（计算机应用技术专业论文）移动ip自适应预测切换机制研究与实现.pdf

摘要 近年米，远程办公、移动计算的应用需求不断增长。在无线应用中，当移动 主机在不同的子网之问移动时，为了保证正常通信，必须进行切换。移动i p 切换 已成为影响无线网络性能的关键问题，移动i p 的切换机制研究己成为计算机网络 的重要研究内容之。 本文首先对移动i p 的切换机制，切换的移动检测机制及其所采用的各种方法 进行了较深入的分析；阐述了注册过程中移动主机与各种代理之间接收或产生往 册消息的交互过程，并对移动i p v 6 协议体系与切换机制及其存在的问题进行了详 缅分析。将现有各种快速切换方案归类为层次移动管理、蜂窝i p 和r t a w a i i 、结 台链路层信息的切换方案等，并对它们进行了综合的分析和评价。在平滑切换方 面讨论了当前普遍使用的单播转发和组播转发两种分组缓存转发机制。摹f 移 动i p v 4 的层次移动管理结构映射到移动i p v 6 体系结构上，提出了分级移动i p v 6 结构和区域移动i p v 6 结构两种基于i p v 6 改进方案。 检测时延是切换时延中最主要的部分，它的产生是因为移动主机只能被动的 进行移动检测。在现有的基础上，提出并实现了一种自适应主动预测邻居单播移 动i p 切换方案一一a i p n u m i p ( a d a p t i v ei n i t i a t i r ep r e d i c t i v en e i g h b o u r u n i c a s tm o b i l ei p ) ，采用白适应主动预测算法根据移动主机活动和网络状况 等情况进行综合智能预测，并通过反馈结果对算法进行动态调整，方案中充分考 虑了乒乓效应等特殊情况。此外a i p n u m i p 还结合层次移动管理方法，减小注 册时延，同时采用预测邻居单播，实现了快速平滑的切换。 最后在l i n u x + n s 的仿真平台下，构建网络实验环境就标准移动i p 及 其典型的改进方案一一层次管理方案和a 1 p n u m i p 进行了对比试骑。实验结果 表明：a i p n um i p 与其它机制相比，能够大大地减少切换时延和切换的次数保 证分组的按时到达，提高系统的切换性能，保证系统的q o s 。 关键词：移动i p ；自适应主动预测 切换；邻居单播：层次移动管理 移动i p 自适应预潮切换机制的研究与实现 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h e a p p l i c a t i o n so fr e m o t eo f f i c ea n dm o b i l ec o m p u t i n gk e e p i n c r e a s i n g i nw i r e l e s se n v i r o n m e n t ，t h em o b i l eh o s tm u s tp e r f o r mh a n d o f f t ok e e p t h ec o n n e c t i o n sw h e ni tm o v e sb e t w e e nd i f f e r e n ts u bn e t w o r k s t h eh a n d o f fh a sb e e n t h e k e yf a c t o ro ft h ew i r l e s ss y s t e ma n dt h es t u d i e so nt h em o b i l ei ph a n d o f fh a s b e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c h i n gf i e l d so ft h ec o m p u t e rw i r e l e s sn e t w o r k f i r s t l y ，t h ep a p e rm a k ea n a l y s i si nd e p t ho ft h em o b i l ei ph a n d o f fs c h e m e ，t h e m o t i o nd e t e c t i o ns c h e m ea sw e l la si t sd i f f e r e n tm e t h o d sa d o p t e d t h ei n t e r a c t i o n p r o c e s s e so fr e c e i v i n ga n da f f o r d i n gt h er e g i s t e rm e s s a g e sb e t w e e nt h eh o s ta n dt h e a g e n t s a r ee x p l a i n e di nd e t a i l m e a n w h i l et h em o b i l ei p v 6a r c h l t e c t r u ea n di t s h a n d o f fs c h e m ea r ed i s c u s s e da n dt h e e x i s t i n gp r o b l e m s a r ee x p o s e d t h ep a p e r c l a s s i f i e sv a r i o u sf a s th a n d o f fs h e e m e si n t oh i e r a r c h i c a l m o b i l i t ym a n a g e m e n t s c h c m e 、c e t l u a ri pa n dh a w a i i 、t h eh a n d o f f s c h e m ec o m b i n e dw i t hi u f o h n a t i o no f d a t al i n kl a y e re t c ，a c c o r d i n gt oc o m p r e h e n s i v e a n a l y s i s i o na n de v a l u a t i o n i nt h ew a y o fs m o o t hh a n d o f f , t w os y s t e m so fu n i c a s tf o r w a r d i n ga n dm u l t i e a s tf o r w a r d i n gw h i c h a r ew i d e l yu s e da sp a c k e t sc a c h ea n df o r w a r d i n gs c h e m e so fh a n d o f fa r ed i s c u s s e d b a s e do nt h et h e o r yt h a tm o b i l ei p v 4o 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 tm a p p e d o n t ot h em o b i l ei p v 6a r c h i t e c t u r e ，t w oi m p r o v i n gs c h e m e so fh i e r a r c h i c a lm o b i l e i p v 6a n dr e g i o n a lm o b i l ei p v 6a r ep r e s e n t e d t h eh a n d o f f l a t e n c yi st h em a i ns e c t i o no ft h el a t e n c yo ft h em o t i o nd e t e c t i o n ， w h i c hi sc a u s e db yt h ef a c tt h a tt h eh o s th a st op a s s i v e l yp e r f o r mt h em o t i o nd e t e c t i o n t h ep a p e rp r e s e n t sa n da c c o m p l i s h e st h ea i p n u m i p ( a d a p t i v ei n i t i a t i v ep r e d i c t i v e n e i g h b o ru n i e a s tm o b i l ei p ) i ta d o p t st h ea d a p t i v ei n i t i a t i v ep r e d i c t i v ea l g o r i s m ， i n t e l l e c t i v e l yp r e d i c t sa c c o r d i n gt ot h en e t w o r kc o n d i t i o n sa n dt h em o v e m e n to ft h e m o b i l eh o s t ，a n da d j u s t si t s e l fc o r r e s p o n d i n gt of e e d b a c k s t h es p e c i a ls i t u a t i o no f p i n g p a n g ( t a b l e t e n n i s ) e f f e c ti s a l s of u l l yc o n s i d e r e d b e s i d e s ，c o m b i n e dw i t ht 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 ts c h e m e a i p n u m i pa l s or e d u c e st h el a t e n c yo f r e g i s t r a t i o n a n db y a d o p t i n g t h e p r e d i c t i v en e i g h b o ru n i c a s t ，a f a s ta n ds m o o t h h a u d o f fi sa c h i e r e d e v e n t u a l l y ，t h ep a p e rd e m o n s t r a t e sac o n t r a s te x p e r i m e n ti nt e r m so fe m u l a t i n g s t a n d a r dm o b i l ei p 、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 i pa n da i p n u m i pi nt h e n e t w o r kt e s t i n gc o n d i t i o n se s t a b l i s h e do nt h el i n u x + n ss i m u l a t i o np l a t f o r m t h e i i r e s u l t si n d i c a t et h a tc o n t r a s t i n gw i t ht h es t a n d a r dm o b i l ei pa n dh 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 tm i p , a i p n u m i pr e d u c e s t h eh a n d o f fl a t e n c ya n dt h ec o u n t e r so f h a n d o f f g r e a t l y ，g u a r a n t e e s t h e p a c k e t sa r r i v i n g i n t i m e ，i n c r e a s e s t h eh a n d o f f p e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m ，a n dm a i n t a i n sab e t t e rq o s k e yw o r d s ：m o b i l ei p ；a d a p t i v ei n i t i a t i v ep r e d i c t i v e ；h a n d o f f ；n e i g h b o ru n i c a s t ； 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 t i l l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：艮摩丰日期：扩年弓月哕日 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。本人授权湖南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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 礅痧辛日期：御争年弓月矽日 导师签名踢z 哆乏j 日期：劬毕年；月秒日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究课题的来源 本课题来源于国家自然科学基金项目( 6 9 9 7 4 0 3 i ) 的部分研究内容。 1 2 本文的目的和意义 正如n e t s c a p e 、i e 这样的因特网浏览器推动了因特网的普及一样，无线局域 网将缩短人们与网络资源之间的距离，让人们随时随地都能够方便地访问到网络 中各种各样的资源1 1 0 j 。 无线局域网有效地将高速数据网络和移动性的应用结合在一起，广泛应用在 大型企业分支机构互联、中小公司移动办公、医院、酒店、机场以及公共区域、 家庭等各种场合。作为一种可靠、经济、应用灵活的信息网络搭建手段，无线局 域网是信息技术发展的热点领域，无疑是影响着未来2 3 年的重大i t 技术之一。 无线局域网未来主要发展趋势、对未来产业的影响体现在公共热点服务的由 点到面、无线终端加速普及和促进越来越多产业的发展这三个方面。接入设备不 断普及，无线网卡从外置逐渐趋于内置，无线联网功能逐渐成为标准配置。无线 产业无限发展。无线网络带来的移动的便利，首先推动了其在移动办公系统、展 览和会议、智能仓库、证券市场、学校校园网络、工矿企业厂区自动化控制、银 行金融证券城区网、军事流动网、医护管理等垂直行业中广泛应用；笔记本电脑、 个人数字助理的普及使无线网络在企业网络中越来越多地进行部署，资料表明无 线网络帮助员工提高工作效率高达4 0 以上! 随着无线终端的普及，无线生活将在我们日常生活和工作中扮演越来越重要 的角色。 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 ) m o b i l ei p 工作组引的移动i p ( m o b i l ei p ) l 及其相关技术f 6 。】是实现网络设备在全球移动漫游的关键性技术。移动i p 技术是 移动主机( 计算终端服务器网段等) 使用基于t c p i p 协议的网络时。不用修改 网络i p 地址，跨网络随意移动和漫游的技术：同时。继续享有原网络中一切权限。 简单的说，移动i p 就是实现移动主机在网络中全方位的移动或者漫游。 移动技术涉及的内容主要包括以下两个方面： 1 位置管理： 提供移动过程中主机寻址能力，核心问题是保持移动主机地址不变，特别是 由于地址缓存技术造成高层地址解析协议往往要求低层地址能够保持不变。 移动i p 自适应预测机制切换的研究与实现 2 连接切换： 提供移动过程中主机维持活动连接的能力；移动主机从一个基站移动到另一 个基站时，在新的基站中协商的带宽和延时等特住必然不同于前一个基站中所获 得的业务质量。因此切换机制必须确保新路径满足q o s 要求，或者可以进行q o s 重新协商；其次还有路由优化提高网络带宽利用率。 移动i p 应用根据移动用户的不同移动范围，可以分为以两大类。 1 子网一子网漫游方式： 即移动用户在安装了移动i p 服务器的予网之间移动，这里的子网可以是企业 网内部用路由器分隔开的逻辑子网，包括物理上分布、通过专线或者i n t e r n e t 连 接的企业分支机构的子网或者局域刚，也可以是不同企业间相互信任的子网。 2 ，i n t e r n e t 一企业网漫游方式： 移动用户移动到企业网外部，通过接入i n t e r n e t 实现与企业阿的双向访问。这 种方式主要针对个人用户出差到没有分支机构的外地或者在家里实现移动办公。 移动i p 应用于所有基于t c p i p 网络环境中，它为人们提供了无限广阔的网 络漫游服务。同正常的i p 路由机制相比较，移动i p 的路由机制带来了许多额外 的开销，如隧道开销、三角路由开销、分片开销 1 0 , 1 1 1 等。此外，移动i p 还存在切 换时延的问题，当移动主规m h ( m o b i l eh o s t ) 在两个外地代理之间移动时，为 了保证正常通信，必须进行移动路由的切换，它检测到移动主机进入个新的网 络，并进行一些处理，将原有的通信重新定向到处在新网络内的移动主机上。随 着用户移动性的增强，切换将是影响性能的一个关键因素。当移动主机远离家乡 代理时，切换时延很大，由于切换造成的分组丢失很多对于t c p ”】业务，会引 起没必要的拥塞控制，对于u d p i ”】业务，分组到达时间间隔大于2 0 0 m s ，不能保 证业务的q o s 。因此，移动i p 需要取得快速和平滑切换。本项目通过对移动i p 的快速和平滑切换进行分析研究，在现有的移动i p 切换机制以及各种改进方案的 基础上，提出一种快速平滑并且安全可靠的移动i p 切换机制，减少移动i p 的切 换时延与数据丢失并保证切换安全，对于移动i p 的研究发展和无线网络的推广应 用有着重要的意义。 1 3 研究背景 1 3 1 移动i p 协议及其切换机制 采用传统i p 技术的主机在移动到另外一个网段或者子网的时候由于不同的 网段对应于不同的i p 地址，用户不能使用原有i p 地址进行通信，必须修改主机 i p 地址为所在子网的i p 地址。而且由于各种网络设置，用户一般不能继续访问 原有网络的资源，其他用户也无法通过该用户原有的i p 地址访问该用户。 2 硕士学位论文 所谓移动i p 技术，是移动用户在跨网络随意移动和漫游中，使用基于t c p i p 协议的网络时，不用修改计算机原来的i p 地址，同时继续享有原网络中一切权限。 在移动i p 中定义了三种功能实体。移动主机是一个主机或路由器，它从一个 网络或者子网移动到其他网络或者子网，它改变位置时无需更改其i p 设置，仍可 通过其固定的i p 地址进行通信；“家乡”代理是一个连接到移动主机本地网络的主 机或路由器它保存有移动主机的位置信息，当移动主机离开“家乡”网络时能够 将发往移动主机的数据包传给移动主机；外地代理是移动主机当前所在的外地网 络上的一个主机或路由器，它能够把由“家乡”代理送来的数据包转发给移动主机。 在移动l p 中，切换和位置管理是不加区分的，都是在家乡代理中实现的。移 动i p 基本协议集中并没有提供切换中q o s 保证以及路由优化。 移动i p 切换机制主要涉及两个方面的内容：代理发现和注册。 i 代理发现： 移动代理，包括家乡代理和外地代理，通过定期发送“代理通告”消息，在相 连接链路上通告移动代理业务；移动主机侦听“代理通告”，检查通告内容，检测 是否发生移动。 2 注册： 移动主机侦测到网络接入点发生改变或者上一个注册有效期将要过期时，移 动主机实施注册过程：通知归属代理当前转交地址：在归属代理中生成移动主机 的绑定信息：发送注册消息给外地代理；请求外地代理提供路由业务，对于将要 过期的注册项，重新注册。当判断返回归属地网络时，注销原注册项。 当移动主机判断出自己已经移动到新的外地子网时，就需要开始切换过程。 它首先从外地子网获得转交地址，并发送注册请求向家乡代理注册新的转交地址， 家乡代理发送注册应答给移动主机，这样就完成一次新的注册过程。家乡代理开 始将目的地址为移动主机的i p 包通过隧道发送到移动主机的当前位置，隧道的出 口即为新的转交地址，这样一次切换过程即告结束。在这个过程中，t c p u d p 数 据流会受到不同的影响。 i 从对端主机到移动主机方向 从移动主机离开原先的外地予网开始到家乡代理接收到移动主机的新的注 册请求为止的这段时间内，家乡代理由于不知道移动主机的最新的转交地址，所 以它仍然将接收到的以移动主机为目的地的i p 包通过隧道技术发送到原先的外 地代理，这样，这些i p 包都会在原先的外地代理处丢失掉。 对于u d p 而言，这段时间内u d p 源( 即对端主机) 发送的数据流都会丢失， 造成通信的中断，中断时间即为上述的这段时问。 对于t c p 而言，这时对端主机的t c p 的拥塞机制就会起作用 1 4 1 。所以t c p 的连接的中断时间要更长一些。 移动i p 自适应预测机制切换的研究与实现 2 从移动主机到对端主机方向 移动主机切换对这个方向上数据流的影响比较复杂。 底层切换时间相对来说非常短暂，比如在无线环境下大概为1 0 m s 左右【l ”。经 过链路层的切换，移动主机就具备与新的子网通信的能力，比如可以在掰的子网 上接收和发送广播消息。但是由于移动主机的网络层实体并不一定具备新的予网 的一些配置信息，比如默认的路由器的i p 地址以及它的m a c 地址等( 移动主机 不可以在外地链路上发送a r p 请求，除非它已经获得了c o a ，它才可以以c o a 为源地址发送) 。移动主机继续使用过时的配置信息( 比如过时的路由表等) ，必 然导致它无法正常工作。它必须通过上述的移动检测或者其他方法( 比如接收默 认路由器广播消息等) 才能够获得新的网络的配置信息，到这时才能够正常通信， 而这些都是需要时间的，这些时间都会超过底层切换所需的时间。 此外，还有一点可以肯定的是，对于从移动主机到对端主机方向上的t c p 连 接来说，由于在切换的过程中，从对端主机发回移动主机的t c p 应答会在原先的 外地代理处丢失，所以移动主机的t c p 也会启动拥塞控制机制，从而使t c p 连 接的中断时间更长。 因此，即使数据链路层的切换时间非常的短暂，但是由于上述的原因，从移 动主机到对端主机方向的t c p u d p 通信也会产生中断，影响t c p u d p 的性能【l “。 1 3 2 移动i p 切换研究现状 早在1 9 9 6 年1 0 月，i e t f 就提出了移动i p 协议标准( 草案) ，主要包括r f c 2 0 0 2 、 r f c 2 0 0 3 、r f c 2 0 0 4 、r f c 2 0 0 5 和r f c 2 0 0 6 等r f c 文档。r f c 2 0 0 2 定义了移动 i p 协议；r f c 2 0 0 3 、r f c 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 叙述了移动i p 的应用；r f c 2 0 0 6 定义了移动i p 的管理信息库m i b 。该 草案文档一经发表，立刻引发了全球范围研究移动i p 技术的高潮。美国哥伦比亚 大学、纽约大学、卡耐基梅隆大学、新加坡国立大学、日本科学与技术研究所、 瑞典皇家学院以及f t ps o f t w a r e 、i b m 、m o t o r o l a 、n o k i a 、s u n 、t e l x o n 等公司 都成立了相应的工作组。针对移动i p 进行研究。 现有的移动i p 切换机制存在着延迟大数据易丢失和安全性差等问题。针对 目前这种移动i p 机制的问题，在支持移动i p 的快速平滑切换方面有一些方案。 p a d m a n a b h a n 17 1 、c u s t a f s s o n 1 8 1 和k a r i m e l m al k i e l9 】提出了层次的移动管理方案。 他们把无线网络划分为一个个的域，每个无线域的最上级层次是域外部代理 d f a ，d f a 的下一级层次为子网外部代理s f a ，再下一级是外部代理f a ，通常是 基站，用来连接移动主机到网络，从而实现主机的重新注册层次性和局部性。在 同一域内的切换，移动主机不需向距离比较远的家乡代理注册，而是向d f a 注册， 减少了重新注册的时间。但对不同域之间的切换。移动主机向家乡代理注册。 4 硕士学位论文 p e r k i n s 【2 0 】提出了具有路由优化和平滑切换的层次移动管理方案。移动主机使用 m i p 的注册扩展实现注册的本地化，但不对不同域问的切换做任何处理。 h a w a i i 2 h 和蜂窝i p l 2 副提出，对于在无线接入网内部移动主机的本地移动，由特 定信令完成移动主机路径的更新；对于移动主机的全球移动，由移动i p 实现。但 该两种方案仅仅适用于特定的h a w a i i 和蜂窝i p 的网络。 在平滑切换方面，需要分组缓存转发机制。单播转发如2 3 是当前基站代理缓 存分组，在切换后转发给新的基站代理，但新旧基站代理之间的分组转发可能需 要较长的时间；而组播转发如 2 4 和 2 5 】，则采用组播协议转发缓存的分组。在【2 4 】 中，每个移动主机有一个组播地址，当移动主机向新基站代理注册时，该基站代 理要求相邻的基站代理加入组播组，预先缓存分组但存在组播地址冲突和邻居 手工配置问题。f 2 5 采用域外部代理d f a 给移动主机分配组播地址解决了组播地 址冲突问题，但同样存在缺乏智能的邻居发现机制和组播状态的开销问题。 1 4 本文的主要工作 随着无线网络以及终端无线设备的应用日益广泛，用户的移动性不断增强， 移动i p 的切换已成为影响无线网络性能的关键问题之一。本文围绕移动i p 的切 换机制，以提高移动i p 切换性能为目标，主要工作如下： i 研究了移动i p 协议体系及其切换机制，对其存在的问题进行分析；比较 了当前移动i p 切换机制的各种改进方案，就其各自特点进行了分类总结 与性能分析。 i i 提出了一种新的自适应主动预测邻居单播移动i p 切换方案：采用一种自 适应主动预测的移动检测算法并结合层次管理方案，运用邻居单播分组缓 存机制，减小了切换时延以及切换的次数，保证了分组的及时到达，满足 了系统的q o s 要求，从而很大程度上提高了移动i p 的切换性能。 i i i 对自适应主动预测邻居单播移动i p 切换方案进行具体细化并加以实现。 i v 在l i n u x + n s 仿真平台下，构建网络拓扑，设计试验方案，对自适应主动 预测邻居单播移动i p 切换机制在切换时延、切换次数、分组丢失以及分 组到达间隔等方面的性能进行了仿真实验，根据实验结果与基本移动i p 和目前的一些改进方案进行了对比、分析和评价。 1 5 论文结构 本文共分为5 章，第1 章，绪论；第2 章，移动i p 协议及其切换机制；第3 章，一种新的自适应主动预测邻居单播切换机制；第4 章，自适应主动预测邻居 单播切换机制的实现；第5 章，实验结果与分析。各章的联系与全文的结构如图 移动i p 自适应预测机制切换的研究与实现 所示。 l 第l 章 l 1绪论1 第2 章 移动i p 协议及其切换机制 i 第3 章 一种新的自适应主动预测邻居 单播切换机制 第4 章 自适应主动预测邻居单播切换 机制的实现 i 第5 章 试验结果与分析 圈1 1 论文组织结构圈 6 硕士学位论文 2 1 引言 第2 章移动i p 协议及其切换机制 移动i p 于1 9 9 6 年6 月由因特网工程指导组i e s g ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gs t e e r i n g g r o u p ) 通过，并于1 9 9 6 年1 1 月公布为建议标准( p r o p o s e ds t a n d a r d ) 。建议标准 是一个协议从因特网草案发展成因特网标准的第一个重要步骤。 移动i p 由i e t f 的移动i p 工作组( i pr 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 ) 于 1 9 9 2 年6 月制定，包括下面的r f c 文件： r f c2 0 0 2 定义了移动i p 协议。 r f c2 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 c2 0 0 5 叙述了移动1 p 的应用。 r f c2 0 0 6 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i 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 e 0 1 ) r f c1 9 0 5 对这些变量 进行检查和配置。 设计移动i p 时有以下几个要求： 1 移动主机在改变数据链路层的接入点后应仍能与因特网上的其他主机通信。 2 无论移动主机连接哪个数据链路层接入点，它应仍能用原来的i p 地址进行通 信。 3 移动主机应能与不具备移动i p 功能的计算机通信。 4 移动主机不应比因特网上的其他主机面临新的或更多的安全威胁。 移动i p 的设计目标之一是为使移动i p 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。 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。 最后，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各一个大的地址 空间【2 6 】。 移动i p 自适应预测机制切换的研究与实现 2 2 移动i p 协议体系与切换机制 2 2 1 移动i p 协议及其切换相关概念 移动i p 定义了三种必须实现移动协议的功能实体： 1 移动主机 可以将接入因特网的位置从一条链路切换到另一条链路上，而仍然保持所有 正在进行的通信，并且只使用它的家乡地址( h o m e a d d r e s s ) 的那些主机。 2 家乡代理( h o m e a g e n t ) 有一个端口与移动主机家乡链路相连的路由器。当移动主机切换链时，家乡 代理一直通知移动主机它的当前位置，这个信息由移动主机保存在它的转交地址 ( c a r eo f a d d r e s s ) 中。 3 外地代理( f o r e i g n a g e n t ) 在移动主机的外地链路上的路由器。 $ 嘲节点。访问。 外地链路 图2 1 移动i p 买体及报互关系 4 隧道 如图2 2 所示，当一个数据包被封装在另一个数据包的净荷中进行传送时，所 经过的路径称为隧道。图中还给出了一个例子，表明家乡代理为将数据包传送给 移动主机，把数据包通过隧道先送给外地代理。 5 ，家乡地址、家乡链路和家乡代理 移动主机的家乡地址是指“永久”地分配给该主机的地址，当移动主机切换 链路时，家乡地址并不改变。移动主机家乡地址的网络前缀决定了它的家乡链路。 家乡代理是至少有一个端口与家乡链路相连的路由器。移动主机将家乡地址写入 d n s 中它的“i p 地址”域，其他主机在查找移动主机的主机名时就会发现它的家 乡地址。 6 转交地址、外地链路和外地代理 转交地址是指移动主机连接在外地链路上时的相关i p 地址。 转交地址与移动主机当前所在的外地链路相关。 每次移动主机改换外地链路时，转交地址也随着改变。 送往转交地址的数据包可以通过现有的因特网路由机制传送。 硕士学位论文 图2 2i p 隧道 转交地址是连接家乡代理和移动主机的隧道的出口。 当移动主机与其他主机通信时，转交地址不会被作为源i p 地址或目的i p 地 址。 2 2 1 移动i p 切换的移动检测机制 移动主机利用代理搜索( a g e n td i s c o v e r y ) 过程完成以下功能： 判定它当前连在家乡链路上还是外地链路上。 检测它是否切换了链路。 当连在外地链路上时，得到一个转交地址。 代理搜索包括的消息 代理搜索由两条简单的消息构成。第一条消息是代理广播消息( a g e n t a d v e r t i s e m e n t ) ，代理( 家乡的、外地的) 利用这个消息向移动主机宣布它们的功 能。连到链路上的移动主机可以判定该链路上是否有代理存在。 第二条消息是代理请求消息( a g e n ts o l i c i t a t i o n ) ，这个消息让链路上的所有代理 立即发送一个代理广播消息。由于密钥管理上的困难，移动i p 不要求对这两种消 息进行确认。 同样，代理广播消息也是移动i p r f c2 0 0 2 】通过对 r f c1 2 5 6 中定义的i c m p 路由器广播消息进行扩展得到的，如图2 4 所示。这条消息必须包含移动代理广 播扩展( m o b i l i t y a g e n ta d v e r t i s e m e n te x t e n s i o n ) 。前缀长度扩展则是可选的。 9 墼垫! ! 呈重壁至塑坠型望垫竺竺薹量耋堡 图23 代理请求消息 贼* l r f c ”l 】 i c m b 瞎由鹰铺卓 口【2 碉一 【r f c l 2 5 町 目t j 图24 代理广播捎思 移动主机可以通过两种方法来确定自己从一条链路移到了另一条链路上。假 设在移动主机所连接的链路上至少有一个代理。 1 用生存时间域作移动检测 第一种方法利用代理广播消息中i c m p 路由器广播部分的生存时间域，这个 域告诉移动主机，每过多长时问它就可以从同一个代理部里收到一个广播。由于 广播消息有可能丢失，特别是在较容易出错的无线链路上，因此，家乡代理和外 地代理常更频繁地发送广播，根据【r f c2 0 0 2 r | 建议，大约比生存时间域中标示 的要快二倍。 2 用嘲络前缀作移动检测 移动检测的第二种方法利用了网络前缀。假设移动主机向某条链路上的一条 外地代理注册了并且记录了发现那个外地代理所用的代理广播消息。假设移动 主机又收到了来自另一个外地代理的代理广播消息，移动主机通过比较两个广播 消息的网络前缀就可以判定它们是否来自同一条链路。 3 无需广播消息的移动检测 移动主机通过两种方法一t c p 进程监测和检查链路上的所有包，进行移动检 测，但都需要网络层以外的帮助。 硕士学位论文 2 2 2 移动i p 切换注册过程 当移动主机发现它的网络接入点从一条链路切换到另一条链路上时，它就要 进行注册。另外，由于这些注册也有一定的生存时间，所以在并没有移动位置时， 移动主机也要在现有注册过期时进行注册。移动i p 的注册过程是： 1 移动主机可以通过注册得到外地链路上的外地代理的路由服务。 2 ，移动主机可以通知家乡代理它的转交地址。 3 可以使一个要过期的注册重新生效。 4 移动主机在回到家乡链路上时要进行注销。 注册的另一些功能还包括： 1 同时注册多个转交地址，家乡代理将送往移动主机家乡地址的数据包通过隧 道送往每个转交地址。 2 可以在注销一个转交地址的同时保留其他转交地址。 3 在先前不知道它的家乡代理的情况下，移动主机可以通过注册动态地得到一 个可能的家乡代理的地址。 移动i p 的注册过程在代理搜索之后。当移动主机发现它连在本地主机上时，它 就向家乡代理注销，并开始像固定主机或路由器那样进行通信，即不再利用别的 移动i p 功能。 注册过程：移动主机、外地代理和家乡代理在接收或产生注册消息时所做的处理 过程。 1 移动主机何时注册 当移动主机发现自己从一条链路切换到了另一条链路上时就开始注册过程。 当目前的注册就要过期时，移动主机也应重新注册。 2 移动主机如何发送注册请求消息 根据它代理搜索过程中得到的信息，移动主机选择一种注册种类，并组装它 的注册请求消息。移动主机如果在规定的时间内没有收到注册应答，它就重发注 册请求，直到收到应答。 3 外地代理如何处理注册请求 移动主机通过外地代理进行注册，而外地代理接收到注册请求后，要对它进 行一系列的有效性检查。如果其中有一项检查失败，外地代理就向移动主机发送 一条注册应答消息拒绝这次注册请求，注册应答的c o d e 域给出了拒绝的原因。如 果外地代理经检查发现移动主机的注册请求消息没有什么问题，它就将该消息中 继( r e l a y ) 到移动主机的家乡代理那里。即外地代理将包含注册请求消息的数据 包的i p 报头和u d p 头完全剥去，再加上新的报头后才送给家乡代理。这个经过中 继的新的u d p i p 包的净荷仍与原来的数据包相同，新数据包的目的i p 地址从注册 移动i p 自适应预测机制切换的研究与实现 请求消息的家乡代理域中得到，源i p 地址则为外地代理上发送这个包的端口的i p 地址。 4 家乡代理如何处理注册请求 本地代理收到注册请求后，也会做一系列和外地代理相似的有效性检查。如 果注册请求是无效的，家乡代理会向移动主机发送一条注册应答，其中的c o d e 域 将注明失败原因。在这种情况下，家乡代理并不改变移动主机的绑定表项。 最后，家乡代理向移动主机发送注册应答，告知注册成功。注册应答消息中 的源i p 地址、目的i p 地址、源u d p 和目的u d p 端口号只是将注册请求消息中的相 应域按源和目的交换一下就可以了。 5 外地代理如何处理注册应答 仍然假设移动主机通过外地代理进行注册。外地代理接收到注册应答后，将 对消息进行一系列的有效性检查。外地代理一旦发现应答是无效的，将产生一个 包含适当的c o d e 域的注册应答，并发送给移动主机。如果注册应答消息是有效的， 外地代理就更新它对来访的移动主机的列表。并采用从原始注册请求消息中记录 的一些域的值，将应答消息中继给移动主机。从这时开始，外地代理对通过隧道 发往移动主机的包进行拆封，并对移动主机发过来的包实行缺省路由器的功能。 6 移动主机如何处理注册应答 在接收到注册应答后，移动主机就开始进行自己的有效性检查。如果这条应 答消息是有效的，那么移动主机就检查c o d e 域，看看这次注册是被家乡代理( 和 外地代理) 接受还是被拒绝了。 如果c o d e 域表示的是拒绝，移动主机就可以设法修正引起拒绝的错误，并重 新尝试一次注册。如果c o d e 域表示注册请求已被接受，那么移动主机就可以调整 它的路由表，以适应当前链路，然后就可以开始通信或继续先前的通信了。同时， 移动主机会中止对注册请求消息的重发。 切换的几个步骤简化如图7 ，首先是移动主机收到新的外地代理的广播信号 ( 1 ) ，然后它发送标识信息去应答( 2 ) ，接着，外地代理向家代理进行注册( 3 ) ，最 后，家代理认证了移动主机的注册( 4 ) ，这时，切换也就完成了。 图2 5 切换步骤 硕士学位论文 2 3 移动i p v 6 体系及其切换机制 2 3 1 移动i p v 6 相关概念 1 9 9 6 年， i e t f 的移动i p 工作组( i pr o u t i n g f o rw i r e l e s s m o b i l eh o s t s ) $ 1 j 订了 移动i p v 4 的技术标准。但是，到目前为止，移动i p v 6 的标准仍在制订的过程中， 并经历了多次版本更新。最新的草案( d r a f t ) 为第2 4 版本的m o b i l i t ys u p p o r t i n i p v 6 1 2 7 。 家乡地址：在移动主机的家乡链路上分配给移动主机的i p 地址。 家乡子网前缀：对应于移动主机家乡地址的i p 子网前缀。 家乡链路：定义移动主机家乡子网前缀的链路。标准i p 路由机制将发往移动 主机的家乡地址的数据包发送到移动主机的家乡链路。 移动主机：移动主机能够从一个链路移动到另外一个链路，在移动的过稗中 这个主机仍然可以通过它的家乡地址与外界保持联系。 移动：移动主机从当前链路移动到另外个链路的变化过程。当一个移动主 机没有连接在它的家乡链路时，就认为这个移动主机“离开家乡”。 通信主机：与移动主机进行通信的对等主机。通信主机可以是移动的也可以 是静止的。 外地子网前缀：移动主机的家乡子网前缀以外的任何i p 子网前缀。 外地链路：移动主机家乡链路以外的任何链路。 家乡代理：移动主机家乡链路上的一个路由器，移动主机向其注册了当前的 转交地址。当移动主机不在家乡时，家乡代理截获家乡链路上发往移动主机的数 据包，进行封装后，通过隧道发送给移动主机注册的转交地址。 转交地址：当移动主机访问外地链路时它将获得一个与它相关联的i p 地址， 这个地址就称为转交地址，这个地址的子网前缀是“外地子网前缀”。移动主机同 时可以有多个转交地址( 如这些转交地址有不同的子网前缀) ，向移动主机的家乡 代理注册的那一个