基于多接口的內容源移動性管理機制

任 飛， 秦 雅 娟， 周 華 春， 徐 雅 琨

( 北京交通大學 電子信息工程學院， 北京 100044 )

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基于多接口的內容源移動性管理機制

任 飛， 秦 雅 娟*， 周 華 春， 徐 雅 琨

( 北京交通大學 電子信息工程學院， 北京 100044 )

內容中心網絡(content-centric networking,CCN)實現了基于內容的信息傳輸以及泛在的網絡緩存功能，但是，CCN中內容名字和位置的綁定使得其應用于移動網絡時面臨著基于內容名字的路由收斂問題，尤其是當內容源移動時．針對此問題，提出一種基于多接口的內容源移動性管理機制．在網絡中部署多接口移動內容路由器，路由器通過內向和外向接口先后執行切換，使得中斷間隔時延最?。ㄟ^數學建模分析切換性能，并進一步分析切換的中斷間隔時間，研究影響切換時延的主要參數．實驗結果表明，通過合理配置主要影響參數信道掃描頻率及移動內容路由器間距，可以提高切換性能，實現無縫切換．

內容中心網絡；多接口；內容源移動；切換

0 引 言

移動性問題一直是伴隨著互聯網發展的一個長期挑戰，從支持主機移動性的移動IPv6協議(Mobile IPv6，MIPv6)[1]到支持網絡移動性的代理移動IPv6協議(Proxy Mobile IPv6，PMIPv6)[2]，一些學者和研究機構不斷提出各種解決主機或網絡移動的關鍵性問題．內容中心網絡(content-centric networking，CCN)[3-4]作為未來網絡的發展趨勢，改變了傳統互聯網端-端的通信模式，請求者只需發布請求內容的名字，即可從緩存該內容的附近節點獲?。d趣包觸發模式使得CCN固有地支持請求者的移動，內容請求者在移動后只需重新請求未收到的數據包即可繼續執行通信過程．但是對于內容源的移動性來說則更復雜，考慮到CCN層次命名機制及為了便于路由收斂的目的，攜帶內容名字的內容源在移動之后需要根據物理位置重新生成內容名字，由于新的內容名字未能及時更新造成了通信中斷并產生了較大的切換時延．因此，有效解決內容源的移動性問題成為研究CCN移動性的關鍵和挑戰[5-6]．

CCN有兩種數據包類型，興趣包(Interest) 和數據包(Data)，每個內容實體有一個全球唯一的內容名字．請求者向網絡中廣播帶有內容名字的Interest消息，享有該內容的內容源或緩存該內容的中間路由器以Data消息的形式返回所請求的內容．當請求者在通信過程中發生移動，請求者可以重播Interest消息請求未收到的數據包．但層次命名需要考慮路由收斂，內容源在執行切換之后，內容名字需要根據拓撲位置改變．由于路由更新會帶來較大的時延，在內容源移動場景下，如何減小和避免切換時延，實現無縫切換是研究CCN移動性問題的巨大挑戰．目前已提出一些針對CCN內容源移動的解決方案[7-9]，Hermans等[7]提出間接切換機制，由網絡中的一臺服務器管理內容名字的原前綴和目標前綴的綁定關系，接收切換過程中發送的數據包并進行前綴替換，采用隧道的方式發往內容源的新位置．文獻[8]部署了一個DNS服務器解決內容源的移動，基于DNS的服務器維護了內容源的位置和內容名字間的綁定關系，內容名字的變化以及內容的查找都需要向DNS更新和請求．文獻[9]中由部署的服務器負責在家鄉域和外地域之間傳輸數據包，數據包到達服務器需要進行封裝和解封裝，通過隧道進行傳輸．

以上現有的解決CCN內容源移動的方案都是采用部署第三方服務器的方式，通過第三方服務器來管理內容名字之間、內容名字-位置之間以及位置-位置間的綁定關系．這種方式雖然保證了內容源的位置可達性，但是引入的控制信令和數據流量給第三方服務器帶來了較大的負擔．其次，所有數據包都必須經由第三方服務器到達目的端，其非優化路徑違背了CCN設計的理念，同時浪費了網絡資源．第三，單節點故障不可避免，無縫切換性能得不到保證，一旦第三方服務器發生故障會造成通信的永久中斷．

本文提出一種基于多接口的內容源移動性管理方案，通過在網絡中部署兩臺或多臺移動內容路由器(mobile content router，MCR)為所在域的移動節點提供切換支持．除此之外，還提出一種切換模型，通過改變相關的參數分析其在切換過程中對數據包轉發性能的影響．

1 多接口內容源移動性方案

在CCN中，請求者移動后僅需重播未收到的數據包．對于內容源的移動，為了便于路由收斂，內容源在移動到新的物理位置后，內容名字需要根據拓撲位置而改變．因此，本文僅針對內容源移動的場景展開研究，通過移動內容路由器的兩個接口交替負責移動過程中的切換執行和數據傳輸．因此，內容源在移動過程中無需改變內容名字，即可達到切換的目的，請求者移動場景同樣適用于該方案．

本文部署的MCR中，每臺MCR部署兩種類型的接口：內向接口和外向接口，內向接口負責與所在域的移動節點相連，外向接口負責執行切換．基于多接口的內容源移動性管理方案可以有效控制MCR執行切換的時間，從而縮短切換間隔時間(即節點切換過程中沒有執行數據包交互的中斷時延)．

在基于多接口的內容源移動性管理方案中，MCR定位在不同的位置，當內容源發生移動時MCR可以在不同時間執行切換，此時傳輸到執行切換的MCR處的數據流通過未執行切換的MCR接收．如果MCRs都在進行切換，沒有未執行切換的MCRs接收數據包，則數據包被臨時緩存在MCR上，帶來了切換時延，稱這個階段為中斷間隔，迫使數據包被緩存或丟棄，造成切換時延增加或丟包問題．因此，中斷間隔越小或者為零，則意味著可以實現無縫切換．令先執行切換的MCR為MCR1，后執行切換的為MCR2，由以上可知，MCR1越早執行切換且MCR2越晚執行切換，產生的中斷間隔越?。疄榱吮苊鉄o效且頻繁的信道掃描帶來額外開銷，當且僅當MCR1進入接入點(access point，AP)的邊界域時通過定期的信道掃描預測是否執行切換，當MCR1掃描到新的ACR域時立即執行切換．相反，對于MCR2則要求掃描的信道頻率覆蓋信號低于某一閾值時執行切換，以延長MCR2的切換執行時間．本文假設MCR能夠主動檢測信道及AP信息，且先執行切換的MCR只要檢測到新的AP即執行切換，而后執行切換的MCR則需要接入信號強度即將達到閾值時執行切換，該閾值如何設置不在本文考慮范圍內．

基于多接口的內容源移動方案如圖1所示，該方案適用于多個內容源和多個移動內容路由器構成的移動域場景．為方便起見，本文以一個內容源和兩個移動內容路由器構成的移動域進行分析，且內容源和移動內容路由器都具有多個接口．其切換步驟如下：

(2)當CS移動到ACR2域，MCR1檢測到ACR2的AP信號，MCR1準備執行切換．此時，通信節點(correspondent node，CN)正在同CS進行通信，為了保證通信不中斷，MCR2仍同ACR1保持連接以發送/接收數據包．

圖1 基于多接口的內容源移動方案

在以下兩種情況時MCR2執行切換：(a)MCR1完成同ACR2的連接，并代替CS完成新內容名字的配置；(b)ACR1覆蓋信號達到閾值，MCR2則將CS發送的數據包緩存在本地，待MCR1完成(a)過程后執行切換，再將數據包傳給CS．

(3)MCR1切換完成后，MCR2開始切換．當兩個MCR同時接入一個ACR時，先完成切換的MCR處于預切換狀態，等待下次切換到來．

2 分析模型

本章給出基于多接口的內容源移動模型，通過模型分析切換影響因素．由上文分析可知，切換性能受中斷間隔時間的影響，因此首先描述切換場景，并詳細闡述影響切換時延的各項參數．其次，得出中斷間隔時間的概率密度函數，解釋提出的數學假設．

2.1 切換場景

本文的內容源切換場景如圖2所示，由兩個接入域ACR1和ACR2組成，每個ACR域配置了兩個AP且AP2和AP3屬于邊界AP，由邊界AP共同覆蓋的區域為重疊覆蓋域．移動域包含了兩個MCR和一個CS，CS從ACR1域的AP2移動到ACR2域的AP3．ACR同AP共同組成接入域，負責為移動節點提供接入功能，CS從一個ACR域切換到另一個ACR域即為一次切換．

圖2 內容源切換場景

2.2 移動切換

當內容源從ACR1域移動到ACR2域，MCR2在MCR1切換完成之后執行切換，這個過程僅存在數據傳輸時延，可以被忽略．然而，當MCR2即將執行切換但MCR1沒有完成切換時，MCR2需要緩存接收的數據包，緩存時間造成了切換時延的增加．因此，需要著重分析MCR1完成切換且MCR2開始切換的時間．假設當MCR1進入AP3重疊覆蓋域的時間為0，MCR1完成切換的時間即為MCR1從ACR2域接收數據包的時間，記MCR1切換時間為TMCR1，可以得到

TMCR1=TAP+TL2+TRA+Tother

(1)

式中：TAP為MCR執行AP檢測的時間，依賴于MCR的掃描頻率，該文假設掃描頻率為n次/s，則TAP服從[0,1/n]的均勻分布．TL2為L2層切換時間．TRA為MCR接入到新的ACR收到路由通告(router advertisement，RA)所需時間，CS根據路由通告的前綴信息生成基于拓撲信息的內容名字．Tother包括重復內容名字檢測以及MCR與CS及ACR間的信令交互所需時間．

2.3 切換時延的概率密度函數

路由通告消息定期發送以通告路由器有效，MCR也可以主動向ACR發送路由請求，TRA限定范圍在最大(最小)重傳確認間隔之間．根據MCR接收請求RA消息的形式，可以得到TRA=[W,U]min，W表示L2層切換建立到接收到從RA缺省通告列表中得到RA消息的時間間隔；U表示L2層切換建立到接收到第一個非請求RA消息的時間間隔，計算得到W和U的分布函數為[10]

(2)

(3)

其中Io為前MCR1所接入的前一個ACR的最大重傳確認間隔，Imax(Imin)為MCR1接入的新ACR的最大(最小)重傳確認間隔，tMA為MCR和ACR間信令傳輸時延．由式(2)和(3)可得TRA的概率密度函數為

(1)當2tMA≤tRA

(4)

(2)當Imin+tMA≤tRA≤Imax+tMA，

(5)

(3)其他，

fTRA(tRA)=0

(6)

由式(1)得出，MCR1的切換時延可以看作由固定時延(TCON=TL2+Tother)和隨機時延(Tran=TAP+TRA)兩部分組成．為了得到MCR1切換時延的概率密度函數,需要計算MCR1在AP接入檢測和RA路由通告過程中的隨機時延，令T代表總的時延,則T的概率密度函數可以表示為

(7)

tAP)]/Io(Imax+Imin)}dtAP

(8)

tAP)]/Io(Imax+Imin)}dtAP

(9)

(3)當Imin+tMA≤tM1

tAP)]/Io(Imax+Imin)}dtAP+

Imax)/Io(Imax+Imin)}dtAP+

(tM1-tAP)]/Io(Imax+Imin)}dtAP+

Io(Imax+Imin)}dtAP

(10)

(4)當Imin+tMA+1/n≤tM1

Imax)/Io(Imax+Imin)}dtAP+

tAP)]/Io(Imax+Imin)}dtAP+

Imin)}dtAP

(11)

(5)當Imax+tMA≤tM1≤Imax+tMA+1/n，

Imax)/Io(Imax+Imin)}dtAP+

(tM1-tAP)]/Io(Imax+Imin)}dtAP+

Io(Imax+Imin)}dtAP

(12)

2.4 中斷間隔的概率密度函數

本節分析中斷間隔的概率密度函數，如圖2所示，假設AP信號覆蓋區域為規則六邊形，AP2和AP3的重疊覆蓋區直線跨度為D，MCR1與MCR2間的距離為L．MCR1進入AP重疊覆蓋區域的時間起點為0，則MCR2執行切換過程的時間TMCR2=(D+L)/v，v為內容源移動速度．如2.2節所述，當MCR1完成切換后MCR2開始執行切換，沒有中斷間隔時延產生；當MCR2在MCR1切換過程中執行切換，則產生中斷間隔時延，即Titr=TMCR1-TMCR2=tM1+TCON-(D+L)/v，由于第二項和第三項可記作常量，為方便計算令k=TCON-(D+L)/v，結合式(5)給出中斷間隔時延titr小于定值t的分布函數為

(1)當t<2tMA+k，

Pitr(titr

(13)

(2)當2tMA+k≤t<2tMA+k+1/n，

Io(Imax+Imin)}dtitr+

(titr-k)/Io(Imax+Imin)}dtitr+

2tMA)]/Io(Imax+Imin)}dtitr

(14)

(3)當2tMA+k+1/n≤t

Io(Imax+Imin)}dtitr+

6tMA)(titr-k)/Io(Imax+

Imin)}dtitr+

Imin+2tMA)]/Io(Imax+Imin)}dtitr+

Imax+4(titr-k))+2]/nIo(Imax+

Imin)}dtitr

(15)

(4)當tMA+k+Imin≤t

Imin)}dtitr+

Io(Imax+Imin)}dtitr+

6tMA)(titr-k)/Io(Imax+

Imin)}dtitr+

2tMA)]/Io(Imax+Imin)}dtitr+

(titr-k)/Io(Imax+Imin)}dtitr+

Imin+6tMA)](titr-k)/

Io(Imax+Imin)}dtitr+

A+B}dtitr+

5tMA+Imax)(titr-k)/

(16)

(5)當tMA+k+Imin+1/n≤t≤tMA+k+Imax，

8tMA+4Imax)+3)/

(2Io+5tMA+Imax)/

Imax)(2Io+5tMA+Imax)/

Io(Imax+Imin)+nB]}dtitr

(17)

(6)當t>tMA+k+Imax，

Pitr(titr

(18)

其中

A=(nImin+ntMA+1)(2Io+Imax+Imin+

B=(Io+tMA-Imax+1)(Imax+tMA)2/

Imax)+2]/nIo(Imax+Imin)}dtitr+

Io(Imax+Imin)}dtitr

Io(Imax+Imin)}dtitr+

6tMA)(titr-k)/Io(Imax+Imin)}dtitr+

Imin+2tMA)]/Io(Imax+Imin)}dtitr

2Io(Imax+Imin)+A]dtitr+

Imax+Imin+6tMA)(titr-k)/

2Io(Imax+Imin)}dtitr

3 性能分析

本文通過信道掃描頻率(n)及同移動域內MCR間距(L)兩項參數，分析其對基于多接口的內容源移動性方案的性能影響，參數及取值范圍見表1．

表1 參數及取值范圍

令tMA=10 ms，Imin=3 s，Io=Imax=15 s，TCON=1.0 s，v=10 m/s，L=10 m，D=150 m．分別在中斷間隔時間小于定值0.5 s和1.0 s兩種情況下分析信道掃描頻率對切換性能的影響．

從圖3可以看出，中斷間隔時間小于定值(0.5 s和1.0 s)下的概率隨著信道掃描頻率的增加而增加，但是掃描頻率增加率減?。@是因為掃描頻率越大，MCR1執行切換越快，檢測AP所用的時間減?。敀呙桀l率大于5次/s時，對中斷間隔概率密度影響不大．因此，將掃描頻率控制在6次/s內可以有效減小中斷間隔時間．

圖3 信道掃描頻率對切換性能的影響

MCR間距對中斷間隔概率影響如圖4所示，可以看出中斷間隔概率隨著MCR間距增大而增加．這是因為MCR間距增大，則MCR執行切換的時間間隔越大，才能保證MCR1較早執行切換而MCR2較晚切換，從而使得切換時延最小．由圖4還可以看出，中斷間隔小于定值(0.5 s和1.0 s)的兩種情況都較好地體現了所述機制的性能．

圖4 MCRs間距對切換性能的影響

4 結 語

本文針對內容中心網絡提出了一種解決內容源移動場景下的切換方案．通過部署基于多個接口的移動內容路由器，保障了切換過程中的數據傳輸．移動內容路由器交替執行切換，且先執行切換的路由器越早切換越好，后執行切換的路由器越晚切換越好，將中斷切換間隔降到最低以實現無縫切換．設計了基于多接口的內容源移動模型，該模型適用于單路由器-多接口、多路由器-單接口以及多路由器-多接口等混雜模型．通過性能分析發現，信道掃描頻率以及移動內容路由器間距是影響切換性能的主要因素，合理設置參數可以提高切換性能，在接下來的工作中將繼續研究其他參數對切換性能的影響，并對方案進行改進，提高通信質量．

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Multiple interfaces-based content source mobility management scheme

REN Fei, QIN Ya-juan*, ZHOU Hua-chun, XU Ya-kun

( School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China )

Content-centric networking (CCN) realizes the information delivery based on the content and in network caching universally. However, it also faces the problem of routing convergence based on the content name, which is due to the binding of content name and physical location, especially in the case of content source moving. Aiming at the problems of content source moving in CCN, the multiple interfaces-based content source mobility management scheme is proposed. The multiple interfaces-based mobility content routers are employed in the network, and these routers perform the handoff by the egress and ingress interfaces sequentially to reduce the interruption interval. The handoff performance and interruption interval are studied by the mathematical model, and the impact of critical parameters is deeply analyzed. The experimental results reveal that this proposition can improve the handoff performance and realize seamless handoff if the main parameters as channel scan frequency and distance of mobile content routers are correctly chosen.

content-centric networking; multiple interfaces; content source mobility; handoff

1000-8608(2016)02-0163-07

2016-01-21；

2016-03-02．

國家自然科學基金資助項目(61271201,61271202,61232017,61471029).

任 飛(1986-)，女，博士生，E-mail:renfei@bjtu.edu.cn；秦雅娟*(1963-)，女，博士，教授，E-mail:yjqin@bjtu.edu.cn；周華春(1965-)，男，博士，教授，E-mail:hchzhou@bjtu.edu.cn；徐雅琨(1988-)，女，博士生，E-mail:11111015@bjtu.edu.cn.

TN915.07

A

10.7511/dllgxb201602008