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浙江工业大学硕士学位论文 基于中间移动代理的路由优化的研究与实现 摘要 目前在无线网络环境中，移动p 是众多支持主机移动的方法中较 受到研究者青睐的，然而在移动i p 中依然存在一些问题没有很好地解 决，如三角路由就是个突出的问题。在这篇论文中，我们提出了一 个中间路由代理的体系结构来解决这个问题，这个体系结构的特点在 于能够提早拦截数据报，并且决定是否需要封装数据报并进行路由来 达到缩短数据报的路由。这个路由代理被命名为中间移动代理( m i d d l e m o b i l i t ya g e l a t ) ，简称为m m a 。 本文首先对与该方案密切相关的移动i p 及其相关技术作了概要的 介绍，然后对该方案进行了详细的描述与设计，最后，初步实现了该 方案，并利用n s 对该方案进行了模拟和测试。实验证明，本文提出 的体系结构确实能够缩短报文的传输路径，减少报文延迟时间，进而 较好的解决了三角路由问题。 本论文提出将中间移动代理0 湎d d l em o b i l i t y a g e n t ) 和移动p 技术 结合在一起解决移动i p 路由优化问题，这是本文的特色之处。 关键词：移动i p ，三角路由，路由优化，中间移动代理 塑望三些查堂堡主堂垡丝苎一一 r e s a r c ha n di m p l e m e n to fm o b i l ea g e n t b a s e dr o u t i n g o p t i m i z a t i o ns y s t e m a b s t r a c t n o w a d a y si nm o b i l ea n dw i r e l e s sn e t w o r k se n v i r o n m e n t , m o b i l e i pi st h ep r e f e r r e ds t a n d a r di ns u p p o r t i n gh o s tm o b i l i t ya m o n gs e v e r a l s t a n d a r d s h o w e v e r , s e v e r a lp r o b l e m sa r en o ty e tw e l lr e s o l v e d ，s u c ha s t h ep r o m i n e n tp r o b l e mo ft r i a n g u l a rr o u t i n g t h i sp a p e rp r e s e n t sar o u t i n g a g e n ta r c h i t e c t u r et os o l v et h i sp r o b l e m 。t h ea d v a n t a g eo f t h ea r c h i t e c t u r e i st oi n t e r c e p td a t a g r a m se a r l i e ra n dd e t e r m i n et ot u n n e lt h ei n c o m i n g p a c k e to rn o t , a n dr e d u c ep a c k e t sr o u t i n gl e n g t h t h i sr o u t i n ga g e n ti s c a l l e dm i d d l em o b i l i t ya g e n t ( m m a ) t h i sa r t i c l es u m m a r i l yi n t r o d u c e sm o b i l ei pa n dr e l e v a n tt e c h n o l o g y c l o s e l y r e l a t e dt ot h i ss c h e m ea tf i r s t , a n dt h e n c a r r i e so nd e t a i l e d d e s c r i p t i o n ，a n a l y s i sa n dd e s i g nt ot h i ss c h e m e f i n a l l y , r e a l i z e st h i ss c h e m e t e n t a t i v e l y , u t i l i z i n ge x i s t i n ge q u i p m e n to fl a b o r a t o r y , u n d e rt h ee n v i r o m e n t o f l i n u x , a n du t i l i z e sn s t oi m i t a t ea n dt e s tt h i ss c h e m e e x p e m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ea r c m t e c m r ec a ni n d e e d l ys h o r t e n t h er o u n d a b o u tp a t ho ft h em e s s a g e sa n dr e d u c et h ed e l a yt i m et ot h e m e s s a g e s ，t h e nb e t t e rr e s o l v et h et r i a n g u l a rr o u t i n gp r o b l e m t h i sa r t i c l ec o m b i n e st h em i d d l em o b o l i t ya g e n tt e c h n o l o g yw i t hi p t e c h n o l o g yt os o l v em o b i l ei pr o u t eo p t i m a z a t i o np r o b l e mf o rt h e f i r s t “ 浙江工业大学硕士学位论文 t i m e t h i si st h ef e a t u r eo fi n n o v a t i o no f t h i sa r t i c l e k e yw o r d s ：m o b i l ei p ，r o u t eo p t i m i z a t i o n ，t r i a n g l er o u t i n g ， m i d d l em o b o l i t ya g e n t 浙江工业大学硕士学位论文 图索引 图1 - 1 数据传送流程图4 图l - 2 三角路由网络结构5 图2 1 采用双向直通隧道路由优化方法的移动i p 网络结构9 图2 - 2 基于优化路由机制( r o m i p ) 路由优化网络结构。9 图2 - 3 移动i p v 6 路由优化网络结构1 0 图2 - 4 联合路由原理图1 1 图3 - 1 肌方案的网络结构1 3 图3 - 2 最近访问最先查找算法流程图1 6 图3 - 3 对c n 的拆分示意图1 7 图3 - 4m a 组成模块示意图1 9 图3 - 5 绑定更新消息格式2 0 图p 6 绑定警告消息格式2 l 图p 7 绑定请求消息格式2 2 图3 - 8 绑定确认消息格式2 3 图4 - 1 代理主进程流程图2 5 图4 - 2 主进程处理收到的u d p 包流程图2 6 图4 - 3 家乡代理处理注册请求包时的增加部分2 7 图4 q 家乡代理处理绑定确认流程图2 8 图4 - 5 外地代理处理绑定告警2 9 图4 - 6 家乡代理处理绑定确认3 0 图4 - 7 外地代理处理收到的u d p 包流程图3 1 图4 - 8 外地代理发送发送绑定警告报文3 2 图4 啕外地代理发送发送绑定更新报文3 3 图4 - 1 0 外地代理处理绑定注销3 4 图 1 1 外地代理处理原外代理告知扩展项3 5 图 1 2 外地代理注册程序中增加部分3 5 图4 - 1 3 移动节点肉家乡代理注册过程的流程图3 7 图4 - 1 4c n 向删发送报文过程流程图3 9 浙江工业大学硕士学位论文 图4 - 1 5 删向c n 发送报文过程4 0 图5 一l 利用n s 进行网络模拟的过程4 2 图5 - 2 仿真拓扑图4 3 图5 - 3 切换产生的丢包率。，4 4 图5 - 4 删的数据包接受情况示意图( 时延= 1 0 0 ) 4 6 图5 - 5 眦方案性能提升示意图( 时延= 1 0 0 ) 4 7 图5 6 洲的数据包接受情况示意图( 时延= 3 0 ) 4 8 图5 - 7m m a 方案性能提升示意图( 时延= 3 0 ) 4 9 浙江工业大学硕士学位论文 表索引 表3 - 1 绑定信息表的结构1 4 表3 - 2 移动路由代理的绑定信息表1 4 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不 包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工 业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法 律责任。 作者签名：象玩眵 日期：加缉阳巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本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和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 紊弘哆 日期：础7 月日 翩獬2 陆匆鸯醐洲引朋枷 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 移动l p 概念 1 1 1 移动l p 的基本定义和相关名词 1 移动i p 概念 移动i p 技术是由互联网工程任务小组( i e t f ) 在1 9 9 6 年翎定的一项开放标准， 它的技术规范主要包括：r f c 2 0 0 2 ( i p 移动性支持) 、r f c 2 0 0 3 ( i p 内的i p 封装) 、 r f c 2 0 0 4 ( i p 内的最小封装) 、r f c 2 2 9 0 ( 用于p p pi p c p 的移动i p v 4 配置选项) 等。 移动i p 是i p 技术体系中的一个新概念。它与传统i p 的主要区别是：传统i p 技术的主机在固定的地点使用固定的i p 地址和t c p 端口号进行相互通信，而移动 i p 中的主机是可以移动的，可以在不同的地点接入互联网，其中包括通过移动通 信网接入，也包括通过固定网或局域网接入，它以固定的网络i p 地址，实现跨越 不同网段的漫游功能，并保证了基于网络i p 的网络权限在漫游过程中不发生任何 改变m 。 移动i p 不是移动通信技术和因特网技术的简单叠加，也不是无线话音和无线 数据的简单叠加，而是移动通信和i p 的深层融合，也是对现有移动通信方式的深 刻变革。为适应快速增长的数据型业务需求，人们需要的是一个以包交换为基础 的无线网络，这种新型网络结构正是移动i p 未来的结构。移动i p 将真正实现话音 和数据的业务融合，它的目标是将无线话音和无线数据综合到统一的i p 协议平台 上传输。 2 相关术语 l 、移动节点( 1 d o b i l en o d e ，简写为删) 当接入点从一条链路切换到另一条链 路上时仍能保持所有正在进行的通信的移动主机。它有两个i p 地址，一个是家乡 地址( h o m ea d d r e s s ) ，用来标识t c p 连接的永久地址；另一个是转交地址( c o a ， c a r eo fa d d r e s s ) ，是当移动节点漫游到其他子网时所获得的供i p 包选路使用的 临时地址。转交地址可以由外地代理提供，也可以由外地网络的d h c p 服务器分配。 2 、家乡地址( h o m e a d d r e s s ) ：是指每个移动节点在家乡链路上拥有的一个“长 l 浙江工业大学硕士学位论文 期有效”的i p 地址。对这种地址的管理类似于固定主机i p 地址的管理。 3 、家乡网络( h o m en e t w o r k ) ：是指与移动节点的家乡地址具有相同前缀的网 络，可以是一个小型的虚拟网络。发往移动节点家乡地址的i p 分组会被标准的 i p 路由机制转发到其家乡网络上。 4 、家乡代理( h o m ea g e n t ，简写为 l a ) ：是指位于移动节点家乡链路上的路 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。 5 、转交地址( c a r e o fa d d r e s s ，简写为c o a ) ：是指当移动节点离开家乡链 路后，已被赋于的反应当前链路接入点的临时地址。转交地址有外地代理转交地 址和合作定位转交地址。 6 、外地网络( f o r e i g nn e t w o r k ) ；是指除了移动节点家乡网络之外的任何网 络，也就是网络前缀与移动节点网络前缀小同的网络。 7 、外地代理( f o r e i g na g e n t 。简写为f a ) ：是指位于移动节点所访问的外地 网络上的路由器，为注册的移动节点提供路由服务。它接收移动节点的家乡代理 通过隧道发来的数据分组，进行拆封后发给移动节点：对于移动节点发出的数据 报，外地代理提供类 以于默认路由器的服务。 8 、遇信对端( c o r r e s p o n d e n tn o d e ，简写为c n ) ：是指与移动节点进行通信 的对等实体，可以是移动节点也可以是周定节点。 9 、封装( e n c a p s u l a t i o n ) ：是一种改变i p 分组传输路由的方法，比如把数据 分组传输到使用通常的路由方法无法到达的某个节点。一般指把原来的i p 数据报 再加上一个i p 头。 l o 、隧道( t u n n e l i n g ) ：是指改变原来网络数据报的路由路径。 1 l 、注册( r e g i s t r a t i o n ) ：是一个程序，整个程序是由移动节点产生注册信 息，由移动节点主动通知家乡代理目前所拥有的转交地址。 1 2 、注册有效时间( r e g i s t r a t i o nl i f et i m e ) ：在这一段时间里家乡代理或 者是外地代理可以利用这个绑定来传输数据报。 1 3 、绑定( b i n d i n g ) ：是一个记录。包含了移动节点的家乡地址、转交地址 以及注册有效时间。这个绑定处于移动节点的家乡代理上。 1 4 、绑定更新( b i n d i n gu p d a t e ) ：是一个信息，负责提供需要知道移动节点目 前新的转交地址。此信息包含了移动节点的家乡地址、新获得的转交地址、新获 2 浙江工业大学硕士学位论文 得的注册有效时间。 1 i 2 移动l p 工作过程 移动i p 的主要工作过程分为代理发现、注册、分组路由和注销四个阶段3 1 下面以移动节点的移动过程为例，简要说明移动i p 的工作过程。 1 代理发现( a g e n td i s c o v e r y ) ( 1 ) 家乡代理和外地代理在其所在的网络上定期的组播或广播“代理通告” ( a g e n ta d v e r t i s e m e n t ) 的消息，通告它们与相应链路的连接关系。代理通过是通 过在i 伽路由器通过消息中增加“移动代理通告扩展”部分，说明移动代理是家 乡代理或是外地代理、它的网络地址和通过有效期等信息。 ( 2 ) 移动节点监听这些“代理通告”并检查它们的内容以决定自己是在家乡网 络还是在外地网络。当在本地网络时，移动节点就像普通节点一样，即不使用移 动i p 的其它功能。当移动节点检测到它从家乡网络移动到外地链路时，或从一个 外地链路移动到新的外地链路时，它就要向家乡代理进行注册。 2 注册( r e g i s t r a t i o n ) ( 1 ) 当移动节点连接在外地网络时，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的“代理通告”消息中获得外地代理转交地址，或 通过动态配置协议d h c p 或手工配置等方法获得配置转交地址。 ( 2 ) 移动主机在过得转交地址后，通过移动i p 定义的消息向家乡代理请求注 册。家乡代理确认后，将家乡地址和相应的转交地址存放在绑定缓存中，完成家 乡地址和转交地址的绑定。并向移动节点发送注册应答。在注册过程中，如果移 动节点使用外地代理转交地址，就要通过外地代理进行注册请求和注册应答。 3 数据传送( d a t ad e l i v e r y ) 由图1 1 发送分组数据包的路径过程，可以整理出数据报路由有下面4 个步 骤凹： ( 1 )c n 传输数据包给心，数据包经过家乡网络由m 接收，因为c n 只知道删 的h a 信息。 ( 2 )收到数据包的姒根据洲的注册信息，通过隧道技术将数据包传送删 所在的外地网络中的f a 。 ( 3 )当f a 收到数据包后，如果转交地址是外地代理转交地址，隧道末端的 外地代理拆封得到原始分组后，转发给移动节点。如果转交地址是配 3 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 置转交地址，封装的数据分组直接发送到移动节点。 当姗已经收到刚传来的数据包后，删要回传数据给c n ，因为刖已经知 道了c n 的i p 地址，所以将数据包直接传送给c n 。 固回回园 步骤一 步骤二 步骤三 步骤四 图1 1 数据传送流程图 4 、注销( d e r e g i s t e r i n g ) 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网络上，那么移 动节点必须直接注册到家乡代理完成注销。注销后，移动节点就像固定节点一样 工作。 1 2 。三角路由”问题 1 2 1 什么是“三角路由” 在移动i p 的路由方法中，三角路由是比较早的路由方式，即移动i p 的基本 原理( m i p ) “1 如图1 3 所示。参与通信的主机是一个连接在因特网上的固定主 机，它通过因特网与移动主机进行通信，该通信主机与移动节点之间的数据报传 递由以下几个步骤完成： 通信主机发给移动节点的数据报采样标准i p 路由发送至移动节点的家乡网 络。数据不到家乡网络就被家乡代理截获，紧接着家乡代理将该数据报通过隧道 过程发送至移动节点的转交地址。在外地代理，该数据报被拆封后送往移动节点。 对于移动节点发送的数据报而言，采样标准i p 路由将各数据报传送到其目的的地 址。其中外地代理就是移动台的默认路由器。采用三角路由的移动i p 协议比较简 4 塑望三些奎兰堡主兰堡堡苎 单。要进行交换的控制消息数量是有限的，并且地址绑定高度一致，这是由于对 给定主机而言，地址绑定仅保存在单一节点。 - 移动节点发送的分组数据包 图1 2 三角路由网络结构 1 2 2 。三角路由”带来的问题 采用三角路由的移动i p 协议比较简单，还存在着许多性能问题。 三角路由的一个缺点是，目的家乡代理是交换每个i p 分组数据包的固定重定 向节点，即使源与目的之间存在更短的路由也是如此，这会造成不必要的较大的 端到端分组延时。另一个缺点是连接家乡代理与网络的网络链路很容易过载，即 时相邻的网络链路是空闲的，共享目的地址的子网络的所有会话路径也都会聚集 到该子网络的家乡代理。 1 3 本文工作和论文组织 i 3 1 本文目的和主要工作 本文主要研究移动i p 中。三角路由”引起的“绕路”问题，设计并实现将中 间移动代理( m i d d l em o b o l i t ya g e n t ) 和移动i p 技术结合一种i p 路由方案。 主要工作有如下3 方面： ( 1 ) 熟悉移动i p 的各个概念，理解并掌握其的各个元件，工作模块，报文 消息及其传送： ( 2 ) 在移动i p 路由优化( r o m p ) 方案基础上设计并实现了一种使用中间移 动代理_ 呲( m i d d l e l i o b i l i t ya g e n t ) 改进方案； ( 3 ) 在网络仿真模拟器下，设置实验环境和实验数据，对基本移动i p 协议 浙江工业大学硕士学位论文 移动i p 路由优化( r o m i p ) ，蛳a ( m i d d l em o b i l i t ya g e n t ) 改进方案进行仿真实验， 对等出的参数做性能比较。 1 3 2 论文组织 本文的组织结构如下； 第一章介绍了移动i p 协议的功能实体，基本框架，工作过程。本章是下面各 章的总的理论基础。 第二章介绍了国内外三角路由优化的相关研究及发展现状，并对目前的主流 方案傲了总结。 第三章提出了一种新的路由优化方案，中间移动代理m m a ( m i d d l em o b i l i t y a g e n t ) 优化方案，并对该方案的可行性做了初步分析。在本章中成功分离c n ，完 成了对于移动代理( m a ) 模块的设计和实现，引导出了移动代理的2 个重要术语， 在原有2 个报文消息的基础上定义了4 种报文用来完成路由优化功能，设计这种 使用中间移动代理m m a ( m i d d l em o b i l i t ya g e n t ) 改进方案需要的主要增加模块 和报文消息。为第四章方案的实现提供理论基础。 第四章在结合标准的移动i p 协议基础上，深刻分析r o m i p 概要流程。设计实 现了该方案中需要的各个改进的行为模块，特别是扩展了家乡代理和外地代理的 收发模块，完成中间代理模块。 第五章首先对本文所使用的仿真工具一网络仿真器( n s - 2 ，n e t w o r k s i m u l a t o r - 2 ) 设置了仿真环境及条件，仿真对以下三个方面在不同方案中的性能 进行比较分析：切换过程的数据丢失率、移动代理、和三角路由；最后通过实验 数据，得出结论m m a 方案不但在平滑切换、移动性透明方面比r o m i p 协议有所改善， 而且继承了r o m i p 解决三角路由的优点。 第六章总结了本文的主要工作，列举了不足，提出了将来还需完善的工作。 6 浙江工业大学硕士学位论文 第二章三角路由优化的相关研究 2 1 国外研究与发展的现状 为了解决“三角路由”所带来的网络开销增加和性能下降的问题，国内外研 究者提出了许多基于移动i p 的路由优化方案，其总的思想是，允许通信节点直接 通过隧道机制向外地代理发送数据报，而避免由家乡代理转发，从而规避三角路 由现象。 最早提出路由优化方案的是移动i p 之父一- c h a r l e se ，p e r k i n s ，他在m o b i l e i p 闯一文中提出了路由优化的协议原型：移动绑定消息( m o b i l i t yb a n d i n g ) 机制。 为了使对端节点发出的包直接到达移动节点，基本的操作就是在对端节点的路由 表中实时存储移动节点的最新位置信息，这就需要加入移动绑定的一系列消息。 在这个协议原型之中，还包括了早期的平滑切换( s m o o t ht t a n d o f f ) 的思想，即是 在新旧外地代理之间建立一个隧道，当对端节点在未获得移动节点当前新位置的 情况下，旧的外地代理将对端节点发来的分组通过隧道转发给新的外地代理这 样就可以避免移动节点在切换至新的外地代理区域时所发生的分组丢失现象。 根据c h a r l e se p e r k i n s 所提出的路由优化协议原型，2 0 0 2 年c h e nl t a o 和 t r a j k o v i cl 在网络仿真器n e t w o r ks i m u l a t i o n2 上首次实现了路由优化部分协议 的仿真旧。在他们韵工作中，实现了四条路由优化消息中的两条，取得了较优于 标准移动i p 的网络性能，从仿真角度在一定程度上说明t c h a r l e se p e r k i n s 所 提出的协议的理论正确性。 i h a r a t o h n i s h i ，h ，t a k a g i ，y 等人从层次型管理的角度提出了路由优化 的另一条途径哪。他们使用移动i p 边界网关( m b g s ) 来优化路由并减少家乡代理信 息处理负荷。另外对于外地代理进行层次型配置的方法也在减轻m b g s 负荷方面发 挥了一定效用。 c h i r a n j e e vk u m a r 。n e e r a jt y a g i ，r a j e e vt r i p a t h i 等人提出了一种改进分 组封装策略的路由优化方法”。这种分组封装策略建立在上面一种层次型管理方 法的基础之上，在高于代理一层的网络实体上对由对端节点发来的分组进行封装， 代替了传统的由家乡代理进行封装的方法。从而减少在网络内部的传输时延和降 7 塑望三些奎竺堡主兰垡丝苎 低家乡代理处理信息的负荷。 2 2 国内研究与发展的现状 目前国内的研究发展基本与国际同步，以下列举几个典型的方案： 1 反向隧道 目前，在很多局域网中采用了人口过滤路由器来防止拒绝服务攻击，即路由 器在转发数据包之前检查i p 数据报的源地址域，对于来自内部网络而源地址不是 内部网络的报文，踌由器会直接将它丢弃。采用这样的方法对传统的网络不会带 来影响，但是将导致移动节点不能进行正常通信。因为当移动节点连接在外地网 络上时，它发出的报文要经过外地网络的路由器。路由器会检查报文的源地址和 目的地址，而报文的源地址是移动节点的家乡地址不属于本网络，于是报文被丢 弃。为了解决这个问题，i e t f 在移动护中引入了反向隧道技术。 反向隧道是指以移动节点的转交地址为源地址，以家乡代理为目的地址的隧 道。如果移动节点要向通信对端发送数据包，首先要将数据包送到外地代理，并 由外地代理进彳亍i pi ni p 封装，然后通过隧道发送给家乡代理，再由家乡代理转 发给通信对端。这样一来，对外地网络的路由器来讲，它收到的数据包的源地址 是移动节点的转交地址，转交地址属于路由器所在的网络。所以，数据包的源地 址和目的地址在拓扑上都是正确的，不会被丢弃咖。 2 双向直通隧道( b i d i r e c t i o n a ld i r e c tt u n n e l ) 为避免由于移动节点的家乡代理参与而带来的路由低效问题，双向路由优化技 术是在通信代理与外地代理之间建立双向直通隧道，这样移动节点和通信节点问 的通信，可以直接通过该直通隧道，而不再需要归属代理的转交。 ( 1 ) 通信代理一外地代理方向隧道 ( 2 ) 外地代理一通信代理方向隧道 在双向直通隧道的路由优化方法中，往返于通信节点和移动节点之间所有的 分组都被通信代理或外地代理隧道化。在隧道建立之前，外地代理和通信代理并 不知道对方是否支持直通隧道，所以归属代理或外区代理必须能够区分传统的通 信节点和增强型的通信代理，而增强型的通信代理也必须能够区分移动节点和一 般的固定节点”町。 0 浙江工业大学硕士学位论文 图2 1 采用双向直通隧道路由优化方法的移动i p 网络结构 3 基于优化路由机制( r o m i p ) 路由优化方案 该方案的思路是基于最佳路由思想就是让移动节点和通信对端之间直接进行 通信，而不经过家乡代理转发“”。如图2 1 所示。 + 发送给移动节点分组数据包 - 移动节点发送的分组数据包 围2 2 基于优化路由机制( r o m i p ) 路由优化网络结构 在这个方案中要实现移动节点和通信对端之阎直接通信，通信对端必须要记 录下移动节点的转交地址。在通信对端不知道移动节点的转交地址时，它就会向 移动节点的家乡地址发送数据包，这个数据包会路由到移动节点的家乡网络。家 乡代理收到这个数据包后就会利用和外地代理之间的隧道发往外地代理，然后它 会检查移动节点的注册请求中的比特数，看移动节点是否允许将转交地址发给其 他节点。如果允许，则发绑定更新报文给通信对端。 9 浙江工业大学硕士学位论文 4 移动i p v 6 路由优化 i p v 6 的引入，使得i p 地址短缺现象得到了解决，因而在移动i p v 6 里无需f a 的 存在，通过引入绑定机制，当c n 在自己的绑定缓存里找到了删的位置后，便可将 发往潮的数据包无需经过h a 而直接到达删。c n 和删通过二者之间的直接路径交换 数据包，避开了l l a ，极大地节约了网络资源，并减少了因h a 和家乡链路故障而造 成的影响，比移动i p v 4 大大前进了一步“棚”。其路由优化如图所示。 图2 ，3 移动i p v 6 路由优化网络结构 5 联合路由机制 该方案将三角路由与r o m i p 结合起来，采用联合路由机制n 盯。印默认情况下采 用三角路由，在初始检测及进行代理切换和注册时进行传输延时的计算，利用通 信对端经过归属代理向移动节点收发数据包经过的延迟与移动节点直接向通信对 端收发数据包经过的延迟之差来计算三角路由和优化路由的传输时延差，若相差 不大，则保持使用三角路由，以提供更为安全的服务。否则，采用优化路由，以 免造成髓络资源过多的浪费。同时，为了迸行本项验证需要占用一定的带宽，考 虑无线带宽较小，可以在每进行2 3 次代理切换时再进行一次验证。其原理框图 如图。对于切换门限的选取至关重要。该值应该根据网络规模及链路状况动态选 取。 浙江- 业大学硕士学位论文 优 三角路由优化路由化 tt 机 制 切换路由 图2 4 联合路由原理图 6 分层结构的路由优化 这里要说的是分层优化结构“”。在移动i p 实现的分层外地代理结构中，各级 路由器都可以作为外地代理，连接到底层外地代理的移动主机的注册和数据传输 过程都依赖于上一层直到顶层的其他代理。在分层的外地代理结构中，各级代理 之间按级建立上下两个方向的隧道，移动节点的转交地址不是与移动节点直接相 连的节点，而是顶级外地代理的地址，在各级外地代理中，都维护着移动节点的 转发路由。 2 3 目前主流研究的路由方案的优点和缺点 目前主流基于优化路由机制( r o m i p ) 的一些路由优化方案在解决三角路由阔 题上有以下优点“”： ( 1 ) 在使用f t p 协议的有线网络中，移动主机使用主代理的情况下，m i p 和r 伽i p 的端对端时延相同。使用外地代理对，r o m i p 的时延明显减少，且在切换过程中的 时延同样较少； ( 2 ) 在使用u d p 协议的有线网络中，r o i i p 的丢包率性能有所改进“”； ( 3 ) 在网络参数相同的情况下，r o w i p 比m i p 需要占用更多的无线带宽，这主要 是因为路由优化需要发送绑定更新消息，在低业务到达率和高移动的情况下，以 及低业务量的时候，可能增加一些消息报文的传送，但是随着移动主机移动速度 的减慢，r o m i p 的优点逐渐交得越来越明显，在一定驻留时问下，其改善丢包率更 为明显。 浙江工业大学硕士学位论文 基于优化路由机制( r o m i p ) 的一些路由优化方案在实际实施过程中也有不少 缺点： ( i ) 对绑定信息的维护过程没有考虑使用配置转交地址的情况。如果使用配 置转交地址，隧道的出口是移动主机木身。当移动主祝移动到新的外地网络时， 没有实体能检测到通信对端通过隧道发送到前外地网络的封装报文。这样，通信 对端的绑定信息只能通过生命期来维护“鲫。 ( 2 ) 当外地代理( 使用外地代理转交地址时) 收到发送给已经移走的移动主机 的封装报文时，它向移动主机的家乡代理发送绑定警告消息，要求家乡代理将新 的转交地址告诉通信对端。”。我认为这种警告方式不大合适。因为外地代理发现 通信对端保存着过时的绑定信息，它应该警告通信对端。由通信对端决定是取消 本次通信还是向移动主机的家乡代理索取新的转交地址。而该方案却警告家乡代 理，家乡代理不管通信对端情愿与否，都将新的转交地址发送给它。这显然不合 理。另外，如果外地代理不知道移动主机家乡代理的i p 地址，那如何发送警告消 息昵? ( 3 ) 所有的通信对端都必须具各有绑定缓存来记录与此通信对端联系过的姗 的转交地址，并且由通信对端直接对数据报进行封装送往嬲。如果每一家公司所 生产的以前的系统以及网络相关产品均支持这一方案，那么的确可以实现移动i p 路由优化。但是从现行销售的系统和通信协议的观点来看，要完成所有公司所生 产的系统以及网络相关产品里都把这个方案实现是遥不可及的梦想“町，虽然移动 i p v 6 已经把m o b i l ei pr o u t eo p t i m i z a t i o n 作为规格的一部分，但是以目前i p v 6 产品普及程度来看依然有很长的一段路要走。 2 4 本章小结 介绍了国内外三角路由优化的相关研究及发展现状，并对目前的主流方案傲 了总结。 浙江工业大学硕士学位论文 第三章m m a 移动ip 的路由优化方案设计 3 1 哪聃移动ip 的路由优化方案的初步分析 如果按照r o w i p 方案，每个通信对端各自需要维护一个绑定表，也就是说要对 互联网上的几乎所有的主机的软件做出修改，这是不太现实的。为此，我们对上 述方法进行了改进嘲1 。在同一个子网中，我们选择用一个专门的节点来维护这个 予网中所有其他主机的绑定表，姑且把它叫做中间代理与通信对端对应。如以下 的例子；某一台主机a 要与一个连接在外地链路上的移动节点b 通信，它会首先发 数据包到移动节点b 的家乡网络，正常情况下b 的家乡代理会发绑定更新消息给a ， 告诉它移动节点b 当前的转交地址。a 然后发请求给对端代理，请求建立绑定表。 以后，从a 发出的数据包就根据b 的转交地址直接发往移动节点所连接的外地链路。 这种改进方案大大缩短了传输路径，减小了传输延迟，可为综合业务提供很好的 支持，减轻了家乡代理处的负担。更关键的是，这种方案的实现并不是很困难。 3 2b i a 方案基本元件设计概述 在详细描述嘲a 方案前，对于移动i p 原有功能实体傲一些改进，相互关系如图 图3 1 姗【 方案的网络结构 大部分的元件具有的功能都与原先移动i p 中定义的相同，在第一章已经做了 浙江工业大学硕士学位论文 详细介绍比如家乡代理、家乡网络、外地网络、转交地址等。但是，在删a 体系结 构中我们对移动i p 定义中一些元件做一些修改或增加一些动作，同时还定义一些 额外的控制信息。修改过的元件分别为外地代理和移动主机，新增加的元件为嘲 而这些元件的基本定义如下： 外地代理( f a ) ；除了具有原先移动i p 中定义的功能外，在涮a 体系结构中，外 地代理具各传送信息给娜a 的功能。 中间移动代理( w 哪l a ) ：除了路由器本身应有的功能外，还具各封装数据报、与 其他m 姒沟通的信息机制，以及执行我们所设计的数据报路由方式和更新项目方式 的能力。关于姒的设计在4 3 中有详细叙述。 移动主机( 删) ：除了保持原先移动i p 中定义的功能外，在删a 体系结构中， 移动主机必须维护所有从d h c p 服务器获得或通过其他i p 指派方法获得的临时家 乡地址。 3 3 中间移动代理中的重要相关术语 在该方案中最重要的两个术语：绑定信息表和用来管理绑定信息表的最近访 问最先查找算法脚。 3 3 绑定信息表饵i tb i n d i n gi n f o r m t i o nt a b l e ) ： 存放在通信节点的移动路由代理上，用来管理移动节点地址对照信息的表格。 绑定信息表中每条记录对应着一个移动节点的绑定信息。每条记录都包含有四个 字段，分别是移动节点的家乡地址，移动节点当前的转交地址，标志位和该绑定 信息的生存期。绑定信息表的结构如表3 1 所示。 表3 ，l 绑定信息表的结构 i 字段i l 字段2 j 字段3 i 字段4 i i 家乡地址 j 转交地址 l 标志位 i 生存期 i 其中，如果标志位为l ，则表示移动节点目前在外地网络；如果标志位为0 。 则表示移动节点在家乡网络。绑定生存期是指某条绑定信息有效的时问，如果该 字段为0 ，说明这条绑定记录己经无效，应该在绑定信息表中删除。表3 2 是存储 在某移动路由代理上的绑定信息表，其中第三条记录标志位为0 ，说明该移动节点 目前仍在家乡网络上，其转交地址字段填上该移动节点家乡代理的地址。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 表3 2 移动路由代理的绑定信息表 家乡地址转交地址标志位生存期 1 0 ，1 0 0 1 7 9 ，2 52 0 2 1 0 0 1 4 1 1 4 ll3 2 0 0 m s i 0 1 0 0 1 4 1 3 91 0 2 5 0 1 3 5 4 1l2 8 3 0 m s 1 0 1 0 0 1 4 1 1 3 91 0 1 0 0 1 4 1 1 0 007 7 9 0 m s 下面介绍一下绑定信息表的存储结构，由于移动节点在网络中经常移动，所 以对绑定信息表需要频繁的进行插入和删除操作，因此绑定信息表应该采用链 式存储结构。其中，每个移动节点的绑定记录都作为链表中的一个节点，链表中 每个节点都含有四个域，分别是移动节点的家乡地址，当前的转交地址以及关于 该移动节点绑定记录的生存期以及指向下条绑定记录的指针。当绑定记录的生 存期为零时，这条绑定记录将自动被删除。 3 3 2 最近访问最先查找算法 在i n t e r n e t 上，移动节点的数量很多，并且在某段时间内有可能很多移动节 点都改变了它在网络中的位置。因此，绑定信息表的信息量是非常庞大的，并且 对绑定信息表的操作相应的变得很复杂，这样，设计一个算法用来管理移动路由 代理上的绑定信息表显得很有必要。 在描述该算法之前，首先绘出一个假定：在网络中，鼹个节点之间的通信是 连续的。具体的含义是通信节点在某段时间内与移动节点之间的通信是连续的， 即通信节点发给移动节点个数据报后。在短时间内与该移动节点通信的可能性 最大。因此，为了提高查找速度，通信对端的移动路由代理应该把它所管辖的鼹 段上的所有通信节点最近访问的。移动节点的绑定记录存放在绑定信息表的首部， 以便最先查找。 算法描述：当通信对端的移动路由代理收到某个移动节点的绑定更新后( 该移 动节点通常是它所管辖的网段上的通信节点正在访问的移动节点) ，应该把有关该 移动节点的绑定记录存放在绑定信息表的首部。 具体的过程是；当移动路由代理收到一条绑定更新后，首先应该判断该移动 节点的绑定记录在本地的b i t 表中是否存在，如果不存在，应该将该移动节点的绑 定记录保存在b i t 的首部，并将b i t 表中的最后一条绑定记录删除；如果存在，应 该先褥该移动节点原来在表中的绑定记录删除，然后再将该移动节点新的绑定记 录保存在b i t 表的首都。其具体的过程见下面的流程图3 3 浙江工业大学硕士学位论文 图3 2 最近访问最先查找算法流程图 3 4 中闯移动代理( 枷 ) 设计及实现 3 4 1 姒设计概述 r o m i p 把“常规数据通信”及“移动i p ”两个功能同时集成在c n 中，要求每一 个与胤通信的c n 都必须具备这两个功能模块。因此，对于姒的设计，我们设想对 c n 进行拆分，把与移动i p 相关的模块从c n 中抽取出来成为一个独立的功能实体， 称为移动代理继a ) ，由姒负责处理域内所有与移动i p 有关的事务：丽c n 仅仅作为 一台普通的计算机存在，不需要为了支持移动i p 而做特别的修改或升级。 浙江工业大学硕士学位论文 l p o m i p c nm an e w p o m i pc n 一 v 。吣嘲l o 一 m n 围3 3 对c n 的拆分示意图 以上框架想要实现，m a 就必须要解决2 个问题： ( 1 ) 姗如何获得m a 的地址并把控制信息直接发向姒，或者说i i a 如何才能获取 到删发出的控制信息。 在r 0 i p 方案中，c n 域中参与交换控制信息的功能实体是c n 本身，删在与c n 建立通信连接的过程中可以使双方都知道对方的ip _ 地址，从而在以后的通信中可 以把控制信息直接发给对方。但是按照我们的改进设想，c n 与姒是c n 域中两个独 立的功能实体。删与c n 在建立通信连接时可以互相知道对方的i p 地址，但是由于 c n 仅作为一台普通计算机存在，不具有处理控制信息的能力，因此心的控制信息 不能再按r o m i p 协议那样发给c n ；m a 虽然具有处理移动控制信息的能力，但是峨 与凇却无法相互知道对方的存在，即其中一方不知道另一方的i p 地址，因此删无 法把控制信息直接发给m a ，即使我们假设所有的c n 域都有一个凇存在，由于硎无 法获得它的i p 地址，仍然无法发送控制信息给i | 【a 。 ( 2 ) 姒怎样才能实现对c n 发给删的数据报进行封装?