（通信与信息系统专业论文）移动互联网路由理论与关键技术的研究.pdf

中文摘要 回顾传统电信网的发展，经历了从有线传输到无线传输，再到现在的无线移 动传输这样一个过程。不难想象，互联网也必然经历这样一个过程，即从固定侑 线互联网络到无线互联网络，再到移动互联网络。 由于传统互联网是以“固定、有线”为主的连通方式，在路由、组播和管理 等方面缺乏对移动性的支持，也没有考虑无线环境的特点，难以满足移动互联网 络的发展需求。因此，急需突破传统互联网的原始设计思想，研究新一代移动互 联网的机理、理论与关键技术，包括描述移动互联网体系结构的理论与方法、移 动互联网的路由理论与协议、移动互联网的组播理论与算法等。在上述研究内容 中，路由是移动互联网中的核心内容，因此本论文重点研究移动互联网中的路由 理论与关键技术，主要研究成果和创新点如下： 对移动互联网中所存在的路由优化问题进行了全面分析，提出了一种新的 路由优化机制，讨论了该机制下各功能实体的操作、地址分配策略和快速切换算 法等： 提出了一种适用于移动互联网的动态路由协议m i r p ，对该路由协议框架下 路由维护与更新算法、各功能实体的操作、数据结构等进行了详细的阐述，仿真 表明该协议具有较好的性能并且易于实现； 对传统的移动性管理技术做了分析和总结，然后针对移动互联网的特点， 提出了移动互联网的位置管理机制和切换管理机制。 分析结果表明，本论文提出的移动互联网路由理论及关键技术可以有效解决 移动互联网中的路由优化问题、路由发现问题及管理问题，可以为移动互联网的 研究提供路由方面的基础和支持，有望对新一代信息网络特别是移动互联网络的 发展与应用起到促进作用。 关键词：移动互联网；路由优化；路由协议；位置管理；切换管理。 i e 塞銮道太堂i 妻堂焦i 盆塞旦s i ! a b s t r a c t t h e r e a l e | ，i nr e t r o s p e c t , t h r e e p h a s e si nt h ed e v e l o p m e n to ft r a d i t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s 。t h ef i r s tp h a s ei sb a s e do nw i r e ds i g n a lt r a n s m i s s i o n s 1 1 1 es e c o n dp h a s ei sf o u n d e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s n o w a d a y s i th a sb e e n t u m e di n t ot h et h i r dp h a s et h a ti n c l u d e s w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s i ti sr e a s o n a b l et h a tt h ed e v e l o p m e n to f i n t e m e ti sa sa b o v em e n t i o n e d ， n a m e l yf r o mf i x e dw i r e di n t e m e tt ow i r e l e s si n t e m e ta n dt h e nd e v e l o p e dt om o b i l e i n t e r n e t t h ec o n n e c t i o nm e t h o do f t r a d i t i o n a li n t e r a c ti sm a i n l y “f i x e da n dw i r e d ”1 a c k i n g o ft h es u p p o r to nm o b i l i t yi na s p e c t so fr o u t e ，m u l t i c a s ta n dm a n a g e m e n t a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s se n v i r o n m e n tw e r en o tt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n i ti so b v i o u s t h a tt h et r a d i t i o n a li n t e r n e tc a n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fm o b i l ei n t e r n e t t h e r e f o r e ， i ti si nd i r en e e do fb r e a k i n gt h r o u g ht h eo r i g i n a ld e s i g ni d e ao ft r a d i t i o n a li n t e m e ta n d s t a r t i n gt h er e s e a r c ho nt h em e c h a n i s m ，t h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g i e sf o rt h en e x t g e n e r a t i o no fm o b i l ei n t e m e t 1 1 1 er e s e a r c ha s p e c t si n c l u d et h et h e o r ya n dm e t h o do f t h em o b i l ei n t e m e ta r c h i t e c t u r e ，t h e o r ya n da r i t h m e t i co f r o u t i n gp r o t o c o li nt h em o b i l e i n t e m e t ，t h e o r ya n dp r o t o c o lo fm u l t i c a s ti nt h ec o n t e x to fm o b i l ei n t e r n e t ，t h e o r ya n d t e c h n o l o g yo f w i r e l e s si pi n t e m e tb a s e do ni p v 6 ，a n ds oo n a st h er o u t i n gt h e o r yi st h e h a r d c o r eo fm o b i l ei n t e r n e t ，t h ee m p h a s e so ft h i st h e s i sa r et h er o u t i n gt h e o r ya n dk e y t e c h n o l o g i e si nm o b i l ei n t e m e t t h e r ea r es e v e r a lr e s e a r c hp o i n t ss h o w n a sf o l l o w s ： an e wr o u t i n go p t i m i z a t i o nm e c h a n i s mi nt h em o b i l ei n t e r n e ti sp r e s e n t e d 1 1 1 e r o u t i n go p t i m i z a t i o np r o b l e m si nm o b i l ei n t e m e ta r ea n a l y z e df i r s t t h e nan e wr o u t i n g o p t i m i z a t i o nm e c h a n i s mi sg i v e n f i n a l l ya c t i o no fe v e r ye n t i t y , a d d r e s sa s s i g n m e n t p o l i c ya n df a s th a n d o f fa l g o r i t h ma r ed e s c r i b e di nt h ef r a m e w o r ko ft h en e w m e c h a n i s m an e wm o b i l er o u t i n gp r o t o c o la d a p t i n gt ot h em o b i l ei n t e m e ti se s t a b l i s h e d f i r s t l y , t h et r a d i t i o n a lr o u t i n gp r o t o c o l sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d s e c o n d l y , an e w o p t i o ni n r o u t e ra d v e r t i s e m e n ti si n t r o d u c e d ，w h i c hi su s e dt o c a r r y i n gr o u t i n g i n f o r m a t i o n a n dan e wm o b i l er o u t i n gp r o t o c o li sp r o p o s e db a s e do nt h i so p t i o n t h i r d l y , t h er o u t em a i n t a i n i n ga n du p d a t i n ga r i t h m e t i c ，a c t i o no fe v e r ye n t i t y , a n dd a t a s t r u c t u r e si nt h en e w r o u t i n gp r o t o c o la r ed e t a i l e d l yd i s c u s s e d ， t h em a n a g e m e n tm e c h a n i s mi nt h em o b i l ei n t e m e ti sr a i s e d f i r s t l y , t h e j e 塞銮逼太堂蝗堂僮i 金室旦量工盈旦 t r a d i t i o n a lm o b i l i t ym a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e sa r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d t h e n ， b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h em o b i l ei n t e m e t ，t h el o c a t i o nm a n a g e m e n tm e c h a n i s m a n dh a n d o f f m a n a g e m e n ts c h e m ei nt h em o b i l ei n t e r n e ti sg i v e n i ti sv e r i f i e dt h a tt h et h e o r i e sa n dk e yt e c h n o l o g i e sp r e s e n t e di nt h i st h e s i sa r ea b l e t os o l v et h er o u t i n go p t i m i z a t i o n ，r o u t i n gd i s c o v e r ya n dm a n a g e m e n tp r o b l e m si nt h e m 0 b i l ei n t e m e tb yt h er e s u l t so fa n a l y s i s a n ds i m u l a t i o n s t h o s et h e o r i e sa n d t e c h n o l o g i e sc a nb ep r o v i d e da st h eb a s i sa n ds u p p o r t sf o rt h er o u t i n gr e s e a r c hi nt h e m o b i l ei n t e m e t s oi ti sb e n e f i c i a lt oa c c e l e r a t i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h en e x t g e n e r a t i o ni n f o r m a t i o nn e t w o r k s ，t h em o b i l ei n t e r a c ti np a r t i c u l a r k e y w o r d s ；m o b i l ei n t e m e t ；r o u t i n go p t i m i z a t i o n ；r o u t i n gp r o t o c o l ；l o c a t i o n m a n a g e m e n t ；h a n d o f f m a n a g e m e n t a p a r a r o b m i r p b g p c n c n g i c o a c r e m i r p f a h a h m i p v 6 h o a i c m p i e t f m a n e t m a p m g m i p m i p v 4 m i p v 6 m i r o m m i r p m n n m n p 主要缩略语对照表 a c c e s sp o i n t a c c e s sr o u t e r a c c e s sr o u t e ro p t i o n b a s i cm i r p b o r d e rg a t e w a yr o u t i n gp r o t o c o l c o r r e s p o n d e n tn o d e c h i n an e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t c a r eo f a d d r e s s c o r r e s p o n d e n tr o u t e r e x t e n d i n gm i r p f o r e i g na g e n t h o m e a g e n t h i e r a r c h i c a lm i p v 6 h o m ea d d r e s s i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g e sp r o t o c o l i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e m o b i l ea dh o cn e t w o r k m o b i l i t ya n c h o rp o i n t m o b i l eg a t e w a y m o b i l ei p m o b i l ei p v 4 m o b i l ei p v 6 m o b i l ei n t e m e tr o u t i n g0 p t i m i z a t i o n m e c h a n i s m m o b i l ei n t e m e tr o u t i n gp r o t o c o l m o b i l en e t w o r kn o d e m o b i l en e t w o r kp r e f i x 接入点 接入路由器 接入路由器选项 基本移动互联网路由协议 边界网关路由协议 通信节点 中国下一代互联网示范工程 转交地址 通信路由器 扩展移动互联网路由协议 外地代理 家乡代理 分层移动i p v 6 家乡地址 因特网控制报文协议 互联网工程任务组 移动自组织网络 移动锚点 移动网关 移动i p 移动i p v 4 移动i p v 6 移动互联网路由优化机制 移动互联网路由协议 移动子网节点 移动子网前缀 m o n e t m r n e m o n m o e n t 0 s p f r a r a a r a o p r p o r r h t l m r v m n m o b i l en e t w o r k m o b i l er o u t e r n e t w o r km o b i l i t y n e s t e dm o n e t o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t r o u t e ra d v e r t i s e m e n t r a a c k n o w l e d g e m e n t r o u t e ra l e r to p t i o n r o u t i n g i n f o r m a t i o np r o t o c o l r o u t i n gp r o t o c o lo p t i o n r e v e r s er o u t i n gh e a d e r t o pl e v e lm o b i l er o u t e r v i s i t i n gm o b i l en o d e 移动子网 移动路由器 子网( 网络) 移动性 嵌套移动子网 开放最短路径优先 路由器通告 路由器通告确认 路由测试选项 路由信息协议 路由协议选项 反向路由头 顶级移动路由器 访问移动节点 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 夥移 导师签稿锄 签字同期：渺7 月昌开 签字同期：2 维1 月8 f j 韭塞銮道盍堂盛堂撞论童独剑世虚蛆 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通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。 学位论文作者签名：签字目期： 劬韶年f 月谚日 j e 基銮垣盘堂盟堂焦i 盆塞 绪论 1 1研究背景与意义 第l 章绪论 当前，基于分组交换的i p 网络已成为新一代信息网的基础和主流技术。然而 由于i p 网络最初是为固定网络传输非实时数据业务而设计的，就连当时的设计人 员也没想到几十年后的今天，m 网络已成了全球性的、承载各种业务( 实时和非 实时) 的、信息和网络安全要求如此之高的网络重要基础设施。为了使i p 网络适 应当前和未来的要求，就必须对i p 网络先天和后天的不足进行研究和改进，包括： i p 地址的匮乏问题、对实时业务的服务质量问题、信息与网络安全问题、对各种 无线移动业务和需求的支持问题等。i p v 6 及相关技术的出现为这些闫题的解决奠 定了良好的基础，特别是近年来，世界各国对i p v 6 日益重视，许多科研结构和公 司对i p v 6 技术进行了深入的研究与广泛的试验，取得了巨大的进展。( 1 1 另一方面，随着信息网络技术的快速发展，人们对信息的需求在内容和获取 方式上也出现了变化，不再满足于使用固定终端或单个移动终端连接到互联网络 上，而是希望能将某个运动子网或移动终端，以一个相对稳定和可靠的形式，从 i n t e m e t 上运动地获取信息1 2 j ，如运动中的军队、航行中的轮船、行走中的汽车和 火车等运动主体上的网络。这些需求的解决需要引入移动互联网络技术( 我们把 运动主体既包含移动终端，又包含移动子网的互联网称为移动互联网络【3 】) 。国内 外的研究机构也进行了一些有益的探索，如m i p v 6 ( m o b i l ei p v 6 ，移动i p v 6 ) 1 4 j 和n e m o ( n e t w o r km o b i l i t y ，子网移动性) 【5 】的研究等。 i p v 6 最早是由i e t f ( i n t e r n 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) 提 出来的，并同时由它负责制定和完善。在i p v 6 技术作为下一代互联网网络层技术 几乎已成定局的情况下，世界各国对i p v 6 技术的研究十分重视。应该说，1 9 9 6 年 i e t f 建立的全球范围的i p v 6 实验床6 b o n e ( i p v 6b a c k b o n e ) 为i p v 6 的研究创造 了一个良好的条件，因为6 b o n e 为i p v 6 研究、开发和实践提供了一个必要的平台。 到1 9 9 8 年年初，i p v 6 协议的基本框架已经逐步成熟，在越来越广泛的范围内得到 实践。例如：1 9 9 8 年，面向实用的全球性i p v 6 研究和教育网启动，建立了物理上 业塞交通太堂鹾堂焦i 金塞绻论 以a t m 为中心的i p v 6 洲际网；2 0 0 0 年5 月，3 g 标准化组织3 g p p ( t h i r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i p p r o j e c t ) 采纳i p v 6 为多媒体服务的必选协议。另外，由c i s e o 、n o r t e l 、 m i c r o s o f t 、l u c e n t 、n o k i a 、3 c o r n 等公司联合发起成立的i p v 6 论坛也极大的推动 了 p v 6 的发展。 从世界各国研究的情况来看，目前在i p v 6 的研究和应用方面比较领先的主要 是美国、欧洲和日本等发达国家和地区。我国在i p v 6 的研究方面起步不算早，但 近几年发展特别快。事实上，我国是全球最关心i p v 6 发展的国家之一，原因就在 于i p v 6 将给中国信息网络建设带来新的契机。因此，政府、各科研院所和企业对 i p v 6 的研究十分重视，投入了大量的财力和人力，也取得了很大的成就。标志性 的事件有：1 9 9 8 年6 月，中国国家教育科研网c e r n e t 加入6 b o n e ，建立了i p v 6 试验床。1 9 9 9 年4 月，c e r n e t 启动i p v 6 试验床项目，极大推动了中国i p v 6 技术的研究。北京交通大学在2 0 0 0 年下半年在国内首家推出了支持i p v 6 协议的 路由器，并在2 0 0 2 年1 月通过了北京市科技成果鉴定；该实验室承担的国家“8 6 3 ” 重大课题“高性能i p v 6 路由器协议栈软件”在2 0 0 4 年8 月通过验收，研究成果中 的r i p n g 、o s p f v 3 和b g p 4 + 等i p v 6 动态路由协议软件达到了国际先进水平。 2 0 0 2 年4 月，中国科学技术部高新技术发展及产业化司决定对“十五”8 6 3 计划 信息技术领域的多个课题进行公开招标，其中有多个课题是与i p v 6 技术相关的， 它们分别是高性能i p v 6 路由器基础平台及实验系统、高性能i p v 6 路由器协议栈软 件和i p v 6 协议测试技术等，这一事件表明我国以进入全面开展i p v 6 高端核心路由 器技术的研究阶段。 2 0 0 3 年3 t n e t 重大专项启动了i p v 6 v 4 实验床和设备的研制 项目。国家计划委员会、国家自然科学基金委员会、中国科学院等部门和单位也 分别启动了i p v 6 研究和实施计划。 2 0 0 3 年，国家启动了资9 7 3 重大基础研究计 划“新一代互联网体系结构理论研究”。( d 2 0 0 3 年底，中国宣布实施名为“中国下 一代互联网示范工程( c n g i ，c h i n a n e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t ) ”的新一代互联网计 划，目前已经建成了连接中国各主要城市的i p v 6 商用骨干网。 2 0 0 4 年，我国第 一个i p v 6 主干网c e r n e t 2 试验网正式开通并提供服务，成为中国第一个全国性 下一代互联网主干网。 2 0 0 6 年，北京交通大学牵头的国家9 7 3 项目“一体化可 信网络与普适服务体系基础研究”获得立项。 回顾传统电信网的发展，经历了从有线传输到无线传输，再到现在的无线移 j e 夏窑逼叁堂盟堂僮：l 金童缝j 金 动传输这样一个过程。不难想象，互联网也必然经历这样一个过程，即从固定、 有线互联网络到无线互联网络，再到移动互联网络，如图1 1 所示。 图1 1 互联网的发展趋势 由于传统互联网是以“固定、有线”为主的连通方式，在路由、组播、管理 等方面缺乏对移动性的支持，也没有考虑无线环境的特点，难以满足移动互联网 络的需求。因此目前在基于i p v 6 的移动互联网络理论与技术方面还存在很多问题， 主要有以下几方面： ( 1 ) 现有固定互联网络拓扑结构的理论与协议根本不能满足新型移动互联网 络的需要。 传统互联网络最初是为数据通信设计的，而网络理论与协议仅仅适应于网络 拓扑结构相对的固定互联网络。移动互联网络对路由理论与协议在适应变化性、 健壮性、可靠性、服务质量等方面提出了更高的要求，将承载数据、语音、视频 等多种业务，这是传统路由理论与协议所不能胜任的。 ( 2 ) 目前移动互联网理论和协议主要上是针对移动终端的，对移动子网的支 持不足。 为了提供互联网的移动性支持，i e t f 给出了基于i p v 4 网络的m i p v 4 ( m o b i l e i p v 4 ，移动i p v 4 ) 协议r f c 3 3 4 4 t 6 1 。由于m i p v 4 在地址资源、安全性和路由效率 等方面存在着很多缺陷，i e t f 又基于i p v 6 7 1 协议设计了m i p v 6 ，并相继提出了一 系列的草案与标准。这两个版本统称为m i p ( m o b i l ei p ，移动i p ) 协议，是比较 典型的面向终端运动的解决方案，显然不适应整个网络动态变化的需求。如果给 韭复窑垣左堂盛堂毽趁塞绪i 金 移动子网中的各个主机分别通过移动i p 建立路由，忽视了运动主体是一个相对稳 定的集合，这样会因为分发大量的位置管理消息和为每个终端分别建立独立连接 造成了资源上的浪费。虽然i e t f 也提出了针对网络移动性n e m o 的协议 r f c 3 9 4 3 ，但只是给出了基本框架和一些概念，还没有对很多细节内容展开讨论。 ( 3 ) 互联网应用的发展要求开展移动互联网组播理论和算法研究。 近年来，随着网络技术的发展，特别是网络应用的层出不穷，例如可视化i p 电话会议、网络音视频广播、多媒体远程教育、运动用户的i p 接入和转发等，一 对多和多对多的通信方式显得越来越重要，而i p 组播正是实现这种通信方式的技 术，这意味着将来的i p 组播将有巨大市场需求。寻求和产生新的移动组播理论、 协议与技术将是一个新的研究领域。而目前固定网络的组播理论与协议显然无法 满足这些新型变化网络的要求。如何适应移动互联网络的需求，通过运动设备提 供i n t e m e t 的新服务成为当今国际上互联网科学领域中的热点和难点课题之一。 ( 4 ) 互联网技术的不断进步使得研究移动互联网络理论与协议成为可能。 在设计移动互联网络时，一般需要考虑以下三个基本因素：应用移动终端或 移动子网的无线和有线传输技术，连接移动终端和移动子网到互联网的无线技术， 用于在移动终端或移动子网与互联网间的路由理论与机制等。实际上，以i e e e 8 0 2 1 l x 系列及蓝牙为代表的无线局域网小范围无线传输技术可以解决第一要素， 新一代蜂窝移动无线传输技术、i e e e s 0 2 1 6 x 以及规划中的i e e e 8 0 2 2 0 等技术完 全可以解决第二要素。而第三要素将有很大的研究空间，并且也具备了一些技术 基础，如2 0 0 4 年8 月，北京交通大学i p 网络实验室自主研制的b j t u i p v 6 无线 移动路由器就为移动互联网的研究奠定了基础。 在这种形势下，急需突破传统互联网的原始设计思想，研究新一代移动互联 网络的机理、理论与关键技术。目前，国内外已经开展了这方面的研究工作，如 2 0 0 6 年国家9 7 3 指南的一个重要支持方向是“新一代无线移动网络理论与关键问 题”；同年立项的国家9 7 3 项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”中一 项重要研究内容就是新网络体系下的移动性机理与理论；国家自然科学基金委也 相继启动了“动态变化网络路由协议理论及关键技术”、“移动互联网络理论与关 键技术”等项目对移动互联网的理论与关键技术等进行预研。鉴于移动互联网络 是i i 6 互联网络技术的发展趋势，下面首先分析移动互联网络理论与技术的发展 4 j t 塞窑通盘堂馒堂僮i 盆塞 绪i 金 趋势。 ( 1 ) 研究并建立描述移动互联网络体系结构的理论与方法 在大规模、异构、分布、拓扑频繁高速变化的移动互联网络环境下，针对运 动主体组成方式复杂、运动行为方式复杂的特点，研究运动主体运动行为模型、 地址管理和分配策略以及系统结构组成，是移动互联网络技术发展的基础。移动 互联网络拓扑体系结构的理论与方法至少满足以下要求：第一，能体现移动互联 网络拓扑频繁改变的特点，适应运动主体复杂的拓扑变化关系；第二，考虑到移 动互联网络的特点，具有针对移动互联网络路由协议的启发式或按需建立拓扑关 系的支持能力；第三，新理论对于传统网络前缀的拓扑描述方式具有一定兼容性， 既对动态变化网络域外呈现一个相对稳定有效的拓扑结构，又有利于域外到域内 的路由寻址。第四，有鉴于i p v 6 庞大的地址资源以及结构化、功能化等地址策略， 需要重点研究i n t e m e t 新协议版本下的地址分配和管理理论。 ( 3 ) 移动互联网络的路由协议理论与算法 在研究移动互联网络运动主体组成方式及运动行为方式复杂性和网络可扩展 性对路由协议的要求，以及改善网络性能的路由理论与技术的基础上，建立移动 互联网络的高性能路由协议理论与算法。移动互联网络所研究的运动主体不仅是 主机，还包括由众多位置相对稳定的主机构成的集合或某个前缀限定的子网。运 动主体组成方式和运动行为方式的复杂性要求移动互联网络路由协议的处理能力 具有多样性，除要解决子网意义上的动态拓扑路由管理外，还要处理子网内部主 机的运动，以及主机在子网间运动时的路由问题等。 ( 3 ) 移动互联网络环境下组播理论、算法和协议研究 研究既适用于现有i p 网络，又能应用于未来动态变化网络的组播理论、算法 和技术，从而解决现有固定网络组播技术和移动i p 网络组播技术的严重不足和存 在的问题，如研究一个动态的变化网络组播分层机制，通过分层机制使变化网络 组播路由的管理与维护能够适应运动节点资源有限的特点，并结合变化网络组播 代理间的协作机制，提供有可靠性保证的i p 组播。在研究优化分层机制的基础上， 提出组播组、组播树和组播地址管理问题的解决方法，特别针对变化节点设计快 速切换机制、组播路由、组播树的结构与管理协议等。 ( 4 ) 研究基于i p v 6 的无线【p 网络理论与技术 j e 塞窑垣友堂攫堂焦硷塞绻i 金 考虑到将来高速大规模无线和移动通信( 如航空、航天和军事方面等) 的发 展，特别是目前无线i p 网络，如i p 无线局域网i e e e8 0 2 。l l x 、i p 无线城域网i e e e 8 0 2 1 6 x 、i p 宽带移动网i e e e8 0 2 2 0 等技术的快速发展，可适当考虑发展基于i p v 6 的高低速无线路由器交换机设备，并在此基础上研究更新的适合于新型移动互联 网络的高速大规模无线和移动通信理论、系统与设备。 目前，针对移动互联网体系结构已经有了一些初步的研究成果，但在其他方 面还处于起步阶段。事实上，对于互联网来说，路由是其核心和基础；同样，路 由理论及技术也是移动互联网研究中的核心内容。因此，研究移动互联网的关键 理论与技术，最主要的就是要解决路由的问题。从路由的角度看，移动互联网络 是一个全新的网络环境，链路属性、拓扑结构、通信和应用模式与固定网络存在 很大的区别，具有不稳定的拓扑结构、嵌套移动子网的存在以及移动终端和移动 子网混合存在等特点。因此不能照搬现有的理论和研究成果，需要针对其网络结 构和应用特点做调整甚至是寻找新的路由理论和协议。 本论文主要针对移动互联网在路由理论与关键技术方面存在的问题，依托国 家自然科学基金项目“动态变化网络路由协议理论及关键技术”、“移动互联网络 理论与关键技术”和国家9 7 3 项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”， 从分析移动互联网的体系结构和特点出发，研究移动互联网中的路由优化原理， 并提出新的路由优化机制；建立适用于移动终端和移动子网的移动互联网路由协 议；给出移动互联网中的位置管理和切换管理机制等。本论文的工作可以为移动 互联网的研究提供路由方面的基础和支持，有望对新一代信息网络特别是移动互 联网络的发展与应用起到促进作用。 1 2论文的主要工作 本论文重点研究移动互联网的路由理论与关键技术，主要内容如下： 首先描述了移动互联网的设计目标和基本含义；系统总结了移动互联网的相 关支撑技术，包括m i p v 4 、m i p v 6 、n e m o 、m a n e t ( m o b i l ea dh o en e t w o r k ， 移动自组织网络) 【s 】等；分析了移动互联网中存在的主要问题，包括路由优化、路 由协议、管理、支持图像和流媒体等业务问题、安全、应用等。 6 j e 塞窑逼塞堂盟堂僮论塞 绻：l 金 根据移动互联网中存在的主要问题，本论文的研究重点之一是移动互联网中 的路由优化机制。首先对移动互联网络中所存在的路由优化问题进行了全面分析； 然后重点针对嵌套移动子网中的路由优化问题，借鉴移动自组织网中的多跳转发 思想，提出了一种新的路由优化机制m 1 r o m ( m o b i l ei n t e m e tr o u t i n go p t i m i z a t i o n m e c h a n i s m ) ，在该机制中，移动路由器可以直接选择被访问网络的固定路由器作 为自己的外地接入路由器，进而消除了嵌套的影响；最后讨论了该机制中各功能 实体的操作、地址分配策略和快速切换支持等。分析结果表明，相对于传统解决 方案而言，该机制可以有效解决嵌套移动子网中的路由优化问题，具有最小的数 据包封装开销，并且对安全和快速切换等有着良好的支持。 本论文的研究重点之二是适用于移动互联网的新型移动路由协议。根据移动 互联网路由协议的设计目标，在分析传统路由协议的基础上，本文提出了一种新 的移动路由协议m i r p ( m o b i l ei n t e r n e tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) ，该协议可以有效支持 嵌套移动子网的路由优化，并且提供了移动互联网各运动主体之问通信的机制； 对该路由协议框架下各功能实体的操作、路由维护与更薪策略、数据结构等进行 了详细的阐述。分析结果表明该路由协议具有较小的开销和很高的效率，可以很 好的用于移动互联网。 本论文的研究重点之三是移动互联网的位置管理和切换管理机制。首先对传 统的移动性管理技术做了分析和总结；然后结合移动互联网的特点提出了适用于 移动互联网的位置管理策略，实现对移动终端和移动子网位置的有效管理；最后 讨论了移动互联网环境下的切换管理，并给出了相应的解决方案。 1 3论文组织结构 本论文的章节安排如下： 第二章：对移动互联网做了一个概要的描述，包括移动互联网设计目标与基 本含义介绍，相关支撑技术描述，存在的主要问题等。 第三章：研究移动互联网中的路由优化机制，包括移动互联网路由优化问题 分析，新路由优化机制m i r o m 描述，性能分析等。 第四章：提出一种新的移动互联网络路由协议m 1 r p ，包括移动路由协议的设 韭夏窑盟盔空澧堂焦j 金塞 绪i 金 计目标，m i r p 描述和性能分析等。 第五章：给出移动互联网环境下的管理机制，包括移动互联网的位置管理机 制和切换管理机制等。 第六章：对本文的工作进行了总结和展望。 8 a e 立銮迪占堂蝗堂焦i 金塞挂麴亘毯囹拯述 第2 章移动互联网概述 本章主要对移动互联网做一个概要的描述。首先介绍移动互联网的基本含义， 包括移动互联网的设计目标、体系结构和主要术语等；然后分析总结移动互联网 的相关支撑技术，包括移动i p v 4 、移动i p v 6 、n e m o 和m a n e t ；最后分析移动 互联网中存在的主要问题，阐明本论文研究的主要内容及学术意义。 2 1移动互联网的基本含义 如第1 章所述，移动互联网的运动主体既包含移动终端，又包含移动子网。 从这个角度看，移动互联网实际上是对现有m i p ( 包括m i p v 4 和m i p v 6 ) 和n e m o 的扩展，但不是二者的简单叠加，而是综合考虑移动终端和移动子网的运动模型、 路由机制、管理策略等。 移动互联网在体系结构上可以分为两个大的层面；一个是从全网角度看的宏 观层面；一个是从单个外地链路角度看的微观层面。本节要分别分析这两个层面 上移动互联网的构成及其特征。此外，鉴于移动互联网是一个较新的概念，本节 将在m i p 和n e m o 的基础上给出移动互联网的主要术语。 2 1 1移动互联网的设计目标 移动互联网的总体目标为：无论移动终端还是移动子网，都可以在任意地方 以任意方式接入到互联网，同时保持通信的不间断。实现这一总体目标需要考虑 的问题主要有：如何保证移动终端和移动子网维持连续的通信终端和子网移 动性对诸多方面的影响，如路由协议的变化、路由最佳化、快速切换、安全等。 由移动互联网的总体目标和实际需求，参考m i p 和n e m o 的设计目标，本节 给出移动互联网的具体设计目标如下： 移动的透明性，包括两个方面：移动对子网内的节点是透明的；移动对终 端是透明的； 操作的透明性，指各种操作应该在i p 层完成，不能对传输层和应用层造 成影响； 9 j e 塞銮通太堂攫堂焦边塞 整麴亘瑟囹援述 高性能和无缝切换，将移动对通信的影响将至最小： 可以支持不同的接入介质； 允许移动终端接入模式的多样性，即移动终端可以作为移动予网中的普通 节点接入，也可以单独接入： 有完备的地址分配与配置策略，保证移动子网中各个节点和移动终端通信 地址的唯一性： 具有良好的安全特性，包括位置的私密性、通信数据的安全性和路由的验 证等； 实现路由优化； 对服务质量有良好的支持； 支持组播。 2 1 ，2 移动互联网的体系结构 根据上述移动互联网的设计目标，移动互联网的体系结构可以分为两个层面： 一个是宏观层面，一个微观层面，分别如图2 1 和图2 2 所示。 图2 1 宏观层面的移动互联网体系结构 由图2 1 可以看出，从宏观角度看，移动互联网中的运动主体，即移动终端和 移动子网连接到接入网上，通过接入网再连接到核心网，可以认为它们是接入网 的外延。核心网负责维护互联网主干网络的拓扑结构和路由信息，为接入网的各 种数据提供统一的交换路由；接入网主要是为异质异构的移动终端和移动子网提 j e 塞窑适太堂簋堂僮监塞 整麴亘毯圆摄渣 供统一的接入服务，并对核心网屏蔽这些移动终端和移动子网的介质特征；移动 终端和移动子网则是移动互联网中的运动主体。由于移动互联网的研究重点就是 移动终端和移动子网的运动行为模式、路由协议、管理机制等。因此，本文所探 讨的移动互联网路由理论与关键技术，也主要是集中在外面两层，对核心网基本 上没有什么影响。 图2 2 表示了移动互联网的微观体系结构。该图描述了移动子网和移动终端离 开家乡网络后的情形。可以看出，移动互联网中的功能实体除移动终端和移动子 网外，还包括移动子网中的移动路由器、移动终端和移动子网各自的家乡代理， 外地链路的接入路由器等。这些功能实体的具体定义将在2 1 3 节中给出。从图2 2 还可以看出移动终端可以选择多种接入模式，如直接连接到接入网，或者通过移 动子网间接入到互联网等。 图2 2 微观层面的移动互联网体系结构 2 1 3移动互联网的主要术语 j e 塞銮煎太堂睦堂位! 金塞 整塑亘瓞囝堑述 图2 3 给出了移动互联网的一个典型例子，本小节结合图2 3 ，主要介绍移动 互联网中常用的术语，这些术语的定义部分参考了文献【4 1 和文献【9 】。 图2 3 一个典型的移动互联网例子 移动终端，v m n ( v i s i t i n g m o b i l e n o d e ，访问移动节点) ，如图2 3 所示， v m n 是独立的移动体，可以自由的在互联网上运动，类似于m i p v 6 中的 移动节点( m n ，m o b i l en o d e ) ，它既可以作为移动子网中的一个普通节 点接入到互联网，也可以单独接入到互联网； 移动孑网，m o n e t ( m o b i l en e t w o r k ) ，它的概念