衛星網絡移動性管理協議S-MIPv6

竇志斌

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

衛星網絡移動性管理協議S-MIPv6

竇志斌

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

天基網絡要求衛星具有跨波束、跨衛星的移動性管理功能，而傳統地面網絡中的移動性管理協議MIPv4和MIPv6都無法同時支持單節點和子網的移動性。針對以上問題提出了一種基于IPv6的同時支持單節點和移動子網的移動性管理協議—S-MIPv6，該協議充分吸收了MIPv6、NEMO和PMIPv6協議的優點，采用基于網絡的移動性管理架構，并根據衛星空間組網的特點優化了信令流程，降低了鏈路通信開銷。同時對S-MIPv6協議的入網、域內和域間切換開銷給出了理論分析，為后續S-MIPv6協議的實現和完善奠定了基礎。

衛星通信；移動性管理；移動子網；天基網絡

0 引言

IP業務使衛星網絡的移動性管理復雜化。由于IP地址承載了身份和位置雙重語義，而星載路由器根據波束劃分IP網段，因此當接入終端發生波束切換后，其IP地址會發生變化，從而導致IP業務流發生中斷。低軌LEO衛星、空基飛行器（如導彈和飛機等）由于波束切換頻繁，其移動性管理問題更加突出，鑒于此衛星網絡必須解決接入終端的移動性管理問題。

一方面IPv4在設計時沒有考慮節點的移動性，因此基于IPv4的移動IP協議（即MIPv4［1］）需要對IP協議棧進行修改，在應用層運行移動IP代理，這導致MIPv4協議無法兼容已有的IPv4節點；另一方面，IPv6在設計時加入了對移動IP協議的支持（即MIPv6［2］），且考慮更好地與地面網絡的IPv6化融合，衛星網絡采用基于IPv6承載的移動性管理協議是當前的發展趨勢。

在深入研究移動IP協議的基礎上，結合衛星網絡拓撲稀疏、單衛星多波束等特點，提出了域內、域間區分處理的衛星網絡移動性管理協議——S-MIPv6，能夠解決單節點和子網的移動性問題，且降低了信令開銷和切換時延。

1 S-MIPv6協議

衛星網絡中的移動性管理無法照搬地面的MIPv6標準，這是由于MIPv6僅支持單節點移動而不支持子網移動；MIPv6擴展NEMO［3］雖然支持子網移動，但是其繼承了MIPv6的缺點，即移動節點需要參與移動性管理相關的信令過程，增加了部署和管理的難度；PMIPv6［4］僅支持單節點移動性。FMIPv6［5］和FPMIPv6［6］分別對MIPv6和PMIPv6進行改進，加入了快速切換功能，但仍僅支持單節點的移動性管理。LISP［7］采用身份和位置分離的思想，但是需要標識映射服務支持，其相關標準未成熟，目前較難兼容現有體系。文獻［8－10］分別考慮了移動網絡的網絡管理、分簇路由和網絡定位，但都未涉及網絡的移動性管理。

S-MIPv6協議將衛星網絡劃分為多個域，每個衛星及其所含波束對應一個本地移動域，域內采用改進的PMIPv6協議，而域間（衛星間）采用改進的MIPv6協議。S-MIPv6協議的設計充分考慮了波束切換的特點，即移動節點／子網的異星異波束切換頻率遠遠小于同星異波束切換概率（因為每個衛星波束的覆蓋范圍廣），因此大大降低了星地鏈路的通信次數。

以下僅以移動節點MN為移動路由器（即下掛移動子網）的情況進行說明，移動節點為單節點的情況是其特例，不再單獨說明。

1.1 邏輯網元

S-MIPv6協議中主要邏輯網元的定義如下，其它網元遵循MIPv6、NEMO或PMIPv6中的相關定義。

1.1.1 移動接入網關（Mobile Access Gateway，MAG）

MAG為附著在其鏈路上的MN代理其相關的移動信令，并負責與LMA進行信令交互、維護MAG與LMA之間的雙向隧道。MN在域內移動時，僅需LMA及時更新MN與MAG的映射關系。MAG還負責跟蹤MN的移動，并向附著在其鏈路上的MN發送路由通告消息。

1.1.2 本地移動錨點（Local Mobility Anchor，LMA）

LMA管理其管轄域內所有MAG實體與對應MN之間的映射關系。LMA與MN所在的MAG之間通過雙向隧道來解決MN在本LMA管轄的不同MAG之間移動的問題。LMA集中控制所有相關的家鄉網絡前綴（HNP），并記錄和維護所有已經分配給其管轄內的所有HNP。

1.2 域內移動

定義域內移動為同星異波束切換，如圖1所示。MN下掛子網的網絡前綴為MN-HNP1，由網絡在MN初始入網時分配。定義單顆衛星為一個本地移動域（LMD），在圖1中衛星＃1對應的本地移動域為LMD1。規定每個波束對應一個MAG，命名方式為MAG＋衛星編號＋波束編號。每個移動域包含一個LMA，命名方式為LMA＋衛星編號。每顆衛星的LMA和各波束對應的MAG通過內部網絡互聯。圖1中附著在網元上的圓圈表示該網元的一個IP接口，圖上標注的是其IPv6地址。如MAG11的IP接口對應的IPv6地址為Proxy-CoA11，命名方式為Proxy-CoA＋衛星編號＋波束編號。LMA1有2個IP接口，一個為內部接口LMAA1，另外一個為對外接口Proxy-CoA_LMA1，后者通過星間鏈連接到衛星網絡。圖1中所示的與MN通信的節點CN位于其他衛星。域內移動場景如圖1所示，從MAG11對應的波束切換到MAG1n對應的波束，域內移動的特點是MAG發生了改變，而LMA不變。

圖1 域內移動場景

1.3 域間移動

定義域間移動為異星異波束切換，如圖2所示。域間移動的特點是MN在波束切換前、后分屬不同的LMD，在圖2中為LMD1和LMD2，即其對應的LMA管理實體發生改變。

圖2 域間移動示意

2 移動性管理

2.1 域內移動性管理

域內移動性管理基于PMIPv6協議，并通過對該協議進行改進增強來滿足衛星網絡的移動性管理需求，即通過增加協議消息字段獲取MN家鄉代理的IP地址來使PMIPv6能夠與MIPv6協議相結合，使其能夠同時支持域內、域間移動性管理，并降低信令開銷。

2.1.1 MN初始附著S-MIPv6域

MN初始入網，不妨設MN最終選擇在如圖1所示的MAG11所對應的波束進行駐留，在完成鏈路層的附著后，執行如下的網絡層的連接配置：

①生成鏈路本地地址，并可選地對該地址運行重復地址檢測（DAD）；

②MN發送路由請求消息RS到MAG11；

③根據MAG11應答的路由通告消息RA，MN設置單播可路由地址并對其運行DAD，并根據單播可路由地址設置節點請求多播地址，加入所有節點多播組；

④根據RA消息設置缺省路由（包括設置默認路由器的鏈路本地地址、鏈路層地址等）；

⑤如果該MN是移動路由器，則需要向該移動子網通告移動網絡前綴MN-HNP1；

⑥MN保存LMA1的單播可路由地址，即Proxy-CoA_LMA1。該地址包含于RA消息中，用于域間切換。

定義MN初始附著于MAG11所對應LMA1為該MN的家鄉代理，記做LMA1MN（HA）。在不引起歧義的情況下簡記為LMA1（HA）。

過程②和過程③涉及到的與其他邏輯網元的交互流程如圖3所示。

MN根據IPv6規范發送路由請求消息RS到所屬波束的MAG11，MAG11收到RS請求后，代表該MN向LMA1（HA）發送代理綁定更新消息PBU。該PBU消息是對MIPv6綁定更新消息BU的擴展。LMA1需要查看綁定緩存（Binding Cache，BC）是否包含該PBU對應的MN條目。BC是MIPv6規范定義的綁定緩存的擴展版本，加入了多個擴展字段，包括MN ID、服務該MN的MAG的ID、IP地址等。若該請求被接受，則MN在該S-MIPv6域（包括域內和域間）使用的單播可路由IP地址HoA，及其對應的移動子網的網絡前綴都要根據MH-HNP1進行配置生成。MH-HNP1的分配由LMA1（HA）決定，其分配策略可以是預先指定或全局配置，但必須滿足該MH-HNP1由該MN及其子網專享，且屬于LMA1（HA）的管轄范圍。

圖3 MN初始附著S-MIPv6域

LMA1與MAG11之間的數據傳輸采用IP-in-IP的雙向隧道方式。隨后LMA1（HA）創建代理綁定應答PBA消息并發送至對應的MAG11。該PBA消息包括了對應的PBU消息的請求結果，同時也包括MN的MN-ID、分配給該MN的HNP、LMA1（HA）的對外單播可路由地址Proxy-CoA_LMA1。若MAG11收到的PBA消息為接收該注冊請求，則MAG11需要為該MN設置轉發規則，進行IP-in-IP隧道封裝。

當MAG11完成對該PBA消息的處理后，MAG11要以RA消息響應MN發出的RS消息。該RA消息通告MN其分配的MH-HNP1、LMA1（HA）的單播可路由地址等相關信息，隨后MN節點根據MH-HNP1配置其單播可路由地址，并根據全網配置決定是否運行DAD，以及設置對應的節點請求多播地址、所有節點多播地址。

2.1.2 域內切換流程

MN在S-MIPv6域內的切換流程如圖4所示，圖中方框中的流程命名為去附著流程。當MN離開附著的鏈路時，MAG11檢測到相關的去附著事件，向LMA1（HA）發送一個注銷消息。LMA1（HA）收到該注銷消息后，并不馬上刪除與該MN有關的綁定緩存條目（BCE），而是啟動一個可調整的定時器，當該定時器超時，則刪除該BCE。當MAG11收到對應該注銷PBU消息的PBA消息后，立即刪除所有與該MN相關的狀態信息。

圖4 MN域內切換流程

MN在發送的RS消息中要包含其在初始入網階段獲得的MN-HNP1和LMA1Proxy-CoA_LMA1。這2個字段僅用于域間切換，但是由于MN無法感知是何種切換，因此始終在RS消息中攜帶這2個字段。

MAG1n檢測到MN的附著，向LMA1（HA）發送PBU消息進行注冊。LMA1（HA）收到該請求后檢測到在BC中存在一個與該MN對應的條目，因此僅更新該條目相關的字段信息。LMA1（HA）發出的應答消息PBA包含相同的MN-HNP1，因此MN收到的網絡前綴不變。此外，為了保證鏈路層完全對MN透明，MAG1n發送的RA消息要包括與MAG11相同的鏈路本地地址和鏈路層地址（即MAG1n與MAG11具有相同的鏈路本地地址和鏈路層地址），否則MN會檢測到缺省路由的改變。

2.2 域間移動性管理

域間移動性管理以MIPv6協議為基礎，針對衛星網絡特點進行優化，即將移動性管理信令功能從MN中剝離，轉由該MN當前附著的MAG所對應的LMA負責。與MIPv6協議類似，S-MIPv6對域間移動的情況同時支持業務流經由HA隧道轉發和路由優化兩種模式。與域內切換流程相比，MN的域間切換流程增加了LMA2向LMA1（HA）進行綁定更新流程和可選的路由優化流程（后主用于解決三角路由），而去附著流程與域內切換相同。由MN發出的RS消息中包括MN-HNP1以及LMA1（HA）的單播可路由IP地址。MAG21向LMA2發送的PBU消息包括MN-HNP1和LMA1（HA）的地址Proxy-CoA_ LMA1。LMA2隨后向LMA1（HA）發起綁定更新流程通知LMA1（HA）更新其BCE，并獲取該MN的相關信息以及建立LMA1（HA）與LMA2之間的雙向轉發隧道。同時，路由優化模式要求LMA2向MN的通信對端節點CN發起類似的綁定更新流程，從而避免三角路由。在域間切換流程中，MAG21通過解析收到的PBA消息向MN發送RA消息。在該RA消息中包含的MN-HNP1、路由器的本地鏈路地址和鏈路層地址保持不變，因此MN在IP層面感知不到網絡變化。

3 性能分析

3.1 入網時延

設入網時延為Tia，由入網的11個步驟組成：①對MAG11的鏈路層附著；②生成本機回環地址；③生成鏈路本地地址；④MN向MAG11發送路由請求消息RS；⑤MAG11向LMA發送消息PBU；⑥LMA向MAG11發送應答消息PBA；⑦MAG11向MN發送應答消息RA；⑧MN根據RA消息設置其單播地址、節點請求多播地址；⑨根據RA消息，MN設置缺省路由器；⑩向移動子網通告網絡前綴MN-HNP1；? MN保存LMA1的單播可路由地址。

除步驟①、③、④和⑦之外的時間開銷可忽略不計。步驟①中，鏈路層附著延遲Tll_total（MN）與使用的鏈路層技術相關。步驟③中，MN需要對生成的本地鏈路地址運行DAD。該時間與星地鏈路的傳輸時延、DAD參數的設置相關。若按照IPv6協議的建議值，則對于衛星場景，該時間開銷大于3 s。若保證該鏈路本地地址不會與其他接入用戶的鏈路本地地址發生沖突，則無需DAD過程。步驟④中的時間開銷為星地鏈路的傳播延時，記為Tprop（MN）。步驟⑦中，IPv6規定RS的應答RA必須隨機延遲一段時間，該時間服從均勻分布U［0，MAX_RA_ DELAY_TIME］，且后續的RA消息必須是限制發送頻率的，發送間隔必須大于MIN_DELAY_ BETWEEN_RAS。因此總的時間開銷為：U［0，MAX_RA_DELAY_TIME］＋Tprop（MN）。綜上，當禁止DAD時有：

由于取消了DAD過程，為了防止多個節點同時發送RA消息對網絡造成沖擊，RA的發送必須隨機延遲一段時間U［0，MAX_RA_DELAY_TIME］。

3.2 域內開銷

3.2.1 切換開銷

記域內切換時延為Tintra-domain-HO（MN），域內切換流程分為4個步驟：

①MN去附著MAG11，記為Tll_detach（MN）；

②MN附著MAG1n，同初始附著，為Tll_total（MN）；

③MN向MAG1n發送路由請求消息RS，為傳播時延Tprop（MN）；

④MAG1n向MN發送路由應答消息RA，為傳播時延Tprop（MN）。綜上，域內切換的時間開銷為：

3.2.2 數據緩存開銷

為了保證MN在域內切換時不發生丟包，假設MN的業務速率為SMNbps，則MN的緩存長度要大于SMN×Tintra-domain-HO（MN）。

3.3 域間開銷

3.3.1 切換開銷

記域間切換時延為Tinter-domain-HO（MN），域間切換流程分為6個步驟：

①MN去附著，同為Tll_detach（MN）；

②MN附著，同為Tll_total（MN）；

③MN發送RS消息，為傳播時延Tprop（MN）；

④BU消息（LMA2-＞LMA1），為星間鏈路傳播時延，記為Tprop（LMA2，LMA1，MN）；

⑤BUA消息（LMA1-＞LMA2），為Tprop（LMA2，LMA1，MN）；

⑥MAG21向MN發送路由應答消息RA，為傳播時延Tprop（MN）。綜上，域間切換的時間開銷為：

3.3.2 數據緩存開銷

①MN：為了保證MN在域間切換時不發生丟包，假設MN的業務速率為SMNbps，則緩存的長度要大于SMN×Tinter-domain-HO（MN）；

②LMA1（HA）：由于CN并不知道MN已經移動到LMA2：MAG21所管轄的網段，因此LMA1（HA）會收到CN發給MN的數據包，在MN的切換時間里，LMA1（HA）要緩存來自CN的數據包，假設CN的業務流速率為PCNbps，則需要的緩存大小為：PCN×Tinter-domain-HO（MN）。

4 結束語

針對現有的移動性管理協議無法對衛星網絡環境下的子網、單節點的移動性提供支持，提出了一種結合PMIPv6和MIPv6思想的移動性管理協議。S-MIPv6協議將衛星網絡劃分為域內和域間，針對域內移動性，改進PMIPv6協議，當MN在本地域內移動時，不需要向HA進行信令交互，只需要更新LMA與MAG的映射關系，采用雙向隧道解決域內移動性，因此降低了信令開銷和切換時延；針對域間移動性，S-MIPv6采用MIPv6思想解決PMIPv6無法跨越多個LMA實體進行移動性管理的問題。給出了S-MIPv6協議對MN的入網時延等指標的性能分析，為后續的協議設計提供了支撐，滿足衛星網絡對子網、單節點移動性管理的需求。

［1］PERKINS C E.IP Mobility Support for IPv4［S］.IETF，RFC 5944，2010.

［2］PERKINS C E，JOHNSON D，ARKKO J.Mobility Support in IPv6［S］.IETF RFC 6275，2011.

［3］DEVARAPALLI V，WAKIKAWA R，PETRESCU A，et al. Network Mobility（NEMO）Basic Support Protocol［S］. IETF RFC 3963，2005.

［4］GUNDAVELLI S E，DEVARAPALLI V，PATIL B.Proxy Mobile IPv6［S］.IETF RFC 5213，2008.

［5］KOODLI R E.Mobile IPv6 Fast Handovers［S］.IETF RFC 5268，2009.

［6］YOKOTA H，CHOWDHURY K，PATIL Batil.Fast Han-dovers for Proxy Mobile IPv6［S］.IETF RFC 5949，2010.

［7］FARINACCI D，FULLER V，MEYER D，et al.The Locator／ID Separation Protocol（LISP）［S］.IETF RFC 6830，2013.

［8］王 景，鄧建良.基于移動代理的MANET網絡管理任務切換［J］.無線電通信技術，2011，37（3）：1－3.

［9］張緒昌，何加銘，謝志軍，等.無線傳感網絡移動分簇路由策略［J］.無線電通信技術，2012，38（5）：6－8，42.

［10］王 輝，熊 飛，谷源濤.移動Mesh網絡定位系統研究［J］.無線電通信技術，2012，38（1）：12－15.

A Mobility Management Protocol S-MIPv6 for Satellite Networks

DOU Zhi-bin
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

In the space-based network，the satellites are required to have the capability of inter-beam and inter-satellite mobility management functions，and in the traditional ground-based network，the mobility management protocols（i.e.MIPv4，MIPv6）are incapable to support simultaneously the mobility of nodes and networks.Based on this problem，this paper puts forward an IPv6-based mobility management protocol（S-MIPv6）.S-MIPv6 adopts the design principles of MIPv6，NEMO and PMIPv6，and optimizes the signa-ling flow based on satellite networking characteristics for radio-link communication overhead reduction.The theoretical analysis is performed for the overhead of three core S-MIPv6 procedures：initial network access，intra-domain handover and inter-domain handover，which provides the guideline for the implementation and improvement of S-MIPv6.

satellite communications；mobility management；mobile subnetwork；space-based network

TP393.11

A

1003－3106（2015）10－0011－05

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.03

竇志斌.衛星網絡移動性管理協議S-MIPv6［J］.無線電工程，2015，45（10）：11－15.

竇志斌男，（1980—），博士，工程師。主要研究方向：移動通信、衛星通信和計算機網絡。

2015-07-08

國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）資助項目（2012AA01A505）。