一种基于二层预测和触发的三层移动切换实现方法

摘要

本发明公开了一种基于二层预测和触发的三层移动切换实现方法，包括：移动节点二层在切换前预测目标小区，触发三层向目标小区基站申请可用转交地址，移动节点的二层断开连接前，触发三层通知当前路由器缓存数据包，移动节点进入新小区，二层切换完成后，触发三层判断预测是否成功，如果预测成功，则在新旧小区间建立临时隧道以维持通信，如果预测失败，则重新进行地址配置，再建立临时隧道，当切换完成后，进行路由优化，并将数据流重新定向到优化路径上。

说明书

技术领域

本发明涉及分组网络技术领域，特别涉及到基于IPv6的分组网络中三层移动切换的实现方法。

背景技术

根据OSI参考模型，整个通信网络可以分为七层，从底层向上，分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、表示层、会话层和应用层。在本发明中，所述的二层即为数据链路层，所述的三层为网络层。

随着互联网的发展，下一代网络将是基于IP的网络。目前的IPv4协议由于地址资源受限等不足，无法适应下一代网络的要求，因此，IPv6协议成为下一代网络的主流三层协议。随着无线用户的增多，网络无线化也是通信网络发展的必然的发展趋势。在无线环境下，用户的漫游和切换成为主要需要解决的问题。为此，Internet工作组IETF(Internet Engineering Task Force)制定了移动IPv6协议。关于移动IPv6协议的具体内容请见参考文献[1]D.Johnson，C.Perkins，J.Arkko，“Mobility Supportin IPv6”，IETF RFC3775。

移动IPv6协议解决了移动用户在IPv6网络中的漫游和切换问题。由于IPv6网络的地址资源丰富，处于外地的移动节点可以分配到一个完整的配置转交地址，无需外地代理实体。同时通过路由优化，移动节点可以和通信对端不经家乡代理直接通信，避免了效率低下的三角路由。但是移动IPv6协议在用户切换时产生的时延较长，会影响到切换时的服务质量。为此IETF制定了快速移动IPv6协议。关于快速移动IPv6协议的具体内容请见参考文献[2]R.Koodli，“Fast Handovers for MobileIPv6”，IETF RFC4068。

快速移动IPv6协议采用预测机制，在移动节点进行切换时，当前接入路由器将数据包发送到预测的新小区的接入路由器进行缓存，当移动节点切换完成后，新小区的接入路由器将缓存的数据包发送给移动节点。如预测成功，可大大减少切换时延，但如预测失败，则发往错误预测的小区的数据将全部丢失，造成通讯过程中的信息丢失。这一结果对于提高通信的服务质量显然是不利的。

发明内容

为了克服移动节点在做切换时可能造成的信息丢失的缺陷，本发明提供一种低时延，高服务质量的移动切换方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于二层预测和触发的三层移动切换实现方法，包括以下步骤：

1)、移动节点的二层在预测切换事件即将发生时，触发移动节点的第三层，将所预测的切换目标基站的基站标识通知移动节点的第三层；

2)、移动节点的三层收到二层的触发信息后，通过当前基站向预测的目标基站申请新的转交地址，预测的目标基站将配置好的新的转交地址通过当前基站发送给移动节点；

3)、移动节点的二层断开连接前，触发三层，由移动节点的三层通知当前基站缓存发送给移动节点的数据包；

4)、移动节点的二层断开与当前基站的连接，并与所要切换到的基站建立连接，所述切换到的基站为实际的目标基站；

5)、移动节点的二层触发三层，由三层检查预测的目标基站的基站标识是否与实际的目标基站的基站标识相同，若相同，预测成功，执行步骤7)，否则预测失败，执行下一步；

6)、通过邻居发现机制发现实际的目标基站的三层地址后，移动节点向实际的目标基站请求配置新的转交地址，目标基站将配置好的转交地址回复给移动节点；

7)、移动节点通过目标基站与当前基站建立连接，从而建立移动节点与当前基站间的双向临时隧道，通过该临时隧道，当前基站将步骤3)中所缓存的数据包发送给移动节点；

8)、切换完成，启动路由优化过程，移动节点向通信对端进行绑定更新，通信对端将数据流重新定向到优化路径上。

上述技术方案中，在所述的步骤1)中，移动节点的二层将所预测的切换目标基站的基站标识通知移动节点的第三层时，采用切换预测指示消息原语来传递信息，所述的切换预测指示消息包括预测的切换目标基站的基站标识。

上述技术方案中，在所述的步骤2)中，所述的移动节点的三层发送RtSolPr消息到当前基站，由当前基站向预测的目标基站发送地址请求消息，预测的目标基站将配置好的新的转交地址通过地址回复消息返还给所述的当前基站，当前基站通过PrRtAdv消息把新的转交地址返回给将要发生切换的移动节点。

上述技术方案中，在所述的步骤6)中，所述的移动节点向实际的目标基站发送地址请求信息，所述的实际的目标基站将新的转交地址配置成功后，通过地址回复消息返回给移动节点。

所述的地址请求消息包括当前基站的IP地址、目标基站的IP地址、鉴权头、实验移动协议类型、代码、ICMPv6校验和位、地址配置标志位、标识符字段、移动节点的链路层地址。

所述的地址回复消息包括当前基站的IP地址、目标基站的IP地址、鉴权头、实验移动协议类型、代码、ICMPv6校验和位、地址配置标志位、标识符字段、新的转交地址。

上述技术方案中，在所述的步骤3)中，在所述移动节点的二层断开连接前，移动节点的二层向三层发送断开指示消息原语以触发三层；所述的断开指示消息原语包含原语的类型。

上述技术方案中，在所述的步骤3)中，所述移动节点的三层利用缓存请求消息通知当前基站缓存发送给移动节点的数据包，所述缓存请求消息包括旧转交地址、当前基站的IP地址、保留字段、生存周期。

上述技术方案中，在所述的步骤5)中，所述的移动节点的二层向三层发送切换指示消息原语以触发三层，所述的切换指示消息原语包括原语类型和实际目标基站的基站标识。

将本发明的基于二层预测和触发的三层移动切换实现方法和传统三层切换方案相比，可以看出本发明具有以下优点：

1、在本发明中，二层触发不再是可选项，而是必选项，详细定义了二层触发的时机，内容以及原语格式；

2、在本发明中，移动节点通过二层原语触发三层预切换，减少了地址配置时延；

3、在本发明中，移动节点通过二层原语触发三层，由三层通告当前基站缓存发往移动节点的数据包，减少了由于切换产生的丢包损失；

4、在本发明中，移动节点通过二层原语触发三层切换，减少了移动检测时延；

5、在本发明中，移动节点直接向目标基站申请可用新移交地址，无需在切换后进行重复地址检测；

6、在本发明中，使用有状态地址配置为移动节点配置新移交地址，使网络易于管理；

7、在本发明中，移动节点移动到目标基站范围后再进行绑定更新，避免了因预测错误而造成的数据包大量丢失。

附图说明

图1为本发明的基于二层预测和触发的三层移动切换实现方法的流程图；

图2为本发明的基于二层预测和触发的三层移动切换实现方法在对目标基站预测成功时的信令流程图；

图3为本发明的基于二层预测和触发的三层移动切换实现方法在对目标基站预测失败时的信令流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的方法进行进一步的说明。

在本实施例中首先对本发明方法的应用场景进行说明。当移动用户采用如笔记本、PDA等移动终端与远端的用户进行通信时，可能由于移动用户位置变化而产生小区间切换，即移动用户的终端与当前基站断开连接，然后与新的基站建立新的连接。本发明的方法就是要保证这一小区切换过程的顺利进行。

本发明的三层移动切换实现方法的具体实现步骤如下。

步骤S1：移动节点的二层预测到移动节点即将移动到周边的接入点，切换事件即将发生，发送切换预测指示消息(Pre_HO.indication)触发三层，该指示消息中指明了预测所要切换到的目标基站(NAR)的基站标识BS_ID1。此处所述的目标基站是指移动节点在切换后进行通信连接的基站。本步骤中，所述的预测的目标基站的基站标识在二层预测过程中得到，二层预测的实现属于现有技术，在本实施例中不做详细描述。

步骤S2：移动节点的三层收到Pre_HO.indication后，向当前基站(PAR)发送RtSolPr(Router Solicitation for Proxy)消息，该消息中包含有所预测的目标基站的基站标识BS_ID1。此处所述的当前基站是指当前与移动节点有通信连接的基站。

步骤S3：当前基站收到RtSolPr消息后，根据消息中所提供的预测的目标基站的基站标识，向目标基站发送地址请求消息(ADDR_REQ)，申请新转交地址(NCoA)；

步骤S4：预测的目标基站(NAR)收到地址请求消息(ADDR_REQ)后，与本地的DHCP服务器联系，启动地址配置过程，为移动节点配置新转交地址(NCoA)；

步骤S5：预测的目标基站(NAR)将配置好的新转交地址(NCoA)通过地址回复消息(ADDR_RSP)发送给当前基站(PAR)。

步骤S6：当前基站(PAR)收到地址回复消息(ADDR_RSP)后，通过PrRtAdv(Proxy Router Advertisement)消息把NCoA发送给将要发生切换的移动节点，PrRtAdv消息中包含了预测的目标基站(NAR)的基站标识(BS_ID1)，预测的目标基站(NAR)的IP地址以及新的转交地址。

上述的步骤S1-S6也被称为预切换过程。

步骤S7：移动节点二层在断开与当前基站的连接前，先向三层发送断开指示消息(Dis_Connect.indication)；

步骤S8：移动节点的三层收到Dis_Connect.indication后，发送缓存请求消息(BUF_REQ)给当前基站；

步骤S9：当前基站收到BUF_REQ消息后，开始缓存远端节点发往移动节点的数据包；

步骤S10：移动节点的二层断开与当前基站的连接，并与所在新的小区的基站建立连接，该基站为实际的目标基站。移动节点二层切换完成以后，发送切换指示消息(HO.indication)触发三层切换，该指示消息中包含了实际目标基站的基站标识BS_ID2；

步骤S11：移动节点三层收到HO.indication后，检查实际目标基站的基站标识BS_ID2与预测的目标基站的基站标识BS_ID1是否一致，如果一致，则预测成功，进入步骤S15，如果不一致，则预测失败，进入步骤S12；

步骤S12：通过邻居发现机制发现实际的目标基站的三层地址后，移动节点向实际的目标基站发送地址请求信息(ADDR_REQ)，申请新转交地址(NCoA)；

步骤S13：目标基站收到地址请求消息(ADDR_REQ)后，与本地DHCP服务器联系，启动地址配置过程，为移动节点配置NCoA；

步骤S14：目标基站将配置好的NCoA通过地址回复消息(ADDR_RSP)发送给移动节点；

步骤S15：移动节点向实际的目标基站发送包含了绑定更新消息BU的邻居通告消息FNA；

步骤S16：目标基站取出邻居通告消息FNA中的绑定更新消息BU，代替移动节点向当前基站发送，该消息中包含了移动节点的新旧转交地址；

步骤S17：当前基站收到BU消息后，向目标基站发送绑定更新确认消息(BUAck)，然后由实际的目标基站将更新确认消息转发到移动节点，通知移动节点绑定更新成功。当前基站在发送BU Ack消息时，目的地址填的是移动节点的IP地址，但此时移动节点处在目标基站覆盖范围内，所以BU Ack消息会被路由到目标基站，再转到移动节点。

步骤S18：当前基站建立当前基站到移动节点的双向临时隧道；由于移动节点在目标基站的覆盖范围内，因此建立当前基站到移动节点的双向临时隧道时需要目标基站做路由，即由当前基站—目标基站—移动节点。双向临时隧道在移动节点端的出口的IP地址为移动节点的新移交地址，同时当前基站截获发往移动节点旧移交地址的数据包，通过双向临时隧道转发给移动节点。

步骤S19：当前基站通过步骤S18中所建立的双向临时隧道将缓存的数据包发往移动节点；

步骤S20：移动节点进行路由优化，向与移动节点进行通信的远端节点发送绑定更新消息BU；

步骤S21：远端节点收到绑定更新消息BU后，修改绑定链表，向移动节点发送绑定更新确认消息BU Ack；

步骤S22：绑定更新消息BU和绑定更新确认消息BU Ack所经过的路径即为路由优化后的路径，远端节点发往移动节点的数据通过优化后的路径传送。

在对本发明方法的上述描述中，用到了切换预测指示消息原语Pre_HO.indication、RtSolPr消息、地址请求消息ADDR_REQ、地址回复消息ADDR_RSP、PrRtAdv消息、断开指示消息原语Dis_Connect.indication、缓存请求消息BUF_REQ、切换指示消息原语HO.indication、绑定更新消息BU、邻居通告消息FNA、更新确认消息BU Ack等。其中的RtSolPr消息、PrRtAdv消息、绑定更新消息BU、邻居通告消息FNA、更新确认消息BU Ack等为快速移动IP v6协议中现有的，而其他消息与原语为本发明的基于二层预测和触发的三层移动切换实现方法所新增加的。新增加的三个消息分别为：地址请求消息(ADDR_REQ)，地址回复消息(ADDR_RSP)，缓存请求消息(BUF_REQ)。新增加的三个原语分别为：切换预测指示消息原语(Pre_HO.indication)，断开指示消息原语(Dis_Connect.indication)和切换指示消息原语(HO.indication)。下面分别对上述新增加的消息和原语进行说明。

1、移动节点的二层检测周围可接入的基站，当预测到可能切换到某基站时，通过Pre_HO.indication原语触发三层进行预切换。Pre_HO.indication原语格式如表1所示：

0               1               2               3

 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

|     Type      |                     BS_ID1                    |

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

                                 表1

Type：原语类型，建议值0。

BS_ID1：预测到的目标基站的基站标识BS_ID1。

2、移动节点的二层断开连接前，通过Dis_Connect.indication原语触发三层，由三层通告当前基站的接入路由器缓存发往移动节点的数据包。Dis_Connect.indication原语格式如表2所示：

0               1               2               3

 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

+-+-+-+-+-+-+-+-+

|     Type      |

+-+-+-+-+-+-+-+-+

                                  表2

Type：原语类型，建议值2。

3、当移动节点发生切换时，首先进行二层切换，二层切换完成后，通过HO.indication原语触发三层切换。HO.indication原语格式如表3所示：

0               1               2               3

 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

|     Type      |                     BS_ID2                    |

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

                             表3

Type：原语类型，建议值1。

BS_ID2：切换到的新基站的BS_ID2。

4、在预切换时，当前基站通过ADDR_REQ消息向预测的目标基站请求可用NCoA；在预测失败时，移动节点通过ADDR_REQ消息向实际的目标基站请求可用NCoA。ADDR_REQ消息属ICMP消息，其格式如表4所示：

0               1               2               3

 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

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|     Type      |     Code      |          Checksum             |

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

|   Subtype     |C|   Reserved  |          Identifier           |

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|   Options...

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                                表4

IP域部分：

Source Address：当前基站的IP地址。

Destination Address：目标基站的IP地址。

Hop Limit：255跳。

Authentication Header：这条消息必须使用鉴权头，详见RFC2461。

ICMP域部分：

Type：实验移动协议类型，详见RFC4065。

Code：必须置1。

Checksum：ICMPv6校验和。

Subtype：需标准委员会设置，建议值6。

Cflag：地址配置标志位，在预切换，PAR向NAR请求NCoA时置0，在预测失败，

移动节点重新向NAR请求NCoA时置1。

Reserved：保留字段，置全0。

Identifier：必须由发送方设置，用于相应的ADDR RSP消息生成Identifier字段。有效选项部分：

移动节点的链路层地址：切换到目标基站范围的移动节点的链路层地址，使得目标可以辨认出移动节点。

5、在预切换时，目标基站通过ADDR_RSP消息向当前基站发送可用NCoA；在预测失败时，目标基站通过ADDR_RSP消息向移动节点发送可用NCoA。ADDR_RSP消息属ICMP消息，其格式如表5所示：

0                   1                   2                   3

 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

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|     Type      |     Code      |          Checksum             |

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|   Subtype     |    Reserved   |          Identifier           |

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|   Options…

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                                     表5

IP域部分：

Source Address：从相应的ADDR_REQ消息的目的地址域拷贝。

Destination Address：从相应的ADDR_REQ消息的源地址域拷贝。

Hop Limit：255跳。

Authentication Header：这条消息必须使用鉴权头，详见RFC2461。

ICMP域部分：

Type：实验移动协议类型，详见RFC4065。

Code：3：接受MN的切换；

      128：不接受MN的切换，原因未指名；

      129：权限不够，拒绝切换；

      130：资源不过，拒绝切换。

Checksum：ICMPv6校验和。

Subtype：需标准委员会设置，建议值7。

Cflag：地址配置标志位，在预切换，当前基站向目标基站请求NCoA时置0，在预测失败，移动节点重新向目标基站请求NCoA时置1。

Reserved：保留字段，置全0。

Identifier：从相应的ADDR_REQ消息的Identifier字段拷贝。

有效选项部分：

新转交地址NCoA：由目标基站配置好的可以供移动节点使用的NCoA。

6、移动节点的二层断开连接前，触发三层，三层通过BUF_REQ消息通告当前基站缓存发往移动节点的数据包。BUF_REQ消息采用IPv6移动头(Mobility Header)实现，其格式如表6所示：

0               1               2               3

 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

                               +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

                               |            Reserved           |

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|   Mobility Options...

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IP域部分：

Source Address：移动节点的旧转交地址PCoA或新转交地址NCoA。

Destination Address：当前基站的IP地址。

Reserved：保留字段，置全0。

Mobility Options：

    必须包含移动节点的旧转交地址(PCoA)，用于当前基站确定缓存哪些数据包。可以包含生存周期(Life Time)，用于当前基站确定何时将缓存的数据包舍弃。