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CN103200555B - 一种基于层次移动IPv6网络的动态HA机制 - Google Patents

一种基于层次移动IPv6网络的动态HA机制 Download PDF

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CN103200555B CN201310102997.7A CN201310102997A CN103200555B CN 103200555 B CN103200555 B CN 103200555B CN 201310102997 A CN201310102997 A CN 201310102997A CN 103200555 B CN103200555 B CN 103200555B
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冯刚
常宁
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Abstract

本发明公开了属于无线网络通讯技术领域的一种基于层次移动IPv6网络的动态HA机制。首先给出了基于动态HA机制的全IP无线网络结构;该结构包括接入网和核心网两部分;在核心网中包括家乡AAA服务器AAAh和域名服务器DNS,在接入网中,采用二级的层次移动HMIPv6,并不静态配置家乡地址和HA地址;并结合一种安全的动态DNS更新机制,实现MN家乡地址和HA的动态配置,另外,通过AAA上下文预转移机制,可以有效减小域间切换时延。在移动IPv6中,发向MN的数据报文需要首先路由至家乡代理HA,然后再转发至MN的当前位置。有利于简化网络管理,解决路由效率较低的问题,提高路由效率以及实现HA负载均衡等。

Description

一种基于层次移动IPv6网络的动态HA机制
技术领域
本发明属于无线网络通讯技术领域,特别涉及一种基于层次移动IPv6网络的动态HA机制。
背景技术
随着无线网络技术和移动手持设备的发展,人们期望一种无处不在的接入方式,即在任何时间、任何地点接入Internet。IETF提出的移动IP机制是其中一种解决方法。在移动IP中,在网络层解决移动性问题与链路层移动性、会话层移动性、应用层移动性Ho管理方案相比,移动IP是最为强健的方案。这主要有以下几个原因:移动IP独立于具体的接入技术,适用于各种无线接入方式;移动IP对上层协议(如传输层和应用层)透明;普通的Internet主机不需要进行任何修改就可以实现与MN(移动节点)的通信,并支持切换。
但是,移动IP也存在一些问题,如切换时延、传输效率、信令开销等。因此,基本移动IP协议不足以支持诸如VoIP等实时应用。
一般认为,移动IP适用于切换发生不频繁的宏观移动性情况。为了减小信令开销和切换时延,目前已经提出了一些微观移动性管理协议和快速切换机制,以便优化移动IP性能。
本发明提出了一种动态HA(家乡代理)机制,并且给出了基于该机制的全IP无线网络结构。同时,为了减小域间切换时延,还提出了一种AAA上下文预转移机制
发明内容
本发明的目的是提出了一种基于层次移动IPv6网络的动态HA机制,其特征在于,包括:
1)首先给出了基于动态HA机制的全IP无线网络结构;在该结构中,与无线蜂窝网络类似,包括接入网和核心网两部分;在核心网中包括AAAh(家乡AAA服务器)和DNS(域名服务器), AAAh用于存储用户的AAA信息,而DNS用户记录用户的位置信息, AAAh采用Diameter协议;与Radius协议相比,Diameter协议适合于新出现的宽带无线接入、DSL接入以及移动IP;在接入网中,采用二级的层次移动HMIPv6,并不静态配置家乡地址和HA地址。
2)开机和域内切换,
当MN在某个MAP域内开机时,该MAP域即成为MN的当前家乡域;
所述在HMIPv6中,由于MAP实际上相当于一个本地HA,因此当MN开机或者移动至一个新的MAP域后,该域的MAP节点成为MN的当前HA;如果通过一种安全的动态DNS更新机制,MN在该MAP域配置的RCoA成为MN的家乡地址; MN开机后,根据接收到的RA报文配置LCoA(链路转交地址)和RCoA(区域转交地址)。接入网络将会根据AAA架构验证MN的身份,并且实现MAP节点与MN之间会话密钥的建立和分发;当MN认证成功后,MN进行DNS更新,MN向其当前HA(即MAP节点)发送绑定更新BU消息,请求HA为MN建立绑定表项,表项中的家乡地址为RCoA,转交地址为LCoA。由于HA和MN在地址位置上总是较近,因此减小了端对端时延,提高了路由效率另外,通过AAA上下文预转移机制,可以有效减小域间切换时延;
域内切换是指MN在属于同一个MAP域的两个不同接人路由器之间切换的情况;这时,MN应当通知MAP节点更新绑定表项,使其中的转交地址为新配置LCoA,由于RCoA保持不变,因此,域内切换对于通信对端和家乡DNS透明;在移动IPv6中,切换时延包括链路层切换时延和网络层切换时延。
3)快速域间切换
快速域间切换包括第1个BU报文请求新MAP节点nMAP为MN建立绑定表项,其中,家乡地址使新配置的区域转交地址nRCoA,转交地址为新配置的链路转交地址nLCoA;第2个BU报文请求前的MAP节点pMAP更新MN的绑定表项,即将转交地址更新为nRCoA,家乡地址保持不变;
pMAP收到发向MN的目的地址为pRCoA的报文后,对这些报文进行首次IP隧道封装,此时,外层IPv6首部的目的地址是nRCoA,并转发至nMAP,然后nMAP再次进行IP隧道封装,此时,外层IPv6首部的目的地址是nLCoA;最终发送至MN;当MN完成快速切换后,MN可以执行动态DNS更新,将家乡DNS服务器中MN对应的记录更新为nRCoA。然后,当其他主机欲与MN通信时,就通过DNS获得MN最新的转交地址,因此就可以直接与MN进行通信,这时MN同时具有两个家乡代理:pMAP和nMAP;对于nMAP来说,nRCoA是MN的家乡地址;而对于pMAP来说,nRCoA则是转交地址。
所述接入网络将会根据AAA架构验证MN的身份,并且实现MAP节点与MN之间会话密钥的建立和分发;当MN认证成功后,MN向其当前HA(即MAP节点)发送绑定更新BU消息,请求HA为MN建立绑定表项,表项中的家乡地址为RCoA,转交地址为LCoA。
本发明的有益效果是动态HA机制与传统移动IPv6的区别在于不必为MN静态HA地址和家乡地址,因此简化了网络管理,并且优化了网络性能,便于用户的集中管理。由于MN的家乡地址不再固定,为此,采用NAI(网络接入识别器)来唯一标志MN。另外,MN与AAAh之间、MN与家乡DNS之间分别具有安全关联,以便进行接入控制和动态DNS更新。
附图说明
图1是全IP无线网络结构图。
图2是开机和域内切换过程图,其中 (a)为开机过程,(b)是快速域内切换的时序图。
图3是域间切换过程图。
图4是报文转发过程图。
具体实施方式
本发明提出了一种基于层次移动IPv6网络的动态HA机制。下面结合附图予以说明。
1、全IP无线网络框架
在图1所示的全IP无线网络结构图中,全IP无线网络与其他无线蜂窝网络类似,基于动态HA机制的全IP无线网络也包括接入网和核心网两部分。为了便于用户的集中管理,AAAh(家乡AAA服务器)和DNS(域名服务器)位于核心网,其中,AAAh用于存储用户的AAA信息,而DNS用户记录用户的位置信息。在方案中,AAA采用Diameter协议。与Radius协议相比,Diameter协议适合于新出现的接入技术,比如宽带无线接入、DSL接入以及移动IP。在接入网络中,我们采用二级的层次移动HMIPv6。
动态HA机制与传统移动IPv6的区别在于不必为MN静态HA地址和家乡地址,因此简化了网络管理,并且优化了网络性能。由于MN的家乡地址不再固定,为此,采用NAI(网络接入识别器)来唯一标志MN。另外,MN与AAAh之间、MN与家乡DNS之间分别具有安全关联,以便进行接人控制和动态DNS更新。
下面首先介绍域的概念。在基于HMIPv6的网络结构中,存在两种域:MAP(Mobility Anchor Point)域和管理域。在一个MAP域中,AR(接入路由器)的RA(路由器公告)报文中包含相同的MAP域选项,MAP域的范围即是这些AR所辖区域的集合;一个管理域则由属于同一个运营商的若干个MAP域组成。
当MN开机时初次接入网络或者MN移动至另外一个MAP域,该域的MAP成为MN的当前HA。另外,通过动态DNS更新,MN在该域配置的RCoA(区域转交地址)成为当前家乡地址。这种机制使得HA总是距离MN较近,因此降低了端对端时延,而提高了路由效率。
2、具体过程
2.1 开机
当MN在某个MAP域内开机时,该MAP域即成为MN的当前家乡域。图2(a)是这种情况下的消息时序图。图中:AAAv为外地网络的AAA服务器;AAAh为家乡网络的AAA服务器,ARR为AA。注册请求;ARA为AA一注册应答;BS为基站。
2.1.1 接入认证和绑定更新
MN开机后,根据接收到的RA报文配置LCoA(链路转交地址)和RCoA(区域转交地址)。接入网络将会根据AAA架构验证MN的身份,并且实现MAP节点与MN之间会话密钥的建立和分发。当MN认证成功后, MN向其当前HA(即MAP节点)发送绑定更新BU消息,请求HA为MN建立绑定表项,表项中的家乡地址为RCoA,转交地址为LCoA;在本方案中,为了减小信令开销和注册时延,BU包含在AAA消息中。
2.1.2 动态DNS更新
如果MN收到的AAA-rep消息表明绑定更新成功,MN进行DNS更新,从而将家乡DNS中该MN对应的DNS记录更新为RCoA。这样,如果其他主机欲与MN进行通信,这些主机总可以获得MN最新的家乡地址。
DNS更新采用了一种安全、动态的方式。在图2(a)所示开机过程中,MN与家乡DNS之间的共享密钥可以保护DNS更新请求(DNS-update-req)报文和DNS更新应答报文(DNS-update-rep)。
2.2 MAP域内切换
域内切换是指MN在属于同一个MAP域的两个不同接人路由器之间切换的情况。这时,MN应当通知MAP节点更新绑定表项,使其中的转交地址为新配置LCoA。由于RCoA保持不变,因此,域内切换对于通信对端和家乡DNS透明。
在移动IPv6中,切换时延包括链路层切换时延和网络层切换时延。本文中集中于减小网络层切换时延。本文提出一种基于链路层触发信号的快速切换机制,这种触发信号为LINK-UP,即当链路层切换完成并与新基站建立两层连接后产生的一种两层信号。图2(b)是快速域内切换的时序图,过程如下:
当MN从链路层收到链路层触发信号后,MN立即向AR发送Rs(路由器请求)报文。根据RFC2462,为了避免冲突,路由器在回复RA报文前随机延迟0-0.5s。
MN根据收到的RA报文判断是否发生了MAP域内切换。如果发生了域内切换,则配置新的LCoA。为了减小DAD(重复地址检测)过程的时延,引入了一种优化DAD机制。
配置LCoA后,MN向新的接入路由器nAR发送AAA req报文,开始进行接人认证和绑定更新。至此,域内切换过程完成,发向MN的报文最终由nAR转发至MN。注意,切换完成后AAAv不需要为MN和MAP节点重新分发密钥,这是由于之前的密钥仍然有效。
2.3 MAP域问切换
MAP域问切换是指当MN从一个MAP域移动至另一个MAP域时的情形。为了减小切换时延,采用了一种上下文预转移机制,其主要思想是在实际切换发生之前就将用户AAA信息提前转移至该用户可能切换到的MAP域。
2.3.1 AAA上下文预转移
在本方案中,AR仅为所辖无线AP(接人点)中位于该MAP域边缘的AP创建邻居表项。每个邻居表项的内容包括AP的MAC地址和与该AP相邻的MAP域标志ID。MAP域的ID是该域所使用的NAI中“realm”对应的部分。该ID包含在RA中,因此,MN可以通过广播的RA获得所在域的ID。AR上的邻居表可以通过一种动态的方式建立。
当MN两层切换完成后,MN将向AR发送RS报文,其中包含当前AP的MAC地址。AR收到上述RS报文后,从中提取AP的MAC地址,然后遍历邻居表。如果邻居表中包含该AP,则说明该AP位于MAP域的边缘,即位于此AP范围内的MN有可能发生域问切换。这时,就需要进行AAA上下文域转移。其过程如下:AR判断MN有可能发生域问切换后,向当前域的AAAv服务器c-AAAv发送消息,其中包含邻居域ID;c-AAAv通过DNS机制获得该邻居MAP域的AAAv服务器n-AAAv地址,然后直接将用户的AAA信息传递至n-AAAv。由于在同一个管理域中的两个相邻MAP域的AAA服务器之间可以通过动态或者静态的方式建立安全关联,因此AAA上下文转移得以安全进行。
2.3.2快速域间切换
快速域间切换的时序图见图3。图中,第1个BU报文请求新MAP节点nMAP为MN建立绑定表项,其中,家乡地址使新配置的区域转交地址nRCoA,转交地址为新配置的链路转交地址nLCoA;第2个BU报文请求前的MAP节点pMAP更新MN的绑定表项,即将转交地址更新为nRCoA,家乡地址保持不变。
此后,通信得以恢复,其数据转发过程如图4所示。pMAP收到发向MN的目的地址为pRCoA的报文后,对这些报文进行IP隧道封装(外层IPv6首部的目的地址是nRCoA)后转发至nMAP,然后nMAP再次进行隧道封装(外层IPv6首部的目的地址是nLCoA)。最终发送至MN。
如果通信对端CN支持移动IPv6,则可以采用优化路由的方式。MN向CN发送BU报文,在pRCoA与nRCoA之间建立绑定关系。这样,CN发向MN的报文就可以直接发送至nMAP,而不用通过pMAP进行中转。这时,对于CN来说,pRCoA相当于MN的家乡地址,而nRCoA相当于MN的转交地址。
当MN完成快速切换后,MN可以执行动态DNS更新,将家乡DNS服务器中MN对应的记录更新为nRCoA。然后,当其他主机欲与MN通信时,就通过DNS获得MN最新的转交地址,因此就可以直接与MN进行通信,如图4所示。注意,这时MN同时具有两个家乡代理:pMAP和nMAP。对于nMAP来说,nR-CoA是MN的家乡地址;而对于pMAP来说,nRCoA则是转交地址。
由于在域问切换期间接入认证过程在本地进行,并且nMAP和pMAP节点在地理位置上比较接近,因此有效减小了切换时延,尤其是MN距离AAAh较远时。
3、讨论和相关工作
3.1 动态DNS更新方法的可扩展性
利用动态DNS更新机制可以有效、便捷地跟踪MN的位置信息。这时,为了避免DNS记录被其他DNS或者主机缓存而影响正确反映MN的位置信息,通常情况下DNS记录的TTL值被设置为0。在某种程度上,这种做法有助于避免使用过期的家乡地址。然而,由于家乡DNS需要被频繁访问,这可能导致可扩展性问题;另外,CN与MN建立连接的时延也会增加。在本方案中TTL值可以被设置为某一个大于0的值tTTL这是由于发向过期的家乡地址pRCoA的报文可以通过隧道由pMAP节点转发至MN,因此在一定程度上解决了上述问题。
3.2 家乡地址的生存期
为讨论方便,假设从MN完成动态DNS更新到当前时刻的时间问隔为t,这时仍在使用pRCoA与MN通信的主机数目为n。如果n=0,并且t>tTTL,则MN可以从接口地址中删除pRCoA,并不再向pMAP节点发送BU报文进行绑定更新。因此,当pRCoA过期后,pMAP将会删除该表项。当n>0,并且t>tTTL。如果上述n个主机都使用路由优化方式与MN通信,则MN可以停止向pMAP发送BU报文,但是MN不能从接口地址中删除pRCoA,因为通信对端CN仍在使用pRCoA。在其他情况下,MN必须保持pRCoA有效,并且周期性地向pMAP节点发送BU报文。

Claims (1)

1.一种基于层次移动IPv6网络的动态HA机制,其特征在于,包括:
1)首先给出了基于动态HA机制的全IP无线网络结构;在该结构中,与无线蜂窝网络类似,包括接入网和核心网两部分;在核心网中包括家乡AAA服务器AAAh和域名服务器DNS,AAAh用于存储用户的AAA信息,而DNS记录用户的位置信息,AAAh采用Diameter协议;与Radius协议相比,Diameter协议适合于新出现的宽带无线接入、DSL接入以及移动IP;在接入网中,采用二级的层次移动HMIPv6,并不静态配置家乡地址和HA地址;
2)开机和域内切换
当MN在某个MAP域内开机时,该MAP域即成为MN的当前家乡域;在HMIPv6中,由于MAP实际上相当于一个本地HA,因此当MN开机或者移动至一个新的MAP域后,该域的MAP节点成为MN的当前HA;如果通过一种安全的动态DNS更新机制,MN在该MAP域配置的RCoA成为MN的家乡地址;MN开机后,根据接收到的RA报文配置链路转交地址LCoA和区域转交地址RCoA;接入网络将会根据AAA架构验证MN的身份,并且实现MAP节点与MN之间会话密钥的建立和分发;当MN认证成功后,MN进行DNS更新,MN向其当前HA即MAP节点发送绑定更新BU消息,请求HA为MN建立绑定表项,表项中的家乡地址为RCoA,转交地址为LCoA;由于HA和MN在地址位置上总是较近,因此减小了端对端时延,提高了路由效率,另外,通过AAA上下文预转移机制,可以有效减小域间切换时延;
域内切换是指MN在属于同一个MAP域的两个不同接入路由器之间切换的情况;这时,MN应当通知MAP节点更新绑定表项,使其中的转交地址为新配置LCoA,由于RCoA保持不变,因此,域内切换对于通信对端和家乡DNS透明;在移动IPv6中,切换时延包括链路层切换时延和网络层切换时延;
3)快速域间切换
快速域间切换包括第1个BU报文请求新MAP节点nMAP为MN建立绑定表项,其中,家乡地址使新配置的区域转交地址nRCoA,转交地址为新配置的链路转交地址nLCoA;第2个BU报文请求前的MAP节点pMAP更新MN的绑定表项,即将转交地址更新为nRCoA,家乡地址保持不变;
pMAP收到发向MN的目的地址为pRCoA的报文后,对这些报文进行首次IP隧道封装,此时,外层IPv6首部的目的地址是nRCoA,并转发至nMAP,然后nMAP再次进行IP隧道封装,此时,外层IPv6首部的目的地址是nLCoA;最终发送至MN;当MN完成快速切换后,MN可以执行动态DNS更新,将家乡DNS服务器中MN对应的记录更新为nRCoA;然后,当其他主机欲与MN通信时,就通过DNS获得MN最新的转交地址,因此就可以直接与MN进行通信,这时MN同时具有两个家乡代理:pMAP和nMAP;对于nMAP来说,nRCoA是MN的家乡地址;而对于pMAP来说,nRCoA则是转交地址。
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