摘要：本文首先对移动性管理协议的产生和发展进行了简要回顾，引出当前网络移动性管理协议所面临的挑战与发展，并得出进行分布式移动性管理协议研究的必要性。文章对移动性管理的基本原理、类别划分和分布式移动性管理的研究现状进行了阐述。根据设计思路的不同，将现有分布式移动性管理方案分为“革命性”性的设计方案和“演进性”的设计方案两大类，并采用统一的架构对当前分布式移动性管理的不同形式进行了统一的描述、分析和对比。最后，文章指出了分布式移动性管理仍面临的挑战及未来发展方向。
关键词：计算机网络；移动性管理；综述；网络架构
中图分类号：TP393 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.02.018
0 引言
我们已经进入到后PC时代，互联网移动流量激增，移动通信网络发挥着越来越重要的作用。目前移动终端设备产生的流量远远大于PC终端设备产生的流量，更多的实时娱乐流量都被发送到了平板电脑或者智能手机而不是台式机。
在制定IP移动性支持协议时，移动互联网架构是集中分层的形式，故最初设计时采用集中的移动性管理锚点。IETF提出的移动性管理协议均基于集中式的层次网络架构，引入集中的移动性管理锚点确保来自/去往移动设备的数据的可达性，使移动设备未连接到其家乡域时仍然可达，是集中式移动性管理（CMM，Centralized Mobility Management）方法。例如，基于终端侧的移动性支持协议MIPv6采用HA作为移动性管理锚点，基于网络侧的移动性支持协议PMIPv6采用LMA作为移动性管理锚点。这些集中的移动性管理锚点在控制平面负责维护管理域内MRs的移动性上下文，同时也在数据平面负责处理来自或发往域内MRs的数据包的路由。
CMM最初是为语音通话设计的，随着移动设备数量的增加和移动互联网流量的激增，采用集中的移动性管理方式成为限制网络规模增长的瓶颈。传统集中式的网络架构存在扩展性问题（网络带宽瓶颈）、安全问题（单点失败）及性能问题（次优路由），不能够适应移动流量激增的形式。当流量需求超过可用容量时，服务提供商需要实现新的策略，如通过其他接入网进行选择性流量卸载。另外，内容提供商选择将内容服务器部署在位置更加接近移动/固定服务提供商网络的本地网络中从而提高内容获取速度并减少内容交付对核心网带宽的消耗。移动互联网流量激增加速了移动网络架构后向兼容的扁平化演进，卸载和内容分发网络（CDN，Comem Delivery Network）技术都能够从路由层次更少的移动架构中获益。
为了应对移动互联网流量激增，移动网络架构向扁平化演进，移动性管理协议需要适应这样的网络架构。IETF于2012年3月成立了分布式移动性管理（DMM，Distributed Mobility Management）工作组研究可适应移动网络架构扁平化发展趋势的分布式移动性管理方法。
1 移动性管理概述
1.1 移动性管理的概念
网络层移动性管理方案通过将会话标识和路由地址解耦的方式保证移动节点移动过程中的通信连续性。数据包根据路由位置路由并根据会话标识交付，会话标识与路由位置的转换点为映射系统。移动性管理解决方案在本质上涉及如下3项内容：
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会话标识（session identifier）：移动接收端固定不变的会话标识符，可为IP地址的形式
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路由位置（route locator）：代表移动节点当前网络拓扑接入点的IP地址
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映射系统（mapping system）：维护会话标识和路由位置之间的映射信息
依据移动性管理是否需要修改移动终端的网络协议栈，可将移动性管理分为基于终端侧的（host-based）移动性管理方案和基于网络侧的（network-based）移动性管理方案。在基于终端侧的移动性管理方案中，移动终端需要参与移动性管理相关信令。当移动终端改变其网络接入点时，数据包首先被路由到MN的家乡代理（HA），然后通过查询MN的家乡地址到其当前网络接入位置的映射对发往MN的数据包进行封装和转发。基于网络侧的移动性管理方案引入网络侧功能实体代替MN进行移动性管理相关的信令交互，无需MN的参与即可将数据包透明地由MN原网络接入点转发至其当前网络接入点。
从移动性支持范围的角度来看，在基于终端侧的移动性管理协议中，MN移动过程中会参与移动性相关信令以及数据包的封装与解封装操作，因此是一种全局移动性支持协议。从协议部署的角度来看，基于终端侧的移动性管理协议需要修改终端主机协议栈以支持移动性管理。现有的大量用户的设备都缺乏移动性支持能力，这成为其广泛部署的最大障碍。基于网络侧的方案便于广泛部署，更能够吸引运营商。
1.2 移动性管理的方法
1.2.1 移动性管理的逻辑功能
当前移动性管理功能可以划分为数据平面功能和控制平面功能如图1所示。数据平面功能负责数据包的封装/解封装和地址转换操作。控制平面功能负责所有与移动性管理相关的信令的处理。控制平面功能可以进一步划分为切换管理功能和位置管理功能。将控制平面逻辑功能进一步划分可以提高网络架构部署的灵活性，不同的控制平面功能可以在不同的网络实体上执行。切换管理功能用于保障移动终端移动并改变网络接入点时正在进行的会话的连续性。位置管理功能用于保障移动终端移动过程中的持续可达性。本节对移动性管理的逻辑功能进行了详细的划分和描述。
位置管理：管理和跟踪MN的网络位置信息，当MN移动并改变网络接入点时，保障其在线持续可达性。位置管理功能需要借助位置服务数据库来实现，该数据库负责维护MN的会话标识到其当前路由位置的映射。应用会话可以以MN的会话标识为关键字，通过查询位置服务数据库获取MN当前的路由位置。当MN位置发生改变时，切换管理功能以MN的会话标识为关键字更新其位置服务数据库的路由位置信息。 数据管理：数据管理功能通过地址转换的方式进行数据包封装，根据位置管理提供的信息更新路由表。数据管理功能截获到数据包，必要时对数据包进行封装或解封装操作。数据管理功能可以根据地址转换规则以新的IP头对数据包进行封装转发。数据管理功能不提供任何信令，仅能能够接收和处理来自切换管理功能的信令。
切换管理：切换管理功能负责保证MN改变网络接入点时移动会话的连续性，在IP层提供切换检测和协商机制。当MN发生IP切换时，切换管理功能需要与位置管理功能和数据管理功能进行信令交互。切换管理功能负责维护MN的与位置管理功能相关的移动性上下文信息和与数据管理功能相关的路由位置信息。
1.2.2 移动性管理的形式划分
在对移动性管理的功能进行上述逻辑分解后，所有的移动性管理协议的网络架构中的实体都可以由不同的移动性管理逻辑功能的组合来表示。根据数据平面和控制平面在部署时的耦合程度，可以将移动性管理划分为集中式移动性管理方法和分布式移动性管理方法。
集中式移动性管理方法采用一个集中的移动性锚点（MA，Mobility Anchor）负责数据、切换和位置管理。所有会话都通过集中的MA路由，并且必要时由MA进行封装并转发至MN当前网络接入位置。集中的MA需要为每个MN维护隧道信息，以便当MN切换后将数据包转发至MN当前接入的网络。即使通信节点双方的距离很近，通信会话依然要经过集中的MA进行路由转发。因此，集中的MA成为网络性能提升的瓶颈。
分布式移动性管理方法将集中式的移动性管理方法中MA的数据平面和控制平面分散开以缓解MA的负担，通常将数据管理平面分布在接入网水平，理想情况下与第一跳接入路由器并列。根据位置管理平面的分布方式，可以进一步将分布式的移动性管理方法划分为部分分布式移动性管理方法和完全分布式移动性管理方法。
2 分布式移动性管理的产生及发展
2.1 需求分析
移动IP协议需要适应网络架构扁平化的发展趋势，在扁平化的网络架构中采用CMM进行移动性管理存在如下几点问题：
（1）非最优路由
在CMM中，所有的流量都通过一个集中锚点路由通常会导致更长的路由路径。若MN和CN相互邻近但是同时远离移动性管理锚点，则由CN发往MN的数据包需要经由移动锚进行路由，这并不是最短的路由路径。
（2）不适应网络架构扁平化的发展趋势
移动性管理的发展是与蜂窝网层次架构相适应的。无线网络数据通信量的指数增长要求集中式网络花费巨资来提升集中的移动性管理锚点的处理能力。减少网络分层可以减少网络中不同物理网络元素的数量，有助于简化系统维护和降低开销，集中式的移动性管理方法不能够适应这样的趋势。
（3）可扩展性差
在CMM中，集中的移动性管理锚点需要管理和维护所有MNs的移动性上下文和路由。随着接入MN数量的增加，需要维护的移动性上下文和需要处理路由转发所需要的资源呈指数增长趋势。采用的集中锚点需要提供更多的资源，可扩展性差。此外，若集中的锚点发生故障或被攻击，将会影响域内所有移动节点的正常工作。
（4）存在不必要的资源浪费
现有移动支持协议盲目地为所有MN提供移动性支持，浪费网络资源并且随着无线使用增加带来可扩展性问题。随着无线连接的普遍应用，无线连接并不仅用于移动性，有时仅仅是为了避免使用有线连接。研究表明，一个用户超过三分之二的无线接入时间是固定的。许多数据业务如网页浏览并不需要固定的IP地址，有些应用程序可以不需要网络的帮助通过用自身的能力进行自身的移动性管理。
2.2 研究现状
为应对移动互联网流量激增的压力及网络架构扁平化的发展趋势，IETF于2012年3月成立DMM工作组研究分布式移动性管理方法。根据方案设计思路的不同，可以将DMM的研究可划分为“演进性”的方法和“革命性”的方法。“演进性”的方法基于现有的移动IP协议进行改进和完善，可与现有网络兼容，短期内可部署性强。“演进性”的设计方案主要围绕基于终端侧的移动性管理方法和基于网络侧的移动性管理方法两个大方向展开研究。“革命性”的设计方案如基于路由的方案和基于SDN的方案，采用重新设计的思想避免传统CMM方案的局限性。在IETF DMM工作组的主导下，目前“革命性”的方案进入起步阶段，而“演进性”的设计方案的研究已取得显著进展。
3 分布式移动性管理架构
3.1 “演进性”方案
3.1.1 基于终端侧的DMM方案
MIPv6采用集中的移动性管理锚点HA为管理域内注册的MNs维护移动上下文和路由状态信息，HA成为网络性能的瓶颈。基于终端侧的DMM方案从MIPv6演进而来，MN向网络侧的移动性管理实体提供自身的当前位置、IP会话信息和相关移动性管理锚点信息等移动性上下文信息，需要修改MN协议栈。该方案将接入移动性锚点（AMA，Access Mobility Anchor）下放到接入网水平，重用MIPv6协议概念如MN处的绑定更新列表（binding update list）、移动性管理锚点处的绑定缓存（binding cache entity）、相关移动锚点间的双向转发隧道等，并对MIPv6协议的移动性管理信令进行了扩展。
基于终端侧的DMM方案的网络架构如图2所示。移动性管理锚点AMA部署在位于接入网水平的接入路由器上。MN根据其当前所接入的AMA提供的网络前缀配置地址，并通过绑定更新（Bu，Binding Update）消息向该AMA注册配置的地址，最新配置的地址优先级最高。当MN改变接入位置连接到新的AMA时根据新的网络前缀配置新的地址，仍然保留之前的地址并降低之前地址的优先级。MN通过BU消息向新的接入网注册时不仅注册最新配置的地址，还携带它之前的有效地址（使用中的IP地址）。当前接入的AMA通过BU获取之前的地址后向相关AMA发送接入绑定更新（ABU，Access BU）消息更新MN移动上下文和路由状态并建立双向隧道。通过在相关的AMAs之间建立双向隧道保证与MN锚定在之前AMA上的地址相关的通信会话的连续性。 3.1.2 基于网络侧的DMM方案
PMIPv6采用集中的移动性管理锚点LMA为所有注册的MNs维护移动上下文和路由状态信息，LMA成为网络性能的瓶颈。基于网络侧的DMM方案从PMIPv6演进而来，可以通过向位置管理实体查询获取MN移动性上下文信息，无需MN参与与移动性管理相关的信令。完全分布式移动性管理架构即数据平面和管理平面均采用分布式部署形式的架构，这种方式中切换后如何获取MN的移动性上下文信息仍面临挑战。为解决上述问题，IETF提出了一种基于网络侧的部分分布式移动性管理方法。部分分布式模式将数据平面（data plane）分布到接入网水平，但仍然采用集中的控制平面进行位置管理（location management），因此称之为基于网络侧的部分分布式移动性管理方法。
基于网络侧的部分分布式DMM方案的网络架构如图3所示，由位集中的中心移动性数据库（CMD，Central Mobility Database）和一系列分布在接入网水平的移动接入锚点（MAR，Mobile Access Anchor）组成。CMD是负责移动性会话注册的控制平面功能实体，采用绑定缓存实体（BCE，Binding Cache Entity）为所在BDMM域内的MNs维护移动性上下文信息。MAR既是控制平面实体又是数据平面实体。作为控制平面实体，MAR负责追踪MN移动并代替MN向CMD执行移动性相关信令。每个MAR都有一个全球唯一的网络前缀用于MAR所在接入网络内MN的IP地址分配，并且每个MAR都维护一个本地BCE用于保存与之相关联的MN的信息。MN在移动过程中会在每个新的接入MAR处配置一个新的IP地址用于新会话的建立，这样新发起的会话无需经过MN之前的锚点。同时，MN保持从之前接入MARs配置的且正在使用当中的IP地址来保证切换会话的连续性。由于新的接入MAR处没有MN的移动上下文信息，因此当MAR检测到MN离开或接入时需要查询CMD。
3.2 “革命性”方案
3.2.1 基于路由的DMM方案
在演进性DMM方案中，经历IP切换的流量需经过双向隧道转发，其路由仍非最优。在理想状态下，MN切换到新的接入网络后，所有来自或发往MN的流量都能够通过最优的路径交付。现有域内路由协议采用距离向量算法或链路状态算法进行路由表更新，从而使得数据包可通过最优的路由交付。基于路由的算法借鉴了路由表更新方法的思想，MN在移动过程中使用且仅使用一个IP地址。在MN移动并接入到新的网络接入点时，保持之前使用的IP地址不变，通过更新路由表实现来自或发往MN的数据流量的最优路由。由于MN的IP地址属于特定的BGP域内，因此基于路由的方案仅考虑BGP域内路由的更新，MN在BGP域间切换时需重新配置新的IP地址。
在基于路由的DMM方案中，当MN移动并连接到不同的接入路由器时，接入路由器（AR，Access Router）在接入认证时发现MN配置的IP地址并对其进行路由更新。基于路由的DMM方法可以使得所有流量的路由路径最优化，但该方法在更新路由时需要较大的信令开销，即以信令开销为代价换取路由路径的优化。此外，该方法在切换时延和扩展性方面仍存在诸多问题：路由限制在域内收敛更新路由会产生路由风暴，路由收敛时间需要限定在足够小的时间间隔内避免切换中断时间过长。因此，基于路由的DMM方案仍需进一步研究。
3.2.2 基于SDN的DMM方案
SDN通过更为灵活的方式设置数据路径能够实现更高效的DMM路由。仅需通过更新流表即可实现路由优化，SDN不仅可以控制数据路径，也可控制路由器之间的其他类型的消息。SDN提供非常灵活的方式进行包和流处理，天生能够快速应对网络路由改变。当MN改变网路接入点时，转发功能通知运行在SDN控制器之上的移动性管理功能根据IP数据包的目的IP地址计算转发规则并将该转发规则推送给转发功能，IP数据包根据该规则进行转发。当用户会话结束时，移动性管理功能将删除这一转发规则。通过这种方式，在移动过程中不改变MN的IP地址以保证应用层会话连续性。
使得SDN支持移动性还有很多问题需要解决，例如转发功能需要获取MN的移动事件并及时通知SDN控制器和移动性管理功能实体，需要及时建立从分布式移动性接入锚点到网络接入点的路由路径。为实现这些，IETF可能需要定义新的协议和机制。
4 结论
本文介绍了当前移动互联网移动性管理所面临的挑战。基于移动性管理将会话标识和路由位置进行分离的基本思想，将现有移动性管理协议的逻辑功能进行拆分。根据移动性管理逻辑功能的部署情况，将移动性管理划分为集中式移动性管理和分布式移动性管理两种方式。文章重点对分布式移动性管理方案的研究现状及其典型管理架构进行了研究。根据DMM架构研究思路的不同，文章将DMM架构进一步划分为“演进性”方案和“革命性”方案。随着移动互联网架构和应用业务的快速发展，移动性管理在地址和隧道管理、注册延迟与信令开销、网络配置和资源管理以及安全等方面仍面临挑战。如何解决这些问题是未来移动性管理技术的研究方向之一。