基于標(biāo)識(shí)/位置分離的新型移動(dòng)性管理機(jī)制研究

1　引言

近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)在基礎(chǔ)架構(gòu)方面暴露出越來(lái)越多的問(wèn)題，BGP路由表的增長(zhǎng)問(wèn)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(huì)IAB(Internet Architecture Board)的報(bào)告，主要是以下幾個(gè)因素導(dǎo)致了BGP路由表的迅速增長(zhǎng)：多宿、流量工程和非聚合地址的使用。上述問(wèn)題的根本原因在于IP地址的語(yǔ)義過(guò)載，即IP地址同時(shí)包含標(biāo)識(shí)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(gè)問(wèn)題，主要思路是將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)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(shí)/位置分離，但是移動(dòng)性支持方面仍存在很大的問(wèn)題。LISP-MN是IETF工作組最近提出來(lái)的支持LISP移動(dòng)性的方案。在LISP-MN方案中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要具備LISP邊界路由器的部分功能，這增大了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。更重要的問(wèn)題在于，LISP-MN方案需要對(duì)于數(shù)據(jù)報(bào)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(wèn)題是不可忽視的。

為此，本文提出了一種新的移動(dòng)性管理方案。該方案主要是基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的，對(duì)終端側(cè)改動(dòng)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(shí)ID的映射系統(tǒng)。主機(jī)名HN是唯一標(biāo)識(shí)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，且是全球惟一的。終端的HN與ID之間的映射關(guān)系是一對(duì)多的。當(dāng)終端移動(dòng)發(fā)生切換時(shí)，終端可以同時(shí)采用多個(gè)ID進(jìn)行會(huì)話，數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中只封裝一次。另外，通過(guò)引入一種快速位置更新的方法，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的平滑切換。與LISP-MN方案對(duì)比，可以看出我們的方法在切換時(shí)延和系統(tǒng)開銷方面可以提供更好的移動(dòng)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(shí)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(lái)標(biāo)識(shí)路由器，而邊緣網(wǎng)絡(luò)中使用終端標(biāo)識(shí)EID(Endpoint Identifiers)來(lái)標(biāo)識(shí)終端。主機(jī)的EID分配與網(wǎng)絡(luò)提供商無(wú)關(guān)，它們?cè)诤诵木W(wǎng)中沒(méi)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(guò)入口隧道路由器ITR(Ingress Tunnel Router)和出口隧道路由器ETR(Egress Tunnel Router)實(shí)現(xiàn)了核心網(wǎng)絡(luò)和邊緣網(wǎng)絡(luò)的分離，它通過(guò)一個(gè)映射系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)從EID至RLOC的映射解析。LISP通過(guò)IP-in-IP的封裝及解封裝機(jī)制實(shí)現(xiàn)了在核心網(wǎng)中的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)向?qū)Χ斯?jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)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(guò)查詢映射系統(tǒng)來(lái)獲得對(duì)端EID對(duì)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(duì)端ETR的RLOC為目的地址。對(duì)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(duì)端。具體的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程參見(jiàn)圖1。

圖1　LISP架構(gòu)下的數(shù)據(jù)傳輸

總的來(lái)說(shuō)，LISP有三大優(yōu)點(diǎn)：第一，LISP傾向于在主機(jī)側(cè)不作改動(dòng);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(huì)。不過(guò)，LISP可能將全球路由表的匯聚性問(wèn)題轉(zhuǎn)移到全球映射系統(tǒng)的匯聚性問(wèn)題。

2.2　LISP中的移動(dòng)性管理研究

LISP雖然消除了IP地址的雙重語(yǔ)義問(wèn)題，一定程度上支持了終端的移動(dòng)性，然而它并未徹底地解決移動(dòng)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(shí)/位置思想中的移動(dòng)性支持問(wèn)題，學(xué)術(shù)界提出了一些標(biāo)識(shí)/位置分離下的移動(dòng)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(duì)LISP-MN的改進(jìn)方案來(lái)解決特定情況下存在的一些缺點(diǎn)。提出了HIMALIS架構(gòu)，通過(guò)引入一種新的命名空間來(lái)提供移動(dòng)性支持。然而，它對(duì)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(lái)解決路由可擴(kuò)展性和移動(dòng)性，并未對(duì)切換的細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。為了更好地描述移動(dòng)性問(wèn)題，下面針對(duì)LISP-MN進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

在LISP-MN方案中，一個(gè)LISP節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)永久性的EID，用作識(shí)別主機(jī)而不是路由。當(dāng)一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)漫游至一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，它接收到一個(gè)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(cè)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(cè)。LISP-MN假定MN本身是一個(gè)單獨(dú)的LISP域并具備ITR/ETR對(duì)進(jìn)出口流量的處理功能。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MN封裝出口的流量發(fā)送至ETR。接收數(shù)據(jù)時(shí)，流量通過(guò)隧道從ITR或另一個(gè)MN傳輸至MN。

當(dāng)數(shù)據(jù)包從一個(gè)LISP域傳輸至另一個(gè)LISP域的MN時(shí)，LISP-MN先向映射系統(tǒng)查詢?cè)搶?duì)端EID對(duì)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(guò)一次封裝的數(shù)據(jù)包后，再一次通過(guò)映射系統(tǒng)查詢?cè)揕LOC對(duì)應(yīng)的RLOC。兩次查找過(guò)程如圖2所示。

圖2　LISP-MN中數(shù)據(jù)傳輸

事實(shí)上，雖然LISP-MN提出了一些設(shè)計(jì)目標(biāo)，但它并沒(méi)有提出一個(gè)清晰的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。它甚至忽視了一些問(wèn)題，比如快速移動(dòng)性?？偟膩?lái)說(shuō)，LISP-MN存在以下問(wèn)題：

(1)基于主機(jī)的方式。LISP-MN要求節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)時(shí)獲取新的Locator，并參與到移動(dòng)管理的步驟中，這增加了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度。MN由于要具備ITR/ETR的功能而負(fù)載過(guò)重。

(2)開銷。LISP-MN要求對(duì)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(shí)別、雙重映射和雙重封裝引起的長(zhǎng)的切換延遲和丟包率。

3　改進(jìn)的移動(dòng)性管理方案

為了解決LISP中存在的移動(dòng)性問(wèn)題，本文提出了一種基于標(biāo)識(shí)/位置分離的移動(dòng)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(guò)程中只封裝一次。同時(shí)，提出了快速的位置更新方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的移動(dòng)性支持和平滑切換需求。