（计算机应用技术专业论文）移动无线因特网中分层移动管理机制的研究与仿真实现.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 移动无线因特网中分层移动管理机制 的研究与仿真实现 摘要 随着移动通信的高速发展和i n t e r n e t 用户数目的急剧增加，越来越多 的人希望在移动过程中使用移动终端通过无线方式接入i n t e r n e t ，以获取 所需的信息。移动通信与i n t e r n e t 的结合是历史的必然趋势。为了提高移 动无线因特网中数据传输速度，高效地利用移动无线因特网资源，在移动 无线因特网中使用端到端的i p 分组交换技术成为研究热点。 传统i n t e r n e t 的i p 协议已经不能满足移动主机对移动性的要求， 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 ) 的移动i p 协议 作为一个网络层移动性解决方案应运而生。它是一种在全球因特网上提供 移动功能的方案，它提供了一种i p 路由机制，使移动主机可以以一个永 久的1 p 地址连接到任何链路上，并使主机在切换链路时仍可保持f 在进 行的通信。然而，单纯地使用移动i p 技术，不适于端到端的i p 分组交换 移动无线因特网，存在切换注册等待时间长、控制数据流量大、服务质量 支持性差等问题，需要使用分层移动管理机制。 网络层分层移动性管理可以分为两个层次：宏移动性管理和微移动性 管理。本文结合宏移动性和微移动性思想，设计和仿真实现了一种组合层 次移动i p 协议c h m i p ( c o m b i n e dh i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ) ，扩展了i e t f 的移动i p 协议。在移动主机切换注册时，协调使用宏移动管理机制和微 移动管理机制，可以缩短切换注册等待时间和减少控制数据流量。基于 c h m i p 设计并仿真实现了一种移动组播机制，它有效地减小了组播树维 护开销。 为了验证本文设计的c h m i p 协议和基于c h m i p 的移动组播机制的性 能，利用n s 2 仿真平台，建立了相应的仿真模型，并对仿真的结果进行了 分析，性能基本符合方案的设计目标。 关键词移动无线因特网分层移动管理移动i p 路由协议移动组播 一一 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ha n ds i m u l a t e d i m p l e m e n t a t i o n o ft h e h i e r a r c h i c a lm o b i l i t ym a n a g e m e n tm e c h a n i s mi nm o b i l e w i r e l e s si n t e r n e t a b s t r a c t 、 五mt h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dt h er a p i d l yi n c r e a s i n g n u m b e ro fi n t e r a c tu s e f s ，m o r ea n dm o r ep e o p l eh o p et oa c c e s si n t e m e tb yam o b i l e t e r m i n a li naw i r e l e s sw a yw h i l em o v i n g i no r d e rt oa c q u i r e 也en e e d e di n f o r i l l a t i o n i ti sa ni n e v i t a b l et r e n dt h a tm o b i l ec o m m u n i c a t i o nw o u l db eu s e dt o g e t h e rw i t h i n t e r n e t t oi m p r o v et h es p e e do fd a t at r a n s f e r r i n gi nm o b i l ew i r e l e s si n t e r n e ta n d e f f i c i e n t l y u t i l i z et h er e s o u r c eo fm o b i l ew i r e l e s s i n t e r a c t ，a p p l y i n g e n d t o - e n d i p b a s e dp a c k e ts w i t c h i n gt e c h n o l o g yi n t om o b i l ew i r e l e s si n t e r a c th a sb e c o m ea r e s e a r c hh o t s p o to fm o b i l ew i r e l e s si n t e r n e t t h ei po ft r a d i t i o n a li n t e m e tc o u l dn o ts a r i s f yt h em o b i l i t yd e m a n do fm o b i l e h o s t ，a n dt h u sm o b i l ei pp r o t o c o lo fi e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) w a s d e s i g n e da s am o b i l i t ys o l u t i o no fn e t w o r kl a y e r m o b i l ei pi sak i n do fg l o b a l m o b i l i t ys o l u t i o n ，w h i c hm a k e sm o b i l eh o s tp o s s i b l yc o n n e c t e dt oa n y1 i n kb y a p e r m a n e n ti pa d d r e s sa n dk e e p sm o b i l eh o s t so n g o i n gc o m m u n i c a t i o nw h i l et h e h a n d o f f o c c u r s t h r o u 【g ha k i n do fi pr o u t i n gm e c h a n i s m h o w e v e r , i ti ss oi n e 艏c i e n t t h a to n l ym o b i l ei pp r o t o c o le x i s t si ne n d - - t o - e n di p b a s e dp a c k e ts w i t c h i n gm o b i l e w i r e l e s si n t e r n e tb e c a u s eo fp r o b l e m sl i k el o n gh a n d o f fr e g i s t r a t i o nd e l a y , l a r g e a m o u n to f c o n t r o l l i n gd a t at r a n s f e r r i n g ，b a d l yq o ss u p p o r t i n ga n ds oo n t h e r e f o r e i ti sn e c e s s a r yt oa d o p th i e r a r c h i c a lm o b i l i t ym a n a g e m e n tm e c h a n i s m t h e r ea r et w oa s p e c t so fh i e r a r c h i c a lm o b i l i t ym a n a g e m e n to fn e t w o r kl a y e r ： m a c r o m o b i l i t ym a n a g e m e n t a n dm i c r o m o b i l i t y m a n a g e m e n t i n t h i s p a p e r , a c h m i p ( c o m b i n e d h i e r a r c h i c a lm o b i l e1 p 、p r o t o c o li sd e s i g n e da n ds i m u l a t e db e i n g b a s e do nt h ei d e a so fm a c r o m o b i l i t ya n dm i c r o m o b i l i t y , w h i c he x t e n d si e t f m o b i l ei pp r o t o c 0 1 d u r i n gt h eh a n d o f fr e g i s t r a t i o no fm o b i l eh o s t ，t h r o u 曲t h e a c c o r d a n tc o m b i n a t i o no f m a c r o m o b i l i t y a n d m i c r o n m b i l i t ym a n a g e m e n t m e c h a n i s m ，t h eh a n d o f fr e g i s t r a t i o nd e l a yc a nb es h o r t e na n d t h ea m o u n to f c o n t r o l l i n gd a t at r a n s f e r r i n gc a nb er e d u c e d b a s e do nc h m i p - a k i n do fm o b i l e m u l t i c a s tm e c h a n i s mi sd e s i g n e da n ds i m u l a t e dh e r e ，w h i c he f f e c t i v e l yd e c r e a s e st h e o v e r h e a do f t h em u l t i c a s tt r e em a i n t e n a n c e t ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo fc h m i pp r o t o c o la n dc h m i p - b a s e dm o b i l e m u l t i c a s tm e c h a n i s m as i m u l a t e dm o d e li sc r e a t e da n de n c o d e di nn s 2s i m u l a t i n g p l a t f o r m a n dt h e n ，t h er e s u l t s o ft h es i m u l a t i o na r ea n a l y z e d ，s h o w i n gt h a tt h e 一一 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t a c h i e v e dp e r f o r m a n c ei sc o n s i s t e n tw i t ht h ed e s i g ng o a l k e y w o r d sm o b i l ew i r e l e s si n t e m e t ，h i e r a r c h i c a lm o b i l i t y m a n a g e m e n t ，m o b i l ei p , m u t i n gp r o t o c o l ，m o b i l em u l t i c a s t 一 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 本人签名：叠j ，髫十鸢 日期：2 0 d 弘。2 0 东北大学硕士学位论文第一章序言 第一章序言弟一早j 予百 1 1 移动无线因特网 1 1 1 发展状况 随着信息技术的不断发展，移动通信和因特网已经成为当今世界发展 最快、市场潜力最大、前景最诱人的两大信息产业【1 1 。因特网的普及，使 话音和多媒体业务向着i p 网络的方向迁移，i p 协议将成为电话网、数据 网、图像网等各种网络的统一平台。移动通信网络也不例外，随着人们对 移动性和信息的需求急剧上升，越来越多的人希望在移动的过程中高速接 入因特网以获取所需的信息，各种移动通信网络将以i p 为基本协议，成 为i n t e r n e t 的延伸网和接入网。移动通信与因特网的结合将是发展的必然 趋势，形成一个通信范围更广的移动无线因特网。 目前，移动通信已经发展到第三代，并且正在逐渐被广泛的使用。第 四代移动通信系统也在积极的研究当中 2 1 。移动通信的不断发展与演变， 不仅要求提高移动通信“最后一百米”的无线到有线的接入速度，而且要 求以最佳的方式与i n t e r n e t 结合在一起，这就要求使用分组交换技术。第 二代以前的移动通信网络大都是以电路交换技术为主。电路交换技术利于 语音交换，但不利于众多移动用户的数据传输，往往一个数据传输过程要 独占一条端到端通信线路上的资源，例如第一代的移动通信系统a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) ，第二代的移动通信系统g s m ( g l o b a l s y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 、i s 一1 3 6 ( i n t e r i ms t a n d a r dl3 6 ) 、i s 一9 5 ( i n t e r i ms t a n d a r d9 5 ) 、c t 2 ( c o r d l e s st e l e p h o n e s e c o n dg e n e r a t i o n ) 、d e c t ( d i g i t a le u r o p e a n c o r d l e s s t e l e p h o n e ) 、p h s ( p e r s o n a lh a n d yp h o n e s y s t e m ) 、p a c s ( p e r s o n a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 等1 3 。随着移 动用户数目的急剧增长以及对数据通信要求的不断提高，电路交换技术已 经不能满足人们的需求，而数据传输的有效途径是比较成熟的分组交换技 术，它在传统i n t e r n e t 上已经大显身手。移动通信与因特网的结合，使得 分组交换技术不断地应用到移动通信网络当中。介于第二代与第三代之间 的g p r s 和e d g e 等移动通信系统，它们在主干网上开始部分地实施分组 交换。第三代的w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等移动通信网络则着手建设全面 基于i p 的分组交换网络。 一1 一 东北大学硕士学位论文第一章序言 1 1 2 体系结构 3 g p p ( t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e rp r o je c t ) 和3 g p p 2 ( t h i r dg e n e r a t i o n p a r t n e rp r o j e c t2 ) 是第三代移动通信系统的两个标准开发组织，共同提出 了移动无线因特网的全i p 结构标准4 l ： ( 1 ) 包含有基于i p 的多媒体业务； ( 2 ) 包含有基于i p 的传输机制； ( 3 ) 包含有i e t f 协议集，类似对广域移动性支持等的功能，例如 移动i p 协议； ( 4 ) 包含有信令协议，例如会话初始化协议s i p ( s e s s i o n i n i t i a l i z a t i o np r o t o c 0 1 ) ： ( 5 ) 包含认证( a u t h e n t i c a t i o n ) 、授权( a u t h o r i z a t i o n ) 和计费 ( a c c o u n t i n g ) 体制( a a a ) ，例如远程认证拨号用户服务r a d i u s ( r e m o t e a u t h e n t i c a t i o nd i a li nu s e rs e r v i c e ) + 和d i a m e t e r 协议集。 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 作为第三代移 动通信系统的一个分支，阐述了移动无线因特网的体系结构，如图1 1 所 不。 图1 1 移动无线因特网体系结构 f i g 1 1t h ea r c h i t e c t u r eo fm o b i l ew i r e l e s si n t e r n e t 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章序言 1 2 网络层分层移动管理机制 移动性管理是指移动通信网络中用户移动所涉及的问题，它是移动通 信网络的核心问题之一。随着移动通信网络与因特网的结合，出现了全1 p 的移动无线因特网，移动网络的移动性管理也将面临新的变革。移动无线 因特网的移动性管理可以分为三个层次：空中接口( 物理层) 移动性管理、 链路层移动性管理和网络层移动性管理。由于移动无线因特网中从移动主 机到网关完全依赖于i p 技术接入因特网，网络层移动性管理问题变得尤 为关键。 网络层上以i p 的观点讨论移动性管理所涉及的实体和功能与传统的 移动通信网络移动性管理有较大的区别。移动无线因特网的网络层移动性 管理可以分为两个层次：宏移动性管理和微移动性管理。宏移动性管理又 称为域问移动性管理，是指对于移动主机在域和域之间移动的管理；微移 动性管理又称为域内移动性管理，是指对于移动主机在同一个域中移动的 管理。 1 2 1 宏移动管理机制 移动i p 5 】是一种在全球因特网上提供移动功能的方案，它提供了- 9 0 i p 路由机制，使移动主机可以以一个永久的i p 地址连接到任何链路上， 并使主机在切换链路时仍可保持正在进行的通信【6 】。i p v 4 和i p v 6 都可扩 展和支持移动i p 。移动i p 的基本原理是让移动主机使用一对i p 地址实现 移动的功能，移动主机配置有一个永久不变的家乡网络i p 地址。当移动 主机切换到外地网络时，该移动主机将从此外地网络中的外地代理f a ( f o r e i g na g e n t ) 获得一个在本次连接中有效的i 临时i p 地址，这个i p 地 址称为转交地址c o a ( c a r e o f a d d r e s s ) 。通过注册，移动主机将转交地址 通知给家乡网络中的家乡代理h a ( h o m e a g e n t ) ，h a 由此获知移动主机 当前的外地代理f a ，然后通过h a 和f a 之间的隧道将数据包传递给移动 主机。在数据包重定向和路由优化过程中，发往移动主机的数据包实际上 首先路由到移动主机的家乡网络，h a 通过重新截取、封装后将其发往f a ， 然后由f a 发往移动主机。在第二章中，我们将具体介绍移动i p 协议。 移动i p 协议处理全i p 移动无线因特网内的移动性管理存在如下问题： ( 1 ) 切换注册等待时问长，产生控制数据流量大 移动主机能够在移动过程中，在全球范围内接入因特网，而它的家乡 代理h a 可以在全球因特网中的任何位置，这样在移动切换时，端到端的 1 。 东北大学硕士学位论文第一章序言 注册过程会带来很大的延迟，甚至有时完成不了。当移动主机和它的家乡 代理h a 在因特网上相距很远时，如果移动主机在通信过程中频繁地进行 切换，那么会导致频繁的端到端切换注册，产生很大的控制数据流量。 ( 2 ) 服务质量q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 支持性差 频繁的切换注册和转交地址的改变将使q o s 支持性变得极差。例如， 对于支持q o s 的资源预约协议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 0 1 ) ，每 当移动主机改变转交地址的时候就要作一次这个路径的资源预约，而实际 上路径的大部分是不变的。这一处理预示着将产生大量的控制数据流量和 额外的延迟，不适于对q o s 的支持。 1 2 2 微移动管理机制 微观移动性的提出，将分层的概念引入到移动i p 协议中，减少了小 范围内移动切换时的注册等待时间和开销，改进了系统的性能。在移动无 线因特网中，移动主机在移动通信的过程中始终要使用i p 进行数据传输。 如果在大范围内移动时，单一使用移动i p 协议进行移动性管理，每当移 动主机发生切换时，都要进行端到端的注册，当移动主机离家乡网络很远 时，这会带来很大的开销和延迟。而且这也影响了对网络中移动主机数目 的可扩展性，更多的移动主机发生切换时，会使开销剧增。因此，有必要 提出使移动性管理局域化的微移动性解决方案，使得移动主机在局部范围 内进行切换时，能够快速地在局部完成切换注册。 目前，有许多微移动性解决方案，但大体上可以分成两类：一类是基 于路由的方案，另一类是基于隧道的方案。基于路由的方案主要是充分利 用传统i p 转发的健壮性。在网络的各个区域内创建和维护一个分布式的 移动主机位置信息数据库。这个数据库由非层次移动性地址查询表所构 成，并且由区域内所有的移动性代理所维护，例如c o l u m b i a 大学提出的 c e l l u l a ri p 方案1 7 1 ，b e l l 实验室提出的h a w a i i ( h a n d o f fa w a r ew i r e l e s s a c c e s si n t e r n e ti n f r a s t r u c t u r e ) 方案【8 】和m a r y l a n d 大学提出的e m a ( e d g e m o b i l i t ya r c h i t e c t u r e ) 1 9 方案，等等。基于隧道的方案以局部或分层的形 式利用了注册和封装机制，使局部隧道灵活地串联在一起，让移动性管理 的局域化成为可能。例如，移动i p 区域注册方案( m o b i l ei p r e g i o n a l r e g i s t r a t i o n ) 【1 0 1 、f a s th a n d o f f 方案1 1 ，1 ”、p r o a c t i v eh a n d o f f 方案【1 3 l 和 t e l e m i p t l 4 】等。 1 3 课题来源 一d 东北大学硕士学位论文第一章序言 本课题的研究目标是将宏观移动i p 协议与微观移动性方案相结合， 设计并仿真实现一个组合层次移动i p 协议c h m i p ( c o m b i n e dh i e r a r c h i c a l m o b i l ei p ) ，减小切换注册延迟和开销。基于c h m i p 设计并仿真实现一种 移动组播机制，减少移动组成员在切换时的组播树维护开销。本课题得到 了“十五”国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 的支持。课题编号为 2 0 0 1 a a l 2 1 0 6 4 。该项目的研究重点是移动无线因特网中自适应智能路由 选择机制的研究。移动性管理是移动无线因特网中重要的一部分，希望本 论文的研究能为移动无线因特网路由协议的研究提供必要的支持。 一5 一 东北大学硕士学位论文第二章移动i p 协议 第二章移动i p 协议 2 1 移动l p 的产生 随着因特网的飞速发展和移动计算机日益广泛的应用，推动了对移动 无线因特网的研究。像其它台式机用户一样，移动计算机用户希望接入同 样的网络，共享资源和服务，而不局限于某一固定区域。然而，传统i p 技术的主机分配有唯一的i p 地址或动态的i p 地址。全球因特网的可扩展 性依赖于网络前缀路由，而不是特定主机路由，这要求接在同一链路上的 主机i p 地址具有相同的网络前缀部分。当主机从一条链路切换到另一条 链路上时，它的i p 地址的网络前缀部分就不再与新链路的网络前缀相等， i p 地址不能表示其物理网络位置。这样，网络前缀路由技术就没有办法将 数据包发送到主机的新位置上，并导致网络通信的中断。为了实现移动主 机接入因特网，曾经提出的方案有：特定主机路由和改变主机的i p 地址， 但这些方法不适于在全球因特网上提供主机的移动功能。特定主机路由技 术存在严重的可扩展性、可靠性和安全隐患，而主机在移动时改变i p 地 址又使得链路切换时无法保持现有通信。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 n e t 工程任务组i e t f ( i n t e r n e t e n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) 下属的移动i p 工作组从1 9 9 2 年6 月起 制定了移动i p 的标准草案，包括下面的r f c 文件：r f c3 3 4 4 pj ，定义了 移动i p 协议；r f c2 0 0 3 、2 0 0 4 和1 7 0 1 悖”】，定义了移动i p 中用到的三 种隧道技术；r f c2 0 0 5 t 18 1 ，叙述了移动i p 的应用；r f c2 0 0 6 1 9 】，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1 p 的主机的变量集合，管理平台可以通过简单网络管 理协议s n m p v 2 ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 2 0 1 对这些变量进行 检查和配置。 移动i p 是一种在全球因特网上提供移动功能的方案，它具有可扩展 性、可靠性和安全性，并使主机在切换链路时仍可保持正在进行的通信。 值得特别注意的是，移动i p 提供了一种i p 路由机制，使移动主机可以以 一个永久的i p 地址连接到任何链路上。 2 2 移动i p 的设计目标 路由协议要求在网络的各种主机间传送路由更新信息，为使移动i p 一6 一 东北大学硕士学位论文 第二章移动i p 协议 能在多种无线链路上工作，使这些更新信息的数量和频率尽量减少是设计 目标之一。 另一个设计目标是尽量简化移动主机软件，这可以增加使用移动i p 的主机数目，特别是那些内存和处理能力受到限制的寻呼机、智能蜂窝电 话、个人记事本以及笔记本电脑。 因特网已认识到了i p v 4 地址的短缺问题，因此，移动i p 的另一个目 标是，尽量避免要求移动主机使用多个地址，或要求为移动主机准备一个 大的地址空间，i p v 6 正是为满足这一要求而设计的。 2 3 移动i p 的功能实体 移动i p 在传统的i p 网络上定义了下列几个新的实体： 移动主机( m o b i l eh o s t ) ：一个主机或路由器，它常在网络或子网间 改变它的接入点位置。一个移动主机可以改变它的网络接入点，但不需要 改变它的i p 地址，并且能利用它的i p 地址继续与其他主机保持通信。 家乡代理( h o m ea g e n t ) ：是指位于移动主机家乡网络上的路由器。 当移动主机离开家乡网络时，它负责截获发往移动主机的分组，并通过隧 道转发给移动主机，并且维护移动主机当前位置的信息。 外地代理( f o r e i g n a g e n t ) ：是指位于移动主机所访问的外地网络上的 路由器，为注册的移动主机提供路由服务。它接收移动主机的家乡代理通 过隧道发来的数据包，进行解封后发给移动主机：对于移动主机发出的数 据包，外地代理提供类似默认路由器的服务。 此外，家乡代理和外地代理可以统称为“移动代理”。与移动主机通 信的主机称作通信对端主机，它可以是一个固定主机，也可以是一个移动 主机，甚至可以是移动主机的本地代理。图2 1 示出了移动i p 实体及相互 关系。 图2 1 移动j p 实体发相互关系 f i g 21 t h ee n t i t i e so fm o b i l ei pa n dt h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h e s ee n t i t i e s 一7 一 东北大学硕士学位论文第二章移动i p 协议 2 4 移动i p 的相关术语 、 家乡地址( h o m ea d d r e s s ) ：是指每个移动主机在家乡链路上拥有的 一个“长期有效”的i p 地址。对这种地址的管理类似对固定主机i p 地址 的管理。 转交地址( c a r e o f a d d r e s s ) ：是指当移动主机离开家乡链路后，被赋 予的反映其当前链路接入点的临时地址。有两种转交地址：第一种，外地 代理转交地址( f o r e i g na g e n tc a r e o f a d d r e s s ) 是由外地代理通过代理广 播报文提供的一个转交地址。这个转交地址是外地代理的i p 地址。在这 种模式下，外地代理就是隧道的尽头，当它收到隧道技术封装的分组后， 对它进行解封，再将内部分组递交给移动主机。这种获取模式是首选的， 因为它能使许多移动主机共享同一个转交地址。第二种，配置转交地址 ( c o l l o c a t e dc a r e o fa d d r e s s ) 是暂时分配给移动主机的某个端口的i p 地 址，其网络前缀必须与移动主机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，移动主机可以采用这种转交地址。一个配置 转交地址同时只能被一个移动主机使用。 家乡网络( h o m en e t w o r k ) ：是指与移动主机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。发往移动主机家乡地址的i p 分组会通过标准的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 ) ：是指除移动主机家乡网络外的任何网 络，也就是网络前缀与移动主机家乡地址网络前缀不同的网络。 家乡链路( h o m el i n k ) ：是指家乡网络中的链路。 外地链路( f o r e i g nl i n k ) ：是指外地网络中的链路。 移动绑定( m o b i l i t yb i n d i n g ) ：是指由家乡代理维护的移动主机的家 乡地址和转交地址的关联，还包括关于关联的剩余生存期等其他信息。 隧道( t u n n e l ) ：当一个数据分组被封装在另一个数据分组的净荷中进 行传送时所经过的路径。 2 5 移动i p 的工作原理 2 5 1 运行过程 下面简要地概括了在移动主机移动切换过程中移动i p 咖议基本运行 过程： ( 1 ) 移动代理通过代理广播报文广播它的存在。一个移动主机可选 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章移动i p 协议 择地通过接收进程获取代理广播报文。 ( 2 ) 移动主机根据获取的代理广播报文判断出本主机是在家乡网络 还是在外地网络。 ( 3 ) 当移动主机检测到它在家乡网络时，它就不需要移动服务。如 果它是从外地网络回到家乡网络，它应该在家乡代理上注销移动注册信 息。 ( 4 ) 移动主机检测到是在外地网络时，就在该外地网络上获取一个 转交地址。这个转交地址可以通过外地代理广播报文获得( 如外地代理转 交地址) ，也可以由外地网络分配获得( 如配置转交地址) 。 ( 5 ) 移动主机离开家乡网络后，通过发送注册报文向家乡代理注册 它的转交地址，这个过程可以通过外地代理完成，也可以由移动主机直接 完成。 ( 6 ) 发往移动主机家乡地址的分组被它的家乡代理截获，经隧道技 术封装后发往移动主机的转交地址，在隧道的尽头( 外地代理或移动主机 本身) 解封后转交给移动主机。 ( 7 ) 在相反方向，当移动主机发送分组时，它使用标准的i p 路由机 制，毋需家乡代理的介入。 上述七个移动i p 协议运行的基本步骤可以归纳为四个操作，即代理 发现、注册、分组路由和注销。这些基本操作的协调工作实现了移动主机 在移动无线因特网上不同位置的自由移动。 2 5 2 基本操作 2 5 2 1 代理发现 ( 1 ) 家乡代理和外地代理周期地在一个或多个它们作为移动代理的 网络上，组播或广播代理广播报文，通告它们与相应链路的连接关系。 在i c m p 路由器广播报文中增加“移动代理广播扩展”部分，说明移 动代理是家乡代理或外地代理、它的网络地址和注册有效期等信息。 ( 2 ) 移动主机根据收到的代理广播报文，判断它是在家乡网络或是 在外地网络上。当在家乡网络上时，移动主机就像固定主机一样工作，不 再利用移动i p 的其他功能。当移动主机检测到它从家乡网络移动到外地网 络，或从一个外地网络移动到新的外地网络时，它就要向家乡代理进行注 册。 一9 东北大学硕士学位论文 第二章移动i p 协议 2 5 2 2 注册 ( 1 ) 当移动主机连接到外地网络时，它需要一个代表它当前所在位 置的转交地址。移动主机可以从外地代理广播报文中获得外地代理转交地 址，或通过动态配置协议d h c p 、手工配置等方法获得配置转交地址。 ( 2 ) 移动主机在获得转交地址后，通过移动i p 定义的报文向家乡代 理请求注册。家乡代理确认后，将家乡地址和相应的转交地址存放在绑定 缓存中，完成家乡地址和转交地址的绑定，并向移动主机发送注册应答。 在注册过程中，如果移动主机使用外地代理转交地址，就要通过外地代理 进行注册请求和注册应答。 2 5 2 3 分组路由 根据移动主机的当前位置进行分组路由必须考虑两种情况：移动主机 连接在家乡网络和移动主机连接在外地网络。对于后一种情形还有两种情 况：移动主机采用的是外地代理转交地址还是配置转交地址。 当移动主机连接在家乡网络上时，毋需特殊的规程来传送分组，也就 是说，向位于家乡链路上的移动主机传送分组所用的路由技术与向普通主 机或路由器传送分组的技术一样。向连接在外地网络的移动主机传送分组 的过程如下： ( 1 ) 家乡代理广播对移动主机家乡地址的网络前缀的可达性： ( 2 ) 目的地为移动主机家乡地址的数据包被送往家乡网络，实际上 是送往移动主机的家乡代理； ( 3 ) 家乡代理截获送往移动主机家乡网络的分组。假如移动主机已 经注册了一个或多个转交地址，家乡代理就通过隧道向每一个转交地址发 送一份分组的拷贝； ( 4 ) 在每一个转交地址处，原始数据包从隧道中取出，解封后转发 给移动主机。 当采用外地代理转交地址时，外地代理收到经隧道传送过来的分组 后，解封恢复出原始分组，如果发现目的地址是注册过的移动主机，则找 到相应的端口将分组转发给移动主机；在采用配置转交地址时，移动主机 完成类似操作，接收隧道转发过来的分组，解封恢复出原始分组，将其内 容交给协议栈上的高层协议处理。 一l o 东北大学硕士学位论文 第二章移动i p 协议 2 5 2 4 注销 移动主机根据收到的代理广播报文，如果判断它返回到家乡网络，那 么移动主机必须直接注册到家乡代理完成注销。注销之后，移动主机就像 固定主机一样工作。 2 6 移动i p 的关键技术 2 6 1 隧道 当移动主机在外地网络上时，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 发到处于隧道终点的转交地址处。在转交地址处解封经隧道转发的i p 数 据包，取出原始数据包，并将原始数据包发送到移动主机。当转交地址为 配置转交地址时，移动主机本身就是隧道的终点，它自身进行解封取出原 始数据包的工作。移动i p 中的隧道封装技术有3 种：i pi ni p 封装、最小 封装和通用路由封装。 i pi ni p 封装是基本的移动i p 隧道技术，一定要实现。所有的家乡代理 和外地代理都要支持这个技术，那些支持配置转交地址的移动主机也应实 现i pi ni p 封装。它在原始数据包的现有报头前插入一个外层报头，外层报 头中的源i p 地址和目的i p 地址分别标识隧道的入口和出口，内层报头( 即 原始报头) 中的源i p 地址和目的i p 地址则分别标识原始数据包的发送者和 接收者，如图2 2 所示。内层报头在被传送到隧道终点期间保持不变，从而 使原始数据包原封不动地转发到处于隧道终点的转交地址。 图22 移动i p 的i p l n i p 封装 f i g22t h el pi ni pe n c a p s u l a t i o no fm o b i l ei p 东北大学硕士学位论文 第二章移动i p 协议 最小封装是移动i p 中的可选隧道方式。最小封装的目的是减少实现 隧道所需的额外字节数，可通过将i pi ni p 封装中内层报头和外层报头的 冗余部分去掉来完成。 通用路由封装是移动i p 采用的最后一种隧道技术。除了i p 协议，通 用路由封装还支持其它网络层协议。它允许采用一种协议的数据包封装在 采用另一种协议的数据包的净荷中。 2 6 2 移动切换 移动主机从一个子网移动到另一个子网就产生了切换( h a n d o f f h a n d o v e r ) 。移动主机在新的子网络上获得新的转交地址，新的转交地址 不同于前一个子网络上的转交地址，因此，移动主机需要向家乡代理重新 注册和绑定。移动i p 是关于第三层，即网络层上的协议，由于报文传输和 协议处理都需要时间，加上无线链路的高误码率、无线信号强度动态变化 等多方面的原因，切换可能导致移动主机在移动时间内不能发送和接收数 据分组，引起通信对端与移动主机之间的通信暂时中断。如何保持通信的 连续性，支持各种实时应用，缩短切换引起的通信中断时间，减少切换对 q o s 的影响，是移动i p 研究中的重点关注问题。移动i p 标准定义了移动检 测、转交地址获取和重新绑定等基本过程。在此基础上，人们为了不同的 目的提出了各种切换技术，保证已有连接的q o s 。 移动i p 协议属于网络层的协议，为了具有通用性，与链路层协议保持 相对独立，但这对切换带来负面的影响。移动主机只有在与直接连接的外 地代理或接入路由器的链路层切换完成后，通过网络层协议获得转交地 址，才能启动注册或绑定更新过程。为了减少切换对q o s 的影响，提出了 多种切换办法。其中，低延迟切换主要目的是使移动主机在切换过程中通 信连接中断的时间达到最小；平滑切换( 也叫低丢失切换) 的主要目的是 使丢掉或者延迟的分组数量达到最小：无缝切换既达到低延迟切换，又达 到低丢失切换。移动i p 的切换技术需要解决一些特殊的问题，如移动主机 快速地在两个子网间来回移动的情况等。 2 6 3 移动检测 移动主机有两种基本机制检测它是否从一个子网移动到另一个子网。 当移动主机检测到自己的移动时，它应该在新的外地网络上注册一个合适 的转交地址。假设移动主机所连接的链路上至少有一个代理，则移动主机 可以通过两种方法来确定自己是否切换到了新的子网，一种方法是利用生 一】2 一 东北大学硕士学位论文 第二章移动i p 协议 存期字段作移动检测：另一种方法是利用网络前缀作移动检测。 ( 1 ) 用生存期字段检测移动 该方法是基于代理广播报文中的生存期字段。当移动主机注册到外地 代理上时，如果在生存期字段规定的时间内没有收到来自该代理的广播报 文，那么说明该移动主机已移动到另一个子网内或者该外地代理已经不可 用了。此时，移动主机向下个发来代理广播报文的外地代理注册，如果 移动主机没有收到任何代理广播报文，它就发出一个代理请求报文去询 问。 ( 2 ) 用网络前缀检测移动 假设移动主机在某一子网的外地代理上进行注册，记录了该代理广播 报文后，移动主机又收到了来自另一个外地代理的代理广播报文。在这种 情况下，移动主机将从两个广播报文中计算出网络前缀并加以比较来判定 两个广播报文是否来自同一个代理，如果不同，则两个广播报文是从不同 的子网上接收到的，否则就是从同一子网上接收到的。当移动主机将新收 到的广播报文与它当前注册的外地代理比较后，如果发现它已移动到新的 子网内，就应向新子网的外地代理进行注册，否则，表明移动主机并没有 移动，不必向新代理注册。如果移动主机在广播报文中的生存时间内没有 收到当前注册的外地代理的广播报文，则判定外地代理失效，移动主机将 准备注册到一个新的外地代理上。 2 6 4 移动i p q o s 当移动主机从一个子网切换到另一个子网时，移动主机的数据流在网 络中经过的传输路径可能发生变化，这种变化可能出现在端到端路径中靠 近终端的一小部分路径上，也有可能对整个路径产生影响。切换后移动主 机转交地址的变化也会引起传输路径上的某些主机无法正确识别或者转 发带有与i p 地址有关的q o s 参数的数据流，并且切换可能在不同管理域的 子网间进行，不同