基于Pub/Sub模型的天地一體化網(wǎng)絡(luò)移動性管理方法

王 攀，張皓涵，李靜林

(北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室，北京 100876)

0 引言

天地一體化網(wǎng)絡(luò)是以地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、空間網(wǎng)絡(luò)為延伸，覆蓋太空、空中、陸地和海洋等自然空間，為天基、空基、陸基和?；雀黝愑脩舻幕顒犹峁┬畔⒈Ｕ系幕A(chǔ)設(shè)施[1]。天地一體化網(wǎng)絡(luò)需要在天基完成移動性關(guān)聯(lián)、用戶管理，以支持快速的用戶尋址[2]。

現(xiàn)有應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)移動性的方案多由MIPv4[3]和MIPv6[4]兩個協(xié)議衍生而來，MIPv4通過定義本地代理(HA)和外地代理(FA)實現(xiàn)對移動性的管理[5]。MIPv6與MIPv4相比，基本工作過程相同，但不需要外地代理。HMIPv6[6]協(xié)議中，將IP網(wǎng)絡(luò)劃分成域并在域中部署移動錨點(MAP)，從而將MN在域內(nèi)移動時的綁定關(guān)系更新限制在域內(nèi)，減輕了HA的負擔。PMIPv6[7]協(xié)議中，在子網(wǎng)中部署移動接入網(wǎng)關(guān)(MAG)，代理終端注冊到PMIP域中的本地移動錨點(LMA)，不需要終端參與移動性管理過程，所有的移動性信令都由網(wǎng)絡(luò)完成[8]。但在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中上述方案進行移動性管理存在一些不足。在MN移動過程中，CN和MN之間的通信依賴與HA建立的隧道進行轉(zhuǎn)發(fā)，容易產(chǎn)生通信時延和切換時延[9]。在PMIP方案中，依賴與LMA建立的隧道進行轉(zhuǎn)發(fā)。如果HA部署在地面，LMA部署在高軌衛(wèi)星，則意味著移動節(jié)點之間的通信依賴與地面或高軌衛(wèi)星建立的隧道，對天基網(wǎng)絡(luò)鏈路壓力較大[10]。HMIP和PMIP一定程度上解決了MN在子網(wǎng)內(nèi)移動時綁定關(guān)系需不斷更新的問題[11]。而在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，由于低軌衛(wèi)星的移動，將會出現(xiàn)移動終端成批從一個MAG切換到另一個MAG的現(xiàn)象，也將對LMA和HA產(chǎn)生較大通信壓力[12]。

針對天地一體化網(wǎng)絡(luò)中終端移動、低軌衛(wèi)星也移動的特點[13]，本文借鑒PMIP模型，提出由低軌衛(wèi)星充當天基移動終端的MAG，高軌衛(wèi)星充當天基移動終端的移動性管理代理(MMA)，低軌衛(wèi)星代理終端注冊到高軌衛(wèi)星組成的MMA上，完成移動終端標識和MAG IP地址之間的綁定。在MMA的控制下，移動終端之間的通信通過MMA協(xié)調(diào)各個MAG之間建立隧道完成[14]，從而降低了對高軌衛(wèi)星和地面站的通信壓力。同時，本文提出采用Pub/Sub模型[15]管理MMA和MAG之間的移動性管理控制信息，降低數(shù)據(jù)隧道轉(zhuǎn)發(fā)對MMA造成的性能壓力。

1 基于Pub/Sub模型的移動性管理方法

1.1 基于Pub/Sub模型的移動性管理架構(gòu)

基于Pub/Sub模型的移動性管理架構(gòu)如圖1所示，主要由通信對端(CN)、移動節(jié)點(MN)、移動接入網(wǎng)關(guān)(MAG)、移動性管理代理(MMA)和網(wǎng)關(guān)(GW)組成。其中，低軌衛(wèi)星組成星座，并部署移動接入網(wǎng)關(guān)(MAG)，完成移動終端的接入控制；高軌衛(wèi)星組成骨干星網(wǎng)絡(luò)，并部署移動性管理代理(MMA)，完成天基移動終端和接入星的移動性管理；地面站作為天基網(wǎng)絡(luò)和地基網(wǎng)絡(luò)的中介，部署網(wǎng)關(guān)(GW)。

通信對端(CN)：在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，通信對端可以是地基終端也可以是天基終端。地基終端通過地面站和天基終端完成通信，天基終端通過天基網(wǎng)絡(luò)和其他天基終端通信。

圖1 基于Pub/Sub模型的移動性管理架構(gòu)

移動終端(MN)：在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，低軌衛(wèi)星作為接入星，相對于地面高速運動，導(dǎo)致天基終端不斷在接入星之間進行切換，在網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系上表現(xiàn)為終端的移動。當天基終端移動時，需主動產(chǎn)生注冊請求，發(fā)送到MAG，并通過MAG注冊到MMA上。

移動接入網(wǎng)關(guān)(MAG)：部署在低軌衛(wèi)星組成的接入星上，負責維護MN標識和對應(yīng)MAG的IP地址之間的映射關(guān)系。在接入星移動時，MAG會注冊到MMA中。在MN或MAG移動過程中，MAG會代表MN建立與通信對端所連接的MAG或GW之間的隧道，以完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。一個典型的天基終端之間通信的場景中，CN的MAG或GW接收來自CN的數(shù)據(jù)報文后，首先查詢本地緩存，如果目標地址不能路由，則向MMA進行目標終端地址查詢，獲得目標終端綁定的MAG IP地址。之后，構(gòu)造隧道報文，其中源IP為源MAG/GW的IP地址，目的IP為目的終端對應(yīng)MAG的IP地址。目的端MAG接收到隧道報文后，將數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)發(fā)給連接到本MAG上的天基終端MN。當?shù)蛙壭l(wèi)星作為接入星移動出一個高軌衛(wèi)星的覆蓋范圍，這時產(chǎn)生MAG的切換，即從一個MMA切換到另一個MMA，此時，MMA將完成接入星的移動切換，并完成接入星部署的MAG變更導(dǎo)致的MN注冊信息的更新。

移動性管理代理(MMA)：部署在高軌衛(wèi)星組成的骨干星上，負責維護天基網(wǎng)絡(luò)移動性管理的各類信息包括終端注冊信息和MAG注冊信息。與MIP和PMIP方案中的HA和LMA相比，MMA不會建立與MAG和GW之間的隧道，而僅完成MAG之間或MAG與GW之間隧道的構(gòu)建和維護，從而降低了MMA的負載。在終端移動過程中，終端標識、終端地址、MAG標識、MAG地址的映射關(guān)系將被MMA進行管理。當MAG/GW向MMA發(fā)起目標地址查詢請求時，MMA認為MAG/GW訂閱(SUB)了相應(yīng)的終端位置和接入星位置的狀態(tài)變更。當終端在接入星之間切換或者接入星在骨干衛(wèi)星之間進行切換，并導(dǎo)致終端注冊信息發(fā)生更新時(PUB)，MMA將向訂閱該終端移動的MAG或GW發(fā)送通知，從而保證MAG/GW實時更新終端的地址，完成通信隧道的轉(zhuǎn)接。

1.2 移動性管理過程

在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，終端可能切換接入星，接入星也可能從一顆骨干衛(wèi)星的覆蓋范圍進入到另一顆骨干衛(wèi)星的范圍。

天基終端CN通過接入星MAG0接入到天基網(wǎng)絡(luò)，MN通過接入星MAG1接入到天基網(wǎng)絡(luò)。CN向?qū)Χ薓N發(fā)送報文的過程如下：

CN發(fā)送報文到MAG0，IP包頭：CNIP→MNIP

MAG0根據(jù)本地維護的終端標識、接入星標識、接入星IP地址之間的綁定關(guān)系，查詢MN對應(yīng)的MAG IP地址

IF找到

MAG0構(gòu)造隧道報文，IP包頭：MAGIPCN→MAGIPMN

ELSE

MAG0構(gòu)造地址查詢消息，攜帶MN的標識，發(fā)給MMA

MMA接收到查詢消息后在維護的綁定關(guān)系中進行查找，返回結(jié)果，攜帶MN標識、MN接入星標識、MN接入星IP地址

MAG0接收到來自MMA的響應(yīng)，構(gòu)造隧道報文，IP包頭：MAGIPCN→MAGIPMN

MAG0更新本地維護的綁定關(guān)系

當天基終端MN從接入星MAG1切換到接入星MAG2時，天基終端需要更新其當前位置到骨干衛(wèi)星組成的MMA中。MMA接收到終端位置更新消息后，會根據(jù)MN位置狀態(tài)變化的訂閱列表sublist，通知關(guān)心此終端位置變化的MAG。

終端移動性管理過程如下：

MN從接入星MAG1切換到接入星MAG2，發(fā)送UserReg消息，攜帶MN標識、MAG2標識

MAG2轉(zhuǎn)發(fā)UserReg消息到MMA

MMA判斷出MN之前在MAG1上注冊，則向MN的原始接入星MAG1發(fā)送終端切換消息

MAG1接收終端切換消息，將緩存在本地的發(fā)給MN的數(shù)據(jù)進行封裝，IP包頭：MAGIPMAG1→MAGIPMAG2

MMA判斷出UserReg消息是更新消息，查詢MN對應(yīng)的訂閱列表suberList

FORsuberINsubList of MN

MMA解析出suber標識綁定的接入星IP

MMA根據(jù)IP地址構(gòu)造Notify消息并發(fā)送，攜帶MN標識、MAG2標識

FORsuberINsubList

接收到Notify消息，更新本地緩存的MN標識、MAG標識、MAG-IP之間的映射關(guān)系

當接入星MAG2從骨干衛(wèi)星MainSat1切換到骨干衛(wèi)星MainSat2后，MAG2需要更新當前位置信息到骨干衛(wèi)星組成的MMA中。MMA接收到終端位置更新消息后，會根據(jù)MAG2位置的訂閱列表sublist，通知關(guān)心此終端位置變化的MAG。

接入星移動性管理過程如下：

MAG2發(fā)送MicroSatReg消息到MMA，攜帶MAG2標識、MAG2 IP

MMA解析MicroSatReg消息，取出MAG標識和接入星IP并存儲

MMA判斷出MicroSatReg消息是更新消息，查詢MAG2對應(yīng)的訂閱列表suberList

FORsuberINsubList of MAG2

MMA解析出suber標識對應(yīng)的接入星IP

MMA根據(jù)IP地址構(gòu)造Notify消息并發(fā)送，攜帶MAG2標識、MAG2 IP

FORsuberINsubList

接收到Notify消息，更新本地緩存的MN標識、MAG標識、MAG-IP之間的映射關(guān)系

2 性能分析

終端移動性管理過程中，終端需要更新位置信息到骨干衛(wèi)星組成的MMA中。此外MMA還需要根據(jù)終端的位置更新消息下發(fā)終端位置更新通知到相應(yīng)的MAG中。終端進行位置更新時，終端首先將位置更新消息交給接入星，接入星再將終端位置更新消息轉(zhuǎn)發(fā)給骨干衛(wèi)星組成的MMA。進行數(shù)據(jù)傳輸時，終端把數(shù)據(jù)交給MAG后，MAG根據(jù)本地緩存的綁定關(guān)系，構(gòu)造到對端MAG的隧道。在這一過程中，MAG中可能沒有緩存目的終端標識、對端MAG標識、對端MAG IP地址之間的關(guān)系，需要到MMA中進行查詢。

參考MIP信令開銷分析模型[16]，得出單位時間的信令開銷為：

Cupdate=r*(Supdate*(Hterm-mag+Hmag-mma)+

k*Snotify*(Hmma-mag))+

h*v*(Sencap-data*Hmag-mag+p*Squery*Hquery)，

(1)

式中，Cupdate為單位時間的信令開銷；r為切換發(fā)生率；Supdate為終端位置更新消息開銷；Hterm-mag為從終端到對應(yīng)MAG的跳數(shù)；Hmag-mma為從MAG到MMA的跳數(shù)；k為MMA需要通知的MAG的數(shù)量；Snotify為終端位置通知消息的開銷；h為會話到達率；v為每個會話包含的數(shù)據(jù)包個數(shù)；Sencap-data為隧道報文的開銷；Hmag-mag為MAG之間的平均跳數(shù)；p為查詢發(fā)生率；Squery為查詢消息的開銷；Hquery為查詢請求所需要的跳數(shù)。

參考影響網(wǎng)絡(luò)傳輸時延的各因素[17-18]，得出數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延為：

Ttransport=Tterm-mag+Tmag-mag+Tmag-term+m*Tquery，

(2)

式中，Ttransport為數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延；Tterm-mag為從終端到MAG的時延；Tmag-mag為從MAG到MAG的時延；Tquery為地址查詢的時延。由于源端MAG在本地緩存中不一定能找到目的終端對應(yīng)的接入星IP地址，因此可能需要到MMA中進行查詢，m表示天基網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸需要進行地址查詢的概率。

3 仿真分析

文中所提方案的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)值切換發(fā)生率r0．005終端位置更新消息開銷Supdate/B40終端位置通知消息的開銷Snotify/B40終端對應(yīng)訂閱列表的平均條目k10會話到達率h0．1每個會話包含的數(shù)據(jù)包個數(shù)v10隧道報文的開銷Sencap?data/B20MAG之間的平均跳數(shù)Hmag?mag4查詢消息的開銷Squery/B40天基終端和對應(yīng)接入星的平均時延Tterm?micro/ms4接入星和直連骨干衛(wèi)星的平均時延Tmicro?main/ms120相鄰骨干衛(wèi)星的平均時延Tmain?main/ms28骨干衛(wèi)星的總數(shù)目N32

數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延和查詢概率m的關(guān)系如圖2所示。對于mobileIP而言，發(fā)給移動節(jié)點的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過HA封裝后再轉(zhuǎn)發(fā)給FA，然后再分發(fā)到MN的，因此對于固定的CN和MN，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延是相對穩(wěn)定的?；赑ub/Sub的移動性管理，MAG接收到CN發(fā)給MN的數(shù)據(jù)時，首先會在本地緩存中進行查找，得到MN對應(yīng)MAG的IP地址。如果沒有找到，需要到骨干衛(wèi)星組成的MMA中進一步查詢。因此，如果CN之前和MN已經(jīng)進行過通信，不需要再次到MMA中查詢。但是CN是首次向MN發(fā)數(shù)據(jù)，CN對應(yīng)的MAG就需要進行查詢。用參數(shù)m衡量CN發(fā)給MN的數(shù)據(jù)中需要到MMA中進行查詢的概率。m值較大時，說明網(wǎng)絡(luò)中的大量數(shù)據(jù)傳輸是新發(fā)起的。m值較小，說明大量數(shù)據(jù)傳輸是連續(xù)性通信。從圖2中可以看出，Pub/Sub模型的時延要顯著低于mobileIP，主要的原因是由于在Pub/Sub模型中，MAG轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時會先在本地緩存中進行查詢并且隧道直接在源端MAG和目的端MAG之間構(gòu)造而不必通過MMA轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延和查詢概率m的關(guān)系

單位時間信令開銷和查詢發(fā)生率p的關(guān)系如圖3所示。對于mobileIP而言，特定的CN發(fā)給特定MN的消息都是先經(jīng)過HA和FA之間的隧道轉(zhuǎn)發(fā)之后解封才交給MN的，因此數(shù)據(jù)傳輸路徑相對比較固定，給定時間內(nèi)的信令開銷也基本固定。在Pub/Sub模型中，信令開銷包括3部分：終端位置更新開銷、終端位置通知開銷和數(shù)據(jù)傳輸開銷。由于數(shù)據(jù)傳輸時，存在MAG需要到MMA中進行查詢的不確定性，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷不是固定的，同天基網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸需要進行查詢的頻率p有關(guān)。從圖3中可以看出，當p<0.2時，Pub/Sub模型的信令開銷是顯著低于mobileIP模型的，這是由于此時網(wǎng)絡(luò)中的MAG只需要到本地緩存中進行查詢即可，不必到MMA中進行查詢。當p>0.2時，mobileIP的開銷要低于Pub/Sub模型。p衡量單位時間內(nèi)的地址查詢次數(shù)，p值越大，地址查詢次數(shù)越多。從單位時間信令開銷的角度來看，Pub/Sub模型更適合具有通信連續(xù)性特征的業(yè)務(wù)，對于網(wǎng)絡(luò)剛剛建立，數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系還不穩(wěn)定時，Pub/Sub模型的表現(xiàn)還有待進一步優(yōu)化。

圖3 單位時間信令開銷和查詢發(fā)生率p的關(guān)系

Pub/Sub模型相對于mobileIP在數(shù)據(jù)傳輸時延方面的優(yōu)勢是以單位時間信令開銷為代價的。通過由MMA控制MAG和GW完成隧道的建立和管理，避免了LMA和HA轉(zhuǎn)交數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延，但也帶來了終端位置更新通知的額外信令開銷。

4 結(jié)束語

本文提出由骨干衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡(luò)完成MMA的功能，并在MMA控制下在MAG之間構(gòu)建隧道，減輕了接入星與骨干星之間的負擔，提高了通信的實時性，降低了骨干星的壓力。同時針對天地一體化網(wǎng)絡(luò)中終端移動接入星也移動的問題，提出終端和接入星在開機以及移動時主動注冊到MMA中，綁定相應(yīng)的位置信息。終端和接入星移動時，由MMA通知MAG更新本地緩存的終端標識，接入星標識以及接入星IP地址之間的綁定關(guān)系，以更新數(shù)據(jù)通信隧道，從而確保數(shù)據(jù)通信的連續(xù)性。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)MIP相比，基于Pub/Sub模型的天地一體化網(wǎng)絡(luò)移動性管理方法以少量信令開銷為代價，取得了傳輸時延方面的明顯優(yōu)勢。

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