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浙江工业大学硕士学位论文 移动ip 网络自适应的分层移动性管理 摘要 随着i n t e m e t 的普及和通信技术的发展，用户希望能随时随地的接入i n t e m e t 。i 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 ) 所提出的移动i p ( m o b i l ei p ，m i p ) 协议支持用户在移动 过程中访问i n t e m e t 。移动i p 在网络层上解决了终端的移动性问题，使主机在移动过程中 不需改变i p 地址就可连续访问i n t e m e t ，其主要缺点是主机在移动过程中需要频繁地进行 绑定更新，产生的信令开销较大。为降低移动i p 的信令开销，i e t f 提出了分层移动i p 协 议( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ，h m i p ) 。 本文主要研究基于i p v 6 协议的分层移动i p 协议，即h m i p v 6 ，提出了一种自适应的 分层移动性管理方案。这种方案动态选取m a p ( m o b i l i t ya n c h o rp o i n t ) 并调整m a p 区域 所管辖的接入路由器个数，通过引入模糊控制器，以移动主机的移动次数、以及m a p 域 所包含的接入路由器的个数作为模糊系统的输入，通过模糊推理动态改变m a p 域所包含 的接入路由器的个数，以降低移动性管理代价并将移动性管理的代价维持在一个较低的水 平。仿真分析表明，所提出的方案的代价在一定情况下优于固定m a p 区域的移动性管理 方案。 在i e t f 所给出的h m i p v 6 协议中，没有具体规定m a p 以及m a p 域的配置方法，本 文所提出的自适应的分层移动性管理方案实现了h m i p v 6 ，可以应用于实际移动i p 网络。 关键词：移动i p ，分层移动i p ，移动性管理，模糊控制 浙江工业大学硕士学位论文 a d a p t i v eh i e r a r c h i c a lm o bi l i t y m a n a g e m e n ts c h e m ei nm o b i l ei pn e t w o r k s a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e si ni n t e m e ta n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，u s e r sw a n tt oa c c e s st o i n t e m e ta ta n yt i m ea n y w h e r e t h em o b i l ei p ( m i p ) p r o t o c o l ，p r o p o s e db yi e t f ( i n t e r n e t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) ，e n a b l e sm o v i n gu s e r st os u r fi n t e m e t t h em i pp r o t o c o l ，w h i c h s u p p o r t su s e r s m o b i l i t yi ni pl a y e r ，m a k e si tp o s s i b l et h a tm o b i l en o d e s ( m n s ) a c c e s si n t e r a c t c o n t i n u o u s l yw i t h o u tc h a n g i n gt h e i ri pa d d r e s sd u r i n gt h e i rm o v e m e n t t h em a i nd r a w b a c ki n t h em i pi st h a ts i g n i f i c a n ts i g n a l i n go v e r h e a di sp r o d u c e db yt h ef r e q u e n tr e m o t er e g i s t r a t i o no f t h em n s t or e d u c et h eo v e r h e a d ，i e t fp r e s e n t st h eh i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ( h m i p ) p r o t o c 0 1 i nt h i sp a p e r , r e s e a r c hi sb a s e do nh i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6p r o t o c o l ，t h a ti s ，h m i p v 6 ，a n d p r o p o s e da na d a p t i v eh 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 ts c h e m e s u c hs c h e m ed y n a m i c a l l y s e l e c tt h em a p ( m o b i l i t ya n c h o rp o i n t ) a n da d j u s tt h ea c c e s sr o u t e r ( a r ) n u m b e ro fm a p d o m a i n ，a n di n t r o d u c et h ef u z z yc o n t r o l l e r ，u s i n gt h em o v e m e n tn u m b e ro fm o b i l eh o s t ，a n dt h e n u m b e ro fr o u t e r so fm a pd o m a i na st h ei n p u to ff u z z ys y s t e m t h es c h e m ed y n a m i c a l l yc h a n g e t h en u m b e ro fr o u t e r sc o n t a i n e di nm a pd o m a i nb yf u z z yr e a s o n i n gi no r d e rt or e d u c et h ec o s t o fm o b i l i t ym a n a g e m e n ta n dm a i n t a i nt h ec o s ta tal o wl e v e l s i m u l a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a t t h ec o s to fp r o p o s e ds c h e m ei ss u p e r i o rt ot h o s ei nw h i c ht h en u m b e ro ft h ea r si nam a pi s f i x e d h m i p v 6p r o t o c o lp r o p o s e db yi e t fd o e sn o ts p e c i f yt h em a pa n dt h ec o n f i g u r a t i o no f m a pd o m a i nm e t h o d t h i sp a p e rp r o p o s e dt h ea d a p t i v eh 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 t s c h e m et oa c h i e v et h eh m i p v 6w h i c hc a nb ea p p l i e dt ot h ea c t u a lm o b i l ei pn e t w o r k k e yw o r d s ：m o b i l ei p , h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p , m o b i l i t ym a n a g e m e n t ，f u z z yc o n t r o l 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名。易匀少 眺冲，a 肛岫 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，同意学校保留 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 人授权浙江工业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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 期：7 年i 月诒日 期：多口寺7 1 年，月7 多日 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 移动i p 的产生 互联网( i n t e m e t ) 给人们的生活带来了巨大的影响，已经渗透到社会的各个方面， 成为国家信息化和现代化建设的重要部分，产生了重大的经济效益和社会效益。伴随着 i n t e r n e t 技术的日益成熟与无线通信的快速发展，便携式移动设备( 如笔记本、手机、p d a 等) 的普及率也在飞速增长。据悉，全球移动设备每年增长5 4 ，2 0 1 1 年将达到8 0 0 0 万台【1 。移动设备需要接入到i n t e m e t ，终端用户越来越希望能够随时随地访问i n t e r n e t 。 诚然，人们的需求不仅仅是简单地“随时随地”访问i n t e r n e t ，而是移动过程中的不中断、 安全、快速、高效的通信。 当便携式设备在相同或不同网络之间移动时，这些设备与网络的连接点( a t t a c h m e n t p o i n t ，a p ) 也随之发生变化。支持这些设备在移动过程中接入到i n t e m e t 的一种可以想 到的方法是：当一个便携设备从一个连接点转到另一个连接点时，网络为它指定一个新 的i p 地址。然而，i p 地址的改变通常会打断正在进行的会话，这就产生了保持会话和 应用连续性的问题，这是互联网协议( i p 协议) 所不能做到的。为此，i n t e r n e t 工程任务组 i 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 ) 开发了一个在网络层中解决移动性问题的方案，称 为移动i p ( m o b i l ei p ，m i p ) 2 】。 移动i p 允许移动节点m n ( m o b i l en o d e ) 使用一个家乡地址( h o m ea d d r e s s ) 和一个 转交地址( c a r eo fa d d r e s s ，c o a ) 。家乡地址是m n 在所属网络“家乡网络( h o m e n e t o w r k ) 的i p 地址，它是与m n 通信的节点( 即对端节点c n ( c o r r e s p o n d a n tn o d e ) ) 用来达到m n 的地址。转交地址是当设备移动到其它网络“被访网络( v i s i t e d n e t w o r k ) 时，访问网络分配给m n 的地址。在m n 移出家乡网络之前，m n 把家乡网 络的一个路由器选为家乡代理h a ( h o m ea g e n t ) ；在m n 进入到“被访网络”之后， h a 将对端节点c n 发送给m n 的数据分组( p a c k e t ) 拦截下来，并通过隧道技术 ( t u n e l l i n g ) 将这些数据分组转发给在“被访网络 的m n 。由于对端节点c n 使用了 浙江工业大学硕士学位论文 m n 的不会改变的家乡地址，因此，即使转交地址改变了，会话的连续性还是能保持。 由此可知，移动i p 实现了移动节点i p 地址的改变对t c p 和高层协议透明，因此无缝地 保持了会话的连续性。 i e t f 制定了两种移动i p 技术标准：一是基于i p v 4 的移动i p v 4 ( 简称m i p v 4 ) ，二 是基于i p v 6 的移动i p v 6 ( 简称m i p v 6 ) 。目前两种移动i p 技术的相关协议都处于不断完 善的过程中。随着i p v 6 的逐步普及，m i p v 4 将逐渐退出历史舞台。 1 1 2 移动i p 的标准化历程 自1 9 9 6 年1 1 月m i p v 4 被发布建议标准( r e q u e s tf o rc o m m o n s ，r f c ) 到目前为止， m i p v 4 主要的标准化工作已基本结束，目前主要是围绕在部署中存在的一些“小”问题 展开，如协议的优化和扩展、安全保护、a a a ( a u t h e n t i c a t i o n ，a u t h o r i z a t i o na n d a c c o u n t i n g ) 、企业网等。m i p v 4 最核心的协议是r f c 3 3 4 4 1 3 ，它规定了节点在互联网 上移动时仍然可以使用它固定的家乡地址。以r f c 3 3 4 4 为核心，i e t f 已经颁布了2 4 个 与m i p v 4 相关的r f c ，另外还有大量的正在研究中的草案，内容涉及隧道封装、安全与 丸蚣、网络管理、n a t ( n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n ) 以及适用性等方面。i e t f 目前制 定的一系列标准：r f c 3 2 2 0 ( i pm o b i l i t ys u p p o a ) 2 】替代了r f c 2 0 0 2 ( i pm o b i l i t y s u p p o r t ) ：用于描述m i p v 4 三种隧道技术的标准r f c 2 0 0 3 ( i pe n c a p s u l a t i o n ) 【4 】、 r f c 2 0 0 4 ( m i n i m a le n c a p s u l a t i o nw i t h i ni p ) 【5 】、r f c17 01 ( g e n e r i cr o u t i n ge n c a p s u l a t i o n ) 6 】；描述移动i p v 4 应用的r f c 2 0 0 5 ( a p p l i c a b i l i t ys t a t e m e n tf o ri pm o b i l i t ys u p p o r t ) 7 】 描述i p v 4 的管理信息库的r f c 2 0 0 6 ( t h ed e f i n i t i o n so fm a n a g e do b j e c t sf o ri pm o b i l i t y s u p p o r tu s i n gs m i v 2 ) 8 】。 m i p v 6 协议仍在制订中，并经历了多次版本更新。移动i p v 6 的最核心规范是 r f c 3 7 7 5 1 9 1 ，它利用了i p v 6 的邻居发现和无状态自动配置特性，去掉了m i p v 4 中的外 地代理( f o r e i g na g e n t ，f a ) ，同时克服了m i p v 4 所存在的三角路由和源地址过滤等不 良问题，并提高了安全性。围绕r f c 3 7 7 5 ，i e t f 还颁布了完善m i p v 6 的一些r f c ，如 适用性、快速切换、网络接入点标志、网络管理、安全协议( i k e v 2 ) 、a a a 、部署场景以 及大规模部署时的b o o t t r a p 等。到目前为止，最新的草案为1 9 版本的m o b i l i t ys u p p o r ti n i p v 6 1 9 】。m i p v 6 技术充分利用了i p v 6 对移动性的内在支持，对i p 层以上的协议是完全 透明的，使得运行在m n 上的应用程序不需要修改仍然能够正常运行。 市场的需求推动着移动i p 技术向前发展。以3 g p p 和3 g p p 2 为主导的3 g 移动网对 浙江工业大学硕士学位论文 数据业务的支持能力大大增强，使得移动i p 在3 g 网络里得到了广泛的应用。i t u 在 i m t - 2 0 0 0 中规定，第三代移动通信以i p 网络作为核心网络。3 g p p 在r e l e a s e4 中就规 定了基于i p 网络的传输标准，且在r e l e a s e5 中对i p 多媒体系统进行了定义。未来的基 于全i p 架构的4 g 网络也将采用移动i p 技术作为网络层的移动性管理方案。欧盟委员会 已经制定了一个目标要在2 0 1 0 年之前让欧洲大陆2 5 的企业、政府机构和家庭使用下一 代互联网协议i p v 6 韩国将投资1 0 7 亿美元用于建设下一代网络协议，计划将在2 0 1 3 年之前完成。由此可见，移动i p 将有广阔的发展空间与应用前景。 1 2 国内外研究现状 1 2 1相关研究 m i p 协议的应用和研究仍然处于不断发展完善阶段，目前的主要研究内容及应用集 中在如下几个方面 1 0 11 1 2 1 ： ( 1 ) i p v 6 基本功能的实现 这方面主要包括地址、路由机制、i c m p v 6 、主机自动配置、各种平台的i p v 6 代码 和a p i ( 应用程序接口) 等。c i s c o 、华为和b a y 等一些厂商已经制造出i p v 6 的路由器， 支持向i p v 6 升级的应用研究也正在进行中。 ( 2 ) 从i p v 4 向i p v 6 的过渡 由于i n t e m e t 的规模以及目前网络中i p v 4 用户和设备数量都是比较庞大的，i p v 4 到 i p v 6 的过渡无法做到一次性实现。另外，许多企业和用户的日常工作也越来越依赖于 i n t e m e t ，它们无法容忍在协议过渡过程中出现的问题。所以i p v 4 到i p v 6 的过渡必须是 一个循序渐进的过程，换句话说就是：i p v 6 和i p v 4 需要一段较长的共存时间。i p v 4 和 i p v 6 的互通性就成为了一个不可忽视的重要问题。当前，i p v 4 和i p v 6 的互通主要采用 以下技术：双协议栈、隧道及隧道代理、n a t - p t 翻译( s l i t ，s t a t e l e s si p v 4 i p v 6t r a n s l a t o r ) ， 其中隧道技术和双协议栈技术已经得到广泛的使用。隧道技术是指现有的许多个“i p v 6 孤岛”利用穿越现存i p v 4 因特网的隧道技术连接起来，继而逐步扩大i p v 6 的实现范围。 双协议栈是指在i p v 6 节点中加入i p v 4 协议栈。具有双协议栈的节点既可以收发i p v 4 分 组，也可以收发i p v 6 分组，通过这样的方式就可以实现i p v 4 和i p v 6 的互通。 ( 3 ) i p v 6 的安全性问题 m i p v 6 要想得到大规模的应用，安全性问题是首要解决的问题。现有的移动i p 大多 一3 一 浙江工业大学硕士学位论文 采用多种认证机制和加密方法来防止恶意攻击，虽然在一定程度上保障了i p 网络中所存 在的的安全隐患，但仍存在很多安全问题没有得到很好的解决，例如密钥的管理和分配 以及防止拒绝服务攻击等。不少研究开发项目将i p v 6 同i p s e c ( i ps e c u r i t y ) 结合起来， 其中典型的研究项目如k a m e 和n r l 开发的i p v 6 协议栈都包含了i p s e c 的代码。 ( 4 ) i p v 6 对服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的支持 它包括对“综合服务”( i n t e s e r v ) 特别是“区分服务 ( d i f f s e r v ) 的支持。移动 i p v 6 要想得到广泛应用，服务质量也是一个需要急待解决的问题之一。但是现有的q o s 体系结构在移动环境下的q o s 保证这一方面的研究还处在空白阶段，因此要对现有的 q o s 进行修改。方法之一是采用资源预留协议，即一种修改过的单向信令协议。但该协 议存在的缺点是：由于m n 不断变换位置会使得资源预留协议的代价很高。 ( 5 ) i p v 6 支持移动性的能力 移动i p 协议制定的初衷就是为了解决主机或终端在移动过程中的连续通信问题。这 一方面的研究同i p v 4 移动性的研究并列进行着。初步的研究和实践倾向于选择i p v 6 作 为支撑移动计算的平台。当然，移动性的实现与安全、服务质量等方面的技术密切相关。 ( 6 ) i p v 6 网络上的应用方面 i p v 6 通过自动识别机能、无限多的地址、网络安全设置，使其能对每个终端都可以 进行i p 全球化管理。再者，i p v 6 所提供的巨大的地址空间以及所具有的其他诸多优势 和功能，使其提供语音、数据、视频融合的高品质，以及多样化通信服务都成为可能。 也就是说在将来，从移动终端、汽车到自动售货机、报警系统甚至钥匙扣及其他各色各 样的产品都可实时在线。 ( 7 ) 端到端的实时通信 端到端的实时通信是通信业务的基本特征，也是下一代网络的本质特征和发展方向。 下一代网络将逐渐取代电路交换网络，构成现有i n t e m e t 的i p 网，以提供包括应用服务 提供、综合语音和数据业务等在内的新的通信服务。其中，应用服务提供主要有应用的 软件的递送和支持、电子商务服务两种；综合语音和数据业务是、包括w e b 中的呼叫中 心、统一消息和多媒体会议等。 ( 8 ) 移动i n t e r n e t i p v 6 与移动通信的结合将为目前的i n t e m e t 开拓一个全新的领域，即移动i n t e m e t 。 通过移动i n t e m e t ，人们就可以随时随地在线选购商品或服务并付款；也可以使用移动设 备查询飞机的航班、风景点的简要情况，查找地图以及要参观的目的地；还可给电视机、 浙江工业大学硕士学位论文 冰箱、微波炉、空调、洗衣机等家用电器分配i p 地址，使它们与i n t e m e t 连接成为信息 家电，人们在不在家时启动家中的家用电器让它们工作。 ( 9 ) 宽带网络 实行i p v 6 可大大地优化路由器传输效率，这也使得目前的各种宽带传输技术迈上一 个新台阶。 目前，在与本论文相关的研究领域，国内外学者取得了丰硕的研究成果。 标准移动i p 中，随着m n 的移动，需要频繁的绑定更新。为了解决这一不足，i e t f 提出了分层移动i p ( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ，h m i p ) 方案，如h m i p v 6 ( h i e r a r c h i c a lm o b i l e i p v 6 ) 【1 3 1 4 。h m i p 将网络分成不同的域，将移动性分为宏移动( m a c r o - m o b i l i t y ) 和微移动( m i c r o m o b i l i t y ) ( 即域间移动和域内移动) 进行管理：m n 在域间移动时， 采用标准的m i p 协议，域内移动时采用微移动i p 协议。h m i p v 6 引入了移动锚点m a p ( m o b i l i t ya n c h o rp o i n t ) 位于m n 所访问网络的一个接入路由器( a c c e s sr o u t e r ， a r ) 以取代h a 的部分功能。m n 所访问的网络中存在多个m a p ，一个m a p 对应 于一个m a p 域( m a pd o m a i n ) 【1 4 ；在一个m a p 域内，m n 将被分配区域转交地址 ( r e g i o n a lc a r eo f a d d r e s s ：r c o a ) 和链路转交地址( o n l i n kc a r eo f a d d r e s s ：l c o a ) 两 个地址，分别用于宏移动和微移动。当m n 在同一个m a p 域内移动时，无需向h a 注 册，只需向当前的m a p 注册；当它移出一个m a p 域时，才向h a 注册。这样，可减小 位置更新的开销。 本文主要研究的是分层移动i p 网络中的移动性管理，国内外学者对该课题的研究相 当热门，主要集中在以下两方面： ( 1 ) 支持寻呼的分层移动i p 管理方案 在移动i p 网络中引入寻呼是为了在精确的位置信息与较低的电源消耗和信令负载 之间取得一个平衡：移动用户处于活动状态对，时刻通知网络自己的最新位置，而处于 空闲状态时，则只是在移出寻呼区时才通知网络，对移动用户的呼叫到达时，由网络发 起寻呼，移动用户应答并且通知网络自己当前的精确位置信息，从而可以建立连接。 【1 5 1 6 1 7 1 8 对支持寻呼的分层移动i p 协议进行了研究。 1 5 提出了时延限制下 的多步寻呼策略以及基于遗传算法的多步寻呼方案根据移动节点的位置概率分布， 采用遗传算法对寻呼区域内的所有子网进行分组，每步寻呼一个组，使平均寻呼信令开 销达到或接近最优。【1 6 】提出了一种带模糊控制器的动态指针推进移动性管理策略，该 策略以移动台的移动次数、指针链长度及位置管理的代价作为模糊控制器的输入，指针 浙江工业大学硕士学位论文 长度的改变量作为模糊控制器的输出，对指针长度进行动态调整。【1 7 】针对传统i p 寻呼 ( i pp a g i n g ) 方法存在的寻呼“信令风暴 问题，提出了一种采用分布式寻呼策略的链式 i p 寻呼方法，提高i p 寻呼的灵活性和扩展性，该方法在h m i p v 6 网络的移动节点中引 入半激活( s e m i a c t i v e ) 状态，通过动态地指定寻呼代理和建立寻呼链，减少寻呼消息数量， 实现信令负载分担。【1 8 】提出了结合动态寻呼和动态m a p 选取的一种新的自适应方案。 ( 2 ) m a p 的选择问题 m a p 的选取及m a p 域的配置在h m i p v 6 中起着决定性的作用，这也是本方案研究 的出发点。这方面的研究主要可以分为基于距离的选择方案、基于移动特征的选择方案 及自适应的选择方案三类。 基于距离的最远选择方案【9 【1 0 】【1 3 】是h m i p v 6 中的默认方案，m n 选取离自己最 远的m a p 作为服务m a p ，可以减少m n 频繁移动造成的远程家乡注册次数，从而减少 信令开销。 基于移动特征的m a p 选择方案是基于距离方案的一种改进。此类方案中，m n 依据本身的移动特征来选取服务m a p 。其中，基于速度的方案 1 9 】【2 0 】【2 1 】就是根据m n 的移动速度这个移动特征来决定选取哪一个m a p ，移动速度快的m n 选择最远的m a p 作为服务m a p ，移动速度较慢的m n 就选择最近的m a p 。【1 9 中，m n 无论是与高层、 低层m a p ，还是与h a 注册都是取决于它的速度及与它联系的c n 的个数；在解决负载 均衡问题时，采用了限制控制算法和代替算法来达到两个m a p 层及处于同一层的不同 m a p 的负载平衡。由于精确地计算m n 速度是比较困难的，就提出了基于拓扑结构的 选择方案。在这类方案中，m n 先侦听来自m a p 的路由通告信息得出m a p 的拓扑结构， 再从拓扑结构信息中选取最近的交叉m a p 作为服务的m a p 。【2 0 2 1 设计了记录两种信 息的移动历史接入路由器的i p 地址和m n 的访问时间，每个m n 都持有自己的移 动历史，当进入一个新a r 域时，就发送移动历史给当前的a r ，然后计算涵盖范围内 的每个较高的m a p 的速度。如果一个m a p 有最大的速度，m n 就与它注册。 由于h m i p v 6 网络的性能依赖于会话的活动性和移动性，且数据包传输代价和绑 定更新代价不能忽视，自适应选择方案【1 8 】【2 2 】- 【2 8 】同时考虑了这些方面。【2 2 1 通过计算 远程家乡注册和本地注册的信令代价差值来决定当前需要执行何种注册，即决定当前的 f a 是否成为m a p 。w a n gy i n g h o n g 等在 2 3 】中同时考虑了速度和通信质量，设计了一 种m a p 的负载平衡机制来避免由于m a p 过载造成的网络冲突。【2 6 1 新建了一个高层 m a p 的虚拟域，并提出了一个m a p 改变方案，m n 根据移动位置及切换发生前的位置 浙江工业大学硕士学位论文 来改变自己与c n 之间的路径。【2 7 提出一种m a p 选择的申请驱动机制，该机制的关键 是由参考接入点、用户的申请的传输速率来决定访问用户和哪一个m a p 注册，同时考 虑了a p ( a c c e s sp i o n t ) 以及绑定更新的频率。【2 4 2 5 2 8 】通过估算数据包到达速率与 移动速率的比来选择m a p ，若m n 的该比率越小，说明m n 的移动速度越快，故而选 择最远的m a p 作为自己的服务m a p ；反之，就选择最近的m a p 。 2 9 通过数值分析比较了上述几类m a p 选择方案，得出自适应的方案执行开销低， 更好的负载平衡的结论。因此本文也对此进行重点研究。 1 2 2 研究方案的优缺点分析 移动i p 技术在制定之初就考虑到解决移动性问题，使得m n 在离开其家乡网络时仍 能保持与i n t e m e t 的连接，这是因为m n 在i n t e m e t 上的连接点发生改变时，移动i p 技 术总是通过固定的家乡地址来识别每个节点，m n 离开家乡网络时向家乡链路上的家乡 代理h a 发送其当前位置的信息，家乡代理截获发送到该m n 的数据包并用隧道将数据 包转发到m n 当前的位置。 尽管移动i p 网络有很多的优点，在未来移动网络中占有非常重要的地位，但是它 自身也并不完美，其不足之处主要表现在切换性能不尽人意、数据分组的传输速率不高 和保证安全性通信的q o s 较低。具体地说 1 1 1 1 3 0 1 ： ( 1 ) 节点在移动i p 网络中的切换性能无法满足i n t e m e t 用户的需要。当移动节点从一 个网络进入到另一个网络的时候就要发生切换。整个切换过程需要依次经过链路层切换 ( l 2 切换) 、移动检测、配置转交地址以及对该转交地址的唯一性检测、发送绑定更新 消息并注册新的转交地址等阶段，在新的连接建立前，对端节点发往移动节点的数据分 组会被家乡代理截获，然后通过隧道机制转发到移动节点。这种切换机制延迟较大，而 且存在大量的数据分组丢失问题，显然不能满足实时业务的需求，再者还容易被中间人 攻击。 ( 2 ) 数据分组在移动i p 网络中的传输效率不高，延迟较大。由于代理路由器采用的 是非连续的逐跳转发机制，对于接收到的每一个数据分组都要对i p 分组头部进行解封， 根据其中存储的目的地地址，并利用特定的算法获得下一跳的地址，从而决定用哪个出 口来传送数据分组。这就使得数据分组在网络中的传输延迟相对较大。为了解决这个问 题，我们就要对数据报的报头进行合理的设计或是对报头进行压缩。 ( 3 ) 移动i p 网络中的节点缺乏有效的身份验证，安全问题面临严重的威胁。原因之 浙江工业大学硕士学位论文 是刚开始时连入i n t e m e t 的都是侧重于研究与开发的机构，其中的研究人员互相间了 解各自的名声，而他们与军队和政府的密切关系也保证了安全性不是一个主要问题；但 最重要的原因是，很久以来人们认为安全性议题在网络协议栈的低层并不重要，应用安 全性的责任仍交给应用层。在许多情况下，i p v 4 设计为只具备最少的安全性选项。移动 i p 网络的典型网络攻击主要是拒绝服务攻击( d o s ) ，恶意主机通过向服务器发送大量数 据分组，使得服务器忙于处理这些无用的数据分组而不能正常响应用户的正常信息；或 者恶意主机直接干扰网络中相互通信的两个节点，通过采取重定向的方法使合法的用户 无法获得所应该得到的服务。 1 3 本论文的主要创新之处及章节内容 1 3 1 主要创新之处及其意义 相比标准的m i p ，h m i p 可以大大减少家乡注册次数，从而降低位置更新的代价。 因此，本文在基本h m i p v 6 的基础上，提出了一种自适应的移动性管理方案。主要贡献 及创新之处在于： ( 1 ) 给出了根据m n 的数据包到达率、m n 的单位时间移动次数以及移动性管理代价， 动态选取m a p 及构建m a p 域的操作流程。 ( 2 ) 设计了一个模糊逻辑控制器来动态选取m a p 及调整m a p 区域所管辖的接入路由 器个数。其中，移动节点的m n 的数据包到达率、m n 的单位时间移动次数以及移动性 管理代价作为模糊控制器的输入变量。 ( 3 ) 通过仿真实验，将本方案与固定区域大小的h m i p v 6 进行比较，结果证明本方案 明显优于后者：另外还得出本方案可以适应移动节点环境的变化，使移动性管理的代价 维持在较低的水平。 1 3 2 论文的主要章节及其主要内容 本文研究的是移动i p v 6 的分层移动性管理策略，各章节的内容和结构安排如下： 第l 章介绍了相关的背景知识及国内外的研究现状。 第2 章介绍了移动i p 的相关技术，主要是介绍了i e t f 提出的两种移动i p 协议 移动i p v 4 和移动i p v 6 ，并对这两种技术进行了对比。 一8 一 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章介绍移动性管理方面的相关内容，在本章开始我们简要地介绍移动性管理的 概念及分类；由于对传统移动i p 中频繁远程注册造成的高额开销问题，目前倾向于采用 层次化的移动性管理方法来解决，即用传统移动i p 来支持宏移动( m a c r o m o b i l i t y ) ，而采 用更优化的微移动( m i c r o m o b i l i t y ) 协议来进行本地的移动性管理，因此本章的后续内容 列出目前比较热门的几种微观移动性管理方案，以及移动i p 分层移动性管理协议，即本 文研究的重点。 第4 章提出了一种将模糊推理理论应用于移动性管理中的自适应的分层移动性管理 方案。首先对模糊推理理论的相关知识进行简要的介绍；接着在具体方案中给出了根据 m n 的数据包到达率、m n 的单位时间移动次数以及移动性管理代价等动态选取m a p 及 构建m a p 域的方法，利用模糊逻辑控制器，对m a p 域所包含的接入路由器个数进行动 态调整；最后通过仿真实验结果分析本方案的优点。 第5 章对本课题的研究成果做了一个简要总结，同时对本课题的后续工作做了一些 简要说明。 在文章的最后我们附上本文中引用的参考文献。 一9 一 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章移动i p 技术 2 1 移动口v 4 技术 2 】 3 0 】 2 1 1基本概念 ( 1 ) 四个功能实体 移动节点( m o b i l en o d e ，m n ) 一般是一台主机( h o s t ) 或路由器( r o u t e r ) 。 通信对端( c o r r e s p o n d e n tn o d e ，c y ) 它指的是与m n 通信的节点，可以是m n 或者位置固定的节点。一个m n 可能与多 个c n 进行通信。 家乡代理( h o m ea g e n t ，h a ) 家乡代理一般为一台路由器，它的一个端1 ：3 连接在移动节点的家乡链路上，这个端 口截获所有发往移动节点家乡地址的数据包，并将这些包通过隧道技术传送到m n 的转 交地址。 外地代理( f o r e i g na g e n t ，f a ) f a 为一台一个端1 3 在m n 的外地链路上的路由器，它向m n 提供路由服务和检测 服务。图2 1 表明了这些实体以及它们之间的关系。 家乡链路 l c n 外地链路 白州 图2 - 1移动i p v 4 的网络体系结构 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 两个地址 家乡地址( h o m ea d d r e s s ) ：c n 所知道的m n 的i p 地址，它在m n 移动过程中 保持不变。 转交地址( c a r eo f a d d r e s s ，c o a ) ：是m n 从h a 发出的隧道出1 3 的暂时地址， 它会随着m n 在i n t e m e t 上移动而改变。转交地址有两类，一类是有一个端口在m n 当 前链路上的f a 地址，称之为f a 转交地址；另一类是暂时分配给m n 某一个端口的地 址，称之为配置转交地址。 ( 3 ) 三个功能 代理搜索 它的主要作用是确定m n 的当前位置、检查是否发生了移动并得到一个f a 转交地 址。代理搜索通过h a 和f a 周期地发送代理广播消息来实现。若在m n 的外地链路上 不存在f a ，采用手工配置、点对点通信协议中的i p 控制协议或通过动态主机配置协议 都可使m n 得到一个配置转交地址。 注册( r e g i s t r a t i o n ) 这是m n 把当前的c o a 通知给h a 的一种认证机制。注册请求消息是由m n 发往 其h a 的，途中可能会经过f a 。h a 通知m n 对它的请求的处理接受或者拒绝是通 过向m n 回答一条注册应答消息来实现。注册应答也有可能会经过f a 。 隧道 它主要用来向那些连接在外地链路上的m n 传送数据包，是对数据包进行路由的特 殊规程。在家乡链路上，h a 截获发往m n 的数据包，然后通过隧道将数据包送到m n 的c o a 。在相反的方向，m n 产生的数据包用它的家乡地址直接路由到目的地。从c n 发往m n 的数据包未经路由优化时，会先被送往m n 的家乡链路，再经过隧道送往m n 的当前位置，也就是所谓的“三角路由 问题。目前，对于移动i p 中的路由优化问题也 是研究的焦点之一。 2 1 2 基本操作流程 m n 在家乡链路上时，仍按传统的t c p i p 协议进行通信，不需要使用移动i p 协议。 但是m n 若在外地链路上时，它就按如下操作流程进行通信： ( 1 ) 当m n 发现它已经漫游到一个外地网络时，通过代理发现机制在外地网络上发现 一个f a ，并获得该外地网络上的c o a 。c o a 可以通过两种方式获得来自f a 的地址 浙江工业大学硕士学位论文 或由动态地址配置机制确定，前者称为外地代理转交地址，后者称为配置转交地址。 ( 2 ) 处于外地网络的m n 向h a 注册当前的c o a ，h a 收到注册请求消息后，会返回 注册应答消息，并构建一条通向c o a 的双向隧道。 ( 3 ) h a 截获发往m n 的家乡地址的数据包，并将数据包进行封装后通过隧道发送至 m n 的c o a 处( 即f a 处) 。 ( 4 ) 在c o a 处( 即f a 处) 解封，最后通过空中信道送往m n 。 ( 5 ) m n 在外地网络发出的数据包是通过标准的i p 路由机制被路由到目的节点的，也 就是不需要经过h a 了。 ( 6 ) m n 移动到另一个外地网络时，只需向f a 更新c o a 便可继续通信；而当m n 回 到家乡网络时，需向h a 注销转交地址。 上述过程如图2 2 所示。 i m n f a h ac n 注册c o a 注册确认 数据包 数据包 数据包 图2 2 移动i p v 4 操作流程图 2 2 移动n 6 技术 移动i p v 6 协议是建立在对i p 的功能有所增加的设计思想上的，但它不是对i p v 4 的 简单演进，而是对它的实质性的改进。移动i p v 6 9 1 0 l1 】 3 0 】继承了移动i p v 4 中的许多 概念和术语，如移动i p v 6 中m n 、c n 、h a 、家乡地址、c o a 等。移动节点可以同时具 有多个c o a ，但是只有一个c o a 可以在移动节点的h a 中注册为主转交地址。需要注意 的是移动i p v 6 中己没有了f a 的概念，这是因为m n 已经不需要路由器的特殊支持了， 一1 9 浙江工业大学硕士学位论文 取而代之的是采用i p v 6 的邻居发现 3 1 】和地址自动配置机制【3 2 】等进行独立操作。 2 2 1 移动i p v 6 的基本操作 概括地说，移动i p v 6 的工作流程如下【1 0 】【1 1 】： ( 1 ) 当m n 在家乡网络中时，它与c n 之间的通信是按照传统的路由技术进行的。 ( 2 ) 当m n 移动到外地网络时将获得一个临时的i p 地址o a ，但其家乡地址保持 不变。同时m n 把家乡地址与的映射告知h a 。c n 发给m n 的数据包仍然发往m n 的 家乡网络，因为此时c n 并不知道m n 的当前位置；h a 截获这些数据包后根据地址映 射关系通过隧道机制将其转发给m n 的c o a 。然而，m n 可以和c n 进行直接通信