（计算机应用技术专业论文）无线局域网中的结点切换与voip应用研究.pdf

摘要 摘要 当前无线局域网的发展趋势表明，人们已不满足于简单的数据服务，各种网 络服务及灵活的网络访问方式是人们追求的主要目标之一。本文所着重研究的无 线局域网下的结点切换与v o l p 应用对于满足这一需求有十分重要的意义。 本文首先从分析无线局域网结点切换的特点入手，指出丢包率和切换延迟等 是影响其q o s 的主要因素，而目前无线局域网的切换方法一硬切换和平滑切换， 要么丢包率大，要么切换延迟长，不能满足结点的q o s 需求。对此，本文根据 a p 覆盖区域之间部分重叠的事实提出了一种a p 预先转发的切换方法，试验结 果表明，提出的切换方法在丢包率和切换延迟方面的性能要优于其它方法。 接下来，针对提出的切换方法所引起的网络丌销，本文利用了两层覆盖区域 的概念，并根据重叠区域的大小、结点的移动速度等因素对提m 的切换方法的性 能进行了试验研究，试验结果进一步证明了该剀换方法能够满足结点切换时的 q o s 需求。 其次，在无线局域网下的v o i p 应用方面，为了对v o i p 结点提供q o s 支持， 本文选用了基于a p 轮洵的p c f 信道访问方式，针对a p 信标发送延迟所引起的 v o l p 结点传输抖动问题，本文提出了一种动态控制a p 轮询序列的方法，根据信 标发送延迟的大小动态控制结点的轮询，达到了减小传输抖动的目的。 另外，在可变比特率编码v b r 方面，本文根据语音编码的特点及通话特征 符合两状态马尔可夫链的规律，利用中心极限定理推导出了a p 单个轮询周期所 能轮询的最大v o l p 结点个数。该方法简单可行，对于实现v b r 编码方式下v o l p 结点连接许可控制( c a c ) 非常重要。 在解决了切换问题以后，对于v o l p 等实时应用结点来说，切换前后，能否 保持持续、一致的q o s 保障也是一个比较重要的问题。本文根据无线局域网本 身的特点及前面的研究成果，针对v o l p 结点应用提出了一种p c f 方式下的资源 预留方法，该方法能够使结点提前向邻居a p 发出资源预留请求，而邻居a p 又可 以根据网络状况动态调整预留资源大小。试验结果表明，在不浪费无线带宽资源 的条件下，提出的方法相对于其它预留方案能够获得更低的切换连接掉线率。 最后，本文还对热点区域的a p 负载分配进行了研究。传统的结点选择a p 通常挑选收到的信号强度最大的a p 建立连接，这种方法会造成a p 之间的负载 严重不均及性能的下降，而目前已有的方法只根据结点个数进行控制，没有反映 真实的网络情况。对此，本文提出了一种基于r s s i 、a p 当前负载和带宽大小等 劂素的负载分配方法并对其进行了仿真试验研究，结果表明该方法在整体性能上 要好与其它方法。 关键词：a p 预先转发、切换、v o i p 、资源预留、负载分配 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h eh a n d o f fm e c h a n i s mo ft h es t a t i o na n dv o i p a p p l i c a t i o ni nw i r e l e s sl a n s y a n gr e n z h o n g d i r e c t e db yp r o f h o u z i f e n g c u r r e n tt r e n d si nw i r e l e s sl a n si n d i c a t et h a tp e o p l ea r en o ts a t i s f i e dw i t ht h es i m p l ed a t a s e r v i c e ，l i k ew e bb r o w s em a n yk i n d so fs e r v i c e s ，s u c ha sv o l pa p p l i c a t i o na n df l e x i b l ea c c e s st o n e t w o r k sa r ea l s ot h e i rd e m a n d s t om e e tt h e s ed e m a n d s i tj sv e r yj m p o r t a n tt os t u d yt h eh a n d o f f m e c h a n i s mo fm o b i l en o d ea n dv o i pa p p l i c a t i o ni nw l a n w h i c hi st h et o p i co f t h i st h e s i s f i r s t l y , b ya n a l y z i n g t h eh a n d o f f p r o c e s so f am o b i l en o d e ，i ts h o w st h a tt h ed r o pr a t ea n dt h e h a n d o f f l a t e n c ya r et h em a i na s p e c t st h a ti n f l u e n c et h eq o s o f t h i sn o d e b u tt h eh a n d o f f m e t h o d s t h a tan o d en o w u s e ，i n c l u d i n gt h eh a r dh a n d o f f a n ds t o o p t hh a n d o i f , e i t h e rh a v eh i g h e rd r o pr a t e o rh a v el o n g e rh a n d o f f l a t e n c y t ot h i sp r o b l e m an o v e lh a n d o f fm e t h o db a s e do na p p r e f o r w a r d i sp r o p o s e di nt h i st h e s i sa n ds i m u l a t i o no fi ti sa l s oc a r r i e do u t t h er e s u l ts h o w st h a tt h ew h o l e p e r f o r m a n c eo f t h i sp r o p o s e da l g o r i t h mi sh i g h e rt h a nt h eo t h e r s t h e ni no r d e rt or e d u c et h eo v e r h e a d st h a tt h ep r o p o s e dh a n d o f m e t h o db r i n g st o t w o t j e c e l lc o v e r a g em e t h o di su s e d b e s i d e st h i s ，t h ed e g r e et h a tt h es i z eo ft w oc e l l o v e r l a pa n dt h e m o b i l e v e l o c i t y w h i c hi n f i u e n c et h eh a n d o f fp e r f o r m a n c ei sa l s os t u d i e d t h er e s u l t sf u r t h e r v a l i d a t i n go u rp r o p o s e dh a n d o f f m e t h o d n e x t ，t h ev o i pa p p l i c a t i o ni n8 0 2 1 1w i r e l e s sl a n si sa l s os t u d i e di bt h i st h e s i s i no r d e rt o s u p p l yq o st oy e l p , t h ep c fc h a n n e la c c e s sm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do na pp o l l i n gs t a t i o n s ，i s u s e d ，b u tt h eb e a c o ns e n tb ya pi ss o m e t i m e sd e l a y e du s i n gt h i sm e t h o d ，w h i c hw i l le n l a r g et h e j i r e rt i m eo fp o l l e dv b l ps t a t i o n s t od e a lw i t hi t ，ad y n a m i cp o l l i n g l i s tm e t h o di s p r o p o s e da n d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h ep r o p o s e dm e t h o di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c e g r e a t l y o nt h eo t h e rh a n d ，t h en u m b e ro f p o l l e ds t a t i o n sj nap o l l i n gl i s th a sj t sm a x i m u m i no r d e rt o f u m l lt h ec o n n e c t i o na d m i s s i o nc o n t r o l ( c a c ) e a s i l y , t h em a x i m u mm u s tb ec a l c u l a t e df i r s t ls oa d e d u c i n gm e t h o do fv a r i a b l eb i tr a t e ( v b r ) c o d e ci si n t r o d u c e di n t ot h i st h e s i s w h i c hm a k e su s e o fm a yo rb r a d y sc o n c l u s i o nt h a t p e o p l e s c o n v e r s a t i o nf e a t u r em e e t sw i t h2 - s t a t em a r k o v c h a i n av o l ps t a t i o nc a nm o v e f r e e l yf r o mo n eb s st oa n o t h e ri nw i r e l e s sl a n s ，b u ta f t e rh a n d o f f w h e t h e ri tc a ng e tt h ei d e n t i c a lq o sb e f o r ei sa l s ov e r yi m p o r t a n t a tt h eb a s eo ft h ep r e s e n t r e s o u r c er e s e r v a t i o ns c h e m e sa n dt h ew i r e l e s sl a n ss p e c i a l t i e s ，ap c fs t a t i o n r e s o u r c e r e s e r v a t i o ns c h e m ei s p r o p o s e di n t h i st h e s i st o o ，w h i c hw h e nam o b i l ef i n d san e wa p , c a n r e q u e s ti t sa d j a c e n ta p t or e s e r v er e s o u r c ef o ri ta n da tt h es a m et i m e t h ea d j a c e n ta pa l s oa d j u s t s t h es i z eo fr e s e r v e dr e s o u r c ea d a p t i v e l y as i m u l a t i o no ft h e p r o p o s e ds c h e m es h o w st h a tt h e p r o p o s e ds c h e m ec a nm a k et h eh a n d o f rd r o pr a t el o w e rt h a no t h e rr e s e r v a t i o ns c h e m e su n d e rt h e c o n d i t i o no fn o tw a s t i n gt h ew i r e l e s sb a n d w i d t hr e s o u r c e a tl a s t ，t h el o a dd i s t r i b u t i o no fa pi nh o ta r e ai sa l s os t u d i e di nt h i st h e s i s i na ni n f r a s t r u c t u r e w i r e l e s sl a n s o n es t a t i o na l w a y ss e l e c t sa pt oc o n n e c ti sb a s e do nt h er e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h i n d i c a t o r ( r s s l ) t h i sa p p r o a c hm a ym a k eal a r g en u m b e ro fa c t i v es t a t i o n sc o n n e c tt oaf e wa p s i i i a b s t r a c i a n dt h en u m b e ro fs t a t i o n st oc o n n e c tt oo t h e ra p si sv e r yf e w w h i c hc a u s e st h en e t w o r k si o w p e r f o r m a n c ea n dl o wr e s o u r c eu t i l i z a t i o nr a t e t os l o v et h i sp r o b l e m ，a p p r o a c h e sa r ep r o p o s e di n s o m el i t e r a t u r e s ，b u tt h e ye i t h e rd on o tc o n s i d e rt h et r u el o a do fs t a t i o n ，o ri n c r e a s et h eh a n d o f f t i m e so fs t a t i o n s oad o v e l i o a dd i s t r i b u t i o na l g o r i t h mb a s e do nr s s i 1 0 a da n do t h e rf a c t o r si s p r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sh i g h e rt h a nt h e o t h e r s k e y w o r d s ：a pp r e - f o r w a r d ，h a n d o f f , v o j p , r e s o u r c er e s e r v a t i o n ，l o a dd i s t r i b u t i o n 声明 我声明本论文是我本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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果。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了谢意。 作者签名：桶仁忠日期： 中、2 、心 论文版权使用授权书 本人授权l f j 国科学院计算技术研究所可以保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和电子文档，允许本论文被查阅和借阅，可以将本 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、汇编本论文。 ( 保密论文在解密后适用本授权书。) 作者签名：桶传文 导师签名： 阳隰例z 一 第一章引言 第一章引言 随着i n t e r n e t 和无线通信技术的发展，人们进行网络信息交互的方式和能力 也越来越丰富，如无线p d a 、智能移动终端等，这些技术和设备f 把人们从传 统的固定网络访问方式中解放出来，只能在办公室、家庭等固定场所才能进行的 工作方式已成过去，而“任何地方、任何时间、任何方式”都能进行信息交互j f 是移动计算追求的主要目标。 “移动计算”作为现代计算机通信领域的一个新课题 1 【1 0 7 】，利用了计算 机技术和无线通信技术为用户提供了一种移动的计算环境和新的计算模式。移动 计算技术可应用于以下几个方面：无处不在的工作范围，甚至是山谷、野外；随 时随地办公，如汽车办公、产品销售、现场数据采集等。“移动计算”被认为是 未来最有影响的四大技术方向之一，其余三项分别为网络基础设施、电子商务和 软件重用，移动计算技术已成为研究的焦点。 另一方面，从计算机网络的角度上看，支持移动计算的技术方案主要有数 据链路层方案和网络层方案。前者提供了对l 司质网络间的移动功能支持，而后者 保证了用户跨不同子网和异构链路层技术之间的透明网络防问。 基于i e e e8 0 2 1 1 的无线局域网技术作为支持移动计算的手段之，提供了 。种链路层的移动计算解决方案【2 。在最近几年，无线局域网发展很快，并在 很多公司、学校、大型商场等得到了广泛应用。然而，目前这些应用还主要集中 在简单的数据服务方面，如文件下载、w e b 网页浏览和收发电子邮件等，一些 在有线网络下的多媒体应用如视频会议、v o l p 电话等在无线局域网下却不是很 理想。这其中除了无线链路本身的缺陷外，如无线干扰、多经衰退等，缺乏q o s 的支持是主要原因，特别是应用结点跨区切换，较高的切换延迟和丢包率使这个 问题更加突出。虽然正在推出的i e e e8 0 2 1 l e 标准提供了一定q o s 支持，但是 在如切换、负载分配等方面的工作还比较欠缺，而这也是影响结点q o s 性能的 主要因素，因此，本文的日的就是在现有广泛普及的i e e e8 0 2 1 1 标准前提下， 结合v o l p 实时应用在w l a n 方面的需求，研究并提出了改善终端结点q o s 性 能的方法，研究的结果和方法对在实际应用环境中实施基于w l a n 的多媒体应 用具有很好的理论和实际指导意义。 1 1 网络层协议对移动计算的支持 目前，随着i n t e m e t 的广泛普及，t c p i p 协议已经称为事实上的网络互连标 准，在i p 层加入对移动功能的支持可以使用户透明地进行网络访问，尽管他( 她) 已经移动到别的网络区域，如特定主机路由方法，但这种方法在用户跨网移动发 生切换时，位置的改变会使中问路径上路由器的路由表信息改动，开销比较大。 目前，在i p 层主要利用移动i p v 4 或移动i p v 6 协议，但当移动结点距离家乡网 络比较远且在微网内频繁移动时，移动i p 丌销会很大，为此现在又提卅了钊。对 这种情况的微移动i p 协议，而把移动i p 称为宏移动脚议。 论文：无线局域网下的结点切换与v o l p 应用硎究 1 1 1 移动i p v 4 根据i e t f 制定的规范【3 】，移动i p v 4 主要包括4 部分，如图1 1 所示，移 动主机( m h ) 、通信对端主机( c h ) 、家乡代理( h a ) 和外地代理( f a ) 。当 移动主机离开家乡网络并进入一外地网络时，首先通过外地代理和家乡代理进行 相互认证，安全认证通过以后，外地代理为移动主机分配一个转交i p 地址 ( c a r e o f - a d d r e s s ) ( 分为两种转交地址：外地代理转交地址和配置转交地址) ， 而原来的家乡i p 地址表明主机身份，这个地址是不变的。转交i p 地址用来标识 移动主机的位置，并用转交地址和c h 通信。准备工作完成以后，移动主机才和 对端主机进行通信，其过程如下： ( 1 ) 当对端主机向移动主机发送数据包时，它以移动主机的家乡i p 地址 作为目的地址，把数据包发送到移动主机的家乡链路上； ( 2 ) 家乡代理收到这个数据包后，若发现移动主机在家乡链路上，则按正 常的i p 协议把该数据包发送给移动主机。否则，家乡代理首先利用 隧道技术把该数据包进行封装( e n c a p s u l a t e ) ，然后把封装后的数据 包转发到移动主机所在的外地链路上； ( 3 ) 外地代理在收到这个封装的数据包后进行拆封( d e c a p s u l a t e ) ，再把 拆封后的原始数据报发送给移动主机。 ( 4 ) 反之，当移动主机向通信对端主机发送数据时，则按正常的l p 防议， 即移动主机以家乡i p 地址作为数据报文的源地址，对端主机的i p 地 址作为目的地址进行发送。 图1 - 1 移动i p v 4 三角路由 从上可以看出，对端主机( c h ) 能够透明地与移动主机( m h ) 通信，但同时 存在一个三角路由问题，即对端主机在向移动结点发送数据时，必须先把数据发 送到家乡代理，再有家乡代理进行转发。例如，当移动结点与对端主机在相距很 近，或在同一个网络时，对端主机也不能直接把数据发给移动主机，这样不但浪 费带宽，而且通信效率也很低。 对于上面的问题，出现了很多解决方法，如在 4 5 采用的绑定更新消息方 法、 6 的基于组播( m u l t i c a s t ) 的方法和 7 采用的主动网络技术等，而移动 i p v 6 就是种绑定更新管理方法。 1 1 2 移动i p v 6 和移动i p v 4 相比，移动i p v 6 没有外地代理( f a ) ，它只包括三个部分，即 第一章引言 移动主机( m h ) 、家乡代理( h a ) 和通信伙伴( c h ) 。移动主机在移动到外地 网络时，通过邻居发现协议和自动地址配置得到转交地址( c a r e o f - a d d r e s s ) 。为 了支持绑定更新管理，所有i p v 6 终端结点都维护一个包含其它结点信息绑定的 缓存，当发送数据包时，要根据缓存中的地址进行发送，要点如下： ( 1 ) 当移动结点移动到外地网络并得到一个配置转交地址时，就向家乡代 理和通信伙伴发送一条绑定更新消息，通告其当前位置。家乡代理和 通信伙伴把移动结点的转交地址保存到绑定缓存后，会向移动结点发 送绑定应答； ( 2 ) 通信伙伴根据移动结点绑定的转交地址直接与移动结点进行通信； ( 3 )当通信伙伴不知道移动结点的转交地址时，可以直接把数据包发送到 移动结点的家乡代理，然后有家乡代理把此数据包转发到移动结点。 移动结点收到该数据包后发现通信伙伴不知道自己的转交地址，就向 其发送绑定更新消息； ( 4 ) 通信伙伴要定期向移动主机发送绑定更新请求，以便刷新绑定更新信 息。 在移动i p 中，移动结点每更换一次转交地址或每切换( h a n d o f f ) 一次就得 向家乡代理进行认证和注册。一方面，如果切换的频率比较高，则通信效率就会 下降；另一方面，如果移动结点在进入一个新的外地网络而且还没有及时地向家 乡代理和通信伙伴发送绑定更新，而通信伙伴或家乡代理仍按原来的转交地址进 行发送数据包，则就有可能丢失数据包，尽管可以采取一些措施如采用平滑切换 方法( s m o o t hh a n d o i f ) 1 1 0 】 1 1 1 】【1 1 7 】，旧的外地代理或基站向新外地代理或基 站转发数据包等，但是特别在微网内，如无线局域网，a p 的覆盖区域较小，切 换频率比较人，如果每切换一次，就向家乡代理进行注册一次，则上述问题就会 更加突出。 为了提高移动结点在无线局域网或在一个小的网域内频繁切换的效率，使 移动结点进行快速、无缝地切换，人们对移动i p 协议进行了补充，称之为i p 微 移动( m i c r om o b i l i t y ) 协议，如 8 9 】哥伦比亚大学和爱立信提出的蜂窝i p ( c e l l u l a r i p ) 、【1 0 1 1 】中等人提出的分层移动i p 和 1 2 提出的h a w a i i i p 协议等。 1 1 3 微移动i p 协议 1 1 2 1 1 8 】 1 、蜂窝i f ( c e l l u l a r i p ) 蜂窝i p 技术建立在m o b i l ei p 基础之上，充分利用了蜂窝移动通信系统的 移动性管理功能和连接切换控制，来实现蜂窝i p 网络内部的路由和切换【9 ，其 网络模型如图1 2 所示。在蜂窝网络中通过基站与移动主机进行通信，并通过网 关路由器( g w ) 将c e l l u l a r i p 网络与i n t e r n e t 相连。当移动主机( x ) 进入到蜂 窝网络后( 1 ) ，要向家乡代理进行注册( 2 ) ，并把网关路由器的地址作为自己的 转交地址，注册成功以后就可以与相应的主机通信( 3 ) 。 路由：在蜂窝i p 网络内部，移动主机以家乡地址作为自己的i p 地址，而且， 为了降低网络负荷，把移动主机分为两种状态，即空闲状态( i d l e ) 和激活状态 ( a c t i v e ) 。与此对应，在基站有两种缓存，用来保存移动主机的路由信息，即寻呼 缓存( p a g i n gc a c h e s ) 和路由缓存( r o u t i n gc a c h e ) 。蜂窝i p 利用这两种缓存的 信息来确定移动主机所在的位置。当移动主机处在空闲状态，即无数据传送等情 论文：无线局域刚下的结点切换与v o l p 应用司究 况时，寻呼缓存的维护过程如下 剀1 - 2 蜂窝i p ( 1 ) 移动主机定期向附近的基站发送寻呼更新包( p a g i n g u p d a t e ) ： ( 2 ) 基站收到该控制包后，沿着上行链路，即从陔基站到网关路由器的链 路向上转发； ( 3 ) 在该链路上所有具有缓存功能的结点在转发控制包的同时，用该寻呼 更新包更新自己的缓存路由信息； ( 4 )该控制包到达网关路由器后，被丢弃。 如图1 2 ，当移动主机x 处在小区d 时，其上行链路为：d c 一 a - r ，结 点c 的寻呼缓存信息为：x 的i p 地址入1 5 1 点d ，即x ：来自d 。当有数据要 发送到x 时，会沿着反向路由到移动主机x 。另一方面，当移动主机收到或发 送数据包时，会从空闲状态转换到激活状念，此时，移动主机停止发送寻呼更新 包。在激活状态_ 卜，( 1 ) 当移动主机发送数据时，会利用数据包中的信息来刷新 上行链路中有路由缓存( r c ) 的结点中的路由信息；( 2 ) 当移动主机在某段时 间内只接收、不发送数据时，会定期地发送路由更新( r o u t e u p d a t e ) 包来刷新 上行链路中的路由缓存。同时，移动主机启动一定时器，每次移动主机发送数据 或控制包时会重置定时器的值，否则，若定时器超时，移动主机就返回到空闲状 态。另一方面，在激活状态下，移动主机发送的数据包或路由更新包也同时刷新 寻呼缓存( p c ) 中的路由信息。 切换：在蜂窝i p 中，切换总是由移动主机发起的，通过上面的路由和寻呼 缓存机制，蜂窝i p 可以支持两种类型的切换，即硬切换( h a r d ) 和准软切换 ( s e m i s o 劫。当移动主机不能同时监听两个逻辑信道h 寸，就采用硬切换方式，即 邑进入一个新的小区进行数据的收发时就会断开与旧的基站的连接，这种情况 有可能导致数据包的丢失。另一方面，当移动主机能同时龉听多个信道时，就采 用准软切换方式，其过程如f ： ( 1 ) 移动丰机一进入新的小区，就向新基站发送路由更新包 r o u t e - u p d a t e ) ，( 若切换时正在发送数据，则不发送更新包) ，同时监 听老的基站； ( 、2 ) 由更新包在新基站的上行链路的各个有缓存功能的结点上建立路由 缓存( r c ) 和寻呼缓存( p c ) ； ( 3 ) 建立好路由后，移动主机同时从新、老基站收发数据包； ( 4 ) 当移动主机完全进入到新的基站小区后，由于老的基站收不到路由更 新包，其旧路径上的各个缓存结点上的定时器就会超时，会自动删除 老的路由信息。此时，移动主机只从新的基站收发数据，切换完成。 第一章引言 另外，为了降低丢包率，对没有能力同时监听多个基站的移动接点也可以 采取平滑切换方式，即移动主机切换之前把新基站的i p 地址发送给旧基站，由 旧基站向新基站发送数据。 上而是移动主机激活状态下的切换过程，在空闲状态下的切换过程与此类 似，为了提高切换效率，移动主机可以在其信号范围内向多个基站发送寻呼更新 包( p c ) 。 从蜂窝i p 的整个过程可以看出，移动主机进入到一个新的蜂窝网络时，向 家乡代理只注册一次，在以后的切换过程中，只要不离开此蜂窝网络，就不用每 次向家乡代理进行注册。相对于移动i p 来说，切换延迟大大降低。但另一方面， 移动主机在蜂窝网络内向家乡代理注册、发送路由更新、寻呼更新和与外部网络 通信时大都经过网关路由器，容易在网关处形成通信瓶颈。 2 、分层i p 技术 分层移动管理模式在无线网络中主要是降低信令负荷，如在g s m 蜂窝网络 中使用家乡位置注册库( h l r ) 和访问位置注册库( v l r ) 来实现蜂窝电话的移 动注册和管理 1 3 。在i p 无线网络中，分层移动i p 也是为了移动主机在接入网 内部移动时，位置的改变不用通知家乡代理。如图1 3 外地代理采用了分层树状 结构，且数据包在外地代理之间逐层转发时采用了隧道技术。如在1 1 4 】中分层 树的根结点为网关外地代理( g f a ) 其下有多个外地代理( f a ) 。当移动主机移 动到接入网时，它以网关外地代理的i p 地址作为转交地址，并通过网关外地代 理向家乡代理( f a ) 进行注册。 另外，每一个外地代理都维护着一个其下层外地代理和移动主机的访问列 表，分层i p 协议利用列表中的路由信息在移动主机到g f a 的路径上的相邻外地 代理之间建立隧道，移动主机和通信伙伴之间的数据包在这些隧道上进行传送。 当移动主机在接入网内部( 图1 3 ) 从外地代理f a 2 移动到一个新的外地代理f a 3 时，移动主机发起新的注册请求，外地代理f a 3 把注册请求发送给f a l ，外地 代理f a l 在访问列表中发现该移动主机已经存在，就修改访问列表中有关移动 主机的相应信息，以使数据向新路径发送。另一方面，外地代理f a 3 在发送注 册请求的同时，向旧的外地代理f a 2 发送绑定更新，f a 2 收到绑定更新后，修 改其访问列表中的相关信息，然后以隧道的方式把收到的数据包发送到新外地代 理f a 3 ，再由f a 3 转发给移动主机，完成移动主机的平滑切换。 为了降低切换延迟，现在有很多改进型的分层i p 技术，如 1 5 接入网内基于 多播( m u l t i c a s t ) 的分层切换技术，其核心就是 发送给移动主机的数据包不但传送到最靠近移动 主机的外地代理，同时也传送到此外地代理的邻 居代理。这样，当移动主机切换到临近的外地代 理时，发送给移动主机的数据包已经存在，从而 降低了切换延迟。 图1 - 3 分层i p 3 、h a w a i i i p 技术 h a w a i i ( h a n d o f f - a w a r ew i r e l e s sa c c e s si n t e m e ti n f r a s t r u c t u r e ) i p 1 2 1 1 11 3 】 论史：无线局域网下的结点切换7v o i p 腑用i i j _ 究 技术也是一种基于访问域的微移动协议，h a w a i i 网络中有一个与i n t e r n e t 网络 连接的路由器称为域内根路由器( d o m a i n r o o t r o u t e r ) ，域内的移动主机与外部 网络的毛机传送数据时，都经由该根路由器( d r r ) 。另外，h a w a i i 协议对移动 主机是透明的，即移动主机在进入到h a w a i i 网络时，并不知网络协议类型，仍 使用标准的m o b i l ei p 协议通信。当移动主机进入到h a w a i i 网络时，使用m o b i l e i p 协议向离它最近的基站进行注册，注册分为两个阶段，即m h b s 和b s h a 。基站收到注册请求后，向d r r 发送路由更新信息，沿径的各个路由器利用 路径建立机制各自维护着一个软状态( s o f t s t a t e ) 路由表，以便确定如何对收到 的分组数据进行处理。注册成功之后移动主机分配到一配置转交地址( c c o a ) ， 移动主机在网络内部移动、切换时，其配鼹转交地址保持不变，而且移动主机利 用配置转交地址直接与家乡代理或通信伙伴通信。之后，当移动主机在h a w a i i 内部从一个基站切换到一新的基站并向新基站注册时，注册的处理过程只在 h a w a i i 网络本地处理，从而减少了对家乡代理的更新频率。 h a w a i i 技术支持两种类型的切换策略来建立新的路径，即转发方式和非转 发方式。转发方式适用于移动主机没有能力对多个基站同时进行监听数据的收 发，如时分多址( t d m a ) 网络系统，而非转发方式适用于移动主机有能力同时 对多个基站进行监听数据的收发，如码分多址( c d m a ) 网络系统。当移动二e 机切换时，对于转发路径设置方式，新基站向旧基站发送路由更新信息，旧基站 一收到该信息就建立一个指向移动主机的转发路由。这样，发往旧基站的数据包 就通过刚才的路由发送给移动主机，所以在切换过程中，移动主机可以继续接收 数据包。而在非转发路径方式中，移动主机在切换过程中可以同时接收新、旧基 站的数据包，直到旧基站停止发送数据包为止，以上两种情况，都由移动主机来 处理收到重复的数据包，至此切换完成。 1 1 4 移动i p 与o o s 当移动结点改变其网络的附属点或发生切换时，原有路径上中f 、日j 路由器结 点的有关移动结点的信息就有可能随之改变，因此，在移动结点发生切换后，对 q o s 需求比较敏感的应用来说，满足其持续、一致的q o s 非常重要 1 1 6 。 在l p 网络中有两种q o s 保障机制，即综合服务( i n t s e r v ) 和区分服务 ( d i f l n e r v ) 或其组合。在综合服务模式中，主要利用资源预留协议( r s v p ) 来明 确地进行网络资源的预留，通过建立虚连接来实现实时应用服务，然而这种在结 点固定情况。f 的有效资源预留协议在主机移动时却失去它的作用，因为在无线移 动网络下，当结点作为接收端并且移动到一个新的位置时，它必须在移动结点到 发送端之问的新路径上重新预留资源，因此，为了使r s v p 协议满足移动环境下 的要求，必须对现有的r s v p 进行改进，下面是r s v p 与m o b i l ei p 进行集成的 几种方式： 基于m o b i l et p v 4 的r s v p 简单0 0 s 信令协议。 这种方法是t e r z i s 等人在1 9 9 9 提出的 1 6 ，当移动主机切换到新的外地网 络时，便向家乡代理通告其当前位置，家乡代理收到该信息后，便在外地代理和 自己之间建立隧道r s v p 会话( 如果没有的话) ，然后把发送端发出的p a t h 消息 封装后通过隧道发送到外地代理或移动主机。外地代理从移动主机收到r e s v 消 息后，再沿着刚才隧道资源预留请求消息发送到家乡代理，进行资源的申请过程。 第一章引言 这种方法实现简单，对原有的主干网络结点只做很少的改动，但是当移动主机距 离家乡代理很远，会山现严重的三角路由问题，另外这种方法也没有考虑路由优 化等。 基于m o b i l ei p v 6 的r s v p 移动协议。 该方法先后经历三个阶段，首先由g c h i r u v o l u 等人在1 9 9 9 年提出 1 7 ， 其基本思想是r s v p 利用m o b i l ei p v 6 的路由优化方法，直接在通信对端结点( c n ) 和移动结点( m n ) 之间的路径上预留资源，不再经过家乡代理。当m n 发生切换得 到一新的转交地址后，立即向c n 发送绑定更新信息。若m n 作为接受端，则c n 收到绑定更新后，立即向m n 发送p a t h 消息，然后m n 沿着p a t h 的反向路径进行 预留资源的操作。从这可以看出，每次切换，m n 作为接收端，只有收到p a t h 消 息以后才能向发送端发出r e s v 消息，有一个等待时间。另外，路径发生变化 时，尽管只影响部分路由器，但也必须从m n 到c n 的路径上重新协商资源。所以 这种端到端的资源预留过程造成很大的网络开销和切换延迟，也严重地降低了实 时应用的性能。对于存在的这些问题，q s h e n 等人在文献 1 8 3 中对上面的方法 进行了改进，它利用i p v 6 报文中的流标签概念，提出了流的透明性方法，即尽 管移动主机切换时的转交地址发生变化，但流标签的值不变，这样，同一个会话 应用有相同的流标签。路由器利用流标签进行资源的分配和预留，当主机切换时， 新旧路径相同部分上的路由器由于是该应用的流标签没有变化而不用重新执行 资源预留的操作，只有在新增加路径上的路由器执行资源预留过程。当m n 作为 接收端时，m n 切换向c n 发出绑定更新后，新旧路径上的交叉路由器收到此绑定 消息，便立即向m n 发出p a t h 消息。由于p a t h 消息的发出，早于c n 收到绑定信 息，所以降低了切换时的资源预留的延迟，而且也大大地降低了资源预留的信令 ”销。 尽管这种方法降低了切换时的资源预留切换延迟和信令开销，但并没有考虑 切换时的平滑切换问题，即没有说明切换时发往旧外地子网基站的数据包处理问 题，而可能造成数据包的丢失。文献 1 9 中等人根据上面的方法，提出在移动主 机切换时利用旧的子网中的路由器作为新旧路径上的交叉路由器( c r ) ，来解决 切换时数据包的丢失问题，但这种路径并不是最佳路径，在一定程度上反而增加 了数据包的传送时间。 从上面的r s v p 和m o b i l ei p 集成过程可知，m o b i l ei p 协议在加入r s v p 以后，切换的延迟时间有所加大，因此，在考虑r s v p 的同时，应该把m o b i l ei p 仂- 议所采用的切换方法结合起来，切换方法的好坏对移动结点的q o s 也有很大 的影响。 除了上面介绍的方法以外，还有很多对i p 网络提供q o s 的方法，如多协议 标签交换协议( m p l s ) 等，m o b i l ei p 和m p l s 结合起来提供了一种新的移动环 境q o s 保汪方法 2 0 1 ，详细过程在此不再说明。 1 2 链路层无线通信协议 之所以称之为链路层的通信协议，是相对于i p 层来说的，其实i e e e 定义 的所有无线通信协议都采用相同的链路层协议如i e e e8 0 2 2 标准提供统一的网 络接i 。i ，不同的只是m a c 子层和物理层协议。图1 - 4 是i e e e 定义的几种无线 通信协议层次示意图，可以看出不同的无线标准对应着不同的网络覆盖区域大 论文：无线局域列下的结点切换与v o l p 应用酬究 小。目前，除了无线广域网i e e e8 0 2 2 0 以外，基于其它标准的无线网络已经得 到广泛应用或正逐步推广f 1 0 9 】。 图1 - 41 e e e 电气电子 ：稗师协会的无线标准层次示意图 i e e e8 0 2 1 5 i e e e8 0 2 1 5 或称为个人区域网路( p a n ，p e r s o n a l a r e a n e t w o r k s ) ，它的目标 是形成一个公认的标准，能够有效地解决与其它无线网络互操作的问题 2 1 】。蓝 牙技术作为i e e e8 0 2 1 5 标准的典型组成部分，最近几年得到了广泛应用，特别 是具有蓝牙功能手机的推出，使i e e e8 0 2 1 5p a n 个人a dh o c 网络的形成更加 容易。蓝牙技术是作为一种线缆替代协议推出的，它的功耗低( 1 m w ) ，传输距 离1 0 米左右，基于蓝牙技术的应用也越来愈多。 i e e e8 0 2 1 1 自从首个i e e e8 0 2 1 1 标准在1 9 9 7 推出以来，基于i e e e8 0 2 1 1 的无线局域 网迅速得到普及，它主要对现有局域网如以太网进行无线扩展，实现用户的移动 办公。随着新标准的不断推