（通信与信息系统专业论文）多宿主nemo网络的流量分担及容错控制算法.pdf

南京邮u 人学硕i ：研究生学位论义 摘要 摘要 近年来，移动通信和i n t e m e t 日益深入人们的生活，变得越来越不可或缺。为了满足 整个移动性平台的通信需求，i e t f 成立了n e m o ( n e t w o r km o b i l i t y ) 工作组，将单结点 移动性的移动i p 技术引入到网络移动性的标准化中。而随着3 g 、w i m a x 网络的兴起， 全球i p v 6 网络的大规模建设，互联网呈现宽带化、无线化和移动化，人们对移动通信系统 的数据传输能力和稳定性提出了更高的要求。多宿主技术是现在及未来网络应用技术的重 要组成部分，能为整个网络带来诸如稳健性、容错性等方面的改善，利用流量分担能够增 加系统的数据传输能力，充分利用网络的可用带宽资源。 在对多宿主网络的研究现状进行全面深入调查分析的基础上，本文分析了基于移动 。 i p v 6 的n e m o 多宿主的典型应用，并对其中两种场景提出路由控制算法，其一包括多移 动路由器、单家乡代理和单网络前缀，其二包括多移动路由器、多家乡代理和单网络前缀。 后一种场景是从前一种的基础上改进而来，并改善了系统的稳健性。针对上述两种控制算 法进行了初步的可行性分析。 为证实控制算法的有效性，本文用n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 ) 对提出的两种 算法所带来的效益进行了仿真。结果证明，所提出的多宿主控制算法有效地增加了n e m o 网络的可用传输路径，。提高了端到端的分组通过率；整个n e m o 系统的容错能力也得到了 提高。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c l a b s t r a c t n o w a d a y s ，b o t ho ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa n dt h ei n t e r n e th a v e b e e nr e c o g n i z e da st h e m o s tf u n d a m e n t a la n df l o u r i s h i n gt e c h n o l o g i e s t h en e m ow g ( n e t w o r km o b i l i t yw o r k c r o u p ) h a sb e e ns e tu pu n d e ri e t ft om e e tt h ed e m a n do ft h ew h o l em o b i l ec o m r m m i c a t i o n p l a t f o r m t h em a i nt a s kf o rn e m ow g i sa i m e da ti n t r o d u c i n gt h eb a s i ch o s tm o b i l i t ys u p p o r t ， i em o b i l ei p , i n t ot h es t a n d a r do fn e m o a st h eg r e a tt r e n do fi p v 6a n dt h ew i r e l e s sa c c e s s t e c h n o l o g i e ss u c h 嬲3 gw i m a xd e v e l o p i n g ，m o r ea n d m o l es y s t e ms t a b i l i t ya n dt r a n s m i s s i o n c a p a b i l i t ya l ec l a i m e db e c a u s et h a tt h ei n t e r n e th a se n a b l e dt os u p p o r tm o b i l e ，w i r e l e s sa n d b r o a d b a n da c c e s s i n g a so n eo fv e r yi m p o r t a n tt e c h n i q u e s ，m u l t i - h o m i n gc a r li m p r o v et h e n e t w o r kp e r f o r m a n c es u c ha sr o b u s t n e s sa n df a u l tt o l e r a n c e ，e r e f u r t h e r m o r e ，m u l t i - h o m i n gc a l l b r i n gt h es y s t e mm o lep a t ht ot r a n s f e rd a t am o l ee f f e c t i v e l yb e c a u s eo f t h el o a ds h a l i n g l o a d b a l a c i n g m i p v 6 b a s e dn e m om u l t i - h o m i n gi sr e s e a r c h e do nt h eb a s eo ft h ei n v e s t i g a t i o no nt h e s t a t u sq u oo fm u l t i - h o m i n gt e c h n i q u e t w oo fe i g h ts c e n a r i o so fn e m om u l t i - h o m i n ga r e e m p h a s i z e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gr o u t i n ga l g o r i t h mf l ep r o v i d e d i nt h ef i r s ts c e n a r i ot h e r ea r e m u l t i p l em r s ( m o b i l er o u t e r s ) ，s i n g l eh a ( h o m ea g e n t ) a n ds i n g l en e t w o r kp r e f i x i nt h e s e c o n de x t e n d e df r o mt h ef i r s t , i n c l u d i n gm t d t i p l em r s ，m u l t i p l eh a s a n ds i n g l en e t w o r kp r e f i x ， c a l li m p r o v et h er o u b u s t n e s s p r a c t i c a l i t ya n a l y s i s e sa l em a d ef o rt h e s et w oc o n t r o la l g o r i t h m s s i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tt os h o wt h et h e o r e t i c a le f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dc o n t r o l a l g o r i t h m sb yn s 一2 ( n e t w o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 ) t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n ss h o w t h a tt h e p r o p o s e da l g o r i t h m sc a nn o to n l yp r o v i d eu s e a b l ep a t hr e s o u r c et og u a r a n t e et h et h r o u g h p u t o f t h ee n d t o e n dc o m m u n c a t i o n s ，b u ta l s oi m p r o v et h er o b u s t n e s so rf a u l tt o l e r a n c eo f n e m o 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 含为获得南京邮电大学或其它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已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：企萎刚日期：三坳 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南衷l i i i 。b 大学研究生部办理。 研究生姥黏蹲导师躲鳢魄掣堡 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学通信与信息系统 研究方向： 网络与应用技术 作 者：j 翌堕级研究生俞晓刚 题 目： 多宿主n e m o 网络的流量分担及容错控制算法 英文题目：t h el o a ds h a r i n ga n df a u l tt o l e r a n c ec o n t r o la l g o r i t h m sf o r m u l t i - h o m i n gn e m on e t w o r k s 主题词： 网络移动性 多宿主流量分担容错 k e y w o r d s ：n e t w o r km o b i l i t y m u l t i h o m i n g l o a ds h a r i n g f a u l tt o l e r a n c e 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 第一章、引言 1 1 互联网移动技术现状 当前，网络和通信技术的飞速发展，使i n t e m e t 接入逐渐贴近个人化：信息的多样化， 使i n t e m e t 日益深入人们的生活，人们对i n t e m e t 的依赖性也越来越强。目前，人们还主要 以固定接入方式访问i n t e m e t 。然而，随着人们生活节奏的加快，人们时常处于运动状态， 对于在任何时间、任何地点从i n t e r n e t 获取信息的需求越来越大，越来越期望i n t e m e t 能支 持移动应用。 ：然而原有的t c p i p 协议体系并不支持移动性，当设备在相同或不同网络之间移动时， 就产生了应用层会话的连续性的问题。基于t c p i p 体系支持应用的移动性，其困难的根 本因素，在于口是一个基于分组的无连接协议，其网络层路由策略难以满足移动环境下的 通信保持要求。 针对这一问题，在原有t c p i p 的基础上产生了各种移动路由技术及网络层实现无缝 移动的方案，主要有m o b i l ei p 5 1 、n e m o 6 1 、a dh o e l 7 1 等。 1 ) 移动1 p m o b i l ei p 是一个因特网建议标准，它是解决i p 网络中移动性管理的最早方案。i n t e r n e t 工程任务组i e t f 在r f c 2 0 0 2 5 1 中对m o b i l ei p 有完整的描述。 m o b i l ei p 的基本原理是让一个移动主机使用一对i p 地址实现移动的功能。移动主机 ( 简称m h ，m o b i l eh o s t ) 首先在家乡网络的家乡代理( 简称h a ，h o m ea g e n t ) 登记注册， 获得家乡地址( 简称h o a ，h o m ea d d r e s s ) 。当用户携带移动主机访问其他网络时，移动 主机会从该网络的外地代理( 简称f a ，f o r e i g na g e n t ) 得到一个转交地址( 简称c o a ， c a r e o f - a d d r e s s ) 1 0 】，进行认证登录。认证成功后，家乡代理和外地代理之间就建立了一条 隧道。此后，家乡代理将所有发送给该移动主机的分组通过i p i n i p 隧道转发到移动主机 的转交地址处。从隧道出来的分组将去掉外面封装的分组头，把里面的原分组发送给移动 主机。因为应用会话仍然使用家乡地址，会话的连续性得到保持。当移动主机再次移动时， 它将获得一个新的转交地址，并向它的家乡代理再次登记，向它告知自己新的转交地址， 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 隧道的端点也随之改变为新的转交地址【1 1 】。根据移动i p 的发展来说，可分为基于i p v 4 的移动1 8 1 i p 及基于1 p v 6 的移动i p 凡 基于i p v 4 的移动1 p ： 在r f c 3 3 4 4 8 中规定了用于i p v 4 的移动i p ，支持i p v 4 的移动i p 是在i p v 4 之后设计 并应用的。由于已安装的i p v 4 结点数量庞大，所以m o b i l ei p v 4 的实施受到限制。m o b i l e i p v 4 中，转交地址通常从外地代理发布的代理通告中获得，是外地代理的一个i p 地址。这样， 许多结点可以共享一个转交地址，不会为很紧张的i p v 4 地址空间分配带来更多的麻烦。在 m o b i l ei p v 4 中，通信对端发送的分组总是通过移动结点的家乡代理转发给移动结点，而移 动结点的分组直接就可以发送给通信对端，形成了三角路由现象。 基于i p v 6 的移动i p t g j ： 用于i p v 6 的移动i p 是一项仍在进行中的工作。i p v 6 具有巨大的地址空间、安全性及 良好的头部扩展性，而且i p v 6 将支持移动特性作为其整体的一部分来考虑并设计，而不是 在i p v 6 完成后再考虑，这相比于皿v 4 已经具有一些先天优势。从头开始设计的主要优点 是使分组路由最优化，这表示移动结点和通信对端之间的通信没有家乡代理的支持，因此 会话端点之间分组的路由是最优化的。因为移动支持是i p v 6 的标准特性，每个i p v 6 结点 将都能支持i p 移动性，所以只有当i p v 6 网络已广泛铺设并开始替代当前i p v 4 互联网时， 才能实现真正的i p 移动性。m o b i l ei p v 6 与m o b i l ei p v 4 相比，有咀下两点变化：a ) 、它没 有外地代理的概念；b ) 、对于隧道端点至关重要的转交地址( 通过自动配置获得) 在移动 结点上。但是，家乡代理的概念依然存在，移动结点通过绑定更新消息来向家乡代理指示 它的当前接入点，转交地址。 2 ) n e m o 随着技术的进步，简单的终端移动已经不能满足通信的需求，而且移动i p 在网络动态 性方面凸显了其局限性，网络移动性( n e m o ) 的概念从而诞生。把移动i p 中的移动结点 替换成一个移动网络，就是n e m o 路由技术6 1 了。n e m o 是网络作为一个整体进行移动， 通过改变其与i n t e r n e t 的接入点，从而改变它在i n t e m e t 网络拓扑中的可达性。n e m o 只能 通过管理其移动性的特定网关移动路由器来访问。n e m o 中至少有一个移动路由器。 当n e m o 访问外地网络时，移动路由器通过和家乡代理之间建立双向隧道，向外界通告自 己的存在，使移动网络能和外界保持通信。移动路由器是n e m o 的默认网关。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 3 ) a dh o e a dh o e 路由技术【7 1 ，主要适用于军事通信、灾难救助和工业控制等领域。它是一种由 一组带有无线收发装置的移动结点组成的一个多跳的、临时性的自治系统，具有无中心、 自组织、快速展开和移动等特点。这种网络同现有的移动通信网络和无线局域网相比，不 需要固定的基础设施，也没有固定的路由器，所有的结点都是移动的，并且都能以任意方 式动态地与其他结点进行分组转发。每一个结点同时完成主机和路由器的功能。它摆脱了 基站的束缚，通过移动主机自由的组网实现通信。 1 2n i e m o 的典型应用场景 单个结点进行移动的场景非常普遍。m i p v 4 和m i p v 6 都是对单个结点移动性的支持， 但无法推广到对整个网络移动性的支持。事实上，移动性既可以是单个结点进行移动，也 可以是整个网络进行移动。整个网络进行移动的场景实际上也很普遍：如民用的公共交通 设施，汽车、火车、地铁、飞机、轮船等：军用方面有，战斗机、坦克、战舰等。 n e m o 在智能交通领域的应用更可以推广到e b i c y c l e 、e v e h i c l e 、i n t e m e t c a r 等，在 这些交通工具上可以布置一张传感器网络，随时随地获取驾乘者的生理状态或者车辆本身 的运行状态等信息，从而在交通过程中提供更安全的服务。有些微小的传感器受本身条件 限制，不可能很好的运行移动i p 协议，但借助n e m o 网络的特性，只需一个移动路由器 就提供了这种可能。提供方便廉价的电子导航等信息服务更是n e m o 网络的设计初衷之 一。这些交通工具都能运载大量的结点一起移动，形成一个移动网络，为它们的运行提供 了智能性。其内部可以有固定的结点，也可以有不断地进入或出去的移动访问结点，它们 都通过移动路由器与外界进行通信。 网络移动的场景中还有一个独特的地方，那就是n e m o 可以嵌套，也就是一个n e m o 中包含另一个n e m o 。这是因为移动路由器对于接入点来说就是单纯的一个结点。这种嵌 套场景在实际生活中也十分普遍。举个例子，一辆火车为乘客提供i n t e r n e t 接入服务，在 火车内部建立了一个移动网络。假设有一个乘客，他携带了如p d a 、手机、手提电脑等多 个手持设备，这些设备又构成了一个个域网( p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 。在这种情况下，火 车这个移动网络就是父n e m o ，而p a n 就是子n e m o 。事实上，n e m o 嵌套的层数可以 不1 e 一层。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 n e m o 的应用场景除以上所提到的之外，它还能应用于使用多种无线媒介与i n t e m e t 进行连接、在多个i n t e r n e t 服务提供商之间进行切换的场景中。这主要归功与n e m o 的多 宿主( m u l t i h o m i n g ) t 2 】技术。 在m u l t i h o m i n g 情形下，可能需要同时使用不同的接口。这样才能使系统能够处理水 平切换( 在不同的接八点之间切换，但使用相同的通信媒体) 和垂直切换( 在不同的通信 媒体之间切换) 。单个i n t e m e t 服务提供商( i s p ) 即使有非常大的网络覆盖度仍然有其不 能到达的地方，所以切换是不可避免的。切换会在不同的i s p 管理域之间发生，也会发生 因为地理位置移动而在i n t e m e t 拓扑上的不同部分间切换。以一个实际生活中的场景为例， 在汽车等交通工具内的网络就是典型的使用多种无线媒介与i n t e m e t 相连，车辆在通过一 个国家的边界时，既有可能改变不同的i s p ，也有可能改变媒体接入方式，更有可能两者 二起发生。如果n e m o 网络有多个接入点接入到不同的i s p ，不同接口使用不同的媒体接 入方式，就能够有效的避免因切换而引起的服务中断。 因此，n e m o 的应用场景具有十分的普遍性，在i p v 6 t 3 1 环境下更是广泛存在。 1 3n e m o 近期的研究动态 多宿主的环境模型是有很多网络实体来组成的，分类可根据一系列相关度不大的实体 元素组成的多元组作为依据，有根据家乡代理、移动路由器、移动网络前缀的个数把n e m o 场景分类成8 种 1 2 1 ，也有基于配置转交地址前缀( 简称c c o a p r i f i x ，c o l l o c a t e d c a r e o f - a d d r e s s p r i f i x ) 、移动路由器、移动网络前缀个数进行分类f 1 4 1 。但基于前者分类方 法的研究更多一些。本文的研究模型也是基于这种分类方法。 现在的n e m o 多宿主研究大部分都是集中在m r 的多宿主现象上。一般具有多个外 送接口( 简称e - f a c e ，e g r e s si n t e r f a c e ) 的单个m r 目的是为n e m o 网络提供泛在接入， 而多个移动路由器则多为容错性( f a u l tt o l e r a n c e ) 和流量分担，负载平衡( l o a ds h a r i n g l o a d b a l a n c i n g ) 提供保障。 1 ) 多个外送接口的情况： 根据移动i p 和n e m o 基本协议f 酊，单个网络接口的移动结点或移动路由器通过指 定接口接收路由器通告等手段能够比较好的处理网间切换时的地址变换问题，因 为传统t c p i p 协议是为单个接口的网络实体设计的，具有多个网络接口的移动结 4 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章引言 点或多个外送接口移动路由器在移动时，若接口被替换，由于数据分组的目的地 址与这个新接口尚未绑定，入口过滤机制会把此时送到的分组过滤掉。另外不同 接口要考虑异质网络的接入，网络地址的改变等。这些都超出了t c p i p 和传统路 由的范围。y o n g g e u nh o n g 及j u n g s o op a r k 建议用虚拟端口或逻辑网络接h 来 解决这个多接口切换的问题【1 5 】，即用一个逻辑网络接口来隐藏多个物理接1 2 1 ，通 过一个接口切换模块来让这个逻辑接口选择一个合适的物理接口来传输数据，从 而协调它们之间的切换，使网络层感受不到物理切换。 l u c i a ns u c i u 也讨论了类似问题并在l i n u x 下采用由n a u t i l u s 6 工作组提供的n e m o 协议实验用的一系列实现代码包n e p l ( n e m op l a t f o r mf o rl i n u x ) 实现了相关工 作【1 6 1 。文献 1 6 的主要工作在移动路由器中加入一个多接口移动路由器结构体 ( m u l t i i n t e r f a c em o b i l er o u t e ra c h i t e c t u r e ) ，这是一个中间件，基于一些特定的 驱动和经改动的内核来管理多个接口，用户可通过相应的配置文件来使中间件选 择合适的外送接口连接到i n t e r a c t 传送接收数据。这个中间件由配置文件管理器 ( p r o f i l em a n a g e r ) 接口选择决策模块( s e l e c t i o nd e c i s i o nm o d u l e s ) 组成，只要定 义一个配置文件就能自动选择和配置接口。配置文件是关于本系统的一些关键信 息和参数，由终端用户、网络提供商或运营商定义并存储到配置文件数据库。由 此可见配置文件的形成是分布式的，这样的结构需要网络运营商和移动路由器的 管理者甚至n e m o 子网内部的用户结点协作才能完成配置的工作，增加了工作的 复杂性。 u b i q u ef r a m e w o r k t l 7 1 是在前面提出的结构上的一个扩展架构。不同的是当移动路 由器有多个接口时，为此设计的u b i q u ef r a m e w o r k 通过上下文感知方式来选择 最合适的接1 2 1 ，但由于缺少低层的多接口结构支持，其局限是不能应用一个以上 的接1 2 1 来同时传输数据。m a h a m a t f a k i ，m 和b o n n i n ，j - m 提出的方案【1 8 】把m c o a 应用到u b i q u ef r a m e w o r k ，并提出一个基于i p v 6 头部的源、目的地址域和流标识 域进行分流的p o l i c y ，应用到分流选路模块上，把分流装进隧道并按常规路由寻 址，从而能让移动路由器和它的h a 能管理它与它的h a 之间建立的多条隧道， 能同时使用多个接口进行通信。并有一个监控模块负责监控，若隧道断开，则触 发静态路由决策模块，在路由表中删去这个断开的隧道，更改缺省路由到一条可 用隧道上。 气 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 2 ) 多移动路由器的情况： e u n k y o u n gp a i k 、y a n g h e ec h o i 的研究方案 1 9 1 7 邑关于多移动路由器在异质网络中 的无缝切换。为支持移动管理、地址管理和i n t e m e t 接入，提出一种包括d h c p v 6 a g e n t 和切换管理中心的结构。d h c p v 6a g e n t 最主要用于n e m o 内部移动访问 结点进行有状态的地址自动配置，切换管理中心则选择有不同接入模式的备用移 动路由器在异质网络中可以替换主移动路由器，顺利完成无缝切换过程，但这个 过程的设想是建立在交通工具的运动方向是预先设定的这个前提下的。不管怎么 说，无缝切换是移动网络多宿主的应用之一。 参考文献【2 0 】则从另一方面来提出多路由器实现多宿主的优点，即流量分担和会话 保持。提出了需要执行会话保持时担任移动路由器选择工作的4 个思路：由h a 来执行选择工作；由m r 本身来选择；由m n n 来选择；三者协同参与选择的混 合模式。此文认为第一种最容易实现，h a 通过对比m r - a r 连接的预期生命期最 长来判断此时哪个m r 是最适合的，因此向最后送来b u 的m r 转发数据。此方 案也是在交通工具的运动路线是预先设定的这个前提下，设想在交通工具的最合 理空间上布置多个m r 。之后也提出异质接入路由器同时接入既可在更大范围内 支持更自由的移动网络的应用，也可起到分担流量的作用。 t s u k a d am 、e r n s tt 等的方案【2 l 】所提出的多m r 结构关键在于把一个m r 作为主 m r ，而其他作为非主m r ，主m r 的作用是管理其他非主m r 并为业务流进行选 路，而非主m r 只负责转发。这种机制动态管理多个m r ，利用邻居发现机制和 m c o a 协议可以在通信过程中随时加入和减少m r ，这样可以根据需要来安排m r 的个数。这种方案实际上是把非主m r 当作接口来对待。 以上这些方案都未强调h a 的个数，但一般不考虑多个h a 的情况。 s e o n g h oc h o 和j o n g k e u nn a 提供了一种多m r 多h a 模式的多宿主类型【2 2 1 。因为移 动性和多宿主的特性，容易受到拒绝服务攻击和重定向攻击，为安全考虑，提出邻居m r 注册与认证机制，使新路由器可以中途加入，这一点与 2 1 】的做法类似。以此为基础接着 从安全角度出发提出一种基于多个h a 的动态流量分担解决方案，重点在于分析邻居m r 的安全认证和由此带来的延时，但没有从系统的角度来分析多宿主问题。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 1 4 网络仿真与计算平台 随着通信技术的发展，新的通信技术层出不穷。在建造实际的通信系统比较困难的情 况下，要对系统可能达到的性能有所了解，进行网络仿真是非常有效的方法，也是目前广 泛采用的技术。它可以根据需要设计所需的网络模型，用相对很少的时间和费用研究网络 在不同条件下的各种特性，获取网络丰富有效的数据。网络仿真提供客观、可靠的定量依 据，缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。另外， 它还适用于在科学研究领域的通信新协议的研究开发。 比较著名的仿真工具有m a t l a b 1 1 、o p n e t 2 1 、n s 2 t 3 】等。其中，m a t l a b 是通用 型的仿真软件，n s 2 、o p n e t 则是专用型的。各种仿真软件都有自己的特点，适合于不 同的应用场合。 o p n e t ( o p t i m i z e dp e r f o r m a n c en e t w o r ke n g i n e e r i n gt 0 0 1 ) 网络仿真软件是由m i l 3 公 司开发的一个商业软件。它是一个可以对通信网络和分散式系统进行模拟和分析的综合 性仿真软件，可模拟l a n ，w a n ，i s d n ，w l a n 及卫星通信网等各种网络模型。o p n e t 功能强大，但其价格昂贵，且有严格许可证限制，更新比较慢。 n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 ) 是u cb e r k e l e y 开发的面向对象的、离散事件驱 动的网络环境模拟器。它可以模拟各种i p 网络环境，实现了对许多网络协议的模拟，如 t c p 、u d p ，和数据源发生器( t r a f f i cs o u r c e ) ，如f t p 、w w w 、t e l n e t 、w e b 、c b r 和 v b r 等。 n s 2 软件是公开源代码( o p e ns o u r c e ) 的，这使得利用n s 进行网络模拟的研究者可以 很方便地扩展n s 的功能，也可以很方便地共享和交流彼此的研究成果。这样，n s 的使用 者就可以在别人研究成果的基础上开展研究，站在科研的最前沿。而n s 则吸纳了这些n s 开发者贡献的各方面的模块，从而使它的构件库不断地丰富，这正是一个好的网络模拟器 的生命力之所在。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p 2 1l p v 6 概述 第二章、移动i p 自从r f c7 9 1 于1 9 8 1 年发布以后，基于i p v 4 的i n t e m e t 发展非常迅猛，己经深入到我们 生括的每一个角落，但是，i p v 4 是为当时的网络设计的，目前运行在计算机数目庞大的阿 络中己经面临着各种各样的问题，如i p 地址空间耗尽问题、骨干路由器路由表急剧膨胀、 对简便配置的要求、对i p 级安全的需求以及实施数据传送的支持不够等。为了解决上述问 题以及其他相关问题，i e t f 开发了一套新的协议和标准，即i p v 6 1 1 3 l 。i e t f 从2 0 世纪9 0 年代 初开始笈起i p v 4 后继协议的研发，于1 9 9 3 年开始研究i p n g 领域，随后的一年在多伦多举行 的i e t f 会议上提出了创建i p v 6 协议的建议。i e t f 批准了该建议，并在1 9 9 4 年1 1 月1 7 日起草 了提议标准。1 9 9 8 年8 月1 0 日，i p v 6 的核心协议组成为1 e t f 草案标准。 2 1 1 与1 1 、, 4 的比较 i p v 6 继承了i p v 4 的优点，并根据i p v 4 多年来运行的经验进行了大幅度的修改和功能扩 充， = l i p v 4 处理性能更加强大、高效。与互联网发展过程中涌现的其它技术相比，i p v 6 可 以说是引起争议最少的一个。i p v 6 取代i p v 4 已成为必然。 相对于i p v 4 ，p v 6 有如下的新的特性和优势： 1 ) 新的协议头格式。i p v 6 的协议头采用一种新的格式，可以最大程度地减少协议头的开 销； 2 ) 巨大的地址空间。i p v 6 的源地址和目标地址都是1 2 8 位1 均( 1 6 字节) 。即便是算上目前 已为主机分配的所有i p 地址，其仍然有充足的地址供今后使用，这样就不需要一些 节约地址的技术，比如n a t 转换； 3 ) 有效的、分级的寻址和路由结构。在采用i p v 6 的i n t e n e t 中，骨干路由器具有更i j , l 拘 路由表； 4 ) 有状态和无状态的地址配置。这样就使得i p v 6 终端能够快速连接到网络上，实现真 正的即插即用； ：8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p 5 ) 内置的安全性。i p v 6 协议强制使用i p s e c ，这就为网络安全性提供了一种基于标准的 解决方案，并且提高了不同i p v 6 实现方案之间的互操作性； 6 ) 更好的支持q o s 。i p v 6 协议头中的新字段f l o wl a b e l 定义了如何识别和处理通信流， 因此可以很好的实现对q o s 的支持； 7 ) 用新协议处理邻结点的交互。i p v 6 中的邻居发现( 简称n d ，n e i g h b o rd i s c o v e r y ) 协议 用更加有效的多播和单播的邻结点发现报文，取代了6 姻( 基于广播的) 、i c m p v 4 路 由器发现，以及i c m p v 4 重定向报文等，更加方便和有效； 8 ) 可扩展性。通过在i p v 6 协议头之后添加新的扩展协议头的方式，i p v 6 可以很方便的 实现功能的扩展。 i p v 6 分组报头如图1 所示。从报头上看，取消了i p v 4 包头的6 个字段：m 包头长度 ( h e a d e rl e n g t h ) 、服务类型( s e r v i c et y p e ) 、标识( i d e m i f i c a t i o n ) 、标志( f l a g ) 、标 志偏移量( f r a g m e n to f f s e t ) 及头标校验和( h e a d e rc h e c k s u m ) ；其次，在i p v 6 中有三个 控制字段重新命名，并在一些条件下重新定义：长度( l e n g t h ) 、生存时间( t i m et ol i v e ) ； 最后，增加了两个新的字段：业务类别( t r a f f i cc l a s s ) 和流标识( f l o wl a b e l ) ，能提供 个性化的差异服务。业务类别域为报源提供了一种指明想要的相对于同一报源其它交通的 交通传输优先级。优先级值被划分成两段：o 7 比特用于说明那些提供拥塞控制的报源发 送交通的优行权，即业务量可能会由于网络拥塞而滞后的情况，如t c p 通信；8 1 5 比特 用于那些不会因为拥塞而产生相应滞后的交通传输优先级，如以恒定速率发送的实时报 文。业务类别字段可扩大到1 个字节，这就可以定义2 5 6 个级别的优先级，对各种多媒体 信息根据紧急性确定数据包的优先级。相应的流标识字段可缩小到2 0 比特。 流标识【2 3 】可以使数据报源结点标识那些需要由i p v 6 路由器做特殊处理的报文，允许 终端用户对通信质量提出要求，例如非默认的服务质量或实时服务等。路由器可以根据该 字段标识出同属于某一特定数据流的所有分组，并按需对这些包提供特定的处理，该数据 流信息第一次接收时即被记录下来，下一次这个路由器接收到同样的标识的数据包后，路 由器采用识别的记录情况，而不需查对路径选择表，从而减少了数据处理的时间。由于数 据流身份信息包含在i p v 6 包头中，因此即使是经过i p s e c 加密的数据包也可以获得q o s 支持。这个域在制订i p v 6 过程中是作为实验性质的，待i n t e m e t 网络上流支持方式明确后 可能会作某些修改。对于那些不支持流标识的主机或路由器可把该域设为零，或对中继报 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p 文中该域值不作处理。 利用业务类别和流标识域，i p v 6 结点能够区分分组类型并提交路由器做特殊处理，路 由器对有相同流标识的分组做相同的处理，这样能够有更快的分组处理速度。 4 b i t4 b i t2 4 b i t v e r s i o nt r a f f i cf l o wl a b e l c l a s s 1 6 b i t 8 b i t 8 b i t p a y l o a dl e n g t h n e x th e a d e r l h o p l i m i t 1 2 8 b i t s o u r c ea d d r e s s 1 2 8 b i t d e s t i n a t i o na d d r e s s 图11 1 6 分组头格式 从表1 的地址类型来看，在r f c2 3 7 3 1 2 4 】中指定了几种i p v 6 类型的寻址方案( i p v 6 寻 址结构) 。i p v 6 地址是接口和接口集的1 2 8 位标识符。r f c2 3 7 3 为i p v 6 定义了多种地 址格式，i p v 6 地址大致分为以下几类：单播、泛播和多播。i p v 6 地址分配情况如表2 ，可 见i p v 6 的地址资源十分丰富。 表11 p v 6 地址类型 类型特点 单播 单一接口的地址。发送到单播地址的数据包被送到由该地址标识的接口。 一组接口的地址( 通常分属不同结点) 。大多数情况下，这些接口属于不同的结点。发 泛播送到泛播地址的数据包被送到由该地址标识的其中一个接口( 根据选路协议对于距离的 计算方法选择“最近”的一个) 。 一组接口的地址( 通常分属不同结点) 。发送到多播地址的数据包被送到由该地址标识 多播 的每个接口。 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p 表2i p v 6 地址分配情况 地址分配地址头 i p v 6 网络地址占i p v 6 地址空间比例 保留0 0 0 00 0 0 0：81 2 5 6 未分配 0 0 0 00 0 0 l 1 0 0 ：81 2 5 6 为n s a p 保留 0 0 0 00 0 12 0 0 ：71 1 2 8 为i p x 保留 0 0 0 00 1 04 0 0 ：7l 门2 8 未分配0 0 0 00 1 16 0 0 ：71 1 2 8 未分配0 0 0 0l8 0 0 ：51 1 3 2 未分配 0 0 0 l 1 0 0 0 ：41 1 6 全球可聚合单播地址 0 0 l 2 0 0 0 ：31 8 未分配 0 1 04 0 0 0 ：31 8 未分配0 1 16 0 0 0 ：，31 1 8 未分配1 0 08 0 0 0 ：31 8 未分配 1 0 1 a 0 0 0 ：31 8 未分配1 1 0c 0 0 0 ：3l 8 未分配 1 1 l oe 0 0 0 ：41 1 6 未分配 1 1 1 1of 0 0 0 ：51 3 2 未分配 1 1 1 l1 0f 8 0 0 ：61 6 4 未分配 1 1 1 ll l o f c 0 0 ：71 1 2 8 未分配 1 l l ll l l oo f e o o ：，9 1 5 1 2 本地链路单播地址 1 1 1 11 1 1 01 0f e 8 0 ：1 01 1 0 2 4 本地站点单播地址 1 1 l l1 1 1 01 1f e c 0 ：1 01 1 0 2 4 组播地址 1 l l l 1 1 l lf f 0 0 ：8l 2 5 6 与i p v 4 不同，在i p v 6 中没有广播地址，因为这一功能已被组播功能代替。 2 1 2 邻居发现协议 邻居发现协议是i p v 6 协议的一个基本的组成部分，它替代了在i p v 4 中的地址解析协 议( a r p ) 、控制报文协议0 c m p ) 的路由器发现部分、重定向协议的功能，并具有邻居不 可达检测机制。 邻居发现协议实现了路由器和前缀发现、地址解析、下一跳地址确定、重定向、邻居 不可达检测、重复地址检测等功能，可选实现链路层地址变化、输入负载均衡、泛播地址 和代理通告等功能。 邻居发现协议采用5 种类型的i p v 6 控制信息报文( i c m p v 6 ) 来实现邻居发现协议的各 l l 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章移动i p 种功能。这5 种类型消息如下。 1 1 路由器请求( r o u t e rs o l i c i t a t i o n ) ：当接i s i 工作时，主机发送路由器请求消息，要 求路由器立即产生路由器通告消息，而不必等待下一个预定时间； 2 ) 路由器通告( r o u t e r a d v e r t i s e m e n t ) ：路由器周期性地通告它的存在以及配置的链 路和网络参数，或者对路由器请求消息作出响应。路由器通告消息包含在连接 ( o n 1 i n k ) 确定、地址配置的前缀和跳数限制值等； 3 ) 邻居请求( n e i g h b o rs o l i c i t a t i o n ) ：节点发送邻居请求消息来请求邻居的链路层地 址，以验证它先前所获得并保存在缓存中的邻居链路层地址的可达性，或者验证 它自己的地址在本地链路上是否是惟一的； 4 ) 邻居通告( n e i g h b o r a d v e r t i s e m e n t ) ：邻居请求消息的响应。节点也可以发送非请 。 求邻居通告来指示链路层地址的变化： 5 ) 重定向( r e d i r e c t ) ：路由器通过重定向消息通知主机。对于特定的目的地址，如 果不是最佳的路由，则通知主机到达目的地的最佳下一跳。 2 1 3 单播i p v 6 地址 单播i p v 6 地址具体分为：a ) 、全局可路由地址：是在全局范围内唯一的可路由寻址 的i p v 6 地址