未來移動互聯網絡的移動性管理架構研究

靳 浩

北京郵電大學泛網無線通信教育部重點實驗室 北京 100876

引言

近年來，隨著移動和無線網絡、智能手機以及各種豐富多彩的手機應用的迅猛發展，用戶對服務隨時隨地的高速率、低延遲等QoS需求越來越高，無線網絡環境和組網技術變得越來越復雜，無線系統需要通過異構網絡部署及其協同技術才能使用戶獲得隨時隨地的互聯網絡應用服務。以內容為中心網絡的發展和內容服務器邊緣化、移動無線網絡架構的扁平化等都對移動無線網絡的移動性管理架構產生了深遠影響。云計算作為一種泛型，其興起使得傳統臺式機被智能手機和平板電腦所替代，由于這些終端只能提供有限的計算和存儲能力，致使云計算平臺必須承擔繁重的計算和處理功能，給移動互聯網應用帶來了巨大挑戰，如何設計高效的移動性管理架構成為急需解決的問題。物聯網等智能控制網絡的發展，使得在不同的移動場景下對海量節點的移動性管理也成為一個難題[1-2]。

1 移動性管理技術及其主要實現方式

移動通信網絡中的移動性管理是指在移動通信系統中，移動終端通過動態的連接點構成動態通信鏈路，采用動態組網來滿足用戶移動服務需求的一系列核心技術。目前，實現移動性管理的兩大主流技術分別是基于蜂窩的通信系統和基于IP網絡的移動性管理，它們的本質工作機理和實現方式具有不同特點。

1.1 基于蜂窩通信系統的移動性管理

在傳統的移動通信系統中，移動性管理功能主要包括小區選擇與位置登記、越區切換、小區重新選擇與用戶漫游等。當移動終端在蜂窩覆蓋區域移動并使用服務時，切換是移動性管理中最常見的操作。切換是指將正在進行的通信從蜂窩系統覆蓋的一個小區遷移到另一個小區時的控制機制。蜂窩通信網絡的切換過程可以劃分為以下步驟。

1)初始化過程。移動站測量信道質量，包括不同基站的信號強度、信干噪比、距離和誤比特率等，并將測量結果發送給源BS。2)網絡選擇過程。源BS轉發測量報告到控制單元，控制單元在考慮資源和網絡負載的基礎之上，決定哪個BS是保持連接的最佳BS。3)切換決策過程。本過程可以是集中式的，也可以是分布式的，主要依據判決過程在哪里執行。如果需要切換，則控制單元通知目標BS準備一個連接，并讓源BS發送切換命令給移動站。移動站采用鑒權、同步、網絡配置等操作開始與目標BS建立一個連接，最后，移動站發送一個信息給目標BS，指示切換完成。

根據涉及的接入網絡技術不同，切換可以分為水平切換和垂直切換。水平切換是指發生在同一種接入技術網絡接口的切換，它包括小區內切換和小區間切換兩種。其中，小區內切換只切換一個小區內的無線信道，而小區之間的切換則在移動站從一個小區移動到另一個相鄰的小區時，將源BS的所有連接切換到目標BS上；垂直切換是指完成在一系列不同接入技術網絡之間的切換，例如3GPP網絡、802.11、 802.16等接入網絡技術之間的切換。

根據在切換過程中網絡和移動站參與程度的不同，切換決策過程又分為四種不同的控制方式，即網絡控制的切換方式(Network-Controlled Handover，NCHO)、移動站控制的切換方式(Mobile-Controlled Handover，MCHO)、移動站輔助的切換方式(Mobile-Assisted Handover，MAHO)和網絡輔助的切換方式(Network-Assisted Handover，NAHO)。其中，NCHO是由網絡起始和控制的切換方式，切換由網絡啟動，以便完成流量管理和負載均衡；MCHO是由移動設備起始和控制的切換方式，移動站總是在測量可能的接入點信號強度并在必要時發起切換；MAHO是主要用于廣域無線網絡的切換方式，移動站監測可能的基站，由網絡決定是否進行切換；基于NAHO的切換方式用于當網絡收集到可用于移動站切換的信息時將信息提供給移動站，即由網絡輔助移動站進行切換決策。

1.2 基于IP層的移動性管理

基于IP的移動性管理是IETF標準化的移動性管理機制，是通過采用基于永久IP地址和網絡層的路由機制實現基于IP地址漫游的移動性管理機制，目前已經廣泛應用的基于IP的移動性管理協議有MIP和PMIP等。

基于IP的移動性管理采用的都是集中式架構，在這些集中式的模型中都有一個稱為移動錨點(Mobility Anchor，MA)的中心靜態實體，該實體用來負責大量移動節點的移動性管理，即數據傳送、上下文信息和信令處理。所有數據流會穿越集中式的移動錨點，例如在MIP中的本地代理(Home Agent，HA)和PMIP的本地移動性錨點(Local Mobility Anchor，LMA)，同時，所有地址綁定也都在移動錨點這里進行。從實質上看，基于

IP的移動性管理工作機理一般包括以下步驟。1)移動節點得到臨時轉交地址的過程。即移動節點在漫游網絡中，得到漫游網絡中的移動錨點分配給該移動節點的臨時地址過程。2)臨時地址的注冊/公告過程。移動節點通過移動錨點將其得到的臨時轉交地址告知其本地移動錨點的過程，過程本質上是一個地址映射過程。3)數據傳送過程。移動節點采用得到的臨時轉交地址，在漫游IP網絡中進行數據傳送的過程，在本過程中，通常采用隧道技術對數據進行封裝和傳送。

1.3 移動性管理功能實現的多樣性

從上述兩類主流的移動性管理機制及其實現機理來看，以3GPP為核心的基于蜂窩網絡的移動性管理機制解決的主要是3GPP網絡與非3GPP網絡之間在不同級別的互聯，3GPP定義了3GPP網絡與非3GPP網絡(WLAN)的六種不同的互聯場景，即一般計費、基于3GPP系統的接入控制和計費、接入3GPP系統的分組交換業務、業務連續性、無縫業務以及接入3GPP電路交換業務場景。

IETF的移動性管理主要關注的是基于網絡層及其之上層的異構網絡融合。

在異構網絡互聯和融合的過程中必須涉及的一個關鍵問題是垂直切換時的決策，為解決異構網絡協同時的垂直切換問題，IEEE的802.21給出媒介獨立切換(Media Independent Handover，MIH)框架，MIH作為一個融合二層和二層以上層的邏輯實體，其主要功能是通過提供移動性管理實體需要的信息協助垂直切換的決策，以便支持異物網絡之間的無縫移動性。

目前，3GPP規范的異構無線網絡組網時同時采用基于蜂窩通信系統的移動性管理和IETF基于IP的移動性管理技術。

近年來，出現了一些支持多宿的移動性管理協議。多宿(multi-homing)是指一個移動節點對多個網絡接口或者IP地址的同時使用，用以增強網絡的連接性和網絡應用的可達性。多宿可以基于不同的層來實現。支持多宿的移動性管理協議主要有LIN6、Homeless Mobile IPv6、MPTCP、SCTP、HIP、SIP等[2]。

表1給出了上述幾個支持多宿的主要移動性管理協議的功能對比[2]。

表1 支持多宿的主要移動性管理協議的功能對比

2 移動性管理實現機理的分析

移動性管理的架構與其實現的移動性管理功能、性能及其對網絡和用戶的業務支持、用戶的QoS需求等因素具有密切的關系。分析移動性管理的實現機理有助于對移動性管理功能、性能的研究。移動性管理功能實現的分析通常會從架構、控制方法、地址與用戶的標識方式等方面進行。

從移動性管理架構角度來看，一般分為集中式架構和分布式架構兩類；從控制方法來看，通常從控制平面與數據平面是否分離及其分離的方式、移動性管理實現的過程和性能等方面進行分析；從地址與用戶的標識方式角度來看，有些移動性管理模型將移動節點的地址與其ID分離開來，有些則沒有進行分離。以下將從不同角度分析移動性管理實現與其架構之間的關系。

2.1 基于數據平面和控制平面分析移動性管理

移動性管理完成的功能可以分為控制平面功能和數據平面功能，可以將與信令相關的所有控制管理都歸屬于移動性管理的控制平面功能，而基于地址翻譯以及通過封裝/解封裝進行數據流轉發等都歸屬于數據平面功能。這種基于不同平面的分析方法有助于分析和評估移動性管理架構。

2.2 基于移動性管理功能實現的過程分析移動性管理

對過程分析移動性管理的典型例子是對異構無線網絡的移動性管理進行分析，并根據移動性管理實現的過程，將其分為系統發現過程、切換決策過程和切換執行過程三個部分。

1) 系統發現過程。也稱為垂直切換信息收集過程，在本過程中系統周期性地檢查移動終端可以切換的更合適的網絡，在某些情形下，發現過程只有在現有網絡的連接不再可控時才啟動，這就意味著終端的無線信號傳播環境和其QoS將會劣化到一個定義的門限值以下；在其他情形中，發現過程會不斷地收集QoS相關的指示信息和可能的網絡信息，以便在選擇切換網絡時為垂直切換算法提供進行切換的決策數據。

2) 切換決策過程。本過程發生在可能的無線接入網絡評估完成之后，其結果是在考慮了系統發現過程中收集的一系列判決準則基礎之上為移動終端選擇一個能切換的網絡。針對本過程，目前已經有很多相關的研究成果，包括基于函數的判決準則算法、以用戶為中心的決策算法、MADM算法、基于馬爾科夫的判決算法、基于模糊邏輯的判決算法、基于博弈的決策算法和基于信譽的決策算法等。

3) 切換執行過程。本過程中完成信息在兩個網絡中進行的交互和用戶連接從一個網絡到另一個網絡的重新路由。

上述基于功能的分析方式有助于發揮基于過程評估移動性管理的功能及其算法的性能。

2.3 基于移動性管理實現的功能分析移動性管理

對移動性管理完成的功能進行分析可以從實質上分析移動性管理的實現機理。移動性管理可以分為切換管理、數據管理和位置管理三個功能。其中，切換管理負責保持正在進行的會話，位置管理是指無論移動節點在網絡中的附著點在哪里，即保證所有移動節點均可達。這種分類方法比基于控制/數據平面進行分析更近了一步，即將控制平面進一步分為位置管理和切換管理兩部分。分離切換管理可以增加對移動節點漫游管理的靈活性。

以下給出基于IP的移動性管理實現切換管理、數據管理和位置管理時的具體功能[3-4]。1)位置管理。其功能是基于一個ID數據庫完成包含綁定移動節點的ID與其現有IP地址的功能。本功能模塊支持應用與位置管理交互，以便基于其ID請求移動節點的IP地址，并通過切換管理功能以移動節點現在的IP地址進行IP地址的更新。2)數據管理。是指通過地址翻譯完成分組數據的封裝。數據管理不提供任何信令的功能，只從切換管理功能模塊接收信令。3)切換管理。當一個移動節點在網絡之間漫游時切換管理可保持其會話的活動狀態，提供IP層的切換檢測和協商，負責IP切換后與數據管理和位置管理的信令交互，同時，保持移動性上下文和路徑。

上述基于移動性管理功能的分離有助于對移動性管理架構的分析。

3 未來互聯網絡對移動性管理架構的需求

未來的移動互聯網絡將融合通信和計算，基于內容的業務、實時視頻等業務將占據數據流量的主導地位，以用戶為中心的移動性管理將變得越來越重要，同時，智能控制的需求將使得大量的物聯網節點參與移動互聯網的組網，這些趨勢將使得移動互聯網的組網方式趨向扁平化和虛擬化，移動性管理架構需要適應這些網絡發展和演進的趨勢需求。

現有的移動性管理具有以下特點。1)移動性管理主要采用的是集中式架構；2)當基于較小的顆粒度進行移動性管理時，移動性管理信令的開銷大，核心網絡資源消耗較大；3)集中式架構的靜態移動性支持方法難以滿足移動終端的多種移動性服務需求；4)集中式架構抵抗節點故障和攻擊的能力較弱。

IETF在文獻[5]中給出了現有基于IP的移動性管理方案存在的問題。1)基于集中式錨點的轉發數據模式會導致非優化路由，增加端到端延遲，尤其是在內容網絡中更加明顯；2)內容分發網絡架構演進傾向與現有的移動性管理架構不相匹配；3)現有的移動性管理策略缺乏移動性上下文維護和集中式隧道管理的可擴展性；4)移動性管理的單節點可靠性問題；5)移動節點的移動性需求不同；6)端到端通信時移動性管理的信令開銷大。

鑒于無線網絡已趨向于扁平化的網絡架構、基于內容的移動性管理要求流量卸載、同一地理區域中的端到端直通通信需求以及不同節點的移動性需求差異等因素，完全可以在數據平面扁平化移動網絡，為此，IETF提出分布式移動性管理(Distributed Mobility Management，DMM)架構，并給出分布式移動性管理的相關需求[6]。1)DMM可以優化數據平面路由，即數據平面分布式，但不限制控制平面是分布式還是集中式；2)應該支持網絡層的移動性，但不一定總是支持，可以支持在移動中更換IP地址，也不一定總是支持基于一個活躍的會話的固定IP地址；單個會話的移動性管理顆粒度應該多樣化；3)應以基于IPv6的移動性管理為起點，并以現有協議為準進行重用和擴展，然后再考慮采用新的協議；同時，應考慮與現有的協議進行松/緊耦合或者沒有融合的協議棧情形，在不同網絡上應支持互操作性；4)應考慮管理和配置現有設備時能根據現有的網關協議向網絡響應發生的事件，并匯報目前的狀態；另外，應該能夠采用現有的協議對DMM進行管理；5)安全性措施主要包括接入控制、完整性、鑒權、認證等，但不能引入潛在的安全問題；6)應考慮多播業務需求。

4 基于SDN的分布式移動性管理架構

4.1 分布式移動性管理(DMM)的場景和架構

分布式移動性管理與集中式移動性管理進行比較，其主要特征[7]包括4個方面。1)網絡層的移動性管理可以基于網絡，也可以基于客戶機。基于IP的移動性管理協議的一個顯著特征是會話標識符和轉發地址之間的映射，起始IP地址(移動之前)會作為會話標識符；2)基于主機的移動性管理主要通過會話標識符與移動后的轉發地址之間的映射和選路完成移動性管理的支持；3)在一個移動錨點上解決上述映射功能的移動性管理是集中式的，主要表現是其數據平面和控制平面沒有分離；4)數據平面基于分布式實現，控制平面可以集中式，也可以分布式；控制平面集中式是將數據平面和控制平面分離開來，對移動性管理進行分布式實現時，用戶管理、用戶數據庫以及網絡接入認證鑒權等功能不需要分布式實現。

圖1 在虛擬化場景下的DMM架構

在此基礎上，文獻[7]還給出DMM的主要場景和架構，即網絡功能虛擬化場景和3GPP的SIPTO/LIPA場景。在網絡功能虛擬化場景中，移動核心網絡的控制平面功能在移動云中是集中式的，顯然從數據轉發角度來說，在同樣的移動云中設置數據平面是欠優化的；在3GPP研究的SIPTO/LIPA場景中采用分布式移動性管理可以提供優化的流量卸載解決方案。圖1給出了虛擬化場景下的DMM架構，對應的移動性管理架構采用了基于SDN、將控制平面和數據平面進行分離實現的架構，分別見圖2和圖3。

圖2 單控制器、數據/控制平面分離的DMM架構

圖3 核心網絡和接入網絡中數據/控制平面分開控制的DMM架構

在DMM架構中，基本的移動性管理功能包括位置信息(LI)功能和轉發管理功能(FM)。其中，LI屬于控制平面的功能，FM又可以分為數據平面的數據轉發管理功能(FM-DP)和控制平面的轉發管理功能(FM-CP)，因此，控制平面的功能包含FM-CP和LI。這樣，基于云的移動核心控制平面功能包含FM-CP、LI和策略功能。分布式數據平面FM-DP在網絡中可以具有多個用例。

4.2 基于SDN的通用移動性管理架構

SDN的一個重要特征是分離數據平面和控制平面。在SDN中，數據平面的功能是通過被SDN控制器控制和管理的數據轉發設備實現的，SDN控制器的功能通過可編程接口實現控制平面的功能。SDN控制器可以提取和抽象出不同的網絡功能和操作，通過軟件編程控制器的方式靈活地提供新功能；同時，基于交換機中的流表可以靈活地處理數據。因此，基于SDN的概念構建新型移動性管理架構是提高移動性管理靈活性的一個重要思路。

圖4是文獻[8]給出的一種基于SDN的通用移動性管理架構。本架構包含一個SDN控制器和網絡設備。控制器主要包括事件跟蹤器、狀態管理器、移動性管理決策器和隧道控制器四個功能。核心網絡設備基于流表入口匹配的數據轉發操作完成隧道處理功能。支持不同的移動性管理協議時，控制器可以結合事件跟蹤、狀態管理、移動性管理決策、隧道控制和隧道處理等五個功能，通過不同的流表讓網絡設備控制隧道操作；因此，通過本架構可以實現不同的IP移動性管理協議，提供更靈活的移動性管理解決方案。

圖4 基于SDN的通用移動性管理架構

5 結論

從上述針對移動性管理技術給出的分布式移動性管理和基于SDN的移動性管理架構的最新研究成果來看，目前的移動性管理解決方案還難以充分融合內容網絡和云計算的需求，未來移動互聯網絡的移動性管理架構應該基于SDN的概念進行構建，應能更好地支持內容服務和云應用，能實現以用戶為中心的移動性管理，同時應該對用戶具備足夠的安全性；因此，移動性管理研究仍然面臨著一系列技術挑戰。

參考文獻

[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/