（系统工程专业论文）移动IPv6快速切换机制研究及仿真.pdf

中 文 摘 要 随着网络技术和移动通信技术的快速发展，各种便携式的无线终端设备如笔记 本电脑、手机等的出现，越来越多的互联网用户希望移动主机能够像台式机一样接 入互联网，共享网络资源，并且希望移动主机能够在不同的网络之间移动时一直保 持正常的通信。为了解决这个问题，互联网工程任务组 ietf（international engineer task force）提出了移动 ip 协议。目前，移动 ip 协议有两种版本：移动 ipv4 协议与 移动 ipv6 协议。 移动 ipv6 是基于移动 ip 技术的第三代移动通信系统和 internet 网络 的结合，正处在不断发展和完善的过程中，在不久的将来将取代目前被广泛使用的 移动 ipv4 协议。 移动 ipv6 技术使得移动主机从一个子网移动到另一个子网时，仍然保持着连通 性，这个过程称之为切换（handover） 。移动 ipv6 技术解决了在移动 ipv4 中的“三 角路由”等问题。但是移动主机在子网之间切换将会引起切换延迟，部分数据包在 切换过程中将会丢失。随着网络实时应用的引入，如何减少移动主机在移动时的切 换延迟、降低丢包率，以便减少移动对实时应用的影响，从而提高服务质量，这是 移动 ip 当前需要解决的主要问题。 本文首先介绍了移动ip的设计目标； 移动ipv4中移动节点的基本功能； 移动ipv6 相对于移动 ipv4 的改进，以及移动 ipv6 的基本工作原理。其次，对标准移动 ipv6 切换时延进行了分析并给出一个简单的切换延迟公式，分析了移动 ipv6 的切换时延 对移动性能的影响。为了改善标准移动 ipv6 的切换延迟问题，本文详细介绍了当下 两个比较典型的切换机制：移动 ipv6 的快速切换（fmipv6）和层次型移动 ipv6 （hmipv6）的管理模型。其中，快速切换因为提前获得转交地址，减少了移动检测 延迟和注册延迟等相关的时延。而层次型移动 ipv6 管理模型因为移动锚点的引入， 使得移动节点在一个移动锚点域内移动时，家乡代理和通信对端由于不需要处理大 量的绑定更新消息而避免了链路效率的降低、网络吞吐量的减少和切换时延增加的 困扰。 根据切换延迟这个公式，将移动 ipv6 的快速切换和层次型移动 ipv6 的管理模 型的优点进行整合，形成一种新的切换改进方案：f-hmipv6 切换方案。并对该切换 方案的工作过程进行了分析，并给出数据包的流程图。最后介绍了模拟仿真工具 ns2，并利用该仿真工具 ns2 对 f-hmipv6 切换方案进行模拟仿真。通过对仿真结 果的分析从理论上验证了 f-hmipv6 切换方案的可行性。 关键词：移动 ipv6；快速切换；层次型移动 ipv6；网络仿真工具 ns2 abstract with the rapid development of network technology and mobile communication technology, there is a variety of portable wireless terminal devices such as laptops and mobile phones.more and more internet users are not only expect that mobile host can access the internet and share network resources like desktop，but also except that mobile host can retain normal communication when it moves among some diferent networks. in order to solve this problem, ietf（international engineer task force）brings out mobile ip protoco. at present, the mobile ip protoco has two versions: mobile ipv4 protocol and mobile ipv6 protocol. mobile ipv6 protocol ,which is based on a combination of the third generation mobile communication of mobile ip technology and internet network, is in continuous development and improvement of the process, and will replace the current widely-used mobile ipv4 protocol in the near future. when a mobile host from one subnet to another subnet,mobile ipv6 technology enables the mobile host connectivity remained. this process is known as the handover. the mobile ipv6 technology has resolved such as the problems of the “triangular routing” routinghowever,when the mobile host switchs across subnets，handover delay is introduced，and some of the data packets could be lost. with the introduction of real-time applications,it is the mobile ip of the current main issues that need to be resolved,how to reduce the handover delay and how to reduce the rate of data packet loss in order to reduce the impact of real-time applications, thereby enhancing the quality of service. at first,the paper introduces the design goals of mobile ip, the basic functions of mobile node in mobile ipv4, mobile ipv6 improvements for mobile ipv4 and mobile ipv6 basic operation principle.secondly, the paper analyzes the handover delay of mobile ipv6,gives a simple formula for the handover delay and analyzes handover delay of mobile ipv6 for the impact of mobile performance. in order to improve the mobile ipv6 handover delay, this paper describes the present typical two handover mechanisms: fast handover for mobile ipv6 (fmipv6) and hierarchical mobile ipv6 management(hmipv6). among them, because of early access to care-of address, fast handover reduce mobile detection delay and delay in registration, etc. and, because the introduction of mobile anchor point, home agent and communication node do not need to handle a large number of binding update message when mobile node moved in the region of mobile anchor point.hierarchical mobile ipv6 management avoid reducing the efficiency of the link, the network throughput and reduce the increase in handover delay problem. in accordance to the formula of handover delay,this paper integrated their advantages of fast handover and hierarchical mobile ipv6 management,proposed a new handover mechanism - f-hmipv6, analyzed the process of this new mechanism and gived the flow chart of data packet.finally,the paper introduced the ns2 simulation tool. and the ns2 simulation tool simulated the handover mechanism -f-hmipv6. through analysis of simulation results,in theory, we can verify the feasibility of f-hmipv6 mechanism. key words： mobile ipv6； fast handover； hierarchical mobile ipv6； ns2 42 承承 诺诺 书书 本人郑重声明：我所呈交的学位论文，是在曲开 社导师指导下独立完成的，学位论文的知识产权属于 山西大学。如果今后以其他单位名义发表与在读期间 学位论文相关的内容，将承担法律责任。除文中已经 注明引用的文献资料外，本学位论文不包括任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的成果。 本人郑重声明：我所呈交的学位论文，是在曲开 社导师指导下独立完成的，学位论文的知识产权属于 山西大学。如果今后以其他单位名义发表与在读期间 学位论文相关的内容，将承担法律责任。除文中已经 注明引用的文献资料外，本学位论文不包括任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的成果。 学位论文作者（签章） ： 2009 年 6 月 3 日 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 引言 当今时代是一个信息的时代，互联网和移动通信已作为主要的信息平台，深入 到了我们生活的各个方面，成为人们日常的生产、生活中不可缺少的部分。而随着 人类生活节奏的不断加快，由于笔记本电脑、pda、3g 手机等终端设备的普遍使用， 原有的使用固定节点从固定接入点连接到互联网的方式已经逐渐不能满足人们日益 增长的需求，人们需要在任何地方、任何时候都能获得互联网服务。这将给互联网 带来新的机遇与挑战。 为了迎接这些挑战， 互联网工程任务组 （international engineer task force， ietf） 提出了移动 ip 协议。首先于 1992 年制订了移动 ipv4 草案，并在 1996 年公布了建议 标准。它是现行的 ip 版本。它的目的是使人们不论在什么地方，都能通过移动终端 随时连接到互联网。 移动 ipv6 是最近几年来比较新的技术， 是基于移动 ip 技术的第三代移动通信系 统和互联网的结合，它是随着很多新技术的不断发展而发展起来的，这些新技术包 括 ipv6 技术、移动 ip 技术、移动通信技术及各种终端技术的发展。然而现有的移动 ip 技术还是有很多缺陷，移动 ipv6 方案也还没有得到最终的完善。移动 ipv6 正处 在不断发展和完善的过程中，在不久的将来它将取代目前被广泛使用的 ipv4。 1.2 研究背景及现状 巨大的需求为互联网迎带来了新的机遇与挑战。移动终端接入互联网的要求已 经迫在眉捷，而传统的 ip 技术对网络节点的移动性支持不够。1996 年互联网工程任 务组研究出了移动 ipv4，这个版本的移动 ip 研究的主要目的是为了使移动节点在移 动过程中，不会因为移动而导致网络连接通信的中断。但是，它仍然存在一些无法 解决的问题：最主要的就是在 ipv4 中，其 ip 地址为 32 位，这个数量的 ip 地址已经 无法满足众多用户的需要；再者，现行的 ipv4 版本的路由表长度过长、安全性较差 等，这些都阻碍了移动 ip 的发展。为此，互联网工程任务组又开发出了新一代的 ip 版本 ipv6，它将 ipv4 中的 ip 地址长度变为 128 位，从而为网络提供了丰富的地址 空间。此外，ipv6 同时集成了移动性、服务质量、安全性等特性，弥补了 ipv4 的不 足之处。 ipv6 的出现是互联网再发展的里程碑， 也是实现移动 ip 最理想的解决方案。 为了在 ipv6 子网之间进行切换时使用户能够保持正常的通信，互联网工程任务组 移动 ipv6 快速切换机制研究及仿真 2 （ietf）制定了移动 ipv6 协议。互联网工程任务组（ietf）从 1996 年就开始研究 移动 ipv6 并发表了相应的标准草案，并在历经 24 次的版本修改之后，于 2004 年 6 月制定出了正式的建议标准 rfc3775。 rfc3775 标准提供了移动 ipv6 对 ipv6 的移动性的支持，这对移动 ip 的发展至 观重要。 移动 ipv6 的关键是要使移动主机移动但不需要改变 ip 地址， 关键技术是在移动 主机在移动过程中的切换问题。什么是切换呢？移动主机在不同的子网中移动，从 移动主机离开原来的子网到接收到绑定确认的这段时间内，通信是中断的，我们将 这个过程称为切换，而这段中断时间称为切换延迟，一般有几秒的时间，这种切换 延迟对于实时应用而言，是无法承受的。如何降低切换延迟是移动 ipv6 切换的一个 重要的衡量标准。而如何降低移动主机间切换延迟，降低丢包率，提高服务质量， 已成为当前研究的热点问题之一。 移动 ipv6 技术的研究方向1从总体上可以分为宏观移动和微观移动两个方面。 宏观移动主要涉及到基本协议、其它协议。其中基本协议是移动 ipv6 协议等。而微 观移动主要研究的是关于“无缝”的切换。它主要包括快速切换，平滑切换，缓存 管理和报头压缩等。此外，与此相关的研究还有关于安全机制以及服务质量等问题 的研究。 1.3 本文的研究目标和主要工作 在下一代的网络通信中，针对无线网的漫游以及实时应用，人们对平滑切换的 要求很高，而在切换机制上，只使用标准的移动 ipv6 显然是不能满足要求的，因为 标准移动 ipv6 切换延迟较高，数据包丢失率较高，并且很容易造成网络瓶颈。在移 动ipv6各种切换改进机制中， 典型的有快速移动ipv6 （fast handover for mobile ipv6， fmipv6）和层次型移动 ipv6（hierarchical handover for mobile ipv6，hmipv6）管 理模型。 层次型移动 ipv6 主要关注的是网络结构的设计，减少的是移动 ipv6 绑定更 新延迟；而快速移动 ipv6 减少的是移动检测延迟和注册延迟。但这两种切换的效果 并不十分尽如人意。 本文主要研究的是移动 ipv6 的微移动中的快速切换，通过整合现有的快速移动 ipv6 和层次型移动 ipv6 管理模型二者的优点， 而形成一种新的切换方案f-hmipv6 切换方案。主要达到以下目的：改善移动 ipv6 中的切换过程中的通信性能，减少通 信中断时间与数据包的丢包率，减少切换延迟，提高系统的数据传输速率。 第一章 绪论 3 基于上述目的，本文将利用 ns2 网络仿真工具对 f-hmipv6 切换方案进行模拟 仿真，具体分析在此切换方案下，数据包的 tcp 性能，吞吐量，延迟等情况，从而 从理论上验证该方案的可行性。 在本论文所做的主要工作是： （1）分析了移动 ip 技术和移动 ipv6 协议的基本的工作原理。 （2）分析了标准移动 ipv6 的切换延迟，以及它对移动通信性能的影响，对目 前较为典型的两种切换机制：快速切换的移动 ipv6（fmipv6）和层次型移动 ip v6 （hmipv6）等切换技术进行分析。并融合快速切换 fmipv6 和层次型移动 ipv6 的优 点，形出一种新的切换方案f-hmipv6。 （3）利用网络仿真工具 ns2 对 f-hmipv6 进行仿真，得出最后结论。 1.4 本论文的内容安排 本论文的内容安排如下： 第一章 绪论 介绍了移动 ip 的研究背景、现状，及本文的研究目标。 第二章 移动 ip 技术的概述 介绍 ipv4 基本术语、移动节点的基本功能以及移 动 ipv6 的的基本操作过程等。 第三章 移动 ipv6 的切换技术 介绍移动 ipv6 快速切换， 层次性移动 ipv6 管理 模型两种切换方案，并整合二者的优点，从而形成一种新的切换方案 f-hmipv6。 第四章 f-hmipv6 切换方案的仿真 简单介绍了网络仿真工具 ns2，并详细介 绍在 ns2 中仿真 f-hmipv6 切换方案的实验过程，以及对实验结果的分析； 第五章 结束语 移动 ipv6 快速切换机制研究及仿真 4 第二章 移动 ip 的概述 传统的网络环境中， ip 为互联网提供了路由能力， 给所有节点都分配有 ip 地址。 当移动节点从一个子网移动到另外一个子网时，如果没有及时修改移动节点的 ip 地 址，该移动节点就不能与其他节点进行正常的通信，这是因为传统的 ip 技术的路由 弊端，网络标识的前缀问题。此时，移动 ip 协议应蕴而生。 2.1 移动 ip 的设计目标 移动 ip 是为解决终端设备移动而被研究出的技术，它是基于网络层的一种解决 方案，主要用来解决移动终端设备在移动过程中与其他与之通信的对端节点通信时 如何对数据包进行收发。 移动 ip 研究的主要目的2就是当移动主机移动到一个新的子网时，不需要改变 它的 ip 地址，也能够保持移动主机在移动过程中与其他节点的正常通信，而不会中 断。也就是说，移动 ip 协议在设计时，要实现以下几个条件： （1）在改变数据链路层的接入点以后，移动节点应能保持与互联网上其它节点 的通信连续。 （2）无论连接到何链路上，移动节点都应能使用原先的 ip 地址进行通信。 （3）移动节点应能与其他不具有移动 ip 功能的节点进行通信，而且不需要改 变通信节点的协议。 （4）移动节点不应比互联网上的其他节点面临更多的安全威胁。 2.2 移动 ipv4 技术 1996 年 6 月由互联网络工程任务指导小组 iesg 通过移动 ipv4 技术，并在同年 11 月公布为移动 ipv4 协议的标准。互联网工程任务组的移动 ip 工作小组在几年之 间，相继制订了 rfc3220、rfc2003-2004、rfc1701 和 rfc2005-2006 等一系的标 准，它们主要是对移动 ip 的协议、移动 ipv4 的应用、相关的隧道技术以及管理信息 库等进行了定义。 2.2.1 移动 ipv4 的基本术语 1. 移动 ipv4 协议定义了 4 个新的功能实体3 4 （1）移动节点（mobile node，mn） ：一般为一台要移动的主机或路由器，它 在链路切换时 ip 地址不改变，通信也不中断。 （2）家乡代理（home agent，ha） ：它是一个端口接在移动节点的家乡网络上 第二章 移动 ip 的概述 5 的路由器，它会从端口把发送到移动节点的数据包拦截下来，然后通过隧道把这个 数据包传送给移动节点移动到的网络中的用作转交的地址，而且还会维护这个地址 信息。 （3）外地代理（foreign agent，fa） ：它是一个端口连接在移动节点移动到的 的外地网络上的路由器，能够帮助移动节点完成移动检测，并向移动节点提供路由 服务。 （4）通信对端（correspondent node，cn） ：与移动节点进行通信的对端节点， 它可以是一台主机，也可以是一台路由器。 2. 在移动 ipv4 中，移动节点定义了两种地址 （1）家乡地址（home address，ha） ：通信对端所知道的移动节点的 ip 地址。 在互联网上移动时，移动节点的家乡地址不变。移动节点的家乡地址的网络前缀与 移动节点的家乡链路上节点的网络前缀是一样的。移动节点的家乡地址与家乡链路 和家乡代理是密切相关的。 （2）转交地址（care-of address，coa） ：移动节点的家乡代理发出隧道的出口 地址。当在互联网上移动时，移动节点的转交地址会发生改变。转交地址包括外地 代理转交地址和配置转交地址两类。 2.2.2 移动节点的功能 在移动 ipv4 中，移动节点定义了 3 种功能：移动检测、注册和隧道。 （1）移动检测 移动检测需要执行代理发现的过程。移动节点通过移动检测来确定移动节点当 前的移动情况：移动节点当前连接的是家乡链路还是外地链路，移动节点是否从一 条链路移动到了另一条链路上。当连接在外地链路上时，移动节点将获得一个转交 地址。 （2）注册 注册技术是移动节点向家乡代理通知它当前的转交地址的一种认证机制，也是 移动节点移动返回到家乡链路上后注销转交地址的机制。移动节点也可以通过注册 而得到其家乡代理地址。 （3）隧道 隧道技术是对数据包路由的特殊规程，尤其是对源或目的地是当前连接在外地 链路的移动节点的数据包。连接在家乡链路上的移动节点是与固定主机或路由一样 的方式进行数据包的路由。 移动 ipv6 快速切换机制研究及仿真 6 隧道协议用来向那些连接在外地链路上的移动节点传送数据包。要发送移动节 点家乡地址的数据包首先被路由到移动节点的家乡链路上，这是采用网络前缀路由 的结果。在家乡链路上，家乡代理截获数据包，通过隧道将该数据包发送到移动节 点的转交地址。在那儿，数据包从隧道中被取出，然后被发送给移动节点。 移动节点产生的数据包，用其家乡地址直接路由到目的地。如果存在外地代理， 外地代理将作为移动节点的默认路由器。 通信对端向移动节点发送的数据包首先被发送到移动节点的家乡链路，然后再 经过隧道发送到移动节点的当前位置，即“三角路由”的问题。 从以上的描述中， 我们可以清楚了移动 ipv4 的工作原理， 在此不再具体讨论了。 2.3 移动 ipv6 技术 到目前为止，移动 ipv65的标准仍在制订的过程中，并经历了多次版本更新。 最新的草案（draft）为第 19 版本的 mobility support in ipv6。 移动 ipv6 技术充分利 用了 ipv6 协议对移动性的内在支持。 移动 ipv6 的主要优点就是不论移动节点移动到什么位置，移动节点都保持着现 有的连接。移动 ipv6 对于 ip 层以上的协议层是完全透明的，这使得移动节点在不同 子网间移动时，运行在该节点上的应用程序都不需要做任何的修改或配置仍然可以 使用。 2.3.1 移动 ipv6 与移动 ipv4 的比较 移动 ipv6 中的许多概念如移动节点，家乡代理，通信对端、家乡地址等都与移 动 ipv4 的概念相同或相似，但，在移动 ipv6 中没有外地代理的概念，而且只定义了 一种转交地址“配置转交地址” ，它是移动节点通过地址自动配置机制而获得的 地址。 移动 ipv6 的设计借鉴了移动 ipv4 的开发经验，并且利用了 ipv6 协议添加了许 多新的特性，它比移动 ipv4 有很多明显的改进6 7 8 9。 （1）外地代理：移动 ipv6 中，不再有外地代理的概念，如果移动节点在外地 链路上时，不需要把某些路由器配置成外地代理。移动节点离开家乡链路时可以利 用 ipv6 的如“邻居发现”和“地址自动配置”机制等增强功能进行独立操作，不需 要外地链路上的路由器提供特别的功能支持。 （2）路由优化：在移动 ipv6 中，解决了移动 ipv4 协议中出现的“三角路由” 问题，并且已成为 ipv6 协议的基本功能部分。通过使用 ipv6 中新的路由头选项，允 第二章 移动 ip 的概述 7 许通信对端和移动节点之间直接发送路由数据包，不再需要移动节点的家乡代理转 发。 （3） 动态家乡代理地址发现 （dynamic homeaddress discovery） 机制： 移动 ipv6 中，由于 ipv6 使用的是任播地址（anycast address） ，使得家乡链路上仅需要一个家 乡代理向移动节点返回应答消息就可以， 但在移动 ipv4 中， 由于使用的是广播机制， 所以家乡链路上的每个家乡代理都需要返回一个独立的应答消息。因为从家乡链路 返回给移动节点的应答分组仅有一个， 所以移动 ipv6 的这种机制要比移动 ipv4 更加 可靠和有效，并且不会出现应答过多的问题。 （4）安全机制：移动 ipv6 可以为满足所有的安全需求而使用 ip 安全报头 （ipsec） 。通过 ipv6 中的 ipsec 可以对 ip 层上的通信提供加密/授权。 （5）移动检测：当移动节点在当前位置与其默认路由器通信时，移动 ipv6 的 这种机制，将对移动节点与默认路由器提供双向通信能力的确认，也就是说，既能 使移动节点接收到来自于默认路由器发送的数据包，也能使默认路由器接收到来自 于移动节点发送的数据包。 （6） 隧道封装： 向离开家乡链路的移动节点发送数据包时， 移动 ipv6 使用 ipv6 的“路由报头”传送，而不使用隧道封装。使用“路由报头” ，需要较少的附加报头 字节，从而减小了移动 ip 发送数据包的压力。但是，为了保证发送时，数据包的安 全，以免数据包被修改，一般由移动节点的家乡代理截取数据包并通过隧道向移动 节点发送，此时就必须仍然使用封装技术。 （7）输入过滤：移动 ipv6 中，路由优化与路由器的输入过滤能够共存。一个 在外地链路上的移动节点使用其转交地址作为数据包的源地址，并将其家乡地址包 含在其家乡地址的目的选项中，由于在外地链路中的转交地址是一个有效地址，所 以数据包能够顺利通过具有输入过滤功能的路由器。 （8）移动 ipv6 的移动性更好 移动 ipv6 实现了 ip 层的移动性，特别是在面对移动终端数量的急剧增加，只有 移动 ipv6 才能保证地球上每个终端设备都分配一个永久的 ip 地址，由于移动 ipv6 协议容易扩展，能够处理大规模的移动性要求，所以移动 ipv6 将能够解决全球范围 内的网络和接入技术之间的有关移动的问题。 2.3.2 移动 ipv6 的基本术语 1. 移动 ipv6 定义了 3 种功能实体 移动节点（mobile node，mn） 、通信对端（correspondent node，cn） 、家乡代 移动 ipv6 快速切换机制研究及仿真 8 理（home agent，ha） 。其中家乡代理，它主要负责维护离开本地链路的移动节点， 以及它们所使用的地址信息。如果移动节点还在家乡链路上，则家乡代理的作用与 一般的路由器的作用一样，只需将数据包转发给移动节点即可；当移动节点离开家 乡链路，移动到外地链路上时，家乡代理将截取发送到移动节点家乡地址的数据包， 并通过隧道将数据包转发给移动节点的转交地址。 2. 其他基本术语10 （1）家乡链路（home link） ：具有本地子网前缀的链路。 （2）家乡地址（home address，ha） ：分配给移动节点的 ip 地址，它属于移动 节点的家乡链路，移动节点使用本地子网前缀创建家乡地址。 （3）外地链路（foreign link） ：是指不是移动节点家乡链路的链路，它具有外 地子网前缀。 （4）转交地址（care of address，coa） ：指访问外地链路时移动节点获得的 ip 地址。这个 ip 地址的子网前缀是外地子网前缀。当移动节点在网上移动时，它的转 交地址会一直在变化，事实上，移动节点可同时获得多个转交地址，但是只有一个 转交地址能够在移动节点的家乡代理中注册，成为主转交地址（primary care of address） 。 （5）绑定（binding） ：是指移动节点的家乡地址和转交地址之间的关联。通过 绑定，家乡代理可以把发送到家乡链路的属于移动节点的分组转发到移动节点所处 的其他当前位置，通信对端可以知道移动节点的当前接入点，从而实现移动节点与 通信对端的通信的路由优化。 2.3.3 移动 ipv6 的扩展以及选项 1移动报头 移动报头，它是通信对端（cn） 、家乡代理（ha）和移动节点（mn）在与创 建和管理绑定等有关的消息中需要使用的扩展报头（mobility header） ，如图 2-1 所 示。 0 8 16 24 31 净荷协议 报头长度 报头类型 保留 校验和 消息数据 图 2-1 移动报头格式 第二章 移动 ip 的概述 9 净荷协议：长度为 8 位，表示紧跟移动报头的报头类型，该字段用于进一步的 扩展。 报头长度：8 位无符号整数，表示移动报头的长度，以 8b 为单位（如“报头长 度”值如果为 5，那么整个报头的长度就是 564 位） 。 报头类型：长度为 8 位，表示正在讨论的特定移动消息。 保留：为将来使用而预留的 8 位字段。发送方必须将该字段值初始化为零，接 收方必须忽略该字段。 校验和：16 位无符号整数，该字段包含移动报头的校验和。校验和是从整个移 动报头之前的从净荷协议字段开始的“伪首部” ，以它为基础来计算的。伪首部中所 使用的地址是携带移动报头的 ipv6 数据中出现的源和目的地址。 消息数据：包含对应指定移动报头类型的数据的有效长度字段。 以上这些字段，如果报头类型的字段值不同，那么就表明移动报头为不同类型 的消息，主要包括：绑定更新消息（bu） 、绑定确认消息（back） 、绑定更新请求 消息 （brr） 、 绑定错误消息 （be） 、 家乡测试初始消息 （hoti） 、 家乡测试消息 （hot） 、 转交测试初始消息（coti） 、转交测试消息（cot）等。其中最后面 4 种消息主要用 于移动节点到通信对端的返回路径的可达过程，以确保如下绑定消息的正确。 绑定更新消息（binding update，bu） 该消息主要用于移动节点通知通信对端或家乡代理移动节点当前的绑定情况。 移动节点向移动节点的家乡代理发送绑定更新消息，注册主转交地址。 绑定确认消息（binding acknowledgement，ba） 该消息主要用于确认收到的绑定更新消息。如果绑定更新需要确认，或者是将 绑定更新发送至一个家乡代理，或者是出现错误，那么都需要使用绑定确认（ba） 来确认收到的绑定更新。 绑定更新请求消息（binding refresh request，brr） 通信对端使用绑定更新请求（brr）来请求移动节点与通信对端重新建立绑定。 绑定错误消息（binding error，be） 通信对端使用绑定错误表示关于移动性的错误。例如，如果移动节点向还没有 建立绑定的通信对端发送携带有家乡地址目的选项，通信对端需要向移动节点发送 绑定错误消息以作回复。 2新的目的地选项 移动 ipv6 定义了一个新的目的地选项即家乡地址目的选项，用于实现移动 ip 移动 ipv6 快速切换机制研究及仿真 10 对上层协议的透明以及对输入过滤的支持。 3第二类路由头 第二类路由头，它是移动 ipv6 定义的一个新的路由报头，其格式如图 2-2 所示。 通信对端使用第二类路由头可直接向移动节点的转交地址发送数据包，把移动节点 的转交地址插入在 ipv6 报头的目的地址字段中。当数据包到达移动节点的转交地址 时，移动节点从第二类路由头中找到其家乡地址，作为这个数据包的最终目的地址。 第二类路由头不同于 ipv6 源路由报头，防火墙能够向源路由数据包提供与移动 ipv6 不同的规则。在第二类路由头中只能携带一个 ipv6 地址，所有处理该路由报头 的节点都必须检查携带的地址是否是移动节点的家乡地址，以便决定防止数据包被 转发。 0 8 16 24 31 下一个报头 路由报头长度=2路由类型=2 剩余段=1 保留 家乡地址 图 2-2 第二类路由头格式 4新的 icmp 消息 移动 ipv6 引入了 4 种新的 icmpv6 消息类型：家乡代理地址发现请求（home agent address discovery request） 、家乡代理地址发现应答（home agent address reply） 、移动前缀请求（mobile prefix solicitation）和移动前缀通告（mobile prefix advertisement） 。其中前两种消息是用于动态家乡代理地址发现机制，后两种消息用 于移动节点的网络重编及移动节点的地址配置。 2.3.4 移动 ipv6 的数据结构 在移动节点，家乡代理和通信对端上需要一定的数据结构来保存它们的当前信 息。 （1）绑定缓存（binding cache） 其他节点绑定的缓存。该缓存由家乡代理和通信对端共同维护，缓存中记录了 家乡地址和转交地址之间的关联等信息。 （2）绑定更新列表（binding update list） 该列表由移动节点维护。对于移动节点已经与某些特定节点建立的绑定和正打 算与某些特定节点建立的绑定，以及家乡代理注册和通信对端注册都包含在这个列 第二章 移动 ip 的概述 11 表中。如果绑定生存周期过期，列表中相应的项将会被删除。 （3）家乡代理列表（home agent list） 在家乡代理列表中存储的是家乡代理需要知道的在同一链路上的其他家乡代 理。该列表用于在动态家乡代理地址发现过程中通知移动节点。 2.3.5 移动 ipv6 的工作原理 移动节点无论是连接在家乡链路，还是连接在外地链路，总是想通过家乡地址 寻址。当在家乡链路时，移动节点使用传统的互联网路由机制将发送给家乡地址的 数据包路由到移动节点的家乡链路。当连接在外地链路上时，移动节点可以通过转 交地址寻址。移动节点利用 ipv6 的常规机制，进行地址配置而获取转交地址。只要 移动节点还在原先的位置，向转交地址发送的数据包就可以路由到移动节点。如果 移动节点离开了原先的位置，但仍在先前的外地链路链路时，移动节点就可以从多 个转交地址获取数据包。 下面结合图 2-3，详细介绍移动 ipv6 的工作过程。 图 2-3 移动 ipv6 的工作过程 （1）通过移动检测机制，检测移动节点的移动情况。如果移动节点在家乡链路 上，则使用传统的路由机制进行数据包的收发。如果移动节点移动到外地链路上， 就要使用移动 ipv6 机制进行通信。 （2）当移动节点接入到外地链路上，移动节点根据在外地链路上接收到的路由 器通告报文知道了该外地链路的子网前缀，通过无状态地址自动配置，获得一个转 交地址（coa） 。该转交地址的子网前缀与连结的外地链路的子网前缀是相同的。 （3）移动节点使用主转交地址（primary care of address）向家乡代理（ha）发 ha mn internet mn 本地链路 外地链路 通信对端 1，2 3 4 5 6 7 移动 ipv6 快速切换机制研究及仿真 12 送绑定更新消息（bu）进行注册，家乡代理（ha）接受注册后，在绑定缓存中增加 移动节点的信息，绑定移动节点的家乡地址和转交地址，发送一个含有绑定确认消 息响应，声明自己是移动节点的家乡代理（ha） 。 （4）通信对端 （cn）一开始并不知道移动节点发生移动，所以通信对端（cn） 把向移动节点发送的数据包仍然发给移动节点（mn）的家乡链路，家乡代理（ha） 截获该数据包。 （5）家乡代理（ha）截获数据包后，在绑定缓存中查找，根据移动节点的家 乡地址便找到相应的转交地址，然后把数据包封装，通过隧道将其发给移动节点的 当前主转交地址。 （6）移动节点收到家乡代理（ha）发来的数据包后，由于该数据包是通过家 乡代理（ha）转发来的，通信对端 （cn）并不知道移动节点已经在外地链路上， 所以移动节点必须向通信对端（cn）注册。通信对端在绑定缓存中增加移动节点的 当前信息。 （7）当通信对端（cn）向移动节点发送数据包时，就会检查自己的绑定缓存， 并会查到移动节点当前的转交地址（coa） ，于是通信对端直接发送数据包到移动节 点的转交地址（coa） ，而不再经过家乡代理（ha）转发，这样，就使路由得到优化， 从而解决了移动 ipv4 中的“三角路由”问题。 第三章 移动 ipv6 的切换技术 13 第三章 移动 ipv6 的切换技术 移动 ipv6 使移动节点从一个子网移动到另一个子网，仍保持着正常的通信，此 过程称之为切换（handover） 。移动 ipv6 在切换过程中，由于链路转换时的延迟和 ip 协议的操作，移动节点在一段时间内是无法收发数据包。由于标准移动 ipv6 程序 引起的这种切换延迟对实时应用来讲，是无法承受的；而对于一些非实时、关注吞 吐量的应用来说，减少切换延迟也是有很大作用。因此，研究人员提出了各种切换 技术，以便能够减少切换所引起的连接中断时间，从而提高通信服务质量。 3.1 移动 ipv6 的切换时延分析 3.1.1 移动 ipv6 的切换时延分析 切换时延11：移动节点从离开原接入媒介开始，到新接入媒介中恢复与通信对 端通讯为止的这段时间。 在移动 ipv6 中包含两种类切换：链路层切换和网络层切换。链路层切换是指移 动节点改变链路层连接的过程，如断开与当前接入点的连接，跟新接入点建立连接。 网络层切换是指移动节点从一个子网移动到另一个具有子网前缀的链路后，绑 定更新、重新配置转交地址的过程。当移动节点移动到另一个外地子网时，就会形 成新的转交地址，并向家乡代理发送绑定更新消息进行注册。家乡代理收到消息后 会给移动节点回复绑定应答报文（binding acknowledgement） 。如果移动节点在同一 子网内的两个接入点之间移动，那么只会发生链路层的切换而不会发生网络层的切 换。只有当移动节点在不同的子网之间进行移动时，那么这两类切换才都会发生， 而且链路层切换发生在前，网络层切换发生在后。 对于链路层切换而言，本文不作过多地讨论，因为链路层切换需要依赖一些物 理传输技术，而在网络层中对它们又无法改动。在此，重点讨论有关网络层的切换。 在切换过程中，移动节点（mn）不能收发数据包，这是由于链路层交换时延与 ip 协议操作造成的。标准移动 ipv6 的切换过程大体上可分为三个部分12 13：移动 检测、配置新转交地址（ncoa）及重复地址检测和绑定更新。其中每一部分的操作 都会产生延迟。 移动检测阶断（movement detection，md） ，它表示检测到移动节点从原来的子 网移动到另一个子网所用的时间。 配置新转交地址及重复地址监测（new care-of address & duplication address detection，ncoa & dad） ，表示在一个新的子网中，移动节点得到转交地址并且确 移动 ipv6 快速切换机制研究及仿真 14 认它是唯一的转交地址所用的时间； 绑定更新（binding update，bu） ，表示移动节点向家乡代理和通信对端注册新 转交地址所用的时间。 所以，经分析，标准移动 ipv6 的切换时延就是 t（handover）=t（md）+t（ncoa & dad）+t（bu） 3.1.2 切换时延对移动性能的影响 从移动节点离开家乡链路开始，到向家乡代理和通信对端完成注册的绑定更新， 在这段时间内，家乡代理和通信对端由于不知道移动节点的新转交地址，仍然将数 据包通过隧道发给移动节点原先的转交地址，于是，这些数据包因为无法到达移动 节点而丢失，因此影响了移动的性能14。 于用户数据报协议 udp（user datagram protocol）而言，在切换过程中，udp 数据包丢失，会造成通信中断。 于传输控制协议 tcp （transmission control protocol） 而言， 在有线链路上， tcp 控制通信性能一般都会有这样一种假设：一旦出现数据包的丢失，认为是由网络的 拥塞造成的。tcp 由此进行网络拥塞控制。但在切换过程中，由于数据包无法到达 移动节点以及通信对端收不到来自移动节点的确认，就会产生数据包丢失。这样会 对 tcp 的性能产生两个影响。 （1）在 tcp 中，每个数据包都要求被确认，如果没有收到确认信息，数据包会 被重传。为防止网络拥塞，每次重传失败后，延迟（timeout）将被加倍。由于切换 连续超时，数据包重传之前就会产生很大的时延。在断开连接之后，如果有一个数 据包被正确接受，连接将被激活。因此从注册结束到重传激活，要等待一段时间； 移动 ipv6 中，移动节点可能会快速重传数据包。 （2）当网络底层发生捅塞时，为控制网络捅塞，tcp 将采用慢启动算法及控制 发送窗口的大小。一旦捅塞，tcp 会立即成倍减小窗口。如果切换时间比较长，无 法得到数据确认，tcp 会认为是网络捅塞，窗口会变得很小。即使激活链路，链路 要达到切换前的流量，也需要一段时间。而此时网络可能完全可以承受原来的发送 速率。 通过对移动 ipv6 的切换时延分析，可以看出切换技术研究的重要性。在此，我 们主要介绍当下比较流行的两种关于移动节点的切换方案：移动 ipv6 的快速切换和 层次型