（计算机系统结构专业论文）移动ip分布式路由优化研究.pdf

中文摘要 随着网络的飞速发展和无线通信技术的成熟，支持设备的移动性成为 i n t e r n e t 发展的必然要求。i e t f 组织的移动口协议就是支持移动功能的解决方案。 根据原移动坤协议，移动节点每次变换了转交地址，都必须向家乡代理和通信 对端重新绑定。由于消息传输机制及协议处理都需要时间，切换将导致通信暂时 中断，数据分组丢失。 为了减少管理信令及分组丢失，一种分布式路由方案被提出，通过引入局部 代理和转向代理，使得移动节点的部分管理信息在本地完成，减少分组丢失。此 方案能够在一定程度上提高网络性能，但仍存在如下缺陷：( 1 ) 缓存采用先进先 出算法，这使得转向代理重传时仍会产生乱序问题；( 2 ) 在移动节点切换转向代 理时，分组丢失现象集中出现；( 3 ) 未发生切换时，转向代理处缓存的分组并未 发挥作用。 针对上述问题，本文做了以下改进：( 1 ) 在转向代理处为移动节点构造一个 循环列表，按顺序存储数据分组，这样能够进一步解决转向代理重传时的乱序问 题；( 2 ) 通过向前一个转向代理发送转发请求，转发原缓存中的数据分组到新链 路，以解决转向代理切换时的分组集中丢失现象；( 3 ) 在转向代理处引入s n o o p 机制，对移动节点的应答及时响应，以避免通信对端进行重传。 本文利用n s 2 软件从缓存大小、网络延迟、移动速度三方面对本文方案和 原方案进行了仿真比较。仿真结果显示，本文改进方案能够减少重传数据分组， 有效改善移动m 的性能。 关键词：移动口；转向代理；局部代理；分布式路由 a b s t r a c t w i t ht h ef a s tp r o g r e s so fn e t w o r ka n dm a t u r i t yo fw i r e l e s st e c h n o l o g y , t h e s u p p o r tf o r t h em o b i l i t yo fe q u i p m e n ti st h ei n e v i t a b l et r e n do fi n t e r n e td e v e l o p m e n t m o b i l et l , b r o u g h tf o r w a r db yi mi sas o l u t i o no f f e r i n gt h ef i m e t i n no fm o b i l i t y a c c o r d i n gt oo n g i n a lm o b i l ei pp r o t o c o l ，e a c ht i m em o b i l en o d ec h a n g e si t sf o r e i g n a g e n t ，i tm u s tr e g i s t e rt oi t sh o m ea g e n ta n dc o r r e s p o n d e n tn o d ea g a i n d u et o i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na n da g r e e m e n td i s p o s a lt a k i n gm u c ht i m e ，h a n d o v e rc a u s e s s o m ep a c k e t sa r el o s tf o rt h et e m p o r a r yi n t e r r u p to f c o m m u n i c a t i o n i no r d e rt or e d u c er e m o t es i g n a l i n gt r a f f i ca n dl o s tp a c k e t s ，ad i s t r i b u t e dr o u t e s c h e m ei sc o m eu p b yi n t r o d u c i n gl o c a la g e n ta n dr e d i r e c t i o na g e n t ，s o m e m a n a g e m e n tt r a f f i c nb ed o n ei nl o c a lr e g i o na n dt h el o s tp a c k e t sa r ed e c r e a s e d o w i n gt o t h eb u f f e ri nr e d i r e c t i o na g e n t t h o u g hi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f m o b i l e1 1 i nac e r t a i ne x t e n t , t h i ss c h b 即l eh a ss o m ed r a w b a c k s f i r s t , s o m eo u to f o r d e rp a c k e t sa r ea l s og e n e r a t e df o rt h ef i f of r a m e w o r ko fb u f f e r s e c o n d ，w h e n m o b i l en o d ec h a n g e si t sr e d i r e c t i o na g e n t , l o t so fp a c k e t sa r el o s t t h i r d ，t h eb u f f e r i nr e d i r e c t i o na g e n ti sn ol l s ew h e nt h e r ei sn oh a n d o v e r a i m i n gt oo v e r c o m et h e s es h o r t c o m i n g s ，t h i sp a p e rd o e ss o n l ei m p r o v e m e n t s ：( 1 ) c o n s t r u c tac y c l el i s tf o re a c hm o b i l en o d ea n ds t o r et h ep a c k e t si no r d e r , a st o r e d u c et h en u m b e ro fo u to fo r d e rp a c k e t st r a n s f e r r e db yr e d i r e c t i o na g e n t ；( 2 ) f o r r e d u c i n gt h el o s tp a c k e t sd u r i n gh a u d o v e r , m o b i l en o d es e n d sb u f f e rf o r w a r d i n g r e q u e s ti n f o r m a t i o nt op r e v i o u sr e d i r e c t i o na g e n ta n df o r w a r dc o r r e s p o n d i n gp a c k e t s t on wc a r eo fa d d r e s s ；( 3 ) t h r o u g hi n t r o d u c i n gt h em e c h a n i s mo fs n o o p ，r e s p o u s e t oa c k n o w l e d g e m e n tf r o mm o b i l en o d ei nt i m ed e c r e a s e st h er e t r a n s m i s s i o np a c k e t s s o m es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eu n d e rn s 2 i nt h ea s p e c t so ft h e s i z eo fb u f f e r , n e t w o r kd d a y , a n dt h es p e e do fm o b i l en o d e , t h ec o m p a r a b i l i t y0 1 1 n e t w o r kp e r f o r m a n c ei sd o n eb e t w e e nf o r m e rs c h e m ea n dt h ei m p r o v e m e n ts c h e m e i n t r o d u c e db yt h i sp a p e r r e s u l t sf r o ms i m u l a t i o nc o n f m nt h er e t r a n s m i s s i o np a c k e t s a r er e d u c e da n dt h ep e r f o r m a n c eo fm o b i l e1 1 i se f f e c t i v e l yi m p r o v e du s i n gt h i s i m p r o v e m e n ts c h e m e , k e y w o r d s ：m o b i l e i p ；r e d i r e c t i o n a g e n t ；l o c a l a g e n t ；d i s t r i b u t e dr o u t e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘茎或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：妻国事 签字日期：土筛百年月廖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：盘、刃事 签字日期：工形年月g 日 导师魏毯乒擘 签字日期：力缈铲月汐日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 近年来，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。通 过i n t e r n e t ，人们能够及时地了解世界各地的新闻，方便地获得许多有用信息， 参与网上的互动游戏等娱乐活动，进行网上远程教育和购物等。i n t e m e t 已经成 为很多人日常生活不可缺少的一部分。 虽然目前主要以固定接入方式使用i n t e r n e t ，但是随着生活节奏越来越快， 人们可能经常处在运动中，而不是整天呆在固定的办公室内，因此需要在任何时 间任何地点都能获得网络服务。随着无线技术的成熟，手机、掌上电脑、笔记本 电脑等移动通信设备开始大量应用，用户希望在日常生活中使用这些设备方便地 获取网络资源【1 【2 1 。现在多种网络技术正在逐步融合，p 协议将成为统一的平台， 但原有口协议对网络节点的移动性支持不够。因此，支持移动成为i n t e r n e t 发展 的必然要求，移动i p 协议【3 】【4 】就是在原m 协议的基础上为了支持节点移动而提 出的解决方案。 1 1 移动i p 技术背景 在i n t e r n e t 上，每个主机都分配有唯一的i p 地址。由于现有i n t e r n e t 是基于 网络前缀进行数据转发，口数据分组首先路由到目的i p 地址网络前缀对应的网 段，然后被转发到目的主机。因此，d 地址不仅用来标识一台主机，也表示了 这台主机所在的物理网络位置。当移动主机在不同的网络间移动时，它的口地 址已经不能表示其真正的物理网络位置，发往移动主机的i p 分组依据当前的路 由机制不能够被正确地转发给移动节点，因而移动主机无法正常地接入i n t e m e t 获得网络服务。 为了支持网络节点的移动性，人们曾经提出以下几种方案：( 1 ) 在移动节点 每次变换位置时，改变其口地址，但此方案对上层协议不透明，不能保持通信 的连续性；( 2 ) 根据特定主机路由进行路由选择，这种方法将大量浪费路由器的 有限资源，而且系统的可扩展性也较差，不能满足大规模网络互联的要求；( 3 ) 在链路层使用蜂窝数字分组数据网c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ) ，虽然此方 法能够支持多种协议，但它只能在一种媒介内提供移动支持，不同媒介之间就需 要不同的方案，与现存的互联网的兼容性较差。 为了更好地解决网络节点的移动性，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 k f o r c e ) 下 天津大学硕士学位论文第一章绪论 属的移动m 工作组制定了移动m 协议。移动口技术f 3 】【4 】使得移动主机能够以固 定的网络p 地址来实现跨越不同网段的漫游功能，并保证基于网络碑的网络权 限在漫游过程中不发生任何改变，实现数据的无缝和不间断的传输。移动p 是 一个在i n t e m e t 上基于网络层提供移动支持功能的解决方案，它与下层的传输介 质无关，不需要改变移动主机的永久标识，与现有的i n t e m e t 协议兼容，能够与 不具有移动口功能的主机进行正常通信。 移动口协议的主要设计目标： l 】移动节点在改变链路接入点后，应该能够保持与i n t e r n e t 上其他主机之间 的连续通信； 2 ) 移动节点连接到任何链路，都应该能够使用原来的口地址进行通信； 3 ) 移动节点应该能够与不具有移动口功能的其他主机进行通信，并且不需 要修改这些主机的协议及网络设置，实现网络透明性； 钔移动用户漫游时，无需对个人计算机和网络主机上的基于口的应用进行 任何改动，无需增加额外的用户管理和权限管理，实现应用系统透明性。 另外，由于移动节点常常使用无线链路，最明显的特征就是受限的链路带宽 和较高的出错率，而且移动设备的能量供应、处理器能力以及存储能力等都较低， 这就使得减少通信能耗变得非常重要1 5 】。因此，设计移动口协议时应该尽可能减 少管理信令开销。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 移动i p 的发展历程 早期的移动互联网络理论与技术的研究主要有以下几个重要方面：一个是 1 9 9 1 年由美国哥伦比亚大学的j o h nl o a n n i d i s 等人提出的，采用了虚拟移动子网和 口i n 口隧道封包的方法，被称作c o l u m b i am o b i l e1 1 ) ，此后，j o h nl o a n n i d i s 又进一 步完善了c o l u m b i am o b i l ei p 的设计思想和方法；另一个是s o n y 公司的f u m i o t e r q o k a 等人设计的移动节点协议，即虚拟i p ( v i r t u a li p ，v i p ) 。后来，i b m 的 c p e r k i n s 和y r e k h t e r 雨j 用现有p 协议的松散源路径也设计了一种移动节点协 议。1 9 9 4 年a m y l e s 和c p e r k i n s 综合了上述三种移动节点协议，设计出一种新 的协议m m ，并由i e t f 组织发展为现在的m o b i l em 的r f c 3 3 4 4 协议p 】。1 9 9 6 年 i e t f 相继公布一些主机移动支持协议规范，包括r f c 2 0 0 2 ( i p 移动性支持) 、 r f c 2 0 0 3 ( i p 分组到礤分组的封装) 、r f c 2 0 0 4 ( 最小封装协议) 、r f c 2 0 0 5 ( 移 动p 的应用) 和r f c 2 0 0 6 ( 口移动性支持管理对象的定义) 等，初步总结了移动 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 m 的一些前期研究成果，为相关研究奠定了基础。2 0 0 3 年，i e t f 颁布了移动v 4 的新规范r j c 3 3 4 4 ，取代了心c 2 0 0 2 。 随着v 6 被选为下一代i p 网络协议，如何将移动p v 4 的研究成果应用到移动 口v 6 协议【4 】设计以及i p v 6 协议的性能改进与完善成为一个重要研究方向。1 9 9 6 年 i e t f 公布了第一个移动m v 6 草案，到2 0 0 4 年初i p v 6 主机移动协议草案已经发展到 了第2 4 号版本，并于2 0 0 4 年6 月发布为r f c 3 7 7 5 ，成为第一个移动i p v 6 标准。移 动m v 6 利用了口v 6 自动配置、优化的报头和扩展选项，简化了主机移动协议的设 计，解决了移动口v 4 入口过滤、三角路由【6 】等问题，并降低了网络开销，提高了 网络工作性能。 1 2 2 移动i p 的研究热点 当移动用户采用无线方式获取网络资源时，他们希望能够获得与固定网络相 同的通信质量。利用移动坤技术，虽然数据分组的路由突破了固定网络路由技 术的限制，但是数据传输的质量却无法保证。因此，以移动m 技术为基础，如 何提高移动环境下的通信质量( 压缩控制信息流量、降低误码率、提高吞吐率等) 成为当前研究的热点。 1 2 2 1 移动切换 移动节点在两个不同子网之间移动时将产生链路切换。移动节点到达新的子 网，将获得不同于前一网络的新的转交地址，因此，移动节点需要向家乡代理重 新进行注册，以及向通信对端重新绑定。由于消息传输机制和协议处理都需要时 间，再加上无线链路的高出错率、无线信号强度动态变化等诸方面因素的影响， 切换可能导致移动节点在一定时间内不能正常发送和接收数据分组，引起通信对 端与移动节点之间通信的暂时中断。如何保持通信的连续性，更好地支持各种实 时应用，缩短因切换引起的通信中断时间，减少切换对服务质量的影响，是移动 口领域目前的一个研究重点。 为了减少切换对服务质量的影响，各国研究人员提出了许多方案。g a m o n c a c c r e s 等人引人d f a ( d o m a i n f o r d g n a g e n t ) 的概念【”，针对m n ( m o b i l e n o d e ) 的移动方式采用不同的注册策略，在此基础上c h c n gl i nt a n 等人加入了组播的应 用嘲使得注册报文迸一步减少；s u b i rd a s 等人又提出t e l e m i p ( t e l e c o m m u n i c a t i o n s - e n h a n c e dm o b i l ei p ) 建议【9 】，引入了m a ( m o b i l e a g e n t ) ， m n 在同一个m a 管理下的f a ( f o r c i g n a g e n t ) 之间的移动只需在相应的f a 和m a 处理即可；r r a m j 等人提出h a w a i i 草案 9 】，引人了d r r ( d o m a i nr o o t r o u t e r ) ，微移动情况下m n 的位置更新只需要由d r r 以及相关路由上的节点处理 天津大学硕士学位论文第一章绪论 即可；c a m p b d l 等人提出t c e l l u l a ri p 1 0 】，m n 在无线接入网之闻的移动由标准移 动口管理，无线接入网之内的移动f l c e l l u l a ri p 管理。但是到目前为止，这些方 案都还不是很完善，值得我们去深入研究。 1 2 2 2 移动口中的安全问题 移动口在网络层实现了移动互联，但也带来了潜在的安全问题。移动节点由 于需要在整个网络上漫游，其所遭遇到的安全问题除了固定节点会遇到的如拒绝 服务攻击、会话窃取与监听等闯题之外，还会出现一些和移动特性相关的问题。 由于移动口的实现往往需要借助于无线通信手段，数据就必须在空中传输，由于 暴露在空中，给窃取者提供了更多的窃取机会，所以数据必须经过加密后才能传 输【1 1 】；如果移动节点的归属网络安装有防火墙，那么移动节点离开归属网络进入 其他网络后，它和归属网络的连接就会造成中断。为了能够让移动节点穿越防火 墙而同时又不损害网络的安全性，m o n t e n e g r o 提出了使用s k i p ( s i m p l ek e y m a n a g e m e n tf o r i n t e m e tp r o t o c o l s ) 的方法【1 2 1 ，也可以采用i s a k m p ( i n t e r a c t s e c u r i t y a s s o c i a t i o n a n d k e y m a n a g e m e n t p r o t o c 0 1 ) o a k l e y 来实现l i ”。 移动节点往往在一个很大的网络中漫游，当它需要接入某个网络时，必然存 在着认证、授权和记帐方面的问题。其倾向性的解决方法是采用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 n a c c o u t i n g ) 协议，只是舢执协议尚处于研究之中， 目前的i e t f 中有个a a a 工作组专门从事这方面的工作，其工作重点是提交以 d i a m e t e r 为基础的a a a 协谢。 1 2 2 3 移动坤的q o s 保证 移动疋给服务质量的研究带来了许多新问题，如移动管理、无线通信质量、 移动设备的电池寿命及无线连接的管理费用等，这些因素都影响移动m 的网络 管理，以及所能提供的服务质量。服务质量机制不能增加网络带宽，只能是根据 节点需求合理管理和使用网络带宽，以期能够保证通信连接的网络服务需求。目 前研究较多的解决方案都基于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 ) 。但是，节点 的移动给r s v p 带了额外的问题【1 5 】：( 1 ) 每当节点改变位置，移动节点或者通信 对端都需要重新进行资源预留；( 2 ) 采用了隧道技术，协议报头中用于标识实时 业务流的域，曲于p 封装而处于数据分组中另外的位置。 移动m 中，服务质量机制中的协商机制尤其重要。当移动节点的物理网络 位置发生变化或者网络的服务能力发生变化时，都需要重新进行服务质量的协 商，从而保证移动节点能够得到较满意的服务质量。而协商机制必须有对应的服 务质量协商信令，当前的研究热点主要是基于移动i p v 6 移动管理信令的扩展服 天津大学硕士学位论文第一章绪论 务质量信令。 1 2 2 a 移动口对t c p 性能的影响 t c p 假设绝大多数数据分组或确认报文的丢失是由于因特网的拥塞引发的， 对大多数因特网链路来说是有效的，但是对于无线链路来说，大多数据分组的丢 失是由于数据分组在红外、无线链路等高误码率的链路上传输时所发生的错误引 起的。当有错误发生时，t c p 就假设网络发生了拥塞，从而大大降低新数据分组 的发送速率，这样反而使得t c p 的性能更差。 针对移动m ，一些t c p 改进方案被提出：( 1 ) 采用快速重发机制，一旦移动 节点在新链路上注册成功后就立即进人快速重发；( 2 ) 采用连接分段【1 6 】的方法， 把移动节点和通信对端之间的t c p 看成两个串连的连接，从而改善因为移动而引 起的t c p 性能下降；( 3 ) 选择性地发送确认信息，使得节点可以通知另一个节点 它所接收到的所有数据分组，这样可以有效地防止出现不连续数据段时不必要的 重发操作。 1 3 相关术语 本文中所用到的术语： 移动节点m n ( m o b i l e n o d e ) ：指从一个网络或子网链路上切换到另一个 网络或子网的主机或者路由器。移动节点改变网络接入点后，仍能使用 原腰地址继续与其他节点之间的通信。 家乡代理h a ( h o m ea g e n t ) ：指位于移动节点家乡网络上的路由器。它 负责维护移动节点当前的位置信息，并且转发发往移动节点的数据分组。 外地代理f a ( f o r e i g n a g e n t ) ：指移动节点所访问网络上的路由器，为注 册的移动节点提供路由服务。 家乡地址( h o m e a d d r e s s ) ：指移动节点所拥有的一个基于其家乡网络地 址前缀的永久性口地址。 转交地址c o a ( c a r e - o fa d d r e s s ) ：指移动节点访问外地链路时，所获得 的反映当前链路接入点的临时地址。 家乡网络i - i n ( h o m en e t w o r k ) ：指与移动节点的家乡地址具有相同网络 前缀的网络。 外地网络f i n ( f o r e i g nn e t w o r k ) ：指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。 通信对端节点c n ( c o r r e s p o n d e n tn o d e ) ：指与移动节点进行通信的对等 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 实体，简称为通信对端。 隧道( t u n n e l ) ：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。 移动绑定( m o b i l i t yb i n d i n g ) ：由家乡代理或者通信对端维护的移动节点 的家乡地址和转交地址之间的关联信息。 局部代理( l o c a la g e n t ，l a ) ：指移动节点所访问网络上的路由器，为 移动节点分配转交地址，接收来自转向代理拆封后的数据分组，并发往 移动节点。 转向代理( r e d i r e c t i o n a g e n t ，r a ) ：通常是一个边界路由器，被定位在 家乡代理和局部代理之间，管理在其服务范围内的移动节点信息。一个 r a 的服务范围包含有若干个局部代理l a ，r a 存储着一定数量的来自发 送端的数据分组，当接收端( 即移动节点) 因变换转交地址而出现分组 丢失时，就由转向代理负责转发丢失的数据分组。 1 4 分布式移动p 方案中还需解决的问题 依据原移动口【3 】【4 】协议，无论何时移动节点从一个子网切换到另一个子网， 它都必须向家乡代理和通信对端发送绑定更新消息。特别是当移动节点利用无线 设备上网，而接入点又远离家乡网络时，频繁的移动会大大增加远程管理信令流 量，冗余的信令流量大量充斥在通信信道中，又会影响真正有用数据的传输，使 通信质量大大降低【1 7 1 。链路切换可能导致移动节点在一定时间内不能发送和接收 数据分组，通信对端和移动节点之间的通信也会暂时中断。 为了减少移动节点的注册时间，降低远程信令流量，从而达到缩短切换时延、 减少切换中分组丢失、提高网络性能的目的，分布式移动口路由方案提出了一 个信令管理的优化方案。它改变了传统移动m 路由方案的代理架构，引入转向 代理和局部代理来代替原来的外部代理，并适当地改变了移动节点的注册路径， 从而大大减少了移动节点向家乡代理和通信对端进行绑定更新的次数，显著降低 远程注册管理信令流量，减少了乱序分组和重传分组。但是，此方案中还有一些 问题值得深入讨论：( 1 ) 如何充分利用转向代理处为移动节点所分配的缓存资源， 使得丢失的数据分组尽可能地由转向代理完成重传操作；( 2 ) 移动速度如何影响 节点的通信质量 ( 3 ) 转向代理处缓存的组织结构如何设置才会更有效；( 4 ) 针 对无线链路的高出错率，移动节点不发生切换情况下的分组丢失现象是否能够解 决 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 本文所做的工作 针对原分布式路由方案中的问题，本文主要做了如下三方面的改进： 1 ) 改进转向代理处缓存的先进先出组织结构，通过为管辖范围内的移动节 点构造一个循环列表，来解决转向代理从缓存中发送数据分组时的乱序 问题，避免存储重复数据分组来提高缓存利用效率。 2 1 当移动节点发生了转向代理切换时，前转向代理转发存储的数据分组到 移动节点的新链路转交地址。 3 1 采用监视【18 】移动节点应答信息的方法，转向代理可以得到移动节点所丢 数据分组，并自动采取重传措施。 本文借助于n s ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 仿真工具模拟改进方案，仿真缓存大小、 网络延迟、节点移动速度等问题对方案性能的影响，绘制图表进行分析。对这一 方案进行评价，列举其中未解决的问题，为后续的深入研究做好铺垫。 天津大学硕士学位论文第二章移动i p 及一些改进方案 第二章移动i p 及一些改进方案 本章将对现有的移动m 解决方案进行综述。首先，说明传统移动坤的路由 思想，其中存在的问题；然后，针对移动口还不完善的地方，讲述当前国内外 的研究动态，并指出它们的优缺点。 2 1 标准移动礤协议 标准移动口协议所作的假设： 点到点通信的数据分组在路由选择时与源口地址无关：移动i p 假设点到 点通信只依据目的m 地址来选取路由，实际上是仅依靠目的地址的网络 前缀进行路由选择。 网络已经存在，并且该网络能够在任意两个节点间传送数据。移动i p 并 不关心e t 到底采用哪个动态路由协议、网络的路由拓扑结构如何扩 展到足以支持数以千万计的主机和路由器，只是认定网络已经应用了这 些协议，而且路由拓扑结构能够扩展到这样的网络规模。 移动口要求的只是一个由路由器和链路构成的网络，此网络能够将数据 分组送到任何和家乡链路相连的节点。 2 1 1 标准移动 、，4 协议【3 】 i e t f 的移动口伽协议是i n t e m e t 支持主机移动的网络层解决方案。它对下层 传输媒介不作任何要求，对上层协议则屏蔽了主机移动的细节，因此现有i n t e r n e t 中的上层协议和应用都无须改动。移动口提供了一种妒路由机制，使移动节点 能够以一个永久的口地址连接到任何链路上。它通过在合适的节点上设立路由 表，最终将口数据分组送到那些不在家乡链路上的移动节点。 移动节点拥有两个m 地址。一个是家乡地址，当节点切换链路时，家乡地址 并不改变。该地址主要用于标识高层连接，例如t c p 连接。另一个地址被称为 转交地址，它是当移动节点在外地链路上时由外地代理分配的临时口地址，它标 识了移动节点当前的物理连接位置，反映了网络当前的拓扑结构。 家乡代理和外地代理周期性地在一条或多条它们自己作为移动代理的链路 上发送代理通告消息( a g e n ta d v e r t i s e m e n t ) ，通告它们与相应链路的连接关系。 天津大学硕士学位论文第二章移动i p 及一些改进方案 移动节点根据收到的代理通告消息，判断出自己当前的位置( 如图2 - i 所示) 。 如果连接在家乡链路上，移动节点就像固定节点一样工作，无需利用移动p 的 功能。如果连接在外地链路上，或者从一个外地链路移动到另一个外地链路上， 它就必须向家乡代理注册。 且 移动节点 代理 川 凰凰 主机主机 图2 1 移动节点接收代理广播消息 移动节点连接在外地链路上时的工作机制： 当移动节点连接在外地链路上时，它需要一个代表它当前所在位置的转 交地址。移动节点可以从外地代理通告消息中获得外地代理转交地址 ( 如图2 2 所示) ，或利用动态主机配置协议d h c p ( d y n a m i ch o s t c o n f i g u r a t i o np r o t o c 0 1 ) 、手工配置等方法获得配置转交地址。 图2 2 移动节点获得转交地址 移动节点在获得转交地址后，通过移动口定义的消息向家乡代理进行注 册。家乡代理确认后，将家乡地址和相应的转交地址存放到绑定对应表 中，并向移动节点发回一个注册应答( 使用外地代理转交地址的注册过 程如图2 - 3 所示) 。注册过程的主要目的就是产生、修改和删除家乡代 理中移动节点的绑定表项。一次绑定( 一次注册) 只在一定的生存时间 内有效，移动节点在生存期超时之前应重新注册。 天津大学硕士学位论文第二章移动i p 及一些改进方案 图2 3 移动节点使用外地代理转交地址 如果注册成功，家乡代理将接收发往移动节点家乡地址的数据分组，对 其进行封裂1 9 1 ，然后通过“隧道”转发到移动节点的转交地址。移动节 点发送的分组通过外地网络路由器直接发送给通信对端，无需采用隧道 机制。这就形成了移动i p 中著名的“三角路由”问题嘲( 如 虱2 - - 4 所示) 。 通信对端 图2 4 移动口的三角路 9i = 且 外地代理移动节点 移动节点根据收到的代理通告消息，如果判断它返回到家乡链路上，那 么移动节点必须直接到家乡代理注册，进行绑定注销。注销成功后，移 动节点就像固定节点一样工作。 2 1 2 标准移动i p v 6 t 4 协议 由于i n t e r n e t 的飞速发展，口v 4 协议得到了广泛应用并且成为事实上的网络 协议标准，获得了巨大成功。但是，随着网络用户的迅猛增长，口v 4 暴露出路 由表爆炸、缺少有效的服务质量保证机制和安全机制等缺陷，其中地址空间危机 是最为严重的问题。于是，i e t f 组织开始研究下一代网络协议，最终m v 6 被选 为下一代互联网协议。i p v 6 协议对p v 4 协议做了许多改进，最大的两个不同之 处是：地址长度，口v 6 为1 2 8 位，而m v 4 为3 2 位；口v 4 报头中许多不常用的 域被i p v 6 删除了，放入可选项和扩展报头，口v 6 中的可选项有更严格的定义， 比口v 4 中的可选项更有用。未来的网络协议必须支持移动性，允许主机在不同 的m 网络间无缝隙地漫游，移动性支持已经成为p v 6 不可缺少的一部分。 哭律大学硕士学位论文第= 章移动i p 及些改进方案 2 1 2 1p v 6 协议报头例 瑶v 6 基本缀头如图2 5 所示： i v e r a i e ait r a f f i cc l a s sl h o wl a b e l i i p a y l o a dl c n # ai n e x th e a d e r lh o pl i m i tl $ o u r c c c a 矗k 帮s l l +d)estinafiona d d r e s s + ll 图2 5 i p v 6 的报头绪构 蹬v 6 的地址长度为1 2 8 使，足够绘地球上现有和未来的每一个瞬络设备分配 一今瑶逮酝，掰魏节点可酸使矮一些篾零豹褫毒l 遴孬翻动配置。大蟪缝空闻使得 许多网络前缀路由可以聚合成一条网络髓缀路由，解决前面所提刹的路由限制阎 蹶。 i p v 6 援头殴及扩震擐头务字段含义舞下； v e r s i o n ：版本号，长度4 位，对予i p v 6 ，该字段为6 。 t r a f f i cc l a s s ：业务流类型，长威8 位，可以为数据分组赋予不同的类别 或优先级。 f l o wl a b e l ：n , v 6 鹬耩增字段。滁磐轰使甬这个2 啦字莰，魏特定痔甍豹 分组请求特殊处璁。实时数据传输如语音和视频等就可以使用f l o w t a b e l - 掌段以确保q o s 。 p a y l o a dt e n g t h ：这令1 6 位字段袭鹗了有效载蕊长发。与p v 4 毽孛熬勖撼 l e n g t h - 字段不同，遮个字段的俊并朱算上i p v 6 的1 4 0 , 位摄头。 n e x th e a d ：下一缎报头域( 8 位) ，指出了i p v 6 报头后所服的扩展报头 类型或者葛层协议类型。 h o tl i m i t , 臻陵摹城( 8 位) ，每誊一个节纛霹分缝遘蠢一次转发之轰， 这个字段就会减1 。如果该子段达到o ，此分缀将会被丢弃。 天津大学硕士学位论文 第二章移动i p 及一些改进方案 s o u r c e a d d r e s s ：该字段指明了分组的发送方地址，其长度为1 2 8 位。 d e s t i n a t i o n a d d r e s s ：长度为1 2 8 位，i p v 6 分组的接收方地址。如果使用了 路由头，那么其目的地址可以是其中某一个中间节点的地址。 h o p - b y - h o po p t i o n sh e a d e r ：逐跳选项头，紧跟在p v 6 头后，包含分组所 经路径上每个节点必须检查的选项数据。 d e s t i n a t i o no p t i o n s ：目的地选项头，用来携带有目的地节点检查的信息。 移动口v 6 对此项做了更多的定义，以支持节点的移动。 r o u t i n gh e a d e r ：路由头，指出分组在到达目的地的途中将经过哪些节点， 包含各个节点的地址歹表。 a u t h e n t i c a t i o nh e a d o r ：此扩展报头提供了一种机制，对m v 6 头、扩展报 头和净荷的某些部分进行加密。 2 1 2 2 移动m v 6 和移动坤v 4 的区别 移动i p v 6 和口v 4 的区别如表2 1 所示： 表2 1 移动p v 6 和移动诤v 4 的区剐 移动m v 4移动m v 6 转交地址外地代理转交地址或配置无外地代理，配置转交地址，可同 转交地址时有多个转交地址 优化路由由其他协议完成路由优化本身支持路由优化( 通过向通信对 端发送绑定更新) 家乡代理使用a r p 截取发往移动节通过邻居发现机制截取发往移动节 点的数据分组点的数据分组 扩展选项无拥有目的地和“第二类路由头”扩 展选项，支持节点的移动性 移动检测可能产生“黑洞”移动节点和默认路由器间的通信能 力双向确认，从而尽量躲开“黑洞” 总的来说，而移动i p v 6 除了没有外地代理的概念以及发送的同时采用隧道 和源路由技术这些区别以外，其基本的框架机制与移动坤v 4 都是相同的嘲。因此， 本文在后面的讨论中将不专门对移动口v 4 和移动w v 6 力n 以区别，而是默认为对二 者皆适用，或者是仅需进行少量的修改即可。 天津大学硕士学位论文第二章移动i p 及一些改进方案 2 2 一些移动球的改进方案 移动节点在两个不同子网之间移动时将产生切换。移动节点在新的子网上获 得新的转交地址，这需要向家乡代理重新注册，以及向通信对端重新绑定。如果 移动节点所在子网与家乡子网及通信对端距离较远，注册或绑定消息的往返时间 将会加大注册时延。由于移动节点在注册完成后才能收到数据分组，这段时间与 移动节点的通信将会被中断，并产生数据分组的丢失。移动定义了移动检测、 转交地址获取和重新建立绑定的基本过程，在此基础上，研究人员为了不同的目 标又提出了各种改进方案，以减少切换时延，维持或提高已有连接的通信质量。 2 2 1 移动口过后注册低延迟切换技术 2 2 1 1 方案概述 过后注册切换方法是对标准移动p 协议的扩展，允许新1 日j b 地代理利用二层 触发蛳( l 2 t , - l a y e r2t f i g g e r , 在第二层切换过程中发送信号通知一些二层事 件) ，在新旧外地代理之间建立双向隧道。这样，通过使用旧的转交地址，通过 旧外地代理维持已有通信连接，以减少对实时服务的影响。当和新外地代理的二 层连接建立后，移动节点再执行正式的移动注册。 当移动节点从旧外地代理所在的子网移动到新外地代理所在的子网时，将会 发生切换。在过后注册切换技术中，移动节点推迟向新外地代理的注册而使用双 向隧道保持和i n # i , 地代理的通信。过后注册的一种切换过程如图2 6 所示： 1 1 2 - 1 t 触发器 毛l l u 触发器 图2 6 过后注册的一种切换过程 1 ) 当收到目的触发消息( 1 2 - f t ：l a ) 惯2 脚t r i g g e r ) 后，新外地代理得知 一个移动节点将要移动到自己的子网上。此消息中包含移动主机的二层地址 和旧外地代理的口地址。 2 ) 新外地代理发送一个切换请求信息( h r q s t ：h a n d o f f r e q u e s t ) 给旧外地代理， 此消息包含新外地代理希望使用的隧道生存期参数和移动节点的二层地址。 3 ) 旧外地代理给新外地代理回应一个切换应答消息( i - h - p l y ：h a n d o f f r c l a l y ) 。 天津大学硕士学位论文 第二章移动i p 及一些改进方案 4 ) 当移动节点和新外地代理收到一个链路启动触发消息( l 2 一l u ：l a y e r2l i n k u p ) 时，表示第二层切换已经完成。此时，移动节点和旧外地代理都会收到 一个链路停用触发消息( l 2 - l d ：l a y e r 2l i n kd o w n ) ，从而断开与当前网络 的第二层连接。 2 2 1 2 方案评价 此方案中，新子网的正式注册过程未完成前，移动节点通过继续使用前一个 外地网络上的转交地址，来维持已有通信连接，使得切换过程中通信连接中断的 时间达到最小。此技术能够较好解决移动节点在子网间来回移动问题。但是，此 方案需要数据链路层的支持，违背了o s i 模型关于各层协议功能独立的原则，而 且需要对移动节点和外地代理的标准移动p 工作机制做较大改动。特别是当移 动节点移动较快时，此方案要求外地代理与其他许多代理间建立多条双边隧道， 可能使得当前所连接的外地代理不堪重负，引起服务崩溃。 2 2 2 移动i p 预先快速切换技术 移动m 预先切换技术。”蚴是