（通信与信息系统专业论文）基于移动ipv6的ad+hoc网络移动切换研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着下一代网络的发展，i p v 6 势必会取代p v 4 。而口v 6 与具有自组织自管 理功能的a dh o c 网络的结合也将会越来越多，所以对基于a dh o e 网络的移动 i p v 6 及其切换算法的研究具有十分重要的现实意义。 不论对于具有基础设施的网络还是没有基础设施的网络( a dh o e 网络) 来说移 动疋v 6 的主要功能就是提供了一种p 路由机制，使移动节点可以以一个永久的i p 地址连接到任何网络链路上，实现了移动对于上层应用的透明性。其关键技术就是 在移动过程中的切换。本文的主要研究内容就是解决a dh o e 网络下i p v 6 的快速 切换问题。 本文首先阐述了移动i p v 6 切换过程从链路层到网络层的各个阶段，介绍了现 有的几种主流切换算法并作了分析比较。结合a dh o c 网络背景知识，分析了在 这种网络下m 1 p v 6 的切换所需要作的修改，提出了基于a dh o e 网络的移动p v 6 基本算法。 其次，在基于a dh o e 网络的移动i p v 6 基本算法的基础上，结合快速切换的 思想提出了a ，m i p v 6 切换算法，并对a - m i p v 6 的切换过程中的各种情况和所作 的改进作了详细的介绍。 最后，为了支持本文提出的解决问题的思路和算法，文章给出了l i n u x 系统 f e d o r a 6 2 6 1 6 内核下移动切换软件测试系统的详细设计。同时搭建了a dh o e 网 络实验环境，通过切换软件测试系统对所提出算法的测试，得到了丰富的测试数 据，从典型的切换性能指标上验证了所提出算法的功能和性能。 关键词：a dh o c 网络，m i p v 6 ，移动切换，时延 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v d o p m e n to ft h en e x tn e t w o r k s ，t h e r ei sn od o u b tt h a t1 1 v 6w i l lt a k e t h ep l a c eo fi p v 4 a n dt h e r ew i l lb em o r ea n dm o r e 印v 6a p p l i c a t i o n sc o m b i n e dw i t ha d h o en e t w o r k sw h i c hh a st h es e l fo r g a n i z a t i o nf u n c t i o n s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt od o r e s e a r c ho nt h eh a n d o v e rp r o t o c o lo ft h ei p v 6b a s e da dh o cn e t w o r k s n e t w o r k sn om a t t e ri t 谢mo rw i t h o u ti n f r a s t r u c t u r e s ，t h em a i nf u n c t i o no fm o b i l e i p v 6i st op r o v i d eai pr o u t i n gm e c h a n i s m f o rm o b i l en o d eu s eap e r m a n e n ti p a d d r e s st oc o n n e c ta n yn e t w o r k sa sw e l la sn o ti n v o l v e db yu p p e rl e v e l s t h ek e y t e c h n o l o g yi st h eh a n d o v e rd u r i n gt h em o v ef r o mo n es u b n e tt oa n o t h e r f i r s t l y , t h i sp a p e rf i r s te x h a m t e dt h ep r o c e d u r eo fh a n d o v e rf r o ml i n kl a y e rt o n e t w o r kl a y e r i n t r o d u c e dt h ec u r r e n th a n d o v e ra l g o r i t h ma n dc o m p a r e dt h e s e a l g o r i t h m sw i n le a c ho t h e r t h e ni n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g eo fa dh o c n e t w o r k s ，a n a l y z e dt h ed i f f e r e n c e so fp v 6u n d e rw l a na n da dh o en e t w o r k s ， f i g u r e do u tt h em o d i f i c a t i o no f 口v 6u n d e ra dh o cn e t w o r k s f o r w a r dab a s i c a l g o r i t h mf o rm v 6b a s e da dh o cn e t w o r k s s e c o n d l y , a c c o r d i n gt o b a s i ca l g o r i t h mf o ri p v 6b a s e da dh o en e t w o r k s ， c o m b i n e dw i mt h et h o u g h to ft h ef a s th a n d o v e rt h i sp a p e rp r o p o s e da m i p v 6 h a n d o v e ra l g o r i t h m i n t r o d u c e dt h em o d i f i c a t i o no fa - m d v 6f r o mb a s i ca l g o r i t h m a n dg i v eo u tt h ed e t a i lo ft h ea m i p v 6a l g o r i t h mi ne a c hp h a s eo ft h eh a n d o v e r a tl a s t , t os u p p o r tt h es o l u t i o na n da l g o r i t h mp r o p o s e d ，d e s i g n e dah a n d o v e r s o f t w a r et e s ts y s t e mu n d e rl i n u xs y s t e mc o r e2 6 16 ，a n di n t r o d u c e dt h ed e t a i l d e s i g no ft h i ss y s t e m t h e n ，s e tu pa t e s te n v i r o n m e n t , u s e dt h eh a n d o v e rs o f t w a r et e s t s y s t e mt e s t e dt h et w oh a n d o v e ra l g o r i t h m g o tal o to ft e s td a t a , a c c o r d i n gt ot h e s et e s t d a t av e r i f i e dt h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo f t h ep r o p o s e da l g o r i t h m k e yw o r d s ：a dh o cn e t w o r k s ，m i p v 6 ，h a n d o v e r ，l a t e n c y i i 图表目录 图表目录 图2 1 移动口v 6 中主要功能实体示意图。5 图2 2 链路层切换流程示意图7 图2 3 返回路由可达过程示意图8 图2 4 移动切换基本场景的架构图9 图2 5 快速切换控制报文交换图1 1 图2 - 6h m p v 6 网络拓扑结构图13 图2 7 微移动1 4 图2 8 宏移动。l5 图3 1a dh o e 网络平面结构和分级结构示意图一1 6 图3 2 基于m v 6 的分级a dh o e 网络场景图1 8 图3 3 移动切换和代理接入路由器2 0 图3 _ 4 修改的路由器公告报文结构图一2 6 图3 - 5 修改的邻居请求报文结构图2 7 图3 - 6 地址探测请求报文结构图2 8 图3 7 地址探测应答报文结构图2 9 图3 8 子网选择算法流程图3 1 图3 - 9 代理接入路由器选取算法流程图一3 3 图3 1 0 反向隧道示意图3 4 图3 1 l 移动切换四个阶段时延图3 6 图4 _ la m 口v 6 算法网络拓扑示意图4 1 图年2a - m i p v 6 算法信令交互示意图一4 2 图4 _ 3h i 报文结构图4 5 图4 4h i a c k 报文结构图4 6 图4 _ 5 第三层链路质量探测算法流程图5 0 图5 1 试验系统软件结构框图5 2 图5 - 2 初始化m hl i s t e n 监听线程流程图5 6 图5 3 接收移动报文流程图5 6 图5 4 初始化i c r n p 6l i s t e n 监听线程流程图5 7 图5 5 接收i c m p 6 报文流程图5 8 图5 - 6 切换算法模块处理流程图5 9 图昏1 实验场景拓扑6 2 图6 2 切换总时延和通信中断时延6 3 图6 - 3 通信中断延时中的t i d 和t h ”6 4 图6 - 4t e t t l = 2 t 墙时不同t m 区间内的通信中断时延6 4 图6 5t e c t l = 2 t 憎时不同t m 的通信中断时延6 5 图6 - 6 = t m 时不同l 区间的通信中断时延6 5 v l 图表目录 图6 7t c t t i = t 憎时不同t m 的通信中断时延6 6 图6 8 不同t c t t i 不同t 曙的通信中断时延6 6 图6 9a m i p v 6 算法切换总时延和通信中断时延6 7 图6 1 0a m v 6 算法t e 。庐2 t m 时不同l 区间内的通信中断时延6 8 图6 1 la m i p v 6 算法t e t 庐2 t m 时不同t m 的通信中断时延。6 8 图6 1 2a m i p v 6 算法t c t t l 爿时不同t m 区间的通信中断时延6 9 图6 1 3a m i p v 6 算法t e t t l = t r a 时不同t r a 的通信中断时延6 9 表3 1i p v 6 的编址方式1 8 表3 2 路由器公告列表表项3 0 表3 - 3 母建立时延t i p 表3 7 表4 1 二级节点列表表项4 3 表6 1 主要节点配置6 1 v i i 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已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： 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) 始雏茹懿 日期：1 口9 1 年、5 月2 乞日 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 a dh o c 网络，是一种不需要基站等固定设施，由既是主机又是路由器的移动 终端通过无线链路链接而成的网络。在这种网络中，所有节点都具有转发的能力， 一条路由可以通过一个或多个中间节点的转发完成。正是由于a dh o c 网络有着 不需要基站等基础设施支持的特点，所以在组网和移动上有着更高的灵活性，因 此被广泛应用于战场，野外科考，救灾等无固定设施的场所。 移动口v 6 ( m o b i l cn , v 6 ) 是i e t f ( i n t o n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 工作组提出 的p 层移动解决方案，m i p v 6 t l 】提供了一种口路由机制，使移动节点可以以一个 永久口地址连接到任何链路上，实现了移动切换对于上层应用的透明性。 将移动p v 6 的技术应用到a dh o c 网络中，一方面可以利用移动i p v 6 的移动 管理技术实现移动切换和地址空间，安全性等方面的优势，另一方面又可以利用 a dh o c 网络的灵活性和更大的通信范围，建立一个快速移动的全i p 网络。所以 随着网络的发展a dh o c 网络和i p v 6 的结合将会越来越多，基于a dh o e 网络的 移动口v 6 及其切换算法的研究也将越来越具有重要的意义。 对于一个a dh o c 网络来说，移动切换是指在移动节点进行子网问的切换的 过程，它对上层协议和应用保持透明，并尽可能地减少切换过程对整个通信过程 中协议性能的影响。移动切换的性能是影响移动性和通信质量的一个重要因素。 移动切换的主要衡量指标又分为丢包率、移动时延和信令负载这三个方面。丢包 率在很大程度上取决于切换时延，并且可以通过缓存技术降低丢包率，所以切换 时延是反映移动切换算法性能的主要指标。 对于有a p 等基础设施的单跳网络( 如w l a ，口v 6 的移动切换的研究和应 用已经非常成熟了，已提出的切换算法有f m i p v 6 ( f a s th a n d o v c r sf o rm o b i l e i p v 6 ) ，h m i p v 6 ( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6 ) 等。但对于a dh o c 网络，i p v 6 的移动切 换的研究还十分欠缺，文献【2 】采用一种改进的基于路由算法i p v 6 a dh o c 网络切 换算法，并搭建实验床测试出切换时延，但是测试场景包含部分纯基站模式子网 以及节点在a dh o c 模式和基站模式的转换，并不是在纯a dh o e 模式下完成，无 电子科技大学硕士学位论文 法真实反映此算法在a dh o c 网络中的切换性能。文献【3 1 提出了一种i p v 6 网络环 境中移动口v 6 与a dh o c 网络集成的设计方案并介绍了其软件实现方法，但是只 有在实验平台上定性得出网络的连通性，并没有测试数据验证其性能。所以，提 出基于a dh o c 网络的移动m v 6 切换算法并实现和分析是本文的主要工作。 1 2 研究目标与内容 对移动切换的研究目标不外乎是降低主机在移动到外网过程中的切换延迟和 丢包率，提高服务质量，最终实现移动切换对上层用户的透明并减少对通信性能 的影响。由于以前的研究主要集中在有基站等基础设施的单跳网络，a dh o c 网络 研究不多。并且a dh o c 网络结构的特殊性决定了它在移动节点路由，链路层地 址探测，报文转发等方面与单跳网络的不同。所以本文的主要研究目标就是解决 a dh o c 网络下口v 6 的快速切换问题。 本课题是国家预研项目的组成部分，用于a dh o c 网络的各种应用场景。本 文主要对以下方面进行了研究： ( 1 ) 阐述了移动m v 6 的切换过程，包括从链路层到网络层的各个阶段，介绍 了现有的几种主流切换算法并作了分析比较。介绍了a dh o c 网络背景知识，分 析了这种网络下m p v 6 的切换过程和需要做出的修改，提出了基于a dh o e 网络 的移动口v 6 基本算法。 ( 2 ) 在基于a dh o c 网络的移动p v 6 基本算法的基础上，结合快速切换的思 想，提出了一种第2 层和第3 层相结合的a m i p v 6 切换算法。详细介绍了a m i p v 6 的切换过程中所做的改进及其中用到的各种修改后的报文，分别分析了a m i p v 6 在同频点子网间切换和非同频点子网间切换两种情况的区别。 ( 3 ) 在对a dh o c 网络下m i p v 6 切换过程的研究的基础上开发了l i n u x 系统 f e d o r a 6 2 6 1 6 内核下移动切换软件测试系统。在该移动切换软件测试系统中实现 了基于a dh o c 网络的移动妒v 6 基本算法和a m m v 6 切换算法。 ( 4 ) 在室内环境中使用无线网卡构建了数据链路层为8 0 2 1 1 b 的同频点a d h o c 网络实验环境，并在此网络环境中对基于a dh o c 网络的移动i p v 6 基本算法 和a m i p v 6 切换算法的移动切换时延进行了测试，得出了这两种算法的移动切换 时延数据，并对影响时延的参数和延时数据进行了分析。通过两种切换算法的对 比，验证了a m i p v 6 移动切换改进算法在a dh o c 网络中的性能。 2 第一章绪论 1 3 本文的结构 根据当今a dh o c 网络的发展趋势，本论文充分考虑了分级a dh o e 网络的结 构与口v 6 协议的特点，结合几种现有的主流切换算法，提出了基于分级a dh o e 网络的移动口v 6 基本算法以及在其基础上改进的跨层a m i p v 6 切换算法。本文 的主要结构如下： 第一章为绪论，介绍了课题的背景和意义，以及研究的目标与主要内容。 第二章介绍了移动i p v 6 和切换相关协议和技术，阐述了移动p v 6 的切换过 程以及几种现有的切换算法的分析与比较。 第三章介绍了a dh o c 网络的特点，分析了在这种网络下m 口v 6 的切换所需 要作的修改，提出了基于a dh o c 网络的移动i p v 6 基本算法。 第四章在基本算法的基础上快速切换为切入点，根据移动环境下实时传输的 要求，分析了移动i p v 6 快速切换需要解决的问题，即较高的丢包率和切换开销。 针对这些问题，本文提出了改进的切换算法a m p v 6 。 第五章介绍了在此算法基础上开发的f e d o r a 6 下a - m i p v 6 软件测试系统。 第六章对a m i p v 6 软件测试系统在搭建的实验场景下进行了测试，得出了其 切换时延的数据并进行了分析。 第七章对论文结论进行了总结，并对未来的工作进行了展望。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章移动i p v 6 网络中的移动切换技术 移动i p v 6 网络中的移动切换过程可以分为链路层切换和网络层切换两个阶 段。由于网络层切换( 涉及到移动检测，地址配置，家乡绑定，返回路径可达过程 和对端绑定) 延迟比较大，而链路层切换的延迟很小，所以对切换延迟的研究主要 集中在网络层切换阶段。f m i p v o ( 快速移动i p v o 切换) ，h m i p v 6 ( 层次移动口v 6 切换) 等切换算法的提出都是为了解决如何减少网络层切换延时的问题。 2 1 移动i p v 6 基本概念 i p v 6 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 ) 设计的用于替代现行版本m 协议 ( i p v 4 ) 的下一代p 协议。 作为给i p v 6 协议提供移动性支持的移动i p v 6 协议，主要的功能就是移动节 点在改变其网络接入点时，不必改变其口地址，就能够保持通信的连续性，对上 层协议保持透明，与网络中的其他节点能够进行正常的通行并能在通信过程中保 证原有的安全性。 2 1 1 移动i p v 6 功能实体 移动口v 6 中的主要功能实体有四种，分别是移动节点，家乡代理，对端节点 和接入路由器，如图2 1 所示。 移动节点m n ( m o b i l en o d e ) ：是指从子网链路切换到另一个子网链路的主机 【4 】。当移动节点改变它的接入点时，不需要改变其口地址，使用原来的口地址 就能够继续与其他节点进行通信。 家乡代理h a ( h o m ea g e n t ) ：是指位于移动节点的家乡链路( h o m el i n k ) 上的路 由器。当移动节点离开家乡网络时，它负责把发往移动节点的分组通过隧道转发 给移动节点并维护移动节点当前位置信息，在返回路径可达过程( r e t u r n r o u t a b i l i t yp r o c e d u r e ) 过程中完成家乡测试的相关报文的中转。 4 第二章移动口v 6 网络中的移动切换技术 图2 1 移动m v 6 中主要功能实体示意图 接入路由器a r ( a c c e s sr o u t e r ) ：是指位于移动节点当前访问的网络上的路由 器，为注册的移动节点提供路由服务。它接受移动节点的家乡代理通过隧道发送 过来的报文转发给移动节点并对移动节点发出的报文提供默认路由器的服务。 对端节点c n ( c o r r e s p o n d e n tn o d e ) ：指所有与移动节点通信的节点。当移动 节点离开家乡网络时，对端节点先通过家乡代理间接与移动节点进行通信，在获 得移动节点的转交地址信息后直接与移动节点进行通信。 2 1 2 移动i p v 6 基本术语 家乡网络( h o m en e t w o r k ) ：是指与移动节点的家乡地址具有相同网络前缀的 网络，在进行对端绑定之前发往移动节点家乡地址的报文会被转发到其家乡网络。 家乡地址( h o m ea d d r e s s ) ：是指移动节点拥有的固定的，长期有效并可以唯 一标识此节点的口v 6 地址。 外地网络( f o r e i g nn e t w o r k ) ：是指除了移动节点的家乡网络以外的所有网络， 也就是所有与移动节点家乡地址具有不同网络前缀的网络。 转交地址( c a r e - o fa d d r e s s ) ： 是指在移动节点离开家乡链路之后，通过无状 态配置生成的用于接入当前网络的临时的i p v 6 地址并且可以同时有多个。 移动过程( m o v e m e n t ) ： 是指移动节点从当前链路移动到另外一个链路的过 程。当一个移动节点没有连接在它的家乡网络时，就认为这个移动节点“离开家 乡一处于外地网络。 电子科技大学硕士学位论文 绑定( b i n d i n g ) ：是指将移动节点的家乡地址和转交地址相关联的过程，与家 乡代理的关联叫家乡绑定，与对端节点的关联叫对端绑定。绑定所关联的内容还 包括过期时间等信息。 2 2 移动切换过程 移动切换过程分为8 0 2 11 b g 协议规定的链路层切换和移动i p v 6 规定的网络 层切换两个阶段，本节就这两个阶段分别作出介绍。 2 2 1 链路层切换中的8 0 2 1 1 协议 8 0 2 1 1 协议规定数据链路层分为有a p 模式和无基础设施的a dh o c 模式，对 于一般的w t 砧q ( 无线局域网) 单跳网络链路层切换使用到的是有a p 模式【5 】。 有a p 模式的8 0 2 1 l m a c 层切换是断开与原有a p 的连接，并接入新a p 的 过程【6 】。它可以分为5 种基本服务过程：关联、解除关联、重新关联、认证和解 除认证。 切换的一般过程分为两大阶段：发现a p 和接入a p 。在发现a p 的阶段有被 动和主动两种扫描方式。被动扫描是m n 通过接收a p 周期性广播的信标帧 ( b e a c o n ) 来发现a p ；主动扫描是m n 发现连接质量低于某一阈值时，主动发送扫 描请求，等待a p 的应答并根据应答确定周围a p 的信息。 接入阶段分成两步：认证和关联。而对于同一扩展服务集e s s i d 下的m a c 层切换，只需要重新关联而不需要重新进行认证。扫描和认证的过程如图2 2 所 示。 6 第二章移动i p v 6 网络中的移动切换技术 移髦0 点 当前a p下一个a p m n 当翮a p卜一个a p 频点l 扫描请求 、 ， ，频点1 扫描应答 、 、 频点n 扫描请求 、 ， ，颏点n 扫描应答 认证请求 、 ， ， 认证应答 、 关联请求 、 ， ， 关联应答 。 网络层切换 、 ：n 。r ： d a t a o卜 。- q- 7 图2 - 2 链路层切换流程示意图 2 2 2 网络层切换中的m i p v 6 基本协议 2 2 2 1 网络层移动切换主要操作 移动检测：移动节点通过移动检测算法对接收到的路由器公告和节点自身的 信息进行判断来检测移动节点是否发生了移动，在标准协议中移动检测一般通过 邻居发现协议的路由器发现协议和邻居不可达检测来实现，也可以利用其他信息 如链路状态信息来实现。 重复地址检测：在移动节点生成了新的转交地址之后，要对这个转交地址进 行重复地址检测，以确认其唯一性。 家乡绑定：移动节点在改变主转交地址之后，须发送绑定更新到家乡代理进 行注册，使家乡代理能够把只知道其家乡地址的节点发来的分组转发到移动节点 的当前位置。向家乡代理注册的过程叫做家乡绑定。 返回路由可达过程：返回路径可达过程通过家乡测试初始化、家乡测试以及 转交测试初始化、转交测试两组消息对来分别测试目的地址是家乡地址和转交地 址的分组能否到达移动节点，索引和密钥选项可以防止恶意绑定，如果任一测试 失败，对端节点将拒绝移动节点发起的对端绑定。返回路由可达过程的报文交换 7 电子科技大学硕士学位论文 情况如图2 - 3 所示。 移动节点 返回路由可达过程 家乡代理对端节点 一一 ”0翕莨兰酒啊jl 对端绑定：当移动节点完成家乡绑定后，就可以收到来自家乡代理隧道转发 过来的报文，但是家乡代理的转发造成了三角路由，为了使对端节点与移动节点 的路由更优化，移动节点需要向对端节点发送绑定更新来发起一个对端绑定过程。 对端绑定之前需要发起一个返回路由可达过程来防止恶意绑定。 2 2 2 2 网络层移动切换数据结构 家乡代理列表( h a l ) ：h a l 中记录的是本家乡代理所服务链路上的所有家乡 代理的信息，接受到一个设置了家乡代理( h ) 比特有效的路由器通告时，家乡代理 会创建一个新条目，或者更新已有的相应条目。 绑定缓存( b c ) ：对端节点会为其他节点维护一个用于优化路由( 主要针对三角 路由) 的b c ，记录其他节点家乡地址与转交地址的绑定情况，当发送数据包时， 对端节点都会首先搜索b c ，如果有绑定表项的话就在报文的目的地址中使用转 交地址替换家乡地址。 绑定更新列表( b u l ) ：b u l 记录该移动节点发送的每一条绑定更新信息。其 中包括发送至家乡代理和对端节点的绑定信息。表项中记录了绑定过程进行到的 不同状态，包括等待返回路由可达过程、等待绑定确认和完成绑定等。 2 2 2 3 网络层移动切换基本过程 图2 4 是移动切换基本场景的架构图，m o b i l en o d e 代表移动节点， c o r r e s p o n d e n tn o d e 代表对端节点h o m ea g e n t 代表家乡代理，a c c e s sr o u t e r 代 第二章移动i p v 6 网络中的移动切换技术 表接入路由器。 c o r r e s p o n d e n tn o d o 图2 4 移动切换基本场景的架构图 ( a ) 移动节点连接在家乡链路时，其工作过程如下： 当移动节点在家乡时，发送至家乡地址的数据包使用传统的互联网路由机制 路由至移动节点的家乡链路，其工作方式与任何固定的主机和路由器的工作方式 一致。 ( b ) 移动节点离开家乡链路连接到某外地链路时，其工作过程如下： ( 1 ) 移动检测通过移动检测算法确定移动节点离开家乡链路移动到了外地链 路。 ( 2 ) 通过无状态地址自动配置机制，生成主转交地址，该转交地址的前缀与 外地网络相同。 ( 3 ) 移动节点发送绑定更新给家乡代理。 ( 4 ) 家乡代理在绑定缓存中记录移动节点的注册信息，在网络中广播路由器 公告申明移动节点的绑定信息，并返回绑定确认消息给移动节点。同时建立从家 乡代理到移动节点的双向隧道。 ( 5 ) 对端节点并不知道移动节点已经发生了移动，所以由对端节点发往移动 节点的数据包仍然发送给移动节点的家乡链路，家乡代理于是将该数据包截获。 ( 6 ) 家乡代理截获该数据包后，通过隧道封装后发往移动节点所在的外地网 络。 ( 7 ) 移动节点收到来自隧道的报文，发送绑定更新给对端节点，完成通信注 册过程。 9 电子科技大学硕士学位论文 ( 8 ) 对端节点返回绑定确认，对端节点再发送报文到移动节点时，查询绑定 缓存中移动节点注册的转交地址，用转交地址与移动节点直接进行通信，消除了 三角路由实现路由优化。 2 3 常用切换算法 2 3 1f m i p v 6 快速切换( f m i p v 6 ，f a s th a n d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6 ) 是指m n 在和以前的接入 路由器( p a r ) 还保持着链路层和网络层的连接的时候便开始搜集外地网络的信 息，提前启动网络层的切换的一种预先切换技术。m n 在移往新的链路之前，先 启动一个切换规程预先获取新链路上的c o a ，通过在p a r 和外地网络路由器 0 n a r ) 之间以及p a r 与m n 之间交换新增的报文实现。这种方法需要m n 预知自 己即将要移动到的新的链路，需要链路信息的支持。快速切换的控制报文交互过 程如图2 5 所示【刀。 m i p v 6 快速切换过程分为两种情况，一种是由m n 发起的切换，另一种是由 网络发起的切换。 网络发起的切换的情况：当m n 和p a r 还保持通信连接时，p a r 预测到m n 将会移动到一个新的网络，p a r 首先完成和n a r 之间的信令交互，当p a r 具备 m n 所需的信息之后，开始与m n 之间的信令交互，启动m n 的网络层切换。 m n 发起的切换的情况：当m n 和p a r 还保持通信连接时，m n 通过链路层 触发机制预测到自己会移动到的新网络的有关信息，主动启动与p a r 的信令交互 来实现网络层切换。 1 0 第二章移动口v 6 网络中的移动切换技术 m n p n a n a r 、逸， 町 j 咝l 一 。，夕 翻别 弋弓 f - b u a o ( 、 f - n a 。 业丛一d a t a 图2 5 快速切换控制报文交换图 f m i p v 6 移动切换过程如下嘿 ( 1 ) m n 收到链路层发出的触发消息后，启动m i p v 6 快速切换过程，向p a r 发出代理路由器通告请求( r t s o l p r ：r o u t e rs o l i c i t a t i o nf o rp r o x ya d v e r t i s e m e n t ) ：消 息，其中包含m n 即将切换到的外地路由器的链路层地址或者标识符。 ( 2 ) p a r 和n a r 进行信令交互形成，获得m n 在新网络使用的转交地址。p a r 发出一个切换发起( h i ：h a n d o v e ri n i t i a t e ) 消息给n a r ，h i 消息中包含m n 在p a r 所管理的网络上用的旧转交地址( p c o a ：p r e v i o u sc a r eo f a d d r e s s ) ，如果在p a r 上 使用p v 6 的无状态自动配置，h l 消息中还包含p a r 为m n 生成的新转交地址 ( n c o a ：n e wc a r eo f a d d r e s s ) 。 ( 3 ) n a r 收到h l 消息后，如果其中包含m n 的n c o a ，n a r 将通过重复地 址检测检验其是否可用。如果h l 消息中没有n c o a ，n a r 将给m n 分配一个可 用的n c o a 。然后，n a r 发送一个切换确认消息( h a c k ：h a n d o v e r a c k n o w l e d g e m e n t ) 消息给p a r ，告诉p a r 移动节点的n c o a 或者指示n c o a 是 否可用。 ( 4 ) 当p a r 完成和n a r 之间的信令交互之后，就会发送一个代理路由器通 告( p r r t a d v ：p r o x yr o u t e ra d v e r t i s e m e n t ) 消息到m n 作为对r t s o l p r 的应答。在 p r r t a d v 消息中包含了m n 所需要的第三层切换消息，提供n a r 的网络前缀或 电子科技大学硕士学位论文 者地址，以及m n 在n a r 上使用的n c o a 。 ( 5 ) 如果是在网络发起的切换中( 由p a r 发起) ，当p a r 完成和n a r 之间的 信令交互之后，切换所需信息就绪时，虽然没有收到过m n 发送的r t s o l p r ，p a r 会主动将p r r t a d v 发送到m n ，作为对切换开始的触发，其中提供m n 将移动的 指示和将要发生的切换中使用的关于n a r 的信息。 ( 6 ) m n 收到来自p a r 的p r r t a d v 消息之后，向p a r 发送一个快速绑定更新 消息( f b u ：f a s tb i n d i n gu p d a t e ) 消息，告诉p a r 停止向m n 转发分组，建立一个 从p a r 到n a r 的临时双向隧道，把发往m n 的分组通过此隧道转发到n a r 。 ( 7 ) 当n a r 收到发往以n c o a 为目的地址的分组，或者由p a r 到n a r 双向 隧道发送来的原本发往p c o a 的分组时，n a r 都将其转发到m n 的n c o a 。 ( 8 ) 收到f b u 消息后，作为回应，p a r 发送一个快速绑定确认消息( f b u a c k ： f a s tb i n d i n ga c k n o w l e d g e m e n t ) 消息，f b u a c k 不仅要发送到p a r 的网络，还要 通过双向隧道发送到n a r 的网络，以使m n 无论发生了第三层切换没有都能够 收到f b u a c k 。 ( 9 ) m n 发生第二层切换到达新网络之后，发出一条快速邻居通告( f n a ：f a s t n e i g h b o ra d v e r t i s e m e n t ) ，n a r 收到此消息之后开始向m n 的n c o a 转发分组。 ( 1 0 ) n a r 收到f - n a 后向m n 发送一条快速邻居通告确认( f n a a c k ：f a s t n e i g h b o ra d v e r t i s e m e n ta c k n o w l e d g e m e n t ) 。 2 3 2h m i p v 6 从移动切换过程的描述中可以看出，移动切换中需要进行大量的控制报文交 换，而这些报文交换过程本身就会带来切换的时延，所以我们应该尽可能的减少 切换中的报文交换。而一般情况下一半以上的移动是仅限于一个固定区域内的微 小移动。基于以上两点，提出了一种分层m i p v 6 ( h m p v 6 ：h i e r a r c h i c a lm o b i l e i p v 6 ) ，h m i p v 6 可以通过使用层次化结构，减少了移动节点与外部网络的信令交 互和注册时间，所以可以减少切换中的延时。h m i p v 6 的网络拓扑结构如图2 6 所示【8 j 。实线圆表示m a p 的管理区域，虚线圆表示a r 的通信范围。 1 2 第二章移动i p v 6 网络中的移动切换技术 图2 - 6h m p v 6 网络拓扑结构图 在h m i p v 6 中，引入一个新的称为移动锚点( m a p ：m o b i l ea n c h o rp o i n t ) 的路 由器，h m i p v 6 将一个网络分成若干个管理域，每一个管理域分配一个m a p 来管 理该域中的a r 和m n 。m n 在h m i p v 6 中有两个地址，m a p 域转交地址( m a p c a r e - o f a d d r e s s ，m c o a ) 和链路转交地址( l i n kc a r e o f a d d r e s s l c o a ) m c o a 是通 过移动锚点选项配置的在本m a p 内有效的转交地址。l c o a 是根据路由器公告中 得到的a r ( a c c e s sr o u t e r ) 网络前缀所配置的在当前a r 下有效地转交地址。m a p 的作用类似于本地家乡代理，它将m n 的m c o a 和l c o a 进行绑定，使用代理邻 居发现机制截获发向该域中发向m c o a 地址的数据分组，并通过隧道发送给m n 的l c o a 。 为了便于m a p 信息的交互，h m i p v 6 在控制报文上作了一些改动【8 】： 在a r 广播的路由器通告中加入了m a p 选项用于向m n 通告m a p 的相关信 息；在b u ( b i n d i n gu p d a t e ) 报文中增加了一个m 字段，用于标识从m n 发往 m a p 的绑定报文。 根据移动的范围不同，m n 在h m i p v 6 中的移动切换可以分为微移动和宏移 动两种情况。 2 3 2 2 微移动 微移动是指m n 在m a p 域内不同a r 间移动的情况。当m n 发生了微移动 时m n 移动到新的a r 之后，m n 通过接收a r 的路由器通告获得a r 的网络前 缀，通过无状态地址自动配置生成新的l c o a ，然后m n 只需向m a p 注册新的 l c o a 即可完成切换工作( 即将新的l c o a 与m c o a 绑定) ，因为m n 原来的m c o a 并没有改变，所以不需要重新向家乡代理和对端节点注册新地址【8 】。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 7 微移动 在m a p 收到m n 的绑定更新消息之后，向m n 返回一个绑定确认消息来指 示绑定操作成功或者显示相应的故障代码。 2 3 2 3 宏移动 宏移动是指m n 在不同m a p 之间移动的情况。当m n 发生宏移动到新的 m a p 之后，m n 通过接收a r 的路由器通告报文( 包含移动锚点选项) 获得a r 的 网络前缀和m a p 的网络前缀信息，通过无状态地址自动配置生成新的l c o a 和 m c o a , 然后m n 向m a p 发送一个绑定更新，绑定更新消息在家乡地址选项中指 定它的新的r c o a ，不使用备用转交地址子选项，用新的l c o a 作为绑定更新消 息的源地址。在m a p 上将新的l c o a 与新的m c o a 绑定。 收到绑定更新之后m a p 将对m c o a 进行重复地址检测，如果通过检测，m a p 向m n 返回一个绑定确认指示绑定操作成功或者显示相应的故障代码。m a p 注 册成功之后，m a p 在移动节点和移动锚点之间建立双向隧道。移动节点所发送的 所有数据包都将通过隧道传送至移动锚点【s 】。 在m a p 注册成功之后，如同移动口v 6 标准协