（通信与信息系统专业论文）移动ip切换优化方案研究.pdf

摘要 随着无线网络得到越来越广泛的应用，各种无线接入技术的发 展使得基于i p v 4 的i n t e r n e t 体系结构发生了深刻的变革，大量无 线终端设备的接入，一方面进一步加剧了i p v 4 地址资源枯竭的困 境；另一方面对i p 网络提出了新的移动可靠性的要求。但在实际的 无线数据网络中，移动i p 协议至今未被真正实际使用，这主要的原 因是由于移动i p 协议从启动、执行到完成的全过程会造成较严重的 通信时延障碍，这种通信障碍就大大制约了移动i p 的实用化进程。 而研究无线宽带接入互联网的基础理论与核心关键技术有着重大的 科学价值和经济价值。 本文首先介绍了无线网络技术及相关的移动i p 技术，接下来介 绍了层次切换、快速切换和平滑切换等方案，对所列的方案进行了 分析，针对切换过程分析，引出了本优化方案：即基于链路层触发 切换及协议分析，提出了双链路触发切换方案。在论文最后章节介 绍了各种仿真软件，经过分析比较选择了o p n e t 这款仿真软件对方 案进行了仿真验证，理论分析和仿真结果表明，该切换优化方案实 现简便、可靠、性能较传统方法有所改进。 关键词：移动i p v 6 ，切换优化，快速切换，微移动 能l em o r ea n dm o r ew i r e l e s sn e t w o r ko b t a i n sw i d e s p r e a d a p p l i c a t i o n , e a c hk i n dw i r e l e s st u r n e do nt e c h n i c a ld e v e l o p m e n te n a b l e t h eb a s e do nt h ei p v 4i n t e m e ts y s t e ms t r u c t u r et oh a v et h ep r o f o u n d t r a n s f o r m a t i o n ，m a s s i v ew i r e l e s st e r m i n a ld e v i c e t u m i n go n ，o nt h eo n e h a n d ，i tf u r t h e ri n t e n s i f i e dt h ed i f f i c u l tp o s i t i o nw h i c ht h ei p v 4a d d r e s s r e s o u r c e sd r i e du p ：o nt h eo t h e rh a n d ，i tr e q u e s tt h ei pn e t w o r km o r e r e l i a b l e b u to nw i r e l e s sd a t an e t w o r k , m o b i l ei pi sn o ta c t u a lu s et r u e l y u n t i ln o w , t h em a i nr e a s o ni st h a tw h e nm o b i l ei pf r o mt h es t a r tt o c a r r i e so u ta n dl a s tt oc o m p l e t et h ee n t i r ep r o c e s sc a ns p e n dam o r e s e r i o u sc o r r e s p o n d e n c et i m ed e l a y , t h i sk i n do fc o r r e s p o n d e n c et i m e d e l a yg r e a t l yr e s t r i c t e dt h em o b i l e i p sp r a c t i c a la d v a n c e m e n t s t u d yt h e w i r e l e s st u r no nt h ei n t e m e t sb a s i ct h e o r ya n dt h ec o r ee s s e n t i a l t e c h n o l o g yh a st h es i g n i f i c a n ts c i e n t i f i cv a l u ea n dt h ee c o n o m i cv a l u e t i l i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h ew i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g ya n d n e x ts h o wt h ec o r r e l a t i o nm o b i l ei pt e c h n o l o g y ，l e v e lc u t ，f a s tc u ta n d s m o o t hc u tp l a n ，a n a l y s i st h ep l a nw h i c hc a r r i e do n ，w ed r a w no u tt h i s o p t i m i z e dp l a n ：t h i n ka b o u tt h et r i g g e r sc u ta n dt h ep r o t o c o la n a l y s i s b a s e do nt h el i n kl e v e l ，p r o p o s e dt h ed o u b l el i n kt r i g g e r sc u tp l a n i nt h e p a p e r sf m a lc h a p t e ri ti n t r o d u c e de a c hk i n do fs i m u l a t i o ns o f t w a r e 。 c h o s eo p n e ts i m u l a t i o ns o r w a r ea f t e rt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nt o c a r r yo nt h es i m u l a t i o nc o n f i r mt h ep l a n , t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h e s i m u l a t i o n r e s u l ti n d i c a t e d ，t h i sc u to p t i m i z a t i o np l a nr e a l i z a t i o ns i m p l e ， r e l i a b l e ，c o m p a r i n gt r a d i t i o n a lm e t h o d ，t h i sp l a nh a sal o ti m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：m o b i l el p v 6 ，h a n d o v e ro p t i m i z e s ，f a s th a n d o v e r , m i c r o m o b i l i t y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位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，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 j | 作者签名：叁型日期：丑旺月盟日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，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，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：趟导师签名兰迎日期：塑驻吐月丑日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 自从1 8 7 6 年贝尔进行了第一次电话呼叫后，现代通信已走过了1 3 0 年的历 史，而当儿o 年前马可尼第一次的跨大西洋无线电呼叫后，无线电通信就开始了 它的生命“1 。在一百多年的发展中，无线电通信形成了多种通信的方式与技术体 系： 1 对讲系统 通信各方直接通过无线电通信的一种手段，在无线传输距离内，通信各方 使用同一频率频段进行通信，在此系统中不依赖于固定站点服务，组网灵活、 功能简单，无中继功能。 2 集群通信系统 通信各方不直接通过无线电进行交互，而是由一个基站进行通信控制和信 息传输一也就是进行通信中继，因此在基站的设置、频率配置和系统管理方面 更加灵活，通信距离也比对讲系统大。 3 卫星通信系统 这也是一种中继通信的方式，以卫星作为通信的中继手段，卫星通信具有 通信范围广、通信成本高、传输延时大等特点。 4 蜂窝通信系统 蜂窝通信技术也是以基站为通信中继，在解决了各基站问通信接力问题后 以基站无线覆盖实现的相互邻接的更大范围无线通信，由于各基站无线覆盖的 邻接形式形成蜂窝一样的拓扑图形，因此这种通信网络被称为蜂窝通信网络删。 在最近的十年中，移动通信和互联网( i n t e r n e t ) 技术的迅猛发展，给人们 的工作和生活方式带来了巨大变化，人们越来越离不开移动通信和i n t e r n e t 。 或者说，移动通信和i n t e r n e t 已越来越成为人们工作和生活的必要组成部分。 移动通信技术和系统从1 g 至f j 2 g ，2 5 g ，再到部署的3 g ，从有线的局域网到无线局 域网、无线个人区域网、再到无线城域网。随着需求不断变化，人们不再满足 于使用固定终端或单个移动终端连接到互连网络上，而是希望能通过某个移动 的子网络，以一个相对稳定和可靠的形式，从i n t e r n e t 上运动地获取信息。如 通过航天中的飞行器、航行中的轮船、行进中的汽车和火车等运动主体上的网 络，这就是网络移动。实现在高速移动环境下移动网络的宽带无线i p 接入成为 硕士学位论文 第一章绪论 当前互联网研究领域的一个热点。 针对以上的研究热点，移动i p 技术在最近几年里得到了飞速的发展。移动 i p 是移动通信和i p 协议的深层融合，它的目标是将无线话音和无线数据综合到 i p 协议这一技术平台上传输。通过运行移动i p 技术，未来的移动网络将实现全 分组交换，话音和数据都由i p 分组来承载，话音和数据的隔阂将完全消失。在 互联网技术飞速发展的今天，由于协议本身的局限性，原有的i p v 4 技术以用可 扩展的分组头结构，还成功解决了了i p v 4 中的端到端i p 连接、服务质量、安全 性、多播、移动性支持、即插即用等很多问题。移动i p 技术的主要设计目标就 是在移动节点( 心：m o b i l en o d e ) 改变网络接入点的同时，不必改变其i p 地址， 使其能够在移动过程中保持与其他心或其他不具有移动i p 功能的节点之间通信 的连续性。 根据切换时采用的策略，可分为快速切换和平滑切换两种类型。 1 ) 快速切换即低时延切换，主要目的是降低在切换过程中产生的时延和 通信连接的中断时间，通常采用结合低层触发的技术： 2 ) 平滑切换即低丢失率切换，主要目的是使在切换过程中延迟或丢失的数 据分组数量达到最小，通常采用申请缓存的方式。 各种切换方法的最终目标是达到无缝切换。无缝切换既要降低分组的丢失 率，又要降低分组的延时，是快速切换和平滑切换的结合。自从i e t f 提出移动 i p 标准以来，国内外许多研究机构对移动i p 越区切换技术提出了各种解决方案， i e t f 也对m i p v 6 的快速切换、平滑切换和移动切换管理等技术提出了草案，但仍 然存在各种不足，目前还无法实现真正的无缝切换。 在最近几年里，伴随着科技的和经济的高速发展，铁路覆盖面的逐步变大， 列车速度的逐次提高，以及越来越多的高速公路和轨道交通系统的修建完成， 如何使公路或铁路的车辆安全和畅通高速行驶，以及如何支持车内的乘客使用 现有通信设各进行高速的数据通信，这些问题日渐引起人们的重视。另外，随 着近年来全球私人汽车的日益普及，人与车的关系越来越密切，车辆逐渐成为 人们移动的休息和办公场所，如果能够在车辆内为乘客架设合适的通讯设备使 乘客可以登陆i n t e r n e t 或当地服务网络来获取信息，同时也提供一些娱乐活动， 则会给乘客带来极大便利。针对以上的需求，i e t f 在2 0 0 5 年1 月份提出了网络移 动基本支持协议r f c 3 9 6 3 。通过运行该协议，可以将运动中的列车以及车内的乘 客使用的通信设备当作一个移动的子网，只需在子网内部设置一个移动路由器 ( m r ：m o b i l er o u t e r ) ，网内的用户在帮助下进行通信，而且网络的移动对于网 内的用户是透明的。虽然网络移动基本支持协议很好的解决了子网中各种用户 2 硕士学位论文 第一章绪论 的移动通信问题。但在该协议中，子网中的节点和通信对端通信时不支持路由 优化，必须使用外地和其家乡代理( h a ：h o m ea g e n t ) 的双向隧道，而且也未对分 层嵌套的移动子网的操作进行说明，所以该协议并没有获得最优的通信性能， 还有很多值得改进之处。 1 2 国内外无线网络发展概况 ， 1 9 4 5 年贝尔实验室发明了蜂窝通信技术，而a t & t 于6 0 年代后期在此基础之 上推出了蜂窝电话系统，至今蜂窝通信系统已成为遍布全球的主要通信系统。 并且其通信技术已经从模拟网络系统进入了数字蜂窝通信系统的时代( 第二代 移动通信系统，2 g ) 。 另一方面，在数据通信网络技术的发展历程中，以t c p i p 为代表的互联网 技术在二十世纪八十年代后期得到飞速的发展和认可，是今天遍及世界各个角 落的i n t e r n e t 网络的基础，并且己经成为数据通信网络中的事实标准，因此各 种通信技术都在不断向其靠拢。i n t e r n e t 与无线的融合一更趋理想化的世界， 在2 g 的网络中无线通信网络的目的被单纯的定义为提供良好的、有保障的语音 交互服务，随着移动用户的不断增多，用户已不再仅仅满足于简单的语音通信。 这时传统电信的电路交换技术和面向底层的协议栈设计则暴露出了巨大障碍， 而与其对应的数字通信技术与互联网协议栈的设计则表现出了巨大的灵活性和 服务可扩展性特点。以t c p i p 为代表的互联网技术虽然在协议栈分层与互联互 通上给新一代无线网络带来了巨大的好处，但同时也给无线数据网络带来了新 的问题：漫游中不同无线接入点的路由变化问题一移动i p 问题。 无线接入技术主要分为两类：一类是由目前第2 代数字蜂窝移动通信系统 ( 2 g ，包括g s m ，c d 姒等) 发展而来的第2 5 代0 1 ( 2 5 g ，包括g p r s ，c d m a i x 等) 和第3 代( 3 g ，包括w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，t i ) - s c d 凇) 移动通信系统；另一类是电 子电气工程师协会( i e e e ：i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r i c a l ) 开发的 8 0 2 系列无线协议，根据覆盖范围不同，分为无线个人网( w p a n ：w i r e l e s s p e r s o n a l a r e an e t w o r k ，含i e e e 8 0 2 1 5 1 、蓝牙、i e e e 8 0 2 1 5 3 超宽带接入) 、 无线局域网( w l a n ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，含i e e e 8 0 2 1 1a b g ) 和无 线城域网( 硼a n ：w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ，含i e e e 8 0 2 1 、 i e e e s 0 2 2 0 ) 基于i e e e 8 0 2 系列协议的无线网络具有简单、带宽高、部署成本 低等优点，因此近年来有了很大的发展，例如i e e e8 0 2 1 1 礼a n 己经开始在机 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 2 1 6 e ( w i m a x 是目前正 硕士学位论文第一章绪论 在被开发的8 0 2 1 6 无线城域网标准，其范围可达3 1 英里) 也成为3 g 市场的有 力竞争者。埘。 1 3 研究的目标内容与意义 无线通信技术的飞速发展，已经使无线通信网络遍布在世界任何一个角 落，早在2 0 0 2 年底，全球移动通信网用户数己达到1 1 1 亿，己超过固定电话 用户数，成为世界第一大通信网络，紧随其后的2 5 g ， 3g 技术则是当前电 信行业最为热门的词语，而他们核心的含义就是移动的数据业务。另一方面， 1 9 9 7 年i e e e 正式颁布实施第一个w l a n 标准i e e e 8 0 2 1 1 ，由此开始了另一体系 的无线宽带网络技术发展。 a b i r e s e a r c h h 前发布的研究报告预测，2 0 0 6 年全球商用无线局域n ( w i f i ) 热点( h o t s p 0 0 数量将增长4 7 ，达至1 j 1 4 3 ，7 0 0 个。其中四分之- - ( 7 4 ) 仍然分布在 北美和欧洲，但亚太地区增长十分迅速。a b ir e s e a r c h l l j 总裁兼研究主管s t a r t s c h a t t 表示，“至u 2 0 1 1 年，亚太地区的无线局域网热点数目将超过欧洲和北美。” 然而，我们深入分析一下当前使用无线数据网络用户的应用可以发现，现在的 无线数据网络提供的仅仅是“无线数据接入”的服务，也就是说用户每次使用 无线数据网络的目的仅仅是通过无线方式接入网络，能够在有限范围的无线网 络中使用就满足了。也就是说，当前的用户还不能真正在大范围内连续、平滑 的使用无线数据网络，这表面看来是用户还没有这样的需求，但实际上是技术 上的不成熟抑制了用户需求的发展。因为按当前无线数据网应用的技术来讲， 当主机移动范围较大跨越了当前无线网络的i t ，路由网段时则必须重新与无线 网络进行联接或配置方可继续使用。下面通过对2 5 g 的g p r s 网与无线局域网的 实际部署来说明这个问题：当前中国移动己经建立并使用的g p r s 网络，虽然其规 范支持i p 协议，但不能支持移动i p 。其移动用户采用的是动态地址分配技术。 中国移动按省或城市部署和建立g p r s 网络，每个省或城市为单位进行移动 终端的动态地址分配，当用户在跨省或城市移动时必须进行新的地址分配方可 继续使用。另一方面，这种在一个省或城市集中由一个地址分配服务进行i p 地 址管理不仅对可分配地址的数量会有巨大的限制，也为网络的规划与管理带来 了麻烦1 。当前无线局域网的部署大多是以机构为单位，各机构根据自己的需 求建立自己的无线局域网热点，其中的地址分配一般采用静态地址或动态地址 分配。这种热点的建设往往是各机构现有有线网络的延伸，因此其网络的部署 一般会延续有线网络的网段规划，对于较大规模的机构其有线网络的多网段就 4 硕士学位论文第一章绪论 同样在无线网上形成多网段。虽然可以通过v l a n 等技术将整个无线网单独划分 为独立网段，但这需要现有各有线网网络设备的支持v l a n ，并且这样不能使移 动用户在机构内无论无线还是有线中保持自己固定的i p 地址。随着无线局域网 热点的不断增多，热点的重叠与连续将越来越多，在其上使用连续流媒体业务 ( 音、视频交互点播) 将是促进其发展的重要应用需求。这些需求的实现就需要 无线数据网络成为一种全互联的无线应用支撑网络一i p 可漫游网络。针对i p 可 漫游问题，i e t f 在1 9 9 6 年就己经制定了? r f c 2 0 0 2 - 1 p 移动性支持”协议，该协 议描述了一种增强型协议，允许把i p 数据报透明地路由到i n t e r n e t 的移动节点。 但在实际的无线数据网络中，移动i p 协议至今未被真正实际使用，这主要的原 因是由于移动i p 协议从启动、执行到完成的全过程会造成较严重的通信障碍， 这种通信障碍就大大制约了移动i p 的实用化进程。根据i e t f 定义的i p 移动性支 持协议集，移动节点( m o b i l e n o d e ，简称心) i p 漫游问题是一个网络层问题，它 所解决的是移动性的“宏观”管理问题，它不适用于其他的移动性的“微观” 管理应用一无线收发器之间的切换( h a n d o f f ) ( 其中每一个收发器只覆盖了很小 的空间区域，一般在l o o m 的区域内) 。同时，“宏观”移动管理的开始是在完成 。微观”移动之后一物理层、链路层的切换，因此在处理时间上则造成了不可 避免的滞后，并且从链路层切换的开始到网络层切换完成的整个过程中对于上 层应用来说下层通信链路是不可用的状态，这就形成了移动节点在i p 层漫游中 的严重通信障碍。 ( 1 ) 切换延时问题。切换时延过长不仅会造成通讯中断，而且会由于上层协议重 建连接而造成网络性能的雪崩式下降。 ( 2 ) 切换丢包问题。切换中由于丢包的存在使上层应用不得不进行重传等补救措 施，这就更加严重的影响了切换后的通信恢复，加重了切换过程的处理负担。 ( 3 ) 盲目切换问题。当移动节点在多个外地代理多重覆盖的情况下，简单根据信 号强度等物理层信息判断切换方向有可能造成错误的切换，这种盲目切换将大 大影响移动节点的通信性能， 移动i p 切换过程中的通信中断从更大的尺度上可以划分为物理中断和协 议中断两部分。无论是快速切换还是平滑切换的方法基本都是针对协议中断部 分的解决方案，软件的解决方法对于物理中断始终显得一筹莫展。随着硬件电 子技术的飞速发展，硬件设备的制造成本被不断降低，因此通过有限冗余设备 的方法来解决移动i p 的切换问题就成为一种有效而合理的解决方案。本章提出 一种基于双链路的切换协议，即移动主机可以同时保持两个无线链路的通讯， 切换过程中在建立新链路的同时保持原链路，从而保证通讯不中断，以此来解 5 硕士学位论文第一章绪论 决切换延时带来的问题。 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 r n e t ) 围绕 i p v 6 展开新得网络规划部署，届时将建成世界上最大规模的i p v 6 网络基础设 施，定长的i p v 6 协议数据包首部只包含了最基本的功能，附加功能由其后的扩 展首部完成，在i p v 6 首部之后可以携带一个或多个不同类型的扩展首部，完成 不同的功能。扩展首部的类型包括逐跳选项首部，目的选项首部，分段首部， 选路首部，认证首部，和封装安全净荷首部等。i p v 6 分组经过得每个路由器都 要处理逐跳选项首部；i p v 6 分组得目的地址所指得节点才能处理目的选项得首 部；分段首部用于分组得分段和重组；选路得首部用于源端选路；认证首部和 封装安全净荷首部则是i p s e e 用，此外，i p v 6 采用扩展头标机制不仅使得头标 的处理性能比i p v 4 更加强大、高效，而且可以方便地引入新的功能，例如移动 头标可以用来携带移动i p v 6 相关信令消息来实现i p 层移动功能。因此，i p v 8 在各方面都可以满足移动i n t e r n e t 的需求，将成为融合各种无线技术的关键协 议。第二代协作项目( 3 g p p ：t h i 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 ) 己经把 i p v 6 规定为未来移动网络的核心技术。这方面的内容是目前移动i p 领域研究 的热点，也是本论文深入研究的内容之一。 无线和i n t e r n e t 的结合形成了移动i n t e r n e t ，对于移动i n t e r n e t ，摩根斯 坦利发表的报告这样评价：“自从1 8 9 4 年马可尼发明无线电报以来，移动 i n t e r n e t 是该领域最具有革命性的新发展。移动设备技术、网络和应用等领域 的共同发展为无线技术搭建了成功的舞台，井使其成为最终的传播媒体”n ”。 移动i n t e r n e t 使得传统的基于i p v 4 的i n t e r n e t 体系结构发生了深刻的变革。 移动i n t e r n e t 的应用将具有广阔的空间和价值。 1 4 论文工作介绍 本文首先介绍了无线网络技术的发展，研究内容和目标，接下来详细介绍 了移动i p 相关技术，如路由技术，移动检测，i p v 4 和i p v 6 相关技术，对层次 型切换方案进行了分析，针对移动i p v 6 切换过程中提出了切换优化方案：即对 链路层触发切换及双链路切换协议分析上，提出了双链路移动i p 系统方案。在 最后的部分介绍了各种仿真软件，采用了0 p n e t 对提出的双链路协议触发切换 进行了仿真分析 本论文共分为六章，各章主要内容如下： 6 硕士学位论文第一章绪论 第一章为绪论，主要论述了选题得背景，目的和意义，以及国内外的研究现 状，并提出了本文的研究内容 第二章为移动i p 技术研究，主要对移动i p 切换问题的相关技术进行了介 绍，然后对国内外主要研究团体在移动i p 切换问题上的解决思路进行了介绍与 总结。 第三章为移动切换分析与i p v 6 优化研究，本章通过对采用标准移动i p 协议 的主机在无线网中漫游分析，得出原因主要是由于移动主机注册所经过的路由 长度的变化而造成的。这主要是由于将移动i p 的切换过程作为一个单纯的网络 层问题考虑，忽略了其与链路层切换之间的关系。 第四章为链路层触发切换及双链路切换协议，本章分析了移动i p 网络层切 换根本原因还是由于物理层信道变化造成的，因此移动i p 的切换如果能够将移 动i p 的网络层切换过程与链路层切换过程相结合必将缩短移动节点漫游的整体 切换过程。 第五章为双链路移动i p 系统实现与性能分析，本章介绍了移动i p 切换过 程中的通信中断过程分析。随着电子技术的飞速发展，本章提出了通过有限冗 余设备的方法来解决移动i p 的切换问题就成为一种有效而合理的解决方案。 第六章为网络性能研究及系统仿真分析，介绍了o p n e t n 及其他几种网络 仿真工具( n s 一2 ，m a t l a b ) ，通过仿真算法分析，得出预期的结果。理论分析和 仿真结果表明，该算法实现简便、性能较传统方法有所改进。 7 堡主兰些丝茎：笙三皇整垫望垫查堕塞 第二章移动ip 技术研究 首先对移动i p 切换问题的相关技术进行了介绍，然后对国内外主要研究团 体在移动i p 切换问题上的解决思路进行了介绍与总结。针对国内外的主要研究 思路将移动i p 切换问题局限在网络层，没有从整体上考虑移动主机在子网间漫 游切换的完整过程进行链路层切换，割裂了链路层切换与网络层切换间的联系， 在实际应用中未能彻底解决移动主机在子网问漫游时所产生的通信时延等方面 的障碍问题。 2 1 路由技术 路由就是指通过相互连接把信息从源地点送到目标地点，它是t c p i p 网络模 型中网络层最主要的功能，路由器根据i p 报文进行路由选择。路由器通过通信联 系，为每个路由器建立一个路由表，存放网络路由器的转发信息，当路由器转发 数据分组时，首先根据数据分组的目的地址查找路由表项，然后按表提供的下一 站地址对该数据分组进行转发。路由表项基本内容：目的i p 地址，网络前缀长度， 下一跳i p 地址，输出端口。节点发送报文时，根据i p 报文头部的的目标地址查找 路由表，查到后从相应的端口将报文发给下一跳。如图2 - i 所示，表2 - 1 表2 - 2 表2 3 分别表示相关路由表表项内容 图2 - 1 路由示意图 表2 1 路由器 的路由表 8 硕士学位论文第二章移动i p 技术研究 表2 - 2 路由器b 的路由表 表2 - 3 以太网 主机1 路由表 以太同a 主机1 路由表 目的地址l下一跳地址 1 0 0 0 2 4 l直接连 o ，0 0 0 2 4i1 0 0 2 5 4 ( 广播) 2 2l p v 4 和i p r o 包格式 表2 4i p 包头格式 版本肌厦务类型总长度 标识标分段偏移 生存时间 协议类型 头检验和 源球地址 目的口地址 m 选项 传输层报头( 例如：t c p ) 应用层报头 应用层数据 在i p v 4 中，i p 地址( 见表2 - 4 ：i p 包头格式) 是由网络前缀和主机地址( 见表2 5 ) 构成的，根据主机长度分为a ，b ，c 类网络。 表2 - 5i p 地址格式 在i p v 6 协议中：如下表2 6 ，表一7 所示，i p 、r 6 首部在i p v 4 的基础之上进行了 大幅度的简化，不再设置分段用字段，首部效验和不定长的选项字段，这些字段 中的一部分被转移到i p v 6 首部后的扩展首部中，尽管i p v 6 地址长度是i p v 4 地址的 9 硕士学位论文第二章移动i p 技术研究 4 倍，但i p v 6 首部的长度仅是i p v 4 首部的2 倍，简单且定长的首部提高了路由器在 处理i p v 6 分组时候的效率。 表2 - 6i p v 4 结构 版本也 服务类型总长度 标识 标 l a g 分段偏移 生存时间协议类型头检验和 源m 地址 目的m 地址 i p 选项填充项 表2 - 7i p v 6 结构 版本类流标签总长度 负载长度下一报头 最大跳数 源口地址 目的m 地址 2 3 移动l p 相关技术 2 3 1 移动i n t e r n e t 人们对网络依赖性的增加，移动用户都希望能够以一种更加灵活的方式随时 随地的访问企业网络资源和i n t e r n e t 资源。采用传统i p 技术的主机在移动到一个 新的子网的时候，由于不同的子网对应于不同的i p 地址段( 子网) ，用户不能简单 使用原有i p 地址进行通信，而必须修改主机i p 地址成为当前所在子网的i p 地址， 而且由于各种网络的不同设置，用户一般不能继续访问原有网络的资源，其他用 户也无法通过该用户原有的i p 地址访问该用户。 i e t f 定义的移动i p ( m o b i l e i p ) 是一种能够满足这种需要的网络技术，它是 传统i p 技术的一个扩展。移动i p 是一种在i n t e r n e t 上提供支持主机移动功能的方 案，使节点在接入的i p 网络变化时仍可保持正在进行的通信。它提供了一种i p 路由机制，使移动节点能够以一个永久的i p 地址连接到任何链路上。与特定主机 路由技术和数据链路层方案不同，移动i p 还要解决安全性和可靠性问题，并与传 输媒介无关。移动i p 的可扩展性使其可以在整个i n t e r n e t 上应用。移动i p 技术的 1 0 硕士学位论文第二章移动i p 技术研究 推出，使移动用户在跨网络移动和漫游中，实现了不用修改计算机原来的i p 地址 仍可继续使用原网络中一切资源的要求，它对用户屏蔽了移动中i p 接入网络变化 所带来的影响。简单的说，移动i p 就是实现了移动用户在网络中的移动与漫游功 能。正如每一种新技术的产生与成熟过程一样，移动i p 协议的提出虽然解决了移 动设备在i p 网络中漫游时的路由与寻址问题，但其自身同样不可避免的存在着一 些缺陷与不足，其中最为制约其实用化的问题就是切换过程中的通信中断与延 时，这也正是本论文致力于解决的问题所在。 2 3 2 移动i p 协议 一个简单的全i p 移动通信网的网络层移动模型中，移动性可以分两个层次： 子网内移动性和子网间移动性。子网内移动性又称微移动性( m i c o - m o b i l i t y ) 是 指对于移动节点在同一个子网中移动，这种移动不涉及网络层变化：子网间移动 性又称宏移动性( m a c r o - m o b i l i t y ) ，是指对于移动节点在不同子网之间移动，这 种移动就是移动1 p 协议所关注和要解决的问题，移动i p 的网络构成如图2 - 2 示： 图2 - 2 移动i p 示意图 移动i p 协议的大致操作过程有如下面几个步骤： 1 移动代理( 即外地代理f o r e i g na g e n t ，f a ) 和家乡代理( h o m ea g e n t ，h a ) 通过 代理广告消息将它们的存在性进行广告。移动节点( m o b i l en o t e ，m n ) 可选地 从所连接的外地代理通过一个代理请求消息请求一个代理广告消息。 2 移动节点收到这些代理广告并确定自己是在家乡网络还是在外地网络上。 3 当移动节点检测到自己位于家乡网络上，它将不使用移动服务进行操作，如 硕士学位论文 第二章移动i p 技术研究 果返回到家乡网络，通过交换注册请求和注册应答消息，移动节点解除其在 家乡代理的注册。 4 当移动节点检测到自己已经移到外地网络，它将获得一个外地网络的转交地 址( c a r eo fa d d r e s s ，c 0 a ) 。转交地址可以从外地代理的广告中获得( 外地 代理转交地址) ，或者通过外部分配机制如d h c p 获得。 5 位于家乡以外的移动节点通过交换注册请求和注册应答消息向家乡代理注 册其新的转交地址，该过程可能通过外地代理。 6 发送到移动节点家乡地址的数据报被其家乡代理截获，家乡代理通过隧道把 数据报送到移动节点的转交地址，在隧道的端点被( 外地代理或者移动节点 本身) 接收，最后传送到移动节点。 7 在相反方向，由移动节点发送的数据报通常使用标准的i p 路由机制传送到目 的地址，不一定经过家乡代理。 8 当移动节点检测到自己己经移动( 到另一个子网) 。它应该向外地网络申请新 的转交地址，并将新的转交地址到家乡代理处进行重新注册，当家乡代理返 回注册成功之后，移动节点可以使用新的转交地址进行通信。 2 3 3 移动检测 在r f c 2 0 0 2 【”】中定义了两种移动检测的算法： 第一种方法基于代理广告中i c m p 路由广告部分的生存周期( l i f e t i m e ) 域。 移动节点应该记录收到的所有代理广告的l i f e t i m e ，直到l i f e t i m e 到时。如果移 动节点在某个l i f e t i m e p i | 没有收到另一个广告，它应该假设已经失去了与那个代 理的联系。如果在l i f e t i m e 尚未到时就收到了另一个代理的代理广告，移动节点 可以立即尝试向该代理注册。否则移动节点应该尝试找到一个新的代理并向其注 册。 第二种方法使用网络前缀。在某些情况下移动节点可以使用网络前缀 ( p r e f i x l e n g t h s ) 扩展来确定新收到的代理广告是否来自与节点当前的转交地 址同一个子网。如果前缀不同，移动节点可以假设它已经移动( 到另一个网络) 。 如果移动节点当前正在使用一个外地代理转交地址，移动节点不应该使用这种移 动检测方法，除非当前代理和新的代理在它们各自的代理广告中均包括 p r e f i x l e n g t h s 扩展；如果该扩展在一个或两者的广告中缺失，则不应该使用这 种移动检测方法。同样，如果移动节点正在使用联合转交地址，它不应该使用这 种移动检测方法，除非新代理在其广告中包括t p r e f i x - l e n g t h se x t e n s i o n 并且 移动节点知道其当前联合转交地址的网络前缀。在其当前注册时间到时，如果这 种方法表明节点己经移动，移动节点可以选择向发送新的带不同网络前缀的代理 硕士学位论文第二章移动i p 技术研究 广告的外地代理注册，而不是重新向其当前转交地址注册。新注册基于的代理广 告不能已经过期( 根据其l i f e t i m e 域) 这两种移动检测方法都是纯网络层检测方 法，因此也决定了标准移动i p 协议的执行是在链路层切换完成后进行的【1 ”。 2 3 48 0 2 1 1 协议技术 无线局域网络( 8 0 2 1 1 ) 是当前无线i p 网络中成熟也具代表性的网络技术，因 此在研究移动i p 问题的过程中则采用8 0 2 i i 协议作为其下层支撑网络的协议标 准。从网络层次结构来看，i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网包括物理层和链路层两个层次 的内容，而链路层以上的层次则并不涉及。 在1 9 9 7 年，i e e e 发布了第一份8 0 2 i i 协议，随即它就成为无线局域网领域内 的第一个国际认可协议。在1 9 9 9 年9 月，他们又提出了8 0 2 1 l b h i g hr a t e 协议 和i e e e 8 0 2 1 l a 这两个新的标准，用来对8 0 2 1 l 协议进行补充，8 0 2 1 l b 在8 0 2 i i 的1 m b p s 和2 m b p s 速率下又增加了5 5 mb p s 和l l m b p s 两个新的网络吞吐速率。利用 8 0 2 1 l b 移动用户能够获得同e t h e r n e t 一样的性能、网络吞吐率、可用性。i e e e 8 0 2 1 l a 工作在5 g h z u n i i 频带，从而避开了拥挤的2 4 g h z 频段。物理层速率可达 5 4 m b p s ，传输层可达2 5 m b p s i e e e 8 0 2 1 1 9 小组于2 0 0 3 年7 月正式宣布8 0 2 1 l g 规 格为一种新的无线局域网产业标准。8 0 2 1 l g 标准在原有8 0 2 1 1 b 的基础上向前迈 进了一步：采用了新的调制解调方式o f d m ( 与8 0 2 1 l a 当中所用相同) ，通信速率可 达到5 4 m b p s ，是8 0 2 1 i b 标准的5 倍：但同时8 0 2 ii g 仍然运行于2 4 gh z 频段，且 保留了原来8 0 2 1 i b 中的调制方式，使得8 0 2 1 l g 可兼容8 0 2 1 i b 标准。 8 0 2 i i 定义了两种类型的设备，一种是无线站( s t a t i o n ，s t a ) ，通常是指一 台计算机加上一块无线网络接口卡构成的，另一个称为无线接入点 ( a c c e s s p o i n t ，a p ) ，它的作用是提供无线和有线网络之间的桥接。一个无线接入 点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口( 8 0 2 3 接口) 构成，桥接软件符 合8 0 2 i i 桥接协议。接入点就像是无线网络的一个无线基站，将多个无线的接入 站聚合到有线的网络上。 无线局域网的工作模式一般分为两种：i n f r a s t r u c t u r e 和a d - h o c ( 对等网络 模式) 是一种比较特殊的工作模式，它通过把一组需要互相通讯的s t a 以对等的方 式通过无线相互连接组网，形成一个所谓a d - h o c 的临时特定网络。这样就可以不 必使用a p ，构成一种特殊的无线网络应用模式。这时的a d - h o c 网络，相对独立并 不需要与外部骨干网相连。i n f r a s t r u c t u r e ( 基础设施模式) 是以无线接入点( a p ) 为中心，这时w l a n 的无线接入点，可以看作是有线网络的延伸，只要在w l a n 的覆 盖范围内，配有无线网卡的设备( s t a ) ，都可以通过无线接入点与外部有线或无线 的骨干网络相连，a p 充当了无线集线器( h u b ) 的角色。在基础设施工作模式中， 每个无线工作站( s t a ) 在同一时刻只能与一个无线接入点( a p ) 相关联，一个无线 硕士学位论文 第二章移动i p 技术研究 接入点和与其关联的无线工作站，就组成了一个基本业务集( b s s ，b a s i cs e r v i c e s e t ) 。每个基本业务集都有一个基本业务集标识( b s s i d ) 。在8 0 2 11 标准中，b s s i d 就是接入点a p 的m a c 地址。无线工作站就是采用这个基本业务集标识( b s s i d ) 与该 无线接入点相关联。当需要扩大覆盖范围或增加无线工作站的用户数量的时候， 可以将若干个无线接入点各自基本业务集组合成一个分布式网络系统，即可称为 扩展业务集( e s s ，e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 。扩展业务集是指由多个a p 以及连接它 们的分布式系统组成的结构化网络，所有接入点a p 必需共享同一个扩展业务集标 识( e s s i d ) ，也可以说扩展业务集e s s 中包含多个b s s 。扩展业务集是一个l a y e r 2 网络结构，对于高层协议，比如i p 来说，是由连接其的分布式系统决定( 路由器) ， 因此一个足够大的无线覆盖网络往往由一个多网段的以太网系统连接起来，而从 无线覆盖的角度看可以认为是一个大面积无线覆盖的网络中存在多个路由子网。 因此如果无线工作站( s t a ) 要成为一个可在整个连续覆盖无线网络中自由移动并 能保持正常连续通信的移动节点( 州) ，则必须能够实现网络层针对移动i p 路由的 支持功能 1 5 - 1 。 2 4 层次型移动i p 方案 t e l e m i p 方案：t e l e m i p ( t e l e c o m m u n i c a t i o n s - e n h a n c e dm o b i l ei p ) 是由美 国德州大学阿灵顿分校提出的，同时使用公