基于標(biāo)識/位置分離的新型移動性管理機(jī)制研究

1　引言

近年來，互聯(lián)網(wǎng)在基礎(chǔ)架構(gòu)方面暴露出越來越多的問題，BGP路由表的增長問題更是被提入IETF工作日程。根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)委員會IAB(Internet Architecture Board)的報告，主要是以下幾個因素導(dǎo)致了BGP路由表的迅速增長：多宿、流量工程和非聚合地址的使用。上述問題的根本原因在于IP地址的語義過載，即IP地址同時包含標(biāo)識和位置信息，分別用于傳輸層和路由系統(tǒng)。IETF已經(jīng)開始著手研究這個問題，主要思路是將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的標(biāo)識和位置進(jìn)行分離，并提出了如LISP，Six/One，SHIM6和HIP等方案。在這些方案中，LISP方案最為關(guān)鍵，獲得包括思科在內(nèi)的眾多廠商及研究人員的廣泛支持。

盡管LISP基于標(biāo)識/位置分離，但是移動性支持方面仍存在很大的問題。LISP-MN是IETF工作組最近提出來的支持LISP移動性的方案。在LISP-MN方案中，移動節(jié)點需要具備LISP邊界路由器的部分功能，這增大了移動節(jié)點實現(xiàn)的復(fù)雜性。更重要的問題在于，LISP-MN方案需要對于數(shù)據(jù)報文進(jìn)行雙重映射和雙重封裝，由此而引起的傳輸及切換延遲問題是不可忽視的。

為此，本文提出了一種新的移動性管理方案。該方案主要是基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的，對終端側(cè)改動較小。在本方案中，我們定義了三種命名空間(HN，ID，Locator)，并引入了一種新的主機(jī)名HN到標(biāo)識ID的映射系統(tǒng)。主機(jī)名HN是唯一標(biāo)識移動節(jié)點，且是全球惟一的。終端的HN與ID之間的映射關(guān)系是一對多的。當(dāng)終端移動發(fā)生切換時，終端可以同時采用多個ID進(jìn)行會話，數(shù)據(jù)包在傳輸過程中只封裝一次。另外，通過引入一種快速位置更新的方法，實現(xiàn)了移動節(jié)點的平滑切換。與LISP-MN方案對比，可以看出我們的方法在切換時延和系統(tǒng)開銷方面可以提供更好的移動性支持。

2　相關(guān)工作

2.1　LISP

LISP是一種基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的主機(jī)標(biāo)識ID和位置分離的協(xié)議。LISP網(wǎng)絡(luò)由核心網(wǎng)絡(luò)和邊緣網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。其中，核心網(wǎng)絡(luò)中使用路由位置RLOC(Routing Locator)來標(biāo)識路由器，而邊緣網(wǎng)絡(luò)中使用終端標(biāo)識EID(Endpoint Identifiers)來標(biāo)識終端。主機(jī)的EID分配與網(wǎng)絡(luò)提供商無關(guān)，它們在核心網(wǎng)中沒有相關(guān)記錄。全球核心網(wǎng)路由表中只包含RLOC，這樣的方式使得核心網(wǎng)中路由表保持高度匯聚性。LISP通過入口隧道路由器ITR(Ingress Tunnel Router)和出口隧道路由器ETR(Egress Tunnel Router)實現(xiàn)了核心網(wǎng)絡(luò)和邊緣網(wǎng)絡(luò)的分離，它通過一個映射系統(tǒng)用來實現(xiàn)從EID至RLOC的映射解析。LISP通過IP-in-IP的封裝及解封裝機(jī)制實現(xiàn)了在核心網(wǎng)中的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。

當(dāng)一個節(jié)點向?qū)Χ斯?jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，對端EID在核心網(wǎng)中是不可路由的。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)ITR后，ITR通過查詢映射系統(tǒng)來獲得對端EID對應(yīng)的RLOC地址。然后ITR封裝該數(shù)據(jù)包，以自己的RLOC為源地址，以對端ETR的RLOC為目的地址。對端ETR收到該包后解封裝該包，最后將數(shù)據(jù)包發(fā)送給通信對端。具體的數(shù)據(jù)傳輸過程參見圖1。

圖1　LISP架構(gòu)下的數(shù)據(jù)傳輸

總的來說，LISP有三大優(yōu)點：第一，LISP傾向于在主機(jī)側(cè)不作改動;第二，具備顯著減小全球路由表的潛力;第三，映射系統(tǒng)給流量工程的應(yīng)用提供了機(jī)會。不過，LISP可能將全球路由表的匯聚性問題轉(zhuǎn)移到全球映射系統(tǒng)的匯聚性問題。

2.2　LISP中的移動性管理研究

LISP雖然消除了IP地址的雙重語義問題，一定程度上支持了終端的移動性，然而它并未徹底地解決移動性，IETF的標(biāo)準(zhǔn)里也缺少相應(yīng)的技術(shù)細(xì)節(jié)。為了解決標(biāo)識/位置思想中的移動性支持問題，學(xué)術(shù)界提出了一些標(biāo)識/位置分離下的移動性管理的機(jī)制。其中，IETF的工作組給出了LISP-MN方案。提出了一些對LISP-MN的改進(jìn)方案來解決特定情況下存在的一些缺點。提出了HIMALIS架構(gòu)，通過引入一種新的命名空間來提供移動性支持。然而，它對于綁定和映射更新比較復(fù)雜。提出了一種改進(jìn)的架構(gòu)來解決路由可擴(kuò)展性和移動性，并未對切換的細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。為了更好地描述移動性問題，下面針對LISP-MN進(jìn)行重點介紹。

在LISP-MN方案中，一個LISP節(jié)點具有一個永久性的EID，用作識別主機(jī)而不是路由。當(dāng)一個移動節(jié)點漫游至一個新的網(wǎng)絡(luò)中時，它接收到一個轉(zhuǎn)交地址。該地址是當(dāng)前可達(dá)的，并在映射系統(tǒng)把它注冊為本地位置LLOC(Local Locator)。所有的LLOC都預(yù)先在映射系統(tǒng)里和RLOC一起注冊。LISP-MN假定MN本身是一個單獨的LISP域并具備ITR/ETR對進(jìn)出口流量的處理功能。發(fā)送數(shù)據(jù)時，MN封裝出口的流量發(fā)送至ETR。接收數(shù)據(jù)時，流量通過隧道從ITR或另一個MN傳輸至MN。

當(dāng)數(shù)據(jù)包從一個LISP域傳輸至另一個LISP域的MN時，LISP-MN先向映射系統(tǒng)查詢該對端EID對應(yīng)的LLOC，并以它作為目的地封裝該數(shù)據(jù)包。然后，當(dāng)ITR收到經(jīng)過一次封裝的數(shù)據(jù)包后，再一次通過映射系統(tǒng)查詢該LLOC對應(yīng)的RLOC。兩次查找過程如圖2所示。

圖2　LISP-MN中數(shù)據(jù)傳輸

事實上，雖然LISP-MN提出了一些設(shè)計目標(biāo)，但它并沒有提出一個清晰的方案來實現(xiàn)。它甚至忽視了一些問題，比如快速移動性。總的來說，LISP-MN存在以下問題：

(1)基于主機(jī)的方式。LISP-MN要求節(jié)點在移動時獲取新的Locator，并參與到移動管理的步驟中，這增加了移動節(jié)點的復(fù)雜度。MN由于要具備ITR/ETR的功能而負(fù)載過重。

(2)開銷。LISP-MN要求對所有的數(shù)據(jù)包進(jìn)行雙重映射和雙重封裝。

(3)切換性能。MN需要承受由于新位置識別、雙重映射和雙重封裝引起的長的切換延遲和丟包率。

3　改進(jìn)的移動性管理方案

為了解決LISP中存在的移動性問題，本文提出了一種基于標(biāo)識/位置分離的移動性管理方案。該方案包含三種命名空間和兩種映射系統(tǒng)。數(shù)據(jù)包在傳輸過程中只封裝一次。同時，提出了快速的位置更新方法，來實現(xiàn)靈活的移動性支持和平滑切換需求。