（通信与信息系统专业论文）一体化网络中子网接入方案设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着互联网技术及各种应用服务的迅猛发展，现有互联网网络构架的一些 原始设计缺陷逐渐显露出来，i p 地址身份与位置双重特性正是其中之一。身份与 位置分离的研究已成为当前互联网领域研究的热点之一。为了更好的改善互联网 对移动性的支持能力，各种域内微移动协议也成为了各大高校和通信业公司的重 点研究方向之一。将这两大点相结合，分离映射机制下的子网接入便应运而生， 能够很好的解决网络中路由可扩展性、移动性等问题。 本文的工作依托国家9 7 3 项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究 ， 提出在采用分离映射机制的一体化网络中引入接入子网。本文对子网接入的研究 属于分离映射机制下的创新性研究，具有非常重要的研究意义。 本文研究一体化网络下子网接入方案的设计和实现，研究重点为子网路由机 制和终端的移动性管理机制。首先，分析了现有的移动i p 和微移动协议及它们的 特点：其次，在对一体化网络体系进行深入分析的基础上，针对子网的特点，提 出了一种合理的子网网络结构和适合一体化网络的子网内路由机制，设计了终端 在子网内的接入流程、子网内和子网间的移动切换过程；然后，详细介绍了在l i n u x 平台上对方案在网络实体上的实现，包括终端、子网路由器、接入交换路由器； 此后，本文介绍了在实验网络上对接入子网系统进行的功能及性能测试，分析测 试结果，得出结论：子网接入的设计可以很好的支持终端接入认证和移动切换要 求，子网内的微移动能够减少切换时延，改善了移动切换性能；最后，本文给出 了今后需要改善的方向。 本方案的成功实施，为一体化网络子网接入方案设计、具体实现以及测试分 析提供了一个实验平台，为后续工作的进行奠定了良好的基础。 关键词：一体化网络子网接入子网路由器微移动路由更新移动切换 分类号：t n 9 1 5 0 4 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ee x p l o s i v eg r o w t ho fi n t e m e tt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n s e r v i c e s ，m a n yd i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a li n t e r n e tn e t w o r ka r c h i t e c t u r ec o m eo u t g r a d u a l l y , s u c ha st h es e p a r a t i o no fi d e n t i f i e ra n dl o c a t o ro fi pa d d r e s sw h i c hh a s a l r e a d yb e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i c f o ri m p r o v i n gs u p p o r t i n gm o b i l i t yo fi n t e r n e t ， m i c r o - m o b i l i t yp r o t o c o lb e c o m e so n eo fm a i n l yr e s e a r c hd i r e c t i o nf o rh i g hs c h o o l sa n d t e l e c o m m u n i c a t i o nc o m p a n i e s c o m b i n i n gt h e s et w oa s p e c t s ，t h es u b n e ta c c e s s i n g b a s e do ns e p a r a t i o na n dm a p p i n gs c h e m ei sa p p e a r e d i tc a ns o l v en e t w o r k sr o u t i n g s c a l a b i l i t ya n dm o b i l i t yw e l l t h ew o r ki nt h i sp a p e rr e l i e so nt h ep r o j e c to fu n i v e r s a lt r u s t w o r t h yn e t w o r ka n d p e r v a s i v es e r v i c e s ，w h i c hi si nn a t i o n a lb a s i cr e s e a r c hp r o g r a m ( 9 7 3p r o g r a m ) ，i t p r o p o s e st h a tu n i v e r s a ln e t w o r kw h i c ha d o p t ss e p a r a t i o na n dm a p p i n gs c h e m ei m p o r t s a c c e s s i n gs u b n e t t h er e s e a r c ho na s s e s s i n gs u b n e ti sc r e a t i v e ，w h i c hb a s e so n s e p a r a t i o na n dm a p p i n gs c h e m e ，a n di th a st h ev e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hs i g n i f i c a n c e t l l i sp a p e rr e s e a r c h e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs u b n e ta c c e s s i n gb a s e do n u n i v e r s a ln e t w o r k ，t h er e s e a r c he m p h a s i si sr o u t i n gs c h e m ea n dt e r m i n a lm o b i l i t y m a n a g e m e n t f i r s t l y , w ea n a l y z ep r e s e n tm o b i l ei pa n dm i c r o m o b i l i t yp r o t o c o l sa n d t h e i rc h a r a c t e r i s t i c s s e c o n d l y , w ei n t r o d u c et h ea r c h i t e c t u r eo fu n i v e r s a ln e t w o r ka n d p r o p o s ea na p p r o p r i a t ea r c h i t e c t u r e f o rs u b n e ta n dr o u t i n gs c h e m e ss u i t a b l e f o r u n i v e r s a ln e t w o r k ，a n dd e s i g na c c e s s i n gp r o c e s sa n dm o b i l i t yh a n d o f fp r o c e s sw i t h i n s u b n e ta n db e t w e e ns u b n e t s t h i r d l y , w ei n t r o d u c et h ei m p l e m e n t a t i o no fs u b n e t a c c e s s i n gs c h e m eo nn e t w o r ke n t i t i e sb a s e do nl i n u x ，i n c l u d et e r m i n a l ，s u b n e tr o u t e r a n da c c e s ss w i t c hr o u t e r t h e n ，w et e s tf u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c eo ft h ep r o g r a mo n t h ee x p e r i m e n t a ln e t w o r k ，a n da n a l y z et h e r e s u l t s ：t h ed e s i g no fs u b n e ta c c e s s i n g s u p p o r t st h er e q u i r e m e n t so fa c c e s s i n ga u t h e n t i c a t i o na n dm o b i l i t yh a n d o f fw e l l ，a n d m i c r o - m o b i l i t yr e d u c e sh a n d o f fd e l a ya n di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fm o b i l i t y f i n a l l y , w es u m m a r i z et h i sw o r ka n dl i s ts o m ef u t u r ew o r k t h i sw o r kp r o v i d e sap l a t f o r mf o rt e s t i n ga n da n a l y z i n gt h es u b n e ta c c e s s i n go n u n i v e r s a ln e t w o r k a n di tb u i l d sag o o df o u n d a t i o nf o rf o l l o w i n gr e s e a r c h e s 1 a e y w o l t d s ：u n i v e r s a ln e t w o r k ，s u b n e ta c c e s s i n g ，s u b n e tr o u t e r , m i c r o - m o b i l i t y , r o u t eu p d a t e ，m o b i l i t yh a n d o f f c l a s s n o ：t n 9 15 0 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：轨馥羁 导师签名： 签字日期：钬唧年6 月力c 阳签字日期：弘岬年6 月矽i t 夕娓 独创性声明 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名：弘限卿签字日期：劢) 罗年月矽日 7 3 致谢 本论文的工作是在我的导师张宏科教授以及秦雅娟教授悉心指导下完成的， 张宏科教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，秦雅娟 教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大 的关心和帮助，在此衷心感谢两年来张宏科老师和秦雅娟老师对我的关心和指导。 周华春教授和罗洪斌老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在平时的科研工作上给了我很多指导，在此表示衷心的感谢。 感谢董平老师从论文的立题到方案的制定以及最后论文的修改都给予了我很 多有建设性的指导意见，帮助我l i r 页n 完成了毕业论文，在此向董平老师表示深深 的谢意。 感谢和我一起学习和工作过的王洪超博士，郭华明博士，邱峰博士，姚楠博 士，李晓倩博士，以及刘晓波，魏海涛，范岩等硕士在生活上给予了热情帮助以 及学业上的切磋和指点，在此向他们表达我的感激之情! 最后特别感谢我家人，你们的支持、理解和鼓励是我的动力，让我不断进取， 我的每一个进步，都凝刻着你们无私的支持和关爱! 你们是我前进的力量源泉! 祝愿我学习生活了近三年的下一代互联网互联设备国家工程实验室有着更加 辉煌的未来! 引言 1 引言 本章首先介绍课题的研究背景和意义，在此基础上讨论国内外现有的研究状 态和选题意义，最后给出了本论文的主要工作和结构。 1 1研究背景与意义 进入到信息技术飞速发展的二十一世纪后，人们对通信技术、网络技术的需 要越来越高，互联网己成为人们工作和生活中不可或缺的一部分，并成为推动社 会进步的巨大动力。近年来，互联网规模迅速扩大，用户数量突飞猛进。然而， 自互联网诞生三十多年以来，人们对互联网的需求已经发生了显著的变化，这导 致互联网的一些原始设计缺陷逐渐显现出来。移动性支持能力差就是传统互联网 的一个大瓶劲。近年来，无线网络技术发展迅速，各种无线移动网络日益成为互 联网的重要组成部分。w i f i 、w i m a x 及无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ) 技术的广泛应用无不昭示着无线网络技术极有可能达到甚至超过目前局 域网( l a n ，l o c a l a r e a n e t w o r k ) 技术在互联网中的地位。在未来几年内将会有越 来越多的移动终端开通互联网数据业务，届时传统互联网的基础架构将在移动性 管理方面受到严峻的挑战。 国内外都将新一代互联网理论作为近期本领域最重要和最迫切的研究内容之 一。n e w a r c h 计划u j 、美国国家科学基金委员会( n s f ，n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ) 的g e n i ( g l o b a le n v i r o n m e n tf o rn e t w o r ki n n o v a t i o n s ) t 2 】和f i n d ( f u t u r ei n t e r n e t d e s i g n ) 【3 】等项目以及欧盟的f i r e ( f u t u r ei n t e r n e tr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a t i o n ) 计划【4 】等都投入了大量精力开展新一代互联网的基础理论研究。我国也积极参与 到对新一代互联网理论的研究中，在2 0 0 6 年9 7 3 项目的指南里面，明确提出“新 的网络体系基础研究”作为重点研究课题；同年立项的国家9 7 3 项目“一体化可信网 络与普适服务体系基础研究”启动了我国在新一代互联网体系方向的基础理论研 究工作【5 】【6 】【7 1 。 通过深入研究互联网的初始设计思路，可以发现互联网协议体系中的i p 【8 】【9 】 地址在语义学上的双重属性是引发诸多问题的根本原因之一。在传统互联网协议 体系中，i p 地址既代表节点的身份信息，也代表节点的位置信息【1 0 】。i p 地址的双 重属性导致了互联网严重的路由可扩展问题，使得互联网难以支持移动和多家乡 笙【l l 】 寸 o 国家9 7 3 项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”提出了一种新的网 北京交通人学硕士学位论文 络构架，称为一体化网络，其设计思想是将传统互联网中的i p 地址的身份信息和 位置信息这种双重性分离。一体化网络不再要求终端移动后使用新的地址接入网 络，终端使用唯一的接入标识就能在任何地方享受网络服务。这种具有良好移动 性、安全性及可信性的新网络构架还没有针对子网接入提出研究。不仅此国家9 7 3 项目，目前所有国内外有关地址分离的网络构架中都没有提出针对子网接入的情 况，本文所做的工作可以填补当前研究空白。 在传统互联网中，边缘用户网络的各种动态行为能够直接影o l j j n 互联网的全 局路由系统，这也是造成路由可扩展问题的一个主要原因。目前互联网采用了扁 平的网络结构，位于互联网边缘的用户网络的任何动态行为，如改变因特网服务 提供商( i s p ，i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ) 、多家乡、流量工程等，都能够直接影响 到互联网全局路由系统的稳定性。通常来说，i s p 网络相对稳定，边缘用户网络的 动态变化才是造成互联网全局路由系统不稳定的主要来源【l2 1 。然而，现有互联网 完全扁平的路由架构从先天上无法避免用户网络的动念变化传导至全局路由系 统，这导致随着互联网规模的不断扩大和边缘用户网络动态行为的不断增多，互 联网全局路由系统的可扩展性问题变得非常严峻。一体化网络将网络的核心网与 接入网分离，这样就接入网的动态行为不会影响到核心网，而且子网的接入也属 于接入网侧的变化，接入的终端都不会对核心网造成影响，极大的有利于核心网 内的路由可扩展【1 3 】。 引入的子网可以更为方便的支持多种类型的终端的接入，不仅对于i p 终端， 还可以支持移动通信网的终端，例如3 g 、w i m a x 等网络的各类终端。 同时，接入子网的引入使得终端的移动不再是必须经过核心网的宏移动，子 网内的移动即成为微移动。宏移动频繁切换会向网络发送各种管理控制消息，并 且因为认证接入等消息都经过核心网的服务器，大大增加了切换时延，但微移动 不仅可以减少宏移动带来的管理控制消息，而且在子网内的移动不用再经过核心 网，大大减少了切换时延。目前微移动【1 4 】已成为业内研究热点，各高校及通信业 大牌公司都提出了针对域内自己的微移动协议，如由e r i c s s o n 和c o l u m b i a u n i v e r s i t y 提出的主机移动方案c e l l u l a r i p ”】【i6 1 ，由l u c e n tt e c h n o l o g i e s 提出的支 持域内移动的无线网络h a w a i i 【17 】【1 8 】等。 本文是针对固定子网所做的研究，研究子网拓扑和终端的移动性管理，这将 会为将来的移动子网接入打下理论和设计基础，为更为优化的一体化网络设计做 铺垫。 将微移动引入新的一体化网络属于一种技术创新，并为一体化网络带来更强 大的移动性功能支持和更高的可扩展性网络部署结构。 本论文依托国家9 7 3 项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”，主要针 2 引言 对终端直接接入核心网所带来的切换消息开销和切换时延较长等种种弊端，研究 在身份与位置分离映射机制基础上一体化网络子网接入的方案，并提出优化的子 网网络体系、子网内终端的接入、移动、切换等引发的接入认证、路由及移动性 管理机制。 1 2国内外研究现状 目前还没有针对身份和位置分离机制的子网接入方案，现有的子网研究基本 都是基于移动口作为其宏移动协议。对于接入子网设计的一个重要出发点就是考 虑到移动性的设计，即在现有宏移动协议之下微移动的设计方案。现有的微移动 协议都是在宏移动为移动i p 下所做的研究，本文所做的子网内的移动性管理则是 基于一体化网络全局移动管理之上的微移动协议。那么，移动i p 和各种正处于研 究阶段的微移动协议就有很多可借鉴之处，本小节就针对目前移动i p 及其所支持 的多种微移动协议技术做一个简单介绍。 1 2 1移动i p 为了支持移动性，因特网工程任务组( i e t f ，i n t e r n e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) 提出了一系列移动性支持协议，包括移动i p v 4 ( m i p v 4 ，m o b i l ei p v 4 ) 【l9 】和移动 i p v 6 ( m i p v 6 ，m o b i l ei p v 6 ) 【2 0 l 。m i p v 4 和m i p v 6 是网络层移动管理机制的代表性 协议，部分解决了移动终端在移动过程中的通信持续性问题。 移动i p 系列标准在节点的归属网络和外部网络引入两个新的功能实体： 家乡代理( h o m ea g e n c y , h a ) ：保持m n 现在的位置信息，并将发送m n 的 数据报文通过隧道转发给外地代理( f o r e i g na g e n c y , f a ) ：外地代理( f o r e i g n a g e n c y ，f a ) ：负责终端m n 的注册，并将发往m n 的数据报文传递给m n ，一般 作为m n 的默认网关。 m n 在移动之后拥有两个地址，家乡地址( h o m ea d d r e s s ，h o a ) 和转交地址 ( c a r eo fa d d r e s s ，c o a ) 。h a 代表m n 的身份，它在终端移动过程中始终保持不 变，终端从家乡网络移动到外地网络以后，会通过动态主机配置协议( d y n a m i ch o s t c o n f i g u r a t i o np r o t o c o l ，d h c p ) 【2 1 】 2 2 1 等方法获取一个c o a ，c o a 代表m n 现在的 位置信息。 移动i p 系列标准给传统的i p 网络提供新的可扩展的移动性支持，它允许终端 在改变接入点以后，保持地址不变仍然能够正常通信。移动口通过隧道机制路由 到达改变p 地址的移动端的包h a 拦截发往移动终端( m h ) 的包，通过隧道发给可 3 北京交通大学硕十学位论文 能是f a 或m h 自己的m h 转交地址。然而，对于频繁快速移动的用户来说，这并 不是一个很好的解决方案。当移动节点在子网间移动时，需要进行位置更新，即 使移动节点在移动过程中并未与其它节点通信，移动i p 仍然要求移动节点向h a 发送位置更新消息。当移动节点数目增加时( 如3 g 中的m h ) ，位置更新消息所带 来的信令传输量是惊人的。当移动节点的拜访网络与归属网络之间距离较大时， 位置注册消息的信令时延也将变得非常大。 移动p 标准是支持信息终端在不同无线网络间宏观移动的现行标准，但它并 不能充分适用于终端在单个无线网络内，不同基站问所进行的微观移动。这是因 为遵循移动i p 标准的无线终端发生微观移动时，正在进行的信息通信无法继续， 再次恢复通信前终端需要重复对于当前刚络的身份注册过程。而且在移动i p 标准 下，支持q o s 的移动终端存每次微观移动后都要更换主机地址，这就导致在大部 分通信线路都未变化的情况，整体无线网络家乡代l 里( h o m ea g e n t ，h a ) 至i j 终端所 在网络外地代理( f o r e i g n a g e n t ，f a ) 问的q o s 资源预留仍然需要重新建立。正是由 于移动i p 标准在做移动管理方面的不足，很多微移动协议作为完整、成熟的i p 层 微移动性管理协议应运而生。 1 2 2微移动协议 微移动协议【1 4 】是在切换频繁的小区域内的移动。i p 微移动协议与移动i p 形成 互补，以提供快速无缝切换策略。一下介绍几个典型的微移动协议，包括：蜂窝 i p ( c e l l u l a ri p 1 5 】【1 6 】) 、h a w a i i 1 7 】 1 8 】、分层移动1 p ( h m i p 2 3 】) 以及t e l e m i p ( t e l e c o m m u n i c a t i o ne n h a n c e dm o b i l ei p 2 4 1 ) 都是i p 微移动协议中的显著例子。 随着移动通信和i n t e m e t 的迅猛发展，移动通信和i n t e r n e 相互融合正逐渐成 为研究开发的热点。在第三代移动通信系统中，提供高达2 m b s 的无线分组数据 速率，蜂窝的范围从宏蜂窝进一步缩d , n 微蜂窝，甚至是微微蜂窝，对于无线接 入i n t e r n e t 而言，要求更高效的无线分组路由机制和快速的无缝移动切换控制技 术。传统的m o b i l ei p 协议只是在较大范围的蜂窝间简单地解决i n t e r n e t 主机移动 性。作为一种新的i n t e m e t 移动主机协议一一蜂窝i p ( c e l l u l a ri p ) ，它继承了m o b i l e i p 的优点，并且充分利用蜂窝移动通信系统的移动性管理功能和移动切换技术， 从而支持快速运动的移动主机无线接入i n t e m e t 。 ( 一) c e l l u l a ri p ： c e l l u l a ri p ，又称蜂窝i p ，是由哥伦比亚大学和爱立信公司提出的支持寻呼和 一系列切换机制的微移动协议。c e l l u l a ri p 技术充分利用了蜂窝移动通信系统的移 动性管理功能和连接切换控制，来实现c e l l u l a ri p 网络内部的路由和切换。蜂窝 4 引言 i p 网络由蜂窝i p 基站( b s ) 和蜂窝i p 网关( g a t e w a y ) 两大部分组成。许多个基站组 成一个蜂窝i p 网络通过蜂窝i p 网关接入到i n t e r n e t ，蜂窝i p 网关起到路由和网络 互联的功能。 图1 - 1 蜂窝i p 接入网络州 f i g 1 ic e l l u l a ri pa c c e s sn e “帕r k 【1 6 1 蜂窝i p 网络内的移动主机将网关的i p 地址作为它的m o b i l ei p 转交地址，当 有i p 数据包发往移动主机时，首先通过m o b i l ei p 协议原理，到达该主机所在网络 的蜂窝i p 网关，在网关处解封装，并向基站转发，如图1 1 所示。在蜂窝m 网络 内，移动主机的地址就是其归属地址，数据可以直接转发给移动主机。当移动主 机发送数据分组时，将分组通过无线方式传输到所在的基站，然后通过h o p b y - h o p 方式路由到网关，通过该网关发送到i n t e m e t 上。在蜂窝口中，位置管理和切换 支持都集成在路由功能中。基站定时发送导引信号，其中包含所在网关的i p 地址， 移动主机通过该导引信号进行定位，支持广域的移动性。蜂窝口节点维护一个路 由缓存，存储移动主机的口地址和相邻的下一个节点，通过h o p b y h o p 方式，构 成一条上行链路( 基站到网关) 的路由。下行链路( 网关到基站) 也可以利用这条路由 缓存链，将数据分组转发到移动主机。当主机在基站间移动时，由于上行数据分 组不断使用r o u t e u p d a t e 消息或d a t ap a c k e t s 更新路由缓冲，所以下行分组可以准 确转发到移动主机处，很好地解决了蜂窝i p 网内部的位置更新问题。该路由缓存 条目由两个特定的控制包的逐跳发送机制建立并且基本上由它进行维护：网关周 期性发送信标和终端m n 发送路由更新。 ， 此外，c e l l u l a ri p 有一大特色之处在于它的寻呼机制，c e l l u l a ri p 借鉴了g s m 蜂窝通信的思想，对于i d l e 终端也会尽量保存它们当然位置信息。故在有些节点 处还设置寻呼缓存，用来存放该节点下所接入的i d l e 终端信息。寻呼缓存也对路 由缓存的起到一定弥补作用，在路由缓存无法寻找到终端的路由信息时就启用寻 北京交通人学硕士学位论文 呼缓存来寻呼终端。 在动态传输过程中改变接入点时，需要进行切换。c e l l u l a ri p 支持两种类型的 切换机制：硬切换和半软切换。c e l l u l a ri p 硬切换算法直接来源于蜂窝通信系统， 当移动主机进入新的基站时，发送路由修改分组来改变路由映射表链，使其指向 新的基站。这种切换造成切换完成后到达原基站的分组被丢弃，对分组丢失率等 性能存在较大影响。为提高切换性能，引入新的切换机制一一准软切换。准软切 换的具体过程为：准软切换开始，移动主机向新基站发送路由修改分组，同时也 侦听原基站；路由修改分组在新基站创建路由缓存和寻呼缓存，当路由修改分组 到达新老基站路由交汇节点时，在其路由缓存中增加新的映射，而不是替代原有 的映射；移动主机从原基站和新基站同时接收分组；当移动主机完全进入新基站 后，发送新的路由修改分组，清除路由缓存映射，仅保留到新基站的路由，这样 就切换到新的基站上，完成准软切换。过程如下图1 2 所示。 x 拶、x 舅 图1 - 2 蜂窝m 切换【1 5 】 f i g 。l - 2c e l l u l a ri ph a n d o 一1 5 】 c u i p ( c e l l u l a ru n i v e r s a li p 【2 5 j ) 是在c e l l u l a ri p 的基础上提出的一种基于网络 的移动管理机制。在c u i p 中，无论主机移动到什么位置都始终采用不变的口地 址，这就避免了移动主机获取c o a 时所产生的切换时延。采用树状网络拓扑，并 且支持确定终端移动时新旧路径的交叉点路由器c o r ( c r o s s o v e rr o u t e r ) 的功能， 而且采用比c e l l u l a ri p 路由缓存更为复杂的移动路由表( m o b i l i t yr o u t i n gt a b l e ) 以支持到终端路由的更新。但是c u i p 假设所有无线接入网络的顶层核心路由器 ( t l c r ，t o pl e v e lc o r er o u t e r ) 以网状的方式互联，以对宏移动提供支持，这在 实际应用时不易实现。 ( - ) h a w a i i 切换优化无线因特网结构( h a w a i i ) 是由朗讯科技公司提出的。基于域进行微 移动管理的h a w a i i 将网络分为不同等级的区域，近似模拟若干自治域系统等级。 6 引言 每个h a w a i i 区域与i n t e m e t 核心网相连的路由器称为区域根路由器( d o m a i nr o o t r o o t e r ，d r r ) ，每个移动主机拥有一个i p 地址和一个家乡域。移动节点在域内获 得一个合作定位转交地址，且节点在域内移动时该转交地址不会改变。因此，在 h a w a i i 方案中隧道的终端是移动节点。当主机在家乡域内移动时，其口地址不 发生变化。发往移动主机的分组根据区域的子网地址首先到达区域根路由器，然 后再通过动态建立的路径发给移动主机。 h a w a i i 采用一个单独的路由协议来实现本地移动。当进入一个新的外地代理 f a 区时，移动终端m h 被分配相应的转交地址，m h 在这个f a 域内移动时转交 地址保持不变，这样就无需通知家乡代理h a 进行处理。 目前h a w a i i 定义了p o w e ru p ，r e f r e s h 和u p d a t e 三种网络控制信令，分别 用于初始主机注册，连入路由器的主机状态维护，以及路由器中转发路由表维护。 当移动主机首次进入某个区域时，需要发送路径构建p o w e ru p 信令，该信令 用于在区域根路由器和通信链路上所有路由器中建立该主机的路由信息。p o w e r u p 信令发送成功后，从区域根路由器，与主机相连的所有路由器，以及移动主机 本身间的所有连接共同形成了一个虚拟的树型结构。当无线终端在某个区域内移 动时，h a w a i i 定义u p d a t e 信令在区域内选定的路由器上重建或更新该主机的路 由信息，从而保证在限定的中断次数下将到达区域根路由器的数据包转发给该主 机。遵循h a w a i i 的移动主机需要周期性地向其连接的路由器发送r e f r e s h 信令， 与主机直接相连的路由器可以根据r e f r e s h 信令的到达情况，保持活动主机条目， 释放移出主机信息。r e f r e s h 信令在通信链路上的路由期间逐级上传，直至区域根 路由器，每个路由器主动进行移动终端状态维护。 h a w a i i 提出了多种移动切换方案，下图l 。3 是针对可转发数据包的m s f ( m u l t i p l es t r e a mf o r w a r d i n g ) 和s s f ( s i n g l es t r e a mf o r w a r d i n g ) 。可转发的含义 是新旧路径的交叉点路由器上同时保存新旧两条路由，不会立刻删除旧路由，而 是保持其直到定时器到期。这里采用前转路径建立策略，在切换过程中，新b s 给 原b s 发消息，收到消息后，原b s 通过新b s 与m h 之间建立前转路由，因此切 换过程中m h 可以继续接收正在传送的包，m h 处理重复和乱序包。该机制极大 的优化了切换过程中的丢包率。而非转发方案要求终端m h 可以同时接受新旧b s 。 的数据，如c m d a 系统可采用，互联网目前不支持此功能。其中m s f 可能存在 路由环路问题，实现简单；s s f 使用了i n t e r f a c e - b a s e d 转发，以数据包来的接口上 路由，效果更好，实现复杂。 7 北京交通人学硕士学位论文 f i g 1 3h a w a i if o r w a r d i n gs c h e m e s 【1 7 】 h a w a i i 依靠树形无线访问网络，它具有蜂窝i p 和分级移动i p 的相似弱点。 然而，h a w a i i 在网络内部分派页面信息，同时动态指派页面进程。这一举措增加 了它的鲁棒性但是代价增加了路由器的内存负担。 ( - - - ) h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p 由爱立信和诺基亚公司提出的分层移动i p ( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ) 在移动i p 的基础上增加了区域注册( r e g i o n a lr e g i s t r a t i o n ) 以及区域传呼( r e g i o n a lp a g i n g ) 两 个动作。在h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p 中，一个管理域由阶层式( 树状) 外地代理f a 所组成。最高层的f a 称为g a t e w a yf a ，简称g f a 。而介于最高层与最底层的f a 称为区域f a ( r e g i o n a lf a ，以下简称r f a ) 。在这个架构下，最底层的f a 会定期广 播代理公告( a g e n ta d v e r t i s e m e n t ) 消息，消息中会依次把这个位于最底层的f a 到 g f a 中间所有经过的f a 列出来。第一位是发出公告的f a ，第二位是这个f a 的 上一层，以此类推，一直到g f a 为止。h m i p 采用分级隧道手段，网络中f a 以分 布式方式保持位置信息。 m h 发送移动i p 登记消息，以更新位置信息，协议通过这些登记消息建立从 m h 至网关f a 的相邻f a 间的隧道。通过这些隧道网，把发往m h 的包发出。这 个隧道网可以看作是i p 顶上的一个路由网，隧道通过网络接人点连接网关f a 和 其他f a 。只有在登记消息到达网关f a 时，协议才更新路由。当移动台到达一个 新接入点，它向网关f a 发送一条控制消息，并产生按照新路径的下行路由信息。 终端在域中间移动时，就只需向上层的f a 发送局部绑定更新，而无需向h a 和 c n 更新绑定。 ( 四) t e l e m i p - t e l c o r d i at e c h n o l o g i e 公司提出的t e l e m i p 相比h m i p ，主要提高是在网络中可 引言 以有多个g f a ，同时f a 可以连接到多个g f a 上。这就允许网络能够选择带有负 载平衡算法的g f a 以便于移动终端的管理负担可以分配到多个机器上。 t e l e m i p 网络中包含一个m a ( m o b i l i t ya g e n t ) 的功能实体。m a 负责终端 m h 的所有数据包的发送和接受。m a 去家乡代理h a 注册时携带了自己的g l o b a l c o a ，而m h 则在m a 上注册自己的l o c a lc o a 。所有来自互联网的要到m h 的数 据包都以g l o b a lc o a 为目的地址，先到达h a ，然后经隧道到达m a ，m a 解封装 后又使用以l o c a lc o a 作为目的地将数据包同样以隧道发送给m h 。这样就完成了 一次数据传输。当m h 在同一域内的不同子网移动时，m n 只是获得新的l o c a l c o a ，通告m a ，但不用更新h a 或c n 的终端信息，减少了切换带来的过多控制 消息 t e l e m i p 在快速的域内切换位置更新和低网管管理复杂度之间寻求到一个平 衡点。因为如果是单层，频繁的全局切换会带来巨大的更新时延和控制消息开销， 如普通的移动i p ；如果采用多层结构，又会有过高的管理复杂度，过多封装开销， 易产生多点失败，如h m i p 。 后文将这四种微移动协议与本文提出的子网接入引入的微方案进行详细的对 比。 1 3论文主要工作及结构 本文在采用身份标识与位置标识分离技术的一体化网络架构基础上，提出一 种适合于一体化网络的子网接入方案，经过方案的详细设计、模块划分、软件编 码，以及对软件的部署测试，可以满足子网在一体化网络中通信的需要及对移动 性的支持。 论文的组织结构如下： 第一章介绍本文的研究背景及相关技术的研究现状，阐述在一体化网络上实 现子网接入的背景、意义，一体化网络的子网中采用微移动切换机制的重要性， 还详细介绍了移动i p 和现有域内微移动协议。 第二章介绍一体化网络的体系结构以及其框架模型，详细阐述了一体化网络 的基本通信流程及移动性管理机制。 第三章主要针对一体化网络对子网接入及移动性的需求，提出一套适合于一 体化网络的子网内路由机制及支持子网内移动和子网间移动的移动性管理机制， 详述了方案中终端接入和移动切换的消息流程。 第四章主要按照第三章所提出的详细设计方案，分别对各个功能实体，包括 终端、子网路由器、接入交换路由器，根据功能进行模块划分，并详细介绍具体 9 北京交通大学硕士学位论文 的程序实现，包括软件编程实现的处理流程及使用到的主要数据结构。 第五章设计了测试实验环境，对子网内终端接入网络、移动切换、位置管理 等进行系统的功能测试，并对终端在子网内切换和子网间切换做了大量的性能测 试，将所得到的切换时延数据进行了分析。 第六章对本论文进行总结，并且对目前存在问题作出分析及对今后的工作提 出了一些建议。 l o 一体化网络简介 2 一体化网络简介 本章介绍一体化网络的相关概念、网络体系结构、网络层次划分以及网络的 各种功能实体，阐述一体化网络分离映射机制及现有的通信机制，分析一体化网 络中引入子网接入的必要性。 2 1一体化网络网络结构 国家9 7 3 项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”分析了现有网络的 弊病，并根据分离映射需要，重新对网络进行了划分，将新的一体化网络划分为 两个基本层面：“网通层 和“服务层 。这是一种全新的两层体系结构模型，即 图2 1 中将一体化网络于o s i 、互联网的体系结构进行了对比。 彳。二一 。夕， 应用层 服务层 传输层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 网络层 网通层 数据链路层 、 网络接口层 。 物理层 一一 o s i 七层 新嗍络两层 互联网四层 体系结构模型体系结构模型 体系结构模型 图2 - 1o s i 七层结构及互联网四层结构与一体化网络体系结构模型的比较 f i g 2 - 1c o m p a r i s o n so fo s i ，i n t e m e ta n du n i v e r s a ln e t w o r ka r c h i t e c t u r e “服务层”主要负责业务的会话、控制和管理，对应于原t c p i p 网络结构层 次的传输层，而“网通层 为一体化网络提供多元化的网络接入，固定网络、移 动网络、传感网络均可以在一体化网络中接入，从而实现网络的一体化。“网通层 能够为数据、语音、视频等业务提供一个一体化的网络通信平台，从而达到有效 支持普适服务( 即多种服务) 的目的。对应于t c p i p 中的网络层及以下的部分。 本文中子网接入重点是基于“网通层”设计基础之上，“网通层 主要完成两 个方面的功能，一方面提供多元化网络的接入，另一方面为接入一体化网络的合 法终端提供一个网络通信的平台。此处将予以详细介绍，而服务层并不在本文讨 论范围之内。 一体化网络“网通层 分为接入网和核心网两个部分。接入网，又称用户网 络，包括单个终端、固定子网( 如企业网和校园网) 、移动子网( 如火车、轮船上 ，ii-l，f、i-ii、，l-l-f、-ii 服务层面 丽络层面 北京交通大学硕士学位论文 的子网) 和自组织网络等。用户网络中的节点是用户数据的源或目的。它实现各 种类型的终端或者固定、移动、传感网络等的接入；核心网解决位置管理和路由 技术。通过将终端用户所在的接入网和运营者所在的骨干网进行分离，可以保证 各种接入技术和核心区域的架构进行分别独立的技术演进，而不互相影响。在接 入网，这些技术可以包括各种新兴的技术如移动网络、传感网络、智能家电等， 各种技术甚至可以使用不同的协议栈和不同的身份表达方式；在骨干网，这些技 术可以包括核心网络的基本架构、路由方式