基于Pub/Sub模型的天地一體化網絡移動性管理方法

王 攀，張皓涵，李靜林

(北京郵電大學 網絡與交換技術國家重點實驗室，北京 100876)

0 引言

天地一體化網絡是以地面網絡為基礎、空間網絡為延伸，覆蓋太空、空中、陸地和海洋等自然空間，為天基、空基、陸基和海基等各類用戶的活動提供信息保障的基礎設施[1]。天地一體化網絡需要在天基完成移動性關聯、用戶管理，以支持快速的用戶尋址[2]。

現有應對網絡移動性的方案多由MIPv4[3]和MIPv6[4]兩個協議衍生而來，MIPv4通過定義本地代理(HA)和外地代理(FA)實現對移動性的管理[5]。MIPv6與MIPv4相比，基本工作過程相同，但不需要外地代理。HMIPv6[6]協議中，將IP網絡劃分成域并在域中部署移動錨點(MAP)，從而將MN在域內移動時的綁定關系更新限制在域內，減輕了HA的負擔。PMIPv6[7]協議中，在子網中部署移動接入網關(MAG)，代理終端注冊到PMIP域中的本地移動錨點(LMA)，不需要終端參與移動性管理過程，所有的移動性信令都由網絡完成[8]。但在天地一體化網絡中上述方案進行移動性管理存在一些不足。在MN移動過程中，CN和MN之間的通信依賴與HA建立的隧道進行轉發，容易產生通信時延和切換時延[9]。在PMIP方案中，依賴與LMA建立的隧道進行轉發。如果HA部署在地面，LMA部署在高軌衛星，則意味著移動節點之間的通信依賴與地面或高軌衛星建立的隧道，對天基網絡鏈路壓力較大[10]。HMIP和PMIP一定程度上解決了MN在子網內移動時綁定關系需不斷更新的問題[11]。而在天地一體化網絡中，由于低軌衛星的移動，將會出現移動終端成批從一個MAG切換到另一個MAG的現象，也將對LMA和HA產生較大通信壓力[12]。

針對天地一體化網絡中終端移動、低軌衛星也移動的特點[13]，本文借鑒PMIP模型，提出由低軌衛星充當天基移動終端的MAG，高軌衛星充當天基移動終端的移動性管理代理(MMA)，低軌衛星代理終端注冊到高軌衛星組成的MMA上，完成移動終端標識和MAG IP地址之間的綁定。在MMA的控制下，移動終端之間的通信通過MMA協調各個MAG之間建立隧道完成[14]，從而降低了對高軌衛星和地面站的通信壓力。同時，本文提出采用Pub/Sub模型[15]管理MMA和MAG之間的移動性管理控制信息，降低數據隧道轉發對MMA造成的性能壓力。

1 基于Pub/Sub模型的移動性管理方法

1.1 基于Pub/Sub模型的移動性管理架構

基于Pub/Sub模型的移動性管理架構如圖1所示，主要由通信對端(CN)、移動節點(MN)、移動接入網關(MAG)、移動性管理代理(MMA)和網關(GW)組成。其中，低軌衛星組成星座，并部署移動接入網關(MAG)，完成移動終端的接入控制；高軌衛星組成骨干星網絡，并部署移動性管理代理(MMA)，完成天基移動終端和接入星的移動性管理；地面站作為天基網絡和地基網絡的中介，部署網關(GW)。

通信對端(CN)：在天地一體化網絡中，通信對端可以是地基終端也可以是天基終端。地基終端通過地面站和天基終端完成通信，天基終端通過天基網絡和其他天基終端通信。

圖1 基于Pub/Sub模型的移動性管理架構

移動終端(MN)：在天地一體化網絡中，低軌衛星作為接入星，相對于地面高速運動，導致天基終端不斷在接入星之間進行切換，在網絡拓撲關系上表現為終端的移動。當天基終端移動時，需主動產生注冊請求，發送到MAG，并通過MAG注冊到MMA上。

移動接入網關(MAG)：部署在低軌衛星組成的接入星上，負責維護MN標識和對應MAG的IP地址之間的映射關系。在接入星移動時，MAG會注冊到MMA中。在MN或MAG移動過程中，MAG會代表MN建立與通信對端所連接的MAG或GW之間的隧道，以完成數據轉發。一個典型的天基終端之間通信的場景中，CN的MAG或GW接收來自CN的數據報文后，首先查詢本地緩存，如果目標地址不能路由，則向MMA進行目標終端地址查詢，獲得目標終端綁定的MAG IP地址。之后，構造隧道報文，其中源IP為源MAG/GW的IP地址，目的IP為目的終端對應MAG的IP地址。目的端MAG接收到隧道報文后，將數據報文轉發給連接到本MAG上的天基終端MN。當低軌衛星作為接入星移動出一個高軌衛星的覆蓋范圍，這時產生MAG的切換，即從一個MMA切換到另一個MMA，此時，MMA將完成接入星的移動切換，并完成接入星部署的MAG變更導致的MN注冊信息的更新。

移動性管理代理(MMA)：部署在高軌衛星組成的骨干星上，負責維護天基網絡移動性管理的各類信息包括終端注冊信息和MAG注冊信息。與MIP和PMIP方案中的HA和LMA相比，MMA不會建立與MAG和GW之間的隧道，而僅完成MAG之間或MAG與GW之間隧道的構建和維護，從而降低了MMA的負載。在終端移動過程中，終端標識、終端地址、MAG標識、MAG地址的映射關系將被MMA進行管理。當MAG/GW向MMA發起目標地址查詢請求時，MMA認為MAG/GW訂閱(SUB)了相應的終端位置和接入星位置的狀態變更。當終端在接入星之間切換或者接入星在骨干衛星之間進行切換，并導致終端注冊信息發生更新時(PUB)，MMA將向訂閱該終端移動的MAG或GW發送通知，從而保證MAG/GW實時更新終端的地址，完成通信隧道的轉接。

1.2 移動性管理過程

在天地一體化網絡中，終端可能切換接入星，接入星也可能從一顆骨干衛星的覆蓋范圍進入到另一顆骨干衛星的范圍。

天基終端CN通過接入星MAG0接入到天基網絡，MN通過接入星MAG1接入到天基網絡。CN向對端MN發送報文的過程如下：

CN發送報文到MAG0，IP包頭：CNIP→MNIP

MAG0根據本地維護的終端標識、接入星標識、接入星IP地址之間的綁定關系，查詢MN對應的MAG IP地址

IF找到

MAG0構造隧道報文，IP包頭：MAGIPCN→MAGIPMN

ELSE

MAG0構造地址查詢消息，攜帶MN的標識，發給MMA

MMA接收到查詢消息后在維護的綁定關系中進行查找，返回結果，攜帶MN標識、MN接入星標識、MN接入星IP地址

MAG0接收到來自MMA的響應，構造隧道報文，IP包頭：MAGIPCN→MAGIPMN

MAG0更新本地維護的綁定關系

當天基終端MN從接入星MAG1切換到接入星MAG2時，天基終端需要更新其當前位置到骨干衛星組成的MMA中。MMA接收到終端位置更新消息后，會根據MN位置狀態變化的訂閱列表sublist，通知關心此終端位置變化的MAG。

終端移動性管理過程如下：

MN從接入星MAG1切換到接入星MAG2，發送UserReg消息，攜帶MN標識、MAG2標識

MAG2轉發UserReg消息到MMA

MMA判斷出MN之前在MAG1上注冊，則向MN的原始接入星MAG1發送終端切換消息

MAG1接收終端切換消息，將緩存在本地的發給MN的數據進行封裝，IP包頭：MAGIPMAG1→MAGIPMAG2

MMA判斷出UserReg消息是更新消息，查詢MN對應的訂閱列表suberList

FORsuberINsubList of MN

MMA解析出suber標識綁定的接入星IP

MMA根據IP地址構造Notify消息并發送，攜帶MN標識、MAG2標識

FORsuberINsubList

接收到Notify消息，更新本地緩存的MN標識、MAG標識、MAG-IP之間的映射關系

當接入星MAG2從骨干衛星MainSat1切換到骨干衛星MainSat2后，MAG2需要更新當前位置信息到骨干衛星組成的MMA中。MMA接收到終端位置更新消息后，會根據MAG2位置的訂閱列表sublist，通知關心此終端位置變化的MAG。

接入星移動性管理過程如下：

MAG2發送MicroSatReg消息到MMA，攜帶MAG2標識、MAG2 IP

MMA解析MicroSatReg消息，取出MAG標識和接入星IP并存儲

MMA判斷出MicroSatReg消息是更新消息，查詢MAG2對應的訂閱列表suberList

FORsuberINsubList of MAG2

MMA解析出suber標識對應的接入星IP

MMA根據IP地址構造Notify消息并發送，攜帶MAG2標識、MAG2 IP

FORsuberINsubList

接收到Notify消息，更新本地緩存的MN標識、MAG標識、MAG-IP之間的映射關系

2 性能分析

終端移動性管理過程中，終端需要更新位置信息到骨干衛星組成的MMA中。此外MMA還需要根據終端的位置更新消息下發終端位置更新通知到相應的MAG中。終端進行位置更新時，終端首先將位置更新消息交給接入星，接入星再將終端位置更新消息轉發給骨干衛星組成的MMA。進行數據傳輸時，終端把數據交給MAG后，MAG根據本地緩存的綁定關系，構造到對端MAG的隧道。在這一過程中，MAG中可能沒有緩存目的終端標識、對端MAG標識、對端MAG IP地址之間的關系，需要到MMA中進行查詢。

參考MIP信令開銷分析模型[16]，得出單位時間的信令開銷為：

Cupdate=r*(Supdate*(Hterm-mag+Hmag-mma)+

k*Snotify*(Hmma-mag))+

h*v*(Sencap-data*Hmag-mag+p*Squery*Hquery)，

(1)

式中，Cupdate為單位時間的信令開銷；r為切換發生率；Supdate為終端位置更新消息開銷；Hterm-mag為從終端到對應MAG的跳數；Hmag-mma為從MAG到MMA的跳數；k為MMA需要通知的MAG的數量；Snotify為終端位置通知消息的開銷；h為會話到達率；v為每個會話包含的數據包個數；Sencap-data為隧道報文的開銷；Hmag-mag為MAG之間的平均跳數；p為查詢發生率；Squery為查詢消息的開銷；Hquery為查詢請求所需要的跳數。

參考影響網絡傳輸時延的各因素[17-18]，得出數據傳輸的時延為：

Ttransport=Tterm-mag+Tmag-mag+Tmag-term+m*Tquery，

(2)

式中，Ttransport為數據傳輸的時延；Tterm-mag為從終端到MAG的時延；Tmag-mag為從MAG到MAG的時延；Tquery為地址查詢的時延。由于源端MAG在本地緩存中不一定能找到目的終端對應的接入星IP地址，因此可能需要到MMA中進行查詢，m表示天基網絡中的數據傳輸需要進行地址查詢的概率。

3 仿真分析

文中所提方案的仿真參數設置如表1所示。

表1 參數設置

參數值切換發生率r0．005終端位置更新消息開銷Supdate/B40終端位置通知消息的開銷Snotify/B40終端對應訂閱列表的平均條目k10會話到達率h0．1每個會話包含的數據包個數v10隧道報文的開銷Sencap?data/B20MAG之間的平均跳數Hmag?mag4查詢消息的開銷Squery/B40天基終端和對應接入星的平均時延Tterm?micro/ms4接入星和直連骨干衛星的平均時延Tmicro?main/ms120相鄰骨干衛星的平均時延Tmain?main/ms28骨干衛星的總數目N32

數據傳輸的時延和查詢概率m的關系如圖2所示。對于mobileIP而言，發給移動節點的數據都是經過HA封裝后再轉發給FA，然后再分發到MN的，因此對于固定的CN和MN，數據傳輸的時延是相對穩定的。基于Pub/Sub的移動性管理，MAG接收到CN發給MN的數據時，首先會在本地緩存中進行查找，得到MN對應MAG的IP地址。如果沒有找到，需要到骨干衛星組成的MMA中進一步查詢。因此，如果CN之前和MN已經進行過通信，不需要再次到MMA中查詢。但是CN是首次向MN發數據，CN對應的MAG就需要進行查詢。用參數m衡量CN發給MN的數據中需要到MMA中進行查詢的概率。m值較大時，說明網絡中的大量數據傳輸是新發起的。m值較小，說明大量數據傳輸是連續性通信。從圖2中可以看出，Pub/Sub模型的時延要顯著低于mobileIP，主要的原因是由于在Pub/Sub模型中，MAG轉發數據時會先在本地緩存中進行查詢并且隧道直接在源端MAG和目的端MAG之間構造而不必通過MMA轉發。

圖2 數據傳輸的時延和查詢概率m的關系

單位時間信令開銷和查詢發生率p的關系如圖3所示。對于mobileIP而言，特定的CN發給特定MN的消息都是先經過HA和FA之間的隧道轉發之后解封才交給MN的，因此數據傳輸路徑相對比較固定，給定時間內的信令開銷也基本固定。在Pub/Sub模型中，信令開銷包括3部分：終端位置更新開銷、終端位置通知開銷和數據傳輸開銷。由于數據傳輸時，存在MAG需要到MMA中進行查詢的不確定性，因此數據傳輸的開銷不是固定的，同天基網絡中數據傳輸需要進行查詢的頻率p有關。從圖3中可以看出，當p<0.2時，Pub/Sub模型的信令開銷是顯著低于mobileIP模型的，這是由于此時網絡中的MAG只需要到本地緩存中進行查詢即可，不必到MMA中進行查詢。當p>0.2時，mobileIP的開銷要低于Pub/Sub模型。p衡量單位時間內的地址查詢次數，p值越大，地址查詢次數越多。從單位時間信令開銷的角度來看，Pub/Sub模型更適合具有通信連續性特征的業務，對于網絡剛剛建立，數據傳輸關系還不穩定時，Pub/Sub模型的表現還有待進一步優化。

圖3 單位時間信令開銷和查詢發生率p的關系

Pub/Sub模型相對于mobileIP在數據傳輸時延方面的優勢是以單位時間信令開銷為代價的。通過由MMA控制MAG和GW完成隧道的建立和管理，避免了LMA和HA轉交數據所產生的大規模數據轉交，降低了數據傳輸的時延，但也帶來了終端位置更新通知的額外信令開銷。

4 結束語

本文提出由骨干衛星組成的網絡完成MMA的功能，并在MMA控制下在MAG之間構建隧道，減輕了接入星與骨干星之間的負擔，提高了通信的實時性，降低了骨干星的壓力。同時針對天地一體化網絡中終端移動接入星也移動的問題，提出終端和接入星在開機以及移動時主動注冊到MMA中，綁定相應的位置信息。終端和接入星移動時，由MMA通知MAG更新本地緩存的終端標識，接入星標識以及接入星IP地址之間的綁定關系，以更新數據通信隧道，從而確保數據通信的連續性。仿真結果表明，與傳統MIP相比，基于Pub/Sub模型的天地一體化網絡移動性管理方法以少量信令開銷為代價，取得了傳輸時延方面的明顯優勢。

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