位置中的某臺(tái)充當(dāng)代理的路由器（家鄉(xiāng)代理HA）建立雙向隧道，該隧道保持動(dòng)態(tài)更新，即當(dāng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)獲得一個(gè)新的Internet接入點(diǎn)的時(shí)候。對(duì)該隧道進(jìn)行重新調(diào)整，以確保與當(dāng)前的最新拓?fù)湎辔呛?，同時(shí)解決所有連接到本移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)接入，并向上層屏蔽這些節(jié)點(diǎn)的細(xì)節(jié)，僅向其提供透明的接人服務(wù)。在該網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，其路由情況如圖1所示。

在上圖中存在虛實(shí)兩種路徑，實(shí)線路徑表示TCP分組，虛線則表示ACK報(bào)文。觀察上圖可以發(fā)現(xiàn)，這種類型的路由分別要經(jīng)過(guò)兩種家鄉(xiāng)代理節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和代理路由器，這就使得路由中的通信路徑數(shù)量變多，從而造成一定量的重復(fù)傳輸，上圖僅僅是單層結(jié)構(gòu)的NEM0網(wǎng)絡(luò)，若是在嵌套網(wǎng)絡(luò)中，該路徑的增加幅度將會(huì)成倍增長(zhǎng)，因此必須加以優(yōu)化。

3路由優(yōu)化機(jī)制分析

3.1SIP-NEMO網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

該網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是基于SIP（Session Initiation Protocol）協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，如圖2所示，該網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中設(shè)置三種不同類型的SIP服務(wù)器，承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)的任務(wù)。分別是SIP網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)服務(wù)器（SIP-NMS），SIP家鄉(xiāng)服務(wù)器（SIP-HS）和SIP外地服務(wù)器（SIP-FS），此網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)均具有SIP功能，因此被稱為SIP移動(dòng)節(jié)點(diǎn)SIP-MN，與其通信的對(duì)端節(jié)點(diǎn)則為SIP-CN。

在上圖描述的通信模式下，路由信息按照以下流程進(jìn)行維護(hù)與更新：首先在進(jìn)行頭信息轉(zhuǎn)換的同時(shí)，SIP-NMS將相關(guān)信息記入到綁定信息表和會(huì)話信息表中，分別用以記錄網(wǎng)絡(luò)中本次會(huì)話和參與節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)參數(shù)，這兩張表同樣維持動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，本別在收到REG-ISTER請(qǐng)求和INV-ITE請(qǐng)求時(shí)即進(jìn)行更新操作，并在服務(wù)器中維持超時(shí)計(jì)時(shí)，當(dāng)超過(guò)預(yù)定時(shí)間后即主動(dòng)發(fā)起更新請(qǐng)求。當(dāng)新的可用的Internet節(jié)點(diǎn)接入到本網(wǎng)絡(luò)中，并被SIP-NMS獲悉后，即向SIP-HS發(fā)出更新申請(qǐng)，要求后者對(duì)綁定信息表進(jìn)行更新，將新的接入地址寫入。

在SIP-FS中，同樣需要?jiǎng)討B(tài)維持一張URI表，以確保將收到的更新請(qǐng)求進(jìn)行及時(shí)的轉(zhuǎn)發(fā)，以加快整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)新節(jié)點(diǎn)的收斂速度。每當(dāng)新的接入點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)時(shí)，其首要任務(wù)是繼續(xù)完成當(dāng)前正在進(jìn)行的用戶數(shù)據(jù)的傳輸，與此同時(shí)也需要將自身的詳細(xì)信息迅速地向全網(wǎng)進(jìn)行宣告，以便使得其他路由節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)現(xiàn)自己。具體方法是：SIP-NMS向一個(gè)本地SIP-FS發(fā)送INV-ITE請(qǐng)求，其中包含了所有的對(duì)端節(jié)點(diǎn)的地址。SIP-FS在收到該申請(qǐng)后，提取其中的URI表信息，并以此為依據(jù)，進(jìn)行多點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2SIP-NEMO的優(yōu)化

對(duì)于SIP-NEMO的優(yōu)化要從兩方面來(lái)考慮，首先，當(dāng)進(jìn)行通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位于不同網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，按照SIP協(xié)議的規(guī)定，可以在傳輸數(shù)據(jù)包的同時(shí)搭載完成頭信息的雙向傳輸，因此不需要耗費(fèi)額外的通信資源，因此，此種情況下無(wú)需任何優(yōu)化機(jī)制參與通信；另一方面，在雙方通信節(jié)點(diǎn)位于同一個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，同樣存在兩種情況，即全局發(fā)起和本地發(fā)起兩種。

當(dāng)通信為全局發(fā)起時(shí)，通信發(fā)起信息必須經(jīng)過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)然后被本地路由器檢測(cè)到，隨后才能在本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部完成數(shù)據(jù)包的直接傳輸與交付。當(dāng)SIP-MN要與一個(gè)SIP-CN通信時(shí)，SIP-MN向SIP-CN家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)的SIP服務(wù)器發(fā)送一個(gè)INV-ITE請(qǐng)求。由于SIP-CN是鏈接在SIP-NMS2上的，因此SIP服務(wù)器將IN-VITE請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到SIP-HS2。隨后再轉(zhuǎn)發(fā)到SIP-HSl。在該申請(qǐng)到達(dá)SIP-HSl后，該節(jié)點(diǎn)搜索SIP-NMSl的當(dāng)前地址，并將申請(qǐng)送達(dá)該處。當(dāng)SIP-NMSl接收到這個(gè)INV-ITE請(qǐng)求時(shí)，根據(jù)會(huì)話信息表進(jìn)行分析，即發(fā)現(xiàn)此數(shù)據(jù)包已經(jīng)是第二次經(jīng)過(guò)，因此將其發(fā)送到SIP-NMS2，正是根據(jù)這一特點(diǎn)，SIP-NMS1就可準(zhǔn)確的判定本次通信的節(jié)點(diǎn)是否處在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，以及是否為本地路由。在本次全局會(huì)話發(fā)起之后，SIP-NMS1在往后的數(shù)據(jù)傳輸中就可直接把數(shù)據(jù)包送至SIP-NMS2，不再需要通過(guò)Intemet轉(zhuǎn)發(fā)，從而大大提高了通信效率。圖3詳細(xì)的描繪出了本優(yōu)化機(jī)制下的數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程，其中細(xì)實(shí)線描繪了建立連接階段的路由情況，而粗實(shí)線則描繪了用戶數(shù)據(jù)的路由情況。

另一方面，當(dāng)數(shù)據(jù)通信為本地發(fā)起時(shí)，則顯然不需要外部網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)路由節(jié)點(diǎn)的參與，僅在本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部即可完成。當(dāng)SIP-MN發(fā)送的INV-ITE請(qǐng)求經(jīng)過(guò)SIP-CN鏈接和注冊(cè)的SIP-NMS時(shí)，將出現(xiàn)上述的情況。圖5給出了本地發(fā)起時(shí)的實(shí)際通信路由。當(dāng)圖中的SIP-MN向鏈接在SIP-NMSl的SIP-CN發(fā)送一個(gè)INV-ITE請(qǐng)求時(shí)，SIP-NMS2將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到SIP-NMSl。SIP-NMS1接收到該請(qǐng)求后啟動(dòng)注冊(cè)信息表的搜索機(jī)制，若檢測(cè)到該請(qǐng)求是發(fā)往它的一個(gè)注冊(cè)節(jié)點(diǎn)SIP-CN的話，即可直接完成轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，而不必要再經(jīng)過(guò)SIP-CN家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)的SIP服務(wù)器。同時(shí)，SIP-NMSl建立一個(gè)本地路由，將接下來(lái)的數(shù)據(jù)信息直接從SIP-MN轉(zhuǎn)交到SIP-CN。

當(dāng)通信模式為在全局發(fā)起時(shí)，所傳送的數(shù)據(jù)包遵循的路由為SIP-MNSIP-NMSl和SIP-NMS2SIP-CN。而在本地發(fā)起的情況下，會(huì)話請(qǐng)求和數(shù)據(jù)分組經(jīng)過(guò)的路由都是SIP-MN SIP-NMS2和SIP-NMSl SIP-CN。由此可以看出，在本文提出的路由優(yōu)化算法下，這兩種典型的通信模式的路由查找效率都得到了明顯的改善，通信質(zhì)量也明顯提高。

4總結(jié)

NEMO網(wǎng)絡(luò)目前的發(fā)展速度很快，用戶數(shù)量也不斷增長(zhǎng)，這既帶來(lái)了一定的技術(shù)推動(dòng)力，同時(shí)也產(chǎn)生了一系列的問(wèn)題。能否在目前網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的基礎(chǔ)上，通過(guò)各種優(yōu)化機(jī)制，最大程度的發(fā)掘現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的執(zhí)行能力，盡可能的滿足用戶群體的通信需求，已經(jīng)是該領(lǐng)域內(nèi)急需解決的問(wèn)題。本文提出的優(yōu)化機(jī)制在一定程度上提高了NEMO網(wǎng)絡(luò)路由效率，但仍需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，并通過(guò)大量的實(shí)踐應(yīng)用來(lái)反復(fù)測(cè)試該方法的實(shí)際效果。