（通信与信息系统专业论文）一种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制.pdf

一种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制 摘要 随着移动通信和l i l t e 兀l c t j 支术的发展，以及便携式终端设备的普及，人们要求 能在任何时间、任何地点，可以很方便的访问丰富的网络资源，甚至在移动过程 中也能保持通信。而传统网络协议主要是基于有线固定网络情形下设计的，并没 有考虑移动和无线环境，因此这对传统的i n t e r a c t 协议族提出新的挑战。为此移动 性支持是需要解决的首要问题，当移动终端位置变化时，无需用户干涉就能有效 接入i n t e r a c t ，能继续与通信对端进行通信。目前已提出了多种支持方案，其中 m o b i l ei p 最具影响力，且基本成为事实标准，它保证了基本的移动性支持。 然而要能提供较好的移动性支持，有较好的网络性能，移动性带来的移动切 换、恶劣无线环境影响是不可忽略的两个主要问题。移动计算环境具有带宽低， 误码率高，信道衰减的特点，以及终端移动和切换的问题，是造成丢包的主要原 因，而目前作为i n t e r n e t 中主要的传输协议t c p 不能区分错误的原因，将包丢失统 统解释为拥塞丢失并启动拥塞控制，这在有线网络环境中是正确的，然而在无线 环境没有网络拥塞的情况下，减小发送速率，会造成网络吞吐率下降。 在本课题中，首先分析了无线环境和移动切换对t c p 协议的影响，然后选择 在m o b i l ei p 提供移动性支持的基础上，在移动主机协议栈中引入了一种跨层优化 机制来解决上述两个主要问题，从而提高在无线环境中的网络性能。在这种跨层 机制中，链路层检测链路状态是恶劣的无线环境或是网络拥塞；同时，网络层检 测移动主机是否处于移动切换状态，然后将这一信息通知给传输层，传输层根据 收到来自低层的信号，相应调节自己的行为以适应当前网络状况，避免触发不必 要的拥塞控制，从而获得较好的网络传输性能，更好的提供了移动性支持。本文 不但从理论上分析了跨层优化机制的优越性，而且使用网络模拟工具n s 对跨层 机制解决移动切换的问题进行了仿真实验，证实了其有效性。 关键词：跨层优化，移动性支持，n s 仿真，移动i p ，t c p ，移动切换 无线传输丢失 种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制 a b s t r a c t w i 也t h er a p i da d o p t i o no fw i r e l e s st e c h n o l o g ya n dt h ee x p l o s i v eg r o w t ho ft h e i n t e m e t ，t h e r ei sa l li n c r e a s i n gd e m a n df o rm o b i l i t ya m o n gt h ei n t e r n e tu s e r s t h e y h o p et oc o n v e n i e n t l ya c c e s st h ea b u n d a n tn e t w o r kr g s o u r c cw h e n e v e ra n dw h e r e v e r , n o to n l yw h e nt h e yc h a n g et oa n o t h e rp l a c eb u tw h e nm o v i n g h o w e v e rt h e c o n v e n t i o n a lp r o t o c o l so fi m e m e tw e r ed e s i g n e df o rs t a b i l ew i r e dn e t w o r k s ，w i t h o u t c o n s i d e r i n gt h em o b i l i t ya n dw i r e l e s se n v i r o n m e n t ，a n dt h e ya r es u i tf o rt h e s e e n v i r o n m e n t s s ot h em o b i l i t ys u p p o r ti sp r i m et h i n gt ob es o i v e d ，t h a tw h e nm o b i l e h o s t sc h a n g et h e i rl o c a t i o n t h e yc a na c c e s st h ei n t e r n e te 丘c i e n t l y , c o n t i n u et o c o m m u n i c a t i o nw i t ht h ec o r r e s p o n dn o d e w h i l et h e r ea r es e v e r a lp r o p o s a l st o s u p p o f tt h em o b i l i t y , m o b i l e _ f pi st h em o s te f f i c i e n to n e w h i c hi sa m o s ta na c c e p t e d s t a n d a r d ，a n di tp r o v i d e st h eb a s i cm o b i l i t ys u p p o r tf o rm o b i l eh o s t s h o w e v e r , i no r d e r t o g e tb e t t e rm o b i l i t ys u p p o r tw i t hg o o d n e t w o r k p e r f o r m a n c e t l l et w om a i np r o b l e m so fh a n d o f fa n db a dw i r e l e s sc h a n n e lc o n d i t i o n s c o m i n gw i t hm o b i l i t yc a n tb ei g n o r e d t h em o b i l ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n th a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fl o wb a n d w i d t h ，h i g hb i te l t o rr a t e s ，f a d i n g s h a d o w i n g , a n d m o b i l i t yh a n d o f f s ，w h i c ha r e t h em a i nr e a s o n so fp a c k e tl o s s e sr a t h e rt h a nn e t w o r k c o n g e s t i o n b u tt h et r a d i t i o n a lt c pi n t e r p r e t st h e s ep a c k e tl o s s e sa l la sc o n g e s t i o n w h i c hi sr i g h ti nt h es t a b i l ew i r e de n v i r o n m e n t ，a n di n v o k e st h eu n n e c e s s a r y c o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s i n s ，t h a tr e d u c et h es e n d i n gr a t e ，i nr e s u l t ，i td e c r e a s e s t h et h r o u 【曲p u to ft h en e t w o r k 1 1 1t 1 1 i sd i s s e r t a t i o n w ef i r s ta n a l y s i st h ee f f e c t so fw i r e l e s se n v i r o n m e n ta n d h a n d o f ft ot c p , t h e ni n t r o d u c eac r o s s 1 a y e ro p t i m i z a t i o ns c h e m eb a s e do nm o b i l e i pi nt h ep r o t o c o ls t a c ko fm o b i l eh o s t t oo v e r c o m et h e s ep r o b l e m sa b o v ea n d i m p r o v et h en e t w o r kp e r f o r m a n c ei nt h ew i r e l e s se n v i r o n m e n t i nt h ec r o s s l a y e r s c h e m e ，t h el i n kl a y e rd e t e c t st h el i n ks t a t e ，b a dw i r e l e s sl i n ko rl i n kc o n g e s t i o n ，t h e n e t w o r kl a y e rd e t e c t sw h e t l l e rt h em o b i l eh o s ti si nh a n d o 正a n dt h ei n f o r m a t i o ni s i n f o r m e dt ot h et r a n s p o r tl a y e r , w h e nt r a n s p o r tl a y e rr e c e i v e st h es i g n a l sf r o ml o w e r n e t w o r kl a y e r s ，i ta d a p t si t sb e h a v i o r st oc u r r e n te n v i r o n m e n ta v o i d i n gi n v o k i n gt h e u n n e c e s s a r yc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m s ，t oi m p r o v et h en e t w o r kp e r f o r m a n c e a n ds u p p o nb e t t e rm o b i l i t y i nf o l l o w i n g , w em a k et h e o r e t i c a l l yp e r f o r m a n c e a n a l y s i so ft h ec r o s s 1 a y e ro p t i m i z a t i o ns c h e m e ，a n dm a k i n gu s eo fn e t w o r k s i m u l a t i o n ( n s ) t o o it os e tu pn e t w o r km o d e l ，w es i m u l a t e a n da n a l y z et h e c r o s s 1 a y e rs c h e m eo nh a n d o i f , a n df i n dt h a t i ta s s u r e d l ye n h a n c e st h en e t w o r k p e r f o r m a n c ei nm o b i l ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：c r o s s l a y e ro p t i m i z a t i o n ，m o b i l i t ys u p p o r t ，n s ，m o b i l ei p , t c p , m o b i l i t yh a n d o i f , w i r e l e s st r a n s p o r tl o s s 2 一种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制 1 1 研究背景及意义 第一章前言 随着移动通信和i n t e r n e t 技术的发展，以及便携式终端设备的普及，新的业 务和应用不断涌现，包括电子商务、视频会议、多媒体数据信息查询等；同时 移动用户也要求能在更大范围的移动，希望能在任何时间、任何地点，可以通 过便携式移动设备很方便的访问网络资源，得到所需要的服务；不仅是到另外 一个地方，甚至在移动过程中仍然能够保持网络连接、同时使用户访问不受移 动漫游、切换带来的干扰。移动计算正是为提高工作效率和随时能够交换和处 理信息所提出，也已成为产业发展的重要方向。移动计算网络允许计算机在网 中自由移动，并且对用户是几乎透明的。移动计算网络向用户提供了两方面的 透明性，即操作透明性和性能透明性。操作透明性指移动主机移动前后，用户 不需要进行特殊的操作，而性能透明性是指通信性能不因主机的移动而受影响。 为了完成上述功能，必须有对应的网络协议来支持，然而现在i n t e r a c t 网中 所使用的协议主要是基于通信终端保持位置不变有线固定网络情形下设计的， 并没有考虑移动和无线环境，因此这对传统的i n t e r a c t 协议族提出新的挑战。 于是研究者们提出了很多种移动性支持协议，这些协议主要是基于某一层 而对其他层透明，其中i n t e m e t 工程项目组i e t f 在1 9 9 6 年提出了一种m o b i l e i p 【1 j 协议最有影响力，它是一种在全球因特网上提供移动功能的方案，m o b i l ei p 的应用使主机可以在不同的网络之间用唯一的i p 地址来标识，无论其物理位置 移动到哪里，数据包都能够透明地传输到这一地址。即使主机发生移动切换仍 保持正在进行的通信，目前正成为一种事实标准。但是m o b i l ei p 只提供了基本 的移动性支持，它能够保证计算机在无线环境移动过程中在不改变现有网络i p 地址、不中断正在进行的网络通信及不中断正在执行的网络应用的情况下实现 对网络的不间断访问，而其网络传输性能仍是一个亟待解决的问题。 无线网络环境具有带宽低，误码率高，信道衰减的特点，节点移动切换的 问题，会造成丢包，而目前应用最广泛的传输层协议t c p 将包丢失统统解释为 网络拥塞丢失并启动拥塞控制，这在有线网络环境中是正确的，然而在无线环 境没有网络拥塞的情况下，减小发送窗口，放慢发送速率，会造成网络吞吐率 下降。对于前者，最大的问题是传统t c p 不能将“无线链路丢失”和“网络拥 塞丢失”区分开来，而在无线链路连接的情况下，主要是无线传输造成的丢失， 传统t c p 把丢包都当作是拥塞引起的，从而进入拥塞控制，减慢发送数据速率， 一种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制 而这更加恶化了移动数据传输接收，造成网络带宽得不到充分利用。对于无线 网络系统中的移动切换问题，当无线终端从一个子网( 位置区域) 移动到另一个 子网时，m o b i l ei p 1 l 需要在异地网络中重新注册一个新的砰地址，并且通知给 家乡代理以继续与通信对端进行通信，在这段注册时间，如果传输层继续发数 据到老的地址，数据将不能正确传到目的地，造成丢失，甚至会错误的引起拥 塞控制、慢启动，导致网络吞吐率低，延迟高。 恶劣无线链路环境和移动切换是移动计算中两大主要问题，因此需要在移 动支持协议m o b i l e1 p 的基础上对网络协议栈作一定的改进，使其能适应不同的 网络状况，具有较好的网络传输性能。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 移动性支持机制研究 为解决i n t e m e t 中移动性问题，近年来研究者们提出了很多种移动性支持协 议，这些协议主要是基于菜一层而对其他层透明。按照基于的层不同可以分为： ( 1 ) 子网层( 物理和链路层) 移动性支持，根据对节点支持的移动范围大小， 分为广域解决方案和局域解决方案【3 2 】。广域解决方案主要依靠现有的无线蜂窝 数字通信网络和卫星通信网络作为移动计算的物理网，在此基础上再增加对无 线数据业务的支持，g p r s 和c d p d 就是其中两个移动数据通信技术标准。局 域解决方案则依靠无线局域网作为物理网，虽然在地域范围上受到限制，但能 提供更高的数据传输速率，其中两个主要标准是i e e e 8 0 2 1 1 和h i p e r i a n 。物 理和链路层的两种解决方案前者地域范围大、速率低，后者地域范围小、速率 低，它们都局限于只支持单个子网络，不能同时支持多种媒介。 ( 2 ) 网络层移动性支持方案主要是m o b i l ei p 。m o b i l ei p l l 】使用的是一种纯路 由机制，使移动节点以一个永久的i p 地址连接到任何链路上，并通过家乡代理 转发从通信对端发来的数据，而其到对端的数据采用正常路由直接发到对端， 从而使节点移动时仍能进行通信。但该方案有许多额外开销( 尤其三角路由开 销) 以及切换延迟，对t c p 性能有较大影响。后来i e t f 提出路由优化策略【3 3 】 解决了其中的三角路由问题。 ( 3 ) 在传输层，m i t 提出了端到端移动机制t c p m i g r a t e l 3 4 】，它通过传输层 协议结合动态d n s o m a h an a m es e r v e 0 支持，利用动态d n s 将移动节点域名 和当前的口地址映射起来，实现主机的移动性支持。对于由移动主机发起的通 信不需要另外的系统支持。每当主机移动到新位置的时候，就用当前i p 地址更 4 一种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制 改家乡d n s 服务器的对应映射，以便相关主机能够定位到移动节点当前位置。 双方在建立t c p 连接过程中节点移动到新位置时使用该建立连接的t o k e n 重新 建立连接，继续先前的通信，从而保证了移动中通信的连续。不足的是移动主 机和固定主机的传输协议都需要作修改。 ( 4 ) 在应用层，主要利用s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 进行移动性支持1 3 5 j ， s i p 是一种应用级控制协议，用于在i p 数据网络上建立、改变和结束多媒体会 话。s i p 中有客户机和服务器之分，与t c p m i g r a t e 类似，移动主机每次改变位 置时，向s i p 服务器发送注册信号，这样对端通信主机发起的i n v i t e 信号就 能到达移动主机的当前位置。如果在会话过程中，移动主机漫游，就使用在最 初呼叫建立时产生的相同标识号向通信对端发一个新的扑i t e 信号，在s i p 信息中包含当前新的i p 地址，也即告知对端它以后接收信息、重定向数据的地 址，这样在新位置会话仍可继续进行会话连接。它需要下层协议提供移动性检 测，移动切换有很大的延时，并且现在已有应用都要做修改来适应这种移动性 支持策略。 前面在各层介绍了已提出的代表性的移动性支持方案，它们主要是在单层 的角度解决移动问题而对其它层透明。物理、链路层通过无线移动系统支持单 个子网内的移动，它是移动体系架构的基础，但需要结合高层协议提供更大范 围的移动。其它几层的方案也都是在单层提供移动性，保证移动节点到别的位 置时仍能被访问，并且即使在移动过程中会话也能保持连续性，一定程度上对 用户透明，也即保证了基本的移动性。然而，无线链路环境给连接性能带来很 大影响，同时移动性切换也给传输性能带来不可忽略的影响。要真正实现无缝 漫游、用户透明，就必须同时对移动和无线带来的性能影响降到最小。对此， 需要考虑从多层协作的角度来较好的解决移动性问题。 从结构上看，网络层是i n t e m e t 网络协议结构中重要的一层，它独立于物理 传输介质和链路层技术，向上支持多种协议，具有可扩展性。因此，重点在网 络层解决移动性问题，在m o b i l ei p 的基础上，增加向上层发出移动切换的通告， 传输层作出相应的自适应调整，以减小切换影响。同时在链路层增加链路检测， 实现向上层的链路状况通告，以减小无线环境的影响。这种多层协作的移动性 支持机制，通过对切换和无线链路影响这两方面问题的解决可以更好的实现用 户移动性支持，为真正实现用户无缝漫游奠定基础。 本课题将在移动i p 提供基本移动性支持的基础上对移动切换和无线传输 丢失做跨层优化( 主要对t c p 在移动无线环境下的传输性能做优化) ，以提供较 好的网络性能。 一种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制 1 2 2 移动无线环境中传输性能改进研究 随着i n t e r n e t 技术的普及和移动用户数量的飞速增长，提供包数据业务变 得越来越重要。在m o b i l ei p 提供移动支持的基础上，许多应用都是建立在t c p 协议之上的，传统t c p 协议是为固定网络设计的，有线固定网络具有稳定可靠 的特性，t c p 的错误控制就主要以处理网络拥塞和丢包为主，忽略其他诸如链 路传输错误等因素。 应用在无线移动环境中面对恶劣无线链路和移动切换的两个问题，传统 t c p 存在的主要不足是：它不能将拥塞丢失和其他原因造成的丢失延迟等区分 开来，从而错误的触发拥塞控制，造成网络吞吐率下降：为此，有许多研究人 员进行了这方面的研究，提出了很多种解决方案，大致可以归为三类【3 】【4 】【9 j ： ( 1 ) 链路层解决方案，它是通过在无线链路上进行重传或纠错来屏蔽不可 靠的无线链路对有线链路的影响，示意图见图卜l 。目前常用的两种链 路层纠错技术是：前向错误纠正f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 2 2 及 自动重传请求a r q 纠技术。当丢包不是很频繁并且时延不是很敏感的应 用，a r q 是一种非常有效的方法，但可能会和t c p 重传机制相互影响。 f e c 在要发送的数据块上附加冗余信息用于重建包的损伤部分，从而使 受损的数据包直接得到修正而不必重传，这对于长延时链路来说是非常 重要的。缺点是信道利用率不高，并且还需要额外花费时间和存储空间。 代表性协议如r a d i ol i n kp r o t o c o l ( r l p ) 3 】 4 】、s n o o p i 翻。采用链路层方案 来进行错误恢复的方法可以独立于上层协议进行独立操作，并且不许要 维持每个链接的状态。但其主要问题是，链路层重传和端到端的重传会 相互干扰。 应用层 应用层 传输层传输层。 - 传输层 网络层网络层网络层 链路层链路层 重聋 链路层 物理层物理层 物理层 固w i r e d l i n k ? i w i r e l e ss l i n k l 口 - - 一。r 一一一一一一 _ f h b s m h f h ：固定主机b s ：基站 m h ：移动主机 图1 - 1 链路层方案示意图 一种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制 ( 2 ) 分段连接方案是基于局部问题局部解决的思想，即无线移动的原因造成 的错误应该对固定主机t c p 屏蔽，从而不需修改固定主机上的t c p 协议， 它将正常的源和目的端t c p 连接分为有线和无线两段，如图卜2 所示； 一段连接有线端和基站，另一段连接基站和无线端，从而对有线端屏蔽 无线网络的存在。这种方案中固定主机和基站之间使用标准的t c p ，在 基站和移动主机之间则使用改进的t c p ，以增强在无线网络中的传输性 能，向有线连接段屏蔽了无线移动带来的影响，i t c p 6 。、m t c p i 驯是其 中的代表协议。分段连接方案由于基站维持了两段连接，因此必须缓冲 大量的状态信息，包括连接控制信息和未确认数据包。当业务量很大时， 基站的负荷会变得很重，而且需要更大的缓冲区。如果移动设备频繁切 换，基站之间的状态信息的传输会带来较大的时延，导致丢包。 且竺竺i 。：w i r e l e s s f i n b _ _ 一n m 一一一一一 f h ：固定圭机b s ：基站m h ：移动主机 图1 - 2 分段连接示意图 ( 3 ) 端到端方案使t c p 发送端能够区分拥塞相关的数据包丢失和其它形式 的数据包丢失。只有当网络拥塞发生时，才进行拥塞控制，其他情况则 避免错误的进行拥塞控制，导致发生不必要的慢启动和减小发送速率， 使网络利用率和传输效率不高，如s a c k i7 j 和f a s tr e t r a n s m i s s i o n s c h e m e n 传输协议的核心问题是错误控制问题，包括错误检测和错误恢复。 端到端方案中的错误检测可以分为两大类：隐式错误检测和显式错误通 知。隐式错误检测一般是源端通过计算r t r 等以隐式的决定丢包的类型， 如。显式错误通知分显式拥塞错误通知和显式无线错误通知，前者对网 络上发生拥塞造成的丢包向源端发送通知1 1 5 】；后者则对无线链路上或移 动过程中造成的丢包向源端发送通知【1 6 】。错误恢复机制则是针对前面检 一种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制 测出来的不同错误原因，采取不同的恢复办法，如f a s tr e t r a n s m i s s i o n s c h e m e i 引，f r e e z e t c p z 5 ) 。 这种方案保持了t c p 的端到端语义，但其缺点是，需要对固定网 络主机上的t c p 算法进行改进，而如果要对i n t e r a c t 上所有的t c p 应用进 行修改是件极其困难的事情。 这些方案各有优劣，几种方案针对不同的应用环境下对t c p 协议性能都有 不同程度的提高，但是，链路层方案主要问题是链路层重传和端到端重传之间 的相互干扰；分段连接方案不能维持t c p 的端到端语义，且基站负荷较重；端 到端方案能保持其t c p 的端到端特性，但主要缺陷在于需要修改固定主机上的 t c p 算法，不具有兼容性。并且这几种方案都没有能够很优化的解决移动计算 环境下的移动切换和无线传输问题。另外这些协议主要意图在单个网络层次解 决问题，然而为了在移动无线环境中获得一个较好的性能需要把几个网络层次 联合考虑，才能得到较好的整体性能优化。 1 3 本课题的工作和主要成果 在本课题中，在网络协议栈中引入了一种跨层处理方法来解决移动切换和 无线传输丢失带来的问题，在这种方法中它可以根据需要将信息传送到任意的 上层或低层，例如，网络层能将网络连接信息传送到传输层或应用层，多层合 作能带来一个更灵活和有效率的解决办法。 在跨层优化机制中，链路层将检测链路状态，是恶劣无线链路状况或是链 路拥塞，然后通知给传输层，如果是拥塞，t c p 将会象以前那样处理，减小发 送窗口，降低发送速率，以缓解网络拥塞状况；否则t c p 发送者只是重传丢失 的包而不必减小发送速率，以避免带宽利用率降低。同时，网络层检测移动主 机是否处于移动切换状态，传输层利用网络层移动“切换”信息调整自己的行 为，取消超时计数器，以避免触发慢启动；当网络再次连接时，通知通信对端 继续通信，并且可以以较大的速度发包而不必通过多次试探来恢复到切换前的 发包速率。总之，当传输层收到来自低层的信号时，根据情况的不同调节自己 的行为以适应当前网络状况，从而获得较好的网络传输性能。 主要的工作包括：针对移动计算中移动无线网络的特点分析移动性带来移 动切换和恶劣无线链路对i n t e r n e t 的影响，提出上面的移动性支持跨层优化机 制，修改移动主机网络协议栈中m o b i l ei p 和t c p 协议，增加网络层对传输层 的切换通告，除支持基本移动功能外，实现平滑切换，充分利用了网络带宽； 在链路层使用链路检测协议，向传输层通告链路状态，克服无线环境对连接性 8 一种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制 能的影响。最后在n s 网络模拟环境中， 仿真，实验结果表明，与传统协议相比， 的性能都有很大提高。 对移动切换的情况进行了协议改进和 该跨层机制在吞吐率和切换延迟方面 在跨层设计机制中充分利用了来自网络层和链路层的消息来处理移动无线 环境中的移动切换和无线传输丢失两个问题，它根据通知信息区分造成丢包的 原因，采用不同的错误恢复策略，避免触发不必要的拥塞控制，无需降低包发 送速率，因此，获得了较高的带宽利用率，提高了网络吞吐率。同时与前面已 提出的改进协议相比，文中提出的机制保持了t c p 的端到端语义，不需增加基 站负载。而且不需要修改固定主机的协议栈，只需要对移动主机协议栈做少量 的修改，增加低层协议的检测通知，以及t c p 收到低层消息的特殊响应。重要 的是保证了向前兼容以及与现有网络的互操作性。 本文的主要结构如下：第二章介绍与课题相关的理论知识，第三章介绍实现 课题需要使用的n s 网络模拟工具。第四章介绍如何使用跨层协议设计方法来解 决无线网络环境中的恶劣无线传输链路和移动切换两大问题。第五章介绍跨层 移动性支持机制在网络模拟环境n s 下的仿真实现及实验结果与分析。最后是本 文小结。 9 一种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制 第二章移动无线环境中的t c p i p 协议 在i n t e m e t 中广泛使用的协议是采用分层结构的，低层为上层提供服务，各 层不同协议的组合协作为用户提供可靠的高质量的服务，其中最普遍使用的是 t c p i p 协议族。目前使用的传统i n t e m e t 协议主要是面对静态固定计算机终端 而设计的，在现在移动计算环境中计算机终端的移动性和无线信道的特点对这 些协议提出了新的挑战。 本章作为背景知识，介绍了与本课题相关的协议基础，首先介绍了作为移 动性支持的基本协议m o b i l ei p ，然后介绍了传输层协议t c p 的主要特点( 捅塞 控制机制) ，为后面的协议改进奠定基础。 2 1 移动i p 协议 m o b i l ei p 【1 】是由i e t f 在9 6 年提出的一种在全球i n t e m e t 上提供移动功能的 方案，使节点在切换链路时仍可保持正在进行的通信。它提供了一种i p 路由机 制，使移动主机以一个永久的口地址连接到任何链路上，保持通信的连续性。 且 ：移动主机h a ：家乡代理f a ：外地代理 图2 - 1 移动口的功能实体及通信过程 2 1 1 移动i p 的功能实体 m o b i l ei p 1 】【1 8 l 1 9 网络构成如图2 - 1 所示，整个网络主要由家乡代理 h a ( h o m ea g e n t ) ，外地代理f a ( f o r e i g na g e n t ) ，移动节点m n ( m o b i l en o d e ) 或 称移动主机m h ( m o b i l eh o s t ) 三种网络实体所构成的。 ( 1 ) m h 为移动设备，它可以将接入i n t e m e t 的位置从一条链路切换到另一 1 0 一种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制 条链路，而仍然保持所有正在进行的通信，并且只使用它的本地地址( h o m e a d d r e s s ) 的那些节点。它通常有两个i p 地址：主地址( h o m ea d d r e s s ) 和转交地 址( c a r e ，o fa d d r e s s ) 。主地址是永久的、固定的，这是应用程序和传输层所用的 地址。转交地址是移动主机接入到一个新的网络时从外地代理处所获得的临时 地址，是供i p 包选路使用的动态地址，转交地址是随着m h 当前位置改变而变 化的。 但) 家乡代理h a 是移动主机在家乡网络的路由器，负责维护移动主机的当 前的位置信息，家乡代理总是存着移动主机家乡地址和转交地址的最新映射。 当移动主机离开本地网络时，家乡代理需要截取发往移动主机的数据包，并使 用“隧道技术”将这些数据包转发到移动主机的转交地址。 有时，家乡代理广播对移动节点本地地址的网络前缀的可达性，从而吸引 那些送往移动节点本地地址的口分组。此外本地代理还解析送往移动节点本地 地址的分组，并通过隧道技术传送到移动节点的转交地址上。 ( 3 ) 外地代理f a 在移动节点外地链路上的路由器。它维护当前漫游到本子 网的主机信息，帮助移动主机通知它的本地代理它的转交地址；有时提供移动 主机的转交地址，并为已被家乡带设置了隧道的移动节点发送拆封后的分组： 对于那些由移动节点发出的数据包而言，外地代理可作为已登记的移动节点的 缺省路由器使用。 移动i p 中定义的几个的专用术语： ( 1 ) 家乡链路：移动主机的家乡链路就是与它的家乡地址具有相同网络前 缀的链路，家乡代理就是至少有个端口与家乡链路相连的路由器。 ( 2 )外地链路：移动主机可以通过它连接至l j i n t e r n e t 的除家乡链路以外的 i n t e m e t 上的任何链路都叫移动主机的外地链路。 ( 3 )家乡地址( h o m ea d d r e s s ) ：和其它任何i n t e r n e t 上的主机一样，移动 主机获得的”永久”地址，它是用来识别端到端连接的静态地址，也是 移动主机在本地链路连接时使用的地址。当移动主机发生链路切换时， 其本地地址并不改变。只有当整个网络需重新编址时才改变移动主机 的本地地址。该地址主要用于标识高层连接，例如t c p 连接，一个标准 的t c p 连接用4 维向量 表示一个连接，为了使移动主机发生移动切换时仍能保持以前 的连接，所以其家乡地址需要保持不变。 种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制 ( 4 )转交地址( c a r e o f a d d r e s s ) ：转交地址是供数据包选路使用的动态地 址，也是移动主机与外地链路连接时使用的临时地址。每当移动主机 改换外地链路时，转交地址就发生变化。转交地址包括外地代理转交 地址和配置转交地址：外地代理转交地址是外地代理的一个地址，此 时，外地代理就是隧道的终点，它接收隧道数据包，解除数据包的隧 道封装，然后将原始数据包发到移动节点；配置转交地址是一个临时 分配给移动节点的地址。它由外部获得( 如通过d h c p 或手工配置) 。 当使用这种地址模式时，移动节点自身就是隧道的终点，执行解除隧 道功能，取出原始数据包。当外地链路上没有外地代理时，移动节点 可以采用这种转交地址。 2 1 2 移动i p 中的关键技术 移动i p 协议主要完成3 个功能：代理发现( 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 ) 和隧道( t u n n e l i n g ) 功能 代理发现( a g e n td i s c o v e r y 卜移动主机发现它的外地代理和本地代理。 注册( r e 百s t r a t i o n ) 移动主机通过外地代理或者本地代理注册当前的位 置。 隧道f r u n n e l i 蓟技术当移动主机漫游时。本地代理建立到转交地址( 移 动主机在外地网络的接入点地址1 的隧道，将分组路由到移动主机。 代理发现 代理发现机制检测移动主机是否从一个网络移动到另一个网络，并检测它是 否返回了本地链路。当移动主机移动到个新的外地链路时，必须找到一个移动 代理以便获得最新的c o a 。移动主机有两种寻找代理的方法。 ( 1 ) 代理广播( a g e n ta d v e r t i s e m e n t ) ；这是移动主机被动获得代理的方法。 代理( 本地的、外地的) 定期( 通常是l s ) 广播“代理广播”消息，以宣告它们的存 在。移动主机时刻监听代理广播消息，以判断自己是否漫游出本地网络。如果移 动主机从自己的本地代理接收到一个代理广播消息，它就推断已返回本地网络， 并直接向本地代理注册，否则移动主机将选择是保留当前的注册，还是向新的外 地代理进行注册。 ( 2 ) 代理请求( a g e n ts o l i c i t a t i o n ) ：这是移动主机主动获得代理的方法。当移 一种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制 动主机没有耐心等待下一个周期发送的代理广播消息时，它可以发送代理请求消 息。这个消息的唯一目的就是让链路上的所有代理立即发送一个代理广播消息。 有些时候，移动主机快速地切换链路，而代理发送广播消息的频率相比而言就太 慢了，这时代理请求消息就非常有用了。 同时，移动主机也可以通过两种方法来确定自己从一条链路移动到了另一 条链路，即是否发生移动切换。 ( 1 ) 用生存时间域做移动检测：它利用代理广播消息中i c m p 路由器广播 部分的生存时间域，这个域告诉移动主机，每过多长时间它就可以从同一个代 理那里收到一个广播。如果一个移动主机注册到一个外地代理上了，但在生存 时间域规定的时间内却没有收到来自那个代理的广播，那么移动主机就可以认 为它已移动到另一链路上了，或那个代理已经坏了。无论怎样，移动主机都要 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。 ( 2 ) 用网络前缀做移动检测：假设移动主机向某条链路上的一个外地代理注 册了，并且它记录了发现那个外地代理所用的代理广播消息。现在，假设移动 主机又收到了来自另一含外地代理的代理广播消息，即来自另一个源i p 地址的 广播消息。由于在同一链路上可能有多个外地代理，移动主机必须判定它收到 的两个广播消息是否来自同一条链路。如果是，它就不必再向新的外地代理注 册了；如果不是，即广播消息来自另条链路，移动主机肯定改变了位置，因 此需要向在新链路上的外地代理进行注册。移动主机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链路，如果两个网络前缀不同，它就可 以认为两个广播消息是从不同的链路上接收到的，否则就是从同一个链路上接 收到的。当移动主机将新收到的广播消息与它当前正注册的外地代理比较后， 如果发现它已经移动到新链路上了，就应向在新链路上的外地代理进行注册。 否则，如果接受的广播消息只是来自同一条链路的另一个外地代理，移动主机 就认为它并没有移动，这时。它就不必向新代理注册，除非它在规定的时间内 没有收到当前注册的外地代理广播消息，这个规定时间是指这个代理先前的广 播消息中的生存时间。 注册 移动i p 的注册过程就是移动主机告知本地代理自己目前的接入点转交地址， 并通知外地代理自己正在对其进行访问。移动主机、外地代理和本地代理之间互 相交换注册消息。 移动主机发现自己的网络接入点改变时，就要进行注册。另外，由于注册 一种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制 信息有一定的生存时间，所以移动主机在没有改变接入点时也要进行注册。移 动i p 的注册功能是：移动主机可以得到外地网上外地代理的路由服务；可将其 转交地址通知其本地代理；可使要过期的注册重新生效。 注册的其它功能：可同时注册多个转交地址，此时本地代理通过隧道，将发 往移动主机本地地址的数据包发往移动主机的每个转交地址；可在注销一个转 交地址的同时保留其它转交地址；在不知道本地代理的情况下，移动主机可通 过注册，动态获得本地代理地址。 移动i p 的注册操作使用u d p 数据报文，包括注册请求和注册应答两种消息。 移动主机通过这两种注册消息，向本地网络注册新的转发地址。 移动i p 的注册过程般在代理发现机制完成之后进行。当移动主机发现已 返回本地网时，就向本地代理注销，并开始象固定主机或路由器那样通信：当 移动主机位于外地网时，能得到一个转交地址，并通过外地代理向本地代理注 册这个转交地址。它根据代理发现过程得到的消息，选择一种注册种类组装它 的注册请求消息，最后发送这条这册请求消息并等待接收注册应答。如果在规 定的时间内没有收到注册应答，它就重发注册请求，直到收到应答。 移动主机在接收到注册应答后，移动主机就开始进行自己的有效性检查。 如果这条应答消息是有效的，那么移动主机就检查c o d e 域，看看这次注册是被 本地代理( 和外地代理) 接受还是被拒绝了。如果c o d e 域表示的是拒绝，移动 主机就可以设法修正引起拒绝的错误，并重新尝试一次注册。如果c o d e 域表示 注册请求已被接受，那么移动主机就可以调整它的路由表，以事业能够当前链 路，然后就可以开始通信或继续先前的通信了。同时，移动主机会中止对注册 请求消息的重发。 隧道技术 隧道技术是移动i p 路由技术中的关键部分。隧道技术本身是指移动主机登 记后，源主机发送数据包到本地网络，家乡代理截获数据包后，将它作为净负 荷封装在转发的数据包中，生成一个新的数据包。该数据包数据部分是净负荷， 报头中以本地代理的1 p 地址作为源地址，以转交地址c o a 作为目的地址，完 成封装( i pi ni p 封装协议) ，然后按常规的i p 路由方式，通过隧道转发到处于隧 道终点的转交地址处，解除隧道封装，取出原始数据包，再发送至移动主机。 当转交地址是临时分配的驻留地址时，移动主机自己是隧道终点，它自身解除 隧道封装，取出原始的数据包。在m t f 制定的有关文件中定义了移动i p 采用 的三种隧道技术：缺省的i pi i p 隧道封装模式，可选的通用路由封装( g r e ) 技 术和在i p 内的最小封装。 1 4 一种移动计算中针对移动切换和无线传输丢失的跨层优化机制 2 1 3 移动i p 工作原理 移动i p 工作过程大致为： ( 1 ) h a 和f a 定期广播代理广告( a g e n t a d v e r t i s e m e n t ) 。 移动主机监听代理广告，判断自己在什么网段上，如在本地网络则不做处理， 如在外地网络，则向该网络的f a 申请一个转交地址。