（计算机应用技术专业论文）基于mipv6的跨层移动性管理研究.pdf

南京jsl ! l 大学顾l ：研究生学位论文摘要 摘要 移动性管理为移动目标提供了通信的连续性支持，是下一代网络功能中的重要组成部 分，其切换性能是影响用户通信服务质量的重要因素。 m i p v 6 是网络层上提出的移动性管理方案，但其切换性能不能满足实时性业务的服务 质量要求。移动i p v 6 快速切换是基于m i p v 6 、采用跨层设计减少切换时延的种优化方案， 其切换性能的优劣取决于实际切换中所采用的切换模式。 本文首先介绍了移动性管理与跨层设计的相关概念，对m i p v 6 协议及基于m i p v 6 的 快速切换方案的相关技术进行分析，得出快速切换的性能及切换模式受预测时问影响的结 论。在此基础上，提出了一种基于m i p v 6 的跨层移动性管理方案：提前配置路由器辅助 移动i p v 6 快速切换方案( a c r a f m i p v 6 ) 。该方案采用提前配置及路由器辅助的方法， 简化预测时间内的快速切换操作。通过减少这部分操作的时间开销来增大预先式切换发生 的可能性，并采用双播的方法减少因预测时间过大而带来的附加切换时延。方案同时提出 一种准预先切换模式，即通过接入路由器的识别来避免重复的地址验证过程，减少多余信 令的传递，达到提高切换性能的目的。 本文采用n s 2 仿真软件，在l i n u x 操作系统下搭建了仿真实验平台。分别对m i p v 6 、 f m i p v 6 及a c r a f m i p v 6 的切换性能进行仿真。通过分析仿真结果，验证了本文所提方 案的切换性能优于m i p v 6 和f m i p v 6 的切换性能。最后，在l i n u x 操作系统中实现了论文 提出的a c r a f m i p v 6 方案的原型系统，验证了该方案的可行性。 关键词：移动i p v 6 ，跨层设计，快速切换，预测时问 南京t l l gr 1 1 人学硕j ：研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m o b i l i t ym a n a g e m e n tp r o v i d e sm o v i n gt a r g e tw i t hc o m m u n i c a t i o nc o n t i n u i t y ，w h i c hi s a k e yf e a t u r eo ft h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k i t sh a n d o v e rp e r f o r m a n c ei s t h em a i nf a c t o r i n f l u e n c i n gt h eq o so fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s m i p v 6i sas o l u t i o nt om o b i l i t ym a n a g e m e n to nn e t w o r kl a y e r ，b u ti t sp e r f o r m a n c ec a nn o t m e e tt h eq o sr e q u i r e m e n t sf o rr e a l - t i m ea p p l i c a t i o n s f m i p v 6i sa no p t i m i z a t i o np r o g r a mb a s e d o nm i p v 6 ，w h i c hr e d u c e st h eh a n d o v e rd e l a yb yu s i n gc r o s s l a y e rd e s i g n ，b u ti t sh a n d o v e r p e r f o r m a n c ed e p e n d so nt h ea c t u r a lh a n d o v e rm o d e t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h er e l a t e dc o n c e p t so fm o b i l i t ym a n a g e m e n ta n dc r o s s - l a y e r d e s i g n ，a n da n a l y s e st h em i p v 6p r o t o c o la n df a s th a n d o v e rp r o g r a mb a s e do nm i p v 6 ，t h e n m a k e st h ec o n c l u s i o nt h a tp r e d i c t i o nt i m ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nf a s th a n d o v e rp e r f o r m a n c e a n dh a n d o v e rm o d e o nt h i sb a s i s ，am i p v 6 一b a s e dc r o s s l a y e rm o b i l i t ym a n a g e m e n ts c h e m ei s p r o p o s e d ，w h i c hi sn a m e d ：a c r a - f m i p v 6 t h es c h e m ee m p l o y sa d v a n c e m e n tc o n f i g u r a t i o n a n dr o u t e r a s s i s t e dm e t h o d s ，s i m p l i f y st h ef a s t h a n d o v e ro p e r a t i o ni n p r e d i c t i o n t i m e t h e p o s s i b i l i t yo fp r e h a n d o v e rm o d ew i l lb ei n c r e a s e db yd e c r e a s i n gt h et i m ef o rt h eo p e r a t i o n m e a n w h i l ei tr e d u c e st h ea d d i t i o n a lh a n d o v e rd e l a yb yu s i n gb i - c a s t i n gm e t h o d sw h e nt h e p r e d i c t i o nt i m ei st o ol o n g t h ep r o g r a ma l s op u t sf o r w a r daq u a s i p r e h a n d o v e rm o d e ，w h i c h r e f e r st o u s i n gt h ei n t e l l i g e n t i d e n t i f i c a t i o no fa c c e s sr o u t e rt oa v o i dd u p l i c a t ea d d r e s s v e r i f i c a t i o n p r o c e s sa n dr e d u c e t h et r a n s m i s s i o no fr e d u n d a n ts i g n a l st o i m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fh a n d o v e r i nt h i sp a p e r ，w em a k e su s eo fn s 2s o f t w a r ei nt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e mt ob u i l da s i m u l a t i o np l a t f o r m i nt h i ss i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h eh a n d o v e rp e r f o r m a n c e so fm i p v 6 ，f m i p v 6 a n dt h ea c r a f m i p v 6a r ep e r s p e c t i v e l yt e s t e d t h ea n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e s t h a tt h eh a n d o v e rp e r f o r m a n c eo ft h ea c - r a f m i p v 6i sb e t t e rt h a nt h a to fm i p v 6a n df m i p v 6 f i n a l l y ，t h ea c r a f m i p v 6p r o g r a mi si m p l e m e n t e di nl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，a n d t h e f e a s i b i l i t yo ft h ep r o g r a mi sc o n f i r m e d k e y w o r d s ：m o b i l ei p v 6 ，c r o s s l a y e rd e s i g n ，f a s th a n d o v e r ，p r e d i c t i o nt i m e 南京邮电火学硕二 ：研究生学位论文 缩略语 缩略语 英文缩写英文全称中文全称 a c r a a d v a n c e d c o n f i g u r a t i o nr o u t e r - a s s i s t e d提前配置路由器辅助 心a c c e s sp o i n t 接入点 a ra c c e s sr o u t e r 接入路由器 c n c o r r e s p o n d e n tn o d e 通信对端 d a d d u p l i c a t e da d d r e s sd e t e c t i o n 重复地址检测 f b uf a s tb i n d i n gu p d a t e快速绑定更新 f b a c kf a s tb i n d i n ga c k n o w l e d g e m e n t快速绑定确认 f m i p v 6m o b i l ei p v 6f a s th a n d o v e r s 移动i p v 6 快速切换 h ah o m ea g e n t 家乡代理 h ih a n d o v e ri n i t i a t e 切换初始 h a c kh a n d o v e ra c k n o w l e d g e m e n t 切换确认 m i p v 6m o b i l ei p v 6移动i p v 6 附m o b i l en o d e 移动节点 n a a c k n e i g h b o ra d v e r t i s e m e n ta c k n o w l e d g m e n t 邻居通告确认 n a rn e wa c c e s sr o u t e r 新接入路由器 n c o an e wc a r e o fa d d r e s s 新转交地址 p a rp r e v i o u sa c c e s sr o u t e r 旧接入路由器 p c o ap r e v i o u sc a r e - o f a d d r e s s 旧转交地址 p r r t a d v p r o x yr o u t e ra d v e r t i s e m e n t 代理路由器通告 r ar o u t e ra d v e r t i s e m e n t路由器通告 r t s o l p rr o u t e rs o l i c i t a t i o nf o rp r o x y 路由器请求代理 u n au n s o l i c i t e dn e i g h b o ra d v e r t i s e m e n t非请求邻居通告 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及所 取得的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得南京邮电大 学或其它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 在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：至重圣日期：竺i 生竺：因 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所 送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。本人电子文档的内容和纸制论文的内容相一致。除在保密期内的保 密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部 分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 乏豢 导师签名：翟鬃迢日期：竺整竺生：! a 南京邮电大学硕：l 研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着无线接入技术的日渐成熟、移动i n t e r n e t 业务的丰富及移动终端的普及，国内外 研究机构对移动性管理的性能优化日益重视。如何在下一代全i p 网络中实施可靠有效的移 动性管理是当前网络技术研究的一个重点。目前，在t c p i p 协议栈中的链路层、网络层、 传输层及应用层【l 】上，已提出多种基于单层协议的移动性管理方案2 】【3 】，但单层协议所提供 的移动性管理的脾1 2 r _ 厶匕月r , 仍不能满足用户对业务服务质量的要求 4 】。 跨层设计是一种网络协议的设计思想 5 】o 通过跨层设计，网络各层能够以传统层间接 口以外的方式进行通信。协议栈各层之间通过共享信息，以全局的方式适应网络条件的改 变，实现根据系统的约束条件和网络特征而进行的综合优化【6 】。将跨层设计引入到移动性 管理方案的设计中【_ 7 1 ，一方面表现为将多个单层移动性管理机制结合起来，实现各层移动 性管理机制在功能上的互补【8 j ，另一方面，利用底层协议能够直接感知链路变化的特点， 以及上层协议能够对业务类型及服务质量进行感知的功能，通过跨层消息为移动检测、切 换判决及切换执行提供更灵活有效的支持【9 】。 i p v 6 是下一代网络的基础协议，具有广阔的发展前景。m i p v 6 t l o 】是i p v 6 中实现移动性 管理功能的子协议。该协议提供了完整的移动性支持，并具有屏蔽下层网络差异及对上层 协议透明的特点。但m i p v 6 的切换时延过大，不能满足实时业务的服务质量要求【l 。将跨 层设计应用到基于m i p v 6 的移动性管理方案的设计中，既可以保留网络层兼容性的特点， 又能够利用跨层设计的灵活性从功能及性能上对网络层提供的移动性管理进行优化。 基于m i p v 6 的跨层移动性管理机制分为两类，一类是利用m i p v 6 与其他移动性管理 方案在功能上的互补性，通过跨层消息实现多层协议联合的跨层移动性方案。如结合m i p v 6 与应用层的会话初始协议( s i p ) 1 2 】【1 3 1 实现全业务的移动性支持；将m i p v 6 提供的位置管 理功能与移动会话控制传输协议( m s c t p ) 实现的软切换 1 4 】结合起来，实现全面的移动性 管理等方案。 、 另一类是利用跨层通信，将切换相关的二层链路信息应用于m i p v 6 的切换管理中 f 15 】【l6 1 ，通过优化移动检测以及结合移动预测，改变链路层与网络层切换之蒯的执行顺序以 减少切换时延，实现移动性管理中切换性能的优化。文献 1 7 中，在移动节点完成m i p v 6 中的绑定更新之前，通过二层链路触发，在新旧两个接入路由器之间建立隧道来对数据包 提前进行转发，从而减少切换的时延及丢包，优化切换性能。文献 1 8 】中提出，采用二层 链路层事件触发，及网络层协议驱动链路层提自仃切换的方法，实现快速切换机制。 f m i p v 6 ( 1 9 】【2 0 】 2 j 1 是该类方案中的一个代表性协议，该协议将移动预测及隧道转发结合起来， 1 南京邮i 乜大学颂- i ：自j f ，生学位论文第一章绪论 通过减少切换时延来实现切换性能的优化。但该方案的切换性能与实际切换过程中的切换 模式2 2 1 直接相关，取决于网络环境的变化及移动目标的移动速度等随机因素，切换性能不 稳定。 1 2 研究目的 基于m i p v 6 的快速切换是采用跨层设计的方法实现减少切换时延、提高切换性能的一 种优化方案，但该方案下的切换性能不稳定，取决于具体的切换模式。本文在分析现有的 基于m i p v 6 的移动性管理及快速切换的基础上，采用跨层设计的思想，提出一种基于m i p v 6 的跨层移动性管理方案。该方案能在m i p v 6 快速切换的基础上减少切换时延，实现切换性 能的优化。 1 3 论文架构 本文的内容架构如下。 第一章绪论：介绍移动性管理机制及跨层设计的研究背景及现状，对本论文的研究目 的进行说明。 第二章移动性管理技术：介绍移动性管理与跨层设计的基本技术，以及跨层移动性 管理的相关研究。 第三章基于m i p v 6 的快速切换技术：介绍m i p v 6 及快速切换技术，阐述了快速切换 与跨层设计的关系，同时介绍了基于m i p v 6 的快速切换的研究现状。 第四章基于m i p v 6 的跨层移动性管理方案设计：提出了一种新的基于m i p v 6 的跨层 移动性管理方案：a c r a f m i p v 6 。从设计思路、切换流程等方面对该方案进行了介绍， 分析并比较了m i p v 6 、f m i p v 6 以及本文所提方案在切换时延方面的性能表现。 第五章系统仿真实验：介绍仿真工具及仿真平台的搭建，阐述仿真的目的及场景， 对m i p v 6 、f m i p v 6 及a c r a f m i p v 6 进行性能仿真，并对仿真结果进行分析。通过对仿 真结果的分析比较，验证了本文所提出的方案具有比m i p v 6 以及f m i p v 6 更好的切换性能。 第六章原型系统实现：介绍原型系统的设计框架、实现及原型系统的测试。 第七章总结与展望：总结本论文并讨论未来可研究的主题。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动性管理技术 第二章移动性管理技术 2 1 移动性管理概念 移动性管理为网络覆盖范围内的移动目标提供持续通信服务的能力，是网络功能中不 可缺少的部分，主要通过已有的通信协议及其功能扩展实现。 2 1 1 移动性管理的基本功能 用户、终端或网络移动导致的物理位置变化，或由接入技术、无线信号的变化而引起 的接入点的变化，通常会触发移动性管理中相关操作来实现移动性支持。移动性管理分为 两个部分：位置管理与切换管理。 位置管理是对移动目标的位置进行登记、跟踪、查找及更新，以使得呼叫到来时网络 能够准确定位到移动目标。位置管理一般都需要除通信双方以外、公共的第三方来提供实 现的支持。切换可以看作是会话连续性的一种特殊情况，其中出现的会话中止或数据丢失 在某个阈值之下，以维护接入点改变时实时业务的连续性。切换管理功能可以通过第三方 来实现，也可以直接通过端到端的方式来实现。 2 1 2 移动性管理的衡量标准 移动性管理的性能主要从位置管理及切换管理两个方面进行衡量。在位置管理中，位 置查找的效率与位置更新的开销之间存在一定的矛盾：要实现高效率、高可靠性的位置查 找，需要较高的位置更新频率及较大的位置更新开销；而降低位置更新频率，可以减小位 置更新的开销，但同时也造成了位置查找的效率及性能的降低。协调位置更新及位置查找 在性能及开销上的平衡，才能实现位置管理的总体优化。 切换管理的目标是维护当前通信的连续性，减小因移动造成的对当前通信连接的影 响。主要从通信中断时间及丢包两个方面对切换性能进行衡量。此外还需要考虑切换管理 的开销，如传输切换管理消息对信道负载的影响，及对切换管理消息的处理开销等。 在移动性管理机制的实现方面，主要关注移动性管理对现有网络结构及协议栈造成的 影响，包括是否屏蔽下层网络的差异，是否需要对当自仃的网络结构进行扩展，是否对其它 协议保持透明，以及是否需要与其它协议进行协作等方面。 2 2 基于单层协议的移动性管理 在端到端的通信会话过程中，通信双方及接入点的标识关联是对当前通信信道的一种 标识。移动目标在网络中的移动，会导致移动节点与无线网络的接入点、物理信道甚至i p 地址发生改变，对通信的连续性带来影响。 3 南京邮电人学硕l 研究生学位论文第二章移动性管理技术 目前，在传统的分层协议模型的多个层次协议上，已提出了多种基于单层协议的移动 性管理机制。 1 、链路层移动性管理 链路层移动性管理为移动终端在同一i p 网段内的移动提供通信连续性的支持。链路层 的移动性管理主要包括无线个域网( w p a n ) 、无线局域网( w l a n ) 、无线城域网( w m a n ) 及蜂窝移动通信系统中无线接入部分的移动性支持功能 2 3 1 。 链路层的移动性管理机制的优点是：可直接感知信道和链路的变化，实现快速的切换 操作。缺点是：作为基于底层技术的管理机制，不能感知i p 地址的变化，从而不能提供上 层移动性支持。另外，由于不同的链路层技术提供不同的二层切换机制，因而也不具备通 用性，尤其是在不同物理网络间发生移动时，需要网络层或网络层以上协议提供相关的移 动性支持。 2 、网络层移动性管理 移动i p 协议是i e t f 提出的支持主机移动性的网络层解决方案。当终端设备在不同子 网间移动、i p 地址发生改变时，移动i p 通过地址绑定及重路由的方法，维护移动终端与 网络的连接，避免通信中断。目前，移动i p 协议有m i p v 4 和m i p v 6 1 0 1 两个版本。 网络层位于协议栈的中部，在此处实现移动性管理可以屏蔽下层物理网络的差异性， 并保持对上层协议透明。上层应用的通信连续性( 如面向连接的t c p 业务及s i p 会话) 与 主机i p 地址相关，考虑到网络层能够直接感应到i p 地址的变化，将对网络层的移动处理 放在本层进行管理，也有利于把层与层之问的复制工作降到最低，从而克服潜在的错误或 安全问题。移动i p 由于切换时延过大，在性能上还需进一步优化。 3 、传输层移动性管理 传输层的移动性管理机制，是通过将传输层的会话标识与i p 地址进行重绑定 2 4 1 ，或 通过第三方在中问路由上对i p 地址的变化进行屏蔽处型2 1 ，从而实现对移动性的支持。 传输层上的移动性管理机制优点是可以支持平滑切换【2 4 1 ，减少切换过程中数据包的丢 失，避免造成三角路由问题。通过传输层的移动性管理机制对移动的感知，能够避免传输 层将终端移动造成的时延及丢包错认为网络捌塞而进行不必要的捌塞控制。该层协议上实 现的移动性管理机制的缺点是，需要由其它协议 2 5 】来实现位置管理及移动检测。需要对通 信双方的传输层协议都进行扩展【2 4 】，或在网络结构中引入第三方对移动性提供支持2 1 。 4 、应用层移动性管理 应用层的移动性管理主要通过会话初始协议【2 6 1 ( s i p ) 来实现。s i p 是i e t f 提出用于 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二荦移动件管理技术 建立、维护以及结束会话的应用层协议。在s i p 中，移动目标通过注册和重新注册过程， 将s i p 用户的逻辑身份标识及i p 地址向位置服务器进行绑定更新，从而实现位置管理。移 动目标采用向通信对方发送r e i n v i t e 消息的方法，将会话建立时确定的会话标识及新i p 地 址的绑定关系告之给通信对方的对等层，通过改变当前会话参数来实现切换管理。 s i p 可以通过语意扩展实现高层的移动性支持，能够避免三角路由。但由于s i p 提供 的移动性管理机制需要直接更改应用层的会话参数，因而不能提供对基于t c p 业务应用的 移动性支持。另外，s i p 不能直接感知信道及i p 地址的变化，需要借助下层协议进行移动 检测及i p 地址的配置。 目前，单层协议提供的移动性管理机制在功能及性能表现上还不能满足下一代网络对 服务质量的要求【4 j ，需要进行优化。 2 3 基于跨层设计的移动性管理 在传统的网络分层体系结构的设计中，各层独立地进行设计和运行，通信由独立于网 络限制及应用的静态接口来完成，且只能在相邻层间进行。这种思想简化了网络的设计， 具有较强的鲁棒性，但缺乏灵活性。 2 3 1 跨层设计的概念 跨层设计最早是从无线网络领域中提出来的。不断发展的无线网络技术要求网络协议 能够支持多种业务类型、提供不同的服务质量，并能够适应网络拓扑结构的复杂变化。这 需要在对单层网络协议的性能进行优化的同时，进一步关注各层之间的相互协调配合对网 络性能的影响，并通过将分散在网络各个子层的特性参数协调融合，提升整体网络的性能。 跨层设计的思想可以看做是对传统分层结构的一种补充和扩展，即以分层结构的网络 协议为基础，结合跨层消息的传递来实现各层协议之间的信息交互【6 】。目前已提出的层间 通信的方式包括：通过层间信令管道进行消息传递，采用i c m p 消息携带跨层消息进行层 间传递，通过第三方服务器集中提供跨层信息以及采用c l a s s 跨层信令交互结构的方法 来实现跨层消息的层问通信【6 】。目前，跨层设计尚处于理论阶段，缺乏统一的标准，仍有 待于进一步完掣2 7 1 。 2 3 2 跨层移动性管理 跨层设计思想所提供自适应能力，能够使网络协议和应用感知到网络的变化并作出响 应，这种功能非常适用于通信环境动态变化、通信终端随机移动的移动性管理机制。将跨 层设计应用于移动性管理机制中，可以在功能和性能上实现移动性管理的优化 7 1 。 塑塞业! ! 叁兰堕兰：里! 塑生兰篁堡奎 兰三垩笙垫堡笪型垫查 跨层移动性管理的设计主要体现在以下两个方面：采用多层协议进行功能互补型的联 合移动性管理，以及通过跨层消息实现移动节点侧的跨层切换优化。 1 、通过多层网络协议合作进行移动性管理 单层移动性管理机制在功能上具有一定的互补性。应用层以下的单层移动性管理提供 低层移动性支持，应用层的s i p 协议可以提供高层的移动性支持；传输层的移动性管理机 制缺乏位置管理功能，而网络层的m i p 及应用层的s i p 可以提供位置管理功能；s i p 提供 的移动性管理对应用层不透明，不能够提供基于t c p 业务的移动性支持，而应用层以下的 单层移动性管理机制能够提供应用透明的移动性支持。 利用不同协议层上移动性管理方案之间的互补性，结合跨层设计，能够实现功能更全 面、性能更优的移动性支持。文献 1 2 中，采用s i p 提供非面向连接的应用的移动性支持， 由m i p 支持面向连接的应用作为s i p 的移动性支持的补充。对这两个协议的移动性管理机 制进行集成，通过消除相关机制在信令开销及网络功能实体上的冗余来实现联合优化【l 3 | 。 文献 2 5 】中，采用s i p 与m s c t p 的联合来提供移动性支持。其中由s i p 提供位置管理，由 m s c t p 来实现切换管理功能。 2 、移动节点侧协议栈内的跨层切换优化 该类移动性管理方案中，各层协议对自身可感知的网络环境参数及其变化信息进行监 控、分析、提取，以事件或触发器的方式将其传递给有需要的其它协议层。协议层之间通 过消息的互通及一定的相互控制及时根据网络的变化执行相应操作，从而提高移动性管 理，尤其是切换管理的性能。 文献 3 0 提出：利用跨层拓扑信息，通过二层触发器与m i p v 4 协议的集成来实现8 0 2 1 l 网络环境下的快速切换。p r e h a n d o v e r 触发器依据二层切换中扫描阶段的执行结果进行触 发，用于提前进行代理发现和地址配置。p o s t h a n d o v e r 触发器在l i n k u p 事件后或m n 完成 重关联之后进行触发，用于减少三层的移动检测时间。采用独立关联服务器来维护跨层拓 扑信息，其中包括位置信息、切换关系、以及a p 与移动代理或d h c p 的关联信息。这些 信息通过手工方式配置，由独立关联服务器负责对这些信息进行收集以及周期性的更新。 该方案能够提高切换的性能，但拓扑信息的获取需要全球定位系统( g p s ) 进行收集，此 外还需要单独的服务器来对这些信息进行维护，对网络的要求较高，不易实现。 在文献【3 1 中，采用二层触发机制与s i p 协议的结合实现终端移动性支持。该方案利 用无线链路层信息，在检测到移动节点移动的同时，提前进行i p 地址的预配置及r e i n v i t e 交互，同时通知通信对端将发送往移动节点的数据包通过双播方式发往移动节点的原地址 6 雨京啷i 乜入学硕二卜研究生学位论文 第二章移动性管理技术 和新地址以减少丢包。以上操作通过二层触发机制在二层切换完成之前进行，减小了切换 的总延迟。该方案虽然能够优化切换的性能，但由于只采用了s i p 协议进行移动性管理， 因此仅能够提供基于u d p 的业务的移动性支持。 2 4 小结 本章首先从理论上介绍了移动性管理的基本功能及其性能衡量标准。简要介绍了基于 单层协议实现的移动性管理机制，并分析了相关方案的优缺点。介绍了跨层设计的概念及 跨层移动性管理的部分设计方案。将跨层设计应用于移动性管理中，在实现上存在一定的 困难，但能够对移动性管理的功能及性能进行优化。 南京邮f 【i 大学颀： ：研究生学位论文 第三章基于m i p v 6 的快速切换技术 第三章基于m i p v 6 的快速切换技术 m i p v 6 t 1 0 1 能够提供完整的移动性管理功能，但其切换性能不能满足实时性业务的服务 质量要求【1 。快速切换是一种以减少切换时延为目标的优化切换方案。基于m i p v 6 协议的 快速切换技术【2 9 1 ，利用了跨层设计的思想，将二层链路信息用于网络层的切换管理中，通 过减少切换时延来优化切换的性能。 3 1m i p v 6 协议 m i p v 6 是网络层上提供终端移动性支持的核心协议。在该协议中，移动性管理的操作 由移动检测、地址配置和绑定更新三个部分组成。当移动节点( m n ) 移动n ； i - 地网络时， 通过与家乡代理( h a ) 或通信对端( c n ) 进行绑定更新来完成m n 的转交地址( c o a ) 与家乡地址( h o a ) 的关联绑定，采用反向隧道或路由优化的通信方式实现移动性支持。 当m n 从外地网络返回到家乡网络后，向h a 注销之前的绑定缓存条目，m n 的通信恢复 到常规状态。 1 、基本操作 移动检测。m i p v 6 中，一般通过对m n 当前默认路由器的可达性的判断来实现网 络层的移动检测。路由器通告中通告事件问隔选项的值可以看作是连续两次成功通告之间 的最大时间值，m n 以该值做为路由器通告的接收频率。如果未在该频率内收到对应路由 器的通告，则认为路出器通告丢失，当路由器通告丢失的数目达到某个闽值时，即认为发 生了网络层的移动。另一种检测方法是，在发生路由器通告丢失的情况下，m n 直接发送 邻居通告并等待具有所请求标记集的邻居通告，通过判断当前默认路由器是否依然双向可 达来进行移动检测。如果当前路由器不可达，即意味着发生了网络层的移动，从而触发 m i p v 6 协议中的进一步操作。 地址配置。当m n 移动到新的外地链路上时，可通过有状态地址配置或结合新网 络中路由器通告中的网络前缀进行无状态地址配置，获得新的转交地址，并配置到相应的 接口。新转交地址具有与外地链路相同的网络前缀。地址配置完成后，切换管理进入绑定 更新阶段。 绑定更新。为了注册主转交地址或扩展已有注册的生存周期，m n 发送包含绑定更 新的数据包至h a ，请求h a 作为给定家乡地址的家乡代理。h a 接受绑定更新后在其绑定 缓存中为该m n 创建一个新的绑定缓存条目，用于存放家乡地址与主转交地址的对应关系； 如果已经存在相应绑定缓存条目，则h a 对该条目进行更新。h a 将该绑定缓存条目标记 为一个家乡注册，以表示自己f 作为该绑定的家乡代理。标记为家乡注册的绑定缓存条目 r 塑塞! ! ! ! ! 垫查堂堡土堕窒圭兰篁笙塞笙三童苎主竺! ! ! 塑丛垄塑堡垫查 在其生存周期内一直存在、不能从绑定缓存中移除，直至该绑定缓存条目生存周期过期为 止。h a 在完成绑定更新后，向m n 发送一个成功的绑定确认，同时h a 保证在m n 准予 的绑定生存周期内保持其地址的唯一性。在路由优化模式下，m n 执行返回路由可达检测 以授权建立绑定，向c n 进行绑定更新，将m n 的当前位置信息提供给c n 。 2 、位置管理与切换管理 位置管理。在m i p v 6 中，位置管理通过m n 的绑定更新机制来实现。当m n 在链 路间( 网络前缀不同) 移动、网络层的位置发生改变时，绑定更新消息中转交地址的网络 前缀即对应着m n 在网络层上的当前位置，此时接收绑定更新消息并维护对应的绑定缓存 条目的h a 起到位置服务器的作用。 绑定缓存条目的生存期用于保证h a 中m n 位置信息的有效性。m n 通过周期性地向 h a 发送绑定更新消息，来扩展已注册的绑定更新信息的有效时间。在m n 进入新的网络、 获得新转交地址时，通过绑定更新的方式向h a 注册新的位置信息。h a 与m n 之间通过 以上方式保证了h a 中对m n 网络位置信息的有效维护。c n 可以通过m n 的家乡地址， 在h a 或c n 中的绑定缓存条目中找到对应的网络位置信息，即m n 的转交地址，从而实 现位置查找。位置管理操作，只与m n 的网络位置登记、维护及查找有关，与m n 是否进 行通信无关。 切换管理。当m n 在通信的过程中发生网络层的位置移动时，需要切换管理来维 护当前通信的连续性。在经过移动检测、地址配置并完成绑定更新之后，c n 与m n 之间 的通信方式将随之发生改变。当m n 在家乡时，发送到家乡地址的数据包使用传统的互联 网路由机制路由至移动节点的家乡链路。而当移动节点离开家乡而连接在某外地链路上 时，则通过转交地址进行寻址。具体的通信模式有以下两种： 粤回嘤回_网 网 、_ 。，一，7 j i ： i j 、l 、 ，： 1 一网络 、。、 i p 网络 、囤囤 、 、 锄燃躺径 圃 q 躲躺径 匈 图3 1m i p v 6 的反向隧道模式图3 - 2m i p v 6 的路由优化模式 反向隧道模式。该模式下不要求c n 支持m i p v 6 ，在m n 尚未向c n 进行绑定更新 时依然可用。c n 发往m n 的家乡地址的数据包首先被路由到h a ，h a 使用代理邻居发现 南京邮i b 大学顾i ：研究生学位论文 第三章基于m i p v 6 的快速切换技术 对该数据包进行截获，然后通过h a m n 的隧道将该数据包发送到m n 的转交地址。另一 个方向上，m n 发往c n 的数据包先通过反向隧道由m n 发送到h a ，然后再正常地从家 乡网络路由到c n 。隧道使用i p v 6 封装执行。 路由优化模式。路由优化模式是反向隧道模式的一种补充。实现该模式通信的前 提是，c n 处完成了对m n 当前转交地址及家乡地址的绑定更新。该模式下，来自c n 的 数据包能够直接路由到m n 的转交地址而不需要经过h a 的截获及隧道封装操作。在向一 个i p v 6 地址发送数据包时，c n 根据该地址( 家乡地址) 检查绑定缓存条目中对应的转交 地址，c n 在数据包的i p v 6 报头中将m n 的转交地址设置为目的地地址，并在报头中添加 一个i p v 6 路由扩展报头，在其中携带m n 的家乡地址。m n 在接收到该数据包后，将用路 由扩展报头中的家乡地址替换数据包的目的地地址后，再向上层递交。 当m n 向c n 发送数据包时，将转交地址设为i p 报头中的源地址，而在数据包中通过 家乡地址选项来携带家乡地址。c n 在接收到数据包后，用家乡地址替换掉i p 报头中的源 地址，再向上层递交。通过这样的方式，m n 与c n 间使用转交地址进行直接通信，同时 还保证了转交地址的使用对网络层以上的协议透明。 3 、m i p v 6 性能分析 在切换过程中，m n 由于不能够进行正常的通信，其通信的连续性及服务质量受到了 影响。切换时延是指由于切换而造成的通信中断的时间。m i p v 6 的移动检测机制决定了在 二层链路切换完毕后才能进行三层网络切换，二层切换与三层切换操作之间为串行执行的 关系。因此切换的总时延是二层与三层切换的时延之和，切换时延较大，也间接导致了切 换过程中数据包的丢失较为严重。图3 3 为8 0 2 1 x 网络中，m i p v 6 切换的总时延。尤其是 在m n 频繁移动的微移动场景中，过重的信令开销及频繁的通信中断严重影响了通信的服 务质量。m i p v 6 协议提供的切换性能不能满足实时应用的服务质量要求。 8 0 2 1 xm o v e a g e n t m i p a pp r o b ea u t h e n t i c a t i o n a s s o c i a t i o n a u t h e n t i c a t i o nd e t e c t i o n d i s c o v e r yr e g i s t r a t i o n a d d r e s s l c o n f i g u r a t i o n h 卜一l a y e r 2h a n d o v e r 1 叶一l a y e r 3h a n d o v e r - 叫 l l r - 一h a n d o v e rd e l a y - 1 图3 - 38 0 2 i x 网络中m i p v 6 切换带来的切换总时延 3 2 基于m i p v 6 快速切换的研究现状 快速切换是以减少切换时延为目标的切换优化技术。基于m i p v 6 的快速切换方案主要 l o 南京邮电大学硕卜研究生学位论文第三章基于m i p v 6 的快速切换技术 通过跨层设计的方法，结合网络层切换操作的扩展来减少切换的总时延，以满足实时业务 的应用要求。 3 2 1 增强转发方案 文献 1 7 】中提出，采用链路层触发机制以及在新、旧两个接入网络之间建立隧道的方 法，减小切换延迟和数据包的丢失。该方案中，移动节点在移动到新网络后，通过链路层 触发的方法进行移动检测，开始网络层切换。在完成新转交地址配置和重复地址检测后， 移动节点向前接入路由器报告自己的当前网络位置，请求建立前接入路由器与新接入路由 器之间的双向隧道，移动节点在完成向家乡代理的绑定注册前，通过隧道收发数据，保持 原有通信。 该方案通过链路层触发机制降低了移动检测时延，采用前接入路由器与新接入路由器 之间的双向隧道，减少在移动节点向家乡代理的绑定更新过程中的数据包丢失。该方案只 需要一个链路层触发机制，在实现上相对简单。在延迟和改善数据包丢失方面优于m i p v 6 ， 但二、三层切换操作的执行仍保持串行顺序，因而在切换性能上的优化效果不明显。 3 2 2 三层驱动的快速切换方案 在文献 1 8 1 中提出，采用基于二层( 链路层) 事件触发，及三层( 网络层) 协议驱动 二层提前进行切换的方法，实现快速切换机制。三层首先将相关的链路事件向二层进行注 册，当二层链路检测到当前链路的质量低于某一阈值时，向三层发出链路将要断开的原语。 三层接收到该原语后进入三层切换的准备阶段：向二层请求接入点清单以得到备选的目标 接入点( a p ) ，网络层选出合适的a p 并产生一个新i p v 6 地址，接着与新接入路由器通信， 执行重复地址检测。在三层切换的准备阶段执行完毕后，三层向二层发出链路连接请求。 二层接收到该原语后执行二层切换，建立新的链路连接。当二层切换执行完毕后，二层向 三层发出链路建立好的指示。三层接收到该指示后，进行三层切换的绑定更新过程。 该方案中，将三层切换的准备操作提前进行，并采用三层驱动的方式减少二层切换的 等待时间，整个切换的时延仅包括二层切换时延及注册时延。由于减少了切换的总时延， 该方案优化了切换的性能。 该方案下的切换性能取决于预测时间内网络层操作的执行进度，如果三层切换的准备 操作不能在二层切换f 常开始前结束，则三层驱动将不被执行，即不能够实现二层切换的 提前执行，快速切换的优化效果受到影响。 南京i l l l _ f t g 大学硕：l 研究生学位论文第三章基于m i p v 6 的快速切换技术 3 2 3 基于接入路由器的快速切换方案 文献 3 2 1 提出，由接入路由器代替移动节点进行移动检测、转交地址配置及重复地 址检测的操作。移动节点在完成链路层切换后，接入路由器通过比较它的邻居缓存表和移 动节点的链路标识信息，可以判断移动节点是否发生了网络层切换。如果发生了网络层切 换，接入路由器立即替移动节点配置新转交地址，并对该地址进行重复地址检测，将有效 地址发给移动节点。移动节点将该地址配置到相应的接口上，随后开始到家乡代理的绑定 注册过程。由于切换过程中的移动检测、转交地址配置及重复地址检测的操作均由接入路 由器完成，这些操作的时间开销要少于由移动节点与接入路由器通过信令交互完成相关操 作所需的时间。切换时延变小间接减少了切换过程中的丢包