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北京邮电大学硕士研究生学位论文 一种基于移动ip v 6 的多接口移动节点地址选择方法 摘要 随着信息网络技术的发展，用户对移动性的要求越来越高。移 动i p v 6 协议的出现，使得单一接口的移动节点在i p v 6 子网间移动 时可以保持其通信的连续性。 与此同时，全球范围内存在多种无线接入网络，但是单一网络 很难满足不同类型业务对带宽、时延等多方面的需要，同时也很难 保证用户对移动性的需求。如果移动节点只具备单一的网络接口， 将很难保证其通信的连续性和高效性。因此需要具备不同类型的网 络接口、可以同时接入多个网络的移动节点。多接口移动节点的出 现将可以更好的实现持久以及广域网络的可连接性，同时能够提供 更大的带宽以及更可靠的服务。 由于标准的移动i p v 6 协议不具备同时处理多个家乡地址或者转 交地址的能力，当多接口移动节点同时或者选择性的使用多个地址 时，需要一种方案来选取合适的地址用于通信。然而，针对该问题， 目前国内外尚没有成熟的方案和技术。本文通过引入地址选择系统 的方式，设计了一种综合考虑链路和接口特性、业务的属性以及用 户喜好等因素的地址选择方案。给出了该地址选择方案与移动i p 协 议协调工作的方式，并且根据应用场景的不同，分别讨论了其具体 流程及应用优势。 为了验证地址选择方案的性能，本文通过对n s 2 的扩展，实现 了地址选择方案，对此方案进行了仿真分析，并与采用轮询的负载 分配方式进行了对比。主要比较了吞吐量、接口利用率等因素，进 而反应出系统负载分配情况，得出进行地址选择后，系统负载分配 更为合理、有效的结论。 关键词：移动i p v 6 、多接口、地址选择、负载分担 北京邮电大学硕士研究生学位论文 an e wm e t h o df o rm u l t i i n t e r f a c ea d d r e s ss e l e c t i n gb a s e do n m o b i l ei p v 6 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，e s p e c i a l l yt h ee m e r g e n c eo fn e w k i n d so fn e t w o r k s ，t h er e q u i r e m e n to fm o b i l i t yi si n c r e a s i n g m o b i l ei p m a k e sam o b i l en o d ew i t hs i m p l ei n t e r f a c ec a na c c e s st h ei n t e m e ta t a n y t i m ea n da n y w h e r e n o w a d a y s ，h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k sa r eu s e dw o r l dw i d e l y h o w e v e r , n o n e t w o r ki n t e r f a c ei t s e l fc a n k e e p c o m m u n i c a t i o n c o n n e c t i v i t ya n de f f i c i e n ta n y w h e r e t h e r e f o r e ，m o b i l en o d em a y u s e v a r i o u st y p e so fn e t w o r ki n t e r f a c e st oo b t a i nd u r a b l ea n dw i d ea r e a n e t w o r kc o n n e c t i v i t y , a n da l s ob e t t e rs e r v i c e s c u r r e n t l y , s p e c i f i c a t i o n so f m o b i l ei p v 6l a c kt h es u p p o r to fm o b i l e n o d e sw i t hm u l t i p l ea d d r e s s e su s e ds i m u l t a n e o u s l y a c c o r d i n g l y , a m e c h a n i s mw o u l dt h e nb en e e d e df o rt h em nt os e l e c tw h i c ha d d r e s s s h o u l db eu s e dw h e nan e wc o m m u n i c a t i o nf l o wi si n i t i a t e d i nt h i s p a p e r , w ed e f i n eam u l t i h o m i n ga d d r e s ss y s t e ma n dt h e np r o p o s e da l l a d d r e s ss e l e c t i n gs c h e m ew h i c hc o n c e r n su s e rp r e f e r e n c e s ，t y p eo f i n t e r f a c e ，l i n kc h a r a c t e r i s t i c s ，a n ds o m ef l o wa t t r i b u t e s w ea l s od e t a i l t h eb a s i ce x p l a n a t i o nu n d e re a c ht y p eo fs c e n a r i oa n da n a l y z et h e a d d r e s ss e l e c t i o nm e t h o d t oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fa d d r e s ss e l e c t i n gs c h e m a ，w e d e v e l o pam o d u l es u p p o r t e dt h i sp r o p o s a lb a s e d o nn s 一2a n dt h e nd ot h e s i m u l a t i o n c o m p a r i n gt h et h r o u g h p u tb e t w e e nb a s i cl o a da s s i g n m e n t m o d e ( t h a ti s ，u s i n ge v e r yi n t e r f a c ei nt u r n ) a n da d d r e s ss e l e c t i o nm o d e ， w eg e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h es c h e m ap r o p o s e di nt h i sp a p e rm a k e st h e l o a da l l o c a t i o nm o r er e a s o n a b l ea n de 伍c i e n t k e y w o r d s ：m o b i l ei p v 6 ，m u l t i i n t e r f a c e ，a d d r e s ss e l e c t i o n , l o a d d i s t r i b u t i n g 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 王盛颦 日期： ) 磁：主：丞 j 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权 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，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：趟：三：2 玉 日期：丛：圣：五 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着信息网络技术的快速发展，尤其是一些新型网络技术的不断出现，人 们对信息的需求在内容和获取方式上也出现了变化，不再满足于使用固定终端 或单个移动终端连接到互联网上，而是希望能使用移动终端，在运动中仍可以 从互联网上连续的获取信息。因此i e t f 于2 0 0 4 年提出了r f c3 7 7 5 ，即移动p v 6 协议( m o b i l ei p v 6 ，m i p v 6 ) 【l 】，它的出现使得单一接1 2 1 的移动节点( m o b i l e n o d e ， m n ) 在口v 6 子网间移动时可以保持其通信的连续性。 同时，无线技术也在快速发展，我们可以通过多种无线网络在移动过程中 接入到因特网，包括w w a n ( w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k ，无线广域网，如 g s m 、g p r s 、u m t s 等) 、w m a n ( w h l e s sm e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ，无线 城域网，如8 0 2 16 a c d e f g h i k 等) 、w l a n ( w i r e l e s sl 0 c a la r e an e t w o r k ， 无线局域网，如8 0 2 1 la b 9 7 i n e f h 等) 、w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ， 无线个人网络，如8 0 2 1 5 1 、8 0 2 1 5 2 、8 0 2 1 5 3 a 、8 0 2 1 5 3 b 、8 0 2 1 5 4 等) ，通 过多种无线接入方式接入因特网成为未来网络发展的趋势。但是单一网络很难 满足不同类型业务对带宽、时延等多方面的需要，同时也很难保证用户对移动 性的需求。而往往某个地方总会有一种或多种接入方式，如果能够根据各种接 入方式不同的性能、代价等因素进行合理的调整，选择性价比较高的接入方式； 或者同时利用多种接口接入方式，将能提供更大的带宽以及更可靠的服务。因 此多接口移动节点应运而生。多接口移动节点具备多个网络接口，可以同时接 入不同的网络，在数据传输的可靠性、持久性等方面具有明显的优势，也是支 持泛在、异构的移动性管理技术的研究的研究方向之一。 然而，由于标准的移动i p v 6 协议不具备同时处理多个家乡地址或者转交地 址的能力，目前仍缺乏对移动节点同时使用多个接口、多个地址的支持【2 1 。在 多接口移动节点与移动口结合时，就会因此产生许多问题，例如：地址改变问 题以及如何在多个地址中选取合理地址进行通信的问题。本文中，将地址选择 问题作为研究的重点。另外，如何使地址选择机制与移动d 相互协调配合工作， 也是我们关注的问题之一 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 2 项目背景 国家8 6 3 计划项目“支持泛在、异构的移动性管理技术一 ( n o 2 0 0 6 a a 0 1 2 2 2 9 ) 旨在满足用户的移动性需求，向用户提供跨泛在、异构 接入网络的无缝业务。建立支持泛在、异构的移动性管理技术系统理论，包括 移动性管理协议参考模型和网络参考模型；重点突破支持泛在、异构的移动性 管理关键技术。如何利用多接口移动节点，更好的为用户提供服务，也是此课 题需要解决的问题之一。 1 3 论文研究工作 本论文根据上述的研究背景及项目背景，研究两方面的内容。第一，如何 在多接口移动节点多个可用的地址中，选择合理的选择进行通信的问题。第二， 提出的地址选择方案如何与移动口相结合的问题。因此，我们分析了多接口移 动节点与移动m 结合产生的种种问题( 例如：负载分配不合理等) ，在此基础 上，提出了一种综合考虑了业务属性、链路和接口特性、能耗以及用户喜好等 多种因素的地址选择方案。同时，探讨了该方案与移动i p 协调工作的机制，并 且根据转交地址( c a r e o f - a d d r e s s ，c o a ) 和家乡地址的关系，将场景分为三类 进一步分析讨论了其具体的流程、优势等。 在仿真验证过程中，我们首先通过使用多接口模块以及手动路由代理模块 对n s 进行了扩展，使其支持多接口移动节点，同时该移动节点的各个接口可 以分别连接不同的信道( c h a n n e l ) 。随后对路由代理( r o u t i n ga g e n t ) 部分进行 了修改，实现了地址选择系统。在此基础上进行了仿真，从吞吐量出发，分析 了节点的负载分配情况，得出结论。 1 4 论文结构 论文后续章节内容安排如下： 第二章介绍了移动口的历史和基本机制，分析了多接口移动节点在通信 方面的优势、特点，以及目前其与移动口结合存在的问题，尤其是地址选择问 题，针对这一问题的研究现状。 第三章首先给出了地址选择系统的结构，将其化分为三个模块：多接口地 址列表：用于记录移动节点多个接口的信息；列表管理模块：负责对多接口地 址列表中的内容进行插入、删除、修改等方面的维护和管理工作；决策模块： 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 综合考虑业务属性、多接口地址列表等各项内容，进行地址选择过程。随后对 这三个模块分别进行了具体的分析。 第四章首先概要的分析了在现有机制的基础上，多接口地址选择方案如何 与移动口协议协调运作，并根据转交地址与家乡地址的关系，将应用场景分为 三类，进一步讨论了本方案可能的运行机制以及该场景下的优势。 第五章分析地址选择方案的性能，这部分主要是通过仿真，首先对n s 及 仿真所用模块进行了介绍，随后站在吞吐量的角度对仿真结果进行分析。同时， 与基本的负载分配方式进行了比较。 第六章对全文进行总结，对本方案的优势和不足进行了综合的分析，提出 了下一步的研究方向。 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动ip 协议与多接口移动节点 本章主要是对地址选择问题的研究背景进行分析。从移动m 出发，介绍了 基本的机制等，分析了多接口移动节点的优势及特点，指出了多接口移动节点 与移动结合所产生的问题，以及针对地址选择问题，目前的研究现状。 2 1 移动i p 协议 当前，互联网规模正以惊人的速度不断扩大，同时移动通信也在突飞猛进 的向前发展。任何人可在任何时候、任何地方、与任何人以及相关的物进行任 何形式的通信逐渐成为一种可能。移动口技术正是在这种趋势下产生的一种支 持移动用户和互联网连接的技术，它能够使移动用户在改变位置的同时无需中 断正在进行的通信。例如，用户通过无线局域网使用其笔记本电脑进行f 1 限文 件传输，而此时又需要携带电脑移动到大楼另外一层的办公室( 通常这意味着 通过另外一个局域网接入) 。虽然仍可以通过w l a n 技术接入互联网，但需要 配置一个新的i p 地址，这样必须中断进行中的文件传输而重新下载。移动i p 技术则可以很好的解决这个问题，其核心思想是在用户终端设备在不同子网间 移动的过程中使用一对i p 地址标识用户并传输数据。 移动口协议存在两个版本：移动i p v 4 协议( m o b i l ep v 4 ，m i p v 4 ) 口j 【4 j 1 5 】和 移动p v 6 协议。1 9 9 6 年标准化的移动口v 4 协议可以实现在用户移动的同时保 持其现有通信的连续性。然而，移动v 4 协议存在“三角路由一问题和口v 4 地址有限等缺点。为了克服这些缺点，i e t f 移动工作组2 0 0 4 年6 月正式推出 移动i p v 6 协议。移动i p v 6 协议取消了移动i p v 4 协议中外地代理这一功能实体， 保留了移动节点和家乡代理( h o m e a g e n t ，h a ) 这两个功能实体。相对于i p v 4 ， i p v 6 具有的1 2 8 位的地址长度，地址自动配置，以及认证和安全扩展包头等特 征使得它比i p v 4 更加适合移动业务。 2 1 1 基本机制 当移动节点在家乡网络时，采用传统互联网的路由机制把数据包传送到移 动节点的家乡链路( h o m el i n k ) 上。当移动节点在外地链路( f o r e i g nl i n k ) 上时，可以通过转交地址的绑定来达到此目的。移动节点可以通过有状态自动 配置( s t a t e f u la d d r e s sa u t o c o n f i g u r a t i o n ) 或无状态自动配置( s t a t e l e s sa d d r e s s 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 a u t o c o n f i g u r a t i o n ) 来获得其转交地址。移动节点的家乡地址和主转交地址之间 的关联就是所谓的“绑定”。当离开家乡时，移动节点将它的转交地址向家乡代 理进行注册。移动节点通过发送给家乡代理一条绑定更新( b i n d i n gu p d m e ，b u ) 消息来进行这种绑定注册。家乡代理通过发送绑定确认消息来回应移动节点的 注册请求。 移动i p v 6 网络结构如图2 1 所示。 i n t e r n e t 溪 图2 1 移动i p v 6 网络结构示意图 图2 1 中，可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并 可使用其家乡地址( h o m ea d d r e s s ，h o a ) 保持可连接性的i p v 6 主机称为移动 节点。家乡代理是指位于移动节点的家乡链路上的路由器，当移动节点离开家 乡网络时，它负责把发往移动节点的分组封装后通过隧道转发给移动节点，并 且维护移动节点当前位置的信息。通信对端( c o r r e s p o n d e n t n o d e ，c n ) 是与移 动节点通信的i p v 6 实体，可以是移动或固定节点，不一定必须支持移动i p v 6 。 如图2 1 所示，移动节点和通信对端之间的通信有两种模式： ( 1 )双向隧道模式，不需要移动i p v 6 协议的支持且不需要移动节点将 它与通信对端的绑定进行注册。通信对端发来的数据包被路由给家乡代理，然 后通过隧道到达移动节点。移动节点发来的数据包通过隧道传给家乡代理( 反 向隧道) ，然后被路由给通信对端。在这种模式中，家乡代理使用邻居发现机制 截获送往家乡地址的数据包。每一个被截获的数据包都通过隧道转发给主转交 地址。通信流程如图2 2 所示。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 ” 7 。潞嬲姆萨“ l n t e r n e t 飞k 广 d 厂 图2 - 2 双向隧道通信模式 ( 2 )路由优化模式【6 】，需要移动节点在通信对端上注册它当前使用的转 交地址。通信对端发来的数据包将直接被路由到移动节点的主转交地址上。当 发送i p v 6 分组时，通信对端根据分组目的i p 地址查询它的绑定缓存，如果绑 定缓存中存在匹配，通信对端将使用第二类路由头，分组的目的地址换成查询 获得的转交地址，第二类路由头中的地址是移动节点的家乡地址。移动节点发 送分组给通信对端时，在目的扩展报头中使用家乡地址选项，设置分组的源地 址为移动节点当前转交地址，家乡地址选项中是移动节点的家乡地址。这种机 制缩短了通信路径，优化了分组的传输路径。其通信流程如图2 3 所示 铲 n t e r n e 了 刘 习 图2 - 3 路由优化通信模式 当移动节点移动到别的外地链路时，将会获得一个新的转交地址，它要进 蓼h 北京邮电大学硕士研究生学位论文 行重新登记。此时不仅要向h a 登记绑定更新信息，而且还要向绑定更新表中 的每个通信对端发送绑定更新信息，以便它们能够随时跟踪m n 。当m n 回到 本地链路时，它会要求绑定更新表中的通信对端取消一切地址绑定。 这种机制对于p 层以上的协议层是完全透明的，如t c p 、u d p 及所有的 应用程序。d n s 中移动节点的条目是记录家乡地址的，因此当移动节点改变网 络接入点时，d n s 不需要改变。事实上，移动m v 6 协议影响了数据包的路由， 但是却又独立于路由协议( 如r i p 、o s p f 等) 本身。 2 1 2 返回路由过程 返回路由过程是移动i p v 6 协议路由优化的安全机制。基本内容是一个移动 节点检验通信对端是否能够回复发到指定地址的数据包。图2 - 4 显示了返回路 由过程的消息流程 l m n il h a l 洲l i h o m et e s ti n i t lh o m e t e s ti n i t c a r e - o f t e s ti n i t h o m et e s t h o n et e s t c a r e - o f t e s t b u b a c k 图2 - 4 返回路由过程流程图 ( 1 ) h o m et e s ti n i t 负责把移动节点的家乡地址和家乡测试初始c o o k i e 通知给通信对端，请求通信对端提供家乡加密令牌。经过家乡代理到达通信节 点，此消息的源地址是移动节点的家乡地址，目的地址是通信对端的p 地址。 ( 2 )c a r e o f t e s ti n i t 把移动节点的转交地址和转交初始测试c o o k i e 通知 给通信对端，请求通信对端提供转交加密令牌。此消息的源地址是移动节点的 转交地址，目的地址是通信节点的口地址。 ( 3 ) h o m e t e s t 是通信节点对h o m e t e s ti n i t 消息的响应，源地址是通信 节点的m 地址，目的地址是移动节点的家乡地址。经过家乡代理到达通信节点。 ( 4 ) c a r e - o f t e s t 是通信节点对c a r e - o f t e s ti n i t 消息的响应，源地址是通 信节点的口地址，目的地址是移动节点的转交地址。 h o m et e s ti n i t 和c a r e - o f t e s ti n i t 消息同时发出，当移动节点收到h o t 和 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 c o t 消息后，它使用哈希函数计算收到的令牌，得到绑定管理密钥( b i n d i n g m a n a g e m e n tk e y , k b m ) ，m n 和c n 使用k b m 保护随后的绑定更新( b u ) 报文和 绑定确认( b a c k ) 报文。 2 2 多接口移动节点 2 2 1 多接口移动节点的出现 移动通信方面，在2 ( 3 时代，g s m 技术成功地占据了移动通信的大半市场， 用户从一个运营商的网络移动到另一个运营商的网络，还很少遇到接入网络不 同的问题，而到了3 ( 3 甚至后3 ( 3 时代，多种体制并存，t d s c d m a 、w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 、l t e 、s a e 、w i m a x 可能会同时存在于一个或多个运营商的网络 中，为了实现随时随地的通信、保护已有网络建设的投资，终端具备多个接口 从而支持多种制式已成为一种趋势。同时，芯片集成度的不断提高和软件无线 电的发展为双接口甚至多接口终端的实现提供了可能，2 0 0 4 年一个w c d m a 终端由3 0 0 个器件构成，到了2 0 0 6 年这一数字下降到了1 5 0 个，使得在终端体 积不变的前提下，可以集成多个接1 3 - 数据通信方面，移动节点在异构网络问移动过程中，某些应用程序需要持 久的连接以保持通信，例如：在公路上行进的汽车上有一台笔记本，它从异构 的接入网络间接收语音或者视频数据时，必须一直保持其连接。但是目前多种 无线接入网络并存，而不同的网络需要不同的接入技术，单一的网络接口无法 接入所有网络，这样无法保证其持久的连接，因此m n 需要使用不同类型的网 络接口，来获得持久以及广域网络的可连接性。目前，随着迅驰技术的出现， 市场上出现了很多集成了蓝牙、w l a n 以及有线网络接口的笔记本，多接口移 动终端已成为市场主流。 2 2 2 多接口移动节点的优势 多接口移动节点的优势主要体现在： ( 1 )持久和连续的通信 当前，不同的无线技术有不同的覆盖范围。如i e e e8 0 2 1 i b 典型的覆盖范 围是1 0 0 m ，而g p r s 基站通常覆盖范围是l k m 。如果配置了卫星接入的移动节 点即使在很大范围内移动，也可以保持连接。这样，就有可能使得移动终端同 时使用多种无线技术来保持通信的连通性和持久性。例如，一个移动节点同时 配置了g p r s 和i e e e8 0 2 1 1 b 。 当这个移动节点在i e e e 8 0 2 1 1 b 热点时，它可 1 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文 以通过i e e e8 0 2 1 l b 接口接入互联网，享受高带宽服务。如果它移动到i e e e 8 0 2 1i b 接入点( a c c e s sp o i n t a p ) 范围之外时，它可以使用g p r s 接口来保持互 联网的连接。 ( 2 ) 负载均衡 当多个接口同时接入互联网时，移动节点可以同时经过多条路径接收和发 送数据。这样可以通过对负载进行合理的分配，从而达到负载均衡的目的。可 用的信道带宽和拥塞情况是进行决策的重要参考因素。 ( 3 )可靠性 拥有多种接口的移动节点可以通过多个独立的连接接入互联网。这样，移 动节点就可以达到一定程度的冗余，使得它可以容忍一定的网络失败，增加了 通信的可靠性。 ( 4 ) 带宽聚合 当移动节点具有多种接入方式时，可以同时利用这些接口以增加可用带宽。 例如：某业务需要4 m 的带宽，接口l 和接口2 的带宽都是2 m ，单一的接口并 不能满足业务的需求，此时可以同时利用接口1 和2 进行该业务的传送，以达 到带宽聚合的目的。 ( 5 )优先级设定 多接口移动节点，可以向用户提供基于费用、效率、策略、带宽需求、时 延等因素，选择传输技术或者接入网络的能力。 2 3 多接口m n 与移动i p 协议结合存在的问题 ( 1 )多绑定注册问题 目前标准的移动i p v 6 协议不具备同时处理多个h o a 或者c o a 的能力。针 对多c o a 绑定这一问题，r w a k i k a w a 掣。7 】中提出了b i n d i n g u n i q u e i d e n t i f i c a t i o n n u m b e r ( b i d ) ，以此来绑定更新多个c o a 。需要在h a 侧的绑定缓存中增加 b i d 项。当m s 与h a 绑定多个c o a 时，就在每个绑定更新中通过b i n d i n g u n i q u e i d e n t i f i e rs u b o p t i o n 来携带b i d 。收到b i d 的h a 和c n 在绑定缓存中保存该 b i d ，通过查询绑定缓存中的b i d 来管理绑定的多个c o a 。当移动节点返回家 乡网络时，可能只是一个接口或者c o a 返回家乡网络，进行注销操作时也需要 携带相应的b i d 来注销该c o a 。通过这种方式，具有多c o a 的m n 就可以同 时使用它们，并且根据合适的策略来选择合适的c o a 。这种方式下，家乡地址 用于唯一标识一个移动节点，而绑定识别标识符( b d ) 用于唯一标识一个转 交地址。 ( 2 ) 地址选择问题 北京邮电大学硕士研究生学位论文 由于多接口节点有多个地址，当m v 6 通信建立的时候，例如开启一个t c p 连接时，必须选择一个合适的地址进行通信。因此，需要一个合理地址选择方 案，以确保通信的高效性。 ( 3 )接口的错误检测和修复 在使用某个接口时，其对互联网的访问可能失效，此时用来检测该地址无 效以及重定向通信到另一个地址的时间是至关重要的，因此需要有效的错误检 测和修复机制，确保通信的不中断。 ( 4 )地址改变的问题 有些情况下，必须将一个接口( 或前缀) 上的一部分或者全部的会话转移 到其他接口( 或前缀) 上，例如在网络连接断开或者接入路由器不可达时。如 果没有对应的机制，地址改变可能使得通信状态的会话由于继续使用失效的地 址而导致通信中止。为了避免这种情况，节点需要重定向所有当前通信的修复 机制。 这里选取地址选择问题进行分析，因为在多接口环境中，一个多接口m n 可以有一个或多个家乡地址，而每个家乡地址上又可能绑定有一个或多个转交 地址。当i p v 6 通信建立的时候，如何选择一个合适的地址，是高效通信的一个 关键问题。由于不同的网络链路有不同的带宽和时延，如果通信不能有效的分 配，可能会导致一个接口拥挤而其他接口空闲的情况。另外，用户可能会需要 根据实际网络状况或者费率等因素，优先选择某些接口上的地址进行通信。此 外，地址选择问题涉及到很多方面的因素，比如：目的前缀，接口类型，链路 特性等等，因此需要一种机制来权衡这些因素，选出最为恰当的地址，作为 m n 的通信地址。 2 4 地址选择问题研究现状 针对选择合理地址进行通信的问题，当前的研究主要有几个方面：第一是 轮询模式以及在此基础上的扩展，这种方案较为成熟且易于实现；第二是多信 道选择算法，即：具有多接口的移动节点使用相同的无线通信技术，同一无线 网络中存在多个通信信道，如何为每个接口选择通信信道的研究；另外，还有 部分针对通信对端在发起通信时能够动态选择m n 多个地址中最佳地址进行绑 定的研究。 1 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 4 1 轮询模式 轮询模式( r o u n d - r o b i n ) 是当前l i n u x 技术中的一种负载均衡算法，它 是基于公平原则进行的【引。假设移动节点对业务数据负载信息采集时间间隔定 义为，那么业务数据函数s ( t ) 可以表示为数列s ( t k ) 其中k k ，k _ 1 ，2 ，) ， k 为采样序列集合。对于v k k ，存在“1 辑毗硎。采用轮询机制对多接口 进行负载均衡，由上述的定义计算s i ( t ) = s i ( t k ) ，其中k t 缸l 。 r sm ) 一m 。) ：严 扣( “1 ) m o 如 ( 2 1 ) 4 七 l 0 i ( k + 1 ) m o d n 其中k t “l 则接口i 的负载l i ( t ) 为 l f ( f ) = l f o k ) 三s f o k ) ( 2 2 ) 其中t k t 0d o 计弓七a ，b 阢蓐i l 啪 s e l e c ti n t e r f a c e 一 w i 搿eb = r a i n b w k 七a ，j e l 仉2 ； 出 s e l e c ti n t e r f a c e 歹，w h m 口= 啪z b 眦l a ； e n df f m mu j h a a d ： j - s b w j ； c a dw k k 图2 - 5 基于权值的轮询算法 基于权值的轮询算法的基本思想是： 用带宽，选出用于传送该业务的接口集。 1 3 首先根据业务所需带宽和当前接口可 随后，根据接口集的带宽计算权值， 北京邮电大学硕士研究生学位论文 集内接口按照权值轮流发送业务的每个包。此方案主要解决单一接口不能满足 业务对带宽要求的问题，可以使用多个接口传送同一业务，以满足该业务的带 宽需求，可以实现带宽聚合，但是仍没有很好的解决选定的各个接口间的负载 分配问题，还有可能出现木桶效应，即系统吞吐量受制于带宽最小的接口。 2 4 2 多信道选择算法 许多研究工作提出了各种机制进行多信道选择以提高无线网络的性能。一 种情况是移动节点只有一个网络接口同时使用多信道的研究，m m a c ! 】 ( m u l t i c h a n n e lm a c ) 协议将时间划分为多个时隙，在每个时隙的开始，节点与 通信对端交换一些控制报文，这样它们可以协商使用某个信道进行数据传输。 但是，这种方案需要改变m a c 协议，这样就不能很快的应用到当前的无线网 络。并且m m a c 在切换信道时可能会增加延时。另一种类型是移动节点可以 同时使用多个接口，在m u p ! 1 2 ( m u l t i r a d i ou n i f i c a t i o np r o t o c o l ，多无线统一协 议) ，当一个节点拥有k 个无线接口，它只能使用k 个信道，每个节点静态的分 配信道给每个接口。当节点需要传输数据包时，它检查各个接口的信道质量， 并使用当前质量最好的信道进行传输。r a n i w a l a ! ”j 等结合静态m e s h 网络中的路 由，考虑信道分配问题。该论文考察在源和目的之间长期的流量负载，基于这 个信息，提出了集中式启发算法来计算最佳路由。d r a v e s m 】等提出了路由度量 的思想，使用了固定的信道分配方法来获得高吞吐量路径k j a i n 1 5 】等试图找到 最优路径，考虑了网络拓扑和负载描述，提出了一种集中式算法。然而这些方 案属于多信道选择算法，即具有多接口的移动节点使用相同的无线通信技术， 同一无线网络中存在多个通信信道，如何为每个接口选择通信信道的研究。 2 4 3 其他方式 r j a k s a ! 1 6 1 等提出了一种通过d n s 使得c n 在发起通信时能够动态选择m n 多个地址中最佳地址进行绑定的方案。主要原理是，在d n s 中记录m n 的连接 优先级信息，作为c n 选择地址的依据。一个家乡地址对应多个接口情况下， 应用程序利用d n s 的信息进行地址选择，而用c o a 来区分接口。若d n s 中存 有一个m n 的多个家乡地址，那么根据其中的优先级信息来选择“最佳一的目 的地址。然而该方案主要针对由c n 发起通信的情况，并不能解决m n 本地的 地址选择问题，另外对于优先级的设定方法也没有明确的定义。 1 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 5 本章小结 本章首先介绍了移动口v 6 协议的基本流程，以及多接口节点在移动通信中 的优势。随后指出了多接口m n 在应用移动i p v 6 协议时出现的问题，主要分析 其中的地址选择问题。最后，介绍了针对这一问题，目前的研究现状。在下一 章中，我们将具体分析地址选择方案与移动m v 6 协议结合的机制，并且对应用 场景进一步分类讨论。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章地址选择系统分析 多接口移动节点，可以同时接入多个网络，因此可能具有一个或多个家乡 地址，而每个家乡地址上又可能绑定有一个或多个转交地址。当i p v 6 通信建立 的时候，需要选取一个合适的地址进行通信。由于不同的网络链路有不同的带 宽和时延，如果业务不能有效的分配，可能会导致一个接口出现拥塞而其他接 口空闲的情况。此外，地址选择问题涉及到很多方面的因素，比如：目的前缀， 接口类型，链路特性、用户喜好等等。因此需要地址选择系统来权衡这些因素， 选出恰当的地址，作为m n 的通信地址。 本章从地址选择的系统结构出发，将其划分为三个模块。对每个模块的内 部逻辑和结构进行了详细的分析。 3 1 系统总体结构 地址选择系统分为三个子模块： ( 1 ) 多接口地址列表，用于记录移动节点多个接口的信息； ( 2 ) 列表管理模块，负责对多接口地址列表中的内容进行插入、删除、 修改等方面的维护和管理工作； ( 3 )决策模块：综合考虑业务属性、多接口地址列表等各项内容，进行 地址选择过程。系统结构如图3 1 所示。 州厂1 接口 埘塞塞定il _ p 务信j i l 翮瑗黼勰l 列纛理罔削决簸模块l 接l | 及链 路信息 气嚣龄ll 选棒绌果址列袭il 选棒鲇果 链路管理 接u 搜链 路信息 删络接口iil 网络接1 2 1 2i i 列络接口d 图3 - i 地址选择系统结构图 1 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 如图3 1 所示，移动节点具有多个个无线接口。这些接口分别向链路管理 模块报告各自的状态信息，包括无线链路质量、带宽、延时、能耗等。列表管 理模块从中提取系统关注的链路及接口参数，并将这些信息写入多接口地址列 表，并进行定期、动态的更新( 包括删除、插入、修改等操作) ，以确保多接口 地址列表内信息的准确性和有效性。同时，用户可通过列表管理模块手动修改 多接口地址列表中的相应参数( 例如：用户设定选项) 。 决策模块是本系统的核心。当有业务到来时，该模块查询多接口地址列表 的相应参数，同时结合从上层接收业务属性参数，例如：服务类型等，进行地 址选择过程。 随后，决策模块综合各个参数，根据一定的策略，选出最优的地址，并将 此结果传递给链路管理模块，作为当前应用的地址选择的结果。最后，按照上 一章描述的过程，发送相应的消息，通知家乡代理以及通信对端。 下面分别描述家乡地址列表、决策模块和列表维护模块的设计思想和内部 逻辑。 3 2 多接口地址列表设计 本小节主要介绍多接口地址列表的设计思想，其结构如表3 1 所示，它用 于存储和管理多个地址。每个接口可以对应一个或者多个家乡地址，同样一个 家乡地址也可以对应多个接口，对应于每个转交地址，有一个用户设定选项以 及可动态改变的优先级项。 表3 1 多接口地址列表 诗热 家乡地址转交地址用户设定接收流端发送流端能耗优先级 口号设定口号设定 e t h l 5 9 6 4 1 5 7 3 l2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 5 o2 22 2 2 0 0 m v2 5 5 2 1 0 2 2 1 3 2 2 l2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 5 oo 4 4 3 - 2 0 0 m y 3 e t h 25 9 6 4 1 5 7 3 l 2 1 1 6 4 1 3 4 2 6 14 4 3 4 4 3 5 0 m yl e t h 32 1 2 3 4 5 1 2 81 0 o01 0 0 m v2 e t h 4 每当发起通信时，m n 根据多接口列表选项以及该通信流属性，选取相应 的地址与c n 进行绑定，从而实现负载分担，提高传输的效率的目的。 1 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文 3 2 1 接口标识选项 接口标识选项即接口的物理标识，用于在m n 内部识别出对应接口，例如 表3 1 中e t h l 、e t h 2 、e t h 3 等等。 3 2 2 家乡地址选项 用于存储接口的家乡地址，为3 2 b i t 无符号数。若出现h a 故障等情况，使 得家乡地址失效，则按照3 3 2 中描述的方式，删除整个条目，以确保列表中地 址的有效性。一个家乡地址可以对应一个或多个接口，同时，一个接口也可以 有一个或多个家乡地址。例如：表3 1 中e t h l 有两个家乡地址，分别为： 5 9 6 4 1 5 7 3 1 和2 1 0 2 2 1 3 2 2 1 ，而家乡地址5 9 6 4 1 5 7 3 1 同时与两个接口绑定， 分别是e m l 和e t l l 2 。 3 2 3 转交地址选项 存储该接口目前可用的转交地址，即m n 移动到外部链路上时获得的i p 地 址，可以是一个全局地址，也可以是链路本地地址。若该接口已经回到家乡链 路或者转交地址目前不可用，则此项为负值。一个转交地址可以和多个家乡地 址绑定，同时一个家乡地址上也可以绑定多个转交地址。表3 1 中，转交地址 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 5 同时与家乡地址2 1 0 2 2 1 3 2 2 1 和5 9 6 4 1 5 7 3 1 绑定，而家乡地址 5 9 6 4 1 5 7 3 1 上同时绑定了转交地址2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 5 和2 1 1 6 4 1 3 4 2 6 。e t h 3 对应 的转交地址项为1 ，说明该接口目前连接到家乡链路上。 这里，接口标识、家乡地址和转交地址三者的结合，唯一标识一个可用地 址。其中，只有转交地址项可以为负值。 3 2 4 用户设定选项 该选项代表相应的地址是否是用户所指定的，有o 1 两种取值。0 代表用户 未指定，若没有用户指定的转交地址，那么继续比较其他选项，否则首先进行 该选项为1 的地址排序。 考虑到实际网络条件可能发生变化，因此这个选项可以进行动态配置，用 户可以按照实际情况或者个人喜好等因素选取零个、一个或多个转交地址。通 过该选项的设计，在进行地址选择时，将优先考虑符合用户喜好的地址，从而 使得方案更加人性化。在表3 1 中，用户设定e t h 2 、家乡地址为5 9 6 4 1 5 7 3 1 、 1 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文 转交地址为2 1 1 6 4 1 3 4 2 6 的项，以及e t h 3 、家乡地址为2 1 2 3 4 5 1 2 8 、无转交 地址的项是用户首选项，即在地址选择过程中，首先从这两个地址中进行选择。 3 2 5 接收流端口号设定选项 该选项用以标明用户希望通过该地址接收哪些端口号的数据流。这里，端 口号可以是一个值，也