（通信与信息系统专业论文）移动ip切换性能的分析与研究.pdf

，切换性能的分鹏研究 y8 7 9 0 2 7 摘要 移动i p 是一种支持主机移动的网络层协议。与复杂的无线蜂窝网相比 移动i p 的移动管理和切换非常简单，并能支持异质网络间的漫游。但是， 由于存在三角路由和切换时延等问题，导致切换时间较长，分组丢失和h a 负担过重，特别是在移动主机频繁切换的时候。因此寻求有效的改善切换 性能的方法是优化移动i p 的重要工作，也是本文所讨论的主要内容。 本文首先介绍了移动i p 协议的概念及功能实体，着重探讨了现有的对 切换性能的改进方案，并对其关键技术进行了比较分析。 随后，文章仿真分析了移动主机频繁切换时对切换延时和丢包率的性 能影响。 最后，在前面较为深入的分析和研究基础上，初步提出了一种用于3 g 网络中的移动i p 切换策略的改进方案，并给出今后可能的研究方向。 关键词：移动i p 、快速切换、分层模型、缓存 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 咎动轳切换往能熬分析与辑究 a b s t r a c t 耕o b i l ei p i sas t a n d a r dt os u p p o r ti n t e r n e th o s tm o b i l i t y c o 舶p a r 。dw i t h m p l 8 xw 打e l e s sc e n e t w o r k s ， t h e 珊o b i l j 七y l l a n 8 9 蛳o n ta 耐b 8 疆d o f fi n 辩o b i 】ei pi sv e r ys l 却l e 。麓。r e o v e r ， m 曲i l ei ps u p p o r t sr o 砌a f i l o n gd i f f e r o n tn e t w o r k 8 ，t o o b e c a u s eo f t h em a t t e ro ft r i a n g l er o u t oa n dh a n d o f fd e l a nt h ep e r f o r m a n c eo f h a 稠o f t f o r麓j pi sn o t g o o d ，e s c e p t i a l l y酶e n h a n d o f fo c c u r s f r e q u e n t l y t h e r e f o r e ， i ti 8n e c e s s a r yt of i n do u taw a yt oi m p r o v e h 8 n d o f fp e r f o r m a n c e ，w h i c hi sa l s ot h et o p i co ft h ed i s s e r t a t i o n 舭t h ef i r s tb e g i n n i n g ，t h ec o n c e p t sa n dm a i nc o m p o n e n t so fm i p a r ed r e s e n t e d t h e ns o ei m p r o v e dm e t h o d sf o rm o b “ei p h a n d o f fi s s u e 8 r ed i s c 蟊s s e d ，剖蠢t h ek e yt e c 囊n o l o g i e s8 r e8 魏毒l y z e d 。 s e c o n d l y ，a n a l y z ea n ds i m u l a t et i m ed e l a ya n dp a c k a g ed r o pr a t e w h e n f hm o v e sf a s t t h i r d l 乳b a s 醐o n t h ea n a l y s isa b o v o ，a r e c o m m e n d a t i o ni sb r 。u g h t o u tt h a ti st oe n h a n c et h eh a n d o f fd e r f o r m a n c ei n3 gw “? e l e s sn e t w o r k k e yw o 蜘：b i l ei p f a s th a n d o f f ，h i e r a r c h i c a l o d e l ，c 8 c h e 北京交通大学电予信息工程学院硕士学位论文 2 移动舻切换性能的分析与研究 黯磊 基于因特网业务的爆炸性增跃，已经确保了i p 将成为下一代系统网络 层协谈。移动i p 潮i 固弼议是i e 择工 乍组掇出靛解决j p 霜络中移秘往管理 的最早的方案。 穆旗i p 甭是秽动逶培技寒秘因特隧援零兹燕单鼗潮，也不是秃线话音 和无线数据的简单爨加，它是移动通信和i p 的深层融合。但是，标准移动 i p 中存在三角路由和切换时延等问题，导致切换时间过长和数据镪丢失严 重，不遗合于将柬黥移动多媒体逶信溺络。特爨是当移动主辊菠垒频繁韬 换的时候，现有的移动i p 标准套造成很大的延时和数据丢失现象。随着未 来对网络容量需求熬不断增大，蜂窝小区拳径将会越泉越小，所以移动主 机的越聪切换将会频繁发生，逸就迫切地簧求我们寻拽一种改善方法。 为了改善移动 p 静强换牲靛，攫多学豢已经箨了大量秘分掇稷磅究工 作并提出了一些改进方案。 在本文中我们雷先介绍了移动i p 的概念和一些关键技术，通过分析某 些按术巾的固有缺陷，来寻找茂善切换性熊的方法。 第二部分，我们分析并研究了现有的些改进方案，对这些改进方案 瓣着眼点和往缺点传了详细焉深入兹比较。 第兰部分，我们利用n s 仿真软件深入分析并研究移动节点快速移动时 对切换延时和丢包率两个指标的影响。证明了标准移动i p 模型在此方面存 在穰夫豹润蘧，在韬换延对帮曩包率方瑟鬻要改逶。然螽，建立一个有线 和无线混合网络拓扑结构，运用外地代理分屡技术对标准移动i p 进行改进， 仿真并分援对切换性齄指标的改善。 第五部分，根撼以上的理论分析和仿真结果，提如一种应用子3 g 网络 北京交通大学电予信息工程学院蠖士学位论文 5 移动i p 切换性能的分析与研究 中的基于在p d s n 上设置缓存的改进技术，分析该技术对切换性能的改进点 并给出今后在这方面可能继续深入的研究方向。 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 第一章移动i p 技术概述 本章中，我们将介绍移动i p 的概念和一些关键技术，通过分析某些技 术中的固有缺陷，来寻找改善切换性能的方法。 1 1 移动i p 产生的历史背景 1 1 1 移动i p 提出的历史背景 1 9 9 6 年i e t f 提出了r f 2 0 0 2 移动i p 协议。它提出的背景是由于当时盛 行的i p 协议并不能满足用户以移动方式接入企业网和互联网的要求。因为 在i pm 议中，假定任何一个端点的设备都是固定的( 即i p 地址唯一) ，那 么在通信时，只要将目的端的i p 地址嵌入目的地址域，与数据包一同打包 封装，然后传送到目的端即可。但在移动环境中，若通信端点的一方为移 动用户，i p 协议就无法准确地将数据包送到移动主机。移动i p 协议的出现， 使该问题迎刃而解。 移动i p 技术的出现，使用户可以在出行到另外一个网络中时仍然可以 保持相同的i p 地址，从而确保漫游的用户可以在不中断会话或者连接的情 况下继续通信。尤其是在2 5 g 3 g w l a n 等无线网络环境下，移动i p 技术 是无线网络内部以及无线网络间的无缝切换、漫游、用以实现不间断的网 络应用的技术保证。 简单来说，移动i p 提供了种i p 路由机制： 使移动主机可以以一个永久的ip 地址连接到任何链路上。 移动i p 可以看作是一个路由协议，只是与其它路由胁议相比，移动i p 具有特殊的功能： 具有特殊的功能： 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 7 移动i p 切换性能的分析与研究 它的目的是将数据包路由到那些可能一直在快速地改变位置的移动主 机上。 1 1 2 移动i p 的设计要求和目标 移动i p 协议应满足以下设计要求： ( 1 ) 移动主机改变其链路层连接点后，能够保持i p 地址不变，从而可 以继续和其他节点通信，同时移动主机还能够和其他没有采用移动i p 协议 的节点进行通信。 ( 2 ) 移动i p 应与现存的i p 协议兼容，不需要对当前的网络连接、用户 设施和路由器的配置进行更改，不应影响当前对i p 地址的分配方法，也不 需要对协议数据单元进行更改。 ( 3 ) 移动主机不应比因特网上的固定节点面临更多的安全威胁。 ( 4 ) 移动i p 协议向上层屏蔽主机的移动，使得上层应用程序不受移动 性的影响。 同时，为了使移动i p 得到广泛的配置和应用，必须致力实现以下目标： ( 1 ) 为了使移动i p 能够在无线链路上工作，必须尽量减少路由更新信 息的数量和频率。 ( 2 ) 由于移动终端在性能和功耗上的限制，必须尽量简化移动i p 软件 的设计。 ( 3 ) 考虑到目前i p v 4 地址短缺的困境，移动i p 的应用不应恶化这个问 题。 ( 4 ) 为了能够适应移动主机不断增长的需求，移动i p 必须具有较好的 可扩展性。 北京交通大学电子信息工程学院碗士学位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 1 2 移动i p 基本原理 实现移动i p 协议的基本思想是：将i p 地址标罐啼寻址功能分开，用 两个i p 地址分别表示。 用于标志移动主机的i p 地址为本地代理地址； 用于标志移动主机当前所在位置的i p 地址为接管地址 a d d r e s s ，也称转交地址) 。 那么移动主机如何进行路由寻址，又用到了哪些路由技术，下面作详 细分析。 1 2 1 移动i p 的功能实体 移动i p 涉及到三个实体： 移动主机 家乡代理( 归属代理) h a 外部代理f a 移动主机是指一个能够进行网络漫游的设备。移动i p 客户端的实例包 括蜂窝式电话、p d a 或者笔记本电脑，它们的软件可以提供漫游功能。 家乡代理是指本地网络上的一个路由器，它可以充当与移动主机进行 通信的定位点；它可以通过隧道将分组发送给正在漫游的移动主机。 外部代理是指一个可以在移动主机移动到某个外地网络时，充当移动 主机的连接点的路由器，它可以将家乡代理发来的分组提供给移动主机。 1 2 2 移动i p 的工作过程 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 移动伊甥搀性耱翦努辑每氍究 移动主机在不同子网问漫游，其数据包的通信过程如下： ( 1 ) 本这鼗理嚣筹建代理不箨遗岛穗上发送代理广告( a g e n t a d v e r t i s e m e n t ) 消息，以声明自己的存在。 ( 2 ) 移动主规收到这些代理广告消息，确定自己是在本地网还是在外地 霹。 ( 3 ) 如果移动主机发现自己仍在本地网，即收到的是本地代理擞来的消 息，臻l j 否鑫葫移动确铯； 如果是从外地网络重新返回的，则向本地代理发出取消注册的消息， 声明自己回到了本地网。 墨移动圭梳梭溅菇它移动蠲外缝网时，簧l 获褥转交地址( g o a ) 。 ( 5 ) 然后移动主机向本地代理登记，表明自己已离开本地网，把所获得 鼹转交地址遢知本姥代理。 ( 6 ) 蹙记完毕后，所有发给移动主机的数据包被本地代理截获，经本地 代理封裟后，通过隧道发到外地网络的外地代理f a ( 帮种c o a 地址) 或 穆动主瓤叁巍( 第二弹e 。矗建皱) 。 第种情况下t 外地代理再把数据包转发给移动主机。此时，数据包 在不嗣子网闯传送成功。 ( 7 ) 移动主杌发送数据到一般的i p 主机时，按正常的i p 寻址方法发送， 不必通过本地代理。 l - 3 移动i p 的关键技术 移动i p 的关键技术主要体现在其移动性管理方面。 在移动通信中的移动性管理包括两方面的内容：位置管理、 北常交通大学电予信息工程学院硬士学位论文 切换管理 l o 移动i p 切换性能的分析与研究 位置管理 位置管理用来使网络发现移动主机的接入点，并向其发起呼叫。 整个过程可分为两个阶段： 第一阶段完成位置注册( 或称为位置更新) 第二阶段完成呼叫建立 在第一阶段中，移动主机周期性地向网络通告它当前的接入点，网络 对移动主机进行鉴权和认证，并更新移动主机的位置信息。 在第二阶段中，网络在移动主机位置库中查找被叫节点的位置信息， 并向被叫移动主机发起呼叫。 位置管理的操作如图卜l 所示： 图1 一l 位置管理操作 切换管理 当移动主机在移动通信过程中改变了其网络接入点，网络可以利用切 换管理功能保证其连接不间断。 北京交通大学电于信息工程学院硕士学位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 甥换警理过程霹分为三个除歉： 第一阶段初始化 第二阶段建立新连接 第三阶段数据流控鞭。 在切始纯黔段，用户或网络投据变化的嬲结条件判定是否要进行切换。 在第二阶段，网络必须为切换分配新的网络资源，并执行相关的寻径 操作。 最瑟，网终稷据瑕务癸议穆数据鼠瓣连接转委薪懿连接上。 切换管理操作如图1 2 所示： 图l 一2 切换管理操作 由于园特网的组织架构与传统的移动通信网不同，比如移动主机是将 其位置信息通告绘家乡代理，丽不是网络的位置数据库，缴班移动i p 在进 行位置蒋理和切换管瓒时g l 入了一些新盼操作： 北京变通大学电子储息工程学院礤士学位论文1 2 穆动m 协换性能的分析与研藏 代理发现( a g e n td i s e o v e r y ) 一当移动主机从一个子丽移动到另一个子网时，它如何发现一个新鲍 因特网接八点： ；雯j l 孚( r e g i s t r a t i o n ) 一移动荛机如何向家乡代理注册； 嚣径和隧道( r o u t i n ga n dt u n n e l i n g ) 一当移动主 家乡网络时，如何接收数据包。 绍。 下筒的章节将嘲绕以上三个功能，对移动i p 中的关键技术进行详细介 1 3 1 代理发现机制 鸯了诖在不嗣嬲终之蠢漫游瓣移动主糗获季葶“永不孛龌”懿滚接，移 动主机首先要做的鼹发现代理，以便获得鼹新的c o a 。 移动i p 通过扩展现有的“i c m p 路由嚣发现”机制来实现代理发现。 代璎发现机潮麓够使穆动主辊检铡到自已是否孰一个嬲络移动到了另 外的网络，并且也能够检测到它是否回到r 家乡链路。当移动主机移动到 一个毅静於蟪链路鞋重，代理发现极剿也能帮助移动主梳发瑶一个仑逶兹龄 地代理。 家乡代理稳终郝我瑾会不精建在溺络上广摇它嚣强驻务。穆韵主税在 收到广播消息之后，就可以发现这些代理和它们所提供的服务，并可以由 北判断地自己目前是在本地网络中还是己缝移动到某个外地瞬终。 北京交通太学电子倍息工程学院域士学位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 移动主机可以通过两种方法来确定自己是否切换到了新的链路上：( 1 ) 利用生存时间域作移动检测 ( 2 ) 利用网络前缀作移动检测 ( 1 ) 利用生存时间域作移动检测 代理广播消息中i c m p 路由器广播部分的生存时间域表示移动主机接收 同一代理的广播消息的时间周期。本地代理和外地代理需要频繁地发送广 播消息以免广播消息的丢失，特别是在较容易出错的无线链路上。当移动 主机注册到某一外地代理上时，如果在生存时间域规定的时间内却没有收 到来自该代理的广播消息，那么说明该移动主机已移动到另一链路上或者 该外地代理已经不可用了。此时移动主机向下一个发来代理广播消息的外 地代理注册，如果移动主机没有收到任何广播消息，它就发出一个代理请 求消息去询问。 ( 2 ) 利用网络前缀作移动检测 假设移动主机向某条链路上的外地代理注册，记录了该代理广播消息 后，移动主机又收到了来自另一个外地代理的代理广播消息。在这种情况 下，移动主机将从两个广播消息中计算出网络前缀并加以比较来判定两个 广播消息是否来自同一条链路。如果网络前缀不同，则两个广播消息是从 不同的链路上接收到的；否则就是从同一链路上接收到的。 注册 当移动主机将新收到的广播消息与它当前正注册的外地代理比较后： 如果发现它已移动到新链路上了，就应向在新链路上的外地代理进行 否则，如果接收的广播消息只是来自同一条链路的另一个外地代理 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 1 4 移动撑秘揍魅蓖熬势耩毒痨究 移动主机并没有移动，这时，不必向新代理注册；除非它在广播消息中的 生存时润( 疆f e t i m e ) 蠢没毒收到当莪注麓瓣 建健褒的广播涟崽。 总之，只有在以下两种情况下穆动主机才窟动代理的转换或重新注册： 一、移动主桃在广播消患中的生存时间( l i f e t i m e ) 内没有收茔4 任何 代理广播消息，则移动主机主动发送代理请求消息去询问。 二、移魂主枧牧到了来塞不溺阐缝豹健避广摇漕愚，裂开始囱凝我理 注册。 1 3 2c o a 地址的作用与获取 爨鑫投本羡基本浆嚣理是渊澄记到激，程嚣矗与融之淹建立数攥通遴 来实现数据包的路由功能。 转交地址( c 。a ) 是指移动主机漫游到外地网络后所获褥的临时地址， 提供了移动主祝帮本撼两络运僚盼一个通道，它是通道静终点。因j 蹴正确 获取转交地址( c o a ) 是关键的步骤。 要获得转交地址通常有两种隳道： 一是盘接以f a 的i p 地址作为转交地址( c o a ) ，移动主机利用像来登 记，站霹，融就是遴邋敬终点，受责接收数据包，解除封装，发绘移动主 机。这种地址模式可以使多个移动主机共享一个c o a ，使用率较高。 二是妊对分配绘移动主枧豹 p 遗址，它魁通过终部( 魏疆c p ) 鞍得外 地网络中的一个暂时地址。此时移动主杌自身是通道终点。自行解除封装， 取出数据觎。在这种模式下，一个c 0 a 仅能被一个移动生机使用，使用率 北京变通大学电子信患工程学院硕士学位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 较低。 c o a 是数据包路由的核心，但它是一种动态的地址，也就是说当移动主 机更换网络时，c o a 也就随即改变。 1 3 3 登记注册 当移动主机发现它的网络接八点从一条链路切换到另一条链路时，它 就要进行注册。移动i p 的注册过程一般在代理发现机制完成之后进行。 另外，由于注册信息有一定的生存时间，所以移动主机在没有发生移 动时也要进行注册。 移动i p 的注册功能是： 移动主机通过注册可以得到外地链路上外地代理的路由服务 移动主机通过注册可以通知家乡代理它的转交地址； 可以使一个要过期的注册重新生效； 移动主机在回到家乡链路时要进行反注册。 移动i p 包括两种注册消息：注册请求和注册应答。 登记注册有如下两种方式。 一种是通过f a 进行登记。 移动主机向f a 发送登记请求报文，f a 处理请求报文，并转发至h a ， h a 处理登记请求，发送登记答复给f a ，f a 处理答复，并转发至移动主机。 北京变通大学电子信息工程学院硕士学位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 移动主机为了明确地表达它的注册请求，移动主机可以利用外部代理 的广告消息中的信息，在将请求发送到外部代理之前，利用它的家乡代理 共享密钥保护这些数据的完整性。 作为移动主机和家乡代理之间的桥梁，外部代理将会处理这些信息， 并将请求转发到家乡代理，它可以利用相同的共享密钥进行身份校验，以 确认移动主机的有效性。 家乡代理随后可以建立移动捆绑，即将移动主机映射到转交地址 移动主机目前在外地网络中实际所在的位置。 下图是移动主机通过外地代理登记注册的过程 诺蹲y 窀虹 图1 3 移动i p 通过外地代理登 a 注册过程 移动主机通过外地代理向家乡代理发送注册请求； 家乡代理产生或修改移动性绑定： 家乡代理通过外地代理向移动主机发送注册相应信息，其中包含绑定请 求是否被接受的说明，以及新绑定的有效期。 移动主机将对这个回复进行身份验证，确认代理已经意识到它正处于漫 游状态。 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文l7 移动i p 切换性自的分析与研究 整个过程是通过隧道完成的。 另一种是移动主机直接向h a 登记请求，h a 处理后向移动主机发送登记 答复。 因为在家乡代理和外部代理上的注册都会自动过期，所以移动主机必 须重新注册，以保持它与外地网络的连接。移动主机还可以通过取消注册， 明确地通知代理它将不再漫游。 1 3 4 利用隧道发送i p 包 隧道技术在移动i p 中扮演了一个非常重要的角色。 什么是隧道技术 我们知道，每个移动主机( m h ) 在“家乡链路”上有一个唯一的“家乡 地址”。 当移动主机( m h ) 发送数据到一般的i p 主机时： i p 数据包的源i p 地址是移动主机( m h ) 的家乡地址；i p 数据包的目标 i p 地址是一般i p 主机的i p 地址，所以，该数据包按正常的i p 寻址方法发 送，不必通过本地代理。 反之，当一般的i p 主机发送数据到移动主机( m h ) 时： i p 数据包的源i p 地址是一般的i p 主机的i p 地址；i p 数据包的目标 i p 地址是移动主机( m h ) 的家乡地址，所以，该数据包被移动主机( ) 的 北京交通大学电子信息工程学院硬士学位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 家乡代理( h a ) 截获。 那么，被家乡代理( h a ) 截获的发往移动主机( m h ) 的i p 数据包，该如何 转发到移动主机( m h ) 手中，就是隧道技术要处理的问题。 隧道技术本身是指移动主机登记后，发送主机发送数据包到本地网络， 本地代理截获数据包后，将它作为净负荷封装在转发的数据包中，生成一 个新的数据包，该数据包数据部分是净负荷，报头中，以本地代理的i p 地 址作为源地址，以转交地址c o a 作为目的地址，完成封装( i pi ni p 封装 协议) 。 封装后的数据包按常规的i p 路由方式，通过隧道转发到处于隧道终点 的转交地址处，解除隧道封装，取出原始数据包，在发送至移动主机。 当转交地址是外地代理的i p 地址时，外地代理是隧道终点，它解除隧 道封装，然后转发给移动主机； 当转交地址是i 临时分配的驻留地址时，移动主机自己是隧道终点，它 自身解除隧道封装，取出原始的数据包。 总之，移动主机可以利用它的本地i p 地址发送分组，从而有效地保持 这样一种表象：它一直处于本地网络之中。因此，即使在移动主机漫游到 外地网络时，它的运动对于远端节点而言始终是透明的。 发送给移动主机的数据将被路由到移动主机的本地网络，随后本地网 络将阻截这些分组，并通过隧道方式将它们发送到移动主机的转交地址。 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 1 4 移动i p 存在的问题 以上我们介绍了移动i p 的一些关键技术，通过这些技术，理论上实现 了移动节点在不间断通信的情况下在网络中的移动。但是，经过深入的分 析和研究，我们可以发现这些技术中存在一些固有的弊端，正是这些弊端， 使移动节点在切换发生时切换性能十分不理想，甚至有可能造成通信的中 断。下面我们就这些问题作深入的探讨，希望能够在今后的改进方案中避 免这些问题 1 4 1 “三角路由”问题 什么是“三角路由” 当移动主机发送数据时，不管它是在本地网络还是外地网络，它都始 终保留了它的本地网络的地址，当它发送数据包时，可以用通常的i p 协议 发送。 反之，当一般i p 主机给移动主机发送数据包时，首先到达移动主机的 本地代理( h a ) ，h a 再根据接收到的移动主机当前的转交地址c o a ( 假定第 一种地址) ，将数据包发往外地网络，由外地代理最终将数据包发给移动主 机，这就出现了路由的“三角问题”。 最差的情况是当发送数据包的一般i p 主机靠近移动主机所在的外地网 络或移动主机已经漫游到发送主机所在的网络时，发送的数据包却仍要先 到达移动主机的本地代理，再由本地代理发到外地代理，最后到达移动主 机。 “三角路由”的弊端 这种“三角路由”方式的明显弊端有以下三点： 首先，加重了家乡代理的处理负担。 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 其次，增大了传输延迟，尤其对一些延迟敏感的业务，如音频、视频 等，将造成极大的损害。 再次，数据包在网络中运行时问过长，浪费了网络资源，提高了网络 负担。 1 4 2 切换问题 移动i p 的切换过程 整个切换过程分为2 个阶段： 移动检测阶段：删需要进行移动检测以判断自己是否更换了接入的子 网，这段时间称为移动检测时延； 重新注册阶段：m h 判断出发生移动之后，从m h 向h a 发送注册请求， 到h a 收到请求为止的这段时问，其长短取决于m h 到h a 的距离。 移动i p 的切换问题 切换问题是指： 从m h 离开原先的外地网络开始，到h a 接收到m h 的新的注册请求为止 的这段时间内，由于h a 不知道m h 的最新的c o a ，所以它仍然将属于洲的 i p 包通过隧道发送到原先的外地网络，导致这些i p 包被丢弃，使得m h 与 c h 间的通信受到影响，特别切换频繁或者从m h 到h a 的距离很远时。 完成上述的2 个切换阶段后，m h 可以与c h 继续通信，但是在这段时间 内的丢包可能会与高层协议相互作用，进一步恶化通信性能，晟典型的是 和t c p 协议的相互作用。 t c p 是目前i n t e r n e t 中事实上的可靠传输协议的标准，它的一个基本 假设是所有的丢包都是由网络拥塞引起的，每次检测到丢包，t c p 都要启动 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 相应的拥塞控制机制。这个假设在固定网络中工作得擞好，但是在m o b i l e i p 环境下，这个假设就不成立，由切换导数的丢包会使得t c p 连按的中断 霹润更长，楚l c p 搂缝瑟纯。磷宠表明，垂j 予￥。b i l el p 甥挨；l 怒鼢强p 连接中断时间可以逃到6s ，最严重的可以到1 2s 左右，其问有多次的超 时重传。 总之，移动检测、重新注册以及与上层协议的相互作用3 个因索共同 硗定了瀚进行切换瓣鳇遥售性戆。 l 。4 3 域内移动闯题 在小范围内m h 的域内频繁移动会导致频繁切换，从而导致网络中产生 大量的注册报文，严熏影响网络的性能。 l 索空迓麦学毫芋繁纛工程学靛磺士学短论文 移霸静韬筷牲# i 艴分褥与舔究 第二章移动i p 的凭缝切换策略 2 。l 标准移动l p 与无缝切换 低丢失率帮低时延是无缝切换的麟个震要指标。 无缝切换包括平滑切换和快速切换。 平滑切换即低丢失率切换。快速切换即低时延切换。 时延的主要部分是由链路完成后的端到端的移动i p 注册操作引起的。 在切换中，发给洲的分组可能会被丢失，因此快速切换方案将有利于改善分 组数攥的业务质鳖。 放上述移动l p 豹甥换邋程来看，它楚不满足无缝切换静蛙糍指标。藩 因如下： ( ! ) 移动i p 的切换过程是“顺序”而非“并发”的。从原f a 接收到最 螽一个分组薪张接浚到第个分组静中断对淹终在3 2 s 6 ，8 s 之藏。蔼 当前蜂窝类型的切换要求通信中的间隙或不中断不能大于1 5 0 m s 。对于实时 性要求受赢的多媒体逶信，逸最然是更不戆忍受的。 ( 2 ) 只要删移出家乡网络，每次切挟时都需要向h a 进行登识注册。如 果m n 离h a 或c n 很近，登记注册所造成的开销将是不必要的。另一方面， 在蜂鬻网络中潮熬频繁翻撩蒋造戒掇大匏延迟。 ( 3 ) 移动i p 机制中没有分组缓存和转发机制。m n 移动到新f a 且分组投 有被鬟定向到毅f a 的这段期闻内，删逐继续将分组发送到原f a ，这些分 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 2 3 移动i p 切换性能的分析与研究 缀将会被挞弃。邋会造残嚣方囊豹影响：蓠先，j f 垂予秘翔褪频点播这类分 组丢失敏感的应用十分不利。其次，分组丢失引起的分组重传造成了带宽 的浪赞和网络的拥塞。 2 2 对标准移动i p 静技术改进 移动i p 是i e t f 为支持i p 移动性所制定的宏移劫管理方案，对于实时 性应用来说，移动i p 并不十分适合。根据无缝切换的两个主要指标一分组 丢失和延时，我们可以着眼于遮两个方面来改进移动i p 的性能使其适应 予实时瞧薹要求的移动多攥毒搴阏终。 2 。2 。l 基于减小分维丢失蟾技术改逃 程移动i p 中，当m n 从原f a 移动到新f a ，c n 仍会分组发送到原f a 。 在分组被重定向到新f a 前，避些分组将会被抛弃。 为了改进这季孛分缓丢失翊蘧，当蘸主簧采燕酌教避方法是臻热缓存懿 平滑切换。 平滑切换的过程如下： 新f a 向h a 转发注册请求的同时也向旧f a 发出绑定更新信息，通知旧 黠移麓圭挺( 烈) 瓣赣e o a ，移镶移动主壤静疑e o a 。 在分组没有被踅定向到新f a 之前，原f a 继续接收分组并缓存。 当h a 执行完嘟定更新后，m h 将它从原f a 接收到的最后的i p 包的 s o u r c oi p 帮i d 连同注翡请求一起发泠切换君翦f a ，盛薪融将这些量转 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 发给原f a 。这样原f a 将缓冲区中m h 尚未收到的i p 包将转发给新f a ，最 后由新f a 转发给m h 。 由于在原f a 上增加了缓存，使得在分组被重定向到新f a 前，这些发往 m n 的分组不会被抛弃，这样就可以避免分组丢失问题。 但是，在原f a 缓存数据包的这段过程中，一个重要的问题浮现出来： 移动主机正在处理切换，所以原f a 与m n 的有效绑定将会过期。 根据移动i p 协议，如果旧的外地代理没有一个有效的绑定( 比如有效 期过期) ，它就将数据包转发给移动主机的家乡代理。家乡代理再根据移动 主机最新的位置注册信息，将数据包转发给移动主机。 但是，如果家乡代理关于该移动主机的绑定信息仍然指向前外地代理， 则会产生不必要的数据流。为了解决这个问题，外地代理可以使用特殊隧 道来转发数据，并且指明该数据需要家乡代理的特殊处理。 特殊隧道技术是指，由外地代理向家乡代理转发的数据包被封装在新 的隧道包中，该包的原地址是该外地代理的地址。家乡代理收到这个数据 包后，将数据包的原i p 地址与移动主机最新的注册转交地址相比较。 如果一样，家乡代理便会由此知道原外地代理的有效绑定已经过期， 就不会再将该数据包发给原外地代理，造成不必要的数据流。 如果不一样，家乡代理就将原数据包解封装后，再转发给移动主机。 移动i p 的平滑切换过程如图2 1 所示 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 ( a ) 锤 图2 1 移动i p 平滑切换过程 ( a ) 前外地代理有移动主机当前的绑定信息 伯) 翦， 笼代臻无移动圭税当蓠薛绑定信息 这秘方案通过缓存有效她减少了数据镪的丢失。懊是，如傅设置f a 中 的缓存容量是一个难题，此外，新旧f a 之间的通信，需要定义新盼汝议来 支持。 然而这种策略需要考虑下列问题： 如何处理因转发引起的重复分组、i l 序问题? 盛浚保留多大的缓存? 痘该采取骨么缓存策略? 新旧f a 之间如何通信? 遮就需要定义新的协议来支持n 安全搽涯瓣题，掘蹑强如嚣议 歪耩f a ，噬避免姆分缝发送给一个“埔 蛋”? 北京交通大学电子信息工程学院礤士学位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 2 2 2 基于减小延迟的技术改进 基于减小延迟的技术也称为快速切换技术。 切换延迟主要由两部分组成：切换无线链路的延迟和建立l 3 路由的延 迟。 一种思路是从l 3 来考虑，着眼于减小位置登记延迟与i p 地址的获取、 配置延迟。以下将要分析的微移动i p 技术、绑定缓存技术、多播技术都属 于这一类。 另一种思路是从l 2 与l 3 的切换时问点上来考虑，打破切换协议问严 格的层次独立性，使l 2 切换未完成时就触发l 3 切换，从而减少总的切换 时间。这种技术也称为l 2 t ( l 2t r i g g e r ) 技术。 2 2 2 1 基于微移动技术的快速切换 移动i p 中，m n 每次移动都需向h a 注册，这带来很大的延迟和开销。 微移动技术的目标是使州在小范围内移动时尽量减少向h a 的注册， 从而减小注册延迟。 目前典型的微移动协议有：h a w i i 协议( h a n d o f fa w a r ew i r e l e s s a c c e s si n t e r n e ti n f r a s t r u c t u r e ) 、蜂窝i p 协议( c e l l u l a ri p ) 、分层移 动i p 协议( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ) 等。 微移动协议中增加了一个新的网络单元网关外部代理g f a 。 一个g f a 管理几个邻近的f a 。当m n 在g f a 内部的f a 间移动时，只需 向g f a 进行本地注册，不需向h a 注册。当m n 从一个g f a 移动到另一个g f a 时，才需向h a 注册。这种方式大大减小了注册的延迟以及网络开销。 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 2 7 移动p 切换性能的分析与研究 图2 2 是基于微移动的快速切换模型 外 图2 2 基于微移动的快速切换模型 2 2 2 2 基于绑定更新技术的快速切换 绑定更新是指将洲获得的新c o a 与其家乡地址建立起关联的过程。 在标准移动i p 协议中绑定更新缓存设在h a 上，c n 不知道m n 当前的 c o a ，所以c n 欲与m n 通信，只能通过h a 进行隧道转发，由此造成的“三 角路由”问题降低了通信的质量。 如果c n 能够在通信的过程中学习到m n 的c o a ，则由c n 发往m n 方向的 数据包可以不经过h a ，从而避免了“三角路由”问题。 那么如何使c n 能够在通信的过程中学习到m n 的c o a 呢? 可以在c n 上 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 或者c n 辑在子弼瓣鼹杰器土竣攫绑定更耘缓存。 1 在c n 上设溅绑定更新缀存 在籍由优纯串翔桑将隧遂技术应用到发送数据雹靛簸i p 主李凡上，执 行各种工作，那么就会省去本地代理的转发，解决了“三角问题”。 也赣是说当本她代理收到p 主枧发往移动主枧麴数据后，内i p 主枧 发出绑定请求，通知i p 主机关于移动主机的捆绑信息( 包括本地代理地址， c o a 和渡册生存时间) 。随后，i p 主机在源位置上对数据包进行封皱，并建 立冬e o a 羟翡隧遴，数据包在鹱遂串透囊传赣。至g 这隧遭终煮，簿狳封装， 传给移动主机。如粜移动主机又移动了，新的c o a 实体会把更新的捆绑信 息传绘慧的e o a 实体，而且本地代理也隧蓐得到更新的捆绑信息，它再通 知i p 烹税新的捆绑信息，瞅露传送的数据包直接由i p 主机发往新的e 。a 处。 这徉傈涯了数雅包静网弱遵信，月惑，减少了转发垮苇，淡除了路盘 三角形，实现了路由的优化。 这一思想是优化了路由，但如果在实践中应用会赋临许多问题。 第一，对i p 主鞔要求条佟太高，它努镞其寄莪够获取捆绑信崽，麓够 封装数据。而且还有能够建立隧道的能力，对现有的i n t e r n e t 用户而言， 实现雄旋太大。 第二，外地代理的平滑切换，网络安全等也都是受待解决的问题。 第三，每个分缀经过封装尉增加了2 0 字节的开销，消耗了更多的链路 蒂宽。黼辩，该税翻要求翻与弧端都要避 亍势装帮解封装，瑶鸯瓣了延迟。 2 在测所在予踺上豹路矗j 器上设置绑定更掰缓存 男种路由优化方法是反向路由( r e v e r s er o u t i n g ) 机帝。该机制将绑 北京交通大学电子信息工程学院碗士学位论文 2 9 移动i p 切换性能的分析与研究 定更新缓存设在c h 子网的路由器上。 当m n 移动到一个新f a 时，m n 发给c n 的数据包被c h 子网上的路由器 截获，该路由器根据州获得的新c o a 更新路由表。 路由表中m n 的入口格式是： 5 。 而且“下一跳路由器”与“出口”是与“c o a ”相关联的，不再与家乡地址 相关联。 从上述过程可以看出，反向路由方案实施起来相对简单，只需在c n 子 网中增加能够处理m n 注册消息、执行更新路由表和地址转换功能的路由器 即可。该方案不对分组进行封装和解封装处理，实现了操作上的透明性， 减小了对分组处理的延迟。 2 2 2 3 基于位置的快速切换 在移动i p 中，州采用生存时间检测和前缀匹配检测来推断自身是否发 生移动。然而m n 的运动实质上就是物理位置的改变，因此可以利用全球定 位系统( g p s ) ，获得位置信息。在文献 8 中，一种基于g p s 的快速切换策 略被提出。 每当m n 进入一个新地区，在初始化阶段，m n 先用动态主机配置协议或 者点对点协议( d h c p p p p ) 获得一个新i p 地址；与此同时，从本地服务器下 载一个g p s i p 的数据库( 其中包含g p s 地址范围) 以及在这个地区可分配的 i p 地址集。m n 在这个地区内从一个子网移向另一个子网时可以提前利用这 些信息，从而减少i p 地址获取和配置的延时。 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文3 0 移蘑狰留按接艉豹势棼与磺究 然而采用这种方法，需要为移动主机以及嗣络配置一个g p s 设备，会 增= i 瑟设冬残零。 2 2 2 4 基予多播技术的快速切换 多播技术款骧理是壤融采爱多攫援术发邀分缝 6 。 当前的移动基站和几个环绕的麓站代表移动中的多播组，它们都接收 并缓存移动终端的数据包。但只有当前的一个基站把数据包传送到移动终 端。 移动终端通过测量接收到的附近基站发出的信号强弱，预计到切换的 发生。当移动终端发起坊换，它把漕息发送到暇采的和糕的基站，并盥岳 者开始把满意传送到移动终端。 多撂技术弱霞点是臻盘更耨不穗菇发裂h a ，减，l 、了注璐嚣重阕； 缺点是每个移动终端只能有一个多播地址，不能将数据包传送到不同 网络中的移动终端。面鼠多播技术增加了链路屡的流量。 出于多攒甥换巍制增攘了链路鼷的瀛量，文数 7 又提爨了一熬经过数 赫的基于分朦技术的多播切换机制一多重蜂窝覆盖系统。如图2 3 所示， 北京交通大学电子信息工程学院硕士举位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 微蜂窝 图2 3 双层蜂窝系统 蜂窝系统被划分为宏蜂窝和微蜂窝。在分层蜂窝系统中将多播传送的 c o a 固定为两个：宏蜂窝地址c o a m a c 和微蜂窝地址c o a m i c 。 当c n 欲与m n 通信时， i a 将数据包截获下来，以上述多播地址发往相 应的宏蜂窝和微蜂窝。这种双层蜂窝系统多播方式，既发挥了多播机制减 小切换延迟的优势，又改善了多播造成的链路层流量的增加。 2 2 2 5 基于l 2 t 技术的快速切换 上述方案的共同的特点是仅在i p 层考虑如何改善切换时的通信性能。 我们认为，为了获得整体上的优良性能，有必要考虑如何对通信协议 的各层分别加以改进以提高性能，考虑各层协议之间的配合协作，而不必 保证之间的严格独立。 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 移动i p 切换性能的分析与研究 系统的总切换时间d ：d = d 。十d 。 其中d 。为l 2 切换时间，d 。为l 3 切换时间 移动i p 中d 。：结束后才进行d 。切换，协议层之间的分离是增大延迟的 根源。因此打破协议层之间的独立性是减少延迟的根本途径。 链路层触发切换是在链路层切换还没有完成之前就进行i p 层的切换。 它通过切换估计来实现在数据链路层切换还没有结束之前就进行i p 层的切 换，从而缩短切换的时延。 l 2 t 技术的基本原理是：在l 2 切换完成前给l 3 发送一个触发( t r i g g e r ) 信号，触发l 3 切换。这样做的目的是将l 2 的切换过程与l 3 的切换过程在 时间上“并行”执行，虽然不能分别减小各层的延迟，但是在总的延迟性 能上得到了改善。 切换估计是通过链路层触发来实现的。链路层触发包含关于移动主机 连接以及不同实体的链路标识信息。当移动接入点接收到一条链路层触发 信息时，它必须能够完成该实体标识与i p 地址的映射。为此，相邻的移动 接入点必须相互交换信息，以便能够相互发现。 链路层触发切换有两种实现方法 基于估计进行切换 基于隧道进行切换。 快速切换使用链路层切换触发进行切换，使得移动接入点无需发送数 据就可以检测到移动主机的移动。同时，由于切换时大量的数据是在移动 接入点之间进行的，所以切换速度更快且代价更低。 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 3 3 移动挣蛹换性齄薛势斩砖鞭究 但是，这也加奠了移动接入点设计的复杂度。 2 。3 无缝甥换技术嬲比较 为了使移动i p 适应无缝切换的要求，上述各种技术的着眼点不尽相同 每手中抗化袋咯在改善了切换性能的鞫时，也岿然在某些方嚣付出了代给。 表2l 中了对上述各种技术进行了比较。 切换投糟眼点采取的措施或 改善程代价 寒名称增黧静设备痉 缓存分切换时在网络节点( f a减小了增加设备 组的分组丢失或b s ) 设置缓存切换时分组缓存 丢失率，和 分组遂传导 致鳇潮络麴 塞 微移动位置登采用分层机制，相当于增加了删 记g l 入g f a率缝韬换延 络复杂度，g l 迟 入新设备g f a 绑定更 p 她蛙在网终节患上浚善了增热了网 新的获取与配 设簧绑定更新缓存“三角路络节点上对分 置，位鼹登记出”阃题组的处理延 北京变通大学电予信息工程学院1 砸士学位论戈 移动i p 切换性能的分析与研究 迟，封装开销 消耗链路带宽 多播i p 地址利用多播协议相当于增加骨干 的获取与配处于多播小网的流量 置，位置登记组中的延迟 l 2 t使l 2 与 利用l 2 触发l 3与链路打破协议 l 3 切换从切换层切换相当层间独立性 “串行”变 为“并行” 表2 一l 无缝切换技术的比较 北京交通大学电子信息工程学院硕士学位论文 移砖狰韬撩幢