航空通信NEMO网络下多播服务的无缝切换机制的制作方法

本发明涉及一种航空NEMO网络下的多播技术无缝切换方案，基于预注册技术有效解决了切换过程中多播服务断开的问题，属于航空无线通信技术领域。

背景技术：

国际民航组织ICAO(Internation CivilAviation Organization)已经将IPv6作为未来基于IP的航空通信网络ATN基础协议。在分层ATN网络环境下的通信主要是飞机驾驶员与地面控制中心之间的数据报文交换，并没有过多的涉及到航空旅客通信层面，尤其是多播服务。IETF(Internet EngineeringTaskForce)的NEMO工作组成立于2002年10月，该工作组针对NEMO网络提出了NEMO基本协议，即RFC3963。作为MIPv6(Mobile IPv6)协议的扩展协议，NEMO基本协议可支持网络移动性，而MIPv6只用于单个移动主机的移动性管理。

NEMO基本协议在保证移动网络整体漫游过程中会话连续性的同时，也继承了MIPv6的缺点，即所有的数据报文的交换都必须通过家乡代理HA(Home Agent)，这导致了通信对端之间会话时延的增加，特别是在ATN网络中由于航空通信大区域切换的特点导致HA与本地通信网络的距离很远，当HA不可达时就会引起单点失效(Single PointFailure)问题。除此之外，NEMO基本协议对于节点或者路由器在网络切换方面没有详细概述，航空通信切换过程中，多播数据的传输往往会中断，而由于航空情况下，节点随飞机移动极快，在正常航行时，切换频率很大，导致航空旅客的多播服务无法正常进行，使得其不能直接适用于航空ATN网络，因此NEMO网络下移动节点无缝切换的问题制约着航空旅客通信的发展。

在NEMO基本协议中，每一个移动路由器MR(Mobile Router)都有一个具有身份标识的网络前缀MNP并且在通信过程中不会随接入的外域网而改变，进行数据报文交流的通信节点CN(Correspondent Node)对应有CNP(Correspondent Node Prefix)。当飞机切换到外域网并接入本地的接入路由器AR(Access Router)后，外域网分配给飞机上MR一个转接地址CoA，然后MR与HA进行绑定更新BU(Binding Update)和绑定确认BA(Binding Acknowledge)来注册MR的身份信息和更新其实时位置。

目前，对于NEMO网络中身份认证的方法,目前主要是通过移动多播技术中的远程加入或者双向隧道的方式实现的，但是在航空ATN网络下，这种多播服务实现方式的实施和部署存在问题：1、航空ATN通信环境具有在地理上大区域切换的特点，造成本地域与家乡域网络距离很大，在进行信令交互过程中，报文数据的传输时延会加大，导致切换时延的增加，多播服务中断；2、航空通信过程中，飞机在固定线路上高速行驶，为了保持会话的连续性，切换过程中需要降低丢包率，而传统的切换过程会在PAR和NAR之间建立双向隧道存储切换过程发送的数据报文，由于隧道存储能力有限，会增加数据的丢失及切换开销的增加；3、航空NEMO网络并没有部署有关多播的外地代理服务器，由于航空通信的带宽和节点存储能力有限，所以假如直接把传统多播技术方式应用到ATN网络中，会增加切换过程的开销，导致切换时延的增加。

基于以上问题，本发明提出了一种航空通信NEMO网络下多播服务的无缝切换机制，有效的解决了飞机切换过程中身份认证的安全性问题。

技术实现要素：

鉴于在上述场景下传统多播技术无法直接应用于航空高速环境下多播服务连续性的问题，本发明提出了一种航空通信NEMO网络多播服务的无缝切换机制，根据飞机状态的不同分为预测模式和反应模式：

(1)当飞机提前预测到即将进行切换时，进行预测模式切换，切换步骤如下：

飞机根据飞机的飞行状态及位置预测确定下一个将接入的NMAG。首先，飞机根据空管中心的飞行信息及计划航线，选取航迹带上的预选接入MAG集合；然后结合飞机实时位置及垂直航迹误差，计算飞机进入集合中各MAG的概率，最终确定即将切换至的下一个NMAG。

确定NMAG后，飞机将其告知现连接的PMAG。PMAG根据L2Report消息，利用之前存储的飞机上移动节点及多播加入缓存，发送切换初始化和多播支持消息给NMAG。之后，NMAG保存该信息并发送探测绑定更新，申请相关多播数据的下发。LMA收到验证后，将飞机上移动节点所需的多播数据发送至NMAG，NMAG将其进行缓存，等待飞机进行切换。当飞机进入NMAG域内，完成二层切换，建立二层连接之后，NMAG将之前缓存的相关数据发送至飞机，并由TKMR将其分发个各个移动节点，于此同时，NMAG发送绑定更新消息PBU至LMA处，完成绑定更新，预测模式切换完成。

(2)当飞机在还未完成预测模式，却已进入NMAG域并完成二层连接建立时，进行反应模式切换，切换步骤如下：

飞机进入NMAG域并建立了二层连接，NMAG向PMAG发送切换初始化请求，PAMG收到后，向NAMG发送切换回复消息及多播支持消息，并建立双向隧道将LMA发送来的多播流数据转发至NMAG，NMAG将多播数据发送给飞机上的TLMR，保证切换过程中多播服务连续性。然后，NMAG发送绑定更新消息及多播支持消息至LMA，进行绑定更新并申请相关多播数据的下发。LMA收到后，对相关信息进行保存，向NMAG发送绑定回复消息，完成切换，并向其发送NEMO网络中移动节点所需的多播数据。

上述无缝切换机制对于NEMO内部的网络拓扑结构没有特殊的限定，同样也适用于嵌套环境下的航空NEMO网络。

本发明提出的一种航空NEMO网络下的无缝切换方案，基于多播异地代理技术，地面实体之间预先加入多播组或共享多播流数据，根据飞机实时切换状态的不同相应采取合适的切换方式，保证移动节点的无缝切换，多播数据流的连续传输，有效解决了切换过程中多播服务中断的问题。本发明相较现有的多播切换方案主要有以下优点：

(1)有效的减少了切换时延，由于该方案通过对飞机位置与飞行状态的预测，使下一个接入点提前作为移动节点代理加入多播组，接收多播数据；且反应模式通过接入点之间多播数据的传输，解决了多播通信切换时，服务中断的问题。

(2)有效的避免了三角路由问题，切换认证过程中，报文数据只在本地实体之间传递，不用经过家乡代理，也同样解决了由于家乡代理不可达而造成的单点失效问题；

(3)有效的减少了航空通信网信道压力，由于引入本地移动锚点进行节点代理和移动性管理，该切换过程及之后的传输过程中在节点处只需要处理一份拷贝，提高里航空通信带宽利用率；

(4)有效的消除切换过程中隧道的产生以及由于隧道容量有限而造成的存储数据报文的丢失；

(5)本发明方案同样适用于嵌套NEMO的网络拓扑结构。

附图说明

图1是本发明航空网络拓扑图。

图2是本发明无缝切换过程的流程图。

图3是本发明无缝切换过程预测模式的数据报文交换的流程图

图4是本发明无缝切换过程反应模式的数据报文交换的流程图

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明进行详细阐述。

本实施例结合图1和图2说明本发明方案的具体流程，该方法包括：

步骤201：飞机对下一个要接入的MAG进行计算预测；

飞机在飞行过程中不断地进行对下一个要接入的MAG进行预测，选取当下最合适的NMAG，并准备进行切换；

步骤202：飞机判断发生是否在二层连接建立前完成探测绑定；

判断飞机发生的切换时，即完成二次连接前是否完成了探测切换，前者的话进行预测模式切换，后者进行反应模式切换；

步骤203：预测模式切换；

假如飞机在二次连接之前预测到即将进行的切换，则进行预测模式切换过程，需要进行探测绑定更新及多播数据的提前缓存；

步骤204：反应模式切换；

假如飞机已经进入下一个MAG域并完成了二层链接，则进行反应模式切换，NMAG需向PMAG申请转发多播数据，且由于连接已经建立，则此时直接进行绑定更新；

步骤205：预测模式中的探测绑定更新；

图3中详细说明了预测模式中探测绑定更新的信令流程图，NMAG通过发送TPBU消息及多播支持信息，最终得到LMA的确认，完成探测绑定更新过程；

步骤206：预测模式中多播数据预缓存；

当完成探测绑定更新后，LMA向NMAG下发飞机上移动节点所需多播数据，NMAG将其缓存，等待飞机完成二层连接建立后进行转发；

步骤207：反应模式中多播数据的缓存；

当进入反应模式时，NEMO网络已经接入NMAG了，故NMAG向PMAG发送切换初始化信息，PMAG发送多播支持消息给NMAG并建立双向隧道转发所需多播数据；

步骤208：反应模式中绑定更新；

图4中详细说明了反应式中绑定更新的信令流程图，NMAG通过发送PBU消息及多播支持信息，最终得到LMA的确认，完成绑定更新过程，并完成NEMO的多播无缝切换；

步骤209：预测模式中绑定更新：

在飞机上NEMO完成二层切换后，NMAG发送绑定更新消息给LMA，，LMA收到后回复绑定更新，完成绑定更新并完成NEMO的多播无缝切换。