基于标识/位置分离的新型移动性管理机制研究

1　引言

近年来，互联网在基础架构方面暴露出越来越多的问题，BGP路由表的增长问题更是被提入IETF工作日程。根据互联网结构委员会IAB(Internet Architecture Board)的报告，主要是以下几个因素导致了BGP路由表的迅速增长：多宿、流量工程和非聚合地址的使用。上述问题的根本原因在于IP地址的语义过载，即IP地址同时包含标识和位置信息，分别用于传输层和路由系统。IETF已经开始着手研究这个问题，主要思路是将网络节点的标识和位置进行分离，并提出了如LISP，Six/One，SHIM6和HIP等方案。在这些方案中，LISP方案最为关键，获得包括思科在内的众多厂商及研究人员的广泛支持。

尽管LISP基于标识/位置分离，但是移动性支持方面仍存在很大的问题。LISP-MN是IETF工作组最近提出来的支持LISP移动性的方案。在LISP-MN方案中，移动节点需要具备LISP边界路由器的部分功能，这增大了移动节点实现的复杂性。更重要的问题在于，LISP-MN方案需要对于数据报文进行双重映射和双重封装，由此而引起的传输及切换延迟问题是不可忽视的。

为此，本文提出了一种新的移动性管理方案。该方案主要是基于网络侧的，对终端侧改动较小。在本方案中，我们定义了三种命名空间(HN，ID，Locator)，并引入了一种新的主机名HN到标识ID的映射系统。主机名HN是唯一标识移动节点，且是全球惟一的。终端的HN与ID之间的映射关系是一对多的。当终端移动发生切换时，终端可以同时采用多个ID进行会话，数据包在传输过程中只封装一次。另外，通过引入一种快速位置更新的方法，实现了移动节点的平滑切换。与LISP-MN方案对比，可以看出我们的方法在切换时延和系统开销方面可以提供更好的移动性支持。

2　相关工作

2.1　LISP

LISP是一种基于网络侧的主机标识ID和位置分离的协议。LISP网络由核心网络和边缘网络两部分组成。其中，核心网络中使用路由位置RLOC(Routing Locator)来标识路由器，而边缘网络中使用终端标识EID(Endpoint Identifiers)来标识终端。主机的EID分配与网络提供商无关，它们在核心网中没有相关记录。全球核心网路由表中只包含RLOC，这样的方式使得核心网中路由表保持高度汇聚性。LISP通过入口隧道路由器ITR(Ingress Tunnel Router)和出口隧道路由器ETR(Egress Tunnel Router)实现了核心网络和边缘网络的分离，它通过一个映射系统用来实现从EID至RLOC的映射解析。LISP通过IP-in-IP的封装及解封装机制实现了在核心网中的路由和转发。

当一个节点向对端节点发送数据时，对端EID在核心网中是不可路由的。当数据包到达ITR后，ITR通过查询映射系统来获得对端EID对应的RLOC地址。然后ITR封装该数据包，以自己的RLOC为源地址，以对端ETR的RLOC为目的地址。对端ETR收到该包后解封装该包，最后将数据包发送给通信对端。具体的数据传输过程参见图1。

图1　LISP架构下的数据传输

总的来说，LISP有三大优点：第一，LISP倾向于在主机侧不作改动;第二，具备显著减小全球路由表的潜力;第三，映射系统给流量工程的应用提供了机会。不过，LISP可能将全球路由表的汇聚性问题转移到全球映射系统的汇聚性问题。

2.2　LISP中的移动性管理研究

LISP虽然消除了IP地址的双重语义问题，一定程度上支持了终端的移动性，然而它并未彻底地解决移动性，IETF的标准里也缺少相应的技术细节。为了解决标识/位置思想中的移动性支持问题，学术界提出了一些标识/位置分离下的移动性管理的机制。其中，IETF的工作组给出了LISP-MN方案。提出了一些对LISP-MN的改进方案来解决特定情况下存在的一些缺点。提出了HIMALIS架构，通过引入一种新的命名空间来提供移动性支持。然而，它对于绑定和映射更新比较复杂。提出了一种改进的架构来解决路由可扩展性和移动性，并未对切换的细节进行描述。为了更好地描述移动性问题，下面针对LISP-MN进行重点介绍。

在LISP-MN方案中，一个LISP节点具有一个永久性的EID，用作识别主机而不是路由。当一个移动节点漫游至一个新的网络中时，它接收到一个转交地址。该地址是当前可达的，并在映射系统把它注册为本地位置LLOC(Local Locator)。所有的LLOC都预先在映射系统里和RLOC一起注册。LISP-MN假定MN本身是一个单独的LISP域并具备ITR/ETR对进出口流量的处理功能。发送数据时，MN封装出口的流量发送至ETR。接收数据时，流量通过隧道从ITR或另一个MN传输至MN。

当数据包从一个LISP域传输至另一个LISP域的MN时，LISP-MN先向映射系统查询该对端EID对应的LLOC，并以它作为目的地封装该数据包。然后，当ITR收到经过一次封装的数据包后，再一次通过映射系统查询该LLOC对应的RLOC。两次查找过程如图2所示。

图2　LISP-MN中数据传输

事实上，虽然LISP-MN提出了一些设计目标，但它并没有提出一个清晰的方案来实现。它甚至忽视了一些问题，比如快速移动性。总的来说，LISP-MN存在以下问题：

(1)基于主机的方式。LISP-MN要求节点在移动时获取新的Locator，并参与到移动管理的步骤中，这增加了移动节点的复杂度。MN由于要具备ITR/ETR的功能而负载过重。

(2)开销。LISP-MN要求对所有的数据包进行双重映射和双重封装。

(3)切换性能。MN需要承受由于新位置识别、双重映射和双重封装引起的长的切换延迟和丢包率。

3　改进的移动性管理方案

为了解决LISP中存在的移动性问题，本文提出了一种基于标识/位置分离的移动性管理方案。该方案包含三种命名空间和两种映射系统。数据包在传输过程中只封装一次。同时，提出了快速的位置更新方法，来实现灵活的移动性支持和平滑切换需求。