（通信与信息系统专业论文）移动ipv6中流移动的研究与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着移动通信技术的发展，无线网络覆盖呈现出多样性和复杂性，对于支 持多种接入模式的移动终端，用户面临着如何针对不同业务选择适当网络接口的 问题，同时无线用户和业务量的增多也对有限的网络资源提出了挑战。因此，研 究如何在不中断数据传输的情况下更换接入网络模式和如何高效利用网络资源具 有十分重要的意义。 多转交地址注册作为移动i p v 6 协议的扩展功能，允许移动节点使用多个网络 接口同时接入网络，但是当需要更换接入网络时，移动节点必须先断开原有的连 接，和家乡代理重新建立绑定关系，然后重新开始传送数据，这会造成业务的中 断。本论文旨在多转交地址注册功能的基础上研究和实现数据流的不中断移动。 本论文首先阐述了移动互联网中现有数据传输技术存在的缺陷和国内外机构 针对该缺陷所作的研究，接着从业务需求和有效利用网络资源两个角度分析了本 论文所要实现的流移动技术。其次，本论文设计了实现流移动技术的方案，从流 的绑定、流的识别和流的移动三个方面分析了需要对移动i p v 6 协议进行的扩展。 然后，论文主要从移动节点模块和家乡代理模块两方面分析了流移动技术的具体 实现，并设计了各模块的软件流程和相关的数据结构。 最后，本论文构建了w l a n 无线网络环境，在l i n u x2 6 2 9 内核平台上对移 动i p v 6 中流移动支持软件进行了功能和性能测试，主要是对流的绑定、流的识别、 流的移动和流移动时延四个方面的测试，并做出了相应的分析。整个测试结果表 明软件代码基本实现了移动i p v 6 中流移动技术的模块功能。 关键词：移动i p v 6 ；流绑定协议；流移动；多转交地址 分类号：t n 9 1 5 0 4 j 壁墼塑坠塑堂焦迨塞 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n 0 1 0 9 mt h e c o v e r a g eo fw i r e l e s sn e t w o r ks h o w sd i v e r s i t ya n dc o m p l e x i t y w i t hm o b i l et e n l l i n a l s s u p p o r t i n gm o r ea n dm o r em u l t i p l ea c c e s sm o d e s ，u s e r sf a c et h ep r o b l e mo fh o wt o c h o o s et h ea p p r o p n a t en e t w o r ki n t e r f a c ef o rd i f f e r e n t s e r v i c e s ，a i l dt h ei n c r e a s eo f w i r e l e s su s e r sa n ds e r v i c ev o l u m ea r ea l s oa c h a l l e n g et ot h el i m i t e d 锄o u n to fn e t w o r k r e s o u r c e s t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a tv a l u et o s t u d yh o wt oc h a n g et h ea c c e s sn e t w o r k s m o d e lw i t h o u t i n t e r r u p t i n g t h ed a t at r a n s m i s s i o na n d u t i l i z en e t w o r kr e s o u r c e s e f f i c i e n t l y a st h ee x t e n s i o no fm o b i l ei p v 6p r o t o c o l ，m u l t i p l ec a r e o fa d d r e s sr e g i s t r a t i o n a l l o w st h em o b i l en o d et oa c c e s st h en e t w o r k u s i n gm u l t i p l en e t w o r ki n t e r f a c e sa tt h e s a m et i m e b u tw h e nu s e r sn e e dt oc h a n g et h ea c c e s sn e t w o r k ，t h em o b i l en o d em u s t d i s c o n n e c tt h eo r i g i n a ll i n kf i r s t l y , r e e s t a b l i s ha b i n d i n gr e l a t i o n s h i pw i t hh o m ea g e n t ， a n dt h e nt r a n s f e rd a t aa g a i n ，w h i c hw i l lc a u s et h es e r v i c ei n t e r r u p t i o n t h i sp a p e ra i m s t o s t u d yt h eu n i n t e r r u p t e dd a t af l o wm o v e m e n tb a s e do nm u l t i p l ec a r e o fa d d r e s s r e g i s t r a t i o nf u n c t i o n t h i sp a p e rf i r s t l yd e s c r i b e s t h ef l a w sn o we x i s t i n gi n m o b i l ei n t e m e td a t a t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n dt h e s t u d ya i m e da tt h ed e f e c t si nd o m e s t i ca n df o r e i g n i n s t i t u t i o n s ，a n dt h e na n a l y s e st h ef l o wm o b i l i t yt e c h n o l o g yt h i sp a p e rw i l la c h i e v ei n t e r m so ft h es e r v i c er e q u i r e m e n t sa n de f f i c i e n tu s eo fn e t w o r k r e s o u r c e s s e c o n d l y p a p e rd e s i g n s as o l u t i o nt or e a l i z ef l o w m o b i l i t yt e c h n o l o g y , a n da n a l y s e st h e e x t e n s i o n st om o b i l ei p v 6i nt e r m so ft h ef l o wb i n d i n g ，f l o wi d e n t i f i c a t i o na n df l o w m o b i l i t y t h i r d l y , t h ep a p e ra n a l y s e sh o wt or e a l i z ef l o wm o b i l i t ym a i n l yf r o mt h e m o b i l en o d ea n dh o m ea g e n tm o d u l e sw i t hs o f t w a r ed e s i g n p r o c e s sa n dd a t as t m c t u r e f i n a l l y , t h ep a p e rc o n s t r u c t saw l a nw i r e l e s sn e t w o r ke n v i r o n m e n ta n dt e s t st h e s o f t w a r eo ff l o wm o b i l i t ys u p p o r ti nm o b i l ei p v 6o nt h el i n u x2 6 2 9k e r n e lp l a t f o r m ， m a i n l ya b o u tt h ef l o wb i n d i n g ，f l o wi d e n t i f i c a t i o n ，f l o wm o b i l i t ya n dt h ef l o wm o b i l i t v d e l a y , a n dt h e nm a k e st h ec o r r e s p o n d i n ga n a l y s i s t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es o f t w a r e b a s i c a l l yr e a l i z e sm o d u l ef u n c t i o n so ff l o wm o b i l i t yi nm o b i l ei p v 6 k e y w o r d s ：m o b i l ei p v 6 ；f l o wb i n d i n g p r o t o c o l ；f l o wm o b i l i t y ：m u l t i p l ec 锄o f a d d r e s s e s c l a s s n o ：t n 9 15f 4 致谢 本论文的工作是在我的导师张宏科教授的悉心指导下完成的，张宏科教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。张宏科教授还教会我 许多为人处世的道理，使我树立了正确的科学观和人生观，踏实奋斗自己的人生。 藉此论文完成之际，谨向教育我的导师表示诚挚的谢意，在此衷心感谢张宏科教 授多年来对我的关心和指导。 郜帅老师、周华春教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生 活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向郜帅、周华春老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，延志伟博士、王利利博士、李雪霞、朱型檑、 曹大杏等同学对我平时的研究工作和论文给予了热情帮助，在此向他们表达我的 感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。感谢母校北京交通大学为我创造一个舒适的学习环境。 最后，衷心感谢各位评委于百忙之中抽出宝贵的时问审阅本文。 引言 1 引言 本章首先阐述本论文的研究背景和选题意义，然后分析了相关技术的研究现 状，最后给出了本论文的组织结构。 1 1研究背景及选题意义 随着全球性i p v 4 地址资源的枯竭，基于i p v 6 协议的下一代互联网技术被提上 研究日程。作为下一代网络的核心技术，i p v 6 协议拥有很多优势，例如i p v 6 具有 更大的地址空间、使用更小的路由表、增加了增强的组播( m u l t i c a s t ) 支持以及对 流的支持( f l o wc o n t r 0 1 ) 、加入了对自动配置( a u t oc o n f i g u r a t i o n ) 的支持、具有 更高的安全性等，这些都为i p v 6 的大规模推广奠定了基础。 随着移动通信和互联网技术的发展，人们已经不再满足于传统的上网模式， 而是越来越希望能够随时随地的使用移动终端接入网络 2 1 获取服务。此外，支持 c d m a 、g p r s 、w i f i 等多种网络接入模式的移动设备越来越多的融入到人们的 生活中，用户希望在使用这些移动终端时，能够根据自己的爱好和需求，自主选 择某一种特定模式的接口进行通信，或是使用某些接口同时进行数据传输。更进 一步的，用户也希望在使用某项业务时，能够在众多的接入模式中选择最适合的 方式，以获得最佳的业务体验【3 】。 i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，互联网工程任务组) 标准组织的m i p 6 工作组在2 0 0 4 年6 月提出了移动i p v 6 协议( r f c 3 7 7 5m o b i l i t ys u p p o r ti ni p v 6 ) 【4 】， 即对i p v 6 协议进行了移动性支持的扩展，使其支持主机移动性。对于网络移动性 的支持，i e t f 标准组织成立了n e m o ( 网络移动性) 工作组，于2 0 0 5 年1 月提 出了网络移动性基本支持协议( r f c 3 9 6 3n e t w o r km o b i l i t y ( n e m o ) b a s i cs u p p o r t p r o t o c 0 1 ) p j ，目的是实现在整个子网移动时，改变移动路由器的接入点，与家乡 代理( h a ) 进行新的注册，然后建立传输隧道，以保持整个移动子网的通信连续 不中断。随着宽带无线通信和移动互联网技术的飞速发展，移动终端上开始配置 多个支持不同无线接入技术的接口，这些接口所对应的网络在传输速率、覆盖范 围等方面有所差异，彼此独立但又相互嵌套，呈现出多元化，但是传统的移动i p v 6 只能支持移动终端单独的某个接口进行通信，无法实现多接口同时传输数据，为 了解决这一问题，i e t f 标准组织成立了m o n a m i 6 工作组，于2 0 0 9 年1 0 月提出了 支持多转交地址注册协议( r f c 5 6 4 8m u l t i p l ec a r e o f a d d r e s s e sr e g i s t r a t i o n ，m c o a ) 【6 】，通过注册多个转交地址，实现有多个无线接口的移动终端同时和家乡网络进行 北京交通大学硕士学位论文 通信。 然而，由于用户使用的业务类型众多，每种业务在不同的网络中所体现的效 果也不尽相同，而且不同接入网络的接入优先级也有差异，例如w l a n 网络的接 入优先级要高于l t e 网络【7 1 ，如果用户在w l a n 和l t e 网络同时覆盖的区域里使 用视频业务和其它业务，都会默认接入到优先级较高的网络，即选择w l a n 网络 进行各种业务数据的传输，由于视频业务对网络的响应时延要求比较高，所以其 在时延较小的l t e 网络中会获得更好的传输效果，播放会更流畅。对于用户而言， 如何在不中断已经播放的视频和其它业务的情况下，只将视频业务转移到l t e 网 络下以获得更好的业务体验，是目前面临的一个关键问题。另一方面，从网络设 备负载均衡考虑，当某一台接入设备上运行的业务数量已经接近饱和，考虑到网 络负载及网络吞吐率，是否可以将正在运行的部分业务在不中断的情况下移动到 其它比较空闲的接入设备上，做到合理利用网络资源，同时让使用该业务的用户 在察觉不到变化的同时提升业务质量，这也是目前急需解决的重要问题。这些都 对移动i p v 6 提出了更高的要划引。 本论文的选题源于国家科技重大专项“新一代宽带无线移动通信网”的部分 研究内容，该专项旨在为无线移动用户提供宽带连入互联网的网络连接和服务手 段，提供系统服务总体架构和支撑技术，通过研究最新的移动互联网技术，将其 实现并将其融合，以构建新一代宽带无线移动通信网。本论文主要是通过研究移 动i p v 6 中n e m o 、m c o a 支持协议，在l i n u x2 6 2 9 内核平台上完成移动i p v 6 中 流移动技术软件的开发与测试。 1 2国内外研究现状 1 i e t fm e x t 工作组 合理的流移动不仅能够让用户获得更好的服务体验，也能从流量重定向、负 载均衡、负载共享等方面来合理分配网络资源，使网络资源得以高效利用。移动 i p v 6 中流移动相关技术的研究主要是由i e t f 标准组织的m e x t 工作组( m o b i l i t y e x t e n s i o n sf o ri p v 6 ) 展珏的，工作组的草案针对不同的应用场景提出了相应的解 决方案： 1 ) 3 g p pt f tr e f e r e n c ef o rf l o wb i n d i n g 【9 1 ，2 0 10 10 本草案提出在一个3 g p ps a e ( s e r v i c ea r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n ，服务架构演变) 场景中，定义了一个相对于草案“f l o wb i n d i n g si nm o b i l ei p v 6a n dn e t w o r km o b i l i t y ( n e m o ) b a s i cs u p p o r t ”中提到的但更进一步的传输选择器子选项格式t f t ( t r a f f i c f l o wt e m p l a t e ，传输流模板) ，通过在移动节点和家乡代理之间传递t f t 来实现流 引言 的绑定和移动。 2 1h o m ea g e n ti n i t i a t e df l o wb i n d i n gf o rm 0 b i l ei p v 6 t l u j , 2 0 10 6 本草案提出了一种由家乡代理h a 发起流绑定操作的场景。草案中新定义了 一种移动头、两个消息格式和一些子选项，来实现由h a 发起的针对移动节点m n 的流绑定操作。这种方法能够同时支持i p v 4 和i p v 6 的移动节点模式。 3 ) t r a 伍cs e l e c t o r sf o rf l o wb i n d i n g s n l , 2 0 11 1 本草案于2 0 1 1 年1 月成为移动i p v 6 中流绑定技术的重要辅助标准一r f c 6 0 8 8 。 标准中分别定义了在移动i p v 6 流绑定技术中使用的二进制格式的i p v 4 和i p v 6 传 输选择器。 4 ) f l o wb i n d i n g s i nm o b i l en v 6a n dn e t w o r k m o b i l i t y ( n e m o ) b a s i c s u p p o r t t l 2 1 , 2 0 11 1 本草案在2 0 1 1 年1 月成为移动i p v 6 流绑定技术的指导标准r f c 6 0 8 9 。标准 中分析了对移动i p v 6 协议进行的扩展，包括对绑定标识( b i d ) 移动选项的更新、 创建流标识( f i d ) 移动选项和流绑定条目列表等等，最终实现允许节点在一个转 交地址上绑定一个或多个流，这些扩展也允许多家乡( m u l t i h o m e d ) 的节点指导家 乡代理h a 和其它移动i p v 6 实体将接入的流绑定到指定的地址上。本论文的主要 工作就是在该标准的基础上展开的，包括对该标准的研究、设计与实现。 2 其它机构研究情况 美国高通公司于2 0 0 9 年6 月提出了发明专利用于受网络控制的移动i p 流移 动的方法和设备，允许移动i p v 6 中家乡代理等网络实体控制移动节点上业务流的 移动，用户可以自主选择业务最佳匹配网络，获得最佳业务体验【1 3 】。但是该专利 只是提出了一种方案设想，并没有具体的软件实现。 北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室在2 0 0 8 年1 月发表论文基 于移动i p v 6 的流切换协议的设计与实现，设计了一种在移动i p v 6 网络中面向流 的切换协议，实现了切换过程中数据流的重定向，提高了数据传输效率，更有效 地利用网络资源 1 4 1 。但是该论文只是通过仿真实验获得测试结论，并没有在实际 网络环境中进行测试。 1 3论文主要工作 本论文主要工作是在l i n u x2 6 2 9 内核平台上，以支持n e m o m c o a 功能的 m i p l 2m i p v 6 一d a e m o n u m i p 一0 4 代码为基础，对现有m c o a 协议进行修改和扩展， 实现流移动的功能，并搭建测试实验环境，进行相应的功能和性能测试。 论文的组织结构如下： 北京交通大学硕士学位论文 第一章，引言。阐述了本论文的研究背景及选题意义，分析了国内外研究现 状，列出了论文的主要工作和组织结构。 第二章，移动i p v 6 协议及其相关技术。简单分析了移动i p v 6 协议、n e m o 协议和多转交地址注册m c o a 协议的基本原理，重点分析了移动i p v 6 中的流移动 技术，及其在实际应用中的两种场景。 第三章，移动i p v 6 中流移动的设计。提出了移动i p v 6 中流移动实现的具体目 标，分析了实现流移动技术需要对移动i p v 6 协议进行的扩展，并设计了协议功能 的操作过程和功能实现的流程图。 第四章，移动i p v 6 中流移动的实现。详细阐述了l i n u x2 6 2 9 内核下流移动 方案的实现，主要是各功能模块的流程图和设计实现。 第五章，移动i p v 6 中流移动的测试。搭建测试环境，针对移动i p v 6 中流移动 方案完成一致性测试和性能测试，并对测试结果加以分析。 第六章，总结和展望。总结了在流移动设计和代码实现测试过程中遇到的问 题，并提出了今后的工作方向。 4 移动i p v 6 协议及其相关技术 2 移动i p v 6 协议及其相关技术 流绑定协议是在移动i p v 6 协议、n e m o 协议和m c o a 协议的基础上提出来的， 是对这些协议的扩展，本章主要是对这些协议进行原理分析，然后引出移动i p v 6 中的流移动技术。 2 1移动i p v 6 协议概述 移动i p v 6 协议使得移动节点在i p v 6 覆盖的网络中移动时仍然保持通信的连续 性。在i p v 6 网络中，如果对节点通信的移动性没有相应的支持，当移动节点移动 出家乡链路所在的范围时，发往这个移动节点的数据包将不可达。为了保证会话 的连续性，移动节点每移动到新的链路时都需要改变i p 地址，如此就无法继续维 持传输和高层的连接。移动i p v 6 协议很好的解决了这一问题，它允许节点从原链 路移动到另一个链路而无需改变家乡网络地址。无论移动节点移动到哪个链路， 都可以使用原先的家乡网络地址进行数据通信。因此移动节点离开家乡链路的行 为对于传输和高层协议来说是透明的。 移动i p v 6 协议中移动节点与通信对端之间有两种通信模式，其通信过程如图 2 1 所示： m n 图2 1 移动i p v 6 协议网络模型 f i g 2 1m o b i l ei p v 6n e t w o r km o d e l 北京交通大学硕士学位论文 第一种模式是双向隧道模式。这种模式不需要通信对端c n 支持移动i p v 6 协 议，而且即使移动节点m n 没有在通信对端c n 注册当前的绑定关系，这种模式 仍然可以正常使用【1 5 l 。 第二种模式是路由优化模式。这种模式需要移动节点m n 向通信对端c n 绑 定其当前的转交地址，从通信对端c n 发出的数据包可以直接路由到移动节点m n 的转交地址【1 6 】。 2 2 n e m o 协议概述 n e m o ( 网络移动性) 协议是对移动i p v 6 协议的扩展，以支持整个网络的移 动性。这些扩展是兼容移动i p v 6 协议的，特别的，一个n e m o 家乡代理h a 也能 够作为一个移动i p v 6 家乡代理h a 工作。n e m o 协议确保移动子网内部的所有通 信节点即使在移动路由器m r 改变其网络接入点时，仍然保持会话的连续不中断 【1 7 】。该协议还在网络进行移动时，为所有移动网络内的通信节点提供会话的连接 性和可达性。n e m o 协议的网络模型如图2 2 所示： 一一一 ij() 、，+、j 图2 2n e m o 协议的网络模型 f i g 2 2n e t w o r km o b i l i t yn e t w o r km o d e l 移动网络至少应该有一个移动路由器为其服务，移动路由器不会把移动网络 的路由信息散布到相连节点的基础设施上( 比如被访问网络) ，但是它要同家乡代 6 移动i p v 6 协议及其相关技术 理维护一个双向隧道，家乡代理把移动网络的综合信息广播到基础设施中。移动 路由器也是移动网络的默认网关，一个移动路由器有唯一的一个家乡地址，当它 注册到家乡代理后，就能保持与家乡网络的可达性。 n e m o 协议的工作原理如下所述： 当移动路由器从它的家乡链路移动并连接到一个新的接入路由器上时，它在 访问的链路上获得一个转交地址。一旦移动路由器获得了转交地址，它就马上发 送一个绑定更新( b u ) 消息到它的家乡代理，当家乡代理收到该绑定更新消息， 便回复一个绑定确认( b a ) 消息以建立初步会话链接，移动路由器便可以为移动 网络内的节点提供连接服务，它需要将绑定更新中标志位r 置位再发送给家乡代 理，家乡代理通过给移动路由器发送一个绑定确认来确认绑定更新。预设了移动 路由器m r 标志位( r ) 的绑定确认消息说明移动网络的转发关系已经由家乡代理 建立起来了。当完成绑定操作时，移动路由器和家乡代理之间就会建立起一个双 向隧道，这个隧道两端是移动路由器m r 的家乡代理的地址和转交地址【1 8 】。 当一个数据包由通信对端发送到移动网络的内部节点，它首先路由到移动路 由器当前绑定的家乡代理，移动路由器的网络前缀应该在家乡代理处聚合并且通 告。这样通过通告移动网络前缀的路由信息，家乡代理可以收到目标是移动网络 的数据包。当家乡代理收到目的地址是移动网络的数据包，它将该包隧道到移动 路由器当前的转交地址，移动路由器解封装该包并将其转发到移动网络连接的接 口上u 圳。移动路由器在解封装隧道过来的包之前必须检查外部i p v 6 头的源地址是 否是家乡代理，但是如果包在隧道模式传送时受到i p s e c 保护的话，这种检查就不 是必须的。移动路由器也必须在将包转发到移动网络之前确保内部i p v 6 头中的目 的地址属于移动网络使用的前缀，否则就要应该丢弃该包。 2 3多转交地址注册协议概述 根据移动i p v 6 协议的描述，一个移动节点可以有多个转交地址，但是只有一 个可以作为主转交地址向家乡代理和通信节点注册。但是综合考虑开销、带宽、 延迟等因素，穆动节点使用多个接入模式同时访问因特网是有益的。因此，多转 交地址注册协议扩展了移动i p v 6 标准，允许移动节点向同一个家乡地址注册多个 转交地址绑定。协议规定在每一个绑定中携带一个新标识号一绑定标识b i d ，帮助 接收者区分同家乡地址的绑定。这些扩展选项是在移动i p v 6 和n e m o 协议基础上 进行的。 一旦移动节点的接口上得到多个i p v 6 地址，它就向家乡代理进行注册。如果 移动节点想要向家乡代理注册多个绑定，它必须为每一个转交地址生成一个b i d ， 7 北京交通大学硕士学位论文 并记录在绑定更新列表中。移动节点发送一个带有绑定唯一标识子选项的绑定更 新注册转交地址。b i d 必须存放在绑定唯一标识子选项中。家乡代理接收到绑定 更新后，确认请求并把绑定存放在绑定缓存中 2 0 1 。如果新定义的子选项出现在绑 定更新中，家乡代理必须把b i d 从绑定更新中复制到绑定条目的对应域。即使早 就存在移动节点的一个条目，家乡代理也必须注册一个新的带有绑定唯一标识子 选项b i d 的绑定条目。移动节点可以独立的注册多个转交地址( 单独的b u s ) ，也 可以同时注册多个( 用一个b u ) 。 如果移动节点希望向通信节点注册绑定，它必须执行返回路由可达过程。移 动节点必须为每一个转交地址管理一个转交密钥令牌。必要的话( 转交密钥令牌 过期) ，移动节点为相关的转交地址交换c o t i 和c o t 2 1 1 。当移动节点向通信节点 注册多个转交地址时，它使用和家乡注册绑定一样的b i d 。 多转交地址注册协议的网络模型如图2 3 所示，图中的m r 配置了l t e 、g p r s 和w l a n 无线网卡，当m r 及其子网移动到外地链路后，三个无线网络接口分别 配置了三个转交地址。多转交地址注册协议对b u 消息进行了扩展，当多个转交地 址一起向一个家乡网络地址进行绑定时，每个绑定中必须携带一个已经分配好的 新的绑定标识( b i d ) 选项，家乡代理根据不同的b i d 来识别每个接口，最终完 成多转交地址注册过程。 w i t hb i d s u b o p t i o n w i t hb i ds u b o p t i o n 图2 3 多转交地址注册协议的网络模型 f i g 2 3m u l t i p l ec a r e o f a d d r e s s e sr e g i s t r a t i o nn e t w o r km o d e l 移动i p v 6 协议及其相关技术 2 4移动i p v 6 中的流移动技术 综上所述，移动i p v 6 协议解决了i p v 6 移动性支持的问题，n e m o 协议解决 了网络移动性的问题，m c o a 协议解决了多转交地址注册的问题，但是这并不能 满足人们日益增长的对获取最佳应用体验的需求，而且也无法做到最优化的利用 网络资源。 在现实生活中，网络覆盖状况非常复杂，人们所使用的移动终端也不断地支 持越来越多的接入模式，用户如何在众多的接入网络中为自己所使用的业务选择 最佳接入方式从而获得最好的业务体验，是目前移动互联网领域研究的新热点。 另一方面，从网络资源来看，目前还没有一种很好的负载均衡机制来协调网 络实体之问的载荷平衡，对于已经接近饱和的网络接入设备，如何在用户察觉不 到的情况下进行流的迁移，也是一个热门的研究领域。 下面分别从用户需求和网络资源两个角度对流移动的应该场景进行分析： 2 4 1 从用户需求角度进行的流移动 如图2 4 所示，用户使用的是视频业务，由于用户一开始所在的地域只有 w l a n 网络覆盖，所以用户只能选择该种接入模式来进行数据传输。 ( h a ) 家乡代理 ， ， ， ，一 ， - ， 乞 r ， ， 图2 _ 4 流移动之前业务应用的网络模型 f i g 2 _ 4n e t w o r km o d e lo fs e r v i c ea p p l i c a t i o nb e f o r ef l o wm o b i l i t y 9 北京交通大学硕士学位论文 当用户移动到一个新的地域后，除了原有的w l a n 网络，该地域还覆盖有l t e 网络。由于视频业务对网络的响应时延要求较高，所以其在时延较小的l t e 网络 中会获得更好的传输效果，播放会更流畅 2 2 】。对于用户而言，自然是希望能够在 不中断已经播放的视频业务的情况下，将视频业务转移到l t e 网络下以获得更好 的业务体验。 图2 - 5 流移动之后业务应用的网络模型 f i g 2 5n e t w o r km o d e lo fs e r v i c ea p p l i c a t i o na f t e rf l o wm o b i l i t y 如图2 5 所示，就是经过流移动后的视频业务传输情况，可以看出，视频业务 已经从经由w l a n 网络传输改变为可以获得更好视频播放效果的l t e 网络传输 了。 还有一种情形，当用户所在的地域同时覆盖有w l a n 和l t e 网络，由于不同 接入网络之间的接入优先级有差异，例如w l a n 网络的接入优先级要高于l t e 网 络，所以用户在该区域里使用视频业务和其它业务时，都会默认接入到优先级较 高的网络，即使用w l a n 网络进行各种业务数据的传输【2 3 】- 在这种情况下，也是 需要依靠流移动技术来实现业务流的移动，可以只将视频业务流从w l a n 网络接 口接入移动到l t e 网络接口接入，最大化的满足用户的需求。 2 4 2从网络资源角度进行的流移动 l o 整垫! ! 堑垫望墨基塑苤垫查 理 图2 - 6 流移动之前网络资源使用情况的网络模型 f i g 2 - 6n e t w o r km o d e lo f n e t w o r kr e s o u r c ep e r f o r m a n c eb e f o r ef l o wm o b i l i t y 如图2 - 6 所示，m n 有三种无线网络接口l t e 、g p r s 和w l a n ，而且用户都 正在使用中。m n 目前所处的外地网络中只有a r i 这一个接入路由器，因此只能 将三条进行中的会话都通过a r l 接入家乡代理，此时a r l 已经接近饱和，无法再 接入新的会话 随着用户的移动，网络中又出现了另一个接入路由器a r 2 ，而且a r 2 上面接 入的会话数量很少，比较空闲，设备利用率不高。所以，应该考虑如何将a r l 上 面的部分会话转移到a r 2 上，这样不仅可以减轻a r l 的负担、提高a r 2 的设备 利用率，而且也可以让那些只能检测到a r l 的移动终端发起的新会话能够接入到 a r l 上进行通信和数据传输【2 4 】 2 5 】。 如图2 7 所示，经过数据流移动之后网络资源利用率明显提高了。m n 发起的 三个会话已经有两个从a r l 移动到a r 2 继续通信，降低了a r l 的负载程度，同 时也使a r 2 的资源得以充分利用。 从整个网络层面来看，流移动技术的使用将大大提高网络资源的利用率，同 时也可以改善网络设备的负载均衡情况。 北京交通大学硕士学位论文 理 图2 7 流移动之后网络资源使用情况的网络模型 f i g 2 - 7n e t w o r km o d e lo f n e t w o r kr e s o u r c ep e r f o r m a n c ea f t e rf l o wm o b i l i t y 2 4 3流移动技术与切换技术 切换技术可分为硬切换和软切换两种【2 6 1 。 以移动i p v 6 通信为例，硬切换的特点是先断开、后建立，即切换的时候先断 开旧有的会话链接，然后才建立新的会话链接，建立新的会话链接时需要重新发 送b u 、b a 等信令消息来建立绑定关系，而用户原有的正在使用中的业务也需要 先断开再重新从头传输。硬切换在切换过程中有明显的中断，对用户的通信质量 有所影响。 软切换的特点是先建立、后断开，即切换的时候网络和移动终端是在保持用 户原有会话通信的基础上，先和新的接入设备建立链接，在建立起新的会话链接 后要和原有的通信会话进行状态的同步，在新的通信链路传输质量达到一定的要 求后，再断开原有的通信会话，开始使用新的链路继续进行通信传输【2 。用户在 软切换过程中不会感觉到会话有中断，软切换对通信质量没有影响，真正的实现 了无缝切换。 在现有的切换技术中，异构网络之间的切换几乎都是硬切换，而移动i p v 6 中 的流移动技术是软切换的一种，可以实现异构网络之间的无缝切换。在某些对通 信质量要求较高的场景下，可以使用流移动技术进行无缝切换。 移动i p v 6 协议及其相关技术 2 5小结 本章对移动i p v 6 协议及其相关技术进行了阐述，分析了移动i p v 6 协议、网络 移动性n e m o 协议和多转交地址注册m c o a 协议的原理，然后重点分析了两种实 际应用中的流移动技术场景。 北京交通大学硕士学位论文 3 移动i p v 6 中流移动的设计 流移动技术是在移动i p v 6 协议基础上扩展而来的，本章分析了需要对支持 n e m o - m c o a 功能的移动i p v 6 协议进行的扩展，包括对b u 、b a 消息中移动头 选项以及m n 、h a 上绑定缓存列表的修改，还给出了相关的功能实现流程。 3 1实现目标 对支持n e m o m c o a 功能的移动i p v 6 协议进行扩展，将m - n 的一个或者多 个流与一个接口的转交地址进行绑定，将其它的流与另一个接口的转交地址进行 绑定，实现结果如图3 1 所示： 。流绑定条目 b i d 条目 f i d 优先级f i d传输选择器 b i d 操作a i 标志位b i d 优先级b i d c o a 1 02 0 0t c p2f o r w a r da c t i v e5li p l 3 03 0 0 s r c a d d r = i p y 4 f o r w a r di n a c t i v e 3 03i p 2 2 01 0 0u d p 1 , 3 f o r w a r da c t i v e3 02i p 3 图3 1 流绑定条目表 f i g 3 1f l o wb i n d i n ge n t r yt a b l e 具体要实现的目标： 1 ) 移动性的支持：支持所有流移动设计方案中新扩展的移动报头选项的传输 和解析，支持流标识f i d 的分配。 2 1 流的绑定和识别：根据预先设定的配置文件中的参数信息创建流绑定条 目，然后将每个流绑定到指定的转交地址上；对于传输的数据流，能够根据传输 选择器区分不同的流，并路由到相应的转交地址进行数据流的传输。 3 1 流的移动：能够根据需求将某一个或某些已经绑定到转交地址上的流在不 中断传输和不影响其它流的情况下，移动并绑定到另一个转交地址上。 1 4 移动i p v 6 中流移动的设计 3 2实现流绑定支持的协议扩展 要实现移动i p v 6 网络中流绑定功能的支持，需要对移动i p v 6 协议中的网络实 体m n 和h a 进行相应的扩展。 m n 在移动i p v 6 网络中主要实现移动检测、发送b u 消息进行绑定注册和接 收解析h a 发送的b a 消息等功能，要支持流绑定，m n 还要完成创建和维护流绑 定条目列表、在b u 消息中携带流绑定请求信息。 h a 在移动i p v 6 网络中主要实现接收处理m n 发送的b u 消息、返回应答的 b a 消息、维护和m n 之间的绑定关系等功能，要实现流绑定的支持，h a 还需要 完成正确解析处理b u 消息中携带的流绑定请求、创建和维护流绑定缓存、给m n 返回携带流绑定请求处理结果的b a 消息。 3 2 1m n 的扩展 m n 首先要根据预设的流的信息建立流绑定条目列表，流的信息可以写在m n 的配置文件中。流绑定条目列表创建完成后，m n 要将列表中的条目信息都添加到 b u 消息中，然后发送给h a 。这就需要对b u 消息移动头的数据格式进行扩展和 修改( 如图3 2 至图3 5 所示) ，具体的数据格式说明如下所述： 1 ) 更新绑定标识移动选项 这里更新了多转交地址注册协议r f c 5 6 4 8 中定义的绑定标识移动选项，如图 3 2 所示： t y p e 23 5 l e n g t h b i n d i n gi d ( b i d ) s t a t u shb i d p r i i p v 4o ri p v 6c a r e o fa d d r e s s ( c o a ) 图3 - 2 绑定标识移动选项 f i g 3 2b i n d i n gi d e n t i f i e rm o b i l i t yo p t i o n b i d p r i ： 这是一个新添加的7 位无符号整数，用来存放每个b i d 相对于其它已经注册 过的b i d 的优先级。0 是预留值，不能使用。此处较低的数值表明是一个较高的 优先级，需要优先处理。 北京交通大学硕士学位论文 2 1 创建流标识移动选项 流标识移动选项是一个新的移动选项，该选项包含在b u 和b a 消息中。这个 选项允许b u 消息的接收者在一个传输流上安装路由策略文件，并将其路由到指定 的转交地址。其消息格式如图3 3 所示： o p t i o nt y p e = 4 5o p t i o nl e nf i d f i d p i u r e s e r v e d s t a t u s s u b - o p t i o n s ( o p t i o n a l ) 图3 3 流标识移动选项 f i g 3 - 3f l o wi d e n t i f i c a t i o nm o b i l i t yo p t i o n f i d ： 流标识字段是一个1 6 位的无符号整数，包含流绑定的唯一标识符。这个字段 的值是由移动节点设置的。0 是预留值，不能使用。 f i d p r i ： 这是一个1 6 位的无符号整数字段，用来指示特定选项的优先级。当在两个不 同选项的重叠部分有两个不同的流的描述，就需要用到该字段，优先级字段将决 定调用哪个策略文件。此处较低的数值表明是一个较高的优先级。0 是预留值，不 能使用。f i d p r i 的值对指定m n 的每个数据流都必须是唯一的，即同一个f i d p r i 值不能关联两个f i d 。 s t a t u s ： 这个8 位的无符号整数字段用于指示流绑定操作是否成功。这个字段同b u 消 息或其它的流标识选项没有关系，只和b a 消息相关。表3 - 1 给出的是一些为该字 段预留的值及表示的含义： 表3 1s t a t u