CN102075907A - 一种虚拟接口支持异构切换的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚拟接口支持异构切换的方法，本发明采用在MN上配置虚拟接口的方法来实现代理移动IPv6中对异构切换的支持。本发明方案利用虚拟接口对不同接入技术的物理接口进行绑定，并依据虚拟接口所绑定的物理接口进行数据的发送和接收。当MN接收到路由器通告后，它会为虚拟接口配置地址而不是物理接口，在切换过程中虚拟接口上地址不变，以此来保证切换时通信的连续性，减小切换时延，提高切换效率。

Description

一种虚拟接口支持异构切换的方法

技术领域

本发明涉及一种虚拟接口支持异构切换的方法。

背景技术

随着移动互联网应用的迅速普及，对IP的移动性支持已成为移动通信发展的一个热点方向。移动终端同时通过多种接入技术协同工作，同时体验多种服务，可以为用户带来更好的服务体验。这样移动节点就需要通过不同的网络接口采用与该接口相匹配的接入技术(如WiFi、CDMA、GSM、TD-SCDMA等)同时接入网络。移动节点在不同接入技术间的漫游可以充分利用现有的资源和带宽，但在此过程中仍然要保持移动性会话的可达性和连续性。

当移动节点的位置变化，其IPv6地址也发生了改变就破坏了路由的可达性，移动IPv6和NEMO技术很好的解决了这个问题。但这些协议是基于终端的移动性协议。然而，现有的移动终端通常不支持网络层移动性协议，所以需要大量的更新移动终端协议栈，给协议的推广带来很大的麻烦。同时，移动终端参与移动性管理过程，必然有相关的移动性信令在无线侧传输，将带来额外的无线资源浪费。而且，终端对移动性管理的支持也将带来大量的终端能量的消耗，这个问题在当前终端受限的状况下也显得较为突出。

互联网工程任务组IETF制定的代理移动IPv6协议，通过网络对于移动终端进行管理。这个协议在网络中对多家乡、异构切换和流移动性管理进行支持。在代理移动IPv6域中，MAG进行特殊的软件配置后，允许移动节点使用多个接口接入网络，并在不同接口间实现切换。当移动节点在不同接口间实现切换时，需要在旧的接口上去掉地址，然后在新的接口上配置相同的地址，这个过程可能会导致通信的中断。

1.与本发明相关的现有技术1

为保持MN在IPv6网络中移动时的路由可达性，IETF提出了MIPv6的移动性支持协议。该协议通过家乡地址来标识一个移动节点，通信对端会通过其家乡地址将数据发往家乡代理，进而与MN进行数据交互。当MN离开家乡网络时，就会被分配一个与之关联的代表它现在位置信息的转交地址，在外地链路上建立与家乡代理绑定关系和数据隧道，家乡代理将数据发送给MN。就可以保证通信的连续性。当移动节点切换时，通过新的转交地址与家乡代理间建立新的绑定关系和数据隧道，从而保证移动切换后通信的连续性。

当移动节点使用多个物理接口时，同时使用多个转交地址，其中只能有一个首要转交地址，移动节点必须保证它的首要转交地址一直使用它的默认路由器通告的前缀。在选择了一个新的首要转交地址后，移动节点发送一个包含这个转交地址的绑定更新给家乡代理。切换时，移动节点保留它以前的首要转交地址作为非首要转交地址，并继续接收这个地址的数据包。当移动节点发现旧的链路不再可达，它将与不可达链路中路由器前缀相关的所有转交地址设为无效。

为达到更好的切换效果，MIPv6的扩展协议HMIPv6和FMIPv6提出改进切换的方法。HMIPv6引入新的节点-移动锚点MAP(Mobility Anchor Point)，移动锚点作为本地家乡代理，移动节点只需把绑定更新发送至MAP即可，而不用发送给HA和CN，这样就减少了移动节点、通信对端和家乡代理间的信令数量并提高切换速度。采用FMIPv6协议的移动节点在检测到新的子网链路的时候就发送数据包，并且当新接入路由器检测到移动节点附着的时候就向移动节点发送数据包的问题，以此来减小切换时延。

现有技术1的缺点：

MIPv6是基于主机的移动性协议，移动节点需要参与网络实体的信令交互，然而现有的大量移动终端通常并不支持网络层移动性支持协议，因此需要更新大量移动终端协议栈软件来支持移动性协议，这将给协议的推广带来困难。此外，移动终端参与移动性管理过程，无线链路上就会传输相关的移动性信令，将造成无线资源的浪费。终端对移动性管理的支持也将带来终端能量消耗，这个问题在当前终端电量受限的状况下也显得较为突出。

2.与本发明相关的现有技术2

PMIPv6是基于网络的移动性协议，不需要更改移动节点现有的IP协议栈，也不需要主机参与到移动性管理的信令交互。协议扩展了MIPv6的信令消息，使用了MIPv6中HA的概念，PMIPv6域类似于MIPv6中的家乡域，当MN在同一个PMIPv6域内移动时，它将获得一个唯一的家乡网络前缀，移动过程中不需要变更其IP地址，使得网络层移动对移动节点是透明的。

代理移动IPv6协议引入了两个功能实体，移动接入网关MAG和本地移动锚点LMA。移动接入网关MAG在AR上运行，其主要执行三项功能，一是执行移动节点的接入和认证，并代替移动结点MN与本地移动锚点LMA进行移动性相关的信令交互；二是模拟移动节点的家乡链路；三是建立移动节点的数据转发路径。LMA则执行类似MIPv6中家乡代理HA的功能，其主要功能是当MN在本PMIPv6域内移动时，保证MN的可达性，并扩展绑定缓存，分配家乡地址以及执行与MAG的交互。

该协议可以支持多家乡、异构切换和流移动等功能，允许移动节点使用多个接口接入网络，或者在不同的接口间进行切换。该协议本身支持异构切换，切换过程的具体过程是：

1.移动节点获得初始网络前缀，配置地址；

2.改变MN的接入网关，旧的接入链路上的MAG检测到移动节点的离开后会通知LMA除去移动节点的绑定和路由状态，删除旧的接口的上IP地址。LMA在收到这个请求后，它将会识别收到请求的通信移动会话，然后再等待一个给定的时间，在这段时间内MAG更新新的链路上的缓存，然后LMA接受请求。但是，如果在给定时间内没有收到任何代理绑定更新PBU消息，LMA将会删除绑定缓存条目；

3.新链路上的MAG在检测到移动节点接入后，将会通知LMA更新绑定状态。在移动信令交互完成后，新的MAG会发送包含和之前分配给移动节点相同的家乡网络前缀的路由器通告。

现有技术2的缺点：

1)当网络可以正确识别切换并且在新的接口上分配相同的前缀，MN可能生成一个不同的地址，比如基于MAC地址的EUI-64机制。一些MN操作系统也不允许在多接口上配置相同的地址；即使可以配置相同地址，切换后数据包也有可能发送到旧接口；

2)如果网络不和MN进行必要的交互，网络节点可能不知道MN上可用的接入技术；

3)在旧接口上删除地址和新接口上配置相同地址的过程中会产生数据包丢失，给异构切换带来时延，不能有效的实现异构切换。

3.与本发明相关的现有技术3

为了更完善的解决异构切换问题，IETF有很多草案是关于PMIPv6支持异构切换扩展的。个人草案1(CJ.Bernardos，A.de la Oliva，JC.Zuniga，T.Melia，S.Das.PMIPv6 operation with IEEE 802.21，IETF draft，draft-bernardos-netext-pmipv6-mih-01，October 26，2009)指出PMIPv6如何在IEEE802.21环境中工作，同时指出如何使用IEEE802.21中的MIH(Media Independent Handover)原语来帮助MAG解决MN的附着是一个切换过程，还是一个新的接口接入建立一个新会话的过程的问题。个人草案2(M.Jeyatharan，C.Ng.Fast Handoff using Dormant Bindings in PMIPv6，IETF draft，draft-jeyatharan-netext-pmip-dormant-binding-00，October 16，2009)使用临时绑定的方法，把要进行切换的两个接口绑定起来，同时引入DBU(Dormant Binding Update)睡眠绑定更新和DBA(DormantBinding Acknowledgement)睡眠绑定确认消息来辅助切换，它指出在MN旧的接口断开之前使绑定保持在临时模式的状态，一旦激活，绑定就使得网络把本来发送给旧的接口的数据包发送给新的接口。个人草案3(M.Liebsch，Ed.，A.Muhanna，O.Blume.Transient Binding for Proxy MobileIPv6，IETF draft，draft-ietf-mipshop-transient-bce-pmipv6-07，September 8，2010)引入临时BCE，将切换过程分为切换初始化阶段和临时BCE激活阶段，当MN进入nMAG后，nMAG发送的第一个PBU使MN的BCE处于临时状态(携带临时绑定选项)。此时，LMA不删除旧的BCE并将新的BCE标识为临时状态，此时，LMA从两个MAG接收数据包并进行转发，为了利用从pMAG到MN的可用链路，LMA将会一直通过pMAG进行下行数据转发，直到临时状态被激活，从临时BCE转换到激活BCE时，还可以有一个可选的状态来维护pMAG的路径另外一段时间，这样可以保证从pMAG接收那些还在传输过程中的上行数据。

现有技术3的缺点：

虽然这些提案对于PMIPv6支持异构切换进行了不同场景的研究，但是各有利弊。个人草案1解决了预切换时LMA知道MN是进行切换还是进行同时连接，但是它使用IEEE802.21特有的原语来解决这个问题，仅仅局限于IEEE802.21环境；个人草案2需要引入新的消息；个人草案3需要LMA维护两个BCE，后两个草案都存在一个临时的状态，需要特定方法来进行激活，进行繁琐的改动。

发明内容

本发明的目的在于避免上述现有技术的不足，在代理移动IPv6域内提出一种虚拟接口支持异构切换的方法。该技术方案通过在MN上配置虚拟接口的方式使其在异构网络中完成切换，并解决以下问题：

1.切换产生的时延主要是由切换过程中接口上地址的重新分配引起的，也就是切换过程中有段时间MN上任何接口都没有地址，发明主要利用虚拟接口解决异构切换过程中的时延问题。

2.通过引入LMA向域内广播MN接入技术的机制以及新的HI值，辅助MN在代理移动IPv6域内完成异构切换。

本发明的技术方案为：

一种虚拟接口支持异构切换的方法，在数据链路层和网络层之间设置虚拟接口，所述虚拟接口支持异构切换的方法如下：

1)移动节点MN连接到PMIPv6域的MAG1时，MAG1首先检测到MN的接入，然后根据其MAC地址从MAG1的用户信息策略文件获得对应MN的身份标识、链路层地址及LMA的地址信息，并代替MN创建代理绑定更新PBU消息发送给MN的LMA以更新MN的当前位置，同时为MN创建绑定更新列表条目BULE；

2)LMA在接收到PBU消息后，向MAG1发送PBA消息，并向域内的MAG广播MN的接入技术类型ATT1，并为MN创建相应的绑定缓存条目，包括家乡网络前缀P1，代理转交地址PCoA1，接入技术类型ATT1，以及MN的ID和链路层ID(LL-ID)，MAG1收到PBA消息后，MN完成在LMA端的注册；

3)MN在完成首次注册后，MAG1与LMA会建立IPv6-in-IPv6的双向隧道来封装MN通信的数据包，同时MAG1会发送一个包含前缀P1的路由器通告，MN相应的在虚拟接口上配置一个IPv6地址，MAG2会收到MN的接入技术类型的广播包；

4)MN移动，MAG2检测到MN利用IF2进行接入，如果MAG2已经收到MN的接入类型值，说明MN已经接入该代理移动IPv6域，此时MAG2根据MN的接入类型值决定PBU的消息格式，当MN的接入类型与当前MAG提供的接入类型不一致时，MAG2向LMA发送一个包含切换标识选项HI的PBU注册消息辅助MN的异构切换；

5)LMA在收到MAG2发来的PBU消息后为MN更新相应的绑定缓存列表条目，该条目中的代理转交地址变为PCoA2，接入技术类型变为ATT2，其他内容都和旧的绑定缓存列表条目相同，其中关于接入技术类型的定义值与RFC5213中的相关描述是一致的；

6)LMA向MAG2发送PBA消息，该PBA消息包含了和PBU消息相同的切换标识选项；

7)MAG2收到PBA之后，LMA和MAG2之间建立IPv6-in-IPv6的隧道，MAG2向MN发送包含家乡网络前缀P1的路由器通告消息，根据前缀P1MN同样将地址配置在虚拟接口上；

8)MAG1检测到IF1的断开，MAG1向LMA发送PBU解注册消息，进行解注册。LMA收到MAG1发来的解绑定更新消息后，确认接收到的请求所对应的移动性会话并发送解绑定确认(解PBA)消息给MAG1，完成解注册过程同时删除LMA与MA1之间的双向隧道，同时将转发MN数据包的路由更新为发送请求的MAG2。

本发明的优点在于：

根据本发明所提出的利用虚拟接口接口来支持异构切换的方法，可以减小切换时延，减小数据包的丢失，保持会话的连续性，提高异构切换的效率。此外，在实现过程中只对域内的LMA和MAG进行轻量级的改造，减小了实现的复杂度，实用性高。

附图说明

图1：虚拟接口网络层次结构图；

图2：本发明的应用场景图；

图3：本发明的初始场景图；

图4：本发明的消息顺序图；

图5：本发明异构切换后场景图。

具体实施方式

传统的网络应用和TCP/IP协议栈并不考虑网络地址和网络接口的改变。一个主机的多个网络接口存在的问题是目的地址和网络接口之间的关系。当一个应用程序发送数据包到另一个节点，首先查找路由表，然后根据目的地址找到一个合适的网络接口进行发送。当主机由于移动或网络接口与相应的节点通信失败而改变网络接口时，目的地址没有改变。目的地址是不断映射到以前的网络接口。如果这情况发生时，通信会话将被终止。当一个新的网络接口被选定用来发送/接收数据包，主机应该更新目的地址与网络接口之间的关系。对大多数操作系统来说，网络接口与物理接口是一一对应的，但是如果一个网络接口以一个不具有任何数据传输/接收功能的逻辑接口来实现，而它的数据传输/接收能力依赖于其它的网络接口，这种逻辑接口就称作虚拟接口。本文提出的在代理移动IPv6中实现异构切换正是基于虚拟接口。在代理移动IPv6中，虚拟接口可以用来支持无缝切换、多家乡、流移动性管理等多种移动特性。

虚拟接口可以工作在大多数操作系统中，主机在配置虚拟接口后不需要考虑实际物理接口的数目，它的多个接口就可以像只有一个接口那样工作。从IP协议栈和应用的角度来看，虚拟接口仅是个普通接口，主机并不认为虚拟接口和普通接口之间有何不同，虚拟接口在实际应用中表示为绑定了IP地址的软件对象。它可以隐藏所有底层物理接口的变化，并且保证通信会话的连续性。

在使用虚拟接口在发送数据包时，IP数据包的链路层头部使用的是虚拟接口的链路层标识而不是物理接口的链路层地址。同时，主机也拥有IPv6链路的路径识别能力，通过一个物理接口，被主机路由表所驱动，这个路由表是利用物理接口来进行数据包转发。绑定在虚拟接口上来自前缀P1和P2的地址，拥有两个不同的链路路径，前缀P1在E0上，前缀P2在E1上，这个映射也可以颠倒，不会被上层应用所感知，需要网络侧的路径变化。这种路径识别能力可以通过MAG发送到LMA的PBU来实现，在PBU中包含流的信息。本发明应用虚拟接口时用户的网络层次结构图如图1所示。

本发明虚拟接口工作过程：

如果主机使用物理接口IF1，那么就建立虚拟接口VI和物理接口IF1之间的路径。当发送数据包至另一节点时，数据包被发送到VI，根据路径配置信息，这些数据包也被发送到IF1。当从另一节点接收数据包时，这些数据包被发送到IF1，然后发送到VI。

本发明可以实现多种接口间的异构切换。初始时根据收到的路由器通告中的家乡网络前缀给虚拟接口分配一个IP地址，物理接口不分配，切换时把旧的接口上的数据流转移到新的接口上，而虚拟接口的地址保持不变。

图2为本发明的应用场景，图中MAG1和MAG2提供不同的接入技术。MN利用虚拟接口br0对不同接入技术的物理接口进行绑定，并依据虚拟接口所绑定的物理接口进行数据的发送和接收。当MN接收到路由器通告后，它会为虚拟接口配置地址而不是物理接口，在切换过程中虚拟接口上地址不变，以此来保证切换时通信的连续性，减小切换时延，提高切换效率。

MN有两个接口，分别为物理接口IF1和物理接口IF2。当MN第一次接入到代理移动IPv6域时，MN收到MAG1发送的路由器通告后给虚拟接口VI分配地址，而物理接口IF1和IF2上则不分配地址，只有链路本地地址。初始场景如图3所示，本发明的场景是初始只有一个接口接入一个MAG1，而后使一个新的接口接入新的MAG2，并使旧的接口从旧的MAG1断开来进行切换。MN使用接入技术类型ATT1(比如3G接入)的物理接口IF1接入MAG1，MAG1正常向LMA发送PBU消息。PBU消息的移动选项中存在HI选项，用它来标识是何种类型的切换。RFC5213只规定了保留、新接口附着、MN上两个接口间切换、同一接口在两个MAG间切换几种类型的值。当LMA收到PBU消息后，LMA需要向域内的MAG广播MN的接入技术类型，并为MN保存相应的绑定缓存条目，包括家乡网络前缀P1，代理转交地址PCoA1，接入技术类型ATT1，以及MN的ID和链路层ID，接入技术类型的值跟RFC5213中定义的一样。

图4为MN，MAG1，MAG2，LMA之间相互传递消息的消息顺序图，MN在代理移动IPv6域内利用虚拟接口完成异构切换的完整过程如下。

1)在如图2的应用场景中，当移动节点(MN)连接到PMIPv6域的MAG1时，MAG首先检测到MN的接入，然后根据其MAC地址从MAG1的用户信息策略文件获得对应MN的身份标识、链路层地址及LMA的地址信息，并代替MN创建代理绑定更新(PBU)消息发送给MN的LMA以更新MN的当前位置，同时为MN创建绑定更新列表条目(BULE)。

2)LMA在接收到PBU消息后，向MAG1发送PBA消息，并向域内的MAG广播MN的接入技术类型ATT1，并为MN创建相应的绑定缓存条目，包括家乡网络前缀P1，代理转交地址PCoA1，接入技术类型ATT1，以及MN的ID和链路层ID，MAG收到PBA消息后，MN完成在LMA端的注册。

3)MN在完成首次注册后，MAG1与LMA会建立IPv6-in-IPv6的双向隧道来封装MN通信的数据包，同时MAG1会发送一个包含前缀P1的路由器通告，MN相应的在虚拟接口上配置一个IPv6地址。MAG2会收到MN的接入技术类型的广播包。

4)MN移动，MAG2检测到MN利用IF2进行接入，如果MAG2已经收到MN的接入类型值，说明MN已经接入该代理移动IPv6域，此时MAG2根据MN的接入类型值决定PBU的消息格式，当MN的接入类型与当前MAG提供的接入类型不一致时，MAG2向LMA发送一个包含切换标识选项HI的PBU注册消息辅助MN的异构切换。

5)LMA在收到MAG2发来的PBU消息后为MN更新相应的绑定缓存列表条目。该条目中的代理转交地址变为PCoA2，接入技术类型变为ATT2，其他内容都和旧的绑定缓存列表条目相同，其中关于接入技术类型的定义值与RFC5213中的相关描述是一致的。

6)LMA向MAG2发送PBA消息，该PBA消息包含了和PBU消息相同的切换标识选项。

7)MAG2收到PBA之后，LMA和MAG2之间建立IPv6-in-IPv6的隧道，MAG2向MN发送包含家乡网络前缀P1的路由器通告消息，根据前缀P1MN同样将地址配置在虚拟接口上。

8)MAG1检测到IF1的断开，MAG1向LMA发送PBU解注册消息，进行解注册。LMA收到MAG1发来的解绑定更新消息后，确认接收到的请求所对应的移动性会话并发送解绑定确认(解PBA)消息给MAG1，完成解注册过程同时删除LMA与MA1之间的双向隧道，同时将转发MN数据包的路由更新为发送请求的MAG2。切换完成后场景如图5所示。

Claims (1)

1.一种虚拟接口支持异构切换的方法，其特征在于，在物理链路层和网络层之间设置虚拟接口，所述虚拟接口支持异构切换的方法如下：

1)移动节点MN连接到PMIPv6域的MAG1时，MAG1首先检测到MN的接入，然后根据其MAC地址从MAG1的用户信息策略文件获得对应MN的身份标识、链路层地址及LMA的地址信息，并代替MN创建代理绑定更新PBU消息发送给MN的LMA以更新MN的当前位置，同时为MN创建绑定更新列表条目BULE；

2)LMA在接收到PBU消息后，向MAG1发送PBA消息，并向域内的MAG广播MN的接入技术类型ATT1，并为MN创建相应的绑定缓存条目BCE，包括家乡网络前缀P1，代理转交地址PCoA1，接入技术类型ATT1，以及MN的ID和链路层ID，MAG1收到PBA消息后，MN完成在LMA端的注册；

3)MN在完成首次注册后，MAG1与LMA会建立IPv6-in-IPv6的双向隧道来封装MN通信的数据包，同时MAG1会发送一个包含前缀P1的路由器通告，MN相应的在虚拟接口上配置一个IPv6地址，MAG2会收到MN的接入技术类型的广播包；

4)MN移动，MAG2检测到MN利用IF2进行接入，如果MAG2已经收到MN的接入类型值，说明MN已经接入该代理移动IPv6域，此时MAG2根据MN的接入类型值决定PBU的消息格式，当MN的接入类型与当前MAG提供的接入类型不一致时，MAG2向LMA发送一个包含切换标识选项HI的PBU注册消息辅助MN的异构切换；

5)LMA在收到MAG2发来的PBU消息后为MN更新相应的绑定缓存列表条目；该条目中的代理转交地址变为PCoA2，接入技术类型变为ATT2，其他内容都和旧的绑定缓存列表条目相同，其中关于接入技术类型的定义值与RFC5213中的相关描述是一致的；

6)LMA向MAG2发送PBA消息，该PBA消息包含了和PBU消息相同的切换标识选项；

7)MAG2收到PBA之后，LMA和MAG2之间建立IPv6-in-IPv6的隧道，MAG2向MN发送包含家乡网络前缀P1的路由器通告消息，根据网络前缀P1，MN同样将地址配置在虚拟接口上；

8)MAG1检测到IF1的断开，MAG1向LMA发送PBU解注册消息，进行解注册，LMA收到MAG1发来的解绑定更新消息后，确认接收到的请求所对应的移动性会话并发送解绑定确认消息给MAG1，完成解注册过程同时删除LMA与MA1之间的双向隧道，同时将转发MN数据包的路由更新为发送请求的MAG2。

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