CN103108370A - 基于分层路由的网络移动无缝切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了基于分层路由的网络移动无缝切换方法，该无缝切换方法包括环境通告、路由器网生成、分层路由、失效感应、接入路由器切换、报告生成，其中接入路由器切换根据切换主体和可用接入路由器类型设计接入路由器切换方法。本发明通过路径评估、最优路由器网生成和分层路由提高网络移动可靠性和吞吐量的同时，简单地通过发送一个路由更新报文就可实现任意移动路由器间的切换，降低了突发性移动节点或无线链路失效时的路由器切换延时，提升了网络容错能力，满足实时服务对网络移动的需求。

Description

基于分层路由的网络移动无缝切换方法

技术领域

本发明涉及移动网络在嵌套接入环境下实现网络容错的接入路由器无缝切换技术领域，具体涉及基于分层路由的网络移动无缝切换方法。

背景技术

网络移动（NEMO）是管理包含移动路由器和移动网络节点等移动实体在内的一个网络或多个网络互连进行移动的协议，其目的是在移动网络动态改变其骨干网接入点和拓扑上可达性的过程中保持移动路由器之间以及移动路由器和骨干网之间连接的连续性。

但是当前普遍存在的问题是：1、网络移动使用的无线链路，存在连接不稳定、吞吐量低等无线信道的固有缺陷，且无线接入更容易面临各种类型的拒绝服务攻击，导致可用性问题。2、面对带宽有限，而带宽需求却日益增长情况，基站或移动路由器的服务半径，即其无线信号覆盖领域愈来愈小，切换愈加频繁，切换方法的性能和安全性对主机移动和网络移动的服务质量的影响也愈加深远。

目前网络移动的切换方法多是基于IETF提出的移动IPv6协议和网络移动基本支持协议，路由器切换需要移动路由器每次都进行转交地址的配置和家乡代理的绑定更新过程，切换延时过大，不能满足对时间敏感的服务的需求；即使构建了接入路由器树，异构路由器切换也需要通过两次封装和反向路由头的四角路由，数据传输时延波动较大，动态拓扑环境的适应能力较低，导致移动网络节点在切换时产生切换延时现象，发生连接中断问题。

文献1：N.Choi,J.Ryu,and E.Paik,“A transparent failover mechanismfor a mobile network with multiple mobile routers,”IEEE CommunicationLetter,2007,11(7):604–606.提出通过相邻移动路由器向对方的家乡代理发送其当前位置和相关前缀的绑定信息，实现各移动路由器的之间的互为备份：当一个移动路由器失效时，另一个在其家乡代理上注册的移动路由器代替提供骨干网接入服务。该方案需要在不属于自己的家乡代理上注册登记，需要和对方的家乡代理建立隧道，存在安全性问题，而且在最坏的情况下，即邻居移动路由器失效时需要进行对方家乡代理的发现过程，延时较大。

文献2：H.Lin,and H.Labiod,“Hybrid handover optimization formultiple mobile routers-based multihomed nemo networks,”in Proceedingsof IEEE International Conference on Pervasive Services(ICPS),Jul.2007:136–144.提出的方案需要在NEMO体系架构中添加一个智能控制实体来保存移动网络中所有移动路由器的运行状态和更新信息，并由它来负责整个移动网络的切换和其他各种协调功能，但该智能控制实体自身可能成为攻击的对象或瓶颈，从而影响整个网络的运行。

因此，基于上述问题，本发明提出基于分层路由的网络移动无缝切换方法，降低切换延时和传输时延抖动，增强移动网络的容错能力和对实时服务的支撑能力。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术对移动网络在实时服务支持能力方面和容错能力方面的不足，提供基于分层路由的网络移动无缝切换方法。

技术方案：为达到上述发明目的，基于分层路由的网络移动无缝切换方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、环境通告，即顶层固定路由器和移动路由器在其路由器通告中周期性添加包含优先值、网络地址、嵌套深度、路径延时、路径带宽、路径摘要、通告流水号等路径信息选项，并由第一次接收到该路由器通告的移动路由器转发。

步骤2、路由器网生成，即移动路由器对转发路由器通告的接入路由器接入骨干网和目标移动路由器的各条路径进行评估和接入路由器选择和路由更新，并把被选的固定路由器地址作为其转交地址，发送给家乡代理和通信对端。

步骤3、分层路由，即通信对端到顶层固定接入路由器之间的外层通用路由、顶层固定接入路由器到移动路由器及其负责网络前缀的中层自组织路由，以及移动路由器到移动网络节点的内层路由。

步骤4、失效感知，即移动路由器或移动网络节点在数据传输过程中或周期性接入路由器探测时发现响应超时。

步骤5、路由器切换，即通过可用接入路由器的查询、路径参数评估和依据路由器类型触发不同的切换过程，实现原有通信的平滑、快速切换。包括移动网络节点或移动路由器先发送可用接入路由器的查询报文，针对响应的可用接入路由器的类型触发相应的路由器切换过程，若响应的路由器中包括当前移动网络的同构移动路由器，则触发同构切换过程；否则，若响应的路由器为异构移动路由器，则触发异构切换过程；否则，若响应的路由器中为顶层固定路由器，则触发固定路由器切换过程。

步骤6、报告生成，即在当前移动网络的控制台形成切换报告。

所述步骤2中，移动路由器对通过各个可用接入路由器接入骨干网的各条路径进行评估和接入路由器选择，并将选定接入路由器提供的顶层固定路由器网络地址配置为转交地址，向家乡代理发送绑定更新报文，然后通过自组织路由协议建立顶层接入路由器到当前移动路由器的路由，在逻辑上建立由顶层固定路由器和各层移动路由器构成的接入路由器网。

所述步骤3中，移动路由器与顶层固定路由器通过自组织路由协议的网络参数感知和路由评估计算，建立移动路由器网到各移动路由器以及基于其负责的网络前缀生成地址的移动网络节点。固定路由器把骨干网家乡代理送来的数据包解封，目的地址换成移动网络节点地址，在路由到移动路由器后转发给最终的移动网络节点；反之，即移动网络节点通过移动路由器附上家乡代理地址，固定路由器通过封装建立与家乡代理的隧道，由移动网络发送到骨干网通信对端的数据包经过该隧道由家乡代理进行转发；若通信对端是移动网络节点，则当前移动网络节点通过移动路由器附上通信对端移动接入路由器的转交地址，并判断转交地址是否相同，若转交地址相同，则说明通信对端也在当前移动网络，只需通过自组织路由即可实现互联，否则建立两个固定路由器（转交地址）之间的隧道，因此通过包头标识来区分移动网络内路由和骨干网与移动网络路由。

所述步骤5中，移动网络节点通过广播可用接入路由器查询报文进行可用接入路由器的查询，而接收到查询报文的可用接入路由器向当前移动网络节点发送响应报文，并通知当前移动路由器的骨干网接入路径参数、移动网络前缀、移动网络标识和顶层固定路由器的网络地址；当前移动网络节点在其配置的时间期限内对可用路由器的接入路径进行评估，并通过移动网络前缀判断是否存在可用的同构移动路由器；若存在同构移动路由器，则依据其接入路径的评估结果对同构移动路由器进行选择，并把移动网络节点的后续报文直接送往当前移动路由器的同构移动路由器，同时自组织路由的传递过程进行路由器网内的前缀路由更新，使得返回的数据包直接送往选定的同构移动路由器；若不存在同构移动路由器，则分析是否存在异构的接入路由器；若不存在异构的接入路由器，则继续进行接入路由器的查询；若存在异构接入路由器，则依据接入路径的评估结果对异构移动路由器进行选择，然后通过被选的异构移动路由器把数据包送往顶层固定路由器，并由其封装发给其移动接入路由器的家乡代理，同时在接入路由器网内添加由该异构移动路由器到该移动网络节点异构前缀的路由，在其移动路由器恢复或查询到同构移动路由器后，删除该条路由，恢复基于同构前缀的路由；同样，移动路由器除了通过自组织路由方式构建移动路由器网路由外，也可通过广播可用接入路由器查询报文进行可用接入路由器的查询，并在其配置的时间期限内对可用路由器的接入路径进行评估，依据其接入路径的评估结果选择最优的接入路由器，然后通过被选的接入路由器把数据包送往顶层固定路由器，并经固定路由器和家乡代理的隧道转发至通信对端；同时，更新路由器网内到当前移动路由器及其维护网络前缀的路由，通过其顶层固定路由器网络地址判断该接入路由器绑定是否为同一个固定路由器；若固定路由器发生变化，则将该固定路由器地址作为转交地址，进行转交地址的绑定更新。

所述步骤5中，路径参数评估包括优先值P⁽ⁱ⁾、路径稳定时间T_j、路径延时D⁽ⁱ⁾和路径带宽B⁽ⁱ⁾、路径摘要_α ⁽ⁱ⁾，其计算公式如下；

$P^{\left(i\right)}=\frac{1}{i}(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}(j*P_j)+P_0)=\frac{1}{i}({(i-1)P}^{(i-1)}+i*P_i)---\left(1\right)$

T_j=e^t （2）

$D^{\left(i\right)}=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{d}_j=D^{(i-1)}+d^{\left(i\right)}---\left(3\right)$

$B^{\left(i\right)}=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{Min}}}(b_j*f_j)=\mathrm{Min}(B^{(i-1)},b_i*f_i)---\left(4\right)$

${\mathrm{\α}}^{\left(i\right)}=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{SHA}}}\left({\mathrm{IoCoA}}_j\right)=\mathrm{SHA}({\mathrm{\α}}^{(i-1)},\mathrm{Io}{\mathrm{CoA}}_i)---\left(5\right)$

其中，i为嵌套层次，P_i为第i层接入路由器的优先值，d⁽ⁱ⁾为接入链路的延时，b_i为接入链路的带宽，f_i为接入链路的带宽空闲率；t为路径摘要未发生变化的时间，IoCoA_i为第i层接入路由器的接口标识符。

所述步骤6中，报告生成包括当前移动网络发生切换的移动路由器、切换前后的接入路由器、切换延时、丢失数据包数目、日志记录。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过路径评估和最优路由器网的生成提高移动网络可靠性和吞吐量的同时，简单地通过发送一个路由/绑定更新报文就可实现任意移动路由器间的无缝切换，降低了突发性移动节点或无线链路失效时的路由器切换延时，提升了网络容错能力，同时利用多移动路由器提供的多路径，给出路由器或链路失效突发时三类切换方法，在保证实现各类接入路由器平滑切换的基础上提高切换的速度，满足当前网络应用发展对网络移动在切换性能方面和实时服务对网络移动方面的需求。

附图说明

图1是本发明实施例中基于分层路由的网络移动总体流程图；

图2是本发明实施例中切换发生的网络环境的示意图；

图3是本发明实施例中最优接入路由器网生成流程图；

图4是本发明实施例中最优接入路由器网的切换方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所提供的基于分层路由的网络移动无缝切换方法做详细说明。

如图1所示，基于分层路由的网络移动无缝切换方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、环境通告，即顶层固定路由器和移动路由器在其路由器通告中周期性添加包含优先值、网络地址、嵌套深度、路径延时、路径带宽、路径摘要、通告流水号等路径信息选项，并由第一次接收到该路由器通告的移动路由器转发。

步骤2、路由器网生成，即移动路由器对转发路由器通告的接入路由器接入骨干网和目标移动路由器的各条路径进行评估和接入路由器选择和路由更新，并把被选的固定路由器地址作为其转交地址，发送给家乡代理和通信对端。

步骤3、分层路由，即通信对端到顶层固定接入路由器之间的外层通用路由、顶层固定接入路由器到移动路由器及其负责网络前缀的中层自组织路由，以及移动路由器到移动网络节点的内层路由。

步骤4、失效感知，即移动路由器或移动网络节点在数据传输过程中或周期性接入路由器探测时发现响应超时。

步骤5、路由器切换，即通过可用接入路由器的查询、路径参数评估和依据路由器类型触发不同的切换过程，实现原有通信的平滑、快速切换。包括移动网络节点或移动路由器先发送可用接入路由器的查询报文，针对响应的可用接入路由器的类型触发相应的路由器切换过程，若响应的路由器中包括当前移动网络的同构移动路由器，则触发同构切换过程；否则，若响应的路由器为异构移动路由器，则触发异构切换过程；否则，若响应的路由器中为顶层固定路由器，则触发固定路由器切换过程。

步骤6、报告生成，即在当前移动网络的控制台形成切换报告。

步骤2中，移动路由器对通过各个可用接入路由器接入骨干网的各条路径进行评估和接入路由器选择，并将选定接入路由器提供的顶层固定路由器网络地址配置为转交地址，向家乡代理发送绑定更新报文，然后通过自组织路由协议建立顶层接入路由器到当前移动路由器的路由，在逻辑上建立由顶层固定路由器和各层移动路由器构成的接入路由器网。

步骤3中，移动路由器与顶层固定路由器通过自组织路由协议的网络参数感知和路由评估计算建立移动路由器网到各移动路由器以及基于其负责的网络前缀生成地址的移动网络节点。固定路由器把骨干网家乡代理送来的数据包解封，目的地址换成移动网络节点地址，在路由到移动路由器后转发给最终的移动网络节点；反之，即移动网络节点通过移动路由器附上家乡代理地址，固定路由器通过封装建立与家乡代理的隧道，由移动网络发送到骨干网通信对端的数据包经过该隧道由家乡代理进行转发；若通信对端是移动网络节点，则当前移动网络节点通过移动路由器附上通信对端移动接入路由器的转交地址，并判断转交地址是否相同，若转交地址相同，则说明通信对端也在当前移动网络，只需通过自组织路由即可实现互联，否则建立两个固定路由器（转交地址）之间的隧道，因此通过包头标识来区分移动网络内路由和骨干网与移动网络路由。

步骤5中，移动网络节点通过广播可用接入路由器查询报文进行可用接入路由器的查询，而接收到查询报文的可用接入路由器向当前移动网络节点发送响应报文，并通知当前移动路由器的骨干网接入路径参数、移动网络前缀、移动网络标识和顶层固定路由器的网络地址；当前移动网络节点在其配置的时间期限内对可用路由器的接入路径进行评估，并通过移动网络前缀判断是否存在可用的同构移动路由器；若存在同构移动路由器，则依据其接入路径的评估结果对同构移动路由器进行选择，并把移动网络节点的后续报文直接送往当前移动路由器的同构移动路由器，同时自组织路由的传递过程进行路由器网内的前缀路由更新，使得返回的数据包直接送往选定的同构移动路由器；若不存在同构移动路由器，则分析是否存在异构的接入路由器；若不存在异构的接入路由器，则继续进行接入路由器的查询；若存在异构接入路由器，则依据接入路径的评估结果对异构移动路由器进行选择，然后通过被选的异构移动路由器把数据包送往顶层固定路由器，并由其封装发给其移动接入路由器的家乡代理，同时在接入路由器网内添加由该异构移动路由器到该移动网络节点异构前缀的路由，在其移动路由器恢复或查询到同构移动路由器后，删除该条路由，恢复基于同构前缀的路由；同样，移动路由器除了通过自组织路由方式构建移动路由器网路由外，也可通过广播可用接入路由器查询报文进行可用接入路由器的查询，并在其配置的时间期限内对可用路由器的接入路径进行评估，依据其接入路径的评估结果选择最优的接入路由器，然后通过被选的接入路由器把数据包送往顶层固定路由器，并经固定路由器和家乡代理的隧道转发至通信对端；同时，更新路由器网内到当前移动路由器及其维护网络前缀的路由，通过其顶层固定路由器网络地址判断该接入路由器绑定是否为同一个固定路由器；若固定路由器发生变化，则将该固定路由器地址作为转交地址，进行转交地址的绑定更新。

步骤5中，路径参数评估包括优先值P⁽ⁱ⁾、路径稳定时间T_j、路径延时D⁽ⁱ⁾和路径带宽B⁽ⁱ⁾、路径摘要α⁽ⁱ⁾，其计算公式如下；

$P^{\left(i\right)}=\frac{1}{i}(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}(j*P_j)+P_0)=\frac{1}{i}({(i-1)P}^{(i-1)}+i*P_i)---\left(1\right)$

T_j=e^t （2）

$D^{\left(i\right)}=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{d}_j=D^{(i-1)}+d^{\left(i\right)}---\left(3\right)$

$B^{\left(i\right)}=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{Min}}}(b_j*f_j)=\mathrm{Min}(B^{(i-1)},b_i*f_i)---\left(4\right)$

${\mathrm{\α}}^{\left(i\right)}=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{SHA}}}\left({\mathrm{IoCoA}}_j\right)=\mathrm{SHA}({\mathrm{\α}}^{(i-1)},\mathrm{Io}{\mathrm{CoA}}_i)---\left(5\right)$

其中，i为嵌套层次，P_i为第i层接入路由器的优先值，d⁽ⁱ⁾为接入链路的延时，b_i为接入链路的带宽，f_i为接入链路的带宽空闲率；t为路径摘要未发生变化的时间，IoCoA_i为第i层接入路由器的接口标识符。

步骤6中，报告生成包括当前移动网络发生切换的移动路由器、切换前后的接入路由器、切换延时、丢失数据包数目、日志记录。

进一步的如图2所示，为切换发生的物理网络环境，其中，粗实现连接代表骨干网，细实线连接代表当前移动网络，虚线连接构成接入路由器（包括固定路由器和移动路由器）网：移动路由器对应的家乡代理接入骨干网的固定拓扑；移动网络节点通过固定路由器间、固定路由器和家乡代理间的隧道，以及接入路由器网实现和通信对端的互联互通。另外，点划线表示接入路由器网可能发生的三种切换类型；同构移动路由器表示支持相同移动网络前缀的一类路由器，否则为异构接入路由器（包括当前移动网络和其他移动网络的异构移动路由器）。

进一步的结合图1和图2所示，说明了支持无缝切换的多穴嵌套网络移动的整个过程，即接入路由器通过更新转发路由器通告，向需要接入的移动路由器告知可接入骨干网和其他移动路由器的各条路径的参数，而收到路由器通告的移动路由器通过一定的评估方法对可用的路径进行评估和接入路由器动态选择，并根据需要进行转交地址配置和绑定更新，从而实现最优接入路由器网的生成和动态维护。同时，移动网络节点在当前移动网络评估选择合适的移动路由器，并通过自组织路由以及固定路由器和家乡代理之间的隧道实现和通信对端的连接。在接入路由器发生突发性接入失效的情况下，通过提出了3类切换方法实现所有路由器之间的无缝切换，并在发生切换的移动网络控制台生成切换报告。

进一步的如图3所示，基于绑定更新和分层路由的最优接入路由器网生成是当前移动网络的移动路由器（当前移动路由器）在移动过程中接收路由器通告，然后从中获取路径信息选项PIO，分析发送或转发该路由器通告的接入路由器到骨干网的路径参数以及顶层固定路由器的网络地址，并判断当前移动路由器是否已经存在接入骨干网的当前路径，若存在当前路径，则通过分析PIO选项中的路径摘要信息判断其路径参数是否属于当前路径；若属于当前路径，则实时计算当前移动路由器通过当前路径接入骨干网的各项路径参数，根据计算结果，当前移动路由器修正原路由器通告中的路径信息选项PIO，并转发更新后的移动路由器通告，等待接收下一个路由器通告；若不属于当前路径，当前移动路由器依据满足其自身需求的特定评估算法对该路径进行总体评估，并与当前路径进行比较；若该路径的评估结果优于当前路径，当前移动路由器选择接入该接入路由器，并通过对比分析路由器通告中顶层固定路由器的网络地址和其当前转交地址判断顶层固定路由器是否发生了变化；若顶层接入路由器发生了变化，则当前移动路由器依据新的网络地址重新配置其转交地址，并通过向顶层固定路由器或移动路由器发送ICMPv6应答报文更新网内路由，包括从新的接入路由器到顶层接入路由器途中所有路由器节点到当前移动路由器的路由；当前移动路由器向其家乡代理发送其家乡地址和转交地址的绑定更新报文，并在收到绑定确认后完成绑定更新过程；若顶层接入路由器没有发生变化，当前移动路由器无需重新配置其转交地址，而只是向顶层接入路由器发送更新网内路由的ICMPv6应答报文更新网内路由，包括顶层接入路由器和所有途中接入路由器到当前移动路由器新的转交地址的路由；若新路径的评估结果不如当前路径，则当前移动路由器丢弃收到的路由器通告，并等待接收下一个路由器通告；若不存在当前路径，则当前移动路由器直接进行其转交地址的配置过程，并在确定转交地址的基础上进行绑定更新和当前移动路由器接入骨干网的各项路径参数的实时计算，然后更新PIO选项，转发路由器通告，等待接收新的路由器通告；同理，可以并行构建移动路由器间的横向路由，从而实现所有接入路由器间网状路由。

进一步结合图2和图3所示，评估需要计算的路径参数主要包括路径优先值P⁽ⁱ⁾、路径稳定时间T、路径延时D⁽ⁱ⁾和路径带宽B⁽ⁱ⁾，分别由式（1～4）确定：

$P^{\left(i\right)}=\frac{1}{i}(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}(j*P_j)+P_0)=\frac{1}{i}({(i-1)P}^{(i-1)}+i*P_i)---\left(1\right)$

T=e^t （2）

$D^{\left(i\right)}=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{d}_j=D^{(i-1)}+d^{\left(i\right)}---\left(3\right)$

$B^{\left(i\right)}=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{Min}}}(b_j*f_j)=\mathrm{Min}(B^{(i-1)},b_i*f_i)---\left(4\right)$

其中，i为嵌套层次；P_i,d⁽ⁱ⁾,b_i和f_i分别为第i层接入路由器的优先值、接入链路的延时、带宽和带宽空闲率；t为路径摘要未发生变化的时间，路径摘要α⁽ⁱ⁾由式（5）的HASH函数确定：

${\mathrm{\α}}^{\left(i\right)}=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{SHA}}}\left({\mathrm{IoCoA}}_j\right)=\mathrm{SHA}({\mathrm{\α}}^{(i-1)},\mathrm{Io}{\mathrm{CoA}}_i)---\left(5\right)$

其中，IoCoA_i为第i层接入路由器的接口标识符，最优接入路由器评估公式如下：

$Q^{\left(k\right)}=\mathrm{wP}+\frac{x{\left(T^{\left(k\right)}\right)}^2}{T^{(k-1)}}+\frac{y{\left(B^{\left(k\right)}\right)}^2}{B^{(k-1)}}+\frac{z{D}^{(k-1)}}{{\left(D^{\left(k\right)}\right)}^2}---\left(6\right)$

其中，k为迭代计算序列，w，x，y，z分别为优先值、路径稳定时间、路径带宽和路径延时对应的权值，通过权值调整可以体现实际应用对某项参数指标的特殊需求。例如，先分别串行计算带宽和延时，即设置权值w、x、z为0，y为1，计算路径带宽，同理可以计算路径延时，并判断带宽和延时是否满足需求；在带宽和延时满足需求的接入路径中，综合评估最优接入路径，比如对于平均带宽要求较高，但延时要求相对较低并无需考虑路由器接入的优先权、路径稳定时间或路径状态波动时，可以相应调高权值y（≥0.5）而降低权值z（≤0.5），同时设置权值w、x为0，然后计算各路径的综合评估结果，并把其中路径评估值最大的路由器作为最优接入路由器。

进一步图3所示的为图1中步骤2的最优接入移动路由器网的生成方法，其主要作用是为移动路由器选择最优的骨干网接入路径和移动网络内部最佳路由，使其降低接入不可靠路由器的风险，同时保持各移动路由器和整个嵌套移动网络的负载均衡。

步骤7是起始状态，生成接入路由器的路由器通告，并向移动网络散布。步骤8是移动路由器接收一个路由器通告。步骤9对收到的路由器通告进行分析，获取路径信息选项PIO（Path Information Options），并分析相关路径参数和顶层固定路由器的网络地址。步骤10判断当前移动路由器当前是否存在接入骨干网（固定路由器或目标移动路由器）的路径。若存在接入骨干网的路径，则执行步骤11，即分析获取的PIO路径信息是否属于当前路径。若属于当前路径，则直接执行步骤12，即计算当前移动路由器通过当前路径接入骨干网的各项路径参数，然后依次执行步骤13和步骤14，即根据计算结果，修正路径信息选项PIO，转发更新后的路由器通告，并转到步骤8，等待接收下一个路由器通告。若获取的PIO不属于当前路径，则需要跳转到步骤15，依据当前移动路由器的特定评估算法对该路径进行总体评估。根据评估结果，步骤16对评估的路径和当前路径进行比较，若新评估的路径优于当前路径，则执行步骤17，即通过网络前缀的比较，分析该路径的顶层接入路由器和当前路径的是否一致。若顶层接入路由器发生变化，则执行步骤18，即依据新的顶层固定路由器网络地址重新配置当前移动路由器的转交地址。步骤19更新接入路由器网内的路由，即通过向顶层接入路由器发送路由更新报文，建立途中路由器到当前路由器转交地址的路由。步骤20触发当前移动路由器的绑定更新过程，即向家乡代理发送转交地址和家乡地址的绑定更新报文。在收到绑定确认后转到步骤12，依次进行相应的路径参数计算和路由器通告更新转发，并等待下一个路由器通告。步骤17判断后，若固定路由器没有发生变化，则转到步骤19，进行网内的路由更新。路由更新完成后转到步骤12，依次进行路径参数的计算和路由器通告的更新转发，等待路由器通告。步骤16判断后，若新评估的路径不优于当前路径，则直接转到步骤8，等待新的路由器通告。步骤10判断后，若不存在当前路径，则转到步骤18，进行当前移动路由器的转交地址配置和相应的后续操作。目标移动路由器的路由更新与上述过程类似，只是没有固定路由器变化、转交地址配置和绑定更新过程。

进一步的图4所示的为图1中步骤5的最优接入路由器网的切换方法，其作用是利用多穴的优势，在接入路由器突发失效时，移动网络节点或移动路由器启动可用接入路由器查询，并根据可用接入路由器的类型触发路由器间切换过程，达到无缝切换和接入路由器容错的目的。为了实现该目的，移动网络节点需要周期性对当前移动网络的移动路由器进行评估和选择，同时本发明设计了3类路由器切换方法：（1）同构路由器切换，通过接入路由器网内属于当前移动网络自身的同构移动路由器实现数据流的迁徙与恢复，其步骤包括同构移动路由器的评估、选择以及随后的数据包转发、网内路由更新。（2）异构路由器切换，通过接入路由器网内异构移动路由器实现数据流的迁徙与恢复，其步骤包括异构移动路由器的评估、选择以及数据包转发和网内路由更新。这里网内路由更新需要各接入路由器添加一条由异构网络前缀指向当前网络前缀的路由，直到维护当前网络前缀的移动路由器恢复正常运行。第2类针对移动路由器：（3）接入路由器切换，即查询存在可接入移动路由器时，区分是否为当前接入路由器网内，如果是则通过接入路由器网内所有可用接入路由器实现数据流的迁徙与恢复，其步骤包括接入路由器的评估、选择以及随后的数据包转发、网内路由更新，否则通过非当前路由器网内的其他固定路由器实现数据流的迁徙与恢复，其步骤包括固定路由器的评估、选择以及随后的数据包转发、转交地址配置、绑定更新和路由更新。前2类针对移动网络节点，后1类针对移动路由器。

步骤21是初始动作，移动网络节点和移动路由器通过收到的路由器通告获取当前移动网络各个接入路由器的骨干网接入路径参数。步骤22是移动网络节点和移动路由器根据自身的需求依据特定的算法对当前移动网络的接入路由器进行评估，而步骤23则根据评估结果对最优的移动路由器进行选择。对于每一个移动网络节点，每一个候选的移动路由器都是同构移动路由器，即使当前可能接入的是异构移动路由器。由于前一次的评估结果也作为输入影响以后的评估结果，这是一个周期性的迭代过程，和下面的步骤并发执行。步骤24是移动网络节点或移动路由器通过选定的接入路由器进行数据包的收发。步骤25是移动路由器或移动网络节点对当前接入路径上接入路由器是否失效的判断。若接入路由器没有失效，则执行步骤26，即通过接入路由器网内路由以及固定路由器和家乡代理的隧道进行移动网络节点和其通信对端之间的数据包的转发中继。若接入路由器失效，则执行步骤27，即当前移动网络节点或移动路由器通过广播可用接入路由器查询报文进行可用接入路由器的查询。步骤28是接收到查询报文的可用接入路由器向当前移动网络节点发送响应报文，并通知其骨干网接入路径参数、移动网络前缀、移动网络标识和固定路由器网络地址。步骤29是当前移动路由器在其配置的时间期限内对可用路由器的接入路径依据其特定的评估算法进行评估。步骤30是判断是移动网络节点接入失效还是移动网络节点接入失效。若移动网络节点接入失效，则执行步骤31，即通过网络前缀判断是否存在可接入固定路由器或目标移动路由器的同构移动路由器。若存在同构移动路由器，则执行步骤32，即依据步骤29中接入路径的评估结果对同构移动路由器进行选择。步骤33是当前移动网络节点把数据包发给选定的同构移动路由器。步骤34是被选同构路由器向接入路由器网扩散同构前缀路由更新报文，建立各接入路由器到移动网络节点路由路径。步骤31判断后，若不存在同构移动路由器，则转到步骤35，判断是否存在可接入固定路由器或目标移动路由器的异构接入路由器。若不存在异构接入路由器，则转到步骤27，继续进行接入路由器的查询。若存在异构接入路由器，则执行步骤36，即依据接入路径的评估结果对异构移动路由器进行选择。步骤37是当前移动网络节点把数据包发给选定的异构移动路由器。步骤38是异构路由器向接入路由器网扩散异构前缀路由更新报文，建立各接入路由器到移动网络节点路由路径。步骤30判断后，若是移动路由器接入失效，则转到步骤39，判断是否存在可接入固定路由器或目标移动路由器的接入路由器。若不存在接入路由器，则转到步骤27，继续进行接入路由器的查询。若存在接入路由器，则执行步骤40，即依据接入路径的评估结果对接入路由器进行选择。步骤41是被选接入路由器转发从当前移动路由器送来的数据包。步骤42是路由器网内更新到当前移动路由器的路由。步骤43对顶层固定路由器是否发生变化进行判断。若固定路由器的网络地址发生变化，则执行步骤44，即重新配置当前移动路由器的转交地址，并执行步骤45，向家乡代理和通信对端发送绑定更新报文。若固定路由器没有发生变化，则和步骤34、38与45一样，转到步骤24，进行正常的数据包收发。

应当指出，以上所述仅是本发明的优选实施方式，具体实现该技术方案的方法和途径很多，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于分层路由的网络移动无缝切换方法，其特征在于，该无缝切换方法包括以下步骤：

步骤1、环境通告，即顶层固定路由器和移动路由器在其路由器通告中周期性添加包含优先值、网络地址、嵌套深度、路径延时、路径带宽、路径摘要、通告流水号等路径信息选项，并由第一次接收到该路由器通告的移动路由器转发；

步骤2、路由器网生成，即移动路由器对转发路由器通告的接入路由器接入骨干网和目标移动路由器的各条路径进行评估和接入路由器选择和路由更新，并把被选的固定路由器地址作为其转交地址，发送给家乡代理和通信对端；

步骤3、分层路由，即通信对端到顶层固定接入路由器之间的外层通用路由、顶层固定接入路由器到移动路由器及其负责网络前缀的中层自组织路由，以及移动路由器到移动网络节点的内层路由；

步骤4、失效感知，即移动路由器或移动网络节点在数据传输过程中或周期性接入路由器探测时发现响应超时；

步骤5、路由器切换，即通过可用接入路由器的查询、路径参数评估和依据路由器类型触发不同的切换过程，实现原有通信的平滑、快速切换。包括移动网络节点或移动路由器先发送可用接入路由器的查询报文，针对响应的可用接入路由器的类型触发相应的路由器切换过程，若响应的路由器中包括当前移动网络的同构移动路由器，则触发同构切换过程；否则，若响应的路由器为异构移动路由器，则触发异构切换过程；否则，若响应的路由器中为顶层固定路由器，则触发固定路由器切换过程；

步骤6、报告生成，即在当前移动网络的控制台形成切换报告。

2.根据权利要求1所述的基于分层路由的网络移动无缝切换方法，其特征在于:

所述步骤2中，移动路由器对通过各个可用接入路由器接入骨干网的各条路径进行评估和接入路由器选择，并将选定接入路由器提供的顶层固定路由器网络地址配置为转交地址，向家乡代理发送绑定更新报文，然后通过自组织路由协议建立顶层接入路由器到当前移动路由器的路由，在逻辑上建立由顶层固定路由器和各层移动路由器构成的接入路由器网。

3.根据权利要求1所述的基于分层路由的网络移动无缝切换方法，其特征在于:

所述步骤3中，移动路由器与顶层固定路由器通过自组织路由协议的网络参数感知和路由评估计算建立移动路由器网到各移动路由器以及基于其负责的网络前缀生成地址的移动网络节点，固定路由器把骨干网家乡代理送来的数据包解封，目的地址换成移动网络节点地址，在路由到移动路由器后转发给最终的移动网络节点，相反，即移动网络节点通过移动路由器附上家乡代理地址，固定路由器通过封装建立与家乡代理的隧道，由移动网络发送到骨干网通信对端的数据包经过该隧道由家乡代理进行转发；若通信对端是移动网络节点，则当前移动网络节点通过移动路由器附上通信对端移动接入路由器的转交地址，并判断转交地址是否相同，若转交地址相同，则说明通信对端也在当前移动网络，只需通过自组织路由即可实现互联，否则建立两个固定路由器（转交地址）之间的隧道，因此通过包头标识来区分移动网络内路由和骨干网与移动网络路由。

4.根据权利要求1所述的基于分层路由的网络移动无缝切换方法，其特征在于:

所述步骤5中，移动网络节点通过广播可用接入路由器查询报文进行可用接入路由器的查询，而接收到查询报文的可用接入路由器向当前移动网络节点发送响应报文，并通知当前移动路由器的骨干网接入路径参数、移动网络前缀、移动网络标识和顶层固定路由器的网络地址；当前移动网络节点在其配置的时间期限内对可用路由器的接入路径进行评估，并通过移动网络前缀判断是否存在可用的同构移动路由器；若存在同构移动路由器，则依据其接入路径的评估结果对同构移动路由器进行选择，并把移动网络节点的后续报文直接送往当前移动路由器的同构移动路由器，同时自组织路由的传递过程进行路由器网内的前缀路由更新，使得返回的数据包直接送往选定的同构移动路由器；若不存在同构移动路由器，则分析是否存在异构的接入路由器；若不存在异构的接入路由器，则继续进行接入路由器的查询；若存在异构接入路由器，则依据接入路径的评估结果对异构移动路由器进行选择，然后通过被选的异构移动路由器把数据包送往顶层固定路由器，并由其封装发给其移动接入路由器的家乡代理，同时在接入路由器网内添加由该异构移动路由器到该移动网络节点异构前缀的路由，在其移动路由器恢复或查询到同构移动路由器后，删除该条路由，恢复基于同构前缀的路由；同样，移动路由器除了通过自组织路由方式构建移动路由器网路由外，也可通过广播可用接入路由器查询报文进行可用接入路由器的查询，并在其配置的时间期限内对可用路由器的接入路径进行评估，依据其接入路径的评估结果选择最优的接入路由器，然后通过被选的接入路由器把数据包送往顶层固定路由器，并经固定路由器和家乡代理的隧道转发至通信对端；同时，更新路由器网内到当前移动路由器及其维护网络前缀的路由，通过其顶层固定路由器网络地址判断该接入路由器绑定是否为同一个固定路由器；若固定路由器发生变化，则将该固定路由器地址作为转交地址，进行转交地址的绑定更新。

5.根据权利要求1所述的基于分层路由的网络移动无缝切换方法，其特征在于:

所述步骤5中，路径参数评估包括优先值P⁽ⁱ⁾、路径稳定时间T_j、路径延时D⁽ⁱ⁾和路径带宽B⁽ⁱ⁾、路径摘要α⁽ⁱ⁾，其计算公式如下；

$P^{\left(i\right)}=\frac{1}{i}(\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}(j*P_j)+P_0)=\frac{1}{i}({(i-1)P}^{(i-1)}+i*P_i)---\left(1\right)$

T_j=e^t （2）

$D^{\left(i\right)}=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{d}_j=D^{(i-1)}+d^{\left(i\right)}---\left(3\right)$

$B^{\left(i\right)}=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{Min}}}(b_j*f_j)=\mathrm{Min}(B^{(i-1)},b_i*f_i)---\left(4\right)$

${\mathrm{\α}}^{\left(i\right)}=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{SHA}}}\left({\mathrm{IoCoA}}_j\right)=\mathrm{SHA}({\mathrm{\α}}^{(i-1)},\mathrm{Io}{\mathrm{CoA}}_i)---\left(5\right)$

其中，i为嵌套层次，P_i为第i层接入路由器的优先值，d⁽ⁱ⁾为接入链路的延时，b_i为接入链路的带宽，f_i为接入链路的带宽空闲率；t为路径摘要未发生变化的时间，IoCoA_i为第i层接入路由器的接口标识符。

6.根据权利要求1所述的基于分层路由的网络移动无缝切换方法，其特征在于:

所述步骤6中，报告生成包括当前移动网络发生切换的移动路由器、切换前后的接入路由器、切换延时、丢失数据包数目、日志记录。

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