（通信与信息系统专业论文）基于ipv6的全ip网络中的移动性及其扩展.pdf

基于i p v 6 的全l p 网络中的移动性及其扩展 摘要 ( 未来的幽哿建立在全球网络之上，达到向往个人通信目 标。而i n t e r n e t 在追求大容量、高速度的同时，i p 网络的移动性也日 益成为人们追求的重要目标，成为未来i n t e m e t 研究的一个重要方向。 在现行的i p 网移动性协议中，移动i p ( m o b i l ei p ，m i p ) 协议 已经成为一种通用的标准，但它存在着很多诸如三角路由、实时切换 性能不好、占用网络资源过多、安全能性不可靠等缺点。 虽然目前已经针对这些缺陷提出了很多改进方案，可以利用隧道 技术，分级注册管理等来避免三角路由、减小网络资源耗费等问题， 提高网络性能，当远没有达到最佳方案，还存在着很多可以商榷和改 进之处。本文通过在几个关键性问题上提出新型的方案，配以仿真比 较数据来表明移动i p 在快速切换和移动性管理等方面还存在着继续 改进的余地。 本文首先对移动i p 所处的网路环境，尤其是无线数据网络进行 了简要介绍，以作为后续相关分析的背景知识。同时又对移动i p 的 背景知识以及现状作了简要介绍，给后续分析做铺垫。 接下来提出- 9 0 0 基于i p v 6 的域间快速切换技术- - d p h ，该方案 叫以通过在原有的m i p 基础上引入资源预留协议( r s v p ) 创建另一 条路径来减少中断时延，并通过对资源进行重新分配来有效的来提高 系统在发生宏切换( m a c r o h a n d o f f ) 时的性能。 仿真结果表明d p h 方案在跟m i p 和r s v pt u n n e l 两种方案在中 断时延和资源利用率两个参数指标方面相比有着明显的改善。因而将 成为宏切换中一种非常可行的改进方案。 还对移动性管理的基本思想做了简介，对现有一些移动性方案做 了介绍，并做了必要的分析，指出这些方案中存在的一些不足，然后 根据这些不足，提出了带邻居预测的单播移动i p 解决方案 ( u n p 。m i p ) ，在移动和连接预测以及层次移动管理的基础上，使用 邻居单播的方法，不仅取得了移动i p 的快速切换，而且取得了移动 i p 的平滑切换。智能的邻居发现协议避免了烦杂的手工配置过程，且 邻居单播无需使用组播协议，移动和连接预测大大减少了无线域内的 有线网的网络负载。仿真结果表明，u n p m i p 在满足实时业务方面 和获得q o s 保证方面提供了很好的性能。 ， 然后引入一种应用于区域注册管理机制方案的最优化算法，该最 优值使得网络资源的耗费达到最小。构造了一种离散的分析模型来模 拟m n 的移动性。在此模型的基础上，我们得到了一个数据包传输和 位置更新平均花费的函数。然后对该函数采用差分算法求最优值。 最后将i p v 4 向移动i p v 6 进行扩展。现行i p v 4 协议存在着一些 缺陷和弊端，而i p v 6 正好可以提供解决这些问题的方案。具体的阐 述了i p v 6 的路由协议和移动性协议，最后阐述i p v 6 的重要的安全性 问题及解决方案。并对i p v 6 的前景进行了展望。 本文最后对移动通信 题和进一步研究的方向。 行了展望，指出了亟待解决的问 本文各章节内容安排如下： 笫l 章介绍无线链路和i p 网络的基本知识，并给出了简化模型 作为后续分析的基础。 第2 章介绍移动i p 的基本知识，对它的组成、工作机制、网络 实现及现行移动i p 协议的缺陷进行了介绍，同时介绍了研究移动i p 所需的背景知识 第3 章提出了一种新型的快速切换方法，并给出了仿真和分析结 果。 第4 章，提出了一种带有移动性预测和连接预测的移动性管理方 案，给出了定性分析和仿真比较结果。 一 第5 章在上述分析的基础上提出一种可减小移动i p 资源耗费的 移动性管理方案，该方案能将分级管理中d f a 下f a 的数目进行最优 化配置。给出了算法的推导和最优值的计算，最后给出仿真结果。 第6 章对移动i p v 4 进行i p v 6 扩展，详细说明了扩展的过程，表 明i p v 6 不仅解决了i p v 4 的很多缺陷，而且还增添了很多新的功能。 第7 章对全文进行了总结，并对研究中未解决的问题以及可进一 步深入研究的方面作展望。 关键词：移动彩移窃；，无缝讶7 。f m o b i l i t yi na l l i pn e t w o r k b a s e do ni p v 6a n di t se x t e n s i o n a b s t r a c t t h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ni sb a s e do na 1 1 一i pn e t w o r k si n o r d e rt om a k et h eg o a lo fp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n a tt h es a m et i m e ， w i t hr e c e n ta d v a n c e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，m o b i l e c o m m u n i c a t i o ni sa ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ta r e ao fr e s e a r c h a l o n gw i t h t h ei n t e r n e t sp u r s u i n go fg r e a tb a n d w i d t hc a p a c i t ya n dh i g hs p e e d ，t h e h o p ef o rt h er e a l i z a t i o no fp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ne n a b l i n gm o b i l i t yi n i pn e t w o r k si sa s i g n i f i c a n ti s s u e f o rm a k i n gu s eo fm a n yp o r t a b l e d e v i c e sa p p e a r i n go nt h ei n t e r n e t i nc u r r e n ti pm o b i l i 够p r o t o c o l s ，a l t h o u g hm o b i l ei ph a db e c o m et h e g e n e r a ls t a n d a r dm o b i l i t yp r o t o c o l ，t h e r ea r es t i l lal o to fs h o r t c o m i n g s ， s u c ha s t r i a n g u l a rr o u t i n g ，i n e f f i c i e n tr e a l - t i m eh a n d o f fr o u t i n g p r o c e d u r e s ，h i g h l yb a n d w i d t hc o n s u m p t i o n ，b a ds e c u r i t yc a p a b i l i t y , e t c d e s p i t eal o to fs c h e m e so rs o l u t i o n sh a db e e np r e s e n t e db a s e do n t u n n e lt e c h n i q u e ，h i e r a r c h yr e g i s t e rm a n a g e m e n tt op r e v e n tt r i a n g u l a r r o u t i n go rt or e d u c eb a n d w i d t hc o n s u m p t i o n ，t h e r ea r es t i l lm a n yn e w t e c h n i q u e ss h o u l db ei n c l u d e di nm o b i l ei pp r o t o c o l st om a k ei tm o r e e f f i c i e n t i nt h i sa r t i c l e ，w ew i l lp r o v ei ts h o u l db ei m p r o v e dw i t h i nm a n y f i e l d st h r o u g hp r e s e n ts e v e r a ls c h e m e sw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t so n s o i t i ek e yp r o b l e m s f i r s t l y , w ew i l li n t r o d u c et h ee n v i r o n m e n tt h a tm o b i l ei pb a s e d ， e s p e c i a l l yt h ew i r e l e s sd a t an e t w o r k ，t h e no f f e ras u m m a r yo ft h es t a g e o fm o b i l ei pp r o g r e s s i n gt om a k ei te a s yf o rt h ec o m i n ga n a l y s i s i n t h i sa r t i c l e ，an e wd p h ( d o u b l ep a t hh a n d o f f ) t e c h n i q u ew a s 、 i n t r o d u c e df o rr e a l t i m et r a f f i ci nm o b i l ei p v 6n e t w o r k s m o b i l ei p p r o c e d u r e sw e r ea d a p t e dt o t h en e wi n t s e r vq o sm e c h a n i s ma n dt h e r s v pp r o t o c o lt oc r e a t ea n o t h e rp a t hi no r d e rt or e d u c et h ei n t e r r u p tt i m e b e t w e e nh a n d o f f , a n di m p r o v et h ee f f i c i e n to fm a c r o - h a n d o f ft h r o u 曲 r e l o c a t i o no fn e t w o r kr e s o u r c e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wt e c h n i q u eg r e a t l yr e d u c e d b a n d w i d t hc o n s u m p t i o nc o m p a r e dt or e l a t e dt e c h n i q u e s ，a n di m p r o v e d b a n d w i d t he f f i c i e n c yb yr e a s s i g n i n gc o n t r o l l e d - l o a dt r a f f i ct ot h eu n u s e d r e s o u r c e so nt h eh o m ep a t h c o m p a r a t i v e l yl i t t l ed i s r u p t i o nw a sc a u s e d f o rt h em nw h e nc o m m u n i c a t i o n sw e r et r a n s f e r r e db e t w e e nt h eh o m e p a t ha n dt h em o b i l ep a t h a l s oi n t r o d u c e dt h et h e o r yo fm o b i l i t ym a n a g e m e n t ，p o i n t e dt h e s h o r t c o m i n g so fc u r r e n tm o b i l i t ym a n a g e m e n tb ys o m ea n a l y s i so nt h e m p r e s e n t e dan o v e lm o b i l i t ym a n a g e m e n ts o l u t i o nn a m e du n p - m i p ( u n i c a s tn e i g h b o rp r e d i c t i v e m o b i l e 口) ，w h i c ha c h i e v e dr e a l - t i m e s m o o t hh a n d o f fb ya p p l y i n gn e i g h b o ru n i c a s tt e c h n i q u e a n dt h e s t a t e l e s sa d d r e s sa u t o c o n f i g u r a t i o na n dn e i g h b o rd i s c o v e r ya v o i dt h e b o r i n gc o n f i g u r a t i o n ，a n dt h em o b i l i t yp r e d i c t i v ea n dc o n n e c t i o n p r e d i c t i v ed r a s t i c a l l yr e d u c e dt h ec o s t so fw i r en e t w o r kw h i c hs e r v e sf o r t h ew i r e l e s sn e t w o r k s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e di tn e c e s s a r yt ou t i l i z e u n p m i ps c h e m e st oa t t a i ne x c e l l e n tq o sg u a r a n t e e t h e na l lo p t i m a ll o c a t i o nm a n a g e m e n tm e c h a n i s mf o rm o b i l ei pt h a t r e s u l t si nt h em i n i m u ms i g n a l i n gc o s ti si n t r o d u c e d an o v e ld i s c r e t e a n a l y t i c a lm o d e li sd e v e l o p e dw h i c hc a p t u r e st h em o b i l i t ya n dp a c k e t a r r i v a lp a r e mo fam o b i l et e r m i n a l g i v e nt h ea v e r a g et o t a ll o c a t i o n u p d a t ea n dp a c k e td e l i v e r yc o s t ，a ni t e r a t i v ea l g o r i t h mi st h e nu s e dt o d e t e r m i n et h eo p t i m a ls i z eo fr e g i o n a ln e t w o r k s a n a l y t i c a lr e s u l t sa r e a l s oo b t a i n e dt od e m o n s t r a t eh o wt h eo p t i m a lv a l u ec h a n g e su n d e r v a r i o u sp a r a m e t e r s f i n a l l y , w ea t t e m p tt om a k e 理、，4e x t e n d e dt oi p v 6 i p v 6i n c l u d e s m a n yf e a t u r e sf o rs t r e a m l i n i n gm o b i l i t ys u p p o r tt h a ta r em i s s i n gi ni p v 4 ， s ow eo f f e ra ni n t r o d u c t i o nt on o w a d a y si p v 6 ，l i s t e ds o m ei m p o r t a n t a d v a n t a g e so f i p v 6 ，t h e nm a d eap r e d i c t i o no fi t sf u t u r ep r o g r e s s t h eo r g a n i z a t i o no f t h ec h a p t e r si nt h i sa r t i c l ei sa sf o l l o w s ： c h a p t e r1 ：i n t r o d u c et h ee n v i r o n m e n tt h a tm o b i l ei pb a s e d ， e s p e c i a l l yt h ew i r e l e s sd a t an e t w o r k c h a p t e r2 ：o f f e ras u m m a r yo f t h es t a g eo f m o b i l ei pp r o g r e s s i n gt o m a k ei te a s yf o rt h ec o m i n ga n a l y s i s c h a p t e r3 ：an e wd p ht e c h n i q u ew a si n t r o d u c e df o rr e a l t i m e t r a m ci nm o b i l ei p v 6n e t w o r k s c h a p t e r4 ：p r e s e n t e dan o v e lm o b i l i t ym a n a g e m e n ts o l u t i o nn a m e d u n p m i p , w h i c h a c h i e v e dr e a l t i m es m o o t hh a n d o f fb y a p p l y i n g n e i g h b o ru n i c a s tt e c h n i q u e c h a p t e r5 ：a no p t i m a ll o c a t i o nm a n a g e m e n tm e c h a n i s mf o rm o b i l e i pt h a tr e s u l t si nt h em i n i m u ms i g n a l i n gc o s ti si n t r o d u c e d c h a p t e r6 ：i p v 4e x t e n s i o nt oi p v 6 c h a p t e r7 ：m a k eap r e d i c t i o no ff u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ：m o b i l ei v , m o b i l en o d e ，s e a m l e s sh a n d o f f , d f a 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 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和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位敝储签名攻照 指导教师签名：蓓旋鸽 吼加年争月，7日期伽年2 月” 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学雠文储签名汝硅 日期：知弓年，月，7 曰 上海交通大学硕士学位论文 绪论 从1 8 7 9 年意大利科学家m g 马可尼利用无线电波进行信息传输获得成功之 后，移动通信经历了近一个世纪的发展，通信质量越来越好，技术越来越成熟、 应用手段越来越多，其技术已经渗透到军事、民用等各个领域之中。 随着社会的进步，科学技术的发展，人们越来越希望能随时随地，及叫刈靠 的进行信息交流，i n t e m e t 让地球成为了“地球村”，移动通信使用户可以随时随 地进行交流。这也使得移动通信成为现代通信技术发展的重点方向之一。 随着专业知识的学习积累我希望能在这之中贡献自己的微薄之力，以助于将 移动通信技术带入到一个新的里程碑 从2 0 0 0 年9 月开始，在导师和师兄的悉心指导下，我选择“基于i p v 6 的全 i p 网络中的移动性及其扩展”作为我的研究方向。 这主要出于以下考虑：首先，未来社会中，随着移动电脑和p d a 等移动终 端日新月异的发展，i p 网络在追求大容量、高速的同时，其移动性也日益成为 人们追求的重要目标，成为未来i n t e m e t 的一个重要增长点；其次，现阶段虽然 有很多无线接入的解决方案( g p r s 、c d m a 等) ，但都不是针对纯i p 网络，无 法和现有的固定i p 网路实现无缝连接，致使有线网的很多成熟的技术例如w e b 、 h t t p 、f t p 等无法直接进行应用，因而仍有很大的发展空间。最后，我个人对 移动i p 十分感兴趣，也曾做过一些这方面的知识积累，因而希望能在这个方向 上做些研究，提出对现阶段移动i p 协议的改进方案，使其更好的支持未来的无 线i n t e r n e t 网络。 为了了解移动i p 标准的现状及其未来的发展方向，我查阅了一些相关论文 和标准，并针对已提出的无线因特网切换方案( 如m o b i l ei p ) 的若干局限性， 提出一种称作“双路切换”的基于i p v 6 的快速切换方案。该方案将在移动i p 基 础上对域间切换方案进行改进，通过结合资源预留协议( r e s o u r c er e s e r v a t i o n p r o t o c o l - - r s e v ) 快速恢复会话层数据流的通信连接，减少切换中断时延、降低 丢包率和资源占用，使得在基于i p 的无线网中能够在保证实时业务q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ) 的同时支持大范围的移动性，和m i p ( m o b i l ei p ) 方案相比，只要 求增加路由器端提供对i p v 6 的支持，无需做其他改动。 本文中的研究结果都利用n s 2 仿真软件进行了验证。n s 2 是一个开放源码的 仿真工具，具有公认性和权威性。 本文是对我在硕士期间研究成果的总结，所提出的解决方案对于希望提高移 动i p 在无线全i p 网络中性能的工程设计人员具有借鉴意义。各章节内容安排如 下： 第l 章“移动数据网概述”，介绍无线链路和i p 网络的基本知识，并给出了 上涛交通大学硕士学位论文 简化模型作为后续分析的基础。 第2 章“移动p 简介及其背景知识”，介绍移动i p 的基本知识，对它的组 成、工作机制、网络实现及现行移动i p 协议的缺陷进行了介绍。同时介绍了研 究移动i p 所需的背景知识 第3 章“面向网络实时业务的快速切换”， 第4 章“可减小移动i p 资源耗费的移动性管理方案”先通过刈资渊托龇进 行建模，得出数学模型，然后进行最优化分析，得出结论。 第5 章“移动性管理”在上述分析的基础上，提出基于邻居单播预测的移动 性管理方案。 第6 章“对移动i p 进行i p v 6 扩展”详细说明了扩展的过程，表明i p v 6 不 仅解决了i p v 4 的很多缺陷，而且还增添了安全性保证、自动获取c o a 等很多新 的功能。 第7 章“总结和展望”对全文进行了总结，并对研究中未解决的问题以及可 进一步深入的方向作一展望。 上海交通大学硕士学住论文 1 移动数据网概述 1 1 无线数据网络的构成 无线数据网络的范围非常广泛，包括各种蜂窝小区制的移动通信系统、无线 局域网、固定点无线接入等。这类网络的共同特点是在用户和基站( f a s es t a t i o n ， b s ) 之间建立无线链路，用户通过基站接入主干网。 蜂窝制的移动通信系统目前发展迅速，包括已经在我国获得广泛应用的 g s m 移动通信网络是典型的第2 代移动通信系统；即将大范围投入应用的 n c d m a 和g p r s 则属于2 5 g 移动通信系统；而未来的3 g 网络也是基于蜂窝 小区技术的移动通信系统。 蜂窝系统的基本原理为，首先在地面或屋顶安装许多基站，每个基站可以覆 盖一定的范围，称为一个“小区”( c e l l ) ；基站之间通过地面的有线网络互联； 用户与当前所在小区的基站建立通信，然后由基站负责将该用户接入到核心网， 完成通信过程。用户在通信过程中如果从一个小区移动到另一个小区，则需要进 行“切换”( h a n d o f f ) 操作，切断与原小区基站之问的无线连接，和新小区的基 站之间建立新的连接。 其他无线数据网络的原理与蜂窝系统类似，有的如无线局域网、蓝牙等无线 通信方案不支持切换，那么用户的移动范围将被限制在一个小区范围内。 图卜i无线数据网络的组成 f i g l 一1 w i r e l e s sd a t an e t w o r k 无线数据网络的组成如图1 - 1 所示，作为有线网络和无线链路的连接枢纽， b s 的地位非常重要，技术最复杂，造价也非常的昂贵。而在移动数据网络中， b s 一般相当于i n t e m e t 中的接入路由器( a c c e s s r o u t e r ) 或称边缘路由器( e d g e 上海交通大学硕士学位论文 r o u t e r ) ，本文以后的路出器将和b s 通用。 1 2 网络协议的体系结构 流行的t c p i p 网络体系模型包括4 层协议：应用层、传输层、网络层和子 网接口层，这一模型是在o s i ( 开放系统互联，o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 的 7 层模型上做了简化。其中，o s i 的上3 层( 应用层、表示层和会话层) 对应于 t c p i p 模型中的应用层，而子网接口层对应于o s i 的数据链路层和物理层。这 两个模型的对应关系如图1 2 所示。 ， 应用层 表示层 台话层 传袖层 同耋苦屉 鼓梧链；层 物理层 鹰滞层 传翰层 一铬层 子同接口层 o $ 1 的7 层模型t c pj i p 的4 层模型 图i - 2 分层的协议体系结构 f i g l 2l a y e r e dp r o t o c o la r c h i t e c t u r e s m n 、h a 和f a 属于端结点，拥有全部的4 层协议。b s 属于中间结点，具 有下3 层协议( 物理层、数据链路层和网络层) 。b s 也可以可以扩展到具有传输 层和应用层。代理检查所转发的应用数据，可以增强传输的某些性能。 1 3 无线链路中的主要技术和特点 高层协议( 1 p 、t c p ) 认为数据分组( p a c k e t ) 是在一条“无线链路”上进 行传输的。这里的无线链路是一个逻辑上的概念，影响其特性的因素除了无线信 道本身外，还包括数据链路层的编码、交织、接入、差错检验和重传方案对数据 帧传输的影响。 与其它通信信道相比，无线信道是最为复杂的种。相比有线信道，无线信 道非常不可靠。多径时延、衰落、噪声和干扰都会增大无线链路的误码率。例如， 模拟有线信道中典型的信噪比约为4 6 d b ，也就是说，信号电平要比噪声电平高 4 0 0 0 0 倍。用户移动带来的跨小区切换可能会造成短暂的通信停顿。无线信道的 不可靠性带来许多问题。 上海交通大学硕士学位论文 出于周围建筑、树木等的遮挡、反射，以及地形等的限制，从基站到用户的 无线电波存在多径传输现象。多径时延和多径衰落( 快衰落) 都会造成误码率的 上升。由于用户和环境物体的运动，多径分量在不断地变化。根据信道衰落的不 同特性，分为快慢衰落和频率选择性非选择性衰落1 2 j 。通常用瑞利( r a y l e i g h ) 或莱斯( r i c e ) 分布来描述快衰落信道的接收信号功率。 而且对有线信道来说，其传输质量是可以控制的。通过选择合适的材料与精 心加工，可以确保在有线传输系统中有一个相对稳定的电气环境。有线传输线路 中，信噪比的波动通常不超过1 - 2 d b 。只有当某段线路运行了相当长一段时间后， d j 于线路损坏逐步带来的损耗也许可达1 0 1 5 d b ，但在这种情况下，就需要对这 段线路进行更新了。 与此相对照，移动无线信道中信号强度的骤然降低即所谓衰落是经常发生 的，衰落深度可达3 0 d b 。在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收 信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。这种衰落现象严重恶化接收信号的质 量，影响通信可靠性。 在蜂窝移动环境中，同频干扰是一个必须考虑的问题。当发生衰落时，要接 收的信号也许比同频小区基站来的干扰信号还要弱，接收机就会锁定在错误信号 上。模拟移动通信多采用调频传号，调频方式的捕获效应对同频干扰有一定的抑 制作用。而衰落现象会显著改变调频信号特性，消弱其捕获效应。对于数字传输 来说，衰落将使比特误码率( b e r ) 大大增加。 移动信道与非移动点对点无线情道相比，信号传输的误比特串前者比后者高 1 0 6 倍。与此相对照，有线信道中能够很好工作的语音编码器、调制解调器和同 步装置在移动环境中工作性能将会大大恶化。 移动信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。不同的环境，其传播特性也 不尽相同。例如，一个有许多高层建筑的大城市与平坦开阔的农村相比，其传播 环境有很大不同，两者的移动信道特性也大有差异。而传播环境本身是相当复杂 的，这就使得移动信道特性也是十分复杂的。复杂、恶劣的传播条件是移动信道 的特征，这是由在运动中进行无线通信这方式本身所决定的。 对于移动通信来说，恶劣的信道特性是不可回避的问题。要在这样的传播条 件下保持可以接受的传输质量，就必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影 响。这就是各种抗衰落技术，包括分集、扩频跳频、均衡、交织和纠错编码等。 另外，信号传输方式，如调制方式，对信道中的衰落也要有一定的适应能力。许 多抗衰落实用技术已成功地应用于模拟无线系统。在数字移动通信中，针对数字 传输的特点又发展出许多新技术。各种抗衰落技术和数字传输技术的研究对发展 数字移动通信系统是十分重要的。 上海交通大学硕士学位论文 1 4 无线网络中的l p 层协议 i p 属于网络层协议，是i n t e m e t 的基础，起源于美国国防部的a p a r n e t i3 1 。 电子邮件、u n i x 、浏览器在i p 发展的不同时期起了巨大的推动作用。几经发展， i p 已经成为网络互联的事实标准，i n t e m e t 上已有的主机和信息资源，是无法估 价的宝贵财富。 i p 网络是一种无连接的数据报子网。源端的数据发送单位称为一个“分组”， 分组的i p 头部带有该分组的源地址和目的地址。各个中间结点在收到一个分组 后，根据目的地址选择最佳路由转发该分组。源端在发送分组之前无需建立连接。 分组有时也被称为i p “数据报”( d a t a g r a m ) 。事实上，i c m p 和u d p 协议就是 使用一个i p 分组来发送一个真正的数据报。 i p 分组的格式如图1 5 所示【7 1 。分组头部的各字段含义简单说明如下。 v e r s i o n ( 版本，4b i t s ) ：当前i p 协议的版本号。目前使用的i p 协议为i p v 4 ， 版本为4 。下一代i p ( i p v 6 ) 的版本为6 1 。 i h l ( i m e m e t h e a d e r l e n g t h ，i p 头部长度，4 b i t s ) ：i p 头部的长度，以3 2b i t 为单位。i p 头部最长可以为6 0 字节，最短为2 0 字节，变长的头部允许附带多 个头部选项。除了i p 头部，分组通常还带有各自协议的头部，例如t c p 或u d p 头部，也至少为2 0 字节。在低速链路中，认为头部开销( 至少4 0 字节) 过大， 需要进行适当的健壮头部压缩( r o b u s th e a d e rc o m p r e s s i o n ，r o h c ) i s l 。现有技 术可以将4 0 字节的i p 和t c p 头部压缩到4 字节1 6 】。 078】51 62 32 43 1 v e r s i o ni h l t y p eo f s e r v i c e t o t a ll e n g t h i d e n t i f i c a t i o n f l a g s f r a g m e n to f f s e t t i m e l o l i v ep r o t o c 0 1h e a d e rc h e c k s u m s o u r c ea d d r e s s d e s t m a t i o na d d r e s s o p t i o n a l & p a d d i n g p a y l o a d 图1 - 3 分组的i p 头部格式 f i g l - 3 f o n n a to f p a c k e t s i ph e a d e r t y p eo f s e r v i c e ( t o s ，服务类型，8b i t s ) ：用于标注分组希望得到的服务质 量或者转发优先级。这个字段不断被新的r f c 重新定义。在d i f f s e r v 中，前六 位被定义为区分服务码( d i f f s e r vc o d e p o i n t ) 1 7 1 ，用于注明该流所属的业务类类 上海交通大学硕士学位论文 型。e c n ( e x p l i c i t c o n g e s t i o n n o t i f i c a t i o n ，显式拥塞通知) 使用了后两位，用于 e c n 协商和拥塞经历标记1 8 】。 t o t a ll e n g u l ( 总长，1 6b i t s ) ：包括头部在内的分组总长度。i p v 4 的分组最 人长度为6 5 5 3 5 字节。 i d e n t i f i c a t i o n ( 分组标识，1 6b i t s ) 、f l a g s ( 3b i t s ) 、f r a g m e n to f f s e t ( 分片偏 移，1 3b i t s ) ：这3 个字段用于i p 分片。当某个中间子网所支持的最大传输单位 ( m a x i m u mt r a n s m i s s i o nu n i t ，m t u ) 小于当前分组的长度时，分组必须被分成 若干个小分片后传输。每个分片仍然是一个i p 分组，长度均小于子网的m t u 。 在分组的目的端各个分片又被重新还原为原始的大分组。典型的m t u 大小： i e e e8 0 2 3 网为1 4 9 2 字节，s l i p 为1 0 0 6 字节。目前对i p 分片技术的争议很多， 普遍认为i p 分片会带来许多问题，应尽量避免使用。在i p v 6 中i p 分片只是作 为一个扩展头部。t c p 可以使用“路径m t u 发现”r g 避免中间路由器进行分 片。本文中不考虑i p 分片对性能的影响。 t i m et ol i v e ( t t l ，生存期，8b i t s ) ：目前对t t l 字段的使用与其字面含 义相差较大，分组每经过一个节点后n 乙值减一：当t t l 字段减为0 时，该分 组被抛弃。1 v r l 字段可以避免分组在网络中游荡或者兜圈子。i p v 6 中将这个字 段改名为h o pl i m i t ( 跳数限制) ，以更准确地反映其含义【4 1 。 p r o t o c o l ( 协议说明，8b i t s ) ：用于说明i p 分组的数据载荷部分属于哪一种 协议。常用的协议包括i lo j ：i c m p ( 1 ) 、t c p ( 6 ) 、u d p ( 1 7 ) 。 h e a d c h e c k s u m ( 头部校验和，1 6b i t s ) ：i p 分组对其头部计算校验和。每个 中间路由器都要计算这个校验和，如果校验出错则该分组将被抛弃。 s o u r c e a d d r e s s & d e s t i n a t i o n a d d r e s s ( 源地址& 目的地址，均为3 2b i t s ) ：分 组的源地址和目的地址。i p v 4 使用3 2b i t s 的地址空间，在i p v 6 中地址空间被扩 展到了1 2 8b i t s 。 o p t i o n s ( i p 选项，可变长度) ：i p 选项用于实现一些可选的功能，如路由记 录等。i p 选项需要加入填充位( p a d d i n g ) 以保证长度按3 2b i t s 对齐。 1 5 传输层协议 t c p f i p 协议族有两个传输层协议：t c p ( t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ，传输控 制协议) 用于实现可靠的端到端传输服务；u d p ( u s e r d a t a g r a m p r o t o c o l ，用户 数据报协议) 提供无连接、不可靠的端到端报文传输。 两种协议都利用端口号( p o r t ) 来区分主机上的通讯进程，端口号是1 6b i t s 的无符号整数。分组头部的五元组( 协议，源地址，目的地址，源端口，目的端 口) 共1 0 4b i t s ，可以用来标识一条分组流。为了方便地对流进行操作，i p v 6 在 i p 头部增加了2 0b i t s 的流标( f l o wl a b e l ) ，以代替这1 0 4b i t s 的超长流标1 4 】。 上海交通大学硕士学位论文 1 51l c p t c p 是目前i n t e r n e t 上应用最广泛的传输层协议，占据8 0 以上的流量。t c p 提供端到端的可靠传输服务，上层的待传数据被分割成一定大小的报文段 ( s e g m e n t ) 进行传输。目的端在收到每个报文段后回送确认，源端会重传丢失 的报文段。除了差错检测和恢复外，t c p 还实现了拥塞控制以避免过高的发送速 率造成网络拥塞，t c p 的拥塞控制基于滑动窗口。对t c p 的详细讨论见第2 章。 利用t c p 可以很容易地得到一条传输“字节流”的管道，管道的传输速率 受限于网络。但上层应用除了可以被动地向t c p 提供数据外，不需要也很难对 t c p 进行控制，例如应用不能主动提高发送速率。可能的操作包括：“推”数据， 要求t c p 将当前报文段立刻发送出去；在当前字节流中插入“紧急数据”。t c p 在传输开始前需要建立连接，传输结束后要关闭连接，这需要一些时间开销。 15 2u 1 3 p 相比t c p ，u d p 是一个非常简单的“薄”协议，只是简单地将应用送来的 数据报文加上一个u d p 头部，放在i p 分组的载荷部分发送出去。u d p 不检测 报文丢失，不控制发送速率，传输前也不需要建立连接，将这部分工作都留给应 用自行解决。u d p 也不对大的应用报文进行分割，如果整个u d p 分组过大，则 依靠i p 分片使之可以在m t u 较小的网络中传输。因此u d p 更加适用于对实时 性要求高、允许不可靠传输的应用，例如实时的多媒体流。这j 下是本文中需要研 究的重点。 t c p 流可以在网络中共存的重要原因在于t c p 有拥塞控制，发现网络拥塞 后会降低发送速率。而u d p 没有拥塞控制，如果允许过多的u d p 流进入网络中， 可能抢占带宽资源，造成t c p 流不能正常地工作。因此，大流量的u d p 应用必 须实现拥塞控制，使之可以和t c p “友好地”( f r i e n d l y ) 共享网络带宽。通常的 算法都是利用公式计算出允许的发送速率，并在传输过程中不断进行测量以调整 发送速率。 u d p 分组的格式如图1 6 所示f l “。