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咚i _ 北京i 邮电大学硕士学位论文i p 移动接入网切换过程中q o s 问题的研究 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 何贡献均已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：立窒藓业旦日期：圣! ! 垒：篓! 兰 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 阳 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：盛生至闺日期： 导师签名： 北京邮电大学 日期： 计算机科学与技术系 北京邮电大学硕士学位论文i p 移动接入网切换过程中o o s 问题的研究 ip 移动接入网切换过程中0 0 $ 问题的研究 摘要 在移动通信技术飞速发展的今天，如何在移动通信网络中提供 有q o s 保障的、基于工p 的移动业务，已经成为目前研究的热点之一。 在移动网络中，终端的移动性给q o s 带来了很多难题。为了更好的解 决移动性对q o s 的影响问题，本文分析了各种移动性解决方案，比较 在各个层次上提供移动性支持的优缺点，详细讨论了m o b i l ei p 、 c e l l u a ri p 、分层m o b i l ei p 以及h a w a i i 等基于i p 的移动性管理协 议。重点分析了h a w a i i 的关键技术，通过对比m o b i l ei p 和h a w a i 工 移动性相关信令的负载，论述了在工p 移动接入网中采用h a w a i i 作为 移动性管理的可行性和优点。 为了对比m o b i l ei p 和h a w a i i 的切换性能，采用开放源代码的 网络模拟器n s 2 ，在充分了解n s 2 的工作实现机制的基础上，通过扩 展n s 2 的仿真协议库，搭建实验所需的仿真平台。设计并实现实验模 型和模拟程序，计算分析实验数据，验证了h a w a i i 切换性能的优势。 在接入网内，为了给移动用户提供业务q o s 保证，本文采用综 合服务模型的资源预留协议r s v p 作为q o s 信令协议，对接入网中的业 务流进行资源预留。结合微移动管理协议，提出了h a w a i i 与r s v p 互 操作的q o s 方案。使用网络模拟器n s 2 ，设计仿真实验，对比在大背 景业务下，网络带宽不足时，无r s v p 、有r s v p 但与h a w a i i 无交互 以及互操作方案的切换性能。在分析实验数据文件的基础上，设计数 据处理程序，提取移动主机的分组接收速率变化情况以及分组丢失情 况，验证了在互操作方案下实时语音数据的传输服务质量明显得到了 提高。 关键词 移动通信，服务质量，r s v p ，h a w a i i 北京邮电大学计算机科学与技术系 北京邮电大学硕士学位论文i p 移动接入网切换过程中o o s 问题的研究 t h es t u d y o fq o sd u r i n gt h eh a n d o f fi n i p b a s e dm o b i l ea c c e s sn e t w o r k a b s t r a c t w i t ht h eq u i c k l yd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，h o wt oo f f e r t h eq o sg u a r a n t e em o b i l es e r v i c eb a s e do ni pi nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ， h a sa l r e a d yb e c o m eo n eo ft h ef o c u s e ss t u d i e da tp r e s e n t i nt h em o b i l en e t w o r k ，t h e m o b i l i t yo ft h et e r m i n a t i o nh a sb r o u g h tal o to fd i f f i c u l tp r o b l e m st oq o s t ob e t t e r s o l u t et h ei m p a c to fm o b i l i t yo no o s ，t h i sa r t i c l eh a sa n a l y z e dv a r i o u sm o b i l i t y s o l u t i o n s ，a n dc o m p a r e dw i t ht h eg o o da n db a dp o i n t so fp r o v i d i n gt h em o b i l i t y s u p p o r ti ne a c hl e v e l t h em o b i l i t ym a n a g e m e n tp r o t o c o l sb a s e do ni ps u c ha sm o b i l e i p , c e l l u a ri p , h i e r a r c h i c a lm o b i l ei pa n dh a w a i ia r e d i s c u s s e di nd e t a i l t h e e s s e n t i a lt e c h n o l o g yw h i c hh a w a i iu s e si sa l s oa n a l y z e dw i t he m p h a s i s c o n t r a s tt o m o b i l ei p , t h em o b i l i t yc o r r e l a t i o ns i g n a ll o a do fh a w a i ii sm u c hl i g h t e r a n a l y z e d h a st u r n e do nt h a ti ti sm o r ef e a s i b l et oa d o p th a w a i ia sm o b i l i t ym a n a g e m e n ti nt h e m o b i l ea c c e s sn e t w o r k i no r d e rt oc o m p a r et h eh a n d o f fp e r f o r m a n c eo fm o b i l ei pa n dh a w a i i ，t h e o p e n i n gs o u r c e c o d en e t w o r ks i m u l a t o rn s 2w a su s e d o nt h eb a s i so f f u l l y u n d e r s t a n d i n gt h er e a l i z a t i o nm e c h a n i s mo fn s 2 ，t h es i m u l a t i o np l a t f o r mt h a t t h e e x p e r i m e n tn e e d sw a sb u i l tt h r o u g he x p a n d i n gt h ep r o t o c o ll i b r a r yo fn s 2 t h e e x p e r i m e n t a lm o d e la n ds i m u l a t i o np r o c e d u r ew e r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e d a f t e r t h ee x p e r i m e n t ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t u mw a sc o m p u t e da n da n a l y s i s e d t h er e s u l to f t h i se x p r i m e n tp r o v e dt h ea d v a n t a g eo fh a n d o f fp e r f o r m a n c eo fh a w a i i i na c c e s sn e t w o r k ，i no r d e rt op r o v i d et h eq o sg u a r a n t e em o b i l es e r v i c e ，t h i s a r t i c l eu s e sr s v p , w h i c hi si n v o l v e di ni n t s e r vm o d e l ，a sq o ss i g n a lp r o t o c o lt o r e s e r v er e s o u r c e sf o rs e r v i c e f l o w s t h r o u g hc o m b i n i n g t h em i c r o m o b i l i t y m a n a g e m e n tp r o t o c o la n dr e s o u r c er e s e r v ep r o t o c o l ，aq o sp l a nw i t hh a w a i ia n d r s v pi n t e r a c t i o nw a sp u tf o r w a r d a n da n e x p e r i m e n t w a s d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e du n d e rn e t w o r ks i m u l a t o rn s 2 t ov a l i d a t et h ea d v a n t a g eo ft h i sp l a n i n t h ee x p e r i m e n t ，t c pa n du d pw e r eu s e dt og e n e r a t et h eg r e a tb a c k g r o u n dd a t a f l o w s ， a n dt h et r a n s m i s s i o no fa u d i od a t aw a so b s e r v e d t h r o u g hc o m p u t i n ga n da n a l y s i n g t h ee x p e r i m e n t a ld a t u mb yt h ep r o c e d u r ew h i c hw a ss p e c i a l l yd e s i g n e d ，t h er e c e i v e 北京邮电大学 3 计算机科学与技术系 北京邮电大学硕士学位论文 i p 移动接入网切换过程中q o s 问题的研究 s p e e da n dt h el o s sr a t eo fa u d i op a c k e ti n d i f f e r e n ts i t u a t i o nw e r eg o t f i n a l l yt h e r e s u l t eo ft h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h ea u d i od a t at r a n s m i s s i o nq u a l i t yi si m p r o v e d o b v i o u s l yu n d e ri n t e r a c t i o nq o sp l a n k e yw o r d s m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，r s v p , h a w a i i 北京邮电大学 4 汁算机科学与技术系 北京邮电大学硕：i j 学位论丈 i p 移动接入网切换过程中o o s 问题的研究 1 1 课题的研究背景与意义 一绪论 o ，h ，u 随着移动通信技术和互联网技术的高速发展和融合，移动通信系统中开展i p 业务和各种数据业务成为一种必然的发展趋势，而如何提供有0 0 s 保障的、基于 工p 的移动业务，已经成为目前研究的热点之一。 第一代移动通信系统采用模拟技术，信号质量和保密性差，且容量有限，设 备成本高，特别是业务种类单一，主要是话音业务。为了解决模拟系统中存在的 这些技术缺陷和技术的不成熟，业界推出了第二代数字蜂窝系统。第一、二代移 动通信系统主要是针对话音业务的要求设计的，因此话音业务的0 0 s 自然有保 证。考虑到第二代移动通信系统的成熟性和向第三代移动通信系统平稳过渡的 需要，业界又提出了2 5 代( 2 5 g ) 移动通信系统。2 5 g 系统只能提供尽力而为 的分组数据业务，q o s 能力有限，不能保障。随着业务需求的不断变化，数据业务 所占的比重越来越大。为了解决移动通信对数据业务的支持问题，国际电联( i t u 在2 0 世纪后期提出了第三代移动通信的概念，支持在室内环境下高达2 m b s 的 数据速率、步行环境下达3 8 4 k b s 的速率、车载环境下达1 4 4 k b s 的速率。 根据i t u r m 2 0 2 3 报告，估计到2 0 1 0 年多媒体业务将达到语音业务的两倍， 并会以每年4 0 的速率增长，而语音业务将趋于饱和。根据报告，估计到2 0 1 5 年移动业务量将是当前的2 3 倍，多媒体业务将占到9 0 。第三代移动通信将不 能满足要求，所以发展具有更大容量和更大比特传输速率的第四代( 4 g ) 移动通 信系统是发展的必然。国际电联电信标准局( i t u t ) 于2 0 世纪末2 1 世纪初开 始研究制定超三代四代移动通信系统( b 3 g 4 g ) ，希望统一所有的移动通信标准， 并与i n t e r n e t 直接联系在一起组成一个统一的全球性移动通信网。4 g 网络的数 据速率可达到1 0 m b p s 以上，核心网络则完全基于工p 技术并且允许不同的接入技 术，从而实现真正意义上的全i p 移动通信网。 综上所述，移动通信的发展方向是网络架构由电路交换网发展到全工p 移动 通信网，因此如何保证i p 移动通信系统的q o s 是当前和今后一项非常重要的工 作。 传统的电信网络中，由于提供的业务种类单一，所以q o s 自然得到保证。随 着i n t e r n e t 的出现和迅速发展，特别是当人们希望通过i n t e r n e t 来传递实时业务 时，由于i n t e r n e t 采用的b e s t e f f o r t 的数据传递方式，导致了较大的时延和业务 的不可用，0 0 s 问题才开始受到重视。目前，i e t f 提出的保证工p 网络q o s 的业 北京邮电大学计算机科学与技术系 北京邮电大学硕士学位论文i p 移动接入网切换过程中q o s 问题的研究 务模型主要有两个：集成业务模型和区分业务模型。 q o s 机制的主要任务是对网络资源合理地进行分配，一个具有良好q o s 支持 的移动通信系统必须能够按照所承诺的q o s 提供网络资源保证，并在此基础上最 大限度地满足各种业务的服务质量需求。而对于移动通信系统的接入网络，则要 在保证业务q o s 的前提下，最大限度地提高接入能力，满足尽可能多的用户发起 的业务请求。虽然通信技术迅速发展，网络通信能力飞速提高，但是用户的数量却 以惊人的速度增长，网络上的业务种类不断更新，业务量的增长速度更是吓人。而 且由于网络传输能力的提高，一些具有更高质量和传输性能要求的业务成为可能， 并逐渐普及，它们将占用更多的网络资源。因而再多的网络资源也难以满足日益 膨胀的用户需求，在用户的业务网络资源需求量超过网络承载能力时，网络中的 所有业务将受到影响，使业务的传输服务质量得不到保障。而如果在网络中采用 合理的q o s 机制，通过对资源进行合理的分配和优化，可使有限的资源满足尽可 能多的需求，使它们的q o s 得到保障。与固定网络相比，移动通信网的网络资源 很有限，另外用户的移动性和高丢包率的无线通信环境使传输服务质量保证变得 更为困难。同时q o s 不是一个单独的个体参数，它往往要求网络的不同层次相互 协调配合来共同完成。 本文主要研究移动接入网在i p 层上对移动性的支持以及如何在切换过程中 提供q o s 保证的问题。移动i p ( m o b i l ei p ) 虽然能够解决终端的移动性，但是在 快速移动、频繁切换环境中的应用将引发较大的网络负载和较长的切换延时，降 低通信质量。为解决这个问题，需要把移动i p 与微移动管理技术相结合。当前 比较成熟的微移动管理协议有：c e l l u l a ri p , h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ，h a w a i i 等。 目前i n t e r n e t 网络采用集成服务和区分服务来保证多媒体服务的q o s ，但是它们 都没有考虑主机移动性的问题。为了使移动主机接入i n t e r n e t 并获得满意的服务 质量，本文参考了有线i n t e r n e t 网络集成服务q o s 保证体系，采用资源预留协议 r s v p 作为q o s 信令。然而移动性管理机制和q o s 方案基本上是相互独立的， 彼此之间没有太多的联系，在提供切换过程中的q o s 保证方面存在很多缺陷， 因此研究如何把两者结合起来协调工作具有重要的现实意义。 1 2 本文主要工作 分析移动性解决方案以及切换策略，研究如何在基于i p 的移动接入网中为 业务提供q o s 保证，减少切换带来的影响。 分析m o b i l ei p 的工作原理以及存在的不足，研究微移动性管理协议，分析 了c e l l u a ri p 技术，分层m o b i l ei p 技术以及h a w a i i 方案，重点研究了h a w a i i 采用的关键技术。分析i n t e r s e r v r s v p 的参考模型以及r s v p 协议的相关技术， 北京邮电大学 计算机科学与技术系 北京邮电大学硕士学位论文i p 移动接入网切换过程中q o s 问题的研究 并结合h a w a i i 与r s v p 提出一种移动接入网的q o s 模型。 用仿真实验对比m o b i l ei p 与h a w a i i 切换过程中的q o s 性能，采用n s 2 作 为仿真工具，分析h a w a i i 协议仿真模块的实现代码，并对现有的n s 2 协议库进 行扩展，设计并实现m o b i l ei p 与h a w a i i 切换过程的仿真实验。 结合h a w a i i 协议和r s v p 协议，提出这两者互操作的方案解决切换过程中 的q o s 问题。分析r s v p 协议仿真模块的实现代码，并扩展n s 2 的协议库。集成 h a w a i i 协议和r s v p 协议仿真模块，设计并实现h a w a i i 与r s v p 互操作的仿 真实验，用v c 编写数据处理程序对实验数据进行分析。 1 3 本文的组织结构 第一章：绪论，分析移动通信网络的发展趋势，叙述在基于i p 的移动接入 网中提供业务q o s 保证所遇到的问题，为了解决这些问题，学术界提出了宏移动 性管理协议m o b i l ei p 以及微移动性管理协议如：c e l l u l a ri p ，分层m o b i l ei p 以及 h a w a i i 。同时介绍了0 0 s 的相关机制。 第二章：移动性解决方案及切换策略，分析在网络各个层次上提供移动性解 决方案的优缺点，介绍网络层解决方案m o b i l ei p 的工作原理以及切换中的q o s 问题。为了解决频繁的域内移动带来的影响，使用微移动性管理协议，介绍了 c e l l u l a ri p ，分层m o b i l ei p 以及h a w a i i 这三种微移动性管理协议，重点分析 h a w a i i 的关键技术，并对m o b i l ei p 和h a w a i i 两者的信令负载做了理论上的评 估与比较。 第三章：m o b i l ei p 与h a w a i i 切换性能的仿真比较，介绍仿真实验采用的 仿真平台n s 2 。为了在n s 2 中进行h a w a i i 的仿真，本章扩展了n s 2 的路由协议 模块以及无线网络模块，描述了扩展的过程以及新协议模块的实现。介绍仿真实 验的设计与实现，包括仿真模型，实验安排以及模拟程序等。最后对实验结果进 行分析。 第四章：h a w a i i 与r s v p 互操作的q o s 方案，介绍了互操作方案中各功能 实体之间的交互过程，引入q o s 的概念，具体阐述了i n t e r s e r v r s v p 的参考模型 以及r s v p 协议的相关技术。分析了在各种切换情景下的q o s 问题，为了减小 切换对q o s 的影响，需要把h a w a i i 与r s v p 结合起来，从理论上分析了互操 作方案的优点。 第五章：互操作方案的仿真验证，叙述了扩展n s 2 协议库的步骤，以及r s v p 协议仿真模块的实现，设计并实现仿真实验的模型，在集成h a w a i i 与r s v p 的网络模拟环境下，加载大背景业务流，分别对无r s v p 、有r s v p 但无交互以 及互操作方案三种情况的q o s 性能进行分析比较。 北京邮电大学计算机利学与技术系 北京邮电大学硕= 学位论文i p 移动接入网切换过程中q o s 问题的研究 二移动性解决方案及切换策略 2 1 移动环境下通信系统面临的挑战 移动通信系统面临困难很多，主要有以下三个方面：一是无线接入，二是移动 性，三是移动终端。 ( 1 ) 无线接入 移动网和固定网的主要差异首先体现在接入方式不同，移动网采用的是无线 接入，而无线接入的缺陷严重影响了系统的q o s 。固定网的终端是通过固定的线 缆接入到通信网络系统中，由于接入线缆和网络带宽等资源的固定性以及用户身 份等数据的确定性，使得系统的接入部分易于控制。移动网的终端一般是靠无线 链路接入的，由于无线链路的环境十分恶劣，主要表现在：高误码率、高丢失率、 带宽有限且不固定，速率低。 ( 2 ) 移动性 移动性是移动网和固定网的另一重要差异，固定网中的终端设备是固定的， 而移动网中的终端设备是可以移动的，特别是移动终端可以在工作中移动，且要 求能在移动中正常工作。例如，当移动终端上的传输业务处于连接状态的情况下， 终端用户从一个小区移动到另一个小区，移动终端的接入点改变引起切换。比较 切换前后的情况，数据的传输路径改变了，从而传输延迟也就改变了，并且由于 新路径上的路由器与原来的不同，在不同的路由器上的队列情况也不同，排队延 迟也就改变了。更严峻的情况是当新接入点的资源过载时，业务需求的带宽无法 得到满足，从而引起业务传输服务的中断。由此可见，移动用户在移动过程中使 用一个传输服务时，当移动终端发生切换，业务的传输服务质量就会受到影响。 最坏情况下，业务的最低q o s 参数保证得不到满足，业务就会被中断。 ( 3 ) 移动终端 移动终端具有低功耗、低计算能力、低内存、低显示能力等特点。由于要求 便于携带，移动终端的体积和重量受到了很大的限制，其所能携带的电能也十分 有限，因此低功耗对于移动终端是极为重要的要求。同时移动终端的体积和重量 限制也影响到了移动终端的其他方面的能力，其运算速率比较低，内存的数量和 硬盘的大小也受到限制，可存储的数据点i 也比较少，操作系统和应用软件都需要 专门为之设计。显示器的尺寸相对较小，有些情况下不6 同匕p , ，t k b 好地显示某些应用的 信息。 对于以上三个问题，无线接入和移动终端的低功耗等问题都属于物理层，可 北京邮电大学计算机科学与技术系 北京邮电大学硕二卜学位论义i p 移动接入网切换过程中q o s 问题的研究 以通过提高设备的物理性能来解决。而移动性问题不仅与通信系统的物理性能有 关，而且与系统的资源分配管理等软件系统有密切关系，所以解决该问题不是单 从某个层可以完全解决的，它需要各个层次互相配合来完成。 2 2 各层移动性解决方案 移动性支持是指移动主机在移动的过程中无需中断已有的通信连接，即上层 应该不会意识到主机的移动。移动性管理是指移动通信网中用户移动所涉及的问 题，它是移动通信网的核心问题。移动通信网移动性管理可以分为三个层次：空 中接口( 物理层) 移动性管理、链路层移动性管理和网络层移动性。 1 链路层移动性支持 g p r s 网络中采用的g p r s 隧道协议( g t p ) 就是一种链路层的移动性支持解决 方案。g p r s 骨干网中g s n 间的用户数据和信令利用g t p 进行隧道传输。所有的 点对点p d p 协议数元( p d u ) 将由g t p 协议进行封装。g t p 是g p r s 骨干网中g s n 节 点之间的互联协议，它是为g n 接口和g p 接口定义的协议。在g s m 0 9 6 0 中对g t p 作了规范。g t p 只支持g p r s 网络内部的移动性，不支持g p r s 网络与非g p r s 网 络之间的移动性。 链路层方案的缺陷包括：1 数据链路层的移动性支持通常限制在同类网络之 间，即只能够在一种物理媒介内提供结点的移动性支持；2 只提供漫游能力，漫 游能力是指主机更换接入点时，通过重启机器，或重新配置i p 地址等操作后( 这 会导致u d p 或t c p 通信中断) ，能够开始新的通信的能力；由此可见在只提供链 路层移动性支持的情况下，移动终端在两个网络之间切换时，如果这两个网络属 于同类网络则会引起通信的短暂中断，而在异类网络之间则不能保证通信的继 续。 2 网络层移动性支持 在传统i p 网络中，主机的i p 地址是由所在的子网管理的，发送到该主机i p 的数据通过路由到达其所在的子网，最后由子网的路由器转发给主机。而当主机 离开了它原来的子网( 家乡网络) ，接入到另一个子网( 外地网络) 时，发送给 主机工p 的数据被转发到家乡网络后，无法到达主机。这使得传统的工p 网络无法 支持主机的移动性。 m o b i l ei p 就是为i p 网络提供移动性支持的一种解决方案，它定义了家乡代 理( h a ，h o m ea g e n t ) 和外地代理( f a ，f o r e i g na g e n t ) 这两个网络实体。当 移动主机( m h ，m o b i l eh o s t ) 在本地网络时，发送到m h 的数据通过正常的i p 路由到达m h ；当m h 移动到外地网络时，它通过外部代理或者d h c p 获得转交地 址( c o a ，c a r eo fa d d r e s s ) ，并向h a 发送消息注册其c o a ，对端通信主机( c h ， 北京邮电大学计算机科学与技术系 北京邮电大学硕士学位论文i p 移动接入网切换过程中q o s 问题的研究 c o r r e s p o n d e n th o s t ) 发送给移动节点的数据包通过正常的工p 路由到达m h 的本 地网络h a ，h a 截获这些数据包，通过隧道技术将他们转发到m h 的当前f a ，再 由f a 转发到m h 。而由m h 发送给c h 的数据，不管m h 是在本地网络还是在外地 网络都采用正常的工p 路由协议传送。 3 应用层移动性支持 由i e t f 提出的会话初始化协议( 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 ) 就 可以作为一种在应用层提供移动性支持的方案。s i p 支持的会话可以是i n t e r n e t 多媒体会议、电话呼叫或多媒体信息流分配，可以是单播，也可以是组播。s i p 定义了会话的建立、终止和修改过程，而媒体控制部分由会话描述协议( s d p ， s e s s i o nd e s c r i p t i o np r o t o c 0 1 ) 负责。在v o i p 系统中，广泛采用s i p 作为信令 交互协议。同时在3 g 移动通信系统的多媒体域i m s 中，也选择s i p 作为信令基 础，已经有很多对s i p 协议扩展的方案，使其在应用层支持移动多媒体通信。 4 小结 各个层次的网络协议都具备提供移动性支持的能力，且各具特色，本文认为， i p 层是对实现移动性支持比较合适的层次。这是因为：它的低层即链路层依赖于 传输媒体，受媒体的限制。而高于i p 层的层次支持移动性的解决方案会造成大范 围的层次协议修改，不太现实。而且i p 层是各种无线网络( 女h g s m w c d m a 矛d c d m a 2 0 0 0 等) 接入因特网的核心公共部公，在工p 层提供移动性支持有利于网络的 统一和各网络平滑地向i p 化网络方向发展。 2 3m o b i l ei p 2 3 1 工作原理 m o b i l ei p 协议的功能可以分为三个部分：代理发现、注册和隧道路由。我们 简要地介绍一下m o b il ei p 的工作原理。 m o b i l ei p 通过引入两个网络实体：家乡代理( h o m ea g e n t h a ) 和外地代理 ( f o r e i g na g e n t - f a ) 来进行移动性管理。这两个代理分别在家乡网络和外地网络 通过发送广播消息来向m h 通知自己的存在。m h 依据代理广播消息来判断自己是处 在家乡网络还是处在外地网络。当m h 在家乡网络时，它使用正常的i p 协议通信。 当它进入外地网络后，需要获得一个工p 地址，称为转交地址( c a r e o f a d d r e s s - c o a ) ，m h 要么通过f a ，要么直接向h a 发送注册请求消息，告诉h a 它的当 前位置，也e p c o a 。 c h 发送给m h 的数据包通过正常的i p 路由到达m h 的家乡网络。h a 替m h 截获这些 数据包，将他们重新封装，添加新的i p 包头，其目的地址为c o a ，源地址为h a 的地 北京邮电大学计算机科学与技术系 北京邮电大学硕士学位论义i p 移动接入网切换过程 to o s 问题的研究 址，h a 将封装过的i p 包转发到m h 的当前位置，再e h f a 或m h 自己将原来的工p 包恢复 出来。从m h 至i j c h 的数据包则采用正常的工p 路由。 ( 1 ) 代理发现 代理发现的主要过程是：h a 矛e i f a 周期性地广播“代理广播”( a g e n t a d v e r tis e m e n t ) 消息，m h 时刻监听链路上的代理广播消息；m h 也可以发送代理请 求消息，收到此消息的每个移动代理都应当用代理广播消息进行应答。m h 通过监 听代理广播消息检测自己是位于家乡网络还是外地网络，是否发生了切换，当m h 移动到一个新的外地网络时，m h 通过代理发现机制找到一个合适的、可用的f a ， 从代理广播消息中还可获得转交地址。另外，m h 还可以通过d h c p ( d y n a m i ch o s t c o n f i g u r a t i o np r o t o c 0 1 ) 或手动配置方式得到配置转交地址。 移动i p v 4 通过扩展现有的“i c m p 路由器发现”机制来实现代理发现。移动 i p v 4 代理发现机制共包括两条消息：代理广播消息和代理请求消息。这两条消息 是由i c m p 的路由器广播消息和路由器请求消息扩展而来的。 ( 2 ) 注册 移动i p v 4 的注册过程一般在代理发现机制完成之后进行，注册过程如下：m h 发送注册请求消息启动注册过程，当注册请求消息需经过f a 时，f a 对其进行检查 通过后，将注册请求消息转发给h a 。h a 检查认证后，向m h 返回注册应答消息， 通知心注册是否成功。 m h 通过注册过程通知h a 自己当前的c o a ，使h a 获得m h 当前位置信息，为m h 及 其c o a 建立一个绑定( b i n d i n g m h 的家乡地址和转交地址的关联称做绑定) ，当 m h 回到家乡网络上时，注销原有的绑定。m h 通过注册过程定期更新原有的绑定项， 防止绑定由于过期而失效。通过注册过程m h 创建和维护h a 处m h 的当前位置数据 库。另外，m h 可以同时注册多个转交地址，也可以在注销一个转交地址绑定项的 同时保留其它转交地址的绑定。 注册过程包括两种注册消息：注册请求和注册应答，注册消息由u d p 进行传 输。注册请求消息的源端口号任选，目的端口号为4 3 4 。注册应答消息将请求消 息的源、目的端口号互换作为应答消息的源、目的端口号。 ( 3 ) 隧道路由 移动i p v 4 采用隧道路由方式将i p 数据报转发至m h 当前位置处，隧道路由是移 动i p v 4 中的关键路由技术。当m h 在外地网络上时，h a 将发向m h 家乡地址的i p 数据 报进行隧道封装：按照隧道封装协议将原i p 数据报放入另一个i p 数据报的净荷 中，外层i p 数据报目的地址为m h 的转交地址，源地址为h a 的地址。经过封装的工p 数据报逐跳路由到达m h 的转交地址( 也即隧道出口处) 后，j # i p 数据报解封装送交 m h 。移动工p 使用了三种隧道技术：工p 内的i p ( i p i ni p ) 封装、最小封装和通用路 由封装( g r e ) 。 北京邮电大学计算机科学与技术系 北京邮电大学硕士学位论文i p 移动接入网切换过程中q o s 问题的研究 工p 内的i p 封装由r f c 2 0 0 3 定义，用于将i p v 4 包封装在另一个i p v 4 包的净荷 部分。移动i p v 4 要求h a 和f a 必须支持i p 内的工p 封装格式，以实现从h a 至i j 转交地址 的隧道路由。i p 内的i p 封装过程非常简单直接，只需把一个i p 包放在一个新的工p 包的净荷中即可，但增加了额$ 1 , 2 0 字节的外层工p 包头开销。 i p 的最小封装由r f c 2 0 0 4 定义，是移动i p v 4 中的一种可选隧道方式。最小 封装的目的是减少隧道所需的额外字节数，通过将i p 内的i p 封装中内层i p 报头和 外层i p 报头的重复部分去掉来减少额外报头开销。最小封装与i p 内的i p 封装相比 可以节省一些字节( 一般是8 字节) 但带来了一些不利之处，如：当原始i p 数据报已 经过分片时，无法实现最小封装：最小封装增加了目的端不可达的概率等。 ， 通用路由封装( g r e ) 由r f c1 7 0 1 定义，也是移动i p v 4 中的一种可选隧道方 式。g r e 是一种通用隧道封装协议，它允许一种协议的分组封装在另一种协议分 组的净荷中。与i p 内的i p 封装和最小封装不同，它不仅支持i p 协议封装，还支持 其它协议的封装，其中净荷包和外层的分发包可为不同的网络层协议。另外，g r e 还具有防止递归封装的机制。 2 3 2m o b i l e i p 的切换问题 m o b i l ei p 的切换过程分为两个阶段：移动检测阶段和重新注册阶段。当m h 移 动到一个新的外地网络时，它首先要进行移动检测来判断自己是否更换了接入子 网，这会产生一个移动检测时延。当判断得去自己已经进入新网络时，m h 用d h c p 从新接入网获取新的c o a ，向h a 重新注册，告知其最新的c o a 。从洲离开原先的网 络开始，到向h a 重新注册的这段时间内，由于h a 不知道m h 的最新的c o a ，所以它 仍然将目的地为m h 的i p 包通过隧道发送到原先的网络，这些工p 包会被丢弃，使得 m h 与c h 间的通信质量严重下降。 2 3 3 小结 m o b i l ei p 协议为上层应用提供了移动透明性，当一个m h 在从a 网移动到b 网的过程中，不需要重新配置、重起主机，而且用户也不需要重起应用。例如， 用户在从a 网移动到b 网的过程中进行f t p 文件下载，该程序不会因为切换到不 同的子网而中断连接，从而实现了操作透明性。 m o b i l ei p 主要存在以下问题： ( 1 ) 许多额外开销，其中开销较大的有隧道开销、三角路由开销和分片开销。 所谓隧道开销是指在家乡代理和外地代理之间隧道传输时，引入了家代理打包和 外地代理解包的时间开销；三角路由开销是指工p 报文不是直接发向移动主机而 是先发给家代理然后再转交给外地代理，这样也引入了额外的时间开销；分片开 北京邮电大学汁算机科学与技术系 北京邮电大学硕士学位论文 i p 移动接入网切换过程中q o s 问题的研究 销是指任何一条路径可能包含多条链路，而每一条链路并不一定都采用相同的最 大帧长，一条链路上的报文如果大于另条链路上的最大帧长，就不得不被分为 两个或更多的报文，从而引入分片开销。 ( 2 ) 切换问题。当m h 在两个网络之间切换时，需要重新给h a 发送注册消息， 更新h a 上的转交地址，在这个过程中，c h 发送给m h 的数据，都被按原来的转 交地址转发，这会导致数据的丢失，如果m h 与h a 之间跨越的网络较多的话，重 新注册的时间较长，数据丢失会比较严重。 ( 3 ) 域内移动问题。在两个接入网络的交界区域内m h 的频繁移动，会导致频 繁的切换；然而移动通信系统为了增强系统接入能力，采用小蜂窝的网络布局， 这使移动终端的切换变得更加频繁。频繁的切换会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。 2 4 支持微移动性管理的方案 在移动工p 协议中，每当移动节点从一条链路移动到另外一条链路时，都需要 重新向其家乡代理注册其位置信息。当移动节点在小规模链路之间快速移动时， 将会发生频繁的切换注册过程，相应的注册和应答报文将占用网络带宽，注册过 程的时延和注册过程中的报文丢失将极大地降低网络通信服务质量，甚至使得移 动节点根本无法与其它节点通信。在这种情况下，我们希望能够把这些频繁移动 管理过程本地化，减少网络上移动管理相关消息的传递，节省网络带宽，缩短注 册过程的时延，减少切换造成的报文丢失，这也就是微移动管理各种解决方案的 设计目标。当前i e t f 提出了几个支持微移动管理的草案，其中比较成熟的有 c e l l u l a ri p 9 1 ，分层的m o b i l ei p 18 和h a w 触i 方案 4 。 2 4 1c e l l u l a r i p 技术 c e l l u l a ri p 技术是由m o b i l ei p 发展而来的，借鉴了很多m o b i l ei p 的概念：它在 应用时，需要与m o b i l ei p 技术配合使用。 图2 1 是c e l l u l a ri p 的网络架构，一个地区的无线接入网同属于一个域，它通 过一个边缘路由器或接入路由器接入至l j i n t e m e t 中，所有进入和离开该域的数据 都经过该路由器。在c e l l u l a ri p 接入网中，该路由器需要完成协议之间的转换， 实际上起到了网关的作用。 在c e l l u l a r i p 中，网关起到了m o b i l ei p 中f a 的功能。m h 将网关的工p 地址当作 它的c o a 向h a 注册。所有来自c h 的数据都被h a 通过隧道转发到网关，网关去除数 据包的封装，通过c e l l u l a ri p 网络将数据包转发给m h 。所有m h 发给c h 的数据包都 先通过c e l l u l a ri p 网络发给网关，然后离开c e l l u l a ri p 网络。可以看出，当m h 在同 北京邮电大学 计算机科学与技术系 北京邮电大学硕士学位论文i p 移动接入网切换过程中o o s 问题的研究 一个网关管辖的无线接入网内移动( 也就是微移动) 时，它是不需要通9 i j h a 的，而 只有在域间移动( 在不同网关管辖的无线接入网间移动) 时，才需要向h a 注册。 图2 1 c e l l u l a ri p 网络架构 2 4 2 分层m o b i l ei p 技术 在分层m o b i l ei p 中，一个地理区域内的所有f a 按照逻辑上的分层结构( 一般 为树状结构) 组织起来，如图2 2 所示。其中最上端的f a ( r ) 称为根f a ，最下方的 f a 为叶f a 。 图2 2 分层m o b i l ei p 网络结构示意图 根f a 周期性的向下一级的f a 发送f a 广播消息，通告自己的存在，下一级的f a 继续向下转发广播消息，最终由叶节点发送给m h 。与m o b i l ei p 不同的是，分层 m o b i l ei p 中的f a 广播消息中设置一个c o a 向