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基于i p v 6 的光网络及无线网络应用研究 摘要 近年来，随着移动计算的日益普及，对因特网设备的移动性支持 也变得很重要。大量的移动计算设备如移动电话、笔记本电脑和掌上 电脑等正在被日益广泛地应用。随着计算机网络的迅速发展，无线网 络、智能光网络已经成为今后网络发展的趋势。为了解决计算机无线 上网以及计算机在移动的过程中持续连接网络，目前提出了针对下一 代网络i p v 6 的移动i p v f i 移动i p v 6 的关键就是移动但无需改变i p 地址，关键技术就是在移 动过程中的切换。如何降低切换延时是移动i p v 6 切换性能的衡量标 准。为此，针对移动主机在外地网络内的频繁切换己提出层次移动 i p v 6 用以降低延时，针对二层网络触发的切换预期己提出移动i p v 6 快速切换。本文在详细分析了移动i p v 6 ，层次移动i p v 6 以及移动i p v 6 快速切换之后，提出层次移动i p v 6 下的快速切换。在i p v 6 的层次型管 理下，通过引进快速切换中响应切换预期的方法，来缩短切换延时。 文中详细的说明了层次移动i p v 6 快速切换的原理、体系结构、数据流 以及具体操作等，并最后搭建了实验床给予了实现。 作者在完成本论文期间参与了“移动i p v 6 切换技术研究”项目。 该项目主要研究未来移动通信系统中的移动i p 切换技术。本论文以 此项目研究为背景，分析了降低移动i p v 6 切换时延的方法，作者经 过对该原型系统的多次测试，证明这种解决方案确实有效的提高了移 动i p v 6 的切换性能。 关键词：层次移动i p v 6 、快速切换、层次移动i p v 6 快速切换、家乡 代理、移动锚点、光网络 r e s e a r c ho f o p t i c a ln e t w o r k a n dw l a n k e yt e c h n o l o g y b a s e do ni p v 6 i nt h en e a rf u t u r e ，d e m a n d sf o rn e t w o r km o b i l i t yw i l la r i s ef r o mr e a l s i t u a t i o n ss u c ha sap e r s o n a la r e an e t w o r k ( p a n ) t a k e nw i t ht h el l s e r s a n da c c e s sn e t w o r k sd e p l o y e do np u b l i ct r a n s p o r t a t i o n sl i k ec a r s ，b u s e s a n dt r a i n s a st h e 。c o m p u t e rn e t w o r k d e v e l o p i n gr a p i d l y ，w i r e l e s s n e t w o r ka n da s o nh a v eb e c o m ep o p u l a ra n dt h ed i r e c t i o no ft h ef u t u r e n e t w o r k a tp r e s e n t , b a s e do nt h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k o fi p v 6 m o b i l ei p v 6h a sb e e np r o p o s e dt om a k et h ec o n n e c t i o nt ot h en e t w o r k i n c e s s a n t l yw h i l et h em o b i l en o d ei sm o v i n ga r o u n d t h ei d e ao fm o b i l ei p v 6c a nb es u m m a r i z e dt h a tt h em o b i l en o d e n e e d n tc h a n g ei pw h i l em o v i n ga r o u n d ，k e yo f w h i c hi st h eh a n d o v e r s o t h el a t e n c yo ft h eh a n d o v e ri sv e r yi m p o r t a n t am o d e lo fh i e r a r c h i c a l m o b i l ei p v 6 ( h m i p v 6 ) m o b i l i t ym a n a g e m e n tw a sp r o p o s e dt os o l v et h e p r o b l e mo fm o b i l en o d e s b a dp e r f o r m a n c ew h e np e r f o r m i n gl o c a l m o v e m e n tw i t h i nad o m a i n a n dt h ef a s th a n d o v e ro fm o b i l e i p v 6 ( f m i p v 6 ) w a sp r o p o s e d t os h o r t e nt h el a t e n c yo fh a n d o v e rb y u s i n g t h ea n t i c i p a t i v eh a n d o v e rt r i g g e r e db yl 2n e t w o r k a f t e ra n a l y z i n g m o b i l ei p v 6 ，阳p v 6a n df m i p v 6 ，t h ep r o p o s a lo ff a s th a n d o v e rf o r h i e r a r c h i c a lm i p v 6 ( f i - w a p v 6 ) w a st a b l e d ，i nw h i c ht h em o b i l en o d e s h o a e n e dt h eh a n d o v e r l a t e n c yb yr e s p o n d i n g t ot h ea n t i c i p a t i v e h a n d o v e r t h ep r i n c i p l e s ，a r c h i t e c t u r e s ，d a t af l o w sa n dt h eo p e r a t i o n so f t h ef h m i p v 6w e r ed e c r i b e di nd e t a i l ，a n dat e s t e dw a ss e tu pt o i m p l e m e n t e d t h ef h m i p v 6 d u r i n gt h ec o m p l e t i o no ft h i sp a p e r , t h ea u t h o rp a r t i c i p a t e di nt h e ” r e s e a r c ho fm i p v 6h a n d o v e rd e l a y ”p r o j e c t , w h i c hm a j o ro b j e c ti s p e r f o r m i n gr e s e a r c h e sf o rm o b i l ei pt e c h n o l o g yo ft h ef u t u r em o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t a k i n gt h i sa st h eb a c k g r o u n d ，i nt h i sp a p e rt h e a u t h o ra n a l y z e dt h ea c h i e v e m e n to fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k st h r o u g h m o b i l ei p v 6t e c h n o l o g yi nt h e ，l a ne n v i r o n m e n t a f t e rr e p e a t e d t e s t i n go ft h ep r o t o t y p es y s t e m , i tw a sp r o v e da sa ne f f e c t i v es o l u t i o nt o e n h a n c et h eh a n d o v e rp e r f o r m a n c eo f m o b i l el p v 6 k e y w o r d s ：h m i p v 6 ，f m i p v 6 ，f - h m i p v 6 ，h o m ea g e n t , m o b i l ea n c h o r p o i n t ，o p t i c a ln e t w o r k 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名： 珠盘，睦 本人承担一切相关责任。 日期：b 壁2 幺2 e 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名； ，缝互睦 日期：堕2 ：竺至 导师签名： l d 2 垫! 日期：丝! ：监兰 北京邮电大学硕士学位论文基于i p v 6 的光网络及无线网络应用研究 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 随着智能光网络及宽带无线局域网( w l a n ) 技术的成熟，越来越多的局域网 主机开始支持使用无线技术接入因特网。i p v 6 作为下一代因特网协议，已进入实 用化阶段，最终将取代现有的i p v 4 网络。为了使用户在i p v 6 子网之间进行切换时 能够保持i p 通信，i e t f 制定了移动i p v 6 协议 移动i p 提出之前，当移动用户通过不同地区的i s p 接入网络时，其i p 地址也 要进行变更。当一个移动用户离开自己的本地网络接入另外一个外地网络的时 候，他必须将其i p 地址修改为外地网络的子网的i p 地址，才能访问各种网络资源， 而且由于各种网络设置，此用户一般不能访问原有本地网络中的资源，其他用户 也无法通过该用户原来的i p 地址与该用户进行通信。这种传统的针对固定节点通 信的技术，不适用于移动节点。 为了解决这一问题，提供节点移动的透明性( 即移动但无需改变i p ) ，i e t f 根据a m y l e s 和c p e r k i n g 提出的m i p 协议，一提出了移动i p 这舍概念。最初的移 动i p 是针对i p v 4 的，因此可以称为移动i p v 4 由于i p v 6 的研究和移动i p v 4 的缺陷， i e t f 又提出了移动i p v 6 ，建议了它的基本构成、通信方式和若干关键技术。 1 1 1 移动i p v 6 的研究内容 移动i p v 6 在当前i n t e r n e t 基于网络前缀路由的前提下，使得移动节点在不同 网络间不断移动的过程中仍能保持通信，是i n t e r n e t 上基于网络层提供移动支持 功能的解决方案。它主要解决的问题为： 1 ) 移动节点可以通过一个永久的i p 地址连接到任何链路上； 2 ) 移动节点在切换到新的链路上时，仍然能够保持正在进行的通信。 与原先改变i p 地址、特定主机路由和链路层的方案不同，移动i p v 6 具有扩展 性、可靠性和安全性。它与下层的物理传输介质无关，不需要改变移动节点的永 久标识，与现有的i n t e r n e t 协议兼容，能够与不具有移动功能的主机进行通信。 移动i p v 6 技术充分利用了i p v 6 协议对移动性的内在支持： 首先，路由器在路由器广播消息中指明了它是否能担任家乡代理( h o m e a g e n t ) 同一个子网内允许多个家乡代理存在，移动节点可以向任意一个家乡代 理注册。家乡代理中保存有移动节点的家乡地址和转交地址的对照表，收到发送 给移动节点的消息后，根据对照表把消息转发给移动节点。 北京邮电丈学硕士学位论文基于i p v 6 的光网络及无线网络应用研究 其次，每当移动节点收到其他主机发来的消息后，在响应消息中以转交地址 作为源地址，并要附带上移动节点的家乡地址。以后发往移动主机的消息以移动 节点的转交地址为目的地址，但是要附带源路由选择报头，报头内容为移动节点 的家乡地址。使用这种机制的目的是保证移动节点在移动过程中也不会丢失消 息。 最后，i p v 6 中定义了重定向过程。当移动节点在区域间切换时，移动节点重 新登记成功后，基站应该向原来的基站发送重定向消息，使切换过程中路由错误 的消息重新找到移动节点。 移动i p v 6 的主要目标就是使得移动节点总是通过家乡地址寻址而不管是连 接在家乡链路还是移动到外地网络。移动i p v 6 对于i p 层以上的协议层是完全透明 的，这使得移动节点在不同子网间移动时，运行在该节点上的应用程序或配置不 需修改仍然可用。 1 2 移动i p v 6 协议介绍 1 2 1 协议概述 移动i p v 6 允许移动节点从一个链路移动到另一个链路而不需要改变其i p 地 址。无论连接多j i n t e r n e t 的什么地方，移动节点都能够接收到目的地址是其家乡 地址的分组，而且在新的链路上可以继续与其他节点保持通信，其移动对于传输 层以及更高层协议和应用保持透明。 1 2 2 移动i p v 6 的操作： 移动i p v 6 的操作可以概述如下： 移动i p v 6 节点采用路由器发现( r o u t e rd i s c o v e r y ) 确定它的转交地址。 4 2 当移动节点连接在家乡链路时，与任何固定的主机和路由器一样工作。 当移动节点连接在外地链路时，采用移动i p v 6 定义的地址自动配置方法 得到外地链路上的转交地址。 ( 4 ) 移动节点将它的转交地址通知给家乡代理。 如果可以保证安全性，移动节点也将它的转交地址通知与之通信的通信 对端。 ( 6 如果通信对端不知道移动节点的转交地址，通信对端送出的数据包先被 路由到移动节点的本地网络，从那里家乡代理再将它们经过隧道送到移动节点的 转交地址。 如果通信对端知道移动节点转交地址，通信对端送出的数据包可以利用 i p v 6 选路报头直接送给移动节点，选路报头将移动节点的转交地址作为一个中间 目的地址。 2 北京邮电大学硕士学位论文基于i p v 6 的光网络及无线网络应用研究 8 ) 反过来，移动节点送出的数据包采用特殊的机制被直接路由到它们的目 的地。然而，当存在入口方向的过滤时，移动节点可以将数据包通过隧道送给家 乡代理，隧道的源地址为移动节点的转交地址。 1 2 ，3 协议的具体操作过程 ( 1 ) 移动节点( m o b i l en o d e ，洲) 移动到外地时，通过i p v 6 路由器发现报文 决定其当前所在的位置，使用i p v 6 地址自动配置机制获取外地链路的转交地址 ( c a r eo fa d d r e s s ，c o a ) ； ( 2 ) 本地代理h o m e 的c o a 的主机将分组发往心的本地网络，h a 通过隧道将分组 转发到州当前所在的c o a 。知道州的c o a 的c n 将c o a 作为i p v 6 分组的目的地址，把分 组发送给m n ，洲用c o a 作为发送分组的源地址，通常在发送的分组中还应包括本地 地址信宿选项。 ( 3 ) i n 从旧接入路由器( o l da c c e s sr o u t e r ，o a r ) 切换到新接入路由器( n e w a c c e s sr o u t e r ，n a r ) 的过程切换开始的时候，o a r 停止转发到删的分组，并将 继续到来的分组进行缓存，并向各邻居接入路由器( a c c e s sr o u t e r ，a r ) 发出 “切换开始”报文，使邻居a r 加速发送路由器公告。 ( 4 ) 邻居a r 向o a r 返回。切换承认”和o a r 通知给n a r 。n a r 向o a r 返回“切换 结束”报文，报文中将给出是否需要建立隧道标志。如果需要，就在n a r 和o a r 之间建立隧道，通过隧道将发送到洲的0 c o a 的分组转发到n a r ，移动i p v 6 切换过 程再由n a r 转发给州。蚋向卧发送绑定更新报文的同时可以从o a r 的隧道接收报 文。 1 2 4 移动i p v 6 协议的改动 移动i p v 6 对基本的i p v 6 协议，主要进行了如下个方面的修改： 1 2 4 1 新的移动报头 移动i p v 6 定义了一个新的报头一移动报头( m o b i l i t yh e a d e r ) ，用于携带下 列移动i p v 6 消息： 家乡测试初始( h o t i ，h o m et e s ti n i t ) 、家乡测试( h o t ，h o m et e s t ) 、转交 测试初始( c o t i ，c a r e - o ft e s ti n i t ) 、转交测试( c o t ，c a r e o ft e s t ) 等四个 消息，用于返回路径可达过程； 绑定更新消息( b i n d i n gu p d a t e ) ，移动节点使用它来通知通信对端或者家乡 代理它当前的绑定； 绑定确认消息( b i n d i n ga c k n o w l e d g e m e n t ) ，用于对移动节点发出的绑定更 新进行确认： 绑定刷新请求消息( b i n d i n gr e f r e s hr e q u e s t ) ，用于请求移动节点发送新 的绑定，典型的情况是当绑定的生存期接近过期时使用； 北京邮电大学硕士学位论文 基于i p v 6 的光网络及无线网络应用研究 绑定错误消息( b i n d i n ge r r o r ) ，通信对端节点使用它来通知和移动性相关 的错误。 1 2 4 2 新的目的地选项 移动i p v 6 定义了一个新的目的地选顶，即家乡地址选项，甲于实现移动i p v 6 对上层协议的透明性以及对入境过滤的支持。 1 2 ，4 3 新的i c m p 消息 为了支持家乡代理地址的自动发现和移动配置，移动i p v 6 也引入了一些新的 i c m p 消息，包括： i c m p 家乡代理地址发现请求消息和i c h l p 家乡代理地址发现应答消息。用于 移动节点动态发现家乡代理的地址； i c h i p 移动前缀请求消息和i c m p 移动前缀应答消息，用于网络的重新编号和 移动配置机制。 1 2 4 4 新定义的数据结构 除了以上三个主要方面的修改以外，移动i p v 6 协议还新定义了下面三个概念 性数据结构。 绑定缓存( b i n d i n gc a c h e ) 绑定缓存用于保存关于其他节点的绑定信息，包括与移动节点“家乡注册” 或者“通信对端注册”相关的表项。每个家乡代理和通信对端都要维护绑定缓存。 i p v 6 节点发送每个分组时，首先根据目的地址搜索绑定缓存，如果在绑定缓存中 发现匹配的表项，则把转交地址放在分组的目的地址字段中，同时把目的地址字 段原来的内容放在增加的家乡地址选项中，否则，根据i p v 6 的定义发送分组。 绑定更新列表( b i n d i n gu p d a t el i s t ) 每个移动节点都应该维护绑定更新列表，记录与它所发送的每个尚未过期的 绑定更新相关的信息，包括移动节点发向通信对端及其家乡代理的所有更新。 家乡代理列表( h o m ea g e n t sl i s t ) 家乡代理需要为它所服务的每个链路都单独维护一个家乡代理列表，记录通 过设置家乡代理( h ) 位的路由器通告所探测到的每个家乡代理的信息，用于动态 家乡代理地址发现机制中向移动节点发送“动态家乡代理地址发现应答”消息。 该列表类似于邻居发现机制中每个主机维护的“默认路由器”列表。 1 3 本文研究内容及目标 本文的主要研究内容为t ( 1 ) 深入分析i p v 6 协议，其与i p v 4 版本相比较的优越性及优势。分析移动 i p v 6 切换协议的应用前景，重点是在下一代光网络及无线网络中的运用。 北京邮电大学硕士学位论文基于n , v 6 的光网络及无线网络应用研究 ( 2 ) 重点分析现有i p v 6 切换技术，分析现存技术特点，掌握基本切换技术 的原理及技术关键。把现有快速切换和层次切换技术结合起来提出新的切换方 案，并对这项方案迸行了优化 ( 3 ) 搭建系统实验床进行实现方案的测试与评估。并对实验结果进行分析， 验证了这种方案的可行性和正确性。 1 4 本文组织结构 全文一共分为七章： 第一章是绪论，主要介绍了无线局域网的概念及特点，然后介绍了当前移动 网络研究领域中移动i p v 6 基本协议以及研究现状。介绍了基本协议相关的术语、 消息和格式。 第二章主要介绍了光网络的发展以及它和i p v 6 技术的结合。 第三章主要介绍移动i p v 6 关键技术，切换中主要问题，然后列举了两项重要 的切换优化机制( 层次化切换及快速切换) 第三章叙述了移动i p v 6 层次化管理机制及快速切换机制。 第四章主要层次移动i p v 6 快速切换的设计。 第五章介绍h m i p v 6 实验环境的搭建及代码分析。 第六章对无线局域网各种切换机制进行了算法的优化研究。 第七章总结全文并给出结论以及建议。 北京邮电大学硕士学位论文 基于i p v 6 的光网络及无线网络应用研究 第二章基于i p v 6 的光网络发展 2 1 光网络应用背景 由于新技术革命的推动，经济全球化和社会信息化趋势日益明显。在以i p ， 虚拟专用网为代表的数据业务量井喷式增长和新型业务不断涌现所导致的巨大 带宽需求的刺激下，全球通信网络主导业务正在迅速的以由语音业务为主体向数 据业务为主体过渡。与此同时网络体系结构也正在向为提供高速大容量和高质量 服务相适应的方向飞速发展。当电子设备逐步达到其物理极限时，在光层上的波 分复用( w d m ) 技术，光码分多址复用( o c d m ) 等技术以其独有的技术优势在向 人们展示光纤通信网络的巨大潜力和光辉前景。 当前网络协议的典型承载结构为：i po v e ra t mo v e rs d ho v e rw d m ，其中i p 作为网络层，把a t m 作为自己的链路层，丽a t m 层又把s d h 当作自己的链路层。这 四个功能层所起的作用是：i p 层承载应用程序，a t m 层处理流量控制，s 阴层管理 传输，d w d m 层提供大容量的带宽。之所以产生这样的架构，是因为这些技术都是 网络上比较成熟的技术。然而这样做的缺点是功能重叠，比如说a t m 、s o n e t 和w d m 均有各自独立的自愈机制，网络出现故障时它们可能同时启动，从而引发资源竞 争。分层结构在各层都预留资源使得网络资源利用率很低，同时网络层数增多也 会使网络设备成本大大增加。 当前网络中的几种业务承载形式： ( i )i po v e ra t mo v e rs o n e t s d ho v e rw d m ( 2 ) i po v e ra t mo v e rw d m ( 3 ) i po v e rs o n e t s d ho v e rw d m ( 4 ) i fo v e rw d m 为了减少网络中的层次，出现了以下的两种承载的方式： ( 1 ) i fo v e ra t mo v e rw d m a t m 技术的优势在于丰富的q o s 级别和精细的拥塞控制功能，但是i p 分组长度 可变的情况下，a t m 封装i p 分组造成较大的额外开销。分组经过多层的封装和拆 分会带来较大的时延。 ( 2 ) i po v e rs o n e t s d ho v e rw d m s o n e t s d h 的优势在于s d h 网具有较强的生存力，出现故障时，业务能在几十 毫秒内恢复，同时s d h 帧结构中有丰富的保留字端，使网络的管理与维护能力大 北京邮电大学硕士学位论文基于i p v 6 的光网络及无线网络应用研究 大加强但是s o n e t s 阴是一种基于线路交换的技术，对于有突发特性的i n t e r n e t 业务流不能很好适应。 两种方式都不是最终的目标，最终的目标是去除所有的中闯层，实现i fo v e r w d m 。 2 1 1 网络的发展趋势：i po v e rw d m i po v e rw d m 光网络是在以语音业务为核心的网络架构基础上发展起来的。 它是指这样类型的网络：它省掉了a t m 层和s d h 层，直接在即m 层上运行因特网。i p o v e rw d m 结合了w d m 层传输带宽巨大和i p 层路由交换能力强的优点。合理的在i p 层与w d m 层之间实现流量工程、保护恢复、q o s 和网络管理等优化配置，形成一种 简单高效的网络体系结构。 相对于i po v e ri d m ，传统的i po v e ra t mo v e rs o n e to v e rw d m 方式不仅在 结构上重峦叠嶂，且任何一个功能层都有可能限制整个网络性能的提高。由于传 统的语音业务是一种对称性的业务，而i p 数据业务则有着突发性和非对称性的特 点，随着电信主要业务从语音向数据的迁移，目前由业务层、s d h 层和物理层所 构成的多层网络结构，将不再能够满足数据业务的爆炸性增长，而且任何具有s d h 复用结构的网络都将导致不必要的光一电转换从而提高了成本，因而通过s d h 设 备再映射到d 1 | d m 系统来传输i p 业务的方法将非常麻烦和昂贵。另一方面，i p 业务 与电路交换的差异也对基于电路交换的同步光传送网络s d h 提出了挑战。从组建 整个信息通信网角度来看，以i p 为代表的数据业务，是建设网络的最佳出发点， 因为，网络层的i p 技术是面对各类业务的理想选择。从传输角度来说，w d m 以及 以此为基础的光网络拥有巨大潜在能力，所以d w d m 为基础的光网络无疑成为传送 层的最佳基础。这些因素的综合，导致了。i po v e rw d m 光网络”的光互联网技 术的形成和发展。 其中智能光网络( a u t o m a t i cs w i t c ho p t i c a ln e t w o r k ，即自动交换光网络) 是指一种具有灵活性、高可扩展性、能直接在光层上按需提供服务的光网络基础 设施。它将s o n e t s d h 的功能特性、高效的i p 技术、大容量的d w d m 和革命性的网 络控制软件融合在了一起，形成了自动交换光网络。它首次在传输网络中引入信 令和路由概念，将数据网和传输网管理优点融合在一起，进而实现对网络的实时 动态管理，使光网络具有“智能”性。因m a s o n 除具备传统传送网功能外，还能 实现动态、自动的完成传送、交换和建立连接的功能。 2 2 基于i p 的下一代光传送网 国际电信标准咨询委员会( i t u - t ) 从网络级的观点对光传送网( o t n ，o p t i c a l t r a n s p o r tn e t w o r k ) 的概念、网络结构进行了描述，使之成为解决当今通信容量 7 北京邮电大学硕士学位论文 基于1 p v 6 的光网络及无线网络应用研究 急剧增长的主要技术途径。但是，自9 9 年以后，由于市场的推动以及i p 网络本身 的优点，开放灵活的因特网( i n t e r n e t ) 成为最能满足用户对新业务、新技术追求 的选择，i p 网络已经成为实现有线电视网、电信网和计算机网三网合一的最佳平 台，由此带来的i p 通信业务的爆炸式增长已经成为推动全球信息化发展的主要力 量。因此，为了满足日益增长的用户数量、用户需求和适应多媒体通信的广泛应 用，研究基于i p 的下一代宽带网己经成为世界各国竟相追逐的焦点。 i p 网的宽带化主要依靠下层技术，如a t m ，s d h ，w d m 等，与i po v e ra t mo v e rs d h o v e rw d m ，i po v e rs d ho v e rw d m 这些承载i p 的方式相比，i po v e rw d m 由于省 掉了中间层，避免了中间层a t m , s d h 的功能冗余，降低了网管复杂性和网络配置 复杂性，被认为是下一代光网络的主要发展方向，i po v e rw d m 也称之为光因特 网、光互联网。相对于固定带宽( 波长、时隙) 、大粒度的w d m 光网络来说，i p 分 组是一种不定长的小粒度形式。如果i p 分组直接在w d m 的波长上进行传输，势必 要考虑带宽利用率低的问题：另外，i p 分组采用存储、转发机制，而光网络缺乏 灵活有效地存储器件，光器件的发展还远远不能满足i p 分组头的光处理。如何将 i p 和w d m 有机的融合在一起是将来研究的重点。目前在光传送网中主要有三种解 决方案：波长路由( w r ，w a v e l e n g t hr o u t i n g ) 、光分组交换( o p s ，o p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ) 、和光突发交换( o b s ，0 p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 2 3 下一代光传送网的网络模型 i p 层与光传送层的融合由于技术背景的不同所导致的融合思路也不尽相同。 目前主要有两种基本网络演进结构，即重叠模型和集成模型。尽管两者都是以i p 为中心的控制结构，都是基于下一代光网络结构，但在管理应用上有很大的不同， 基本反映了计算机界和电信界的不同思路。 2 3 1 重叠模型 重叠模型又称客户一服务者模型，是i t u 和光互联论坛( o i f ) 等国际标准组织 和准标准组织所支持的网络演进结构。这种模型的基本思路是将光传送层特定的 控制智能完全放在光传送层独立实施，无须客户层干预，客户层和光传送层将成 为两个基本独立的智能网络层，而光传送层将成为一个开放的通用传送平台，可 以为包括i p 层在内的所有客户层提供动态互联。为此，这种模型有两个独立的控 制面，一个在核心光网络，即光网络层，而另一个在客户层，具体集中体现在用 户一网络接口( u n i ) 处，即边缘客户层设备与核心光网络之间，两者之间不交换 路由信息，独立选路，各自都有独立的拓扑。核心光网络为网络边缘的客户提供 波长业务。这种模型的最大好处是可以实现统一透明的光传送层平台，支持多客 户层信号。其次，让客户层特定要求通过接口送给光服务层，由光网络层来完成 8 北京邮电大学硕士学位论文基于【p v 6 的光网络及无线网络应用研究 客户的连接要求可以屏蔽光传送层的网络拓扑细节。第三，这种模型允许光传送 层和客户层独立演进，这样光传送层可以不受制于由摩尔定律所限定的1 8 个月翻 番的i p 层发展速度。第四，采用子网分割后，运营者既可以充分利用原有基础设 施，又可以在网络其他部分引入新技术，不为原有基础设施所累。第五，采用这 种方式后在网络运营商和客户层信号间有一个清晰的分界点，允许网络运营商按 需要实施灵活的策略控制。最后，这种模型比较容易在近期实现多厂家光网络中 的互操作性，迅速实施网络商用化敷设，这对网络运营者十分重要。 这种模型的缺点是功能重叠，两个层面都需要有网管和控制功能。其次是扩 展性受限还有，管理两个独立的物理网的成本较高，带宽利用率较低，存在额 外的帧开销。最后，由于两个层面存在两个分离的地址空间，因此需要复杂的地 址解析。总的看，日前这种模型最适合那些传统的己具有大量s d h 网络基础设施 而同时又需要支持分组化数据的网络运营商。 2 3 2 集成模型 集成模型又称对等模型或混合模型，是i e r f 所支持的网络演迸结构。这是一 种集成的方式，基本思路是将i p 层用于m p l s 通道的选路和信令略作修改后直接应 用于光传送层的连接控制。 这种模型的基本特点是将光传送层的控制智能转移到i p 层，由i p 层来实施端 到端的控制。此时光传送网和i p 网可以看作一个集成的网络，维持单个拓扑，光 交换机和标记交换路由器具有统一的选路区域，两者之问可以自由地交换所有信 息并运行同样的选路和信令协议，实现一体化的管理和流量工程。敷设统一的控 制面可以消除管理具有分离的、不同的控制和操作语义的混合光互联系统而带来 的复杂性。 然而采用这种模型时光网络层主要支持单一的客户，难以支持传统的非i p 业务，失去了对业务的透明性其次，为了实现路由器对光传送层的全面控制， 必须对客户层开放光传送层的网络拓扑等细节，这在多数情况下是行不通的。第 三，光层面的物理大故障( 例如光缆切断) 会导致光开关的频繁动作，不仅使路由 器选路工作量负担过重，还会影响路由稳定性。第四，采用集成模型后，网络运 营商无法提供灵活的策略控制和分级的域管理体制。第五，光层网元在选路和保 护恢复方面与i p 层有明显的不同限制，对形成统一的选路和保护恢复控制有相当 的难度。最后，这种模型使i p 和光传送层之间有大量的状态和控制信息需要交换， 从标准化的角度较难实现光传送层的互操作性。 从总体来看，这种模型较适合那些新兴的同时拥有光网络和i p 网的i s p 运营 商，从长远看，也适合于传统的电信运营商。 从功能上看，支持重叠模型所需的功能是支持集成模型所需功能的子集，只 9 北京邮电大学硕士学位论文基于i p v 6 的光网络及无线网络应用研究 要从管理上对对等模型的拓扑共享功能实施止能，同时保持其连接信令功能就可 以从集成模型导出重叠模型。因此，与分别为两种模型规范两套不同协议相比， 制定一套具有足够灵活性的控制面协议同时支持两者是更有效的方法。 2 4 迅猛增长的i p 数据业务 二十世纪末出现的因特网标志着人类社会进入到一个崭新的时代一信息化 时代，在这个时代，电信业务也经历着一场前所未有的变革，这种变革主要表现 为以话音业务为中心向以i p 等数据业务为中心的转变。据统计，传统话音业务的 年增长率只有5 一1 0 ，而以i p 为代表的数据业务的年增长率达到2 0 一3 0 9 6 。在中 国的通信市场中，数据通信近年来一直是增长最快速的领域之一，其业务收入 增加也非常快。数据通信作为未来数年内电信投资的重点，其在整个电信市场投 资中所占地比重将会越来越大。根据权威部门预测，至u 2 0 1 0 年，中国的数据用户 将超过2 8 亿，未来中国数据通信市场是异常巨大的，中国数据通信市场将是世 界上最具诱惑力的数据通信市场。数据通信业务量持续高速增长最直接的动力来 自i p 业务量的指数级增长。i p 网络通信业务量的爆炸式增长己成为世界注目的焦 点和推动全球信息业发展的主要力量。二十一世纪是信息产业持续发展的时期， i p 技术使得信息汇集和现有网络融合成为可能，i po v e re v e r y t h i n g 已成为无可 争辩的事实。世界各国都把宽带i p 网络作为2 1 世纪国家基础设施建设的重点，加 速发展以争取在未来激烈的竞争中占据优势。 随着全球通信业务量的飞速增长，特别是i p 数据业务的爆炸式增长，人们对 网络带宽的需求比以往任何时候都为迫切，高速大容量的宽带网络己经成为信息 时代通信网络发展的必然趋势。光纤通信系统凭借其巨大的带宽优势，使得光通 信网络成为承载未来数据业务和其他各类新型业务的最佳载体。利用光纤进行高 速数据传输的标准早在8 0 年代末就己开始发展。1 9 8 6 年，美国提出了一种使用同 步传输信号( s t s ，s y n c h r o n o u st r a n s p o r ts i g n a l ) 的同步光网络 ( s 0 n e t ，s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ) ，作为现代通信网的基本结构。1 9 8 8 年， 国际电信联盟( i t u ) 下设的国际电信标准咨询委员会( 1 1 1 j - t ) 对s o n e t 标准进行了 修改，重新命名为同步数字序列( s d h ，s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) ，使之 成为不仅适用于光纤通信，也适合于微波和卫星传输体制。 在信息技术领域存在着三大基本定律。第一定律是摩尔定律( m o o r e s la w ) ： 微处理器的速度每1 8 个月翻一番：第二定律是吉尔德定律( g i l d e r s la w ) ：在未 来的2 5 年，骨干网的带宽将每6 个月增加一倍，其增长速度超过摩尔定律的微处 理器增长速度的3 倍：第三定律是麦特卡尔夫定律( m e t c a l f e s la w ) ：网络价值 同网络用户数量的平方成正比，即n 个联结能创造n ，的效益。根据吉尔德定律， 北京邮电大学硕士学位论文 基于i p v 6 的光网络及无线网络应用研究 骨干网的带宽将每6 个月增加一倍，这无疑对传统的骨干网提出了巨大的挑战。 传统的骨干网使用的s d h 技术，只能以特定的传输速率( 2 5 gb s 或者l o g b s ， 最高会达至f j 4 0 g b s ) 在光纤中的单个波长信道中传输数据，带宽的扩展只能单纯 依靠提高单个波长的传输速率来实现。此外，s d h 技术需要电的时分复用( t d m 。 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，而电域的处理速度的提高是及其有限的。所有 这些都使得s d h 技术越来越不能满足未来宽带网络的发展要求。正是由于上述多 方面的需求使得光波分复用( w d m ，w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术的出现成为必然。 2 5 无线局域网现状 无线局域网就是一种曲线数据网络，它是以无线方式构建的局域网( w l a n ) ， 常用实现技术有；红外数据协会推出的i r d a 、家用射频工作组提出的h o m e r f 、 b l u e t o o t h ( 蓝牙) 以及美国的8 0 2 1 1 协议和欧洲的h i p e r l a n 2 协议等。 w l a n 利用电磁波在空中发送和接收数据，无需线缆介质，使网络上的计算 机具有可移动性，能快速、方便地解决使用有线方式不易实现的网络连通问题。 其应用范围非常广可以将其分为室内应用和室外应用，将会快速的应用于需要在 移动中连网和网间漫游的场合，并在不易布线的地方和远距离的数据处理节点提 供强大的网络支持。比较常用的无线局域网标准有：i e e e 8 0 2 1 1 、i e e e 8 0 2 1 l b 、 i e e e 8 0 2 1i g 、b l u e t o o t h 、h o m e r f 、i r d a 、h i p e r l a n 2 等。 可以预见，随着开放办公的流行和手持设备的普及，人们对移动性访问和存 储信息的需求会愈来愈多，w l a n 将在办公、家庭等领域不断得到更广泛应用。 北京邮电大学硕士学位论文基于i p v 6 的光网络及无线网络应用研究 第三章移动i p v 6 关键技术分析 3 1 移动i p r o 关键技术概述 上面介绍了移动i p v 6 的研究现状，从中我们可以看出国内外对于移动i p v 6 方面的研究都报以极大的期望，本节就将简要分析i p v 6 现阶段的各种关键技术。 移动i p v 6 关键技术研究框架结构组成如图3 - i 所示研究方向从总体上可以 分为宏观移动性和微观移动性两个方面。基本协议包括：移动i p v 6 协议，其他协 议主要包括移动i p 中的隧道技术、封装技术、移动i p 的管理信息库m i b 等。微观 移动主要研究关于快速切换、平滑切换、无缝切换、区域注册、缓存管理和报头 压缩等方面。同时，与宏观移动性和微观移动性都相关联的研究包括关于服务质 量( o o s ) 、移动安全方面的从a 认证、组播和流量工程等问题。下面将对几个重要 的关键技术( 移动切换，移动安全以及o o s ) 分别给予简要介绍。 宏移动 j 基本协议i 基本协议 微移动 圉图园图图图l 先ii 道ll 他li 存if 域ii 他l 蚓蚓斟吲崮斟l 换ii 换1i 术li 理ii 理ll 术i 图3 - 1移动i p v 6 研究框架 3 2 移动i p v 6 的切换问题 在移动i p v 6 的切换( h a n d o v e r ) 过程中，由于消息传输和协议处理都需要时 间，加上无线链