（计算机系统结构专业论文）移动ip中的tcp性能改进.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着网络技术和通信技术的不断发展，越来越多的人希望能够摆脱时间和空间的 限制，随时随地访问因特网，但传统的t c p i p 协议由于自身的种种限制无法完成移 动中的不间断通信。为此，互联网工程工作小组制定了移动i p 协议。 因为移动i p 的设计目标和具体的应用环境，使得当把t c p 协议应用到移动i p 中 去的时候，t c p 性能会受到一定的影响。在移动i p 的应用中，影响t c p 性能主要在 以下两个方面：一是移动i p 的应用环境有线和无线的混合网络，由于t c p 拥塞 机制不适应无线网络中由于高误码率造成的无线链路丢包的情况，所以在移动i p 的 应用环境中，如果直接采用t c p 的拥塞机制，会降低信道的利用率：另外在移动节 点平滑切换的过程中，不可避免地造成链路中断，并且在切换后新旧链路在传输时延 上可能存在很大差别，从而也使得t c p 性能发生很大的抖动，影响到整个信道的利 用率。现有的各种改善移动婵中t c p 性能的方案都没有从根本上解决上述问题。 为了解决上述两个方面的问题，可以从以下两个方面的进行改进：一方面是通过 利用外地代理设置数据包的历史窗口，让每一个数据包携带前面几个数据包的状态信 息，以便让通信双方区分网络中丢包现象的真正原因，然后，根据不同的丢包原因， 采用不同的t c p 控制措施：另一方面是通过旧的外地代理进行移动节点切换时的时 延计算以及发送缓冲区数据包所需时间的估算，然后通知通信对端，根据时延的大小， 采用相应t c p 控制措施。通过上述两个方面的改进，就可以解决移动i p 中影响t c p 性能的主要问题，提高在移动i p 实际应用中的t c p 性能。 关键词：移动网际协议，无线网络，拥塞控制，区分丢包，平滑切换 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w j t l lt h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r e p e o p l ed e s i r ef o rj u m p i n g t h et r a c e so fr e s t r i c t i o no fa r e aa n ds p a c e ，a n da c c e s s i n gt h e i n t e m e tw h e n e v e ra n dw h e r e v e r n e v e r t h e l e s s ，t h et r a d i t i o n a lt c p i pp r o t o c o l sh a v ea l l k i n d so fr e s t r i c t i o n sd e r i v i n gf r o mt h e m s e l v e s ，a n dc a l l n o ta c c o m p l i s ht h ei n c e s s a n t c o m m u n i c a t i o n s d u r i n gm o v i n g t h u s ，t h e i n t e m e t e n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ( i e t f ) e s t a b l i s h e dt h em o b i l ei pf o rt h em o b i l ei pp r o t o c 0 1 f o rt h a tt h em o b i l ei ph a st h ei d i o g r a p h i ca p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t sa n dt h ed e s i g n g o a l s ，t h et c pp e r f o r m a n c ea r ei n e v i t a b l yi n f l u e n c e dw h e na p p l y i n g t h et c p p r o t o c o l st o t h em o b i l ei p i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，w h a ti n f l u e n c e st h et c p p e r f o r m a n c em a i n l y l i e si nt w oa s p e c t s ：o n ei st h et y p i c a le n v i r o n m e n to fu s i n gt h em o b i l ei p , n a m e l yi nt h e h y b r i dn e t w o r kc o n s i s t i n go fw i r e a n dw i r e l e s sn e t w o r k b e c a u s et h ec o n g e s t i o nc o n t r o l m e c h a n i s mo f t h et c pc a nn o ta d a p tt ot h es i t u a t i o nt h a th j g hr a t eo f e r r o rc o d el e a d st ot h e l o s so fp a c k e t so ft h ew i r e l e s sl i n ki nt h ew i r e l e s sn e t w o r k ，t h eu s a g ee f f i c i e n c yo ft h e c h a n n e lw i l lb ec u td o w n i f d i r e c t l ya d o p t i n gt h ec o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mo f t h et c p i na d d i t i o n ，i nt h e p r o c e s so f s m o o t h l y s w i t c hb e t w e e nt h em o b i l en o d e s ，t h ei n t e r r u p t i o no f t h el i n ki n e v i t a b l yo c c u r sa n dt h e r ei sp o t e n t i a lg r e a td i f f e r e n c eo ft h et r a n s m i s s i o nd e l a y b e t w e e nt h en e wl i n ka n dt h eo l dl i n k ，w h i c hw o u l dm a k et h et c p p e r f o r m a n c ed i t h e r g r e a t l ya n dt h e ni n f l u e n c et h eu s a g ee f f i c i e n c yo ft h ec h a n n e l a l lt h ee x i s t i n gs c h e m e s ， w h i c ha r eu s e dt oa m e l i o r a t et h et c p p e r f o r m a n c ei nt h ea p p l i c a t i o no f t h em o b i l ei p , d o n o ts o l v et h e p r o b l e m s o ft h et c p p e r f o r m a n c et h o r o u g h l y f o rt h es a k eo fs o l v i n gt h ea b o v ep r o b l e m sf r o mt h et w oa s p e c t s ，t h ei m p r o v e m e n t s a r e i m p l e m e n t e da s t h e f o l l o w i n gt w oa s p e c t s f i r s t l y , t h r o u g hs e t t i n gt h eh i s t o r i c a l w i n d o w so ft h ed a t ap a c k a g eb yt a k i n gu s eo ft h ef o r e i g na g e n t ，e v e r yd a t ap a c k a g et a k e s t h es t a t ei n f o r m a t i o no fs e v e r a la n t e r i o rd a t ap a c k a g e s ，w h i c hf a c i l i t a t e st h a tt h eb o t h c o m m u n i c a t i n gs i d e sc a n d i f f e r e n t i a t et h er e a lr e a s o nl e a d i n gt ot h el o s so f p a c k a g e t h e n d i f f e r e n tc o n t r o lm e a s u r e so ft c pa r et a k e na c c o r d i n gt od i f f e r e n tm a s o n s l e a d i n gt ol o s so f 华中科技大学硕士学位论文 p a c k a g e s e c o n d l y , t h ed e l a yi nt h es w i t c hb e t w e e n t h em o b i l en o d e si sc a l c u l a t e da n dt h e t i m ef o rs e n d i n gt h ed a t ap a c k a g e si nt h eb u f f e ri se s t i m a t e db yt a k i n gu s eo ft h ef o r e i g n a g e n t ，t h e nt h ec o m m u n i c a t i o n so p p o s i t e i si n f o r m e da n dt a k e sc o r r e s p o n d i n gc o n t r o l m e a s u r eo ft c pa c c o r d i n gt ot h e m a g n i t u d e o fd e l a y i td l r n so u tt h a tw i t ht h e i m p r o v e m e n t si nt h et w oa s p e c t s ，t h et w ok e yp r o b l e m si n f l u e n c i n gt h et c pp e r f o r m a n c e i nt h em o b i l ei pc a nb es o l v e da n dt h et c p p e r f o r m a n c ei np r a c u c a la p p l i c a t i o nc a n b e e r d a a n c e d k e yw o r d s ：m o b i l e i n t e r a c tp r o t o c o l ，w i r e l e s s n e t w o r k ，c o n g e s t i o n c o n t r o l d i f f e r e n t i a t i n gp a c k e tl o s s ，s m o o t h l ys w i t c h i i i 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取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 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结果由本人承担。 学位论文作者签名：在正受 日期：j ”争年弘月2 9 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，即：学校 有权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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密尉。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：矗亚丧 日期：埘口妒年争月卯目 指删雠：矧缸 日期：。h b ，年中月) 7 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 绪论 当今世界，因特网规模正以惊人的速度不断扩大，移动计算机也得到日益广泛的 使用，随着人们对网络依赖性的增加越来越多的移动用户都希望能够以一种更加灵 活的方式随时随地的访问企业网络资源和因特网资源，在现阶段最突出的表现就是对 移动办公的需求。 在过去的几年中，笔记本电脑的数目迅速增加，因特网网也有迅猛的发展。笔记 本电脑在体积、重量和性能方面都在不断改进，同时，因特网也正在以惊人的速度发 展着“j 。 现在，越来越多的人成为了移动办公的一分子，包括远程计算人员、移动售货人 员以及其他一些经常需要跑动的人，这些人急切地希望能从企业网的计算机中或者是 因特网中得到所需要的数据。大多数企业都建立了先进的网络，连接各个雇员和他们 的计算机、工作站。有时，工作中的重要信息只能通过网络得到，这些信息可能是在 企业的专用网i n t r a n e t 上，也可能是在因特网上。因特网是一个公众网络，连接着仝 世界的各个公司、大学、个人和政府机关等等。 不断增加的移动办公人群、对网络计算越来越强的依赖和移动计算技术的发展， 这三个方面一起推动着将移动的计算机和其他计算机相连的需求，包括与固定的和移 动的计算机相连接。 人们为两台和多台计算机之间交换信息定义了一套复杂的规则，这就是网络协 议。但是，在大多数网络协议制定的时代，几乎所有的计算机都不需要经常移动，所 以许多通信协议都应付不了快速移动中的计算机通信。 众所周知，现在移动通信的发展已经实现了手机通信的漫游，手机用户凭借一个 固定的号码就可以实现漫游，即使用户在外地，别人也可以通过他的手机号码与其保 持通信。那么有没有办法让移动的计算机也象手机一样实现漫游，无论身处何地，都 可以随时访问企业网和因特网，别人也可以随时随地的与移动计算机进行通信 2 1 。 移动口( m o b i l ei p ) ，一个为移动的计算机传送信息的解决方案，它是一个由因 1 华中科技大学硕士学位论文 特网工程组( i e t f ，t h ei n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 制定的因特网的协议标准。 移动i p 与移动计算机通信时所采用的物理媒介无关，它允许移动计算机在不中断通 信和不重新启动应用程序的情况下改变地理位置p j 。 二十一世纪的生活离不开移动通信和互联网，移动互联网最重要的意义在于它把 锁定的在一个个固定站点中的信息释放到变化的时空中去；每一个固定的或者是活动 的计算机都可以成为一个网络的节点，随时随地获取所需信息。可以预见，移动通信 网络和i p 通信网络的融合，将开创电信产业发展的新纪元。在一个统一的i p 通信网 络平台传输话音、数据、视频、图像、消息等为大势所趋。移动终端所能提供的 “i n f o r m a t i o na n y t i m e ，a n y w h e r e ”将使互联网的作用发挥到极点 4 1 。 1 2 国内外概况 移动i p 协议由于其支持移动的特殊性能，已经成为了未来网络技术的发展主要 方向。移动i p 技术正是目前国内外研究的热点，许多国外知名大学等研究机构正在 研究移动i p 的实现以及如何改善移动i p 中的缺陷，国外已经有了一些支持移动i p 的 产品。而且，已经开始有人研究移动i p 的各种改进框架，主要思想是加入新的中间 代理 5 - 8 l 。国内在这一方面的研究还只刚刚起步，目前的研究主要还在理论方面，许 多工作急需开展。 1 2 1 移动i p 相关r f c 简介 i e t f 的网间漫游工作小组一直致力于在i n e t e r n e t 上提供主机可移动性的标准。 该工作组己提出了在现存的i p 协议之上实现网间漫游的许多工作，并于1 9 9 6 年1 1 月公布为建议标准，主要包括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 、r f c 2 0 0 6 、 r f c 2 2 9 0 、r f c 2 3 4 4 、r f c l 7 0 1 等文件【9 】。 r f c 2 0 0 2 提供了对i p 移动性的支持，它允许网络上的数据包透明地路由到移动 节点上”。 r f c 2 0 0 3 和r f c 2 0 0 4 各自定义了一种利用隧道封装数据包的技术。 r f c 2 0 0 3 定义了i p 内的i p 封装方法，提出了不直接利用原始数据包头部的目的 地址字段来发送数据包，而是先对i p 数据包封装，然后按照隧道技术的思想来处理 2 华中科技大学硕士学位论文 移动i p 的数据包 1 2 】。 在r f c 2 0 0 3 中规定，为了实现在i p 数据包中封装作为净负荷的原始i p 数据包， 需要在原始数据包的现有头标前插入一个外层i p 头标。 r f c 2 0 0 4 定义了i p 内最小封装有一个前提条件，就是当原始数据包被分片时， 不能使用这种封装技术，也就是说，数据包在封装之前不能被分片。因此，对移动i p 技术来讲，最小封装技术是可选的【1 3 。 r f c 2 0 0 5 讨论在因特网中利用移动i p 提供主机移动的适用性问题1 1 4 1 。 r f c 2 0 0 6 定义了移动i p 的管理信息库( m i b ，m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 。 移动i p 的m i b 库是实现移动i p 节点的变量集合，管理平台可以通过简单网络管理协 议( s n m p ，s i m p l e n e t w o r k m a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) r f c1 9 0 5 1 对这些变量进行检查和 配置【1 5 】。 r f c 2 2 9 0 定义了用于点到点协议( p p p ，p o i n t - t o p o i n tp r o t o c 0 1 ) 、网际协议的控 制协议( i p c p ，i n t e m e tp r o t o c o lc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 的移动i p v 4 配置选项f 1 6 】。 r f c 2 3 4 4 定义了移动i p 中反向隧道技术【1 7 。 r f c l 7 0 1 定义了移动i p 中通用路由封装技术8 1 。 目前有许多协议都实现了对移动i p 协议的支持，主要有：r f c 2 0 0 2 种提出的 m o b i l e i p 协议、路由优化的m o b i l i p 、会话初始协议( s i p ，s e s s i o n i n i t i a t i o n p r o t o c 0 1 ) 、 实时传输协议( r t p ，r e a l - t i m e t r a n s p o r t p r o t o c 0 1 ) 等 1 9 l 。路由优化的m o b i l ei p 提出 了一种路由优化方法，引入了通信代理( c a ，c o m m u n i c a t i o n a g e n t ) 实体；s i p 是i e t f 提出豹在i p 网络上进行多媒体通信的通信协议，在基于网际协议的语音( v o l p ，v o i c e o v e r i p ) 中有重要的应用，目前与占主导地位的h 3 2 3 协议斗争激烈；r t p 是针对i p 上的实时业务传输而制定的，它往往与r t c p 配合使用。 1 2 2 移动i p 研究的热点问题 目前，在国内外对移动i p 的研究中，涉及的热点问题主要包括以下几个方面 2 0 - 2 3 】： 1 路由优化问题 移动i p 中经常遇到三边路由问题，即通信对端发送数据包到移动节点时，首先 要到达家乡代理。而后由家乡代理通过隧道转发给移动节点，而移动节点可以直接向 3 华中科技大学硕士学位论文 通信对端发送数据包。三边路由问题会增加数据包传输的时延，占用【耐络资源并且加 重家乡代理的处理负担 2 ”。 2 ，外地代理的平滑切换问题 由于移动主机的移动频率可能很高，移动节点有时不能及时将当前的新转交地址 注册到家乡代理，此时发往移动节点的数据包将会丢失，这个问题可以通过新旧代理 之间的平滑切换来解决。一种简单的实现方法是在新的外地代理得到移动节点认证前 就发送绑定更新给旧外地代理，然后旧外地代理开始向新外地代理转发数据2 5 1 。这种 方法的切换虽然时延较短，但存在很大的安全缺陷。如果一个攻击者假冒了新的外地 代理，则可能会截获送往移动节点的数据。为增加代理切换的安全性能，同时尽量减 少切换过程中的数据丢失，必须要求新外地代理首先要得到移动节点的认证。移动节 点可以在向新的外地代理发送注册请求的同时向旧外地代理发送绑定更新消息，并通 知旧外地代理暂时缓存数据。然后，移动节点对新外地代理进行认证，如果认证成功， 移动节点将通知旧外地代理转发它缓存的数据到新外地代理，从而实现一种更平滑、 安全的切换。 3 网络性能问题 移动i p 是一种与媒介无关的协议，它可以工作在多种环境中。当移动i p 工作在 无线网络时，移动i p 中的移动性和使用的无线媒介对t c p 的性能造成了很大影响。 t c p 协议认为几乎所有的数据包丢失都是由于拥塞而引起的，当数据包发生错误或丢 失时，t c p 就认为网络发生了拥塞，从而调整发送窗口来降低数据的发送速率。但这 种假设对移动i p 中的t c p 协议并不成立。误码率较高的无线链路经常会引起数据传 输错误，并且频繁变动的移动节点可能在数据包到达前就离开了原来的位置，从而引 起数据包的丢失。因此t c p 错误地将这些数据丢失归咎于网络拥塞，从而降低发送 数据的速率，使得t c p 的性能在移动i p 环境下变得很差【2 6 - 2 ”。 当移动节点数目较多时，由于移动节点和家乡代理的认证而引入的开销将会占用 过多的网络带宽。另外，应该认识到强密码方案是通过牺牲网络性能来提高安全性能 的，因此应在安全性能和网络性能之间进行折衷，根据实际需要来选择合适的安全策 略。一般遵循的原则是当网络规模较小或网络资源比较充足时，可以采用较强的安全 机制，反之，则应适当降低安全性以保障网络的可用性。 4 华中科技大学硕士学位论文 考虑到t c p 和i p 的报头总长将占4 0 个字节，非常有必要实现移动节点的t c p i p 报头压缩。一种方法是在移动节点中采用v a nj a c o b s o n 压缩机制，但要求外地链路必 须支持这种压缩机制。 考虑到代理广播消息和代理注册请求消息也将占用网络资源，因此，应在不影响 移动节点正常工作的同时适当减少代理广播的发送频率和适当增加注册的有效时效。 减少注册消息的方法是采用分层外地代理来实施注册优化。在这种方法中，外地代理 按照树状的分级方式组织，家乡代理只存储当前根外地代理的地址，每个外地代理存 储移动结点所在的下一级代理的地址，每个叶外地代理广播从根到叶的路径上代组成 的向量，移动结点切换后，比较收到的旧向量和新向量，向新、老外地代理的最低共 同祖先注册新位置，只有移动结点切换出根外地代理的范围时，才会向家乡代理发起 注册。这种方法通过将注册消息局部化来减小注册带来的开销。 4 服务质量保障问题 随着移动业务的不断开展，通过移动i p 开展实时业务的需求也日益迫切。但是 无线网络的资源相对匮乏，特别是移动节点不断改变位置且作为接收者时，向它提供 实时业务将变得非常困难。现有的服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 体系结构包括 集成服务模型和差分服务模型，它们都没有考虑移动环境下的q o s 保证，必须进行适 当修改。可行的方法是采用修改过的资源预留协议( r s v p ，r e s o u r c er e s e r v a t i o n p r o t o c 0 1 ) 。r s v p 不是路由协议，也不是传输层协议，而是一种单向信令协议。由于 r s v p 只在一条特定路径上预留资源，通信对端到移动节点路径的经常变化意味着移 动节点每次切换链路时都要重新进行资源预留。它的解决方法是每当移动节点移动 时，重新为从家乡代理到转交地址的路径预留资源。同时由于移动i p 使用隧道技术 并且采用a h 和e s p 等安全手段，使得中间路由器很难识别出数据包的种类进行资源 预留，通过增加一个传输层报头，利用传输层协议的端口号来区分不同的数据包来解 决。因此在移动i p 中进行资源预留的代价将会很高，服务提供商将会向得到较高q o s 保证的用户收取更多的费用 2 9 】。 5 移动i p 对其他协议的支持 目前仍然存在大量其他协议簇，如n o v e l ln e t w a r e 、a p p l e t a l k 等。有时移动办公 人员需要使用t c p i p 以外的协议对数据进行远程访问，所以移动i p 应能支持多种协 华中科技大学硕士学位论文 议。移动i p 通过利用集成移动扩展来实现这种功能。在这种机制中，移动节点可以 通知家乡代理它所支持的其他协议，使得移动节点可以在离开家乡链路继续利用其他 的协议进行通信。这种机制要求移动节点应至少支持i p 以外的一种协议，同时要求 其家乡代理具有多协议路由器的功能。另外，还可以使用点到点隧道协议( p p t p ， p o i n t t o p o i n tt u n n e l i n gp r o t o c 0 1 ) 、第二层隧道协议( l 2 t p ，l a y e r 2t u n n e l i n gp r o t o c 0 1 ) 和虚拟隧道协议( v t p ，v i r t u a lt u n n e l i n gp r o t o c 0 1 ) 来支持移动i p 使用其他协议。 6 移动i p v 6 i p v 6 口o 】巨大的地址空间使得地址的自动配置变得非常简单，移动节点可以容易地 得到一个配置转交地址，所以移动i p v 6 不再需要外地代理。但是其他高层功能与移 动i p v 4 相似，即代理搜索、注册和选路。移动i p v 6 采用路由器搜索，以确定它的转 交地址。与移动i p v 4 的注册相似，i p v 6 本身就集成了对路由优化的支持，通过交换 绑定更新和绑定应答消息，通信对端能够及时获得移动节点的转交地址，并可利用 i p v 6 选路报头通过源路由直接将数据包发送给移动节点来实现路由优化。移动i p v 6 中采用源路由而不使用隧道技术的原因是因为i p v 6 中地址为1 2 8 位，源路由可以比 隧道技术减少处理开销3 1 】。 另外与移动有关而且正在研究和进行标准化的课题还有以下三个方面：首先是可 靠的传输协议t c p 在不可靠的无线链路上以及节点经常变换位置时的性能，即在移 动i p 中，如何改善t c p 的性能。其次是在因特网中如何通过r s v p 来支持实时业务， 以及移动对r s v p 和实时业务的影响。再者是服务定位问题，即移动节点能够发现和 使用在他们家乡或外地网络上的可用资源 3 2 】。 1 3 本课题主要研究工作 本课题要研究和解决的问题是：在对移动i p 中改进t c p 性能的现有方案分析研 究的基础上，提出一种新的改进方案，以提高在移动i p 典型应用环境中的t c p 性能， 并对新方案的实现进行必要的分析。 首先，简单地描述了移动i p 的工作原理，分析了移动i p 的典型应用环境。 然后，简单地对传统的t c p 工作原理和性能进行了分析，并且对传统的t c p 协 议中的拥塞控制和拥塞避免等机制也进行了分析。 华中科技大学硕士学位论丈 在此基础上讨论t c p 关于拥塞的假设在移动i p 的典型环境中( 有线网络和无线 网络的混合环境中) 的不足和相关的影响因素。 接着分析目前有关在移动i p 中改进t c p 性能的些方案。对其中部分方案存在 的问题进行了探讨和分析。 在深入分析了常用的方案和移动i p 中影响t c p 性能原因的基础上，对于影响t c p 性能的两个主要方面分别提出了相应的改进方案，并且分析了新方案在实现过程中的 关键技术和相应的算法。然后，从整体上描述了整个方案。 最后，分析新方案的优缺点，并且提出了改进移动i p 典型应用环境中t c p 性能 的研究方向。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 移动i p 、t c p 及现有改进方案 移动i p 是最近由i e t f 制订的网络协议，旨在保证通信主机在移动过程中的通信 不被中断，且其余主机能通过移动主机的原i p 与之通信。t c p 是因特网上广泛使用 的传输控制协议，t c p 协议可以保证通信计算机端到端之间可靠、有序的字节流传输， t c p 的核心在于滑动窗口算法和拥塞控制算法。 2 1 移动i p 的简单介绍 移动i p 是网络层协议，对上面支持t c p 等传输协议，且与下面的运行媒介毫无 关系，所以，采用移动p 的移动节点可以从一种媒介移动到另一种媒介，而不会丢 失现有的网络连接。 本节对移动i p 的设计要求和设计目标、功能实体、基本术语、工作原理、工作 机制、不足等方面进行了介绍。 2 1 1 移动i p 设计要求和目标 移动i p 协议应满足以下设计要求： 1 移动节点改变其链路层连接点后，能够保持i p 地址不变，从而可以继续和其 他节点通信，同时移动节点还能够和其他没有采用移动i p 协议的节点进行通信； 2 移动i p 应与现存的i p 协议兼容，不需要对当前的网络连接、用户设施和路由 器的配置进行更改，不应影响当前对i p 地址的分配方法，也不需要对协议数据单元 进行更改； 3 移动节点不应比因特网上的固定节点面临更多的安全威胁； 4 移动i p 协议向上层屏蔽主机的移动，使得上层应用程序不受移动主机移动性 的影响。 同时，为了使移动i p 得到广泛的配置和应用，移动i p 必须致力实现以下的目标： 1 为了使移动i p 能够在无线链路上很好地工作，必须尽量减少路由更新信息的 数量和频率； 2 由于移动终端在性能和功耗上的限制，必须尽量简化移动i p 软件方面的设计： 8 华中科技大学硕士学位论文 3 考虑到目前口v 4 地址短缺的困境，移动i p 的应用不应恶化这个问题； 4 为能够适应移动主机不断增长的需求，移动i p 必须具有较好的可扩展性。 2 1 2 移动i p 做的假设 移动i p 的一个基本假设是：点到点通信的数据包在选路时与源i p 地址无关。也 就是说，移动i p 假设点到点通信只依据目的i p 地址来选取路由，实际上是只用目的 地址的网络前缀部分。 移动i p 的另一个假设是：假设已经存在因特网( 或一个内部网) ，并且该网络能 在任意两个节点间传送数据包。移动i p 关，t l , 的不是因特网中采用哪个动态路由协议、 因特网的路由结构如何扩展到足以支持几百万台主机和路由器，而只是认为因特网用 了这些协议，而且它可以扩展到这样的网络规模。 移动i p 要求的只是由路由器和链路构成的个网络，这个网络能将数据包送到 任何连接在家乡链路上的节点。i p 协议正好提供了这个条件。对移动i p 来说，重要 的是存在着一些路由器和链路，而不是它们的拓扑结构。 2 1 3 移动i p 功能实体 移动i p 定义了三种必须实现移动协议的功能实体： 1 移动节点 在有些文档中，移动节点又叫作移动主机。它是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 址的那些节点。 2 家乡代理 家乡代理是有一个端口与移动节点的家乡链路相连接的路由器。家乡代理也叫归 属代理。家乡代理的主要作用：当移动节点切换链时，家乡代理直被通知移动节点 的当前位置。有时，家乡代理广播对移动节点家乡地址的网络前缀的可达性，从而吸 引那些送往移动节点的家乡地址的i p 包。解析送往移动节点的家乡地址的包，并将 这些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 外地代理是在移动节点的外地链路上的路由器。外地代理的主要作用：帮助移动 华中科技大学硕士学位论文 节点通知家乡代理它的转交地址。有时，提供移动节点的转交地址，并为已被家乡代 理设置了隧道的移动节点发送拆封后的数据包。外地代理也作为连接在外地链路上的 移动节点的缺省路由器。 4 三者的相互关系 它们三者的关系如图2 1 所示： 移动节点“访 问”外地链路 2 1 4 移动i p 基本术语 图2 1 移动i p 实体及相互关系 1 隧道 如图2 2 所示，当一个数据包被封装在另一个数据包的挣荷中进行传送时，所经 过的路径称为隧道。图2 2 中还给出了个例子，表明家乡代理为将数据包传送给移 动节点，把数据包通过隧道先送给外地代理。 外部静荷 。 图2 2 i p 隧道 华中科技大学硕士学位论文 当移动节点在外区网上时，家乡代理需要将原始数据包转发给已注册的外地代 理。这时，家乡代理使用i p 隧道技术，将原始i p 数据包( 作为净负荷) 封装在转发 的i p 数据包中，从而使原始i p 数据包原封不动地转发到处于隧道终点转交地址处。 在转变地址处解除隧道，取出原始数据包，并将原始数据包发送到移动节点。当转交 地址为驻留本地的转交地址时，移动节点本身就是隧道的终点，它自身进行解除隧道， 取出原始数据包的工作。 2 家乡地址、家乡链路和家乡代理 移动节点的家乡地址是指“永久”地分配给该节点的地址，就像分配给固定的路 由器或主机的地址一样。当移动节点切换链路时，家乡地址并不改变。改变移动节点 的家乡地址的原因和场合与改变固定主机或路由器地址的原因与场合一致，即是在当 整个网络需重新编址的时候。 移动节点的家乡链路就是与它的家乡地址具有相同网络前缀的链路。家乡代理就 是至少有一个端口与家乡链路相连的路由器。 移动节点的家乡地址与它的家乡代理、家乡链路密切相关，特别是移动节点家乡 地址的网络前缀决定了它的家乡链路。 除了极少数特例，移动节点只用家乡地址和别的节点通信，这就要求移动节点将 家乡地址写入域名系统( d n s ，d o m a i n n a m es y s t e m ) 中它的“i p 地址”域，其他节 点在查找移动节点的主机名时就会发现它的家乡地址。 另外注意，移动节点的家乡链路并不一定是由物理媒介构成的物理链路，它可以 是在移动节点的家乡代理中由软件实现的一条虚拟链路，可以认为家乡代理与这条虚 拟的家乡链路有一个虚拟端1 ：3 ，这样移动节点就永远不会连到它的家乡链路上。 3 转交地址、外地链路和外地代理 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，这是一个完全正确、 但却没有多少实质内容的定义。可以通过了解转交地址的特性来理解它的定义： ( 1 ) 转交地址与移动节点当前所在的外地链路相关； ( 2 ) 每次移动节点改换外地链路时，转交地址也随着改变； ( 3 ) 送往转交地址的数据包可以通过现有的因特网路由机制传送，即不需要用 与移动i p 相关的特殊规程来将i p 包传送到转交地址上； 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 转交地址是连接家乡代理和移动节点的隧道的出口； ( 5 ) 当移动节点与其他节点通信时，转交地址几乎永远不会被作为源i p 地址或 目的i p 地址。特别是，当其他节点查找移动节点的主机名时，d n s 服务器不会返回 移动节点的转交地址。 从概念上讲，有两种转交地址：第一种是外地代理转交地址，它是外地代理的i p 地址，有一个端口连接移动节点所在的外地链路。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1 ：2 与外地链路相连就可以了，多个移 动节点可以同时共用一个外地代理转交地址；第二种是配置转交地址，它是暂时分配 给移动节点的某个端1 2 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。当外地链路上没有外地代理时，移动节点可以采用这种转交地址。 个配置转交地址同时只能被一个移动节点使用。 外地链路是指家乡链路以外的链路。外地代理是指至少有一个端口与外地链路相 连的路由器。 4 注册 注册是移动节点向家乡代理通知其当前转交地址的一种认证机制，也是移动节点 再回到家乡链路后注销转交地址的机制。 在移动i p 中，按不同的网络连接方式，有两种不同的注册方式。一种是通过外 地代理进行注册，即移动节点向外地代理发送注册请求报文，外地代理接收并处理注 册请求报文，然后将报文中继到移动节点的家乡代理，家乡代理处理完注册请求报文 后向外地代理发送注册答复报文( 接受或拒绝注册请求) ，外地代理处理注册答复报 文，并将其转发到移动节点；另一种是直接向家乡代理进行注册，即移动节点向其家 乡代理发送注册请求报文，家乡代理处理后向移动节点发送注册答复报文( 接受或拒 绝注册请求) 。注册请求和注册答复报文使用用户数据报协议( u d p ，u s e rd a t e l g r a m p r o t o c 0 1 ) 进行传送。当移动节点收到来自其家乡代理的代理广播报文时，它可判断 其已返回到家乡网络。此时，移动节点应向家乡代理撤销注册。在撤销注册之前，移 动节点应配置适用于其家乡网络的路由表。 5 代理搜索 为了随时随地与其他节点进行通信，移动节点必须首先找到一个移动代理。移动 1 2 华中科技大学硕士学位论文 i p 定义了两种发现移动代理的方法：一是被动发现，即是本地移动代理周期性地发送 代理广播报文，移动节点被动接收：二是主动发现，即是移动节点广播条请求代理 的报文，等待本地移动代理应答。 移动i p 使用扩展的“i c m pr o u t e rd i s c o v e r y ”机制作为代理搜索的主要机制。要 注意的是，使用以上任何一种方法都可使移动节点识别出移动代理并获得转交地址， 从而获悉移动代理可提供的任何服务，并确定其连至家乡网络还是某- - # b 地网络上。 使用代理搜索可使移动节点检测到它何时从一个i p 网络( 或子网) 漫游( 或切换) 到另一个i p 网络( 或子网) 。 所有移动代理( 不管其能否被链路层协议所发现) 都应具备代理广播功能，并对 代理请求作出响应。所有移动节点必须具备代理请求功能。但是，移动节点只有在没 有收到移动代理的代理通告，并且无法通过链路层协议或其他方法获得转交地址的情 况下，方可发送代理请求报文。 6 代理广播 外地代理使用特定的消息宣告自己的存在。移动节点通过接收定期的代理广播来 判断自己是否移动，是否该向家乡代理注册新的转交地址。代理广播使用路由器i c m p 消息的特殊扩展位来实现。 2 1 5 移动i p 工作原理 移动i p 技术引用了处理蜂窝移动电话呼叫的原理，使移动节点采用固定不变的 i p 地址，一次登录即可实现在任意位置上保持与i p 主机的单一链路层连接，使通信 持续进行。移动i p 网络结构示于图23 ： 家络 图2 3 移动i p 网络结构 1 3 华中科技大学硕士学位论文 移动i p 是在因特网中提供移动功能的网络层方案。也即，移动i p 通过在合适的 节点上设立路由表，将i p 包送到那些不在家乡链路上的移动节点。事实上，可以把 移动i p 看作是一个路由协议，只是与上面几种路由协议相比时，移动i p 具有特殊的 功能，它的目的是将数据包路由到那些可能直在快速地改变位置的移动节点上。 2 1 6 移动i p 工作机制 移动i p 的工作机制如下【3 3 i ： 1 通过周期地组播或广播一个称为代理广播的消息，家乡代理和外地代理宣告 它们与链路的连接关系。 2 移动节点收到这些代理广播消息后，检查其中的内容以确定自己是连在家乡 链路还是外地链路上。当它连在家乡链路上时，移动节点就可像固定节点一样工作， 即它不再利用移动i p 的其他功能。下面的步骤假设移动节点连接在一条外地链路上。 3 连在外地链路上的移动节点需要一个转交地址。它可以从外地代理广播的代 理广播消息中找到外地代理转交地址，配置转交地址必须通过一个配置规程得到，比 如用动态主机配置协议( 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 ) 、p p p 的i p c p 或手工配置。 4 移动节点向家乡代理注册从第3 步中得到的转交地址，可以通过移动i 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 家乡代理或者是在家乡链路上的其他一些路由器广播对移动节点家乡地址的 网络前缀的可达性，从而吸引发往移动节点家乡地址的数据包，家乡代理截取这个包， 并根据移动节点在第4 步中