（信号与信息处理专业论文）高速客运专线宽带移动网中基于qos的切换研究.pdf

摘要 随着移动i p v 6 技术的发展，移动i p v 6 在铁路通信系统中应用呈 现出良好的前景。如何满足客运专线信息传输的实时性和可靠性，对 保障铁路系统运营安全，提高客运系统无线接入服务有着十分重要的 意义。 本文将一种基于服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的分层移动 i p v 6 网络拓扑结构应用于高速客运专线。针对其中有保证业务的切换 延迟和资源预留信息重建延迟，提出了基于线路信息和上下文转移的 分层移动i p v 6 切换方案。 首先，为了减少该网络中的移动切换延迟，结合客运线路固定的 特点，提出了基丁线路信息的切换方案。利用固定的线路信息和接入 路由信息，通过建立顺序接入路由表，来简化移动预测的复杂性、提 高移动接入的准确性，在此基础上有日地进行提前切换。从而减少了 切换造成的延迟和丢包率，同时避免了在对多个临近小区预留资源导 致的资源利用率降低和网络性能下降。 其次，为了减少该网络中由于资源预留信息重建对实时业务带来 的延迟，将上下文转移机制应用于基于线路信息的切换方案。利用上 下文机制对原来的信令进行修改，在切换之前将q o s 信息传递给目 的接入路由器，对接入路由器扩展移动代理功能，提前为移动主机建 立资源预留信息。从而实现降低了切换延迟，减少丢包率的目的，为 高速客运专线宽带移动网提供了一种较为可靠的实时业务的解决方 案。 最后，论文结合实际的应用环境，通过网络仿真平台n s 2 对提 出基于线路信息和上下文转移的切换方案与传统的m i p 的切换方案 在切换延迟、丢包率，以及网络环境发生变化时的不同情况，通过仿 真分析和比较。验证了基于线路信息和上下文转移的切换机制的可行 性和有效性。 关键词分层移动i p v 6 ，服务质量，上下文转移，移动切换 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h er a i l w a yw i r e l e s sn e t w o r k m o b i l ei p v 6 w i l lh a v eab r o a da p p l i c a t i o ni nr a i l w a yc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i t sv e r y i m p o r t a n tt og u a r a n t e et h es e c u r i t yo fr a i l w a yb u s i n e s sa n di m p r o v et h e r a d i oa c c e s ss e r v i c e sf o rp a s s e n g e rs y s t e mb yd e v e l o p i n gt h er e a l t i m e a n dd e p e n d a b i l i t yo f t h et r a 所ci nr a i l w a ys y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n , aq o s b a s e dh i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6 ( h m l p v 6 ) n e t w o r kt o p o l o g i c a ls t r u c t u r ei sa p p l i e di n t ot h eh i g h - s p e e dp a s s e n g e r d e d i c a t e dl i n e sm o b i l eb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ( h p d l m b c n ) al i n e a n dc o n t e x tt r a n s f e rb a s e dh m i p v 6m e c h a n i s m ( l & c t - b a s e dh m i p v 6 ) i sp r o p o s e d ，w h i c ha i m e dt or e d u c et h el a t e n c y c a u s e db yh a n d o v e ra n d r e s o u r c e r e s e r v a t i o np r o t o c o l ( r s v p ) i n f o r m a f i o nr e e s t a b l i s h i n gf o rg u a r a n t e e ds e r v i c ei nh p d l m b c n f i r s t ah a n d o v e rs o l u t i o nb a s e do nl i n ei n f o r m a t i o ni sp r o p o s e dt o r e d u c et h e1 a t e n c yi nh p d l m b c nc o n s i d e r i n gt h er a i l w a ys y s t e m c h a r a c t e r i s t i c a c c o r d i n gt ot h ef i x e d1 i n ea n dt h ei n f o r m a t i o no fa c c e s s r o u t e r s a no r d e r e da c c e s si x ) u t e rt a b l ei sc o n s t r u c t e dt os i m p l i f yt h e c o m p l e x i t yo f m o b i l i t yf o r e c a s ta n di m p r o v e t h ea c c u r a c yo f r a d i oa c c e s s 1 nt h i s w a y , t h eh a n d o v e rl a t e n c ya n dp a c k e tl o s s a r er e d u c e d f u r t h e r m o r e ，t h ed e c l i n eo fr e s o u r c eu t i l i z a t i o na n dn e t w o r kp e r f o r m a n c e c a u s e db yr e s e r v i n gr e s o u r c ei nt h en e i g h b o r i n gm u l t i r e g i o n si sa v o i d e d s i m u l t a n e o u s l y s e c o n d ac o n t e x tt r a n s f e rm e c h a n i s mi sa p p l i e di n t ot h e1 i n e b a s e d h a n d o v e rm e c h a n i s mt or e d u c el a t e n c yc a u s e db yt h er s v pi n f o r m a t i o n r e - e s t a b l i s h i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n i nt h i s m e c h a n i s m ，s i g n a l s a r e m o d i f i e dt ot r a n s f e rq o si n f o r m a t i o nt ot h ed e s t i n a t i o na c c e s sr o u t e r b e f o r eh a n d o v e r t h ea c c e s sr o u t e rh a sb e e ne x t e n d e dt ob eam o b i l i t y a g e n tt or e s e r v er e s o u r c eb e f o r et h ea r r i v a lo fm o b i l en o d e ( m n ) t h e r e f o r e , t h el a t e n c ya n dp a c k e tl o s si sr e d u c e dd u r i n gh a n d o v e r t h e p r o p o s e dm e c h a n i s mp r o v i d e sh p d l m b c nw i t h an l o r er e l i a b l e r e a l t i m et r a f f i cs o l u t i o n f i n a l l y , t h em o b i l ei p , l i n e b a s e dh m i pa n di c t b a s e dh m i pa r e e m u l a t e du s i n gn s 2i nt h eh a n d o v e rl a t e n c ya n dp a c k e tl o s s t h er e s u l t s p r o v et h ef e a s i b i l i t ya n d e f f e c t i v e n e s so f l & c t - b a s e dh m i e k e yw o r d s h m i p v 6 ，q o s ，c o n t e x tt r a n s f e r , h a n d o v e r a p a r b a b u c n c o a c t c t r e q c 1 ：a a c m c t d c t d r d i 腮e r v d s c p f b a c k f b u h a h a c k h i h m l l v 6 h o a i e l 陌 i n t s e r v l c o a m a p 瑚 m n m l s n a r 嗽 q o s 符号说明 a c c e s sp o i n t a c c e s sr e u t e r b i n d i 雌；a c k n o w l e d g e m e n t b i n d i n gu p d a t e c o r r e s p o n d e 口a tn o d e c a r e o f a d d r e s s c o n t e x tt r a m f e r c o n t e x tt r a n s f e rr e q u e s t c o n t e x tt r a n s f e ra c t i v ea c k n o w l e d g e c o n t e x tt r a n s f e ra c t i v er e q u e s t c o n t e x tt r a n s f e rd a t a c o n t e x tt r a n s f e rd a t ar 印l y d i f f e r e n t i a t c ds e r v i c e s d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d ep o i n t f a s tb i n d i n g a c k n o w l e d g e m e n t f a s tb i n d i n gu p d a t e h o m e a g e n t h a n d o v e r a c k n o w l e d g e m e n t h a n d o v e ri n i t i a l i z a t i o n h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6 h o m ea d d r e s s i m e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e s i n t e g r a t e ds e r v i c e s o n - l i n kc o r e - o f a d d r e s s m o b i l i t v a n c h o rp o i n t m o b i l eh e s t m o b i l en o d e m u l t i - p r o t o c o ll a b ds w i t c h i n g n wa c c e s sr o u t e r p r e v i o u sa c 淄sr o u t e r q u a l i t yo f s e r v i c e 接入点 接入路由器 绑定确认 绑定更新 通信对端通信节点 转交地址 上下文转移 上下文转移请求 上下文转移激活应笞 上下文转移激活请求 上下文转移数据 上下文转移数据应答 区分服务差分服务 区分服务代码点 快速绑定确认 快速绑定更新 家乡代理 切换确认 切换初始化 分层层次移动i p v 6 家乡地址 英特网工程任务组 综合服务集成服务 链路转交地址 移动锚点 移动主机 移动节点 多协议标签交换 新接入路由器 原接入路由器 服务质量 r c o a r s v p s l a t c a t e r e g i o n a lc a r e - o f a d d r e s s r e s o u r c er e s e r v a t i n np r o l o c o l s e r v i c el e v e la g r e e m e n t t r a f f i cc o n d i t i o n i n ga g r e e m e n t t r a f f i ce n g i n e e r i n g 区域转交地址 资源预留协议 服务等级协议 流量调节狮议 流量丁程 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作及取得的成果。尽我所知，除论文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 中南大学或其他单位的学位或证明而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贞献已在论文的致身 语中作了明确的说明。 作者签名；2 堡：! ：主、口期：2 生年月笪日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文：学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：陋导师签名：雏日期：金孕年上月丝日 顽十学侥论文第一章绪论 第一章绪论 随着移动m v 6 技术的发展，移动i p v 6 在铁路通信系统中应用呈现出良好的 前景。如何满足客运专线信息传输的实时性和可靠性，对保障铁路系统运营安全， 提高客运系统无线接入服务有着十分重要的意义。本文将一种基于服务质量的分 层移动m v 6 网络拓扑结构应用于高速客运专线。针对其中实时业务的切换延迟 和资源预留信息重建延迟，提出了基于线路信息和上下文转移的分层移动i p v 6 切换方案o 1 1 课题来源和研究目的 1 1 1 课题来源 本课题柬源于中国北车集团公司“高速客运专线宽带移动通信网开发平台的 研究”。 1 1 2 研究目的 随着国民经济的快速发展，为了实现全社会交通运输的布局合理和各种运输 方式的协调发展，铁路作为智能交通网的重要成部分，必将向高速化智能化方向 发展。铁路无线通信必须提供各种手段来保证行车调度指挥、运营管理以及各种 为旅客的服务能够高效率地进行，为高速列车客运专线建设宽带无线移动通信网 络成为了铁路建设的重大任务【i 】。为了保障高速客运列车的安全运行，铁路运营 部门需要及时了解列车的各种信息，并与司机进行信息交互。高速列车时速一般 在2 0 0 k m h - 3 5 0 k m h ，高速移动将导致移动切换频繁，为了满足铁路信息传输的 实时性要求，高速列车无线移动网必须具有快速越区切换的功能，从而减少切换 引起的网络延迟、数据丢失和抖动咖对于基于集成业务资源预留协议 ( i n t s e t v r s v p ，m t e g r a t e ds c r v i c c s r c s o u r c or e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 模型中有保证的 业务由于存在切换延迟的问题，资源预留信息的重建也会增加网络的延迟，这样 就需要对基于集成服务，资源预留协议模型的切换机制进行改进。 目前还没有针对高速客运专线的切换方案，而针对交通系统的切换方案大多 存在机制复杂，可靠性不高等问题。对于实时业务不能提供可靠的保证。在关于 i n t s e r v 模型中r s v p 在移动环境中应用的扩展也有很多改进，但部没有针对高 速客运专线进行专门的研究 硕十学位论文第一章绪论 本论文的主要目的是将一种基于服务质量( q o s ，q u a l i t y o f s e r v i c e ) 的分层移 动l p v 6 网络拓扑结构应用于高速客运专线，并着重针对如何保证移动切换环境 下移动接入网络保证在i n t s e r v r s v p 模型中的有保证业务的实时性和可靠性进 行了研究，考虑到切换延迟和资源预留延迟两个方面因素，提出了一种基于线路 信息和上下转移的移动切换方案，分别针对切换延迟和资源预留延迟来减少实时 业务的总延迟。 1 2 国内外研究现状 目前国内外铁路的专用移动通信网主要有：列车无线调度通信系统、 g s m r ( g s m f o r r a i l w a y ，用于铁路的g s m ) 和t e t r a ( t e r r e s t r i a l t r u c k e d r a d i o ， 陆地集群无线电) 系统f 2 】，它们的主要特点和府_ | j 情况为： 列车无线调度通信系统p 1 ，是我国铁路的主要无线移动通信系统，即无线列 调1 7 j 。可以完成列车调度员、车站值班员与进入其管辖区段的列车车长，以及列 车司机之间的通话联系。但存在；技术基础落后，功能扩展十分困难，己不适应 综合业务、数据传输方面现代运输新业务的需求；同频干扰严重影响通信质量和 可靠性：单信道体制投资效益低、功能简单，成为高速通信的主要障碍。 g s m r 和t e t r a 系统，是目前国际上铁路专用移动通信网络主要系统。 g s m - r 1 4 i 是在g s m 技术基础上融合了调度通信功能的专门用于铁路无线通 信的数字集群通信系统。其突出特点是将高速铁路列车自动控制信息的传输与以 语音通信为主的调度通信统一纳入同一个无线通信平台。g s m r 在欧洲高速铁 路得到了大量应用，在我国作为无线列调的替代系统，目自口有青减线、大秦线和 胶济线三条铁路线采用了g s m r 系统。g s m r 通过分组交换传输数据，可实现 9 0 5 k b s 1 7 1 2 k b s 的理论可变速率，但这个速率无法满足高速客运专线的数掘传 输带宽需求。而且g p r s 的引入使得分组型的业务与电路型的话音业务相互影 响，会对g s m r 网络的容量造成冲击。 t e t r a p l 是基于传统大区制调度通信系统的数字化而形成的一个专用移动 通信无线电标准。它采用t d m a 多址调制方式，可提供集群、非集群以及具有 话音、电路数据、短数据信息、分组数据业务的直接模式( 移动台对移动台) 的通 信，并支持多种附加业务。t e t r a 在通信方式、业务范围、接通速度和数据业 务等方面都优于g s m r 系统，但由于目前1 1 丌r a 系统尚未制定适用于铁路的 诸如列车自动控制数据信息双向传输等用途的技术规范，目前主要应用于地铁、 轻轨及公安等部门的无线调度和监控。其分组数据业务最高传输速率为 3 8 4 k b i t s ，难以满足高速客运专线为旅客提供高质量i n t e m c c 服务。 与上述专用铁路通信网相比，高速客运专线对通信网提出了新的要求：i ) 硕士学位论文第一章绪论 高速客运专线的综合调度系统需要数字网络技术的支撑；2 ) 车地之间需要通过通 信网传输的信息从运营调度指挥信息扩大到动车组状态信息与旅客访问i n t e m e t 信息，通信网中的数据业务显著增加，且这些数掘对通信网的带宽、可靠性和实 时性提出了更高的要求：3 ) 由于列车高速行驶，频繁跨越小区，无线移动通信系 统必须具有快速越区切换的功能；4 ) 通信网能够适应不同的地形环境( 平原、丘 陵、山区、桥梁、隧道和城市) ；5 ) 充分利用频谱资源，具有较强的通用性，适 应各种铁路运输的需要，在保证行车安全的基础上能为旅客提供更好的宽带 i n t e r n e t 接入服务。 可见，现有的铁路的专用移动通信系统在数据传输的实时性、可靠性和带宽 方面已无法满足高速客运专线的通信需求。迫切需要为高速客运专线建立一个功 能完善的宽带移动通信网，综合运用移动宽带无线网络技术与下一代互联网络技 术，将列车通信网、车载无线局域网和地面网相联，为高速列车的安全高效运行 提供可靠优质的多媒体通信服务但这也为我们带来了新的挑战：网络方案与体 系结构设计问题：由于列车高速移动导致网络频繁越区的切换延迟和分组丢失问 题；无线网络中要求传输大量实时信息而导致的网络q o s 问题。国内外学者针 对这些问题的主要研究有： i 移动i p v 6 及其切换机制研究 p 核心网络是网络融合中传输技术的关键，而移动i p 协议是移动i p 网络中 的关键技术。 移动m 是英特网工程任务组( 1 e t f ，i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kv o r c e s ) 铝t l 定的 一种宏移动管理方案，它能够与任何链路层技术结合提供移动支持。使用移动t p ， 人们能够在移动的过程中，透明地访问各种i n t e r a c t 服务，因此，自提出之日起， 移动i p 就受到人们的极大关注。 移动i p 有两种；一种是基于 p v 4 的移动i p v 4 n ，一种是基于i p v 6 的移动 i p v 6 l q 随着移动技术的发展，移动i p 将变得与无线网络同样重要，因此i p v 6 将成为必然的选择，移动i p v 6 还将成为能够使3 g 网络和热点地区的蓝牙或 w i - f i ( 8 0 2 1 i b ) 之间实现无缝漫游的一种基本技术。 尽管与移动m 一相比移动i p v 6 有很多优势，如扩大了地址空间、提高了 网络的整体吞吐量、服务质量得到很大改善、安全性有了更好的保证、支持即插 即用和移动性、更好地实现了多播功能等，但是标准的移动口v 6 协议的延迟依 然导致无法对实时业务进行有效支持，为此，i e t f 移动工作组提出了快速移动 i p v 6 t q 协议( f m i p v 6 ，f a s tm o b i l ei p v 6 ) 和分层移动i p v 6 c 9 协议( h m i p v 6 ， h i e r a r c h i c a lm o b i l en v 6 ) 。f m i p v 6 支持移动主机( m h ，m o b i l eh o s t ) 的快速切换， 但其实现依赖二层切换信息的及时获得，h m i p v 6 支持微观移动下信令交互的减 硕十学位论文 第一章绪论 少，无法提高宏观移动下的切换性能 为一步改进移动节点的切换性能，国内外学者提出了各种解决方案，主要有： h m i p v 6 与f m i p v 6 的融合i ”l 、基于传感器网络的快速切换机制【“、带有切换 优化的移动i p v 6a dh o e 网关 、h m i p v 6 与多协议标签交换的融合 i lj s ，基于 i p 多播和邻居缓存的切换机制1 9 - 2 1 、基于流的快速切换机制2 2 j ”、基于预测的快 速切换机制等。此外，考虑到多网融合带来的垂直切换问题的方案也不断涌现， 如文献 2 4 2 ”。 现有的基于预测的切换机制中：i2 。s - - 3 1 1 2 6 1 q ，提出根据预定时州和预定的相对 各基站距离进行切换决定，预先路由从而缩短延迟，但没有说明预定的时间和距 离是如何具体制定的，而且仅以时问和相对距离为标准作切换预测不够全面，缺 乏实用性；【2 7 】中利用二层触发信息启动切换，其应用仅仅针对无线局域网；f 2 8 没有考虑使用移动用户的历史记录；2 0 没有考虑运行的网络环境状态信息，因 而预测的精确性不能保证；f 3 0 难以反应即时的移动行为和清楚表达移动路线； 3 1 】中使用m c m t 模型，提出m m p 算法以用户的运动历史根据匹配情况预测 用户的移动，但该算法对随机移动十分敏感，移动分类局限于m c 和m t 两种模 式，因此其预测性能随着用户的随机移动因素的增加而呈线性下降；【3 2 中考虑 移动速度、方向和无线传输特性等因素构造数学模型来进行预测，将很多冈素理 想化，实用性不强。由此可见，目前基于预测的移动算法的主要缺陷是没有全面 考虑各种信息，自适应性不强，易导致不必要的资源浪费，并且与高速列车的应 用背景不相符。 分析表明，现有的移动i p v 6 协议虽适合于高速客运专线，但目前还没有一 个完善的机制来解决高速客运专线频繁切换带来的切换延迟问题。因此需要找 出一种基丁改进的切换机制来实现高速客运专线移动通信网频繁越区的无缝切 换。 2 高速移动无线网的q o s 服务模型 在高速移动无线通信网中既要保证在列车移动过程中用户依然可以保持始 终在线，实现信息的实时可靠传输，又要提供接入i n t e r n c t 的多媒体通信服务， 不但要对无缝切换机制进行研究，还要从q o s 方面来寻求解决的途径。 现有的q o s 模型主要有集成服务p ”( i n t s o r v ，i n t e g r a t e ds e r v i c e ) 、区分服务 【卅( d i f f s e r v ，d i f f e r e n t i a t e dg e l v i c e s ) 、多协议标签交换m ( m p l s ，m u l t i p r o t o c o l l a b o ls w i t c h i n g ) 、流量工程1 3 6 j ( t e ，t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 等。其中i n t s e r v 能住传 送数据之前，根据业务的q o s 需求进行网络资源预留，从而为该数据流提供端 到端的q o s 保证。资源预留协议是i n t s e r v 的核心。d i f f s e r v 使用优先级的策略 柬保证用户的服务质量。状态信息量少、实现简单并且扩展性较好。它的不足之 4 硕士学位论文第一章绪论 处是很难提供基于流的端到端的质量保证。 传统的r s v p 对固定网络可以实现服务质量保证，但是无法直接应用于移动 环境，为解决移动环境下无线接入的问题，目前出现了几种r s v p 改进方案。 ( 1 ) 移动r s v p 移动r s v p 3 7 1 ( m r s v p ，m o b i l er s v p ) 是一种支持移动性的改进r s v p 方案。 在m r s v p 中，协议预测主机未来可能到达的位置，并在这些位置提前预留资源， 从而保证移动主机的服务质量。提前预留资源的工作由每个子网中的移动代理替 移动主机来完成。m r s v p 利用代理在发送端到移动说明规范的目标位置之间的 路径中预留资源。m r s v p 中定义了两种代理：局域代理和远端代理。局域代理 是移动节点当酊网络中的代理，远端代理是移动节点的移动说明规范中的其他网 络位置中的代理。 出于m r s v p 在移动主机可能到达的位霄提前预留资源，使得移动主机可以 在新的位置获得所需带宽，从而保证了移动主机的服务质量。m r s v p 的缺陷在 于此协议需要在移动主机可能访问的多个位置预留资源，导致网络资源利用率 低此外m r s v p 协议的复杂性也比较高。 ( 2 ) 动态r s v p 动态r s v p 口”( d r s v p ，d y n a m i cr s v p ) 是一种支持可变服务质量的动态资 源预留协议，它使用户能够根据网络资源的变化动态的调整服务质量要求。 d r s v p 中，资源预留请求规定了请求规范，网络对请求进行判决并在此范围内 为应用提供尽可能好的服务质量，从而实现业务请求的动态预约。应用请求的范 围从能接受的最小服务缴别到能利用的最大服务级别，然后再次范围内根据网络 的可用资源进行自适应调整。预约请求的参数可以根据不同的网络模型和业务种 类朱确定。d r s v p 在基本不增加控制丌销的基础上提到了资源的使用效率和运 营的自适应性。 d r s v p 是r s v p 的扩展，与r s v p 相比，d r s v p 具有很多优势。首先， d r s v p 在一个范围内预留资源，而不是特定的值。其次d r s v p 的一个优势是 在d r s v p 中预留资源的调整非常容易。预留路径上的每个节点时刻检测可用 q o s 状态，当可用q o s 状态改变时，节点只通知与之相邻的上一跳和下一跳节 点，不需要通知路径上的所有节点。d r s v p 可以应用于无线移动环境，可以降 低切换延迟和传输时延，但是这种方法只适用于预留路径上存在交叉路由器的网 络 f 3 ) r s v p 组播 基于组播方式的r s v p 协议f ”1 中，移动主机由一个组播地址唯一标识主 机的移动可视为组成员的变动。由移动代理替移动主机处理与移动相关的r s v p 硕十学位论史第一章绪论 消息并保存相应的状态。所有移动主机发送、接收的r s v p 消息和i p 数据包都 通过口组播路由传送。该方案同时还采用类似于m r s v p 的预测方案，将移动 主机下一步将要访问的位置提前加入到组播树中并预留资源。通过这种方式，既 避免了三角路由问题，也避免了多余端到端r s v p 消息，在满足移动主机服务质 量需求的同时，提高了网络资源的利用率。但是该方案采用绢播地址标识移动主 机，这与现有的移动i p 路由协议有冲突。 f 4 1 基于r s v p 隧道的r s v p 协议 移动口协议使用隧道柬转发用户数据，但是r s v p 消息经过i p i m 口封装 后进入隧道，使隧道中的路由器无法识别r s v p 请求，不可能为业务预留资源。 基于r s v p 隧道的r s v p 协议l 解决了这个问题。该协议关键是在隧道的两个 端点之削新建一个r s v p 隧道会话。端到端的r s v p 会话把隧道看作是从源点到 目的点之日j 的一段链路。当一个端列端的r s v p 会话经过隧道时，他被映射到另 一个r s v p 隧道会话中。r s v p 隧道会话从隧道的出口向隧道的入口按照通过隧 道的总业务量预田资源。 本方案的优点在于不需要对现有的r s v p 协议作大的改动，协议的，1 ：销比较 小。但是该协议不能完全保证移动主机的服务质量，而且受三角路出的影响，难 以做到资源优化。 为了保证高速客运列车的行车安全，实现有效的人机控制，提高i 岜输竞争力， 为其提供有保证的通信业务。需要对现有的q o s 机制针对移动环境作进一步的 改进。 1 3 论文的主要内容和组织结构 本论文以为高速客运专线移动宽带网解决车地数据在通信网中传输的可靠 性、实时性问题为基础，以实现高速客运列车安全运行增加铁路竞争力为目标。 要求通信系统在保证列车信息实时可靠传输。论文研究的主要内容包括以下几 点： ( 1 ) 提出了基于线路信息的切换方案。利用固定的线路信息和接入路由信息， 通过建立顺序接入路由表，有目地进行提前切换。 ( 2 ) 利用上下文机制对原，的信令进行修改，在切换之前将q o s 信息传递给 目的接入路由器，对接入路由器扩展移动代理功能，提前为移动主机建 立资源预留信息。 论文的组织结构如下： 第二章高速客运专线宽带移动网关键技术介绍，介绍了高速客运专线宽带 移动网络拓扑结构涉及的相关技术。 6 硕七学位论文 第一章绪论 第三章基于线路信息的切换方案，分析了基于h m i p v 6 的高速客运专线宽 带移动网络结构特点，提出一种基于线路信息的切换方案。 第四章基于上下文转移的切换方案，分析了基于q o s 的高速客运专线网络 应用需求，在基于线路信息切换的基础上，提出了一种基于上下文转移的移动切 换方案来保证该网络中的实时业务性能。 第五章方案的分析与论证，结合实际的应用环境，通过n s 2 对提出基于线 路信息和上下文转移的切换方案与传统的m i p 的切换方案在切换延迟、丢包率， 以及网络环境发生变化时的不同情况，进行仿真分析和比较。 第六章总结与展望，对前五章的内容作了概括性的总结，并对今后的研究 做了展望。 7 硕士学竹论文 第二章高速客运专线宽带移动网戈键技术 第二章高速客运专线宽带移动网关键技术 随着计算机通信网、电信通信网以及移动通信网的最终走向统一，它们的共 同基础将是口网络。因此在高速客运中采用i p 技术既能满足列午通信要求又便 于与外界网络互连互通，为旅客提供高速优质的宽度i n t c r n e t 服务。且l p 协议工 作在第三层，兼容所有的无线链路标准，可以实现不同类型的固定网络和不同技 术之自j 的公共无线接入，保证了移动节点在不同网络之间的漫游和切换。移动 i p v 6 协议为m 技术在移动节点日j 通信的应用提供了解决方案。高速客运专线宽 带移动通信网以移动i p v 6 技术为基础，结合了h m i p v 6 和q o s 模型为高速移 动环境r 提供各种业务。本章对其中的关键技术作一个初步介绍。 2 1 移动i p v 6 技术 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示了它是否能担任家乡代理。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数据包后，根据对照表把 数据包转发给移动节点。其次，每当移动节点收到其他主机发束的数据包后，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。其它主机 的后续数据包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为了保证移动节点在移动 过程中也不会丢失数据包。最后，i p v 6 中定义了重定向过程。当移动节点在小 区间切换时，移动节点重新登记成功后，基站应该向原来的基站发重定向消息， 使切换过程中路由有偏差的数据包重新找到移动节点。 2 1 1 移动i p v 6 基本术语 移动m v 6 中，定义了三个操作实体：移动节点( m n m o b i l e n o d e ) ，通信节 点( o n ，c o r r e s p o n d e n tn o d e ) ，家乡代理( h a ，h o m e a g e n t ) ：定义了四个新的i p v 6 目的选项：绑定更新，绑定确认，绑定请求和家乡地址选项；为“动态家乡代理 地址发现”定义了两个i c m p 消息：家乡代理地址发现请求i o m p 消息和家乡代 理地址发现应答i c m p 消息；为“邻居发现”定义了两个新的i p v 6 选项：广播 时间间隔选项和家乡代理信息选项。 硕十学位论文第二章高速客运专线宽带移动网戈键技术 移动i p v 6 研究方向集中在宏观移动性和微观移动性两个方面。微观移动主 要关于无缝切换，这包括快速切换和平滑切换。而且一些关于服务质量，a a a 、 组插和流量工程等的问题也是广泛研究的热点。 移动口v 6 中定义的术语如下： ( 1 ) 家乡地址( h o a ，h o m ea d d r e s s ) 在移动节点的家乡链路上分配给移动节点的i p 地址。 ( 2 ) 家乡子网前缀( h o m es u b n e t p r e f i x ) 对应于移动节点家乡地址的i p 子网前缀。 ( 3 ) 家乡链路( h o m el i n k ) 定义移动节点家乡子网前缀的链路。标准l p 路由方案将发往移动书点的家 乡地址的数据包发送到移动节点的家乡链路。 ( 4 ) 移动节点( m n ，m o b i l en o d o 移动节点能够从一个链路移动到另外一个链路，在移动的过程中这个节点仍 然可以通过它的家乡地址与外界保持联系。 ( 5 ) 移动( m o v e m e n t ) 移动节点从当前链路移动到另外一个链路的变化过程。当一个移动节点没有 连接在它的家乡链路时，就认为这个移动节点“离开家乡”。 ( 6 ) 通信节点( c n ，c o r r e s p o n d e n tn o d e ) 与移动节点进行通信的对等节点。通信节点可以是移动的也可以是静止的。 ( 7 ) 外地子网前缀( f o r e i g n s u b n c tp m f i x ) 移动节点的家乡子网前缀以外的任何i p 子网前缀。 ( 8 ) 外地链路( f o r e i g nl i n k ) 移动节点家乡链路以外的任何链路 ( 9 ) 家乡代理( h a ，h o m e a g e n t ) 移动节点家乡链路上的一个路由器，移动节点向其注册了当前的转交地址。 当移动节点不在家乡时，家乡代理截获家乡链路上发往移动节点的数据包，进行 封装后，通过隧道发送给移动节点注册的转交地址。 ( 1 0 ) 转交地址( c o a ，c a r e - o f a d d r e s s ) 当移动节点访问外地链路时它将获得一个与它相关联的口地址，这个地址 就称为转交地址，这个地址的子网前缀是“外地子网前缀”移动节点同时可以 有多个转交地址( 如这些转交地址有不同的子网前缀) 。向移动节点的家乡代理注 册的那一个转交地址称为“主转交地址” ( 1 1 ) 绑定( b i n d i n g ) 移动节点的家乡地址和转交地址的关联称为绑定，在每个绑定中还有这个关 9 硕十学位论文 第二章高速客运专线宽带移动网关键技术 联所剩余的“生存时间”等字段。 ( 1 2 ) 家乡注册( r e g i s t r a t i o n ) 移动节点向家乡代理注册主转交地址。 移动口v 6 需要交换附加的信息，这些信息定义为i p v 6 的目的地选项，目的 地选项中的附加信息只在数据包的目的节点进行处理。下面是移动i p v 6 定义的 四个新的目的地选项： ( 1 ) 绑定更新( b u ，b i n d i n gu p d a t c ) 移动节点利用“绑定更新”来通知通信节点或者它的家乡代理自己当前的绑 定。发往移动节点家乡代理的片j 于注册“主转交地址”的“绑定更新”被标记成 “家乡注册”标识。包含“绑定更新”选项的任何数据包必须被i n s e c t r f c 2 4 0 1 1 所保护 ( 2 ) 绑定确认( b a ，b i n d i n ga c k n o w l e d g e m e n t ) 如果“绑定更新”需要应答，那么“绑定确认”就用于对这个“绑定更新” 的应答。包含“绑定确认”选项的任何数掘包必须被i p s e e 所保护。 ( 3 ) 绑定请求( b i n d i n gr e q u e s 0 如果一个节点向移动节点发送“绑定请求”，那么移动节点向它发送“绑定 更新”，其中包含移动节点当l j i 的绑定。通信节点的缓存绑定正在被使用，但是 这个绑定马上就要过期，这时通信节点就可以向移动节点发送“绑定请求”来刷 新这个绑定。绑定请求选项不需要安全鉴定。 ( 4 ) 家乡地址 移动节点在“家乡地址”选项中包含自己的家乡地址，接收节点通过这个选 项获得移动节点的家乡地址。当移动节点离开家乡时，它发送的i p v 6 数据包报 头中的源地址通常使用移动节点的一个转交地址。在数据包中包含“家乡地址” 选项，通信特点接收到这个数据包后，把移动节点的家乡地址( 包含在家乡地址 选项中) 和转交地址进行互换，从而使得转交地址对通信节点是透明的。如果携 带家乡地址选项的数据包报头要求安全鉴定，那么“家乡地址”选项也必须包括 在安全鉴定之内，但是家乡地址选项不需要其他的安全鉴定。 2 1 2 移动口v 6 操作过程 移动i p v 6 的原理和移动i p v 4 一样，主要是让一个移动节点拥有两个地址。 一个家乡地址、一个转交地址；当有传送给移动节点的家乡地址的分组但移动 节点并不在家乡嘲络时，家乡代理就会截获这些分组再转发给这个移动节点。对 应得转交地址。移动节点没改变一次移动位置时都必须向家乡代理作出绑定更 新。 具体的操作步骤如下： 硕l 学何论文第二章高速客运专线宽带移动网关键技术 ( 1 ) 当移动节点接上网络时，它会根据预设路由器所发出的路由公告信息来 判断目前是处于家乡网络还是外地网络；若发现处于家乡网络时，则所 有的分组处理方法都和原柬的路由协议一样。 ( 2 ) 若接收到路由公告发现已经不在家乡网络，而是到了外地网络时，则根 据l p v 6 协议必须先使用重复地址检测的方法柬验证它的本地链路地址是 否唯一，再结合预设路由器所发出的子网前缀自动组成一个转交地址， 这就是移动节点在这个网络所使用的i p 地址。 ( 3 ) 之后，必须向这个移动节点所属的家乡代理以及通信多端发送一个绑定 跟新进行注册。当家乡代理第一次收到这个