（电路与系统专业论文）移动IP的树形位置管理及自适应邻居发送算法研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士学位论文 摘要 因特网技术的普及，使得人们实现了网络通信和信息共享，但基于有线方式 的i n t e r n e t 受到空间和时间的限制，无法满足用户随时随地能够接入因特网的要 求，这成为研究移动主机路由协议的驱动力。为了在移动通信网络中运用i p 协议， 因特网工程任务组( i e t f ) 制定了m o b i l ei p 协议。m o b i l ei p 协议是一种简单可 扩展的全球i n t e r n e t 移动解决方案，使节点在切换链路时仍可保持正在进行的通 信。未来移动通信网络的两个最重要的研究问题就是宽带和无缝漫游，而移动性 管理是实现网络问无缝漫游的关键难题之一。本文就移动性管理领域两个具有挑 战性的问题：位置管理和位置预测分别进行了较为详尽的探讨。 文章首先主要研究了用树形网络进行位置管理的策略，该策略主要基于当前 已有的位置管理策略和业界提出的组播树策略。由典型树结构引申而出的树形网 络结构最利于处理移动用户漫游时位置的管理等等问题。移动节点漫游时，移动 节点在漫游域逐级向上一级可行的父节点进行登记，直至发现与归属域共享的父 节点。通过数学推导，对基本策略( g s m 或i s 一4 1 ) 和该策略的开销进行了对比 研究，得出在一定条件下，该策略有其可行性。 这种树形网络结构为自适应邻居发送算法的智能化提供了一个较为理想的平 台。白适应邻居发送算法是为切换管理的优化而提出的一种算法，是介于目前业 界在切换领域提出的单播邻居发送算法及组播发送算法之间的一种智能发送算 法。之所以称“自适应”，就是结合位置预测机制，引入模糊控制策略，系统可以 根据移动台越区时切换的频度以确定需要邻居单播的基站数目。经分析推导，该 机制在一定条件下的确能够提高系统的q o s 性能。 关键词：移动i p ；移动性管理：树；位置预测；模糊控制 移动i p 的树形位置管理及自适应邻居发送算法研究 a b s t r a c t r e c e n ti n i t i a t i v e st oa d d m o b i l i t y t ot h ei n t e r n e ta r e b e i n g c o n s i d e r e d b y e m e r g i n gm o b i l es e r v i c ep r o v i d e r sa sp o s s i b l ec a n d i d a t es o l u t i o n sf o rt h ed e l i v e r yo f i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) d a t at om o b i l eu s e r s t or u bi po nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s ，m o b i l ei pi sd e f i n e db yt h ei n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ( i e t f ) t h e t e r m sb r o a d b a n da n ds e a m l e s sa r et h em a i nk e y w o r d sf o rf u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m sa n dt h em o b i l i t ym a n a g e m e n ti s t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mi ns e a m l e s s r o a m i n ga c r o s ss y s t e m s i n t h i s p a p e r e a c h a s p e c t s o f m o b i l i t ym a n a g e m e n t a r e i n t r o d u c e d ，e s p e c i a l l ym a n a g e m e n t f r a m e w o r ka n ds o m e p r o t o c o l s l o c a t i o n m a n a g e m e n ta n dl o c a t i o np r e d i c t a b i l i t y a r et h e c h a l l e n g i n gt o p i c s i nt h e m o b i l i t y m a n a g e m e n t f i r s t l y ，t h i sp a p e rp r o p o s e d as c h e m ew i t ht r e es t r u c t u r et o m a n a g el o c a t i o n i n f o r m a t i o nf o rm n t h es c h e m em a i n l yb a s e so nt h el o c a t i o nm a n a g e m e n ts c h e m e a n dm u l t i c a s t - t r e e ss c h e m e o nt h ef o u n d a t i o no ft y p i c a lt r e es t r u c t u r e ，t h es c h e m ei s p r o v e d t ob eab e t t e rl o c a t i o nm a n a g e m e n ts c h e m ew h e n e v e ram o b i l en o d ec r o s s e st h e b o u n d a r yo fl o c a t i o na r e a sq u i c k l y d u r i n g am o b i l en o d ec r o s s e st h eb o u n d a r yo f l o c a t i o na r e a s ，t h em o b i l en o d eu p d a t e st of e a s i b l ef a t h e r - n o d eu n t i lt h em na n di t s h l rb e l o n gt ot h es a m ef a t h e r - n o d e a d d i t i o n a l l y ，s o m ef o r m u l a sw e r ed e r i v e d a c c o r d i n g t ot h e s ef o r m u l a s ，t h ec o s to ft r e el o c a t i o nm a n a g e m e n ts c h e m e ，o nc e r t a i n c o n d i t i o n s ，i sl e s st h a nt h ec o s to ft h eb a s i cs c h e m e ( g s mo ri s 一4 1 ) a tt h es a m et i m e ，n e t w o r k sw i t ht r e es t r u c t u r eh a v eb r o u g h tn e wi d e a st ot h e s o l u t i o n so ft h es m a r tf o r s e l f - a d a p t i v en e i g h b o r t r a n s m i s s i o n a l g o r i t h m t h i s a l g o r i t h mi sp r o p o s e dt og u a r a n t e et r a f f i c sq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) a n da t t a i n ss m o o t h h a n d o f fo fs e r v i c et r a f f i c sf o rm nw h i c hc r o s s e st h eb o u n d a r yo fl o c a t i o na r e a sq u i c k l y c o m b i n i n gw i t hf u z z yc o n t r o la l g o r i t h m a n dl o c a t i o n p r e d i c t a b i l i t ys c h e m e ，t h i s s c h e m ei sa b l et od e c i d et h en u m b e ro fb s ( b a s es t a t i o n ) w h i c hn e e d s n e i g h b o r u n i c a s ta c c o r d i n gt ot h eh a n d o f f f r e q u e n c y o ft h em n t h i si ss oc a l l e ds e l f - a d a p t i v e o ft h i ss c h e m e a n do f c o u r s e ，i t s d e r i v e dt o p r o g r e s sq o sg r e a t l y o nc e r t a i n c o n d i t i o n s k e yw o r d s ：m o b i l ei p ；m o b i l i t ym a n a g e m e n t ；t r e e ；l o c a t i o np r e d i c t a b i l i t y ； f u z z yc o n t r o l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者虢侈劈番嗍一产厂月，铝 if 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，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 剪彩 匆1 充之 日期：j 一弘年，月，日 日期：。z 西4 年r 月吕日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 目| j 世界传统电话业务每年的增长率为8 ，而数据通信业务增长率却超过 1 0 0 ，尤其是i n t e r n e t ，进入2 0 世纪9 0 年代中期以来，其业务一直以3 0 0 的速 率在爆炸性增长。“数据为王”已成为众多电信业务运营商和设备供应商的共识， 纷纷将其投资的重点转移到数据通信网络和设备。因此，i p 技术必将成为网络技 术的丰导技术【1 1 。与此同时，能与i n t e r n e t 的发展相提并论的只有移动通信。移动 通信技术的发展使语音的移动通信成为“家常便饭”，并宣告了人类进入了个人通 信的初级阶段。目前，i p 技术与移动通信技术正式“联姻”，取得了前所未有的成 功，已使得数据通信发生与语音通信一样的变化。它将把人类的个人通信事业推 向一个新的高峰：即能在任何时间，在任何地点，可以用任何一种媒体与任何 个人进行通信( 包括数据和语音) 。而目前的网络层协议是i p v 4 ，在该协议中， 每个主机的i p 地址可唯一识别连接到i n t e r n e t 的接入点，换句话说，网络中的手 机如果想要收到送给它的数据分组的话，其网络i p 地址必须能够识别网络，否则， 送给它的数据分组就会丢失。但当主机改变其连接到i n t e r n e t 的位置时，由于无 法和高层继续保持联系和传输，故对位置移动时已在进行的通信有一定的影响。 有鉴于此，移动i p 技术( 协议) 应运而生。 第个移动主机协议由哥伦比亚大学的j o h ni o a n n i d i s 设计，它的主要思想 是使用虚拟移动子网和i pi ni p 技术【2 l ，几乎与此同时，s o n y 公司的f u m i ot e r q o k a 设计了另一种移动主机协议，虚拟i p ( v i p ) 1 3 1 。v i p 协议使用了特殊的路由器来 记忆移动主机的位置，并定义了新的i p 头选项来传递数据，不久后i b m 的 c p e r k i n g 和y r e c k t e r 也设计了一种移动主机协议，这种协议利用了协议中的可 选功能松散源选径( l o o s es o u r c er o u t i n g ) 来支持主机的移动。1 9 9 4 年a m y l e s 和c p e r k i n g 分析了前三种移动主机协议的优缺点，重新设计了一种协议m i p ， 并将它提交给互联网学会下属的工程技术委员会( i e t f ) 。m i p 后来发展成为 m o b i l ei p 协议( 4 1 ，移动i p 是一种在全球因特网上提供移动功能的方案，使移动节 点在切换时仍可保持正在进行的通信，它提供了一种i p 路由机制，使移动节点可 以以一个永久的i p 地址连接到任何链路上。 二十世纪八十年代以来，第二代移动通信业务得到了世界范围的应用。到现 在，越来越多的无线通信系统开始得到了应用，如无线局域网，b l u e t o o t h ， m t - 2 0 0 0 ，固定无线接入( f w a ) 系统等。但这些技术各有不同的使用范围，采 移动i p 的树形位置管理及自适应邻膀发送算法研究 纳不l 司的技术体制，工作在不同的频段，并支持不同的业务类型。这些不同的系 统覆盖范围各不相干，因而在某些区域各有多种网络存在，对这些系统进行无缝 的集成将会对未来的无线通信系统研究和应用产生深远的影响。因而未来无线移 动通信系统两个最重要、最需迫切解决的热点问题是：宽带和无缝漫游f ”。国外 业界认为，4 g 移动通信系统是支持多个宽带无线接入技术和在各个单。一接入技术 构成的系统问全球范围漫游的多种类的集成网络系统。未来移动通信系统主要朝 采用多种自适应管理的终端、网络以及应用的无缝集成的方向发展，其最重要的 特征之一是朝着全i p 核心网和非对称接入的体系发展。而移动性管理是无缝接入 无线移动网络的最重要的课题之一，是支持移动终端的漫游而不中断正在进行的 通信的基础技术【6 】。 1 2 移动i p 技术概述 近年来，随着便携式计算机的普及和无线局域网技术的不断成熟，便携式计 算机用户迫切希望获得移动性支持，能随时、随地接入i n t e r n e t 。但由于现今i n t e r n e t ：的网络层协议( i p v 。) 的路由算法不支持主机的漫游，即主机在i n t e r n e t 的位 置是由主机的i p 地址唯一确定的，意味着主机必须在网络中处于由其i p 地址标 示的地方，才可以接收数据。所以就有必要另外设计一种基于现有i p v 4 标准协议 的支持主机漫游的网络层协议。 移动主机如何高效地访问i n t e r n e t ，以及如何向移动用户提供透明的i n t e r n e t 信息服务，仍是一个需要不断深入研究的热点问题。到目前为止，已提出了几种 不同策略的解决方案，其中的m i p ( m o b i l ei p ) 协议已于1 9 9 6 年1 1 月由i n t e r n e t 工程技术委员会( i e t f ) 公布为建议标准( p r o p o s e ds t a n d a r d ) ，并有望成为事实 上的标准。到目前为止，主要的技术文档包括： r f c2 0 0 2 ：定义了m o b i l ei p 协议； r f c2 0 0 3 、2 0 0 4 和1 7 0 1 ：定义了m o b i l ei p 中用到的三种隧道技术； r f c 2 0 0 5 ：叙述了m o b i l ei p 的应用； r f c 2 0 0 6 ：定义了m o b i l ei p 的管理信息库m i b 。 以上文档主要描述了在对现在使用的i p v 4 协议透明的情况下，如何添加新的 功能特性，支持移动主机跨越不同子网的平滑切换，即实现i n t e r n e t 移动计算的 各种技术定义规范。 移动i p 是一种在全球i n t e r n e t 上提供移动功能的方案，使得移动节点在切换 链路时仍可保持正在进行的通信，它提供了一种特殊的i p 路由机制，使移动节点 可以以一个永久的i p 地址连接到任何i n t e r n e t 链路上。 移动i p 是在i n t e r n e t 中提供移动功能的网络层解决方案。这种技术通过在合 适的代理节点上设置路由表，将i p 包送到那些不在归属链路上的移动节点。事实 硕士学位论文 上，移动i p 可以看作是个特殊的路由协议，其目的是将数据包路由到那些可能 一直存快速地改变位置的移动节点上。 支持移动用户的计算机网络须具备如下特征： a ：主机可在网络中自由移动； b ：移动对上层应用是透明的，或者说上层应用意识不到主机的移动。 1 2 1 移动i p 的基本网络实体 在移动i p 的相关技术文档中，具体地定义了三种实现m o b i l ei p 协议所必须 的功能实体 7 “】： ( 1 ) 移动节点：可以将接入i n t e r n e t 的位置从一条链路切换到另一条链路上， 而仍然保持所有正在进行的通信，并且只使用它的归属地址( h o m ea d d r e s s ) 的 那些刚络节点，一般简称为m n ( m o b i l en o d e ) ，又可称为移动主机。 ( 2 ) 归属代理：有一个端口与移动节点归属网络的链路相连的专用路由器或 者具有路由功能的代理转发主机，一般简称为h a ( h o m e a g e n t ) 。归属代理的基 本代理服务功能是：当移动节点切换链路时，归属代理一直通知移动节点它的 当前位置，这个信息由移动节点保存它的转交地址( c a r eo f a d d r e s s ) 中；通常， 归属代理广播对移动节点归属地址的网络前缀的可达性，从而吸引那些送往移动 节点的归属地址的i p 数据包；解析送往移动节点的归属地址的i p 数据包，并 将这些数据包通过隧道技术传送到移动节点的转交地址上。 ( 3 ) 外地代理：在移动节点当前所接入的外地网络链路上的专用路由器或者 具有路山功能的代理转发主机，外地代理能够对外来的移动主机提供i p 数据包的 协议封装、解封和代理转发功能，它一般简称为f a ( f o r e i g na g e n t ) 。外地代理 的基本代理服务功能是：帮助移动节点通知它的归属代理它的转交地址；一 般情况r ，提供移动节点的转交地址，并为已被归属代理设置了隧道的移动节点 发送拆封后的包；作为连接在外地链路上的移动节点的缺省路由器。 1 2 2 移动i p 的常用概念术语 在移动i p 中，除了上面提到的三个基本通信实体外，还有一些特别定义的术 语，用以描述移动i p 的工作方式和操作过程。首先，引入几个基本定义：归属地 址、归属网络、归属链路、外地网络和外地链路。 归属地址：移动节点的归属地址是指“永久”地分配给该节点的i p 地址，就像 分配给同定的路由器或主机的地址一样。当移动节点切换链路时，归属地址并不 改变。 归属网络：移动节点的归属地址所属的那个物理网络。 9 1 属链路：移动节点的归属链路就是与它的归属地址具有相同网络前缀的链 路，归属代理就是至少有一个端口与归属链路相连的路由器。归属地址的网络前 移动j p 的树形位置管理及自适应邻居发送算法研究 缀决定了它的归属链路。 外地网络：移动节点离开归属刚络后，当前正在接入的网段所属的嘲络。也 就是f a 所在的那个网络。 外地链路：移动节点漫游后，当前所接入的外地网络中的具体链路。 接着，f 面介绍的是几个重要的概念： f 1 1 转交地址( c a r eo fa d d r e s s ) ；转交地址是指移动节点连接在外地链路上叫 的相关i p 地址。当m n 漫游到外地网络时，它要获得一个转交地址，并且将转交 地址通知归属代理h a 。此后，m n 归属网络中的h a 将把发给该m n 归属l p 地 址的数据包接收下来，并对这些i p 数据包再次封装后，发送到m n 的转交地址， 然后再拆封，转交至m n 。一般而言，转交地址是一个在外地网络中的一个真实 町用的i p 地址。 从概念上讲，有两种转交地址：外地代理转交地址( f o r e i g na g e n t c a r e o f a d d r e s s ) 外地代理转交地址可以是外地代理的任一个i p 地址，只要外地 代理至少有一个端口与外地链路相连就可以了，因此，外地代理转交地址的网络 前缀并不一定与外地链路的网络前缀相同，多个移动节点可以同时共用一个外地 代理转交地址。配置转交地址( c o l o c a t e dc a r e o f a d d r e s s ) ：暂时分配给移动 节点的某个端口的i p 地址，其网络前缀必须与移动节点当前所连的外地链路的网 络前缀相同。，当外地链路上没有代理时，移动节点可以采用这种转交地址。一个 配置转交地址同时只能被一个移动节点使用。 ( 2 1 隧道( t u n n e l ) ：当m n 漫游到外地网络时，由于其它主机并不知道它已 经离丌归属网络，故发给它的i p 数据包仍然送到其归属网络上。如前所述，h a 将这些i p 数据包截获下来，并重新封装打包后发送到外地网络中的转交地址处。 所谓隧道，指从h a 到f a 的用来传送这些重新封装打包后的i p 数据包的逻辑通 道。在隧道的发送端，也就是h a 处，将依据所采用的隧道协议把需传送的i p 数 据包再次封装并发送出去，然后，在接收端f a 处完成数据包拆封。 ( 3 ) 代理搜寻( a g e n td i s c o v e r y ) ：m n 开机后，确定自己是在家网还是在外地网 的过程为代理搜寻。实现代理搜寻的方法有两种：由代理( f a 或h a ) 发送代理 广播消息( a g e n ta d v e r t i s e m e n t ) 报文的方法和由m n 发送代理征求 ( a g e n t s o l i c i ta i i o n ) 报文的方法。前者由代理定期地发送代理广播消息广播报文， m n 接收到报文后判断自己处在何处。后者由m n 主动发送代理请求广播报文， 依据h a 或f a 的应答报文m n 判断自己处在何处。 f 4 1 注册( r e g i s t r a t i o n ) ：当m n 获得转交地址后，通知其h a 并设置好隧道 的过程移做注册。在注册过程中，由m n 向其h a 发出注册请求( r e g i s t r a t i o n r e q u e s t ) 报文，h a 修改m n 的位置信息并设置好隧道后，向m n 返回注册应答 ( r e g i s t r a t i o nr e p l y ) 报文。 硕十学位论文 1 2 。3 移动l p 的实现方式 移动i p 的实现主要通过三个过程来完成：代理搜索、注册、隧道转发。 1 2 3 1 代理搜索 移动节点利用代理搜索( a g e n td i s c o v e r y ) 过程完成以下功能： f 1 ) 判定它当前连在归属链路上还是外地链路上。 ( 2 ) 检测它是否切换了链路。 ( 3 ) 当连在外地链路上时，得到一个转交地址。 以巴功能其实可以归纳为：移动性检测和代理搜索并获得转交地址。 1 移动节点的“移动检测” 移动节点时刻被动监听或主动请求链路上的路由器宣告报文或代理宣告报 文，以此获得自己的位置信息，也就是说，移动节点通过“代理发现”进行“移动检 测”。 假设移动节点所在链路上存在至少个代理，那么移动节点可以通过两种法 来进行移动检测：种通过生存时间域，一种通过网络前缀。 ( i ) 通过生存时间域进行移动检测 根据【r f c 2 0 0 2 】的建议，归属代理和外地代理需频繁地发送移动代理广播，其 频率大约比生存时问域中标示的要快二倍。如果一个移动节点已经注册到一个外 地代理上，但在生存时间域规定的时间内却没有收到来自该代理的广播，那么移 动节点就可以认为它已移动到另一链路上，或该处理已经发生故障。无论怎样， 此时移动节点都向下一个发来代理宣告报文的外地代理注册。如果没有收到任何 广播，它就发出一个代理请求报文去主动询问。 ( 2 ) 通过网络前缀进行移动检测 移动节点从前后两个相邻移动代理宣告报文中计算出网络前缀并加以比较： 如果不同，它就可以认为两个宣告报文是从不同的链路上接收到的：否则就是从 同一链路上接收到的。 当移动节点将新收到的移动代理宣传报文中的网络前缀与它当前正注册的外 地代理的网络前缀比较后，发现它已移动到新链路上了，就应向在新链路上的外 地代理进行注册。 2 代理搜索 通过代理搜索，移动节点可以判断它目前是位于归属网络的范围内还是位于 外地网络范围内，以及何时从一个网络移动向另一个网张的。 m o b l i ei p 将i c m p 路由搜索进行扩展来作为代理搜索的基本机制。代理广播 消息是由带有移动代理广播消息扩展的i c m p 路由器广播报文构成的。代理请求 移动1 p 的树形位置管理及自适应邻居发送算法研究 报文和i c m p 路由请求相似，但它的i pt t l 域必须设置为1 。这里主要讲述移动 节点，外地代理和归属代理共同实现代理搜索的过程。 代理广播消息是由移动代理在它的链路上传送的提供服务的广播消息。移动 仃点利用这些广播消息来判断它的位置。在i c m p 路由器广播消息中附加代理广 播消息扩展等构成了一个代理广播消息。所有代理广播消息的i p t t l 域必须设置 为1 ，代理广播消息的i p 目的地址必须是“子网上的所有系统”的多点发送地址 ( 2 2 4 1 ) 0 1 ) 或“有限广播”地址( 2 5 5 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ) 。由于移动节点通常不知道子 网的网络地址，所以不能使用( 网络地址) 。( 2 5 5 ) 来作为广播地址。 如果以一定间隔传送代理广播消息，额定问隔应该为i c m p 标头给出的代理 生存时间的1 3 。这样就允许移动节点在从有效的代理表中删除代理之前连续错过 三个广播消恩。实际的传送时间应有一定的任意性。这样可以避免和其他代理发 送的代理广播消息( 或与由其它路由器发送由器广播消息) 发生碰撞。 归属代理必须时刻准备为移动节点服务。一个外地代理可能总是很忙以至无 法对另外的移动节点服务，即使这样它也必须不停地发送代理广播消息。这样和 它登录的移动节点可以知道它还没有离开外地代理，而且外地代理工作正常。 1 2 3 2 注册 注册是移动节点通知其归属代理它的当前移动绑定，并要求归属代理将发送 到其归属网络上的报文转发给它的过程。移动i p 为移动节点提供了灵活的注册机 制。 注册的过程发生在代理发现之后。当移动节点发现它移动回归属链路上时， 它就向归属代理注销移动绑定，并开始像固定主机或路由器那样进行通信，即不 再使用移动i p 功能。当移动节点发现它连在一条外地链路上时，它就得到一个转 交地址，并进行注册：如果得到的是配置转交地址，则直接向归属代理注册。 移动节点注册机制完成如下主要功能： ( 1 1 当节点离开归属网络时，要求转发服务。 ( 2 1 通知归属代理它当前按入位置。 f 3 ) 更新即将过期的注册。 ( 4 、当移动节点回到归属网络时，取消注册，即注销活动。 另外，还有其它几个注册过程，可以使移动节点： f 1 1 同时保持多个注册。这种情况下，所有分组将被隧道转发到每个有效的转 交地址。 ( 2 ) 取消某一个特定的转交地址注册而保持其它的移动绑定。 f 3 ) 在没有归属代理信息的情况下，移动主机可以通过注册动态地得到归属代 理地址。 硕士学位论文 移动i p 定义了两种不同的注册过程：一种是通过外地代理来转发注册请求和 应答；另一种直接由移动节点和归属代理完成。当移动代理使用外地代理转交地 址时，它必须通过外地代理来完成注册；如果它用配置转交地址或它回到归属网 络，则直接向归属代理注册。 两种注删方式都是在移动节点和归属代理之间交换注册请求和注册应答报 艾。 1 注册形式 移动i p 的注册过程主要是两种基本消息的传递：注册请求和注册应答。这两 种注册消息在u d p 数据段的数据域内，而u d p 报文则作为i p 数据包的数据字段， 由i p 负责传送。 三种常见的注册形式为： ( 1 ) 移动节点在外地链路使用外地代理转交地址注册( 见图1 1 ) 。 辅驴、；竺竺苎_ ”+ m 、一 一。一一。乏；蚕k ( 网善曾拓扑j _ _ 喜萝 一“地代i 多( 图1 1 移动节点使用外地代理转交地址注册 ( 2 ) 移动节点使用配置转交地址注册在外地链路上( 见图1 2 ) 。 夕h 图1 2 移动节点使用配置转交地址注册 ( 3 ) 移动节点从外部回到归属链路后进行注销( 见图1 3 ) 。 m n 注册注销 托埘拄销碰罟 图1 3 移动节点从外部回到归属链路后进行注销 2 注册消息格式 注册消息包括注册请求和注册应答，这两个报文的基本格式大体上相同，区 别仅在于它们的定长部分。 ( 1 ) 绑定：移动节点进行注册的主要目的是为了将它的转交地址告诉归属代 移动l p 的树形位置管理及自适应邻居发送算法研究 理，归属代理可以用这个地址数据包通过隧道送给移动节点。因此归属代理必然 有张移动节点归属地址和转交地址的对应表，这张表中的一个表项就称为绑定 表项( b i n d i n ge n t r y ) ，注册过程的主要目的就是产生、修改或删除归属代理巾移 动节点的绑定表项。注意一次绑定，也就是说一次注册只在一定的生存时间内有 效，移动节点生存时问过期之前应重新注册。 ( 2 ) i p 报头：移动i p 注册过程中对i p 报头的主要操作就是填写源i p 地址和 目的i p 地址： ( 3 ) u d p 报头：市点可以选择任何源端口号，但目的端口号必须设置为4 3 4 ， 这个值是专门保留给移动i p 注册消息的。一般来说，外地代理和归属代理在应答 消息中将源端和目的端口号值互换。 1 2 3 3 移动l p 的隧道技术 隧道技术在移动i p 中占据着一个非常重要的地位，它是数据包代理转发的传 输形式，移动i p 中可以使用三种隧道技术：i p 的i p 封装( i p i ni p e n c a p s u l a t i o n ) 、 最小封装( m i n i m a le n c a p s u l a t i o n ) 和通用路由封装g r e ( g e n e r i cr o u t i n g e n c a p s u l a t i o n ) i p 的i p 封装是一个i n t e r n e t 标准，用于将一个完整的i p v 4 数掘包放入另一 个l p v 4 数据包中，作为其中的数据域部分。移动i p 要求归属代理和外地代理实 现l p 的i p 封装，以实现从归属代理到转交地址的隧道。i p 的i p 封装非常简单明 了，只需把个i p 数据包包含在一个新i p 数据报的数据域中。采用i p 的i p 封装 的隧道对穿过它们的数据包来说就像一条虑拟链路，并进一步转发到目的地址， 这时这个数据包的生存时间域会被减小两次，好象隧道只是连接这两台路由器的 。条链路一样。 i p 的最小封装是移动i p 中的一种可选隧道方式。目的是减小实现隧道所需要 的额外字节数，可通过将i p 的i p 封装中内层i p 报头和外层i p 报头的冗余部分去 掉来完成。最小封装与i p 的i p 封装相比可以节省一些字节( 一般是8 字节) 但 带来了一些不利之处，即当原始数据包已经过分片时，最小封装就无能为力了。 由于在隧道内的每一台路由器上，原始包的生存时间域的值都会被减小，这使得 归属代理在：采用最小封装时，移动主机不可到达的概率增大。 最小封装的i p 包中可能不包含原始源地址域，从而不能保证隧道内的i c m p 报文可以到达原始数据包源，这样隧道入口只能仍然依靠软状态对报文进行中继， 以便到达原始数据包源。由予以上原因，移动i p 实现者应集中精力保证i p i p 封 装l e 常工作，而可以不使用最小封装。 通用路由封装g r e 是移动i p 采用的最后一种隧道技术。除了i p 协议，g r e 还支持其他网络协议，它允许一种协议的数据包封装在另一种协议数据包的净衙 硕： ：学位论文 中。而前n n , 只要求使用i p 协议。另外g r e 防止递归封装的机制在某些应用中 也非常有吸引力。 1 3 移动i p 存在的问题及解决方案 移动i p 协议虽然能够支持移动节点在不同的网络间移动而保持通信的不间 断，但是它仍然存在不少需要进一步改进的地方。本节主要讨论移动j p 中存在的 主要问题，以及相关的研究进展。 1 3 1 三角路由 移动i p 协议中存在三角路由问题，如图1 4 所示。由通信对端送给连接在外 地链路卜的移动节点的数据包先被路由到它的代理上，然后隧道送到移动节点的 转交地址，而由移动节点发出的数据包却直接路由到了通信对端，这构成了一个 i 角形。造成三角形路由的根本原因是通信对端不知道移动主机的当前转交地址。 外地代理路 - 卜通信对端发往移动用户的数据流向 一一- 移动用户发往通信对端的数据流向 图1 4 移动i p 的三角路由机制 当移动节点远离家乡网络与通信对端相距较近时，三角路由由于需要通过家 乡代理的转发，导致从通信对端到移动节点的数据传送需要额外传递很长的距离， 数据传输的延迟明显增加，从而严重影响了转发的负担，严重情况下，家乡代理 有可能成为通信的瓶颈。 移动节点可以通过向通信对端发送地址绑定信息( 家乡i p 址，转交地址) 的 方式避免三角路由，进行路由优化。通信对端通过查找缓存中移动节点的地址绑 定信息获得转交地址，然后直接通过隧道将报文发送给转交地址。 采用路由优化主要存在以下几个问题：首先，路由优化技术除了需要移动节 点、家乡代理和外地代理有适当的修改以支持移动网络，它还需要通信对端也做 相应的修改，使其能够处理与绑定有关的绑定更新等协议报文。这样对于i n t e r n e t 上的很大一部分计算机都要做修改，这在可行性方面存在困难。 其次，当节点移动速度较快时，移动节点或者它的家乡代理需要频繁向所有 移动j p 的树形位置管理及自适应邻居发送算法研究 与移动节点通信的通信对端发送绑定更新报文，交瓦绑定信息，这给网络带来了 较多的负担。而且，为了知道需要向哪些节点发送绑定更新信息，移动节点或者 它的家乡代理还需要维护所有与移动节点通信的通信对端的有关信息。 最后一t i ，路由优化方式的主要障碍是安全问题。如果地址绑定信息没有有 力的认证机制，那么就很容易受到拒绝服务攻击。 1 3 2 源路由 最初的时候，移动i p v 4 还曾试图利用i p 报文中的l o o s es o u r c er o u t e ( l s r ) 可选项进行路由。这样通过在源路由选项中加入移动路由的数据包时，节点在向 源节点发送数据时需要把该数据包中的源路由进行反转，并同样采用源路由进行 数据传送。这样当通信是由移动节点发起时，它只需要把自己的转交地址放到源 路由中，通信对端就可以通过对源路由的反转直接把数据包发送到移动节点，而 不需要增加任何新的协议。 但是采用源路由同样存在很多问题：首先，虽然l o o s es o u r c er o u t e ( l s r ) 在 i p v 4 标准中已经定义，但实际上很少有实现源路由的路由设备。某些路由器会丢 弃包含这种选项的所有数据包( 或者带有其他选项的数据包) 。 其次是：安全问题：当源路由选项中指明“远程重定向”要求接收者进行反转时， 一般都需要对其发送的分组进行认证，但是源路由进行反转的节点则一般情况下 都不会进行认证。这样，恶意的节点可以假冒移动节点发送伪造的源路由信息。 正是因为安全性低，i n t e r n e t 中大多数的路由器都不会转发源路由数据分组。因此 该方案实际：是不可行的。 1 3 3 切换问题 切换会影响移动节点通信的各个方面，它主要包括两个步骤：在原网络中清 除与移动节点有关的状态信息，同时停止向该网络转发与移动节点有关的数据流： 存新的网络中创建与移动节点有关的状态信息，同时向该网络转发与移动节点有 关的数据流。 因此理想的移动解决方案不仅要求其切换方式在实际中是切实可行的，还要 求做到快速和平滑切换，也就是做到无缝切换。无缝切换可以使得移动节点在发 生移动时仍然保持通信的不间断，切换对于移动节点来说是透明的。虽然与位置 无关的路由使i p 单播中的切换变得相对容易，但是如何提高切换的性能仍然是需 要深入研究的问题。 移动i p 切换的主要问题在于切换时延较大。虽然移动i p 协议可以做到节点 在移动到个新的外地链路中后仍然保持现有的通信不问断。但是这一过程很可 能引入较大的切换时延，从而使得移动节点的某些正在进行的应用发生中断。由 于切换对节点来讲是透明的，因此t c p 连接会将切换时发生的数据分组丢失洪认 硕士学位论文 为是嘲络捎塞造成的，并且错误地当作网络拥巢问题来处理。另外，很多实时应 用( 如i p 电话) 对数据流分组接收的实时性要求较高，这些应用往往都无法忍受 长时间的中断。i e t f 在这方面的研究进展可以参考。 以上的这些问题的解决可以从以下两个方面来考虑：有效的位置管理机制； 有效的切换管理，即取得平滑的切换性能。 这两个课题正是移动性管理涉及的两个最主要的研究课题。移动性管理中的 位置管理协议处理用户在数据库的查询和存储以及寻呼信号的传送，协议独立性 大，可以用在很多移动网络。而切换管理依赖于路由协议、资源管理以及数据发 送系统，是与具体网络的协议相关的。 本文也将从移动性管理的这两个方面来展丌论述。下章将分别对当前在这些 方面的研究成果进行叙述。 1 4 论文结构 本文的主要目的是研究一种比较实用的移动性管理策略。研究是通过对这种 策略的数学分析，计算机仿真等完成的。数学分析建立在已有的研究过程及结果 之卜。论文分成几个章节，各章节的内容概述如下： 第一章是论文绪论部分，首先在引言中简要叙过了现有移动通信系统的发展 历程，状况以及对未来的展望。然后对移动i p 的概念作了一个比较全面的概述。 最后移动i p 存在的问题及解决方法作了一个简介。并以这里的论文框架作为 本章的结束。 第二章首先描述了移动性管理的概念，并详细描述了当前业界提出的移动性 管理方案，包括位置管理以及切换管理两个方面。并作了比较分析。 第三章探讨了移动i p 的移动性管理的概念模型以及移动性数据库，详细分 析了移动性管理策略的有机组成部分之一的位置管理机制，包括网络模型协议， 以及相关部分的数学模型及性能分析。 第四章详细地分析了同样作为移动性管理有机组成部分之一位置预测机制 进行了比较深入详细的分析，提出了自适应邻居单播算法，包括数学推导，数学 分析以及结沦。 结论部分对本人在硕士学位攻读阶段的学习和研究工作进行了总结。 最后给出了论文的致谢和参考文献。 移动i p 的树形位置管理及自适应邻居发送算法研究 第2 章当前移动性管理策略比较与分析 2 1 移动性管理概述 所渭移动性管理是在移动节点的标识( 声点名) 及其地址( 节点相对网终结 构的位置) 间提供时变映射，是一种支持漫游用户到达个新的服务区去接受服 务的基本技术，这些网络可以是i n t e r n e t 、i n t r a n e t 、a dh o c 网络、p c s ( 个人通 信系统) 或者其混合的任何形式，其主要功能是在整个服务网络内有效支持用户、 没备和服务的无缝漫游【9 ”】。移动性管理主要的研究方面或者主要的操作涉及两 个方面，一个是位置管理，一个是切换管理或位置预测转发机制【”。一般来说， 位置管理协议处理用户在数据库的查询和存储以及寻呼信号的传送，协议独立性 大，可以用在很多移动网络。而切换管理依赖于路由协议、资源管理以及数据发 送系统，因而是与具体网络的协议相关的。未来的移动通信系统要涉及多种网络 的全球互连和互操作，支持实时和多媒体业务，因而其移动性管理将更加复杂。 移动中通信的模式按空一时连续性可以分为三类：游牧式通信，即在移动中 不需要网络连接，到达新的位置后重新进行连接的一类通信方式，它不需要无线 刚络的支持；连续通信，它一般基于蜂窝结构，在运动中的设备需要保持通信不 间断的连接性；随遇通信，节点间需要有随时存在的可用的通信连接，不需要现 存的网络构架，即a dh o c 网络。 移动性管理是一个研究中的热点问题，有效的移动性管理除取得快速和平滑 切换之外，还有望在一定程度上优化路由，进一步解决由于传统移动i p 的三角路 由带来的通信时延过大的弊端 1 1 - 1 3 1 。 2 2 移动性管理的分类 移动性管理有多种分类方式，视研究的目的和需要可以从多种角度加以区分， 如表2 1 所示1 。在每个分类的子类下还可以继续划分。例如，终端移动性又可 分为：链路层移动性一在同一网络接入点改变时新