基于SDN的IPv6移動(dòng)性管理機(jī)制研究

秦華+張澤

摘 要：SDN網(wǎng)絡(luò)思想為解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性管理面臨的問題提供了新的解決思路，而SDN中現(xiàn)有的移動(dòng)性管理方案仍面臨用戶移動(dòng)過程中網(wǎng)絡(luò)開銷大和切換時(shí)延長(zhǎng)等問題。研究在SDN網(wǎng)絡(luò)中支持IPv6網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性管理機(jī)制，通過對(duì)移動(dòng)感知和移動(dòng)切換兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并結(jié)合位置預(yù)測(cè)理論提出了一種SDN網(wǎng)絡(luò)中支持預(yù)切換的IPv6移動(dòng)性管理機(jī)制。該機(jī)制根據(jù)位置預(yù)測(cè)結(jié)果在移動(dòng)發(fā)生前計(jì)算并下發(fā)切換路徑流表，降低了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中的信令開銷和切換時(shí)延。最后根據(jù)性能評(píng)估分析方法，與同樣基于SDN實(shí)現(xiàn)的OPMIPv6-C方案在信令開銷和切換時(shí)延兩方面進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞：SDN網(wǎng)絡(luò)；移動(dòng)性管理；移動(dòng)感知；移動(dòng)切換；切換時(shí)延；信令開銷

DOIDOI：10.11907/rjdk.171302

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）007-0165-05

0 引言

移動(dòng)性管理解決的主要問題是保證移動(dòng)終端（MN， Mobile Node）在移動(dòng)過程中通信業(yè)務(wù)不中斷。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中已有不少網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性管理方案，其中PMIPv6[1]是一種典型的基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的管理機(jī)制，該機(jī)制通過引入兩個(gè)功能實(shí)體：移動(dòng)接入網(wǎng)關(guān)（MAG，Mobile Access Gateway）和本地移動(dòng)錨點(diǎn)（LMA，Local Mobility Anchor）來代替移動(dòng)節(jié)點(diǎn)參與移動(dòng)切換信令通知的過程，降低了MN的協(xié)議復(fù)雜性，并減少了對(duì)無線資源的占用，因而得到了廣泛應(yīng)用。但PMIPv6選用固定的路由器執(zhí)行LMA功能，MN移動(dòng)后，通過在LMA與新MAG之間建立隧道重新轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此PMIPv6方案仍面臨著隧道開銷大和路徑非優(yōu)問題，并且PMIPv6仍需要為MN維護(hù)兩個(gè)IP地址。

SDN[2]網(wǎng)絡(luò)由于其擁有全局網(wǎng)絡(luò)視圖和基于流表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)控制等特性，對(duì)于解決上述問題顯現(xiàn)出了很大優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：①在SDN網(wǎng)絡(luò)中，利用交換機(jī)及端口號(hào)標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)位置信息，控制器存有全局網(wǎng)絡(luò)下終端的位置綁定映射信息，MN移動(dòng)過程中不再需要維護(hù)兩個(gè)IP地址；②SDN網(wǎng)絡(luò)擁有全局網(wǎng)絡(luò)視圖，在感知到節(jié)點(diǎn)移動(dòng)后，可以根據(jù)全局視圖重新計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)路徑，以流表重新下發(fā)的方式更新數(shù)據(jù)傳輸路徑，省去了隧道建立開銷并消除路徑非優(yōu)問題。

而目前基于SDN實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性管理機(jī)制面臨的主要挑戰(zhàn)是如何在盡量少的信令開銷下快速感知節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)的最新接入位置對(duì)數(shù)據(jù)傳輸路徑進(jìn)行快速切換，從而降低切換過程中的切換時(shí)延，保證服務(wù)質(zhì)量。因此，本文以降低切換過程中的切換時(shí)延和信令開銷為目的，研究設(shè)計(jì)了利用SDN網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性管理中的移動(dòng)感知和移動(dòng)切換機(jī)制，并結(jié)合位置預(yù)測(cè)模型設(shè)計(jì)提出了預(yù)切換機(jī)制。通過預(yù)測(cè)MN即將接入的下一個(gè)接入位置，在切換發(fā)生前下發(fā)切換路徑流表，以降低移動(dòng)過程中的信令開銷和切換時(shí)延。

1 相關(guān)研究工作

針對(duì)如何利用SDN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理機(jī)制，眾多學(xué)者已經(jīng)提出了不同解決方案。文獻(xiàn)[4]將PMIPv6協(xié)議引入SDN網(wǎng)絡(luò)，提出了OPMIPv6方案。擴(kuò)展OpenFlow交換機(jī)使其支持MAG功能，并在控制器中實(shí)現(xiàn)LMA的邏輯功能。當(dāng)帶有MAG功能的交換機(jī)檢測(cè)到MN附著后，利用PMIPv6協(xié)議的綁定更新消息通知控制器，控制器選擇網(wǎng)關(guān)交換機(jī)作為實(shí)際的LMA轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體，然后重新計(jì)算網(wǎng)關(guān)交換機(jī)到MAG之間的路徑，并下發(fā)相應(yīng)流表，完成路徑切換。但該方案需要借助PMIPv6協(xié)議實(shí)現(xiàn)移動(dòng)感知功能，在信令交互方面仍存在較大開銷。本文在此基礎(chǔ)上展開進(jìn)一步研究，將MAG和LMA功能同時(shí)抽象到控制器中，提出OPMIPv6-C方案。該方案通過擴(kuò)展OpenFlow協(xié)議的Port Status和Switch Configuration消息來通知控制器MN的最新位置。該方案不依賴于PMIPv6協(xié)議的綁定更新消息，通過擴(kuò)展OpenFlow協(xié)議降低信令開銷。

以上兩種方案均利用控制器下發(fā)流表更改切換路徑的優(yōu)勢(shì)來消除PMIPv6的隧道開銷與路徑非優(yōu)問題。但選擇固定的網(wǎng)關(guān)交換機(jī)作為L(zhǎng)MA轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體，在路徑切換過程中需要先刪除網(wǎng)關(guān)交換機(jī)到接入交換機(jī)之間的流表，然后重新下發(fā)移動(dòng)后的流表，這種切換方式對(duì)切換時(shí)延會(huì)產(chǎn)生一定影響。當(dāng)MN移動(dòng)過程中同時(shí)與多個(gè)通信對(duì)端通信時(shí)，需要?jiǎng)h除并重新下發(fā)更多流表，這將隨著通信對(duì)端主機(jī)的增多而明顯增加切換時(shí)延。

文獻(xiàn)[5]、[6]提出，在路徑切換前后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑中存在重合的交換機(jī)，利用SDN全局網(wǎng)絡(luò)視圖的優(yōu)勢(shì)，動(dòng)態(tài)選取網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)作為L(zhǎng)MA轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體，減少交換機(jī)流表的數(shù)目，從而降低切換時(shí)延，并減少控制平面與數(shù)據(jù)平面的交互。但該方案需要提前獲取移動(dòng)前的傳輸路徑作為選擇最佳轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)的依據(jù)，并且對(duì)于移動(dòng)過程中存在多個(gè)通信對(duì)端主機(jī)的情況，可能不存在最佳轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)，使得移動(dòng)切換機(jī)制失效。

文獻(xiàn)[7]擴(kuò)展OpenFlow協(xié)議的Expermenter message消息來通知控制器MN的最新位置。該方案還設(shè)計(jì)了一種針對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)的三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將MN首次接入的交換機(jī)作為其家鄉(xiāng)代理，在MN發(fā)生移動(dòng)后，控制器重新下發(fā)流表到MN家鄉(xiāng)代理與新接入點(diǎn)之間的交換機(jī)，以此解決重新計(jì)算整條通信路徑的問題。但這種路徑切換方式僅適用于文中設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并不具有良好的可擴(kuò)展性。

2 移動(dòng)性管理機(jī)制

2.1 移動(dòng)性管理框架

在SDN網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡(luò)層的移動(dòng)性管理，利用SDN控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行集中管理，并利用控制機(jī)制感知節(jié)點(diǎn)移動(dòng)；利用OpenFlow協(xié)議向交換機(jī)下發(fā)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則機(jī)制實(shí)現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信的連續(xù)性。基于SDN的IPv6網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理框架如圖1所示。

移動(dòng)感知機(jī)制：在控制器上增加能夠存儲(chǔ)全局網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置綁定映射信息，通過與OpenFlow交換機(jī)交互，獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的最新接入位置信息，從而感知節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，并更新位置綁定映射表。endprint

移動(dòng)預(yù)測(cè)機(jī)制：負(fù)責(zé)從移動(dòng)感知機(jī)制獲得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前接入位置信息，并根據(jù)設(shè)定的預(yù)測(cè)策略計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)下一個(gè)最大可能接入的位置，并將預(yù)測(cè)結(jié)果返回給移動(dòng)感知機(jī)制。

移動(dòng)切換機(jī)制：通過與移動(dòng)感知機(jī)制交互，獲得預(yù)測(cè)到的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的下一個(gè)接入交換機(jī)，控制器根據(jù)預(yù)測(cè)位置計(jì)算預(yù)測(cè)路徑轉(zhuǎn)發(fā)流表，并提前下發(fā)預(yù)測(cè)路徑流表到相應(yīng)交換機(jī)上。當(dāng)移動(dòng)發(fā)生后，根據(jù)確定的移動(dòng)位置，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)路徑優(yōu)化，包括兩種情況：一是節(jié)點(diǎn)按照預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行移動(dòng)，二是節(jié)點(diǎn)沒有按照預(yù)測(cè)結(jié)果移動(dòng)，系統(tǒng)需要根據(jù)不同情況作不同處理。

2.2 移動(dòng)感知

根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的自身特點(diǎn)，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從某個(gè)接入點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)接入點(diǎn)時(shí)，會(huì)第一時(shí)間發(fā)送廣播ICMPv6路由請(qǐng)求（RS）消息，消息的源IP地址為本機(jī)當(dāng)前IP地址，目的地址為ff02：：1的廣播地址。在SDN網(wǎng)絡(luò)下，MN的第一跳OF交換機(jī)收到RS消息后，由于沒有匹配此消息的流表會(huì)默認(rèn)將其封裝成Packet-in的OpenFlow協(xié)議消息上傳到控制器。上傳的Packet-in消息中外層OF協(xié)議消息攜帶著交換機(jī)標(biāo)識(shí)和請(qǐng)求包的入端口號(hào)，內(nèi)層RS消息攜帶著請(qǐng)求包的MN標(biāo)識(shí)。移動(dòng)感知模塊通過監(jiān)聽數(shù)據(jù)包上傳事件，獲取上傳的包含RS消息的Packet-in消息，解析出MN標(biāo)識(shí)的當(dāng)前接入位置，根據(jù)移動(dòng)感知機(jī)制中存儲(chǔ)的位置綁定映射表查看MN的當(dāng)前位置信息是否發(fā)生了變化，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)感知功能。

2.3 移動(dòng)切換

在WiFi網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN的移動(dòng)體現(xiàn)在接入到不同的無線AP上，而每一個(gè)無線AP均連接到交換機(jī)的一個(gè)端口。因此，本文用二元組（switch-id，port）來標(biāo)識(shí)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN的連接點(diǎn)位置。如圖2所示，MN當(dāng)前接入AP1，其連接點(diǎn)（SW3，2）即為MN當(dāng)前的接入位置。

為了支持移動(dòng)切換機(jī)制，本文對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置綁定映射表作如下擴(kuò)展：

（MN-ID ， OSW-ID ， OSW-Port ， CSW-ID ， CSW-Port ， PSW-ID ， PSW-Port ， Port ， Priority）

其中，MN-ID標(biāo)識(shí)一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)；OSW、CSW、PSW分別表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)前所在的、當(dāng)前連接的及預(yù)測(cè)的下一個(gè)要接入的交換機(jī)，映射表分別記錄著MN接入這3個(gè)連接點(diǎn)的交換機(jī)ID和端口信息；Port記錄當(dāng)前接入點(diǎn)交換機(jī)CSW上通向預(yù)測(cè)出的下一個(gè)接入點(diǎn)交換機(jī)的端口；Priority記錄移動(dòng)切換機(jī)制下發(fā)的流表匹配優(yōu)先值的最大值，其初始值為控制器默認(rèn)初始值，移動(dòng)切換機(jī)制每下發(fā)一次切換路徑流表或路徑優(yōu)化流表，此優(yōu)先值加1。

整個(gè)預(yù)切換機(jī)制主要包括3個(gè)階段：根據(jù)預(yù)測(cè)策略，預(yù)測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)MN即將接入的下一個(gè)接入位置；控制器按照預(yù)測(cè)的移動(dòng)接入位置計(jì)算并下發(fā)預(yù)測(cè)路徑轉(zhuǎn)發(fā)流表，實(shí)現(xiàn)預(yù)切換；移動(dòng)結(jié)束后，實(shí)現(xiàn)路徑優(yōu)化。接下來將對(duì)每個(gè)階段的機(jī)制分別進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。

2.3.1 預(yù)測(cè)策略

文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)論表明，2階Markov預(yù)測(cè)模型對(duì)無線校園網(wǎng)絡(luò)用戶移動(dòng)位置有較好的預(yù)測(cè)效果；文獻(xiàn)[9]在此基礎(chǔ)上提出L-局部預(yù)測(cè)模型，解決了2階Markov存在的狀態(tài)空間膨脹問題，降低了搜索時(shí)間開銷，并在一定程度上提高了預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。因此，本文結(jié)合L-局部預(yù)測(cè)模型來預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的下一個(gè)接入位置信息。

預(yù)測(cè)機(jī)制考慮用戶移動(dòng)模式的變化和用戶移動(dòng)行為的時(shí)間局部性，因而不以移動(dòng)用戶的所有歷史軌跡為依據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，而是從歷史軌跡中選取部分最新的歷史接入位置作為預(yù)測(cè)依據(jù)。

定義1：歷史軌跡序列HT（History Trajectory）。記錄用戶按時(shí)間先后順序依次接入的位置標(biāo)識(shí)序列，HT={AL1，AL2，AL3，AL4……}。其中，任一元素ALK表示一個(gè)歷史接入位置，可以重復(fù)。

定義2：預(yù)測(cè)候選隊(duì)列CQ（Candidate Queue）。HT中出現(xiàn)過的每一個(gè)接入位置ALK都有一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的隊(duì)列CQ與之對(duì)應(yīng)。隊(duì)列CQ由歷史軌跡序列中出現(xiàn)在當(dāng)前接入位置ALK后下一個(gè)接入位置的標(biāo)識(shí)組成，每個(gè)元素均為ALK的候選接入位置，并按時(shí)間先后記錄著ALK后最近出現(xiàn)過的L個(gè)接入位置。

其中ALk∈HT，并且CQHT。例如，對(duì)于歷史軌跡序列HT={AL1，AL2，AL1，AL2，AL1，AL4，AL2，AL4，AL5......}，接入位置TP對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)隊(duì)列CQ={AL2，AL3，AL4……}。

預(yù)測(cè)機(jī)制的預(yù)測(cè)策略主要包括3部分：①預(yù)測(cè)下一個(gè)接入位置；②更新維護(hù)相應(yīng)的預(yù)測(cè)候選隊(duì)列；③更新維護(hù)相應(yīng)的歷史軌跡序列。具體策略如下：

（1）輸入當(dāng)前接入位置ALcurr，預(yù)測(cè)下一個(gè)接入位置ALpre。根據(jù)MN當(dāng)前接入位置標(biāo)識(shí)ALcurr搜索其對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)隊(duì)列CQ。如果不存在此隊(duì)列，則初始化一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的隊(duì)列，返回當(dāng)前接入位置標(biāo)識(shí)ALcurr；否則將該隊(duì)列中出現(xiàn)頻次最多的位置標(biāo)識(shí)作為預(yù)測(cè)結(jié)果返回：①如果預(yù)測(cè)隊(duì)列為空，則返回當(dāng)前位置；②如果頻次最多的只有一個(gè)結(jié)果，則直接將此結(jié)果作為預(yù)測(cè)結(jié)果返回；③如果有多個(gè)結(jié)果，則選取最后出現(xiàn)的結(jié)果作為預(yù)測(cè)結(jié)果返回。

（2）更新歷史軌跡HT。將當(dāng)前位置標(biāo)識(shí)ALcurr插入歷史軌跡序列，并按照步驟（3）更新插入前歷史序列最后一個(gè)位置標(biāo)識(shí)的預(yù)測(cè)候選隊(duì)列CQ。

（3）更新位置標(biāo)識(shí)ALK的預(yù)測(cè)候選隊(duì)列。搜索位置標(biāo)識(shí)ALK對(duì)應(yīng)的隊(duì)列CQ，如果不存在，則初始化一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的隊(duì)列并執(zhí)行以下操作：①如果位置標(biāo)識(shí)ALK對(duì)應(yīng)的隊(duì)列長(zhǎng)度小于L，則直接將當(dāng)前接入位置標(biāo)識(shí)ALcurr入隊(duì)；②如果隊(duì)列長(zhǎng)度大于L，則采用先進(jìn)先出（FIFO）的方式，刪除隊(duì)頭位置標(biāo)識(shí)，并在隊(duì)尾插入最新接入的位置標(biāo)識(shí)，從而保持ALcurr后最新的L個(gè)歷史接入信息。

2.3.2 預(yù)切換

預(yù)切換機(jī)制以保證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)前不影響通信數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)為前提，按照預(yù)測(cè)結(jié)果提前下發(fā)切換路徑流表，在節(jié)點(diǎn)接入預(yù)測(cè)的連接點(diǎn)后能快速按照提前設(shè)定的切換路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。為了盡可能少的修改交換機(jī)流表，并能適應(yīng)多源通信對(duì)端的場(chǎng)景，本文選用移動(dòng)前MN的接入交換機(jī)作為預(yù)切換轉(zhuǎn)發(fā)起點(diǎn)。endprint

預(yù)切換機(jī)制的策略為：

（1）在發(fā)生移動(dòng)前，控制器將當(dāng)前MN的接入位置信息發(fā)送到預(yù)測(cè)機(jī)制來預(yù)測(cè)即將接入的下一個(gè)接入位置，并更新綁定映射表中的PSW-ID和PSW-Port字段。

（2）控制器根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，在移動(dòng)發(fā)生前計(jì)算好當(dāng)前接入位置（CSW-ID，CSW-Port）到下一個(gè)接入位置（PSW-ID，PSW-Port）之間的路徑，并將CSW通向PSW的出端口更新到位置綁定映射表中的port字段，同時(shí)將綁定映射表中的priority值加1。

（3）向切換路徑上除CSW之外的交換機(jī)下發(fā)只匹配目的IP和入端口的流表匹配規(guī)則，流表的優(yōu)先值大小為綁定映射表中的priority值。為了在切換發(fā)生前不影響正常的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，不向當(dāng)前接入位置CSW下發(fā)流表規(guī)則。

（4）提前下發(fā)的流規(guī)則，由入端口號(hào)的匹配來控制移動(dòng)前后數(shù)據(jù)流的不同匹配轉(zhuǎn)發(fā)。

（5）當(dāng)MN移動(dòng)到預(yù)測(cè)的接入位置后，控制器向移動(dòng)前的接入交換機(jī)發(fā)送流表修改指令，命令其從綁定映射表中的端口port轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流，完成整個(gè)切換過程。

（6）更新綁定映射表的OSW-ID和OSW-Port字段，并根據(jù)當(dāng)前的接入位置進(jìn)行下一輪位置預(yù)測(cè)。

如圖2所示，MN當(dāng)前接入位置為（SW3，2），并根據(jù)預(yù)測(cè)策略得到下一個(gè)接入位置（SW4，2），部分相關(guān)交換機(jī)上的流表變化如圖3所示。

在移動(dòng)前，數(shù)據(jù)流按照正常的流規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)，并在SW2和SW4交換機(jī)上下發(fā)預(yù)切換路徑，如實(shí)線方格內(nèi)的流表項(xiàng)。由于端口匹配限制，移動(dòng)前此流表項(xiàng)并不影響正常數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；當(dāng)控制器檢測(cè)到MN移動(dòng)到SW4后，直接向交換機(jī)SW3發(fā)送切換指令，如SW3的虛線框中的流表項(xiàng)。由于切換路徑上的流表已經(jīng)提前下發(fā)，在切換時(shí)只需修改一個(gè)交換機(jī)的流表便可完成整個(gè)切換過程。

2.3.3 路徑優(yōu)化

移動(dòng)完成后，控制器根據(jù)移動(dòng)后的接入位置對(duì)路徑進(jìn)行優(yōu)化。

當(dāng)移動(dòng)后的位置與預(yù)測(cè)位置相同，則移動(dòng)后通信數(shù)據(jù)按照預(yù)下發(fā)的流表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。但由于利用入端口號(hào)不同來區(qū)別匹配移動(dòng)前的數(shù)據(jù)流和預(yù)切換的數(shù)據(jù)流，這種入端口嚴(yán)格匹配的限制，會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)完成后數(shù)據(jù)傳輸存在回返路徑情況，即一個(gè)數(shù)據(jù)流經(jīng)過兩次同一交換機(jī)，如圖3中的局部傳輸路徑SW2→SW3→SW2→SW4。為了消除這種回返路徑情況，在切換完成后，控制器向上一個(gè)交換機(jī)和當(dāng)前交換機(jī)之間下發(fā)只匹配目的IP的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則流表，取消端口嚴(yán)格匹配的限制，從而消除路徑回返情況。

當(dāng)移動(dòng)后的位置與預(yù)測(cè)位置不同，即MN接入到另一個(gè)接入連接點(diǎn)（NSW-ID，NSW-Port），控制器則采取反應(yīng)切換方式，重新計(jì)算綁定映射表中上一個(gè)接入交換機(jī)OSW-ID到當(dāng)前連接點(diǎn)（CSW-ID，CSW-Port）之間的路徑，直接向切換路徑上的所有交換機(jī)下發(fā)只匹配目的IP的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則流表，將所有發(fā)往MN的下行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到MN當(dāng)前的接入位置。同時(shí)將當(dāng)前接入位置發(fā)送給預(yù)測(cè)機(jī)制，完成下一輪預(yù)測(cè)。

利用交換機(jī)按照流表優(yōu)先值從大到小依次匹配流表轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，移動(dòng)切換機(jī)制以優(yōu)先值遞增的方式下發(fā)預(yù)切換流表和路徑優(yōu)化流表，使交換機(jī)按照最新下發(fā)的流表進(jìn)行匹配，從而保證在交換機(jī)只有匹配目的IP流表規(guī)則的前提下，仍能下發(fā)匹配目的IP和特定入端口號(hào)的預(yù)切換流表，解決流表下發(fā)沖突問題，從而實(shí)現(xiàn)完整的預(yù)切換機(jī)制。

3 性能分析

根據(jù)移動(dòng)性管理性能評(píng)估模型及開銷分析方法[10-15]，基于SDN的OPMIPv6-C機(jī)制在移動(dòng)開銷和切換時(shí)延方面優(yōu)于傳統(tǒng)的PMIPv6機(jī)制[4]。在該部分，本文采用相同的評(píng)估分析方法比較OPMIPv6-C與本文機(jī)制的信令開銷和切換時(shí)延。

3.1 信令開銷分析

信令開銷表示移動(dòng)過程中所有的移動(dòng)信令消息產(chǎn)生的開銷，由移動(dòng)信令消息的大小和消息經(jīng)過的跳數(shù)乘積計(jì)算所得[13]。基于SDN的網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性管理機(jī)制的信令開銷主要由綁定更新通知開銷和流表修改通知開銷組成。在相同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎拢?/p>

（1）在綁定更新通知開銷方面，OPMIPv6-C通過擴(kuò)展OpenFlow協(xié)議中的Port Status和Switch Configuration消息來實(shí)現(xiàn)綁定更新，而本文采用Openflow協(xié)議封裝RS報(bào)文消息來實(shí)現(xiàn)。在經(jīng)過相同跳數(shù)的情況下，通過減少信令消息的大小，從而降低綁定更新消息的開銷。

（2）在流表修改通知開銷方面，OPMIPv6-C需要先向網(wǎng)關(guān)交換機(jī)到接入交換機(jī)之間的交換機(jī)發(fā)送n個(gè)flow-del消息，然后再重新發(fā)送n個(gè)flow-add消息，其中n表示網(wǎng)關(guān)交換機(jī)到接入交換機(jī)之間交換機(jī)的個(gè)數(shù)。本文提出的方案在預(yù)測(cè)準(zhǔn)確的情況下，切換過程中只需向上一個(gè)接入交換機(jī)發(fā)送一個(gè)flow-mod消息；如果預(yù)測(cè)失效，則只需向上一個(gè)接入交換機(jī)和當(dāng)前接入交換機(jī)之間的交換機(jī)發(fā)送flow-add消息。

因此，整體上本機(jī)制在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過程中產(chǎn)生的信令開銷比OPMIPv6機(jī)制要少。

3.2 切換時(shí)延分析

切換時(shí)延指從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)開始不能接收到數(shù)據(jù)包到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在新接入點(diǎn)收到第一個(gè)數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔。如表1所示為兩種不同機(jī)制下切換過程中的切換時(shí)延組成。

其中TL2表示二層切換時(shí)延，TWRS表示發(fā)送RS前的隨機(jī)時(shí)延，TRS表示構(gòu)造并發(fā)送RS的時(shí)延。在這三方面，兩種機(jī)制產(chǎn)生的時(shí)延認(rèn)為是相同的。而在發(fā)送綁定更新消息時(shí)延TBU中，由于本文機(jī)制通過解析RS消息來感知節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，不必單獨(dú)生成并發(fā)送綁定更新消息，所以在本方案中TBU為0。

TOF表示控制器重新計(jì)算路徑并修改交換機(jī)流表的時(shí)延，主要受需要修改流表的交換機(jī)個(gè)數(shù)和交換機(jī)處理能力的影響。本方案機(jī)制通過提前下發(fā)切換路徑流表，在發(fā)生移動(dòng)后，只需定向修改上一個(gè)交換機(jī)流表，節(jié)省了重新計(jì)算路徑時(shí)延的時(shí)間，并在一定程度上減少了流表處理時(shí)延。如果預(yù)測(cè)失效，才需重新計(jì)算路徑并下發(fā)流表。endprint

TP表示發(fā)生移動(dòng)后第一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)的傳輸時(shí)延。本文機(jī)制無論預(yù)測(cè)的接入位置與實(shí)際接入位置是否相同，第一個(gè)數(shù)據(jù)包都是從上一個(gè)接入交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到當(dāng)前接入交換機(jī)，而不是OPMIPv6-C機(jī)制中，從網(wǎng)關(guān)交換機(jī)到當(dāng)前接入交換機(jī)。由于兩個(gè)相鄰接入交換機(jī)之間的平均距離相比網(wǎng)關(guān)交換機(jī)到接入交換機(jī)之間的距離近[11]，使移動(dòng)后第一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延變短。

在TL2、TWRS和TRS時(shí)延相同的情況下，本機(jī)制TBU、TOF和TP的和小于OPMIPv6機(jī)制三者之和。因此，本機(jī)制相比于OPMIPv6方案，整體上降低了移動(dòng)過程中的切換時(shí)延。

4 結(jié)語

本文利用SDN網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)提出了一種基于SDN網(wǎng)絡(luò)的IPv6網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性管理機(jī)制。該機(jī)制利用SDN控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行集中管理，并利用控制機(jī)制感知節(jié)點(diǎn)移動(dòng)；結(jié)合L-局部預(yù)測(cè)模型并擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)位置綁定映射表，提出了預(yù)切換策略，通過預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)接入位置，提前下發(fā)切換路徑流表，從而降低移動(dòng)過程中的信令開銷和切換時(shí)延；之后根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際移動(dòng)位置來優(yōu)化切換路徑，解決路徑非優(yōu)問題和預(yù)測(cè)失效問題；最后根據(jù)性能評(píng)估分析模型，與OPMIPv6方案進(jìn)行比較，取得了預(yù)期效果。但本文只對(duì)單控制器下的SDN域內(nèi)移動(dòng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如何使本機(jī)制在多控制器下的SDN域間移動(dòng)中得到更好的應(yīng)用，是下一步研究的方向。

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