（通信与信息系统专业论文）cdma和wlan间的移动ipv6切换及优化方法研究.pdf

摘要 中文摘要 近年来，随着互联网的快速发展，人们对网络的应用也越来越频繁，我们的 生活和工作已经与网络密不可分。同时移动终端设备功能逐步完善、价格不断下 降，并且具有便携性等很有吸引力的特性，这就使得借助能接入网络的移动设备， 随时随地保持应用的不中断，以此来提高自己的工作效率和生活质量成了无数人 的期望，从而带来了对网络间切换技术的需求。 移动i p v 6 作为i p v 6 的一部分，本身具有其它切换技术不可比拟的先天优势。 但是恰恰又正是因为移动i p v 6 以i p v 6 为基础，导致现阶段在当前只支持i p v 4 的 网络设施上难以大规模的应用开来，这就使得针对移动i p v 6 的研究很多只能以仿 真的形式或在实验室网络环境中进行，从而阻碍了其技术的进步。从移动i p v 6 技 术本身来说，其切换性能基于不同的网络切换环境，也有值得改进的地方。 本文分析了目前较为常见的两种无线接入场景：基于8 0 2 1 1 b 规范的w l a n 和 c d m ai x ，通过借助s i l k r o a d 隧道机制，使移动终端能够基于移动i p v 6 切换技术， 从i r l a n 切换到c d m a ，其中克服了c d m a 网络不支持i p v 6 且阻止了常见隧道包通过 的难点，同时兼顾了方法的可扩展性，使之也能应用于g p r s 等其它网络，从而为 移动i p v 6 切换技术与现有蜂窝网络的结合提出了一种可行方案。 另一方面，本文针对切换到c d m a 期自j 出现的延时过大和丢包率过多的情况， 在m i p l 的基础上实现了软切换和绑定更新联播两种优化措施，较好的改善了因为 c d m a 网络带宽和拥塞特点带来的切换性能问题，保障了切换的意义。同时针对w l a n 之间的水平切换也提出了a p 池的优化思路。 在以完成切换和优化切换为核心的基础上，本文实现了一个移动管理系统， 将标准移动i p v 6 协议实现作为主体，而针对具体切换网络的部分作为嵌入模块， 使得整个系统更灵活，更具延展性，最终作为中国联通公司与中科院计算所下一 代互联网中心合作的支持移动漫游的多媒体业务会晤系统的一部分投入试运i l 关键词：i p v 6 ，移动i p v 6 ，c d m a ，1 】r l a n ，垂直切换，c n g i a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r a c t ，p e o p l e sw o r ka n dl i v e sa r e c l o s e rt oi t 1 1 1 ef u n c t i o n so ft h em o b i l ed e v i c eb e c o m ea b u n d a n c e t h ep r i c ei sc h e a p e r , a n dt h ep o r t a b i l i t yi sa t t r a c t i v e s oe v e r y o n ew a n t st oa c c e s st oi n t e m e ta n y t i m ea n d a n y w h e r ew i t ham o b i l ed e v i c e ，t om a k ew o r ka n dl i r eb e t t e r m o b i l ei p v 6i so n ep a r to fi p v 6 ，s oi ti sb o m e dw i t hs o m ea d v a n t a g e sw h i c ho t h e r h a n d o v e rt e c h n o l o g i e sd o n th a v e h o w e v e r , c a u s em o b i l ei p v 6i sb a s e do ni p v 6 ，i t c a n n o tb ed e p l o y e do nc u r r e n tn e t w o r kd e v i c e sw h i c ho n l ys u p p o r ti p v 4 ，t h a tm a k et h e r e s e a r c h so ni to n l yc a np r o c e s sw i t l ls i m u l a t i o no rl a bn e t w o r ke n v i r o n m e n t t i l i s s i t u a t i o nr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ei p v 6 f r o mt h et e c h n i q u eo fm o b i l ei p v 6 i t s e l f , t h e r ea r es o m e t h i n gs h o u l db ei m p r o v e db a s e do nd i f f e r e n tn e t w o r kh a n d o f f e n v i r o n m e n t s w ea n a l y z et w of a m i l i a rh a n d o f fe n v i r o n m e n t s ：w l a nw h i c hb a s e do n8 0 2 1 l b a n dc d m al x a n dm a k em o b i l ed e v i c ec a nh a n d o f r b e t w e e nw l a na n dc d m aw i t l l m o b i l ei p v 6a n ds i l k r o a dt u n n e lm e c h a n i s m w co v e r c o m em a n yd i f f i c u l t i e s ，s u c ha s c d m ad o e s n ts u p p o r ti p v 6a n ds t o ps o m et y p e st u n n e lp a c k a g e s w ca l s om a k et h e m e c h a n i s ms u i t a b l et og p r sa n do t h e rc e l ln e t w o r k s s o ，i t saf e a s i b l ew a yf o rt h e c o m b i n a t i o no f m o b i l ei p v 6a n dc e l ln e t w o r k s o nt h eo t h e rs i d e ，f o ro p t i m i z i n gt h eh a n d o f fp e r f o r m a n c e ，w ei m p l e m e n tt w o w a y s ：s o f th a n d o f fa n db i n d i n gu p d a t es i m u l c a s t 1 1 圮t e s tr e s u l ts h o w st h a tt h e y i m p r o v et h eh a n d o f f p e r f o r m a n c eo b v i o u s l y w ea l s ob f i n gf o r w a r dnc o n c e p tn a m e da p p o o lf o ro p t i m i z i n gt h eh a n d o f f b e t w e e nw l a n s w eb u i l dam o b i l em a n a g es y s t e mt od oa n do p t i m i z eh a n d o f f b a s e do ns t a n d a r d m o b i l ei p v 6s o f t w a r e ，w ei m p l e m e n tt h em o d u l e sw h i c hc o r r e s p o n dt os p e c i f yn e t w o r k , t h a tm a k et h et o t a ls y s t e mf l e x i b l ea n de x t e n s i b l e 1 1 圮m o b i l em a n a g es y s t e mi so n e p a r to f c n g ip r o j e c ta n dh a st ob et e s t e dr u no nc n g in e t w o r k k e y w o r d s ：i p v 6 ，m o b i l ei p v 6 ，c d m a ，w l a n ，v e r t i c a lh a n d o i f , c n g l i i 图目录 图目录 图卜lh m i p v 6 基本架构 图2 - 1未移动前m n 和c n 可正常通信 图2 - 2m n 在移动后与c n 的通信过程 图2 3移动i p v 6 中的位置管理 图2 - 4移动i p v 6 中的术语 图2 5移动i p v 6 切换延迟划分 图3 - i垂直切换问题模型图 图3 2垂直切换切换环境 图3 3垂直切换信令交互及接口转换图 图3 - 4多媒体会晤业务移动管理系统总体架构图 图3 - 5绑定更新管理模块接口示意图 图3 - 6切换抉择模块接口示意图 图3 - 7垂直切换模块接口示意图 图3 8切换优化模块接口示意图 图3 - 9绑定更新( b u ) 模块接口示意图 图3 - 1 0数据包转发( d t ) 模块接口示意图 图3 - 1 1移动前缀应答( m p r ) 模块接口示意图 图3 - 1 2动态家乡代理地址发现( d h a a d d ) 模块接口示意图 图3 一1 3移动切换州部分处理流程图 图3 一1 4移动切换h a 部分处理流程图 图4 - 1s c 向s n 发送的路由请求报文( r o u t e rs o l i c i t a t i o n ) v l 3 5 6 9 o 1 3 4 5 6 6 7 8 0 l 3 m 昕 嗨 明 砒 m 毗 此 陀 2 眈 眈 眈 睨 眈 眈 吣 略 暑 图目录 图4 一l 图4 - 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 - 7 图4 - 8 图4 - 9 图4 一1 0 图4 - 1 1 图4 - 1 2 图5 - 1 图6 1 图6 - 2 s c 向s n 发送的路由请求报文( r o 啦e rs o l i c i t a t i o n ) s n 向s c 发送的路由公告报文( r o u t e ra d v e r t i s e m e n t ) 地址请求报文( r o u t e rr e q u e s t ) 地址响应报文( r o u t e rr e s p o n s e ) s c 发起的与普通i p v 6 节点的通讯过程 s il k r o a d 隧道封装报文的格式 4 1 类型报文格式 s i l k r o a d 隧道封装报文c o n t r o lo p t i o n 域 移动管理系统中s c 与s a r 注册流程图 切换触发流程图 州在c d m a 和w l a n 之间的垂直切换示意图 用i c m p v 6 包演示垂直切换 绑定更新联播实验环境图 软切换流程图( 心从接口a 切换到接口b ) 实现软切换的m n 与c n 的i c m p v 6 通信 l 3 4 4 5 6 6 8 o l 2 3 5 8 9 蛾 粥 吣 嘧 酩 略 略 m m m m m m m 表目录 表目录 表5 - 1未实现绑定更新联播的垂直上行切换延迟 表5 - 2实现了绑定更新联播的垂直上行切换延迟 p 4 6 p 4 6 缩略词表 英文缩写 p d s n h a 删 c n c o a h o a b u b a 英文全称 缩略词表 p a c k e td a t as e r v i n gn o d e h o m ea g e n t m o v en o d 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 h o m e o f a d d r e s s b i n d i n gu p d a t e b i n d i n ga c k n o w l e d g e m e n t 中文释义 分组数据服务节点 家乡代理 移动节点 通信节点 转交地址 家乡地址 绑定更新 绑定应答 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 作及取得的研究成果。据我所知，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己经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 蟹龟日期：钆刁年中月访日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：沙司年矿月7 3 日 第一章绪论 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论 i 1 i本课题的研究价值及场景 随着便携式计算机的普及和互联网业务的日益丰富，用户对异构网络间移动漫游 的需求愈加强烈，期望移动终端可以任意改变网络接入点，而保持应用的延续蜂窝网 和无线局域网作为实现移动通信的两种网络场景，有着各自的特点 近年来，随着无线局域网标准的迅速发展，基于8 0 2 11 规范的w l a n 具有m b p s 以 上的带宽，其中目前又以8 0 2 1 l b 规范应用范围最广，其理论带宽为i 1 m b p s ，但物理覆盖 范围较小。而蜂窝网基础设施完备，物理覆盖面广，其中c d m al x ( 以下简称c d m a ) 理 论带宽为1 5 3 6 k b p s ，较g p r s ( 理论带宽1 1 5 2 k b p s ) 高，但较w l a n 低。另外由于3 g 网络 在世界范围内尚未成为主流，尤其在国内，仍处于建设阶段，所以目前无线应用场景主 要集中在c d m a 和基于8 0 2 1 l b 协议的w l a n ( 以下简称w l a n ) 上。 对于移动运营商来说，若能将c d m a 和w l a n 的优势有机的结合起来，一方面充分利 用c d m a 网络的广泛覆盖能力，保证用户网络连接的不间断；另一方面，在有w l a n 覆盖 的热点地区，利用相对较高的数据传输率和较低的接入费率来弥补c d m a 网络带宽的不 足和昂贵，就成了一个极具研究价值的方向，这就涉及到移动设备在c d m a 和w l a n 之间 进行切换的问题。 根据切换前后网络是否相同，可将切换分为水平切换和垂直切换两种类型。水平切 换一般是指移动终端在同种网络，不同接入点之间进行切换，例如在w l a n 网络的不同 a p 之问。垂直切换一般是指移动终端在不同网络间进行切换，例如本课题提到的c d m a 网络和w l a n 网络之间。 1 1 2 切换技术介绍 切换有多种实现技术，按技术所处的o s i 模型层次，可分为网络层切换技术( 以移 动i p 为代表) 、传输层切换技术( 以t c p - m i g r a t e 为代表) 和应用层切换技术( 以s i p 电子科技大学硕七学位论文 ( s e s s i o nc o n t r o lp r o t o c a l ) 为代表) 等，其中移动i p 和s i p 是i e t f ( i n t e r n e t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 的标准。t c p m i g r a t e 在切换时需要改变相关所有主机系统 协议栈中的t c p 实现，包括不需要移动但正与移动终端通信的主机或服务器，这在实际情 况中几乎是无法做到的，所以应用较少s i p 是一个建立在t c p u d p 之上的应用层信令控 制协议，用于建立、修改和中止两方或多方的会话，将其应用于切换时，能对支持s i p 协 议的应用程序隐藏终端的移动性，但这一方面限制了能用于切换的业务类型，另一方面 s i p 需要在应用层处理切换信令信息，所以当移动终端操作系统处于繁忙状态时，也将加 大切换延迟，影响切换性能移动i p2 e 作在网络层，主要原理是通过赋予移动终端一个恒 定不变的家乡i p 地址，来对上层应用程序屏蔽实际的移动，保证业务的延续，相对而言， 移动i p 兼顾了实现的可行性和延迟的合理性，是目前较为普遍采用的切换技术。 就移动i p 本身来说，分为移动i p v 4 ( m i p v 4 ：m o b i l ei p v 4 ) 和移动i p v 6 ( m i p v 6 ：m o b i l ei p v 6 ) m i p v 4 主要存在的问题是： 1 三角路由：移动节点( m n ：m o v en o d e ) 始终只能通过家乡代理( h a ：h o m ea g e n t ) 与 对端节点联系，这导致数据包的路由途径不能根据当前网络状况动态选择，造成不必要 的延迟：同时使h a 成为单点故障，增大切换失败的可能 2 部署受限：m i p v 4 要求涮切换到的网络都应该有一个外地代理( f a ：f o r e i g n a g e n t ) ，这就限制了终端能切换到的网络：如果没有，则要求心至少保证有一个全球可 路由的i p v 4 公有地址，这在当前i p v 4 地址严重缺乏的情况下很难实现 3 入口过滤：i s p 的边际路由器可能会将包含的源地址拓扑不正确的数据包( 例如 不属于本地网络) 丢弃这样当州切换到外地网络，用家乡地址发出数据包时，可能被边 际路由器丢弃 4 认证与安全：i p s e c 在i p v 4 中只是可选部分，在m i p v 4 中仅用于m n 注册时的认证， 而数据通信过程缺乏规范的安全保障 m i p v 6 相对于m i p v 4 ，除了具有地址数量显著增加，能实现端对端通信，内嵌更好 的安全性能，地址层次化加强，配置更加自动化等i p v 6 本身较i p v 4 具有的优势外，还 具有的优势是： 1 没有三角路由问题：m i p v 6 允许通过州向通信节点( c n ：c o r r e s p o n d e n tn o d e ) 注 册并和其直接通信来避免三角路由问题，同时也克服了h a 的单点故障问题 2 第一章绪论 2 不需要f a ：m i p v 6 不再需要f a 这一网元，从而放开了对州能切换到的网络的限 制，同时简化了整个切换需要的网元，更便于部署和管理 目i j 大多数移动终端设备的操作系统( w i n d o w s ，s y m b i a n ，p a l m ，l i n u x 等) 都己能支 持i p v 4 ，i p v 6 两种地址，而国内移动和联通两大运营商基于i p v 6 的网络也正在建设中 所以，m i p v 6 投入产业化应用已无根本障碍，于是用m i p v 6 在c d m a 和w l a n 间进行垂直切 换是极具现实意义的。 1 1 3移动i p v 6 的发展现状 目前对m i p v 6 切换的研究场景主要集中在水平切换，即假设州在两种相同的二层 接入技术之间进行切换，并且默认切换网络支持i p v 6 。研究的方向主要集中在性能优化 上。 对于m l p v 6 切换的性能优化方面的研究，现在已经有了一些思路和具体方案，其中 较为成熟的是i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 提出的层次化移动i p v 6 ( 咖i p v 6 ：h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6 ) 和快速移动i p v 6 切换( f m i p v 6 ：m o b i l ei p v 6 w i t hf a s th a n d o v e r ) 。 l 埘i p v 6 引入了移动锚点( m a p ：m o b i l i t ya n c h o rp o i n t ) 这个新的实体，通过将移 动节点的移动区分为宏观移动和微观移动，将切换过程的影响控制在子网范围内，既减 小了地址绑定更新过程的延时，又减小了信令消耗，其理想应用场景是心在小范围内 频繁移动，所以对于州大范围穿越多种网络的情况效果并不明显。h m i p v 6 架构如图卜1 所示： 3 电子科技大学硕七学位论文 图卜lh m i p v 6 基本架构 快速切换m i p v 6 通过移动检测，预测切换过程的发生，将网络层切换的部分操作提 到链路层切换之前，这样一旦完成链路层切换就可以很快进行网络层的通信，加速了切 换过程的完成。但是需要州切换前后所接入路由器的支持，这就对切换的网络提出了 要求，限制了适用性。 在以上两种方案的基础上，还有其它一些改进策略，比如f h m i p v 6 就是二者的结合。 关于m i p v 6 垂直切换的研究相对水平切换较少，而且场景大部分集中在w l a n 和支 持i p v 6 的3 g 网络( 例如c d m a 2 0 0 0 ) 之间，这就忽略了移动i p v 6 最大的问题，其实也 是i p v 6 目前最大的问题，即如何在保持当前不支持i p v 6 的网络架构和基础设施的前提 下，逐步推进i p v 6 协议体系的实行，这对于广大网络用户，尤其是网络运营商来说， 意义重大。 1 1 4移动i p v 6 在c d m a 现网中的实现难点 m i p v 6 要切换到c d m a ，首先的难点是c o m a 不支持i p v 6 。m n 在切换到c d m a 网络后 无法收到i p v 6 的路由通告，从而不能根据i p v 6 的地址自动配置方式得到一个可用的 i p v 6 全局地址作为c o a ，这样就从根本上限制了m i p v 6 在c d m a 中的应用。同时c d m a 还 对常见的一些隧道类型( 例如s i t 型隧道等) 进行了屏蔽，这就增加了解决问题的难度。 而切换到c d m a 最根本的难点是c d g a 的低带宽和频率相对较高的网络拥塞严重加剧 了延迟和丢包率，在不进行优化的情况下，大部分实时业务如音视频传输等，将无法延 续，这就使切换失去了意义。 4 第一章绪论 1 i 5论文的组织 论文从对移动i p v 6 的介绍出发，第二章主要是分析移动i p v 6 的切换过程，并结合 c d m a 的实际场景对切换性能进行分析。 第三章主要是提出了实现垂直切换并优化其性能的问题模型及解决流程。 第四章和第五章属于第三章内容的具体阐述。第四章着眼于解决移动i p v 6 在c d m a 中的实现问题，介绍了一种新型的i p v 6 一i n - u d p 隧道机制，并分析其与移动i p v 6 的结 合。第五章着眼于优化移动i p v 6 切换到c d m a 的性能，提出了两种基于心的优化方案， 分别针对延迟和丢包率，并分别给出了测试数据以验证有效性。同时根据网络非网 元提出了辅助优化方案。 最后对整篇论文进行了总结，并对移动i p v 6 的切换提出了自己的看法和展望。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章移动i p v 6 介绍及切换性能分析 2 1 移动l p v 6 介绍 2 1 1 移动i p 产生背景 互联网是一个公用网络，连接着全世界的各个公司、政府机关、大学和个人。互联 网最仞的发展动力是为了将计算机连接在一起，使它们能够进行通信并实现信息共享。 互联网的发展可划分为三个时代，即计算机时代、信息时代、个人通信时代。无线 通信技术的发展，推动着互联网进入了第三个发展阶段。在这个阶段中，对互联网上设 备移动的需求越来越多，这是一个不容回避的事实，移动计算已成为今后互联网发展的 三大热点之一。传统的i p 路由技术都是为固定计算机之间的通信而制定的，在解决移 动计算方面存在着相当大的局限性，其技术特征可总结如下： 1 各个节点只根据i p 报头中的目的i p 地址来作转发决策，只在发生错误时才去检 查源地址； 2 一般来说，路由决策依赖于目的i p 地址的网络前缀而不是整个目的地址； 3 同一条链路上的所有节点都应有相同的网络前缀，它们可以通过i p 地址中的主 机部分来识别： 4 对于同一条链路上的多台主机，可以只用一条网络前缀路由，而无需列出所有的 特定主机路由，这可以极大地简化路由表的表项。 在上述路由机制下，当节点在切换链路时不改变它的i p 地址就无法在新链路上接 收数据包；当节点在移动时改变它的i p 地址，就不得不每次都中断和重启正在进行的 通信。移动i p 就是为解决这些问题而提出的。移动i p 有两个版本：移动i p v 4 和移动 i p v 6 。前者是为了与当前的i p v 4 网络相兼容而提出的；后者是为了适应未来的i p v 6 网 络而提出的。无特别说明，本文后面的叙述均是针对移动i p v 6 。 2 1 2移动i p v 6 工作原理 在移动i p v 6 中，有四个重要实体：移动节点( 洲) 、家乡代理( h a ) 、通信节点 6 第二章移动i p v 6 介绍及性能分析 ( c n ) 和访问路由器( a r ) 。其中每个心有两个地址：家乡地址h o a 和转交地址c o a 。 州使用一个唯一的h o a ( 身份标识，在移动过程中始终保持不变) 可以连接到任何链路 上；同时每当m n 移动到一个新子网，它就从a r 获得一个新的l 临时的c o a ( 位置标识， 在移动过程中不断变化) ，并且将它注册到h a 。h a 是专门维护h o a 和c o a 映射的路由 器。c n 通过的h o a 向h a 查询，就总能得到州当前的c o a 地址，从而使得c n 总能 够将分组发送给心。具体实现过程如下 1 ，2 ，3 ： 如图2 一l ，m n 连接到家乡链路( l i n k0 ) 时，使用它的家乡地址a l 。这个地址是 可以通过h a 到达的。当m n 没有发生移动时，如果c n 与之通信，c n 发送的数据包会 按照正常的路由方式到达m n 。 图2 一l 未移动前州和c n 可正常通信 当m n 从l i n k0 移动到l i n kl 时，如果州不改变其i p 地址，c n 发送的数据包按 照现行的以前缀为基础的路由方式就不能够到达州了。下面看一看移动i p v 6 对这个问 题是如何解决的，当心从l i n k0 移动到l i n kl 以后，会有如下动作发生( 如图2 2 ) ： 7 电子科技大学硕七学位论文 图2 - 2m n 在移动后与铡的通信过程 1 a r l 定期广播路由器宣告消息，其中携带本地链路前缀信息( 采用邻居发现协 议) 。m n 接收到宣告消息后，检测到自己发生了移动( 称为：移动检测) ，根据接收到 的f i 缀信息通过地址自动配置得到一个新的地址a 2 ( 称为：形成c o a ) ； 2 m n 发送一个消息包m 2 给h a ，这个消息包告诉h a 现在m n 的新地址a 2 ( 称为： 绑定更新) 。此后，h a 再发现有需要送到删的原来地址a l 的数据包，它会把这个数 据包截获，然后把这个包作为净荷，在其上面再加上一层i p v 6 报头，把新的数据包发 送到胁的新地址a 2 ，这个过程应用的技术称为隧道技术； 3 假如c n 发送数据包给州，它并不知道州已经发生了移动，此时它会把这个数 据包继续发送给m n 原来的地址a 1 ； 4 c n 发送的数据包到达h a 后，h a 会截获这个数据包，通过隧道技术把这个数据 包转发给m n 的新地址a 2 ； 5 m n 收到h a 转发过来的数据包以后，通过检查数据包的内层源地址，知道c n 想 与它进行通信，于是它会发送一个信息包m 3 给c n ，告诉自己的新地址a 2 ( 称为：绑定 更新) ； 6 c n 收到这个数据包以后。会记录下州的新地址a 2 ，这样如果再有数据包需要 8 第二章移动i p v 6 介绍及性能分析 7 发送给m n ，它会直接把数据包发送给a 2 ( 使用c o a ) 。至此删和c n 之间可以 _一 实现双向直接通信； 8 若有其余节点想与州进行通信，其建立通信的过程与c n 类似。当心从一个 子网移动到另一个子网时，一般要经过下列阶段( 图2 - 3 ) ： 图2 - 3 移动i p v 6 中的位置管理 1 ) 邻居发现 在邻居发现协议中规定，a r 应该有规律地广播其前缀信息，m n 根据这些前缀信息， 发现a r 的存在。 2 ) 移动检测乞 州通过两种方式确定自己是否从一条链路移动到另一条链路。用生存时间域做移 动检测：这种方法利用i c m p v 6 路由广播部分的生存时间域，这个域告诉删，每过多长 时间，它就可以从同一个a r 那罩收到一个广播。如果州已经注册了一个转交地址，但 在生存时日j 域规定的时间内却没有收到来自那个代理的广播， 那么删就可以认为它已经移动到另一条链路，或a r 已经坏了。如果没有收到任何 广播，它也可以发送一个邻居请求消息去询问。用网络前缀做移动检测：这种方法利用 网络前缀，州记录从a r 接收的包含网络前缀的邻居宣告消息。现在，如果删收到另 一个a r 发送的邻居宣告消息，它必须根据网络前缀判定它收到的两个广播消息是否来 自同一条链路。如果是，删就没有移动；反之，心肯定改变了位置。这两种方式常常 混合使用。 3 ) 形成c o a 州有两种方式在外部链路获得其配置的c o a ，它用接收到的i c m p v 6 报文中的m 比 9 电子科技大学硕士学位论文 特来决定采用哪种方式。如果m 比特为0 ，那么删采用被动地址自动配置，否则采用 主动地址自动配置。被动地址自动配置：在这种方法中，m n 采用动态主机配置协议 d i i c i ，v 6 。向服务器申请一个地址。并将这个地址当作自己的转交地址。另外p p p 中的 i p v 6 配置协议也提供了一种服务器向州提供转交地址的方法。主动地址自动配置：在 这种方法中，m n 采用主动地址自动配置协议，工作过程如下： 一、涮首先形成一个接口标记，这是一个与链路有关的标识，用来标识州与外 地链路相连的接口。接口标记常取在那个接口上的数据链路层地址。例如，在以太 网中，接口标记是m n 的4 8 位以太网地址； 二、m n 检查路由器广播报文中的前缀信息可选项，以决定当前链路上有效的网 络前缀： 三、m n 将一个有效的网络前缀和接口标记相连形成自己的转交地址。 4 ) 绑定更新 在m n 的家乡地址和转交地址之间建立对应关系，称为绑定更新，又叫注册。每一 次绑定更新都带有一个时间选项，指明这次绑定的有效时间。绑定消息是由m n 发往 l a 或c n 的，在h a 上进行的注册称为家乡注册，在c n 上进行的注册称为般注册。 5 ) 使用c o a 在绑定更新完成之后，州就可以使用新的c o a 地址进行通信了。州与c n 之间可以 采用两种模式进行通信。 双向隧道模式：这种方式不需要c n 的支持，m n 也不需要向c n 注册其当前的地址 信息。由c n 发往m n 的数据包路由到州的家乡链路，然后通过隧道到达删；而由州 发送到c n 的数据包则通过反向隧道传递给h a ，再通过常规的方式路由到c n 。在这种模 式中，h a 截取任何到州家乡地址的数据包，然后经过封装，再发送到m n 的当前转交地 址。 路由优化模式：这种方式要求州在c n 上注册它的当前地址，来自c n 的数据包直 接路由到m n 的当前转交地址。这种方式可以不经过h a 直接将数据包发送到州，从而减 少了州的h a 和家乡链路的负担，也减少了因h a 或路径上失败所造成的影响。移动i p v 6 仅仅定义了基本的操作处理流程，并没有很好地考虑其切换性能。理想的切换是无缝切 换，包括两方面的内容：平滑切换( 尽可能减少分组丢失) 和快速切换( 尽可能减少切 1 0 第二章移动i p v 6 介绍及性能分析 换延时) 。本论文实现移动i p v 6 不涉及路由优化。 2 1 3移动i p v 6 中的术语 为了更好地理解之前介绍的移动i p v 6 协议的实现原理，同时为了方便对本文研究 内容的理解，下面再详细介绍一下移动i p v 6 中使用的些术语( 图2 - 4 ) ： 图2 - 4 移动i p v 6 中的术语 子网前缀( s u b n e tp r e f i x ) ：同一网段上的所有地址中前面的相同部分。子网前 缀是前缀路由技术的基础，i p v 6 中子网前缀的概念与i p v 4 中子网前缀的概念类似。 家乡地址( h o a ：h o m ea d d r e s s ) ：移动节点没有发生移动时所拥有的地址。n o d ea 未发生移动时的地址a l 就是n o d ea 的家乡地址。 家乡子网前缀( h o m es u b n e tp r e f i x ) ：与移动节点的家乡地址所对应的子网前缀。 n o d ea 所在的链路l i n k0 上的子网前缀就是n o d ea 的家乡子网前缀。 家乡链路( h o m el i n k ) ：由移动节点家乡子网前缀所定义的链路。前缀路由机制 会把发往一个移动节点家乡地址的数据包路由到其家乡链路上，l i n k0 就是n o d ea 的 家乡链路。 移动节点( m n ：m o b i l en o d e ) ：能够从一条链路移动到另一条链路，并且能够继 续用原来的i p 地址与其他节点通信的节点。移动节点可以是支持移动功能、而本身并 电子科技大学硕士学位论文 不一定发生移动的节点。n o d ea 就是一个移动节点。 通信节点( c n ：c o r r e s p o n d e n tn o d e ) ：正在与一个移动节点通信的节点。通信节 点可以是固定节点，也可以是移动节点。n o d eb 就是n o d ea 的通信节点。 移动( m o v e m e n t ) ：移动节点改变其网络接入点的过程称为移动。如果移动节点不 是连接在其家乡链路上，则称这个节点离开了家“a w a yf r o mh o m e ”。n o d ea 从l i n k0 到达l i n k1 就是发生了移动。 外地子网前缀( f o r e i g ns u b n e tp r e f i x ) ：对一个移动节点来说，除了家乡子网 l j i 缀以外的任何静缀都称为外地子网前缀。通常所说的外地子网前缀是指移动节点正在 访问链路上的子网前缀。 外地链路( f o r e i g nl i n k ) ；除了移动节点家乡链路以外的任何链路都称为外地链 路。l i n kl 对于n o d ea 来说就是一条外地链路。 家乡代理( h a ：h o m ea g e n t ) ：家乡代理是移动节点家乡链路上的一台路由器。移 动节点在家乡代理上注册了其家乡地址和新的地址之间的对应关系，家乡代理能够截获 发往移动节点家乡地址的包，并通过隧道方式把数据包转发到移动节点的新地址。 转交地址( c a r eo fa d d r e s s ) ：当移动节点连接到外地链路时所形成的与外地子 刚酊缀相匹配的地址。一个移动节点可以同时有多个转交地址。n o d ea 到达l i n kl 以 后得到的地址a 2 就是n o d ea 的转交地址。 2 2 切换性能分析 评价切换性能一般有两个指标，即延迟和丢包率。下面分别阐述。 2 2 1切换延迟分析 切换阶段的时间主要分为三个部分 4 ，5 ： 侦测时问( t d ：t i m eo fd e t e c t i o n ) ：起止点是从移动终端处于一个新的无线接入网 络覆盖范围到接收到新的接入路由器发送的路由通告( 图2 - 5 中1 到2 ) 。接收到路由通 告有两种途径：一是主动发出路由恳求，路由器收到后，会立即响应一个路由通告；二 是单纯等待路由通告的到来。 蔓三童整塾! 堡! 金塑垦丝墅堑丛生一 h a a d o f t t r i 窖g e r m n n a r h a 图2 - 5 移动i p v 6 切换延迟划分 在图2 - 5 中，显示的是第一种接收到路由通告的方式，其中n a r 是移动终端切换到 的新路由器。根据最新的协议规范，在不引起网络负载过重的前提下，路由恳求的发送 间隔时自】范围是3 0 m s 到7 0 m s 。 配置时同( t c ：t i m eo fc o n f i g u r a t i o n ) ：起止点是从移动终端收到新的路由通告到 升级完成路由表并将新地址分配给网络接口( 图2 - 5 中2 到3 ) 。图2 - 5 中2 到3 注册时间( t r ：t i m eo fr e g i s t r a t i o n ) ( 图2 5 中3 到4 ) ：起止点是从洲发出 b u ( b i n d i n gu p d a t e ) ，到其从新的网络接口收到h a 发回的b a ( b i n d i n gh c k n o w l e d g 。) 所以切换处理时间的起止是从州处于新网络的覆盖下或用户手动触发切换，到i n 收到h a 的b a ，即： 劢= 甜手纪十t _ r 公式( 2 1 ) 这个公式也揭示了：要优化切换的时间性能，就要减少t d 和t r ( t c 由于是终端协 1 3 电子科技大学硕士学位论文 议栈操作，主要决定于终端的计算性能，所以计算切换延迟时可以忽略) 。而其中t d 由 于我们切换到c d m a 后的i p v 6 路由通告是本机发出的，所以也可以忽略。而又由于我们 切换到c d m a 网络时，三层的切换是由本机发送路由通告来触发的，所以t d 也可忽略。 对于本文重点讨论的从w l a n 到c d m a 的垂直上行切换，主要的延时发生在切换处理 阶段的t r 上，洲发出的b u 和h a 返回的b a 将在带宽较低，且拥塞状况难以预期和控制 的c d m a 网络上传送，这常常导致切换的失败。 2 2 2切换丢包率分析 切换中的丢包率其实是指c n 向m n 发送数据包的一次失败递送率，即不考虑面向连 接通信的重传机制，只考虑该数据包首次发送是否送达m n ，如果没有，则计入丢包率中。 水平切换时，一般情况下因为m n 切换前后网卡不变，所以必然有一个断掉该网卡 原链接，重新接入新链路的过程，这称做硬切换。在这种情况下，c n 发向州的数据包 中的目的地址是原链接上已经失效的地址，所以将被丢弃。此时丢包率是无法避免 的，只能通过减少从断掉原链路到新链路可用这段时间来减少。 垂直切换时，如果不做任何优化，也存在上述水平切换的问题，但是因为州切换 前后网卡不同，所以可以通过软切换的方式来消除丢包率，这在第三章会具体阐述。软 切换理论上可以使切换时的丢包率下降到0 总的来说，丢包率是延时的产物，但是其对一些应用的质量评价有特殊的意义 6 。 1 4 第三章c d m a 与r l n 之间的垂直切换问题模型及移动管理系统架构 第三章c d m a 与w l a n 间的垂直切换问题模型及移动管理系统架构 根据第二章的分析，本论文将切换问题的解决分为两个部分：切换实现和切换优化。 如图3 1 所示： 切基麦瑷 厂1 蕊i 3 1 切换实现 图3 - 1 垂直切换问题模型图 为了实现切换，我们必须解决两个方面的问题。一是移动i p v 6 本身的软件实现问 题和实验环境问题；二是让移动i p v 6 的信令和通信数据包能穿越c d m a 网络，其中关键 是后者。 3 1 1 移动i p v 6 的软件实现及整个实验环境 整个切换系统是中国联通与中国科学院计算技术研究所下一代互联网中心合作的 c n g i ( c h i n an e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t ) 项目中的支持移动漫游的多媒体会晤业务 系统的一部分，称为多媒体会晤业务移动管理系统。 关于移动i p v 6 的实现，我们最终选用了由芬兰赫尔辛基大学( h u t ) 开发的m i p l ( m o b i l ei p v 6f o rl i n u x ) 。这是一个基于l i n u x 内核的，遵从g n ug p l ( 通用公共许 1 5 一张一 一奢| 一卜 t 一 磊甭： 肌 | j l ； 一 电子科技大学硕士学位论文 可证) 条款的开源软件工程，是目前移动i p v 6 研究人员和爱好者使用最多的一个系统， 其版本更新较快，目前已能支持l i n u x2 6 1 6 的内核。 m i p l 由内核态和用户态两部分组成，内核补丁在l i n u x 内核中加入移动性支持，用 户念则用于运行时的调试与配置 6 ，7 。 我们的整个实验环境如图3 2 所示： 图3 2垂直切换切换环境 其中h a 、c n 和州均是移动i p v 6 中的网元；p d s n (