未来移动互联网络的移动性管理架构研究

靳 浩

北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室 北京 100876

引言

近年来，随着移动和无线网络、智能手机以及各种丰富多彩的手机应用的迅猛发展，用户对服务随时随地的高速率、低延迟等QoS需求越来越高，无线网络环境和组网技术变得越来越复杂，无线系统需要通过异构网络部署及其协同技术才能使用户获得随时随地的互联网络应用服务。以内容为中心网络的发展和内容服务器边缘化、移动无线网络架构的扁平化等都对移动无线网络的移动性管理架构产生了深远影响。云计算作为一种泛型，其兴起使得传统台式机被智能手机和平板电脑所替代，由于这些终端只能提供有限的计算和存储能力，致使云计算平台必须承担繁重的计算和处理功能，给移动互联网应用带来了巨大挑战，如何设计高效的移动性管理架构成为急需解决的问题。物联网等智能控制网络的发展，使得在不同的移动场景下对海量节点的移动性管理也成为一个难题[1-2]。

1 移动性管理技术及其主要实现方式

移动通信网络中的移动性管理是指在移动通信系统中，移动终端通过动态的连接点构成动态通信链路，采用动态组网来满足用户移动服务需求的一系列核心技术。目前，实现移动性管理的两大主流技术分别是基于蜂窝的通信系统和基于IP网络的移动性管理，它们的本质工作机理和实现方式具有不同特点。

1.1 基于蜂窝通信系统的移动性管理

在传统的移动通信系统中，移动性管理功能主要包括小区选择与位置登记、越区切换、小区重新选择与用户漫游等。当移动终端在蜂窝覆盖区域移动并使用服务时，切换是移动性管理中最常见的操作。切换是指将正在进行的通信从蜂窝系统覆盖的一个小区迁移到另一个小区时的控制机制。蜂窝通信网络的切换过程可以划分为以下步骤。

1)初始化过程。移动站测量信道质量，包括不同基站的信号强度、信干噪比、距离和误比特率等，并将测量结果发送给源BS。2)网络选择过程。源BS转发测量报告到控制单元，控制单元在考虑资源和网络负载的基础之上，决定哪个BS是保持连接的最佳BS。3)切换决策过程。本过程可以是集中式的，也可以是分布式的，主要依据判决过程在哪里执行。如果需要切换，则控制单元通知目标BS准备一个连接，并让源BS发送切换命令给移动站。移动站采用鉴权、同步、网络配置等操作开始与目标BS建立一个连接，最后，移动站发送一个信息给目标BS，指示切换完成。

根据涉及的接入网络技术不同，切换可以分为水平切换和垂直切换。水平切换是指发生在同一种接入技术网络接口的切换，它包括小区内切换和小区间切换两种。其中，小区内切换只切换一个小区内的无线信道，而小区之间的切换则在移动站从一个小区移动到另一个相邻的小区时，将源BS的所有连接切换到目标BS上；垂直切换是指完成在一系列不同接入技术网络之间的切换，例如3GPP网络、802.11、 802.16等接入网络技术之间的切换。

根据在切换过程中网络和移动站参与程度的不同，切换决策过程又分为四种不同的控制方式，即网络控制的切换方式(Network-Controlled Handover，NCHO)、移动站控制的切换方式(Mobile-Controlled Handover，MCHO)、移动站辅助的切换方式(Mobile-Assisted Handover，MAHO)和网络辅助的切换方式(Network-Assisted Handover，NAHO)。其中，NCHO是由网络起始和控制的切换方式，切换由网络启动，以便完成流量管理和负载均衡；MCHO是由移动设备起始和控制的切换方式，移动站总是在测量可能的接入点信号强度并在必要时发起切换；MAHO是主要用于广域无线网络的切换方式，移动站监测可能的基站，由网络决定是否进行切换；基于NAHO的切换方式用于当网络收集到可用于移动站切换的信息时将信息提供给移动站，即由网络辅助移动站进行切换决策。

1.2 基于IP层的移动性管理

基于IP的移动性管理是IETF标准化的移动性管理机制，是通过采用基于永久IP地址和网络层的路由机制实现基于IP地址漫游的移动性管理机制，目前已经广泛应用的基于IP的移动性管理协议有MIP和PMIP等。

基于IP的移动性管理采用的都是集中式架构，在这些集中式的模型中都有一个称为移动锚点(Mobility Anchor，MA)的中心静态实体，该实体用来负责大量移动节点的移动性管理，即数据传送、上下文信息和信令处理。所有数据流会穿越集中式的移动锚点，例如在MIP中的本地代理(Home Agent，HA)和PMIP的本地移动性锚点(Local Mobility Anchor，LMA)，同时，所有地址绑定也都在移动锚点这里进行。从实质上看，基于

IP的移动性管理工作机理一般包括以下步骤。1)移动节点得到临时转交地址的过程。即移动节点在漫游网络中，得到漫游网络中的移动锚点分配给该移动节点的临时地址过程。2)临时地址的注册/公告过程。移动节点通过移动锚点将其得到的临时转交地址告知其本地移动锚点的过程，过程本质上是一个地址映射过程。3)数据传送过程。移动节点采用得到的临时转交地址，在漫游IP网络中进行数据传送的过程，在本过程中，通常采用隧道技术对数据进行封装和传送。

1.3 移动性管理功能实现的多样性

从上述两类主流的移动性管理机制及其实现机理来看，以3GPP为核心的基于蜂窝网络的移动性管理机制解决的主要是3GPP网络与非3GPP网络之间在不同级别的互联，3GPP定义了3GPP网络与非3GPP网络(WLAN)的六种不同的互联场景，即一般计费、基于3GPP系统的接入控制和计费、接入3GPP系统的分组交换业务、业务连续性、无缝业务以及接入3GPP电路交换业务场景。

IETF的移动性管理主要关注的是基于网络层及其之上层的异构网络融合。

在异构网络互联和融合的过程中必须涉及的一个关键问题是垂直切换时的决策，为解决异构网络协同时的垂直切换问题，IEEE的802.21给出媒介独立切换(Media Independent Handover，MIH)框架，MIH作为一个融合二层和二层以上层的逻辑实体，其主要功能是通过提供移动性管理实体需要的信息协助垂直切换的决策，以便支持异物网络之间的无缝移动性。

目前，3GPP规范的异构无线网络组网时同时采用基于蜂窝通信系统的移动性管理和IETF基于IP的移动性管理技术。

近年来，出现了一些支持多宿的移动性管理协议。多宿(multi-homing)是指一个移动节点对多个网络接口或者IP地址的同时使用，用以增强网络的连接性和网络应用的可达性。多宿可以基于不同的层来实现。支持多宿的移动性管理协议主要有LIN6、Homeless Mobile IPv6、MPTCP、SCTP、HIP、SIP等[2]。

表1给出了上述几个支持多宿的主要移动性管理协议的功能对比[2]。

表1 支持多宿的主要移动性管理协议的功能对比

2 移动性管理实现机理的分析

移动性管理的架构与其实现的移动性管理功能、性能及其对网络和用户的业务支持、用户的QoS需求等因素具有密切的关系。分析移动性管理的实现机理有助于对移动性管理功能、性能的研究。移动性管理功能实现的分析通常会从架构、控制方法、地址与用户的标识方式等方面进行。

从移动性管理架构角度来看，一般分为集中式架构和分布式架构两类；从控制方法来看，通常从控制平面与数据平面是否分离及其分离的方式、移动性管理实现的过程和性能等方面进行分析；从地址与用户的标识方式角度来看，有些移动性管理模型将移动节点的地址与其ID分离开来，有些则没有进行分离。以下将从不同角度分析移动性管理实现与其架构之间的关系。

2.1 基于数据平面和控制平面分析移动性管理

移动性管理完成的功能可以分为控制平面功能和数据平面功能，可以将与信令相关的所有控制管理都归属于移动性管理的控制平面功能，而基于地址翻译以及通过封装/解封装进行数据流转发等都归属于数据平面功能。这种基于不同平面的分析方法有助于分析和评估移动性管理架构。

2.2 基于移动性管理功能实现的过程分析移动性管理

对过程分析移动性管理的典型例子是对异构无线网络的移动性管理进行分析，并根据移动性管理实现的过程，将其分为系统发现过程、切换决策过程和切换执行过程三个部分。

1) 系统发现过程。也称为垂直切换信息收集过程，在本过程中系统周期性地检查移动终端可以切换的更合适的网络，在某些情形下，发现过程只有在现有网络的连接不再可控时才启动，这就意味着终端的无线信号传播环境和其QoS将会劣化到一个定义的门限值以下；在其他情形中，发现过程会不断地收集QoS相关的指示信息和可能的网络信息，以便在选择切换网络时为垂直切换算法提供进行切换的决策数据。

2) 切换决策过程。本过程发生在可能的无线接入网络评估完成之后，其结果是在考虑了系统发现过程中收集的一系列判决准则基础之上为移动终端选择一个能切换的网络。针对本过程，目前已经有很多相关的研究成果，包括基于函数的判决准则算法、以用户为中心的决策算法、MADM算法、基于马尔科夫的判决算法、基于模糊逻辑的判决算法、基于博弈的决策算法和基于信誉的决策算法等。

3) 切换执行过程。本过程中完成信息在两个网络中进行的交互和用户连接从一个网络到另一个网络的重新路由。

上述基于功能的分析方式有助于发挥基于过程评估移动性管理的功能及其算法的性能。

2.3 基于移动性管理实现的功能分析移动性管理

对移动性管理完成的功能进行分析可以从实质上分析移动性管理的实现机理。移动性管理可以分为切换管理、数据管理和位置管理三个功能。其中，切换管理负责保持正在进行的会话，位置管理是指无论移动节点在网络中的附着点在哪里，即保证所有移动节点均可达。这种分类方法比基于控制/数据平面进行分析更近了一步，即将控制平面进一步分为位置管理和切换管理两部分。分离切换管理可以增加对移动节点漫游管理的灵活性。

以下给出基于IP的移动性管理实现切换管理、数据管理和位置管理时的具体功能[3-4]。1)位置管理。其功能是基于一个ID数据库完成包含绑定移动节点的ID与其现有IP地址的功能。本功能模块支持应用与位置管理交互，以便基于其ID请求移动节点的IP地址，并通过切换管理功能以移动节点现在的IP地址进行IP地址的更新。2)数据管理。是指通过地址翻译完成分组数据的封装。数据管理不提供任何信令的功能，只从切换管理功能模块接收信令。3)切换管理。当一个移动节点在网络之间漫游时切换管理可保持其会话的活动状态，提供IP层的切换检测和协商，负责IP切换后与数据管理和位置管理的信令交互，同时，保持移动性上下文和路径。

上述基于移动性管理功能的分离有助于对移动性管理架构的分析。

3 未来互联网络对移动性管理架构的需求

未来的移动互联网络将融合通信和计算，基于内容的业务、实时视频等业务将占据数据流量的主导地位，以用户为中心的移动性管理将变得越来越重要，同时，智能控制的需求将使得大量的物联网节点参与移动互联网的组网，这些趋势将使得移动互联网的组网方式趋向扁平化和虚拟化，移动性管理架构需要适应这些网络发展和演进的趋势需求。

现有的移动性管理具有以下特点。1)移动性管理主要采用的是集中式架构；2)当基于较小的颗粒度进行移动性管理时，移动性管理信令的开销大，核心网络资源消耗较大；3)集中式架构的静态移动性支持方法难以满足移动终端的多种移动性服务需求；4)集中式架构抵抗节点故障和攻击的能力较弱。

IETF在文献[5]中给出了现有基于IP的移动性管理方案存在的问题。1)基于集中式锚点的转发数据模式会导致非优化路由，增加端到端延迟，尤其是在内容网络中更加明显；2)内容分发网络架构演进倾向与现有的移动性管理架构不相匹配；3)现有的移动性管理策略缺乏移动性上下文维护和集中式隧道管理的可扩展性；4)移动性管理的单节点可靠性问题；5)移动节点的移动性需求不同；6)端到端通信时移动性管理的信令开销大。

鉴于无线网络已趋向于扁平化的网络架构、基于内容的移动性管理要求流量卸载、同一地理区域中的端到端直通通信需求以及不同节点的移动性需求差异等因素，完全可以在数据平面扁平化移动网络，为此，IETF提出分布式移动性管理(Distributed Mobility Management，DMM)架构，并给出分布式移动性管理的相关需求[6]。1)DMM可以优化数据平面路由，即数据平面分布式，但不限制控制平面是分布式还是集中式；2)应该支持网络层的移动性，但不一定总是支持，可以支持在移动中更换IP地址，也不一定总是支持基于一个活跃的会话的固定IP地址；单个会话的移动性管理颗粒度应该多样化；3)应以基于IPv6的移动性管理为起点，并以现有协议为准进行重用和扩展，然后再考虑采用新的协议；同时，应考虑与现有的协议进行松/紧耦合或者没有融合的协议栈情形，在不同网络上应支持互操作性；4)应考虑管理和配置现有设备时能根据现有的网关协议向网络响应发生的事件，并汇报目前的状态；另外，应该能够采用现有的协议对DMM进行管理；5)安全性措施主要包括接入控制、完整性、鉴权、认证等，但不能引入潜在的安全问题；6)应考虑多播业务需求。

4 基于SDN的分布式移动性管理架构

4.1 分布式移动性管理(DMM)的场景和架构

分布式移动性管理与集中式移动性管理进行比较，其主要特征[7]包括4个方面。1)网络层的移动性管理可以基于网络，也可以基于客户机。基于IP的移动性管理协议的一个显著特征是会话标识符和转发地址之间的映射，起始IP地址(移动之前)会作为会话标识符；2)基于主机的移动性管理主要通过会话标识符与移动后的转发地址之间的映射和选路完成移动性管理的支持；3)在一个移动锚点上解决上述映射功能的移动性管理是集中式的，主要表现是其数据平面和控制平面没有分离；4)数据平面基于分布式实现，控制平面可以集中式，也可以分布式；控制平面集中式是将数据平面和控制平面分离开来，对移动性管理进行分布式实现时，用户管理、用户数据库以及网络接入认证鉴权等功能不需要分布式实现。

图1 在虚拟化场景下的DMM架构

在此基础上，文献[7]还给出DMM的主要场景和架构，即网络功能虚拟化场景和3GPP的SIPTO/LIPA场景。在网络功能虚拟化场景中，移动核心网络的控制平面功能在移动云中是集中式的，显然从数据转发角度来说，在同样的移动云中设置数据平面是欠优化的；在3GPP研究的SIPTO/LIPA场景中采用分布式移动性管理可以提供优化的流量卸载解决方案。图1给出了虚拟化场景下的DMM架构，对应的移动性管理架构采用了基于SDN、将控制平面和数据平面进行分离实现的架构，分别见图2和图3。

图2 单控制器、数据/控制平面分离的DMM架构

图3 核心网络和接入网络中数据/控制平面分开控制的DMM架构

在DMM架构中，基本的移动性管理功能包括位置信息(LI)功能和转发管理功能(FM)。其中，LI属于控制平面的功能，FM又可以分为数据平面的数据转发管理功能(FM-DP)和控制平面的转发管理功能(FM-CP)，因此，控制平面的功能包含FM-CP和LI。这样，基于云的移动核心控制平面功能包含FM-CP、LI和策略功能。分布式数据平面FM-DP在网络中可以具有多个用例。

4.2 基于SDN的通用移动性管理架构

SDN的一个重要特征是分离数据平面和控制平面。在SDN中，数据平面的功能是通过被SDN控制器控制和管理的数据转发设备实现的，SDN控制器的功能通过可编程接口实现控制平面的功能。SDN控制器可以提取和抽象出不同的网络功能和操作，通过软件编程控制器的方式灵活地提供新功能；同时，基于交换机中的流表可以灵活地处理数据。因此，基于SDN的概念构建新型移动性管理架构是提高移动性管理灵活性的一个重要思路。

图4是文献[8]给出的一种基于SDN的通用移动性管理架构。本架构包含一个SDN控制器和网络设备。控制器主要包括事件跟踪器、状态管理器、移动性管理决策器和隧道控制器四个功能。核心网络设备基于流表入口匹配的数据转发操作完成隧道处理功能。支持不同的移动性管理协议时，控制器可以结合事件跟踪、状态管理、移动性管理决策、隧道控制和隧道处理等五个功能，通过不同的流表让网络设备控制隧道操作；因此，通过本架构可以实现不同的IP移动性管理协议，提供更灵活的移动性管理解决方案。

图4 基于SDN的通用移动性管理架构

5 结论

从上述针对移动性管理技术给出的分布式移动性管理和基于SDN的移动性管理架构的最新研究成果来看，目前的移动性管理解决方案还难以充分融合内容网络和云计算的需求，未来移动互联网络的移动性管理架构应该基于SDN的概念进行构建，应能更好地支持内容服务和云应用，能实现以用户为中心的移动性管理，同时应该对用户具备足够的安全性；因此，移动性管理研究仍然面临着一系列技术挑战。

参考文献

[1]Stenio Fernandes,Ahmed Karmouch.Vertical Mobility Management Architectures in Wireless Networks:A Comprehensive Survey and Future Directions[J].IEEE Communications Surveys& Tutorials, FIRST QUARTER 2012,14(1):45-63

[2]Mariem Zekri,Badii Jouaber,Djamal Zeghlache.A review on mobility management and vertical handover solutions over heterogeneous wireless networks[J].Computer Communications,2012(35):2055–2068

[3]Tiago Condeixa,Susana Sargento.Studying the integration of distributed and dynamic schemes in the mobility management[J].Computer Networks 2014,60(2):46–59

[4]Andréa Nascimento,Rute Sofia,Tiago Condeixa,et al.A characterization of mobility management in usercentric networks// Smart Spaces and Next Generation Wired/Wireless Networking[M].Germany:Springer,2011(6869):314–325

[5]RFC 7429.Distributed Mobility Management:Current practices and gap analysis[S/OL].(2015-01-22)[2015-01-30].https://datatracker.ietf.org/doc/rfc7429/

[6]RFC7333.Requirements for Distributed Mobility Management[S/OL].(2014-08-20)[2015-01-30].https://datatracker.ietf.org/doc/rfc7333/

[7]Distributed mobility management deployment scenario and architecture[EB/OL].(2015-03-09)[2015-04-01].https://datatracker.ietf.org/doc/draft-liu-dmmdeployment-scenario/

[8]Software Defined Network Based General Mobility Management Framework[S/OL].(2014-12-20)[2015-01-30].https://datatracker.ietf.org/doc/draft-wei-sdnrgframework-mobility-sdn/