（通信与信息系统专业论文）全ip网络中移动ip快速切换性能研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 移动互联网正成为互联网和通信界共同关注的热点。根据现有的 i e t f 移动i p 规范，当移动节点驻留在远离家乡网络的外地网络时，每 次切换，将会产生严重的注册延迟，从而引起严重的包丢失和通信吞吐 量下降。本文利用改进后的移动i p 网络结构，对其中的注册性能、移动 管理、路由优化进行了深入的分析。 本文包含有以下主要内容： 第一章介绍了移动i p 标准协议。首先介绍了标准移动i p 协议中的 三种功能实体( m n ，f a ，h a ) 。然后，对移动i p 的工作过程进行了阐述。 并且，随后又指出标准移动i p 协议中存在的问题。最后，对研究背景及 意义进行了说明。 第二章主要介绍了一些移动i p 的优化策略。趑些策略主要包括四 、 个方面： 1 移动检测技术。主要讨论了积极和消极的检测技术，以及结 合链路层信息的检测技术。 2 分层移动i p 技术。探讨了多种分层模型，例如三级模型， c e l l u l a ri p ，h a w a i i ，分布式动态m o b i l ei p 区域注册等。 3 平滑切换技术。通过数据包的再次隧道封装，o f a 把数据包 转发到n f a ，以避免数据包的丢失，实现平滑切换。 4 路由优化技术。主要探讨了实现方法及相关的移动管理。矿 第三章根据以上的理论及策略，运用o p n e t 仿真软件，构建出h a ， f a ，g f a ，m n ，以及c n 等网络节点模型和提供路由优化的节点级模 块模型。对这些网络节点模型及模块模型进行了简单的介绍和说明。 第四章运用构建出的旦终蔓盛模型，针对不同的仿真策略，构建出 多种网络仿真场景，进行网络仿真及分析。 关键词：由优化、 夕 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o b i l ei n t e r n e ti sb e c o m i n gh o ts p o t w h e nam o b i l en o d ei sf a r a w a yf r o mh o m en e t w o r k ，r e g i s t r a t i o na t i t sh o m ea g e n tc a nc a u s eal o n g h a n d o f f d e l a yt h a tl e a d st os i g n i f i c a n tp a c k e td r o pa n dt h r o u g h p u tr e d u c t i o n c o n s i d e r i n gt h i ss i t u a t i o n ，an o v e lm o b i l ea r c h i t e c t u r e i si n t r o d u c e d ，a n d a c c o r d i n g l y t h e r e g i s t r a t i o nd e l a yp e r f o r m a n c e i s i m p r o v e d ，m o b i l i t y m a n a g e m e n ta n dr o u t eo p t i m i z a t i o nh a v eb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n tj nt h i sd i s s e r t a “o ni n c 】u d e s ： i nc h a p t e r1 ，t h ep r o t o c o lo nm l p v 4i si n t r o d u c e d f i r s t l y ，t h r e em a j o r n e t w o r kn o d e ss u c ha sh a ( h o m e a g e n t ) ，f a ( f o r e i g na g e n t ) a n dm n ( m o b i l e n o d e ) a r ee x p l a i n e d s e c o n d l y ，t h ew o r kp r o c e s so f m o b i l ei pi sd e s c r i b e d t h i r d l y ，t h ep r o b l e mo fm o b i l ei p i s a n a l y z e d f i n a l l y ，t h eb a c k g r o u n do f r e s e a r c hi sd i s c u s s e d i nc h a p t e r2 ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n so fs o m es c h e m e s a r eg i v e n t h es c h e m ei m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e mi n c l u d i n gt h e r e g i s t r a t i o nd e l a y ，p a c k e tl o s s a n dt h r o u g h p u t f i r s t l y ，t h ep e r f o r m a n c eo f e a g e r a n d l a z y h a n d o f f sc o m b i n e dw i t hl i n k l a y e r m o v e m e n td e t e c t i o n a l g o r i t h m si n c e l l sh a v eb e e ns t u d i e d s e c o n d l y ，s o m er e g i o n a ll o c a t i o n m a n a g e m e n ts c h e m e sa r ed i s c u s s e d t h i r d l y ，i no r d e rt og a i ns m o o t h n e s s o fh a n d o i f , t h es c h e m eo fp a c k e t st r a n s m i s s i o ni sr e s e a r c h e d f i n a l l y ，r o u t e o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e s a r ei n t r o d u c e d r o u t e o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e s m a k ee x t e n s i o n s o fm o b i l ei p p r o t o c o l t o i m p r o v e t h en e t w o r k p e r f o r m a n c e i nc h a p t e r3 ，u s i n go p n e t t h en e t w o r kn o d e sm o d e l ss u c ha sf a ，h a ， g f a m na n dc na r cc o n s t r u c t e d i no r d e rt or e a l i z er o u t eo p t i m i z a t i o n ，t h e c o r r e s p o n d i n gm o d u l e i sd e v e l o p e d i n c h a p t e r4 ，n e t w o r kt o p o l o g y i sc o n s t r u c t e df o rs i m u l a t i o na n d a n a l y s i s f i r s t l y , b yu s i n gt h e s en e t w o r kn o d e sm o d e l sw h i c hh a v eb e e n c o n s t r u c t e d ，s o m e n e t w o r ks c e n a r i o sa r e c o n s t i t u t e d s e c o n d l y , b y c o n f i g u r i n g s o m ea t t r i b u t eo fn o d e s ，t h ea l g o r i t h mi s r e a l i z e da n ds o m e c o n c l u s i o n sa r eg o t k e y w o r d s ：m o b i l ei p ，h a ，f a ，m n ，h a n d o f f ,r o u t eo p t i m i z a t i o n l l 独创性声明 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 4 及取妣研究成果。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，也不包含为 获得电子科技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作了明确的 说明并表示谢意。 签名：莶盐 日期：炒年；, 目o h 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学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应遵守此规定) 签名：壹盎二一导师签名： 日期：跏；年3 月o 日 电子科技大学硕士学位论文 主要符号表 m n ( m o b i l en o d e ) 移动节点 m h ( m o b i l eh o s t ) 移动主机 h a ( h o m ea g e n t ) 家乡代理 f a ( f o r e i g na g e n t ) 外地代理 o f a ( o l df o r e i g na g e n t ) 切换过程中，即将断开的外地代理 n f a ( n e w f o r e i g na g e n t ) 切换过程中，即将连接的外地代理 c o a ( c a r eo f a d d r e s s ) 转交地址 c n ( c o r r e s p o n d e n tn o d e ) 对端节点 c h ( c o r r e s p o n d e n th o s t ) 对端主机 g f a ( g a t e w a yf o r e i g na g e n t ) 能进行区域注册管理的f a d f a ( d o m a i n f o r e i g na g e n t ) 能进行区域注册管理的f a b s ( b a s es t a t i o n ) 基站 l c s ( l a z y c e l ls w i t c h i n g ) 消极切换算法 p m ( p r e f i xm a t c h i n g ) 前缀匹配算法 e c s ( e a g e r c e l ls w i t c h i n g ) 积极切换检测算法 n f u ( n e i g h b o rf o r w a r d i n gu n i c a s t ) 邻居单播 b f u ( b a c k w a r df o r w a r d i n gu n i c a s t ) 后向转发 f f u ( f o r w a r d sf o r w a r d i n gu n i c a s t ) 前向转发 电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 随着i n t e r n e t 的迅猛普及，笔记本计算机的大量使用，以及无线通 信设备的发展，网络用户产生了对主机移动性的需要，即希望接入 i n t e r n e t 的主机，能够在所处的位置不断变化的情况下，保持已有的通 信连接。i e t f 定义的m o b i l e i p 【1 】就是一种能够满足需要的网络技术， 它是传统i p 技术的扩展。 1 1 m o bil eip 基本原理 1 1 1m o b ilei p 的功能实体 移动节点( m n ) ：处于移动中的用户终端或手机，从i p 的角度 指从一个网络移动进入另一个网络而改变接入点的主机。 家乡代理( h a ) ：有一个端口与移动节点家乡链路相连的路由 器。 外地代理( f a ) ：在移动节点的外地链路上的路由器。 11 ，2m o b j j ej p 工作机制 1 1 通过周期性地组播或广播“代理广播”( a g e n t a d v e r t i s e m e n t ) 消 息，家乡代理( h a ) 与外地代理( f a ) 宣告它们与链路的连接关系。 2 ) 移动节点收到这些广播消息后，检查其中的内容以确定自己是连 接到家网或者外地网络上。当它连接到家网上时，移动节点就可 以像固定节点一样工作，不再利用移动i p 的其他功能。 3 ) 连接在外地网络上的移动节点需要个转交代理c o a 。它可以从 外地代理广播的代理广播消息中找到外地代理c o a ，配置转交地 址必须通过如d h c p 、p p p 等进行配置。 4 1 移动节点向家乡代理注册从第三步中得到的转交地址，可以通过 m o b i l ei p 中定义的消息交换来完成。在注册过程中，如果链路 上有一个外地代理，移动节点就向它请求服务。为阻止拒绝服务 攻击，注册消息要求进行认证。 5 ) 家乡代理( h a ) 或者是在家网中的其他一些路由器广播对移动节 点( m n ) 家乡地址的网络前缀的可达性，从而吸引发往移动节点 ( m n ) 家乡地址的i p 包，家乡代理截取这些包( 可能用代理a r p ) ， 电子科技大学硕士学位论文 并根据移动节点的转交地址，通过隧道将数据包发送给移动节 点。 6 ) 在隧道出口，原始i p 包被提取出来，送给移动节点( m n ) 。依据 转交地址的不同，隧道出口可以是外地代理( 采用代理转交地址 时) ，或者就是移动节点本身( 采用配置转交地址时) 。 7 ) 移动节点发送给通信对端的i p 数据包直接送到网络，路由到目 的节点，无需隧道技术，对所有来访的移动节点发出的包来说， 外地代理作为缺省路由器。 图1m o b i l e i p 的基本原理 总的来说，移动i p 的工作主要有三个部分组成：代理搜索、注册、 包传送。 移动节点( m n ) i i 盛过代理搜索，可以判断它的当前位置是在家网上还 是在外地网络上，可以检测是否发生了切换，在外地网络上时得到一个 c o a 。代理搜索由两条消息组成，第一条是代理广播消息，第二帑嚼寸玳 理请求消息。代理广播通常是周期性地广播，如果移动节点没有耐心等 待代理广播，它可以发送代理请求消息，让网络上的所有代理立即发送 电子科技大学硕士学位论文 代理广播消息。 注册主要用于通知家乡代理移动节点的c o a ，也用于申请得到外地 网络上的外地代理的路由服务。当m n 发现它的网络接入点从一个网络 切换到另外一条网络上时，它就要进行注册，当移动节点发现它回到家 网时，要向家乡代理注销。此外，注册有一定的生存时间，所以即使移 动节点并没有移动位置，也要在注册过期之前重新注册。移动i p 注册包 括两种消息的交互：注册请求( r e g i s t r a t i o nr e q u e s t ) 和注册应答 ( r e g i s t r a t i o nr e p l y ) ，注册消息放在u d p 数据部分。两种注册消息都 要有移动代理家乡认证扩展，它的作用是证明消息发送者的真实身份。 包传送过程中，发送给移动节点( m n ) 的包被送到移动节点的家网， 家乡代理( h a ) 截获这些包，通过隧道技术将包发送到移动节点的转交地 址( c o a ) ，然后再发送到移动节点( m n ) 。而从移动节点( m n ) 发出的数据 包，直接经过外地网络路由到通信对端，不需要隧道技术。 1 2m o bii efp 存在的问题 m o b i l ei p 在i p 层解决了主机的移动性问题，但是它也带来了切换 问题和三角路由的问题。 当m n 判断出自己已经移动到新的外地网络时，就需要进行切换， 它首先需要从外地网络获得新的c o a ，并向h a 注册这个c o a ，h a 返回 注册应答，这样就完成一次新的注册过程。h a 开始将目的地址为m n 的1 p 包通过隧道发送到新的c o a ，从m n 离开原先的外地网络开始， 到h a 接收到m n 的新的注册请求为止的这段时间内，由于h a 不知到 m n 的最新的转交地址，所以它仍然将接收到的以m n 为目的地址的i p 包通过隧道发送到原来的外地网络，这样，这些i p 包都会丢掉。由于 m n 完成切换的时间比较长，在广域网的条件下，可以为几百毫秒，这 样就会导致t c p 层启动拥塞控制机制。另外，当用户在不同蜂窝小区间 移动时，频繁发送m o b i l ei p 控制消息，更新用户位置信息，产生的控 制消息流量也加大了核心网络的传输负担。 三角路由问题是指从m n 到c n 的数据包走正常的i p 路由，而反向 的数据包需要经h a 的转接，走的不是最佳路由，路由的效率可能很低。 比如当m n 离c n 很近，而离h a 很远时，效率就很低，时延也很大。 4 电子科技大学硕士学俯论文 1 3 本文研究的具体内容、意义及课题来源 对移动i p 技术的研究是一个复杂且范围广泛的领域。本文围绕着 降低切换延时，减少切换时的丢包率，降低由于切换所造成的网络负荷 的增加等方面，从网络层出发，对整个网络系统，进行了系统的研究。 并且结合先进的大型网络仿真软件o p n e t ，构造出f a ，h a ，m n ，g f a 等 网络节点和模块，搭建了提供移动支持的网络拓扑结构，对移动i p 协 议进行了分析和仿真。本文的研究成果不仅为进一步研究网络协议提供 了网络软件平台，而且，从系统角度对网络各项性能进行分析的结果对 进一步研究移动i p 协议有着重要意义。 本文所作的研究得到了中兴基金项目“无线i pq o s 结构、模型、 算法研究”的支持。 电子科技大学硕士学位论文 第二章m o b ii ei p 的快速切换策略 m o b i l ei p 在i p 层提供移动支持，移动主机可以从个地方移动到 另一个地方而不中断已有的连接。在m o b i l e i p 切换过程中，m n 需要向 h a 注册，由于注册延迟的存在，会导致一些数据包会丢失，同时与上 层协议之间的相互作用可能会使情况恶化，甚至使通信中断。而且，注 册过程中会产生大量的开销，比如注册请求以及应答消息，消耗网络的 带宽资源和计算资源。所以，在本章中，将从系统级的角度，围绕着 降低切换延时，减少切换时的丢包率，降低由于切换所造成的网络负荷 的增加等方面，对目前各种切换策略( 包括移动检测、注册过程、网络 拓补、平滑切换以及路由优化等方面) 进行研究。 2 1m o b iiei p 的移动检测技术及策略 当移动节点在两个移动代理覆盖范围间移动漫游时，需要将移动节 点的通信由一个移动代理转交至另一代理的过程即为m o b i l ei p 的切换。 切换的主要步骤是切换前的移动检测和是否切换的判决。移动i p 切换时 延表示为t m l p h 。d 。f f = t 。d + t r c g ，这里，t 。d 为移动检测的时延，l 。g 为m n 注册时延。t 。d 和移动检测算法是相关的。以下先简要介绍m o b i l e i p 协议的两种经典切换检测算法，随后介绍两种快速切换算法。 2 1 1m o b 8j p 协议的两种基本切换检测算法 1 m o b i l ei p 基本切换检测算法一：消极切换算法l c s ( l a z yc e l l s w i t c h i n g ) 【l 】 如果移动节点在代理广播消息的有效期内没有继续从此代理收到广 播消息，则移动节点认为自己已经移动，应当执行切换。协议建议有效 期为3 秒，而代理发送的间隔一般为1 秒1 次，因此用于切换检测的时 延平均约为2 5 秒。 该算法适合小区重叠覆盖，且移动节点移动较慢的情况。如果底层 允许的话，移动节点将接收到不同的代理公告。假设移动节点很少移动， 这种算法将忽略其他的代理公告而选择不切换。但这种算法在链路层不 能同时接受不同代理公告的时候，如每小区采用不同的物理信道，会导 电子科技大学硕士学位论文 致不必要的时延。 2 m o b i l ei p 基本切换检测算法二：前缀匹配算法p m ( p r e f i xm a t c h i n g ) 【1 】 此算法通过比较所接收的代理广播消息的子网前缀来进行切换检 测。如果前缀不同，则移动节点认为自己已经移动，在当前注册失效后 执行切换。这种方法的好处是它可以处理一个子网内存在多个代理的情 况，但对于单个代理的情况，同l c s 的时延基本一样，移动节点仍采用 l c s 中利用生存时间来看当前的外地代理是否可用，如果不可用，移动 节点就注册到一个新的外地代理。 以上两种基本的切换检测算法，都引入了较长的时延。为了减少切 换检测时延，有一些快速切换算法提出。 2 12 些快速的切换算法 1 积极切换检测算法e c s ( e a g e r c e l ls w i t c h i n g ) 【2 】 此算法是对消极切换算法的改进。此算法认为移动节点一旦向某方 向移动后，停止或改变方向的概率较小。在此移动模型理论的基础上， 移动节点一旦收到新的代理广播消息，立即切换到这一新的移动代理 处。此算法产生的切换时延一般小于前面所提的两种基本算法。 2 与链路层相结合的检测算法【3 】 鉴于i p 层的移动检测算法相对较慢，而链路层通过信号传输质量的 检测可以提供迅速及时的节点移动信息。因此，与链路层的移动检测相 结合，根据链路层提供的切换触发信号作为m o b i l ei p 的切换判决信息 可以大大减少切换检测时延。 各种切换算法的应用情况是不同的。在人口密集的地区，移动通信 的业务量会很大，为了保证移动用户的正常通信，这些地区往往处在两 个或多个无线小区的重叠覆盖范围内。当移动节点在此区域内移动时， 与移动用户进行无线通信质量最好的无线接入点会频繁变化，不同的切 换算法将对通信产生不同的业务质量。当为了避免频繁切换的发生， 采用消极的切换算法。当为了保证通信质量，应该采用积极的切换算法。 由于链路层提供及时准确的无线信号测量报告，结合链路层检测信息的 切换算法将能及时获得移动节点的通信情况，有利于及时作出最合理的 切换判决。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 3 切换对通信性能的影响 1 从c h 到m n 方向 从m n 离开原先的外地子网开始，到h a 接收到m n 的新的注册请 求为止的这段时间内，h a 由于不知道m n 最新的转交地址，所以它仍 然将接收到的以m n 为目的地的i p 包通过隧道技术发送到原先的f a ， 这样，这些i p 包都会在原先的f a 处丢失掉。 对于u d p 而言，这段时间内u d p 源( 即c h ) 发送的数据流都会丢失， 造成通信的中断，中断时间为上述的这段时间。 对于t c p 而言，这时c h 的t c p 的拥塞机制就会起作用。所以t c p 连接的中断时间耍更长一些。 2 从m n 到c h 方向 m n 切换对这个方向上数据流的影响比较复杂，目前在文献中很少 提到。有些文献偶尔提到。都认为不会有任何的影响。他们认为。一旦 链路层切换完毕，m n 就具备了与网络通信的能力。事实上未必是这样。 底层切换时间相对来说非常短暂，比如在无线环境下大概为1 0 m s 【4 】左右。经过链路层的切换，m n 就具备了与新的子网通信的能力， 比如可以在新的子网上接收和发送广播消息。但是由于嘲郦的网络层实 体并不一定具备新的子网的一些配置信息，如默认的路由器的i p 地址以 及它的m a c 地址等哪n l 不可以在外地链路上发送a r p 请求，除非它 已经获得了c o a ，它才可以以c o a 为源地址发送，因而m n 继续使用 过时的配置信息( 如过时的路由表等 ，这必然导致它无法正常工作。 为了保证能正常通信，它必须通过上述的移动检测或者其它方法( 比如 接收默认路由器广播消息等) 。才能够获得新网络的配置信息。而这些 都需要一定的时间，这些时间都会超过底层切换所需的时间。 此外，还有一点可以肯定，即对于从m n 到c h 方向上的t c p 连接 来说，由于在切换的过程中，从c h 发回m n 的t c p 应答会在原先的f a 处丢失，所以m n 的t c p 也会启动拥塞控制机制，从而使t c p 连接的 中断时间更长。 所以说，即使数据链路层的切换时间非常的短暂，但是由于上述的 原因，从m n 到c h 方向的t c p u d p 通信也会产生中断，影响了t c p u d p 的性能。 电子科技大学硕士学位论文 2 2分层移动lp 及其移动管理 在r f c 2 0 0 2 中，当m n 移动到另外一个子网，它就会获得另外的转 交地址，从而启动一个注册过程，该过程要求偷必须通过f a 向h a 进行注册，由h a 来维护m h 的移动绑定。当应用于“宏移动”( m a c r o m o b i l i t y ) 时，这是充分必要的，而当应用于“微移动”( m i c r om o b i l i t y ) 环境时，则存在许多不足，突出表现在以下三点： 1 在网络中将引发大量的注册报文的传输从而严重影响网络性 能； 2 造成较大的切换延迟，特别是当m h 远离其归属网络时，将 引起严重的包丢失和通信吞吐量的下降； 3 采用优化路由时，由于要正确地通过隧道传输数据包，因而 必须保存精确的位置信息，将需要大量的缓存。 为了解决上述问题，文献【5 】、【6 】、【7 】中所提出的本地移动性 管理方案，保证在“微移动”的情况下，m n 的位置变更对h a 是透明 一 的。 2 21 分层移动ip c h e n w d 等人提出区域注册策略。【6 】 图2 分层移动i p v 4 模型 如图2 所示，在m n 的h a 和f a 之间引入一个动态的路由代理 ( g f a ) 。当移动节点移动进入区域内时，首先监听代理广播，查找到 g f a 的i p 地址及子网前缀，并形成一个可以通过g f a 路由的转交地址。 电子科技大学硕士学位论文 移动节点使用这个转交地址向家乡代理注册，当移动节点在同一个g f a 管辖的区域内移动时，这个转交地址不会改变。当移动节点改变了外地 代理，也就是说改变了当前链路上的转交地址，它只需要向g f a 进行区 域注册。区域注册如图3 所示。当m n 移动到另外一个g f a 范围时( “宏 移动”) ，才改变g f a ，并且向h a 注册。 固围困固 肄册涪。 蚌册谙 沣册谙。 沣册廊 沣册廊 沣册商 厨埘辨：册 砉求。 隈埔汁册诵索。 暖蝣渖册府嚣 页：i 镯；_ ： = = 册府签 r 2 2 2 三级模型 图3 移动j p 的区域注册 为了减少不必要的注册报文和注册时延，r a m o n c a c e r e s 等提出 了一种把m n 的移动方式分级的三级模型【7 】，引入了d f a 的概念， 针对m n 的不同的移动方式采用不同的注册策略。在该模型中，m n 的移动分为三个层次：当地移动、域内移动和全球移动。在一个管 理域( a d m i n i s t r a t o rd o m a i n ) 中设置一个d f a ( d o m a i n f o r e i g na g e n t ) ， 每个子网也分别设置f a ，各个f a 发送的代理公告报文中的外地 代理的地址都是d f a 的地址，进入管理的m n 把该地址作为自己的 转交地址，该地址在m n 访问管理域的整个时间段内保持不变。对 应于不同级别的m n 的移动，三级模型要分别进行处理。 ( 1 ) 当地移动： m n 在同一个子网的不同的b s 之间的移动，如图4 中m n 从 电子科技大学硕士学位论文 b s l 到b s 2 的移动处于两个( 或多个) 小区交叠区域的m n 可以接 收到两个( 或多个) b s 的广播报文，通过测量信号强弱，m n 确定 是否要进行切换，如要切换，执行如下过程： m n 向b s 注册，设定新b s 为其缺省网关，新b s 建立m n 的路 由表，应答m n ，同时向旧b s 发出n o t i f y 报文，旧b s 删除m n 的路由表，同时如果有发给m n 的报文则转发到新b s ，新b s 广播 r e d i r e c t 报文，子网上的r o u t e r ( 包括f a ) 和c h 接收该报文， 并且修改与m n 相关的a r p 缓存。 这样，发生当地移动时，相关的切换报文都局限在同一子网中， 这种情况不需要d f a 以及h a 的参与。 图4分级移动模型 ( 2 ) 域内移动： 在同一管理域中不同子网间的b s 之间移动，如图4 中m n 2 从b s 3 到b s 4 的移动。 发生域内移动时，新旧基站除了要执行当地移动时要进行的切换过 程之外，旧b s 发出重定向报文，通知子网上的路由器( 包括f a ) 和 c h 更新m n 的路由；新b s 通过其所在子网的f a 通知d f a 更新m n 的路由。 d f a 负责维护每个m n 的路由信息，只在m n 发生域内移动时更新 记录，这种情况下，m n 的位置信息仍然不需要通知h a 。 电子科技大学硕士学位论文 f 3 ) 全球移动： 当m n 发生了管理域之间的移动时，处于安全、费用等方面的考虑， m n 的更新信息必须通知h a ，此时归属域和m n 正在访问的管理域之 间的接口以及归属域和c h 所在管理域的接口在标准移动i p 中有准确的 描述，因此全球移动的情况下，就采用标准移动i p 协议。 2 2 3c e | iu ia rl p 标准移动i p 中不支持无缝连接、被动连接以及寻呼等蜂窝网络系统 中的优良特性，为了改善标准移动i p 的不足，c a m p h e l l 等人提出了 c e l l u l a ri p 【5 】，其结构如图5 所示。 图5c e l l u l a ri p 的网络结构 c e l l u l a r i p 的网络结构也采用了i n t e r n e t 中域的概念。运营商在个 地区的无线接入网属于一个域，它通过一个边缘路由器接入到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该路由器。在c e l l u l a ri p 接 入网中，该路由器还需要实现协议之间的转换，所以它实际上起到了网 关的作用。在后面，我们把这个路由器称为c e l l u l a r i p 网关或简称网关。 c e l l u l a ri p 不要求对现有无线接入网的网络结构作任何更改，它只 要求属于同一个无线接入网的基站直接或者间接地接到网关上，它们相 互之间通过有线链路相连( 这是很容易满足的) 。但c e l l u l a ri p 要求作为 其接入点的基站增加一些功能。如需要具备i p 包的转发能力( 这在原有 】2 电子科技大学硕士学位论文 的网络比如g s m 中是不具备的) 。此外基站可能还需要具备一些b s s 和b s c 的功能。不难看出c e l l u l a r1 p 可以真接应凰于现塑网络，这 正是它最大的优势所在。 如图所示，在c e l l u l a ri p 中，m n 在无线接入网之间的移动由标准 移动i p 进行管理，而无线接入网之内的移动由c e l l u l a r i p 管理。当m n 进入一个外地的接入网时，则采用该接入网的网关i p 地址作为自己的 c o a 。 f 1 ) c e l l u l a r i p 中的路由 c e l l u l a ri p 中的路由包括两个部分：一是数据包如何从网关到达 移动主机；二是如何从移动主机到达网关。 在c e l l u l a ri p 网络中，网关周期性地向整个接入网中发送广播消 息，这些消息最终会到达各个基站。每个基站会记录下收到该消息的端 口( 该端口必然与另一个基站或网关相邻) 。当移动主机有数据需要发 送到网关时，只需要将数据包发送到为它服务的基站，基站将数据包转 发到刚才接收到网关广播消息的端口，相邻的基站收到数据包后依此类 推。这样，该数据包必然能够到达网关。 由移动主机到网关的数据包在发送的过程中途中的各个基站都 会建立相应的路由表。并保存在路由缓存中。路由表的格式是形如 的映射。表明由某一个移动主机发送的数据来 自某一个端口( 同样，该端口与某基站相邻。或可以与移动主机真接通 信) 。网关也有同样的路由表。 当一个数据包需要从网关发送到移动主机时，网关首先查找路由 表，然后根据映射将数据包发送到相应的端口，也即到达相邻的基站， 该基站也这样处理数据包。依此类推，数据包就可以到达移动主机所在 小区的基站，最终到达移动主机。这样就解决了数据从网关到达移动主 机的问题。 如图6 所示，网关发送的广播消息通过“网关一基站1 端口b 一基 站1 端口a 一基站2 端口b 的路径到达基站2 ，同样也会到达基站3 。 基站2 记录下广播消息来自端口b ，基站1 记录下广播消息来自端口b 。 当移动主机1 向网关发送数据包时，数据包首先到达基站2 ，基站2 就 将该数据包由端门b 转发出去到达基站1 ，基站1 再由端口b 转发， 电子科技大学硕士学位论文 使数据包到达网关。 移动主机2 图6c e i l u i a r1 p 中的路由 在数据包由移动主机向网关发送的过程中。基站2 在它的路由表中 创建一个表项 ；同样地，基站1 创建表项 ；网关的路由表中有 。当有 数据包需要从网关发送到移动上机1 时，网关查路由表项 可知，目的地址为移动主机1 的数据包应该从端口g 发送出去； 数据包到达基站l 后、基站1 同样通过查表，将数据包从端口a 发送出 去：基站2 照此处理，数据包就可以到移动主机1 。 路由缓存中的路由消息是有一定的时效性的。系统中有一个计时器， 当计时超过一定时间( 这是一个系统设定的值，称为路由超时时间) 。该 路由消息就会因为过时而被清除掉。每当基站收到来自该移动主机的数 据包时，计时器就清零，这意味着数据包可以刷新路由缓存。 当移动主机没有数据要发送，但仍需要在网络中保留关于它的路由 信息时。它可以每隔一段时间( 即路由更新时间) 给网关发送一个特定 的控制消息一路由更新消息来达到目的。路由更新消息同用户数据包 1 吐 电子科技大学硕士学位论文 一样在c e l l u l a ri p 网络中逐跳转发，途中的各个基站刷新路由表，该消 息就一直被发送到网关，网关在刷新路由之后将该消息丢弃。 如果移动主机有一段时间没有发送数据，而且也没有主动发送路由 更新消息，那么网络中关于该移动主机的路由消息就过时了，会被清除 掉。此时如果有数据包需要从网关发送到移动主机。该如何进行处理? 这就需要用到下面将介绍的c e l l u l a ri p 中的寻呼功能。 ( 2 ) c e l l u l a ri p 中的寻呼 事实上，大部分移动数据用户在多数时间内都处于一种待机状态。 当有与其他主机通信的必要时才需要与网络进行连接。在m o b i l e i p 中， 移动主机即使处于空闲状态也需要不断与网络通信，以告知自己的位置 ( 一是在注册快要过期的时候，二是当它跨越了不同子网的时候) 。这样 会带来两个严重的问题：用户与网络之间会相互发送大量的控制消息 ( 如注册请求、注册应答等) ；此外，移动主机电源消耗很大，而电源 却越来越成为移动通信中的一个瓶颈。 人们普遍认为，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。当有数据需要发送到移动主 机时，网络才需要通过一定的查找( 比如通过广播) 及时找到移动主机( 这 个过程在蜂窝通信中叫做寻呼) ，并将数据发送到移动主机。可以看出， 支持寻呼也是未来移动数据通信技术中的一个关键问题：c e l l u l a ri p 技 术支持对移动主机的寻呼。 在c e l l u l a ri p 中，由于缺乏更新，移动主机在网络中分布存储的路 由信息就会过期。为了使网络还能够找到用户，移动主机需要每隔一段 时间就向网络发送一个寻呼更新消息( 它包含了移动主机的大概位置信 息) ，这个时间间隔叫做寻呼更新间隔( 它大于上述的路由更新间隔) 。 寻呼更新消息的目的地址是网关的地址，它逐跳经过各个基站，最终到 达网关。网关在寻呼缓存中保存各个移动主机的寻呼信息。 在c e l l u l a ri p 中，多个基站组成一个寻呼区域，每个区域都有一个 寻呼区域标识，该标识是c e l l u l a ri p 中基站广播消息的一部分，用户依 据它来判断自己所处的寻呼区域。当空闲用户在一个寻呼区域内移动 时，只需要根据寻呼更新间隔定期发送寻呼更新消息。当用户进入另外 一个寻呼区域时，需要立即向网关发送寻呼更新消息( 当然，如果用户 电子科技大学硕士学位论文 同时发现自己进入了另外的区域，就需要按照m o b i l ei p 的要求进行注 册) ，网关就能够及时了解移动主机所处的寻呼区域。 当网关需要发送数据给移动主机时。首先查找路由表，看看是否有 移动主机的路由信息。如果有，网关就正常转发数据包；如果没有合法 的路由消息，网关就查找寻呼缓存，按照其中的信息将该数据包在移动 主机所处的寻呼区域广播，移动主机在收到第一个数据包后，立刻由空 闲状态进入激活状态，向网关发送一个路由更新消息，在网络中建立起 移动主机的路由信息，从而防止进一步的寻呼。 在c e l l u l a ri p 中，路由更新消息是可以刷新寻呼缓存的，但是寻呼 更新消息却不可以刷新路由缓存。 ( 3 ) c e l l u l a ri p 中的切换 切换是移动通信中的一个重要问题，也是c e l l u l a r i p 中的关键问题。 当移动主机在不同基站的覆盖区域之间移动时，就需要进行切换。在第 三代移动通信系统中，c e l l u l a ri p 中有切换方式：硬切换、软切换、更 软的切换。 | l t 图7c e l l u l a ri p 中的切换 电子科技大学硕士学位论文 在硬切换中，当移动主机决定切换时，将自己的无线电频率调谐到 新的小区的频率上，并立即发送路由更新消息。该消息进入c e l l u l a ri p 网络后，相关的基站就会创建该主机的路由表，一直到新旧两条路由的 交叉基站( 即新旧两条路由上的第一个共同的基站) 。交叉基站处的路由 映射建立完毕后，硬切换的过程也就完成了，以后的数据包将会沿着新 的路由到达移动主机。整个过程如图7 所示，这时的切换延时是从移动 主机( 从新的小区计) 到交叉基站的延时。在此期间内到达交叉基站的所 有数据包将被发送到旧的路由，最后被丢弃掉。 为改善性能，考虑到现有的一些主机以及未来的主机具备同时与两 个基站通信的能力，人们提出了软切换、更软切换的方法【7 】。软切换 是移动终端可以同时与多个基站( 至少是2 个基站) 相连接的切换，切换 过程为先连后断。软切换只改变了引导信道的p n 序列码，而不改变载 波频率，而软切换的概念是在基于i s 一9 5 的c d m a 系统中首先提出并 应用的；更软切换是在同一小区的不同扇区间发生的切换。软切换的方 法的特点是减少了切换过程中包丢失的数量。 ( 4 1m o b i l ei p 和c e l l u l a ri p 的无缝结合 如图8 所示，这两种技术相结合时，c e l l u l a r i p 网关需要起到m o b i l e i p 中的外地处理功能。当移动主机进入一个c e l l u l a ri p 网络时。它通过 基站发送的广播消息得到该网络的c e l l u l a r i p 网关的i p 地址，移动主机 把该地址当作它的转交地址向本地代理注册。 隧 c e l l u l a ri p 路由 图8m o b i l ei p 和c e l l u l a ri p 的无缝结合 17 电子科技大学硕士学位论文 所有来自对端主机的数据都被本地代理通过隧道转发到网关也就 是说从c e l l u l a ri p 网络外部来的数据包采用正常的i p 路由或m o b i l ei p 路由到达网关。网关去除数据包的封装，恢复出原来的i p 包，通过 c e l l u l a ri p 路由在c e l l u l a ri p 网络内将数据包转发给移动主机。 所有由移动主机发给对端主机的数据包都先通过c e l l u l a r1 p 路由发 到网关，然后离开c e l l u l a ri p 网络到达对端主机，离开网关之后数据包 走的都是正常的1 p 路由。总之，在c e l l u l a r i p 网络内部( 无论是从网关 到移动主机，还是从移动主机到网关) 采用的都是c e l l u l a r i p 内部路由， 而在c e l l u l a r i p 网络外部采用的还是正常的路由。 可以看出，当移动主机在同一个网关管辖的无线接入网内移动f 也就是微 移动) 时，它是不需要通知本地代理的，所有的切换都在该网络内部完成。 而只有在域间移动时，即移动主机进人另个网关管辖的无线接入网 时，移动主机才需要向本地代理重新注册。总之，域间移动是由m o