HMIPv6 over MPLS――一种适用于3G接入网的移动性管理方案

摘 要：随着3g网络的快速发展，人们对它在移动性管理和网络服务质量方面的期望值也随之提高。基于这种需求，可将MPLS技术和hmipv6协议采用一种松耦合的方式结合起来，为3G的接入网部分提供一种新的移动性管理方案。该方案不仅能够支持HMIPv6的快速切换算法，还能在节点发生越区切换时实现QoS保证。

关键词：HMIPv6协议；多协议标签交换；微移动性管理；快速切换；服务质量

中图分类号： TP393文献标识码：A

文章编号：1001-9081(2007)04-0798-03

0 引言

将IP的移动性分为宏移动和微移动是目前改善IP移动性管理的一个主流方法[1]。将网络划分为多个域，移动节点(Mobile Node, MN)在域间移动属宏移动范畴，以MIP[2]方案进行管理。而当MN在域内移动时，研究者们提出了一些适合在域内应用的微移动管理方案，比如Cellular IP[3]、HAWAII[4]和HMIPv6[5]。它们的共同之处在于减少MN和家乡(Home Agent, HA)之间的信令交互，降低MN在切换时的数据包延迟和丢包率。在上述微移动管理方案中，由于HMIPv6具备较好的可扩展性，得到了相对较快的发展。

另一方面，3G网络加快了全IP化的进程。相对于3G的一些早期标准（R99），第三代合作伙伴计划 (The 3rd Generation Partnership Project，3GPP )准备在新标准中采用基于IP技术的网元来替代目前通用无线分组业务(General Packet Radio Service, GPRS)中的GPRS服务支持节点 (Service GPRS Support Node, SGSN)和GPRS网关支持节点(Gateway GPRS Support Node, GGSN)网元，同时准备对现有的接入网(Radio Access Networks, RAN)进行改造。

图1是一个通用移动通信系统 (Universal Mobile Telecommunications System, UMTS)的网络组成。该网络的参考点除Uu无线参考点外，其余参考点现在皆使用ATM链路，在3G网络的规划中，MPLS[6]被作为WCDMA R5及更高阶版本的IPOA(IP over ATM)的实现方式，替代现在使用的CIPOA[7]。

mpls是目前IPOA非常理想的一种实现集成模式的技术，具备很强的扩展性，对多种网络层协议和链路层协议提供支持。此外，MPLS向用户提供IP业务时还能确保QoS和安全性。因此在全IP网络的建设中，MPLS已经成为简化组网复杂性，提高网络QoS和安全性的重要手段。

在对移动IP的支持上，MPLS提供了一种很好的隧道实现方式，可以取代现有的IP―IN―IP隧道，此外MPLS还可以通过使用流量工程保证无线网络端到端的QoS，最后MPLS能够简单通过标签的修改重定向LSP，达到快速切换的效果。因此考虑将MPLS和移动IP结合起来是在目前技术条件和业界发展方向下的一个新思路。

本文提出了一个结合HMIPv6和MPLS的移动性管理方案，并实施于3G接入网上。该方案能够发挥MPLS在移动性管理中的优势，同时又保留了HMIPv6和MPLS相对的独立性，并对移动节点MN、通信对端(Correspondent Node, CN)等网元保持了透明性，比较适合于工程化。

1 HMIPv6 over MPLS 的移动性管理方案

1.1 3G RAN的模型

在3GPP的LTE[8]计划中，R7版本的标准准备对3G接入网进行大规模的调整，将使用增强型Node B（E―Node B,ENB）和接入网关(AGW)来代替现在使用的Node B,RNC, SGSN和GGSN进行MN接入。LTE建议采用由E―Node B构成的单层结构组成E―UTRAN。E―Node B提供了终止于UE的E―UTRA用户面（PHY/MAC）和控制面（RRC）协议。E―Node B之间采用网格方式互连，E―Node B与AGW之间的接口称为S1接口。图2是对这一结构的描述。

事实上，对于这样一个结构的接入网，如果将AGW赋予HMIPv6中移动锚点(Mobility Anchor Point, MAP)网元的功能，而每个ENB赋予接入路由器(Access Router, AR)的功能，则该结构就满足了HMIPv6对网络拓扑的要求。同时，由于MPLS在R5以后也会引入到RAN中，因此，3G全IP化后的RAN会同时具备HMIPv6和MPLS，这使得提出的HMIPv6 over MPLS方案具有了存在的前提。图3给出了3G RAN中的网络协议栈。

从图3可知，即使HMIPv6和MPLS不做任何修改也能很好地工作，这是由定义良好的层次间接口和层次关系所决定的。但这种方案效率低下，没有必要让本身就具备隧道功能的LSP再去封装一个IP―IN―IP隧道。在MPLS和HMIPv6的协作程度上，存在两种观点：1）紧耦合，也称集成。MPLS和HMIPv6共享绑定信息表，使得HMIPv6的某些逻辑和功能可由MPLS直接完成，目的是减少层间开销。但该方法会增添两个层次实现上的复杂性，同时也破坏了HMIPv6的完整性，不利于HMIPv6在其他环境下使用；2）松耦合，也称重叠。MPLS和HMIPv6保持相对的独立性，即移动IP核心的注册、绑定等信令，切换算法仍然由HMIPv6完成。而具体的数据传输、路由重建交由MPLS完成。双方的结合点位于MN绑定更新后，当有用户数据到达时，HMIPv6将启动LDP协议建立LSP，这是一种用户数据驱动LSP建立的方式。在本文中，将只关注重叠模式的协作。图4是这一模式的说明。

1.3 快速切换

RFC4068[9]中提出了一种适合IPv6的快速切换算法，在HMIPv6最新的RFC文档中将该算法采纳为MN在MAP域内切换的算法，可以依托MPLS完成此算法。

为了降低MN切换时的时延，快速切换算法采用提前切换的方法，当二层切换尚未开始时，三层切换提前展开。这需要在PAR(Previous AR)和NAR(Next AR)之间建立隧道，以便切换中的数据可以被转发到NAR处，由后者缓存。当MN连接到NAR的链路上时，通过一个NFA消息表明自己可以接收NAR处缓存的数据。最后，MN向MAP发起一个BU，完成HMIPv6的更新操作，收到对此BU的ACK后，三层切换完成，PAR和NAR之间的隧道也被释放。

MPLS在这个切换过程中由HMIPv6驱动完成两个任务，其一是实现切换过程中PAR和NAR的双向隧道，其二是实现MAP到NAR的快速重路由。

切换过程中，PAR和NAR之间的双向隧道存在时间很短，但有可能会被多个MN同时使用，因此考虑在物理上相邻的ENB之间预建立双向LSP，该LSP带有缺省的QoS要求。这个双向LSP所对应的FEC可以聚合所有在这两个ENB之间切换的MN的数据流。

当MAP对MN的BU进行应答后，需要建立从MAP到NAR的LSP，该工作具体由MPLS完成。最简单的做法是建立一条全新的从MAP到NAR的LSP，但实际上可以进一步减少LSP建立的开销。因为一般的MN切换前后建立的LSP只有最后几跳不同，而其余部分是重合的，所以只要找到两条LSP的分叉点的LSR（cross―over LSR），从该LSR重建LSP的代价就可以达到最小化，寻找cross―over LSR的一个具体的算法可参见文献[10]。

图5描述了HMIPv6基于MPLS快速切换的过程。假定在MN移动过程中，原接入路由器（Previous ENB，PENB）和新接入路由器(Next ENB,NENB)之间预建立了以NENB作为FEC的LSP，而AGW到MN的LSP由标志为MN的FEC指定。当MN切换时，AGW会继续按自身LFIB转发数据到PENB中，而后者此时已经将FEC为MN的数据包重定向为FEC为NENB的LSP上。MN切换完成后，LSP将在NENB到Cross―over LSR之间重建。表1―表3表示了MAP域中相关网元的LFIB表随MN切换操作相应的变化情况。

2 QoS支持

QoS可以通过综合服务和区分服务来完成。基于MPLS的流量工程和服务质量现在已经比较成熟,因此在HMIPv6 over MPLS的移动性管理方案中，可以将QoS部分交由MPLS完成。

2．1 对综合服务的支持

综合服务用来保证网络应用端到端的服务质量，实现手段为RSVP协议。RSVP使得应用程序可以向网络发送QoS请求，而网络通过应答来回应QoS请求是否能够满足。RSVP通过两个信令来携带QoS请求/应答。PATH信令从应用发送方传输到接收方，其中包含了应用流的规格说明，收方则以RESV信令作为PATH的响应，向网络发送QoS请求。MPLS则需要完成创建和分发标签与已预留资源路径之间的映射。为了绑定标签和预留资源的路径，一种新的RSVP对象:LABEL被定义，并被置于RSVP的RESV信令中。当一个LSR需要发送RESV预留资源时，此LSR将会分配一个新的标签，将它作为转发表的输入标签并将该标签置入LABEL对象，随着RESV信令一起向上游LSR发送。当上游LSR接收到此RESV信令，它将RESV中的标签作为输出标签，并重新分配一个新的标签随RESV继续向上游LSR发送。当RESV到达应用发送方的入口LER时，这条已预留资源的LSP建立。

假设当一条满足资源预留需求的LSP在CN和MN之间建立后，MN发生了移动，在快速切换算法执行过程中，MN和MAP之间将透过一个交叉点LSR重建一条LSR。MN通过发送一条RESV信令来开始这次LSP重建，RESV向着MAP的方向前进，沿途的LSR将逐一的检查该RESV对应的流信息是否在本地已有记录，如果没有，则创建一条记录，并将该RESV继续转发。如果已经存在对应的记录，则使用新的标签来更新记录中标签的绑定，停止RESV的转发。按照路由重建使用的算法，RESV的绑定更新点将发生在cross―over LSR处。

2．2 对区分服务的支持

虽然综合服务可以保证端到端的QoS，但是缺乏可扩展性是综合服务发展的最大障碍，因此需要使用区分服务来管理为数众多的业务流。区分服务本质是利用区分服务节点完成队列调度和缓冲管理，并不影响路由，因此利用MPLS也可以完成对区分服务的支持。

当CN的数据包进入MN所属的MAP时，如果该会话希望使用区分服务，则会将DSCP随用户数据一起发送至MAP。MAP通过DSCP确定其PHB信息，然后在自己LFIB表中查询到达MN目前所属AR的LSP信息，看是否存在具有相应PHB行为的LSP，如果存在，则将该路径的标签绑定到MN对应的FEC上。如果没有这样的LSP存在，则重新创建这样的路径，并绑定MN的FEC。会话过程中，如果MN发生移动，则在快速切换过程中进行路由重建时，MAP重新为MN的FEC绑定或者创建一条具有相同PHB行为的LSP。

3 结语

在未来3G网络的发展过程中，将使用MPLS作为链路层的抽象来承载网络层协议，同时其移动性将主要使用移动IP来描述，因此将移动IP和MPLS结合起来，利用MPLS自身的一些特性来完善或提高移动IP的性能具有较大的实际意义。本文将HMIPv6和MPLS采用一种松耦合的方式结合起来，将它们部署在3G接入网中，正是这一思想下的一种探索。

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