（计算机应用技术专业论文）基于ipv6的移动通信中切换问题的应用研究.pdf

基于ip v 6 的移动通信中切换问题的应用研究 摘要 i p v 6 优势的一个重要表现就是实现了切实的移动性。本课题将对基于i p v 6 的 移动通信环境下通信节点的移动过程进行分析，重点研究一个影响通信性能的瓶颈 问题因为节点的跨区域移动而引起的切换问题。分析了现在i e t f 工作组的草案 文件中关于切换问题所提出的一些管理方案，分别指出不足，提出自己的分析改进 方法，并形成了新的协议，作为对目前现存这些方案的补充。 切换问题是指当通信主机在i p v 6 的网络中移动的过程中，有可能会跨越不同 a r 的管理范围。完美的切换过程是无缝切换，包括快速切换和平滑切换。快速切换 意味着低时间延迟，平滑切换就是低数据丢包率。 在路由器层次的解决方案主要有两个，但这两个方案都可以分别在不同的特定 条件下解决切换宏观层次的切换问题。但都不能适应多样的应用状态( 例如：移动 切换的频率、移动过程活动范围的大小、数据流量的大小等) ，缺乏普遍的适应性。 因此需要综合考虑整体通信的网络代价，找到一个能够适应各种应用状态的总体实 施方案。 本文对路由器层次的切换管理提出了可选择的分层移动管理方案( o i t n i t p ) 。该 方案的主要思想为以网络花费为考察点，在不同的网络环境和应用状态下自主地选 择是否应用m a p 功能。 在节点层次，切换将会导致通信过程中的时间延迟和通信的中断。f a s t t t a n d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6 协议就是针对这个问题提出的初步解决方案。但它也 同样存在n c o a 生成过晚、没有清晰定义切换触发机制，存在多种可能触发信号、算 法健壮性不佳等问题。本文中提出了一个新的改进的切换算法p p f h 协议。p p f t t 协 议可以在第一时问内形成n c o a ，随时为可能发生的切换过程做好准备；统一将数据 链路层事件规定为切换的触发开始事件；在切换的过程中让m n 和a r 并行同时进行， 减少了切换所需要的时间。 【关键词】移动i p ； p v 6 ：切换：链路层切换：网络花费；移动锚节点 t h ed i s s e r t a t i o no fh a n d o v e rp r o b l e mi nm o b i l e c o m m u n i c a t i o nb a s e do i li p v 6 a b s t r a c t i p v 6b o a s t si t ss u p e r i o r i t yo nt h ep r a c t i c a lm o b i l i t y t h i sd i s s e r t a t i o n i sf o c u s i n go nr e s o l v i n gt h eb o t t l e n e c ki nm o b il ei p v 6c o m m u n i c a t i o n ，n a m e l y t h eh a n d o v e rp r o b l e mo fc o m m u n i c a t i o nn o d e sc a u s e db yt h em o v e m e n tf r o mo n e a r e at oa n o t h e r s o m ee x i s t i n gi n t e r n e t d r a f to fi e t fa r e d i s c u s s e d e v a l u a t i o n sa n da m e l i o r a t i v es u g g e s t i o n sa r ea l s og i v e no u t an e wp r o t o c o l i sf o r m u l a t e dt oc o m p l e m e n tt h ec u r r e n ts c h e m e t h eh a n d o v e rp r o b l e mm e a n st h en o d e sm a ys u f f e rf r o mt h em o v e m e n tb e t w e e n d i f f e r e n ta rm a n a g e m e n ta r e a si ni p v 6n e t w o r k a ni d e a lh a n d o v e rp r o c e s si s s u p p o s e dt ob es e a m l e s s ，i n c l u d i n gf a s th a n d o v e r ( h a v i n gs h o r tt i m el a g ) a n d s m o o t hh a n d o v e r ( p o s s e s s i n gl o wd a t ap a c k e t sl o s s ) t w os c h e m e sa r eb r o u g h to u ti nt h er o u t e rl a y e r b o t hs c h e m e sc o u l ds e t t l e t h ep r o b l e mi ns p e c i f i cc o n d i t i o n s ，w h e r e a s ，n e i t h e ro ft h e mh a sau n i v e r s a l a p p l i c a b i l i t y t h e ya r en o tc o m p e t e n tf o rd i v e r s i f i e da p p l i c a t i o n s ( e g d i f f e r e n tm o b il eh a n d o v e rf r e q u e n c i e s ，d i v e r s em o v e m e n ts p a n s ，v a r i o u sd a t a f l u x e se t c ) t h e r e f o r ew ea r et r y i n gt ow o r ko u tam o r ea d a p t i v es o l u t i o n c o m p r e h e n s i v eo ft h et o t a lc o s t so ft h ec o m m u n i c a t i o n r e a d e r sw o u l df i n dan e wp r o t o c o ln a m e do h m m pi nt h e2 ”c h a p t e r t h eo h m m p w i l ld i s c u s st h eo p t i o n st ot h ea p p ii c a t i o no fm a pb a s e do nt h en e t w o r kc o s t s i ng i v e nc i r c u m s t a n c e s t h eh a n d o v e ri nt h en o d el a y e r sc o u i dc a u s ec e r t a i nt i m el a ga n ds o m e d i s c o n t i n u i t yo fc o m m u n i c a t i o n ap r a c t i c a is o l u t i o nt ot h a ti st h ef a s t h a n d o v e r sf o rm o b il el p v 6p r o t o c 0 1 t h ep r o t o c o li n t r o d u c e st h es e p a r a t e h a n d o v e ri nd a t ali n kl a y e ra n dn e t w o r kl a y e r ，r e d u c i n gt h et i m el a ga n dd a t a p a c k e t1 0 s s i nt h isw a yt h ec o n s i s t e n c yo fm n 7 s c a p a b i l i t ya g a i n s tt h e b a n d o v e ri nc o 册u n i c a t i o nc a bb em a i n t a i n e d n e v e r t h e l e s s ， s o m ed e f e c t s s t 订le x i s t ( 1 i k et h el a t e n e s si nn c o ac r e a t i o n s ，t h ei n d e f i n i t ed e f i n i t i o n o ft r i g g e rm e c h a n i s m ，e t c ) r e a d e r sw i l lf i n da ni m p r o v e dh a n d o v e rp r o t o c o lp p f hi nt h e 3 “c h a p t e r p p f hc o u l de n a b l et h ei m p r o v i s a t o r i a lc r e a t i o no fn c o a ，i d e n t i f yt h el i n k 1 a v e re v e n t st ob et h eh a n d o v e rt r i g g e re v e n t s ，c o m p a t i b l et h es i m u l t a n e i t y o fm na n da r ，a n dd e c r e a s et h eh a n d o v e rt i m ea n ds o o n k e yw o r d s ：m o b i l ei p ；i p v 6 ：h a n d o v e r ：l 2h a n d o v e r ；n e t w o r kc o s t ：m a p 独创声明 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。 据我所知，除了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，也不包含未获得 ( 蕉! 垫邀查基丝噩噩壁剔虚盟 的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：弓j 叹南签字日期：枷年r 月谚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：0 收毫导师签字：泵毒与 签字日期：、彳年r 月衫目 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 基于i p v 6 的移动通信中切换问题的应用研究 1 绪论 i p v 6 是“i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n6 ”的缩写，也被称作下一代互联网协 议，它是由i e t f 设计，是用来替代现行互联网中i p v 4 协议的一个新代的i p 协议。 i p v 6 是在1 9 9 2 年由i e t f 推出的。与i p v 4 地址空间匮乏相比，i p v 6 在今天看 来将成为基本的、容易安装的网络层解决方案。由于其设计借鉴吸取了i p v 4 协议过 去2 0 年的经验，i p v 6 的效率较i p v 4 有了显著的提高。 在移动通信成为通信的主流方式和未来发展方向的背景下，如何更好的使通信 技术和i p 技术相结合以及更好的使互联网与通信网相结合，成为了决定未来通信技 术发展的关键因素。通信是否是基于i p v 6 无疑将是解决通信技术与i p 技术结合问 题的关键所在。 1 。1 i p v 4 地址空间的不足和i p v 6 产生的依据 1 1 1i p v 4 地址空间成为互联网技术进一步发展的障碍 互联网协议版本4 ( i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n4 ，i p v 4 ) 基于3 2 比特的地 址方案，理论上能够使整个互联网上有4 0 多亿台主机。然而，这个3 2 比特方案最 初被分成5 个层次的类别，由互联网地址授权委员会( i a n a ) 管理。前3 个类( a 、 b 和c ) 被用来作为全球唯一单播i p 地址，这些类以固定的前缀长度分配给请求者。 前缀长度是由不同的网络掩码标识的，网络掩码是一连串被预设为1 的比特，用来 “掩盖“i p 地址的网络部分。 i p v 4 地址方案受到了其3 2 比特地址长度的限制，这给互联网的未来长期发展 带来了问题。而且，部分i p v 4 地址方案( 如d 类和e 类) 被保留作为特殊用途，这 也减少了可用的全球唯一单播地址的数目。随后，即使互联网迅速发展( 尤其是在 亚洲和欧洲) ，在2 0 世纪8 0 年代非常大的全球唯一单播地址块还是被分配给了一些 组织。而对于亚洲和非洲的一些国家，整个国家只得到了一个c 类地址，原因是他 们到互联网迟了。 基于i p v 6 的移动通信中切换问题的应用研究 全球唯一单播i p v 4 地址的可用数目已经不足以为每一个即将出现的新设备分 配一个不同的i p 地址了。i p 被市场认为是融合不同应用层面( 如数据、语音和音 频) 的公共承载者，然而，除了当前在互联网上互联的计算机，这些新设备也需要 很多i p 地址来互联各种i p 设备仪器。 尽管采用了五类域间路由选择( c i d r ) 和网络地址转换( n a t ) 等机制，全球互 联网中的路由选择表仍然巨大，而且仍然在持续的快速增长。因此，一些研究预计 在2 0 0 5 到2 0 1 1 年间现在的i p v 4 地址空间将会耗尽。这个预计促使互联网工程工作 组( i e t f ) 达成一个共识，即应该在地址空间被耗尽之前设计实现一个新的i p 协议 来替代现行的i p v 4 。 1 1 2i p v 6 适应了互联网未来增长和与通信技术融合的需要 今天互联网的结构基础是t c p i p 协议，其中应用在网络层的协议是i p v 4 。i p v 4 协议已经使用了2 0 多年，在这2 0 多年的应用中，i p v 4 和以之为基础的互联网都获 得了巨大的成功。但同时随着应用范围的扩大，它也面临着越来越不容忽视的危机， 例如地址匮乏、安全性能不佳、不能有效在大范围内支持大数据流量移动通信等。 当前的状况表明未来获得i p 地址会更加困难，因为它们已经变成一种稀有资 源。而互联网和通信行业都在全球范围内不断增长，这些增长和新技术、新业务的 出现和快速发展都需要大量的i p 地址。 临时的和半永久的连接正在被像c a b l e m o d e m x d s l 这样的永久性的连接所取 代。这就要求每一个节点都有一个固定的i p 地址，而不是一个用于一群p p p 用户的 临时地址池。每i p 地址的用户比率从m ：1 变为1 ：1 。无线通信网络正在市场上出 现，8 0 2 1 1 b 设备和移动网络到处布设。然而，在移动过程中无线设备频繁改变物 理地址、接八点和逻辑子网，这就意味着这些设备需要附加的地址池。许多新技术， 如p d a 、无线设备、蜂窝电话、v o i p 和基于i p 应用的视频会议等都需要全球唯一的 单播i p 地址。所有的这些新的应用都加速了i p v 4 地址的需求：i p v 4 地址将被耗尽。 i p v 6 正是为了解决i p v 4 所存在的一些问题和不足而提出的，它在解决了i p v 4 协议现存的许多问题的同时，还在许多方面提出了改进，例如路由算法方面、地址 基于i p v 6 的移动通信中切换问题的应用研究 的自动生成、自动配置方面。经过一个较长的i p v 4 和i p v 6 共存的时期后，i p v 6 最 终会完全取代i p v 4 在互联网上占据统治地位。对比i p v 4 ，i p v 6 有如下的特点，这 些特点也可以称作是i p v 6 的优点：简化的包头和灵活的扩展、层次化的地址结构、 即插即用得连网方式、网络层的认证与加密、服务质量( o o s ) 的满足、：对移动通 信更好的支持等。 对于i p v 6 ，我们不得不改变互联网技术与通信技术相互分离的传统思维方式， 因为i p v 6 协议不仅仅是为基于分组的数据网络( 如当前被广泛使用的i p v 4 互联网) 上的计算机而设计的，i p v 6 将能够应用于所有的广义上的通信设备，如蜂窝设备、 无线设备电话、个人数字助理、电视、广播设备等，而不只限于计算机。 1 2i p v 6 协议中与本课题有关内容的介绍 概述了i p v 4 协议相关的问题后，可以看出i p v 6 为解决这些问题提供了可能。 下面是主要的改进： 1 2 8 比特地址方案，为将来数十年提供了足够的i p 地址。 巨大的地址空间为数十亿新设备，如个人数字助理、蜂窝设备和8 0 2 1 1 系统 等，提供了全球唯一可路由地址。 多等级层次有助于加速路由聚合，提高了互联网的效率和可扩展性。 使具有严格路由聚合的多点接入成为可能。 自动配置过程允许i p v 6 网络中的节点在不同的网络环境中自动地配置生成 它们自己的i p v 6 地址。 重新编址机制使得i p v 6 提供商之间的转换对最终用户是透明的。 a r p 广播被本地链路的多播替代。 i p v 6 的包头比i p v 4 的包头更有效率，数据字段更少，去掉了包头校验和。 流标记字段可以提供流量区分。 新的扩展包头替代了i p v 4 包头的选项字段，并且提供了更多的灵活性。 i p v 6 被设计为比i p v 4 协议能更有效得处理移动性和安全机制。 为i p v 6 设计了许多过渡机制，允许从i p v 4 网络平稳地向i p v 6 网络过渡“。 基于i p v 6 的移动通信中切换问题的应用研究 以下的几个小节中重点考察了这些特点中与本文相关的几个特点。 1 2 1 简化的包头和灵活的扩展 i p v 6 的包头及扩展包头结构如图1 1 所示 i p v 6 包头的格式 图1 1 i p v 6 对数据包头作了简化，去掉了i p v 4 包头中的包头长度、标识、标志、分 段偏移、包头校验和几个字段，以减少处理器开销并节省网络带宽。 i p v 6 的包头由一个基本包头和多个扩展包头( e x t e n s i o nh e a d e r ) 构成，基本包 头具有固定的长度( 4 0 字节) ，放置路由中所有路由器都需要处理的信息。由于互 联网上的绝大部分数据包都只是被路由器简单的转发，因此固定的包头长度有助于 加快路由和转发的速度。i p v 4 的包头有1 2 个域，而i p v 6 的只有8 个域，i p v 4 的包 头长度是由专门的包头长度域来指定的，而i p v 6 的包头是固定4 0 个字节。这就使 得路由器在处理i p v 6 包头时显得更为轻松和快捷。 4 基于i p v 6 的移动通信巾切换问题的应用研究 与此同时，i p v 6 去掉了i p v 4 中可选的选项和填充字段，其功能由扩展包头处 理。定义了多种扩展包头，这使得i p v 6 变得极其灵活，能提供对多种应用的强力支 持，同时又为以后支持新的应用提供了可能。这些包头被放置在i p v 6 包头和上层包 头之间，每一个可以通过独特的“下一包头”域中的值来确认。除了逐个路程段选 项包头( 它携带了在传输路径上每一个节点都必须进行处理的信息) 外，扩展包头 只有在它到达了在i p v 6 的包头中所指定的目标节点时才会得到处理( 当多点播送 时，则是所规定的每一个目标节点) 。在那里，在i p v 6 的下一包头域中所使用的标 准的解码方法调用相应的模块去处理第一个扩展包头( 如果没有扩展报包头则处理 上层包头) 。每一个扩展包头的内容和语义决定了是否去处理下一个包头。因此，扩 展包头必须按照它们在数据包中出现的次序依次处理。一个完整的i p v 6 的实现包括 下面这些扩展包头的实现：逐个路程段选项包头，目的选项包头，路由包头，分段 包头，身份认证包头，有效载荷安全封装包头，最终目的包头“4 儿”1 。 1 2 2 即插即用的连网方式 】p v 6 把自动将i p 地址分配给用户的功能作为标准功能。只要机器一连接上网 络便可自动设定地址。它有两个优点：一是最终用户不用花精力进行地址设定，二是 可以大大减轻网络管理者的负担。i p v 6 有两种自动设定功能。一种是和i p v 4 自动 设定功能一样的名为“全状态自动设定”功能。另一种是“无状态自动设定”功能。 在i p v 4 中，动态主机配置阱议( d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c o l ，d h c p ) 实现了主机i p 地址及其相关配置的自动设置。一个d h c p 服务器拥有一个i p 地址池， 主机从d h c p 服务器租借i p 地址并获得有关的配置信息( 如缺省网关、d n s 服务器 等) ，由此达到自动设置主机i p 地址的目的。i p v 6 继承了i p v 4 的这种自动配置服 务，并将其称为全状态自动配置( s t a t e f u la u t oc o n f i g u r a t i o n ) 。 在无状态自动配置( s t a t e l e s sa u t oc o n f i g u r a t i o n ) 过程中，主机首先通过 将它网卡的m a c 地址附加在链路本地地址前缀1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 之后，产生一个链路本地 单点传送地址。接着主机向该地址发出一个被称为邻居发现( n e i g h b o rd i s c o v e r y ) 的请求，以验证地址的唯一性。如果请求没有得到响应，则表明主机自我设置的链 基于i p v 6 的移动通信中切换问题的应用研究 路本地单点传送地址是唯一的。否则，主机将使用一个随机产生的接口i d 组成一个 新的链路本地单点传送地址。然后，以该地址为源地址，主机向本地链路中所有路 由器多点传送一个被称为路由器请求( r o u t e rs o l i c i t a t i o n ) 的配置信息。路由 器以一个包含一个可聚集全球单点传送地址前缀和其它相关配置信息的路由器公告 响应该请求。主机用它从路由器得到的全球地址前缀加上自己的接口i d ，自动配置 全球地址，然后就可以与互联网中的其它主机通信了。使用无状态自动配置，无需 手动干预就能够改变网络中所有主机的i p 地址。例如，当企业更换了联入互联网的 i s p 时，将从新i s p 处得到一个新的可聚集全球地址前缀。i s p 把这个地址前缀从它 的路由器上传送到企业路由器上。由于企业路由器将周期性地向本地链路中的所有 主机多点传送路由器公告，因此企业网络中所有主机都将通过路由器公告收到新的 地址前缀，此后，它们就会自动产生新的i p 地址并覆盖旧的i p 地址。 使用d h c p v 6 进行地址自动设定，连接于网络的机器需要查询自动设定用的d h c p 服务器才能获得地址及其相关配置。可是，在家庭网络中，通常没有d h c p 服务器， 此外在移动环境中往往是临时建立的网络，在这两种情况下，当然使用无状态自动 设定方法为宜。 1 3 基于i p v 6 的移动通信中切换问题的产生及目前研究进展 1 3 1 i p v 6 在移动通信领域内具有广阔的应用前景 i p v 6 是下一版本的互联网协议。它的提出最初的目的是为了扩大地址空间，拟 通过i p v 6 重新定义地址空间。i p v 6 采用的1 2 8 位地址长度，几乎可以不受限制地 提供有效的全球单播可路由的i p 地址。据估算，l p v 6 实际可分配的空间可使整个 地球每平方米面积上分配1 0 0 0 多个i p 地址。在i p v 6 的设计过程中，除了一劳永逸 地解决了地址短缺问题以外，更重要的是还兼顾了在i p v 4 中解决不好的其它问题， 主要包括有：点到点的i p 连接问题、服务质量( q o s ) 问题、安全性问题、多播问 题、移动性问题、即插即用问题等，并成为这些问题的一个良好的解决方案。i p v 6 提供的巨大地址空间、目的选项包头、路由包头等功能使全球范围内的无缝数据移 动通信从实践意义上真正成为可能。为使i p v 6 能够对移动通信进彳亍更好支持而进行 基于i p v 6 的移动通信巾切换问题的应用研究 了大量的相关技术研发工作，形成了大量的i e t f 草案文件和r f c 文档，相关协议的 集合形成了m o b i l ei p v 6 ( m i p v 6 ) 。 未来的通信技术中，移动性是一个非常需要和重要的特性。目前，新的第二层 无线通信技术层出不穷，如8 0 2 1 l b 和3 g 等。未来移动通信与互联网的结合将是网 络发展的大趋势之一。移动互联网将成为我们日常生活的一部分，改变我们生活的 方方面面。权威机构预计，到2 0 0 8 年，全球将有1 4 亿移动电话用户，其中1 0 亿为 移动互联网用户。移动互联网不仅仅是移动接入互联网，它还提供一系列以移动性 为核心的多种增值业务：查询本地化设计信息、远程控制工具、无限互动游戏、购 物付款等。这些设备将具有i p 协议栈，而且，网络提供商将基于i p v 6 构建i p 核心 骨干网，因此i p v 6 的移动性是网络发展所必需的。 此外，i p v 6 在支持“永远在线”连接、防止服务中断以及提高网络性能方面具 有着i p v 4 无可比拟的优势，而更好的网络和服务质量提高了客户的期望值和满意 度，增强了企业的竞争力。对于用户而言，优秀的网络通信质量和良好的网络性能 在丰富内容应用方面无疑具有更大的优势”们“。 与i p v 4 相比较，i p v 6 优势的一个重要表现就是实现了切实的移动性。移动i p v 6 ( m i p v 6 ) 在新功能和新服务方面可以提供更大的灵活性。每个移动设备配置有一个 固定的家乡地址( h o m ea d d r e s s ) ，这个地址与设备当前接入互联网的位置无关。当 设备在家乡以外的网络中使用时，通过一个转交地址( c a r eo fa d d r e s s ) 来提供移 动节点当前的位置信息以使移动节点能够继续保持通信。从这个角度讲，现有的i p 地址容量远远满足不了用户的需求，因而在移动通信领域率先采纳i p v 6 就成为3 g 能否最终起飞并在大范围内扩展的基础。 在网络层移动i p 协议假定通信节点的i p 地址唯一标识节点与网络的连接点。 在改变数据链路层的接入点并且断开当前连接而不改变i p 地址后，一个移动节点必 须能够保持与其他节点的正常通信。移动i p 协议使节点从可以一个i p 网络移动到 另一个i p 网络。 i p v 4 和i p v 6 都有移动i p 。然而，对于i p v 6 ，移动性是协议内置的而不像i p v 4 那样是一个附加的可选功能。移动i p v 6 成为i p v 6 协议不可分割的一部分。这意味 基于i p v 6 的移动通信中切换问题的应用研究 着任何i p 6 节点在需要的时候都能够使用移动i p 。移动i p v 6 使用下列i p v 6 扩展包 头：路由选择扩展包头、目的选项扩展包头等，用于在移动节点和通信节点间传输 数据包。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，所以提供了比移动i p v 4 更多的、更好的性能o 4 。 目前移动通信正在试图从基于电路交换，单纯提供语音服务的服务模式向基于 i p 的，提供数据、语音、视频等多种服务类型的模式转变。3 g 是移动通信发展的必 然方向，3 g 的主要特点就是实现移动通信和互联网在i p 基础上的全面融合。要实 现3 g 应用所要求的移动终端随时随地在线，就必须为每一个移动终端配备一个全球 唯一单播可路由的i p 地址，而这样的需求是现有的i p v 4 远远无法满足的。i p v 6 与 移动通信的结合将开拓一个全新的领域移动互联网。无线移动通信将成为i p v 6 的第一个“杀手级应用”。 现在3 g 标准化组织3 g p p 已经决定以i p v 6 为基础构筑下一代移动通信网络，这 大大激发了移动厂商的研发热情。如果说3 g 的发展推动了i p v 6 的发展和标准化， 那么i p v 6 协议的诸多优越特性则为3 g 网络的全面应用提供了广阔的前景。i p v 6 庞 大的地址空间、对移动性的良好支持、服务质量保证机制、安全性和地址自动分配 机制等优越特性很好地满足了3 g 网络的需求，它将是实现3 g 移动通信的根本所在。 1 3 2 基于i p v 6 的移动通信中切换问题的产生 基于i p v 6 的移动通信中的切换问题是指当通信主机在i p v 6 的网络中移动的过 程中，有可能会跨越不同a p 的覆盖范围甚至不同a r 的管理范围，这种跨区域的切 换过程对于移动通信方式是必须的，在切换过程中通信性能的保持对于整体移动通 信过程中通信性能有重大的影响1 9 m 。 1 3 3 目前关于跨区域切换问题的一些研究进展 移动i p v 6 工作组无论在路由器层次还是在节点的层次，都已经有了一些针对切 换问题的草案文件。 完美的切换过程是无缝切换，包括快速切换和平滑切换。快速切换意味着低时 基于i p v 6 的移动通信中切换问题的应用研究 间延迟，而平滑切换就是低的数据包丢失率。快速切换是一种切换操作，它减小或 者消除了移动节点建立新的通信路径的延迟。平滑切换则是减小了数据包的丢失率。 而无缝切换是两者的结合，即低延迟和低丢包率。 切换过程可以根据控制分类，切换可以分为两种：网络控制和移动通信节点控 制。在网络控制的切换中，服务域中的网络元素决定移动节点的连接点，某个实体 指导建立与移动节点的连接。在移动节点控制的切换中，移动节点决定新的连接点， 并且在新连接点建立连接2 1 4 1 。 现在，一些互联网工作组的草案文件介绍了多个不同的切换方法。 d r a f t i e t f m i p s h o p - f a s t m i p v 6 一叭t x t 是关于快速切换，包括预测移动节点的移 动，并且发送数据包的多个副本到移动节点可能移动的地方。这个草案中对普通和 分层的移动i p v 6 模式都考虑到了”1 。d r a f t i e t f m i p s h o p h m i p v 6 一叭t x t 中分层 移动i p v 6 的移动性管理模型已经对移动i p 的切换进行了改善，其中提供了移动锚 节点( m a p ) 的功能。为了得到快速切换，对现有分层模型操作还有其他的补充”1 。 当移动节点从一个链路切换到另一个链路时，需要尽快得到新的转交地址，这 样才能发送和接收数据包。d r a f t i e t f m i p s h o p f a s t m i p v 6 一0 1 t x t 提出一种方法 减少获得新转交地址的延迟，这样移动节点能很快重新传输数据包，并且还减小了 发送数据包到移动节点的延迟，如果切换是网络控制的，这中间要通知移动代理和 通信节点。这个草案要求有一个网络实体指导移动节点从一个访问路由器切换到另 一个，并且假设这个实体知道这些路由器的i p 地址和网络前缀。 对于平滑切换，d r a f t i e t f m i p s h o p f a s t m i p v 6 一0 1 t x t 给出了对移动i p v 6 的扩展，在切换时通过附加控制结构传输必要的状态信息，这样在切换时，运行在 移动节点上的应用程序能保持较低的延迟、最小的中断和减小的数据包丢包率。 而且，当移动节点在同一个访问域内移动时，移动i p v 6 区域注册 d r a f t i e t f m i p s h o p h m i p v 6 0 1t x t 减小了绑定更新信令延迟和信令负载。延迟的 减小是通过将绑定更新限制在本地，而信令负载的减小是因为采用了区域感知路由 器地址作为代理转交地址或者区域转交地址。区域注册可以采用区域感知路由器的 地址，在相关路由器上为移动节点生成宿主路由器，支持任意的层次拓扑结构，不 基于i p v 6 的移动通信中切换问题的应用研究 需要知道从其他域移动过来的移动节点的其他信息，并且指定了转发数据包的最佳 方法，与平滑快速切换相兼容。 要在移动网络中支持实时应用程序如v o l p ，需要考虑的一个重要问题就是平滑 切换的能力。当移动节点在网络链路中移动时，平滑切换能最小化数据包丢失率。 定义了移动i p v 6 的种缓存机制，移动节点要求当前子网的路由器缓存它的数据 包，直到移动节点完成向新子网内路由器的注册过程。一旦注册完成，移动节点在 新网络中就有了合法的转交地址，缓存的数据包从先前的路由器转发过来，这样， 减少了移动过程中的数据包丢失的可能性。 当网络带宽有限时，如无线蜂窝网络，可以压缩i p 包头和传输包头，来更好的 利用可用的带宽。当在切换时采用包头压缩时，包头压缩上下文需要从一个i p 访问 点( 如路由器) 重新定位到另一个i p 访问点，这样才能完成平滑操作。r f c 2 4 6 0 提 出了一种机制，采用i p v 6 和移动i p v 6 来获得这种压缩上下文的重新定位。 1 3 4 关于切换问题目前研究存在的问题 总结前人研究成果，虽然国内外的专家学者在移动i p v 6 领域内进行了大量的有 益的尝试，并取得了一系列的成果，提出了不少的草案文件，但仍有一些不足之处： 因为移动i p v 6 还没有进入大规模商用阶段，所以现在的多数成果更倾向于方向 性的理论层面，很少结合可能存在应用状态对方案的细节进行完善； 现在在路由器层次的两类方案可以分别在不同的特定条件下实现最优化，但不 能作为总体上的实施方案，需要找到一个总体上能够适应各种应用状态的方案： 在节点层次的切换算法问题上，现有的f a s th a n d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6 算法 在新转交地址的提前形成、切换的触发时机、切换过程中路由器和节点并行切换等 问题上仍然存在改进的空间，通过对算法的改进可以使切换过程更加稳定快速平滑， 实现无缝切换。 1 4 本课题的解决思路和研究任务 在路由器层次的解决方案可以分为两类：一类即标准的移动i p v 6 ，在其中没有 针对特定应用对切换过程而进行的改进：另一类是h m i p v 6 在移动i p v 6 的基础上引 基于i p v 6 的移动通信中切换问题的应用研究 入了移动锚节点( m a p ) ，其功能类似于i p v 4 中的外地代理概念，对整个由路由器组 成的网络划分成多个不同的服务区域，每个区域由一个m a p 来管理并作为移动节点 在外地链路上的代理。 这两类方案都可以初步解决切换宏观层次的切换问题。存在缺点是都没有考虑 到在具体应用下，会产生不同效率。都不能适应多样的应用状态，缺乏普遍适应性。 移动i p v 6 本身提供了节点层次的切换过程，但是在某些情况下不适合支持实时 应用程序，其信令交换过程存在优化的空间。所以，在移动i p v 6 给出的基本切换过 程外，本课题将对移动i p v 6 中的信令过程进行优化。 本课题将对基于i p v 6 的移动通信环境下通信节点的移动过程进行分析，重点研 究因为节点的跨区域( 跨路由器) 移动而引起的切换问题。最终将从路由器和节点 两个层次提出基于 p v 6 的切换算法。首先将在微观层次实现节点的快速、平滑和无 缝切换。避免了因节点的快速移动而造成通信连接的中断，真正实现通信节点的无 缝切换，其次将在宏观层次对切换时的通信特性和网络环境进行分析，试图减少网 络花费，从而使得因为节点移动造成的切换进而对通信性能的影响降至最低。 1 。5 本文的内容 本文将在i p v 6 、互联网技术以及移动通信技术迅猛发展并相互融合的背景下， 对基于i p v 6 的移动通信技术进行研究。本文将重点分析基于i p v 6 的移动通信过程 中跨路由器切换问题。将在现有i e t f 工作组草案文件研究成果基础上，对现存几个 切换算法进行分析改进，找到最佳解决方案，期望能够改善移动通信节点在切换过 程中的通信性能，使基于i p v 6 的移动通信网络整体通信效率在切换过程中不下降。 本文的第二章将从宏观层次对基于i p v 6 的移动通信中的切换问题进行研究。分 析现有的两个协议( m i p v 6 和i i m 【p v 6 ) ，找出各自的优点和不足，相互结合，提出最 优的解决方案，并通过仿真实验对三个协议进行对比。 第三章将从微观层次对基于i p v 6 的移动通信中的切换问题进行研究。分析f h m i 西议，找出不足，提出改进的方法，并通过仿真实验验证协议的性能。 第四章总结本文并展望技术的应用前景。 基于i p v 6 的移动通信中切换问题的应用研究 2 宏观层次的切换问题 在本章中，将在宏观层次分析现存的两个切换算法( m i p v 6 以及h m i p v 6 ) ，找到 他们的不足，提出新的切换算法，并在设定的应用环境中模拟这三个切换算法，对 其性能进行对比。 基于i p v 6 的移动通信中宏观层次的切换问题，讨论的是当三层切换过程发生的 时候，负责管理移动通信节点的路由器一路由器之间所发生的信令交换等一系列问 题。如图2 1 所示，本章讨论的问题限于虚线矩形框之内，不涉及m n 与a r 之间的 信令交换。 图2 1 1 i i i i i i j 2 1m i p v 6 简述及所存在问题的分析 m i p v 6 ( 移动i p v 6 ) 协议是为了解决移动通信节点在移动的过程中能够保持通 信的正常进行问题而设计的。 基于i p v 6 的移动通信巾切换问题的应用研究 m i p v 6 协议允许当节点在一个i p v 6 网络中移动的过程中，无论物理上处于网络 的什么位置，总是可以通过它的家乡地址( h a d d r ) 来唯一的辨别它而且能与它通信， 并可以保持通信的持续不间断。当节点处于外地网络的时候，通过家乡地址和转交 地址( c o a ) 的绑定来实现数据包的转交。 当通信节点移动到外地链路的时候，为了能够继续与其它节点通信，此节点需 要获得一个可以被外地链路正确路由的i p 地址，所以每次当节点移动了自己的物理 位置，它的i p 地址都将改变。但i p 层地址改变的同时，高层协议的连接也将因此 不能继续维持，被迫中断。 在m i p v 6 中定义了移动主机( m n ) 、家乡代理( h a ) 、家乡地址( h a d d r ) 、转交 地址( c o a ) 等一系列通信实体。对m n 在移动过程中不间断通信的支持就是通过这 些实体之间的相互通信、相互绑定和相互作用来实现的。 在m i p v 6 中，可以为移动通信节点( m o b il en o d e ，m n ) 分配两个i p v 6 地址， 一个为节点在家乡网络的管理路由器( h o m ea g e n t ，h a ) 中固定注册拥有的i p v 6 地 址，称为家乡地址( h o m ea d d r e s s ，h a d d r ) ；另一个为节点在外地网络的管理路由器 中l 临时注册并与家乡地址绑定在一起的转交地址( c a r eo fa d d r e s s ，c o a ) 。 m i p v 6 协议允许节点在个i p v 6 网络中移动过程中，无论物理位置处于何处都 可以保持通信的不问断。节点无论处于什么位置总是可以通过它的家乡地址( h a d d r ) 来辨别并能与它通信。当节点处于外地网络的时候，通过家乡地址和转交地址( c o a ) 的绑定来实现数据包的转交。 当m n 在家乡网络内时，h a d d r 与c o a 为同一个地址。路由按照普通的i p 层路 由方式进行，数据包可以正常的按照家乡地址被路由到节点，不需要任何特殊处理。 当m n 移动到外地网络时，m n 仍然是也必然需要是可寻址的。在外地网络的寻 址是通过转交地址( c o a ) 实现的。c o a 通过i p v 6 的有状态或无状态自动配置机制， 从外地网络的a r 处得到的一个在外地网络注册的临时i p 地址，这个地址拥有外地 网络的网络前缀。 m n 的家乡地址和转交地址之间的关系是通过绑定( b i n d i n g ) 的机制来建立的。 当m n 在外地网络得到c o a 之后，m n 将向将向家乡代理( h a ) 发送绑定请求，在c o a 和家乡地址在m n 的条目下建立关联关系。 基于i p v 6 的移动通信中切换问题的应用研究 当有通信节点( c n ) 向m n 发送数据包时，h a 将起到删的家乡代理的功能。h a 得到数据包后，如果m n 在家乡网络，则数据包被路由到m n 的家乡网络并被m n 接收； 若m n 已经移动到外部网络，则h a 将截获数据包，并将利用数据隧道技术将数据包 转发往m n 在家乡代理中所注册的转交地址，由最终的通信目的节点心接收。 为解决因h a 通过建立数据隧道转发数据包而引起的三角路由问题，以及因三角 路由问题而引起的网络资源浪费、安全性被破坏、效率降低等问题，还可以通过m n 或h a 向c n 发送绑定更新消息，更新在c n 中的相应注册信息的方式实现路由优化。 根据