（通信与信息系统专业论文）基于移动ipv6的网络移动性.pdf

摘要 移动网络( n e m o ) 的提出对于人们以一种更灵活的方式接入因特网，尤其是各种高 速交通系统下的接入有着重大的意义。通过移动网络，可以将多个节点作为一个整体处 理，只需要网络内部设置一个移动路由器，移动网络内的各节点都可以在该设备的帮助 下和外界通信，同时可以对子网内各节点屏蔽网络的移动。 本文首先探讨了移动网络的背景和研究现状，研究移动i p v 6 原理和实现，并构建 实验平台。分析了移动网络的原理和实现，讨论了基本实现机制，即双向隧道法，并提 出该机制的改进方法和一些优化的移动网络技术；然后深入研究了移动i p v 6 协议栈的 源代码开发，根据n e m o 小组对移动网络的设计要求和目的，结合原有的移动i p v 6 各 模块代码，将移动网络实现机制中相对于移动i p v 6 的不同之处体现在自己的代码设计 中，修改和添加一系列的数据结构和功能函数，最终完成实现基本功能的移动网络程序 模块，并应用在搭建的实验平台上。 本文的研究为以后能在实际应用，特别是移动通信和车载系统中充分利用移动网络 的技术优势奠定了良好的基础。 关键字：i p v 6 移动i p 移动网络协议优化 a b s t r a c t n e t w o r km o b i l i t y ( n e m o ) p r o v i d e sp e o p l eaf l e x i b l ea c c e s st oi n t e r n e t ，e s p e c i a l l yf o r l l i g h s p e e dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m y o uc a l lh a n d l es o m en o d e sa saw h o l ee n t i t yt h r o u g h m o b i l en e t w o r ka n dk e e ps e s s i o nc o n t i n u i t y 诵t l lt h eh e l po fm o b i l er o u t e r a tt h es 锄e t i m e ，n e t w o r km o b i l i t yi st r a n s p a r e n tt oe v e r yn o d ei n s i d et h em o b i l en e t w o r k t h i s p a p e r f i r s ts u m m a r i z et h eb a c k g r o u n da n dr e v i e wt h ea c t u a l i t i e so f n e m o s e c o n d l y , s t u d yt h et h e o r y a n dr e a l i z a t i o no fm o b i l el p v 6 ，t h e n a n a l y z eb a s i c m e c h a n i s mo fm o b i l en e t w o r k , t h a ti sb i - t u n n e lm e c h a n i s m ，a n dp u tf o r w a r ds o m ei m p r o v e d m e t h o d sa n do p t i m i z e dt e c h n o l o g y , s i m u l t a n e o u s l y , c o n s t r u c ti t sc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a l p l a t f o r m t h i r d l y , s t u d yt h e s o u r c ec o d eo fm o b i l ei p v 6 ，b yc o m p a r i n gd i f f e r e n c eb e t w e e n m o b i l en e t w o r ka n dm o b i l ei p v 6 ，im o d i f ya n da d das e r i a lo fd a t as t r u c t u r e sa n df u n c t i o n s a c c o r d i n gt ot h ed e s i g ng o a la n dr e q u i r e m e n to fn e m o b a s e do nt h eo r i g i n a lc o d et of u l f i la b a s i cm o b i l en e t w o r km o d u l e l a s t l y , a p p l yi to ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h eo u t c o m el a y sag o o df o u n d a t i o nf o rr e a l i t ya p p l i c a t i o n , e s p e c i a l l yf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o na n dv e h i c u l a rc o m m u n i c a t i o ni nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：i p v 6 m o b i l ei pn e t w o r km o b i l i t y o p t i m i z a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指 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 西安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已在论文中做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，本人承担一切的法律责任。 本人签名：刊生! ! 血宁 日期丝! ! ：墨：! ! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的 复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰 写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：蚴 幺9 导师签名： 日期塑：圭：! 苎 日期丝l 里：墨：! 生 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着因特网的迅猛发展和移动设备的大规模应用，口技术得到越来越广泛的应用。 i d c ( i n t e m a t i o n a ld i g i t a lc e n t r e l ) 预计2 0 11 年时将达到8 0 0 0 万台。此外，诸如移动计算、 移动商务、w a p 、g p r s 、w u n a x 、3 g 等业务的需求，对移动性的支持也越来越重要 可以大胆的预测未来因特网上的9 9 业务将会是移动业务。它们都依靠m 技术作为统 一的网络互联平台，以保证移动用户在异构网络间可以随意移动和漫游，并且对所有基 于口的应用提供与原来网络相同的服务。因此，在异构网络间移动时如何保证业务的 连续性是下一代移动通信网中要解决的问题。目前移动i p v 6 提供对节点移动性的良好 支持，为节点的移动提供了基本解决方案，但还不能解决网络移动这个特殊问题。而未 来的i p v 6 网络中，移动网络将会变得非常普遍。 移动网络关注的主要问题是：如何对整个网络的移动性进行管理，使得整个网络在 改变因特网接入点时，能够保持其在因特网的可达性。如果不通过某种明确的机制来保 证网络移动性，现存的通信将会被中断，与全球因特网的连通性也将丧失。虽然现有移 动口技术不能完全提供网络移动性的支持，但理想的网络移动性支持方案应该尽可能 的基于移动口，目的是为了保持与节点移动的最大互操作性，并满足网络移动应用的 各种要求。 由于移动网络技术具有广泛的军事及商业应用前景，引起了全球二十几家机构关 注，其中包括政府部门、电信制造商、电信运营商、各大高校等。相关的研究项目有： 日本k e i o 大学关于互联网汽车的、面向移动i p v 6 网络研究的w i d e 项目。欧洲关于通 过车载i p v 6 网络为不同的乘客提供因特网接入的o v e r d r i v e 项目。c i s c o 公司和波音 公司在美军网络战背景下关于i p v 4 移动路由器的研究项目；美军海军关于i p v 4 移动网 络连通性、安全性、抗毁性为研究目的的n e a hb a y m o b i l er o u t e r 项目。美国航空航天 局n a s a 、国防部d o d 关于移动网络技术在空基网络和军事通信中的应用框架描述。 北约i n s c 计划，研究内容包括如何利用各国的军事民用网，支持舰艇、飞机和装甲 车的移动网络不问断接入。 2 0 0 2 年l o 月，i e t f ( t h ei n t e m e te n g i n e e m gt a s kf o r c e ) 成立了n e m o ( n e t w o r k m o b i l i t y ) d 、组进行移动网络标准化工作。工作分两个阶段：近期目标是提出n e m o 基 本方案，该方案采用双向隧道支持移动网络内部全部节点通信不问断。长远目标是提出 n e m o 扩展方案，满足各种复杂移动网络需求，支持路由优化、具有良好的q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ) 。现在相对成熟的r f c 文档包含了移动网络的以下几个方面：1 、定义移动 网络相关术语2 、概述网络移动性支持目标，提出解决方案应满足的要求，但没有考虑 基于移动i p v 6 的阿络移动性 n e m o 的扩展方案要求3 、在移动i p v 6 基础上，提出取向隧道支持协议，保证网络移 动时网络内所有节点会话的不问断性，支持网络嵌套，对内部节点屏蔽网络移动。4 、 网络移动的路由优化问题5 、移动网络中的多穴问题。 所谓n e m o 是指一个整体统一移动的网络，在网络漫游过程中其内部结构基本保 持不变。n e m o 可以是简单的网络，也可以是复杂的网络。例如最简单的情况是该移 动网络仅仅包括一个移动路由器( m r ) 和一台主机。复杂的情况是该网络包括多个口子 网，这些i p 子网通过本地路由器连在一起，该移动网络通过一个或多个m r 与i p 骨干 网络相连接。更为复杂的情况是一个移动网络连接到另一个移动网络上，也即嵌套网络 的情形，而且移动网络和i p 骨干网可咀有多个接口。在移动网络内部可咀使用有线 形式也可h 是无线的形式，但都是一个相对稳定的拓扑结构。 利用n e m o ，在交通工具上为乘客提供因特网接入是一项刚刚出现的应用。目前， 有的火车、飞机已经安装了车载因特网接入设备。在这些方案中大部分都不支持i p 层的网络移动性，而是通过一个覆盖范围广泛的无线网络( 卫星、g s m g p r s 3 g ) 避免口层的移动性来实现。所以当在不同网络问运行时，便无法继续提供相应的业务。 因此在b e y o n d - 3 g 系统中实现网络移动性十分必要。目前这方面的研究才刚刚开始。 在路由优化、无缝切换等方面仍需要进一步的研究。图1i 是现实中一个移动网络的应 用图示。公车即是一个移动网络，车上的乘客所携带的多种设各便是移动节点。车内配 备的接入设备可作为实现移动路由器功能的实体，实现网络的移动。 图11 移动网络的图例( 引用h o s i kc h o 的幻灯圈) 移动网络相对移动i p v 6 的单点移动方案，有如下优势： l 减小切换频率：当移动网络改变接入点时，只有m r 需要进行切换，网络内节 点无需改变，从而减少了切换的次数。 2 减少绑定更新时延、提高带宽的利用率：因为m r 代替移动网络内的移动节点 ( m m 发送汇聚的绑定更新消息。 第一章绪论 3 3 易于扩展：只需更新移动路由器的软硬件设施，无需对每个m n 进行相应操作。 4 减少发送功率：在移动网络内，m r 代表m n 通过无线链路接入骨干网，虽然 二者也是无线连接，但是该无线链路的距离远小于与骨干网络间的无线链路，因此对于 耗能较低的终端来说，可以大大节省功耗，同时也降低了对终端的技术要求。 此外，应该注意到n e m o 工作小组提出的移动网络协议是基于移动i p 的隧道原理， 换言之，从移动i p v 6 过渡到n e m o 时，n e m o 也应该采用移动m v 6 的基本协议，目 的是与节点的移动性保持兼容。 现实生活中有很多n e m o 的场景，这也是n e m o 的研究刻不容缓的原因。 1 个域网p a n ( p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) - 个人身上可能携带多个m 设备，比如：数 码相机、m p 3 、p d a 等。当在不同网络间移动时，p d a 充当移动路由器为该个域网提 供网络连接性。 2 交通工具的场景：例如，飞机作为一整体移动，构成一个v a n ( v e h i c u l a ra r e a n e t w o r k ) 1 3 l 。乘客身上可能携带数个m 设备构成一个p a n ，p d a 充当该p a n 的m r 接入飞机上配备的m r ，m r 再通过无线链路与骨干网相连，从而乘客可以在飞机上享 受上网的乐趣。v a n 可以采用不同的接入技术，在空中飞行时，采用卫星技术；停止 在地面上时，可以采用w l a n u m t s 等。此外，在飞机上也可以部署传感器，用以收 集高度、气压等信息。传感器和飞机上的计算机其实也是n e m o 的一个例子，植入传 感器这些处理单元的目的主要是出于安全的考虑。同样的情景可以发生在汽车、火车 上。 3 一些部门通常会出现移动网络多级嵌套的情况，例如公安。公安人员可携带一 个由多个d 设备和移动路由器构成的p a n 。同时移动路由器无线接入该警员的车载系 统。这个车载系统的移动路由器又接入公共安全的骨干网络，于是作为该骨干网络的 接入部分，警员可得到所需的各种数据，例如案发现场状态等，并给网络回传探测数 据和各种图片等。 4 移动a d h o e 网络：移动的a d h o e 网络本质上就是n e m o 的一个例子，例如火 车上的学生间可建立一个a d h o e 网络，同时需要移动路由器将这个a d - h o e 网络与骨 干网络相连。 1 2 研究现状 目前，我国研究人员已经逐渐认识到网络移动性在下一代移动通信中的重要作用， 认为基于移动i p v 6 的网络移动性研究将会提高我国在下代移动通信中的竞争力。然 而，网络移动性在国内的研究还没能很好的开展，但在国外，以欧洲、韩国和日本为代 表，在这方面的研究均已走在我国的前列。 4 基于移动i p v 6 的网络移动性 1 2 1 理论研究现状 在i e t f 组织的带领下全球范围内都对移动网络的研究投入了相当大的热情。先是对 移动网络的基本实现的研究，在文献【2 j 1 3 】【4 】等中都有涉及，它们提出了移动网络支持的 目标与要求，分析了存在的问题。还有一些对移动网络功能进行了更深层次的研究，提 出了各种扩展要求和方案，像是路由优化1 1 6 】、组播、多穴【l 7 1 、q o s 等，将移动网络的性 能得到了进一步的提升。嵌套移动网络 8 1 9 1 也是当下研究的热点之一，它的研究具有实 际意义，它需要解决的问题也很有挑战性。 一开始的研究大多是基于移动i p v 6 ，在继承移动i p v 6 的优点同时，也继承了它本质 的缺点，随后不少人提出了一些别的移动网络的方案，像是基于l i n 6 的移动网络 7 1 、基 于s i p s c t p 的混合型移动网络【8 】、基于m a p 的多态自适应移动网纠3 1 】等，它们在报文头 开销和切换时延的性能上都比最初的基于移动i p v 6 的移动网络有了提高。但不可否认的 是这些方法也有自己的问题存在。 1 2 2 项目现状 基于较为完善的理论研究后，各国和多个相关组织进行了实际应用的研究，将网络 移动性的功能加之在生活的各种使用中，为人们提供了更好的因特网接入手段。这些项 目大多围绕为车载系统提供因特网服务展开的，包括了： 欧洲的o v e r d r i v e ( o v e rd y n a m i cm u l t i r a d i o nn e t w o r k si nv e h i c u l a re n v i r o n m e n t s ) 项目就是从事网络移动性的研究活动。该项目设计了基于移动m v 6 的车载网络，提供 乘客经过车辆上的m r 接入i n t e m e t ，它能通过3 g 、w l a n 、d v b t ( 移动数字电视) 接入因特网。项目中的基于l i n u x 的移动路由器、移动网络节点和家乡代理原型已经得 到开发，使用了l i v i s i xi p v 6 移动i p v 6 开放源代码协议栈。 o c e a n ( o n - b o a r dc o m m u n i c a t i o n ，e n t e r t a i n m e n t a n d i n f o r m a t i o n ) 的 e m o t i o n ( n e t w o r ki nm o t i o n ) 项目，o c e a n 项目由多个国家参与，于2 0 0 3 年成立，致力 于为车载系统提供网络服务，其下的e m o t i o n 项目则致力于为移动中的乘客提供i n t e m e t 服务，通过宽带无线接入或移动路由器。 w i d e ( w i d e l yi n t e g r a t e dd i s t r i b u t e de n v i r o m e n t ) 的n a u t i l u s 6 项目成立于2 0 0 3 年1 1 月，该项目着重研究网络移动性的相关问题，重要目标是实现i e t f - n e m o 的基本协议。 日本k e i o u n i v e r s i t y 开始于19 9 6 年的i n t e m e t c a r ( i n t e m e tc o n n e c t e da u t o m o b i l e r e s e a r c h s ) 项目，目的是研究多种接入方式的情况下，怎样进行汽车与因特网的信息交 互。 类似的项目还有f l e e n e t ，该项目引入了一种新的网络移动性模型m o c c a ( m o b i l e c o m m u n i c a t i o n a r c h i t e t u r e ) 。提供了较好的网络性能。 n e m o 的研究能够很好的融合现有的i p 技术，更好的满足后3 g 网络移动性的网 第一章绪论 5 络层的需求，适应下一代移动通信网的发展要求，且能够更好的满足人们随时随地通信 的需求。因此，我国学者也该对n e m o 的研究引起足够重视。 1 3 1 研究内容 1 3 本文研究内容及章节安排 本文研究了移动m 和n e m o 的大量相关草案及文献，并借鉴相关工作组的项目研 究，自行设计基于双向隧道，并能实现基本功能的简单移动网络。在原有移动i p v 6 模 块设计的基础上编程添加和修改网络移动性功能，并搭建简单的实验平台。具体内容如 下： 1 充分研究和掌握移动i p v 6 和网络移动性的原理与实现。提出移动网络的一些改 进机制和优化的移动网络方案。 2 比较移动i p v 6 和n e m o 实现技术上的异同，深入研究现有移动i p v 6 各模块的 设计方法，结合移动网络的基本实现机制，修改和添加代码来实现网络移动性。 3 搭建网络实验平台。 1 3 2 本文结构 本文共分5 个章，以下各章的主要内容如下： 第二章研究了移动i p v 6 的基本原理和实现，深入分析了主要功能实体、重要的数 据结构和具体实现方法。对协议进行了宏观的探讨。 第三章研究了基于移动妒v 6 网络移动性的基本原理和实现。比较了节点移动性和 网络移动性在技术的继承和改进。分析了移动网络的多种实现机制，包括基本机制、双 向隧道法、前缀绑定更新法和m p l s 双向隧道优化法。为开拓研究视野还研究了除了基 于移动i p v 6 的网络移动性外别的能实现网络移动性的技术，包括基于l 1 n 6 的移动网络、 混合型移动网络和基于组播的移动网络。结合各种机制的优缺点，提出了未来移动网络 的设计方向。 第四章主要可分为两个部分。第一部分详细说明了本人对移动网络各模块的设计与 实现。主要从总体设计、模块设计和软件设计三个角度对实现进行了分析。第二部分是 有关于网络实验平台的搭建。 第五章是对整篇论文的工作总结，并提出了下一步的研究目标。 第二章移动i p v 6 原理及实现 第二章移动i p v 6 原理及实现 2 1 移动i p v 6 核心思想和功能实体 2 1 1 移动i p v 6 的核心思想 移动口允许移动节点从一条链路移动到另一条链路而无需改变其i p 地址，并在新 的链路上可以继续与其他节点保持通信连续性，节点的移动对于传输层及更高层协议和 应用保持透明。 它的提出是为了解决网络层的移动管理问题。以前也有一些链路层的技术解决了一 些移动管理的问题。主要有两种数据链路层的解决方案，一种是“广域”方案。包括 g p r s 等。通过g p r s ，移动用户可以在g s m 网络上实现对i p 网络的访问和应用。这 在一定程度上实现了移动p 业务，但仍还是同质网络介质间的移动。二是“本地 方 案，包括i e e e 8 0 2 1 1 等。这两种方案在覆盖范围和传输媒介上都有一定的局限性，比 较适合封闭系统，一般用作p 移动网络的无线接入部分。 2 1 2 功能实体 移动i p v 6 的主要功能实体有3 个，还有一些重要术语。 1 移动节点m n ( m o b i l en o d e ) ：指移动i p 中能够从一条链路的连接点移动到另一 条链路连接点，同时仍能通过其家乡地址被访问的节点。 2 家乡代理r i a o q o m e a g e m ) ：指移动节点家乡链路上的一个路由器，允许移动节 点向它注册当前的转交地址，并且移动节点离开家乡时，截获其家乡链路上目的地址是 移动节点家乡地址的分组，通过隧道转发到移动节点的转交地址。 3 通信对端c n ( c o r r e s p o n d e n tn o d e ) ：指与所有移动节点通信的节点，通信对端可 以是静止或移动的。 4 家乡地址h o a ( h o m ea d d r e s s ) ：指分配给移动节点的口地址。它属于移动节点 的家乡链路。 5 转交地址c o a ( c a r e - o fa d d r e s s ) ：指移动节点访问外地链路时获得的i p 地址。 这个i p 地址的子网前缀是外地网络前缀。移动节点同时可得到多个转交地址，其中注 册到家乡代理的转交地址称为主转交地址( p r i m a r yc a r e o f a d d r e s s ) 。 2 2 概念性数据结构 移动i p v 6 协议定义了下面三种概念性数据结构2 3 1 。分别在三个功能实体中起着至 关重要的作用。 8 基于移动i p v 6 的网络移动性 2 2 1 绑定缓存b c ( b i n d i n gc a c h e ) b c 用于保持其他节点的绑定消息，包括与移动节点进行家乡注册和通信对端注册 的相关表项。每个家乡代理和通信对端都要维护。i p v 6 节点发送每个分组时，首先根 据目的地址搜索b c ，如果在b c 中发现匹配的表项，则把转交地址放在分组的目的地 址字段中，同时把目的地址字段原来的内容放在增加的家乡地址选项中，否则，根据l p v 6 定义发送分组。 2 2 2 绑定更新列表b u l ( b i n d i n gu p d a t el i s t ) 每个移动节点都应该维护b u l ，用于记录与它发送的每个尚未过期的绑定更新相 关的信息，包括移动节点发现通信对端及其家乡代理的所有绑定更新。 2 2 3 家乡代理列表h a l ( h o m ea g e n tl i s t ) 家乡代理要为它所服务的每个链路都单独维护一个h a l ，记录通过设置家乡代理 位( h ) 的路由器通告( g a ，r o u t e ra d v e r t i s e m e n t ) 所探测到的每个家乡代理的信息，用于动态 家乡代理地址发现机制中向移动节点发送“动态家乡代理地址发现应答 消息。该列表 类似于邻居发现机制中每个主机维护的“默认路由器 列表。 2 3 移动i p v 6 的主要机制 移动i p v 6 主要目的是保证无论移动节点是在家乡链路还是离开家乡链路，都可以 通过家乡地址被访问。当移动节点在家乡时，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。常规的路由算法会把目的地址为移动节点家乡地址的分组 转发到其家乡链路，移动m v 6 需要在不改变这种路由机制的前提下使得离开家乡的移 动节点有能力和其他节点通信。为此移动l p v 6 设计了下面4 个重要机制达成该目标。 2 3 1 移动透明性和入境过滤 移动i p v 6 规定了一种新的目的地选项一家乡地址选项，存放移动节点的家乡地址， 用于实现对上层协议和应用的透明，避开外地链路入境过滤策略的限制。 移动节点用它的转交地址作为分组的源地址发送至通信对端，到达后，通信对端从 家乡地址选项中取出家乡地址，互换转交地址和家乡地址的位置再交给上层，从而隐藏 了转交地址的使用，保证了移动p 的操作对上层协议的透明。 第二章移动i p v 6 原理及实现 9 2 3 2 动态家乡代理地址发现 移动节点离开家乡后，家乡网络可能进行了重新配置，导致原来提供家乡代理服务 的节点被另一个路由器取代。此时，移动节点就不知道新的家乡代理的口地址了。移 动i p v 6 提供动态家乡代理地址发现( d h a a d ) 机制，允许移动节点动态发现家乡链路是 现有的家乡代理的p 地址，从而保证注册其转交地址。 该机制规定首先向移动节点的家乡子网前缀特定的移动i p v 6 家乡代理泛播地址 ( a n y c a s ta d d r e s s ) 发送i c m p 家乡代理地址发现请求消息。该消息到达家乡链路上的一个 或多个家乡代理后，其中一个家乡代理向移动节点返回一条i c m p 家乡代理地址发现应 答消息，给出家乡链路上一组家乡代理的地址。移动节点根据家乡代理地址发现应答消 息和其中的家乡代理列表，就可以确定自己的家乡代理的地址。图2 1 是机制实现流程 图。 图2 1 动态家乡代理地址发现机制 2 3 3 家乡网络前缀的自动配置 移动节点的家乡网络重新配置后，它当前的家乡网络前缀可能不再有效。类似于动 态家乡代理地址发现机制，移动i p v 6 也提供了一种机制允许移动节点自动配置家乡网 络前缀，用于重新生成家乡地址。 该机制通过交换i c m p 移动前缀请求和i c m p 移动前缀通告消息实现。 首先需要构造家乡网络前缀的聚集列表，这由家乡代理完成。家乡代理监视自身及 家乡链路上其他家乡代理所发出的通告，并且把搜集到的子网前缀在移动前缀通告 m p a ( m o b i l ep r e f i xa d v e r t i s e m e n t ) 消息中发送给移动节点。 移动节点在发现家乡地址即将失效时，会向家乡代理发送移动前缀请求，申请新的 前缀信息。此时家乡代理会回发移动前缀通告给移动节点，在没有收到来自移动节点的 确认消息前，会重传该通告消息。 移动节点根据收到的通告重新配置新的家乡地址，且要求对新的家乡地址进行重复 地址检测d a d ( d u p l a c a t e da d d r e s sd e t e c t i o n ) 。 1 0 基于移动i p v 6 的网络移动性 2 3 4 返回路径可达过程r r p ( r e t u mr o u t b a b i l i t yp r o c e d u r e ) 通过r r p ，通信对端能够知道自己是否可以使用转交地址和家乡地址访问移动节 点。如果r r p 测试失败，c n 将既不能接收移动节点的绑定更新，也不能直接发送分组 到移动节点的转交地址。r r p 通过对h o t i 和h o t 消息对、c o t i 和c o t 消息对，分别 测试目的地址是家乡地址和转交地址的分组是否能够到达移动节点，决定是否可进行绑 定。图2 2 是消息对间的交互过程。 移动节点 家乡代理 通信对端 h 0 1 1 c 0 1 1 ih o t j r c o t 图2 2 返回路径可达过程消息交互图 2 4 移动i p v 6 的实现 移动i p v 6 实现的主要过程包括移动检测、转交地址生成、m n 和h a 的绑定、数 据的发送与接收、m n 和c n 的绑定以及m n 注销转交地址6 个步骤，图2 3 是实现原 理图。 2 4 1 移动检测过程 移动检测过程中节点主要是利用i p v 6 的邻居发现机制( 包括路由器发现和邻居不 可达检测) 来检测是否移动到另一条链路。但不排斥使用其他一些底层协议提供的信息 来检测。 节点都会有自己的默认路由器，移动节点使用“邻居不可达检测 来检查默认路由 器的不可达。邻居发现机制规定，如果移动节点一直在通过默认路由器发送分组，或者 通过从默认路由器收到响应自己邻居请求消息的通告它就知道路由器可达的。图2 3 中， m n 向原有的默认路由器( h a ) 发送消息，若没有回应，或长时间没有收到原有默认路由 器回发给它的消息，则可认为发生了移动。 第二章移动i p v 6 原理及实现 2 4 2 生成转交地址 m n 图2 3 移动i p v 6 的实现原理图 移动节点离开家乡网络后，使用转交地址标识当前的i n t e m e t 接入点。在检测到移 动后，使用新的默认路由器提供的一个子网前缀形成新的转交地址。 可通过无状态或有状态( d h c p v 6 ) 的自动配置生成转交地址。有些情况下也可由外 地网络的管理员为移动节点指定一个仅供在本地链路使用的地址，使用它作为转交地 址。 转交地址形成后，对该地址进行重复地址检测d a d ( d u p l a c a t e da d d r e s sd e t e c t i o n ) ， 确认惟一性。 2 4 3 移动节点和家乡代理的绑定过程 移动节点决定使用新的转交地址后，必须向家乡代理发送绑定更新，在家乡代理上 对它进行支持。另外，如果移动节点希望使用的转交地址的时间超过了上次注册的绑定 生存期，也必须向家乡代理发送绑定更新刷新表项。 家乡代理注册的过程如图2 4 所示。移动节点先向家乡代理发送绑定更新消息，家 乡代理回发一个绑定确认应答。随后，家乡代理使用代理邻居发现机制p n d ( p r o x y n e i g h b o u rd i s c o v e r y ) ，在家乡链路上截取目的地址是移动节点家乡地址的所有分组，并 通过隧道将它们转发到移动节点的主转交地址。 如果接收绑定更新消息的节点有家乡代理的功能且是一个“链路在线 ( o n 1 i n k ) 的 地址，则根据内容为移动节点创建或更新绑定缓存表项，同时把该表项标记为“家乡注 册。然后向移动节点回发一个绑定确认。 基于移动i p v 6 的网络移动性 绑定更新 图2 4 家乡注册过程 需要注意，用于绑定过程的分组中绑定更新选项的家乡注册为( h ) 和确认位( a ) 必须 置1 。 2 4 4 数据发送和接收过程 此时若某个通信对端向移动节点的家乡地址发送分组，由家乡代理截获该分组，对 它们进行m v 6 封装，然后通过隧道转发到移动节点的转交地址。隧道的入口时家乡代 理的地址，出口是移动节点的转交地址。这是移动节点通信的基本方法。另外，当移动 节点和通信对端间尚未建立绑定时，从移动节点发向通信对端的流量将会经过一个和家 乡代理间的“反向 隧道。分组中必须有用于安全机制的a h ( a u t h e n t i c a t i o nh e a d e r ) 头 和e s p ( e n c a p s u l a t i o ns e c u r i t yp a y l o a d ) 头。 要实现上述过程，家乡代理表必须向家乡链路组播发送关于移动节点的邻居通告消 息，使得所有发给移动节点的分组都被重定向到家乡代理。 2 4 5 移动节点和通信对端进行绑定 建立和通信对端绑定的主要目的是为了支持在移动节点和通信对端间通信的路由 优化。通信对端绑定过程的发起和结束都由移动节点负责。 考虑到在通信对端建立绑定的安全性，在发起通信对端绑定过程前，移动节点需要 启动一个返回路径可达过程，检查通信对端是否可通过家乡地址和转交地址访问自己， 以及是否可以创建必要的绑定管理密钥。如果返回路径可达过程失败，则不能建立和通 信对端的绑定。 该过程顺利完成后，通信对端和移动节点就可以直接收发数据了。 2 4 6 移动节点注销转交地址 移动节点回到家乡时，会给家乡代理发送请求注销的绑定更新，把其中的生存期字 段设置为o ，或者把转交地址设置为家乡地址。 第二章移动i p v 6 原理及实现 家乡代理收到请求注销的绑定更新后，检查消息合法后，删除绑定缓存中任何相关 表项，并向移动节点应答一个绑定确认。此外，家乡代理表项停止在家乡链路上截取发 给移动节点的数据。 2 5 本章小结 由于本文最终实现的网络移动性是基于移动i p v 6 的，因此本章首先研究了移动 i p v 6 的基本原理与实现、重要的数据结构和具体的操作过程，深入理解该协议实现中 需要考虑的问题。 第四章移动网络设计与实现 1 5 第三章基于移动i p v 6 的网络移动性 3 1 网络移动性 3 1 1 网络移动性核心思想和功能实体 网络移动性是指将多个节点作为一个整体来实现移动。图3 1 是一个简单的移动网 络。 为了实现网络移动性还添加了一个重要的概念数据，称为移动网络前缀 m n p ( m o b i l en e t w o r kp r e f i x ) 。它是由一个l p v 6 地址的多个起始位组成的一个位串，它 能够标识在因特网拓扑中的整个移动网络。一个移动网络内的所有节点的地址都会包含 这个前缀。它是分配给移动路由器的i p v 6 地址前缀，并由移动路由器在整个移动网络 内通告。 从图中看出相对于移动i p v 6 来说移动网络增加了3 种功能实体 3 1 ，分别是： 1 接入路由器( 刽r ) a r 是位于接入网边缘的路由器并连接至一个或多个具有不同拓扑的接入点，同时 给m n s 提供p 连接，充当m n s 的默认路由器。 2 移动网络节点( m n n ) m n n 是位于移动网络中的节点，可以是暂时或是永久的。进一步能划分为： 1 ) 本地固定节点l f n ( l o c a lf i x e dn o d e ) ：可以是属于该移动网络的主机或路由器， 但它不能在改变接入点时保持通话的不间断性。它的地址来源于m n p 。 2 ) 本地移动节点l m n ( l o c a lm o b i l en o d e ) ：一个移动节点或是一个移动路由器， 它本来是就属于该移动网络，并且能够在改变接入点时保持通话。它从m n p 获得其网 络地址。 3 ) 访问移动节点v m n ( v i s i t i n gm o b i l en o d e ) ：一个移动节点或是一个移动路由器， 它本来是分配给不属于该移动网络的家乡链路，并且能够在改变接入点时保持通话。一 个v m n 只是临时接到该移动网络上，并获得一个该子网的地址。 3 移动路由器m r ( m o b i l er o u t e r ) m r 是当从一条链路移动到另一条链路时，可以动态改变与网络连接的路由器。它 作为整个移动网络和其余i n t e m e t 的网关。 1 6 基于移动i p v 6 的网络移动性 v 、)，j 、一、j 一j- 、一7 图3 1 移动网络 根据移动对象和相对移动目标的不同，移动网络可以进一步分为三种情况：1 、移 动网络相对于因特网发生移动。2 、移动节点相对于移动网络发生移动。3 、移动网络相 对于另一个移动网络发生移动。 实现中移动网络只能通过特定的网关即移动路由器来和因特网相连，且该移动路由 器管理着整个移动网络。所以每个移动网络至少有一个移动路由器。经由m r 和h a 间 的双向隧道向外界网络设施通告移动网络的内部架构。一个移动网络可以由多个和嵌套 的子网组成。一个不支持移动性的路由器可能永久的连在移动网络内作为本地节点。此 外，m r 还可以和从属于另一个m r 的移动网络相连。需要明确的是，网络移动性的基 本功能中，每个m r 只用单一接口和另一个移动网络连接。没有形成回路时，最终的网 络拓扑图是树型的【3 0 】，如图3 2 所示。 图3 2 树型移动网络拓扑图 第四章移动网络设计与实现 3 1 2 实现机制 既然是基于移动i p v 6 的网络移动性，那么主要还是利用原有的移动口协议，这样 既可以增加与节点移动性的互操作性，又可以保持与当前网络协议的兼容性。网络移动 性的最终目标是移动网络中的所有节点都可以通过一个永久的p 地址被访问，且当移 动网络的路由器改变接入点时，内部节点仍然可以保持连续通信。 图3 3 刻画了移动网络的实现。当移动路由器离开家乡接入到一个新的a r 时，将 会获得一个新的转交地址，然后立刻和h a 进行绑定更新，当h a 收到b u 后创建m r 的家乡地址和当前转交地址的表项，并向m r 回发一个b a ，之后m r 和h a 间就会建 立用于转发数据的双向隧道了。这和移动i p v 6 的过程类似。 和移动i p v 6 不同的是，m r 充当了移动网络管理者，所以它会在b u 中包括移动网 络前缀信息，这样h a 就可以同时把目的地址是网络内部节点的分组转发到m r 而不仅 仅是发送给m r 的数据。 3 1 3 网络移动性与节点移动性实现区别 从章节3 1 2 的描述来看，网络移动性和节点移动性有很大的相关性，但还是存在 一些本质上的不同，同时为了支持网络移动性需要增加一些信息项1 2 。 图3 3 网络移动性实现流程 1 消息格式 任何网络协议的实现都基于消息的正确传递，移动网络也一样，需要包含实现网络 移动性的全部信息。由于m r 添加了为网络内节点转发数据的能力，所以需要在原有的 移动i p v 6 消息的具体格式上做了一些改动。主要包括以下三个方面： 1 ) 绑定更新消息 k 哺 - ， “ 1 1 一 ， 一 7 ，7 1 8 基于移动d p v 6 的网络移动性 顺序号 ahlkmr 保留 生存期 移动选项 图3 4 绑定更新消息格式 b u 中定义了一个新的标志位r ，用于表明该b u 是来自于移动节点还是移动路由 器。r = i 是移动路由器，r = 0 是移动节点，此时不能把移动网络的数据包转发到该节点。 2 ) 绑定确认消息 状态 k r 保留 顺序号生存期 移动选项 图3 5 绑定确认消息格式 和b u 一样，b a 也增加了一个r 标志位用于表明h a 是否支持移动路由器的注册， 只有在b u 中的r 位置l 时才能将b a 中的r 置1 。 此外相对应移动i p v 6 中的状态码，移动网络的b a 还增加了一些新值。当状态码 小于1 2 8 时，表明b u 成功处理。大于1 2 8 表明b u 被h a 拒绝。 1 4 0 移动路由器操作不允许 1 4 1 非法前缀 1 4 2 无法得到授权的前缀 1 4 3 建立转发失败( 前缀丢失) 3 ) 移动网络前缀选项 移动网络前缀选项包含于b u 中，用来向h a 通知前缀信息。如果m r 有多个i p v 6 前缀并且希望h a 能向所有的前缀转发数据到当前m r 位置时，可以在在b u 中包含多 个移动网络前缀。 类型 长度 保留前缀长度 移动网络前缀 图3 6 移动网络前缀消息格式 2 注册方式 移动i p v 6 中只有一种注册方法，而在移动网络中有两种方法： 1 ) 显示模式( e x p l i c i tm o d e ) ：m r 在发送给h a 的b u 中包括一个或多个m n p 选项。 2 ) 隐式模式( i m p l i c i tm o d e ) ：m r 发送给h a 的b u 不包括前缀消息。h a 采用另外 第四章移动网络设计与实现 1 9 的机制来决定m r 的m n p 。其中一种方法是采用手动配置，将m r 的家乡地址和建立 向移动网络转发所需的信息映射在一起。 3 1 4 扩展性问题 1 嵌套网络的路由优化问题p o l 双向隧道法虽然支持嵌套移动性，但多层嵌套将导致多层m i 1 1 m 隧道开销( 处 理时延增加、i p 包头变长) 。新的路由优化机制应允许移动网络内部节点和通信对端 的m 分组能实现优化路由，与移动网络嵌套层数无关，优化信号开销尽量小，并提供 安全保障。 2 家乡代理的瓶颈问题 家乡代理是移动网络的核心实体，负责m r 或m n 的移动管理、数据截取