分布式移动管理技术在无线网络管理中的应用研究

焦改英

(安康职业技术学院, 安康 725000)

0 引言

移动互联技术的快速发展使得无线通信颠覆了传统的通信模式，而快速发展的无线互联技术使得各类手持设备可以快速、便捷的接入各类异构无线网络。文献[1]中在Cisco的白皮书提出2013年至2018年间，无线移动流量将会增长近11倍，这样的增速将使得移动运营商和各行业(工业界、研究界)共同探索研究廉价有效的解决方案来应对这种快速的应用增长，主要解决以下两个问题：

(1) 如何为用户在访问中提供足够的容量；

(2) 如何有效处理运输网络中的所有流量。

对于第一个问题，通过减小应用单元的大小是比较可行的方法，结果可以有效增加带宽；对于第二个问题，当前蜂窝网络移动架构的高度集中和层次化，迫使用户流量将所有网络部件遍历到核心，其中核心实体被部署为边界IP网关。按照该方法，通用分组无线服务(GPRS)中的隧道协议(GTP)[2]和移动代理IPv6(PMIPv6)[3]被作为4G网络的两种核心分组，该技术的优点是采用集中管理的方式可跟随移动节点(Mobile Node，MN)动态创建路由数据包，存在可伸缩的问题。因此，在下一代无线通信技术(5G)中，将约束用户流量的条件放宽到核心的中心节点中，并允许Internet服务更加的接近用户，这种实现途径更有益于极其秘籍的无线部署的性能提升，降低运营商核心设备的拥塞触发，并且为用户提供更优的服务。

5G网络的一个典型特点是同一个基础设施将同时服务于不同的用户和应用程序。例如，5G网络可通过资源共享的方式满足少数移动用户视频应用的需求，可在基于视频监控的物联网中应用。随着这些目标的实现，分布式移动管理(Distributed Mobility Management，DMM)已经成为解决核心网络宕机以及不同网关节点采用不同连通性和流动性的移动架构[4-7]。

本文提出在未来5G网络的管理中DMM将成为有效、合理的管理架构，主要解决以下三项内容，从而实现分布式移动管理在无线网络的应用：

(1) 一个基于经典IP移动管理方法的协议：PMIPv6；

(2) 一种基于软件定义(SDN)的机制；

(3) 一种基于路由的解决方案。

1 分布式移动管理技术

1.1 背景

通过部署极其密集的无线网络可解决网络容量提升的需要，并且为每单位面积的用户提供更高的带宽，在802.11协议栈中，11n和11a/c主要实现以上目标。在该背景下，基于当前移动通信架构的通信量以及信号处理存在的扩展性问题，如：在演进分组系统(Evolved Packet System，EPS)的体系结构中，无线接入网(Radio Access Network， RAN)产生的流量是通过隧道技术实现分组数据从中间节点的服务网关(Serving Gateways，S-GWs)到分组数据的网关(Packet Gateways，P-GW)。因此，P-GW作为运营商网络和外部网络之间的网管，将会形成流量的聚集。从这个意义上说，由于移动网络允许在不需要遍历核心链路的情况下进行路由，此外，未来的5G网络将同时为不同需求的多台设备提供服务。例如，在未来几年内物联网的业务量有望快速增长，这一需求迫切需要更为灵活的移动网络架构[8]。

分布式移动管理主要实现对IP服务访问的增强，并内置对移动性和异构无线访问技术的支持[4][8-9]。DMM框架设想了一个全IP的基础设施，用户的数据流通过最优路径进行路由，利用多个锚点(Anchor Point)，并将IP服务部署到更接近用户的地方。注意，这个框架设想需支持跨异构网络的迁移，此外，根据用户提供的服务，可以根据一组扩展的策略来处理用户的数据流量，将IP地址分配给移动节点，为移动运营商提供了管理的灵活性。

1.2 DMM方案的描述

当前，关于DMM的研究，业界的学者已经提出了多种途径，本章节将提出2种主要的解决方案，从不同维度解决移动网络中单一节点流量问题。

第一种方案是基于经典的IP移动协议，主要对PMIPv6进行优化，构建基于PMIPv6的DMM解决方案；第二种方案遵循软件定义的网络规范，构建基于SDN的DMM解决方案。这两种方法均是基于移动节点连通性为基础，确保DMM特性增强，其中第一种广泛的运用了现有的IETF2标准[9]，第二种采用了全新的软件定义网络技术。

1.2.1 基于PMIPv6的DMM方法

该方法基于IPv6中的移动代理技术，通过本地移动点(Local Mobility Anchor，LMA)的核心实体移动访问网关(Mobile Access Gateways，MAG)在访问网络时建立了双向通道，用户的上游数据包通过对应的MAG收集，并通过隧道发送到LMA，然后将其转发到互联网；同样,下游包首先被LMA接收，然后由LMA发送，最后通过隧道终端将它们发送到移动节点(Mobile Node，MN)当前所附属的MAG。在MAG和LMA之间使用专用的交互消息报(代理绑定更新(Proxy Binding Update，PBU)和代理绑定确认(Proxy Binding Acknowledgement，PBA)，PMIPv6协议通过调节网络的状态，让LMA接收到MAG发送的MN已正确连接到路由的消息，实际上，由于LMA是通过用户的数据流遍历的。因此，根据从MAGs接收到的消息，将数据包重定向到合适的隧道，通过这种方式，数据路径最终可能是次优的，而LMA与MAGs的连接须提供高速和冗余的链路，以便为所有订阅者传输流量[10-13]。

在基于PMIPv6的DMM解决方案中，MAG的角色是被DMM-Gateway所取代，DMM-GW作为一个普通访问路由器的节点(即未通过隧道从因特网上发送数据包)。此外，DMM-GW的最大特点是扮演移动站点的功能，它能够在不中断IP流的情况下向前移动，并且实现无缝切换网关的功能。此外，PMIPv6的LMA被简化为计划实体的控制，称为控制移动数据库(Control Mobile Database，CMD)，对于每一个MN均具备CMD存储，用于管理记录当前移动网络的拓扑结构，通过扩展PBU/PBA信号，随着DMM-GW具备在本地中断一些通信流的功能，避免网络核心宕机的隐患，该策略的改进相比PMIPv6在访问到网络核心的聚合链接时在通常执行的过度供应问题上得到了提升。

如图1所示，为基于PMIPv6的DMM解决方案的操作流程，见图1右侧所标的号码。具体过程如下：

图1 基于PMIPv6的DMM解决方案流程图

①：DMM-GW接收到来自MN的路由器请求消息，或通过专用的链接检测机制来检测MN请求；

②③：DMM-GW通过扩展PBU/PBA信号，将MN附件通知CMD，它还包含了DMM-GW为MN分配的IPv6前缀；

④：作为新节点注册，CMD为MN创建了一个新的条目，存储指向MN当前位置的指针，即生成信号的DMM-GW和指定前缀的字段，并通过广播的方式告知MN；

⑤⑥⑦⑧：当CMD从新的DMM-GW中接收PBU时，MN的数据库条目被更新，将MN的位置与新的“服务”DMM-GWs联系起来。此外，CMD指示使用PBU / PBA信号“服务”和旧的DMM-GW之间建立一个隧道，这条隧道改变目前在旧的DMM-GW和新DMM-GW之间的IP流。然而，这条隧道只对那些从之前的DMM-GW的MN就开始进行包装，而新的通信则由新的DMM-GW作为一个普通的路由器来处理，也就是说，不使用任何隧道。

这一动态流程的处理是通过向MN分配一个新的IPv6前缀来实现的，该前缀来自于它连接到的每个DMM-GW，并通过DMM-GW和路由进行广播，迫使MN在新的通信建立过程中使用新的前缀。因此，每个DMM-GW负责一个IPv6前缀池，从中它将与它建立的每个MN的访问链接均委托其处理。因此，MN配置了几个IPv6地址，每个访问了DMM-GW，它的流可能被固定在不同的DMM-GWs上。

1.2.2 基于SDN的DMM解决方案

软件定义的网络是一种网络模式，它将控制和数据转发进行分离。这种分离允许更快地提供网络连接的准备和配置，通过SDN，网络管理员可以在不需要独立访问和配置每个网络硬件设备的情况下，以一种集中的方式对通信和网络的行为进行设置，这种方法使得流量转发节点与应用节点实现了解耦，同时还简化了网络以及部署新的协议和应用程序。

在SDN环境中，网络控制器是最重要的实体，它通过一个通用的应用程序编程接口(API)来对网络中的节点进行配置。其中OpenFlow是此类API之一，它可以通过外部软件应用程序的编写来实现对网络设备设置。如图2所示，为基于SDN的DMM解决方案，在该解决方案中，使用OpenFlow API实现了称为网络控制器(Network Control，NC)的核心实体，来完成对路由器转发规则的配置，DMM-GW扮演锚点的角色，具体步骤描述如下：

图2 基于SDN的DMM解决方案流程图

①：建立MN与DMM-GW的链接；

②⑦：DMM-GW通过广播形式通知NC；

③⑧：通过使用绑定缓存，保证网络前缀是唯一的，在控制器存储的地方，类似于基于PMIPv6的解决方案，在附件检测后，NC在MN访问的每个DMM-GW中配置OpenFlow规则[14-15]；

④⑤⑨⑩：将网络前缀分配给各MN；

实现节点间移动性是通过在DMM-GW上完成对发送和转发规则的组合。当一个固定流量的数据包到达一个访问过的DMM-GW时，报文首先将IP目的地址重写为最后一个已知的MN的IP地址，然后再将流量重定向到新MN的位置，当流量达到最后访问的DMM-GW时，DMM-GW执行一个反向IP地址转换，还原旧IP地址，然后将流量转发到MN，该方法相比PMIPv6，摒弃了IP隧道技术的运用，提升了通信的稳定性，将所有的流量控制集中于NC上执行。

2 DMM解决方案的评估

在第2章中描述了两个DMM解决方案的具体工作步骤，本章主要对该方法进行性能评估。

实验环境设置如下：实验计算机提供802.11b/g的WLAN接入服务，并分别作为CMD、NC的服务器，所有计算机运行Linux操作系统，规定所有实现流程中其他链路层协议默认对基于PMIPv6和SDN不产生任何影响。

各DMM管理原型定义如下：

基于PMIPv6的DMM原型使用移动性用于实现PMIPv6的执行，按照2.2.1中的流程通过代码实现；基于SDN的原型实现是基于OpenFlow实现2.2.2节中的流程。

实验过程描述如下：样机通过一个被共同定位的IEEE 802.11b/ g接入点提供WLAN访问。目的是观察当一个网关变换时，MN将如何执行，也就是说，当MN从一个AP移动到另一个AP时，数据流量会发生什么变化，各个样机通过Ping通信到MN。如图3所示。

图3 Ping流量测量图(CDF)

测试过程如下：

1) 设置延迟将MN从一个AP变化到另一个AP，测量IEEE 802.11的操作用于与旧AP相关联，并与新AP相关联所需的时间；

2) 测量在MN接收路由器广播时的瞬间，从旧AP中去除关联的时间，这意味着MN的IP配置已就绪；

3) 建立Ping通信，测量最后的Ping包收到或发送的MN之前交接和第一个Ping包收到或发送后交接的时间间隔。

以上的测量方法通过收集在MN与Gateway间的Ping数据进行分析，如图4所示,为两个管理方案的Ping通信分布图，基于PMIPv6的CDF相比基于SDN的DMM管理策略有较小的优势，这是由于在DMM-GW切换时，基于SDN的策略不需要进行IP重定位，在PMIPv6解决方案的情况下，新的路由路径是在旧锚点和新锚点之间使用IPv6-IN-IPv6隧道，而在SDN的情况下，新的开关规则将在旧的和新的锚点上装配。

3 总结

本文主要分析了DMM解决方案空间，通过描述两种主要的解决方案，将移动性管理分配给移动网络的平面架构。通过对基于PMIPv6以及基于SDN的DMM管理策略进行设计说明，并且与Linux系统实现对两种方案的模拟，结果表明两种方案均对网络的变化有较快的反应，但由于基于SDN的方案相比基于PMIPv6的方案减少了隧道的建立流程，因此相比有较短的流量切换时间。