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北京邮电大学硕士学位论文 移动i p v 4 移动性管理关键技术的研究 移动ip v 4 移动性管理关键技术的研究 摘要 移动技术的发展正在改变着人们对于因特网的观点。随着p d a 、笔记本电脑 和手机等移动设备的大量使用，越来越多的因特网服务将通过无线网提供给移动 用户。移动管理是实现对移动设备无缝操作的最重要的技术。未来移动通信系统 的发展趋势是实现各种异构的无线网络的互联和交互。在这种网络中对于漫游的 处理将会更复杂。平滑地传送实时信息和多媒体信息的要求，使得设计这种移动 管理方案充满了挑战。 i p 技术在各种无线网络的移动性管理中占据了重要的地位。基于i p 的移动 通信网络协议的标准化也受到了越来越多的关注。在向3 g 无线网络发展的过程 中有两个项目组( 3 g p p 和3 g p p 2 ) 和无线移动因特网论坛( m w i f ) 共同致力于 全i p ( 移动网络体系机构有关的标准化问题。i p 移动住的标准化问题则主要是由 因特网工程任务组( i e t f ) 下属的移动i p 工作组负责。 本文首先对移动i p 技术、研究热点以及目前使用最多的微移动性管理技术 如c e l l u l a ri p ，h a w a i i ，州t p ，p - m t p 等进行了介绍；随后对网络仿真的机制和 网络仿真建模从方法论的角度进行了阐述，并对此篇论文的网络仿真工具n s 2 的基本仿真原理及流程进行了介绍：然后基于以上的算法提出自己的改进算法并 创新性的提出了整个算法的通信网络拓扑以及给出详细的通信过程描述：最后在 基于哥伦比亚大学的c o l u m b i a 脾m i c r o m o b i l i t ys u i t e ( c t m s ) 仿真套件的基础上 使用n s 2 对c e l l u l a ri p ，咖i p ，p - m i p 进行了性能比较，并说明了提出的改进算 法的可行性。 关键宇：移动i p v 4 微移动性管理p a g i n g m a p 寻呼扩展分级技术 基予移动i p v 4 的分级寻呼扩展 h 北京邮电大学硕士学位论文 移动i p v 4 移动性管理关键技术的研究 t h es t u d i o so n k e yt e c h n o l o g y o fm o b i l ei p v 4 m o b i l i t ym a n a g e m e n t a b s t r a c t m o b i l et e c h n o l o g yi sc h a n g i n gt h ep e o p l e 。sp o i n to fv i e wo i l l n t e m e t a l o n gw i t ht h e m o r e u s a g eo f m o b i l ed e v i c es u c ha sp d a ，n o t e b o o ka n dm o b i l ep h o n e ，m o r ei n t e m e t s e r v i c ei sp r o v i d e df o rm o b i l ec u s t o m e r m o b i l i t ym a n a g e m e n ti st h em o s ti m p o r t a n t t e c h n o l o g yf o ri m p l e m e n t i n gs e a m l e s so p e r a t i o no f m o b i l ed e v i c e i nt h ef u t u r e ，t h e m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m st r e n di st oi n t e r c o n n e c ta n dc o m m u n i c a t ea l lk i n d so f w i r e l e s sn e t w o r kb a s e d0 nd i f f e r e n ti n f r a s t r u c t u r e ss m o o t h l y r o a m i n gm a n a g e m e n t i s b e c o m i n g m o r ea n dm o r ec o m p l e xi nt h e s en e t w o r k s d u et od e m a n do n t r a n s m i s s i o no fr e a lt i m ei n f o r m m i o n m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n t h e d e s i g no f m o b i l i t ym a n a g e m e n t s o l u t i o ni sf u l lo f c h a l l e n g e s i pt e c h n o l o g yo c c u p i e dav e r yi m p o r t a n ts t a t u sa m o n gv a r i o u sm o b i l i t ym a n a g e m e n t t e c h n o l o g i e s t h es t a n d a r d i z a t i o no f m o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kp r o t o c o l sb a s e d o ni pt e c h n o l o g yi sg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf r o ma t lo v e rt h ew o r l d i nt h e p r o c e s so fd e v e l o p m e n t t o w a r d s3 gw i r e l e s sn e t w o r k ，t h e r ea r et w o p r o j e c tg r o u p s ( 1 3 g p p & 3 g p p 2 ；2 ，m w i f ) w h o c o m m i tt h e m s e l v e st ot h es t a n d a r de s t a b l i s h m e n t t h ei pm o b i l i t ys t a n d a r d i z a t i o ni st a k e nc h a r g eb ym o b i l ei pw o r k g r o u pb e l o n g i n g t o i e t f f i r s t l y , t h i s t h e s i s p r e s e n t t h ei n t r o d u c t i o nt ot h ew h o l ep i c t u r eo fm o b i l ei p t e c h n o l o g y , i t sh o ts p o t o fr e s e a r c ha n dm i c r om o b i l i t ym a n a g e m e n t t e c h n o l o g ys u c h a sc e l l u l a ri p , h a w a i i ，h m i p , p m i pa n de t c ，w h i c hi sm o s tu s e da tp r e s e n t s e c o n d l y t h em e c h a n i s m & m o d e l i n gm e t h o do fn e t w o r ks i m u l a t i o nf r o ma r eg i v e no u tf r o m t h ea n g l eo fm e t h o d o l o g y a n dt h e ni ti sg i v i n go u tt h a tt h ei n t r o d u c t i o nt on e t w o r k s i m u l a t i o ni n c l u d i n gt h eb a s i cs i m u l a t i o nt h e o r y & i t ss i m u l a t i o np r o c e s s t h i r d l y , t h e a u t h o rp r o p o s e sa no r i 垂h a li m p r o v e da l g o r i t h m i c ；i n c l u d et h ew h o l ec o m m u n i c a t i o n n i 北京邮电大学硕士学位论文移动i p v 4 移动性管理关键技术的研究 n e t w o r kt o p o l o g ya n dt h ed e t a i ld e s c r i p t i o no fc o m m u n i c a t i o np r o c e s s f i n a l l y , t h e t h e s i sc o m p a r e st h ep e r f o r m a n c eo fc e l l u l a ri p , h m i p , p m i pb yn s 2s i m u l a t i o nt o p r o v e t h ef e a s i b i l i t yo f t h e p r o p o s e di m p r o v e da l g o r i t h m i c k e yw o r d s ：m o b i l e - i p v 4 ，m i c r om o b i l i t y m a n a g e m e n t ，p a g i n g m t p , p a g i n ge x t e n s i o n ， h i e r a r c h i c a lt e c h n o l o g yp a g i n gh i e r a r c h i c a le x t e n s i o no nm o b i l ei p v 4 北京邮电大学顺士学位论文 移动i p v 4 移动性管理关键技术的研究 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期 日期 北京邮电大学硕士学位论文 移动i p v 4 移动性管理关键技术的研究 第一章引言 正在进行的信息革命把不同国度、不同背景的人们带向了同一条全球信息高 速公路。在这场革命中，因特网异军突起。它为全世界成千上万的网络提供了一 个互联平台，用户可以通过它来寻找资源、获取信息、开展讨论和互相沟通等等。 可以说，因特网已成为当今信息革命的主力军。随着因特网应用的进一步广泛， 人们想不受时空限制，即可以在任何时间、任何地点访问因特网，移动因特网的 需求便应运而生。 因特网的不断发展壮大和移动通信的普及应用，使人们对网络的依赖性日渐 增加，人们希望能够以一种更加灵活的方式随时随地访问企业网络和i n t e r a c t 网 络，而移动办公更是现阶段最突出的需求。 只采用传统i p 技术是无法很好地满足移动办公的需求的。这是因为当主机 在移动到另外一个子网时，由于不同的子网对应于不同的i p 地址，用户不能使 用原有i p 地址进行通信，必须修改主机i p 地址为所在子网的i p 地址：而且由 于各种网络设置，用户一般不能继续访问原有网络的资源，其他用户也无法通过 该用户原有的i p 地址访问该用户。移动i p 技术因此应运而生，它有效解决了移 动计算机的安全和用户管理，实现了移动用户的双向访问和基于口的权限管理、 计费管理，实现了移动用户对企业资源的透明访问。它使移动用户在跨网络随意 移动和漫游中，使用基于t c p i p 协议的网络时，不用修改计算机原来的p 地址， 同时，继续享有原网络中一切资源。简单的说，移动i p 就是实现网络全方位的 移动或者漫游。 移动i p ( m i p ) 是一种简单可扩展的全球i n t e m e t 移动解决方案，使节点在切换 链路时仍可保持正在进行的通信。在m i p 广泛应用的情况下，大量移动节点的移 动将引起大量的位置更新信息和位置更新信息传输时带来的时延，使m d 在切换 性能和支持大量移动用户方面面临巨大的挑战。针对这个问题，提出了许多m i p 的扩展技术，如c e l l u l 8 1 i p , t e l e m i i l , h m i p , p m i p 等。 归属项目：国客自然科学基金重大研究项目( 9 0 1 0 4 0 1 8 )归属级别：国家级 2 北京邮电大学硕士学位论文移动n a y 4 移动性管理关键技术的研究 2 1 移动i p 概述 第二章移动i p 的移动性管理 2 1 1 移动i p 技术的发展现状 1 移动i p 技术的概念 移动i p 技术从广义上讲，就是移动通信技术和1 p 技术的有机结合，即移动 通信网和i n t e m e t 网的融合，它不只是简单的叠加，而是一种深层的融合。即对 i p 协议进行扩展，支持终端的移动性，拥有固定的地址，而且不论移动到什么 地区或者通过什么方式连接到i n t e r n e t 上都是如此。简单说来，移动【p 是一种计 算机网络通信协议，它能够保证计算机在移动过程中，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。 2 移动i p 主要有以下几个特点 强大的漫游功能：移动用户在企业网各子网之间、l n t e r n e t 与企业网之间自 由漫游，方便使用原有企业网中的资源。 双向通信：移动用户在位置变化时，仍然可以方便地通过转交地址进行通信， 其他用户也仍然可以通过该用户原来的i p 地址与该用户通信，不受地理位置对 网络通信的限制，实现真正的双向通信。 网络透明性：移动用户漫游时，不需对计算机原有网络设置做任何改动，也 无需改动所接入的外地网络和“家乡”网络设置。 应用透明性：移动用户在进行漫游时，无需对个人计算机和网络主机上的基 于i p 的应用进行任伺改动，无需增加额外的用尸管理和权限管理，实现了应用 系统的透明性。 良好的安全性：采用隧道技术进行加密传输和身份认证，不会给移动用户带 来新的安全隐患。 实现虚拟企业网功能：安装了移动i p 服务器的予网之间可以通过隧道方式 进行通信，移动用户也可以通过隧道方式与企业网进行通信，它实际上已经部分 实现了v p n 的功能。 归属项目：国象自然科学基金重大研究项目( 9 0 1 0 4 0 1 8 )归属级别：国家级 ，3 北京部电大学颈士学位论文移动i p v 4 移动性管理关键技术的研究 链路无关性：移动i p 技术与低层链路无关，可以同时支持无线和有线网络 环境。 3 关于移动i p 技术的研究 早在1 9 9 6 年l o 月，i e t f 就提出了移动i p 协议标准( 草案) ，主要包括 r f c 2 0 0 2 、r f c 2 0 0 3 、r _ f c 2 0 0 4 、r f c 2 0 0 5 和r f c 2 0 0 6 等r f c 文档。r f c 2 0 0 2 定 义了移动i p 协议；r f c 2 0 0 3 、2 0 0 4 和1 7 0 1 定义了移动i p 中用到的三种隧道技 术；r f c 2 0 0 5 叙述了移动i p 的应用；r f c 2 0 0 6 定义了移动i p 的管理信息库m i b 。 该草案文档一经发表，立刻引发了全球范围研究移动i p 技术的高潮。美国哥伦 比亚大学、纽约大学、卡耐基梅隆大学、新加坡国立大学、日本科学与技术研 究所、瑞典皇家学院以及f t ps o f t w a r e 、i b m 、m o t o r o l a 、n o k i a 、s u n 、t e l lxo n 等公司都成立了相应的工作组，针对移动i p 进行研究。 我国在此方面也不甘落后，脱胎于西安电子科技大学国家重点实验室的捷通 通信公司承接了作为国家8 6 3 项目之一的移动口技术的研究，并成功开发了国 内首台移动i p 服务器_ f r e e n e tb u i l d e r ，在获得国家级认可后进入了商用通信 市场。 4 移动口系统的必然性 移动i p 技术是移动互联时代最基础、最关键的技术之，也是实现“任何时 间、任何地方、与任何人通过任何方式进行任何业务通信”的全球个人通信的关 键技术之一。未来的移动网络将实现全包交换，包括话音和数据都由i p 包来承 载，话音和数据的隔阂将消失，移动i p 技术是实现全球个人通信的关键技术和 移动互联网的基石。 ( 1 ) 市场的驱动 移动通信和i n t e r n e t 以其市场潜力最大、应用领域最广、吸纳用户最多而成 为两大支柱产业。全球移动用户己超过1 0 亿，我国移动用户已跃居全球第一，预 计至2 0 0 4 年底用户数将达到3 亿i 全球互联网用户已超过6 6 5 亿，我国互联网 用户突破5 4 5 0 万，仅次于美国和日本，居世界第三。目前两网用户仍显高速增 长趋势。预计到2 0 0 4 年全球移动互联网用户达4 3 0 0 万，2 0 0 6 年后，移动互联 网用户将占移动用户的5 0 。其前景之诱人，令业内运营商、设备制造商、内容 供应商、技术开发商、接入服务商和工程设计安装业顿感商机无限，纷纷投入。 谁把握住商机，谁就拥有财富。由此可见，巨大的市场需求，是移动i p 技术发 展的第一动力。 ( 2 ) 技术的驱动 移动通信技术发展的目标是实现宽带化、智能化、个人化。使无线语音、数 归属项目：国家自然科学基金重大研究项目( 9 0 1 0 4 0 1 8 )归属级别：国家级 4 北京邮电大学硕一b 学位论文穆动i p v 4 移动性管理关键技术的研究 据、图像、多媒体信息、网上娱乐等能够在一个统一的网络平台上高速接入。在 移动环境下提供因特网服务正是第三代移动通信系统的主要业务特征。i t u 在 i m t - 2 0 0 0 中规定，第三代移动通信以i p 网络作为核心网络，必须支持i p 分组业 务，美国t 1 、日本f a i b 、t t c 、欧洲e t s i 、韩国t t a 以及u m t s 成立的3 g p p ( 3 r d g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pv r o j e c o ，目的在于解决提供多媒体业务和下一代移动因特 网等问题。著名的移动通信设备制造商摩托罗拉公司同著名计算机厂商s u n 公 司共同开发基于p 的无线网络，a t & t 、e r i c s s o n 、l u c e n t 、n o k i a 等9 大公司合 作，专门研究开发基于采用第三代移动通信技术的无线网络的口协议，这个组 织被命名为3 g i p 。这些公司支持基于全p 网络结构的下代无线业务，例如语 音、高速数据和因特网接入以及图像和视频会议等。这种全口网络结构将由基 于通用分组无线系统( g p r s ) 的通用核心网络逐渐过渡。3 g p p 在r e l e a s s4 规 定了基于i p 网络的传输标准，3 g p p 在r e l e a s s5 中还对i p 多媒体系统进行了定 义。近几年来，g p r s 、w l a n 、c d m al x 技术正在得到广泛的发展与完善，都 推动着移动i p 技术的发展，并为移动口业务的技术实现提供了平台。 2 1 2 工作过程 图2 - 1 移动口主要思想 移动i p 的工作过程分为以下三个重要阶段：第一阶段：代理搜索( 分为移 动节点主动发起和移动节点被动接收两种情况) ；第二阶段：注册( 包括注册请 求和注册应答) ；第三阶段：报文发送和接收。以上3 个阶段的描述高度地概括 了移动i p 的工作过程。 归属项甘：国家自然科学基金重大研究项目( 9 0 1 0 4 0 1 8 ) 归属级别；国家疆 一5 - 北京邮电大学硕士学位论文 移动i p v 4 移动性管理关键技术的研究 2 2 移动i p 的研究热点及主要问题 1 路由优化问题 移动i p 中经常遇到三边路由问题，即通信对端发送数据包到移动节点时 首先要到达家乡代理，而后由家乡代理通过隧道转发给移动节点，而移动节点可 以直接向通信对端发送数据包。三边路由问题会增加数据包传输的时延，占用网 络资源并且加重家乡代理的处理负担。它的解决方法是采用路由优化技术，即移 动节点将其转交地址通知通信对端，使通信对端可以通过隧道直接发送数据包 到移动节点。但是路由优化将会带来新的安全问题，为了加强安全性能，移动节 点必须和通信对端相互认证，即它们需要一对密钥。当移动节点和通信对端数目 较多时，为每一个移动节点和通信对端分配一对密钥的方法是不可行的，而为每 个移动节点和其家乡代理配置一对密钥的方法是可行的。另外，只有当移动节点 与家乡代理比较远而与通信对端较近时采用路由优化才有较大意义。因此，应根 据实际的网络拓扑结构并在考虑安全性的前提下来决定是否采用路由优化。 2 外地代理的平滑切换问题 由于移动主机的移动频率可能很高，移动节点有时不能及时将当前的新转 交地址注册到家乡代理，此时发往移动节点的数据包将会丢失，这个闯题可以通 过实现代理之间的平滑切换来解决。一种简单的实现方法是在新的外地代理得到 移动节点认证前就发送绑定更新给旧外地代理，尔后旧外地代理开始向新外地 代理转发数据。这种方法的切换虽然时延较短，但存在很大的安全缺陷。如果一 个攻击者假冒了新的外地代理，则可能会截获送往移动节点的数据。为增加代理 切换的安全性能，同时尽量减少切换过程中的数据丢失，必须要求新外地代理首 先要得到移动节点的认证。移动节点可以在向新的外地代理发送注册请求的同时 向旧外地代理发送绑定更新消息，并通知旧外地代理暂时缓存数据。然后，移动 节点对新外地代理进行认证，如果认证成功，移动节点将通知旧外地代理转发它 缓存的数据到新外地代理，从而实现一种更平滑、安全的切换。 3 网络性能问题 移动l p 是一种与媒介无关的协议，它可以工作在多种环境。当移动i p 工作 在无线网络时，由于无线网络的带宽是一种宝贵的资源，必须尽可能减少网络开 销。当移动节点数目较多时，由于移动节点和家乡代理的认证而引入的开销将会 占用过多的网络带宽。另外，应该认识到强密码方案是通过牺牲网络性能来提高 归属项目：国客自然科学基金重大研究项且( 9 0 1 0 4 0 1 8 )归属级别：国家级 6 北京邮电大学硕士学位论文 移动i p v 4 移动性管理关键技术的研究 安全性能的，因此我们应在安全性能和网络性能之间进行折衷，根据实际需要来 选择合适的安全策略 4 q o s 保障问题 随着移动业务的不断开展，通过移动i p 开展实时业务的需求也日益迫切。但 是无线网络的资源相对匮乏，特别是移动节点不断改变位置且作为接收者对，向 它提供实时业务将变得非常困难。现有的q o s 体系结构包括集成服务模型和差 分服务模型，它们都没有考虑移动环境下的q o s 保证，必须进行适当修改。可行 的方法是采用修改过的资源预留协议( r s v p ) 。r s v p 不是路由协议，也不是传输 层协议，而是一种单向信令协议。由予r s v p 只在一条特定路径上预留资源，通 信对端到移动节点路径的经常变化意味着移动节点每次切换链路时都要重新进 行资源预留。它的解决方法是每当移动节点移动时，重新为从家乡代理到转交地 址的路径预留资源。同时由于移动i p 使用隧道技术并且采用a h 和e s p 等安全 手段，使得中间路由器很难识别出数据包的种类进行资源预留，通过增加一个传 输层报头，利用传输层协议的端口号来区分不同的数据包来解决。因此在移动i p 中进行资源预留的代价将会很高，服务提供商将会向得到较高q o s 保证的用户 收取更多的费用。 5 m o b i l ei p 中t c p 的性能 移动i p 中的移动性和使用的无线媒介对t c p 的性能造成了很大影响。t c p 协议认为几乎所有的数据包丢失都是由于拥塞而引起的，当数据包发生错误或 丢失时，t c p 就认为网络发生了拥塞，从而调整发送窗口来降低数据的发送速率。 但这种假设对移动i p 中的t c p 协议并不成立。误码率较高的无线链路经常会引 起数据传输错误，并且频繁变动的移动节点可能在数据包到达前就离开了原来 的位置，从而引起数据包的丢失。因此t c p 错误地将这些数据丢失归咎于网络拥 塞，从而降低发送数据的速率，使得t c p 的性能在移动d 环境下变得很差。 6 m o b i l ei p v 6 i p v 6 巨大的地址空间使得地址的自动配置变得非常简单，移动节点可以容 易地得到一个配置转交地址，所以移动i p v 6 不再需要外地代理。但是其他高层 功能与移动i p v 4 相似，即代理搜索、注册和选路。移动i p v 6 采用路由器搜索， 以确定它的转交地址。与移动口v 4 的注册相似，i p v 6 本身就集成了对路由优化 的支持，通过交换绑定更新和绑定应答消息，通信对端能够及时获得移动节点的 转交地址，并可利用p v 6 选路报头通过源路由直接将数据包发送给移动节点来 实现路由优化。移动i p v 6 中采用源路由而不使用隧道技术的原因是因为i p v 6 中 地址为1 2 8 位，源路由可以比隧道技术减少处理开销。 归属项目：国家自然科学基金重大研究项聪( 9 0 1 0 4 0 1 8 )归属级剐：国家级 7 北京邮电大学硕士学位论文 移动i p v 4 移动性管理关键技术的研究 2 3 几种对移动ip 微移动性管理的改进算法 移动i p 切换技术切换是移动i p 协议实现过程的关键，因为它直接影响通 信的质量，但是移动i p 并不适合于微移动性环境下的移动性管理当移动节点在 两个子网问移动，发生切换的时延包括两部分：移动检测时延和移动切换时延 那么，对于移动i p 切换性能的改进主要是试图减小这两部分时延目前关于移动 检测时延对于切换性能影响的研究还不是很多，主要原因是移动检测的操作往 往发生在下两层，如果要完成i p 的切换，可以考虑利用下层的信息作为辅助， 加速切换的过程但是如果依赖底层信息完成切换操作，势必会产生网络层对下 层信息的依赖性，当移动节点在异种网络间移动时发生的切换操作，必定会受到 底层信息的制约，很难实现切换性能的最优化。但是，如果将移动检测的任务完 全放在i p 层完成，检测效率肯定不高如果要减小切换时延，必须考虑减小注册 更新过程中信令交互的种类和数量。常用的减小信令交互的技术有分级移动i p 、 c e l l u l a ri p 、h a w a i i 等。 标准移动i p 中不支持无缝连接、被动连接以及寻呼等蜂窝网络系统中的优 良特性，为了改善标准移动i p 的不足，c a m p b e l l 等人提出了c e l l u l a ri p ，其结 构如图2 - 2 所示。在c e l l u l a r i p 中，m n 在无线接入网之间的移动由标准移动i p 进行管理，而无线接入网之内的移动由c e l l u l a ri p 管理。每个接入网通过一个网 管和i n t e m e t 相连，当m n 进入一个外地的接入网时，则采用该接入网的网关i p 地址作为自己的转交地址。 图2 - 2 c e l l u l a ri p 网络结构 归属项目：国家自然科学基金重大研究项目( 9 0 1 0 4 0 1 8 )归属级别：国家级 8 一 北京邮电大学硕士学位论文 移动i p v 4 移动性管理关键技术的研究 1 路由 在接入网的每个节点中只保存两类信息：通往网管的路径上的第一个邻居节 点( 称为u n ) 以及一个转发表。节点收到来自m n 的报文后，不管目的结点是 什么都直接转发给u n 直到网关。转发表由m n 的归属地址和通往该m n 的路 径上第一个邻居节点构成的一一对应的条目构成。转发表必须更新，可以通过节 点转发m n 发出报文时更新，也可以通过c e l l u l a ri p 定义的r o u t eu p d a t em e s s a g e 更新。 2 ，切换 切换分为两种情况：硬切换：m n 侦听b s 发出的信标，当需要切换时向新 b s 发出r o u t eu p d a t em e s s a g e 报文，切换时延等于该报文到达交叉基站( 从m n 通往网关的新旧路径上的第一个公共基站) 的时间，在这段时间内通过交叉b s 的报文都要丢失，但是这种方法所需要的切换信令只有r o u t eu p d a t em e s s a g e 报 文。 半软切换：如果m n 可以同时接收来自两个基站的信号，可以采用半切换的 方式。在发起切换前，m n 向新基站发出s e m i s o f tp a c k e t 并并保持与旧基站的连 接，报文通过新旧基站同时向m n 转发，等待s e m i s o f td e l a y ，m n 发起通常的 切换( 前述的硬切换) 。 3 寻呼 把b s 分成不同的寻呼区，基站维护含有在此寻呼区内的所有i v l n 的寻呼缓 存，m n 在移动到其他的寻呼区时发出的p a g i n g u p d a t e s 报文，该报文通过逐跳 的方式传递到网关并且更新路径上相关节点的寻呼缓存。当网关收到发给m n 的 报文时，并且其路由表中没有该m n 的路由，则检查寻呼缓存，若存在，则把该 报文转发到相应的寻呼区中的所有基站；若不存在，则广播该报文。 c e l l u l a r i p 协议用路由缓存和寻呼缓存查找和定位m n 来代替通常的i p 路由 机制，接入网内的节点功能十分简单，同时降低了网络中的信令流量，区分活动 m n 和休闲m n 的方式也增加了可以管理的m n 的数量，其应用规模可伸缩性很 大，从办公环境到接入网都适用。 h a w a i i 协议是源于朗讯科技。它提出了一个分离的路由协议用于处理域内 的移动性。h a w a i i 依靠m o b i l ei p 来提供大范围的域闻移动。h a w a i i ( h a n d o f f - a w a r e w i r e l e s s a c c e s s i n t e r a c t i n f r a s t r u c t u r e ) 是基于域的移动性解决方 案。它的特点是采用专用的路径建立方案在专用路由器中建立基于主机的转发项 归属项目：国家自然科学基金重大研究项目( 9 0 1 0 4 0 1 8 )归属级别：国家级 9 - 北京邮电大学硕士学位论文穆动i p v 4 移动性管理关键技术的研究 来支持域内微移动，用m o b i l ei p 支持域间宏移动，m o b i l ei p 网络和ha 1 w a i i 域之 间的移动可以无缝进行。对移动节点操作透明，移动节点发出普通的m o b i l ei p 注册信息，h a w a i i 操作在域内透明触发，m o b i l ei p 安全模型可直接应用于移动 节点发出的所有消息。用i - t a w a i i 届t l 新消息( h a w a i ir e f r e s h m e s s a g e ) 中的路由 生存时间( r o u t i n g - l i f e t i m e ) 域准确同步软状态计时器，通过软状态的转发表项 实现可靠性，在移动性管理中提供对q o s 内在的支持。在m o b i l ei p 中，要求使用 配置转交地址的移动节点直接向家乡代理进行注册，这点与减少信令开销相冲 突，因此，h a w a i i 提倡即使使用配置转交地址的移动节点也可以通过基站进行 注册。基站通过本地处理注册减少向家乡代理更新的频率，通过转发分组实现软 切换，如图2 3 。 图2 3h a w i i 网络拓扑 4 h a w a i i 中使用的术语 域( d o m a i n - ) ：由路由器和基站组成，对域外的路由器表现为子网。 域根路由器d r r ( d o m a i n r o o t r o u t e r ) ：一个域的网关路由器。 家乡域( h o m ed o m a i n ) ：每个移动用户都根据n a i ( n e t w o r ka c c e s s i d e n t i t i e r ) 分配一个家乡域。 外地域( f o r e i g nd o m a i n ) ：非家乡域的其他域就是移动节点的外地域。 路径建立方案( p a t hs e t u ps c h e m e ) ：更新域内路由器路由的方法，以便切 归属项目：国家自然科学基金重大研究项目( 9 0 1 0 4 0 1 8 )归属级别：国家级 一l o 北京邮电大学硕士学位论文 移动i p v 4 移动性管理关键技术的研究 换时保持移动节点的连接性。 移动节点的i p 地址可以静态分配，h a w a i i 提倡在开机时使用d h c p 动态 分配地址。这样可以更有效的使用【p 地址资源，移动节点开机时所处的域也将 成为移动节点的家乡域。使用动态地址和固定主机拨号类似，不同点是家乡域取 决于移动节点开机时所处的位置，而不是所播的电话号码。使用动态地址不仅可 以要求较少的t p 地址资源，而且在移动节点不离开开机时所处的域时可以实现 最佳路由。 2 33 分级移动i p ( h m i p ) 为了减少不必要的注册报文和注册延时，r a m o n c a c c r e s 等提出了一种分级 的移动i p 模型( 见图2 4 ) ，在该模型中，m n 的移动分为三个层次：当地移动、 域内移动和全球移动。在一个管理域( a d m i n i s t r a t i v ed o m a i n ) 中设置一个d f a ( d o m a i nf o r e i g na g e n t ) ，每一个子网也分别设置f a ，各个f a 发送的代理公告 报文中的外地代理的地址都是d f a 的地址，进入管理域的m n 把该地址作为自 己的转交地址，该地址在m n 访问管理 域的整个时间段内保持不变。对应于不同级别的m n 的移动，三级模型要分 别进行处理。 1 当地移动 m n 在同一个子网中的不同的b s 之间的移动，如图2 - 4 中m n l 从b s l 到 b s 2 的移动处于两个( 或多个) 小区交叠区域的m n 可以接收到两个( 或多个) b s 的广播报文，通过测量信号强度，m n 确定是否要进行切换，若要切换，执 行如下过程： m n 向b s 注册，设定新b s 为其缺省网关，新b s 建立m n 的路由表，应 答m n ，同时向旧b s 发出n o t i f y 报文，旧b s 删除m n 的路由表，同时如果 有发给m n 的报文则转发到新b s ，新b s 广播r e d i r e c t 报文，子网上的 r o u t e r ( 包括f a ) 和c h 接收该报文，并且修改与m n 相关的f a p 缓存。这样， 发4 i 当地移动时，相关的切换报文都局5 畏在同一子网中，这种情况不需要d f a 以及h a 的参与。 归属项目：国家自然科学基金重大研究项目( 9 0 1 0 4 0 1 9 )归属级别：国家级 - l l - 北京邮电大学硕士学位论文移动i p v 4 移动性管理关键技术的研究 i 尊g 静 i ? 、譬】，7 、唑一“、_ d j ) ，一、b 如一，“、d j 5 ，7 。 一 上一l 厂j 1 。 p 5 审 f k p 邮 ，上一、 苫i 0 一( j 蛐。卜擎 图2 - 4 分级移动i p 模型 2 域内移动 在同管理域内不同子网间的b s 之间的移动，如图2 - 4 中m n 2 从b s 3 到 b s 4 的移动。发生域内移动时，新旧基站除了要执行当地移动时要进行的切换过 程外，旧b s 发出重定向报文，通知子网上的路由器( 包括f a ) 和c h 更新m n 的路由：新b s 通过其所在子网的f a 通知d f a 更新m n 的路由。d f a 负责维 护每个m n 的路由信息，只在m n 发生域内移动时更新纪录，这种情况下，m n 的位置信息仍然不需要通知h a 。 3 全球移动 当m n 发生了管理域内的移动时，处于安全、费用等方面的考虑，m n 的更 新信息必须通知h a ，此时归属域和m n 正在访问的管理域之间的接口以及归属 域和c h 所在管理域的接口在标准移动i p 中有准确的描述，因此全球移动情况 下，就采用标准移动i p 协议。 2 3 4p a g i n g l p p - m i p 是一种移动性管理优化策略，它是基于下述考虑而提出的：未来， m i p 用户的增多导致核心i p 网中与i p 移动性相关的信令开销加重，从而对m i p 能否支持大容量用户提出挑战。p - m i p 是对b a s i cm d v 4 的扩展，它通过引入蜂 窝网络中的p a g i n g 技术来减少移动节点的注册消息数量从而减少信令开销，同 时它也降低了移动节点的功耗和对无线资源的消耗。 归属项目：国家自然科学基金重大研究项目( 9 0 1 0 4 0 1 8 )归属级别：国家级 1 2 北常邮电大学硕士学位论文 移动l p v 4 移动性管理关健技术的研究 1 基本工作原理 象蜂窝用户一样，m i p 用户大多数时候并未进行通信，而是处于空闲状态。实 际上对空闲用户，m i p 只需了解它的大致位置，这样就不用频繁地注册，减少核心 网信令负荷。当有i p 包发给空闲的移动节点时，就采用寻呼技术精确定位。 蜂窝网络是面向连接的，而m l p 是基于在无连接业务模式，自带寻址消息的 数据报的处理是完全独立的。如果移动节点接收每一个数据包都通过寻呼进行， 那么必然带来极大的开销。在p m i p 中，引入了移动节点状态和数据会话的概念。 移动节点的状态包含2 个要素( 工作模式，激活状态定时器) ，移动节点的工作模式 可以是激活状态或空闲状态。如果一个移动节点刚接收或发送了口数据，那么该 节点就处于激活状态。每当移动节点接收或发送数摆时，移动节点或正在服务的 外地代理中的定时器都会重置。当激活状态定时器定时结束，移动节点就进入空 闲状态。一旦空闲移动节点发送或接收数据，其工作模式就会变为激活模式，同时 定时器开始记时。如果一个包序列中的包足够接近，那么在该包序列传送过程中， 移动节点始终保持激活状态，在p m 球中，把这称为数据会话。数据会话的“持续 时间”就相当于以连接为导向的网络的通话持续时间。一般来说，p m i p 仅在传 送数据会话的第一个包时，对移动节点进行寻呼， 一蕾 图2 - 5p m i p 示意图 在p - m i p 中定义了几个术语，服务于移动节点正在访问的网络的夕 地代理， 称为当前外地代理；移动节点注册所在的外地代理，称为注册外地代理，它可能与 移动节点属于同一网络，也可能属于不同的网络；发出寻呼请求的外地代理称为呼 归属项目：国家自然科学基金重大研究项目( 9 0 1 0 4 0 1 8 )归属级别：国家级 1 3 - 北京邮电大学顶j = 学位论文 移动i p v 4 移动性管理关键技术的研究 叫外地代理；被呼叫的移动节点称为被呼移动节点。 在p m i p 中将m i p 的代理广播消息扩展成包含一个“p 位”的消息。p m i p 假设使用外地代理，且移动节点通过外地代理注册。这些支持寻呼功能的外地代 理在代理广播中设置“p 位”，但默认值为不设置“p 位”。当移动节点首次接收 到代理广播消息，它可通过检查“p 位”来了解是否支持寻呼。本文假设外地代 理支持寻呼。在注册请求消息中也包含“p 位”消息，用来标识移动节点是否支 持寻呼。对处于激活状态的移动节点而言，其工作方式与在m i p 中的方式完全相 同。当移动节点改变它的网络接入点，或一个空闲移动节点进入一个新的寻呼区 域，它就注册。而当空闲移动节点仅在一个寻呼区域内移动，它就不用注册。 当有包需要发送至移动节点时，本地代理会把包转发到注煅外地代理。外地 代理首先确定它是否有该移动节点的记录。如果有，则进一步检查该移动节点是 否支持寻呼。如果该移动节点支持寻呼，则继续检查该移动节点的工作状态。如 果移动节点处于激活状态，则注册外地代理就象在m i p 中一样把数据转发给移动 节点。如果该移动节点处于空闲状态，则注册外地代理将寻呼请求发送至该寻呼 区域内所有外地代理，并在自己的网络中广播该寻呼请求。当移动节点收到寻呼 请求消息，它通过