（计算机应用技术专业论文）移动因特网中移动性管理研究.pdf

摘要 移动因特网是因特网与各种无线网络组成的网络。现有的无线局 域网、无线蜂窝网络、卫星网络等与传统的有线因特网结合起来就构 成了移动因特网。本文主要研究移动因特网中移动性管理算法，包括 单播移动性管理算法和组播移动性管理算法。 本文在对移动因特网中单播移动性管理协议以及组播移动性管理 协议研究现状的总结和分析的基础上，提出了一种新的单播移动性管 理算法：位置管理算法和切换管理算法。该算法有效地将宏移动性管 理和微移动性管理的思想结合起来，采用我们提出的r j f 蜊e t 模型， 限制切换处理开销在移动节点附近，借鉴域外地代理的思想如模型中 的l b r ( 领导边界路由器) ，对家乡代理隐藏移动主机的移动性在l b r 管理域中，使用组播作为数据包分发机制，发送数据包给移动节点所 在a p ( 访问代理) 相邻的a p ，从而取得快速切换的性能。而且，本 文的方案基于m ，与移动口和路由优化选项相兼容。通过与 咖p ( 层次型移动m ) 协议的定性比较，也显示了单播移动性管理算法的 良好特性。对于组播移动性管理，本文基于一种简单的预测算法所提 供的必要信息，利用提前资源预留的思想，设计出了一种新的基于预 测、r s ，( 资源预留) 的组播移动性管理算法。该算法创造性地设计了 与a p 和其它n e ( 网络实体如访问网关边界路由器) 密切相关的四 种状态：n o t - i l l 一1 e 四r o l i p ( 不在组中) ，p 船s i v e r e s e r v a t i ( 被动预留) ， q u a s i r e s e r v a t i o n ( 准预留) ，a c t i v e r e s e n ，a t i o n ( 主动预留) ，以及与 a p 相关的两种范围：t r a l l s m i s s i o m t 觚g e 和r e s e r v a t i o l l r 彻g e 。通过判 断a p 的状态和移动主机与a p 之间的距离，来实施相应的移动性管 理操作。预测算法的引入减少了资源预留的盲目性，避免了带宽不必 要的浪费，而资源预留的引入使得移动主机很自然地实现平滑、无缝 切换。通过性能分析和比较，该算法具有较小的切换延迟。 关键词：移动因特网，移动性管理，单播移动性管理，组播移动性管 理，胁削e t b s t r a c t l o b 订eh l t e m e tc 0 i l s i s t so fw i r e d1 1 1 t e m e ta n da l lk m d so fw i r e l e s s n 咖o f i ( s t h ec o m b i n a t i o no fc i l r 瑚t l ye ) 【i s t m gw i r e l e s sl a n s w i r e l e s s c e l l u l a rn e t 、m o r k s ，s a t e l l i t en e t w | 0 f k sa n d仃a d “i o n a lw 捌i n t 锄e t b e c o m e s - c a l l e dm o b i l e1 1 1 t 锄c t t 1 l i sp a p e rm a i l l l yd i s c u s s e sm o b i l i 西 m 锄a g e m e n ta i g o r i t l l mi nm o b i l eh l t e m e t ，w h i c hc o r i t a i 璐i l r i i c a s tm o b i l 埘 m a n a g e m e m 锄dm u l t i c a s tm o b i l i t ym 鼬l a g e m e m 1 1 l i sp 印e rf i r s t l ys u r v e y s 柚ds t u d i e sv 撕。吣k i n d so fm o b i l 时 m a n a g e m e n tp r o t o c o l s ，廿1 e n 锄a l y z e s 锄dc o m p a r e sn l ea d v a n t a g e s 锄d d i s a d m 1 【a g e so ft i l e s ep m t o c o l s w bm e np r o p o s ean o v e lu i l i c a s t m o b i l i 哆m a n a g e m e ma j g o m 弛w t l i c hc o m b i n e se 丘e c t i v e l yt h ei d e 器o f m a c r o m o b i l i t ) ，锄dn l i c r o m o b i l i t ym 锹l a | 驴m e n t ，w h i c hm 吞k e sm nu s eo f o l l rp d 叩o s e d 尉n g n e tm o d e l ，w i l i c ha d a p t sd o m a i nf o i _ e i 印a g 饥tc o n c 印t s u c h 勰l e a d e rb o r d e rr o u t e r 正b r ) t oh i d em o b i l 蛔o fm o b i l eh o s t s w i t t 】【i i l 吐l e f o r e i 掣ld o m i n 鼬nm eh o m ea g e r 止w l l i c h 托s t r i c t st i l e h a l l d 0 行p r o c e s s i i l go v e r h e a d sw i l i i lm ev i c i l l i 锣o f l em o b i l en o d e 锄d w t l i c hu 辩sm u l t i c a s t 嬲t l l ep a c k e tf b n a r d i n gm e c l l a _ i l i s mt od e l i v e r p a c k e t st om u l t i p l ea c s sp m ) 【i e s ( a p s ) 谢吐l i i lt h ev i c i l l i 蚵o f l em o b i l e n o d et 0a c i i i e 、，ef a s th a n d o f rp t 村妇n a l l f u 埘l e m l o r e ，m i ss c h 锄ei s b a do n 廿l eh l t e m e tp r o t o c o l ( i p ) 锄di sc o m p a t i b l e 、) i ，i t hm o b i l e 锄d i t sr o l n eo p t i i i l i z a t i o no p t i o n 1 1 l r o u g l lc 唧撕s o nw i m h i 啪r c h ym 0 b i l e 球( h m i p ) ，m es c h 锄ep r e 辩n t sb e t t e rp e r f o n n 锄c et l l 锄h 限a st o m u h i c a s tm o b i l i 够m a n 必e n _ t m i sp a p e ru s e s a s i m p l ep r e d i c t i o n a i g o r i t l l m t 0 p r o 啊d en e c e s s a 珂 i l l f o r i i l a t i o nf o ra d v 舭s o u r c e 糟s e r v a t i o i l a r l dp r o p o s e san o v e lm u n i c a s tm o b i l i 曰m a i l a g e m e n t a l g o r i m mb 嬲e d 衄p r e d i c t i o n 锄d 心s 0 u r c e 他s e n ，a t i o n t h ep r o p o s e d a l g o r i t l l m t a ：k e s a d v a m a g e o fo u r d e s i 酆i e d f o i l rk i i l d so fs t a t 吣： ”n o t - i i l - m e - g u p ”，”p a s s i v e r e s e m t i o n ”，”q u 邪i r e s e n r a t i o 矿，”a c t i v e r - e s e r v a t i o n “，a n d 姗ok i l l d so f 啪星c 、】v ! i l i c ha r ec l o s e l yr ；c l a ：t e dt oa p ( a c e s s p r o ) ：t h l l l s i i l i s s i o r 凰阴g ea n dr e s e 九，a t i o n r a i l g e b yj u d g i l l gm es t a t i l s o fa p 锄dm ed i s t a 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本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允侈学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导瓣期：碰月9 日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着各种不同的无线终端如个人数据助理、手提电脑和手机的广泛使用，对 因特网传统的看法已经被移动应用程序的新的特性改变。在不久的将来，越来越 多的因特网服务可以用不同的无线设备通过广泛部署的无线网络进行平滑的接 入。 支持语音服务和数据服务的移动因特网逐渐演化成一个基于数据包的网络。 与固定网络相比，移动性是移动因特网的特性之一，因此移动因特网中的移动性 管理技术已经成为一个重要的研究领域。 本章主要介绍了移动因特网的研究背景，提出了单播移动性和组播移动性管 理的概念与移动性管理算法的设计要求，并总结了其移动性管理的研究现状，最 后阐述了对移动性管理研究的必要性及其重要意义。 1 1 移动因特网的历史 移动通信的演化可以分成几代发展，我们已经开始正要进入第三代移动系统。 广义地来说，第一代移动系统是指基于模拟技术组成的无线网络。这种网络在2 0 世纪八十年代开始投入使用，主要设计为对移动用户提高语音通信服务。第二代 无线系统主要是采用数字技术。该系统支持全球漫游，并且除了支持数字语音电 话，还支持低速率的数据传输服务如移动传真，语音信箱和短信服务。典型的系 统为g s m 系统。移动终端通过m a p ( m o b i l e a p p l i c a l i p a f t ) 信息向家乡位置寄存 器报告其位置，访问位置寄存器在本地储存用户信息，当移动终端穿过由几个蜂 窝组成的位置区域( l a ) 时，更新自己的位置信息。第2 5 代无线通信系统如g p r s 是对g s m 系统的一种改进，在此系统中，移动终端通过g p r s 服务节点向家乡 位置寄存器报告其位置，g p r s 使用的位置区域叫路由区域( r a ) ，路由区域通常 由一个g s m 位置区域的子网组成。比l a 更小的r a 使得无线电资源管理更加优 化。3 g 技术的弓l 入，面向数据包的服务使得移动多媒体服务的实现成为可能。随 着各种无线网络和传统的因特网逐渐走向融合，移动因特网开始形成。 1 2 移动因特网的特点 本文将移动因特网理解成由因特网与各种无线网络组成的网络现有的无线 局域网、无线蜂窝网络、卫星网络等与因特网结合起来就构成了移动因特网。 由于移动因特网由因特网和无线网络组成，决定了它具有因特网和无线网络 硕士学位论文第一章绪论 各自的优点和缺点。带宽窄、延迟大、可靠性差等无线通信特点在移动因特网中 也是存在的。 移动因特网最大的特点是移动性。与固定网络相比，移动性的特点带来了很 多限制： ( 1 ) 与固定网络设备相比，移动设备是资源受限的一种设备。移动设备有运算 能力、内存容量等限制，无线链路也有许多噪音、接口层和带宽限制。 ( 2 ) 移动性存在着固有的不安全的因素。无线链路一般都是一对多的通信，所 以通信第三方也可能很容易收到同样的消息。提供网络安全的加密和解密过程同 时要求很有效的能源和较大的带宽支持。 ( 3 ) 移动连通性在性能和可靠性上是高度可变的。 ( 4 ) 移动设备依靠的是有限的能源。移动设备使用的是电池电源，有限的电源 资源给移动因特网的优化设计带来更多的挑战。 ( 5 ) 同步的无线通信要求频道分离，而频道可能指时日】、频率或编码。通常无 线系统能提供的频道容量比固定网络要小得多。规范化的频谱进一步限制了能同 时服务的用户数量。 ( 6 ) 较高的噪音级别使得位出错率大大增加，紧接着缓存技术和选择性重传技 术使用之后，前向纠错算法和错误检测方案( 如循环冗余控制) 也必须使用。 1 3 移动性管理中的基本问题 移动性管理是移动因特网中使移动用户享受各种服务的核心技术。移动性管 理包含两个明显不同但相互关联的部分【1 1 ：位置管理和切换管理。前者涉及怎样 定位一个移动节点，追踪它的运动和更新位置信息，而后者主要集中在主动的数 据传输( a c t i v ed a t at r a t l s i n i s s i o n ) 过程中控制移动节点访问点的改变上。两部分的 操作如图1 1 、图1 2 所示。 图1 1 位置管理操作 2 硕士学位论文第一章绪论 切换管理 初始化| l 产生新连接i | 数据流控制 用 卢 移 网 络 环 资 源 分 连 接 路驯组 刨幽l 纠l 划l 刘划 图1 z 切换管理操作 在传统因特网中围绕两种基本的通信服务( 单播：点到点通信；组播：点到多 点通信或多点到多点通信) ，已经开展了大量的研究工作。根据通信模式是单播通 信还是组播通信f 2 j 【3 田来分，移动性管理策略可以分为面向单播通信的移动性管理 策略和面向组播通信的移动性策略，本文将面向单播通信的移动性管理简称为“单 播移动性管理”。 本文结合“组播”和“移动性”提出了“组播移动性管理”的概念。简而言之，“组 播移动性管理”是指无线和移动环境中为适应组成员的位置变化，为确保组播通信 系统的高效性而设计的一套方案、算法和协议。 移动组播通信中群组成员之间不仅具有成员关系动态性而且具有成员位置动 态性、以及成员数量可能相当巨大且分布相当分散等特点。所以，移动因特网中， 组播不仅要管理动态组播组成员，建立和维护组播树，还需要解决成员位置变化 的问题。组播移动性管理主要研究由于成员位置的动态变化对传统的组播通信协 议带来的影响及研究适合于移动与无线环境中的组播通信协议以适应组成员的位 置动态性。 1 4 移动性管理算法设计要求 在设计移动性管理算法时，下面如性能和可扩展性要求应该仔细考虑。包括： ( 1 ) 快速切换：为了确保在新位置的移动节点能在合理的时间间隔内收到i p 数据包，切换应该足够快，以此来减少数据包延迟。 ( 2 ) 无缝切换：切换算法应该使数据包丢失率为o 或接近o 。 ( 3 ) 信令通信量开销：控制数据载荷，如信令数据包的数量和访问相关数据库 的次数，应该低到一个可以接受的范围。 ( 4 ) 路由效率：通信节点到移动节点之间的路由选择路径应该优化，以排除冗 余传输或多余绕过的路径( b y p 鹕p a l l l ) ，如三角路由 ( 5 ) 服务质量：为了传递不同的通信量，移动性管理算法应该支持新的服务质 硕士学位论文第一章绪论 量预留的建立，从而减少预留建立过程中的破坏性后果。 ( 6 ) 安全且快速：移动性管理算法应该支持不同层次的安全需求，比如数据加 密和用户认证并且要求减少通信量和安全进程的时日j 。 ( 7 ) 特别要求的支持：一个新的移动性策略对已有组件要求最少的改变。这些 组件包括移动节点、路由器、通信媒体、网络和其它的通信节点等。 1 5 移动性管理研究现状 在移动因特嘲中，移动m 技术【5 l 【6 l 使得移动主机在改变网络接入点时不必改 变m 地址而保持通信的连续性。移动m 作为移动因特网中面向单播通信的移动 性管理的一种重要标准，为基于单播通信的应用铺平了道路。移动m 也提供了面 向组播移动性管理的两种基本方案：双向隧道和远程签署。双向隧道方案向外界 屏蔽了移动主机的移动性，移动主机移动时无需重构组播树，但是组播路径不是 优化的；远程签署方案具有优化的组播传输路径，但是可能引起组播树的频繁重 构。这两种基本方案代表了移动口技术与i p 组播技术结合时的两种极端情形， 因而在一般情况下并不适用。基于这两种方案已有多种扩展方梨”【8 】如移动组 播协议m o m l 9 】、基于范围的移动组播协议r b m o m 【1 0 1 、组播代理协议m a 【i l 】、 移动组播代理协议h n d a 【1 2 】【1 3 o 和m o b i c a s t 协谢1 4 1 等。 上述移动m 与口组播的结合方案并不自然，效果并不理想。其主要原因是 这样的结合没有充分考虑移动主机的移动性对组播通信性能的影响。意识到组播 和单播的移动性管理的不同，也就产生了移动因特网组播的另一研究方向。文献 【”l 提出两层的主机视图( h o s t v i e w ) 协议。h o 昏e w 由一组移动支持站( m o b i l c s u p p o f ts t a 时0 1 1 简称m s s ) 组成。m s s 代表组中聚合的位置信息。该协议通过记录 一组m s s 而不是跟踪单个的m h ，大大简化了群组成员管理。另外，由于大部分 的任务将在m s s 中完成，移动主机的任务将大大减少。但是这个协议不允许成 员动态地加入和离开，也不能创建和删除组播组。尤其是，每次“显著性移动 ( s i g n i f i c a mm o v e ) ”必然导致的全局更新不仅使得它效率低，而且引起对m h 服务 过程中长时间的中断。 文献【1 6 】提出三层r e l m 协议，用它来解决上述两层协议出现的问题。模拟结 果表明r e l m 协议与h o s t - v i e w 协议相比，它能配置更小的缓存。当组成员的数 目变得很大时，r e l m 的可扩展性将不会很好。 文献【1 7 】提出m h 、m s s 和c 0 0 r d i n a t o r 组成的三层蹦p 协议。在心佃中， 每个m s s 维护一个称为l o c a l 的数据结构，它标识着它所在的单元格中m h 的集 合。m h 的移动不会触发在有线网络中交换任何信息，且在有线网络中不会用到 切换。因此它可扩展性比r e l m 协议高。 4 硕士学伊论文 第一章绪论 除了上面提到的两层，三层协议，还有在移动因特网中基于逻辑环的可靠组播 协议f 培i 。文献【1 8 1 让基站代替移动主机加入到组播组。并且组成一个逻辑环令 牌传输协议将强行要求基站中已发送给了m h 的信息保持视图上的一致性。切换 协议用来处理移动主机的切换事件。由于所有的控制信息都不得不沿着环轮转， 当环变得较大时。可能导致较大的延迟和需要较大的缓存。 实际上，现已提出的大多数移动因特网的移动性管理协议针对单播通信，但 是一些基本思想可以借鉴到组播通信中来。比如，为了重点考虑单播通信的高效 性( 如端到端延时小，带宽利用率高) ，大多数方案提出两级移动性管理协议：在 移动主机所在的局部范围内使用微移动性管理协议( 如g e l l u i 冒l p i 嘲、h 删i 瑚l 、 层次型移动删2 1 脾1 2 3 1 ) ，这样的范围称为微移动性管理域；在各个微移动性管理 域之间则使用宏移动性管理协议( 如移动珏 ) ，这样的范围称为宏移动性管理域。 文献【2 4 】中基于多种单播微移动性管理协议，提出了一种通用的移动路由点( m 娜 方法。该方法用于动态地建立并维护从域内的m r p 根节点经由其它m r p 节点到 移动主机的单播路径。又如，为了重点考虑单播通信的平滑切换问题( 如要求切换 速度快且包丢失率低) ，有多种方案被提了出来。文献【2 5 l 中提出了基于组播的单 播平滑切换策略。基本思想是使得移动主机可能要移动到的基站( b s ，相当于 h d 蜘e w 协议中的m 8 s ) 以组播方式提前加入组播组当该移动主机切换到新的 b s 时，即可马上从新的b s 接收组播数据。 文献【2 6 1 基于黜n g n e t 模型的组播移动性管理方案，在每一个微移动性管理 域中以及邻接的多个微移动性管理域之间结合了m r p 思想阱i 和基于组播的平滑 切换思想，以实现硒n g n c t 中局部一级的高效、平滑的组播通信只有局部一级 做到了高效、平滑的组播通信，加上r m g n e t 模型很好的可扩展性，才能真正实 现全局一级的超大型、超动态的高效、平滑的组播通信。 1 6 移动性管理研究的意义 随着无线和移动设备的出现，无线通信技术正在经历着历史上最快的增长， 而且在未来还会有持续的增长用户随时随地保持在线的需求直接导致了有线的 因特网和无线网络的融合，即移动因特网的形成。 众所局知，传统的分布式计算系统，假定了各个节点之间都是通过固定网络 连接的，并保持网络的持续连接性；而移动计算系统是由固定节点和移动主机构 成的分布式计算系统，它将使用户不再需要停留在固定位置不变。而是可以携带 移动设备自由移动，并在移动过程中通过移动通信网络保持与固定节点或其它移 动主机的连接。 由于移动主机在移动过程中，受网络条件，使用方式，电源，无线通信费用 硕士学付论文第一章绪论 等诸多因素的限制，其工作方式一般不是持续联网的，而大多是间歇性入网、断 开；即反复联机与脱机。各移动主机在脱机时，需要自主持续工作；在联机时， 又需要对数据进行同步更新。由于移动性，移动主机与再联机的地点可能相距遥 远，甚至于跨越几个国家( 例如，在a 国脱机，到了b 国联机) 。伴随着用户的移 动，其网络接入点也变化无常，未来的移动因特网将支持大量的用户并对他们提 供个性化的服务，在这些系统中，用于跟踪移动用户的信令及对数据库的访问次 数将大大增加。于是，导出行之有效的移动性管理算法或策略以跟踪移动用户成 为移动计算领域的一个核心问题。可以说，移动主机的跟踪问题，是移动计算中 最具有挑战性的问题之一1 2 7 l 。 值得关注的是，在当今的分布式系统中移动性的概念呈现出许多新的形式和 应用，除了越来越多的携带移动设备的用户不是固定接入网络这一通常意义的移 动性外，目前出现了移动软件( m o b i l e 黼卜在网络的各节点之间移动的代 码及数据。移动代理( m o b i l e a g e m ) 是一种流行的移动软件。移动代理可以从一个 源计算机发出，送到一个远程的计算机上执行，也可以在网络上漫游以完成指定 的任务，它提供了一个经济有效的、异步的收集信息及获取服务的方法。移动软 件的另外一些应用包括：用户个人环境的再定位以支持无所不在计算( u b i q l l i t o l l s c o m p 砸n g ) ，服务的迁移以支持负载均衡( l 0 a db a l a i l c i n g ) 等。 由于移动主机的移动性，使得人们与移动用户的通信费用伴随着寻找它们的 当前位置的费用而增大。因此，设计一个合理、高效、优化的跟踪移动主机的系 统模型，并给出行之有效的算法及严密的理论证明，在移动计算研究领域是举足 轻重的。 移动性管理的研究结果具有广阔的应用前景，尤其适用于以下领域：移动电 子商务、卫星导航与定位、抢险救灾、无线计算机网络、无线“网上冲浪”、现有 移动通信系统的改进以及新一代移动通信系统的高效运行、视频会议、视频点播、 军事上的数字战场等。还有，移动性管理的研究，对移动软件的跟踪问题的研究 也有一定的借鉴作用。 最后，由于移动主机的移动性管理的研究成果，可以应用于世界各国( 包括我 国) 目前正在使用的移动通信网络，可以极大地提高移动通信系统的运行效率，优 化资源配置，产生巨大的经济和社会效益。因此，各国政府花巨资资助这一领域 的研究。于是这一领域已经成为一个研究热点，方兴未艾。 1 7 论文的组织 论文全文共分六章： 第一章绪论。这一章主要介绍了移动因特网的相关背景，将移动性管理分为 6 硕士学位论文 第一章绪论 单播移动管理和组播移动性管理，还介绍了移动性管理算法的设计要求，并总结 了其移动性管理的研究现状，阐述了对移动性管理研究的必要性及其重要意义。 第二章主要总结和分析了当今移动因特网中单播移动性管理的协议，并将其 按照移动性管理的区域范围和移动性管理所在的网络层次两种不同的方式分类， 分析了各种协议的优点和缺点并进行了比较。 第三章主要总结和分析了当今移动因特网中组播移动性管理的协议，并将其 按照基于移动l p 的组播移动性管理和基于层次结构的组播移动性管理两种不同 的方式分类，分析了各种协议的优点和缺点并进行了比较。 第四章主要提出了一种全新的基于r i i l g n e t 模型的单播移动性管理算法。该 算法有效地将宏移动性管理和微移动性管理的思想结合起来，使用组播作为数据 包分发机制，从而取得快速切换的性能。 第五章主要提出了基于r j n g n d 模型下的组播移动性管理算法。预测算法的 引入减少了资源预留的盲目性，避免了带宽不必要的浪费，而资源预留的引入使 得移动主机很自然地实现平滑、无缝切换。 第六章结束语。对所做的研究与设计工作进行了总结，并阐述了将来进一步 的工作计划。 ， 硕士学位论文第二章单播移动性管理协议 第二章单播移动性管理协议 早期的移动性管理协议或方案都是以单播的形式出现，因为单播简单，易于 实现，尤其是当移动主机快速切换的时候，不需要重构组播树，带宽开销小。本 章主要总结和分析了当今移动因特网中单播移动性管理的协议，并将其按照移动 性管理的区域范围和移动性管理所在的网络层次两种不同的方式分类，在分析各 种协议的基础上分别进行了比较，并小结了单播移动性管理算法的设计思路。 2 1 基于移动性管理的范围分类 宏移动性管理域和微移动性管理域的划分是相对的，主要取决于网络的管理 方式和配置方式。移动i p 由于存在三角路由问题通常只适用于宏移动性管理。在 微移动性管理域内采用微移动性管理协议。 2 1 1 基于宏移动域的移动性管理 移动i p 的功能实体包括移动节点，家乡代理，外地代理。它的工作机制是通 过周期性地组播或广播一个称为代理广播( a g e n t a d v e n i s c m c l l t ) 的消息，家乡代理 和外地代理宣告它们与链路的连接关系。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，移动节点就可象固定节点一样工作，即它不再利用移动口的其它功能。当移 动节点连接在一条外地链路上时，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 、p p p 的m c p 或手工配置。 移动节点访问 外地链路 外地代理 图2 1 移动i p 实体及其相互关系 8 硕士学位论文 第二章单播移动性管理协议 移动i l i 与蜂窝移动通信系统中的登记、查询、h l 戳h o m ei 舭砒i 曲戤画鲰吣、 v l r ( s i 自e dk c a l i 伽r e 舀s t l 玎) 等概念类似1 2 8 i 。移动i p 在网络中引入了家乡代理、 外地代理两个功能实体。移动节点以一个唯一不变的m 地址来标识( 就如手机的 手机号码) 。家乡代理的作用类似于移动通信系统中的h l r ，记录移动节点的当 前位置( 以一个临时的i p 地址来标识) 。外地代理的作用类似于v l r ，它负责检测 移动节点的移动。并为其分配临时的口地址。 移动m 优点是解决方案思想简单，当移动节点移动到外地，不需要改变当前 的p 地址，且对用户来说是透明的。另外，移动口不要求静态节点和路由器上 的协议更新，保持了向上的兼容性，且可扩展性比较好。 缺点是移动节点改变外地网络的子网时，总要产生位置更新。在移动节点极 其多的环境，信令开销增长异常迅速。另外移动疋有较大的切换延迟，数据丢失 也会发生，尤其当移动节点和家乡代理或通信节点距离很远时。 2 1 1 2 基于微移动域的移动性管理 为了克服移动口三角路由等缺陷，各种微移动性管理如蜂窝 ( c e l l l l l 站 ) 、 砘妣蟠和h m l p 等协议被提出来 2 1 2 1 蜂窝i p ( c e n u l a ri p ) 协议 蜂窝m 访问网络1 1 9 l 是由作为一个无线访同点的基站和碑数据包路由器来实 现所有移动性相关的功能。除了m 路由被蜂窝m 路由和位置管理所代替外，基 站建立在通常的伊转发引擎之上。蜂窝p 访问网通过网关路由器连向因特网。 附属于一个访问网的移动节点使用网关的m 地址作为移动m 的关照地址。如果 移动脚4 不支持路由优化。数据包首先会路由到移动节点的家乡代理，然后通过 隧道技术到达网关。网关从隧道中提取数据包然后向一个基站转发他们在蜂窝 碑网络里面，移动节点由其家乡地址标识，数据包路由没有经过隧道技术和地址 转换。蜂窝口路由协议保证数据包发送到节点的实际位置。 在蜂窝m 中，位置管理和切换支持与路由整合起来蜂窝m 网关周期性地 广播一个心跳数据包( b e p k e t ) ，此数据包在访问网络中扩散。蜂窝m 支持 两种类型的切换策略：硬切换策略和半软切换策略。半软切换与硬切换比较而言， 减少数据包丢失，提供更好的传输控制协议和用户数据包协议性能。 蜂窝m 优点很多，支持快速移动的移动节点。支持无缝移动性和呼叫，并且 无需新的数据包格式，无需封装数据包，无需地址空间分配。它还支持廉价的被 动连接( p 鹧s i v cc 舢鳅i “t y ) 和分布式位置管理 9 硕士学位论文 第二章单播移动性管理协议 缺点是蜂窝p 依靠网关充当外地代理，一旦网关外地代理失效，整个网络就 不能正常运行，所以可靠性比较差。另外q o s 管理变得更加复杂。 2 1 2 2h 勰队i i 协议 h a 、a 协议【2 0 1 依靠移动m 提供宽面积域间移动性( w i d e a r e ad o m a i l l m o b i l i 谚) 。进入新外地代理区域的移动节点分配一个配置关照地址。移动节点在 外地区域移动时保持它的关照地址不变，因此家乡代理不用卷入其中，除作移动 节点移动到一个新的区域。在砘w a 网络中的节点采用一个普通的口路由协议 且维护与移动性相关的路由信息。在某种意义上说，m 蝴，a i i 节点可被认为足一 个加强的伊路由器，现有的数据包转发功能被重用，位置信息如与移动性相关的 路由条目( m o b i l e s p e c i f i cr o u t i n g 锄仃i e s ) 通过移动节点发送的显式信令消息被创 建、更新和修改。乩娟，a i i 定义四种可选择的路径建立策略来控制访问点之间的 切换。依靠操作员在排除数据包丢失、减少切换延迟和维护数据包顺序之间所选 择的优先级，可以选择一个合适的路径建立策略。当正要接收的数据包到达一个 访问网络且当前没有获得路由信息时， l w a j i 使用i p 组播来呼叫移动节点。 h a w a i i 协议优点是在切换期间的用户通信量少且只需要很少的家乡代理的 升级，另外更容易支持q o s 、更加健壮、更可靠且扩展性更好和有效地利用接入 网络资源。 缺点是要求建立与信源相关的( s o u r c e - s p e c i f i c ) 路由器，只有在树形拓扑结构 的网络中才操作最好。 2 1 2 3 层次型移动i p 协议( h i e m m h i c a lm o b i l ei p ) 层次型移动i p 【2 1 1 【2 2 1 瞄瞧为了有效地支持微移动性而对移动m 的一个自然扩 展。第一次连接移动节点到一区域且用关照地址作为网关外地代理( g a t e w a y f o r e i 趴a g e m ) 地址进行家乡登记之后，移动节点只实行区域性登记( r e g i 伽i a l r e 西s 仃a 土i o n ) 。每次改变外地代理，移动节点都要发送此类登记信息到网关外地代 理。登记包含移动节点新的本地关照地址，移动节点在保持连接到同一个外地代 理时，网关外地代理用此地址到达移动节点。此地址要么是配置地址要么是外地 代理地址。层次型移动i p 的路由是很简单的。首先，目的地址为移动节点的数据 包被家乡代理截取且和网关外地代理建立起隧道。然后，网关外地代理解封装且 和移动节点的当前本地关照地址再建立一条隧道。 层次型移动口优点是路由很简单，可扩展性好且切换效率高，层次结构中的 上层意识不到移动节点移动的细节。 1 0 硕士学位论文第二章单播移动性管理协议 缺点是当层次比较多时，各层的信息维护就变得更加复杂；另外，在微移动 性管理域内，移动主机频繁的切换，需要精确定位移动主机的位置，从而导致切 换开销和延迟可能很大。 2 1 3 小结 移动口是为了解决移动环境中主机移动性而提出来的。但由于没有充分考虑 无线网络和移动主机本身的特点，只适合于主机切换不是很频繁的全局或宏域上 的移动性管理。对于微管理区域一般应用微移动性管理协测冽( 各种微移动协议比 较见表2 1 ) 。实际的应用中，往往是将移动印与微移动性管理协议进行结合，使 得移动性管理代价较小。 表2 - lc e l i u l a r i p 、w a i j 争h m i p 简单的比较 c i ph a 、】l r a i ih 1 】p o s i 层次第3 层第3 层第3 5 层 涉及的节点所有c m 节点所有路由器外地代理 移动节点标记 家乡地址关照地址家乡地址 ( i d ) 中间节点链路层交换机链路层交换机网络层路由器 更新方式数据包信令消息信令消息 呼叫隐式显式显式 有无隧道没有 没有 有 第二层触发切换可选择的可选择的没有 移动l p 消息没有有有 2 2 根据网络协议层次分类 计算机网络协议按层次分可逻辑地分为五层或七层。由于下一层总是为其上 一层提供网络服务，理论上移动环境中移动性的解决方案可在任意一个层上进行。 2 2 i 数据链路层移动性管理 数据链路层用于提供相邻节点闻透明、可靠的信息传输服务且有相应的检错 和纠错功能。为了支持快速和有效的切换，文献【3 0 】提出一个协议用于本地区域 内的链路层切换和口层切换。通过结合婵层的路由表和数据链路层的网桥表束 形成一个转发表哪唧_ d i n gt a b l e ) ，目的地址为移动终端的数据包通过一个简单 的表查询能被转发过来当移动终端移动时，新的路由通过移动终端发起的表更 硕士学何论文 第二章单播移动性管理协议 新可以建立起来。 优点是不需要i p 封装和没有三角路由问题。 缺点是链路层上的移动性管理在某种程度上依赖于所采用的无线技术。如无 线局域网、无线蜂窝网络和卫星网络具体移动性管理技术细节是不同的。 2 2 2 网络层移动性管理 对于移动i p ，通信节点要与移动节点进行通信，先通过固定的m 地址发送 连接请求到移动节点的家乡代理，然后家乡代理建立隧道发送消息到外地代理中， 最后通信节点和移动节点通过标准的口路由建立连接。整个移动性管理策略只涉 及网络层的m 地址的变化，所以移动m 属于网络层移动性管理协议。 2 2 3 传输层移动性管理 传输层的移动性管理协议包括m s c t p 、e 2 e 、m s o c k s 等协议。由于传输 层保证端对端的数据传输可靠，所以在此层上实现的移动性管理协议一般具有较 高的可靠性。 2 2 3 1m s c t p 协议 流控传输协议【3 1 1 ( s 仃e 锄c o l l _ 叻it f a 邶n l i s s i o np r 0 眦o i ，s c t p ) 是一个新的可 靠传输协议，和t c p 、u d p 一起为传输层上的协议。与t c p 、u d p 不同的是， s c t p 的特点是多重数据流( m u l 吐一s t r c 锄i n g ) 和多重标识( m m t i - h o m i i l 曲。近来的基 于s c t p 的协议包括a d d i p 扩展协谢豫l 。a d d i p 扩展使得一个流控传输协议端 点增加一个新的口地址或删除一个不必要的i p 地址或改变主p 地址( p r i r n a r y 癣) 来建立连接。在连接期间，其中一个事件比如加入、删除和改变发生时，流控传 输终端点通过发送一个s c t p 地址配置改变程序块( a s c o n fa d d r e 站 c o 蚯g i l r a t i o nc h 锄g ec h u n k ) 通知相应的事件到远程终端。 例如在口v 6 网络中，一个移动节点与一个通信节点建立一个s c t p 连接。m v 4 网络和m v 6 网络有相似的过程，如图2 - 2 所示。在初始化一个s c t p 连接后，移 动节点从访问路由器a 移动到访问路由器b 。假定移动节点向通信节点初始化一 个连接。产生的s c t p 连接包括移动节点的地址口2 和通信节点的地址m 1 。依次 步骤【j j 如下： ( 1 ) 为一个新位置获取一个口地址。假定移动节点从访问路由器a 移动到访 问路由器b ，因此它现在在覆盖区域( o v 盯i a p p i n gr e g i o n ) 。在此阶段，还须假定移 硕士学位论文 第二章单播移动性管理协议 动节点通过使用帆6 无状态地址配置从访问路由器b 获得一个新的地址玎b 。 ( 2 ) 加入新毋地址到s c t p 连接中。在获取新口地址后，移动节点的s c t p 通知通信节点的s c t p 它要使用新的口地址。通过发送一个s c 卵a s c o n f 字节 片到通信节点来完成此过程。移动节点从通信节点收到相应的a s c o n f 确认程序 块。 图2 - 2m s c t p 软切换过程 ( 3 ) 改变主礤地址。当移动节点进一步移向访问路由器b 时，它需要根据一 个合适的规则替代新i p 地址为主i p 地址。 ( 4 ) 从s c t p 连接中删除老m 地址。随着移动节点移近访问路由器b ，如老m 地址不活动，移动节点必须从地址列表中删除它。决定是否老驴地址不活动的规 则可以通过使用潜在的网络或物理层的信息来实现。 任何时候移动节点移动到一个新的位置，从步骤i 到步骤4 会不断重复，直 到s c t p 连接被释放。 m s c t p 优点是不需要任何网络路由器的支持可以为移动会话提供无缝切 换。另外传输层上的s c t p 协议保证了可靠传输。 缺点是在改变主伊地址时，配置一个特别的规则来触发这个主地址改变是一 个挑战性的问题。 2 2 - 3 2e 2 e 协议 e 2 e 协议彤l 包括三个重要的组成部分：寻址、移动节点定位和t c p 连接迁移。 假定移动节点改变m 地址每分钟不超过几次，这并没有阻止在同种链路技术问的 高速率的物理移动。在此系统中寻址方式和传统的因特网相同，即使用传统的m 地址。移动节点改变其附属点时，须通过某种机制获取一个新地址，然后改变d n s 域名系统中的主机名到地址的映射。重定向只发生在d n s 查询的控制信息完成 初始的查询之后。一个t c p 连接唯一地由一个四元组标识： 。该文提出一个新的迁移t c p 选项包括在s