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针对身份与位置的动态解析映射问题,依据终端的移动模式和通信特征,提出了一种基于代价函数的动态分布式移动解析映射机制。该机制将移动终端的通信状态划分为移动更新、均衡传输和解析查询3种通信模式,以最小化解析映射代价为目标,分别提出了基于分布式多播、一致性散列协同和主动式域内共享的解析映射方法,设计了对应的注册更新、解析查询和数据路由解析优化策略。仿真结果表明,该机制实现了移动过程中解析映射代价的最小化,具有较小的解析时延,对网络结构的动态变化具有良好的适应性。
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2014 年 10 月 Journal on Communications October 2014
第 35 卷第 10 期
通 信 学 报
Vol.35
No. 10
基于代价函数的动态分布式解析映射机制
葛国栋
1
,郭云飞
1, 2
,兰巨龙
1
,刘彩霞
1
(1.国家数字交换系统工程技术研究中心,河南 郑州 450002;2. 解放军理工大学 信息系统学院,江苏 南京 210007)
摘 要:针对身份与位置的动态解析映射问题,依据终端的移动模式和通信特征,提出了一种基于代价函数的动
态分布式移动解析映射机制。该机制将移动终端的通信状态划分为移动更新、均衡传输和解析查询 3 种通信模式,
以最小化解析映射代价为目标,分别提出了基于分布式多播、一致性散列协同和主动式域内共享的解析映射方法,
设计了对应的注册更新、解析查询和数据路由解析优化策略。仿真结果表明,该机制实现了移动过程中解析映射
代价的最小化,具有较小的解析时延,对网络结构的动态变化具有良好的适应性。
关键词:解析系统;身份与位置分离;移动性;分布式
中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1000-436X(2014)10-0145-10
Distributed dynamic mapping scheme based on cost function
GE Guo-dong
1
, GUO Yun-fei
1,2
, LAN Ju-long
1
, LIU Cai-xia
1
(1. National Digital Switching System Engineering& Technological R&D Center, Zhengzhou 450002, China;
2. College of Command Information System, People’s Liberation Army University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)
Abstract: For supporting efficient host mobility and mapping identifiers onto locators, a distributed dynamic mobility
mapping scheme based on cost function was proposed. In the scheme, depending on the mobility pattern and communica-
tion feature, the communication of mobile node is divided into three communication models, namely, moving update
model, balanced transmission model and resolving query model. In order to minimize the total resolving cost, three map-
ping approach are proposed based on distributed multicast, consistent hash functions and proactive sharing respectively in
the mobile domain. For each mapping approach, corresponding registration update, resolution query and packet delivery
strategies are designed. Simulation results show that the scheme can achieve the minimum resolving cost, and can have
low resolve latency and good adaptability for network topology dynamic changing.
Key words: mapping system; identifier/locator separation; mobility; distributed
1 引言
现有互联网体系结构中,IP 地址既作为终端的
身份标识,用于标识节点和会话,又代表节点的网
络位置,用于路由和转发,这种语义上的双重性和
功能上的耦合性是导致现有 Internet 可扩展性、移
动性、多家乡等诸多问题的根本原因之一
[1,2]
。身份
与位置分离(LISP, locator identifier separation proto-
col)
[3]
的思想将 IP 地址 的 功能分解 为 身份标识
(EID, endpoint identifier)和路由地址(RLOC, routing
locator)2 个独立的部分,EID 用于在应用层和传输
层标识终端,RLOC 用于在网络层对终端进行寻址
和路由。当终端由于移动而导致网络位置发生改变
时,身份标识保持不变,只需更新位置信息,不会
影响正在进行的通信连接。LISP 对于移动性和多家
乡可以提供有效的支持,被业界认为是未来网络体
系结构设计的一种核心理念
[4,5]
。
基于身份与位置分离的网络结构设计中,如何
收稿日期:2013-07-28;修回日期:2013-11-06
基金项目:国家重点基础研究发展计划(“973”计划)基金资助项目(2012CB315901);国家高技术研究发展计划(“863
”
计划)基金资助项目(2011AA01A01)
Foundation Items: The National Basic Research Program of Ch
ina (973 Program)(2012CB315901); The National High Technology
Research and Development Program of China (863 Program)(2011AA01A01)
doi:10.3969/j.issn.1000-436x.2014.10.017
·146· 通 信 学 报 第 35 卷
构建快速、稳定的解析映射系统来提供身份与位置
之间实时的解析映射,是建立网络通信连接和实现
路由转发的前提
[6,7]
。加之,随着移动终端和数据流
量的日益激增,移动速度和切换频率的加快,传统
基于“固定、有线”为主的静态通信模式逐渐发生
改变,移动性已经成为未来网络结构设计的内在属
性和通信要求的固有特征。在移动通信环境下,对
动态的移动通信主体按照静态的方式分配网络地
址是不合理的,对于移动终端位置的频繁变化,解
析机制必须提供快速的位置更新和解析查询。
现有方案依据其解析方式可分为以下 3 类
[1]
:
1) 集中式解析映射方案
[8~12]
,其解析查询和路由的
重定向功能主要由集中式的本地移动锚点(LMA,
local mobility anchor)
、家乡代理(HA, home agent)、
隧道路由器(tunnel router)、本地映射服务器(LMS,
local map server)、聚集点(RP, rendezvous point)等网络
实体来完成;2) 部分分布式解析映射方案
[13~15]
,实
现了控制平面和数据平面的分离,数据路由无需经
过集中式服务节点的处理,实现了分组的优化传
输;3)全分布式解析映射方案
[16~19]
,主要基于分布
式散列表、广播、多播等机制来构造覆盖网络,分
发绑定关系、计算映射服务节点,实现解析查询。
这些方案在一定程度上实现了解析查询功能,但还
存在着诸多不足,主要体现在:1) 集中式的解析查
询易形成单点瓶颈,解析服务节点难以维持大量的
绑定关系条目,可扩展性差
[16]
,数据分发存在非优
化路由问题,传输效率低下;2) 基于覆盖网络来分
发可达性信息和确定映射服务节点,解析请求需要
在覆盖层经过多跳传输,相比直接解析查询,会引
入较大的解析时延
[20,21]
;3) 基于广播、多播的解析
方案,在高解析请求率下,绑定映射关系会被频繁
查询,将
产生大量的信令开销
[4, 17]
;4) 解析方案缺
乏动态适应性
[4]
,未能与移动节点(MN, mobile node)
具体的移动属性和通信模式相结合,不能提供适应
的优化解析策略。
为此,本文提出了一种基于代价函数的动态分
布式解析映射机制(DDM-CF, distributed dynamic
mapping scheme based on cost function),对 MN 解析
映射过程产生的注册更新、解析查询和分组传输 3
方面的代价开销进行综合考虑和合理均衡。以最小
化各通信模式下的解析映射代价为目标,采取对应
的注册更新、解析查询优化策略,分别设计了基于
分布式多播、一致性散列协同和主动式域内共享的
解析映射方法。该机制实现了移动过程中解析映射
代价的最小化,对网络结构大小的变化具有良好的
适应性。
2 动态分布式解析映射机制
2.1 解析映射代价函数定义
对于解析映射系统,从绑定更新、解析查询和
分组传输 3 方面考虑代价开销。
1) 绑定更新开销代价(
BU
C
)。MN 移动过程中,
由于位 置更新, 向解析 系 统进行 绑定映 射 关系
(EID
↔
RLOC)注册、位置更新发送的信令开销,其大
小取决于映射系统的解析更新策略和 MN 移动特性。
单位时间内绑定更新开销代价
BU
C
handoff
BU MR BU
C S d
γ
=
(1)
其中,
BU
S
表示 MN 在移动域(MD, mobile domain)
内不同解析路由器(MR, mapping router)之间切换时
发送的绑定更新消息长度,
handoff
MR
γ
为切换频率,
d
为
对应的路由传输
距离,代价开销单位取 bit·hop。
2) 解析查询开销代价(
RQ
C
)。建立通信连接时,
向映射系统查找绑定映射关系,解析 RLOC 产生的
代价开销,大小取决于具体解析查找策略和解析查
询请求到达率
MQ
λ
的大小。
单位时间内解析查找开销代价
RQ
C
RQ RQ
MQ
C S d
λ
=
(2)
其中,
RQ
S
表示通信建立时发送的解析查找消息长
度,
MQ
λ
刻画了建立通信连接,执行解析查找的频度。
3) 分组传输开销代价(
PT
C
)。数据分发时,相
比优化路由,数据在非优化路径上传输而产生的额
外分组开销代价,大小取决于非优化传输路径的长
度和数据分发的数量。
单位时间内分组传输开销代价
PT
C
session session extra
[ ]
PT
C E C d
λ
= (3)
其中,
session
λ
为会话到达率,
session
[ ]
E C
表示一次会
话平均发送的数据分组数目,
extra
d
表示在数据传输
时,相比于最优路径,额外路由的传输距离。假设
对于特定的目标节点 MN,每执行一次解析查询,
都要建立一次会话连接。
定义 1 解析映射代价函数
resolve
C 。解析映射的
总代价开销定义为
BU
C
、
RQ
C
和
PT
C
3 者之和。
resolve
BU RQ PT
C C C C
= + + (4)
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