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北京邮电大学硕士研究生论文 移动ip v 6 快速切换的性能研究 摘要 随着i n t e m e t 和移动通信技术的发展，各种无线接入技术层出不穷，d 网 络逐渐成为基础网络，基于无线接入的i p 业务应用需求也不断增长。i p v 6 协 议是下一代互联网的核心协议，现行的网络协议i p v 4 和互联网应用将逐步向 i p v 6 过渡。随着i p v 6 网络协议的发展，移动i p v 6 成为移动性研究的重点。移 动i p v 6 由于i p v 6 协议广阔的地址空间，可以直接为移动口设备分配口地址， 简化了移动技术的实现，并且解决了i p v 4 协议下的三角路由、切换高延时、安 全性差等问题，从本质上实现了移动设备随时随地进行互联网的无缝接入的要 求。 本文首先介绍了移动i p v 6 和切换相关协议和技术，然后以快速切换为切入 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，本文提出了改进的快速切换 方案。 改进快速切换算法在旧接入路由器( p a r ) 上增加一个缓存，当p a r 和 新接入路由器( n a r ) 之间的隧道没有建立起来之前，p a r 缓存接收到的数 据。改进快速切换与快速切换相比减小了丢包率，同时减少了切换开销i 尤其 对于高速移动节点，改进快速切换的性能比快速切换要好的多。 最后通过网络仿真具体分析比较了标准切换、快速切换和改进快速切换在 切换时延、切换开销和缓存占用方面的性能差别，并得出在切换时延和切换开 销方面改进快速切换的性能最好，标准切换的性能最差，在缓存占用方面标准 切换的性能最好，改进快速切换的性能最差，但是利用缓存开销来换取较低的 切换时延和切换开销是非常值得的。 关键字：i p v 6 移动i p v 6 切换切换延时快速切换转交地址 绑定更新双向隧道 s t u d yo fp e r f o r m a n c eo f f a s th a n d o v e ri n m o b i l ei p v 6 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，m o r ea n dm o r ek i n d so f w i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g i e sw i l lb ei nu s e a n di pn e t w o r k sw i l lg r a d u a l l yb et h eb a s eo fo t h e r s i p v 6i st h ec o r eo fn e x t g e n e r a t i o ni n t e m e t ，a n di se x p e c t e dt og r a d u a l l yr e p l a c ee x i s t i n gp r o t o c o l i p v 4 w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i p v 6p r o t o c o l ，m o b i l ei p v 6p r o t o c o lb e c o m e st h ef o c u so f m o b i l e r e s e a r c h m o b i l ei p v 6p r o t o c o ls i m p l i f i e st h ei m p l e m e n t a t i o no fm o b i l et e c h n o l o g yb yd i r e c t l y a s s i g n i n gi pa d d r e s s e st om o b i l ei pe q u i p m e n t s ，r e s o l v e st r i a n g l er o u t e ro f i p v 4a n dh i g hd e l a yo f s w i t c ha n d b a ds e c u r i t y ，i m p l e m e n t st h ed e m a n dt h a tm o b i l ee q u i p m e n t sa c c e s si n t e m e ts m o o t h l y e v e r y w h e r ea n da ta n ym o m e n te s s e n t i a l l y a tf i r s t ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ep r o t o c o l sa n dt e c h n o l o g i e so fm o b i l ei p v 6a n dh a n d o v e r t h r o u g ha n a l y z i n gf a s th a n d o v e ra n dt h ed e m a n d s i nr e a l - t i m et r a n s m i s s i o n ，t h i sp a p e rf o r m u l a t e s s e v e r a lp r o b l e m sa b o u tf a s th a n d o v e ro fm o b i l ei p v 6s u c ha sh i g h e rp a c k e tl o s s a n dh i g h e r h a n d o v e rc o s t w h i c hm u s tb er e s o l v e d t oh a n d l et h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa no p t i m i z e d f a s th a n d o v e rs c h e m e ， t h ea d v a n c e df a s th a n d o v e ri sa ni m p r o v e dh a n d o v e rm e t h o da c c o r d i n gt o t h ef a s t h a n d o v e r a d v a n c e df a s th a n d o v e ri n t r o d u c e sab u f f e ri np r e v i o u sa c c e s sr o u t e r ，a n db u f f e r st h e p a c k e t sb e f o r et h et u n n e li se s t a b l i s h e db e t w e e np a r a n dn a r a d v a n c e df a s th a n d o v e rh a s 1 0 w e rp a c k e tl o s sa n dh a n d o v e rc o s tt h a nf a s th a n d o v e r ，e s p e c i a l l yt of a s tm o v i n gm n ， a tl a s tt h ek e vp e r f o r m a n c e ss u c ha sh a n d o v e rl a t e n c y ，h a n d o v e rc o s ta n db u f f e rc o s to f b a s i cm o b i l ei p v 6h a n d o v e r ，f a s th a n d o v e ra n da d v a n c e df a s th a n d o v e ra r ec o m p a r e di nt h i s p a p e rb yn e t w o r ks i m u l a t i o n t h e c o n c l u s i o ni sa sf o l l o w s t ot h eh a n d o v e rl a t e n c ya n dh a n d o v e rc o s ta s p e c t ，a d v a n c e df a s th a n d o v e rh a st h eb e s t ， d e r f - o r m a n c eb u tb a s i ch a n d o v e rp e r f o r m sw o r s t t ot h eb u f f e rc o s ta s p e c t ，t h er e s u l ti sr e v e r s e i n c o n c l u s i o n ，i ti sw o r t hg e r i n gl o w e rl a t e n c ya n dc o s ti nt h ee x p e n s eo f al i t t l eb i tm o r eb u f f e rc o s t - k e yw o r d s ：i p v 6 ，m o b i l ei p v 6 ，h a n d o v e r ，h a n d o v e rl a t e n c y ，f a s th a n d o v e r ，c a r e 。o f a d d r e s s ， b i n d i n gu p d a t e ，b i d i r e c t i o n a lt u n n e l 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，论文中不包吉其他人已经发表或 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：篮壁曼日期：趔兰、丛。 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年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本 学位论文不属 本人签名 导师签名 适用本授权书。 日期：圣竺：兰：彳 日期：盖鲤! j 彩 一簸 北京邮电大学硕士研究生论文 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 随着i n t e m e t 技术的高速发展，i p 网络逐渐成为基础网络，人类的生活越来越依赖于 i n t e r n e t 。与此同时，笔记本电脑、移动电话、p d a 及各种智能终端技术的迅猛发展，使得 人们总是希望自己的移动终端能够保持永远在线，即使是在移动状态也能够被其他人访问。 因此，i n t e m e t 在不断发展宽带的基础上向移动i n t e r n e t 发展演进，移动计算已经成为 i n t e r n e t 发展迫切需要的关键技术之一。 正如你看到的一样，i p 的升级将影响许多人和机构。当从i p v 4 向i p v 6 转变时，可能会 发生一些事情，而这些都需要网络管理员来应付。首先，可能没有任何变化：没有软件硬 件升级、服务不变、一切不变，只要网络管理员选择不进行任何升级或只升级与i n t e m e t 的 连接。相反，也可能有很大变化，许多新的网络软件需要分发和配置，新的应用需要安装和 升级，升级时出现的故障需要应付；此外，升级还会给用户、机构和网络管理员带来显著的 好处。 1 1 1 移动ip 的提出及应用 移动i p 技术自从二十世纪九十年代初期提出以来，经过短短不到十年时间的发展，在 i n t e r n e t 应用获得迅猛扩张的背景下，己经取得了长足的进步，国内外形成了不少研究开发 的组织和团体，遵照与i e t f 的移动i p 协议 r f c2 0 0 2 兼容的基本原则，各方开发出了各自 的实现系统原型，并就研究的侧重点的相关技术进行了有益的探索和实践。目前，有关移动 i p 的研究正渐入佳境，特别它与第三代移动通信的有机结合的问题，成为了各方关注的热 点。第一个移动主机协议c o l u m b i am h p 由哥伦比亚大学的j o h ni o a n n i d i s 设计。它的主要思 想是使用虚拟移动子网。几乎与此同时，s o n y 公司的f u m i ot e r q o k a 设计了另一种移动主机 协议，s o n ym h p ( v i p ) 。v i p 协议使用了特殊的路由器来记忆移动主机的位置，并定义了新 的i p 头选项来传递数据。不久后i b m 的c p e r k i n g 和y r e c k t e r 也设计了一种移动主机协议 i b mm h p ，这种协议利用了现有i p 协议中的可选功能一一松散源选径( l o o s es o u r c er o u t i n g ) 来支持主机的移动。1 9 9 4 年a m y l e s 和c p e r k i n g s 分析了前三种移动主机协议的优缺点， 重新设计了一种协议：m i p ，并将它提交给互联网学会下属的工程技术委员会( i e t f ) 。m i p 后 来发展成为m o b i l ei p 协议。1 9 9 6 年在移动i p 的发展史上是值得纪念的一年。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 在l o 月的相继公布，奠定了移动i p 发展的基础。 第l 页 北京邮电大学硕士研究生论文 r f c 文档一经发表，立刻引发了研究移动i p 技术的高潮。针对r f c 文档中的硕士学位论文 一些问题和有待扩展的方面，研究人员提出了很多的思想进行增强和改进。其中主要集中在 如下几个方面； 移动i p 技术在下一代即i p v 6 中的应用： 支持“微移动”的移动i p 技术： 无线网络中的t c p 协议改进； 全i p 网络的研究： 切换性能研究 对于下一代因特网互联协议i p v 6 ，d b j o h n s o n 借鉴了m o b i l ei p v 4 的基本原理，提出 了m o b i l ei p v 6 草案，主要作了几个方面的改进。由于i p v 6 的地址空间不是问题，这么巨大 的地址空间使得地址的自动配置变得非常简单，移动节点可以很简单快速地得到一个配置转 交地址。m o b i l ei p v 6 不再需要外地代理了，同样也不需要外地代理转交地址了，也就是 说，m o b i l ei p v 6 中唯一的一种转交地址是配置转交地址。m o b i l ei p v 6 采用了新的、改进了 的i p v 6 选路报头以及认证报头和一些i p v 6 功能，从而简化了到移动节点的路由选择，使得 路由优化可以安全地进行。一旦因特网中广泛采用了一种密钥管理体系。m o b i l ei p v 6 就可 以过渡到路由优化。目前已提出了一些应用于“微移动”的快速切换的移动i p 的移动管理 方案，其主要思想是将h a 的功能分布化，实施本地注册。主要包括h m i p ( h i e r a r c h i c a l m o b i l ei p ) ，蜂窝i p ，h a w a i i 等，都是把无线接入网划分为一个个的无线域，在无线域内实 施注册本地化。t c p 是一种基于滑动窗口的可靠传输协议，无线移动网络中的t c p 性能问 题引起了各个大学和研究机构的广泛关注。i e t f 为此专门成立了p - i l c ( p e r f o r m a n c e i m p l i c a t i o n so fl i n kc h a r a c t e r i s t i c s ) 工作组。目前增强t c p 性能的技术主要有链路层技术，端 到端技术和混合增强技术( 主要指s n o o p 协议) 。3 g p p ( t h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 和3 g p p 2 组织分别负责基于g s m g p r s 和i s 9 5 c d m a 的第三代移动通信系统的结构和标 准的设计和制定。今天的无线核心网是基于电路交换的七号信令系统( s s 7 ) 结构，随着i p 技 术的发展及数据业务的急剧增长，无线通信的核心网正朝着口技术转变，无线通信开始作 为有线网络拓扑的一个子系统而存在。移动i p 和3 g p p 3 g p p 2 系统都处于不断的发展中， 3 g p p 2 的发展目标是包括无线接入网在内的全网i p 化，所有的业务都基于i p ，移动i p 及其 相关协议将成为整个网络的路由协议和移动性管理协议，全网i p 化首先要解决好i p 的“微 移动性”问题。 1 1 1 2 1 蜂窝结构可以适应很高的用户密度，同时也产生了一个很复杂的问题，那就是怎样确保 用户在小区之间移动时保持通信不中断，这一处理过程叫做越区切换，如图卜1 所示。 第2 页 北京邮电大学硕士研究生论文 切换发生在呼叫过程中，在通信终端不通信时不会发生切换。切换的目的是：在移动台 与网络之间保持一个可以接受的通信质量，保证通信的连续性。由于移动信道的复杂性，诸 如衰落、遮挡、干扰以及移动台的运动或附近物体的运动，会造成接收信号电平发生很大的 起伏而成为可能触发切换的主要因素。因此，在移动通信系统中，切换被看作是最复杂最主 要的过程之一。此外，为了适应用户数量的快速增长，一般要采用小半径小区，而这样无疑 增加了网络中的切换次数。 a ) 切换前 图1 - 1 小区间的切换过程 b ) 切换后 切换可以发生在同一个小区内( 即小区内切换) ，也可以发生在小区间( 即小区间切换) 。 切换的性能直接关系到用户的通信质量。有两个描述通信服务质量的参数：呼叫被拒绝的概 率和呼叫中断( 在通信过程中被中断) 的概率。在切换过程中，呼叫中断的概率会上升。因 此，切换的成功率是很重要的，它是衡量通信质量的一个非常敏感的指标。 对于移动i p 切换性能的研究，可以从快速切换和平滑切换两个方面考虑。快速切换是 一种切换操作，它减少或者消除了移动节点建立新的通信路径的延迟：平滑切换则减少了数 据包的丢失率；而无“缝”切换是两者的结合，即低迟延和低丢失率。 1 1 2 课题来源及意义 i p v 6 是n g n 的基础，而且已经成为3 g p p 标准。3 g p p 在r e l e a s e4 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 e5 中还对i p 多媒体系统( i m s ) 进行了定义。由此可见移动 i p v 6 也必然成为移动 p 技术发展的趋势 3 1 。 第3 页 手_ 北京邮电大学硕士研究生论文 移动i p v 6 的技术研究框架结构组成如图1 2 所示。研究方向总体上可以分为宏观移动性 和微观移动性两个方面。其中微观移动主要研究快速切换，平滑切换，无缝切换，缓存管理 等方面。 图1 - 2 移动i p v 6 的技术研究框架结构 本论文的研究工作属于基于移动i p v 6 标准切换技术基础上的快速切换( f a s t h a n d o v e r ) 技术。切换问题是移动计算环境中最基本的问题。当移动节点从家乡链路或当前 链路漫游移动到外地链路时，对于实时要求较高的应用就存在切换问题。研究切换问题意义 在于提出一种减少切换时延和丢包率的方法，从而为实时应用提供良好的服务保证。研究移 动i p v 6 快速切换机制对于研究i p v 6 协议本身有着重要作用，同时也为进一步研究与第三代 移动通信的结合提供了理论基础和实践经验，对于推动i p v 6 和移动i n t e r n e t 技术在我国的应 用和发展具有重要的意义。 第4 页 北京邮电大学硕士研究生论文 本论文的研究工作属于国家自然科学基金研究项目( 6 0 1 7 2 0 5 2 ) 和国家自然科学基金 重大研究项目( 9 0 1 0 4 0 1 8 ) 中的一部分。该课题的目标是研究移动i p v 6 的切换性能，集中 解决切换带来的时延和各种开销，重点是对移动i p v 6 切换技术提出改进策略和解决基于移 动i p v 6 的实时应用的可靠传输，并对切换模型进行了理论研究和性能分析。 1 2 论文工作和结构 本文首先介绍了移动i p v 6 和切换相关协议和技术，然后以快速切换为切入点，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，本文提出了改进的快速切换方案。 改进快速切换算法在p a r 上增加一个缓存，当p a r 和n a r 之间的隧道没有建立起来 之前，p a r 缓存接收到的数据。改进快速切换与快速切换相比减小了丢包率，同时减少了 切换开销，尤其对于高速移动节点，改进快速切换的性能比快速切换要好的多。 本论文的结构如下： 曩 第二章首先概括介绍了移动i p v 4 的局限性和移动i p v 6 的优点，然后介绍了移动 i p v 6 的通信过程，最后讲述了移动i p v 6 现存的三个关键问题：切换问题，安全及 a a a 问题，q o s 问题。 第三章详细介绍了移动i p v 6 的三种切换机制：标准切换，快速切换，平滑切换。 第四章通过理论推导和数值分析比较移动i p v 6 标准切换和快速切换的时延，切换 开销可缓存占用。 第五章改进快速切换机制，并且通过理论推导和数值分析表较改进快速切换和快速 切换的性能。 第六章仿真三种切换机制，并通过仿真结果分析三种机制的性能，最后证明改进快 速切换的性能最好，快速切换其次，标准切换最差。 第5 页 北京邮电大学硕士研究生论文 第2 章移动i p v 6 简介 i p v 4 协议是目前通用的i n t e m e t 协议，近年来i n t e r n e t 的快速发展及取得的巨大成功， 说明i p v 4 具有良好的设计和性能。然而，原有的i p v 4 协议也开始面临一些难以解决的问 题，如地址空间耗尽、不易配置、移动性差等。尽管采用了许多新的机制来缓解这些限制， 但问题没有得到根本解决。与此同时，i p 应用的扩展对i p 协议提出了新的要求，如i n t e r n e t 网络中多媒体信息传播、移动用户的网络接入等，都为i p 的研究开辟了新的空间。i n t e r n e t 工程特别任务组( i e t f ) 从9 0 年代起就开始积极探讨下一代i p 网络的研究和发展。经过几年 的努力，终于在1 9 9 5 年1 2 月推出了下一代i p 网络的r f c 文档i p v 6 协议。不但解决了旧版 本i p v 4 协议的问题，而且还给i p 网络带来了一些新的特性，使得i p 协议在地址管理、移动 性、安全性及多媒体支持方面都有巨大的灵活性。 2 1lp v 6 协议概述 2 1 1ip v 4 的局限性 i p v 4 协议取得了非常大的成功，但它的局限性及其面临的重大问题日益明显，主要表 现在以下几个方面：地址空间即将枯竭。随着i n t e m e t 用户的不断增加，目前的3 2 位i p 地址 空间己不能满足分配的需求。i p v 4 的地址只有3 2 位，这意味着总地址数大约是4 0 亿，并且 还有许多地址是不可用的。按照目前网络的发展趋势，到2 0 0 5 和2 0 1 5 年之间i p v 4 的地址 就会耗尽，必须用另一种地址方案来替代它。 i p v 4 的局限性包括： 路由表日趋庞大：由于i p v 4 采用与网络拓扑结构无关的形式来分配地址，所以随 着连入网络数目的增加，路由器数目也飞速增加，决定数据传输路由的路由表也就 不断加大。庞大的路由表不仅增加了路卣器的工作量，还降低了互联网服务的稳定 。性。 安全性：基本由网络层以上的层负责。i p v 4 协议不提供任何安全保证，在很多情况 下，i p v 4 设计只具备最少的安全性选项。 缺乏对服务质量q o s 的支持：i p v 4 尽它的最大努力来传送信息包，但是它不会保 证提供给上层的服务是可靠的，没有q o s ( j 艮务质量) 的概念。 第6 页 北京邮电大学硕士研究生论文 自动配置：对于i p v 4 节点的配置一直比较复杂，而网络管理员与用户则更喜欢 “即插即用”，即将计算机插在网络上，然后就可以开始使用。i p 主机移动性的增 强也要求当主机在不同网络间移动和使用不同的网络接入点时能提供更好的配置支 持。 4 】 5 】 6 】 苷 2 1 2ip v 6 的优点 i p v 6 协议的出现正是为了突破现有i p v 4 的局限性，解决上面几个i p v 4 无法克服的难 题。因此，新一代的i p 网络协议i p v 6 理所当然具有如下特点：地址空间的扩展( 1 2 8 位的地 址空间几乎是无限的) ；支持q o s ；本身安全性的提高( i p v 6 已经把i p s e c 作为其应有的安全 协议) 。此外，i p v 6 还具有其它很多优点和特点，如地址的自动配置、精简的报文格式、对 扩展头和各选项的充分支持、增强的路由功能，以及针对“实时业务”的流控能力。 i p v 6 的优点包括： 扩展的编址空间：将i p 地址由3 2 位扩展为1 2 8 位，可以支持更多层次的地址编 码，可标示更多的节点，实现更简单的地址自动配置。还定义了一种新的地址类型 一任意点传送地址( a n yc a s t ) ，或叫任意点播送，用来给节点组中的任意确定的一个 成员发送报文。 简化的首部格式：i p v 6 首部中的一些域被抛弃或改为可选项，这样可以降低通用情 况下分组处理代价，并限制i p 分组的带宽代价。所以虽然地址改为1 2 8 位，但报 头大小只增加一倍，从i p v 4 的2 0 个字节增为4 0 个字节。 对扩展项和可选项的改进支持：i p 对可选项都进行了编码，从而可以实现更为有效 地转发。可选项的长度限制放宽，为今后可选项扩展提供了更大的灵活性。提供更 好的服务质量q o s 。在i p 分组的头部中定义了两个重要参数：业务类别字段和流标 示字段。业务类别字段将i p 分组的优先级分为1 6 个等级，对于那些需要特殊q o s 的业务，可在i p 数据包中设置相应的优先级，路由器根据口包的优先级分别对这 些数据进行处理。数据流标志位用于定义任意一个传输的数据流，以便网络中所有 的节点能对这一数据进行识别，并作特殊的处理。良好的安全性支持。i p s e c 是 i p v 6 的一个组成部分，使得i p v 6 可以更好地支持授权、分组完整性和数据保密性 7 等服务，比i p v 4 上的i p s e c 更完善。 7 】【8 】 9 第7 页 北京邮电大学硕士研究生论文 2 2 移动ip v 6 通信过程 2 2 1 移动ip v 6 基本术语 移动节点( m o b i l en o d e ，简称为m n ) ，该节点具备移动性，在移动中要保持通信的不间 断，但无论移动到什么子网，它都由同一个i p 地址( 家乡地址) 标识。 家乡代理( h o m ea g e n t 。简写为h a ) ，m n 的本地网络上的某个路由器，当移动节点离 开本地网络时，它通过隧道技术把发往移动节点的报文转送给心，并保持m n 的当前位置 信息。 通信节点( c o r r e s p o n d e n tn o d e ，简称为c n ) ，指与m n 进行通信的对端实体，当m n 离 开家乡网络时，先间接与i v i n 进行通信，再获得m n 的位置信息后直接与l v l n 进行通信。 家乡地址( h o m ea d d r e s s ) ，分配给m n 的、属于家乡网络的长期的i p 地址。 转交地址( c a r e o f a d d r e s s ，c o a ) ，m n 离开家乡网络时，在外地网络上获得的i p 地址。 绑定( b i n d i n g ) ，m n 的家乡地址和转交地址的关联，在每个绑定中还有这个关联所剩余 的“生存时间”等字段。 移动( m o v e ) ，m n 从当前链路移动到另外一个链路的变化过程。当一个m n 没有连接在 它的家乡网络时，就认为这个m n “离开家乡”。 接入路由器( a c c e s sr o u t e ，简称a r ) ，给m n 提供接入服务的路由器，本文后面讨论的 缓冲结构将在a r 上进行。 以上是移动i p v 6 中最常用的相关实体和术语，由于相关的概念和术语很多，在此不一 一介绍。 2 2 2 移动ip v 6 工作过程 移动i p v 6 建立在i p v 6 体系结构基础之上，其基本思想是：移动设备可以在移动计算环 境中自由移动，不用手工配置任何网络信息就能够继续通信，并且能保持正在进行的网络连 接在移动过程中不被中断。 无论是在家乡网络还是外地网络，移动节点总是通过其家乡地址来寻址的。 当移动节点在家乡网络时，发往移动节点的数据包按传统的路由机制进行选路，正如 固定节点一样。当移动节点在外地网络时，除了家乡地址，移动节点还利用转交地址来寻 址。通过转交地址，发往移动节点的数据包可以被正确地路由到移动节点。 第8 页 北京邮电大学硕士研究生论文 在移动i p v 6 中，定义了3 个操作实体：移动节点心烈) 、对端通信节点( c n ) 、家乡代理 ( h a ) ；定义了4 个新的i p v 6 目的选项：绑定更新、绑定认可、绑定请求和家乡地址选项；为 “动态家乡代理地址发现”定义了两个i c m p ( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 消息；家乡 代理地址发现请求i c m p 消息和家乡代理地址发现应答i c m p 消息；为“邻居发现”定义了 两个新的i p v 6 选项：广播时间间隔选项和家乡代理信息选项。移动i p v 6 的设计汲取了移动 i p v 4 的设计经验，并且利用了i p v 6 的许多新的特征，提供了比移动i p v 4 更多的优点。移动 i p v 6 没有定义外地代理功能实体，图2 1 说明了移动i p v 6 的重要通信过程 1 0 】。 图2 - 1 移动i p v 6 的通信过程 移动节点连接在它的家乡链路上时与任何固定的主机和路由器一样用传统路由机制进 行选路。 当移动节点连接在外地链路上时，移动节点采用i p v 6 的路由发现机$ 1 ( r o u t e rd i s c o v e r y ) 确定它的转交地址，实现时可采用i p v 6 定义的地址自动配置方法得到外地链路上的转交地 址；移动节点将它的转交地址通过绑定更新通知给家乡代理；家乡代理通过代理邻居发现协 议拦截发往移动节点家乡地址的数据包( 图2 1 的过程) ，并通过隧道封装( 图2 1 的过程) 将拦截的数据包发送给移动节点 1 i 】 1 2 】【1 3 】。 为了避免三角路由问题，如果可以保证操作时的安全性，移动节点也可以将其转交地址 通过绑定更新通知对端通信节点( 图2 1 的过程) ，这样移动节点就可以直接与对端通信节 点进行通信( 图2 1 的过程) ；对不知道移动节点的转交地址的对端通信节点，其发出的数据 第9 页 北京邮电大学硕士研究生论文 包先被路由到移动节点的本地网络，家乡代理再将它们经过隧道送到移动节点的转交地址； 对知道移动节点转交地址的对端通信节点，其发出的数据包可以利用i p v 6 选路报头直接送 给移动节点，选路报头将移动节点的转交地址作为一个中间目的地址。 在相反方向，移动节点送出的数据包采用特殊的机制被直接路由到它们的目的地。然 而，当存在入口方向的过滤时，移动节点可以将数据包通过隧道送给家乡代理，隧道的源地 址为移动节点的转交地址l l4 1 。 2 2 3 移动检测 移动i p v 6 主要的移动检测机制是以路由器发现( i c m p v 6r o u t e rd i s c o v e r ym e s s a g e ) 和邻 居不可达性检测的i p v 6 邻居发现机制为基础的，在其上做了一定的修改。 路由器发现 为了检测主机的移动，移动节点使用路由发现来发现路由器和网络前缀，一般情况 下，移动i p v 6 节点可以等待周期的路由器广播( r o u t e ra d v e r t i s e m e n t ) 报文，根据该报文所包 含的网络前缀与移动节点目前的转交地址的网络前缀相比较来判断移动节点是否移动。如果 移动节点在代理公告的生存时间内没有收到有效的代理广播报文，移动节点可以发送路由器 请求( r o u t e rs o l i c i t a t i o n ) 报文，请求目前可用的路由器发送路由器广播报文。 路由器不可达性检测 当移动节点离家在外时，很重要的一件工作就是快速发现缺省路由器己经无法访问 了，与此同时快速切换到新的缺省路由器和新的主转交地址，另一方面，假如移动节点没有 离家在外，但是由于网络故障，缺省路由器不能访问了，移动节点也应该可以重新设置缺省 路由器，为了很快的发现缺省路由器不可访问，就可以使用路由器不可达性检测。这里需要 注意一点，由于网络负载有时候很高的影响，不能完全依赖路由器不可达性检测，当移动节 点可以从缺省路由器收到任何数据包，就认为路由器仍然是可达的。 2 2 4 代理发现 移动i p v 6 将动态家乡代理地址发现归入代理发现机制，每一个具有家乡代理功能的路 由器都会维护一个家乡代理列表，这个列表记录了其他在同一链路上的家乡代理的信息。这 个列表是通过路由器接收路由器广播报文建立的，列表中的每一个表项都有一个生存时间， 第1 0 页 北京邮电大学硕士研究生论文 当生存时间到了他就会被从列表中删除，当然这个生存时间也会被不断更新以维持表项在列 表中的存在。这个列表用于帮助移动节点动态发现家乡代理。 例如，当一个移动节点离家在外，移动节点需要发送一个绑定更新给他的家乡代理来 注册他的主转交地址，不能排除在移动节点离家在外期间，家乡链路重新配置的可能，细果 这种情况发生，就意味着，移动节点需要在家乡链路上重新发现一个家乡代理，具体操作如 下，移动节点向家乡代理的任播地址发送i c m p v 6 家乡代理地址发现请求报文，家乡代理收 到这一报文后，回送一个i c m p v 6 家乡代理地址发现应答报文，这个报文给出了家乡代理全 球唯一的单播地址。在家乡代理地址发现应答报文的代理地址域内，同时附上这个路由器自 己建立的家乡代理列表，以帮助移动节点动态发现家乡代理。接收这个家乡代理地址发现应 答报文的移动节点或许接着发送它的家乡注册绑定更新给报文中源地址给出的家乡代理地 址。这个更新报文可以包含回复报文或者应答报文中的家乡代理列表里面包含的任何一个单 播地址。也就是说，移动节点可以向列表中的每一个家乡代理注册，他可以发送绑定更新报 文，然后等待对应的绑定应答报文，直到它的注册被一个家乡代理接收。 2 2 5 绑定管理 、爹 i 当一个移动节点配置了一个新的转交地址并且决定要使用这个新的地址作为它的主转交 地址时，移动节点通过发送给家乡代理一个“绑定更新”消息来注册这个新的绑定。移动节点 指出这个“绑定更新”消息是需要应答的，并且它不断的周期性地重发这个消息直到得到认 可为止。家乡代理通过向移动节点返回一个“绑定认可”消息来应答绑定更新消息。 当一个移动节点接收到一个由它的家乡代理通过隧道发送给它的数据包时，移动节点 就认为发送这个数据包的通信节点没有它的绑定缓存条目。如果有的话，通信节点就可以利 用“路由报头”直接向移动节点发送数据包，而不必经过移动节点的家乡链路。因此，移动节 点向通信节点返回一个“绑定更新”消息，允许通信节点为这个移动节点缓存一个绑定，以 后通信节点就可以利用这个绑定来发送以后的数据包。尽管移动节点可以要求这个“绑定更 新”消息被应答，但这个应答不是必须的，因为从这个通信节点发出的后续的数据包如果继 续被移动节点的家乡代理所截获并且通过隧道发送到通信节点，那么将激发移动节点向通信 节点重发“绑定更新”消息。当某个绑定的生存时间将要到期时，具有这个“绑定缓存”条目的 通信节点可以更新此绑定条目。通信节点通过发送一个“绑定请求”消息到移动节点，来要求 移动节点向它发送“绑定更新”消息。 第1 1 页 北京邮电大学硕士研究生论文 例如，如果通信节点正在与移动节点进行通信，并且正有一个打开的t c p 连接，并且 以后还要继续这个通信，那么在这种情况下移动节点可以刷新这个条目。当移动节点接收到 一个“绑定请求”消息时，它向发送这个“绑定请求”消息的节点返回二个“绑定更新”消息。 移动节点同时可以有一个或多个转交地址，尽管仅仅有一个转交地址被注册为它的“主 转交地址”。移动节点使用多于一个的转交地址是非常有用的。比如，当移动节点从一个无 线链路移动到另外一个无线链路时，可以提高切换的性能。现实世界中有与i n t e r n e t 通过单 独基站相联的无线链路，这样的两个链路的覆盖范围有可能重叠，在这种情况下，当移动节 点在重叠区域的时候可能与两个链路同时保持连接。当移动节点移出旧链路的覆盖范围并与 它断开连接之前，移动节点可以在新的链路上获得一个新的转交地址。这样当移动节点更新 家乡代理和通信节点的“绑定缓存”的时候，它仍然可以继续使用旧的转交地址来接收数据 包。 由于通信节点能够缓存绑定，所以通信节点能够直接把数据包路由到移动节点的转交地 址，因此家乡代理很少参与对移动节点数据包的传送。这对于系统的可扩展性和稳定性是非 常重要的，另外也减少了网络的负担。通过缓存移动节点的转交地址能够得到从通信节点到 移动节点的数据包的优化路径。直接把数据包路由到移动节点的转交地址也减轻了家乡代理 和家乡链路的交通阻塞。另外由于家乡链路上的节点和家乡链路参与很少的对移动节点数据 包酊转发，所以这些节点和家乡链路的失败很少影响移动节点的通信。 2 2 6 数据包的转发 移动节点可以直接将数据包发送给通信节点。移动节点发给通信节点的数据包的源地 址是移动节点的转交地址，目的地址是通信节点地址。通信节点收到这个数据包后，在协议 栈的i p 层将数据包的源地址由移动节点的转交地址替换为移动节点的家乡地址，再交给协 议栈的上层进行下一步处理。 通信节点发送数据包给移动节点时，则有两种不同的处理方式，它们之间的区别在于通 信节点是否绑定缓存是否有移动节点的绑定信息。通信节点在发送数据包前，先查看它的绑 定缓存，查找移动节点的家乡地址所对应的表项，具体过程如下： 如果在缓存中查找到了相应的绑定信息，那么通信节点可以利用绑定信息中的转交 地址直接把数据包发到移动节点。数据包的目的地址是移动节点的转交地址，另 外，数据包将携带一个路由头标，存放的是移动节点的家乡地址动节点收到这个数 据包后，在协议栈的i p 层将数据包的目的地址由移动节点的转交地址替换为移动 第1 2 页 北京邮电大学硕士研究生论文 节点的家乡地址，再传给协议栈的上层进行下一步处理。这样网络层的移动性对上 层来说也是透明的。 如果通信节点在本地绑定缓存中没有查到相应的绑定信息，发送给移动节点的数据 包的目的地址是移动节点的家乡地址，该数据包会被先路由到移动节点所归属的家 乡网络。家乡代理将发给移动节点的家乡地址的数据包截获，然后通过隧道方式将 数据包转发给移动节点。当移动节点收到家乡代理转发过来的隧道包后，它知道数 据包的原始发送者没有本节点的绑定 信息，移动节点向通信节点发送一个绑定更 新消息，通知通信节点它当前的转交地址。通信节点收到绑定更新消息后就可以直 接把数据包发送给移动节点了。 2 2 7 对所有ip v 6 节点的要求 移动i p v 6 作为i p v 6 不可分割的一部分，对不同的i p v 6 节点提出了一些特殊要求。 由于每个i p v 6 节点在任何时刻都可以成为一个移动节点的通信节点，所以对所有的 i p v 6 节点来说都必须满足以下要求：善：警 每个i p v 6 节点必须能够处理包含在i p v 6 数据包中的“家乡地址”选项； 每个i p v 6 节点应能处理接收到的“绑定更新”选项，并且能返回“绑定认可”选项作为 对“绑定更新”的应答( 如果这个“绑定更新”需要应答的时候) ； 每个i p v 6 节点应能为接收到“绑定更新”维护一个“绑定缓存”条目； 所有的i p v 6 路由器应能满足以下要求，即使不是移动i p v 6 中的“家乡代理”每个 i p v 6 路由器应能在它的“路由器宣告”消息中包含一个“宣告时间间隔”选项，来帮助 移动节点进行移动检测且必须是可配置的； 每个i p v 6 路由器应当能够以更快的速率发送非请求“路由器宣告”广播消息，这个 速率的使用必须是可配置的； 为了使移动节点离开家乡时能够正确地工作，在移动节点的家乡链路上至少应 该有一个路由器作为它的家乡代理。以下的要求应用到作为家乡代理的所有i p v 6 路由器 上： 每一个家乡代理必须能够在它的绑定缓存中为它所服务的每一个移动节点维护一个 条目。每一个绑定缓存条目中记录了移动节点的绑定，在这个绑定中记录有移动节 点的主转交地址并且这个条目被标识为“家乡注册”的记号； 当移动节点离开家乡时，在移动节点家乡链路上的家乡代理必须能够为移动节点截 获发往移动节点的