（计算机应用技术专业论文）基于mipv6的tcp业务无缝切换性能研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 移动i p 协议是基于网络层提供移动支持功能的全方位移动解决方案，具有可扩展性、 可靠性和安全性，并使结点在切换链路时仍可保持正在进行的通信。它是移动通信与 i n t e r n e t 技术的融合，具有广泛的应用前景。 本文首先分析研究已有的几种移动i p 协议的无缝切换机制，如标准型移动切换技术 m i p v 6 、快速型移动切换技术f m i p v 6 、层次型移动切换技术h m i p v 6 以及其他一些移动切 换技术，并分析对比各种切换技术的优劣，最终提出一种“自适应的业务感知f h m i p v 6 切 换( a s s f h m i p v 6 ：a d a p t i v es e r v i c es e n s e f a s th a n d o v e ra n dh i e r a c h i c a lm o b i l ei p v 6 ) ”方 案。该方案将快速切换机制( l 2 触发机制，f m i p v 6 预先切换机制，h m i p v 6 分层注册机 制，提前注册机制) 以及平滑切换机制( 双播机制，缓存机制) 有机地融合在一起，另外 对f m i p v 6 协议中反应式切换流程进行了优化，并且能够智能化地检测上层业务流的特征， 根据不同的业务使用不同的切换策略。之后，本文使用n s 2 仿真工具进行仿真，在几种 仿真场景( 域内移动、域间移动、随机移动等) 中对m i p v 6 协议、f m i p v 6 协议、h m i p v 6 协议以及a s s f h m i p v 6 协议的切换性能分别进行仿真比较分析，得出a s s f h m i p v 6 的确 能够提供更好的无缝切换性能。最后，在l i n u x a s4 0 操作系统中实现了原型系统模型， 模拟无缝切换的整个流程，并用来测试a s s f h m i p v 6 等切换方案的可行性。 关键词：移动i p v 6 ，无缝切换，网络模拟器，时延 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m o b i l ei pi sam o b i l es o l u t i o na tn e t w o r kl a y e rw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fs c a l a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y , a n di tc a l lp r o v i d ef u l l s c a l em o b i l es o l u t i o nb ym a i n t a i n i n gt h eo n g o i n g c o m m u n i c a t i o nw h i l es w i t c h i n gm o b i l en o d e si nl i n k l a y e r i t i st h ec o m b i n a t i o no f c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n di n t e m e tt e c h n o l o g i e s ，w i t he x t e n s i v ep r o s p e c t t h i sp a p e rf i r s ta n a l y s e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ee x i s t i n gs e a m l e s sh a n d o v e rm e c h a n i s m s s u c ha ss t a n d a r dm l p v 6 ，f a s tm i p v 6 ，h i e r a r c h i c a lm i p v 6a n do t h e rm o b i l eh a n d o v e rt e c h n i q u e s ， a n dt h e np r o p o s e san e ws c h e m en a m e d a s s - f h m i p v 6 ( a d a p t i v es e r v i c es e n s e - f a s th a n d o v e r a n dh i e r a c h i c a lm o b i l ei p v 6 ) ”t h i ss c h e m ec o m b i n e ss e v e r a lf a s th a n d o v e rm e c h a n i s m ss u c h a sl 2t r i g g e r , f m i p v 6 ，h m i p v 6a n dp r o a c t i v e r e g i s t r a t i o nm e c h a n i s m ，、 ，i t ht h es m o o t h h a n d o v e rm e c h a n i s m ss u c ha sb i c a s t i n gm e c h a n i s ma n db u f f e r i n gm e c h a n i s m ，a n do p t i m i z e st h e r e a c t i o nh a n d o v e re x i s t e di nf m i p v 6 b e s i d e s ，i tc a nd e t e c tt h et r a f f i cc h a r a c t e r i s t i ci n t e l l i g e n t l y a n dc h o o s ed i f f e r e n th a n d o v e rs t r a t e g i e sa c c o r d i n gt ot h et y p eo ft r a f f i c a tl a s t ，t h ep a p e r c o m p a r e st h ep e r f o r m a n c eo ft h en e ws c h e m ew i t l lo t h e rh a n d o v e rs c h e m e si nc e r t a i ns c e n a r i o ( i n t r am o v i n g ，i n t e rm o v i n g ，r a n d o mm o v i n g ) 谢t ht h en s 一2s i m u l a t i o nt o o l ，a n dc o n c l u d e st h a t a s s f h m i p v 6p r o v i d e sb e t t e rp e r f o r m a n c eo fs e a m l e s sh a n d o v e r f i n a l l y , t h ep r o t o t y p es y s t e m i s i m p l e m e n t e da n ds i m u l a t e di n l i n u x - a s4 0 ，a n dt h er e s u l t p r o v e st h ef e a s i b i l i t y o f a s s f h m i p v 6h a n d o v e rs c h e m e k e yw o r d s ：m o b i l ei p v 6 ，s e a m l e s sh a n d o v e r , n e t w o r ks i m u l a t o ld e l a y 儿 南京邮电大学硕士研究生学位论文英文缩略词 英文缩略词 m i p v 4 m o b i l ei p v 4 ，移动i p 版本4 ； m i p v 6 ：m o b i l ei p v 6 ，移动i p 版本6 ； f m i p v 6 ：f a s th a n d o v e rm o b i l ei p v 6 ，快速切换移动i p 版本6 ； h m i p v 6 ：h i e r a c h i c a lm o b i l ei p v 6 ，层次性移动i p 版本6 ； f h m i p v 6 ：f a s th a n d o v e ra n dh i e r a c h i c a lm o b i l ei p v 6 ，快速切换和层次性移动i p 版本6 ； a s s f h m i p v 6 ：a d a p t i v es e r v i c es e n s e f a s th a n d o v e ra n dh i e r a c h i c a lm o b i l ei p v 6 ，自适应 的业务感知的快速切换和层次性移动i p 版本6 ； m n ：m o b i l en o d e ，移动结点； c n ：c o r r e s p o n d e n tn o d e ，通信对端； h a ：h o m ea g e n t ，家乡代理； d a d ：d u p l i c a t ea d d r e s sd e t e c t i o n ，重复地址检测； p a r ：p r e v i o u sa c c e s sr o u t e r ，原接入路由器； n a r ：n e wa c c e s sr o u t e r ，新接入路由器； c a r ：c a n d i d a t ea c c e s sr o u t e r ，候选接入路由器； m a p ：m o b i l ea n c h o rp o i n t ，移动锚点； p m a p ：p r e v i o u sm o b i l ea n c h o rp o i n t ，原移动锚点； n m a p - n e wm o b i l ea n c h o rp o i n t ，新移动锚点； r c o a ：r e g i o n a lc a r eo f a d d r e s s ，区域转交地址； l c o a ：o n l i n kc a r eo f a d d r e s s ，在链转交地址； p l c o a ：p r e v i o u so n l i n kc a r eo f a d d r e s s ，原在链转交地址； n l c o a - n e wo n l i n kc a r eo f a d d r e s s ，新在链转交地址； n c o a ：n e wc a r eo f a d d r e s s ，新转交地址； a p ：a c c e s sp o i n t ，接入点； p a p ：p r e v i o u sa c c e s sp o i n t ，原接入点： n a p ：n e wa c c e s sp o i n t ，新接入点； b i ：b u f f e ri n i t i a l i z a t i o n ，缓存初始化； b f ：b u f f e rf o r w a r d ，缓存转发； s h i n ：s m o o t hh a n d o v e ri n i t i a t e ，平滑切换初始化； s h r e p ：s m o o t hh a n d o v e rr e p l y ，平滑切换确认； v 南京邮电大学硕士研究生学位论文英文缩略词 r t s o l p r ：r o u t e rs o l i c i t a t i o nf o rp r o x ya d v e r t i s e m e n t ，路由器请求代理； p r r t a d v ：p r o x yr o u t e r a d v e r t i s e m e n t ，代理路由器通告： f b u ：f a s tb i n d i n gu p d a t e ，快速绑定更新； h i ：h a n d o v e ri n i t i a t e ，切换起始； h a c k ：h a n d o v e ra c k n o w l e d g e ，切换确认； f b a c k - f a s tb i n d i n ga c k n o w l e d g m e n t ，快速绑定确认； f n a ：f a s tn e i g h b o ra d v e r t i s e m e n t ，快速邻居通告； l b u ：l o c a lb i n d i n gu p d a t e ，本地绑定更新； l b a c k ：l o c a l b i n d i n ga c k n o w l e d g e ，本地绑定确认； b u m a p ：b i n d i n gu p d a t et om o b i l ea n c h o rp o i n t ，对移动锚点的绑定更新； b a c k m a p ：b i n d i n ga c k n o w l e d g et om o b i l ea n c h o rp o i n t ，来自移动锚点的绑定确认； b u h a ：b i n d i n gu p d a t et oh o m ea g e n t ，对家乡代理的绑定更新； b a c k h a ：b i n d i n ga c k n o w l e d g et oh o m ea g e n t ，来自家乡代理的绑定确认； r w p ：r a n d o mw a y p o i n t ，随机移动模型。 v i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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 含为获得南京邮电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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：才壶望盎日期：之翌：垒箩 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：塑垒垒导师签名：至幽 日期：兰堕：垒竺 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 随着计算机和网络技术的迅速发展，各种支持i p 的便携式移动终端如手机、p d a 、笔 记本电脑等日益普及，人们对这些终端的移动性提出了更高的要求。如何减小移动终端在 移动过程中的切换时延，为用户提供高质量的服务，已经成迫在眉睫的问题。在传统的i p 技术中，终端是通过固定的口地址与端口号进行相互通信，在通信期间仍要保持邛地址 与端口号不变，否则通信将会中断，不能够满足移动用户的基本需求。为了解决用户的移 动通信问题，1 9 9 2 年i e t f 组织提出了移动i p 版本4 ( m i p v 4 ) 【1 1 。 m i p v 4 协议具有灵活性和可扩展性。采用m i p v 4 协议，移动结点在不同的i p 子网问 移动时，其i p 地址可以保持不变，而且i p 层可以对上层( 传输层和应用层) 的移动透明。 移动口使得结点在从一条链路上切换到另一条链路上时无需改变它的i p 地址，也不必中 断正在进行的通信。m i p v 4 的设计目标是使用尽可能少的管理消息和尽可能少的消息来实 现对移动性的支持。这是由于移动结点一般通过无线链路接入到网络，而无线链路一般带 宽有限，误码率高，移动结点一般也要使用电池来提供能量，所以应该尽量减少功耗。基 本的m i p v 4 协议虽然成功地实现了对主机移动性的支持，但是也存在一些不足之处，如地 址空间有限，三角路由问题，切换性能问题，安全性问题等等。正是由于m i p v 4 协议的这 些缺陷，并不能提供更高质量的服务。随后，1 9 9 6 年i e t f 组织发布了移动i p 版本6 ( m i p v 6 ) 【2 】 o m i p v 6 协议的提出使移动终端在i n t e m e t 下具备良好的可操作性，解决了三角路由问 题，提供更大的地址空间以及更好的安全性，很大的改进了移动终端切换的性能，但是 m i p v 6 协议仍然在移动检测、新转交地址的配置、绑定更新三个方面有较大的时延。然而 随着网络多媒体技术的发展，对于移动支撑网络的要求变的越来越高，m i p v 6 协议不能够 实现m n 的高效切换，进而无法为上层的应用提供更高的q o s 保证。对于m i p v 6 协议中 移动检测与新转交地址的配置两方面的时延，2 0 0 5 年i e t f 组织提出了快速切换移动i p v 6 ( f m i p v 6 ) l j j ；而对于绑定更新方面的时延，2 0 0 5 年i e t f 组织提出了分层移动i p v 6 ( h m i p v 6 ) 【4 】。 在未来的通信发展中，无线通信和i n t e r n e t 的结合无疑是通信技术和业务发展的一大 趋势。t c p 是i n t e m e t 协议中非常重要的传输协议，i n t e r n e t 端到端的可靠服务大部分都是 塑塞墅皇奎堂堡圭婴塑竺兰堡堡奎兰二兰堡垒 基于t c p 之上，t c p 可以为多媒体业务传输提供可靠服务和q o s 保障。t c p 最初是针对 有线信道特性设计的，经过多年的研究和改进，已经能够有效地适应有线传输。然而，t c p 对于无线移动环境中出现的短暂的随机错误、越区切换引起的断连以及对突发丢包缺乏相 应的处理机制。t c p 不能区分不同的丢包特性，对于无线链路上的各种丢包都采用拥塞控 制机制处理，如慢启动、快速重传和快速恢复，以至于延长了整个连接的时间，降低了有 效吞吐量，使t c p 应用于无线移动环境中的性能严重下降。所以改进无线网络中t c p 业 务的切换性能是非常必要的。 目前改善t c p 在无线移动网络中的性能的方法主要集中在两方面： 1 t c p 能够根据无线网络丢包的特点采用相应的处理措施，而不是采用原有的拥塞 处理机制。但这些改进机制通常都需要改变t c p 协议本身，而t c p 协议的使用非 常广泛，想要改变它不太现实。 2 尽量对有线网络屏蔽掉无线网络的错误，使t c p 的发送方感觉不到无线链路的存 在，从而达到不影响t c p 原有传输机制的目的，这种方法主要是通过对网络层移 动m 协议的改进来达到改善t c p 在无线移动网络中的性能。本文中主要就是通过 改进网络层移动i p 协议来提高t c p 业务的无缝切换性能。 在无线移动网络中，移动结点的切换变得频繁起来。由于切换导致的时延和丢包率正 是t c p 业务所不能忍受的，时延过大会引起t c p 的超时重传等一系列问题。为了减轻这 些影响，i e t f 提出了一些m i p v 6 协议的一些扩展，如层次化注册管理、提前获取i p 地址 和区域重传机制等等。这些机制虽然能够减轻切换带给t c p 业务的影响，但这还远远不够。 所以对t c p 业务在无缝切换中性能的研究是十分必要的。 1 2 研究目的 在无线网络环境下，针对具体的t c p 业务( f t p 业务) 在无缝切换过程中的性能进行 仿真及分析，对切换产生的时延进行分析，并提出无缝切换改进方案，减少t c p 业务在无 缝切换中的时延，提高t c p 业务在无缝切换中的性能。 1 3 论文架构 第一章引言：主要介绍了m i p v 6 无缝切换的可行性和必要性。 第二章相关协议介绍：介绍了m i p v 6 协议、m i p v 6 的几个标准扩展协议( 如f m i p v 6 协议、h m i p v 6 协议等) ，并进行了其他相关机制的研究。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第三章a s s f h m i p v 6 协议研究与分析：详细介绍了a s s f h m i p v 6 协议，并针对性能 参数将a s s f h m i p v 6 协议与标准m i p v 6 以及扩展协议进行了性能比较。 第四章仿真场景及仿真结果：介绍了仿真所使用的环境以及仿真过程，并进行结果分 析。 第五章原型系统的设计与实现：介绍了原型实现所使用的环境以及模拟与测试过程。 第六章结论与未来研究：总结本论文并讨论未来的研究方向。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章相关背景研究 第二章相关背景研究 在m i p v 6 协议中，移动结点( m n ) 具有两种地址：家乡地址和转交地址。家乡地址 是由家乡代理所配置，是用来标识该m n 的固定地址，当m n 移动时，该地址不会改变； 转交地址是由外地链路所配置，是用来在外地网络中通信的临时地址，当m n 移动时，该 地址是会改变的。同时，在m 脚6 协议中，根据m n 是否向通信对端( c n ) 发送绑定更 新消息，将通信分为两种模式：一是反向隧道模式，即c n 与m n 通信都需要通过家乡代 理( h a ) 进行转发；二是路由优化【5 】模式，即c n 可以直接与m n 通信，不需要h a 的转 发。 2 i i 反向隧道模式 该模式是针对c n 不知道m n 的转交地址的情形所提出的。这种方式下，c n 发送给 m n 的数据包与m i p v 4 中一样进行路由，即它们先被路由到m n 的家乡网络，由h a 再将 它们经过隧道送到m n 的转交地址。由于c n 不知道m n 的转交地址，c n 发送给m n 的 数据包就不能够直接路由发送给m n ，这就需要将c n 发送出去的数据包先被路由到m n 的家乡网络，h a 通过隧道将这些数据包送到i v i n 的转交地址处。如果c n 在本地缓存中 没有查到相应的绑定信息，发送给m n 的数据包的目的地址是m n 的家乡地址，该数据包 会被先路由到家乡网络。h a 将这些数据包截获，并通过隧道方式将数据包转发给m n 。 当i v i n 收到h a 通过隧道方式转发过来的数据包后，它知道数据包的原始发送者没有本结 点的绑定信息，m n 向c n 发送一个绑定更新消息，通知c n 它的当前转交地址。c n 收到 绑定更新消息后就可以直接把数据包发送给m n 了。具体过程如图1 1 所示。 2 i 2 路由优化模式 该模式是针对c n 知道i v l n 的转交地址的情形。由于c n 已经知道m n 的转交地址， 那么c n 发送给m n 的数据包可以利用i p v 6 选路报头直接送给i v i n ，选路报头将m n 的转 交地址作为一个中间目的地址。c n 在发送数据包前，先查看它的绑定缓存，查找m n 的 家乡地址所对应的表项。如果在缓存中查到了相应的绑定信息，那么c n 可以利用绑定信 4 塑室坚皇奎兰堡主婴窒竺堂篁笙奎 一一 墨三童塑茎堂墨堕壅 息中的转交地址直接把数据包发送到m n ，如图1 2 所示。数据包的目的地址是m n 的转 交地址。m n 收到这个数据包后，在协议栈的i p 层将数据包的目的地址由m n 的转交地址 替换为m n 的家乡地址，再传给协议栈的上层进行下一步处理。这样网络层的移动性对上 层来说也是透明的。 固定连接 一：数据传输路径 图1 1 反向隧道模式 2 2 标准f m i p v 6 协议 、 r - ，j ， 十 一固定连接 一一数据传输路径 广百硐 i _ j 图1 2 路由优化模式 f m i p v 6 协议是一种基于预先切换的技术，通过第二层触发( l 2t r i g g e r ) 1 6 1 7 1 来预测切 换将要发生，在与当前链路保持连接的情况下，进行转交地址生成和重复地址检测【8 】【9 1 ， 从而在移动结点到达新的链路后，就可以使用新转交地址进行通信。这种技术可以减少 m i p v 6 协议中的移动检测时延和新转交地址配置时延。 在f m i p v 6 切换过程中，我们有如下假设： 1 原接入路由器( p a r ) 预先知道新接入路由器( n a r ) 的存在以及n a r 的相关信 息( 如n a r 的网络前缀等) ，n a r 允许m n 进入它管理的子网络。 2 在f m i p v 6 中，p a r 和m n 处都需要第二层的触发器来触发切换，p a r 上需要源 触发器l 2 - s t ( s o u r c et r i g g e r ) ，m n 上需要结点触发器l 2 - n t ( n o d et r i g g e r ) 。 根据是否在先前链路上收到快速绑定确认消息，快速切换分为两种模式：预先式切换 模式与反应式切换模式： 1 预先式快速切换是在m n 与当前链路仍保持连接时，当检测到新链路的信号并确 定新的链路属于新的网络时，就启动l 2 切换，进行新转交地址的配置以及重复地 址检测( d a d ) 的工作，这期间，在p a r 与n a r 之间建立一个隧道，n a r 缓存 p a r 发过来的数据，当m n 进入新网络后，直接使用新转交地址，n a r 把缓存的 数据转发给m n ； 、 甲、咖 ， ， ， 扯 、 宣室塑皇奎堂堡主堑壅竺堂垡笙奎墨三童塑差登墨竺壅 2 反应式快速切换是m n 进入到新的网络并开始使用新地址后，通过n a r 通知p a r 将数据发向m n 的新地址。反应式快速切换是预先式快速切换不能正常进行的应 急方案。 f m i p v 6 协议主要涉及三个阶段的操作：切换初始化，隧道的建立以及数据包的转发。 f m i p v 6 可以很容易地在m n 移动到n a r 之前，为其配置新的转交地址，并建立p a r 与 n a r 之间的转发隧道。当m n 连接到n a r 时，就可以立即使用该转交地址。f m i p v 6 技 术可以加快m i p v 6 协议中m n 的切换过程，减少已有通信连接的中断时间，减少在切换过 程中数据包的丢失，保证通信流的正常传输。 2 3 标准踟p v 6 协议 i e t f 移动i p 工作组在近年来的研究中，把移动分为两类： 1 域间移动：即移动主机从一个访问网络移动到另外一个访问网络。在h m i p v 6 中， 域间移动指的是m n 在不同的移动锚点( m a p ) 覆盖区域之间移动。 2 域内移动：这类移动的范围小，发生的频率高，只限定在某个区域内。在h m i p v 6 中，域内移动指的是m n 在特定的一个m a p 覆盖区域内进行移动。 相关研究表明，有6 9 的移动属于域内移动【1 0 1 。因此，如何在这种域内移动下提供快 速的、无缝的切换是提高m n 整体切换性能的一个关键因素。 h m i p v 6 可以通过使用本地层次结构，减少与外部网络的信令交互和注册时间，减少 切换中断的时间。在h m i p v 6 中，引入m a p ，它可以在自身区域内充当家乡代理来接收 m n 的绑定更新。当m n 在m a p 域内进行移动时，可以减少标准m i p v 6 协议中m n 向 h a 的绑定更新时延。 在h m i p v 6 中，m n 拥有两个转交地址：区域转交地址( r c o a ) 和在链转交地址 ( l c o a ) 。在m i p v 6 路由优化模式下，当m n 移动到一个新的m a p 域内时，首先向移动 锚点发送绑定更新报文，将l c o a 与r c o a 进行绑定，同时将r c o a 注册到家乡代理和通 信对端。如果m n 移动到一个新的网络获得新的在链转交地址时，如果是在同一个m a p 域内，此时就只需要将在链转交地址与区域转交地址在移动锚点进行注册，并不需要向家 乡代理和通信对端进行绑定更新，而对移动锚点进行的绑定更新称为本地绑定更新 ( l b u ) ，这种移动模式就是域内移动。若是m n 移出原来的移动锚点网域，到另一个移 动锚点网域，除了需对移动锚点进行绑定外，还要向家乡代理和通信对端进行绑定，与通 信对端进行绑定之前，必须要执行返回路由可达过程，这种漫游模式就是域间移动。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章相关背景研究 在h m i p v 6 中，数据包在m a p 和m n 之间是通过双向隧道的方式进行传送，所以可 以把移动锚点看作是一个以双向隧道模式运作的区域本地代理服务器，利用双向隧道来处 理在链转交地址与区域转交地址的对应关系。所以h m i p v 6 可以将切换的控制信息限制在 区域网络域中，也可以减少绑定更新与返回路由可达过程，来降低网络的负担，另外因为 移动锚点的距离比家乡代理要近，所以在切换时，绑定更新的延迟时间要比般绑定更新 的延迟时间要少。 m n 的r c o a 可以使用无状态地址自动配置方式，即由m a p 的6 4 位子网前缀和m n 的接口标识符来生成。在h m i p v 6 协议中，只是针对m n 的操作进行了扩展，并没有对其 h a 和c n 的操作进行任何改动。m a p 仅仅是一个“本地”的家乡代理，它将m n 的r c o a 与l c o a 进行绑定。 2 41 , 2 触发机制 在移动性管理的标准中规定，每次移动结点改变接入子网，就需要向家乡代理进行注 册( 第三层切换) ，这样会带来较多的网络信令开销和较大的注册时延，对于实时应用的 影响非常大。移动i p 的实现依赖于第二层链路的建立，无论在什么时候，移动结点要进 行通信，都必须有可用的链路层连接。因此，当移动结点由一个a p 改接到另一个a p ( 可 能同属一个子网，也可能分属不同子网) 时，需要进行数据链路层的切换( 第二层切换： l 2 切换) ，在链路层切换完毕后，才会进行i p 层的切换，也就是移动i p 的切换，这样显 然会造成较大的时延。 通过对移动通信系统中切换过程的分析知道：在真正的切换开始之前，移动结点和网 络要不断地监测相应的信道质量，并且要根据系统确定的各种门限来决定何时启动切换过 程。通常情况下，移动i p 的切换总是要在链路准备好了的情况下才可以进行，这样造成 的时延将会比较大，为了减少l 3 切换的时延，有研究者提出了第二层触发器( l 2 t ，l 2 t r i g g e r ) 的概念，让l 3 切换在l 2 切换发生之前就启动，一旦l 2 切换完成，那么由于 l 3 切换已经准备了相应的第三层路由，可以基本不受影响地沿着新路径进行报文收发，从 而降低甚至消除注册时延。所谓l 2 t 就是一个特定的事件已经发生或者即将发生时，从 l 2 得到的相关信息，可能包含一些参数的取值等，其中包括：触发器名，触发该触发器的 事件，何种实体接收该触发器以及必须的参数，接收者必须是在移动协议中发挥作用的实 体。 使用链路层检测和触发信息违反了i n t e m e t 协议的一般设计原则：i p 协议应该设计成 堕塞墅皇查堂堡主堕窒生兰垡笙奎墨三至塑茎笪墨翌壅 独立于底层通信技术。i n t e m e t 技术的成功很大程度上归功于这些原则。正因为这些原则， i p 协议不能以最大效率和最小代价传送i p 数据包。随着i p 技术的巨大成功，电信网络的 大部分业务将成为i p 业务数据，一方面需要将i p 协议优化，另一方面需要充分利用底层 通信技术和协议，使之完全独立于i p 协议也许是不够的。尤其是在无线环境下的i p 网络， 使用标准的i p 协议会导致很低的系统性能。将i p 层和底层通信协议相融合，在m 层利用 链路层信息是一个广泛讨论的主题，i e t f 各团体组织都有广泛的争论。尽管如此，人们普 遍认为，虽然l 2 触发使得i p 层依赖于所采用的底层通信技术，但利用链路层信息能够带 来更大的i p 数据包传输效率。由于底层通信技术的多样性，就原本与底层通信技术和协议 独立的i p 层而言，也许会发展成多种特定的协议栈。这反过来会影响和阻碍异种全i p 无 线网络应用的发展。 2 5 缓存机制 缓存机制是一种平滑切换机制，主要在m a p 或a r 中实现。切换开始之前，m n 通知 缓存结点( m a p ，p a r 或n a r ) 开始缓存从c n 传过来的数据包，m n 进入到新网络后， 再次通知该缓存结点释放这些数据包。对不同的服务类型，可以采用不同的缓存操作，例 如对高优先级数据包，切换中应防止数据包的丢失，对低优先级数据包，如果没有足够的 缓存空间，可以进行丢弃。 缓存机制引入了许多新的报文消息或选项，例如b i ( b u f f e ri n i t i a l i z a t i o n ) ，缓存初始 化选项，通知a r 进行缓存；b f ( b u f f e rf o r w a r d ) ，缓存转发选项，通知a r 把缓存的报 文发向m n ；s h i n ( s m o o t hh a n d o v e ri n i t i a t e ) ，平滑切换初始化，由m n 发出，通知p a r 将收到的分组发向n a r ；s h r e p ( s m o o t hh a n d o v e rr e p l y ) ，平滑切换确认，n a r 收到 s h i n 后从n a r 发向p a r 。 文献【1 1 】定义了m i p v 6 的一种缓存机制，m n 要求当前子网的路由器缓存它的数据包， 直到m n 完成向新子网内路由器的注册过程。一旦注册完成，m n 在新网络中就有了合法 的c o a ，缓存的数据包从先前的路由器转发过来，减少了移动过程中的数据包丢失的可能 性。文献【1 2 使用新子网中接入路由器来缓存数据包，当m n 向新子网内路由器的注册的 同时，也通知新a r 把缓存的数据包发过来。 2 6 双播机制 显然地，快速和分层移动i p v 6 能够很大地减少切换时延带来的问题。然而存在另外一 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章相关背景研究 种引起丢包的原因：我们不知道移动结点何时移动或接入到新的a r 。在许多情况下，数 据包都会被过早地或过晚地发送出去，这种状况可能导致很大的丢包率，针对于该问题， 提出了“同时绑定【1 3 】，策略，即双播策略。 在许多无线网络中，我们不可能准确地知道一个m n 何时断开与p a r 的连接或何时建 立与n a r 的连接。因此，几乎不可能决定何时开始在p a r 与n a r 之间转发数据包。一 些无线技术包含了l 2 触发消息，这些消息用来通知m n 立即开始切换或者简单地验证m n 是断开连接还是已建立连接。然而，即使a r s 能够提取这些消息，p a r 在m n 连接到n a r 之前也没有足够的时间来检测m n 的连接状态和开始在n a r 上缓存数据包，这是因为无 线l 2 切换时间是比较短的。 针对该问题的一种简单解决方法就是在一段时间内在p a r 上双播或多播数据包给一 个或多个可能接入的n a r 上。因此，m n 能够独立地接受到在l 2 切换中断中传输的数据 包。 2 7 其他相关研究介绍 t c p 是目前i n t e m e t 中事实上的可靠传输协议的标准，它的一个基本假设是所有的丢 包都是由网络拥塞引起的，每次检测到丢包，t c p 都要启动相应的拥塞控制机制。这个假 设在固定网络中是成立的，而且工作得很好，正因为如此，t c p 才会得到如此普及地应用。 但是在移动i p 环境下，这个假设就不一定成立。 在移动i p 环境下，下列三种情况都可能导致t c p 分组的丢失：一是固定网络的拥塞； 二是发生在无线链路的误码或包丢失( 移动i p 环境中最靠近m n 的一段链路一般是无线 链路) ；三是由于移动i p 切换引起的丢包。在这三种情况下，发送端的t c p 都会启动拥塞 控制机制。事实上，除了第一种情况之外，其它两种情况并不需要t c p 进行拥塞控制。针 对第二种情况，文献 1 4 】中提出一种具备传输层知识的链路层重传协议：s n o o p 协议，它的 核心思想是在最靠近m n 的固定结点处设置一个代理，该代理将c n 发送给m n 的t c p 包缓存起来，并通过检查m n 返回的a c k 来决定是否进行链路层重传，该协议较好地解 决了无线链路中的误码和丢包对t c p 性能的影响问题。第三种情况的丢包，是由于m n 移 动切换所导致，由于切换时间较长，通常会导致t c p 流量控制窗口中的所有包都丢失；同 时，在切换期间内，m n 无法收到任何数据包，所以也就无法向c n 回送a c k 。基于这两 个原因，对于切换引起的丢包，t c p 无法启动快速重传机制，只能通过计时器超时重传来 恢复。会使得t c p 连接的中断时间更长，使t c p 性能恶化。文献f 1 5 1 中的研究表明，由于 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章相关背景研究 移动i p v 6 切换引起的t c p 连接中断时间可以达到6 s ，最严重的可以达到1 2 s 左右，其间 有多次的超时重传。 文献【1 6 】对已有的m i p v 6 协议及其扩展协议，仿真分析它们的性能，并研究影响切换 性能的各种可能因素。文献 1 7 】提出了一种双播机制，该机制是结合f m i p v 6 使用的，使 得在快速切换中尽量多地接收到数据包，减少数据包的丢失，唯一的问题就是需要进行一 段时间的重复数据包检测，通过仿真比较分析，该机制能够使得切换过程尽量平滑。文献 【1 8 】同样也对这几种m i p v 6 协议进行仿真比较，对各协议的性能进行了分析。文献 1 9 1 1 2 0 仿真比较了m i p v 6 ，f m i p v 6 和h m i p v 6 三种协议，并提出了一种s m i p 技术，它引入了 决定引擎( d e ：d e c i s i o ne n g i n e ) 实体，根据m n 的移动模式来决定切换策略，该技术能 够在切换过程中自适应地改变切换策略，以便获取更好的切换性能。文献 2 1 1 介绍了一种 主动网技术来辅助切换，引入了主动路由器( a c t i v er o u t e r ) ，它具有可编程交换机的功能， 主动程序存储在主动路由器中，主要用来记录m n 的信息和跟踪m n 的移动，在以后的 m n 移动中发挥其主动作用。通过仿真分析得出，使用该技术能够减少切换等待时间、减 少m n 和h a 的往返时延，具有较好的切换性能。文献 2 2 提出一种当m n 快速移动时切 换性能不佳的解决方案。m n 快速移动时，f m i p v 6 切换过程很可能被迫进行反应式切换， 并不能提供较好的切换性能，该解决方案在h m i p v 6 的基础上增加了组播机制，提前将数 据包发往m n 附近的接入路由器，减少数据包的丢失，缺点是带来了较大的通信负载，该 论文仿真结果表明，该方案切换性能明显优于f m i p v 6 的反应式切换方案。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章a s s f h m i p v 6 协议研究与分析 第三章a s s f i t m i p v 6 协议研究与分析 3 1 协议框架 如图3 1 所示，无缝切换机制位于协议栈的第三层，即网络层。主要有l 2 触发管理、 标准切换管理、快速切换管理和平滑切换管理四个模块组成。其中l 2 触发管理模块使用 了l 2 触发机制，标准切换管理模块可以分为隧道机制和路由优化机制，快速切换管理模 块主要由f m i p v 6 协议和h m i p v 6 协议组成，平滑切换管理模块主要使用了双播机制以及 缓存机制。这些机制在上一章节都有详细介绍。 图3 1 模块结构 a s s f h m i p v 6 协议将标准f m i p v 6 协议与标准h m i p v 6 协议有机地融合起来，形成 f h m i p v 6 协议；另外，在实现中我们使用l 2 触发器来触发切换的发生；并在切换期间使 用了双播机制【2 3 】【2 4 1 和缓存机制【1 0 】【2 5 】来减少数据包的丢失，使得切换尽量地平滑；在切 换的绑定更新部分，我们使用了提前注册机制，减少了域间切换时绑定更新的时间；最后 我们改进了标准f m i p v 6 协议中的反应式切换过程，提高切换的整体性能。 3 2 协议流程分析 a s s f h m i p v 6 协议能够根据具体业务来自动选择相应的切换策略。在实现过程中，我 堕室坚皇奎兰堡主婴壅竺兰垡堡奎 一 茎三童垒! ! ：! ! 型! ! ：! 堡坚堕壅兰坌堑 们是在p a r 处进行业务流的检测。具体为：在p a r 处检测收到的i p 数据包，通过分析i p ， 数据包报头的流标签字段，使a r 获知正在传输的数据包属于哪种类型的应用数据流。这 种做法需要业务的应用程序支持，具体的业务应用程序需要使用特定的流标签值。p a r 处 分析出业务流类型后，随后将结果利用一些信令消息的交互通知给n a r ，n a r 将针对不 同的业务流使用相应的缓存策略。 针对不同的业务流，我们采取不同的切换策略，主要区别就是双播的时机以及缓存的 大小。v o i p 类的业务，可以接受一定比率的丢包，基本不会影响正常的通信，这样的话， 对于这类的业务，在切换过程中就不需要进行双播，这主要是为了减少空中接口的负载。 t c p 类的业务，对丢包比较敏感，丢包会导致一系列的t c p 重传问题，这样会降低切换性 能。另外，缓存的大小也影响着数据传输的可靠性与实时性，总的原则是，对t c p 之类的 可靠业务流的缓存，在保证不会导致t c p 重传的条件下要尽