（计算机应用技术专业论文）移动ipv6切换技术的qos研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 近年来，i n t e r n e t 技术和移动通信技术的发展，大量移动终端设备的应用都为移动i p 技术的发展提供了必要的条件，移动i p 技术的研究也成为业界研究的热点。与移动i p v 4 相比，移动i p v 6 为i p 网络的移动管理提供了更加良好的支持，安全性能进一步加强，但 是移动i p v 6 中的切换延迟问题仍然存在，这会导致实时业务的服务质量下降，因此有必要 对这一问题进行深入研究。 本文首先对移动i p v 6 和q o s 技术做了简单介绍，接着概述了与移动i p v 6 的q o s 技术 相关的研究成果，并具体分析了对移动i p v 6 的q o s 性能影响走i 为严重的移动切换方案。 最后通过对现有的几种比较典型的切换管理方案进行分析，提出了一种新的移动切换方案 协同m a p 切换管理方案。 协同m a p 切换管理方案在继承移动i p v 6 和层次移动i p v 6 基本功能实体的基础上，通 过区分移动节点的宏移动和微移动，根据一定的策略选择合适的m a p 完成移动节点的切 换，来达到降低切换行为的发生频率、减少骨干网中的信令流量的目的。通过对标准移动 i p v 6 、层次移动i p v 6 以及协同m a p 切换管理方案的比较分析，可以发现协同m a p 切换 管理方案在改善移动节点的切换性能上要优于标准移动i p v 6 以及层次移动i p v 6 ，能减小 切换延迟，提高系统的切换性能，对移动节点通信的影响最小，从而保证系统的q o s 。仿 真结果表明在切换过程的中断延迟和数据包的丢失率这两方面，协同m a p 切换管理方案 与标准移动i p v 6 和层次移动i p v 6 相比有明显的改善，是一种可行的切换管理方案。 关键词：移动i p v 6 层次移动i p v 6 服务质量移动模型仿真 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ec o m b i n a t i o no fm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n sa n di n t e m e th a sr e s u l t e di n t h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fa l lk i n d so fm o b i l ed e v i c e s t h i ss i t u a t i o nh a sp r o v i d e dn e c e s s a r y t e r m sf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h em o b i l ei n t e m e tt e c h n o l o g y , a n dt h er e s e a r c ho nm o b i l ei p t e c h n o l o g yh a sb e c o m eah o tp o t d e s p i t eo ft h eb e t t e rs u p p o r tt ot h ei pn e t w o r km o b i l i t y m a n a g e m e n ta n dm a n ya d v a n t a g e si to f f e r si nc o m p a r i s o nt om o b i l ei p v 4 ，t h eh a n d o v e rl a t e n c y s t i l lr e m a i n sa ni s s u ef o rm o b i l ei p v 6 t h i sw i l ld e c r e a s et h eq u a l i t yo fs e r v i c eo ft h er e a l t i m e a p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , t h ec o n c e p t so fm o b i l ei p v 6a n dq o st e c h n o l o g ya r ef i r s t l yi n t r o d u c e d ，a n d t h e nt h eq o st e c h n o l o g yr e s e a r c hr e s u l t sr e l a t e do nm o b i l ei pa r ed i s c u s s e d a tl a s t ，t h em o b i l e h a n d o v e rs c h e m e st h a th a v et h em o s ts e r i o u si m p a c to nt h eq o sp e r f o r m a n c eo ft h em o b i l ei p v 6 a r ea n a l y z e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n dt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ee x i s t e d h a n d o v e rm a n a g e m e n ts c h e m e s ，w ep u tf o r w a r dan e wh a n d o v e rs c h e m e - c o n j u n c tm a p h a n d o v e rm a n a g e m e n tm e c h a n i s m 。 t h en e ws c h e m ei n h e r i t st h ea d v a n t a g e so ft h em o b i l ei p v 6a n dh i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6 ， i n c u r sl e s s s i g n a l i n go v e r h e a db ys e p a r a t i n gm i c r om o b i l i t yf r o mm a c r om o b i l i t yj u s tl i k e h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6 ，b u tu n l i k eh i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6 ，i ta l w a y sf i n d sap r o p e rm a pt o p e r f o r mt h eh a n d o v e rf u n c t i o na n dd e c r e a s et h ea m o u n to ft h ed o m a i nh a n d o v e r f r o mt h e a n a l y t i c a lm o d e la n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，w ec a ns e et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n j u n c tm a p h a n d o v e rm e c h a n i s mi ss u p e r i o rt ot h es t a n d a r dm o b i l ei p v 6a n dh i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6i n t e r m so fh a n d o v e rl a t e n c ya n dp a c k e tl o s s ，w h i c hg u a r a n t e e sab e t t e rq o so fm o b i l i t y k e yw o r d s ：m o b i l ei p v 6 ；h i e r a r c h i c a lh a n d o v e rm a n a g e m e n t ；q u a l i t yo fs e r v i c e ； m o b i l i t ym o d e l ；s i m u l a t i o n 南京邮电大学硕七研究生学位论文 缩略词汇表 英文缩写 a a a a r b a b u c b r c m a p c m h m c o a c n d a d d h c p d i 船e r v d s c p f m i p v 6 h a h m i p v 6 i c m p i n t s e r v l c o a m a p m i p m n m r s v p r s v p r c o a s a u d p 缩略词汇表一 英文全拼中文 a u t h e n t i ca u t h o r i t ya c c o u n t i n g 认证授权计费 a c c e s sr o u t e r 接入路由器 b i n d i n ga c k n o w l e d g e m e n t 绑定确认 b i n d i n gu p d a t e 绑定更新 c o n s t a n tb i tr a t e固定码率 c o n j u n c tm a p 协同m a p c o n ju n c tm a p h a n d o v e rm a n a g e m e n t协同m a p 切换管理 c a r eo f a d d r e s s 转交地址 c o r r e s p o n d e n tn o d e 通信对端 d u p l i c a t e da d d r e s sd e t e c t i o n 重复地址检测 d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c o l 动态主机配置协议 d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e区分服务 d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c ec o d e p o i n t区分服务代码点 f a s th a n d o v e rf o rm o b il ei p v 6快速移动i p v 6 h o m ea g e n t 家乡代理 h i e r a r c h i c a lm i p v 6 层次移动i p v 6 i n t e r a c tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l网际控制报文协议 i n t e g r a t e ds e r v i c e 集成服务 o n l i n kc a r e o f a d d r e s s链路转交地址 m o b i l i t ya n c h o rp o i n t 移动锚点 m o b i l ei p移动i p m o b i l en o d e移动节点 m o b i l er s v p移动r s v p r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l 资源预留协议 r e g i o n a lc a r e o f a d d r e s s 区域转交地址 s e c u r i t ya s s o c i a t i o n 安全关联 u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l 用户数据报协议 s 6 南京邮电大学学位论文独创性声明 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 含为获得南京邮电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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：碡迸瑾日期：塑呈：芏：! 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 碱生张缁丝缱导师豁圭盐啉监型笙 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 在当今飞速发展的信息领域中，i n t e r n e t 和移动通信是两个引人瞩目的产业。在过去十 几年尤其是近几年，以i n t e m e t 为代表的信息网络给人们的生活带来了巨大的变化。人们 可以坐在家里及时地了解到发生在世界各地的事情，可以与世界各个角落的人交流信息， 并享受到电子商务、网络游戏等服务。这使得人们需要在任何地点、任何时候都能获得 i n t e r n e t 服务。 众所周知，移动网络在给我们带来新机遇和新业务的同时，也带来了新的技术难题。 因为传统的t c p i p 产生于2 0 世纪7 0 年代，受当时技术水平和条件的限制，它不支持移 动。随着技术的不断进步，这成为了互联网进一步发展的障碍。移动i p 技术正是适应这种 需求而产生的一种新的支持移动用户和互联网相连接的互联技术。移动i p 允许移动节点在 不重新启动和不中断任何正在进行的互联网通信的前提下，能够移动自己的位置。 移动i p 1 】是- , c o 在全球因特网上提供移动功能的方案，使节点在切换链路时仍可保持 正在进行的通信。它提供了一种i p 路由机制，使移动节点可以以一个永久的i p 地址连接 到任何链路上，并与传输媒介无关。事实上，移动i p 可以看作是一个路由协议，只是与其 它互联网路由协议相比，它可以将数据包路由到可能一直在快速地改变位置的移动节点 上。简单地可解释为，移动i p 是一种计算机网络通信协议，它能够保证计算机在移动过程 中在不改变现有网络i p 地址、不中断正在进行的网络通信及不中断正在执行的网络应用的 情况下实现对网络的不间断访问。可以展望，移动用户的高速接入、网络用户的灵活移动 将成为通信的最主要最普遍的业务途径，毫无疑问，移动i p 将发展成为通信产业应用最为 普及的主流技术。 1 2 移动i p 技术发展现状 传统i p 技术的主机使用固定的i p 地址进行相互通信。在通信期间，通信双方的i p 地 址必须保持不变，否则i p 主机之间的通信将无法继续。而当i p 主机在网络上移动时，其 i p 地址就会发生变化，导致通信中断。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。 南京邮电大学硕士研冗生学位论文第一章绪论 i n t e r n e t 工程任务组i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 下属的移动i p 工作组( i p r o u t i n gf o rw i r e l e s s m o b i l eh o s t s ) 在19 9 2 年制定了移动i p 的最初标准草案，主要包括下 面的r f c 文档：r f c 2 0 0 2 和其替代版本r f c 3 3 4 4 ( 定义了移动i p 协议) 、r f c 2 0 0 3 、2 0 0 4 和1 7 0 1 ( 定义了移动i p 中用到的三种隧道技术) 、r f c 2 0 0 5 ( 定义了移动i p 的应用) 和 r f c 2 0 0 6 ( 定义了移动i p 的管理信息库m i b ) 。 除了以上工作，移动工作组还提出许多性能优化草案，以及i p v 6 的移动性、快速切换、 区域注册草案，等等。 下一代网络将全面采用i p v 6 作为主要的传送协议。在i p v 6 上实施移动i p 的方案也已 经作为草案提交到i e t f 。同时3 g p p ( 第三代移动通信标准化的伙伴项目) 和3 g p p 2 ( 第 三代移动通信标准化的伙伴项目2 ) 也将在3 g 标准的后续版本中全面采用i p v 6 。虽然i p v 6 将最终替换i p v 4 成为主要的网络协议，但移动i p 的基本原理并没有改变，实际上原来基 于i p v 4 的移动i p 软硬件只需稍加修改就可以在i p v 6 网络中使用，因此基于i p v 4 的移动i p 研究成果可以平滑过渡到i p v 6 。 1 3 移动i p 存在的问题和改进 同正常的i p 路由机制比较，移动i p 路由机制带来了许多额外开销( 如隧道开销、三 角路由开销和分片开销) ，以及切换延迟问题，它们在一起将会降低网络的服务质量。 所谓隧道开销是指在移动i p 运作过程中，引入了家乡代理封装和外地代理封装的额外 开销；三角路由开销是指i p 报文不是直接发向移动节点而是先发给家乡代理然后再转交给 外地代理，于是也引入了开销；分片开销是指任何一条路径可能包含多条链路，而每一条 链路并不一定都采用相同的最大帧长，一条链路上的报文长度如果大于另一条链路上的最 大帧长，就不得不被分为两个或更多的报文，从而引入分片开销。 除了以上的丌销，还存在切换延迟和丢包问题。移动i p 是解决移动节点在不同子网之 间连续移动的问题，因而必然带来切换问题。在移动i p 机制下，当移动节点连续三次未收 到注册代理的代理公告时，才向新的代理发起网络层切换。由此可见，当发生网络切换时， 必然在大约等于三次代理公告的时间段内没有连续的网络连接，即使移动主机可以收到新 的代理公告。在r f c 2 0 0 2 中，代理公告的最小间隙为1 s ，于是，每一次切换将至少导致 2 5 s 的连接丢失。这就是移动i p 带来的切换延迟。在下一个公告到达之前，当前代理的链 路连接随机断开，服从均匀分布，这使得网络连接丢失了为平均时间2 5 倍的代理公告间 隙。值得注意的是，由于t c p 的慢启动特性，网络连接的丢失肘t c p 的性能产生重要影 南京邮电人学硕一l - ：t i ) t 究生学位论文 第一章绪论 晌。 简单地提高代理公告的频率就可以减少切换延迟，但这种方法使得更多的网络资源用 于代理公告，减少了带宽利用率。一个代理公告至少5 0 个字节，如果公告间隙为1 0 m s ， 那么移动i p 切换延迟就为2 5 m s ，公告速率为4 0 k b p s ，为2 m h z 带宽无线链路的2 ，这 种方式适合带宽富裕的情况。 另外在不同制式的网络间切换时通信链路可能出现暂时中断，导致数据包的丢失，使 得上层协议不得不重发，从而给上层应用带来延迟和性能下降。 针对切换延迟带来的服务质量下降问题，本文对移动i p v 6 的现有切换技术进行了分析 研究，并提出了一种新的切换方案，使之在不影响i p v 6 节点的移动性的情况下达到以下几 个目的： 1 低移动节点切换行为的发生频率，减少骨干网络上的注册消息数量。 2 保持移动节点在切换发生时已有通信的连续性，缩短切换延迟，减少数据包的丢 失。 3 使拥有本地管理功能的移动锚节点( m o b i l i t ya n c h o rp o i n t ，m a p ) 实体达到负载 均衡。 1 4 本文组织结构 本文组织结构如下所示： 第一章绪论 对本文从事的研究工作的背景和移动i p 的发展现状及存在的问题进行介绍，然后介绍 本文的组织结构。 第二章移动i p v 6 的q o s 技术 首先介绍i p v 6 、移动i p v 6 以及q o s 的相关概念和基本知识，然后介绍了移动环境对 q o s 的影响因素。在此基础上，分别分析介绍了移动i p v 6 下与q o s 相关的框架结构、验 证机制、信令技术和移动切换上取得的研究成果。 第三章移动i p v 6 切换性能评价分析 首先给出了移动i p 切换性能的评价方法，然后对标准移动i p v 6 以及h m i p v 6 做了简 单介绍和分析，并指出了它们的不足。 第四章协同m a p 切换管理方案 对h m i p v 6 做了改进，在h m i p v 6 的基础上提出协同m a p 切换管理方案，然后结合 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 移动模型迸行了具体的理论分析。 第五章协同m a p 切换管理方案性能评价分析 结合仿真拓扑逻辑图对m i p v 6 ，h m i p v 6 以及协同m a p 切换管理方案进行了理论比较 分析，并在n s 2 上仿真实现了协同m a p 切换管理模型，然后对仿真结果进行了分析。 第六章总结和展望 对本文内容进行了总结，然后提出对未来工作的展望。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p v 6 的q o s 技术 2 1i p v 6 简介 第二章移动i p v 6 的q o s 技术 由于互联网协议i p v 4 ( i n t e r n e tp r o t o c o lv e r s i o n4 ) 本身结构的简洁，很容易在它之上 部署新的应用，因此得到了广泛应用，但其成功的背后也存在着以下问题：地址空间问题； 路由问题；q o s 问题( 实时业务的传递都是通过尽力而为来完成) ；安全问题。这使得开 发下一代i p 协议的工作提上了日程。 针对i p v 4 存在的种种问题，i e t f 从1 9 9 1 年起，就成立了下一代网络研究的专门的工 作组i p n g ( i n t e r n e tp r o t o c o ln e x tg e n e r a t i o n ) ，专门研究下一代互联网络协议。1 9 9 4 年7 月，i p n g 提出了第一个i p v 6 的推荐版本。随后的几年内，更多的关于i p v 6 的协议文本成 为标准草案。 2 1 1i p v 6 的基本报头 表2 1 示出了i p v 6 的报头格式。在i p v 6 2 1 中，所有的分组头由8 个字段共4 0 个字节 组成。各字段的含义如下所述。 表2 1i p v 6 的基本报头格式 版本业务流类型 流标签 净荷长度 下一个报头跳限 源地址 目的地址 版本号：4 比特，字段值为6 。 业务流类型：8 比特，该字段用于源节点或者中间路由器标识和区分不同类型和优先 级的i p v 6 服务，支持区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ，d i f f s e r v ) 。 流标签：2 0 比特，用于识别属于同一业务流的包。 净荷长度：1 6 比特，表示以字节为单位的分组净荷长度，i p v 6 扩展报头也属于净荷。 下一个报头：8 比特，指出了i p v 6 头后所跟的扩展报头类型或高层协议类型。 跳限：8 比特。每当个节点对分组进行一次转发后，这个字段就会减1 ，如果该字 南京邮电火学硕士研究生学位论文 第二章移动i p v 6 的q o s 技术 段达到0 ，这个包就丢弃。 源地址：1 2 8 比特。 目的地址：1 2 8 比特。 2 1 2i p v 6 的扩展报头 根据i p v 6 的r f c 文档，所有的i p 包都应从基本i p 报头开始。在许多情况下此报头 能够完成将i p 包正确送到目的地的功能。除此之外，i p 还能提供一些简单的附加功能。i p 为附加的信息送到路径上的目的地系统及中间系统，使用了扩展报头。 扩展报头加在i p 包的基本报头之后。i p v 6 扩展报头规范中定义了若干种不同的扩展 报头。它们由下一个报头域的值来标识。各扩展报头具有各自的报头域。利用这种结构， i p 可以像链表那样一个接一个的罗列多个扩展报头。i p v 6 主要定义了下面几种扩展报头选 项：逐跳选项头，路由头，分段头，目的地址头，认证头和封装安全净荷头。 2 1 3i p v 6 的移动性支持 由于移动通信网络在未来的网络中将扮演重要角色，而i p v 6 协议将首先在移动通信网 络中得到应用，因此i p v 6 协议对移动性的支持显得特别重要。 i p v 4 对移动的支持是可选部分，而移动i p v 6 却是i p v 6 协议中不可缺少的组成部分。 从1 9 9 2 年i e t f 下属的移动i p 工作组制订移动i p 最初的草案到1 9 9 6 年通过了移动i p 标 准草案，移动i p 技术越发成熟。i p v 6 对移动性的支持主要体现在以下两点： 自动配置功能：i p v 6 的节点自动配置功能使得节点在改变网络接入点之后能够保持网 络连接。 扩展报头机制：i p v 6 的移动选项可以放在扩展报头中。 2 2 移动i p v 6 简介 移动i p v 6 3 1 是i e t f 制定的在i p v 6 网络中运行的协议。移动i p v 6 继承了移动i p v 4 的 优点，沿用了移动i p v 4 中的一些基本概念和技术，并融合了i p v 6 协议本身的一些新特性。 移动i p v 6 允许移动节点在离开家乡网络后仍能很好的维持其原有的通信以及与 i n t e r n e t 的连接。无论移动节点是在家乡网络还是在外地网络，都可以通过家乡地址被访问。 当移动节点在家乡网络时，其工作方式和固定主机的工作方式相同，移动i p v 6 此时不需要 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p v 6 的q o s 技术 任何特别的操作，仍然用常规的i n t e m e t 路由算法把目的地址为移动节点家乡地址的分组 转发到其家乡链路。移动i p v 6 的实现机制对i p 层以上的t c p 、u d p 和应用层是透明的， 对移动用户来说，丝毫不会感觉到主机移动对通信的影响。 2 2 1 移动i p v 6 的相关术语 移动节点( m o b i l en o d e ) ：从一个网络或子网链路切换到另一个网络或子网链路的主 机或者路由器。移动节点可以改变它的网络接入点，但不需要改变i p 地址，并且使用原有 的i p 地址能够继续与其它节点通信。 家乡代理( h o m ea g e n t ) ：位于移动节点家乡链路( h o m el i n k ) 上的路由器。当移动 节点离开家乡网络时，它负责把发往移动节点的分组通过隧道转发给移动节点，并且维护 移动节点当前位置的信息。 通信对端( c o r r e s p o n d e n tn o d e ) ：与移动节点进行通信的对等节点。通信对端可以是 固定的，也可以是移动的。 家乡地址( h o m e a d d r e s s ) ：分配给移动节点的i p 地址，它属于移动节点的家乡链路， 标准的i p 路由会把发送给移动节点家乡地址的分组发送到其家乡链路。 转交地址( c a r eo fa d d r e s s ) ：移动节点访问外地链路时获得的i p 地址。这个i p 地址 的子网前缀是外地子网前缀。移动节点可以有多个转交地址，其中注册到家乡代理的转交 地址是主转交地址( p r i m a r yc a r e o f a d d r e s s ) 。 家乡网络( h o m en e t w o r k ) ：与移动节点的家乡地址具有相同前缀的网络，可以是一 个不存在的虚拟网络。发往移动节点家乡地址的i p 分组会被标准的i p 路由机制转发到其 家乡网络上。 外地网络( f o r e i g nn e t w o r k ) ：除移动节点家乡网络外的任何网络，也就是网络前缀与 移动节点家乡地址网络前缀不同的网络。 绑定( b i n d i n g ) ：移动节点家乡地址和转交地址之间的关联。家乡代理通过这种关联 把发到移动节点家乡链路的分组转发到其当前位置。通信对端通过这种关联也可以知道移 动节点的当前接入点，从而实现路由的优化。 绑定过程( b i n d i n gp r o c e d u r e ) ：由移动节点发起，通知通信对端或家乡代理关于本节 点当前绑定的过程。 绑定授权( b i n d i n ga u t h o r i z a t i o n ) ：绑定过程需要授权，使得接收者相信发送者有权指 定新的绑定。 南京邮l u 人学f 西! 二l 二研究生学位论义 第二章移动i p v 6 的q o s 技术 代理发现( a g e n td i s c o v e r y ) ：为了随时随地与其它节点进行通信，移动节点必须首先 找到一个移动代理。移动i p v 6 定义了两种方法：是被动发现，即移动节点等待移动代理 周期性地广播代理通告报文：二是主动发现，即移动节点广播一条请求代理的报文。移动 i p v 6 使用扩展的“i c m pr o u t e rd i s c o v e r y ”机制作为代理发现的主要机制。 2 2 2 移动i p v 6 的工作原理 在移动i p 协议中，数据包的路由选择算法会把目的地址是移动节点家乡地址的数据包 转发到家乡链路，然后由家乡代理截获后进行封装【4 】，通过隧道发送给通信对端。移动i p v 6 协议可以在不改变这种通用路由机制的前提下，保证在外地网络的移动节点能够与其它节 点通信。移动i p v 6 协议的基本工作过程如图2 1 所示。 家乡代理 通信对端 图2 1 移动l p v 6 “i ：作原理 1 移动节点根据接收到的外地网络的路由器广播消息，判断出自己已经切换到了新 的网络，然后完成转交地址的配置。 2 移动节点在转交地址配置结束后，向家乡代理发送绑定更新消息以通告它的位置， 也就是它的当前转交地址。 3 家乡代理建立或更新移动节点的绑定缓存项，并向移动节点返回绑定确认消息， 完成移动节点和家乡代理之间的注册过程。 4 此时通信对端不知道移动节点的最新位置，所以它还是把数据包发往移动节点的 家乡地址。家乡代理把通信对端发来的数据包截获后进行封装，然后通过与移动节点间的 隧道发往移动节点的新位胃。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p v 6 的q o s 技术 5 移动节点收到通过隧道发来的数据包后，判断出通信对端还不知道自己的新位置， 因而向通信对端发送绑定更新消息。 6 通信对端建立或更新该移动节点的绑定缓存项，并返回绑定确认消息，完成移动 节点和通信对端之间的注册过程。 7 通信对端直接发送数据包到移动节点的新位置。 2 3q o s 概述 现有的互联网提供的是“尽力而为”( b e s te f f o r t ) 的服务，在这种服务模型下，所有 的业务流公平地竞争网络资源，路由器对分组传递的可靠性、延迟等不提供任何保证，这 很适合传统的e m a i l ，f t p ，w w w 等业务。随着多媒体技术的发展，互联网已逐步由单一 的数据传输网向包含数据、语音、图像、视频等多媒体信息的综合传输网演化。对于那些 在带宽、延迟、延迟抖动等方面有特殊要求的应用来说，现有的“尽力而为”服务显然是 不够的。因此，近年来许多研究者致力于以提高网络资源利用率，为用户提供更高服务质 量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 为目标的q o s 保证机制的研究。 q o s 的研究目标是有效地为用户提供端到端的q o s 控制或保证。q o s 就是网络单元( 例 如应用程序、主机或路由器) 能够在一定级别上确保它的业务流和服务要求得到满足。q o s 机制不能增加带宽，只是根据应用的需求来管理网络带宽，如果网络带宽不根据业务等级 分配，而是不加控制地被所有业务共享，就很难保证应用业务所要求的q o s 。 为了在i n t e m e t 上提供q o s ，i e t f 为此提出了很多服务模型和机制来达到q o s 的要求。 目前研究的方案有集成服务模型 9 f 1 2 】f j 6 ( i n t e g r a t e ds e r v i c e ) 、区分服务模型 t 0 1 i 5 1 ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) 等。 2 3 1 集成服务模型( i n t s e r v ) 集成服务模型是根据数据包的i p 源地址、i p 目的地址、上层协议类型、源端口号、目 的端口号等进行预定分类，并利用资源预留协议【l l 】【1 2 】【2 5 】( 3 0 】( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ， r s v p ) ，给每个业务流或连接申请传输路径资源预留，以提供端到端的传输质量服务。 除了r s v p 外，综合业务模型还包含三个组件用于提供整个q o s 业务：访问控制，它 基于用户和网络达成的服务协议，对用户的访问进行一定的监视和控制，有利于保证双方 的共同利益；分类器，根据数据包的i p 源地址、i p 目的地址、上层协议类型、源端口号、 目的端口号等预定策略，将数据包分类到不同的队列中等待接收服务；队列调度器，它主 9 南京邮也大学硕士研究生学位论文第二币移动i p v 6 的q o s 技术 要是基于一定的调度算法对分类后的分组队列进行调度服务。 集成服务模型的特点是针对不同级别韵服务提供相应的资源预留，需要质量保证的应 用在传输数据前必须申请预留资源。由于集成服务模型要求在i n t e m e t 上保证每个流的 q o s ，而现在的i n t e r n e t 上有成千上万的流，因此，路由器需要维护的状态信息量特别大。 随着流数目的增加，状态信息量也将增加，这将导致扩展性问题，从而使得集成服务难以 在i n t e m e t 上部署。针对集成服务存在的问题以及当前网络发展的实际情况，i e t f 提出了 区分服务模型的q o s 机制。 2 3 2 区分服务模型( d j 髑e r r ) 区分服务模型的基本思想是在网络的入口处为分组标记一个码点( c o d ep o i n t ) ，码点 用于指示分组在网络转发途径的中间节点上应该被处理的方式。这样，对每个分组进行的 复杂处理被推到了网络边缘，核心网的主要任务只是根据分组首部的码点对其采用相应的 转发措施。在差分服务模型中由于不需要网络中间节点管理每个正在工作的流状态，因此 具有良好的可扩展性。 区分服务大大降低了信令处理的工作量，而将重点放在数据流集中分类以及适用于全 网业务等级的一套“单跳行为”( p e rh o pb e h a v i o r ) 上。我们可以根据预先确定的规则对 数据流进行分类，以便将多种应用数据流综合为有限的几种数据流等级。 一 区分服务使用i p 报头中的业务类型t o s ( t y p eo fs e r v i c e ) 字段，并将8 位t o s 重新 命名，t o s 域中有6 位用来确定区分服务d s 的类型，称作d s c p ( d i f f e r e n ts e r v i c e c o d e p o i n t ) 。其余2 位以备将来使用。该字段可以按照预先确定好的规则加以定义，使下 行节点通过识别这个字段，获取足够的信息来处理到达输入端口的数据包，并将它们正确 地转发给下一跳的路由器。需要注意的是，在i p v 4 网中所定义的t o s 字段与区分服务中 的d s 字段不同。 区分服务充分考虑了i p 网络本身网络灵活、可扩展性强的特点，将复杂的服务质量保 证通过d s 字段转换为先进的逐跳行为，从而大大减少了信令处理的工作。因此，区分服 务大大加快了q o s 在实际网络中应用的进程。 2 3 。3q o s 参数 影响q o s 的因素可以是多方面的，从每一个应用角度都有不同的评价标准。因此有必 要选取网络应用中有共性的部分作为q o s 的基本参数。在支持q o s 的网络系统中，把延 l o 南京邮 1 蓼学硕一l 研究生堂位论文第二章移动i p v 6 的q o s 技术 迟、延迟抖动、丢包率和带宽作为重要的评价指标【1 5 】。 延迟：是指数据分组从发送端到接收端的时间长度，它分为固定部分和可变部分a 固 定部分主要为传输延迟，而可变部分包括处理延迟和排队延迟。 延迟抖动：端到端延迟的变化特征，它是由于延迟可变部分的变化而导致的。流量突 发性、路由变化和不公平队列调度算法等是影响延迟抖动的因素。 丢包率：是指包丢失个数占全部包传输量的比例。造成丢包的原因包括误码、路由变 化和缓存队列溢出。 如果网络资源无限，所有的应用都可以得到所需的带宽、极小的固定延迟、零延迟抖 动和零丢包率。然而，网络的资源是有限的，因此不能满足所有的业务对q o s 的要求， 。q o s 控制机制就是通过对网络资源的合理分配来尽量满足各种业务对它的需求。 2 4i p 、r 6 对q o s 的支持 i p v 6 作为下一代i n t e m e t 协议，在网络服务质量的机制上与i p v 4 存在明显的不同。i p v 6 简化了头部格式，对各种选项利用扩展头部来实现，使得i p v 6 其有固定的头部，从而加快 了信息包在网络上的分发速度；i p v 6 具有l k l p v 4 更长的地址和更合理的地址划分，使路由 选择和处理速度加快；i p v 6 还支持巨型包的传递，能为某些应用提供更好的服务。此外， 为更好地支持网络q o s ，i p v 6 中定义了业务流类型和流标签两个字段，用来提供通信服务 质量保证，使吞吐量、延迟和抖动保持在一定限度内。 1 业务流类型( t r a f f i cc l a s s ) ：业务流类型与i p v 4 的t o s 字段功能相同。源端主机能 够根据业务流类型字段的不同为分组指定不同的优先级别，路由器根据i p 包的优先级来分 别对那些需要特殊q o s 业务的数据进行不同的处理。 在i p v 6 的包头部中，业务优先级用8 4 , 2 表示，它将数据分组分成1 6 个等级，并按照是否 进行拥塞控制分成两类( 每类8 个优先级) 。第一类为受拥塞控制影响的流量( 优先权值 为0 7 ) ，应用于网络发生拥塞时通过减少数据分组的发送速度，来实现拥塞控制的数据分 组。第二类为速率和延迟恒定或变化相对稳定的实时通信量( 优先权为8 1 5 ) ，应用于 些实时性很强的业务( 如语音和视频业务) ，它在网络拥塞时要求平滑的数据率和传输延 迟，不作任何减少流量的控制，不需要重传丢失的分组。 2 流标签( f l o wl a b e l ) ：流标签字段是i p v 6 的新增字段，用于定义任意一个传输的 数据流，以便网络中所有的节点能对这一数据进行识别，并作特殊的处理。在i p v 6 头部中 使用该字段来识别传输，可使路由器标识和特殊处理属于同一个流的包。属于同一个流的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p v 6 的q o s 技术 包的流标签字段，其源地址和目标地址均相同。不支持流标签字段的主机或路由器在发送 包的时候要将这个字段设为全零，在转发包的时候不能改变这个字段，在接收包时忽略这 个字段。 2 5 移动环境对移动i p 中q o s 的影响 由于无线信道经常变化，丢包率较高，移动节点切换频繁。因此，移动环境对业务的 q o s 具有很大影响。具体地说，主要存在以下几个方面的影响： 1 链路质量对q o s 的影响。在通信连续过程中，移动环境的无线链路传输质量随机 变化，因此，在无线环境下，般无法提供q o s 的“硬”保证，这就要求业务能够自适应 移动环境的链路质量。 2 主机移动性对q o s 的影响。由于主机的移动性，难以提供一种有效的方式满足移 动节点对资源的需求：同时在移动环境下，需要进行资源和相关q o s 特定参数的转移，而 这种转移机制的难度较大。 3 。便携终端特性对q o s 的影响。便携终端设备的计算能力较差，人机交互界面及显示 终端没有台式机完善。同时，由于采用电池供电，必须考虑设备的功耗。便携终端的这些 特性也会对q o s 产生影响。 4 移动i p 协议对q o s 的影响。节点在相邻区域间的切换，引起q o s 流的传输路径发生 变化，从而对端到端的q o s 保证造成很大的影响。即使传输路径没有发生变化，但移动节 点转交地址的变化也会引起传输路径上的某些节点无法正确转发带有与i p 地址有关的q o s 参数的数据流。 2 6 移动i pq o s 解决方案的要求 当移动节点从一个接入路由器切换到另一个接入路由器时，移动节点的数据流在网络 中经过的传输路径会发生变化，这种变化可能只会对改变的一部分路径产生影响，也可能 会对整个传输路径造成影响。另一方面，移动节点的转交地址的变化会引起传输路径上的 某些路由器不能正确识别并转发与i p 地址有关的q o s 数据流。因此，移动i pq o s 的解决方 案必须满足如下要求： 1 切换期f 百j q o s 数据流中断最小 在切换过程中，发送到或来自移动节点的数据流可能经过新的传输路径。如果在新传 输路径上的中间节点没有该数据流对应的q o s 转发信息，就会对这些数据流进行默认的处 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p v 6 的q o s 技术 理，这将影响到数据流的q o s 。因此，在切换期间应该尽可能的减少q o s 中断次数。切换 期间默认处理的数据分组数量可以作为q o s d o 断的性能评估参数。 2 能够有效确定切换过程中q o s 重建所影响的中间路径 多数情况下，切换只是影响移动节点数据流的端到端路径中位于终端附近的部分。q o s 机制只需要对路径中受影响部分进行q o s 重建。但是当切换发生在不同网络管理域时，数 据流的端到端路由会发生很大变化。如果为移动节点沿新路径建立q o s 连接的机制使用端 到端信令，这种信令必须能够处理这种情况。 3 切换完成后要及时释放原有路径上q o s 状态和已分配的资源 在切换完成后，q o s 机制必须能够释放原有路径上已不需要的q o s 状态。需要注意的 是，幽于节点的移动