分布式移動(dòng)管理技術(shù)在無線網(wǎng)絡(luò)管理中的應(yīng)用研究

焦改英

(安康職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安康 725000)

0 引言

移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的快速發(fā)展使得無線通信顛覆了傳統(tǒng)的通信模式，而快速發(fā)展的無線互聯(lián)技術(shù)使得各類手持設(shè)備可以快速、便捷的接入各類異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[1]中在Cisco的白皮書提出2013年至2018年間，無線移動(dòng)流量將會(huì)增長近11倍，這樣的增速將使得移動(dòng)運(yùn)營商和各行業(yè)(工業(yè)界、研究界)共同探索研究廉價(jià)有效的解決方案來應(yīng)對這種快速的應(yīng)用增長，主要解決以下兩個(gè)問題：

(1) 如何為用戶在訪問中提供足夠的容量；

(2) 如何有效處理運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的所有流量。

對于第一個(gè)問題，通過減小應(yīng)用單元的大小是比較可行的方法，結(jié)果可以有效增加帶寬；對于第二個(gè)問題，當(dāng)前蜂窩網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)架構(gòu)的高度集中和層次化，迫使用戶流量將所有網(wǎng)絡(luò)部件遍歷到核心，其中核心實(shí)體被部署為邊界IP網(wǎng)關(guān)。按照該方法，通用分組無線服務(wù)(GPRS)中的隧道協(xié)議(GTP)[2]和移動(dòng)代理IPv6(PMIPv6)[3]被作為4G網(wǎng)絡(luò)的兩種核心分組，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是采用集中管理的方式可跟隨移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(Mobile Node，MN)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建路由數(shù)據(jù)包，存在可伸縮的問題。因此，在下一代無線通信技術(shù)(5G)中，將約束用戶流量的條件放寬到核心的中心節(jié)點(diǎn)中，并允許Internet服務(wù)更加的接近用戶，這種實(shí)現(xiàn)途徑更有益于極其秘籍的無線部署的性能提升，降低運(yùn)營商核心設(shè)備的擁塞觸發(fā)，并且為用戶提供更優(yōu)的服務(wù)。

5G網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)典型特點(diǎn)是同一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施將同時(shí)服務(wù)于不同的用戶和應(yīng)用程序。例如，5G網(wǎng)絡(luò)可通過資源共享的方式滿足少數(shù)移動(dòng)用戶視頻應(yīng)用的需求，可在基于視頻監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用。隨著這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，分布式移動(dòng)管理(Distributed Mobility Management，DMM)已經(jīng)成為解決核心網(wǎng)絡(luò)宕機(jī)以及不同網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用不同連通性和流動(dòng)性的移動(dòng)架構(gòu)[4-7]。

本文提出在未來5G網(wǎng)絡(luò)的管理中DMM將成為有效、合理的管理架構(gòu)，主要解決以下三項(xiàng)內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)分布式移動(dòng)管理在無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用：

(1) 一個(gè)基于經(jīng)典IP移動(dòng)管理方法的協(xié)議：PMIPv6；

(2) 一種基于軟件定義(SDN)的機(jī)制；

(3) 一種基于路由的解決方案。

1 分布式移動(dòng)管理技術(shù)

1.1 背景

通過部署極其密集的無線網(wǎng)絡(luò)可解決網(wǎng)絡(luò)容量提升的需要，并且為每單位面積的用戶提供更高的帶寬，在802.11協(xié)議棧中，11n和11a/c主要實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)。在該背景下，基于當(dāng)前移動(dòng)通信架構(gòu)的通信量以及信號(hào)處理存在的擴(kuò)展性問題，如：在演進(jìn)分組系統(tǒng)(Evolved Packet System，EPS)的體系結(jié)構(gòu)中，無線接入網(wǎng)(Radio Access Network， RAN)產(chǎn)生的流量是通過隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)分組數(shù)據(jù)從中間節(jié)點(diǎn)的服務(wù)網(wǎng)關(guān)(Serving Gateways，S-GWs)到分組數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)(Packet Gateways，P-GW)。因此，P-GW作為運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)管，將會(huì)形成流量的聚集。從這個(gè)意義上說，由于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)允許在不需要遍歷核心鏈路的情況下進(jìn)行路由，此外，未來的5G網(wǎng)絡(luò)將同時(shí)為不同需求的多臺(tái)設(shè)備提供服務(wù)。例如，在未來幾年內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)量有望快速增長，這一需求迫切需要更為靈活的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[8]。

分布式移動(dòng)管理主要實(shí)現(xiàn)對IP服務(wù)訪問的增強(qiáng)，并內(nèi)置對移動(dòng)性和異構(gòu)無線訪問技術(shù)的支持[4][8-9]。DMM框架設(shè)想了一個(gè)全I(xiàn)P的基礎(chǔ)設(shè)施，用戶的數(shù)據(jù)流通過最優(yōu)路徑進(jìn)行路由，利用多個(gè)錨點(diǎn)(Anchor Point)，并將IP服務(wù)部署到更接近用戶的地方。注意，這個(gè)框架設(shè)想需支持跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的遷移，此外，根據(jù)用戶提供的服務(wù)，可以根據(jù)一組擴(kuò)展的策略來處理用戶的數(shù)據(jù)流量，將IP地址分配給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，為移動(dòng)運(yùn)營商提供了管理的靈活性。

1.2 DMM方案的描述

當(dāng)前，關(guān)于DMM的研究，業(yè)界的學(xué)者已經(jīng)提出了多種途徑，本章節(jié)將提出2種主要的解決方案，從不同維度解決移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中單一節(jié)點(diǎn)流量問題。

第一種方案是基于經(jīng)典的IP移動(dòng)協(xié)議，主要對PMIPv6進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建基于PMIPv6的DMM解決方案；第二種方案遵循軟件定義的網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，構(gòu)建基于SDN的DMM解決方案。這兩種方法均是基于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)連通性為基礎(chǔ)，確保DMM特性增強(qiáng)，其中第一種廣泛的運(yùn)用了現(xiàn)有的IETF2標(biāo)準(zhǔn)[9]，第二種采用了全新的軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

1.2.1 基于PMIPv6的DMM方法

該方法基于IPv6中的移動(dòng)代理技術(shù)，通過本地移動(dòng)點(diǎn)(Local Mobility Anchor，LMA)的核心實(shí)體移動(dòng)訪問網(wǎng)關(guān)(Mobile Access Gateways，MAG)在訪問網(wǎng)絡(luò)時(shí)建立了雙向通道，用戶的上游數(shù)據(jù)包通過對應(yīng)的MAG收集，并通過隧道發(fā)送到LMA，然后將其轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)；同樣,下游包首先被LMA接收，然后由LMA發(fā)送，最后通過隧道終端將它們發(fā)送到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(Mobile Node，MN)當(dāng)前所附屬的MAG。在MAG和LMA之間使用專用的交互消息報(bào)(代理綁定更新(Proxy Binding Update，PBU)和代理綁定確認(rèn)(Proxy Binding Acknowledgement，PBA)，PMIPv6協(xié)議通過調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，讓LMA接收到MAG發(fā)送的MN已正確連接到路由的消息，實(shí)際上，由于LMA是通過用戶的數(shù)據(jù)流遍歷的。因此，根據(jù)從MAGs接收到的消息，將數(shù)據(jù)包重定向到合適的隧道，通過這種方式，數(shù)據(jù)路徑最終可能是次優(yōu)的，而LMA與MAGs的連接須提供高速和冗余的鏈路，以便為所有訂閱者傳輸流量[10-13]。

在基于PMIPv6的DMM解決方案中，MAG的角色是被DMM-Gateway所取代，DMM-GW作為一個(gè)普通訪問路由器的節(jié)點(diǎn)(即未通過隧道從因特網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)包)。此外，DMM-GW的最大特點(diǎn)是扮演移動(dòng)站點(diǎn)的功能，它能夠在不中斷IP流的情況下向前移動(dòng)，并且實(shí)現(xiàn)無縫切換網(wǎng)關(guān)的功能。此外，PMIPv6的LMA被簡化為計(jì)劃實(shí)體的控制，稱為控制移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(Control Mobile Database，CMD)，對于每一個(gè)MN均具備CMD存儲(chǔ)，用于管理記錄當(dāng)前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過擴(kuò)展PBU/PBA信號(hào)，隨著DMM-GW具備在本地中斷一些通信流的功能，避免網(wǎng)絡(luò)核心宕機(jī)的隱患，該策略的改進(jìn)相比PMIPv6在訪問到網(wǎng)絡(luò)核心的聚合鏈接時(shí)在通常執(zhí)行的過度供應(yīng)問題上得到了提升。

如圖1所示，為基于PMIPv6的DMM解決方案的操作流程，見圖1右側(cè)所標(biāo)的號(hào)碼。具體過程如下：

圖1 基于PMIPv6的DMM解決方案流程圖

①：DMM-GW接收到來自MN的路由器請求消息，或通過專用的鏈接檢測機(jī)制來檢測MN請求；

②③：DMM-GW通過擴(kuò)展PBU/PBA信號(hào)，將MN附件通知CMD，它還包含了DMM-GW為MN分配的IPv6前綴；

④：作為新節(jié)點(diǎn)注冊，CMD為MN創(chuàng)建了一個(gè)新的條目，存儲(chǔ)指向MN當(dāng)前位置的指針，即生成信號(hào)的DMM-GW和指定前綴的字段，并通過廣播的方式告知MN；

⑤⑥⑦⑧：當(dāng)CMD從新的DMM-GW中接收PBU時(shí)，MN的數(shù)據(jù)庫條目被更新，將MN的位置與新的“服務(wù)”DMM-GWs聯(lián)系起來。此外，CMD指示使用PBU / PBA信號(hào)“服務(wù)”和舊的DMM-GW之間建立一個(gè)隧道，這條隧道改變目前在舊的DMM-GW和新DMM-GW之間的IP流。然而，這條隧道只對那些從之前的DMM-GW的MN就開始進(jìn)行包裝，而新的通信則由新的DMM-GW作為一個(gè)普通的路由器來處理，也就是說，不使用任何隧道。

這一動(dòng)態(tài)流程的處理是通過向MN分配一個(gè)新的IPv6前綴來實(shí)現(xiàn)的，該前綴來自于它連接到的每個(gè)DMM-GW，并通過DMM-GW和路由進(jìn)行廣播，迫使MN在新的通信建立過程中使用新的前綴。因此，每個(gè)DMM-GW負(fù)責(zé)一個(gè)IPv6前綴池，從中它將與它建立的每個(gè)MN的訪問鏈接均委托其處理。因此，MN配置了幾個(gè)IPv6地址，每個(gè)訪問了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解決方案

軟件定義的網(wǎng)絡(luò)是一種網(wǎng)絡(luò)模式，它將控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行分離。這種分離允許更快地提供網(wǎng)絡(luò)連接的準(zhǔn)備和配置，通過SDN，網(wǎng)絡(luò)管理員可以在不需要獨(dú)立訪問和配置每個(gè)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的情況下，以一種集中的方式對通信和網(wǎng)絡(luò)的行為進(jìn)行設(shè)置，這種方法使得流量轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)與應(yīng)用節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了解耦，同時(shí)還簡化了網(wǎng)絡(luò)以及部署新的協(xié)議和應(yīng)用程序。

在SDN環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)控制器是最重要的實(shí)體，它通過一個(gè)通用的應(yīng)用程序編程接口(API)來對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置。其中OpenFlow是此類API之一，它可以通過外部軟件應(yīng)用程序的編寫來實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)置。如圖2所示，為基于SDN的DMM解決方案，在該解決方案中，使用OpenFlow API實(shí)現(xiàn)了稱為網(wǎng)絡(luò)控制器(Network Control，NC)的核心實(shí)體，來完成對路由器轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的配置，DMM-GW扮演錨點(diǎn)的角色，具體步驟描述如下：

圖2 基于SDN的DMM解決方案流程圖

①：建立MN與DMM-GW的鏈接；

②⑦：DMM-GW通過廣播形式通知NC；

③⑧：通過使用綁定緩存，保證網(wǎng)絡(luò)前綴是唯一的，在控制器存儲(chǔ)的地方，類似于基于PMIPv6的解決方案，在附件檢測后，NC在MN訪問的每個(gè)DMM-GW中配置OpenFlow規(guī)則[14-15]；

④⑤⑨⑩：將網(wǎng)絡(luò)前綴分配給各MN；

實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間移動(dòng)性是通過在DMM-GW上完成對發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的組合。當(dāng)一個(gè)固定流量的數(shù)據(jù)包到達(dá)一個(gè)訪問過的DMM-GW時(shí)，報(bào)文首先將IP目的地址重寫為最后一個(gè)已知的MN的IP地址，然后再將流量重定向到新MN的位置，當(dāng)流量達(dá)到最后訪問的DMM-GW時(shí)，DMM-GW執(zhí)行一個(gè)反向IP地址轉(zhuǎn)換，還原舊IP地址，然后將流量轉(zhuǎn)發(fā)到MN，該方法相比PMIPv6，摒棄了IP隧道技術(shù)的運(yùn)用，提升了通信的穩(wěn)定性，將所有的流量控制集中于NC上執(zhí)行。

2 DMM解決方案的評(píng)估

在第2章中描述了兩個(gè)DMM解決方案的具體工作步驟，本章主要對該方法進(jìn)行性能評(píng)估。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置如下：實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)提供802.11b/g的WLAN接入服務(wù)，并分別作為CMD、NC的服務(wù)器，所有計(jì)算機(jī)運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，規(guī)定所有實(shí)現(xiàn)流程中其他鏈路層協(xié)議默認(rèn)對基于PMIPv6和SDN不產(chǎn)生任何影響。

各DMM管理原型定義如下：

基于PMIPv6的DMM原型使用移動(dòng)性用于實(shí)現(xiàn)PMIPv6的執(zhí)行，按照2.2.1中的流程通過代碼實(shí)現(xiàn)；基于SDN的原型實(shí)現(xiàn)是基于OpenFlow實(shí)現(xiàn)2.2.2節(jié)中的流程。

實(shí)驗(yàn)過程描述如下：樣機(jī)通過一個(gè)被共同定位的IEEE 802.11b/ g接入點(diǎn)提供WLAN訪問。目的是觀察當(dāng)一個(gè)網(wǎng)關(guān)變換時(shí)，MN將如何執(zhí)行，也就是說，當(dāng)MN從一個(gè)AP移動(dòng)到另一個(gè)AP時(shí)，數(shù)據(jù)流量會(huì)發(fā)生什么變化，各個(gè)樣機(jī)通過Ping通信到MN。如圖3所示。

圖3 Ping流量測量圖(CDF)

測試過程如下：

1) 設(shè)置延遲將MN從一個(gè)AP變化到另一個(gè)AP，測量IEEE 802.11的操作用于與舊AP相關(guān)聯(lián)，并與新AP相關(guān)聯(lián)所需的時(shí)間；

2) 測量在MN接收路由器廣播時(shí)的瞬間，從舊AP中去除關(guān)聯(lián)的時(shí)間，這意味著MN的IP配置已就緒；

3) 建立Ping通信，測量最后的Ping包收到或發(fā)送的MN之前交接和第一個(gè)Ping包收到或發(fā)送后交接的時(shí)間間隔。

以上的測量方法通過收集在MN與Gateway間的Ping數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖4所示,為兩個(gè)管理方案的Ping通信分布圖，基于PMIPv6的CDF相比基于SDN的DMM管理策略有較小的優(yōu)勢，這是由于在DMM-GW切換時(shí)，基于SDN的策略不需要進(jìn)行IP重定位，在PMIPv6解決方案的情況下，新的路由路徑是在舊錨點(diǎn)和新錨點(diǎn)之間使用IPv6-IN-IPv6隧道，而在SDN的情況下，新的開關(guān)規(guī)則將在舊的和新的錨點(diǎn)上裝配。

3 總結(jié)

本文主要分析了DMM解決方案空間，通過描述兩種主要的解決方案，將移動(dòng)性管理分配給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的平面架構(gòu)。通過對基于PMIPv6以及基于SDN的DMM管理策略進(jìn)行設(shè)計(jì)說明，并且與Linux系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對兩種方案的模擬，結(jié)果表明兩種方案均對網(wǎng)絡(luò)的變化有較快的反應(yīng)，但由于基于SDN的方案相比基于PMIPv6的方案減少了隧道的建立流程，因此相比有較短的流量切換時(shí)間。