（通信与信息系统专业论文）基于绑定与缓冲机制相结合的移动ip平滑切换研究.pdf

重庆邮电学院硕上论文 摘要 移动i p 技术是当前无线网络数据通信的研究热点之一，它结合了计算机网 络中的i p 技术和移动通信中的漫游技术之特点，使无线用户终端在不改变其i p 地址的情况下，无论是固定在同一个子网内还是漫游在不同子网异构网络之间， 都能够实现不问断的可靠的数据通信。 在本文中，我们先介绍了移动i p 协议中所用到的本地代理、外地代理、转 交地址等基本功能实体及其工作机制，分析了移动i p 的工作过程。研究分析发 现，当移动终端从一个给它提供服务的无线蜂窝漫游到另一个蜂窝时，即在一次 切换过程中，会导致切换期间的分组丢失以及切换时间过长，不能满足诸如v o l p 等实时业务的服务质量要求，为此我们对移动i p 切换的优化和改进等问题进行 了研究。 我们研究和分析了当前几种不同的切换优化方法，并归纳了它们在实际应用 中的不足之处。为了得到更好的解决方法和效果，我们利用绑定技术以及缓冲技 术，将其应用于移动i p 的切换过程中，提出了自己的平滑切换方法，来达到消 除切换期间分组丢失和减少时延的目的，同时使网络资源占用尽可能的少。 我们平滑切换的实现方法是：当某个移动终端从一个蜂窝漫游到另一个新的 蜂窝时，新蜂窝中的外地代理发送一个绑定更新消息给原蜂窝中的外地代理，告 诉它该移动终端的新位置所在。原外地代理收到该消息后更新它的缓冲内容，将 那些已到达该外地代理的、属于该移动终端的数据分组发送到该移动终端新的转 交地址上。 为了实现该平滑切换，我们研究了与该过程相关的协议运作以及不同的缓冲 管理策略，并得到了既有效又经济的最佳方案。 最后我们建立了一个无线局域网实验模型，通过定量分析和计算，验证了我 们所提出的基于绑定与缓冲机制相结合的移动i p 平滑切换能够更好地满足v o l p 实时业务所要求的服务质量。 关键词：移动l p 平滑切换绑定缓冲 a b s t r a c t m o b i l ei pi so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt e c h n o l o g yi nm o d e mw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s i tp r o v i d e ss e a m l e s sr o a m i n gf o rm o b i l en o d eb e t w e e n d i 仃e r e m n e t w o r k sw i t h o u td i s r u p t i n gt h e e x i s t i n gc o n n e c t i o n i nt h ew h o l ec o m m u i l i c a t i o n p r o c e s s ，t h em o b i l en o d ec a nh o l di t sl pa d d r e s sw i t h o u tc h a n g i n g w h e nan o d em o v e sf r o mo n e p l a c et oa n o t h e r , i tm a yg e to u to fi t sp r e s e n tc e l l ，s r e a c ha n dh a v et or e g i s t e rw i t han e wc e l l t h u sah a n d o f fh a p p e n s d u r i n gt h e h a n d o f fp r o c e s s ，t h ep a c k e t sw o u l db el o s ta n dt h eh a n d o f f d e l a ym a yb eu n a c c e p t a b l e d u et ot h em e c h a n i s mo fm o b i l ei pi t s e l f t h i st h e s i sg i v e sad e t a i l e di n t r o d u c t i o na n ds o m eb a c k g r o u n dt o m o b i l ei p p r o t o c o la n dt h e np o i n t so u tt h et r i a n g l er o u t i n ge x i s t i n gi nm o b i l ei pi sas e r i o u s d e f e c ti nt e r m so fr e s o u r c ec o n s u m p t i o na n dp e r f o r m a n c e w i t ht h eb i n d i n gu p d a t e t e c h n o l o g y , r o u t eo p t i m i z a t i o no v e r c o m e st h et r i a n g l er o u t i n gi nb a s i cm o b i l ei p w e n o t i c et h a tw ea l s oc a n u s et h i sb i n d i n gt e c h n o l o g y p l u sb u f f e rm e t h o dt oi m p f o v et h e h a n d o f fp e r f o r m a n c e t h ep r o p o s e ds o l u t i o ni st oh a v eb u f f e r sa te v e r yh a s es t a t i o n ( f o r e i g na g e n ow h e r ea l lt h ei n c o m i n gp a c k e t sa r es a v e d 。i ft h em o b i i en o d em o v e st 0 a n o t h e rf o r e i g na g e n t ，t h ep a c k e bi nt h eb u f f e rf o rt h a tm o b i l en o d ew i l lb es e n t t oi t s n e w f o r e i g na g e n tw h e r et h e ya r ed e l i v e r e dt ot h em o b i l en o d e t h u s ，t h ep a c k e t sw i l l n o t b el o s t w ea n a l y z e da n dc o m p a r e dd i f f e r e n tb u f f e r i n gm a n a g e m e n ts o l u t i o n st og e tt h e b e s tr e s u l t a l s o ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h i sp r o p o s e ds o l u t i o ni sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e d d u r i n gam o d e lo fh a n d o f ft ov e r i f yt h a ti t sd e l a ya n dp a c k e t sl o s sd o e sn o te x c e e dt h e l i m i t s ow ep r o v et h a to u rs m o o t hh a n d o f fb a s e d 。o n b i n d i n gp l u sb u f f e r i n g t e c h n o l o g yc a ns a t i s f yt h eq u a l i t yo fs e r v i c ei nr e a l t i m em e d i aa p p l i c a t i o n ss u c ha s v o i c et r a 衢c k e y w o r d s ：m o b i l ei p s m o o t hh a n d o f f b i n d i n g b u f f e r 2 重庆邮电学院硕士论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 移动i p 技术的产生和发展与移动通信和移动互联网技术是息息相关的。在 本节中，我们将阐述这些相关的背景知识。 1 1 1 移动通信与移动互联网 数据通信技术和移动通信技术是当今i t 领域中十分活跃的两个方向。一方 面，数据通信技术特别是互联网技术日新月异的发展，直接导致了电信网、计算 机网、电视网三网的融合和信息产业结构的改组。另一方面，无线移动通信技术 的发展正在深刻地改变着人们的生活和思维方式。二者相结合产生的移动互联网 技术，开拓了互联网的无线应用领域，将改变互联网世界的面貌。 移动互联网把锁定在一个个固定站点中的信息释放到时空中去了，每一个活 动的个体都成了移动的网络节点，能随时随地获取所需信息。在有线互联网里， 是人找网、人上网，个体不得不受制于网络节点的固定性；而在移动互联网里， 这种关系发生了逆转，形象地说是“网追人 、“人与网络的融合f l j 的愿望变成 了现实，它将对人类生活影响深远，意义重大。 首先，移动互联网业务创造了一种全新的个性化服务理念和商业运作模式， 能够针对不同用户群体、个人的不同爱好与需求，为他们量身定制出多种差异化 的信息服务，并通过不受时空地域限制的渠道，随时随地地传送给用户。终端用 户可以自由自在地控制所享受服务的内容、时间和方式。 其次，不受时空限制，一直是人们追求的梦想。移动互联网能够在最大程度 上实现了社会资源更自由、更大范围的调配和更快速、更便捷的流通，从而影响 和改变着财富的增长速度和分配方式。这种变化所释放出来的巨大能量必将影响 未来信息社会里人们数字化生活中方方面面的需求，进而滚雪球般地创造出越来 越多的机会和财富。我们可以很乐观地说：在不远的将来，无线互联网接入将代 替有线接入而占据主导地位。 6 重庆邮电学院硕士论文 1 1 2 移动i p 的引入 我们知道，个人通信的最高境界，是任何人能够在任何时间、任何地点采用 任何方式进行任何业务服务的理想通信模式。为了实现上述理想，其中心问题就 是怎样为用户终端提供广域的乃至全球的移动性支持。 随着移动互联网概念的提出，随着蜂窝网、无线局域网w l a n l 2 j 以及卫星 通信网的发展和普及，用户有可能随身携带各种掌上计算设备，在全球范围内随 时随地地接入互联网进行网上订票、阅读电子邮件、浏览w e b 站点等，享受各 种互联网业务服务。期间用户终端的接入可能不仅仅局限于某单一的物理网络 中，有可能是在不同网络之间移动。 试设想在未来的一个包括多种有线、无线技术的移动接入环境中，某用户要 从起点到终点先后接入速率1 1 5 k b p s 的广域网g p r s 、2 m b p s 和l1 m b p s 的局域 网w l a n 、高速卫星网等不同的物理网络，要求用户在这样的环境中可以连续 不中断地接入互联网。已存在的移动网络技术，如w l a n 、g p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务网) 、c d p d l 3 1 ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ，蜂 窝数字分组数据网) 等，都还不能提供全球范围内的互联网无缝移动接入，究其 原因，主要是数据链路层解决方案只能在一种媒介内提供节点的移动性，例如在 c d p d 网中，移动终端节点可以从一个c d p d 蜂窝移动到另一个c d p d 蜂窝， 但当节点移动到另一种媒介上时( 如有线的以太网) ，就要求节点改换其i p 地址， 这样，正在进行的通信就会中断，移动节点要用新的i p 地址建立一条新连接。 因此在不同媒介之间，g p r s 、8 0 2 1 l 和c d p d 等数据链路层方案不能提供异构 网络之间的漫游服务。 互联网是利用t c p i p 协议，将各种不同类型的计算机子网( 如以太网、x 2 5 网、a t m 网等) 连成一个大网。i p 协议位于o s i 模型第三层，其作用是将第二 层各种不同协议的数据帧转换成统一的i p 包，这样各种计算机子网的差异对上 层协议而言便不复存在。在互联网中每台主机所产生的分组均为统一的i p 包， 尽管底层各计算机子网所遵循的协议不同，网络内部m a c 地址仅为子网地址， 但对用户而言可以把互联网看成一个巨大的单一网络，i p 地址为全网唯一的地 址。由于i p 技术的跨网传输能力以及对不同物理层的屏蔽能力，使得各种网络 中的无缝连接成为可能。基于i p 技术的移动互联移动i p 技术也因此应运而 生。 移动i p 技术是基于i p 层的移动互联解决方案。当移动节点m n ( m o b i l e n o d e ) 改变当前的物理位置、断开原来的物理连接并通过外地链路接入互联网 时，采用移动i p 技术能够使移动节点在不改变其i p 地址的前提下保持其原有的 t c p i p 连接，实现用户在移动状态下的不间断通信。 7 重庆邮电学院硕上论文 1 2 移动i p 技术的研究现状 1 2 1 移动i p 协议标准的建立 第一个移动主机协议c o l u m b i am h i p 由哥伦比亚大学的j o h nl o a n n i d i s 设 计。它的主要思想是使用虚拟移动子网和i pi ni p 打包f 4 1 。几乎与此同时，s o n y 公司的f u m i ot e r q o k a 设计了另一种移动主机协议：s o n ym h i p ( v i p ) 【5 1 ，v i p 协议使用了特殊的路由器来“记忆 移动主机的位置，并定义了新的i p 报头选 项来传递数据。不久后i b m 的c p e r k i n s 和y p e c k t e r 也设计了一种移动主机协 议ii b mm h i p ，这种协议利用了现有i p 协议中的可选功能松散源路径 ( l o o s ep a t h ) 来支持主机的移动( 6 l 。 1 9 9 4 年a m y l e s 和c p e r k i n s 分析了前三种移动主机协议的优缺点，重新设 计了一种协议：m i p ，并将它提交给互联网学会下属的工程技术委员会( i e t f ) 。 m i p 后来发展成为m o b i l ei p ( 即移动i p ) 协议1 7 1 。i e t f 也在扩展互联网协议， 开发一套用于移动i p 的技术规范，目前已制订完成了r f c 2 0 0 2 ( i p 移动性支持) 、 r f c 2 0 0 3 ( i p 内的l p 封装) r f c 2 0 0 4 ( i p 内的最小封装) 、r f c 2 2 9 0 ( 用于p p p i p c p 的移动i p v 4 配置选项) ，其他协议正在制订中。 1 2 2 移动i p 的研究动态 针对r f c 文档中的一些问题和有待扩展的方面，研究人员提出了很多的思 想进行增强和改进，其中主要集中在如下几个方面： 移动i p 协议的局部改进； 移动l p 协议的扩展； 支持微移动的移动i p 技术； 移动i p 技术在下一代即i p v 6 t 8 】中的应用。 本论文所做的移动i p 平滑切换研究工作，属于上述研究范畴的第l 、2 两个 方面。 从移动i p 协议的工作机制可以看出( 详见第2 章) ，当一个节点移动时，它 有可能走出当前的外地代理的覆盖范围注册到一个新的外地代理上，这就存在着 一个切换过程。如果移动节点已经离开原来的外地代理而没有收到它的新转交地 址，它的本地代理依旧会将发往它的分组传送到原外地代理上，在这种情况下， 这些分组将可能丢失。 8 重庆邮电学院硕士论文 同时，由于移动节点切换到新的子网或网络时，它需要获得新的转交地址， 重新向本地代理注册。注册过程中将产生大量的开销( 比如注册请求以及应答消 息) ，消耗网络的计算资源和带宽资源，并有可能产生让人不能接受的切换时延。 特别的，如果切换频繁，或者从移动节点到本地代理的距离很远时，这两个问题 更为突出。所以减少切换时丢包的数目和降低切换的时延是移动i p 切换研究中 的两个关键的问题。 目前已经存在一些对移动i p 切换进行优化的方案，如h a w a i l l 9 】( h a n d o f f a w a r ew i r e l e s sa c c e s si n t e r n e ti n f r a s t r u c t u r e ) 方案和蜂窝i p i lo j 方案，它们采用的 方法是：对于在无线接入网内部节点的本地移动，由特定信令完移动节点路径的 更新；对于节点的全球移动，则由移动i p 实现。但这两种方案仅仅适用于特定 的h a w r a i i 网络和蜂窝i p 网络。 又比如p a d m a n a b h a n t l 、g u s t a f s s o n i 2 1 和k a r i me lm a l k i l l 3 1 提出了分层次的 移动管理方案。他们把无线网络划分为一个个的域每个无线域的最上层是域外 地代理d f a ，d f a 的下一级层次为子网外地代理s f a 再下一级是外地代理f a ( 通常是基站) ，用于将移动节点接入到网络，从而使移动节点的重新注册具有 层次性和局部性。如果是同一域内的切换，在外地链路的移动节点不需要向距离 比较远的本地代理注册，而是从下到上，依次经过f a 、s f a 向d f a 注册，减少 了重新注册的时间；但对不同域之间的切换，移动节点则向本地代理注册。 这种方案的优点在于：充分利用了网络的层次性，减少了注册的开销。特别 当新外地代理和原来的外地代理在同一个外地网络上、同时它们距离本地代理又 很远时，能避免向本地代理注册，减少了通信中断时间，同时也降低了网络的负 荷。但是，这种方法增加了外地代理的工作负担，因为每一级的外地代理都需要 查找移动节点的地址，为其建立一条到下一级的外地代理的隧道来进行数据的拆 封，也增加了网络的负荷。 s e s h a ns 和b a l a l ( r i s h n a nh 则提出一种运用i p 组播技术来实现切换 的方案1 1 4 1 。在该方案中，每个移动节点有一个唯一的i p 地址，同时给该节点分 配一个唯一的组播地址。每个外地代理周期性地在自己的覆盖范围内广播自己的 可达消息，移动节点跟踪它接收到的最近的广播消息来判断它的当前位置和移动 倾向，决定自己将进入哪个或哪些外地代理的区域，它通知这些外地代理加入组 播组，接收组播包。 目的地址为移动节点的数据包到达本地网络后，本地代理替移动节点截获这 些数据包，与传统的移动i p 不同，此方案使用组播地址对数据包进行封装。移 动节点本身并不加入组播组，也不直接接收组播包。而是由移动节点指定一个外 地代理，由它转发解封装之后的包给移动节点。 组播方案的优点是：在任何时候，加入组播组的所有外地代理中只有一个外 9 重庆邮电学院硕士论文 地代理通过无线链路向移动节点转发数据包( 这个外地代理被称为基本f a ) ，其 他外地代理只实现缓冲的功能。当切换发生时，新的外地代理一般都已经加入组 播组，移动节点只需要通知它成为基本f a 即可。外地代理处的智能缓冲策略可 以在缓存不太大的情况下，获得低时延和低丢包率。组播方案的另个优点是本 地代理的路由表不需要改变，因为组播地址本身已经提供了快速路由更新所必需 的指示信息。 组播方法的代价是在有线网络上消耗了更多的带宽资源和缓存空间。利用组 播来实现切换也存在着一定的问题，因为加入和退出一个组播组，经常会导致组 播组重新计算组播分配树，计算量很大，并且广播地址也是有限的；另外，网络 中的一些路由器不支持组播。 考虑到上述移动i p 切换方案所存在的问题，本文试图通过将绑定技术和缓 冲技术应用于移动i p 的切换中，并通过最佳的缓冲管理策略，来找出一种既不 是太复杂、又切实有效的切换方案，来达到减少切换时丢包的数目和降低切换时 延的目的。 1 3 本文的研究意图及组织安排 本文从移动i p 协议的工作机制入手，分析它在切换之中的不足之处，并根 据采用绑定技术对移动i p 路由优化的方法，将这种绑定技术再加上缓冲技术用 于移动i p 的切换改进中，提出自己的平滑切换模型。通过分析研究，对相关参 数的提出了自己的最佳选择方案。最后在一个基于该方案的模型中，对v o i p 实 时业务流量在切换过程中的性能作了仔细分析和定量计算，证明我们所提的平滑 切换方案能够满足实时业务所要求的服务质量。 l o 重庆邮电学院硕 ：论文 第2 章移动ip 协议的工作机制 2 1 功能实体 移动i p 协议可以看作是一个具有特殊功能的路由协议，它的目的是将数据 包“路由 到那些可能一直在改变其所在位置的移动节点上。 移动i p 包括这几个通信实体：移动终端节点m n ( m o b i l en o d e ) ，本地网 络h n ( h o m e n e t w o r k ) ，外地网络f n ( f o r e i g nn e t w o r k ) ，本地代理h a ( h o m e a g e n t ) ，外地代理f a ( f o r e i g na g e n t ) 及转交地址( c a r e o f - a d d r e s s ) 。 移动节点m s ：这些节点可以从互联网的一条链路切换到另一条链路上， 仍保持所有正在进行的通信，并且它对外面的网络而言，一直只使用它的本地地 址( h o m ea d d r e s s ) 与外界进行通信。 本地网络h n ：移动节点本地代理所在的网络。 外地网络f n ：移动节点外地代理所在的网络。 本地代理h a ：一个在移动节点本地网上的路由器或服务器，当移动节 点离丌本地网时，它能通过“i p 隧道( i pt u n n e l ) 把数据包传给移动节点，并 且保存移动节点的当前位置信息。 外地代理f a ：移动节点当前所在的外地网络上的路由器或服务器，可为 移动节点在向本地代理登记时提供路由信息，并负责把本地代理送来的数据包转 交给移动节点。 转交地址c o a 是一个与移动节点连接的外地链路紧密相关的l p 地址， 它与移动节点所连接的外地链路最多只有一跳之隔。它要么是有一个端口在外地 链路上的外地代理的i p 地址，要么就是暂时分配给移动节点的一个端口的地址。 当移动代理与外地链路相连时，本地代理利用这个地址向移动节点传送数据包。 特别地，转交地址是从本地代理到移动节点的隧道出口。 有两种转交地址：。 外地代理转交地址( f o r e i g na g e n tc a r e o f - a d d r e s s ) ：即外地代理的i p 地址，有一个端口连接移动节点所在的外地链路。它可以是外地代理的任一个 i p 地址，只要外地代理至少有一个端口与外地链路相连就可以了。因此，外地 代理转交地址的网络前缀并不一定与外地链路的网络前缀相同。多个移动节点可 以同时共用一个外地代理转交地址。 配置转交地址( c o l l o c a t e dc a r e o f - a d d r e s s ) ：即暂时分配给移动节点的 某个端口的l p 地址，其网络前缀必须与移动节点当前所连的外地链路的网络前 重庆邮电学院硕i ：论文 缀相同。当外地链路上没有外地代理时，移动节点就可以采用这种转交地址。 个配置转交地址只能被一个移动节点使用。 移动i p 实体及相互关系如图2 i 所示： 移动+ j f 点m n 在外地链路上 移动节点m n 本地链路 图2 - 1 移动l p 实体及相互关系 值得注意的是：我们也可以在一台计算机上实现本地代理和外地代理，这时 它看上去更像一台传统意义的主机而不是路由器。 移动i p 的工作过程涉及到三个基本功能：代理搜索( a g e n td i s c o v e r y ) 、注 册( r e g i s t r a t i o n ) 和包传送( p a c k e tr o u t i n g ) 。下面我们将分别加以阐述。 2 2 代理搜索 通过这个过程，移动节点可以判定它的当前位置( 是在本地链路上还是在外 地链路上) ，并得到一个转交地址。 移动节点利用代理搜索过程完成以下功能： 判定它当前是连接在家乡链路上还是外地链路上； 检测它是否切换了链路； 当连在外地链路上时，得到一个转交地址。 代理搜索的工作过程如下： 1 2 重庆邮电学院硕上论文 移动节点m n 接收由本地代理和外地代理周期性发布的代理广播消息 ( a g e n ta d v e r t i s e m e n t ) ，m n 也可以通过发送代理请求消息( a g e n ts o l i c i t a t i o n ) 得到广播消息。由于密钥管理上的困难，这两个消息不需要认证。 为了让移动节点判定自从上一次注册后它是否又移动了地方，代理搜索提供 了两种方法。 第一种方法是利用代理广播消息中i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ， 因特网控制报文协议) 路由广播部分的生存时间域，这个域告诉移动节点，每过 多长时间它就可以从同一个代理那里收到一个广播。如果在生存时l 日j 域规定的时 间内没有收到某个代理的广播，那么移动节点就可以认为它已移动到另一条链路 上了( 或者是移动节点所在的那个代理已经不能正常工作了) 。无论怎样，移动 节点都要向下一个发来代理广播消息的外地代理注册，如果没有收到任何广播， 它就发出一个代理请求消息去询问。 第二种方法是利用网络前缀( 这要求代理在它们的代理广播消息中加入前缀 长度扩展部分) ，移动节点通过比较两个广播消息的网络前缀就可以判定它们是 否来自同一条链路。 代理搜索还提供了一种方法使得外地链路上的移动节点可以得到一个转交 地址。移动节点只需从链路上的外地代理发送的代理广播消息中读出转交地址就 可以了。如果移动节点连接的链路上没有发送广播消息，它就可以利用传输层和 数据链路层来判定它当前的位置，从而通过d h c p ( d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o n p r o t o c o l ，动态主机配置协议) 或手工配置得到一个转交地址。 2 3 注册 当移动节点发现它的网络接入点从一条链路切换到另一条链路上时，它就要 进行注册。另外，由于这些注册也有一定的生存时间，所以即使移动节点并没有 移动位置，也要在现有注册过期时进行新的注册。 移动i p 的注册规程包括两种消息，即注册请求( r e g i s t r a t i o nr e q u e s t ) 和注 册应答( r e g i s t r a t i o nr e p l y ) 。这些消息在移动节点与它的本地代理之间交换。 有时也可能与外地代理交换。为了防止拒绝服务攻击，所有注册消息要求包含认 证扩展部分( a u t h e n t i c a t i o ne x t e n s i o n ) 。 值得我们注意的是：移动节点进行注册的主要目的是为了将它的转交地址告 诉给本地代理。本地代理利用这个转交地址将数据包通过隧道传送给移动节点。 因此本地代理必然有一张移动节点本地地址和转交地址的对应表，这张表中的一 重庆邮电学院硕上论文 个表项就称为“绑定表项”( b i n d i n ge n t r y ) 。注册过程的主要目的就是产生、修 改或删除本地代理中的该移动节点的绑定表项。有关移动i p 绑定技术的更多内 容，在本论文的2 8 1 节中将作更详细的阐述。 2 4 数据包的选路和传送 这是当移动节点连接到外地链路上时，对它发出的或发往它的数据包进行路 由的特殊机制。 移动i p 协议为连接在外地链路上的m n 的点到点通信、组播和广播通信都 定义了数据分组的路由机制。除了特别的广播和组播包，m n 发出的数据包都被 直接路由到目的地。送往移动节点的数据包则先路由到它的本地代理，由本地代 理通过隧道向该移动节点注册的每一个转交地址发送一份拷贝。在转交地址处， 原始数据包被拆封出来，并送给移动节点。 2 5 隧道技术 隧道技术即将一个数据包封装进另一个数据包的净荷部分进行传送。移动 i p 中我们采用三种隧道技术：i pi ni p 封装( i pi ni pe n c a p s u l a t i o n ) 、最小封 装16 】( m i n i m a le n c a p s u l a t i o n ) 以及通用路由封装g r e t l 7 1 ( g e n e r i cr o u t i n g e n c a p s u l a t i o n ) 。 i pi ni p 封装：它是一个互联网标准，用于将整个i p v 4 包放在另一个i p v 4 包的净荷部分。当m n 在外地链路上时，移动i p 要求本地代理和外地代理之间 实现i pi ni p 封装，以实现从移动节点到转交地址的隧道。它可以在任何情况下 使用，无论i p 包是否进行了分片。 最小封装：是移动i p 的一种可选隧道方式。最小封装的目的是减少实现 隧道所需的额外字节数，可通过将i pi nl p 封装中内层l p 报头和外层i p 报头的 冗余部分去掉来完成。最小封装与i pi ni p 封装相比可以节省些字节( 般是 8 字节) ，但会带来一些不足之处，该方法并不太实用。 通用路由封装：它允许采用某一种协议的数据包封装在采用另一种协议 的数据包的净荷中。除了支持i p 协议外，它还支持其他网络层协议。 1 4 重庆邮电学院硕士论文 2 。6 工作过程 当移动节点m n 在不同子网( 或异构网络) 问移动时，其数据包的通信过 程如下： ( i ) 本地代理和外地代理不停地向网上发送代理广告消息，以声明自己的存 在。 ( 2 ) 移动节点接收到这些消息，确定自己是在本地网还是在外地网。 ( 3 ) 如果移动节点发现自己仍在本地网，即收到的是从本地代理发来的消 息，则不启动移动功能。如果移动节点是从外地网络重新返回，则向本地代理发 出取消注册功能的消息，声明自己回到了本地网。 ( 4 ) 当移动节点检测到它己移动n # i - 地网，则获得转交地址。 ( 5 ) 然后移动节点向本地代理注册，表明自己已离开本地网，把所获得的转 交地址通知本地代理。 ( 6 ) 注册完毕后，所有发给移动节点的数据包被本地代理截获，经本地代理 封装后，通过隧道发给外地代理的转交地址( 在这种情况下，外地代理再把数据 包转发给移动节点) 或移动节点的配置转交地址。这样，数据包在不同子网( 或 异构网络) 间传送成功。 ( 7 ) 移动节点发送数据到一般的i p 主机时，按正常的i p 寻址方法发送，不 必通过它的本地代理进行工作。 2 7 三角路由问题 从前面的分析可以看出，移动i p 能有效地实现移动节点m n 在不同子网间 漫游通信，但是在路由上却还存在着问题。比如，当移动节点发送数据时，不管 它是在本地网络还是外地网络。它都始终保留了它的本地网络的地址，可以用通 常的i p 协议发送；反过来，当一般i p 主机( 在这里我们称之为通信对端) 给移 动节点发送数据包时，首先是到达本地代理，本地代理再根据接收到的移动节点 当前的转交地址将数据包发往外地网络，由外地代理最终将数据包发给移动节点 这就出现了路由的“三角问题 ，如图2 2 所示。最差的情况是当发送数据 包的通信对端靠近移动节点所在的外地网络或移动节点已经漫游到通信对端所 在的网络时，发送的数据包却仍要先到达该移动节点所属的本地代理，再由本地 代理发到外地代理，最后到达移动节点。这种路由不仅增大了传输延迟，同时对 1 5 重庆邮电学院硕士论文 一些延迟敏感的业务如音频，视频等将造成极大的损害。其次，数据包在网络中 运行时问过长，浪费了网络资源，增加了网络负担。 移动节点m n 、 2 8 路由优化 鼍 通信对端c n 缝：地j 图2 - 2 三角路由示意图 为了减小传输延迟，减轻网络负担，必须对路由进行优化。我们可以利用绑 定技术对移动l p 的三角路由进行优化。在本章的下面两个小节中，我们先探讨 移动i p 中所用到的绑定技术，然后对利用绑定技术进行路由优化作出仔细的分 析说明。 2 8 1 移动i p 绑定技术 在移动l p 中，“绑定 ( b i n d i n g ) 是指移动节点的本地地址、移动节点的当 前转交地址以及本地代理之间的对应关系，以及这种对应关系的生存时间。 移动i p 支持移动节点的本地地址和转交地址的绑定，这种绑定关系由本地 代理和外地代理来维护。在本地代理中，维护着一张绑定表( b i n d i n gt a b l e ) ， 其中的各表项( 即本章2 3 节中所说的绑定表项) 如图2 3 所示( 注意：该表中 所举的数据仅仅是为了举例说明) 。其目的是建立该移动节点的本地地址( 这个 1 6 重庆邮电学院硕：t 论文 地址是移动节点对外界的永久性i p 地址) 和它的转交地址的映射关系，便于数 据包的传送。 本地地址转交地址生存时间( 秒) 1 3 1 1 9 3 1 7 1 41 2 8 1 7 2 2 3 7 82 0 0 1 3 1 1 9 3 1 7 1 2l1 9 1 2 3 5 6 7 81 5 0 图2 3 本地代理中某移动节点的绑定表 在外地代理上则维护着一张“访问表 ( v i s i t o rt a b l e ) ，它包括外地代理所 在的外地网络中移动节点的信息。图2 - 4 为某移动节点的访问表。 本地地址本地代理地址移动节点物理地址生存时间( 秒) 1 3 1 1 9 3 4 4 1 41 3 1 1 9 3 4 4 70 0 6 0 0 8 9 5 6 6 e l1 5 0 1 3 1 1 9 3 3 3 1 9 1 3 1 1 9 3 3 3 1 0 0 6 0 0 8 6 8 a 2 5 62 0 0 图2 4 外地代理中某移动节点的访问表 移动节点通过这两张表，就和本地代理、外地代理建立了唯一的对应关系。 这样，不论移动节点是在本地网还是在外地网，都能以唯一的、永久性的本地地 址在网络中实现数据通信。 2 8 2 基于绑定技术的路由优化 ) 在i e t f 的i n t e m e t 草案 d r a f t i e t f - m o b i l e i p o p t i m 1 0 t x t d p1 1 引，已经提出了基 于绑定技术的路由优化方案，即要求每个参与路由优化的节点维护一张绑定表， 表币主要有两个表项，它们分别是移动节点的本地地址和转交地址。该绑定表的 格式同图2 - 3 类似并定义了四种消息类型：绑定告警消息，绑定请求消息，绑 重庆邮电学院硕士论文 定更新消息和绑定应答消息。根据移动节点或本地代理发送的绑定更新消息，通 信对端也建立一张绑定表，然后根据绑定表中移动节点所对应的转交地址，直接 将数据包发送给移动节点。 具体实现过程是：当本地代理收到通信对端发往移动节点的数据后，向通信 对端发出绑定请求消息，通知通信对端关于移动节点的当前的绑定信息( 包括移 动节点的本地地址、转交地址和注册生存时间) ，随后，通信对端在源位置上对 数据包进行封装，并建立与转交地址之间的隧道，数掘包在隧道中透明传输。当 数据包到达隧道终点后，被解除封装，传给移动节点。如果移动节点此时又移动 了，新的外地代理会把绑定更新消息传给原来的外地代理，而且本地代理也随后 得到更新的绑定消息，它再将新的绑定消息通知给通信对端，以后传送的数据包 直接由通信对端发往新的转交地址处。通过这种绑定技术，在移动i p 的数据传 递中就能减少了转发环节，消除了三角路由，实现了路由的优化【1 8 l i l 9 1 。 2 9 小结 在本章中，我们主要分析了移动i p 协议中所涉及的功能实体及其工作机制， 阐述了移动节点处在外地网络时怎样通过本地代理和外地代理保持与网络的连 接，并具体描述了在移动i p 中数据包的路由情况。之后我们提出了移动i p 的三 角路由问题，并探讨了怎样利用绑定技术对路由进行了优化。 1 8 重庆邮电学院硕士论文 3 1 概述 第3 章移动ip 的平滑切换 从前面几章我们知道，当处在外地网络中的节点移动时，它可能会离开当前 的外地代理所覆盖的范围而向新的外地代理注册，这种移动节点从一个外地代理 的覆盖区漫游到另一个外地代理覆盖区的过程就叫做切换。在移动节点离开原外 地代理之后、本地代理在收到移动节点新转交地址之前，本地代理依旧会向原外 地代理发送数据分组，这些分组很可能被丢失。 因此我们在这里提出了平滑切换的概念，平滑切换用于解决怎样在一次切换 中将分组丢失减至最小甚至完全消除。同时将切换时延控制在容许范围之内。 3 2 平滑切换中的绑定技术 从第2 章我们知道，移动i p 路由优化解决了三角路由问题，它假定网络中 任何一个参与路由优化工作的代理节点都维护着一张绑定表，当某个本地代理收 到某个在外地链路上的移动节点的数据包时，本地代理就发送一个“绑定更新 ( b i n d i n gu p d a t e ) 消息给该数据包的源头通信对端，告诉它该移动节点的 当前位置。通信节点就更新它的绑定表项并将其他属于该移动节点数据分组不经 过本地代理而直接发送给移动节点。这样，我们就能有效地防止三角路由问题发 生。 同样地，我们可以在外地代理( 或本地代理) 上使用绑定技术来减少切换过 程中的分组丢失。当某个移动节点改变它的转交地址从一个外地代理进入另一个 新的外地代理时，新外地代理可以发送一个绑定更新消息给原外地代理( 或本地 代理) ，告之它移动节点的新位置所在。原外地代理( 或本地代理) 收到该消息 后更新它的绑定缓冲，将那些已到达该外地代理( 或本地代理) 的欲发往移动节 点的数据分组发送到移动节点新转交地址上。然而，依据这种方案，在原外地代 理( 或本地代理) 收到绑定更新消息之前，那些已到达原外地代理( 或本地代理) 的数据分组依然会被传送到移动节点的原转交地址而造成丢失。因此除了采用绑 定技术外，怎样进行分组的缓冲管理也是很重要的一个问题。 在以下几节，我们先来研究一下该采取哪种缓冲技术。 1 9 重庆邮电学院硕_ 上论文 3 3 平滑切换中的缓冲技术 3 3 1 多播分组缓冲 一个实现平滑切换的方法是多播数据分组。在将分组发送到移动节点所在的 外地代理的同时，数据同样传送到该外地代理所有相邻的外地代理。如果切换发 生，其他外地代理能够缓冲传入的数据分组并立即将它们发送到给移动节点。 3 3 2 多播的优缺点 多播的优点是：当移动节点移动时，分组已经在新的外地代理上了，因此切 换速度比较快。对于那些对包的连续性要求高的实时业务，如音频流、l p 电话 和视频会议等，这种解决方案非常实用。 其缺点是：由于要将数据用多播方式传送给所有的外地代理并将数据在外地 代理上缓冲，这样使用了额外的网络资源和存储空间。另一个缺点是新的外地代 理该怎样去知道移动节点在原外地代理上时最后收到的是哪一个分组；还有一个 问题是怎样知道哪些是相邻的外地代理。 3 3 3h a f a 缓冲 另外两种解决方案是在本地代理h a 或外地代理f a 中缓冲所有到达的数 据。当移动节点移动到一个新的外地代理时，新外地代理发送一个更新消息到本 地代理或原外地代理( 视缓冲区是在本地代理还是外地代理而定) 来告知本地代 理或外地代理，叫它们将所缓冲的属于该移动节点的数据包发送到移动节点的新 位置上。这样切换中的包丢失现象能完全消除除非是移动节点离开原外地代 理之后，花费了大量的时间但找不到一个新外地代理，( 在这种情况下原外地代理 缓冲可能会溢出) 。 3 3 4h a f a 缓冲的问题 h a f a 缓冲的主要问题是数据分组的复制。新外地代理f a 可能从原外地代 重庆邮电学院硕士论文 理( 或本地代理h a ) 中得到那些其实已经由通信对端传送给移动节点的数据包。 而目前的t c p 实现【2 0 1 中假设是因为数据包的丢失而引起t c p 复制确认，因此将 调用某种拥塞控制机制【2 。这种因切换而导致的复制分组确认可能将引发其上 层的t c p 降低传输速度，降低网络性能l z 们，同时也浪费了网络资源。这些当然 是我们不希望出现的。 我们解决这个问题的方法是：每当移动节点从外地代理f a ( 或本地代理h a ) 收到一个数据分组时，它就发送一个确认消息到外地代理( 或本地代理) ，以便 f a ( 或h a ) 将该分组从其缓冲中删除。这样缓冲中余下的是那些没有被传送的、 属于其他不同移动节点的数据分组( 注意：不同的移动节点往往与同一个f a h a 相连) 。当旧f a 或h a 收到某一移动节点的一个更新消息时，它只是简单地将 缓冲中那些属于该节点的数据分组发往新f a 即可。不过，这些由链路层发送的 确认不在本文研究范围之内。 另一种解决方法是在所有数据分组中使用某些序列编号并将编号和其他信 息一道保存在缓冲中。在5 4 2 节中，我们将讨论这些需在缓冲中保存的信息。 这样，移动节点可以将它收到的所有数据分组的序列号连同绑定更新消息一起发 送，旧外地代理就可以丢弃这些有序列号的分组，只发送那些没有收到序列号的 分组。比如，i p 报头的鉴定和碎片偏移域可以作为保存分组序列号用。 这种方案的缺点有如下几点： 移动节点现在需要清楚它所接收的所有分组的序列号( 注意：分组可以不按 顺序到达移动节点) 。同样，由于当移动节点接收的那些分组在被确认之前在缓 冲中没有被删除，更多这种没有必要的分组的积累将使缓冲