基于SCTP和移动IP的GEO天基网络移动性管理

张燕峰，柳长青，童国林，刘 鑫

(1.天航信民航通信网络发展有限公司，北京 100192； 2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081； 3.民航电信开发有限责任公司，北京 100122)

基于SCTP和移动IP的GEO天基网络移动性管理

张燕峰1，柳长青2，童国林3，刘 鑫3

(1.天航信民航通信网络发展有限公司，北京 100192； 2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081； 3.民航电信开发有限责任公司，北京 100122)

相比基于低轨(LEO)卫星的天基网络，基于静止轨道(GEO)卫星的天基网络具有空间节点数量少、拓扑结构简单和系统建设成本低的优点。围绕用户终端在GEO天基网络中的移动性管理问题，利用移动IP架构的位置管理功能定位并追踪移动用户终端的网络位置，基于流控制传输协议(SCTP)的多地址归属特性保证移动切换过程中数据传输连接的连续性，提出了一种融合SCTP协议和移动IP架构的GEO天基网络移动性管理方案，具有良好的网络安全特性。测试结果表明，该方案既消除了移动IP架构固有的“三角路由”缺陷，同时具有较高的切换平滑性，是解决GEO天基网络移动性管理问题的有效方案。

天基网络；流控制传输协议；移动IP；移动性管理；静止轨道

0 引言

天基网络是以卫星间组网的方式构成的通信网络[1-2]，可以实现通信信号对整个地球的无缝覆盖，以“无处不在”的方式支持各种通信应用。因此，欧美等发达国家政府和信息技术巨头公司都纷纷投入力量竞相发展[3-5]。

天基网络的设计实现分为LEO卫星组网和GEO卫星组网2种基本方式。相比基于LEO卫星的天基网络，基于GEO卫星的天基网络(以下简称：GEO天基网络)具有空间节点数量少、拓扑结构简单和系统建设成本低的优点，较为适合我国国情[6]。

在基于星载IP路由的GEO天基网络中，卫星和波束都对地静止，但随着低轨航天器、飞机、飞艇、船舶以及远途机动车辆等平台的大量使用，用户终端跨星跨波束移动切换越来越普遍，移动性管理在整个系统技术体系中的位置越来越突出[7]。

本文针对基于星载IP路由的GEO天基网络的移动性管理问题，提出了一种融合SCTP协议和移动IP架构的GEO天基网络移动性管理方案。该方案既消除了移动IP架构固有的“三角路由”缺陷，又具有良好的网络安全特性，同时还提高了切换的平滑性，是解决GEO天基网络移动性管理问题的有效方案。

1 天基网络的移动性管理

移动性管理就是通过确定的主机标识找到移动节点的当前位置，以向其呼叫或传输数据，并在其整个移动过程中保持通信的连续性。移动性管理包括位置管理和切换管理2个方面：位置管理包括位置注册(或称位置更新)和呼叫传递2个重要功能。位置更新是移动用户周期性地通知网络其新位置，网络对移动用户进行认证并记录该用户新的位置信息；呼叫传递则是网络查找、定位移动节点当前位置的过程。切换管理是指用户终端在不断移动并改变网络接入点的情况下，网络能够维持该用户的网络连接不中断[8-9]。

GEO天基网络移动性管理的典型场景如图1所示。

图1 天基网络移动性管理场景

3颗GEO卫星通过星间链路组成环绕全球的天基网络，每颗GEO卫星携带星载路由器且拥有一个或多个对地波束，通过星载IP路由寻址方式组建卫星通信网络。此种组网方式下，移动主机(Mobile Host，MH)在跨越不同GEO卫星的覆盖范围时，会获取不同的接入地址以接入不同GEO卫星，因此存在位置管理和切换管理的问题。假设在初始状态下，MH处于卫星GEO1的覆盖范围内，固定主机(Fixed Host,FH)处于卫星GEO3的覆盖范围内，MH和FH之间可以正常地互相寻址并通信。位置管理的功能是：当MH移动到卫星GEO2覆盖下的MH′位置后，追踪、定位并记录MH的新位置，并在FH向MH发送数据包时，完成对MH′的寻址，保证数据包能够被准确地传送到MH′。切换管理的功能是：在MH向MH′移动的过程中，选择合适时机脱离原有接入点GEO1，并从新接入点GEO2接入，如果此时FH正在与MH通信，那么，切换管理还应保证通信连接尽可能不中断。

2 SCTP协议

SCTP是IETF提出的一种可靠的、面向报文的端到端传输层协议[10]。使用SCTP的节点在通信之前必须先建立连接，在SCTP中称为关联。与TCP不同，SCTP通过4次握手来建立关联，每次握手SCTP两端会交换通信状态，关联建立过程如图2所示。

图2 SCTP关联建立过程

① 客户端发送INIT块请求建立关联；② 服务端在接收到INIT块后从其中提取部分信息，利用自己的密钥从信息中创建一个摘要，信息和摘要一起被制作成Cookie，并附在INIT ACK块中发送给客户端；③ 客户端在接收到INIT ACK后，回复COOKIE ECHO块，原封不动地包含服务端发送的Cookie；④ 服务端接收到COOKIE ECHO块后，发送COOKIE ACK块进行确认，关联建立完成。

SCTP具有多归属特性，基于SCTP通信的双方都可使用多个IP地址，选择某个IP地址为主地址来传送消息流，其他IP地址作备份。并且经过IETF对SCTP的扩展，SCTP协议可在会话期间利用地址配置改变(Address Configuration Change,ASCONF)块携带信息，动态地增加、删除IP地址以及改变主地址[11-12]，如图2所示。这种特性赋予了SCTP在传输层对移动性进行支持的能力。基于上述特性，SCTP可以保证用户终端切换过程中数据连接的连续性，但无法提供位置管理功能。

3 移动IP

移动IP包括MIPv4[13]和MIPv6[14]。2种技术原理基本相同，在具体实现上有所差别。卫星网络主要应用IPv4，因此，卫星网络的移动性管理机制相应使用MIPv4。

MIPv4基于移动主机所在本地网络上的家乡代理(Home Agent，HA)和移动主机漫游到的外地网络上的外地代理(Foreign Agent,FA)进行移动性管理。MIPv4使用家乡地址(Home Address，HoA)标识主机的身份信息，使用转交地址(Care of Address，CoA)标识主机的位置信息。

当MH移动到一个新的网络后，通过该网络上的外地代理或者DHCP获得一个CoA。MH获取CoA后，将向家乡代理注册CoA信息。这样，家乡代理就拥有了HoA和CoA之间的映射关系。在后续的通信过程中，MH发给FH的所有数据包均通过正常路由转发至FH；FH发给MH的所有数据包则均被家乡代理截获，而后，家乡代理检索HoA和CoA的映射关系表，根据检索结果以MH的CoA为目的地址对数据包进行隧道封装，并将数据包转发给MH。这样，位置管理问题得以解决。

从上述过程可以看出，在移动IP架构下，当MH发生移动后，由FH发送给MH的所有数据包都需要经由HA中转，这就是典型的“三角路由”问题[15]。

4 基于SCTP和移动IP的天基网络移动性管理方案

SCTP具有多归属特性，基于SCTP通信的双方都可使用多个IP地址，并且可以动态地增加、删除和改变IP地址。移动IP架构具备良好的位置管理功能。结合SCTP和移动IP的优势，提出一种基于SCTP和移动IP的GEO天基网络移动性管理方案。该方案不但有效地解决了GEO天基网络移动性管理问题，而且消除了移动IP固有的“三角路由”缺陷，同时还具有良好的网络安全特性。

如图1所示，在基于SCTP和移动IP的GEO天基网络移动性管理方案中，通过星间链路连接的每颗GEO卫星上的星载路由器可为漫游至本颗卫星下的用户终端分配CoA，且每个GEO卫星都布设一台具备家乡代理功能的代理设备，该代理设备可注册HoA和CoA的映射关系。

4.1 工作流程

4.1.1 用户终端发生移动后的通信流程

假设初始状态下，MH在GEO1的波束下，FH与MH之间没有建立通信。当MH移动到GEO2的波束下后，FH开始向MH进行数据传输。该场景下基于SCTP和移动IP的GEO天基网络移动性管理流程如图3所示。

图3 移动性管理流程

下面对该移动管理流程进行解释说明：

① 利用移动IP的位置管理功能维护MH的位置信息，这样在MH发生移动后，FH向MH发起数据传输时才能够找到MH；

② FH向MH发起基于SCTP的数据传输。SCTP利用移动IP提供的位置服务，通过4次握手建立关联，其中第一次握手过程需要利用HA1的查表封装和隧道转发机制；

③ 关联建立完成后，FH与MH基于SCTP交互数据，FH向MH发送数据的路径将由原来的FH->GEO3->GEO1->GEO2->MH改变为FH->GEO3-> GEO2->MH，传输路径大为缩短。

在本场景下，如果MH在移动后需要向FH发起数据传输，那么，由于FH的地址是不变的，所以MH在利用移动IP获取CoA后，可直接向FH发送INIT块，并声明CoA为主地址，然后建立关联并互通数据，此种情况下的数据交互同样不需要HA1的隧道中转。

4.1.2 用户终端移动过程中的通信流程

假设MH在GEO1波束下(家乡网络)时，FH向MH发起握手请求，并建立关联开始传输数据。在数据传输过程中，MH移动到GEO2波束下(外地网络)。该场景下基于SCTP和移动IP的GEO天基网络移动性管理流程如图4所示。

下面对该移动管理流程进行解释说明：

① MH在GEO1波束下(家乡网络)向其家乡代理HA1注册家乡地址HoA；

② FH基于SCTP向MH发起数据传输，通过4次握手建立关联，此时MH与FH基于SCTP进行数据传输的主地址为HoA；

③ 在数据传输过程中，MH移动到GEO2波束下(外地网络)，GEO2上的路由器为其配置转交地址CoA，MH向其家乡代理HA1注册CoA；这时，HA1维护MH的HoA和CoA的映射表；这些过程是在移动IP层完成的，不会影响到正在传输数据的SCTP关联；

④ MH的SCTP获取到新配置的CoA后，可在合适时机通过已建立的SCTP关联直接向FH发送ASCONF块，通知FH使用CoA为主地址；FH收到ASCONF后，回复ASCONF-ACK进行确认。这样，无缝切换完成，FH和MH可通过路径FH->GEO3->GEO2->MH直接继续互通数据，而无需通过GEO1上的HA1进行隧道转发。

在本场景下，对于MH向FH发起建立关联请求并传送数据的情况，由于FH的地址不变，因此MH在利用移动IP获得CoA后，直接通过已建立的SCTP关联向FH发送ASCONF块，将CoA改为主地址，然后继续互通数据，此种情况同样不需要HA1的隧道中转。

图4 移动性管理流程

4.2 方案优点

4.2.1 解决“三角路由”问题

基于SCTP和移动IP的GEO天基网络移动性管理方案利用移动IP的位置管理能力定位并追踪移动用户终端的网络位置信息，基于SCTP的多归属特性和动态修改通信双方IP地址的能力消除了隧道中转环节。和单纯使用移动IP相比，在具备完整的移动性管理能力的同时，消除了“三角路由”，明显缩短了空间传输路径，显著提高了天基网络数据传输效率。

4.2.2 防止拒绝服务(DoS)攻击

DoS攻击主要是利用大量伪造的服务请求来占用过多的服务器端资源，从而使得合法用户无法得到服务的响应。SCTP在关联建立阶段实施了一种安全的“Cookie”机制[16-18]：服务器在接收到INIT块后不会分配任何资源，而是把INIT块中包含的信息进行一定的处理生成Cookie，将其随INIT ACK发送给INIT的发送者，然后可能出现2种情况：① 如果INIT的发送者是个攻击者，那么服务器就永远不会收到COOKIE ECHO，从而没有任何资源被分配；② 如果INIT的发送者是需要建立关联的合法用户，它就会收到带有Cookie的INIT ACK，然后发送COOKIE ECHO，附上原封不动的Cookie。服务器收到COOKIE ECHO后，知道对方是一个合法用户，服务器就会分配资源并回复COOKIE ACK完成关联建立。SCTP利用这种Cookie机制可有效防止网络中的DoS攻击。

4.2.3 平滑切换

SCTP可以使通信过程中的移动切换更为平滑。SCTP的多归属特性可以使通信双发都同时支持多个IP地址，MH在波束重叠区获取到新的CoA时，可以在添加CoA的同时仍使用HoA作为主地址，直到条件(信号强度等)满足才触发修改主地址为CoA。这种事先准备CoA、必要时迅速切换主地址的方式，使得切换时延相对于单纯使用移动IP的方式有明显降低[19]，跨区切换更为平滑。

5 测试验证

测试框图如图5所示。

图5 测试框图

固定主机(FH)和移动主机(MH)支持SCTP，星载路由器支持MIP，链路模拟器可提供单向100 ms的链路时延。在FH和MH上开发基于SCTP的数据收发软件，进行了切换测试和“三角路由”测试。

5.1 切换测试

切换测试步骤如下：

① 按照测试框图连接各设备，配置相应IP地址，确保星载路由器之间互通， FH和MH互通；

② 启动FH和MH上的基于SCTP开发的测试软件，由FH向MH发送数据流量并持续一段时间；

③ 将链路模拟器的WAN口网线从星载路由器1的端口2拔出，移动到星载路由器2的端口2下插入，记录此过程的流量振荡情况，如图6所示。

图6 切换过程流量

由图6可知，在MH从星载路由器1切换到星载路由器2的过程中，由FH向MH发送的数据流量振荡几秒钟后恢复传输，验证了文中设计的移动性管理方案的可行性。

5.2 “三角路由”测试

为验证文中设计方案能够解决“三角路由”问题，测试软件具备添加时间戳并且计算数据包传输时延功能。

测试步骤与切换测试基本相同，区别在于该测试目标是观察切换前后的数据传输时延。

通过观察发现，MH移动之前的数据包传输时延为100 ms，此时FH与MH是通过“FH->星载路由器3->星载路由器1->MH”互通；MH移动到星载路由器2并完成切换后数据包传输时延仍是100 ms，说明FH是经由“FH->星载路由器3->星载路由器2->MH”与MH互通。该情况下，传统基于MIP的移动性管理方案将会绕路星载路由器1，数据包传输时延将是200 ms，此测试说明文中设计的移动性管理方案解决了“三角路由”问题。

6 结束语

本文围绕用户终端在GEO天基网络中的移动性管理问题，利用移动IP架构的位置管理功能定位并追踪移动用户终端的网络位置，基于SCTP的多地址归属特性保证移动切换过程中数据传输连接的连续性，提出了一种融合SCTP协议和移动IP架构的GEO天基网络移动性管理方案。该方案既消除了移动IP架构固有的“三角路由”缺陷，又具有良好的网络安全特性，同时还提高了切换的平滑性，是解决GEO天基网络移动性管理问题的有效方案。

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AMobilityManagementSchemeforGEOSpace-basedNetworkBasedonSCTPandMobileIP

ZHANG Yan-feng1，LIU Chang-qing2，TONG Guo-lin3，LIU Xin3

(1.AEROTELENETCo.,Ltd，Beijing100192，China； 2.The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China； 3.CivilAviationTelecomCo.,Ltd，Beijing100122，China)

Compared with the LEO space-based networks,the GEO space-based networks have some advantages,for example,the number of space nodes is small,and the structure of network is simple,also the cost of building the system is low.Centering on the mobility management problems caused by mobile users in GEO space-based networks,a mobility management scheme for GEO space-based networks combining SCTP and mobile IP is proposed,which makes use of the location management of mobile IP to locate and track the locations of mobile hosts,and uses the multihoming feature of mSCTP to guarantee the continuity of data transfer connections in the handoff process.This scheme has good network security characteristics.As the test result shown,this scheme can resolve the problem of “Triangular Routing” caused by the mobile IP,and can enhance the smoothness in the handoff process.So this scheme is effective for solving the mobility management of GEO space-based networks.

space-based network;SCTP;mobile IP;mobility management;GEO

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.10.02

张燕峰，柳长青，童国林，等.基于SCTP和移动IP的GEO天基网络移动性管理[J].无线电工程,2017,47(10):6-11.[ZHANG Yanfeng，LIU Changqing，TONG Guolin，et al.A Mobility Management Scheme for GEO Space-based Network Based on SCTP and Mobile IP[J].Radio Engineering,2017,47(10):6-11.]

TN927.2

A

1003-3106(2017)10-0006-06

2017-01-09

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2015AA015701)。

张燕峰男，(1973—)，硕士，高级工程师。主要研究方向：网络通信技术。柳长青男，(1988—)，硕士，工程师。主要研究方向：卫星通信技术。