（通信与信息系统专业论文）基于i3网络移动性支持及其性能改进.pdf

摘要 摘要 随着i n t e m e t 近年来的飞速发展，人们已经不在满足于i n t e r n e t 所提供的在固 定端点间通信，而是对网络提出了移动性需求。所谓移动性是指包括终端移动， 个人移动，服务移动，会话移动在内的各种移动性。为了满足用户对终端移动性 的需求，研究人员提出了移动i p ，即通过设置家乡代理与移动主机的i p 绑定和实 时更新，实现对终端移动的支持。针对会话移动和个人移动，研究人员又利用会 话发起协议( s i p ) ，通过类似e m a i l 形式的全球唯一的用户标识来确定用户，从 而实现对会话移动和个人移动的支持。但是移动i p 和s i p 两种解决方案存在各自 缺陷，其中移动i p 存在三角路由，切换效率低等问题，并且不支持会话移动和个 人移动；而s i p 缺乏对终端移动的支持。同时这两种方案均不支持t c p 连接，也 就是说当主机i p 变化时，t c p 连接会中断。 鉴于此，本文致力于在i 3 网络下，探索移动性的解决方案。对于i 3 网络下的 会话移动性和个人移动性给出了详细解决方案，并对i 3 网络下会话移动性进行了 信令交互演示。并且通过对i 3 网络的研究，发现了i 3 网络数据包路由不够优化问 题，提出了解决方案。其中在i 3 测试平台进行分析的基础上，增添了相关模块， 实现了会话移动性信令交互，是本文的主要工作。 首先本文分析了网络的针对移动性问题的各种解决方案，说明了各方案的不 足。然后介绍了i 3 网络，并将i 3 网络下移动性支持和当前i n t e m e t 下移动性支持 的各方案做了比对。 其次针对i 3 体系的测试的平台做了分析，整理和说明，并且通过修改该平台 演示了在i 3 网络下的会话移动性信令交互。 最后通过对i 3 网络的研究，发现了i 3 网络的路由问题，提出了路由优化方案。 还给出了f i n g e r 表的改进方案，设计了适用于i 3c h o r d 环的f i n g e r 表和邻接表数据 结构，并利用伪代码形式对方案进行了算法上的实现。 关键词：移动性，i 3 ，o c a l a ，c h o r d a b s t r a c t a bs t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e ti nr e c e n ty e a r s ，p e o p l ew a n tt oi n t e m e tp r o v i d i n g m o r ef u n c t i o n s m o b i l i t yi so n eo ft h em o s tf u n c t i o n , i n c l u d i n gt e r m i n a lm o b i l i t y , s e s s i o nm o b i l i t y , p e r s o n a lm o b i t ye t c t os o v l et h e s em o b i l i t y , r e s e a r c h e r sp u tf o r w a r d m o b i l ei p , s i pa n do t h e rs c h e m e s b u te v e r ys c h e m eh a si t sf a u l t m o b i l ei pc a n t s u p p o r ts e s s i o nm o b i l i t ya n dp e r s o n a lm o b i t y ；s i ph a ss o m ed i f f i c u l tw i t ht e r m i n a l m o b i l i t y i naw o r d ，i nt h ei n e t n e t ，w oc a n tf i n daw a y t of i ta l lo ft h em o b i l i t y 1 1 1 ei n t e m e ti n d i r e c t i o ni n f r a s t r u c t u r ep r o v i d e st h ei n d i r e c t i o nc o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t i o nt h a ti st h es e n d e ra n dr e c e i v e rd o n tk n o we a c ho t h e r si pa d d r e s sa n dm u s t c h o o s eas e r v e rt od e l i v e rt h ep a c k e tb e t w e e nt h e m t h ec o m m u n i c a t i o nh o s t su s et h e r a n d o md e l a ys a m p l es c h e m et os e l e c tt h e i rd e l i v e r ys e r v e r b u tt h ed e l a yf r o mh o s tt o d e l i v e r ys e r v e rm a yb ev e r yl a r g e ，b e c a u s et h es e r v e ri sr a n d o md i s t r i b u t i n gi nt h ew o r l d 1 1 1 ep a c k e tp a s s e db e t w e e ns e r v e r sb a s eo nc h o r dl o o k u pp r o t o c 0 1 b u tb e c a u s eo ft h e r a n d o mo fc h o r di d ，t h er o u t eb e t w e e ns e r v e r sm a yn o tb eo p t i m a l t os o l v et h e p r o b l e mi ni n t e m e ti n d i r e c t i o ni n f r a s t r u c t u r e ，t h i sp a p e rp r o p o s e st o s e to n ef i e l di n c h o r di da n dt h eo t h e rv a r i a b l ei np a c k e td a t a b a s ef o rp r o v i d i n gt h es e r v e r sl o c a t i o n i n f o r m a t i o n t h en e ws c h e m en o to n l yd e c r e a s e st h ed e l a yf r o md e l i v e r ys e r v e rt oh o s t , b u ta l s oo p t i m i z e st h er o u t eb e t w e e ns e r v e r s i nt h i sp a p e r , w ef i r s ta n a l y s ea l lt h es c h e m e st os u p p o r tm o b i l i t ya n dc o m p a r e t h e s es c h e m e s s e c o n d l y , w ed e s c r i b es i m u l a t i o nt e s t b e da n da m e n dt h et e s t b e dt od e m o n s t r a t e h o wt os u p p o r tt h em o b i l i t yi ni 3 ； i nt h el a s t ，w ef i n dt h a tt h e r eh a v es o m ep r o b l e mw i t hr o u t ei ni 3 ，s ow ep u t f o r w a r das c h e m et oo p t i m i z et h er o u t ei ni 3 k e y w o r d s ：m o b i l i t y , i n t e m e ti n d i r e c t i o ni n f r a s t r c t u r e ( i 3 ) ，o v e r l a yc o n v e r g e n c e a r c h i t e c t u r ef o rl e g a c ya p p l i c a t i o n s ( o c a l a ) ，c h o r d i i 图表目录 图表目录 2 1i 3 通信基本过程1 4 2 2i 3 多播1 5 2 3i 3 任播一1 6 2 4i 3 服务合成一1 7 2 5i 3 终端移动性17 2 - 6i 3 个人移动性18 3 1o c a l a 体系结构2 2 3 2o c a l a t c p 协议建立连接流程2 3 3 3o c a l a u d p 协议建立连接流程一2 4 3 4i 3o v e r l a y 建立连接过程2 5 3 5o c a l a 通信流程2 6 3 - 6o c a l a 平台模块划分2 7 3 7o c a l a 平台启动流程2 8 3 8 主动建立通信流程3 0 3 - 9 被动发起通信过程3 1 3 1 0i 3i d 数据结构3 2 3 1 1i 3t r i g g e r 数据结构3 2 3 1 2i 3o p t i o n 数据结构3 2 3 1 3i 3s t a c k 数据结构3 4 3 1 4i 3o p t i o nl i s t 数据结构3 5 3 15i 3h e a d e r 数据结构3 5 3 16i 3 平台启动3 5 3 1 7i n s e r t t r i g g e r s 函数流程图3 6 3 18i n i t f a k e s t a t e 函数流程图3 6 3 1 9i 3 平台建立连接流程3 7 3 2 0i 3s e r v e ：r 工作流程3 8 3 2 1p a t r i c i a 树节点数据结构3 8 3 2 2t r i g g e r 存储过程3 9 v 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图表目录 图3 2 3t r i g g e r 匹配过程4 0 图3 2 4i 3s e r v e r 包接收模块4 1 图3 2 5i 3s e r v e r 包处理函数p r o c e s s ：p a c k e t 4 2 图3 2 6p r o c e s s 函数流程图42options 图3 2 7i 3 会话移动性实现流程图4 3 图3 2 8 移动性代码实现流程4 4 图3 2 9 移动主机启动4 5 图3 3 0 会话转移主机启动4 6 图3 31i 3s e r v e r 启动4 6 图3 3 2 移动主机发送移动请求4 7 图3 3 3 移动主机向会话转移主机发送移动请求4 7 图3 3 4 会话移动主机收到移动请求4 8 图3 3 5i 3s e r v e r 收到会话转移主机t r i g g e r 4 8 图3 3 6 会话转移主机收到t r i g g e r 插入a c k 4 9 图3 3 7 移动主机收到会话移动主机t r i g g e r 插入成功消息4 9 图3 3 8i 3s e r v e r 收到移动主机删除t r i g g e r 请求5 0 图4 _ 1 由1 0 个节点组成的c h o r d 环5 3 图4 2 节点8 和4 2 的f i n g e r 表5 4 图4 - 3c h r o d 查找过程5 5 图年4 区域c h o r d 环和全球c h o r d 环5 6 图4 5 减少选取的转发s e r v e r 时延验证5 7 v i 缩略语表 i 3 m i p s i p h i p 缩略语表 i n t e m e ti n d i r e c t i o ni n f r a s t r c t u r ei n t e m e t 间接通信体系 m o b i l ei n t e m e tp r o t o c o l 移动i p s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l会话发起协议 h o s ti d e n t i t yp r o t o c o l v i i 主机标识协议 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 缉堡： 日期：瑚岔年6 月曰 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，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：缝醛 导师签名：l 垒：堡a e l 期：1 。哮年莎月日 第一章绪论 1 1 移动性综述 第一章绪论 1 1 1 移动性问题产生背景 随着人们生活的移动性以及对互联网依赖程度的增加，互联网的移动性需求 越来越大。然而当前的i p v 4 并不支持移动应用，如何基于现有互联网实现移动性 具有很大的挑战。本文从移动性问题的引出，到从应用层、网络层以及在新通信 体系下移动性的实现方案详细分析了当前互联网移动性问题及解决方案。 无线网络在过去十年中主要用于提供语音服务，这些网络实现了电话的移动 应用，移动用户数量在今后的1 2 年内将有望超过有线电话用户。在上世纪9 0 年 代，与无线蜂窝网络和移动用户同时快速增长的网络是互联网。互联网服务供应 商和用户飞速增长，互联网提供服务的类型和应用也有奇迹般地增长。然而，与 无线网络相比，互联网主要支持数据应用和服务，且不具有移动性。而第二代无 线网络也支持数据服务，但相比于语音应用只占很小的比例。 随着人们在任何时间、任何地点获取信息的需求增加，人们期望互联网能支 持移动应用。然而，互联网协议( i p ) 自身并不支持移动性，因此当设备在相同或不 同网络之间移动时，就产生了保持会话和应用连续性的问题。目前已经出现了许 多基于标准或专利方案来解决这个问题的方法，这些方法都有其优缺点。 1 1 2 移动性解决遇到的困难 支持基于i p 应用的移动性有何困难? 归根结i p 是一个基于分组的协议并且是 无连接的，不像基于连接的电路交换网络。工作于网络层的i p 是一个无连接的协 议，这表示它可以通过重新路由分组来回避在中间网络中的故障。然而，大多数 应用的传输层是使用传输控制协议，而该协议是基于连接的。当然，在传输层也 有通用数据报协议和流控制传输协议，前者是一种无连接协议，而后者是一种基 于连接的协议。然而，t c p 在过去和将来都是互联网传输层的主要协议。 一个会话或应用的两个端点使用口地址和每一个端点的t c p 端口号作为一个 电子科技大学硕士学位论文 元组( t u p l e ) ，并形成一个连接。这些标识符的任何改变都会断开连接和打断会话的 连续性。当像笔记本电脑、p d a 或移动电话这样的移动节点从一个连接点( 有线或 无线1 到另一个连接点时，网络可以为节点指定一个新的i p 地址，这种i p 地址的 改变通常会打断正在进行的会话。在无线网络中，节点可能会在不同接入点之间 频繁转换。因此，需要i p 的移动性来支持无缝会话连续性，即使节点地址( 相连接 的一个或两个元组，取决于两个端点都是移动的还是一个静止) 本身的改变。 目前的互联网具有一定程度的移动性，使用像a o l 或e a r t h l i n k 这类主要i s p 服务的用户能从一个城市到另一个城市，每一个地方都能提供同样的服务。这通 常称为“流动性 ，在这种情况下用户在连接新的连接点时必需关闭一个应用或 一个会话，并重新启动。对于很多互联网用户来讲，这种移动性已经足够了，但 无线数据网络为增强移动体验带来了发展潜力。 即使在移动设备改变它的连接点或接口类型时仍能保持会话的连续性，这就 实现了无缝移动。一个移动节点的移动可以来自一个固定的以太网8 0 2 3 连接，或 连接到i e e e 8 0 2 1 1 无线l a n ( w l a n ) 接口，甚至连接到像g p r s w c d m a 这样 的广域蜂窝接口。常用到的无缝连接的一个很好的例子就是在蜂窝网络，在该网 络中速度达7 5 m p h 的汽车中还可以支持语音通信。 1 1 3 移动i 生问题定义 移动性定义如表1 所示，一共分为以下5 类： 表1 1 移动性定义 名称描述 终端移动性用户可以带着终端移动，保持正在进行的会话和连接 会话移动性用户可以在转换终端的同时，保持正在进行的会话和连接 个人移动性通过一个唯一的用户i d ，用户可以在世界上任何地力被 访问，可以用任何一个终端发起或接收一个会话 服务移动性服务移动性指的是当用户的通信设备发生改变或用户移 动到其他服务提供商的运营网络时仍然可以使用自己在 归属网络中定制的各种业务 其他 a dh o c 移动性 其中重点要解决的是终端移动性，会话移动性和个人移动性。 在现有i n t e r n e t 体系下解决移动性问题的方案有： 2 第一章绪论 ( 1 ) 解决终端移动性：m o b i l ei p ，蜂窝i p ； ( 2 ) 解决个人移动性，会话移动性，服务移动性问题：s i p 。 1 2 现有i n t e r n e t 体系下解决移动性问题方案 1 2 1 移动i p ( m o b i l ei p v 4 ) ( 1 ) 移动i p 功能实体 1 移动节点：是指一个主机或路由器，当它在切换链路时可以不改变i p 地 址而仍能保持正在进行的通信； 2 家乡代理：是指一个连接到移动节点本地网络的主机或路由器，它保存有 移动节点的位置信息，当移动节点离开本地网络时能够将发往移动节点的 数据包传给移动节点。一个主机或路由器，它能够把由本地代理送来的数 据包转发给移动节点； 3 外地代理：是指移动节点当前网络上的主机或路由器，它提供和保存移动 节点当前的地址信息。 ( 2 ) 移动i p 工作原理 在移动i p 协议 1 中，每一个移动节点都有一个唯一的本地地址，当移动节点 移动时它的本地地址是不变的，在本地网络链路上每一个本地节点还必须有一个 本地代理来为它维护当前的位置信息，这就需要引入转交地址。当移动节点连接 到外地网络链路上时，转交地址就用来标识移动节点现在所处的位置，以便进行 路由选择。移动节点的本地地址与当前转交地址的联合称做移动绑定或简称绑定。 当移动节点得到一个新的转交地址时，通过绑定向本地代理进行注册，以便让本 地代理即时了解移动节点的当前位置。 当移动节点连接在本地网络链路上时，移动节点的工作机制和固定节点一样， 不运用移动i p 功能。当移动节点到外地网络链路上时，它通常情况下使用一个称 做“代理发现”的规程在外地链路上发现一个外地代理，并向这个外地代理进行 注册，把这个外地代理的i p 地址作为自己的转交地址，移动节点通过这种方式获 得转交地址的情况较为普遍。但在有些子网中可能没有配备代理节点，这时就需 要采用其它方法如d h c p ( 动态主机配置协议) 或是手工配置的方法在外地链路上 获得一个临时口地址作为自己的转交地址。移动节点通过上述两种方法获得转交 地址后，再通过注册规程把自己的转交地址告诉本地代理。这样当有发往移动节 3 电子科技人学硕士学位论文 点本地地址的数据包时，本地代理便截取该数据包，并根据注册的转交地址，通 过隧道将数据包传送给移动节点。但是由移动节点发出的数据包是可以直接选路 到目的的节点上的，无需隧道技术。 ( 3 ) 代理发现 移动口是使用扩展的“i c m p 路由器发现”机制作为代理发现的主要机制。 代理发现机制能够使移动节点检测出它是在本地网络链路上还是外地网络链路 上，并且当移动节点移动到一个新的网络链路上时，代理发现机制还能为它找到 一个合适的外地代理。代理发现有两种消息：一种是代理发送的周期性的代理广 告消息，另一种是移动节点发送的代理请求消息。 本地代理和外地代理在自己所连接的网络上周期性地广播代理广告消息，以 声明自己的存在。移动节点监听到这些消息后，就可以判断自己是在本地网络上 还是在外地网络上，并且判断有哪些本地代理或是外地代理连接在它目前所在的 网络上，如果移动节点发现自己仍在本地网络上，即收到本地代理发来的代理广 告消息，则不启动移动i p 功能。如果是从外地网络返回本地网络，则向本地代理 进行注册。如果移动节点检测到它已移动到一个新的外地网络上，则通过注册获 得转交地址，移动节点得到这人转交地址后再通过绑定向本地代理进行注册，以 便让本人代理存储移动节点的当前位置。 如果移动节点在一段时间内没有收到相应的代理广告消息，则应向它所在的 网络发送代理请求消息，以便让链路上的所有代理立即广播代理广告消息。 ( 4 ) 注册 移动i p 的注册过程一般是在代理发现机制完成之后进行的。一旦移动节点发 现它的网络接入点从一条链路切换到另一条链路时，它就要进行注册。另外，由 于注册信息有一定的生存时间，所有即使移动节点没有发生移动也要进行注册。 移动i p 的注册功能有：1 、移动节点通过注册可以得到外地链路上外地理代理 的路由服务；2 、移动节点通过注册可以把它的转交地址通知本地代理；3 、移动 节点通过注册可以使一个要过期的注册重新生效；4 、在先前不知道本地代理的情 况下，移动节点可以通过注册动态地得到本地代理的地址；5 、移动节点可以同时 注册多个转交地址，此时本地代理将把发往移动节点本地地址的数据包通过隧道 发往移动节点的每个转交地址。 移动i p 注册包括两种注册消息：注册请求和注册应答。注册消息放在u d p 的数据部分，u d p 数据段则放在i p 包的净荷中。 移动i p 的注册过程是用于通知本地代理通过隧道向移动节点发送数据包的。 4 第一章绪论 如果不采用安全保障措施，又有一个恶意主机用户故意发送一条假注册请求消息 给本地代理，那么所有的数据包就有可能全部送到恶意用户那里。因此安全性问 题就成为移动i p 技术中的重要组成部分，它通过注册消息结构中的扩展字段对注 册消息进行安全认证。 ( 5 ) 隧道技术 隧道技术是移动口技术中的重要内容，隧道技术有三种：i p 的i p 封装、i p 的最小封装和通用路由封装。 i p 的i p 封装由r f c 2 0 0 3 定义，用于将整个原始i p v 4 数据包放在另一个i p v 4 数据包净荷部分中。它在原始i p v 4 数据包的现有报头前插入了一个外层p 报头， 外层报头中的源地址和目的地址分别标识隧道中的两个边界节点。内层口报头( 即 原始i p v 4 数据包报头) 中的源地址和目的地址则分别标识原始数据包的发送节点 和接收节点。移动i p 要求本地代理和外地代理实现i p 的i p 封装，以实现从本地 代理至转交地址的隧道。 i p 的最小封装由r f c 2 0 0 4 定义，是移动i p 中可选的隧道方式。它通过将i p 的i p 封装中内层i p 报头和外层i p 报头的冗余部分去掉，以减少实现隧道所需的 额外字节数。但使用这种封装技术有一个前提，就是原始的数据包不能已经被分 片，因为i p 的最小封装技术在新的i p 报头和净荷之间插入了一个最小转发报头， 它不保存有关分片的情况。 通用路由封装由r f c l 7 0 1 定义，是移动i p 采用的最后一种隧道技术。除了i p 协议，它还可以支持其它网络层协议，它允许一种协议的数据包封装在另一种协 议数据包的净荷中。 ( 6 ) 路由选择 通过以上的介绍，我们已经知道移动i p 的路由选择方式。当一个移动节点移 动n # i - 地网络上时收发数据的情况： 1 首先通信节点发送数据包到移动节点的本地代理； 2 本地代理根据转交地址将数据包经隧道转发到移动节点的外地代理； 3 最后外地代理将数据包交给移动节点； 4 由移动节点发出的数据包发送到外地代理； 5 外地代理直接将数据包路由到通信节点。 但是我们不难发现，如果通信节点和移动节点都在同一个外地网络上时，通 信节点发出的数据包就要绕一个大弯，因此要进行网络路由的优化。采用路由优 化的主要障碍是安全问题，如果移动节点直接将转交地址告诉通信节点，而没有 5 电子科技大学硕士学位论文 进行有力的安全认证，那么很容易遭到简单的拒绝服务。因此i e t f 的移动i p 工 作组在i p v 6 中对各个方面进行了补充和完善。 ( 7 ) 移动i p 不足之处 虽然移动i p 技术解决了终端的大区移动问题，但却存在以下问题： 1 三角路由问题：即移动节点发往对端通信主机的包必须经过本地代理，而 从移动节点发往对端主机的包则直接发送，这在移动节点远离本地代理， 而移动节点和对端主机相邻的情况下，效率尤其低下； 2 切换问题：在切换过程中，移动节点远离本地代理时，那么本地代理与移 动节点的隧道建立于过时的位置信息将会引发严重的包丢失； 3 域内移动问题：在小范围内移动节点的频繁移动，导致频繁的切换，导致 网络中大量的注册报文的传输，从而严重影响网络性能； 4 隧道技术开销大； 5 不能有效解决会话移动性和个人移动性问题。 1 2 2 蜂窝i p 为解决移动终端在小范围内移动频繁， 注册报文的传输，从而严重影响网络性能， ( 1 ) 蜂窝i p 技术原理 导致频繁的切换，导致网络中大量的 引入了蜂窝i p 技术【2 。 蜂窝i p 网络由蜂窝口基站( b s ) 和蜂窝i p 网关( g a t e w a y ) 两大部分组成，基站 和网关统称为蜂窝i p 节点。其口路由的功能由蜂窝i p 路由和位置管理实体来完 成。许多个基站组成一个蜂窝i p 网络，通过蜂窝i p 网关接入到因特网，蜂窝i p 网 关起路由和网络互联的功能。在蜂窝i p 网关之间，网络的全局移动性由m o b i l ei p 协议来支持；而在蜂窝i p 网关内部，采用蜂窝i p 的移动性管理和切换功能来支持 网络的局部移动性。蜂窝口网络内的移动主机将网关的口地址作为它的m o b i l ei p 转交地址( c a r eo f a d d r e s s ) ，当有i p 数据包发往移动主机时，首先通过m o b i l ei p 协议原理，到达该主机所在网络的蜂窝口网关，在网关处解封装，并向基站转发。 在蜂窝i p 网络内，移动主机的地址就是其归属地址，数据分组不用再进行地址转 换和采用隧道技术，而是可以直接转发给移动主机。当移动主机发送数据分组时， 将分组通过无线方式传输到所在的基站，然后通过h o p - b y - h o p 方式由最短路径 路由到网关，通过该网关发送到因特网上。 ( 2 ) 蜂窝i p 存在问题 6 第一章绪论 虽然蜂窝i p 技术在一定程度上解决了移动终端在小区内的频繁移动问题，但 移动i p 存在的其他问题却没有得到有效解决。 1 2 3 移动i p v 6 ( m o b i l ei p v 6 ) 为解决m o b i l ei p 地址资源匮乏，三角路由等问题，引入了m o b i l ei p v 6 技术。 ( 1 ) 移动i p v 6 工作原理 移动1 p v 6 协议 3 】为用户提供可移动的i p 数据服务，让用户可以在世界各地 都使用同样的1 p v 6 地址，非常适合未来的无线上网。相对移动i p v 4 ，i p v 6 取消了 异地代理，彻底消除了三角路由问题，实现了路由优化，更好的支持移动节点的 移动性等。当移动节点在家乡网络时，其工作方式如同位置固定的主机，移动i p 不需要进行任何特别的操作。当移动节点离开家乡网络进入外地网络时，其工作 原理如下： 1 移动节点通过常规的i p v 6 无状态或有状态的自动配置机制，获得一个或 多个转交地址； 2 移动节点在获得转变地址后，向家乡代理申请注册，为移动节点的家乡地 址和转交地址在家乡代理上建立绑定； 3 移动节点可以直接发送分组给通信对端，设置分组的源地址为移动节点的 当前转交地址，家乡地址选项中是移动节点的家乡地址： 4 通信对端发送分组给移动节点时，首先根据分组目的i p 地址查询它的绑 定缓存，如果在绑定中存在匹配，则直接发送分组给移动节点。如果不存 在这样的匹配，则将分组发送到其家乡地址。发向家乡地址的分组被路由 到移动节点的家乡链路，然后经过家乡代理的隧道转发到达移动节点； 5 移动节点根据收到家乡代理转发的i p v 6 分组判断通信对端没有自己的绑 定缓存，因而向通信对端发送绑定更新建立绑定。 ( 2 ) 移动i p v 6 存在问题 1 切换问题：移动i p v 6 的目的是为了使在移动过程中通信仍然能够保持和 流畅，这就意味着在网络切换的过程对丢包和时延的要求比较苛刻。对于 交互式语音通信，可以接受的双向时延小于3 0 0 m s ，丢包率小于3 。但 是目前m i p v 6 实现的试验结果并不理想，切换速度一般在3 - 4 s ； 2 安全问题：移动i p v 6 在提供移动性的同时，也面临着更多的安全问题， 其中主要来自于绑定更新消息和移动i p v 6 的路由优化机制。对于移动节 7 电子科技大学硕士学位论文 点给通信对端发送绑定更新消息，攻击者可能向通信对端发送伪装的注册 消息，使得通信对端发送的分组重定向到攻击者指定的地方，而不是到达 目的地同样，如果攻击者重放移动节点曾经发送过的绑定更新消息，则 发向移动节点的分组将被发送到移动节点以前的转交地址。 3 不能有效解决个人移动性和会话移动性。 1 2 4 s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ( s i p ) 由上可见，无论是m o b i l ei p ，蜂窝i p ，还是m o b i l ei p v 6 技术都是在网络层 解决移动性，因此只能有效解决终端移动性问题，而对于需要上层支持的会话移 动性和个人移动性不能做到有效解决。因此提出了以应用层协议s i p 为基础的移 动性解决方案，志在解决个人移动性和会话移动性问题。 ( 1 ) s i p 协议定义 s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 会话发起协议 4 】，是由i e t f 制定的实现实时 通信应用的一种应用层控制协议，用来生成、修改和终结一个或多个用户之间的 会话。所谓的会话( s e s s i o n ) 是指用户之间的数据交换，数据可以是普通的文本 数据，也可是经过处理的音频和视频数据。 s i p 协议包含四种逻辑实体：用户代理( u s e ra g e n t ) ，代理服务( p r o x ys e r v e r ) ， 重定向服务器( r e d i r e c ts e r v e r ) 和注册服务器( r e g i s t r a r ) 。除了上述四种实体， s i p 体系中还存在位置服务器，但位置服务器与s i p 服务器之间不使用s i p 协议， 位置服务器用于存储并向用户返回可能的位置信息。 ( 2 ) s i p 协议对移动性的支持 s i p 协议在本质上支持用户通信的移动性，因为s i p 协议通过类似e m a i l 形式 的全球唯一的用户标识( s i p u r l ) 来确定用户，通常由一个带有s i p 前缀的用户 名和一个域名组成，例如s i p ：u s e r c o m p a n y c o m 。s i p 用户可以在不同终端、不 同接入网络发起注册请求，只要将自己的s i p u r l 和i p 地址告诉注册服务器，注 册成功后就会获得相应数据业务。 同时，s i p 协议也支持进行中的移动( 终端设备i p 地址改变) 会话。s i p 用户 通过“i n v i t e ”请求成功建立一个会话后，因为用户移动导致终端设备的i p 地址发生 变化，s i p 用户在原有会话未终止的情况下直接向通信对端发送一个新的“i n v i t e ” 请求( 也称为“r e i n v i t e ”请求) ，其中，会话标志仍为原有会话的标志，只是会话 连接地址更改为新的i p 设备地址，通信对端接受该请求后，即可继续原来的会话。 第一章绪论 ( 3 ) s i p 对移动性支持的不足 1 终端移动性支持不足：由于s i p 是应用层协议，因此对于口地址的变化 感应不如m o b i l ei p 等网络层支持终端移动性的技术； 2 缺乏对t c p 的有效支持：t c p 连接与i p 地址绑定，当p 地址变化时，t c p 连接中断，需要重新连接。 1 2 5 s i p 与移动i p 的结合方案 目前的s i p 是基于s i m p l e i p 机制的，会话节点只提交一个通信地址，若直接 与m i p 简单结合而不做扩展是无法发挥s i p 协议性能优势的【5 】。因为m i p 机制提 交家乡地址，对上层屏蔽了移动细节，若家乡地址“永久”不变，s i p 固有的移动支 持功能自然无法激活，而且网络层移动支持的种种局限无法消除，那么将无法发 挥出s i p 解决方案的优势。另一方面，目前s i p 和m i p 具有两套注册机制，终端 移动会分别向s i p 注册服务器和m i p 家乡代理进行注册，一次移动导致双重注册 显然也不利于节约网络资源。 ( 1 ) 家乡代理作为s i p 中重定向服务器 考虑到利用现有体系，并且在不作大变动的情况下，家乡代理很适合作为s i p 系统中的重定向服务器。同时，通过合适的协商机制，在移动节点向家乡代理进 行位置更新后，由家乡代理向s i p 注册服务器注册。移动节点除了在初始注册时 需要进行两次注册外，在以后的切换中，只需要向家乡代理注册一次就可以完成 s i p 系统中的重定向注册任务，能够节省一半的信令开销。 ( 2 ) s i p 优先的u d p 会话机制 对于m 邛v 4 来说，由于扩展能力有限，难以实现路由优化，而目前对m i p v 6 节点的路由优化支持还很不够，因此只能保证m i p v 6 节点之间实现路由优化。而 s i p 作为应用层协议，只要移动节点提交转交地址就可以避免路由冗余。因此，有 必要对s i p 作一些扩展。应用层关注m i p 中的转交地址变化，在基于u d p 协议的 应用中提交转交地址而不是家乡代理地址，因而默认通过s i p 协议处理移动性问 题，但是当基于s i p 协议的会话出现较大的丢包率时，还是要考虑由网络层解决 节点的移动性问题。 ( 3 ) m i p 的强制使用 许多上层协议要求网络层提供唯一的i p 地址来识别移动节点，即对上层来说 不希望看到节点的移动特性，在这种情况下，必须由网络层解决节点的移动性问 9 电子科技大学硕士学位论文 题。 1 3 现有移动性解决方案存在缺陷的原因分析 i n t e m e t 设计的初衷是在固定端点之间提供点对点通信，当时并为考虑移动性 问题。因此口地址即提供路由功能，又作为主机身份的标志。在移动性问题中， 以终端移动性为例，终端在移动过程中，i p 地址会发生变化，但身份没有发生变 化。然而在现有i n t e m e t 体系i p 地址的变化意味着主机身份的变化，这是显得十 分不合理。虽然移动i p 等解决方案利用一个家乡代理代替i p 地址作为主机的身份， 当移动终端m 地址发生变化时，其身份仍没有发生变化。对端发给自己的包可以 通过固定身份的家乡代理转发。但是由于移动终端有了新的i p 地址，需要与家乡 代理完成i p 地址的转换，在此问题上各种解决方案始终缺乏有效的切换办法。移 动i p v 4 由于切换报文繁琐，导致效率不高。移动i p v 6 虽然采用i p v 6 协议后解决 了三角路由问题，终端可以和对端主机直接通信，不必通过家乡代理转发包，但 在终端移动过程中口地址发生变化时，仍然需要和家乡代理进行i p 切换，效率同 样不高。至于s i p ，由于是应用层协议，对下层的i p 变化反应相对较慢，所以对 终端移动性的支持并不理想。 另外，当主机利用t c p 协议通信时，每一次t c p 连接的端口和i p 地址是绑 定的，因此当i p 地址发生变化时，该次t c p 连接必然中断，所以在现有i n t e m e t 体系下的移动性方案解决中，普遍对t c p 的支持都不好。 虽然移动i p 不论是i p v 4 还是i p v 6 可以在定程度上解决终端移动性问题， 但对于会话移动性和个人移动性却无能为力。s i p 协议尽管能解决个人移动性和会 话移动性，但对于终端移动性的支持却不理想。综上所述，在现有i n t e m e t 体系下， 缺乏一种能解决各种移动性的通用平台或方案。因此，探索新通信体系，在新通 信体系下解决移动性问题，是一种有效的办法。 1 4 本文贡献及内容 本文致力于研究i 3 网络下移动性问题的解决方案，对测试平台做了整理分析 和修改，演示了会话移动信令交互过程，还提出了对i 3 的路由进行优化的方案， 以及给出了f i n g e r 表改进方案。其中对测试平台进行整理分析和修改，并演示了会 1 0 第一章绪论 话移动信令交互过程是工作重点。具体贡献如下： 1 分析并整理了o c a l a 代码平台和i 3 代码平台，详细解析了o c a l a 和i 3 平台的结构，工作原理和通信流程； 2 通过对原平台的再次开发，设计了i 3 平台移动性实现模块，演示了i 3 体系 下的会话移动性解决方案，其中会话移动性在原i 3 体系下，只进行了简单 说明，没有进行具体演示； 3 通过对i 3 网络的研究发现，i 3 体系路由不够优化问题，提出了新的路由解 决方案，在一定程度上优化了i 3 的路由。并且给出了对c h o r d 环f i n g e r 表 的改进机制，设计了适用于i 3c h o r d 环的相关数据结构和算法实现，优化 了c h o r d 环查询时延问题。 本文的主要研究内容如下： 第二章分析了i 3 体系的结构和工作原理，以及在i 3 体系下如何解决移动性 问题。 第三章介绍了i 3 平台的实现和整个架构，其中用到了o c a l a 为了不改变现 在的t c p i p 协议栈而设置的，位于在i 3o v e r l a y 与上层t c p 之间的代理层。对 o c a l a 代理层的结构和流程进行了详细的分析，然后分析了i 3 实现的代码平台， 划分了代码模块，整理出了i 3 的通信流程，以及重点函数解析。 第四章针对选取的i 3 包转发s e r v e r 时延可能过大，以及c h o r d 环路由不够 优化问题，提出了一种针对i 3c h o r d 环的改进方案，既减少了选取的包转发s e r v c r 时延又优化了路由。并且给出了对c h o r d 环f i n g e r 表的改进机制，设计了适用于