（计算机系统结构专业论文）无线互联网中的ip移动性及tcp性能问题研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 在无线互联网中有两个重要的问题：1 如何实现各种移动终端( m n ) 随时随地 的访问网络；2 在解决了节点的接入问题后，如何改善t c p 的性能。 为了使m n 以一个固定的m 地址随时随地的访问网络，i e t f 提出了m o b i l ei p 协议。m o b i l e 口协议存在注册信令消费高、“三角路由”和不能很好的支持m n 的微 移动等问题。针对“三角路由”问题，现有的解决办法包括路由优化和通信节点预查 询机制等。但是，前者带来了新的安全问题；后者在m n 频繁移动时并不可靠。j 针对 ， m n 的微移动问题，目前已经提出了很多微移动管理协议，例如外地代理分层次的结 构、c e l l u l a ri p 、h a w a i i 、t e l e m i p 等。但是如何将这些协议和m o b i l ei p 协议很好地 融合，则显得非常重要。针对这些问题，提出了一种动态的分层次的临时家乡代理移 动i p 解决方案( d h t h a 。m d ) 。该方案通过将m n 所在的外地网作为其临时家乡网， 将外地代理作为其临时家乡代理，改进了m o b i l e 口的注册机制，m n 可以根据其所 在的位置在家乡代理和临时家乡代理之间动态的切换，从而减少了注册信令的消费， 缩短了路由距离，消除了“三角路由”问题。同时该方案融合了分层次的外地代理微 移动管理协议，并给出了一个系统模拟图。 现有的各种改善无线网络环境下t c p 性能的技术包括链路层技术、分段连接技 术、端到端技术，混合技术等等。这些技术并没有从网络这个整体来考虑t c p 性能 问题。在分析和研究了国内外各种技术方案的基础上，提出了一种基于区分服务类型 的t c p 改进协议，即d s t c p 。该改进协议引入了“服务类型”的概念，将无线网络 低层提供给t c p 的服务分为四种类型，通过将网络丢包原因通知给通信对端，然后 分别启动四种不同的控制机制，从而从整体上提高了t c p 在无线互联网中的性能。j 一7 关键词：无线互联网，移动网际协议；传输控制协议 路由优化，遥l 扬，一l i i 萝 家乡丽番薅爹 一轧 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ei t l et w oi m p o r t a n tp r o b l e m si nt h ew i r e l e s si n t e m e t ；t h ef i r s ti st h a th o wt o a c c e s si n t e m e tw i t l la p e r m a n e n ti pa d d r e s sa n y w h e r ea n da n y t i m e t h es e c o n di sh o w t o i m p r o v et c pp e r f o r m a n c e i e t fb r i n g so u tm o b i l e 口p r o t o c o lt os u p p o r th o s t sm o b i l e a c c e s s i n gi n t e m e t m o b i l e 坤n o to n l yh a sa ”t r i a n g l er o u t i n g ”p r o b l e m b u ti tc a n n o t s u p p o r tm n sm i c r om o b i l i t y t h ee x i s t e dm e t h o d si n c l u d em u t i n go p t i m i z a t i o na n d c o m m u n i c a t e dn o d ei n q u i r i n gi na d v a n c em e c h a n i s m t h ef i r s tm e t h o db r i n g se x t r a s e c u r i t yp r o b l e m w l e nm n m o v e s f r e q u e n t l y , t h el a t t e rm e t h o d i sn o tr e l i a b l e t h e r ea r e m a n y m i c r o m o b i l i t ym a n a g e m e n tp r o t o c o l si n c l u d i n g h i e r a r c h i cf c e l l u l a rm h a w a i i ， t e l e m i pa t eu s e dt os u p p o r tm n sm i c r o m o b i l i t y b u ti ti sv e r yi m p o r t a n t t h a tf i n dag o o d m e e h a r t i s mt oi n t e g r a t om o b i l ei pa n dt h em i c r om o b i l i t yp r o t o c o l s a i m i n ga tt h e s e p r o b l e m s ，ad y n a m i c h i e r a r c h i ct e m p o r a r yh o m e a g e n t s c h e m ew a s b r o u g h t o u t i nt h e s c h e m ef o r e i g nn e t w o r ka c t s 船m n st e m p o r a r yh o m en e t w o r k , a n df aa c t s 嬲m n s t e m p o r a r yh a m n 啪d y n a m i c h a n d o f fb e t w e e ni t sh aa n dt e m p o r a r yh a s oi tn o t o n l yc r nr e d u e o t h ee x t r as i g n a lc o n s u m p t i o n , b u ta l s o 咖r e d u c et h er o u t i n gd i s t a n c es o c a l la v o i dt r i a n g l em u t i n g t h ee x i s t e dm e t h o d so fi m p r o v i n gt c pp e r f o r m a n e oi n c l u d ed a t al i n k l a y e r i m p r o v e m e n t , e n d - t o e n dt e c h n o l o g ya n d m i x t u r et e e l m o l o g y b u ta l lt h i sm e t h o d sd on o t t h i n kt oi m p r o v et c p p o r f o r m a n e e 船a w h o l o a t l e rr e s e a r c h i n gt h oe x i s t e dt c pe n h a n c e d s c h e m e s ，b r i n g ad i f f e m a e es e r v i c et c p i m p r o v e m e n t s e l l o r a e , w h i c hi sc a l l e dd s t c p i n t h es c h e m e , i n d u c tt h ec o n c e p to f “t y p eo fs e r v i c o t h es o r v i c e st h a tp r o v i d e db yt h e n e t w o r k so t h e rl a y e r st ot c pa r ec l a s s i f i e dt of o u rt y p e s d i f f e r e n tm e c h a n i s m sa l et a k e n t oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c e o f t c pf o rt h ed i f f e r 叫ts e r v i c e s k e yw o r d s ：w i r e l e s si n t e r a c t , m o b i l ei p , t c p , r o u t i n go p t i m i z a t i o n ，m i c r o m o b i l i t y ，t e m p o r a r y h o m en e t w o r k ，t y p eo f p a e k e t sl o s s i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景介绍 1 绪论 当今的社会正在经历信息产业的飞速发展和变化。移动通讯业的迅猛发展和 i n t e m e t 的普及是人类通信领域里最重要的两件大事，将两者结合到一起是人们的梦 想，有着广阔的市场前景。移动无线互联网正是这两者相结合的产物，它既保留了移 动通讯的方便、快捷、个性化、无处不在的特点，也能够充分利用互联网多媒体、海 量信息和查询方便的优点，因而成了信息技术领域一个耀眼的新星。 移动无线互联网的发展和壮大不能回避的两个重要技术问题是：1 如何实现各 种终端( 也可称作节点) 随时随地的访问网络；2 在解决了节点的接入问题后，如 何保证高层协议( 例如t c p ) 在移动和无线环境下的性能问题。 1 1 1 移动i p 技术将是下一代移动无线互联网的核心技术 如何实现移动终端随时随地的访问网络? 在i n t e m e t 领域，网络设备商正在积极 的发展基于局域网接入的移动互联技术；而在移动通讯领域，传统的电信制造商却在 开拓基于蜂窝的互联网接入技术，如g p r s 等。尽管这两种途径的侧重点不同，但是 着眼点是一致的：保证各种接入设备随时随地的访问网络。当前无线广域网的核心网 络正在从基于电路交换的7 号信令系统向基于i p 技术的网络发展演化。在此过程中， 3 g p p 2 直接采用移动口作为网络层移动管理的标准。尽管3 g p p 目前的发展策略是 将移动管理建立在g p r s 的基础上，但是最终仍将在网络层采用移动i p 技术。因此， 移动口将在未来的移动通信系统中起重要作用。此外，下一代网络( n g n ) 将是一 个全口网，全球网络最终也会实现大统一，移动口技术在这个网络大统一中将起到 不可替代的重要作用，它将是实现移动无线互联网的核心技术。 移动口技术是在全球因特网上提供口移动功能的解决方案，它可以使节点在切 华中科技大学硕士学位论文 换链路时仍可保证正在进行的通信，使移动节点可以通过一个永久的i p 地址连接到 任何一条链路上。移动i p 技术不仅可以使单独的一个网络节点在移动中保持互联， 还可以使整个网络移动起来，为此移动i p 技术的研究成为了移动互联网发展的重点 和热点。 本文这里讲的移动i p 技术泛指解决节点移动接入i n t e m e t 获取信息而必须采取的 协议和技术标准，除了i e t f 的m o b i l ei p 【l 】协议之外，同时包括其他一些微移动管理 协议，例如c e l l u l a ri p t 2 1 、h a w a i i l 3 ，”、t e l e m i pl 5 1 等等。换句话说，我们所指的移动 口技术就是目前各种口移动协议簇。 目前的移动i p 解决方案还存在一些问题【6 ，7 】，国内外很多学者都在努力研究解决 这些问题的对策，但是直到现在仍然没有达成一致的意见，很多方案还是草案，并没 有形成标准，所以仍然需要人们作大量的研究工作。 1 1 2 集成移动i p 的移动无线网络对t c p 协议提出了新的要求 传输控制协议( t c p ) 讳堤为互联网节点间提供可靠性通信而设计的端到端传输 协议，在当前的互联网中有着相当广泛的应用。如今，作为t c p 的主要特征之一的 拥塞控制机制算法已较为成熟，该算法的基本前提是假定链路相当可靠，报文的丢失 或延迟到达是由于网络中间节点出现拥塞所致。它采用基于窗口的和式增加、积式减 少的拥塞控制机制，通过一系列的拥塞控制参数，来完成网络拥塞控制【9 】。 最近几年无线网络发展迅猛，越来越多的终端通过无线的方式接入互联网，t c p 在无线通信网络中也得到了越来越广泛的应用。例如：在无线蜂窝网络中，传统的业 务是电话，随着当前互联网和信息社会的发展，对各种数据业务量的需求也多了起来。 在卫星通信、无线广域网及无线局域网络中都有着t c p 的身影。但是在有线网络中 表现上佳的t c p 在无线网络中并不能取得好的运行性能，这是由于有线网络中链路 的可靠性前提在无线网络中并不成立，即：无线网络中报文的丢失或延迟到达并不 定是由于网络中间节点出现拥塞造成的，很大程度上是由于无线链路本身的特性，诸 如：高误码率、大传播时延、终端的频繁移动或切换的潜伏期过长等原因所致。另外， 正如上一节所讲的，移动口技术和无线网络的融合是未来的发展方向，而各种移动 2 华中科技大学硕士学位论文 i p 技术的特点也决定了它会对t c p 等网络高层协议的性能产生影响。例如m o b i l ei p 中的代理注册、小区频繁切换等都可能增加数据包的端到端传输时延，从而挑战有线 网络中的t c p 报文传输拥塞控制机制，恶化t c p 的性能。因此，若要使t c p 在采用 移动i p 技术的无线网络中保持较高的通信效率，较好的网络吞吐率，就必须研究在 新的环境下t c p 协议所面临的问题，找到改善其性能的方法，这需要大量细致的研 究工作。 1 2 本课题的研究内容 针对目前各种移动口技术存在的问题，本文在对现有的技术作详细的研究和分 析的基础上，将提出自己的改进方案。更进一步地，本文将重点分析无线网络本身的 特点和移动节点的切换对t c p 协议性能的影响，找出提高其性能的方法。 1 2 1 移动i p 协议簇及其性能改进 为了解决网络节点在移动中以一个永久的m 地址访问网络，i e t f 提出了m o b i l e i p 协议，随着它的提出，d 移动性问题成为了国内外的研究热点，人们发现这个协 议在解决口移动性的时候还有很多的问题，诸如“三角路由”问题、外地代理平滑 切换方面的问题、不能很好的支持节点的微移动等等。由此，国内外的学者提出了各 种针对性的改进方案。本文将在回顾m o b i l ei p 的产生、目的和核心技术的基础上， 详细分析和比较各种改进方案，包括宏移动和微移动改进方案，总结它们的优缺点， 最后提出了自己的移动口改进方案，同时预测了今后努力和发展的方向。 1 2 2 基于移动i p 的无线网络t c p 性能改进分析 本文打算从两个方面来研究t c p 在集成移动i p 技术的移动无线网络的性能问题。 一个方面就是无线链路本身的特点。另外一个方面，从移动节点切换方面来研究。移 动节点的切换是移动无线网络中一个不可回避的问题，也是其重要的特点，它对t c p 3 华中科技大学硕士学位论文 性能的影响主要是由切换带来时延过长和切换丢包所引起的。由此可见，如何发现节 点的切换过程以及它对网络时延的影响将是摆在我们面前的首要问题，所以在本文的 第4 章将首先分析各种移动检测算法，分析它到底对网络时延有多大的影响。和前面 的宏移动、微移动相对应，移动节点的切换也有一个层次性的问题，因此本文还将简 要分析切换的层次性。我们认为，针对这种切换的层次性来改善t c p 的性能将是一 个很好的途径。在此基础上，本文将详细分类和研究目前国内外的各种t c p 改进技 术，找出其中的不足和努力的方向，最后将会提出本文的t c p 性能改进方案d s t c p 。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 背景知识 本章简要介绍计算机网络的发展。内容包括o s i 的七层网络参考模型：t c p i p 体系结构：t c p 协议及其拥塞控制策略以及无线网络等。本章的目的是为后面的课题 研究提供背景基础知识，同时是对现有网络技术的简要回顾。 2 10 s i r m 和t c p i p 计算机网络在过去的十几年得到了飞速的发展，计算机之间的通信离不开协议， 为了使不同体系结构的计算机能够实现互联互通，国际标准化组织i s o 成立了专门的 研究机构来解决该问题，提出了著名的开放系统互联参考模型o s i r m 。这个参考模 型采用了7 个层次的体系结构，从上到下依次为：应用层、表示层、会话层、运输层、 网络层、数据链路层、物理层。图2 1 就是该体系结构示意图。 应用层 表示层 会话层 运输层 网络层 数据链路层 物理层 图2 一io s i r m 体系结构示意 然而，虽然i s o 提出了该体系结构，但是由于其过于详细复杂，在i n t c m e t 的发 5 华中科技大学硕士学位论文 展壮大过程中并没有被采用，i n t e r n e t 采用的是t c p i p 体系结构，该结构简化了 o s i r m ，只有四层，从上到下依次为：应用层、运输层、网络层、网络接口层。 在t c p i p 的最高层有许多的应用协议，例如t e l n e t 、文件传输f t p 、简单邮 件传送协议s m t p 等。在其运输层，有两种传输协议，一个就是面向连接的传输控制 协议t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ，我们会在下文对其作详细的讨论，它也是 本文研究的重点之一。另外一种就是面向无连接的用户数据报协议u d p ( u s e r d a t a g r 锄p r o t o c 0 1 ) 协议。运输层的传输单位是报文或者数据流。在网络层，主要的 协议就是著名的面向无连接的i p ( i n t e r a c t p r o t o c 0 1 ) 协议。网络层的传送数据单位是 分组( p a c k e t ) 。在这一层，还有几个配套的协议：i n t e r n e t 控制报文协议( i c m p ) ， 地址解析协议( 哪) 和逆向地址解析协议( r a r p ) 。图2 2 就是著名的t c p i p 体 系结构的示意图。 应用层 运输层 网络层 网络接口层 t e l n e t 、f t p 和e - m a il 等 t c p 和u d p i p 、i c m p 和i g m p 设备驱动程序和接1 2 1 卡 图2 2t c p i p 协议分层结构 2 2l p v 4 及其寻址过程 p v 4 地址就是给每一个连接在i n t e r n e t 上的计算节点分配一个在全世界唯一的 3 2 位地址。i p 地址的寻址过程是这样的：先按i p v 4 地址中的网络号找到节点所在的 网络，再按主机地址把主机节点找到。i n t e r n e t 上的m v 4 地址可以分为5 类，如图 2 - - 3 所示： 6 华中科技大学硕士学位论文 n 类匝堕 二二至二二二 b 类匝二夏二二工二二亟 c 类匹 二 互二二二 习 。类匹工二二二垂 二二 e 类匹卫二二至巫巫二二 图2 3p v 4 地址的5 种类型 为了有效和灵活的使用l p v 4 地址，节约地址空间，在m 地址中又增加了一个子 网号字段。用p 地址主机号字段中的若干比特作为“子网号字段”。子网掩码可以指 出子网号和主机号的分界线。图2 4 就是子网掩码的示意图。 b 类地址 增臻段匝二亘二二工亟 j 子网掩码臣匦至互卫互丑围 图2 - - 4 子网掩码示意图 2 3t c p t c p 是t c p i p 体系中的运输层协议，是面向连接的，因此可提供可靠的、双向 的、按序传送数据的服务。下面简要介绍一下t c p 保证数据传送可靠、按序、无丢 失和无重复的一些机制。 t c p 的编号和确认 7 华中科技大学硕士学位论文 t c p 不是按所传送的报文段来编号的。t c p 将所要传送的整个报文( 这可能包括 许多个报文段) 看成一个一个字节组成的数据流，然后对每一个字节编一个序号。在 连接建立时，双方要商定初始序号。t c p 就将每一个所传送的报文段中的第一个数 据字节的序号，放在t c p 首部的序号字段中。t c p 的确认是对接收到的数据的最高 序号表示确认。但返回的确认序号是已经收到的数据的最高序号加1 。 在t c p 的实现中普遍采用了n a g l e 算法。该算法是这样的：若数据是逐个字节到 达发送端，那么发送端就将第一个字符先发送出去，将后面到达的字符都缓存起来。 当收到对第一个字符的确认后，再将缓冲区的所有字符装成一个报文段发送出去，同 时继续对到达的字符缓存。只有在收到确认后才继续发送下一个报文段。当字符到达 较快而网络速率较慢的时候，用这种方法可以明显的减少所用的网络的带宽。算法还 规定，当到达的字符已经到达窗口大小的半或已到达报文段的最大长度时，就立即 发送一个报文段。 若发送方在规定的时间内没有收到确认，就要将没有被确认的报文段重新发送。 接收方若收到有差错的报文段，则丢弃此报文段( 不发送否认信息) 。若收到重复的 数据段，也要将其丢弃，但要发回或者捎带发回确认信息。这一点与数据链路层的情 况相似。若收到的报文没有差错，仅仅是未按序号到达，那应该如何处理? 有两种备 选方案。一种就是先将收到的报文暂存在接收缓冲区，待所缺序号的报文段收齐后再 一起上交应用层。另外一种方法就是将收到的报文段丢弃。 t c p 的流量及拥塞控制 t c p 采用可变发送窗口的方式进行流量控制。窗1 ：3 大小的单位是字节。发送窗口 的大小由通信双方在建立连接的时候商定。一般由接收端来控制发送端发送窗口的大 小。在通信的过程中，接收端根据自己的资源情况，随时动态的调整自己的接收窗口 的大小，然后告诉对方，使对方的发送窗口和自己的接收窗口一致。发送端的窗口大 小应该按照以下方式确定： 发送窗口= m i n 【通知窗口，拥塞窗口】 这里， 通知窗口( a d v e r t i s e dw i n d o w ) 是接收端根据其接收能力许诺的窗口值，是来自 接收端的流量控制。接收端将通知窗口的值放在t c p 报文的首部中，传送给发送端。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = ；= ；= = = = = = ；= = = = 2 = = = = ；= = 一= 拥塞窗口( c o n g e s t i o n w i n d o w ) 是发送端根据网络拥塞情况得出的窗口值，是来 自发送端的流量控制。 上式表明，发送端的发送窗口取“通知窗1 3 ”和“拥塞窗口”中的较小的一个。 在未发生拥塞的稳定工作条件下，接收端通知的窗口和拥塞窗口应该是一致的。 t c p 拥塞控制模型如图2 5 所示： 图2 5 拥塞控制传输模型图 s 为发送端，d 为接收端。根据网络状态调节c w n d ( c o n g e s t i o n w i n d o w ) 的值， 途择合适的算法，使网络处于良好状态。其中s m s s ( s e n d e r m a x i m u ms e g m e n ts i z e ) 是指发送方能发送的最大数据量、r m s s ( r e c e i v e rm a x i m u ms e g m e n ts i z e ) 是指接 收方能按收的最大数据量。 t c p 拥塞控制算法结合了4 个予算法，即慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢 复【8 9 1 ，并使用3 个参数来实现：慢启动阀值、通知窗口和拥塞窗口。下面简要介绍 各个子算法的过程。 慢启动和拥塞避免算法。慢启动和拥塞避免算法是发送方用来控制注入网络中的 未被确认的数据量总数。慢启动算法如下：如前面所讨论的，拥塞窗口和通知窗口的 最小值决定了网络当前状态的数据量。在网络数据传输过程中何时采用慢启动，何时 采用拥塞避免算法取决于慢启动阀值。一般地，在开始传送前不知道网络状态，因此 需要t c p 慢慢地探查网络中可能的传输容量，这样做是为了避免网络中一些不符合 条件的突发数据注入网络而发生拥塞。慢启动算法作用于数据传输开始或修复重传计 时检测出丢失数据后的阶段。随着网络数据量的增加，当拥塞窗口大于拥塞避免窗口 的时候，就启动拥塞避免算法。当拥塞窗口等于拥塞避免窗口的时候，既可以采用慢 启动也可以采用拥塞避免算法。 快速重传、快速恢复算法。当杂乱无章的数据到达的时候，t c p 接收方应立即发 送重复a c k ( a c k n o w l e d g e m e n t ) ，这个a c k 的目的就是通知发送方有无序队列， 并希望发送方发有序数据序列。从发送方来看，重复的a c k 可能是由如下一些网络 9 华中科技大学硕士学位论文 问题引起的：它们可能由丢失的数据引起，这时后面所有的包将触发重复a c k s ，或 者是因为网络的重新排序的数据引起的；或者是a c k s 的复制品引起的。此外，当注 入的数据填充了部分或所有的间隙的队列空间，接收方应立即发送一个a c k ，这将 产生更加及时的信息为发送方通过重发超时恢复丢失的数据，即快速重传算法。 快速恢复算法如下：1 当第3 个重复的a c k s 到达发送端时，重新设置拥塞阀 值为当前拥塞窗口的一半，重传丢失的数据，然后将拥塞窗口设置为拥塞阀值加3 ， 这里加3 的意义在于考虑到已经离开网络而且接收端已经缓存的报文段的个数；2 每 次有一个更多的a c k ( 对同一个报文段) 到达发送端时，将发送端拥塞窗口加1 并 在可能的情况下发送一个报文段，这考虑了已经离开网络又触发了重复a c k 的又一 个报文段；3 当确认新数据的下一个a c k 到达时，将拥塞窗口设置为目前的拥塞避 免阀值，进入拥塞避免。 2 4 无线网络 无线网络是一种类似于有线网络的结构，只是在数据传输的几个环节采用无线的 方式而非有线的方式实现。无线网络终端和传统固定网络终端相比有其自身的特点， 例如体积小，带电量少，经常移动等等。无线网络一般分为无线局域网和无线广域网。 从另外一个角度来看也可以分为无线接入网和核心网。无线接入网目前主要采用无线 局域网和蜂窝网两种方式。 无线局域网工作在9 0 0 m h z 或者2 4 g h z 频段，使用直接序列( d s ) 或跳频( f h ) 扩展频谱。无线信道采用防冲突的载波检测多址( c s m a c a ) 接入共享技术。1 9 9 6 年i e e e 8 0 2 1 1 委员会制定公布了无线局域网的物理和媒体访问协议标准，该标准所 定义的网络很像最初的一种无线局域网w a v e l a n ，在d s 或f h 扩展频谱下工作频率 为2 , 4 g h z ，数据速率为1 m b i t s 或2 m b i t s 。随后，又出现两个提供更高速率的新标 准：i e e e 8 0 2 1 l a m 】在5 g h z 频段使用了高速物理层，可以提供6 , , - 5 4 m b i t s 速率： i e e e 8 0 2 1 l b 1 是在已有2 m b i t s 信道上发展更高速率的版本。已有的商用 i e e e 8 0 2 1 l b 方案提供5 5 m b i t s 或1 1 m b i t s 的速率。这些系统使用2 4 g h z 或者5 8 g h z 频段。 l o 华中科技大学硕士学位论文 广域网中，当前的蜂窝系统是比特速率中等( 大约1 0 k b i t s ) 、帧尺寸小的电路模 式。这类系统使用t d m a ( g s m 和i s - 9 4 ) 或c d m a ( i s 9 5 ) 复用技术和电路交换 数字设备。g s m 信道支持9 5 k b i t s 的用户数据速率，i s 一9 5 最高支持1 4 4 k b i t s 数据 速率，蜂窝系统利用网络互通功能( i w f ) 与其他网络连接。通用分组无线业务( g p r s ) 基于g s m 系统，采用分组交换，能提供动态t d m a 时隙保留。第三代移动通信系统 w c d m a 能同时支持电路和分组交换，比特速率可达3 8 4 k b i t s 。蓝牙己推出4 0 0 一 7 0 0 k b i t s 的f h 扩展频谱系统。另外，本地多点分布系统( l m d s ) 将提供2 8 g h z 或 者4 2 g h z 频段的宽带无线接入。 总的说来，无线局域网和蜂窝系统的链路有较高的误码率( l t 2 ) 。这是由 外部干扰造成的，从而使得系统性能存在不确定因素。这些外部干扰源包括大气条件、 多径衰落以及主机的移动。1 , - - 2 的误码率对于语音质量影响不大，但是对于数据而 言却比较严重。另外，由于无线信道的数据速率较低，因而数据的延迟也比有线网络 要大。当数据通过卫星链路传送时，就会有明显的延迟效应，此时电波传播延迟是数 据在链路上的延迟的主要部分。 l l 华中科技大学硕士学位论文 3 移动ip 路由优化及节点微移动管理 本章首先对移动i p 的来源、产生和目的作简要的介绍，然后分析和比较了目前 各种宏移动和微移动i p 解决方案；在此基础上提出了本文的动态的分层次的临时家 乡网解决方案；最后是本章的小结和未来研究方向的预测。 3 1 移动i p 的产生 目前在有线网络中广泛使用的t c p i p 是假设终端系统是静态的情况下设计出来 的【i 引。因特网中普遍采用的传输层协议都采用m 地址作为端点标识，且都采用了端 口这个概念，它使得t c 咖d p 接收实体可以决定从网络收到的数据段中的数据应交 由多个高层应用中的哪一个处理，这样在一个节点上就可以同时打开多个应用，而各 个应用的流量之间互不干扰。节点间的t c p 连接由以下4 个值唯一确定：源m 地址、 目的口地址、源t c p 端口号、目的t c p 端口号。这4 个值在一个t c p 连接的整个 过程中是保持不变的，当目的节点的p 地址发生变化时，将不得不断开连接。所以 移动节点改变口地址时，其与别的节点之间正在进行的通信将中断，当节点移动时 只是改变它的地址不能解决移动性问题。而移动撙主机在通信期间可能需要在网络 上移动，它的口地址也许会经常发生变化。解决这个问题有四种解决办法： i 采用d h c p1 1 3 ( d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议。使移动的主机不使 用固定的p 地址，只是在需要时取得一个暂时的口地址。但这样做有一个明显的缺 陷：每次取得一个d 地址之后，都必需重新启动路由协议软件，因此若漫游到不同 的区域，所正在进行的工作都必须暂停，即无法做到无缝漫游。 2 特定主机路由。也可以尝试用特定主机路由来解决这个问题，即当主机漫游 时，在本地链路到外地链路的中间路由器中注册一条特定主机路由。但是由于路由节 点和移动节点数目的庞大，以及路由信息更换的频繁性和网络的安全性等因素，使得 1 2 华中科技大学硕士学位论文 利用特定主机路由方案解决因特网的移动性失去可行性“】。 3 数据链路层的解决方案。通过移动和无线通信系统接入i n t e r n e t 的方式主要分 为两大类：一是基于蜂窝的接入技术，如c d p d 、g p r s 、e d g e 、i m t 2 0 0 0 等，这 类系统提供的数据速率在2 m b p s 以下；二是基于无线局域1 稠( w l a n ) 的技术，如 i e e e 8 0 2 1 1w l a n 、b l u e t o o t h 、h o m e r f 、i e e e 8 0 2 1 l a 和i e e e 8 0 2 1 i b 、h i p e r l a n 等。这类网可提供1 2m b p s ，5 5 1 1m b p s ，2 3m b p s 甚至更高的速率。由于以前的蜂 窝系统主要针对语音业务设计，采用面向连接的电路交换方式，这样的系统结构要支 持具有突发特性的数据业务，支持分组交换，必须要做一些修改。因此为支持移动数 据业务，进而接入i n t e m e t ，g p r s t ”1 在原来g s m 系统的基础上增加了两个新的部件， s g s n ( s e r v i n g g p r s s u p p o r tn o d e ) 和g g s n ( g a t e w a y g p r s s u p p o r tn o d e ) 。数据业务 的路由和转发就是在这两个g s n 的协助下实现的。s g s n 负责移动终端的移动和认 证管理；g g s n 是与外部网络的逻辑接口，具有路由的功能。g p r s 系统可以提供移 动性的管理和服务质量的支持( q o s ) ，它采用了隧道协议分发数据。 另一种基于蜂窝系统的支持数据业务的网络是蜂窝数字分组数据网c d p d 【l 6 】 ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ) 。是利用北美模拟蜂窝系统的空闲信道来传送m 分组的 一种标准。c d p d 是一个采用无连接网络协议( c l n p ) 和带碰撞检测的数字检测接入 协议的接入网络。c d p d 的最大速率为l l k b i t s 。与g p r s 和c d p d 相比，i e e e 8 0 2 1 1 是一个在地域范围上受限制但速率更高的移动解决方案，可以支持2 1 1 m b i f f s 的速 率。8 0 2 1 1 中定义了一系列无线收发器，它们为无线媒介和有线网络之间提供桥接， 计算机的无线网络接口可以和这些收发器通信。数据链路层协议使得由8 0 2 1 1 收发器 构成的整个网络对网络层来说只是一条链路。和g p r s 和c d p d 一样，在8 0 2 1 1 中， 设备的移动对m 层来说是不可见的，然而，如果节点是在子网间移动，那么它就应 改换i p 地址，这样，正在进行的通信就会中断。 可以看出，数据链路层方案有几点不足。数据链路层的解决方案只能在一种媒介 内提供节点的移动性，像8 0 2 ，1 1 那样的局域网方案只能在一个园区网或一栋大楼内提 供可移动性。只要覆盖范围足够大，g p r s 这样的广域网方案- i p a 在更大的地理范围 内提供可移动性，但这种系统的吞吐量有限。 4 网络层的解决方案。移动口的产生。网络的异质性限制了互相之间移动性的 华中科技大学硕士学位论文 范围。异质网络技术的发展，要求移动管理协议应能保证网间的无缝切换。希望通过 网络层解决该问题。这样移动口技术就应运而生了。 3 2 宏移动和微移动解决方案 正如上一节的讨论，解决口移动性，实现节点在异质网络中的全方位的移动和 漫游，只有通过网络层来解决才是根本的办法。所以i e t f 于1 9 9 2 年6 月提出了m o b i l e i p 解决方案。随后经过很多学者的研究，发现m o b i l ei p 协议存在“三角路由”等问 题，于是就提出了m o b i l ei p 扩展协议m 。到后来，国外很多学者发现：即使这样也 只是解决了移动节点大范围的移动( 称作宏移动) ，对于节点频繁的在小区之间来回 移动( 称作微移动) ，这两个方案均没有好的效果。所以他们提出了多种支持节点微 移动的改进方案，我们把他们通称为微移动解决方案( m i c r om o b i l i t ys e h e m e ) d s 。 前面的m 0 b i l em 就称是宏移动解决方案( m a c r om o b i l i t ys e h e r n e ) 。 3 2 1m o b i l ei p i e t f 提出的m o b i l ei p 协议适于解决节点的宏移动。这也是目前实现节点大区域 移动的唯一方案。m o b i l ei p 协议考虑到了以下设计要求： 1 节点改变其链路层连接点后，能够保持i p 地址不变，从而可以继续和其他节 点通信。同时移动节点还能够和其他没有采用m o b i l ei p 协议的节点进行通信： 2 m o b i l ei p 应与现存的p 协议兼容，不需要对当前的网络连接、用户设旄和路 由器的配置进行更改，不应影响当前对p 地址的分配方法，也不需要对协议数据单 元进行更改； 3 移动节点不应比因特网上的固定节点面临更多的安全威胁； 4 m o b i l ei p 协议向上层屏蔽主机的移动，使得上层应用程序不受移动性的影响。 同时它也致力于实现以下目标：为了使m o b i l ei p 能在无线链路上工作，必须尽 量减少路由更新信息的数量和频率；考虑到目前i p v 4 地址短缺的困境，m o b i l e i p 的 应用不应恶化这个问题；为了能够适应移动主机不断增长的需求，m o b i l ei p 必须具 1 4 华中科技大学硕士学位论文 有较好的可扩展性。图1 3 是m o b i l ei p 的网络拓扑结构简图。 图3 - - 1m o b i l ei p 拓扑结构图 3 2 1 1m o b i l ei p 功能实体及其术语 m o b i l ei p 的功能实体：1 移动节点一可以将接入i n t e r a c t 的位置从一条链路切 换到另一条链路上，而仍然保持正在进行的通信，并且只使用它的家乡地址( h a ) 的那些节点；2 家乡代理( h a ) 有一个端口与移动节点本地链路相连的路由器； 3 外地代理( f a ) 一在移动节点的外部链路上的路由器。它们之间的关系如图3 - - 2 。 图3 2 移动珥实体及相互关系 m o b i l ei p 的术语包括： 1 隧道。当一个数据包被封装在另一个数据包的净荷中进行传送时，所经过的 华中科技大学硕士学位论文 路径称为隧道。 2 家乡地址、家乡链路和家乡代理。移动节点的家乡地址是指“永久”地分配 给该节点的地址，就像分配给固定的路由器或主机的地址一样。移动节点的家乡链路 就是与它的家乡地址具有相同网络前缀的链路。家乡代理就是至少有一个端口与家乡 链路相连的路由器。 3 转交地址、外地链路和外地代理。转交地址是指移动节点连接在外地链路上 时的相关口地址。从概念上讲，有两种转交地址：外地代理转交地址( f o r e i g n a g e n t c a m - o f - a d d r e s s ) 和配置转交地址( c o l l o c a t e dc a r e - o f - a d d r e s s ) 。外地链路是指家乡 链路以外的链路。外地代理是指至少有一个端口与外地链路相连的路由器。 4 注册( r e g i s t r a t i o n ) 。注册是移动节点向家乡代理通知其当前转交地址的一种 认证机制，也是移动节点再回到家乡链路后注销转交地址的机制。在移动口技术中， 依不同的网络连接方式，有两种不同的注册方式。一种是通过外地代理进行注册。另 一种是直接向家乡代理进行注册，即移动节点向其家乡代理发送注册请求报文，家乡 代理处理后向移动节点发送注册答复报文( 接受或拒绝注册请求) 。 5 代理搜索( a g e n t d i s c o v e r y ) 。为了随时随地与其他节点进行通信，移动节点 必须首先找到一个移动代理。移动口定义了两种发现移动代理的方法：一是被动发 现，即移动节点等待本地移动代理周期性地发送代理广播报文。二是主动发现，即移 动节点广播一条请求代理的报文。 6 代理广播。外地代理使用特定的消息宣告自己的存在。移动节点通过接收定 期的代理广播来判断自己是否移动，是否该向家乡代理注册新的转交地址。代理广播 使用路由器i c m p 消息的特殊扩展位来实现。 3 2 i 2m o b i l ei p 工作原理 m o b i l ei p 技术引用了处理蜂窝移动电话呼叫的原理，使移动节点采用固定不变 的口地址，一次登录即可实现在任意位置上保持与i p 主机的单一链路层连接，使通 信持续进行。 m o b i l ei p 是在因特网中提供移动功能的网络层方案。也就是说，m o b i l ei p 通过 1 6 华中科技大学硕士学位论文 = ；= = = = = = ；= = = = ；= ；= = = = = = ；= ；= = 一= 在合适的节点上设立路由表，将i p 包送到那些不在家乡链路上的移动节点。事实上， m o b i l e i p 可以看作是一个路由协议，只是与普通的路由协议例如r i p 和0 s p f 等相比， m o b i l ei p 具有特殊的功能，它的目的是将数据包路由到那些可能一直在快速地改变 位置的移动节点e 。 3 2 1 3m o b i l ei pt 作机制 m o b i l ei p 的工作机制如下： 1 通过周期地组播或广播一个称为代理广播( a g o n ta d v e r t i s e m e n t s ) 的消息， 家乡代理和外地代理宣告它们与链路的连接关系； 2 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，移动节点就可像固定节点一样工作， 即它不再利用移动m 的其他功能。下面的步骤假设移动节点连接在一条外地链路上； 3 连在外地链路上的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