基于位置标识和主机标识分离的系统及其移动性管理方法

专利名称：基于位置标识和主机标识分离的系统及其移动性管理方法
技术领域：
本发明涉及一种基于位置标识和主机标识分离的网络系统及其移动性管理方法， 属于数据传输与IP核心网的技术领域。
背景技术：
随着移动终端的大量使用，以及多家乡网络和流量工程等技术的发展，运营商 独立PI (Provider Independent)地址被大量使用，导致默认自由区DFZ(Default-free zone)路由表中的前缀数目呈超线速增长。2010年，因特网的DFZ地址前缀已经达到32 万条。PI地址的大量使用与终端移动能力的增强带来边界网关协议BGP(Border Gateway Protocol)的海量更新，目前BGP平均每天更新约44万次。所以，目前因特网的路由系统存 在严重的可扩展性问题。另外，TCP/IP协议栈是针对静态主机设计的，移动主机在会话过程中的移动将导 致为该会话建立的TCP连接的中断，主机必须重新建立TCP连接，会话才能继续，这就严重 影响用户的体验。引发上述问题的根本原因是在TCP/IP协议栈中的IP地址具有双重语义在应用 层和传输层的角度，IP地址是终端的唯一性主机标识；在网络层的角度，IP地址是终端的 位置标识，即在TCP/IP协议栈中，IP地址存在“变”与“不变”的矛盾。由于静态终端不会 发生移动，因此，处于静态的终端之间使用TCP/IP协议进行通信，不会激发该矛盾，也不会 引发上述问题。但是，随着移动互联终端、多家乡与流量工程等技术的发展，该矛盾日益激 化，从而产生了上述问题。因此，解决问题的根本是必需解耦IP地址的双重语义，即分离IP 地址的位置标识和主机标识的功能。为了解决上述问题，目前已经有多种基于位置标识和主机标识分离的方案被提 出，例如LISP、HIP和GLI-split等。但是，这些方案都缺少完善的移动性管理机制。位置禾口标i只分离1·办议 LISP (Locator and Identifier Separation Protocol)是 由思科公司提出的一种基于网络的位置标识和主机标识分离的解决方案，其优点是不需要 修改终端，通过增强边缘网络接入核心网的边缘路由器的功能解决路由可扩展问题。LISP 逻辑上把IP地址块分为下述两项功能用于识别使用IP地址的终端，以及用于识别这些终 端在什么地方连接到互联网，即终端所在位置。这个区分能够只将核心网中具有汇聚能力 的IP地址存储于核心路由器。LISP中数据转发过程是通过封装实现的，在LISP中进入核 心网的每个数据包都会在边缘网络的隧道入口路由器ITRangress Tunnel Router)上得 到一个新的IP封装，这个IP封装携带有关目的地服务提供商网络的信息，而不是最终用户 的IP地址。当这个数据包到达目的地服务提供商时，由隧道出口路由器ETR(Egress Tunnel Router)解除其封装。但是，终端发出的任何数据包都要在边缘路由器经过封装后，才被发 送到核心网，增加了带宽消耗。而且，当终端在通信过程中进行跨边缘网络移动时，由于标 识的改变，将导致为通信建立的连接中断。为此，LISP MN(MobiIe Node)被提出，LISP MN是指具有轻量级ITR和ETR功能的移动终端，可以将一个LISP MN理解为一个小型的边缘网络。但是，LISP MN的提出使得不 需要修改终端不再是LISP的优点，因为部署LISP MN就必需增强终端的功能。由于LISP 丽具有ITR和ETR的功能，因此终端具有直接访问映射系统的能力，降低了安全性。为了实 现移动终端与传统终端之间进行通信，需要在网络中设置代理ETR PETR(Proxy ETR)功能， 增大了部署开销。另外，由于LISP MN方案中移动终端在网络中没有移动性锚点，所以，从 移动终端发生移动到通信对端获得移动终端新的IP地址的时间期间，通信对端向移动终 端发送的数据包将会丢失。GLI-split (Global Locator, Local Locator, and Identifier Split)是一禾中需 要修改终端和网络的位置和标识分离的技术方案。其对终端侧的改进是提出垂直地址转换 的思想，垂直地址转换功能位于TCP/IP协议栈的传输层和网络层之间，负责将传输层使用 的标识地址转换成局部地址或全局地址。它对网络侧的改进是将IP地址分为全局地址、局 部地址和标识地址三个空间。其中终端使用标识地址建立通信关联，终端发出的数据包在 局域网内路由是使用局部地址，当该数据包被发送到核心网时，边缘路由器将该数据包的 地址重写为全局地址。由于每个终端都有两个地址信息，所以当通信双方位于不同的GLI 域时，需要经过两级映射才能将数据包发往目的终端，因此时延较大。当终端在通信过程中 发生跨GLI域切换时，由于需要更新局部映射服务和全局映射服务中存储的信息，也要引 入较大的时延。另外，GLI-split的标识符会出现在终端的局部地址和全局地址中，即任何 网络实体接收到一个数据包后，都可以从该数据包的地址信息中获取终端的唯一性标识信 息，因此GLI-split存在安全性问题。综上所述，LISP解决了路由可扩展问题，但是，它不能解决终端移动而产生的会 话连接中断的问题，虽然LISP MN从一定程度上解决了移动会话问题，但是需要修改终端， 因此失去了 LISP不需要修改终端的优点，即增加了 LISP实际部署的难度。GLI-split通 过地址重写和修改终端协议栈解决了路由可扩展以及移动会话的问题，但是它的两级映射 机制引入了较大的切换时延，而且对终端的修改也增加了技术方案的部署难度，另外，当 GLI-split终端与传统终端通信时，如果GLI-split终端在通信过程中发生移动，通信仍然 会中断。目前，各国际标准化组织、研究机构已经在研究基于位置标识和主机标识分离的 新型网络架构或路由机制的设计，而且已经提出多种方案。但是这些方案缺少完善的移动 性管理机制，或无法支持移动会话的连续性，或存在切换时延大、丢包率高和具有安全隐患 等问题。由于移动互联网技术的发展，移动终端的使用数量也将逐步上升，使得移动性支持 成为移动互联网的关键技术之一。所以在研究分离IP地址的位置标识和主机标识功能，设 计新型网络架构时，不能仅仅将目光放在支持位置标识和主机标识分离的特点上，还需要 设计与网络架构兼容的完善的移动性管理机制。

发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于位置标识和主机标识分离的网络系统及 其移动性管理方法，本发明是先提出一种位置标识与主机标识分离的网络系统架构，并在 该网络架构下，提出相应的、完善的移动性管理方法。也就是在位置标识和主机标识分离架 构解决路由可扩展问题的基础上，解决移动性会话的支持问题。而且，本发明能够与因特网兼容，降低了部署难度。为了达到上述发明目的，本发明提供了一种基于位置标识和主机标识分离的 网络系统，其特征在于所述网络系统包括由多个因特网服务提供商网络构成的核心 域CA(Core Area)、即承担目前因特网骨干网路由和转发功能的核心网络，由多个组织域 OA (Organization Area)构成的路由域RA (Routing Area)、即边缘网络，位于边缘网络的多 个映射服务器，分别位于路由域与组织域的路由域路由器(RA Router)与组织域路由器(OA Router)，以及连接边缘网络的各种终端；其中，路由域路由器，负责连接路由域和核心域，收集路由域内所有终端发出的数据包， 并将这些数据包转发到核心域，接收核心域发送来的数据包并将这些数据包发送到特定的 组织域路由器；组织域路由器，用于收集其所负责的组织域内的各个终端发出的数据包，并将这 些数据包转发给路由域路由器，以及接收路由域路由器发出的数据包并将这些数据包转发 给特定终端；映射服务器，用于存储各个终端位置标识、终端当前连接的OA Router的位置标识 和终端的主机标识之间的映射信息，当位于各个路由域的终端之间通过各自OA Router进 行通信时，位于不同路由域内的多个不同映射服务器分别负责完成查询终端的映射信息； 为简化系统结构而不再部署新设备，该映射服务器的功能模块是分布式设置于路由域内包 括RARouter和OARouter的各个路由器内，即使用分布式哈希表DHT (Distributed Hash Table)组织路由域内的所有RA Router和OA Router存储终端位置标识、终端当前连接的 OA Router的位置标识和主机标识之间的映射信息；从终端的角度看，存储终端的映射信息 的路由器又被称为该终端的映射路由器RoUter-M(R0Uter-Mapping)。为了达到上述发明目的，本发明还提供了一种采用本发明网络系统的移动管理方 法，其特征在于所述网络系统执行移动管理时，终端、路由器与映射路由器之间的交互过 程包括下列操作步骤(1)终端注册终端首次接入网络系统时，向网络进行注册，获取标识并在映射路 由器Router-M中存储终端的位置标识、终端当前连接的OA Router的位置标识和终端的主 机标识的映射信息；(2)位置更新和相应的切换控制分为域内位置更新与域间位置更新；由于终 端移动而导致终端的位置标识发生改变时，相关路由器之间实现交互，更新映射路由器 Router-M中存储的终端的映射信息；终端在与通信对端的通信过程中发生移动时，为了保 持会话还要在位置更新过程中完成相应的切换控制。本发明的技术关键及其创新所在是提出一种新的位置标识和主机标识分离的网 络体系架构，并提出与该网络架构相适应的一种基于动态家乡代理的移动性管理方法。而 且，本发明网络架构能够与传统网络实现互连互通，通过增强传统路由器功能来解决通信 双方通信过程中发生移动时产生的三角路由问题，采用了通过使用DHT协议组织RA域中的 路由器存储终端映射信息，定义新的位置标识和主机标识，而且主机标识具有一定的路由 能力，终端只能“看到，，主机标识，从而无需修改终端协议栈，以及RA域中的路由器具有目 的地址重写功能，从而不需要修改现有数据包结构等多种技术措施，本发明支持组播，不需 要对组播协议做任何修改，也支持流移动性。
因此，与现有技术相比，本发明的技术优点是本发明基于位置标识和主机标识分 离的网络系统使用DHT协议组织RA域中的路由器存储终端映射信息，不需要在网络中部署 新的实体存储终端的映射信息；新定义的位置标识和主机标识与IPv6地址格式相同，终端 只能“看到”主机标识，不需要修改终端协议栈。位于本发明网络系统中的终端与传统终端 通信时，二者之间发送的数据包不需要通过代理实体的处理。因此该网络系统能够与现有 因特网互连互通，降低了部署难度，容易实现。本发明还提出了与该网络系统架构相适应的完善的移动性管理机制其通信会话 的建立是基于终端主机标识，有效地支持了会话移动性；主机通过局部标识符与OA Router 交互，即主机使用的路由信息不会进入到全局路由器的路由表中，因此，减少核心路由器中 的存储条目，有效缓解核心路由表的急剧扩张问题。通信过程中，网络代替终端查询映射 服务器，避免终端位置信息暴露给其它终端，终端隐私受到保护。通信过程中，接入路由器 只对数据包进行目的地址重写，无需重新封装数据包，这样不会引入新的负载，有效利用带 宽；同时加快数据传输速率，避免更多的时延和由此引起的丢包问题。此外，本发明的网络 系统及其移动性管理方法支持组播和流移动性管理。


图1是本发明基于位置标识和主机标识分离的网络系统架构示意图。图2和图3是本发明采用的主机标识格式和位置标识格式示意图。图4是本发明基于位置标识和主机标识分离的网络系统移动性管理方法中的注 册过程时序图。图5是本发明网络系统移动性管理方法的域内位置新过程时序图。图6是本发明网络系统移动性管理方法的域间位置更新过程时序图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明 作进一步的详细描述。参见图1，介绍本发明基于位置标识和主机标识分离的网络系统架构。该网络系统被划分为核心域CA (Core Area)和路由域RA (Routing Area)，其中核 心域CA即承担目前因特网骨干网路由和转发功能的核心网络，由多个因特网服务提供商 网络ISI3S组成。路由域RA为边缘网络，由多个组织域OA (Organization Area)组成。系 统还包括位于边缘网络的多个映射服务器，分别位于路由域与组织域的路由域路由器(RA Router)与组织域路由器(OARouter)，以及连接边缘网络的各种终端。路由域路由器的功能是连接路由域和核心域，收集路由域内所有终端发出的数据 包，并将这些数据包转发到核心域，接收核心域发送过来的数据包，并将这些数据包发送到 特定的组织域路由器。组织域路由器的功能是收集其所负责的组织域内的终端发出的数据 包，并将这些数据包转发给路由域路由器，以及接收路由域路由器发出的数据包并将这些 数据包转发给特定终端。路由域的划分有多种，例如按照地理位置、行政系统、行业管理或 者其他方法划分。组织域的划分取决于其所在路由域内的组织机构、企事业单位，一个或多 个组织机构或企事业单位构成一个组织域。
映射服务器用于存储各个终端位置标识、终端当前连接的OA Router的位置标识 和终端的主机标识之间的映射信息。当位于各个路由域的终端之间通过各自OA Router进 行通信时，位于不同路由域内的多个不同映射服务器分别负责完成查询终端的映射信息。 为简化系统结构而不再部署新设备，本发明映射服务器的功能模块是分布式设置于路由 域内包括RARouter和OARouter的各个路由器内，即使用分布式哈希表DHT (Distributed Hash Table)组织路由域内的所有RA Router和OA Router存储终端位置标识、终端当前连 接的OA Router的位置标识和主机标识之间的映射信息。从终端的角度看，存储终端的映 射信息的路由器又被称为该终端的映射路由器R0Uter-M(R0Uter-Mapping)；也就是终端 第一次在网络系统注册时，该终端连接的OA Router就将该终端的位置标识和主机标识、OA Router的位置标识之间的映射信息存储在RA域内的路由器中。为了实现良好的鲁棒性，同一个路由域内的RA Router和OA Router之间运行现 有的分布式哈希表DHT协议来管理通过该路由域内的OA Router在网络系统进行注册的终 端的映射信息(参见图1中的虚线椭圆)。目前可用的任何一种DHT协议都可以用于组织 路由域内的路由器。使用DHT协议管理终端映射信息的方法是终端在一个路由域内第一次注册后， 其映射信息就被存储在该第一次注册所在路由域内的某个路由器、即该终端的映射路由器 Router-M ；Router-M的选择与具体的存储过程取决于该路由域所使用的DHT协议；outer-M 可能是RA内的某个OA Router,也可能是RARouter。终端注册成功后，无论终端在该RA内 移动或在不同的RA之间移动，其映射信息始终存储于该Router-M中。参见图2和图3，分别介绍本发明分别从不同角度描述终端的主机标识与位置标 识及其格式。其中，主机标识是终端或路由器的静态不变与全球唯一的标识信息，主机标识 位长128比特，包括两个字段路由域标识(RA ID)和主机标识(Host ID)，前者是终端的 Router-M所在路由域的RA Router从因特网服务提供商获得的前缀信息，位长为η比特； 后者是终端的全球唯一的永久性信息，其生成方法是借鉴主机标识协议HIP生成主机标识 标签HIT的方法，但只截取哈希值中的(U8-n)比特，也可以采取其他生成方法。从网络角度看，网络中任何一个RARouter或OARouter根据终端的主机标识，都能 判断该终端的映射信息存储于哪个RA域并从中获取终端的位置标识。从终端角度看，主机标识是TCP/IP协议栈中的IP地址，终端通过DNS解析获得通 信对端的主机标识，并使用通信双方的主机标识建立TCP连接；当传输层的数据到达TCP/ IP协议栈的IP协议层时，IP协议层使用通信双方的主机标识封装传输层数据，因此终端发 出的数据包的IP包头的源地址和目的地址是通信双方的主机标识，终端根据其内部配置 的缺省路由，将其发送的所有数据包直接转发给该终端连接的OA Router。位置标识是随终端位置的改变而改变的、动态路由标识信息，位置标识是位长1 比特的IPv6地址，包括三个字段路由域标识(RAID)、组织域标识(OAID)和局部位置标 识(Local locator)，其中，位长为64比特的RAID和OAID字段是终端连接的OARouter的 前缀，该前缀由OARouter所在路由域的RA Router分配给该OA Router ；位长为64比特的 Local locator是由OA Router分配给终端、且只在OA Router覆盖范围内有效的局部地 址，其功能是负责终端和OA Router之间的交互，终端接入到OA Router时，OA Router为 其分配一个在OA范围内唯一的Local locator。
从终端角度看，终端只能“看到”整个位置标识中的Local locator，位置标识中的 RA和OA字段为全0。当终端连接的OA Router通过DHT过程向其所在路由域内的某个映 射路由器存储终端映射信息时，该OA Router需要完善位置标识，将位置标识中的RA和OA 字段都填写OA Router的前缀信息，而RAID和OAID字段不为0的位置标识具有全局路由 能力。Local locator的功能主要是用于终端和OA Router之间的交互，例如，OA Router 可以通过向Local locator发送广播消息，判断终端是否已经离开OA Router的覆盖范围。终端发出的数据包的IP包头的源IP地址和目的IP地址是通信双方的主机标识， 当数据包到达终端接入的OARouter时，该OARouter先根据数据包目的IP地址字段中通信 对端的主机标识查找本地缓存，如果查找到与通信对端的主机标识相关记录，则使用查找 到的位置标识重写目的IP地址字段的值，然后将数据包发送出去；如果没有查找到相关记 录，则通过DHT查找过程获得与通信对端的主机标识对应的位置标识该OA Router根据 通信对端主机标识的RA字段的值与该OA Router的主机标识的RA字段的值相同，判断通 信对端的Router-M和该OA Router位于同一路由域，则该OA Router直接触发其所在路由 域的DHT查找过程，获得通信对端的映射信息；如果上述两个字段的值不同，说明通信对端 的Router-M与该OA Router位于不同的路由域内，则该OA Router向其所在路由域的RA Router发送查找消息；该RA Router接收到查找消息后，根据消息中携带的通信对端的主 机标识判断该通信对端的Router-M位于哪个路由域内，再将查找消息转发给该通信对端 的Router-M所在路由域的RA Router ；当通信对端的Router-M所在路由域的RA Router接 收到查找消息后，就触发其所在路由域的DHT查找过程；在查找到通信对端的映射信息后， 其向发起查找过程的RA Router返回通信对端的位置标识，发起查找过程的RA Router接 收到该位置标识后，再将该位置标识转发给OA Router ；当获得通信对端的位置标识后，OA Router使用该位置标识重写IP包头的目的IP地址字段，然后发送数据包，该数据包经过网 络路由到达通信对端接入的OA Router，由该目的OA Router接收数据包后，先将数据包的 目的IP地址重写回通信对端的主机标识，然后将数据包转发给通信对端。终端发生移动后，该终端新连接的OA Router负责更新映射路由器中该终端的映 射信息，因终端的主机标识的RA字段是存储该终端映射信息的映射路由器所在的路由域 的入口信息，即映射路由器Router-M所在路由域的RA Router的前缀信息，因此该终端新 连接的OA Router能够根据其主机标识找到存储该终端映射信息的映射路由器的入口，然 后更新该终端的映射信息。本发明还提供了一种采用本发明网络系统的移动管理方法。下面具体说明本发明网络系统执行移动管理时，终端、路由器与映射路由器之间 的交互过程中的两个操作步骤步骤1，终端注册注册是终端首次接入网络系统时，进行注册而获取标识并在 Router-M中存储终端的位置标识、终端当前连接的OA Router的位置标识和终端的主机标 识的映射信息的过程。该步骤1包括下列操作内容(参见图4)(11)每个路由域中的OA Router不断向外广播消息，消息参数为该OARouter的主 机标识；终端进入到该OA Router覆盖范围内，就能接收到该广播消息并保存其中的主机 标识参数，再根据该OA Router的主机标识自行生成自身的主机标识；且终端的主机标识 一旦生成后，无论其以后移动到何处，该主机标识都不会改变；然后，终端根据广播消息的源IP地址配置缺省路由，在发送数据包时，终端就根据该缺省路由直接将数据包发送给当 前与其连接的OARouter ；(12)终端向OA Router发送注册请求Register，该请求参数为该终端的主机标识 ID。(13) OA Router接收到该终端的Register后，为该终端分配一个Locallocator， 并在本地缓存中记录信息<ID，Local locator〉。(14)因终端首次在系统中注册，故OA Router还要在Router-M中注册该终端的主 机标识、终端的位置标识和该OA Router的位置标识之间的映射关系，其操作过程取决于该 路由域OA Router使用的DHT协议OA Router对终端的主机标识进行哈希，得到一个关键字；再执行DHT协议的插入 Put操作，将终端的位置标识记为global locator，存储于本路由域范围内的某个路由器 中，该路由器即为终端的Router-Μ;当Router-M接收到插入Put消息(该消息参数为<key， global locator〉，其中，key是OA Router将终端的ID作为参数进行哈希得到的关键字值。 global locator是其为终端分配的全球可路由地址)时，Router-M存储映射信息终端的 位置标识与主机标识，以及该终端当前连接的OA Router的位置标识，然后其向OA Router 返回插入确认Put ACK ；(15) OA Router接收到存储终端映射信息的Router-M的插入确认Put ACK。(16)OA Router向终端返回一个注册请求响应Register ACK，表明注册成功。步骤2，位置更新和相应的切换控制位置更新是因终端的移动而导致终端的位 置标识发生改变时，相关路由器之间实现交互并更新Router-M中存储的终端的映射信息 的过程。位置更新分为两种域内位置更新与域间位置更新。切换控制是终端在会话过程 中发生移动时，为了保持会话而执行的相应操作，本发明移动管理是在位置更新过程中实 现切换控制。域内位置更新是终端在存储其映射信息的路由域内的不同组织域之间移动、或是 从其他路由域移动到存储终端映射信息的路由域，终端的位置标识发生改变，导致对其映 射路由器中存储的该终端的映射信息进行更新的过程。参见图5，介绍域内位置更新时，各个路由器之间交互的具体过程与时序终 端在与通信对端CMCorrespondent Node)通信过程中发生域内移动时，除了需要更新 Router-M中存储的终端的映射信息之外，还要对通信对端连接的OARouter中存储的该终 端的映射信息进行更新，即终端在与通信对端CN通信过程中，终端从OAlRouter的覆盖范 围移动到0A2Router的覆盖范围，且0A2Router与终端的Router-M位于同一个路由域，域 内位置更新过程包括下列操作内容(21)终端移动到0A2Router的覆盖范围后，就接收到其广播消息；(22)终端接收到该广播消息后，因消息的参数发生改变，终端判定其已经移动到 了新的OA Router覆盖范围，则该终端向该新的OA Router发送Register消息，消息参数 为该终端的主机标识ID-H ；(23)当0A2Router接收到Register消息后，根据消息参数中的ID-H的RA字段和 该Router的位置标识中的RA字段相同，判定该终端是域内移动；0A2Router触发其所在路 由域的DHT更新过程，将终端的Router-M中存储的该终端的位置标识更新为其为终端分配的位置标识 global-locator-H-new ；(24)终端的Router-M接收到0A2Router发送的更新请求消息后，该Router-Μ在 本地缓存中查找到该终端的包括终端的主机标识，终端接入的0A2Router的位置标识与 终端的位置标识的映射信息，根据映射信息中记录的该终端接入的0A2Router的位置标识 global-locator-OAl Router,向 OAlRouter 发送转发请求Forward 消息，请求该 OAlRouter 将接收到的发送给该终端的主机标识ID-H的数据包全部转发给消息参数中该终端的新的 位置标识 global-locator-H-new ；(25)OAlRouter接收到上述消息后，先缓存该信息<ID_H， global-locator-H-new>，当OAlRouter接收到发送给ID-H的数据包时，将数据包中的目 的地址字段修改为global-locator-H-new，再转发到网络；同时，该OAlRouter负责向通信 对端 CN 的 0A2Router 发送 Transfer 消息，该消息参数为 ID-H 和 global-locator-new-H， 请求0A2Router将其接收到的发送给ID-H的数据包全部转发给消息参数中的 global-locator-H-new0路由域间位置更新是指因终端在没有存储终端映射信息的各个路由域之间移动， 或终端从存储其映射信息的路由域移动到其他的路由域内，而引起映射路由器的更新操作 过程。参见图6，介绍域间位置更新时，各个路由器之间交互的具体过程与时序终端在 与通信对端CN通信过程中发生移动时，除了需要更新Router-M中存储的终端的映射信息 之外，还要对通信对端连接的OA Router中存储的该终端的位置信息进行的更新操作；即 当终端与通信对端CN通信过程中，从第1个路由域的OAl Router移动到第2个路由域的 0A2Router，且0A2Router与存储该终端的映射信息的Router-M位于不同的RA域内。路由 域间的位置更新过程包括下列操作内容(2A)终端移动到0A2Router的覆盖范围时，接收到其广播消息；(2B)终端接收到广播消息后，因消息的参数发生变化，终端判定其已经移动到了 新的OA Router覆盖范围，则该终端向0A2Router发送Register消息，消息参数为该终端 的主机标识ID-H ；(2C)当0A2Router接收到Register消息后，根据消息参数中ID-H的RA字段 和该OA Router的位置标识的RA字段不同，判定该终端是域间移动；0A2Router不能 触发其他路由域的DHT更新操作，所以0A2Router向其路由域的RARouter发送update 消息，消息参数为该终端的主机标识ID-H及0A2Router为其分配的新的位置标识 global-locator-H-new ；(2D)第2个路由域的RA Router接收到update消息后，根据消息参数中的ID-H 的RA字段，判断该终端Router-M所在的路由域，然后向该路由域的RA Router转发update 消息，并在消息中增加一个参数0A2Router的位置标识global-locator-0A2-Router ；(2E)当RA Router接收到update消息后，对消息参数中的ID-H进行哈希，得到一 个关键字，然后触发本域内的DHT更新操作，即向本域内存储该终端映射信息的Router-M 发送更新消息；(2F)当Router-M接收到更新消息时，就在本地记录中查找到与该终端的相关 信息，再向OAlRouter发送forward消息，请求OAlRouter将其接收到的发送给ID-H的数据包转发到其global-locator-H-new ；然后，Router-M将该终端的位置标识更新为 global-locator-H-new,同时记录新的0A2Router的位置标识；QG)OAlRouter 接收到上述消息后，缓存信息 <ID_H，global-locator-H-new〉， 当OAlRouter接收到发送给ID-H的数据包时就将数据包中的目的地址字段修改为 global-locator-H-new，再转发到网络；同时，OAlRouter负责向通信对端的0A2Router发 送转移请求Transfer消息，请求该Router将其接收到的发送给ID-H的数据包全部转发给 消息参数中的 global-locator-H-new。对上述图5与图6的域内位置更新和域间位置更新的时序图进行比较可以看出 二者之间的差别仅在于，触发映射路由器的网元不同域内位置更新是由0A2Router触发； 域间位置更新则由存储终端的位置信息的RA域的RARouter触发。本发明网络中的各个终端之间通信的数据传输过程分为发送、路由、以及数据接 收与目的地址重写三个过程，具体介绍如下(一 )发送过程的详细操作步骤如下(I)DNS解析终端通过DNS解析获得通信对端的主机标识，记为ID，终端将其看做 是通信对端的IP地址。由于本发明定义的主机标识与IP地址等长，所以从应用程序角度 看，主机标识和IP地址相同，因此本发明不需要对应用程序做任何修改。(2)数据封装终端发出数据包的IP包头中的源IP地址为终端的主机标识，目的 IP地址步骤(1)中获得的通信对端的主机标识。(3)数据发送终端根据其配置的缺省路由将数据包发送给其连接的OARouter， 记为 OA-Router-S0(二)路由过程是数据包到达网络后，路由器对数据包进行处理的过程。由于网 络将根据数据包中的目的IP地址路由数据包，所以当OA-Router-S接收到数据包后，需要 使用通信对端的全球可路由IP地址，即通信对端的位置标识，重写数据包的目的IP地址字 段。路由过程的详细操作步骤如下(I)OA-Router-S接收到数据包后，根据数据包的目的IP地址字段中的信息，即通 信对端的主机标识，查找本地缓存。根据查找结果的不同，OA-Router-S的操作可分为下述 两种情况没有查找到相关记录时，顺序执行步骤( 操作；否则，跳转执行步骤(3)的操 作；(2)查询映射路由器Router-M =OA-Router-S通过访问Router-Μ获得通信对端的 位置标识。OA-Router-S根据通信对端的主机标识中的路由域标识(RAID)字段与其主机标 识的RAID字段是否相同判断通信对端的Router-M是否与其位于同一路由域。根据通信对端的映射信息的不同存储位置，OA-Router-S的具体操作分为下述两 种(a)相同，即通信对端的Router-M位于其所在路由域内，OA-Router-S直接触发本 域内的DHT查找过程，获得通信对端的位置标识；同时，OA-Router-S也会在自己的缓存表 中存储通信对端的主机标识与位置标识的映射关系；(b)不同，即通信对端的Router-M位于其他路由域内，由于OA Router不具有访问 其他路由域内的映射路由的能力，OA-Router-S需要向其所在路由域内的RA Router (记为 RA-Router-S)，发送查询消息。具体查询过程为
①OA-Router-S向RA-Router-S发送查询消息，消息参数为通信对端的主机标 识；②RA-Router-S接收到查询消息后，根据主机标识的RAID字段判断通信对端的 Router-M所在的路由域，然后向该路由域的RARouter (记为RA-Router-Μ)转发查询消息；③RA-Router-M接收到查询消息后，触发本域内的DHT查找过程，获得通信对端的 位置标识后，RA-Router-M向RA-Router-S返回查找结果，RA-Router-S将查询结果进一步 返回给 OA-Router-S ；④OA-Router-S缓存通信对端的主机标识与位置标识的映射关系。(3)地址重写与数据转发=OA-Router-S通过查找映射路由器获得通信对端的位 置标识后，使用该位置标识重写数据包的目的IP地址后，OA-Router-S根据通信对端的位 置标识中的RAID字段与其位置标识的RAID字段是否相同，判断通信双方是否位于同一路 由域内，分别执行下述两种操作(a)相同说明通信双方位于同一路由域内，OA-Router-S直接将数据包转发给通 信对端所连接的OA Router，记录为0A-Router_D。(b)不同=OA-Router-S将目的IP地址重写后的数据包转发给RA-Router-S，再由 RA-Router-S转发到核心网络。(三)数据接收与目的地址重写过程执行下述操作内容OA-Router-D接收到数据包时，先根据数据包的目的IP地址字段，即通信对端的 位置标识，查找本地存储的 < 主机标识，位置标识 > 映射关系，获取通信终端的主机标识，再 使用查找到的主机标识重写数据包的目的IP地址字段，然后将数据包转发给通信对端。本发明网络系统能够与传统网络实现互通当终端位于传统网络内，通信对端位 于RA域时，终端发出的数据包的源IP地址为终端的全球可路由地址，目的地址为通信对 端的主机标识。当终端接入的传统路由器接收到终端发出的数据包时，虽然传统路由器无 法改写目的地址，但因为本发明定义的主机标识具有一定的路由功能，因此数据包还是能 够在核心网中路由，最终被路由到通信对端的Router-M所在的路由域的RARouter，记为 RA-Router-M0通信对端的RA-Router-M接收到数据包后，发现目的地址是主机标识，于是通过 域内DHT查找获得该主机标识对应的位置标识，并使用查找到的位置标识改写目的IP地 址，再将数据包转发给相应的OA Router, OA Router进行相应处理后，将数据包转发给通信 对端。逆向通信过程时，OA Router发现目的地址是一个传统的全球可路由IP地址，就 不对目的地址进行改写，直接转发数据包。如果在通信过程中，通信对端移动到另一个路由域中，为保持会话的连续性，传统 网络发过来的数据包首先到达通信对端移动前所在的路由域，再由该域中的RA Router转 发到新域的RA Router (该位置更新的过程详见域间位置更新过程)，从而实现与传统终端 通信的会话连续性。根据通信对端移动到的接入网络是另一个路由域还是传统网络，切换控制过程分 为下述两种情况第一种是通信对端移动到新的路由域这时数据要经过通信对端移动前连接的OARouter的转发才能到达新的OA Router，即存在三角路由问题，为解决这种情况，本发明对 传统路由器的功能进行扩展，使得传统路由器能够存储终端的主机标识和全球可路由地址 的映射关系，改写后续数据包的目的地址、发送或接收转发消息。新的路由域的OA Router 向传统路由器发送转发消息，传统路由器知道通信对端是位于路由域的终端，于是记录下 该通信对端的主机标识与位置标识，接收到后续发起终端发送来的数据包时，通过目的地 址中存储的主机标识查找到通信对端的位置标识，改写目的地址为通信对端的位置标识。第二种是通信对端移动到一个传统网络通信对端使用传统的MIPv6协议进行移 动性管理。通信对端发送绑定更新消息给终端，消息中携带通信对端新的IP地址，然后终 端使用该新的IP地址作为数据包的IP包头的目的地址，这样数据包经过网络的路由被发 送到通信对端。同时，通信对端也会给其Router-M所在路由域的RA Router发送绑定更新 消息，RA Router接收到该绑定更新消息后，触发域内的DHT更新过程。综上所述，本发明在对网络和终端改动最小的情况下实现了与现有网络的互连互 通，降低了方案的部署难度。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
权利要求
1.一种基于位置标识和主机标识分离的网络系统，其特征在于所述网络系统包括 由多个因特网服务提供商网络构成的核心域CA、即承担目前因特网骨干网路由和转发功 能的核心网络，由多个组织域OA构成的路由域RA、即边缘网络，位于边缘网络的多个映 射服务器，分别位于路由域与组织域的路由域路由器(RA Router)与组织域路由器(OA Router)，以及连接边缘网络的各种终端；其中，路由域路由器，负责连接路由域和核心域，收集路由域内所有终端发出的数据包，并将 这些数据包转发到核心域，接收核心域发送来的数据包并将这些数据包发送到特定的组织 域路由器；组织域路由器，用于收集其所负责的组织域内的各个终端发出的数据包，并将这些数 据包转发给路由域路由器，以及接收路由域路由器发出的数据包并将这些数据包转发给特 定终端；映射服务器，用于存储各个终端位置标识、终端当前连接的OA Router的位置标识和终 端的主机标识之间的映射信息，当位于各个路由域的终端之间通过各自OA Router进行通 信时，位于不同路由域内的多个不同映射服务器分别负责完成查询终端的映射信息；为简 化系统结构而不再部署新设备，该映射服务器的功能模块是分布式设置于路由域内包括RA Router和OA Router的各个路由器内，即使用分布式哈希表DHT组织路由域内的所有RA Router和OA Router存储终端位置标识、终端当前连接的OA Router的位置标识和主机标 识之间的映射信息；从终端的角度看，存储终端的映射信息的路由器又被称为该终端的映 射路由器Router-M。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述路由域的划分是按照地理位置、行政 系统、行业管理或者其他方法，组织域的划分取决于其所在路由域内的组织机构、企事业单 位，一个或多个组织机构或企事业单位构成一个组织域。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于为实现良好的鲁棒性，同一个路由域内的 RA Router和OA Router之间通过运行现有的某种分布式哈希表DHT协议来管理通过该路 由域内的OA Router在网络系统进行注册的终端的映射信息；当终端在一个路由域内注册 后，路由域内存储该终端映射信息的路由器是该终端的映射路由器Router-M ；Router-M的 选择取决于该路由域所使用的DHT协议，确定Router-M后，无论终端在该RA内移动或在不 同的RA之间移动，其映射信息始终存储于该Router-M中。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述主机标识是终端或路由器的静态不变与全球唯一的标识信息，主机标识位长1 比特，包括路由域标识(RA ID)和主机标识(Host ID)两个字段，前者是终端的Router-M 所在路由域的RA Router从因特网服务提供商获得的前缀，位长为η比特；后者是终端的全 球唯一的永久性信息，其生成方法是借鉴主机标识协议HIP生成主机标识标签HIT的方法， 但只截取哈希值中的(U8-n)比特；从网络角度看，网络中任何一个RA Router或OA Router根据终端的主机标识，都能判 断该终端的映射信息存储于哪个路由域并从中获取终端的位置标识；从终端角度看，主机标识是TCP/IP协议栈中的IP地址，终端通过DNS解析获得通信对 端的主机标识，并使用通信双方的主机标识建立TCP连接；当传输层的数据到达TCP/IP协 议栈的IP协议层时，IP协议层使用通信双方的主机标识封装传输层数据，因此终端发出的数据包的IP包头的源地址和目的地址是通信双方的主机标识，终端根据终端内配置的缺 省路由，将其发送的所有数据包直接转发给终端连接的OA Router ；所述位置标识是随终端位置的改变而改变的、动态路由标识信息，位置标识是位长 128比特的IFv6地址，包括三个字段路由域标识RAID、组织域标识OAID和局部位置标识 (Local locator)，其中，位长为64比特的RAID和OAID字段是终端连接的OA Router的 前缀，该前缀由OA Router所在路由域的RARouter分配给该OA Router ；位长为64比特的 Local locator是由OA Router分配给终端、且只在OA Router覆盖范围内有效的局部地 址，其功能是负责终端和OA Router之间的交互，终端接入到OA Router时，OA Router为 其分配一个在OA范围内唯一的Local locator ；从终端角度看，终端只能“看到”整个位置标识中的Local locator，位置标识中的RA 和OA字段为全0 ；当终端连接的OA Router通过DHT过程向其所在路由域内的某个映射路 由器存储终端映射信息时，该OARouter需要完善位置标识，将位置标识中的RA和OA字段 都填写OA Router的前缀信息，而RAID和OAID字段不为O的位置标识具有全局路由能力。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于终端发出的数据包的IP包头的源IP地 址和目的IP地址是通信双方的主机标识，当数据包到达终端接入的OA Router时，该OA Router先根据数据包目的IP地址字段中通信对端的主机标识查找本地缓存，如果查找到 与通信对端的主机标识相关记录，则使用查找到的位置标识重写目的IP地址字段的值， 然后将数据包发送出去；如果没有查找到相关记录，则通过DHT查找过程获得与通信对端 的主机标识对应的位置标识该OA Router根据通信对端主机标识的RA字段的值与该OA Router的主机标识的RA字段的值相同，判断通信对端的Router-M和该OA Router位于同 一路由域，则该OA Router直接触发其所在路由域的DHT查找过程，获得通信对端的映射信 息；如果上述两个字段的值不同，说明通信对端的Router-M与该OARouter位于不同的路由 域内，则该OA Router向其所在路由域的RA Router发送查找消息；该RA Router接收到查 找消息后，根据消息中携带的通信对端的主机标识判断该通信对端的Router-M位于哪个 路由域内，再将查找消息转发给该通信对端的Router-M所在路由域的RA Router ；当通信 对端的Router-M所在路由域的RA Router接收到查找消息后，就触发其所在路由域的DHT 查找过程；在查找到通信对端的映射信息后，其向发起查找过程的RARouter返回通信对端 的位置标识，发起查找过程的RA Router接收到该位置标识后，再将该位置标识转发给OA Router ；当获得通信对端的位置标识后，OA Router使用该位置标识重写IP包头的目的IP 地址字段，然后发送数据包，该数据包经过网络路由到达通信对端接入的OA Router,由该 目的OA Router接收数据包后，先将数据包的目的IP地址重写回通信对端的主机标识，然 后将数据包转发给通信对端。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于所述终端发生移动后，该终端新连接的OA Router负责更新映射路由器中该终端的映射信息，因终端的主机标识的RA字段是存储该 终端映射信息的映射路由器所在的路由域的入口信息，即映射路由器Router-M所在路由 域的RA Router的前缀信息，因此该终端新连接的OA Router能够根据其主机标识找到存 储该终端映射信息的映射路由器的入口，然后更新该终端的映射信息。
7.一种采用权利要求1所述的网络系统的移动管理方法，其特征在于所述网络系统 执行移动管理时，终端、路由器与映射路由器之间的交互过程包括下列操作步骤(1)终端注册终端首次接入网络系统时，向网络进行注册，获取标识并在映射路由器 Router-M中存储终端的位置标识、终端当前连接的OA Router的位置标识和终端的主机标 识的映射信息；(2)位置更新和相应的切换控制分为域内位置更新与域间位置更新；由于终端移动 而导致终端的位置标识发生改变时，相关路由器之间实现交互，更新映射路由器Router-M 中存储的终端的映射信息；终端在与通信对端的通信过程中发生移动时，为了保持会话还 要在位置更新过程中完成相应的切换控制。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述步骤(1)包括下列操作内容(11)每个路由域中的OARouter不断向外广播消息，消息参数为该OARouter的主机标 识；终端进入到该OARouter覆盖范围内，就能接收到该广播消息并保存其中的参数，再根 据该OA Router的主机标识自行生成自身的主机标识；且终端的主机标识一旦生成后，无 论其以后移动到何处，该主机标识都不会改变；然后，终端根据广播消息的源IP地址配置 缺省路由，在发送数据包时，终端就根据该缺省路由直接将数据包发送给当前与其连接的 OA Router ；(12)终端向OARouter发送注册请求Register，该请求参数为该终端的主机标识ID;(13)OA Router接收到该终端的Register后，为该终端分配一个Locallocator，并在 本地缓存中记录信息<ID，Local locator)；(14)因终端是首次在系统中注册，所以OARouter还要在Router-M中注册该终端的 主机标识、终端的位置标识和该OA Router的位置标识之间的映射关系，其操作过程取决于 该路由域OA Router使用的DHT协议OA Router对终端的主机标识进行哈希，得到一个关 键字；执行DHT协议的插入Put操作，将终端的位置标识记为global locator,存储于本路 由域范围内的某个路由器中，该路由器即为终端的Router-M ；当Router-M接收到插入Put 消息时，Router-M存储映射信息终端的位置标识与主机标识，以及该终端当前连接的OA Router的位置标识，然后其向OA Router返回插入相应Put ACK ；(15)OA Router接收到存储终端映射信息的映射路由器Router-M的插入确认PutACK ；(16)OA Router向终端返回一个表明注册成功的注册请求响应RegisterACK。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述域内位置更新是指终端在存储其映 射信息的路由域内的不同组织域之间移动、或是从其他路由域移动到存储终端映射信息的 路由域，终端的位置标识发生改变，从而导致对其映射路由器中存储的该终端的映射信息 进行更新的过程；该终端在与通信对端CN通信过程中发生移动时，还要对通信对端连接的 OA Router中存储的该终端的映射信息进行更新，即终端在与通信对端CN通信过程中，终 端从第IfOA Router的覆盖范围移动到第2个OA Router的覆盖范围，且第2个OA Router 与终端的映射路由器Router-M位于同一个路由域，域内位置更新包括下列操作内容(21)终端移动到第2个OARouter覆盖范围时，接收到该OA Router的广播消息；(22)终端接收到该广播消息后，因消息的参数发生改变，终端判定其已经移动到了新 的OA Router覆盖范围，则该终端向该新的OA Router发送注册请求Register消息，消息 参数为该终端的主机标识ID-H ；(23)当第2个OARouter接收到Register消息后，根据消息参数中的ID-H的RA字段 和该Router的位置标识中的RA字段相同，判定该终端是域内移动；第2个OARouter触发其所在路由域的DHT更新过程，将终端的Router-M中存储的该终端的位置标识更新为其为 终端分配的位置标识global-locator-H-new ；(24)终端的Router-M接收到第2个OARouter发送的更新请求消息后，该Router-M 在本地缓存中查找到该终端的包括终端的主机标识，终端接入的OARouter的位置标识与 终端的位置标识的映射信息，根据映射信息中记录的该终端接入的OA Router的位置标识 global-locator-OAlRouter,向第 1 个 OA Router 发送转发请求 Forward 消息，请求该 OA Router将接收到的发送给该终端的主机标识ID-H的数据包全部转发给消息参数中该终端 的新的位置标识global-locator-H-new ；(25)第1个OARouter接收到上述消息后，先缓存该信息<ID_H， global-locator-H-new>，当该OA Router接收到发送给ID-H的数据包时，将数据包中 的目的地址字段修改为global-locator-H-new，再转发到网络；同时，该OA Router负 责向通信对端CN的OA Router发送转移请求Transfer消息，该消息参数为ID-H和 global-locator-new-H,请求该OA Router将其接收到的发送给ID-H的数据包全部转发给 消息参数中的 global-locator-H-new。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述路由域间位置更新是指因终端在没 有存储终端映射信息的各个路由域之间移动，或终端从存储其映射信息的路由域移动到其 他的路由域内，而引起映射路由器的更新操作；该终端在与通信对端CN通信过程中发生移 动时，还要对通信对端连接的OA Router中存储的该终端的位置信息进行的更新操作；即 当终端与通信对端CN通信过程中，从第1个路由域的第IfOA Router移动到第2个路由域 的第2个OARouter，且第2个OA Router与存储该终端的映射信息的映射路由器Router-M 位于不同的RA域内；路由域间位置更新过程包括下列操作内容(2A)终端移动到第2个OA Router的覆盖范围时，接收到该第2个OARouter的广播消息；(2B)终端接收到该广播消息后，因消息的参数发生变化，终端判定其已经移动到了新 的OA Router覆盖范围，则该终端向第2个OA Router发送注册请求Register消息，消息 参数为该终端的主机标识ID-H ；(2C)当第2个OA Router接收到Register消息后，根据消息参数中ID-H的RA字段和 该OARouter的位置标识的RA字段不同，判定该终端是域间移动；第2个OARouter不能触 发其他路由域的DHT更新操作，所以第2个OARouter向第2个路由域的RARouter发送更 新请求update消息，消息参数为该终端的主机标识ID-H及第2个OA Router为其分配的 新的位置标识 global-locator-H-new ；(2D)第2个路由域的RA Router接收到update消息后，根据消息参数中的 ID-H的RA字段，判断该终端Router-M所在的路由域，然后向该路由域的RA Router 转发update消息，并在消息中增加一个参数第2个OA Router的位置标识、即 global-locator_0A2-Router ；(2E)当RA Router接收到update消息后，对消息参数中的ID-H进行哈希，得到一个关 键字，然后触发本域内的DHT更新操作，即向本域内存储该终端映射信息的Router-M发送 更新消息；(2F)当Router-M接收到更新消息时，就在本地记录中查找到与该终端的相关信息，然后向第1个OA Router发送转发请求forward消息，请求第1个OA Router将其接收到的 发送给ID-H的数据包转发到其global-locator-H-new ；然后，Router-M将该终端的位置标 识更新为global-locator-H-new，同时记录新的第2个OA Router的位置标识；(2G)第 IfOA Router 接收到上述消息后，缓存信息 <ID-H，glcAal-locator-H-new>， 当第IfOA Router接收到发送给ID-H的数据包时就将数据包中的目的地址字段修改 为global-locator-H-new，再转发到网络；同时，第1个OA Router负责向通信对端的OA Router发送转移请求Transfer消息，请求该Router将其接收到的发送给ID-H的数据包全 部转发给消息参数中的global-locator-H-new。
全文摘要
一种基于位置标识和主机标识分离的网络系统及其移动性管理方法，该系统是由核心域CA、由组织域OA构成的路由域RA、路由域路由器(RA Router)与组织域路由器(OA Router)，以及位于路由域的映射服务器与各种终端所组成；为简化系统，映射服务器的功能模块分布式设置于路由域内包括RA Router和OA Router的各个路由器内，即使用分布式哈希表组织路由域内的所有RA Router和OA Router存储终端位置标识、终端当前连接的OA Router的位置标识和主机标识之间的映射信息；从终端角度看，存储终端的映射信息的路由器又被称为该终端的映射路由器Router-M。本发明还基于该网络提出完善的移动性管理方法，在解决路由可扩展问题基础上，支持移动性会话。而且，本发明能与因特网兼容，降低了部署难度。
文档编号H04L12/24GK102075420SQ20101062186
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者侯云静, 卢美莲, 时岩, 李玉宏, 王文东, 邹仕洪, 龚向阳 申请人:北京邮电大学