Route Optimization in Mobile Networks with Cache Assistance（RoMoNeCA）.pdf

1、移動(dòng)IP對不同的接入技術(shù)(WLAN，cellular，broadcast access)提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)層支持。隨著技術(shù)進(jìn)步，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性研究已經(jīng)向前邁進(jìn)一大步形成NEMO。所謂NEMO是指一組節(jié)點(diǎn)(例如火車、汽車、飛機(jī)內(nèi)部的人員)以子網(wǎng)的方式在移動(dòng)中接入因特網(wǎng)。NEMO可以保證IP子網(wǎng)在移動(dòng)的過程中子網(wǎng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)正在進(jìn)行的會話的連續(xù)性。 移動(dòng)的IP子網(wǎng)(mobile network)通過移動(dòng)路由器(Mobile Router，MR)

2、連接到因特網(wǎng)。這些移動(dòng)的IP子網(wǎng)可以是由附著在MR上的單個(gè)本地節(jié)點(diǎn)組成的非嵌套網(wǎng)絡(luò)，或者是內(nèi)部嵌套多個(gè)IP子網(wǎng)的嵌套網(wǎng)絡(luò)等。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋷硪幌盗袉栴}，而這些問題在單個(gè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性的研究中并沒有出現(xiàn)，這也導(dǎo)致IETF專門成立NEMO工作組。該工作組的主要任務(wù)是提出對移動(dòng)IPV6協(xié)議的擴(kuò)展，從而解決NEMO及其相關(guān)問題。 實(shí)驗(yàn)表明現(xiàn)存的移動(dòng)IPV6協(xié)議無法給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。本地代理(Home Agent)無法

3、封裝要轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(MNN)的數(shù)據(jù)包。這是因?yàn)閺谋镜卮斫嵌瓤?，HA-MR隧道是節(jié)點(diǎn)專用信道而非網(wǎng)絡(luò)專用信道，因此本地代理只能發(fā)現(xiàn)隧道另一端的MR，而無法看到附著在該路由器上的節(jié)點(diǎn)。 NEMO基礎(chǔ)支持協(xié)議(NBS)的提出解決了一組節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)單元的移動(dòng)接入互聯(lián)網(wǎng)問題。這個(gè)單元稱為移動(dòng)IP子網(wǎng)或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(Mobile Network)，一個(gè)或多個(gè)MR處理來自或到達(dá)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的通信。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)稱為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(MNN)，

4、這些節(jié)點(diǎn)包括本地固定節(jié)點(diǎn)(LFN’s)、本地移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(LMN’s)以及外部的訪問移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(VMN’s)。這些外部訪問移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以是單個(gè)移動(dòng)IPV6節(jié)點(diǎn)，也可以是擁有多個(gè)MNN的MR。后者稱為嵌套移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，所謂嵌套網(wǎng)絡(luò)是指一個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)存在于另一個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中。在嵌套移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，被接入的MR稱為上行流MR，接入的MR稱為下行流MR。嵌套網(wǎng)絡(luò)中的最頂層MR稱為父MR，其下的所有MR稱為子MR。不包含任何子網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的嵌套等級為1，因此嵌套等

5、級2表明一個(gè)小的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)嵌套在一個(gè)大的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部。每個(gè)MR都有唯一的IP地址進(jìn)行標(biāo)示，稱為本地地址，其在家鄉(xiāng)鏈路上都有一個(gè)本地代理或稱家鄉(xiāng)代理(Home Agent，HA)。HA負(fù)責(zé)MR發(fā)送的數(shù)據(jù)在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)的傳遞，它存儲對應(yīng)的MR的本地地址。 根據(jù)NEMO基礎(chǔ)支持協(xié)議，所有在MR和對應(yīng)節(jié)點(diǎn)(CN)之間通信的數(shù)據(jù)包都需要經(jīng)過“雙向隧道”傳輸。然而當(dāng)MR和CN距離很近，卻遠(yuǎn)離HA時(shí)，這可能導(dǎo)致長的路由以及大的包傳輸時(shí)延，影響服務(wù)

6、質(zhì)量。此外，長的路由路徑將給路由網(wǎng)絡(luò)增添額外的負(fù)載，從而增大鏈路中斷的概率。 每當(dāng)數(shù)據(jù)包經(jīng)由“雙向隧道”時(shí)需要添加額外的IPV6路由頭，這增大數(shù)據(jù)包的尺寸進(jìn)而降低整體的帶寬利用率，而且如果包尺寸超過鏈路的最大傳輸單元限制，需要拆分?jǐn)?shù)據(jù)包從而增大包時(shí)延。此外，節(jié)點(diǎn)的封裝處理同樣也增大包的傳輸時(shí)延。 在嵌套網(wǎng)絡(luò)中，如果兩個(gè)移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)需要通信，則所有的數(shù)據(jù)包都需要通過所有的上行流MR和對應(yīng)的HA，這既增大包頭同時(shí)也導(dǎo)致大的包

7、傳輸時(shí)延。換一種情形，如果某個(gè)HA嵌套在某個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，則死循環(huán)發(fā)生。MR無法找到其對應(yīng)的HA進(jìn)而無法建立“雙向隧道”。 針對上述相關(guān)問題，許多關(guān)于NEMO的路由優(yōu)化方案已經(jīng)提出，這些優(yōu)化方案可以分成以下幾類： 非嵌套NEMO路由優(yōu)化主要解決移動(dòng)網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)與CN之間的優(yōu)化問題。此類優(yōu)化不涉及嵌套網(wǎng)絡(luò)和訪問移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。MR根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)查找距離CN最近的對應(yīng)路由器(CR)，建立MR-CR“雙向隧道”。通過綁定MR的轉(zhuǎn)交地址和對應(yīng)

8、的HA，MR向?qū)?yīng)路由器發(fā)送綁定更新從而建立隧道。此時(shí)MNN和CN之間的流量可通過隧道經(jīng)由HA轉(zhuǎn)發(fā)。從CN發(fā)往移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包由對應(yīng)路由器封裝經(jīng)由MR-CR隧道發(fā)送。假設(shè)CN是一個(gè)MNN，對應(yīng)路由器是該移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的MR，則MR通過綁定更新同對應(yīng)路由器建立隧道，使得MNN和CN之間的數(shù)據(jù)包經(jīng)由該隧道發(fā)送，不經(jīng)由各自的HA。這類優(yōu)化方案適用于對應(yīng)路由器靠近CN而遠(yuǎn)離HA的情形。 優(yōu)化路由緩存管理協(xié)議(ORC)提供與OptiNets類似

9、的解決方案。優(yōu)化路由緩存管理協(xié)議將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的前綴與其當(dāng)前的轉(zhuǎn)交地址結(jié)合，這種結(jié)合稱為綁定路由(BR)，存儲在內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議路由器(又稱ORC路由器)的緩存中，如圖2所示。發(fā)往移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包被ORC路由器截獲并通過綁定路由轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)化路由緩存管理協(xié)議通過給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分配專門的子網(wǎng)絡(luò)前綴來提高網(wǎng)絡(luò)的透明度，并基于現(xiàn)存的路由架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。該方案的性能取決于ORC路由器與CN之間的鄰近性，此外該方案只適用于路由優(yōu)化并需要網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的強(qiáng)力支

10、持。 前綴范圍綁定更新協(xié)議(PSBU)是從移動(dòng)IPV6中演化而來的一種方案。該方案中，CN同單個(gè)MR保持兩個(gè)綁定：一個(gè)對應(yīng)MR的家鄉(xiāng)地址，另一個(gè)對應(yīng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)前綴。因此，MR需要給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的所有CN發(fā)送綁定更新，這些綁定更新隨著CN的增加而增多，從而加劇了MR的處理負(fù)載。由于每個(gè)CN管理對應(yīng)單個(gè)MR的兩個(gè)綁定緩存實(shí)體，MR數(shù)量增多一倍將導(dǎo)致CN的綁定管理成本增大兩倍。如果將所有的CN放進(jìn)一個(gè)廣播群組，則MR只需發(fā)送一個(gè)綁定更新，

11、因此可以降低信令負(fù)載，從而解決上述問題，但是由此可能帶來安全方面的相關(guān)問題。 MR隧道協(xié)議提出建立HA-MR永久隧道的方案。該方案中由于所有的數(shù)據(jù)包通過HA-MR隧道傳輸，因此可能導(dǎo)致瓶頸效應(yīng)的發(fā)生。隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，HA的處理負(fù)載也隨著增大。當(dāng)HA向CN發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要添加額外的信息，這些額外信息稱為路徑控制頭(PCH)，路徑控制頭標(biāo)明MR的轉(zhuǎn)交地址。對應(yīng)路由器在隧道初始化的過程中捕獲該信息，從而為后續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送提

12、供便利。 嵌套移動(dòng)性是指一個(gè)支持移動(dòng)IPV6的節(jié)點(diǎn)，其家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)前綴與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)前綴不同，附著到一個(gè)MR上。這里提到的節(jié)點(diǎn)可以是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)或者M(jìn)R，對于MR，由于其后附著其它節(jié)點(diǎn)因此形成嵌套網(wǎng)絡(luò)。 嵌套網(wǎng)絡(luò)的路由優(yōu)化存在以下幾種： 降低路徑上的HA數(shù)：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的多嵌套節(jié)點(diǎn)擁有多個(gè)HA，從嵌套節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包需要經(jīng)過自己的HA和父網(wǎng)絡(luò)的HA。隨著網(wǎng)絡(luò)嵌套層數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)也更加復(fù)雜。通過減少數(shù)據(jù)包經(jīng)過的HA可以降低網(wǎng)絡(luò)

13、復(fù)雜性。 降低隧道數(shù)：使用樹信息選項(xiàng)的路由優(yōu)化方案(ROTIO)提出，嵌套網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)MR向?qū)?yīng)的HA發(fā)送綁定更新，包含移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的父路由器的家鄉(xiāng)地址。每個(gè)MR同時(shí)給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的父路由器發(fā)送綁定更新，該更新包含該路由器到達(dá)父路由器的路由。因此發(fā)自家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)CN的數(shù)據(jù)包只需要訪問該移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的對應(yīng)MR和父路由器。該方案擴(kuò)展了NEMO基礎(chǔ)支持協(xié)議，需要所有的MR支持ROTIO功能。對于不支持該功能的MR與具備ROTIO功能的路由器進(jìn)行通信時(shí)

14、可能影響性能。 路由優(yōu)化帶來好處的同時(shí)也容易導(dǎo)致新的問題。不同的路由優(yōu)化方案存在需要進(jìn)一步完善的地方，解決好這些問題將使NEMO網(wǎng)絡(luò)更加高效。這些問題歸結(jié)如下： 缺乏統(tǒng)一的解決方案前面提到的不同路由優(yōu)化方案針對不同的場景，到目前為止還沒有一種簡單可行的方案適用于不同的場景，因此統(tǒng)一的路由優(yōu)化解決方案亟待提出。 路由優(yōu)化技術(shù)需要而外的信令消息，這在某種程度上超出了NEMO基礎(chǔ)支持協(xié)議的限制。由于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)嵌套層數(shù)、網(wǎng)

15、絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及CN數(shù)的增加都可能導(dǎo)致“信令洪流”的發(fā)生。“信令洪流”可以導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信令的突然增大，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞和包傳輸時(shí)延的增大，尤其對于無線環(huán)境由于其有限的帶寬限制。因此新的解決方案需要在保證優(yōu)化性能的前提下盡可能少的減少信令。 RoMoNeCA方案進(jìn)行改進(jìn)：綁定更新爆炸問題根據(jù)RoMoNeCA方案，每次MR獲取一個(gè)新的轉(zhuǎn)交地址都需要給對應(yīng)的CN發(fā)送綁定更新消息，無論CN與MNN之間是否有實(shí)際流量。綁定更新的定期發(fā)送將浪費(fèi)大量的