（计算机系统结构专业论文）移动ipv6快速切换设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 近年来，随着各种移动终端拥有量不断提高，在全球的通讯市场中，移动无 线互联网接入已经成为最新的移动服务和最快的发展区域。基于i p 的移动宽带无 线接入技术8 0 2 1 1 和8 0 2 1 6 发展迅猛，已经成为通信业的热点。另外，随着即对 消息、v o l p 等业务的丰富，需要一种基于全i p 网络中移动住管理技术。 移动i p 协议在i p 层提供了解决移动性问题的方案，针对基于移动i p 协议的 移动性管理存在的一些问题，本文进行了深入研究。 首先，本文介绍了移动i p v 4 和移动i p v 6 协议，对协议过程进行了的分析，包 括切换，路由，隧道和安全等。本文还分析了影响移动i p 切换性能的主要因素， 包括移动检测时延，绑定更新过程等，因为这些闯题影响了一些实时应用在移动 i p 上的应用。 其次，本文介绍了移动i p v 6 快速切换( f m i p v 6 ) 协议的过程以及在8 0 2 1 1 网络 上的实现，并分析了快速切换的时延。在对f m i p v 6 和8 0 2 i l m a c 层切换机制的 研究后，我们提出了一种适用于8 0 2 1 1 网络的的快速切换机制，并实现了原型系 统，在实现的原型系统上我们进行了实验测试和数据分析。 最后，在对8 0 2 1 6 e 标准的研究后，本文提出了一种8 0 2 1 6 e 网络的子网问快 速切换的方案。 关键词：移动i p v 6 快速切换 延时宽带无线接入 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h ei n c r e a s i n gp e n e t r a t i o no fm o b i l et e r m i n a l 。m o b i l ei n t e m e th a s e m e r g e da st h el a t e s tm o b i l es e r v i c e sa n di so n eo f t h ef a s t e s tg r o w i n gs e g m e n t si nt h e 西o b a lt e l e c o m m u n i c a t i o n sm a r k e t i nt h ef e l do fb ，a ( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c e e s s ) ， s 0 2 na n d8 0 2 1 6a t t r a c tm o r oa n dm o r ea t t e n t i o n si nc o m m u n i c a t i o nd e v i c e ，c h i p m a n u f a c t u r e sa n dm o b i l es e r v i c ep r o v i d e r s i n c ei e e es t a n d a r d sh a v et h ef e a t u r eo f t i g h t l yc o m b i n i n gw i t hi pt e c h n o l o g y , 8 0 1 1 1a n d8 0 2 1 6a r ea l s ob a s e do ni pi nt h e n a t u r e i na d d i t i o n ，a l w a y s - o na p p l i c a t i o n ss u c ha si n s t a n tm e s s a g e , v o l pa r ed e v e l o p i n g r a p i d l y t h e r e f o r e 。m o b i l i t ym a n a g e m e n to fa u i pn e t w o r k si sb e c o m i n gm o r ea n d m o r ei m p o r t a n t m o b i l ei pp r o t o c o lp r o p o s e sm o b i l i t ym a n a g e m e n ts o l u t i o n si ni pl a y e m nt h i s t h e s i s w ef o c u so na d d r e s s i n gs o m ep r o b l e m sj nm o b i l i t ym a n a g e m e n tb a s e do nm o b i l e i p f i r s t l y , t h i st h e s i si n t m d u c a sm o b i l ei p v 4a n dm o b i l ei p v 6 ，a n da n a l y s i st h e h a n d o v e r , r o u t i n g t u n n e la n ds e c u r i t yp r o b l e m si n d e t m l s t h em o s ti m p o r t a n tf a c t s a f f e c t i n gt h eh a n d o v e rp e r f o r m a n c ea r ei n v e s t i g a t e d ，s u c ha sm o b i l ed e t e c t i o n ，b i n d i n g u p d a t ed e l a y , b a c a u s er e d u c i n gt h eh a n d o v e rl a t e n c ya n di n 口e a s i n gr o u t i n ge f f i c i e n c y c o u l db eb a n e f i c i a lt or e a l t i m eo rn o n r e a l t i m ea p p l i c a t i o n s s e c o n d l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ep r o c e s so ff a s th a n d o v e rf o rm o b i l e p v 6 p r o t o c o l ( f m i p v 6 ) a n dt h ei m p l e m e n t m e n to ff m i p v 6i n8 0 2 1 1n e t w o r k h a n d o v e r d e l a yo ff m i p v 6i sa n a l y s e di nd e t m l s w i t ht h eu n d e r s t a n d i n go ff m i p v 6a n d8 0 2 1 1 m a cl a y e rh a n d o v e rp r o c e s s w ei n t r o d u c eaf a s th a n d o v e rm e t h o di n8 0 2 1 l n e t w o r k a n dw ei m p l e m e n tt h ep r o t o t y p es y s t e m b a s eo nt h es y s t e mw et e s ti ne x p e r i m e n ta n d a n a l y s i s a tl a s t t h i st h e s i sp r o p o s e s af a s ti n t e r - s u b n e th a n d 0 1 tm e t h o di n8 0 2 1 6 e n e t w o r ka f t e rs t u d y i n gt h e8 0 2 1 6 es t a n d a r d ， k e y w o r d s ：m o b i l ei p v 6 f a s th a n d o v e r d e l a y b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，i i 表目录 图目录 图2 - i 移动i p v 4 实体及相互关系7 图2 - 2m n 通过f a 进行注册2 0 图2 3m n 直接向h a 注册。1 0 图2 4 移动节点回到家乡链路后注销】1 图2 5 三角路由方式1 1 图2 - 6 双向隧道方式1 2 图2 7 优化路由方式1 3 图2 8i p v 6 网络结构图1 4 图2 - 9 返回路径可达过程1 7 图3 1 移动i p v 6 时延2 2 图3 2p r e d i c t i v e 切换过程2 5 图3 3r e a c t i v e 切换过程2 7 图4 1l u p 快速切换过程3 3 图4 2p r e d i c t i v e 切换时延3 5 图4 - 3r e a c t i v e 切换时延3 6 图4 4l u p 切换方案延时3 6 图4 5 移动首部格式4 0 图4 6f b u 消息格式4 l 图4 7f b a c k 消息格式4 2 图4 8r s + 消息格式。4 3 图4 9 融廿消息格式。4 4 图5 - 1 链路切换示意图4 7 图5 2a t h e r o s 网卡的l i n k - u p 信号4 8 图5 3 禁止d a d 过程。5 0 图5 4m n 处理流程图5 l 图5 5a r 处理过程5 4 图6 1 系统结构图5 7 图7 1 韩国近几年年语音和数据收入6 2 图7 2w i m a x ，w i f i ，2 g 3 g 的覆盖范围6 2 图7 38 0 2 1 6 e 网络拓扑获取过程6 4 图7 - 48 0 2 1 6 e 切换过程信令交换6 6 图7 5 时域的切换过程6 6 图7 - 6p r e d i c c t i v e 快速切换在8 0 2 1 6 e 下的实现方案6 8 v i 图目录 表目录 表6 - 1 运行环境5 7 表6 - 2 快速移动各项平均时延5 s v i i 缩略词表 英文缩写 m n h a c n f a a r p ! a r n a r c o a p c o a n c o a a p r s r a n d n s n a b u b a c k f b u f b a c k i v 【i p v 6 f m i p v 6 缩略词表 英文全称 m o b i l en o d e r h o m e a g e n t c o r r e s p o n d e n tn o d e f o r e i g na g e n t a c c e s sr o u t e r p r e v i o u sa c c e s sr o u t e r n e wa c c e s sr o u t e r c a r e - o f a d d r e s s p r e v i o u sc a r e o f a d d r e s s n e wc a r e o f a d d r e s s a c c e s sp o i n t r o u t e rs o l i c i t a t i o n r o u t e r a d v e r t i s e m e n t n e i g h b o rd i s c o v e r y n e i g h b o rs o l i c i t a t i o n n e i g h b o r a d v e r t i s e m e n t b i n d i n gu p d a t e b i n d i n ga c k n o w l e d g e m e n t f a s tb i n d i n g u p d a t e f a s tb i n d i n g a e k n o w l e d g e m e n t m o b i l ei p v 6 f a s th a n d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6 中文释义 移动节点 家乡代理 通信对端 外地代理 接入路由器 切换前接入路由器 新接入路由器 转交地址 旧转交地址 新转交地址 接入点 路由请求 路由宣告 邻居发现 邻居请求 邻居宣告 绑定更新 绑定应答 快速绑定更新 快速绑定更新应答 移动1 p v 6 移动i p v 6 快速切换 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 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 型l 型1 日期：细7 年卑见。日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘r 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：垂燃导f 于签名：硅皇望 日期：少0 1 年年月2 0 日 第一章绪论 l ，l课题背景 第一章绪论 近年来，i p 网络技术的发展迅猛，随着i p 业务的迅速增长，i p 网络上应用的 不断增加，原有的p 网正在越来越显得力不从心。i p 网络正在向下代网络演进。 为适应i p 网络的发展，我国启动了下一代网络的研究，并专门设立了c n g i 项目。 c n g i 项目是由国家发改委、中国工程院组织实施的下一代互联网工程。由国家发 改委等八部委联合发起的”中国下一代互联网示范项目”c n g l ( c h i n an e x t g e n e r a t i o ni n t e r n e t ) 于2 0 0 3 年启动，核心网络建设目标是在2 0 0 3 年到2 0 0 5 年的 时间内，采用i p v 6 技术，由各运营商共同完成c n g i 主干网以及国内与国际互联 中心的建设，并实现与国际下一代互联网的高速连接。c n g i 项目作为以i p v 6 技 术为载体的新一代互联网示范工程是国家关注的产业发展焦点。i p v 6 技术的成功 商用对3 g 及n g n 的网络建设及业务发展具有极大的促进作用。 中科院声学所承担了c n g i 项目的有线无线宽带统一接入控制器( i b a c ) 的研 制。i b a c 位子各种接入网与i p 核心网的衔接处，主要负责用户的接入认证和移 动性管理。i b a c 能为多种接入网络( 固定宽带网络和宽带无线接入网) 的用户提 供统一的接入认证、授权和计费服务( a a a ) 。用户可以在多种网络间漫游，统 认证和计费。 i b a c 将在嵌入式硬件平台上实现。它的主要功能有： i p v 4 i p v 6 双协议栈； 支持多种宽带无线接入技术( 如w l a n 、w i m a x 等) ； 支持多种有线宽带接入技术( 如l a n 、a d s l 等) ； 支持p p p o e 、8 0 2 1 x 和d h c p + w e b 多种认证方式； 支持i e e e8 0 2 1 6 ee a p 认证方式； 支持无线终端和基站间的双向认证； 支持动态密钥管理； 支持 p v 6 移动性和快速切换，切换过程有q o s 和安全保障； 支持i e e e8 0 2 1 6 与i e e e8 0 2 1 1 无线网络间的无缝切换，可扩展 1 电子科技大学硕士学位论文 支持与主流移动接入网络之间的无缝切换，提供对应用层透明的 q o s 保障； 支持不同用户和业务的优先级； 具备计费信息采集功能，支持r a d i u s 计费。能按照时长、流量 计费； 本人在声学所实习其间，主要负责实现i b a c 的移动i p v 6 和移动i p v 6 快速切 换的功能。 1 1 1宽带无线接入技术 当前无线通信技术的发展，形成了移动通信宽带数据化和数据通信无线移动 化两大趋势。第二代与第三代移动通信系统主要以语音通信为主，第二代移动通 信系统只能进行窄带网络连接，无法满足大量数据传输的要求。第三代移动通信 系统虽然可以在高速移动下保持通信，但最高数据传输率只有2 m b p s ，无法满足 移动城市的要求。因此，只有通过基于i p 技术的无线网络系统才能满足以数据通 讯为主的移动城市要求。当前基于i p 技术的无线宽带接入技术主要有8 0 2 1 1 协议 族的w i f i 和8 0 2 1 6 协议族的w i m a x 。w i f i 、w i m a x 是运营商很可能采用的宽 带无线接入技术。从目前的w l a n 手机发展趋势看，到2 0 0 9 年，全球将有3 0 的手机内置w l a n 芯片，1 8 约手机将是v o w l a n 手机。w i m a x 技术发展迅 速，得到了i n t e l 的大力支持。采用宽带无线接入技术，利用现有的固网资源，有 线无线一体化按入也是固网运营商开展移动业务、进入移动市场的最佳技术路线。 l 。l 。1 1w i f i 技术 w i f i 是目前发展很快的基于i p 的无线网络技术。它的特点是带宽较高但通信 范围小，因此主要用于小范围的无线通讯，被定义为无线局域网，能在一定程度 和范围内满足移动城市的要求，8 0 2 1 l i 协议也提高了w i f i 的安全性。但是w i f i 技术也存在这一些不足。w i f i 受传输距离小的限制，只能在接入点附近较小的范 围内使用，使每个w i f i 接入点成为网络孤岛。w i f i 也无法在高速移动下使用，使 城铁和公交系统成为了网络盲区。 1 1 i 2w i m a x 技术 w i m a x 全称为w o r l di n t e r o p e r a t e b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，即全球微波接入 互操作性。w i m a x 联盟是8 0 2 1 6 标准的推动者，还为8 0 2 1 6 的一致性和互操作 2 第一章绪论 性作出了重要贡献，目前业界所指的w i m a x 技术实际上就是8 0 2 1 6 技术。 w i m a x 是一项无线城域网m a n ) 技术，其网络的优势决定了它将是未来无 线通信网络的重要组成部分。w i m a x 技术优势主要有以下几点： 可以实现更远的传输距离 w i m a x 所能实现的无线信号传输距离是无线局域网无法比拟的，网络的 覆盖面积是3 g 发射塔的1 0 倍，只要少数基站建设就能实现全城覆盖。 可以提供更高速的宽带接入 w i m a x 所能提供的最高接入速度是7 0 m b p s ，这个速度是3 g 所能提供 宽带速度的3 0 倍。 提供优良的最后一公里网络接入服务 作为一种无线城域网技术，它可以将w i f i 热点连接到互联网，也可以作 为d s l 等有线接入方式的无线扩展，实现最有一公里的宽带接入。 w i f i 和w i m a x 技术各有其优缺点，w i f i 接入带宽更高，但是覆盖外围 太小，w i m a x 的覆盖范围较大，将来的无线技术可能是w i f i 和w i m a x 技 术相互合作，由w i m a x 来覆盖w i f i 的孤岛。移动设备将整合w i f i 和w i m a x 的芯片，使用户能在不同的情况下连接到最好的网络。 1 1 2 移动i p 随着移动通信技术逐渐向全i p 化演进、w i f i ，w i m a x 等基于i p 的移动宽带无 线接入技术的发展，以及即时消息、v o i p 、视频会议、p e e r - t o p e e r 等永远在线 ( a l w a y so n ) 业务的丰富，需要一种基于全i p 网络中移动性管理技术。移动i p 包括移动i p v 4 和移动i p v 6 两个标准，是i e t f 提出的在i p 层解决移动性的标准。 移动ip 具有可扩展性、可靠性和安全性，并使节点在切换链路时仍可保持正在进 行的通信，因为移动ip 提供了一种ip 路由机制，使移动节点可以以一个永久的 ip 地址连接到任何链路上。同时，移动i p 独立于下面的物理承载网络，适用于各 种无线，有线网络，有很强的扩展性。 虽然移动i p v 6 协议的基本框架已经形成，但是还存在诸多问题。目前，移动 i p v 6 的研究重点集中于解决移动i p v 6 的大规模部署问题1 4 1 ，比如实现移动i p 的 b o o t s t r a p p i n g 问题，和a 从( 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 n ，a c c o u n t i n g ) 系统的 结合、轻量级的认证协议、h a 的可靠性问题等。为了适应v o l p 等实时业务的开 3 电子科技大学硕士学位论文 展，移动i p v 6 必须解决切换的性能问题，即如何实现无缝切换。除此之外，网络 移动性( n e t w o r km o b i l i t y ) 和层次化移动i p v 6 ( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6 ) 也是当前 的研究重点。 目前，多家厂商和研究机构都有基本移动i p v 6 的实现，这些实现可以分为两 大类：商业性实现和非商业性实现。商业性的实现如c i s c o 、h p 、6 w i n d 等，非商 业性的实现有可以按照操作系统分为基于l i n u x 和基于f r e e b s d 两种。基于l i n u x 的实现如芬兰赫尔辛基大学( h e l s i n k iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 的m i p l 2 、英国 兰开斯特大学( l a n c a s t e ru n i v e r s i t y ) 的l a n c a s t e rm i p v 6p a e k a g e l m p 】，基于 f r e e b s d 的实现主要有日本k a m e 项目的移动i p v 6 实现 k a m e 。 1 1 3 移动i p v 6 快速切换 姬t f 在2 0 0 4 年提出移动i p v 6 协议标准，移动w v 6 借鉴移动i p v 4 的基本思想， 并利用i p v 6 协议所带来的一些特性，改进了移动i p v 4 的部分缺陷和不足。移动i p v 6 虽然解决了网络层的移动性问题，但是其切换性能并不乐观。一些实时应用，包 括语音，视频，游戏等对切换时延有一定的要求，如果切换时延过高必然对用户 体验造成影响。为了适合这些实时应用的需求，i e t f 提出了移动i p v 6 快速切换协 议，改善了移动i p 的切换性能，使移动i p v 6 的应用更为广泛。 目前，移动i p v 6 快速切换的研究重点是减少切换时延和降低丢包率。在减少 切换时延方面，一方面是改进切换顺序，利用二层信号尽可能将三层切换放到二 层切换之前，使二层切换后的三层切换步骤更少。文献【2 0 】中，利用二层触发信号 将影响切换时延的子网发现和地址配置步骤甚至将移动i p v 6 的部分绑定更新过程 放在二层切换之前，使切换延时和丢包率都得到了改善。另一方面，将h m i p v 6 与f m i p v 6 结合，提出f h m i p v 6 的改进方案，改进绑定更新延迟；在丢包率优化 方面，主要是通过对接入路由器进行多播、在接入路由器进行数据包缓冲、接入 路由器之间为m n 建立隧道等方法。除此以外，快速切换i p v 6 和链路层的结合也 是研究重点，因为快速切换的实现需要链路层触发信号和链路层信息的支持。 在实现方面，法国l o u i sp a s t e u r 大学n e t w o r kr e s e a r c h 项目组的f m i p v 6 实 现了快速移动i p v 6 ，f m i p v 6 依赖于m i p l 2 ，因为f m i p v 6 使用了m i p l 2 的部分 内核态功能实现了快速移动i p v 6 协议。 第一章绪论 1 2 选题目的和意义 移动通信技术向全i p 化的演迸以及基于i p 的新型移动宽带无线接入技术的发 展，为全i p 网络中的移动性管理，尤其是移动i p ，带来了机会和挑战。w i f i 和 w i m a x 是当今宽带无线接入的两种代表性技术，通过对这两种无线接入技术的移 动i p 快速切换研究，将改善它们的i p 层切换性能，增加应用范围。 在基于全i p 技术的通信网络中，高效的移动性管理方案非常重要。论文的研 究将有助于解决全i p 网络中移动性管理的一些问题。 1 3论文结构及内容安排 论文总共包括8 个章节。 第一章为绪论，主要介绍论文的研究背景、选题目的和意义以及论文的主要 贡献等； 第二章绍了移动i p v 4 和移动i i ： v 6 协议，对协议过程进行了比较细致的分析， 包括切换，路由，隧道和安全等； 第三章首先分析了移动i p v 6 的切换时延，然后介绍了移动i p v 6 的快速切换过 程； 第四章分析了移动i p v 6 快速切换在8 0 2 1 l 下的实现的两种方案，并提出了 l u p 的快速切换方案。同时，对3 种快速切换时延进行了分析； 第五章给出了l u p 快速切换方案的具体实现。 第六章对l u p 快速切换系统进行了测试，并对测试结果进行了分析； 第七章介绍了8 0 2 1 6 e 链路层切换过程，并提出了一种8 0 2 1 6 下予网间快速 切换的方案； 第八章总结了全文并给出有待于下一步解决的问题。 一5 - 电子科技大学硕士学位论文 第二章移动i p 移动i p ( m o b i l ei p ，m i p ) ，是i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r t a s kf o r c e ) 提出了基 于网络层的移动性管理协议。移动i p 在网络层解决移动性问题，一方面使得移动 性对上层协议透明，即对任何应用都能提供移动性支持，无论是f t p 、t e l n e t 或者 i pp h o n e ；另一方面，独立于下面的物理承载网络，适用于各种无线、有线网络。 这些特往使得移动i p 协议具有很强的可扩展性。 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 接在同一链路上的节点ip 地址具有相同的网络前缀部分。当节点从一条链路切换 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。 这样，网络前缀路由技术就没有办法将数据包发送到节点的新位置上。 移动ip 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，并使节点在切换链路时仍可保持正在进行的通信。移动ip 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。 在移动i p 中，移动性问题被视为寻址和路由的问题。其思想是m n 同时使用 两个地址：家乡地址( h o m ea d d r e s s ) 和转交地址( c o a ，c a r e - o fa d d r e s s ) 。在网 络层使用转交地址，以保证报文的可达性；在传输层及以上的应用层使用家乡地 址，以保证t c p 连接。 移动ip 是在因特网中提供移动功能的网络层方案。也就是说，移动ip 通过 在合适的节点上设立路由表，将ip 包送到那些不在家乡链路上的移动节点。事实 上，移动i p 可以看作是一个路由协议，它的目的是将数据包路由到那些可能一直 在快速地改变位置的移动节点上。通过使用移动皿即使m n 移动至另一个子网并 获得了个新的i p 地址，传输层所使用的p 地址始终是其家乡地址，所以移动i p 能够在主机移动过程中保证t c p 连接不被中断。 移动i p v 4 r f c 3 3 4 4 和移动i p v 6 r f c 3 7 7 5 相当于m i p 方案的两种特例。移动 i p v 6 借鉴了移动i p v 4 的主体思想，并具备了i p v 6 协议的优势，如自动配置、安 全性等。 6 第二章移动i p 2 1 移动i p v 4 随着移动设备用户数量的不断提高，人们对移动通信的需求越来越高。在切 换接入路由器后移动节点会出现这样的矛盾，如果要改变网络前缀，也就是改变 了口地址那么i p 层上方基于连接的协议，比如t c p 的连接就要中断，如果不改 变i p 地址而使用特定主机路由的方式，又与互联网的基于网络前缀路由的方式相 矛盾。移动i p v 4 提供了在互联网中移动的解决方案，它具有可扩展性、可靠性和 安全性，并使节点在切换链路时仍可保持正在进行的通信。移动ip v 4 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。 2 1 1移动i p v 4 的功能实体 夕 她链路的 咎动节点 图2 1 移动i p v 4 实体及相互关系 移动ip v 4 定义了三种实现移动协议的功能实体： 1 ) 移动节点( m o b i l en o d e ) 移动节点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 ) 的那些节 点。 2 ) 家乡代理( h o m e a g e n t ) 家乡代理是有一个端口与移动节点家乡链路相连的路由器。 当移动节点切换链时，家乡代理一直通知移动节点它的当前位置，这 7 电子科技大学硕士学位论文 个信息由移动节点保存在它的转交地址( c a r eo f a d d r e s s ) 中。 家乡代理广播对移动节点家乡地址的网络前缀的可达性，从而吸引那 些送往移动节点的家乡地址的r p 包。 解析送往移动节点的家乡地址的包，并将这些包通过隧道技术传送到 移动节点的转交地址上。 3 ) 外地代理( f o r e i g n a g e n t ) 在移动节点的外地链路上的路由器。 帮助移动节点通知它的家乡代理它的转交地址。 提供移动节点的转交地址，并为己被家乡代理设置了隧道的移动节点 发送拆封后的包。 作为连接在外地链路上的移动节点的缺省路由器。 2 1 2 转交地址 转交地址是指移动节点连接在外地链路上时的帽关i p 地址，可以通过了解转 交地址的特性来理解它的定义： 转交地址与移动节点当前所在的外地链路相关。 每次移动节点改换外地链路时，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，即不需 要用于移动ip 相关的特殊规程来将ip 包传送到转交地址上。 转交地址是连接家乡代理和移动节点的隧道的出口。 当移动节点与其他节点通信对，转交地址几乎永远不会被作为目的ip 地址。特别是，当其他节点查找移动节点的主机名时， d n s 服务 器不会返回移动节点的转交地址。 从概念上讲，有两种转交地址： 1 ) 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 ) 是外地代理的ip 地址，有一个端1 2 1 连接移动节点所在的外地链路。外地代理转交地址可以是外地 代理的任一个i p 地址，只要外地代理至少有一个端口与外地链路相连就可以了， 因此，外地代理转交地址的网络前缀并不一定与外地链路的网络前缀相同，多个 移动节点可以同时共用一个外地代理转交地址。 2 ) 配置转交地址( c o l l o c a t e dc a r e o f a d d r e s s ) 是暂时分配给移动节点的某 个端1 3 的ip 地址，其网络前缀必须与移动节点当前所连的外地链路的网络前缀相 ，8 第二章移动m 同。当外地链路上没有外地代理时，移动节点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节点使用。 转交地址是一个与移动节点连接的外地链路紧密相关的lp 地址，它与移动节 点所连接的外地链路最多只有一跳之隔。它要么是有一个端口在外地链路上的外 地代理的i p 地址，要么就是暂时分配给移动节点的一个端口的地址。当移动节点 与外地链路相连时，家乡代理利用这个地址向移动节点传送数据包。特别地，转 交地址是从家乡代理到移动节点的隧道出口。 2 1 3移动i p v 4 工作机制 1 1 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， 家乡代理和外地代理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，移动节点就可像固定节点一样 工作，即它不再利用移动ip 的其他功能。 下面的步骤假设移动节点连接在一条外地链路上。 3 ) 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 代理广播消息中找到外地代理转交地址，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 c h o s t c o n f i g u r a t i o np r o t o c 0 1 ) 、p pp 的i p cp 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。为阻止拒绝服务攻击，注册消息要求进行认证。 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arp ) ，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 1 在转交地址处，可能是外地代理或移动节点的一个端口，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。 9 电子科技大学硕士学位论文 对所有来访的移动节点发出的包来说，外地代理完成路由器的功能。 2 1 4m n 的三种注册方法 外地链路的 移动节点 注册应菩 图2 - 2m n 通过f a 进行注册 图2 2 是通过外地代理进行注册的过程，具体如下：首先m n 发送注册请求 到f a ，开始注册过程。f a 处理该注册请求，然后再转发至h a 。h a 验证m n 的 身份，并为合法用户建立家乡地址和转交地址的绑定关系，然后发送注册应答到 外地代理，同意或者拒绝该请求。f a 处理注册应答，并把处理结果通知m n 。 夕 地链路的 移动节点 注册应答 图2 3m n 直接向h a 注册 图2 - 3 是直接向h a 注册的过程，具体如下：m n 发送注册请求到h a ，开始 注册过程。h a 验证m n 的身份，并为合法用户建立家乡地址和转交地址的绑定关 系，然后向m n 发送注册应答，同意或者拒绝该请求。 1 0 第二章移动i p 家乡代理注册应答 冢多征蛞明 移动节点 图2 4 移动节点回到家乡链路后注销 m n 回到家乡链路后向h a 注销，h a 删除对应的绑定表项，如图2 4 所示。 2 1 5t v f n 与c n 通信的三种情况 当m n 完成注册过程后，就可以进行正常收发报文了。在移动i p v 4 中，m n 和通信对端c n 的通信存在三种情况：三角路由、双向隧道和优化路由。另外， m n 采用配置转交地址和采用外地代理转交地址时，这三神情况又有一些差别。当 采用配置转交地址时，m n 本身是隧道的端点，因此m n 负责隧道的封装和解封 装操作。而采用外地代理转交地址时，f a 是隧道的端点，因此f a 负责隧道的封 装和解封装。下面，以m n 采用外地代理转交地址为例说明m n 与c n 通信的三 种倩况。 2 1 5 1三角路由方式 外地链路的 桔动节点 通信j ，端 图2 5 三角路由方式 图2 5 为三角路由方式，当c n 向m n 发送数据报时，i p 首部中的目的地址 是m n 的家乡地址，因此报文首先被路由至家乡网络。h a 通过a r p 代理机制截 - 1 1 电子科技大学硕士学位论文 获这些报文，然后进行隧道封装再发送出去。这时，数据报外层i p 首部的源地址 是h a 的i p 地址，目的地址是外地代理的i p 地址，即隧道的起始点和终点分别是 h a 和f a 。f a 收到这些报文，首先进行解封装，然后查找路由表，查得m n 注册 成功时建立的主机路由，最后将报文转发至m n 。当m n 向c n 发送数据报时，i p 首部的源地址是m n 的家乡地址，目的地址是c n 的i p 地址，因此报文被直接路 由至c n 。当m n 和c n 之间的网络存在防火墙并且进行入1 2 过滤( i n g r e s sf i l t e r ) 时，m n 发至c n 的报文因为源地址和网络拓扑不一致而被过滤掉，这时就需要采 用双向隧道的方式。 2 1 5 2 双向隧道方式 外地链路的 移动节点 通信对端 图2 6 双向隧道方式 图2 - 6 为双向隧道方式，c n 向m n 发送数据报的过程和三角路由的一致，即 经过家乡网络和隧道发送至m n 。为了避免入口过滤的问题，m n 向c n 发送数据 时，也要通过隧道发至家乡网络，然后再由h a 转发至c n 。过程如下：m n 发送 数据报，这时源地址是其家乡地址，目的地址是c n 的i p 地址。当数据报经过f a 时，f a 进行隧道封装然后再发送出去，这时外层i p 酋部的源地址是f a 的地址， 目的地址是h a 的地址，即隧道的起始点和终点分别为f a 、h a 。经过隧道封装的 数据报在h a 处被解封装后发送至c n ，这时源地址是m n 的家乡地址。由于整个 过程中数据报的源地址与网络拓扑一致，所以避免了被防火墙过滤掉。但是，在 双向隧道方式中，所有的数据报都需要经过家乡网络，因此引入了一定的传输时 延，在某些情况下，会导致通信双方的端对端时延较大，这样，就不利于实时业 务( 如i p 语音) 的开展。因此，通过对移动i p v 4 协议扩展，引入优化路由机制。 1 2 第二章移动i p 2 i 5 3优化路由方式 燃 图2 - 7 优化路由方式 优化路由方式如图2 7 所示，优化路由机制不属于移动i p v 4 基本协议内容， 而是对该协议的扩展。在优化路由方式中，m n 除了向h a 注册外，还需要向c n 进行注册，使c n 知道m n 的转交地址。当c n 向m n 发送数掘报时，c n 对报文 进行隧道封装，外层i p 首部的源地址是c n ，目的地址是m n 的转交地址( 即f a 的地址) ：内层i p 首部的源地址是c n ，目的地址是m n 的家乡地址。当外地代理 收到经隧道封装的数据报后，进行解封装然后发送至m n 。当m n 向c n 发送数据 时，可以直接发送至c n ，也可以经由f a 封装再发送至c n ( 即反向隧道的方式， 这时隧道的起始点和终点分别是f _ a 和c n ) ，选择哪种方式取决于实际网络情况。 优化的路由在时延和资源消耗方面都比三边路由效率更高，因为数据包在到达目 的地之前穿过的链路都要少一些。但是，优化路由方式中m n 需要向c n 注册转 交地址，这就要求：( 1 ) c n 安装客户端软件以便支持路由优化；( 2 ) 必须考虑安 全问题。当通信对端直接通过隧道与移动节点通信时，对端必须知道移动节点当 前的优化地址，这个问题与移动ip 注册相似。移动ip 注册的