（计算机应用技术专业论文）基于遗传算法和蚂蚁算法的移动ip路由选择.pdf

| i 于t 濞，和- 坤的啊口l 口 基于遗传算法和蚂蚁算法的移动ip 路由选择 摘要 互联网的出现给人们的生活带来了巨大的变化，通过互联网，人们可 以及时获取信息，但互联网信息量的快速增长及人们对信息处理提出的更 高要求，使传统的有线网络已不能满足用户的需求为此人们期望能不再 受时间和空间的限制，随时随地享受各种信息服务。无线通信技术和计算 机技术的快速发展，使移动计算成为可能。 移动l p 通信最基本的问题是i p 主机在通信期间可能需要移动，因此 i p 地址可能会经常发生变化。而在传统的l p 技术中，j p 地址的变化必将 导致i p 通信的中断。移动i p 通信一方面希望移动的l p 主机保持原来的i p 地址不变，以方便其他主机与移动主机的通信，另一方面又希望根据当前 所在的网络，及时更新i p 地址进行通信其目标就是能够透明地支持l p 主机的移动性，在i p 主机移动的过程中，能够始终用原来的l p 地址即归 属地址来与移动l p 主机通信。 移动主机在两个不同子网之间移动时将产生切换切换会导致移动主 机在一定时间之内不能发送和接收数据分组，通信对端和移动主机之间的 通信暂时会中断。目前有一些工作，研究如何达到平滑切换或无缝切换， 并取得了较好的效果。切换之后移动主机必须尽快找到一条最短路径路由 与通信对端建立连接。求解最短路径实际上是多变量、多约束的非线性优 化问题，是n p 难问题。在移动网络中，网络拓扑变化快，要保证用户业务 不受影响，必须在最短时间内找到最短路径路由 本文首先利用。信息索表”来取代网络节点中的路由选择表，把移动 i | i ，q t t 算，l 执算 嚏囊，球 口 i p 网络和蚂蚁算法联系起来，研究将蚂蚁算法用于求解移动j p 路由选择当 中的最短路径。实验表明，本文基于蚂蚁算法的移动i p 路由选择在网络节 点数量较多时比基于遗传算法的移动l p 路由选择在查找性能上更优 遗传算法或蚂蚁算法这类启发式算法适合解决移动i p 路由选择问题， 但遗传算法存在对于系统中的反馈信息利用不够，易受局部最优解影响等 缺点，而蚂蚁算法存在初期信息素匮乏，求解速度慢等缺点因此，本文 将遗传算法和蚂蚁算法结合起来，使用遗传算法生成信息素分布，再利用 蚂蚁算法求出全局最优解，从而有效提高找出移动l p 最短路由的速度，实 验表明本文的算法比其他单一采用遗传算法或蚂蚁算法进行路由选择在性 能上有较大的提高。 关键词。移动i p 路由选择最短路径遗传算法蚂蚁算法 ，1 大学习e j 柚i 啦髓i 丈l 于_ 遣传算翻叫- 算，的鼍l | 时口 l l ， m o b ji el pr o u t es e l e c t j o nb a s e do n g e n e t i c i g o r i t h ma n da n ta i g o r i t h m a b s t r c t i n t e r n e tt e c h n i q u eh a 8b e e nc l i a n g i n gt h ep 唧1 e s1 i f e 柚d 附ks t y l e p e o p l ec a na c q u i r ei n f o r m a t i o ni nt i 啪i ni n t 咖e t 勘j tt h ef 懿ti n c r e 8 8 i n g i n f o 鼬t i o n dt h eh i g h e rr e q u i r e m e n t 啦妇et h et r a d i t i o nn e t l r o r kc 8 n t s a t i 8 f yt h eu 8 e r sr e q u i r 咖t p e o p l eh o p et o8 c h i v e8 1 1k i n d so fi n f o n 崛t i s e r v i c e s 锄y - h e r e 棚1 d 锄y t i m e t h er a p i dd e v e l o p 懵n t so fc 唧u t e rt e c | l l l 0 1 0 9 y 卸d 姐d i o c a 删n i c a t i 蛐t e c h o n o l o g ym a k e b i l ec o 叩u t i n gp o s s i b l e i ni 幻b i l ei pc o 咖n i t i ，t h e 啪8 tb b s i cp r o b l e _ i oi ph o s t 8 簟i y 伸 - h e nt h e yc o 删n i c a t ee a c ho t h e r 绷dt h e i ri p8 d 血e s 8 e g - i l lc l i | m 即f e q u e n t l y - f o rt r 8 d i t i pt e c h l o g “t h ec 娜神o fi p8 d d r e s 8 以1 1 弛s u l ti nt h ei n t e r r u p t o fo 咖u n i c a t i o i i o nt h eo n eh 锄d t h e yh o p et h e b i l ei ph o s t 8 伽髓i n t 8 i n t h e i ri p8 d d r e s s e st ok e e pt h ec o 删n i c 8 t i o n 订t ho t h e rh o s t s n y 即i 印c e l y ： o nt h eo t h e rh 8 n d ，- e8 l s oh o p ei ph o s t sc a nc h 卸g et h e i ri p8 d 山- e s s e s8 c c o r d i n g t ot l i ec u r r e n tn e t - o r kc o 盈田u n i c 8 t i 彻i t s9 0 8 li st o8 u p p o r ti ph t s 职) b i l i t yt z j 鲫s p a r e n c e l y 加d 曩| o b i l eh o s t s 伽c o 删n i t e - i t hf 1 瞻ri p a d d r e s s e s h o b i l eh o s t s - i 1 1s - i t c h - 】m mt h e y 肿y eb e t - 帕旧nt - os u b l l e t - o r k & s - i t c h - i 11r e s u l ti n b i l eh 0 8 t s 伽t8 e n d 肋dr e c e i y ed a t a 窜r o u p si n8c e r t 8 i n t i m e n o - s o 嘴- o r k 8s t u d yf l a t n e s ss - i t c h 彻d8 c h i e v ev e r yg o o dr e s u l t s a f t e r s 霄i t c h i n 函m o b i l eh o s t 8m u s tf i n d8s h o r t e s tr o u t et oe s t a b l i s hc 咖e c t i 彻- i t h c o r r e s p o n d e n c en o d e f i n d i n gs h o r t e s tr 伽t e8 c t u a l l yi sn o r r l i n e a r i t y o p t i i z a t i o np r o b l 咖- i t ha 哪l t i v a r i a b l ea n d 珊l t i t e s t r i c t i o i l ， di sa n i - i a r dp r o b l e 皿i nt h e _ b i l en e t w o r k ，n e t t o r kt o p o l o g yi 8c t i a n g i n gq u i c k l “ i t叫s tf i n das h o r t e s tr o u t ei ns h o r t e 8 t t i m e t oe n s u r eu s e rb u s i n e 8 s e 8 n o i i a f f e c t a b l e f i r 8 t ，t h i sp a p e ru s e sp h e 瑚o n e t o u t e8 e l e c t i t 8 b l et or 印l a c et h e 瑚t e 8 e l e c t i t a b l eo ft h en e t 们r kn o d e 8 ，蛐di th e l p 8t oc o 聃e c t 弧) b i l ei pn e t - o r k - i t h8 n ta l g o r i t t l 玛a n t8 1 9 0 r i t h mi 8a p p l i e dt o8 0 1 v et h ep r o b l e 皿o f8 h o r t e 8 t m ! 查竺! 三兰竺墼苎! 兰竺苎塑! 竺竺兰竺竺! 里竺! 竺 r o i l t ei n b i l ei pn e t - o r l 【t l i ee i p e r i 鹏n ts h 明8t l l a tt h ep r e s e n t e d8 1 9 竹i t l i _ i 8b e t t e rt h a nt h a t eb a 8 e d g e n e t i ca l g o r i t 札 s i n c eg e n e t i ca l g o r i t l l m 蛐d 蚰t8 l g o r i t i i 盯es u i tt o8 e t t l et h ep r o b l e m o f 呐b i l ei pr 伽t e8 e l e c t i ， g e n e t i ca l g o r i t l l ml l a 8s o 舱d i s a d v 锄t 8 9 e 8t h 8 t i tn o tu s e ss y s t e 皿f e e d b a c ki n f o 瑚t i o n - e l la n di ti 8i n f l u e n t e db yl 8 lb e 8 t r e s u l te 笛i l y ，彻d 越t8 1 9 0 r i t l l i n i t i 8 l8 t 哪sp h e 姗鹏p i n c h 柚dc o 叩u t e s 8 1 明1 y ，e t c t h ep a p e rp r o p e 888 p p r o hf o rc “b i 嵋g e n e t i c8 1 聃r i t l l n - “h ta l g o r i t l 珥i t 船e 8g 印e t i ca 1 9 0 r i t h it o _ a k ep h e r 嘶n e 柚du s e 8 蚰t a l g o r i t l l mt o8 0 h ef u l lb e 8 tr e 删1 t ，讪i c h - i l li 皿p r o v et h e8 p e e dt of i n d8 b i l ei ps h o r t e s t 砌j t e 彻di t1 1 8 s b e t t e rp 盯f o 舢l c et h 鲫t l l a ts i n 9 1 e g 明e t i c 8 l g 盯i t ho 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与传统网络一样。移动网络必须满足人们对网络服务质量q o s 提出的越来越高的 要求如何在网络中实现多种服务质量是全世界计算机、电子与通讯领域竟相研究的前 沿课题移动网络的路由选择是合理利用网络资源、保证网络通信正常的关键之一，如 何有效提高移动m 的路由选择成为提高移动网络q o s 的重要保证移动m 路由选择实 际上是多变量，多约束的非线性优化问题，是np 完全问题，对np 完全问题优化解寻 求近年来采用启发式算法通过研究，我们发现遗传算法和蚂蚁算法的特点适合解决 移动i p 路由选择问题，但遗传算法存在对于系统中的反馈信息利用不够，易受局部最 l 于鼍| 一良算- 置h 口 湃 优解影响等缺点，而蚂蚁算法存在初期信息素匮乏，求解速度慢等缺点因此我们将遗 传算法和蚂蚁算法结合起来，使用遗传算法生成信息索分布。再利用蚂蚁算法求出全局 最优解，这样就能有效提高移动i p 的路由结果，比单一的算法在性能上有很大的提高 目前互联网技术正处于高速发展的阶段，但现有的信息网络在安全上、服务质量上 和面向未来变化( 动态) 的，智能的网络等方面上也存在严重的不足i p 、r 6 给中国带 来巨大机遇，它不仅要在下一代互联网标准和资源分配中争取更大的发言权而且还要 利用基于i p v 6 的网络在我国从基础设施、服务与应用、设备制造等方面形成新的巨大 产业从而推动整个科学技术和国民经济的高速发展移动i p 技术作为i p v 6 中的关键 技术。不仅能使人们在任何时间、任何地点、用任何媒体与任何一个人进行通信成为可 能还使我国的众多企业获得更大的商机有效地提高移动i p 的路由选择将会使移动 网络上的各种商业或科研行为更加便捷，能够产生巨大经济和社会效益 1 2 国内外研究和发展现状 1 2 1 国外研究现状 i n t 锄c t 工程部( 刀巳1 5 1 ) 于1 9 9 6 年l o 月提出了移动m 协议标准( 草案) ，主要 包括r f c 2 0 0 2 旧、2 0 0 3 【7 1 、2 0 0 4 【s j 、2 0 0 5 【9 i 、2 0 0 6 ( 1 川等r f c 文档r f c2 0 0 2 定义了移 动碑协议；砒c2 0 0 3 、2 0 0 4 和1 7 0 l 定义了移动m 中用到的三种隧道技术l 2 0 0 5 叙述了移动口的应用：r f c2 0 0 6 定义了移动m 的管理信息库m m ( 移动p 的m m 库是实现移动口节点的变量集合，管理平台可以通过网络管理协议s 匹p 、r 2 对这些变 量进行检查和配置) 1 t f c 文档一经发表，立刻引发了研究移动球技术的高潮美国的哥伦比亚大学、 卡耐基梅隆大学、新加坡国立大学、日本的科学与技术研究所、纽约大学、瑞典皇家 学院，以及f t ps o r w a 他、m m 、m o t o r o l a 、n o l ( i a 、s 岫、t c h o n 等公司，都有相应的 工作组针对移动p 进行研究 目前国外针对移动口路由选择的研究比较多，提出了很多很有建设性的方案：如 针对远程注册方案的研究【l l i l 2 1 3 1 ，针对双向隧道方案的研究【，基于基数链路扩展路 由方案1 5 1 ，移动网络中低代价路由方案1 6 1 ，基于口组播的研究【1 7 i l 呱1 9 捌【2 1 1 2 2 1 等等 这些研究的优点是开销很小，很好的考虑了时延业务的需要，使用了启发式算法来解决 来寻路时的s t c i n 盯树问题聊( 这也是一个n p 难问题) ，适合规模比较小的移动网络 2 广冒，“乒1 b 掣啦稍瞄乞| 。于l 传算和：算的咐口_ 口 其缺点就是在规模比较大，动态性较强的移动网络中往往不能快速地找捌合适的最短路 由，甚至得不到结果 1 2 - 2 国内研究现状 从1 9 9 5 年开始我国对移动计算网络中的关键技术进行研究，并逐渐加大了资助 力度国内起步最早的研究单位是西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室移动计 算网络课题组这个课题组在1 9 9 2 年就承担了中日合作项目。无线局域网研制。，开始 了相关的研究，1 9 9 5 年，在h i e l n c 工程部公布移动口协议标准之前就提出了。游牧 计算网络”的概念，并提出了实现网问漫游的整体方案经过l o 年探索与研究。随着 相关技术的发展( 如无线局域网标准8 0 2 1 l 的出台等) ，2 5 年该课题组在西安电子科 技大学的校园网上构建了移动口实验网，并成功开发了基于w 珊i a 哪粥例铀曲啪 m en ) l h d 们 ，i2 0 0 惭n d o 帅n r 压知娃系统的移动口软件包，实现了这项技术研究成果 的广泛应用这一技术成果不仅大大领先于国内外同行业水平，同时，使我国成为了在 国际上将移动口技术成功推向市场产业化的。第一人 国内外针对移动毋中的路由算法的研究还处于初始阶段，多为针对v 6 的选播路由 研究目前。世界上对选播通讯模型由两种不同的研究模式t 一种是对网络在应用层进 行网络选搔通讯研究叫阅，其中包括对选播通讯模型的研究和对选取目标站点策略的研 究；另一种是对网络在网络层进行选播通讯的研究脚1 鲫跚，这种研究才刚刚起步，主 要有对选播路由通讯中的路由表构造及路由算法的研究他们采用的启发式算法多为简 单或改进的遗传算法，在提高算法的搜索效率，使路由算法跳出局部最优解方面取得了 一定的成果 1 3 本文主要工作和组织结构 1 3 1 本文的主要工作 针对国内外移动i p 和路由算法的研究现状，本文开展并完成了以下方面的工作。 1 分析了移动i p 的工作机理，针对移动i p v 6 进行了相关的研究 2 对移动i p 中的路由选择算法进行研究，分析和总结相关研究的优缺点从中找到可 以利用的经验和技术 3 针对采用遗传算法求解移动i p 路由选择的缺点，提出采用蚂蚁算法来求解。并设计 3 ，膏b k 掣嘎士拳位鼬! ，： | i 于囊，传算翻巾蚂蚁算络的移 】p u 相关实验和进行分析 4 对遗传算法和蚂蚁算法进行研究，针对本文要展开的研究的特点，将两个算法的优 点结合起来。较好地解决移动i p 路由选择的问题 5 设计和实现了一个移动i p 中基于混合遗传算法的实验系统，通过实验对本文研究进 行验证，并得到了相关的实验结果 1 3 2 本文的组织结构 本文的组织结构如下t 第一章绪论主要介绍了移动网络，移动i p y 6 的发展状况和国内外相关路由 选择算法的研究现状 第二章移动i p 概述主要介绍移动i p 的概念、起源、组成、工作机理、体系 结构和模型等基础内容重点对移动i p v 6 协议进行了介绍，为本文的研究 打下基础 第三章遗传算法对遗传算法的概念，特点，发展和操作进行介绍阐述遗传 算法在解决n p 难问题近似解所具有的优势 第四章基于蚂蚁算法的移动i p 路由选择在基于遗传算法求解移动i p 路由选 择的基础上，针对遗传算法中选择、交叉和变异算子无法适应各种情况下的 移动i p 路由选择的缺点，提出采用蚂蚁算法来求解移动i p 路由选择闯鼹 第五章基于混合遗传算法的移动i p 路由选择提出采用遗传算法和蚂蚁算法 进行混合。利用遗传算法生成信息素分布，再利用蚂蚁算法求出全局最优解， 这样就能有效提高找出移动i p 最短路由的速度，比单一的采用遗传算法或 蚂蚁算法进行路由选择的方法在性能上有较大的提高 第六章总结和展望对目前的研究成果进行总结，并在此基础对移动网络和移 动i p 路由选择的研究进行展望，给出进一步的研究和工作 4 广r ，o 事嘎士尝位越曙i 于遗传算法和奴算法的移动口路由选择 第二章移动i p 概述 在当今飞快发展的信息领域中，i n t e r t 和移动通信是两个引人瞩目的通信技术 和i t 产业在过去十几年尤其是近几年，以i n t e n l e t 为代表的信息网络给人们的生活 带来了巨大的变化，政府上网，企业上网、家庭上网，电子商务等成了当今的热门话题 通过i n t e n l e t ，人们能够及时地了解世界各地的新闻，方便地获得许多有用信息，如 股市行情、旅游信息、商品介绍，参与网上的互动游戏等娱乐活动，进行网上远程教育 和购物，发送电子邮件等等，i n t e r n e t 已经成为很多人日常活动不可或缺的部分由 于目前主要以固定接入方式使用i n t e r t ，而人们的生活节奏在加快，可能经常处在 运动中，而不是整天呆在固定的办公室内，需要在任何地点任何时候都能获得i n t e r t 服务随着移动技术的迅猛发展，手机，掌上电脑、膝上电脑、笔记本电脑等便携式或 移动设备大量应用，用户希望在日常生活和商务环境中使用这些设备方便地上网现在 多种网络技术正在逐步融合，i p 协议将成为统一的网络平台，但原来i p 协议对网络节 点的移动性支持不够大量移动设备的用户希望在移动过程中保持i n t e 加e t 接入和连 续通信，获得如固定接入一样的网络服务质量这种潜在的巨大的商业需求给i n t e r n e t 带来了新的机遇，也带来了新的技术难题移动i p 就是在原来i p 协议的基础上为了支 持节点移动而提出的解决方案【矧 2 1 移动i p 的产生 在i n t e r n e t 上，每个主机分配有唯一的i p 地址或动态的i p 地址由于i n t e r n e t 是基 于网络前缀的路由，i p 数据分组首先路由到i p 地址网络前缀对应的网段。然后转发到目 的主机，因此，i p 地址不仅标识一台主机，也表示这台主机的物理网络位置当移动主 机在不同网络问移动时，它的i p 地址已经不能表示其物理网络地址，发送移动主机的i p 分组不能被正确转发给目的节点，移动主机因而不能正常地接入i n t e r n e t 获得网络服 务为了实现移动主机接入i n t e r n e t ，曾经提出下面的几种方案 第一种方案，在移动节点每次变换位置时，改变其i p 地址这种方法对上层协议不 能提供移动的透明性，不能保持通信的连续性，特别当移动节点在两个子网问漫游时， 由于其i p 地址不断变化，将导致移动节点无法与其他用户通信 第二种方案，根据特定主机地址进行路由选择这种方法将大量浪费路由器的有限 广置k 掣嘎士掌位嘲- ：乞 i 于j t 门i 津气i e r 越l 爷曩i 】p l j 资源，对每个数据分组选路时，路由器都要搜索大量的主机地址入口，系统的可扩展性 差，不能满足大规模网络互联的要求 第三种方案，在链路层使用蜂窝数字分组数据等标准蜂窝数字分组数据标准提供 1 1 k b s 的传输速率且支持多种协议，但它需要新的网络基础设旌和大量管理维护费用， 无法与现存的互联网兼容，因此也不是合适的解决方案 以上这些方案都存在问题，因此必须寻找一种新的机制，解决主机能够在不同网络 间的自由移动问题为此，i n t e r 舱t 工程任务组i e t f ( i n t e r te n g i e r i n gt a s k f o r c e ) 下属的移动i p 工作组( i pr 0 u t i n gf o r i r l e s s l o b i l eh 0 s t s ) 在1 9 9 2 年制定了移动 i p 的最初标准草案，主要包括下面的主要r f c 文档。 ( 1 ) r 盹2 0 0 2 ：定义了移动i p 协议； ( 2 ) r f c 2 0 0 3 ，2 0 0 4 和1 7 0 l i 定义了移动i p 中用到的三种隧道技术， ( 3 ) r f c 2 0 0 5 l 定义了移动i p 的应用l ( 4 ) r f c 2 0 0 6 l 定义了移动i p 的管理信息库舡b ( 妇m g e n ti n f o r 崛t i b 酷e ) 移动i p 的m i b 库是实现移动i p 节点的变量集合，管理平台通过简单网络管理协议 s n m p v 2 ( s i m p l en e t - o r k 唿g e 眦n tp r o t o c 0 1 ) 对这些变量检查和配置 i n t e r n e t 工程知道小组i e s g ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gs t e e r i n gg r o u p ) 在1 9 9 6 年6 月通过了移动i p 标准草案，在1 9 9 6 年1 1 月公布了建议标准( p r o p o s e ds t 卸d a r d ) ，为 移动i p 成为i n t e r n e t 正式标准打下了基础，对移动i p 的发展起了关键性的作用 2 1 1 移动i p 解决的问题 移动i p 在当前i n t e r n e t 基于网络前缀路由前提下，使得移动主机在不同网络问不断 移动过程中仍能保持通信，是一个在i n t e r n e t 上基于网络层提供移动支持功能的解决方 案它主要解决。 ( 1 ) 移动主机可以通过一个永久的i p 地址连接到任何链路上； ( 2 ) 移动主机在切换到新的链路上时，仍能够保持正在进行的通信； 与改变i p 地址、特定主机路由和链路层方案不同，移动i p 具有扩展性、可靠性和安 全性它与下层的物理传输介质无关，不需要改变移动主机的永久标识，与现有的 i n t e r n e t 协议兼容，能够与不具有移动i p 功能的主机进行正常通信 6 ，1 1 可，叫乒习【b 掌位董叫。于建传算法和蚂蚁算法的移甘口l 鼍捧 2 1 2 移动i p 的应用 在i n t e m e t 网络协议中网络层协议负责将网络数据正确转发到相应的目的地址， 其主要部分就是路由协议路由协议通过路由器之间交换路由信息，建立用于转发分组 的路由表，路由表根据接收分组的目的i p 地址查找路由表，转发分组到相应的端口 移动i p 是网络层的支持主机移动的解决方案，目的是把数据分组发送到可能不断改变 接入位置的移动主机，通过在合适的节点上建立路由表项，实现转发数据分组到在外地 链路上的移动主机因此，采用移动i p 功能的移动主机可以从一个网段移动到另一个 网段甚至从一种介质的网络移动到另一种介质的网络而保持已有连接的通信，这种在 不同网络，介质问移动同时保持已有通信的功能是移动i p 的重要标志 作为网络层的一个协议，移动i p 协议与下层数据链路层无关也与物理传输介质 无关移动i p 是支持主机移动的i p 分组转发的网络层标准，对t c p 层及上层协议的 改进不属于移动i p 的研究范围 2 1 3 移动i p 的设计要求和目标 移动i p 的主要设计目标就是移动节点在改变网络接入点时，不必改变其i p 地址， 能够在移动过程中保持通信的连续性，对上层协议保持透明性，与其他移动节点或不具 有移动i p 功能的节点能够进行正常的通信具体来说，移动i p 协议的设计应该满足如 下的要求； ( 1 ) 移动节点在改变数据链路层的接入点后应仍能与因特网上的其他节点通信 ( 2 ) 无论移动节点连接哪个数据链路层接入点，它应仍能用原来的i p 地址 进行通信 ( 3 ) 移动节点应能与不具备移动i p 功能的计算机通信 ( 4 ) 移动节点不应比因特网上的其它节点面临新的或更多的安全威胁 另外，由于移动节点通常通过无线链路连接到i n t e r n e t 上，无线链路具有低带宽、 高误码率的特点，长消息容易出错，以及移动节点通常由能量少的电池供电，减少通信 中的能量消耗非常重要因此，设计移动i p 时要考虑移动节点接入时发送的管理消息 数据应该尽量少，消息的长度也应该尽量短 7 以卜t 传算呵一蛙囊呻的謦口- 日 2 2 移动l p 的基本概念 2 2 1 移动i p 的基本术语 1 移动i p 的功能实体【3 0 l ( 1 ) 移动节点( m o b i l en o d e ，州) t 可以将接入因特网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，并且只使用它的家乡地址( h o 嘴a d d r e s s ) 的 那些节点 ( 2 ) 家乡代理( h o g e n t ，i m ，有一个接口与移动节点家乡链路相连的路由器 当移动节点切换链路时，必须通知家乡代理它的当前位置，这个信息由家乡代 理保存在该移动节点绑定记录的转交地址( c a r eo f d d r e s s ) 中 家乡代理定期广播移动节点家乡地址网络前缀的可达性，从而接收那些送往移 动节点家乡地址的i p 包 解析送往移动节点家乡地址的i p 包，并将这些i p 包通过隧道技术传送到移动节 点当前的转交地址上 ( 3 ) 外地代理( f o r e i g n g e n t ，f a ) l 一个移动节点当前访问的网络上的路由器 帮助移动节点通知家乡代理它的当前转交地址 提供移动节点的转交地址，并为己被家乡代理设置了隧道的移动节点转发拆封 后的i p 包 作为连接在外地链路上的移动节点的默认路由器 图2 一l 表明了这些功能实体以及它们之间的关系在以上的三个基本实体中，重要 的是家乡代理和外地代理，它们完成对数据报代理转发的服务功能，从本质上来讲，m 和f a 的基本功能差不多，都是具有路由功能并且可以实现数据封装、隧道转发的网络节 点。为了描述方便，把h 和f a 统一地视为具有封装功能的。路由器” i i 于鼍传算翻一- 蚊算，的毒啊口l 薯。， 图2 一l 移动i p 功能实体及相互关系 f i g i i r e2 1l l o b i l ei pf u n t i o 舱1e n t i t i e s 鲫dt h e i rr e l a t i o n s h i p 2 其他常用术语 在移动i p 中，除了上面提到的三个基本功能实体外。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 ( 1 ) 转交地址 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时的相关i p 地址当心漫游到外地网络时，它要获得一个转交地址，并且将转交地址通知家乡代理 n a 此后，洲家乡网络中的h a 将把发给该n n 家乡i p 地址的数据报接收下来，并对这些i p 数据报封装后发送到m n 当前的转交地址，然后再拆封，转交至心一般而言，转交地 址是一个在外地网络中的一个真实可用的i p 地址 转交地址具有以下特性： 转交地址与移动节点当前所在的外地链路相关 每次移动节点改换外地链路时，转交地址也随着改变， 送往转交地址的数据报可以通过现有的i n t e r n e t 路由机制传送 转交地址是连接家乡代理和移动节点的隧道的出口 当移动节点与其他节点通信时，转交地址是透明的 转交地址是一个与移动节点连接的外地链路紧密相关的i p 地址，它与移动节点所连 接的外地链路最多只有一跳之隔它要么是有一个端口在外地链路上的外地代理的i p 地 址，要么就是暂时分配给移动节点的一个i p 地址当移动节点与外地链路相连时，家乡 代理利用这个地址向移动节点传送数据报特别地，转交地址是从家乡代理到移动节点 ， | i 口嚏传算，丰蚂蛐算的- 甘口i i j 的隧道出口 ( 2 ) 隧道技术 隧道技术在移动i p 中是非常重要的移动i p 中使用了三种隧道技术：i pi ni p 封装、 最小封装和通用路由封装g r e i pi ni p 封装【3 l 】是一个i n t e r f i e t 标准，用于将i p v 4 包放在另一个i p 、r 4 包的净荷部分 移动i p 要求家乡代理和外地代理实现i pi ni p 封装，以实现从家乡代理到转交地址的隧 道i pi ni p 封装非常简单明了只需把一个i p 包放在一个新i p 包的净荷中采用i pi n i p 封装的隧道对穿过它们的数据报来说就像一条虚拟链路 1 p 的最小封装是移动i p 中的一种可选隧道方式嗍目的是减少实现隧道所需的额外 字节数，可通过将i pi ni 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 pi ni p 封装相比可以节省一些字节( 一般是8 字节) 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，这使得家乡代理在采用最小封装时 移动节点不可到达的概率增大最小封装的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 肝报文可以到达原始数据报源因此，实现移动i p 时，应尽量保证i pi ni p 封装正常工作，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1 3 3 1 除了i p 协议，g r e 还支持其 他网络层协议，它允许一种协议的数据报封装在另一种协议数据报的净荷中而前两种 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用处 ( 3 ) 代理发现 移动i p 通过扩展现有的i c m p 路由器发现机制来实现代理发现代理发现机制能够使 移动节点检测到自己是否从一个网络移动到了另外的网络，并且也能够检测到它是否回 到了家乡链路当移动节点移动到一个新的外地链路时，代理发现机制也能帮助移动节 点发现一个合适的外地代理 家乡代理和外地代理在自己所连接的网络上定期地广播。代理通告”消息来通告自 己的存在移动节点时刻监听代理通告消息，判断它所在的网络上的代理如果一个移 动节点从自己的家乡代理接收到一个代理通告消息，它就能够推断己经返回家乡并直接 向家乡代理进行注册否则，移动节点将选择是保留当前的注册还是向新的外地代理进 行注册 ，1 ，叫h 士掌吐性文 | i 于棚l 传算法和蚂蚁算法的移童疋 口 当移动节点位于家乡链路或者已经向一个外地代理进行了注册，那么它仍然希望从 它的家乡代理或它的当前外地代理继续接收定期的通告消息。如果移动节点在一段时间 内没有接收到一定数量的通告消息，那么它就认为自己已经移动或者它的家乡代理或当 前的外地代理发生了故障如果移动节点最近接收到了其他的通告消息，它就试图向发 送这个通告消息的外地代理进行注册否则，移动节点将向它所在的网络上广播一条。代 理请求消息，接收到这条请求消息的每个家乡代理或外地代理都应当用通告消息进行 应答 代理通告消息是i c m p 路由器通告消息的扩展，在i c 肝路由器通告消息之后是。移动 代理通告。扩展头，另外也可以可选地跟随一个前缀长度扩展报头，一字节填充扩展报 头或者其它将来需要定义的报头等移动节点通过对代理通告消息的处理，可以得到自 己的位置信息和转交地址 ( 4 ) 注册 当移动节点发现它的网络接入点从一条链路切换到另一条链路时，它就要进行注 册另外由于注册信息有一定的生存时间。所以移动节点在没有发生移动时也要进行 注册移动i p 的注册功能是：移动节点通过注册可以得到外地链路上外地代理的路由服 务；移动节点通过注册可以通知家乡代理它的转交地址；可以使一个要过期的注册重新 生效：移动节点在回到家乡链路时要进行注销 移动i p 的注册过程一般在代理发现机制完成之后进行当移动节点发现自己返回家 乡链路时，它就向家乡代理进行注册，并开始像固定主机或路由器那样进行通信当移 动节点位于外地链路时，它能够得到一个转交地址。并通过外地代理向家乡代理注册这 个地址移动i p 包括两种注册消息：注册请求和注册应答 ( 5 ) 通信对端节点 通信对端节点是指与移动节点通信的对等实体可简称为通信对端它可以是移动 节点或者位置固定的节点 ( 6 ) 移动绑定 移动绑定是指由家乡代理维护的移动节点的家乡地址也转交地址的关联。还包括关 于关联的剩余生存期的其他信息 广蕾r 大掌碍e 士掌位税叼乞于t 传冲和i 螺坤的謦褂口p d 2 2 2 移动j p 的基本操作 移动i p 的工作过程分为以下几个步骤： ( 1 ) 家乡代理和外地代理在其所在的网络上定期的广播特殊的b i l ei p 消息。代理通 告”( 她e n ta d v e r t i s e n t ) 以通告它们的存在 ( 2 ) 移动节点监听这些。代理通告。并检查它们的内容以决定自己是在本地网络还是 在外地网络当在本地网络时，移动节点就像普通节点一样，即不使用m b i l ei p 功能 ( 3 ) 移动节点在外地网络时必须获得转交地址，外地代理的转交地址可以从。代理 通告”中得到，配置转交地址则必须通过它的分配方案取得，如d i c p ( 4 ) 移动节点向家乡代理注册在上一步得到的转交地址，如果访问网络上有外地代理， 则移动节点可以在注册过程中向外地代理请求服务，为抵御。拒绝服务”攻击，注册消 息必须认证 ( 5 ) 家乡代理截获所有发给移动节点的报文，然后根据移动节点注册的转交地址通过 隧道传递给移动节点 ( 6 ) 在转交地址的地方，外地代理将原始报文从隧道中提取出来，然后投递给移动节 点 ( 7 ) 移动节点发往外地的数据报按一般的i p 寻径方法送出，不必通过家乡代理移动 节点在外地网上时，移动i p 的工作过程如图2 - 2 所示 图2 - 2 移动i p 工作过程 f i g u r e2 2t h ew o r k i n gp r o c e s so fm o b i l ei p 以上七个步骤简明地阐述了移动节点如何获得透明位置服务的完整的过程，在这个 过程当中，姒和f 实施了很关键的代理转发的功能，事实上，在处理过程中，还有些问 题是需要说明清楚的具体如下： 1 2 | i 于l 传算涪和蚂蚊算法的移动口冀p 嗣0 择r 首先，当移动节点漫游到外地链路时，就接收不到发往它的家乡地址的数据报，因 为有关家乡地址的路由已经不能够反映出移动节点的当前网络接入点位置，这时，就要 有其它传送机制将数据报送给连在外地链路上的移动节点，移动i p 采用了隧道技术作为 发送机制 移动i p 需要一个靠近移动节点的地址作为隧道出口，并且这个地址应该是通过现有 的路由机制可以到达的转交地址提供了这种隧道出口 由于隧道除了出口外必然还有入口，这就要找一个可以作为入口的节点连在移动 节点家乡链路上的代理转发路由器，即家乡代理眦，就是隧道的入口家乡代理要将数 据报通过隧道传给移动节点，它必须先截取这些数据报，为达到这个目的，家乡代理在 家乡链路上的其它路由器广播对移动节点家乡地址网络前缀的可达性：家乡代理也可以 采用代理 i l p 来截取数据报 家乡代理把送往移动节点家乡地址的数据报截取下来后，还必须要知道隧道出口地 址，这由移动i p 中带有认证机制的注册过程完成移动节点通过这个过程将它的转交地 址通知家乡代理在注册之前。移动节点首先要确定它已经连接在一条外地链路上，其 次还必须得到一个转交地址 确定已经漫游并且去获得一个转交地址，这两个功能由移动i p 的代理搜索( a g e n t d i s c o v e r y ) 来帮助移动节点完成实际上，就是由家乡代理卧和外地代理f a 周期性广播 提供移动i p 服务的代理广播消息，而移动节点接收这个消息，从而确定它们当前所连的 链路以及该链路上的代理，从而启动相应的漫游服务 如果移动节点发现自己正连接在家乡链路上，那么以后它就和固定节点一样工作， 无需运用移动i p 的任何其它功能了如果它连接的是一条外地链路，移动节点就从外地 代理的代理广播消息