（计算机应用技术专业论文）移动ipv6中包头压缩技术的应用研究.pdf

摘要 随着互联网技术的不断发展和移动通信的普及，人们希望以更灵活的方式随 时接入互联网和企业网。移动口技术应运而生并且不断发展，由于移动，v 4 存 在的缺点和不足，移动l l 口v 6 必将取而代之，成为移动口应用的主流技术。但是 在移动i p v 6 的应用中还存在一些问题，例如在进行语音等音频数据的传输时， 由于移动i p v 6 的包头过大，造成了传输开销过大，传输效率不高，而且来回响 应时间过长，影响了这类应用在移动i p v 6 中的部署。 本文提出了两种在移动l p v 6 通信中应用包头压缩技术的传输方案，一种方 案是在传输链路两端的无线链路上对数据包包头进行压缩传输，在无线链路的起 点对数据包包头进行压缩处理，到达终点后将压缩包头的数据包还原，在有线网 络中传输时不做压缩处理，另一种方案是在整个传输链路上对数据包包头进行压 缩传输，建立端到端的包头压缩上下文关系，在有线网中通过隧道技术来传输压 缩包头的数据包以提高传输的效率。 本文利用n s - 2 软件对上述两种压缩传输方案和常规的不采用压缩传输的方 案分别进行仿真实验，并对传输延迟和传输效率做了对比，仿真结果表明，本文 提出的两种压缩传输方案中压缩解压处理的开销基本可以和压缩包头传输节省 的时间相抵，而在传输效率方面，在载荷比较小的情况下，相对于不采用包头压 缩的传输方案，采用两端压缩传输可以提高传输效率7 8 ，采用端到端压缩传 输可以提高传输效率1 0 7 ，有效地提高了移动i p v 6 的服务质量。 关键词：移动i p v 6 鲁棒包头压缩n s - 2 w i mt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fi n t e m e tt e c h n o l o g ya n dt h ep o p u l a r i t yo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，p e o p l ei n v o l v e di nam o l ef l e x i b l ew a yt ok e 印t h ei n t e r a c t a n de n t e r p r i s en e t w o r k s m o b i l ei pt e c h n o l o g yc a m ei n t ob e 咄a n dd e v e l o p m e n t , b e c a u s eo ft h es h o r t c o m i n g so fe x i s t i n gm o b i l ei p v 4 m o b i l el p v 6i sb o u n dt or e p l a c e i ta st h em a i n s t r e a mt e c h n o l o g yi nm o b i l ei pa p p l i c a t i o n s h o w e v e r ，i nm o b i l el p v 6 a p p l i c a t i o n s ，t h e r e 御屯s t i l ls o m ep r o b l e m s ，s u c ha sv o i c ed a t at r a n s m i s s i o n ，t h eh e a d e r o fm o b i l el p v 6i st o ob i g ，t h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yi sn o th i g h , a n dt h er e s p o n s e t i m ei st o ol o n gt r i p s ，t h a ti m p a c ts u c ha p p l i c a t i o n si nt h ed e p l o y m e n to fm o b i l el p v 6 i nt h i sp a p e r , t w ok i n d so fm o b i l e i p v 6c o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o nw i t h a p p l i c a t i o no fh e a d e rc o m p r e s s i o nw a sp r o p o s e d , o n ew a s t ol r a n s m i tc o m p r e s s e d h e a d e rp a c k e to nt h ew i r e l e s sl i n k sa tt h et w oe n d so ft h el i n ki nt h et r a n s m i s s i o n ，a t t h es t a r t i n gp o i n to fw i r e l e s sl i n kt h ep a c k e th e a d e ri sc o m p r e s s e d , a n dt h ep a c k e t h e a d e ri sd e c o m p r e s s e da tt h ee n dp o 缸o f t h ew i r e l e s sl i n k , h e a l e rc o m p r e s s i o ni sn o t p r o c e s s e di nc a b l en e t w o r k , a n o t h e ro p t i o ni st ot r a n s m i tc o m p l e s s ：dh e a d e rd u r i n g t h ew h o l et r a n s m i s s i o n ，a n de s t a b l i s he n d - t o - e n dc o m p r e s s i o nc o n t e x t , i nt h ec a b l e n e t w o r kt h ec o m p r e s s e dh e a d e rp a c k e ti st r a n s m i t t e dt h r o u g ht h et u n n e lt oi m p r o v e t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , w ed i ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so nt w oc a s e sa b o v ea n dt h ec a s e w i t h o u th e a d e rc o m p r e s s i o nw i t hn s 2s o f t w a r e ，a n dw ec o m p a r et h et r a n s m i s s i o n d e l a ya n de f f i c i e n c yi nd i f f e r e n tc a s e s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et i m es a v i n g i n t r a n s m i s s i o nc a nb a l a n c 2o f f t h eo v e r h e a df r o mh e a d e r c o m p r e s s i o n a n d d e c o m p r e s s i o n ，i nt r a n s m i s s i o nc o n t r a s tt ot h ec a s ew i t h o u th e a d e rc o m p r e s s i o n ，t h e t w oe n d sc o m p r e s s i o n - t r a n s m i s s i o nc a ni m p r o v ee f f i c i e n c yb y7 8 a n dt h e e n d - t o - e n dc o m p l e s s i o nt r a n s m i s s i o nc a ni l i 呻v ee f f i c i e n c yb y10 7 ，t h eq u a l i t yo f s e r v i c eo f m o b i l ei p v 6c a i lb ei m p r o v e dg r e a t l y x e yw 咖s ：m o b i l ep v 6r o h cn s 2 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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了谢意。 学位论文作者签名：l 禹宁 签字日期： 2 口p 一7 年互月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：i 罚宁t 导师签名： 彤碍 签字日期：五岬年三月5 日 签字日期：b 劝7 年y 啁，日 第一章绪论 1 1 包头压缩的技术背景 第一章绪论 网络自上世纪7 0 年代诞生以来，得到了迅猛的发展，特别是i n t e r n e t 的发展， 形成了覆盖整个世界的通信网络，方便了人们之间的沟通和联系。网络的发展正 在逐渐改变这人们的工作和生活方式，人们已经习惯了在上班的时候使用互联网 检索信息、使用办公自动化系统处理公文、使用e - m a i l 收发邮件，在工作之余享 受互联网游戏带来的娱悦以及网上购物带来的便捷，网络已经成了人们工作和生 活中的不可缺少的一部分。 网络技术的发展，不是一蹴而就的，而是通过在应用中不断地解决实际的问 题，不断发展进步的。包头压缩技术就是为了解决网络中带宽利用率不高和减小 响应时间而产生的，最早的一种压缩t c p i p 包头的协议c t c p 被用来提高低速串行 链路上传输数据的效率，现在c t c p 已经被广泛应用于i p 协议栈中。后来提出的 i p h c 和r o h c 等协议也都得到了广泛的应用。 互联网发展之初，随着功能强大的计算机进入人们的家庭，扩展这些计算机 的功能使之与i n t e r n e t 连接成为了迫切的需求，但是这会带来一些链路层成帧、 地址分配和路由选择等方面的复杂问题，人们可能期望通过串行i p 链路从家中通 过t e l n e t 、x t e r m 等方式获得批量数据传输的i n t e r n e t 服务，包头压缩主要的目 的就是减小交互响应的时间，通过压缩包头占整个包的大小的比例来提高线路利 用的效率，以达到进行高效的批量数据传输的目的。包头之所以能够被压缩主要 是因为包头的各个字段之间存在着较大的冗余度，而且这种冗余不仅仅存在于同 一个包的包头当中，而且大量存在于同一条数据包流的连续的包之间。对于那些 固定值的字段可以只在开始的时候发送一次，而对于那些相邻数据包变化很小的 字段，可以通过传输变化的值来减少传输的比特数，这样就能将达到包头压缩的 目的。随着网络技术的不断发展，又出现了i p h c ( i ph e a d e rc o m p r e s s i o n ) 和 r o h c ( r o b u s th e a d e rc o m p r e s sio n ) 等包头压缩协议，i p h c ( i fh e a d e r c o m p r e s s i o n ) 包头压缩协议是由瑞典l u l e a 大学的两位学者在1 9 9 2 年开发的，该 协议能够实现在点到点的链路上对i p 包、t c p 包和u d p 包包头的压缩，适用于低速 和中速链路上的数据业务，r o h c ( p a v c 3 0 9 5 ) 能够在极差的信道条件下将一个 i p u d p r t p 包头压缩到一个字节左右，现在已经广泛地应用于无线网络和移动电 话当中。 第一章绪论 1 2 包头压缩技术的发展 1 2 1 低速串行链路包头压缩算法c t c p 1 9 9 0 v j a c o b s o n 提出了一种在低速串行链路上对t c p i p 包头进行压缩的算 法，该算法能够有效地对包头进行压缩，从而提高带宽的利用率，减小交互响应 的时间。 典型的t c p i p 数据报头部，头部为4 0 字节，其中2 0 字节为i p 头部2 0 字 节为t c p 头部。由于t c p 和i p 不是一个委员会设计的，所以不能因为效率问题 而简单地忽略掉某些域。在t c p 连接建立起来以后，每个连接要进行成百上千的 数据包的交互，但是在整个连接过程中有一半的字段信息是保持不变的，如果发 送者和接收者都跟踪这些活动的连接，并且每个连接的接收者保留上次接收到的 包头数据的拷贝，那么就可以通过让发送者发送一个很小的连接符和2 0 字节变 化的包头数据，而让接收者根据保存的上下文关系来重建原始包头的方式，将包 头压缩至原来的1 2 。而由于链路层能够提供长度信息所以包长字段( 第2 、3 字节) 字段也是多余的，而报头校验和可以在接收者重建包头以后再计算，因此 该字段也是多余的。这样就将要发送的包头信息减小到了1 6 个字节，其余所有 字节在会话过程中都有可能发生变化，但是不会同时发生变化而且往往在同一方 向上规律变化，因此发送者可以算出当前数据包中哪些字段发生了变化，然后发 送一个比特掩码后跟变化的值。如果发送者仅发送变化的域，就可以得到平均 1 0 个字节左右的头部。 1 2 2 i p u d p r t p 包头压缩算法c r t p 在t c p 包头的压缩中，由于p 和t c p 包头中有一半的字段在整个连接的过 程中是保持不变的，因此可以首先将t c p i p 包头压缩掉一半，剩下的压缩空间 来自两部分，一部分是使用差分编码来传输变化较小的字段，另一部分是不传送 那些能够通过计算得到的规律变化的字段。对于r t p 头部的压缩，也应用同t c p 包头压缩类似的压缩技术，比较特殊的是，在r t p 头部中有一些字段是逐包变 化的，但是相邻数据包之间通常只相差一个整数，这样二级差就是零。在这种情 况下，通过压缩器和解压器都在会话状态中保存未压缩的头部和一级差，需要传 输的只是二级差为零，解压器接收压缩头部的数据包以后能够通过在保存的完整 包头信息上加上一级差来重建原始包头。 第一章绪论 1 2 3 口包头的通用压缩算法i p h c r f c 2 0 5 7 提出了一种适用于在中低速链路上对包头进行压缩的算法。 该算法的实现压缩的基本原理同c t c p 一致j 即发送者和接收者都存储最近 交互的完整包头信息，然后发送者对包头中冗余信息剔除后进行传输，接收者接 收到报文以后根据存储的报头重建原始包头。但与c t c p 不同的是，该算法适用 于t c p 、u d p 、i p v 4 和扩展i p v 6 ，而且提出了两种用来在易失链路上进行错误恢 复的机制；对于非t c p 包，压缩缓慢启动和周期性的头部刷新机制可以使上下 文关系丢失而引起的报文丢失时间减到最小；另外还涉及到了对于u d p 上层的 包头的压缩指南，例如r t p 包头压缩。 1 2 4 鲁棒性包头压缩算法r o h c r f c 3 0 9 5 提出了一种高鲁棒性的和有效性的对于k t p u d p i p ，u o p m , 和 e s p i p 包头进行压缩的机制。上述三种包头压缩算法在误码率比较高和来回时 间比较长的链路上不能很好的工作，但是对于带宽受限的链路，进行报头压缩是 必要的，r o h c 算法实现了一个压缩框架，具有可扩展性。例如，可以很容易地 添加一种对t c p i p 包头进行压缩的机制，还可以实现对于移动i p v 4 的扩展包头 和隧道包头的压缩。 1 3 1 国内外研究现状 当前国内外对包头压缩技术研究的热点主要集中在包头压缩算法的改进，以 及包头压缩算法在无线系统、低速链路中的应用等方面【1 _ 3 5 6 7 9 】。下面 介绍一下包头压缩算法的应用研究热点。 l a l 包头压缩在3 g 无线系统中的应用 移动通信和互联网技术的不断融合将逐渐发展成为统一的通信系统，这样的 系统是既包括无线部分也包括有线部分的完全基于t c p i p 体系架构的一个网络 平台。但是对于t c p i p 层的封装，存在一些特定的服务，实际的载荷只占报文总 长度的很小部分，包头的开销相对很大，这样造成了很大一部分的无线信道带宽 用来传输包头，造成了对这种宝贵而且有限的资源利用率不高。在这种情况之下， 只有采用包头压缩的机制来减少协议包头的开销，才有可能使那些高包头开销的 服务在经济上可行，在物理上可以实现。文献 1 0 提出了一种新的针对t c p 数据 流的包头压缩机制，如图1 - 1 1 0 】所示在r o h c 平台上实现了一种新的包头压缩机 第一章绪论 制，为了减少错误传播，该机制使用了健壮的编码技术( w - l s b ) 并且建议协同 使用三种修复机制来修复损坏的压缩包，最终能将4 0 - 6 0 字节的包头压缩到4 - 6 字节，从而降氐了应用成本提高了服务质量。 图卜1 包头压缩模块在t c p i p 平台中的位置 图1 - 2 展示t t c p i p v 4 数据流在采用不同的压缩算法时载荷和平均包头 开销的对比，结果表明，r o h c + 能够有效提高无线信道资源利用率，提高了服务 的经济可行性和服务的质量。 第一章绪论 脚 蛐 8 0 【。、 l ，泓 蕾 、 强嗨 撕 、 臻，吣 髫 c +畸b 惑 攫i 期 莽：。 v、，_ = v o i p 又称i p 电话或网络电话，是v o i c eo v e ri p 的缩写，这种技术通过对语 音信号进行编码数字化、压缩处理成压缩帧，然后转换为i p 数据包在i p 网络上进 行传输，从而达到在i p 网络上进行语音通信的目的。i p 电话极大地改进了网络带 宽的利用率，大大降低了通信的费用：得到了广泛的发展和应用。但是v o i p 的普 及还存在一些障碍，单从技术角度上来说主要是语音质量较差。影响i p 电话质量 的因素主要有： 1 ) 采用的语音编码技术。 2 ) 数据包传输的时延。 3 ) 语音数据包传输时的抖动。 4 ) 语音数据包在传输过程中的丢失。 5 ) 在传输过程中产生的回声。 6 ) 网络中带宽不均匀，存在瓶颈。 针对低速p p p 链路上v o i p 应用所存在的问题，文献e 3 0 3 提出了基于 i p u d p r t p 封装结构的包头压缩方案，压缩模型如图卜3 鲫所示： 发送过程：将用户端产生的数据用i p u d p r t p 结构进行封装后，进入压缩器 进行包头压缩，然后送入低速本地链路，在i s p 端对收到的数据包进行解压后进 入高速骨干链路传输。 接收过程：数据包传送到骨干网边缘的时候将数据包用同样的方法进行压 缩，然后送入用户端收，用户收到报文后进行解压，还原出原始的数据包，交给 上层处理。 柏 蚰 乏_220 第一章绪论 经过对包头压缩所带来的带宽收益、时延收益和信道质量收益进行分析，得 出结论见表1 - 1 3 们，包头压缩能够为交互式业务带来非常大的服务质量改善，而花 费的开销相对较小，对低速链路用户采用包头压缩技术必将成为提成v o l p 质量的 重要手段。 表i - i 性能比较 性能指标压缩前压缩后增益 占用带宽k b p s 3 41 51 9 3 0 ( v a d )1 1 ( w ) _ 1 9 传输时延m s 2 0 91 1 丢包率 6 63 03 3 注：v a d ( v o i c ea c t i v i t yd e t e c t i o n ) 表示启用活动语音检测功能 1 3 3 包头压缩技术在无线自组织网络( a d h o c ) 中的应用 无线自组织网络是一种有特殊用途的网络，是由一组带有无线收发装置的移 动终端组成的一个多跳临时性自治系统，移动终端具有路由的功能，可以通过无 线连接构成任意的网络拓扑，这种网络能够独立工作也可以与i n t e r n e t 或蜂窝无 线网络连接。由于存在带宽和功率方面的限制，就要考虑网络节点交互数据的传 输开销问题，如果包头相对于要传输的数据较大，那么就使得有些服务在经济上 不可行了。文献 3 1 提出了一种在无线多条自组织网络上对i p u d p r t p 分组数据 进行压缩的方法a a h c ( a d h o ca d a p t i v eh e a d e rc o m p r e s s i o n ) ，以提高传输的 效率。该算法通过对i p u d p r t p 流中冗余信息的剔除，以及对线性信息的预测编 第一章绪论 码，可以将6 0 比特的头部长度压缩到3 - 4 比特，并通过差错控制有效减小了发生 错误后重传相关信息的概率。 该算法根据包头中信息冗余的特点，将压缩数据包头划分为初始化和复位状 态( i r ) 、初步有序状态( f o ) 和完全有序状态( s o ) 等三种状态，图1 - 4 3 l 】为 压缩状态转换示意图。i l 漱态是在包头压缩建立之初或包头压缩算法正在压缩的 包头静态信息发生改变时，包头压缩算法所处的初始状态：f c 状态是指接收方已 经具有恢复静态信息的能力，也就是说接收方可以通过本地的上下文信息恢复出 包头中的静态信息，但还缺乏相应的同步信息，需要压缩方提供：s o 状态是包头 压缩的最理想状态，在此状态下，压缩方和解压方完全同步，解压方接收到压缩 包头的数据包后，根据压缩包头到达的顺序就可以恢复出可变信息以外的所有信 息包头压缩的过程总是从i r 状态开始的，当压缩方接收到解压方的确认信息时， 根据情况转入f 0 t t 态或s o 状态，当解压方不能根据压缩包头恢复出包头信息时， 向压缩方发送n a c k ，通知压缩方进行相应处理因为解压失败有可能是因为无线 信道上的误码所造成的为了提高压缩效率，在压缩的包头中采用纠错码来保证i 比特错误可以被纠正同时，压缩方只有在连续收到多个n a c k 时才退回较低状态。 该算法能够提高话音业务传输效率2 0 0 以上。 1 4 相关术语 图1 - 4 压缩状态转换示意图 1 ) b e r ( b i te r r o rr a t e ) ，比特错误率，无线链路的比特错误率通常较高。 2 ) 蜂窝链路( c e l l u l a rl i n k s ) ，移动终端和基站之间的无线链路。 3 ) 压缩效率( c o m p r e s s i o ne f f i c i e n c y ) ，压缩效率是指包头被压缩掉的大小 占原数据包大小的比例。 4 ) 上下文关系( c o n t e x t ) ，压缩器的上下文关系是指压缩器用来压缩包头 时使用的状态。 7 第一章绪论 1 5 问题的提出 在移动i p v 6 的音频应用中，通常都是采用u d p 协议传输语音数据，每个数据 包携带的语音数据大小为2 0 个字节左右，而i p v 6 u d p r t p 包头有6 0 个字节，特别 是在移动i p v 6 的应用过程中，还需要加入路由头部扩展或者是封装i p - i n - i p 隧道 报文进行传输，造成了传输效率不高，和带宽资源的严重浪费。由于通信链路的 两端通常为无线链路，因此这种问题显得更为突出。本文提出了两种在移动i p v 6 中应用包头压缩的方案，能够有效地减小传输中开销，减小传输过程中的时延和 抖动，提高移动i p 应用的服务质量。 1 6 本文所做的工作 本文针对当前移动i p v 6 的应用提出了两种采用包头压缩技术来提高传输效 率、减小传输延迟的传输方案： 1 ) 两端无线链路压缩方案：在这种方案中数据包在通信链路两端的无线链 路进行压缩，在无线链路的起点对数据包的包头进行压缩，在传输到无 线链路终点以后再对数据包包头进行解压。 2 ) 端到端的压缩方案：是指在整个通信链路上建立端到端的压缩通道，数 据包在无线链路压缩包头传输到达无线链路的终点之后不做解压处理 而是直接将数据包封装到隧道报文里面传送到目的移动节点的代理，然 后将从隧道中拆封出压缩包头的报文直接通过无线链路传送到目的移 动节点，由目的移动节点进行解压。 本文借助网络仿真工具n s ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 在设计好的场景中对上述 两种方案以及不采用压缩的传输方案三种情况进行了仿真，根据仿真t r a c e 文件 提供的信息，对不同的载荷大小的数据包在三种方案下的传输延迟、传输性能和 包头压缩效率做了分析和比较，并列举有待进一步研究和解决的问题，为了进行 后续的研究做了铺垫。 第二章移动口技术的发展 第二章移动i p 技术的发展 随着网络技术的不断发展，人们越来越需要在运动中接入网络，在漫游时保 持持续的连接对于日常生活而言日益重要。移动口技术是由互联网工程任务小 组( m ) 在1 9 9 6 年制定的一项开放标准( 现r f c3 3 4 4 ) ，它让用户可以在漫 游于不同d 网络之间时保持连接。网络中的口寻址和路由都是基于固定位置的， 网络中的一个设备可以被找到的原因是它在网络中拥有一个地址。移动口技术 让用户可以在出行到另外一个网络中时仍然可以保持相同的口地址，从而确保 漫游的用户可以在不中断会话或者连接的情况下继续通信。尤其是在 2 5 g 3 g w l a n 等无线网络环境下，移动口技术实现无线网络内部以及无线网 络间的无缝切换艘游，是不间断网络应用的技术保证。 2 1 移动口v 4 的设计目标和要求【3 3 】 移动计算和无线通信天生就是一对，有线网络的连接限制了便携式p c 的使 用场合。现有的一些无线网络虽然已经能够满足人们随时随地接入网络进行通信 的需求但是成本和性能上很难达到令人满意的效果。 移动i p 的设计目标如下： 1 ) 在网络中各个节点上工作的路由协议要不断地和相邻接节点交换路由信 息，以便计算和更新路由转发表。为了适应在各种无线链路上工作，一 定要尽量减少移动节点路由信息的更新频率。 2 ) 为了能够将移动i p 的应用普及到内存和处理能力都受到一定限制的手 持智能设备上去，一定要尽量简化移动节点上的软件。 移动i p 设计要求如下： 1 ) 移动节点的链路层的接入点的改变对上层是透明的，不会中断正在进行 中的通信。 2 ) 移动节点能够一直使用原来的i p 地址进行通信，不需要改变，而且能够 和不具备移动i p 功能的节点进行通信。 3 ) 移动节点应该至少同不具备移动i p 功能的节点具有相同的安全性能。 第二章移动口技术的发展 2 0 移动i p v 4 的功能实体【3 3 】 移动ip 定义了三种必须实现的功能实体，如图2 1 ： 1 ) 移动节点 接入因特网的位置可以从一条链路切换到另一条链路上，而仍然保持所 有在进行的通信，并且只使用它的家乡地址( h o m ea d d r e s s ) 的那些 节点。 2 ) 家乡代理( h o m ea g e n t ) 指有一个端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 会通知家乡代理它当前的位置和转交地址，家乡代理还会广播对移动节 点的家乡地址网络前缀可达性吸引那些送往移动节点的家乡地址的数 据包，如果移动节点没有在家乡链路上，家乡代理还负责将该数据包通 过隧道送到移动节点的转交地址。 3 ) 外地代理( f o r e i g na g e n t ) 指一台移动节点所在的外地链路上的路由器，外地代理主要负责帮助移 动节点通知家乡代理它的转交地址，负责对移动节点家乡代理隧道传输 过来的数据包进行拆封。 移磅节威勺自同 辩蝴 图2 - 1移动i p v 4 的功能实体 2 3 移动口v 4 的工作机制 1 ) 家乡代理和外地代理通过周期地组播或广播一个称为代理广播( a g e n t a d v e r t i s e m e n t s ) 的消息，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 第二章移动m 技术的发展 定节点一样工作。 3 ) 如果移动节点连接在一条外地链路上，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至l 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d h c p ( d y n a m i ch o gc o n f i g u r a t i o np r o t o c 0 1 ) 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ip 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。 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( 可能用代理憎) ，并根据移动节点在第4 步中注 册的转交地址，通过隧道将数据包传送给移动节点。 6 ) 在转交地址( 可能是外地代理或移动节点的一个端口) 处，原始数据包被 从隧道中提取出来送给移动节点。 7 ) 相反，由移动节点发出的数据包被直接选路到目的节点上，无需隧道技 术。 2 4 从i p v 4 到脚6 移动i p v 4 虽然成功地实现了对主机移动性的支持，但是也存在一些不足之 处： 1 ) 移动i p v 4 受到有限的i p v 4 地址空间的限制，不能满足下一代移动因特 网中大量的移动节点的需求。 2 ) 移动 p v 4 中存在“三角路由问题，导致了服务质量难以保证。 3 ) 在基本的移动i p v 4 协议下，移动节点每次发生切换，都需要通过外地代 理和家乡代理进行绑定更新，导致信令和传输开销都很大。 为了更好地满足互联网发展的需要，互联网工程任务组提出了i p v 6 协议， 旨在搭建一个更高性能、更高质量、更加安全的下一代互联网。鉴于i p v 6 在移 动性、扩展性、安全性和服务质量方面都比n , v 4 更胜一筹，因此i e t f 于2 0 0 4 年6 月正式推出了r f c 3 7 7 5 和r f c 3 7 7 6 ，定义了移动i p v 6 ( m o b i l ei p v e r s i o n6 ) 以 及其安全性方面的要求、移动节点( m n ，m o b i l en o d e ) ，通信节点( c n ， c o r r e s p o n d i n gn o d e ) ，家乡代理( 眠h o m ea g e n t ) ，接入路由器( a i la c c e s s r o u t e r ) 的概念，解决了移动i p v 4 在d 地址、路由优化、安全性、扩展性方面 的问题。 第二章移动口技术的发展 2 5 移动i p v 6 的协议流程 相对移动l p v 4 ，移动i p v 6 有很大的优点，解决了移动i p v 4 种存在的地址空 间的限制，不再需要外地代理，避免了三角路由问题，实现了路由优化，更好地 支持节点的移动性等。 当移动节点在家乡链路时，其工作方式如同固定的主机一样，移动p 不需 要进行任何特别的操作。当移动节点离开家乡链路进入外地链路时，其工作流程 如下： 1 ) 移动节点通过常规的i p v 6 无状态或有状态的自动配置机制，获得一个或 多个转交地址。 2 ) 移动节点在获得转交地址后，向家乡代理申请注册，为移动节点的家乡 地址和转交地址在家乡代理上建立绑定。 3 ) 移动节点可以直接发送分组给通信对端，设置分组的源地址为移动节点 的当前转交地址，家乡地址选项中是移动节点的家乡地址。 4 ) 通信对端发送分组给移动节点时，首先根据分组目的i p 地址查询它的绑 定缓存，如果在绑定中存在匹配，则直接发送分组给移动节点。如果不 存在这样的匹配，则将分组发送到其家乡地址。发向家乡地址的分组被 路由到移动节点的家乡链路，然后经过家乡代理的隧道转发到达移动节 点。 5 ) 移动节点根据收到家乡代理转发的i p v 6 分组判定通信对端是否有自己 的绑定缓存，如果没有就向通信对端发送绑定更新建立绑定。 6 ) 移动节点离开家乡后，家乡链路可能进行了重新配置，原来的家乡代理 被其它路由器取代。移动i p v 6 提供了“动态代理地址发现”机制，允许移 动节点发现家乡代理的i p 地址，从而正确注册其主转交地址。 2 6 小结 本章主要介绍了移动i p v 4 的起源和发展，移动i p v 4 的设计目标和设计要求， 移动i p v 4 的实现机制。移动i p v 4 虽然很好地实现了对主机移动性的支持但是也 存在一定的不足之处，如地址空间不足、三角路由问题、安全性问题等等。移动 i p v 6 的提出很好的解决了移动i p v 4 存在的问题，有很好的应用前景。 第三章脚6 包头压缩方案 第三章i p v 6 包头压缩方案 本文采用的r o h c 包头压缩算法主要是针对m v 6 【乃) p 瓜t p 包头进行压缩，下 面逐一分析了包头链中的各个包头字段如何变化。 根据包头中各个字段的变化规律，可以将包头字段划分成五种类型： 1 ) 可推断类型：该类型的字段可以由其它字段的值推断出来，在包头压缩 模式中不需要传输。 ”。静态类型：该类型的字段在数据流的整个生命周期内都是固定值，静态 i 信息通常只需要通信一次。 3 ) 静态定义类型：该类型的字段用来标识个数据包流，可以等同于静态 类型。 4 ) 静态已知类型：该类型的字段的值为协议规定的固定值，在包头压缩模 式下不需要传输，例如口包头的版本号字段。 5 ) 变化类型：该类型的字段以某种形式变化，可能是随机变化也可能是以 某种规律变化。 如图3 1 为i p v 6 协议的包头结构： 敝奉( 4 )漉量类塑( 8 )漉标签( 2 0 ) 蓑藓长度“6 ) i 1 f 一个位头( 8 ) i 跳数疆翻( 8 ) 瓣l 嗍缝( 1 6 ) 目的l p 地址1 6 ) 图3 - 1i p v 6 协议包头结构 其中静态类型字段包括版本字段和下一个包头字段，静态定义字段包括流标 签字段、源口地址字段和目的口地址字段，可推断类型字段包括载荷长度字段， 变化类型字段只有流量类型和跳数限制字段。 如图3 2 为u d p 协议的包头结构： 舅三章i p v 6 包头压缩方案 源埔墨( 1 6 )鲑盼端鞠号( 1 6 ) 长发 数据包类型号特定的属性 由以上三部分信息来唯一标识数据包类型的格式，其中应用模式主要包括 u 模式、o 模式和r - 模式，数据包类型包括o 类型、1 类型和2 类型，属性可能 是是否包含c r c 校验等。 类型0 的数据包，仅发送s n 或s n + c r c ；类型l 的数据包用来更新s n 函 数的有关的参数；类型2 的数据包用来更新动态域的信息，本文在对移动i p v 6 数据包进行压缩时，只使用了类型0 的数据包( 在s o 状态时发送) 和类型1 的 数据包( 在f o 和s o 状态发送) o 类型0 的数据包是在解压器已经获得所有的s n 函数使用的参数以后传递 的，在这种数据包中只需要传递w - l s b 编码的r t p 序列号。类型0 数据包由第 一比特的0 来标识。 r - 0 格式如图3 - 6 ，r - 0 格式的数据包不更新上下文关系。 第三章i 、，6 包头压缩方案 0l2 34 5 67 1 0 l os n i 图3 - 6r - 0 分组的格式 r - 0 c r c 格式如图3 7 ，r - 0 - c r c 用来更新r t p 的序列号字段。 0l2 34 5 6 7 s nc r c i i u o 0 格式如图3 8 ，u o 0 格式的数包主要用来更新当前的上下文关系。 图3 - 8u o - o 分组的格式 如图3 9 所示，u o r - 2 t o s 和u o r - 2 - h l i m i t 为类型2 数据包，主要用来传输i p v 6 数据包流中包头中的流标签字段和最大跳数字段改变后的值。其中f 标志位为l 时表示u o r - 2 t o s 数据包，f 标志为0 时表示u o r - 2 - 埘i l n i t 数据包。 ol234567 l0 s n 、 t o s l o p l i m it f l ， 图3 - 9u o r - 2 t o s h 岫h 分组的格式 第三章i p v 6 包头压缩方案 3 4 小结 本章首先分析了脚6 似d p 展r p 包头链中各个字段的变化规律，然后介绍了 在移动瑾、，6 中r o h c 包头压缩方案的实施过程，最后介绍了针对6 的包头压缩 方案中采用的分组的格式。 第四章三种传辅方案 第四章三种传输方案 如图4 - 1 为本文设定的一个应用场景，其中有两个移动节点m n l 和m n 2 需要通信，m n i 在基站b s l 的服务范围内，其家乡代理为代理1 ，基站b s i 与 路由器代理1 相连；m n 2 在基站b s 2 的服务范围内，基站b s 2 与路由器代理2 相连，代理1 和代理2 通过一个有线网连接，通信数据是载荷大小为2 0 - 2 0 0 字 节的音频数据包。 l 一 光线链路代理2 图禾l 设定的应用场景 4 1 不采用包头压缩的方案 在如图4 l 的场景中，如果移动节点m n i 要和移动节点m n 2 进行通信，常 规的情况下是不采用包头压缩技术的。在这种情况下，所有传输的数据包都携带 完整的包头，在网络中传输的时候，网络中的路由节点只是对数据包进行正常地 转发，不进行特殊的处理。 昼 第四章三种传辅方案 4 1 1 通信过程 在不采用包头压缩技术的时候如果m n l 需要和m n 2 进行通信，流程如 图4 _ 2 ，如果m n l 已经获得了m n 2 的转交地址。 1 ) 首先节点m n l 将封装好的i p v 6 u d p r t p 数据包通过无线链路传送到代 理l ，将m n 2 转交地址作为移动i p 路由头部的扩展，这样可以将数据 包直接路由到目的节点。 2 ) 数据包传送到代理1 处以后，代理l 不做处理，只是按照包头内容正常 进行转发。 3 ) 数据包利用移动路由包头信息穿越网络到达了代理2 ，代理2 不做处 理，正常进行转发。 4 ) 移动节点m n 2 接收到带有完整包头的数据包交给上层应用程序。 一t 线链龉 图4 0不采用压缩传输的方案 4 1 2 性能评价 如果上述通信过程不采用包头压缩技术，存在的缺点如下 |躺。石儿 詈爹甾 聚誉鼢 孓誉鼢 歹。一 形导 第四章三种传输方案 1 ) 在通信链路上传输数据包时没有使用包头压缩技术，造成了很大包头开 销，浪费了宝贵的带宽资源，造成了一些应用成本过高。假设语音数据 的大小为2 0 字节，则在一个i p v 6 u d p r t p ( 6 0 字节) 的数据包中，传 输效率为2 0 ( 6 0 + 2 0 ) = 2 5 。 2 ) 如果川1 不知道当前m n 2 转交地址，则需要先将数据包发送到m n 2 的家乡代理，然后通过p n i p 隧道封装的形式将数据包传递到m n 2 ， 存在三角路由问题，可能使来回响应时间过长，影响通信的质量。 3 ) 如果m n l 已经知道了m n 2 的转交地址，则可以直接利用移动i p v 6 的路 由包头，在包头中指定m n 2 的转交地址，这样就可以将数据包直接路由 到目的地，但是采用这样方式需要加入移动i p 路由头部扩展增加了包头 的大小，也在一定程度上增加了包头的开销。 4 2 两端无线链路上采用包头压缩的方案 在图4 1 的应用场景中本文提出在通信链路两端的无线链路中，采用包头压 缩技术，这样可以有效地提高无线链路带宽的利用效率，更好地适应无线链路传 输速率低、误码率高的特性，从而提高了移动l p v 6 应用的性能。 采用两端无线链路进行包头压缩的方案需要部署在每段无线链路两端的节 点都支持r o h c 包头压缩协议，能够识别数据流并对数据流中的数据包进行包 头压缩解压操作。具体到本文的应用场景中，需要移动节点m n l 、代理1 、移 动节点m n 2 、代理2 等四个节点支持r o h c 包头压缩协议。 4 2 1 通信过程 采用两端无线链路压缩传输通信过程如图4 3 ： 1 ) 首先m n l 使用r o h c 协议对数据包包头进行压缩，然后将数据包经过 基站传送代理l 处。 2 ) 如果m n l 已经获得了代理2 的地址，则对压缩数据包包头进行解压后， 将数据包路由至代理2 处。 3 ) 在代理2 处对接收到的数据包进行包头压缩处理，然后再通过无线链路 发送给m n 2 。 第四章! 种传辕方案 4 ) m n 2 收到压缩包头的数据包以后，对包头进行解压还原出原始数据包再 做进一步地处理。 一 止线链路代州1 2 图如3采用两端压缩的传输方案 4 2 2 性能评价 1 ) 在通信链路两端的无线链路上进行包头压缩处理，可以提高无线链路的 传输效率，减小了无线传输的延时。在无线链路两端进行压缩和解压缩 处理也引入了一定的开销，但是这种处理开销是可以接受的，可以忽略 其影响。 2 ) 如果采用加入移动