（电路与系统专业论文）移动ip切换性能研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着i p 技术和因特网的迅猛发展，数据业务的需求量不断增大，正逐渐超过 传统的话音业务。目前，移动i p 是唯一支持因特网主机移动的标准。与复杂的无 线蜂窝网相比，移动i p 的移动管理和切换非常简单，并能支持异质网络间的漫游。 但是，由于存在三角路由和切换时延等问题，移动i p 缺乏对实时业务的支持，也 不适用于频繁切换的“微移动”情况。因此寻求有效改善切换性能的方法是优化 移动i p 的重要工作，也是本文所讨论的主要内容。 本文首先介绍了移动i p v 4 协议和移动i p v 6 协议的概念及功能实体，着重探讨 了三种改进的移动i p “微移动”协议，并对其关键技术进行了比较分析。 随后，文章讨论了移动i p 切换性能的q o s 问题，在面向固定网络设计的r s v p 协议( 资源预留协议) 的基础上，提出了针对无线移动网络的r s v p 协议扩展方 案。该方案采用移动预测和被动预留技术在移动节点可能进入的蜂窝内提前预留 资源，并通过无线接入网部分的切换控制，提高切换成功的概率。 由于无线环境的特殊性，改善移动i p 的切换性能还必须考虑到无线链路对 t c p 性能的影响。文章的第三部分在分析无线链路特性的基础上，比较了各种可 在无线网络中增强t c p 性能的技术方案。通过对比分析，本文建议采用s n o o p 技 术进行平滑切换和快速重发，从而改善移动i p 切换的t c p 性能。 最后，本文在n s 仿真平台上，对移动i p 的切换性能进行了较为详尽的仿真 和分析并提出了基于分层和移动预测技术的移动i p 切换方案。该方案为移动i p 的切换提供了服务质量保障，大大改善了切换性能。 关键词：移动lp ；t o p ；0 0 s ；切换 移动心切换性能研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f i pt e c h n o l o g ya n di n t e r n e t ，t h ed e m a n do nd a t at r a f f i c s i sg e t t i n gg r e a t e ra n dg r e a t e r , e v e ne x c e e d i n gt r a d i t i o n a lv o i c et r a f f i c s u n t i ln o w ，m o b i l e i pi st h eo n l ys t a n d a r dt os u p p o r ti n t e r n e th o s tm o b i l i t y c o m p a r e dw i t hc o m p l e xw i r e l e s s c e l ln e t w o r k s ，t h em o b i l i t ym a n a g e m e n ta n dh a n d o f fi nm o b i l ei pi sv e r ys i m p l e m o r e o v e r , m o b i l ei ps u p p o r tr o a ma m o n gd i f f e r e n tn e t w o r k s ，t o o b e c a u s eo ft d a n g l er o u t ea n d h a n d o f fd e l a y , h o w e v e r , m o b i l ei ph a r d l ys u p p o r t sr e a l - t i m es e r v i c e s a n dh a r d l yf i t s m i c r o m o b i l i t ye n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，i t i s n e c e s s a r y t of i n do u taw a yt o i m p r o v e h a n d o f f p e r f o r m a n c e ，w h i c h i sa l s ot h et o p i co ft h ed i s s e r t a t i o n a lt h ef i r s tb e g i n n i n g ，t h ec o n c e p t sa n dm a i nc o m p o n e n t so fm o b i l ei p v 4a n dm o b i l e i p v 6a r e p r e s e n t e d t h e n t h r e e i m p r o v e dm i c r o m o b i l i t yp r o t o c o l s o fm o b i l ei pa r e d i s c u s s e d ，a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e sa r ea n a l y z e d s e c o n d l y , t h ed i s s e r t a t i o np r o b e si n t ot h eq o s o fm o b i l ei ph a n d o f f a ne x t e n d e d r s v ps c h e m ef o rw i r e l e s sm o b i l en e t w o r ki s p u t f o r w a r do nt h eb a s eo ff i x e d n e t w o r k - o r i e n t e dr s v et h es c h e m eu s e sm o b i l i t yp r e d i c a t i o na n dp a s s i v er e s e r v a t i o nt o m a k ea d v a n c e dr e s e r v a t i o no fw i r e l e s sr e s o u r c ei nas e to fc e l l sw h e r em o b i l en o d ew i l l s o o ne n t e r , a n du s e sc o n t r o is c h e m ef o rw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r kh a n d o f ft oi n c r e a s et h e p r o b a b i l i t yo f s u c c e s s f u lh a n d o f f t h i r d l y , c o n s i d e r i n g a b o u tt h ei n f l u e n c eo fw i r e l e s sl i n kt ot c pp e r f o r m a n c e ，t h e d i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ef e a t u r e so fw i r e l e s sl i n k ，c o m p a r e st h r e ed i f f e r e n tm e c h a n i s m s t h a tp r o p o s e dt oe n h a n c et c p p e r f o r m a n c e i nw i r e l e s sn e t w o r k s o nt h e s ec o m p a r i s o n s , a r e c o m m e n d a t i o ni s b r o u g h t o u tt h a ti st ou s c s n o o pt e c h n i q u e t o i m p r o v e t c p p e r f o r m a n c e i nt h ep r o c e s so f m o b i l ei p h a n d o f f w i t hs m o o t hh a n d o f f a n d q u i c k r e s e n d f i n a l l y , t h es i m u l a t i o n so f m o b i l ei ph a n d o f f p e r f o r m a n c ew i t hn s a r ei n t r o d u c e d a s c h e m eo fm o b i l ei ph a n d o i f , b a s e do nh i e r a r c h i c a l m o b i l i t ya n dm o b i l i t yp r e d i c t i o n t e c h n i q u e s ，i sa l s or e c o m m e n d e d , w h i c hc a np r o v i d eq o sg u a r a n t e e sa n db e t t e rh a n d o f f p e r f o r m a n c e k e y w o f d ：m o b i l ei p ；t c p ；q o s ；h a n d o f f 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。 作者签名： 童| ；, t i j - 日期：一年年争月名日 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，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“d ”) 作者签名： 导师签名： - l - 茹it t t日期：础年年月) 6 日 日期：2 即斗年牛月2 7 日 曼 杈 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着i n t e r n e t 技术全面走向社会，计算机网络在短短的几年时间里，迅速成 为现代信息社会的一个重要信息载体，对当代社会产生着越来越大的推动作用。 作为i n t e r n e t 的主体通信协议的t c p i p 协议，随着i n t e r n e t 的普及应用，已经 成为事实上的计算机网络的工业标准，i p 技术将最终战胜其他各种网络技术而成 为网络竞争的最后赢家，i p 将是数据通信必然的选择。 一个不容忽视的现象是，在最近几年，随着无线数字传输技术的发展，一种 新型的局域网一无线局域网( w l a n ) 悄然出现，极大地改变着i n t e r n e t 的传统 服务形式，i n t e r n e t 末端用户所要求的已经不仅仅是能够通过电话拨号或网卡插 槽方便地接入，而是更加灵活的无线接入形式，并且要求是在任何时候、任何地 点都可以享受i n t e r n e t 的服务。从这一点来说，i n t e r n e t 走向了移动，即i p 走 向移动。与此同时，随着通信技术发展的日新月异，通信网络之间相互融合的趋 势日见明显，而计算机网络，以其独有的优异性能和强大的信息运载能力，以及 高度的实用性和优异的使用性价比，将会在未来的信息网络架构中起着不可替代 的主导作用。现在的i n t e r n e t 将是未来“信息高速公路”的主干和依托。 总而言之，随着技术不断发展和社会信息需求的持续增长两个因素的强劲推 动，通信网络的融合是一种必然的趋势，各个通信网络的业务将会相互交叉和渗 透，而移动和i p 的结合是这种融合趋势在当前阶段的强烈反映。 1 2 lp 对移动性的支持 在移动通信中，人们在移动中仍然能够保持与电话网的连接，这种对移动性 的支持也应该适用于i n t e r n e t 。由于i n t e r n e t 的兴起，人们可以通过它获得各种 信息，如收发电子邮件，下载文件等，我们可以想象，不久的将来，人们将携带 他们的笔记本电脑去出差、旅行，这些移动用户迫切希望能够随时、随地地接入 i n t e r n e t ，并且在移动中保持与i n t e r n e t 的连接。随着便携式计算机的普及和无 线局域网技术、蜂窝网的不断成熟，用户的需求越来越高，无线局域网用户要求 网络能够提供全球的移动性支持，而蜂窝网用户也要求网络提供高速数据业务。 移动终端系统的移动带来了它们在网络的接入点频繁的改变，在这种环境下，为 了使移动设备在移动中不中断通信，就需要一个通用的网络协议以提供网络移动 性。 移动i p 切拱性能研究 笔记本电脑的移动使得它们频繁地改变与网络的连接点，在现有的i n t e r n e t 协议下，主机必须在网中处于由其i p 地址标示的地方，才可以接收数据，移动终 端只要改变它的接入点，就要改变i p 地址，这种方法不能实现移动传输和高层连 接的不中断，满足不了用户的要求。移动主机如何高效地访问，以及如何向移动 用户提供透明的i n t e r n e t 信息服务一直是一个在广泛讨论中的问题。i n t e r n e t 学 会的工程技术委员会( i e t f ) 成立了“i pr o u t i n gf o rw i r e l e s s m o b i l eh o s t ” ( 简称“m o b i l ei p ”的工作组，该工作小组一直致力于在i n t e r n e t 上提供主机 可移动性的标准。他们在研究，总结了此领域前期工作的基础上，提出了一系列 的建议标准( p r o p o s e ds t a n d a r d ) ：i p 移动性支持r f c 2 0 0 2 ，移动i p 中的路由 优化m ，i p i n i p 打包和i p 内最小打包等。其中i p 移动性支持，既移动i p 协议， 是最基本的协议，主要采用了移动绑定的方式。移动绑定即代表了一个移动节点 的家地址，代表当前位置的转交地址，还有剩余生存时间等等。家网中有一个家 乡代理保持这个移动绑定来提供转发服务，而在移动节点现在所处的网也有一个 外地代理根据移动绑定提供转发服务。在下一章，我们将详细讨论这个协议。 1 3 移动ip 技术研究现状 移动i p 技术自从二十世纪九十年代初期提出以来，经过短短不到十年时间的 发展，在i n t e m e t 应用获得迅猛扩张的背景下，已经取得了长足的进步，国内外形 成了不少研究开发的组织和团体，遵照与i e t f 的移动i p 协议 r f c2 0 0 2 3 兼容 的基本原则，各方开发出了各自的实现系统原型，并就研究的侧重点的相关技术 进行了有益的探索和实践。目前，有关移动i p 的研究正渐入佳境，特别它与第三 代移动通信的有机结合的问题，成为了各方关注的热点。 第一个移动主机协议c o l u m b i am h p 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 打包。几乎与此同时，s o n y 公司 的f u m i 0t e r q o k a 设计了另一种移动主机协议，s o n ym h p ( v i p ) ”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i b mm h p ，这 种协议利用了现有i p 协议中的可选功能一一松散源选径( l o o s e s 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 s 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。1 9 9 6 年在移动i p 的发展史上 是值得纪念的一年。r f c 2 0 0 2 、r f c 2 0 0 3 、r f c 2 0 0 4 、r f c 2 0 0 5 和r f c 2 0 0 6 在1 0 月的 相继公布，奠定了移动i p 发展的基础。 r f c 文档一经发表，立刻引发了研究移动i p 技术的高潮。针对r f c 文档中的 2 硕士学位论文 一些问题和有待扩展的方面，研究人员提出了很多的思想进行增强和改进。其中 主要集中在如下几个方面： ( 1 ) 移动i p 技术在下一代即i p v 6 中的应用： ( 2 ) 支持“微移动”的移动i p 技术； ( 3 ) 无线网络中的t c p 协议改进； ( 4 ) 全i p 网络的研究： ( 5 ) 切换性能研究 对于下一代因特网互联协议i p v 6 ，d b j o h n s o n 借鉴了m o b i l ei p v 4 的基本 原理，提出了m o b i l ei p v 6 n ，草案，主要作了几个方面的改进。由于i p v 6 的地址 空间不是问题，这么巨大的地址空间使得地址的自动配置变得非常简单，移动节 点可以很简单快速地得到一个配置转交地址。m o b i l ei p v 6 不再需要外地代理了， 同样也不需要外地代理转交地址了，也就是说，m o b i l ei p v 6 中唯一的一种转交地 址是配置转交地址。m o b i l ei p v 6 采用了新的、改进了的i p v 6 选路报头以及认证 报头和一些i p v 6 功能，从而简化了到移动节点的路由选择，使得路由优化可以安 全地进行。一旦因特网中广泛采用了一种密钥管理体系。m o b i l ei p v 6 就可以过渡 到路由优化。 目前已提出了一些应用于“微移动”的快速切换的移动i p 的移动管理方案， 其主要思想是将h a 的功能分布化，实旌本地注册。主要包括h m i p ”1 ( h i e r a r c h i c a l m o b i l ei p ) ，蜂窝i 印，h a w a i in ，等，都是把无线接入网划分为个个的无线域， 在无线域内实旋注册本地化。 t c p 是一种基于滑动窗口的可靠传输协议，无线移动网络中的t c p 性能问题引 起了各个大学和研究机构的广泛关注。i e t f 为此专门成立了p i l c ( p e r f o r m a n c e i m p l i c a t i o n so fl i n kc h a r a c t e r i s t i c s ) 工作组。目前增强t c p 性能的技术主 要有链路层技术，端到端技术和混合增强技术( 主要指s n o o p 协议) 。 3 g p p ”- ( t h e3 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 ) 和3 g p p 2 “”组织分别负责 基于g s m g p r s 和i s 一9 5 c d m a 的第三代移动通信系统的结构和标准的设计和制定。 今天的无线核心网是基于电路交换的七号信令系统( s s 7 ) 结构，随着i p 技术的 发展及数据业务的急剧增长，无线通信的核心网正朝着i p 技术转变，无线通信开 始作为有线网络拓扑的一个子系统而存在。移动i p 和3 g p p 3 g p p 2 系统都处于不 断的发展中，3 g p p 2 的发展目标是包括无线接入网在内的全网i p 化，所有的业务 都基于i p ，移动i p 及其相关协议将成为整个网络的路由协议和移动性管理协议， 全网i p 化首先要解决好i p 的“微移动性”问题。 蜂窝结构可以适应很高的用户密度，同时也产生了一个很复杂的问题，那就 是怎样确保用户在小区之间移动时保持通信不中断，这处理过程叫做越区切换， 如图1 1 。 3 移动i p 切换性能研究 切换发生在呼叫过程中，在通信终端不通信时不会发生切换。切换的目的是： 在移动台与网络之间保持一个可以接受的通信质量，保证通信的连续性。由于移 动信道的复杂性，诸如衰落、遮挡、干扰以及移动台的运动或附近物体的运动， 会造成接收信号电平发生很大的起伏而成为可能触发切换的主要因素。因此，在 移动通信系统中，切换被看作是最复杂最主要的过程之一。此外，为了适应用户 数量的快速增长，一般要采用小半径小区，而这样无疑增加了网络中的切换次数。 a ) 切换前b ) 切换后 图1 1 小区间的切换过程 切换可以发生在同一个小区内( 即小区内切换) ，也可以发生在小区间( 即小 区间切换) 。切换的性能直接关系到用户的通信质量。有两个描述通信服务质量的 参数：呼叫被柜绝的概率和呼叫中断( 在通信过程中被中断) 的概率。在切换过 程中，呼叫中断的概率会上升。因此，切换的成功率是很重要的，它是衡量通信 质量的一个非常敏感的指标。 对于移动i p 切换性能的研究，可以从快速切换和平滑切换两个方面考虑。快 速切换是一种切换操作，它减少或者消除了移动节点建立新的通信路径的延迟； 平滑切换则减少了数据包的丢失率；而无“缝”切换是两者的结合，即低迟延和 低丢失率。 1 4 论文研究的主要内容 本文着重对移动i p 的三种“微移动”协议进行了比较和分析，并就切换过程 中对t c p 性能和q o s 保障的影响进行了较深入的分析。本文的重点在于通过对移 动i p 及其现有的改进协议进行计算机仿真，提出了基于分层和移动预测技术并能 提供q o s 保障的移动i p 切换方案，该方案较好地改善了移动i p 快速和平滑切换 的性能。 1 5 论文的组织结构 全文共分五章，第一章为绪论，介绍了移动i p 的研究背景和现状，分析了存 在的问题，列举了研究方向和成果。第二章主要介绍了标准移动i p 的原理和实现 机制，并着重分析比较了三种改进的移动i p “微移动”协议。第三章是对移动i p 4 硕士学位论文 切换的q o s 性能的研究，主要介绍了m r s v p m ，协议，并对之提出了改进策略。第四 章是讨论切换对t c p 性能的影响。第五章对移动i p 切换的仿真做了大量的工作， 通过仿真更深入分析了现有各种协议的优点和不足之处，提出了一种更理想的基 于移动i p 快速和平滑切换的方案。 5 移动i p 切换性能研究 第2 章现有改进的移动ip 协议分析 2 1 标准移动lp 协议 2 1 ，1m o b ii el p v 4 协议 2 1 1 1 协议目标 移动i p 是一种在全球因特网上提供移动功能的方案，它使节点在切换链路时 仍可保持正在进行的通信任务m ，。移动i p 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。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、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因特网上应用。 2 1 1 2 协议机制 a ) 移动i p 的实体 移动i p 定义了三个新的功能实体： ( 1 ) 移动节点( m o b i l en o d e ) 这是一台主机或路由器，它在切换链路时不 改变它的i p 地址，也不中断正在进行的通信。 ( 2 ) 家乡代理( h o m ea g e n t ) 这是一台路由器，它有一个端口连接在移动节 点的家乡链路上，这个端口截获所有发往移动节点家地址的数据包，并通过隧道 将它们送到移动节点最新被告知的转交地址上。 ( 3 ) 外地代理( f o r e i g na g e n t ) 这是一台有一个端口在移动节点的外地链 路上的路由器，它帮助移动节点完成移动检测，并向移动节点提供路由服务。例 如在移动节点使用外地代理转交地址时，对通过隧道到达的数据包进行拆封。通 常一个节点可以是一些移动节点的外地代理，同时又是另一些移动节点的家乡代 理，三个实体可以同时在一个节点上实现。 b ) 每台移动节点有两个地址 家乡地址( h o m ea d d r e s s ) 这是移动节点的通信伙伴们( c h ) 所知道的移动 节点的i p 地址。当移动节点在因特网上移动时，它是不变的。移动节点家乡地址 的网络前缀( n e t w o r k p r e f i x ) 与在它的家乡链路的网络前缀相同。 转交地址( c a r eo fa d d r e s s ) 移动节点将这个地址暂时作为从移动节点的家 代理发出的隧道的出口。当移动节点在因特网上移动时，转交地址是改变的。转 交地址有两类；外地代理转交地址( f o r e i g na g e n tc a r e o fa d d r e s s ) 是有一个 端口在移动节点当前链路上的那台外地代理的地址，而配置转交地址( c o l l o c a t e d 6 - 硕士学位论文 c a r e o fa d d r e s s ) 是暂时分配给移动节点某一个端口的地址。 c ) 移动节点定义了三种功能实体 代理搜索( a g e n td i s c o v e r y ) ：代理搜索是移动节点确定它的当前位置，检 查它是否移动了以及得到一个外地代理转交地址的方法。它通过家代理和外地代 理周期地发送代理公告来实现，代理公告是i c m p ( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g e p r o t o c 0 1 ) 路由器公告消息的扩展，移动节点也可以发送代理征求，请求在它当 前链路上的代理发送一条公告。 注册( r e g i s t r a t i o n ) ：注册是移动节点向它的家代理通知它当前的转交地址 的一种论证机制，也是移动节点在回到家乡链路上后注销转交地址的机制。 隧道( t u n n e li n g ) ：隧道技术是移动i p 定义的第三种主要功能，是对数据包 进行路由的特殊规程，要发往移动节点的数据包先被发往家链路，这是采用网络 前缀路由的结果。隧道技术的核心是封装。所谓封装是指把一个完整的i p 分组当 作数据，放在另一个i p 分组内。原i p 分组的i p 地址叫内部地址，新的i p 分组 的i p 地址口u 做外部地址。隧道技术就是在隧道的起点将i p 分组封装，并将外部 地址置为隧道的终点的i p 地址。这一封装的i p 分组经正常的i p 路由算法传递到 隧道的终点。在隧道的终点，封装的i p 分组被拆封。 d ) 移动i p 的路由机制 当移动主机移动到外地网络时，它就会获得一个转交地址( c o a ) ，并通过外 地代理( f a ) 向位于家乡的h a 注册，从而使 a 得知m n 的当前位置。当有网络中 的通信节点( c h ) 访问m n 时，其发送给m n 的数据包通过正常i p 路由到达m n 的 本地网络，h a 替m n 截获这些数据包，并从自己的注册表中找到m n 的c o a ，通过 隧道技术将它们发送给f a ，f a 把解除封装后的数据发送给m n 。m n 发送给通信节 点的数据包通过标准路由到达通信节点。 2 1 2m o b i e i p v 6 协议 m o b i l ei p v 6 总体上还是基于m o b i l ei p v 4 的基本原理。但是在m o b i l ei p v 6 中m 能够利用链路层地址和自动地址配置产生自己的c o a 。于是就不再需要外地 代理。m o b i l ei p v 6 引入两个新的i p v 6 目的选项报文头，分别是绑定更新的b u ( b i n g i n gu p d a t e ) 和绑定应答( b i n d i n ga c k n o w l e d g m e n t ) 。目的选项报文头是 一种只由目的节点处理的i p v 6 的扩展头。m h 可直接向c h 发送b u ，b u 可携带有效 的数据。该机制要求，当i p v 6 节点发送数据时，应先检查是否有该目的地址的绑 定。 同m o b i l ei p v 4 相比，m o b i l ei p v 6 具有以下优点和不同： ( 1 ) 由于i p v 6 拥有足够的i p 地址，消除了l p v 4 地址短缺的问题： ( 2 ) 外地代理不再必须。在m o b i l ei p v 6 中，m h 利用增强的i p v 6 特点，例 7 移动口切换性能研究 如利用地址自动配置和邻居配置地址。d h c p ( d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o n p r o t o c 0 1 ) 同样不需要。 ( 3 ) 集成路由优化克服三角路由。对于m o b i l ei p v 4 来讲，路由优化是附加 的功能实体，采用它须提供相应的安全论证系统，而m o b i l ei p v 6 来讲，路由优 化是其一部分。 ( 4 ) 发送给删的报文到达家乡网络后，h a 吸引该报文采用的是i p v 6 邻居发 现机制，而在m o b i l ei p v 4 中利用的是代理a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 。 2 2 改进的移动ip 协议分析 2 2 1 移动i p “微移动”协议分析 移动i p 是为了在计算机网络内实现移动性而提出的，它较好的解决了“宏移 动”性( m a r c om o b i l i t y ) ，即主机由一地移动到另一地或在不同的网络运营商的 网络间移动的问题。但人们没有考虑移动主机的“微移动”性( m i c r om o b i l i t y ) ， 即主机在属于同一个域的不同子网或小区之间的切换问题。移动i p 要求移动主机 在每次切换时都要把其位置信息，即转交地址c o a 告诉h a ，从而使h a 拦截发往 m n 的分组，并通过隧道转发给m n 。将来随着移动通信的发展，运营商为增加网络 容量，提高通信带宽，需要减少无线小区的半径，从而导致小区切换越来越频繁， 使移动主机频繁的注册，严重影响网络性能，造成较大的切换延迟，特别是当m n 远离家乡网络时，将引起严重的包丢失和通信吞吐量的下降。 目前已提出了一些应用于“微移动”的快速切换的移动i p 的移动管理方案， 其主要思想是将h a 的功能分布化，实施本地注册。主要包括h m i p ( 层次移动i p ， h i e r a r c h i c a lm o b i1 ei p ) ，蜂窝i p ，h a w a i i 等，都是把无线接入网划分为一个 个的无线域，在无线域内实施注册本地化。本文将对这些改进的移动i p 协议进行 介绍和分析”。 1 h m i p h m i p 协议通过一个f a s 的分层来处理本地的移动i p 注册。在这个协议中，移 动主机发送移动i p 注册消息来更新它们各自的位置信息，h m i p 把多个外地链路组 成一个域，并在域中增加一个网络实体一一网关外地代理( g f a ) 。m n 向h a 注册的 转交地址不再反映当前的具体位置，而是代表了m n 当前所处区域的网关外地代理 ( g f a ) 。g f a 是一个区域中起核心控制功能的外地代理。当m n 在同一g f a 管理的 区域内移动时，不必向距离较远的h a 发送位置更新消息，只需向g f a 注册即可， 减少了重新注册时间。如图2 1 所示：注册消息在相邻f a 之间沿着从m n 到f a 网 关( g f a ) 的路径建立隧道，在网络隧道中传送的通向主机的数据包，可以看成是 一个位于i p 层以上的独立的路由网络。 8 硕士学位论文 图2 1h m i p 的层次切换 2 蜂窝l p 蜂窝i p 的网络结构也采用了i n t e r n e t 中域的概念，运营商在一个地区的无 线接入网属于一个域，它通过一个路由器接入到i n t e r n e t 中，所有进入和离开该 域的数据都必须经过路由器，我们把此路由器称为蜂窝i p 网关。在蜂窝i p 中， 位置管理和切换支持是和路由结合在一起的。为了使控制信令减少到最低，m h 发 送的一般数据包常用于建立主机位置信息，m h 到网关的上行链路包采用h o p b y 路由方式，经过的路径缓存在基站中，而网关到mn的下行链路包采用此mn：hop 最近发送的包所使用路径的相反方向。 由于大部分移动数据用户在多数时间内都处于一种待机状态，人们认为当用 户处于待机状态时，网络只需要了解移动主机的大致位置而不必精确跟踪用户的 位置，当有数据需发送时，网络才通过一定的查找机制及时找到移动主机，这个 过程称之为寻呼。 蜂窝i p 支持两种切换方案。移动i p 硬切换是用包丢失来换取使切换信令减 少到最小而不是努力保证零包丢失率的一种简单方法。如图2 2 所示：当移动主 机决定切换时，向b s 4 发送路由更新消息。b s 4 ，b s 3 分别创建m n 的路由表，以后 的数据将沿着新的路由b s 3 ，b s 4 到达m n 。切换时延是m n 到交叉基站b s 3 的时延， 这段时间内通过b s 3 的报文将丢失。蜂窝i p 半软切换通过在实际切换之前预先通 知新的接入点来准备切换，比硬切换提供改进的t c p 和u d p 性能。 在蜂窝i p 中，其网络内部采用蜂窝i p 内部路由，在其网络外部采用正常i p 路由。当移动主机在域内“微移动”时，不需要通知h a ，所有切换都在网络内部 完成，而只有在域问“宏移动”时，移动主机才需要向h a 重新注册，从而实现了 移动i p 的快速切换。 移动l p 切换性能研究 图2 2 蜂窝i p 中的切换 3 h a w a l | h a w a i i 协议是基于支持快速切换、被动链接、寻呼以及q o s 等特性而提出的， h a w a i i 依靠移动i p 提供广范围的域间移动性，其基本结构与蜂窝i p 相似，不同 的地方在于内部路由的建立和维护策略。h a w a i i 路由设置策略如图2 3 所示：当 m n 进入一个新域时，其向接入的b s 发出注册请求，该报文逐跳转发到根路由器， 在此路径的每个节点都会增加一个与m n 相关的路由表。当m n 发生切换时，m n 向 新基站发出注册请求， 图2 3h a w a i i 路由设置策略 新b s 向旧b s 发出路由更新报文，旧b s 更新其转发表并且将该报文逐跳转发给新 b s ，更新此路径的每个节点的路由表，完成新的路径设置。h a w a i i 定义了四种可 选的路径设置方案来控制接入点之间的切换。合适的路径方案选择依据于操作者 对包丢失的限制和把切换时延减少到最小等的优先级别的考虑。 1 0 - 硕士学位论文 4 三种协议的分析比较 a ) 协议的理论评估 文献 1 4 和文献 1 5 给出了移动i p 、h a w a i i 和蜂窝i p 的更新、刷新的系统 处理负载的计算公式。 假设l 每个基站周长为工。的正方形，覆盖面积是l ；1 6 。假设有b 。个基站， 它的覆盖面积为。2 b 。1 6 。p 是活动用户的密度。那么这个域的用户数为： n i p l 2 b d 1 6 ( 2 1 ) 假设2 用户移动方向是均匀分布在【0 , 2 x 】的随机变量，并使用文献 1 4 中给 出的模型，计算公式和推导出用户穿过边界的频率为 r u ) - , o v l l , - r ( 2 2 ) 移动i p 的h a 上的处理负载： c p 4 肌+ m 。型, t 也t + p m 紫t ( 2 3 ) l ou 其中，m u r q ) b 。；p v l 。b 。玎为b 。到日移动性相关的更新频率，因为用 户在任意两个基站之间的切换都会产生到h a 的注册。 m r f f i n t m f f i 气磊 为h a 上的注册频率，在刷新时间r ”期间，每个用户都 会发送一个刷新请求。 n 。和p m r 为移动i p 注册更新和刷新的c p u 处理时间。 h a w a i i 的根路由器的处理负载： ( 1 ) h m v 为在根路由器上的移动i p 更新频率。在h a 上的更新只有在域间移 动才发生。r ( 1 ) 为穿过域间的频率。l 为域的周长。 l 一4 届i 而；l n ih 。：r ( l 。瓦) p v l n x b o ( 2 4 ) ( 2 ) 在h a w a i i 中移动i p 刷新的注册是由那些离开家域的用户发送。设y 为 离开家域用户的百分比。那么刷新的注册频率为 h m r 。y m r = 等 ( 2 5 ) ( 3 ) 设，u 为根路由器上的路径更新频率。这些切换是在两个基站属于不同 的第二层路由器时的切换产生的。r 。为第二层路由器的数量，l 是第二层路由器 覆盖的周长。 l ；4 4 l ；b o 1 6 r dh ，。；r o r ( f ) - 丝纽鱼堕 ( 2 6 ) ( 4 ) 最后设h 。为根路由器上路径建立刷新个数。设平均y 个m h 发送一个刷 新报文。在刷新时削( t 。) 内，每个用户都刷新。 移动i p 切换性能研究 h p r n y t ；趔粤巡 ( 2 7 ) ( 5 ) 根路由器的处理负载为： c p u h - p m u h m u + p m r - m r + p h v h p u + p h r h e r嚷 一胁号竽紫协v 华芈q 踟 p 伽和p r 为h a w a i i 路径建立更新和刷新的c p u 处理时间。 蜂窝i p 网关的处理负载： ( 1 ) c 。为网关上的移动i p 更新频率。在h a 上的更新只有在域问移动才发生。 r ( f ) 为穿过域问的频率。为域的周长。 l 。4 - 压b o 1 6 。上。i ，c ：r ( 。瓦) 。p v l b 、b o ( 2 9 ) ( 2 ) 在蜂窝i p 中移动i p 刷新的注册是由那些离开家域的用户发送的。设y 为 离开家域用户的百分比，那么刷新的注册频率为 c m 。y m 。_ 7 p i l 一；b o ( 2 t 0 ) ( 3 ) 在蜂窝i p 中每个更新相关的控制包都会路由到网关，控制包主要有两种： 路由更新和寻呼更新。在协议中路由更新包的时间n 为3 秒，而寻呼更新包为3 分钟，所以我们在计算负载时忽略寻呼包的处理负载。假设处于活动状态的主机 的百分比为6 ，设平均每个活动主机发送一个控制报文。在n 时间内，每个活 动主机都会更新。设平均每个活动主机发送一个控制报文。在n 时间内，每个 活动主机都会更新。设c e r 为更新频率： c m 。 a v w l 4 i o p l _ ；b _ o 一1 6 w ( 2 11 ) ( 4 ) 当每个活动主机不同的基站之间移动时都会产生切换，并且这个控制报文 为路由更新。设c 。为切换频率。 c m 一6 m u = 6 p v 工8 曰d z ( 2 1 2 ) ( 5 ) 蜂窝i p 网关上的处理负载为： c p u c p m u c m u + p m r c m r + p c v c u r + p e r c p r ，噬+ 掣趣+ 胁唑+ 如丝巡2 1 3 玎 1 6 t m石t8 p c r 为蜂窝i p 网关路由更新的报文处理时间，p c 。- p c r 。 b ) 协议设计的关键技术比较 文献 1 6 和文献 1 7 以下分别给出了标准移动i p 、姒w a i i 、蜂窝i p 三种协议 设计的各种技术问题的比较( 见表2 1 和表2 2 ) ： 硕士学位论文 表2 1 简单的比较 h m i p c e i l u l a ri ph a w a i i 对应的o s i 层第3 5 层第3 层 第3 层 操作的节点f a 所有的c i p 节点所有的路由器 移动主机标识 h o m e 地址h o m e 地址c o 地址 中间节点 第3 层路由器第2 层交换机第2 层交换机 支持第2 屡触发切换 不支持可选可选 表2 ，2 关键技术的比较 比较问题 h m i p c e l l u l a ri ph a w a i i 逐跳的上行、下行路 特定路由转发主杌 分组转发机制隧道，封装与基站之间为封装报 径方式 、 文 报文中的地址扩展与通过路由c a c h e 和 通过特殊的路径建立 位置管理基站机制，保存报文地址 访问列表 p a g i n gc a c h e 转发表 不支持快速、平滑切支持硬切换和半软切 支持转发和非转发的 切换管理机制 换换切换机制 对空闲主机的支持不支持支持不支持 发送特殊的控制报文 有地址扩展能力捌m n ( r o u t e有c o l o c a t e dc o a 扩 对移动主机的要求 - - g f a 鉴定扩展能力u p d a t e ，p a g i n g展 u p d a t e ) 网关执行过滤器，控 对网关的要求 制器 增加结点之间的鉴定 安全性网关处加入防火墙 并使用封装 5 进一步讨论 尽管本地数据库结构以及更新数据库的方法等有所不同，三种移动i p 的微移 动方案( h m ip 蜂窝i p ，h a w a i i ) 仍有许多相似之处。如图2 4 所示：椭圆形内 为外地网络，a p ( a c c e s sp o i n t ) 是一个抽象实体，可以是路由器，