（通信与信息系统专业论文）移动ipv6快速切换协议的研究.pdf

巾围科学技术大学顾十学位论文 摘要 ￥型! 坠 随着互联网的酱及，以及宽带无线接入技术的发展，越来越多的用户开始使用移动通信 终端访问互联网。以i p v 6 协议为核心的f 代互联网将与移动通信系统更加紧密地结合在 一起，未来的个人移动通信终端将支持i p v 6 和m i p v 6 ( 移动i p v 6 ) 协议，可以商接访问互 联网。i p v 6 协议拥有的巨大地址空间和即插即用的地址配置方式，能满足移动终端对地址 的需求，而m i p v 6 协议满足了移动终端在全球漫游的需要。i p v 6 和m i p v 6 协议还能融合彳： 同的无线接入技术并为数据、语音、视频等服务提供一个统一的传输平台。 根据m i p v 6 协议，当移动终端连接到一个新的子网后，它还需要执行一系列的操作， 才能切换到新的子网。在切换的过程中，移动终端的通信会被中断，它发出的分组和发往它 的分组会被丢弃。切换造成的通信中断时间( 即切换延迟) 一般至少为几秒钟，这对于v o l p 等实时性业务来说是不可以接受的。i e t f 为此成立了一个名为m i p s h o p 的工作组，研究如 何对切换过程进行优化，以减少切换延迟、分组丢失以及信令开销。f m i p v 6 ( 移动i p v 6 快 速切换) 协议和h m i p v 6 ( 层次化移动i p v 6 移动性管理) 协议就是该工作组目前正在开发 的两种协议。 论文的第二章简单介绍了i p v 6 和m i p v 6 协议，第三章介绍了f m i p v 6 协议，并详细分 析了在各种情况f 切换过程对移动终端的通信造成的影响，第四章提出了对f m i p v 6 协议的 若干改进与完善措施，第五章介绍了8 0 21 1 无线接入技术，并提出了在8 0 2 1 l 无线局域网 中实现f m i p v 6 协议的方案。论文的主要贡献和创新点都和f m i p v 6 协议相关，包括三个方 面： 性能分析不仅分析了按m i p v 6 协议进行的基本切换的性能，还分析了按f m i p v 6 协议进行的一映速切换的性能。通信大多是双向的，在切换过程中两个方向的通信受到的影响 并不完全相同，另外不同条件下的切换性能也不同。论文将这些因素都考虑在内，对切换过 程进行了系统全面的分析，推导 i l 了一系列计算公式和结论，为在实现快速切换协议时采取 的优化措施提供了理论基础。 改进针对f m i p v 6 协议目前没有解决或考虑到的儿个问题，提出了解决方法，改进 与完善了f m i p v 6 协议。这些问题是：三方切换和乒乓现象的问题：f n a 消息可能丢失的 问题：移动终端在家乡子网和外地子网间切换时，可能出现隧道环或无用隧道的问题。当出 现这些问题时，快速切换的性能会严重降低。论文针对第一个问题，提出了引入h m i p v 6 协议中的m a p 思想、引入过渡期和支持隧道链等措施；针对第二个问题，提出了增加 f n aa c k 消息的措施：针对第二个问题，提出了移动终端在发送f b u 消息时应遵循的两 项原则。这些措施能避免第三个问题的出现，能保证在第一个或第二个问题出现时快速切换 的性能不会降低。 实现一一提出了基于8 0 2 1 l 无线接入技术，实现f m i p v 6 协议的方案。链路层触发器的 实现是其中关键，其次是分组缓存功能的实现。论文在提出链路层触发器的设计方案时，充 分利用了前面性能分析过程推导出的结论，使快速切换性能接近了最优化。为了提高f m i p v 6 协议的可扩展性，提出了两种可以支持人规模网络的构造与维护a p a r 映射表的方法。另 外，为了进。涉提高切换的性能，还提出了对链路层切换过程的若干优化措施，包括减少扫 描信道的个数、跳跃式扫描、不完全扫描、软切换等。 论文的研究成果已应_ 【_ | jr 中国科学技术人学信息网络实验室的移动i p v 6 示范系统中。 i i 中国科学技术大学硕十学位论文 摘要 实验结果表明，采用改进的f m l p v 6 协议并结合各种优化措施后，切换的性能能够满足v o i p 等实时性业务的需要。 关键词：移动l p v 6 ，快速切换，8 0 21 1 ，无线局域网 j 中固科学技术大学硕1 学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h e p o p u l a r i z a t i o n o f i n t e m e ta n dt h e d e v e l o p m e n to fb r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s s t e c m o l o g i e s ，m o r ea n dm o r es u b s c r i b e r sb e g i nt ou s em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l st oa c c e s s i n t e r n e tt h en e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t ，w h i c hh a si p v 6p r o t o c o la si t sk e m e l ，w i l lh a v ea t i g h t e r c o m b i n a t i o nw i t ht h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e n a h a t h ef u t u r e ，m o b i l ec o l y l l n u n l c a t l o n t e m a i n a l sw i l ls u p p o r ti p v 6a n dm i p v 6 ( m o b i l e i p v 6 ) p r o t o c o l ，a n da c c e s si n t e m e td i r e c t l y i p v 6 p r o t o c o lh a sag i a n ts p a c eo f a d d r e s sa n dap i l pc o n f i g a t r a t i o nm e t h o do fa d d r e s s s oi tc a nm e e t t h ed e m a n df o ra d d r e s so fm o b i l et e r m i n a l s a n dm i p v 6 p r o t o c o ls u p p o r t sm o b i l et e r m i n a l st o r o a mi nt h eg l o b a ls p h e r e h aa d d i t i o n ，i p v 6a n dm i p v 6 p r o t o c o lc a nm e r g eav a r i e t yo fw i r e l e s s a c c e s st e c t m o l o g i e s ，a n dp r o v i d eat m i f i e dt r a n s p o r tp l a t f o r mf o rm u l t i p l es e r v i c e ss u c ha sd a t a ， v o i c ea n dv i d e o a c c o r d i n g t om i p v 6 p r o t o c o l ，a f t e ram o b i l et e r m i n a la t t a c h e dt oan e ws u b n e t ，j tn e e d st od o as e r i e so f o p e r a t i o n si no r d e rt oh a n d o v e rt ot h en e ws u b n e td u r i n gt h ep r o c e s so f h a n d o v e r , t h e c o m m u n i c a t i o no ft h em o b i l et e r m i n a l1 s i n t e m t p t e d a n dt l l ep a c k e t ss e n tf r o ma n dt o l ta r e d r o p p e d t h ei n t e r r u p t i o np e r i o dc a u s e db yh a n d o v e r , i e h a n d o v e rl a t e n c y , i s u s u a l l ys e v e r a l s e c o n d sa tj e a s t ，w h i c h 】su n a c c e p t a b l et ot h er e a l t i m et r a 伤c ss n c ha sv b i p = s oj e t fh a sf o u n d e d aw o r k g r o u pn a m e d b ym i p s h o p t or e s e a r c ho i - 1t h es u b j e c to f o p t i m i z i n gt h ep r o c e s so fh a n d o v e r , t oa c h i e v et h eg o a l so f r e d u c i n gh a n d o v e rl a t e n c yo rp a c k e tl o s so rs i g n a l i n go v e r h e a d f m v 6 ( f a s th a n d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6 ) p r o t o c o la n dh m i p v 6 ( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6m o b i l i t y m a n a g e m e n t ) a r et h et w op r o t o c o l st h a tt h ew o r k g r o u pi sd e v e l o p i n g i nc h a p t e r2o ft h et h e s i s ，as i m p l ei n t r o d u c t i o nt oi p v 6a n dm i p v 6 p r o t o c o li sg i v e n i n c h a p t e r3 ，f m i p v 6p r o t o c o l i si n t r o d u c e da n dad e t a i l e da n a l y s i so ft h ei m p a c t i o nc a u s e db y b a n d o v e rp r o c e s s e su n d e rav a r i e t yo fs i t u a t i o n st ot h ec o m m u n i c a t i o no fam o b i l et e r m i n a li s g i v e n i nc h a p t e r4 ，s e v e r a lm e a s u r e st oi m p r o v ea n dc o n s u m m a t ef m i p v 6p r o t o c o la r eb r o u g h t o u ti n c h a p t e r5 ，a n i n t r o d u c t i o nt o8 0 2 1 1w i r e l e s sa c c e s s t e c h n o l o g y i s g i v e na n d a n i m p l e m e n t a t i o n s c e n a r i oo ff m i p v 6p r o t o c o li n8 0 211w l a ni s p u tf o r w a r d t h e m a i n c o n t r i b u t i o n sa n di n n o v a t i o np o i n t sa r ea l la b o u tf m i p v 6 p r o t o c 0 1 i n c l u d i n gt h r e ea s p e c t sa s f o i l o w s t h ef i r s to n ei sp e r f o r m a n c ea n a l y s i s n o to n l yt h eb a s i ch a n d o v e ri na c c o r dw i t hm i p v 6 p r o t o c o l ，b u ta l s ot h ef a s th a n d o v e ri na c c o r dw i t hf m i p v 6p r o t o c o li sa n a l y z e dc o m m u n i c a t i o n s a r eo f t e nb i d i r e c t i o n a l ，a n dt h ei m p a c t st h a tt h ec o l n n l u n i c a t i o n so nt w od i r e c t i o n ss u f f e rf r o m h a n d o v e rp r o c e s sa r en o t e q u a l i n a d d i t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo fh a n d o v e ri sd i t i e r e n tu n d e r d i f i e r e n ts i t u a t i o n s 1 1 l et t i e s i st a k e sa l lt h e s ef a c t o r si n t oa c c o u n t a n dc a r r i e so u tas y s t e n u ca n d t h o r o u g ha n a l y s i st oh a n d o v e rp r o c e s s ，a n dd e d u c e sas e r i e so f f o r m u l a sa n dc o n c l u s i o n s t h es e c o n do n ei si m p r o v e m e n t t h et h e s i sp r o v i d e ss o l u t i o n st os e v e r a lp r o b l e m st h a tt h e c u l t e n tf m i p v 6p r o t o c o ld o e sn o ts o l v eo re v e nn o tc o n s i d e r t h e s e p r o b l e m sa r e ：t r i - p a r t y h a n d o v e ra n dp i n g - p o n gp h e n o m e n am a yb ef o r m e d ；t h ef n a m e s s a g em a yb ed r o p p e d ；t u l m e l l o o po ri n v a l i dt u n n e lm a yb eg e n e r a t e dw h e nam o b i l et e r m i n a lh a n d o v e r sb e t w e e nl t sh o m e s u b n e ta n daf o r e i g ns u b n e t w h e nt h e s ep r o b l e m so c c u r ，t h ep e r f o r m a n c eo f f a s th a n d o v e rw i l lb e s e r i o u s l yd e g r a d e d t ot h ef i r s tp r o b l e m ，t h e s es o l u t i o n sa r ep r o v i d e d ：b r i n g i n gi nt h ec o n c e p to f 中国科学技术大学硕上学位论文 萸文摘要 m a pi nh m i p v 6 p r o t o c o l ；b r i n g i n gi nt h ec o n c e p to f t r a n s i t i o np e r i o d ；s u p p o r t i n gt u r m e lc h a i n ； e t ct 0t h es e c o n d p r o b l e m t h es o l u t i o no fa d d i n g af n aa c k m e s s a g ei sp r o v i d e d t ot h et h i r d p r o b l e m ，t w og n i d e l i n e st h a tm o b i l et e n n i n a l ss h o u l do b e yw h e ns e n d i n gf b um e s s a g e sa r e p r o v i d e da f t e rt h e s em e a s u r e sa r ed e p l o y e d ，t h et h i r dp r o b l e mc a nb ea v o i d e d ，a n dw h e nt h ef i r s t a n ds e c o n d p r o b l e m sh a p p e n ，t h ep e r f o m a a n c eo ff a s th a n d o v e rw i l ln o tb ed e g r a d e d t h et h i r do n el si m p l e m e n t a t i o na ni m p l e m e n t a t i o ns c e n a r i oo ff m i p v 6 p r o t o c o lb a s e do n 8 0 2 11w i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yi sb r o u 曲tf o r w a r dn l e i m p l e m e n t a t i o no fl i n kl a y e rt r i g g e r si s t h ek e yp a n ，a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f p a c k e tb u f f e ri ss e c o n d l yi m p o r t a n t m e “p r o v i d i n gt h e d e s i g ns c e n a r i oo fl i n kl a y e rt r i g g e r s ，t h et h e s i sm a k e saf u l lu s eo ft h ec o n c l u s i o n sd e d u c e di nt h e p r e v i o u sp r o c e s so f p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，a n dm a k e st h ep e r f o r m a n c eo f f a s th a n d o v e rb ec l o s et o p e r f e c t i no r d e rt oi m p r o v et h es c a l a b i l i t yo ff m i p v 6 p r o t o c o l ，t w om e t h o d st h a is u p p o r tl a r g e s c a l en e t w o r ka n dc a l lc o n s t r u c ta n dm a i n t a i na p a rm a d p i n gt a b l ea r ep r o v i d e d t om a k ea f u r t h e ri m p r o v e m e n tt ot h ep e r f o r m a n c eo fb a n d o v e r , s e v e r a lm e a s u r e st h a tc a l l o p t i m i z et h e p r o c e s so f l i n kl a y e rh a n d o v e ra r ep r o v i d e d ，w h i c hi n c l u d er e d u c i n gt h en u m b e ro fc h a n n e l st h a t n e e dt ob es c a n n e d ，j u m ps c a n n i n g ，n o t f u l ls c a n n i n ga n ds o f th a n d o v e n t h er e s e a r c hr e s u l t sm e n t i o n e di nt h i st h e s i sh a v eb e e na p p l i e dt ot h em l p v 6d e m o n s t r a t i o n s y s t e mo f t h ei n f o r m a t i o n a ln e t w o r kl a bo fu s t c t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a t t h ep e r f o r m a n c eo fh a n d o v e rc a nm e e tt h ed e m a n do fr e a l t i m et r a m c ss u c ha sv o i pa f t e rt h e i m p r o v e df m i p v 6p r o t o c o lc o m b i n e dw i t ho t h e ra m e l i o r a t i v em e a s u r e si sd e p l o y e d k e y w o r d s ：m i p v 6 ，f a s th a n d o v e r , 8 0 2 1 1 ，w l a n v 主里型兰垫查点兰堡主兰垡堕奎笙二要! i 鱼 第一章绪论 1 1 互联网( i n t e r n e t ) 发展概述 1 9 6 9 年美国国防部为研究在核战争条件f 的通信问题，建立了a r p a n e t 实验删。1 9 7 3 年在这个实验网上进行的研究工作产生了t c p i p 参考模型和协议族【1 ，如图1 - 1 所示，其 中网络接口层还可分为数据链路层利物理层。口协议是t c p i p 协议族中的关键组成部分。 i e t f ( i n t e m e t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) 丁二1 9 8 1 年9 月公布了i p v 4 协议的标准规范【2 1 。 应用层 ( t e l n e t 盯p ) 传输层 ( t c p ，u d p ) 网络层 ( i p i c m p ) 网络接口层 图1 1t c p i i p 参考模型和协议族 从1 9 8 3 年起，t c p i p 成为a r p a n e t 上唯一的正式协议族，a r p a n e t 的规模开始迅 速扩大，并与其它网络互联，逐渐成为一个全球性的互联网络i n t e m e t 。全球i n t e m e t 用 户持续快速增长，根据联合国发布的 2 0 0 4 年电子商务及其发展状况报告的数据知：2 0 0 4 年全球i n t e m e t 用户为7 3 5 0 0 万，预计2 0 0 7 年全球i n t e m e t 用户数量将达到9 0 4 0 0 万。图1 2 显示了全球 i n t e m e t 用户的增长情况1 。 嘲圈令球互联网用户数( 万) + 增长率 固1 2 全球互联网用户增长情况 上世纪九十年代中期，i n t e m e t 在中国开始进入发展和普及阶段。我国的i n t e m e t 起步较 晚，但是发展非常迅速，到2 0 0 4 年底，国内i n t e m c t 用户总数接近11 l 3 1 。图1 3 显示_ r 我国l n l e m e t 用户的增长情况【4 l 。 数据和幽来源于t r e s e a r c h 公_ j 的互联铷分析报告 r602pm22322o02002 0 0 0 0 0 0 0 o 0 o o o 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 o o 0 2 0 8 6 4 2 中国科学技术大学碗土学位论文 第一章结论 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 2 0 0 0 0 l5 0 0 0 l0 0 0 0 5 0 0 0 o 2 0 0 i2 0 0 22 0 0 3 ，0 0 2 0 d j e2 0 0 6 r2 0 0 7 f _ 圃中国互联网用户数量( 万) - 一增长率 图1 3 中国互联网用户增长情况 h ：1 t e m e t 的规模迅速扩大，一方面证明了i p v 4 协议设计的成功，另一方面给i p v 4 带来 了三大危机 5 】： l 地址枯竭 i p v 4 头标中的地址域的民度是3 2 位，所以i p v 4 地址空间人小是2 “3 2 ( 约4 0 亿个) ， 但将1 p 地址按网络规模划分成a 、b 、c 三类后，用户可蚪j 地址总数显著减少。根据最初的 预测，到2 0 0 3 年2 0 0 5 年e p v 4 地址将被用完。 2 网络号码匮乏 在i p v 4 中，a 类网络只有1 2 6 个，每个能容纳1 6 0 0 多万个主机：b 类网络有1 6 3 8 2 个 每个可以容纳6 万多个主机；c 类网络虽然多达2 0 9 余万个，但每个只能容纳2 5 4 个主机。 随着i s p ( 网络服务提供商) 数目的剧增，这三类网络地址将很快被占满，新出现的网络难 以加入到i n t e m e t 。 3 路由表急剧膨胀 由于i p v 4 的地址体系结构是非层次化的，每增加一个子网，路由器就要增加一个表项， 使路由器不堪重负。 自1 9 9 0 年发现这三大危机屙，系列应对措施，如使用内部地址弥补i p 地址的不足， j hc i d r ( 无类别域问路由) 扩大网络号码等，相继被提出，延缓了危机爆发的时间，延长 j - i p v 4 的使用寿命。 为了彻底消除这三大危机，从1 9 9 2 年开始，i e t f 开始着手下一代网络层协议i p v 6 的 研究和标准化： 作，约在1 9 9 8 年完成了l p v 6 主要标准 6 】的制定工作，相应的网络设备和实 验系统也随之出现。近来世界各国都竞相将i p v 6 网络作为主要的发展方向，并开始部署， 这标志着i p v 6 正在逐步走出实验室，迈向广阔的实用领域。 2 0 0 2 年，5 7 位院十上二韩国务院，呼吁“建设我国第二代互联网的学术性高速主干网”， 满足全国科学研究的需要。2 0 0 3 年8 月，国务院正式批复由发改委、工程院、信息产业部、 教育部等8 部委牵头启动“中国下一代互联网示范工程( c n g l ：c h i n an e x tg e l i e r a t i o n i n t e m e t ) ”，该项目完成后将建成世界上最大规模的i p v 6 网络基础设施。 其中c e r n e t 2 ( 第二代中国教育和科研计算机网) 是c n g l 项目中最大的核心网和唯 学术网，它以每秒2 - 1 0 g 的传输速率连接全国2 0 个主要城市的核心节点，为全国几百所 高校和科研单位提供高速i p v 6 网络接入服务，高速连接国内外f 代互联网。2 0 0 4 年3 月， 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 c e r n e t 2 试验网f 式向用户提供i p v 6 下一代互联网服务。 在1 p v 6 的研发与推广方面我国已经跻身忖界前沿中国在l p v 6 产业发展方面对全球 i p v 6 产业上e 起着越来越重要的作用，日益受到全球通信业的j 。泛重视。中国正在成为全球 i p v 6 产业的引擎。 1 2 无线接入技术与移动互联网 传统的i n t e m e t 一般采用固定网络接入，近年来随着无线技术的快速发展，越来越多的 用户开始使用无线接入i n t e r n e t 。这些无线接入技术主要分为两类，一类是由目前的第2 代 数字蜂窝移动通信系统( 2 g ，包括g s m 、c d m a 等) 发展而来的第2 5 代( 2 5 g ，包括g p r s 、 c d m a l x 等) 和第3 代( 3 g ，包括w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 等) 移动通信系统。 另一类是国际电子电气工程师协会( i e e e ) j t 发的8 0 2 系列无线协议，根据覆盖范围不同，这 些协议可以分别应用于无线个人n ( w v a n ，包括i e e e8 0 21 5 1 蓝牙、i e e e8 0 2 1 5 3 超宽带 接入) 、无线局域网( w l a n ，包括i e e e8 0 2 1 1 a b g ) 和无线城域n j ( w m a n ，包括i e e e8 0 21 6 、 i e e e8 0 2 2 0 ) 。与蜂窝移动通信系统相比，基fi e e e8 0 2 系列协议的无线网络具有简单、带 宽高、部署成本低等特点，因此近年来有了很大的发展，例如i e e e8 0 2 1 1w l a n 已经开始 在机场、校园、酒吧等热点场所部署，i e e e8 0 2 2 0 、i e e e8 0 21 6 e 也成为3 g 市场的有力竞 争者。 i p v 6 的地址长度扩大到了t 2 8 位，地址空间儿乎取之不尽，号称可以“让地球上的每 一粒沙子都分到一个口地址”，完全能满足数目庞大的移动终端对地址的需要，同时i p v 6 的即插即用功能极大地方便了各种移动终端的接入，并且可以通过i p s e c 认证头标( a h l 和封 鼗安全净荷( e s p ) 7 ，8 ，9 来保证无线数据在传输中的安全。i p v 6 与移动通信的结合将为目前 的互联网开拓一个全新的领域，同时下一代移动互联网也将成为i p v 6 最具发展潜力的应用 领域之。第三代协作项目( 3 g p p ) 已于2 0 0 0 年5 月份决定在第三代蜂窝移动通信系统中 采用口v 6 。图1 - 4 给出了我国移动通信用户的统计数据f 4 】，随着3 g 时代的到来，这些用户 都将成为潜在的移动互联网用户。 图1 - 4 国内移动用户缆计 t c p i p 协议旅存最初设计时是面向固定网络的，为了增加对移动通信的支持，i e t f t ：9 9 6 年开始制定移动i p v 6 ( m o b i l ei p v 6 ，简称m i p v 6 ) 西议，对i p v 6 协议进行扩展。经过 r2 4 个草案版本厉t m i p v 6 协议1 - 2 0 0 4 年6 爿成为止式的标准规范【1 0 。m i p v 6 协议提供 忡 o _ | !一，一；q ：jt 中国科学技术大学顾十学位论文 第一章绪论 了移动管理机制，j t 且对上层( 传输层和应用层) 协议隐藏r 移动带来的影响，这样就不需 要为支持移动通信而对上层协议进行修改了。当移动终端从一个i p 子网切换到另一个i p 子 网时，在上层协议看来，移动终端始终连接在同一个l p 子网中，就像一个崮定终端。样， 这样就能保持上层协议建立的会话的连续性。 由于网络层是独立于底层接入网的，所以在网络层引入移动性管理，可以实现对各种无 线接入技术的融合，使得节点在采用不同无线技术的网络之间漫游时仍然能够保持通信连 接。另外，在未来电信网和互联网融合之后，数据、语音、视频等多媒体业务都将建立在统 的i p 平台之上，如图1 5 所示。 视频等多 数据语音 媒体业务 弋夕 i p v 6 移动i p v 6 撩w c d m a 蹴l 2 gw m a nw l a nw p a n c d m a 2 0 0 0 j 一二f ：一、， g s m正e e8 0 2 1 6 1 a y e砸e e e e8 0 2 1 5 c d m ai e e e8 0 2 2 08 0 2 11 a b g ( 蓝牙) t d s c d m al 图1 5l p v 6 移动i p v 6 融合各种无线技术和业务 1 3 论文的选题意义 从功能上看，m i p v 6 协议实现了它的设计目标，即支持移动终端在全球漫游，但是从性 能上看，当移动终端从一个子网切换到另外一个子网时，它的通信会中断儿秒钟甚至十几秒 钟，这个由切换过程造成的通信中断时间被称为切换延迟。切换延迟过大的问题对于某些业 务( 如文件传送) 来说并不重要，但是对丁实时性业务( 如网络电话) 来说，影响是很人的。 另外，在切换过程中，m i p v 6 协议会产生一些控制信令，这些信令可能需要穿越骨干网，由 于移动终端的数目巨大，这些信令可能会增加骨干网的负担。 为此，i e t f 成立了专门的上作组，研究如何对切换过程进行优化，以减少切换延迟和 信令开销。目前有两个协议很可能会成为i e t f 正式的标准规范，一个是移动i p v 6 快速切换 ( f a s th a n d o v e r sf o rm o b i l el p v 6 ，简称f m i p v 6 ) 协议【1 1 ，一个是层次化移动i p v 6 移动性 管理( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6m o b i l i t ym a n a g e m e n t ，简称h m i p v 6 ) 协议1 2 1 。f m i p v 6 协 议能够将切换延迟减少到网络电话等实时性业务可以接受的程度，另一方面，它不但没有减 少反而增加了控制信令的数目，但是新增的控制信令不需要穿越骨干网。h m i p v 6 协议不能 将切换延迟减少到实时性业务可以接受的程度，但是它能有效地减少控制信令的数目。将 f m i p v 6 和h m i p v 6 协议结合起来使用，可以同时得到减少切换延迟和信令开销的效果。 1 4 论文的内容和组织结构 本论文主要围绕f m i p v 6 协议展开论述。第一二章介缁了i p v 6 协议的基本知识和m i p v 6 协议的基本原理。第二章对按m i p v 6 协议进行的基本切换的性能，以及采片】了f m i p v 6 协 4 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 议和h m i p v 6 协议之后的切换的性能作了系统伞面的分析。第四章针对f m i p v 6 协议目前没 有解决和考虑到的三个问题，提了相应的解决方案。第五章介绍了基于8 0 21 1 无线接入 技术实现f m i p v 6 协议的方案，包括对一系列技术难点问题的解决方案，以及为进一涉提高 切换的性能所采取的优化措施。第六章对全文进行总结，并提出了进一步的研究和工忭方向。 1 5 论文的主要贡献和创新点 论文的贡献主要表现在以下三个方面 1 对按m i p v 6 坍议进行的基本切换的性能平u 按f m i p v 6 协议进行的快速切换的性能进 行了系统全面的分析。 通常采用两个指标衡量切换的性能：切换过程中丢失的分组个数和切换延迟，影响 对数据丢失敏感的业务的主要是前一个指标，而影响实时性业务的主要是后一个指 标。虽然本文考虑的应用主要是v o l p ( 网络电话) 等实时性业务，但在对基本切换 和- 决速切换作性能分析的过程中，同时考察了这两个指标，不过将前一个指标转换 成了发送方的通信中断时间。对实时性业务来说，通信一般是双向的，在切换过程 中，两个方向上的通信受到的影响是不完全相同的。这一点经常被忽视，而本文在 分析过程中考虑到了这一点。另外，本文还考察了各种条件对切换性能的影响，例 如，在分析快速切换的性能时，就考察了分组缓存功能对切换性能的影响。通过性 能分析，推导出了一系列计算公式和结论，为在实现f m i p v 6 协议时采取的优化措 施提供了理论依据。 2 针对f m i p v 6 协议目前没有解决的几个问题，提出了解决方案，改进与完善r f m i p v 6 协议。 f m i p v 6 协议目前没有解决由三方切换和乒乓现象造成的分组丢失问题，没有考虑 到由于f n a 消息丢失造成的分组丢失问题，也没有考虑到移动节点在家乡子网和 外地子网间切换时可能产生隧道环或无用隧道，造成分组丢失的问题。在第四章中， 针对第一个问题，提出了引入h m i p v 6 协议中的m a p 思想、引入过渡期、支持隧 道链等措施；针对第二个问题，提出了增加f n aa c k 消息的措施；针对第三个问 题，提出了移动节点在发送f b u 消息时应遵循的两条规则。采取了这些措施后， 当出现三方切换、乒乓现象、f n a 消息丢失等情况时，能够避免或减少分组丢失， 当移动节点在家乡子网和外地子网间切换时，能够避免出现隧道环或无用隧道。 3 提山了基于8 0 2 1 1 无线接入技术，实现f m i p v 6 协议的方案。 第五章给山的这个方案包括了多个创新点：基于8 0 2 1 1 无线接入技术的链路层触发 器的设计方案：分组缓存功能的实现方法；两种可应用于大规模网络的构建与维护 a p a r 映射表的方法；对8 0 2l l 链路层切换过程，特别是信道扫描过程的多种优 化技术。通过这些创新性工作，一方面进一步提高了快速切换的性能，使得在切换 过程中分组丢失数目接近为零，并且将切换延迟降低到了1 0 0 毫秒以下，从而满足 了v o i p 等实时性业务的需要，另一方面提高了f m i p v 6 协议的可扩展性，有助于将 f m i p v 6 协议应用到实际的大规模网络中。 中国科学技术大学顾士学位论文 第一章i p v 6 和移动p v 6 协议的简介 第二章i p v 6 和移动i p v 6 协议的简介 2 1i p v 6 简介 为了解决i p v 4 地址空问不足等问题，i e t f 提出了f 一代i n t e m e t 协议i p v 6 。l p v 6 继承了i p v 4 的优点，并根据1 0 多年来对i p v 4 运用的经验进行了大幅度的功能扩充。 2 1 1i p v 6 地址 2 11 1 地址标记法 i p v 4 的地址是3 2 位，1 p v 6 的地址扩展到了1 2 8 值f 1 3 】。为了便予表述，设计者用冒号 将其划分为8 个1 6 位的数拥，每个数组表示成一个1 6 进制数，例如： f e d c ：b a 9 8 ：7 6 5 4 ：3 2 i o ：f e d c ：b a 9 8 ：7 6 5 4 ：3 2 1 0 另外，可以用双冒号置换地址中连续出现的全0 的1 6 进制数，例如 1 0 8 0 ：0 ：0 ：0 ：8 ：8 0 0 ：2 0 0 c ：4 17 a 可表示成： 1 0 8 0 ：8 ：8 0 0 ：2 0 0 c ：4 i7 a 但是在一个地址中双冒号最多只能出现一次，否则会引起域义。 另外，当涉及到 p v 4 和i p v 6 节点的混合环境时，有时使用x ：x ：x ：x ：x ：x ：d d d d 这种形式 即将高9 6 位划分成6 个1 6 位的数组，用1 6 进制数表示，而将低3 2 位化分成4 个8 位数组 用1 0 进制数表示，例如： ：f f f f ：1 2 9 1 4 45 23 8 i p v 6 子网前缀的表示形式为：i p v 6 地址前缀长度。其中前缀长度是一个十进制数，指 定使用i p v 6 地址中摄左边的多少位作为前缀，例如： 1 2 a b ：0 ：o ：c d 3 0 ：1 6 4 2 1 1 2 地址类型 i p v 6 地址分为单播、组播、任播三类。 单播地址：仅标识一个接口。发往一个单播地址的分组被送到该地址所标识的网络接口。 组播地址：标识一组接口( 通常属于不同的主机) 。发往一个组播地址的分组被送到该 地址标识的所有网络接口。 任插地址：标讧 一编接广l ( 通常属，不同的丰机) 。发往一个任播地址的分组并不被送 到该地址标识的所有接口，而只是其中“最近的”那个接口( 根据路由协议对距离的测量 而定) 。 i p v 6 地址空间的人小足2 “1 2 8 ，绝人部分被划分给单播地址，如表2 - 1 所示。任播地址 6 一 中国科学技术人学硕+ 学位论文 第一章l p v 6 和移动p v 6 协议的简介 从单播地址空间中分配，使用单播地址的任何形式。从语法形式上看，单播地址和任播地址 没