（通信与信息系统专业论文）列车移动网络的服务质量保证关键技术研究.pdf

摘要 随着数据业务的飞速增长，在具有网络移动特征的铁路环境中， 如何有效地采用移动网络( n e m o ，n e t w o r k sm o b i l i t y ) 技术满足旅客 接入i n t e m e t 的需求已经成为一个具有挑战性的课题。由于列车的高 速移动性、无线网络业务类型多样化、接入用户数目的激增，当前针 对单个移动终端提出的服务质量解决方案已难以保证高速客运专线 中数据传输的实时性和可靠性。 论文首先建立了列车移动网络多移动路由器( m r ，m o b i l er o u t e r ) 配置模型，并针对多种接入网并存的嵌套列车移动网络路径选择问 题，提出一种基于规则的最佳默认m r 选择机制。通过在路由器公告 消息的选项中增加嵌套等级和根m r 的连接性信息，使列车移动网络 用户能够利用这些信息，并根据规则选择最佳的m r 接入i n t e m e t 。 然后，提出一种基于多移动路由器协作的切换机制。通过在列车 上配置两个或者多个m r ，使切换过程中不同的m r 接入不同的子网 并相互协作接收去往各个m r 的数据包，实现切换期间从不同的子网 重叠接收数据包，使得数据包丢失独立于切换延迟。 最后，研究一种基于下一代通用信令( n s i s ，n e x ts t e pi ns i g n a l i n g ) 的移动网络资源预留协议。在此基础上，提出基于线路信息的自适应 移动网络资源预留方案，在列车移动网络切换到新子网之前，综合考 虑列车下一接入子网、子网停留时间和当前可获得的网络带宽等信息 进行预先资源预留，以更好地保证切换时的通信服务质量。 通过数学分析和仿真验证方案的有效性，结果表明所提出的机制 分别在数据吞吐量、切换期间分组丢失和资源利用率方面性能较好。 关键词服务质量，移动网络，移动切换，资源预留 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd a t as e r v i c e s ，h o wt oe f f e c t i v e l ya p p l y t h en e t w o r k sm o b i l i t y ( n e m o ) t e c h n o l o g yt os a t i s f yp a s s e n g e r s n e e d so f a c c e s st oi n t e m e th a sb e c o m ea c h a l l e n g i n g t a s ki nt h er a i l w a y e n v i r o n m e n t d u et ot h e h i g h - s p e e dm o b i l i t y o ft h et r a i n ，t h e d i v e r s i f i c a t i o no fw i r e l e s sn e t w o r ks e r v i c e s a n dt r e m e n d o u si n c r e a s ei n t h en u m b e ro fw i r e l e s sn e t w o r ku s e r s ，t h ee x i s t i n gq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) s o l u t i o n sf o ras i n g l em o b i l et e r m i n a lh a v eb e e nd i 伍c u l tt og u a r a n t e e r e a l - t i m ea n dr e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o ni nt h eh i g h - s p e e dp a s s e n g e rl i n e f i r s t l y , am u l t i p l em o b i l er o u t e r sc o n f i g u r e dm o d e lf o rt r a i n b a s e d m o b i l en e t w o r ki se s t a b l i s h e d a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fp a t hs e l e c t i o ni n n e s t e dt r a i n b a s e dm o b i l en e t w o r kw i t hm u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g i e s ，a b e s td e f a u l tm o b il er o u t e r ( m r ) s e l e c t i o nm e c h a n i s mu s i n gp o l i c i e si s p r e s e n t e d a no p t i o no f t h er o u t e ra d v e r t i s e m e n tm e s s a g ei so p t i m i z e dt o i n c l u d et h ei n f o r m a t i o na b o u tt h en e s t e dl e v e la n dr o o t 乇c o n n e c t i v i t y , s ot h a tt h eu s e r so ft h et r a i n b a s e dm o b i l en e t w o r kc a nu s et h e i n f o r m a t i o na n dp o l i c i e st os e l e c tab e s td e f a u l t 瓜t oc o n n e c tt ot h e i n t e m e t s e c o n d l y , ah a n d o v e rs c h e m eb a s e do nm u l t i p l em o b i l er o u t e r si s p r o p o s e d t w oo rm o r em o b i l er o u t e r sa r ec o n f i g u r e do nt h et r a i n ，w h i c h e n a b l e sd i f f e r e n tm o b i l er o u t e r st oa c c e s sd i f f e r e n ts u b n e t sd u r i n ga h a n d o v e ra n dc o o p e r a t i v e l yr e c e i v ep a c k e t sd e s t i n e df o re a c ho t h e r t h e o v e r l a p p e dr e c e p t i o no fp a c k e t sf r o md e f e r e n ts u b n e t sm a k e st h ep a c k e t l o s si n d e p e n d e n to ft h eh a n d o v e rl a t e n c y f i n a l l y , an e w r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o lb a s e do nn e x ts t e pi n s i g n a l i n g ( n s i s ) f o rm o b i l en e t w o r k si s s t u d i e d o nt h i sb a s i s ，a n a d a p t i v er e s o u r c er e s e r v a t i o ns c h e m eb a s e do nt h el i n ei n f o r m a t i o ni s p r e s e n t e d b e f o r et h et r a i nh a n d o f rt oan e ws u b n e t t h en e x tv i s i ts u b n e t o ft h et r a i n ，t h es u b n e tr e s i d e n tt i m ea n dt h ec u r r e n ta v a i l a b l l en e t w o r k b a n d w i d t ha r ec o n s i d e r e dt om a k ea d v a n c er e s o u r c er e s e r v a t i o nt o s u p p o r tr e a l t i m ea n d r e l i a b l es e r v i c e s t h es c h e m e sa r ep r o v e de f f e c t i v et h r o u g hm a t h e m a t i ca n a l y s i sa n d s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m e s r e s p e c t i v e l yh a v eg o o dp e r f o r m a n c ei nt e r m so ft h r o u g h p u t ，p a c k e t sl o s s e s a n dr e s o u r c eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y k e yw o r d sq o s ，n e m o ，h a n d o v e r ，r e s o u r c er e s e r v a t i o n a p a r b a c k b u c n c o a d i 船e r v f b a c k f b u f m i p v 6 f n a h a h a c k h i h m i p v 6 h o a i n t s e r v m r m m r h 仆附 n a n a a c k n a r n c o a n e m o n e m o r n s i s p a r p c o a p r r t a d v q o s r t a d v r r r m r t s o l r s v p r t s o l p r 符号说明 a c c e s sp o i n t a c c e s sr o u t e r b i n d i n ga 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 n tn o d e c a r e o f a d d r e s s d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s f a s tb i n d i n ga 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 f a s th a n d o v e rf o rm o b i l ei p v 6 f a s tn e i g h b o ra d v e r t i s e m e m h o m ea g e n t h a n d o v e ra 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 t e h i e r a r c h i c a lh a n d o v e rf o rm o b i l ei p v 6 h o m ea d d m s s i n t e g r a t e ds e r v i c e s m o b i l er o u t e r m u l t i p l em o b i l er o u t e r - b a s e dh a n d o v e r m o b i l en e t w o r kn o d e n e i g h b o ra d v e r t i s e m e n t n e i g h b o ra d v e r t i s e m e n ta c k n o w l e d g e n e wa c c e s sr o u t e r n e w c o a n e w o r km o b i l i t y n e m or e s e r v a t i o n n e x ts t e pi ns i g n a l i n g p r e v i o u sa c c e s sr o u t e r p r e v i o u sc o a p r o x yr o u t e ra d v e r t i s e m e n t q u a l i t yo fs e r v i c e r o u t e ra d v e r t i s e m e m r e s o u r c er e s e r v a t i o nr e q u e s tm e s s a g e r o u t e rs o l i c i t a t i o n r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o r o u t e rs o l i c i t a t i o nf o rp r o x y 接入点 接入路由器 绑定确认 绑定更新 通信节点 转交地址 区分服务模型 快速绑定应答 快速绑定更新 快速移动i p v 6 快速邻居通告 家乡代理 切换确认 切换发起 层次型移动i p v 6 家乡地址 集成服务模型 移动路由器 基于多m r 的切换机制 移动网络节点 邻居公告 邻居公告确认 新接入路由器 新转交地址 移动网络 移动网络资源预留 下一代通用信令 原接入路由器 原转交地址 代理路由器通告 服务质量 路由器公告 资源预留请求消息 路由器请求 资源预留协议 路由器请求代理公告 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了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书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名 导! j 南签名虹日期：立竺星年月馥日 硕七学位论文第一章绪论 第一章绪论 铁路信息化是铁路未来发展的战略制高点，也是铁路现代化的主要标志。随 着移动办公、移动商务等新型应用的兴起，越来越多的旅客希望在旅途中也能够 接入i n t e m e t ，现有的铁路无线通信系统还不具备这种能力，而基于下一代网络 协议i p v 6 的移动网络( n e m o ，n e t w o r km o b i l i t y ) 【i 】技术能够满足旅客的这种需 求。因此，列车移动网络将是i p v 6 在特殊环境下的新型应用。列车移动网络具 有高速移动性、无线信道的带宽资源有限等特点，当列车移动网络在网络间漫游 时，系统如何自动适应不断改变的网络和环境，透明地为终端用户提供实时、不 间断、具有服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保障的服务成为研究列车移动网络 业务系统中需要解决的关键问题。本论文即是以提高列车移动网络信息传输的连 续性、可靠性和有效利用带宽资源为目标，研究移动路由器( m r ，m o b i l er o u t e r ) 的配置和选择、移动网络切换方案和资源预留三种关键技术，并通过对它们的改 进来保证列车移动网络的q o s 。 1 1 课题来源及研究背景 本课题来源于教师科研项目高速客运专线宽带移动智能通信网开发平 台的研究。 1 移动网络移动性研究的兴起 无处不在的计算信息处理技术和便携式计算设备的出现提高了移动和无线 网络的重要性。为了有效地获得用户移动性，整个移动计算结构应该支持各种下 层无线网络之间的无缝移动性，提供到本地核心i p 骨干网的最佳连接。目前， i n t e m e t i 程任务组( i e t f ，i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 提出的移动i p 协议 ( m i p v 4 ，m o b i l i t yf o ri p v 4 ) 0 2 】和移动i p v 6 协议( m i p v 6 ，m o b i l i t yf o ri p v 6 ) 0 3 j 是用于 支持无缝连接性的两种重要协议。但是移动i p 所提供的漫游机制，仅仅局限于单 个主机漫游在无线网络架构中，当主机扩展成网络时，一组节点集体移动同时维 持至l j i n t e m e t 的连接性，即为具有网络移动性特性的网络。例如，在列车上架设一 部移动路由器，此路由器通过单一接口或者多家乡接口连接对外网际网络，对内 接收车厢内使用者的手机、p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t s ) 或者笔记本电脑的无 线网络信号并转送至对外网络接口。针对这一架构，当列车移动或者漫游时，整 个车厢内的用户设备并不需要执行漫游或者切换机制，取而代之的是整个车厢视 为一个子网，执行漫游和切换机制，以维持整体网络的连通性。因此，当连接整 硕士学位论文第一章绪论 个网络到因特网中的一个移动路由器动态改变它到因特网中的附属点时，引起了 网络移动性问题。 为有效地支持移动子网的移动性，i e t f 专门成立了n e m o 工作组进行相关问 题的研究，初步定义了n e m o 协议的基本支持内容，n e m o 解决了移动i p 中网络 移动支持性问题。但是其中还有许多问题需要进一步完善和解决，如无线环境中 移动网络的切换和与资源预留有关的带宽管理问题【4 】。 2 我国铁路通信系统发展的需求 我国铁路旅客列车上仅有步话机、列车广播和无线列调一些分散的通话设 备，而综合性的旅客列车网络信息系统更是空白状态，不但无法提供进一步的信 息增值业务，而且对加强铁路系统的信息化，进一步提高铁路系统的运输能力都 起到了制约，在数据传输的实时性、可靠性和带宽方面现有的铁路通信系统已无 法满足高速客运专线的通信需求。随着网络技术的发展以及列车运营和旅客接入 互联网的需求，积极发展服务于铁路的高速无线移动网络是十分必要的【5 j 。由于 列车上的无线网络接入用户数目激增及无线网络业务类型多样化、列车的高速移 动性、无线信道有限的带宽资源，当前针对单个移动终端提出的q o s 解决方案难 以保证数据通信的连续性，使得列车接入互联网需要克服许多技术难题，列车移 动网络的q o s 保证就是其中极为关键的一个问题。 1 2 国内外研究现状 针对移动节点越区切换过程和网络的动态特性引起的q o s i h 题，国内外学者 进行了深入的研究，提出了许多解决方案。这些方案多是利用了基于移动i p 的技 术。本节讨论基于移动i p 的网络移动技术和列车移动网络及其q o s 保证的研究现 状。 1 2 1 移动i p 和网络移动协议及其扩展 为了提供互联网络的移动性支持，i e t f 于1 9 9 6 年设计了基于i p v 4 网络的移动 i p 协议，2 0 0 3 年又进行了改进1 2 】。2 0 0 4 年6 月，发布第一个移动i p v 6 的标准1 3 】。这 两个版本的移动i p 协议都是采用代理和隧道技术，通过设置i p 终端当前位置地址 与家乡地址的绑定条目来提供移动时收发i p 分组的功能，是典型的面向单机运动 的解决方案。 针对m i p v 6 中的本地管埋、切换等问题，i e t f 还分别于2 0 0 5 年7 月和8 月发布 快速移动i p v 6 ( f m i p v 6 ，f a s tm o b i l ei p v 6 ) t 6 j 和层次移动i p v 6 ( h m i p v 6 ，h i e r a r c h i c a l m o b i l ei p v 6 ) 1 7 1 标准，这是两种发展比较成熟的切换解决方案。其后有学者集成 了f m i p v 6 和h m i p v 6 ，即在层次移动管理模型中部署快速切换，提出了f h m i p v 6 2 硕士学位论文 第一章绪论 协议嘲。目前，国内外对m i p v 6 的研究重点围绕移动检测【9 1 1 1 、组播【12 1 、多家乡 问题【1 3 】、返回可路由过程优化【1 4 】、层次移动性管理【1 5 , 1 6 】等。 随着技术的进步，人们需求的变化，简单的终端移动方式已经不能满足未来 应用的要求，m i p 局限性也逐渐显露出来，如m i p v 6 无法保证网络变化时通信的 连续性17 1 ，m i p v 6 默认转发路由易造成网络拥塞【1 8 。2 0 】，家乡代理成为通信瓶颈【2 1 l 等。为了解决这些问题，i e t f 进一步研究如何解决m i p 中网络移动支持性的问题。 2 0 0 3 年i e t f 重新设置了四个工作组，分别研究互联网移动性问题，即分别研究 i p v 4 和i p v 6 网络中终端移动性支持的m i p v 4 和m l p v 6 工作组，研究信令和网络切 换优化m i p s h o p ( m i p v 6s i g n a l i n ga n dh a n d o f fo p t i m i z a t i o n ) 工作组，以及在m i p 基础上研究子网移动的n e m o 工作组。 n e m o 组于2 0 0 5 年1 月发布“移动网络基础支持【2 2 1 ，但数据包采用多层隧 道封装方式进行传输，效率很低1 2 3 】。移动路由器( m r ，m o b i l er o m e o 是n e m o 的重要实体，负责移动网络中的数据转发、本地移动性管理等，并参与上一层网 络的层次性服务。2 0 0 5 年1 0 月，针对移动节点( m y ，m o b i l en o d e ) 和m r 的多接 口和多链路问题【2 4 2 5 1 ，还建立t m o n a m i 6 ( m o b i l en o d e sa n dm u l t i p l ei n t e r f a c e s ，i n i p v 6 ) i 作组。 目前n e m o 的主要研究方向集中在m r 多家乡问题【2 5 】，m r 的路由优化【2 6 加， 安全1 1 8 2 引，嵌套网络【1 9 7 9 1 等。 1 2 2 列车移动网络及其q o s 保证的研究现状 1 列车移动网络的发展现状 目前国内外旅客列车上的现有装备不仅不能满足乘务工作的需要，而且可靠 性差，手段单一。欧洲有商务列车概念，但基本上仅仅提高了列车基础设施的舒 适度，对于列车信息服务并没有专用移动网络系统。其他类似旅客增值性业务基 本限于旅客娱乐和旅客信息提示等简单信息服务。这些业务不支持列车运行过程 中的网络服务，运营业务过于简单，而且无法接入下一代互联网。 随着数据业务的飞速增长，在铁路环境中如何有效地采用基于下一代网络协 议i p v 6 的移动网络( n e m o ) 技术必将是移动网络的一个发展趋势。我国铁路旅客 运量大，列车数目多，并且铁路旅客运能在很长时间仍然不能满足需要。随着客 运专线等铁路建设项目的推进，铁路沿线通信能力的进一步发展，采用i p v 6 是 项目推进的一个必然要求。因此，列车移动网络将是i p v 6 在特殊环境下的新型 应用。目前，北京交通大学已经对列车移动网络系统进行了较深入的研究i ) u 】。 经过六次提速，我国主要干线客运列车时速已经达到2 0 0 k m h ，在建的高速 客运专线设计时速为2 5 0 3 5 0 k m h ，当前的列车移动网络具有高速移动性的特点。 硕士学位论文 第一章绪论 中国铁路公司为配合铁路信息化建设，完善铁路沿线以及列车的基础通信和信息 的状况，正在花大力气建设g s m r t 3 1 】。g s m r 系统可以为车载移动网络接入 c e r n e t2 提供无线链路层支持。同时，这一系统因为资源有限，需首先保证与 行车相关的安全通信信息使用的无线资源，而面对列车服务和运营管理i p v 6 车 载移动网络能够使用的无线通信资源将受到限制。这些客运系统的特性给列车移 动网络的服务质量保证带来了挑战。 2 列车移动网络q o s 保证的研究现状 移动环境下的q o s 问题主要是由终端的移动引起的，原因有两个方面，一 个是越区切换的过程，另一个则是网络的动态特性。针对这两个问题，国内外很 多学者通过优化切换方案以减少切换延迟来降低数据包丢失和改进移动环境下 的资源预留机制来保证端到端的服务质量，并且已经取得了一些研究成果。 但是，目前的q o s 解决方案多是针对单个移动终端，这些方案对于移动网 络频繁切换时的支持不足，难以保证移动子网中数据通信的连续性，不能满足实 时可靠的多媒体业务的需求。针对移动网络中的q o s 问题，已有研究者从移动 网络的切换机制1 3 2 3 4 1 及带宽资源管理【3 5 ，3 6 1 方面提出了解决方案。 这些移动网络的q o s 解决方案同样可以用于列车移动网络。但是，由列车 移动网络的发展现状分析可见，很多因素影响着列车移动网络业务的服务质量保 证，主要有： ( 1 ) 列车移动网络与互联网的连接方式是通过无线链路连接，具有无线链路 不稳定、带宽及覆盖范围有限和会话频繁失败的特点。 ( 2 ) 铁路客运系统的乘员众多，可预见车载移动网络中接入终端数量巨大， 业务种类繁多，这就对主要依靠无线链路传输数据的车载网络带宽提出了很高的 要求。 ( 3 ) 由于旅客列车的快速运行，而基站的覆盖半径非常有限，并且不可能把 轨道附近的基站都配置在同一个子网下，必然会导致旅客列车在运行途中频繁的 i p 层切换。列车移动网络的高速移动性给越区切换时的服务质量保证带来很大 的挑战。 ( 4 ) 乘客在列车到站时的上下车运动引起列车移动网络拓扑和环境动态变 化。当移动网络到达新的网络子网之后，其数据包就会经过与原来不同的路径进 行传输，给q o s 的保证带来了难题。 针对列车移动网络的特点，一些研究者已经进行了相关研究，如文献【3 0 】、 文献【3 3 】、文献【3 5 】和文献【3 7 】分别研究了面向旅客列车i n t e m e t 应用的切换和资 源管理问题。但是，由于列车移动网络的复杂性，仍然没有一种完善的q o s 解 决方案。 4 硕士学位论文 第一章绪论 1 3 研究目的和意义 综上所述，随着无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl a n ) 、无线个人局域网( w p a n ， w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 和车载局域g 司( c a n ，c a ra r e an e t w o r k ) 以及高速 列车上网络的逐步成熟和应用，要求互联网不仅支持单个终端的移动，而且支持 小、中规模的运动子网的移动，因此研究n e m o 是符合未来互联网发展方向的。 接入技术的不断进步，促使列车上的无线网络接入用户数目激增、无线网络 业务类型多样化，并且列车移动网络具有高速移动性、无线信道的带宽资源有限 的特点，当列车移动网络在网络间漫游时，系统如何自动适应不断改变的网络和 环境，透明地为终端用户提供实时、不间断、具有服务质量保障的服务成为亟待 解决的问题。 而当前的无线移动网络业务多是针对移动终端提出的，且不能保证数据通信 的连续性。针对移动网络端到端的服务质量保证的研究还刚起步，支持内部多样 性的移动网络远比支持单个移动终端复杂，在数据传输的实时性、可靠性和带宽 方面现有的铁路通信系统己无法满足高速客运专线的通信需求。如何有效地支持 移动网络，使得列车移动网络达到理想的q o s ，还有待进一步深入研究。因此， 在当前我国铁路信息化的背景下，研究基于i p v 6 的列车移动网络技术，提出具 有应用前景的移动网络的服务质量解决方案具有十分重要的意义。 本文即是在链路层没有较大改动的前提下，以提高列车移动网络信息传输的 连续性、实时性、可靠性和有效利用带宽资源为目标，通过在列车上有效地配置 和选择移动路由器( m r ) 、优化列车移动网络切换方案和资源预留机制三方面结 合来保证客运系统无线接入服务质量。 1 4 研究内容 本课题主要研究和解决的问题是：研究移动网络协议( n e m o ) ，建立列车移 动网络多m r 配置模型以增强会话连续性，并通过使用规则选择最佳的m r 接入 i n t e m e t ；提出一种列车移动网络中基于多移动路由器协作的切换方案，减少列车 移动网络切换过程中产生的分组丢失；分析移动网络资源预留协议，提出基于线 路信息的自适应移动网络资源预留方案，在列车移动网络将要切换到的新子网域 内提前做好资源预留，使移动网络能在高速运行情况下保证不问断通信，并对移 动网络内部提供可靠的网络服务。 论文主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 分析列车移动网络中多移动路由器的配置，研究列车移动网络内的移动 节点如何选择最佳的m r 接入i n t e m e t 。考虑在多种接入网并存的嵌套列车移动 硕十学位论文第一章绪论 网络多家乡机制环境下，如何综合考虑嵌套等级、网络连接性信息和列车移动网 络的动态特性选择合适的m r 和最佳路径； ( 2 ) 研究列车移动网络基于多家乡的切换优化方案，利用切换过程中不同的 m r 接入不同的子网并使之互相协作接收去往各个m r 的数据包，实现整个移动 子网的切换优化； ( 3 ) 研究基于下一代通用信令( n s i s ，n e x ts t e pi ns i g n a l i n g ) 的移动网络资源 预留协议，针对列车移动网络的运动特征提出自适应的移动网络资源预留方案： ( 4 ) 对提出机制的有效性和可行性进行数学分析和仿真验证。 1 5 论文组织结构 论文总共分为五部分，其后续章节结构如下： 第二章列车移动网络中的移动路由器的配置和选择。提出一种基于规则的 最佳默认移动路由器的选择机制，在多种接入网并存的嵌套列车移动网络多家乡 机制环境下选择合适的m r 接入i n t e m e t 。 第三章分析n e m o 协议的基本原理，提出列车移动网络中基于多移动路由 器协作的切换机制，包括系统模型假设和切换操作详细过程设计。最后给出 m m r h 切换机制的数学分析和仿真结果分析。 第四章列车移动网络中的资源预留方案。详细分析移动网络中基于n s i s 的资源预留协议，提出基于线路信息的自适应移动网络资源预留方案，并对其性 能进行分析。 第五章论文工作总结，指出今后研究方向。 6 硕士学位论文第二章列车移动网络中移动路由器的配置和选择 第二章列车移动网络中移动路由器的配置和选择 为了增强会话的连续性，尽可能好地保证服务质量，提高列车移动网络与地 面接入网之间的通信数据量，列车移动网络支持多家乡连接是解决方法之一，本 章考虑多家乡中多个移动路由器配置的情况。当存在多路径多种接入技术时，需 要解决如何选择最佳路径的问题。因此，本章首先分析了n e m o 基础支持协议及 多家乡的原理，并根据列车移动网络的特点及其运动特征，分析列车移动网络多 移动路由器的配置和选择，最终提出列车移动网络上基于规则的最佳默认m r 的 选择方案。 2 1n e m o 基础支持协议 1 n e m o 的体系结构 一个n e m o 网络由一个或更多的i p 子网组成，并被作为一个i n t e m e t 拓扑 中的移动单元移动。它通过一个或者几个移动路由器( m r ) 连接到i n t e m e t 。当一 个路由器连接整个网络到i n t e m e t 动态地改变它到i n t e m e t 的附属点时引起 n e m o 网络移动性。n e m o 整个系统由移动路由器( m r ) 、家乡代理( h a ，h o m e a g e m ) 、移动网络节点( m n n ，m o b i l e n e t w o r k n o d e s ) 、接入路由器( a r ，a c c e s s r o u t e r ) 和通信节点( c n ，c o r r e s p o n d e n tn o d e ) 组成。m n n 又可以分为3 类：本 地固定节点( l f n ，l o c a lf i x e dn o d e ) 、本地移动节点( l m n ，l o c a lm o b i l en o d e ) 和访问移动节点( v m n ，v i s i t i n gm o b i l en o d e ) 。l f n 从不改变它们到m r 的附属 点，但是l m n 和v m n 可以。例如，当移动网络的概念被应用于大型的车辆时， 车辆的传感器、控制器和本地服务器构成l f n ，乘务员( 全体工作人员、操作人 员、机务人员) 持有的移动设备被认为是l m n ，而乘客携带的设备被当作v m n 。 所有的m n n 都是通过m r 再经过无线链路从a r 连接到i n t e m e t 。m r 至少有 两个接口，连接到访问链路上的对外接口和连接到一个内部链路的对内接口。 如图2 1 所示的n e m o 拓扑结构，n e m o 由一个m r 和两个m n n 组成。 最初，n e m o 由一条无线链路连接到家乡代理( h a ) 。然后，当n e m o 移动时它 改变附属点到一条外地链路。此外地链路连接到一个新的接入路由器( 。通信 节点( c n ) 是在i n t e m e t 上的潜在的目的地。虽然移动i p 可以合适地处理节点移动 性，但是当整个网络( 由一个或几个m r 和附属点组成) 作为一个单一的整体移动 时它不能明确地解决n e m o 移动性。 网络移动中具有嵌套移动性，形成了嵌套移动网络。嵌套移动网络是指当一 7 硕十学位论文 第二章列下移动网络中移动路由器的配置和选择 个移动网络接入到另一个较大的移动网络时，集成在一起分层化的多级移动网 络。在n e m o 基础支持方案中，每个移动网络都可以通过单一接口接入到另一 个移动网络。如果避免环路存在，则这种分层嵌套图最终构成树形结构，从而有 了根移动网络和子移动网络的概念。根移动网络是位于分级顶端的移动网络，把 集成的嵌套网络连接到因特网上。给下层移动网络提供因特网接入的上层移动网 络称为父移动网络，而下层的移动网络称为子移动网络。 m n nm o b i l en e t w o r kn o d e 移动网络节点 m rm o b i l er o u t e r 移动路由器 a ra c c e s sr o u t e r 接入路由器 i t ah o m ea g e n t 家乡代理 c n c o r e s p o n d e n tn o d e 通信节点 图2 1n e m o 的网络体系结构 2 n e m o 的工作原理 如图2 2 所示，n e m o 的操作过程如下： ( 1 ) 当m r 移动至- o p b 地链路并连接到一个新的路由器上，它在访问的链路上 获得一个转交地址( c o a ，c a r e o f a d d r e s s ) 。 ( 2 ) m r 可以在任何时间作为m n 或者m r ：作：当它j j 有自己产生的会话 时，就作为一个移动主机存在，如m i p v 6 中的m n ，进行家乡注册；如果m r 希望作为一个移动路由器并为移动网络内的节点提供连接服务，它需要将绑定更 新( b u ，b i n d i n gu p d a t e ) 中标志位r 置位再发送给h a ，在b u 中包含移动网络 前缀信息。 ( 3 ) 当h a 收到绑定更新消息，在缓存中建立m r 的家乡地址h o am r 和 转交地址c o am r 的绑定记录，为n e m o 网络的前缀建立到m r 的c o a 的转 发表。这样h a 就能将发往它连接的移动网络内部节点的数据包转发到该m r 。 ( 4 ) h a 通过给m r 发送一个绑定确认( b a c k ，b i n d i n ga c k n o w l e d g e m e n t ) 来 确认b u 。一个设置了移动路由器标志位( r ) 的b a c k 表示h a 已经为移动例络建 路链乡攀一眩一 m 爱| 雠 绅mome m 、 、 j 接厂7 r入一，人晦胀半 岛 f 否 硕十学位论文 第二章列午移动网络中移动路由器的配置和选择 立了转发关系。 一旦绑定过程完成，一个双向隧道就在h a 和m r 之间建立起来了。该隧道 的端点是m r 的c o a 和h a 的地址。m r 所在移动子网的数据，全部通过隧道 到达h a ，h a 将数据包解封装，然后转发到c n 。对于由它自身产生的流量，移 动路由器可以使用反向隧道，也可以使用m i p v 6 中描述的路由优化。 m r 的网络前缀应该在h a 处综合并且通告。这样通过通告到移动网络前缀 的路由信息，h a 可以收到目标是移动网络的数据包。当一个数据包由c n 发送 到移动网络的内部节点，它首先路由到m r 当前绑定的h a ，h a 将该包隧道到 m r 当前的c o a 。m r 解封装该数据包并将其转发到相应的目的地址。 3 绑定缓存 h o am r c o am r 图2 2n e m o 操作过程 2 2 多家乡技术及其相关研究 多家乡( m u t i h o m i n g ) 是指一个节点可以在几条路径之间选择到达通信对端节 点的路径，或者是由于节点有几个可供选择的接口，或者由于节点所处的网络通 过多个路由器接入i n t e r n e t ，或者通过有几个接口的路由器接入i n t e m e t 。移动网 络的多家乡情况包括：一个m r 有多个外出接口；多个外出接口在相同的链路上， 即拥有多个m r ：移动网络与多个h a 相关联；多个接口在不同的链路上，即通 告了多个链路前缀。这样一种配置在移动性上下文中特别有用，因为它在丧失连 接性( 移出覆盖范围的结果或者由于无线技术更多地受干扰的影响) 、缺少连通性 ( 给定的技术不能覆盖所有地理范围) 或者缺乏带宽( 移动用户一般不能利用具有 高带宽的技术) 的情况下，可以保证移动实体保持永久连接到i n t e m e t 。除了增强 会话连续性，它也允许选择和平衡可用连接之f h j 的通信量1 3 8 j 。 9 硕十学位论文 第二章列车移动网络中移动路由器的配置和选择 多家乡技术可以追溯到2 0 世纪8 0 年代或者更早，但它过去很少引起研究团 体的注意，没有被广泛地使用并且对i n t e m e t 有很小的影响。近年来，由于增加 的商业要求和网络通行量负载，许多团体要求可靠的i n t e m e t 连接。使得多家乡 网络在数目上超过了单家乡的网络f 3 9 】。部署多家乡呈现增加的趋势，并且这个趋 势很可能随着中间区域通信量工程工具和技术的可用性继续发展。随着多家乡网 络数量上的急剧增加，产生了新的挑战和问题。引入多家乡连接，在带来可靠性、 可用性的同时，也将带来在移动网络中执行n e m o 网络协议的复杂性，因为它 要求支持多接口或者综合接口。但是，几乎所有的协议还没有支持多接口。目前， 研究人员已经开始研究移动环境下由多家乡网络引起的问题。c n g 等【加j 讨论了 移动网络支持中的多家乡问题。m t s u k a d a 等1 4 l 】提出一种多移动路由器管理 ( m m r m ) 机制，它允许移动网络中的节点通过移动路由器透明地连接到i n t e m e t ， 移动路由器可以动态的加入和离开移动网络。c h o i 等【4 2 j 提出了一个新的机制来 支持最普遍的多家乡环境中的网络移动性，把最初的基于一个单一的无线网络接 口的移动i p 扩展到基于多个无线网络接口。c h o 等【4 3 】提出一种多家乡移动网络 内的邻居m r 认证和注册机制。同时，使用注册了的m r ，提出了一个基于h a 的动态负载共享机制。可见，随着技术的发展和研究的深入，多家乡的部署将是 未来网络的一个发展趋势。 2 3 列车移动网络的多家乡配置 由于无线链路不如有线链路那样具有相对稳定的链路条件，因此会话保持是 移动环境中一项十分重要的内容。而多家乡具有会话保持和负载均衡的优点，通 过选择最佳的m r 或者允许多个m r 同时工作可以提供负载均衡。同时，通过不 同的m r h a 隧道同时传输可以最小化实时通信的丢包率或者延迟。由于在移动 网络中所有的数据流量都要经过m r ，所以提供m r 的负载均衡也是十分关键的 内容。因此，为了满足大规模列车移动网络的需要，可以考虑多家乡中多个m r 配置的情况。 2 3 1 多移动路由器的配置分析 在移动环境中，列车移动网络与