专利名称：基于层次化移动管理流透明的下一代网络层协议模型及方法
技术领域：
本发明属于计算机应用中的网络技术领域，特别是涉及解决下一代网络层协议(IPv6)的服务质量(QoS)问题的模型及相关方法。
背景技术：
互联网(Internet)正以惊人速度发展，与此同时，掌上电脑、笔记本电脑、智能手机等便携式计算设备也正以低廉价格而被广泛应用。在这种情况下，人们很自然地希望在任何时候、任何地点能够访问Internet，并且在移动过程中能够保持与网络的透明连接。所谓流透明指的是下层的移动管理体制使得下层的节点移动性对于网络层的流处理机制是透明的。如果在节点移动中能保证流透明，则对于网络层的流处理可以透明的处理数据流，而不管移动节点IP地址如何变化。流透明的移动性支持是我们实现移动IPv6环境下服务质量(QoS)保证的基本要求之一。
此外，随着Internet规模的不断扩大，网上的实时业务量也在不断增长，访问音频和视频服务将成为具有移动IPv6协议支持的移动终端的基本功能。IPv6网络上的应用类型会是各种各样，不同的应用对网络的需求也有所不同，应用层以变化的速率产生业务量，也希望网络以相应的速率传输这些业务量。另外，不同的应用对网络传输的延时和延时抖动的敏感程度也不一样，有的应用能够容忍少量的业务量丢失，而有的应用则要求可靠传输。因此应在IP网络上导入QoS技术，以确保实时业务的通信质量，使网上资源获得最佳利用，降低成本，改善对用户的服务。
当前的Internet基于尽力而为(best-effort service)的服务，在这种模型中网络尽其所能为当前的所有用户分配带宽，不对速率和其它服务质量提供任何保证。当具有严格时间要求的实时应用到来时，就会得不到足够的带宽，从而引起比较严重的问题。为了使当前的Internet能够提供实时服务和尽力而为的服务，Internet工程任务组(IETF)定义了综合服务(IntServ/RSVP)模型，其中资源预留协议(RSVP)是其信令协议。综合服务模型采用了一种新的体系结构来进行资源分配，从而满足实时应用的要求。
RSVP是对于每流进行的资源预留协议保证端到端的QoS。对于流的标识方法，可以采用五元组(源地址、目的地址、源端口号、目的端口号、协议号)来识别。
在IPv6中，流标记(Flow Label)的引入扩展了RSVP协议，使得可以用(源地址，流标记)来标识一个流，并可以避免“层违背”等问题。
然而，按照传统模型，当移动节点(MN)频繁移动并获得新的地址，则每次都要对整条路径重新进行资源预留(RSVP)，并且要向通信节点(CN)、家乡代理(HA)分别发送绑定更新(BU)，开销很大。当移动节点(MN)离开家乡区域进入接入路由器(AR)时，将获得转交地址(COA)，MN将通过AR直接接入主干网与CN通信，当MN由AR1移动到AR2时，若MN作为源端与CN通信时，无论以五元组(COA，CN，Sourceport，CNAddr，DestinationPort，Protocol)还是以二元组(COA，Flow Label)来标识一个时，因为COA的地址发生了变化，都无法达到流透明。同理当MN作为目的端同CN通信时，CN无论以五元组，还是以二元组(CN Addr，Flow Label)的方式来标识一个流时，同样无法达到流透明。这样MN每移动到新的AR域时就要对原来的流进行重新预留，MN要将BU信息包分别发给HA、CN，当MN频繁在AR之间穿越的时候，将会造成绑定更新包的大量开销。
根据法国英锐而(INRIA)公司的估计，70％以上的移动是在一定区域内进行的，因此层次化移动管理的思想也随之产生。
现有比较优秀的模型和技术有查理思.奇.沈(Charis Qi Shen)于第五届系统控制论和信息学大会(5th WorldMulticonference on Systemics，Cybernetics and Informatics(SCI2001))上提出了“流透明的移动IPv6 QoS模型”(proformance Evaluation of Flow TransparentMoblie IPv6)；付小明(Xiaoming Fu)，霍格.卡尔(Holger Karl)，科尼拉.卡普勒(Cornelia Kappler)在网络工程2002会议(NETWORKING 2002721-730)上提出的“移动IPv6基于条件的QoS切换模型”(QoS-Conditionalized Handoff for Mobile IPv6)等。前者的模型虽对于流透明给出一种解决办法，但是他的这种方法为了实现流透明，把移动节点(MN)发出的包的“家乡地址选项”的存放位置由目的地选项头标改为中继点选项头标(Hop-by-Hop Option Header)，这个代价是很大的。因为路径上所有的中间路由器(AR)都要对每个包的中继点选项头标进行检查，特别是当路径经过的AR非常多时，在移动IPv6中进行这种检查的代价就非常昂贵，因此，这种移动IPv6 QoS模型没有可扩放性(scalability)。此外，他的模型也没有减少绑定更新(BU)的数目。对于后者提出的模型虽然使用了层次化管理的技术，主要是考虑路径上资源的预留方法及路径的最优切换，没有涉及到流透明。
针对现有技术存在的缺陷，本发明提出基于层次化移动管理流透明(HMMFT)的下一代网络层协议(IPv6)服务质量(QoS)模型及相关方法。
发明内容
本发明根据Internet工程任务组草案(IETF-DRAFT)中的层次化管理的方法，提出一种基于层次化移动管理流透明下一代网络层协议的服务质量模型及相关方法(可缩写为HMMFT IPv6 QoS模型及相关方法)以解决在移动IPv6环境下的QoS要求，主要为了解决其中关键的流透明问题，优化预留以及减少绑定更新数目的问题。
本发明模型中的节点包括装载模拟网络延迟软件的节点(NIST)，家乡代理(HA)，移动节点(MN)，通信节点(CN)，以及多个接入路由器(AR)和多个接入点(AP)；特征是在AR与主干网之间加入移动停靠点(MAP)，所述MAP是移动节点所访问区域的一个功能实体，它可以位于访问区域的任何路由器AR中，当MN在MAP所辖域内移动时，MAP提供给每个MN一个属于MAP子网范围内的区域转交地址(RCOA)，它可以是MAP的一个接口地址，或是MN通过AR公告中的MAP选项自动配置的一个地址。
在MAP所辖域内有多个AR，每个AR有一个或多个AP，MN在每个AR内部具有不同的局部转交地址(LCOA)，MN在MAP所辖域内移动具有地址绑定(RCOA，LCOA)。
移动节点MN在一个MAP域内移动时只有唯一的RCOA，而MN在不同AR辖域内具有不同的LCOA。当MN在MAP所辖域内不同AR间移动时，只要向MAP发送绑定更新(BU)内容包含(RCOA，LCOA)而不需要向HA及CN发送BU。所述移动节点MN在家乡代理HA内部时获得的地址为家乡地址(Home Addr)。MN在HA上具有地址绑定(HA，RCOA)。CN的地址为CN Addr。
根据上述HMMFT IPv6 QoS模型中用于实现在IPv6环境下QoS的相关方法，特征是IPv6与RSVP的结合，减少绑定更新，基于层次化移动管理的流透明和优化资源预留。
所述IPv6与RSVP的结合指综合服务(INTSERV/RSVP)中流的标识中引入IPv6首部中的流标记(Flow Label)域；所述减少绑定更新，包括对于一个MN在一个MAP域内移动并获得新的LCOA，只要向MAP发送BU；只有当一个MN移出原MAP域，MN才向HA、CN、新MAP分别发送BU；所谓基于层次化移动管理的流透明和优化预留，包括MN作为流的源端时，使用(RCOA，Flow Label)来标识流，MN作为流的目的端时使用(CN Addr，Flow Label)来标识流。利用流透明机制优化预留。
所述MN作为流的源端时，在MAP所辖域内，不同AR间移动时，标识流的二元组(RCOA，Flow Label)不变。所述MN作为流的目的端时，以CN标识流的二元组(CN Addr，Flow Label)不变。
所述利用流透明机制优化预留指MN在MAP所辖域内移动并获得新的LCOA时仅要向MN到MAP段路径内进行预留，对于MAP到CN段仍采用原路径。
本发明提出的模型及其相关方法，实现了流透明与减少绑定更新(BU)数目的结合，达到了QoS的基本标准流透明，它使得预留路径达到最优化，并使得无缝切换成为可能。
本发明与其他模型相比较，本发明综合了上述几个模型的优点，给出了一个基于层次化移动管理的流透明移动IPv6 QoS模型，引入了移动停靠点(MAP)，采用了IPv6与RSVP相结合的方法，并对流进行正确的标识，以较小的代价实现流透明、减少绑定更新以及预留路径优化等特性。即流透明与减少绑定更新(BU)数目的结合。
图1为本发明的一个现实模型；图2为一个加入流标记的RSVP的Filter_Spec对象，说明IPv6与RSVP的结合；图3是以图1相关的移动节点作为目的端的绑定更新和资源预留的示意图；图4是以图1、图3相关的移动节点作为源端时的绑定更新和资源预留的示意图。
图5举例说明图1、图3相关的移动节点作为目的端时绑定更新和资源预留情况。
图6是以本模型为原型的试验床。
综合说明图中的标号与图例标号1为新旧路径的公共部分；2为新路径的新增加部分；3为旧路径的被遗弃部分；4为切换前后流标记不变的流；5为MN到CN流的旧路径；6为MN到CN流的新路径；7为本地绑定更新信息；8为RSVP的预留申请信息(Path)；9为RSVP的预留确认信息(Resv)。
图例MN移动节点；CN通信节点；HA家乡代理；MAP移动停靠点；AR接入路由器；AP接入点；BU绑定更新(Bind Update)；Flow Label流透明；RSVP资源预留协议；QoS服务质量；RCOA区域转交地址；LCOA局部转交地址。
具体实施例方式以图1举例说明本发明的具体模型。本模型由CN、MN、HA、MAP、及两个AR组成。
在传统的模型中，MN通常通过AR直接接入主干网。本模型在AR与主干网之间加入了MAP。MN在MAP所辖域内移动具有地址绑定(RCOA，LCOA)，其中RCOA为区域转交地址，LCOA为局部转交地址。该模型示出了当MN在域内由AR1移动到AR2时只需要向MAP发送BU，且原来的流没有改变，达到了流透明，仅需要对MAP到AR2之间的路径预留，对MAP到CN之间的预留可以沿用，无须重建。
图2用来说明IPv6与RSVP的结合，给出了一个加入流标记的RSVP的对象(FILTER_SPEC)。RSVP和综合服务(IntServ/RSVP)在IPv4和IPv6环境下最大的不同就是IPv6头标中的流标记(Flow Label)域。流的源端可以用流标记来标识流，中间路由器可以根据包头中的流标记对包进行特殊处理。流标记基本上是按位产生的伪随机数，在一定的时间值内，源端不能重用流标记。在IPv6环境下的RSVP中，PATH消息中的SEND_TEMPLATE对象应当包括流标记，RESV消息中的FILTER_SPEC对象也应当包括流标记。以二元组(RCOA，Flow Label)标示流，可以在域内获得流透明。
以图3来说明采用本模型可获得的流透明特性。当移动节点MN作为源端时，采取(RCOA，Flow Label)来标识一个流，当MN在MAP域内移动时，(RCOA，Flow Label)不会发生改变。而且，在这个域内能够唯一的标识这个流。当通信节点CN作为源端时，采用(CN Addr，Flow Label)来标识一个流，当移动节点MN在MAP域内切换到另一个子网中时，流标识符保持不变，原来的资源预留可以被这个数据流重用。其次，假如切换时流标识符保持不变，数据流的新路径与旧路径上的公有路由器在切换过程中不需要进行QoS刷新，只有那些新路径上相对于旧路径的新增加部分的路由器需要进行QoS刷新。
图4进一步说明移动节点MN作为源端时的绑定更新和资源预留的情况。MN作为源端移动到另一个子网时，只需要在MAP与AR2之间重新预留及发送本地绑定更新，对于MAP到CN段仍沿用原预留。
图5进一步说明与相关的移动节点作为目的端时的绑定更新和资源预留的情况。CN作为源端，MN移动到AR2时也只需要在MAP与AR2之间重新预留及发送本地绑定更新，对于MAP到CN段仍沿用原预留。
上面结合图1-图5描述的实施方案，本发明所提出的模型及方法可以在MAP域内实现流透明、优化预留路径，减少绑定更新。
本发明适用于在IPv6环境下移动MN与CN间通信，当CN移动时，也可以将CN看作移动节点同理进行处理。
图6示出的HMIPv6 QOS的实验床。
在具体实验中所述MAP与202.38.64.128网段相联，路径之间用NIST作为网络延迟的节点，CN处于202.38.64.128网段中；MAP以eth2接口与AR1的eth0接口及AR2的eth0接口相联，使三者在同一网段，AR1，AR2分别用eth1接口与AP相联，AP作为移动节点MN的接入点。当MN从左向右移入MAP域时，MN由MAP路由公告中获得该MAP域的IPv6地址前缀，根据计算获得MN的RCOA地址。同时，当MN在AR1内移动时也获得AR1自动分配给它的LCOA1地址。MN此时就拥有两个地址RCOA和LCOA，于是MN将绑定(RCOA，LCOA1)传给MAP。此后MN在MAP域内向CN通信将使用RCOA地址，而MAP在截获CN发向MN的数据包后，将查询自己的绑定表项，查找出相应的LCOA地址，并将数据包通过路由或隧道方式传给MN。当MN在MAP内部继续移动到AR2时，MN将获得AR2内的新的LCOA2地址。MN只需要将绑定更新(RCOA，LCOA2)传送给MAP，而仍用RCOA作为自己的通信地址。
这样，在内部的RSVP预留上只要重新预留从MN到MAP段的路径，而从MAP到CN的路径并没有改变，先前已被预留好，由于流透明的特性，就使用以前的预留，无需再次拆除或重新预留。此外，绑定更新的数目也大大减少。由原来的向HA和CN分别发送BU改为仅向MAP发送BU。容易看出，本模型及其相应方法达到了流透明和减少绑定更新的统一，优化了预留路径，实现了较好的服务质量。
权利要求
1.一种基于层次化移动管理流透明(HMMFT)的下一代网络层协议(IPv6)的服务质量(QoS)模型，该模型中的节点包括家乡代理(HA)，移动节点(MN)，通信节点(CN)，多个接入路由器(AR)和多个接入点(AP)，其特征是在AR与主干网之间加入移动停靠点(MAP)，所述MAP是移动节点MN访问区域的一个功能实体，它可以位于访问区域的任何路由器AR中。
2.如权利要求1所述HMMFT-IPv6-Qos模型，其特征在于当MN在MAP所辖域内移动，MAP提供给每个MN一个属于MAP子网范围内的区域转交地址(RCOA)，它可以是MAP的一个接口地址或是MN通过AR公告中的MAP选项自动配置的地址。
3.如权利要求1所述HMMFT-IPv6-Qos模型，其特征在于所述MAP所辖域内有多个AR，每个AR有一个或多个AP，MN在每个AR内部具有不同的局部转交地址(LCOA)。
4.如权利要求1所述HMMFT-IPv6-QoS模型，其特征在于MN在MAP所辖域内移动具有地址绑定(RCOA，LCOA)，其中MN在一个MAP域内移动时只有唯一的RCOA，而MN在不同AR辖域内具有不同的LCOA。
5.如权利要求1所述HMMFT-IPv6-QoS模型，其特征在于MN在MAP所辖域内不同AR间移动时，只要向MAP发送绑定更新(BU)内容包含(RCOA，LCOA)，而无需向HA及CN发送BU。
6.根据权利要求1-5所述模型中用于实现在IPv6环境下QoS的相关方法，其特征在于使用IPv6与资源预留协议(RSVP)结合，在综合服务(IntServ/RSVP)中流的标识中引入IPv6首部中的流标记(Flow Label)域，包括MN作为流的源端时，使用(RCOA，Flow Label)来标识流，当MN作为流的目的端时，使用(CN Addr，Flow Label)来标识流。
7.如权利要求6所述方法，其特征在于所述MN在MAP所辖域内移动，并获得新的LCOA时仅需要向MN到MAP段路径内进行预留，对于MAP到CN段仍采用原路径。
全文摘要
本发明涉及互联网一种基于层次化移动管理流透明的IPv6 QoS模型及方法。该模型中的节点包括移动停靠点(MAP)，装载模拟网络延迟软件的节点(NIST)，家乡代理(HA)，移动节点(MN)。通信节点(CN)，多个接入路由器(AR)及多个接入点(AP)，特征是在AR与主干网之间加入移动停靠点(MAP)。用于实现在IPv6环境下QoS的相关方法在于网络层协议IPv6与资源预留协议(RSVP)的结合，减少绑定更新的数目，实现层次化移动管理的流透明和优化预留路径。本发明综合了现有的几个模型的优点，实现流透明与减少绑定更新数目的结合，达到了QoS的基本标准流透明，使得预留路径达到最优化，并使得无缝切换成为可能。
文档编号H04L12/28GK1549517SQ03113420
公开日2004年11月24日 申请日期2003年5月8日 优先权日2003年5月8日
发明者杨寿保, 何涛, 杨琛, 张焕杰, 孙伟峰, 刘沙, 赵艳琼, 袁曙, 王绍林, 陈阳 申请人:中国科学技术大学