基于MPLS無線接入網中的快速切換

李慧奇，鄒正英，張 琴 ，肖 瑞 （.華數網通信息港有限公司運維部，杭州 浙江 300；.中國聯通北京分公司，北京00038）

0 前言

隨著無線技術正在以前所未有的速度發展，各種新技術不斷地呈現，例如個人數字助理（PDA）、無線電腦、微型電話等等。當移動節點（MN）在IP掩碼間移動時，移動IP（MIP）通過隱藏IP地址提供無縫移動，為用戶漫游到本地網和本地代理（HA）以外的地區提供一個框架。

然而，MIP并不支持切換敏感環境下的快速切換和無縫鏈接，將MPLS應用到基于IP的無線接入網中可以有效地減少頻繁注冊產生的切換時延。基于MPLS的無線接入網的微移動方案有3個優勢。

a）允許約束路由，并且支持無線接入網絡中的流量工程。

b）在無線接入網絡中，只由標簽交換路由器（LSR）處理標簽交換以及和MN移動性相關的基站，包括本地代理（HA）或外地代理（FA）。

c）通過使用路徑保護和重新存儲方案，提高網絡的可靠性。

本文提出的一種基于MPLS的無線接入網微移動方案是在建立標簽交換路徑時引入了中間級的標簽信息庫，從而更加有效地減少了端到端的時延和外地代理的負載。

1 微移動方案概述

1.1 MN注冊

在基于MPLS的無線接入網絡中，需使用MIP注冊協議為MN建立一條標簽交換路徑（LSP）。FA周期性地廣播發送MIP通告信息給所有的MN，對于接收到的通告信息可按以下步驟處理（見圖1）。

a）在基于MPLS的無線網絡中，MN收到一個從FA廣播發送的通告信息后，首先要判斷它來自本地域，還是外地域。

b）MN發送一個注冊請求給FA，需要一個來自FA的臨時地址（CoA）。

c）FA再將這個注冊請求轉發給外地域代理（FDA），一般來說，這個注冊請求將被發送給HA。

d）FDA繼續將這個注冊請求再發送給HA。

e）HA接收到注冊請求并且獲得FDA的IP地址后，將使用標簽分發協議 （LDP）發一個標簽請求給FDA。

f）FDA回復一個LDP標簽交換信息給HA，從而在HA和FDA間建立一條LSP。

g）FDA發送一個標簽請求給MN的定位子網FA。

h）FA回復信息給FDA，該信息攜帶LDP標簽交換信息。信息到達FDA時，FDA和FA之間的LSP就建立了。

i）然后，HA搜索標簽表，找到MN的本地地址后，HA先將出口端口和出口標簽改為統同一值，然后再沿著從HA到FDA的LSP發送一個注冊應答給FDA。

j）FDA將沿著從FDA到FA的LSP轉發該注冊應答給FA。

k）FA接收到注冊應答后，將進來的注冊應答表的端口值和標簽號放在表中的“入口標簽域”和“輸入端口域”。

圖1 MN標簽交換路徑的建立

l）最后，FA將注冊應答返回給MN。

1.2 MN的切換進程

當MN從一個FA切換到同一個外域的另一個FA時，新FA基站將通過MIP的注冊請求信息，使用以下步驟通知FDA（見圖2）。

a）MN將通過新FA的通告決定是否需要做切換。

b）在同一個外地域中，當MN從一個子網切換到另一個子網時，將發送一個注冊請求給新的FA。

c）在切換過程中，MN通過發送一個綁定更新信息將新地址通知給舊的FA，允許舊的FA緩存MN的新綁定。如果FDA后來通過老的路徑發送包給MN，這個舊的FA將接收一個包，并且建立一條到新的FA的LSP，然后通過LSP將這些包發送給新的FA。

d）新的FA將注冊請求發送到FDA。

e）下一個FDA將發送一個標簽請求信息返回給新的FA。

f）新的FA接收到此標簽請求，并且回復一個標簽信息給FDA后，FDA和FA之間的LSP就建立了。

g）最后，從FDA發送一個注冊回復信息給新老FA和MN。

圖2 MN的切換過程

當流量通過網絡時，在每一個MPLS LSR內均有標簽表，這些表也成為標簽信息庫（LIB）。LIB被用來查詢下一個流的LSR。在LIB中的每一條路徑都包含一個入口標簽 （Label In）和一個出口標簽（Label Out），一個或更多的子路徑（見表1）。例如：要將一個包傳送到FDA路由器，它將到達LSR3的B端口，標簽為65。為了確定轉發地址，要到LIB表中查明該標簽，通過LIB得知，在B端口攜帶標簽值為65的數據包將通過標簽值為50的A端口進行轉發。和前面所提到的那樣，子路徑包含一個出口標簽和一個出口端口，入口標簽要被出口標簽代替，并且數據包會被轉發到下一個LSR的出口端口，LIB中的下一跳地址也如此設計。數據包離開MPLS域以前，要將MPLS域的頭部去除。如圖3所示，FA與FDA之間的路徑就是標簽交換路徑（LSP）。LSP和LIB之間通過標簽分發協議（LDP）維護，如需要建立一個新的LSP（例如MN在一個新的FA域），LDP將提供所需的信息更新。

表1 LSR3 LIB

圖3 MPLS至FDA的標簽轉發

2 一種MPLS無線接入網中的微移動方案

基于上述方案，本文提出了一種引入I-LIB的方案。在此方案中FDA將不能意識到MN的移動。當MN發送注冊請求給新FA，新FA將轉發這些信息給FDA，這個注冊請求將到達中間的標簽交換路由器3（LSR3），該路由器有一個支持MN的前向路徑，需要給MN建立一條從FA到LSR3的新LSP，而不是傳統從新FA到FDA的LSP，其架構如圖4所示。

圖4 MPLS快速切換架構

MN建立一個新的LSP需要修改LIB。例如：為了指向新FA，要改變表的出口和出口端口域。另外，LIB也需要額外的域。這些額外域包括標簽、新的CoA、老的CoA、MN地址和計時器（見表2）。本方案中將基于FA和FDA之間的不同LSR擴展LIB，這個擴展的LIB被稱為中間的標簽信息庫（I-LIB）。

先從舊CoA和新CoA域來討論額外域，因為HA和FDA都是從舊CoA中識別MN，這個I-LIB需要將CoA替換正確。如果一個包發送給MN，那么I-LIB將需要交換新老CoA，因為新的FA需要識別接收包的MN。如果MN發送一個包，I-LIB也必須交換新老CoA，因為FDA和HA需要從老的CoA中識別MN包。轉變CoA就意味著要通知I-LIB進行額外的交換，這個步驟通過將標記設置為1來完成（建立一個新的LSP標記也設置為1）。當標記設置為1時，I-LIB將比較MN當前的CoA和新CoA、舊CoA，如果MN當前的CoA不同于舊CoA，那么I-LIB將用MN的當前CoA和舊CoA域中的作交換。如果標記設置為0，則將不需要交換。在使用計時器來決定MN是否需要激活 （例如傳輸/接收數據包或者LSP不在可用），每個輸入和輸出表都對此計時器進行刷新。當時間溢出的時候，網絡假設MN是空閑狀態，并且在I-LIB中為MN刪除一條LSP入口。同樣，對于中間級的LSR ILIB，注冊請求表將不僅包含新的CoA，也包含老的CoA。計時器將有助于阻止I-LIB變大，在表索引和記憶管理中編程導致沒有必要的時延。

表2 具有I-LIB的LSR3

切換過程中，MN要發送一個綁定信息，將它的新CoA通知給舊FA。允許舊FA緩存MN的新綁定將有助于減少包丟失有2個原因。

a）在切換期間，I-LIB將配置新的LSP，導致包走向舊FA，這就要允許舊FA發送包給新FA。

b）如果I-LIB沒有正確配置新LSP（標記沒有變成），那么舊FA將能夠發送包給新FA。

因此，如果舊FA由于這2個原因接收到包，那么舊FA將能夠建立到新的FA的一條LSP，并且通過LSP將包發送給新FA。其切換流程如圖5所示。

在基于MPLS的無線網絡中使用I-LIB的優勢是：和傳統的相比，建立一個新LSP有更小的時延。另一個優勢是減少了FDA上的負載。當幾個MN進入FDA或者幾個切換同時發生將會產生瓶頸。建立從FA到FDA的LSP開銷最終要擴散到MPLS領域。不幸的是，在建立從FA到中間級的LSR的LSP的開銷是增加的，因為LSR有能力創建新的LSP。傳統上說，中間的LSR將交換表和發送包。圖5顯示了MN的切換進程。

3 結束語

隨著對時延敏感的無線設備的廣泛使用，為了提高服務質量，在切換期間建立LSP有必要考慮更低的端到端時延。本文提出了一種基于MPLS的無線接入網的微移動方案，將I-LIB融合到MPLS發送中，當MN從一個FA移動到屬于同一個外域的另一個FA時，不需要和MN的HA進行通信。與傳統的方案相比，在建立LSP的過程中，具有更小的端到端時延。

圖5 MN快速切換進程

［1］R.Langar，S.Tohme.Micro Mobile MPLS：A New Scheme for MicromobilityManagement in 3G All-IP Networks ［C］//In Proceeding IEEE Computers and Communications（ISCC）.2005：301-306.

［2］王樹軍，畢光國.一種基于MPLS的無線接入網微移動方案［J］.電路與系統學報，2008，13（5）.

［3］任金秋，張建輝，汪斌強.支持多故障恢復的MPLS快速重路由［J］.計算機工程與設計，2008，29（15）.

［4］周斌，張陽安，黃永清，等.基于軟硬件協同處理的MPLS路由器實現結構［J］.光通信技術，2008，32（4）.

［5］Wang Zhaoxia，Sun Yugeng，Wang Zhiyong，et.al.Quality of service routing strategy using supervised genetic algorithm ［J］.Transactions of Tianjin University，2007，13（1）：48-52.