（通信与信息系统专业论文）移动ip切换技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 随着互联网和移动通信的蓬勃发展，移动互连的需求变得十分迫切。为了支持以3 g 和 b 3 g 为标志的下一代全i p 移动网络的通用移动性和无缝切换，i e t f 提出了移动i p 。与此 同时，在移动i p 的基础上又提出了多种切换技术来支持移动节点的切换，但切换会造成时 延和丢包，此问题在国际上有许多解决方法尚不成熟，具有较大的研究空间。 论文参照i e t f 的移动i p v 4 、移动i p v 6 、移动i p v 6 快速切换( f a s th a n d o v e r sf o rm o b i l e i p v 6 ，f m i p v 6 ) $ 1 层次移动i p v 6 管理模型( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6m o b i l i t ym a n a g e m e n t h m i p v 6 ) 技术，围绕基于支持快速、层次移动i p v 6 的移动切换技术进行了深入的研究和 探讨。 论文首先介绍了移动i p 技术，分析了近年来业界提出的两大类移动性切换技术：移动 i p v 4 和移动i p v 6 切换技术，然后介绍了移动i p v 6 切换的扩展技术：f m i p v 6 和h m i p v 6 ， 分析了f m i p v 6 和h m i p v 6 技术特点，给出了f m i p v 6 和h m i p v 6 协议描述和协议实现， 并对目前已有的几种基于移动i p v 6 技术切换方案进行详细的性能分析，指出各种方案中存 在的问题。接着，针对这些问题，文中提出了一种新的基于双播的f h m i p v 6 移动切换方 案，并详细介绍了该切换方案的原理、详细的流程图和新的消息结构。最后，文中用n s 2 仿真工具对新切换方案进行了仿真，验证了新方案的优越性，并给出了未来的研究方向。 论文提出的新移动切换方案具有低延迟、少丢包的特点，可有效地解决现有切换方案 存在的主要问题，为未来移动i p 切换技术的进一步发展提供了良好的参考价值。 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学通信与信息系统 研究方向： i p 与宽带网络技术 作 者：二翌堕级研究生 徐旨胜指导教师孟旭东 题目：移动i p 切换技术研究 英文题目：t h er e s e a r c ho i lt h et e c h n o l o g yo fh a n d o v e r sf o rm o b i l ei p 主题词： k e y w o r d s ： 移动i p v 6 快速切换层次移动i p v 6 管理模型 快速层次移动i p v 6 管理模型双播 f a s th a n d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6 ( f m i p v 6 ) h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6m o b i l i t ym a n a g e m e n t ( h m i p v 6 ) f a s th a n d o v e r sf o rh m i p v 6 ( f h m i p v 6 ) b i c a s t i n g a b s t r a c t w i t ht h ev i g o r o u sd e v e l o p m e n to fi n t e m e ta n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，t h e r ei sag r e a t d e m a n do fm o b i l ei n t e r c o r m e c t i o n i no r d e rt os u p p o r tt h eu n i v e r s a lm o b i l es e a m l e s sh a n d o v e r s a l o n gw i t ht h e3 ga n db 3 gm a r k e db yt h en e x tg e n e r a t i o nw i t ha 1 1 一i pn e t w o r k s ，t h ei e t fb r i n g s f o r w a r dm o b i l ei pt e c h n o l o g y a tt h es a m et i m e ，av a r i e t yo fs o l u t i o n sh a sb e e nm a d et os o l v e p r o b l e m so ft h eh a n d o v e r so nt h eb a s i so fm o b i l ei p h o w e v e r ，t h eh a n d o v e r sw i l lc a u s ed e l a y a n dp a c k e tl o s s ，a n ds o l u t i o n sf o rt h e s ep r o b l e m sa r en o tr i p ei nt h ei n t e r n a t i o n a l ，t h u st h e r e s m u c hs p a c ef o rf u r t h e rr e s e a r c h w i t ht h er e f e r e n c eo fm o b i l ei p v 4 ，m o b i l ei p v 6 ，f m i p v 6a n dh m i p v 6 ，t h ep a p e rh o l d s c l o s e l yw i t hf h m i p v 6t e c h n o l o g yt oc o n d u c ti n d e p t hs t u d ya n dd i s c u s s i o n f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sm o b i l e i p t e c h n o l o g y ，a n a l y s e st h et w oc a t e g o r i e s o f t e c h n o l o g i e so fh a n d o v e r sf o rm o b i l ei p ：m o b i l ei p v 4a n dm o b i l ei p v 6 t h e n ，t h ep a p e r d i s c u s s e s t h ee x t e n s i o nt e c h n o l o g i e so fh a n d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6 ：f m i p v 6a n dh m i p v 6 ，a n a l y s e st h e c h a r a c t e r i s t i c so ff m i p v 6a n dh m i p v 6 ，w i t l lt h e i rd e s c r i p t i o n sa n dr e a l i z a t i o n sf o l l o w e d t h e n ， t h ep a p e rm a k e sac o m p a r i s o nw i t ht h e i rd e t a i l e dp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dp o i n t so u tt h e i r s h o r t c o m e s f u r t h e r ，i nv i e wo ft h e s ep r o b l e m s ，t h ep a p e rp r o p o s e san e wm e t h o df o rh a n d o v e r s o fm o b i l ei p v 6 ，w h i c hi sb a s e do nb i c a s t i n g ，a n dg i v e si t sp r i n c p l e ，f l o w c h a r t ，a n dt h en e w m e s s a g ef o r m a t s f i n a l l y ，t h ep a p e rs i m u l a t e st h en e wp r o p o s e dm e t h o db yu s i n gt h en s 2 s i m u l a t i o nt o o l ，v e r i f i e st h es u p e r i o rp e r f o r m a n c eo ft h en e wm e t h o d ，p o i n t so u tt h ed i r c e c t i o no f f u t u r er e s e a r c h t h ep a p e rp r o p o s e st h en e wm e t h o df o rh a n d o v e r so fm o b i l ei p ，w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f l o w e rl a t e n c y ，l e s sp a c k e tl o s s ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h em a i np r o b l e m st h a te x i s ti nt h e p r e s e n ts o l u t i o n s f o rh a n d o v e r so fm o b i l ei p a l s o ，i to f f e r sg o o dr e f e r e n c et of u r t h e r d e v e l o p m e n to f h a n d o v e r sf o rm o b i l ei p i i 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学通信与信息系统 研究方向： i p 与宽带网络技术 作 者：二翌堕级研究生 徐旨胜指导教师孟旭东 题目：移动i p 切换技术研究 英文题目：t h er e s e a r c ho i lt h et e c h n o l o g yo fh a n d o v e r sf o rm o b i l ei p 主题词： k e y w o r d s ： 移动i p v 6 快速切换层次移动i p v 6 管理模型 快速层次移动i p v 6 管理模型双播 f a s th a n d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6 ( f m i p v 6 ) h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6m o b i l i t ym a n a g e m e n t ( h m i p v 6 ) f a s th a n d o v e r sf o rh m i p v 6 ( f h m i p v 6 ) b i c a s t i n g 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除了文中特另t l d i l 以标注和致谢的 地方外，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 含为获得南京邮电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作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：彳笨刍瞧日期：趟：17 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：乏金置壁导师签名：趣宣日期：2 迎& 垒! f 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 下一代移动i n t e m e t 1 】是一个由不同类型的网络构成，其中移动性管理目标是异构网络 环境下在广域网中的快速、平滑、无缝切换。下一代移动i n t e m e t 最重要的特征一是全i p ， 二是支持异构网络环境下的接入技术。如何利用i p 技术的优势，在异构的网络环境下提供 跨越全网的移动性管理技术，是一个重要的研究课题。下一代移动i n t e r n e t 将整合现有的 各种移动性管理技术，并在此基础上形成一个高效的移动性管理机制，而移动i p 是最佳的 选择。 移动i p 的最初标准草案是由i n t e m e t 工程任务组( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 下属 的移动i p 工作组制定的，主要包括下面的r f c 文档： r f c 2 0 0 2 1 2 ：定义了移动i p 协议； r f c 2 0 0 3 3 1 、r f c 2 0 0 4 1 4 和r f c 2 7 8 4 t 5 】：定义了移动i p 用到的三种隧道技术； r f c 2 0 0 5 t 6 1 ：定义了移动i p 的应用； r f c 2 0 0 6 t 7 ：定义了移动i p 的管理信息库m i b ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) ； 移动i p 的m i b 库是实现移动i p 节点的变量集合，管理平台通过简单的网络管理 协议s n m p v 2 ( s i m p l e n e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) i s l 对这些变量检查和配置。 r f c 2 3 4 4 9 j ：定义了移动i p v 4 的反向隧道技术； r f c 2 7 9 4 1 1 0 l ：定义了移动i p v 4 的接入识别扩展。 移动i p 技术目前已经被两个主流的无线网络技术阵营采纳：一是蜂窝移动网络，包括 2 g 及其增强技术( g s m 、c d m a 、g p r s 等) 和3 g ；二是以i e e e 8 0 2 1 5 、i e e e 8 0 2 1 1 、 i e e e 8 0 2 1 6 和8 0 2 2 0 为代表的无线个域网、无线局域网、无线城域网和无线广域网，甚至 包括无线体域网( w i r e l e s sb o d y a r e a n e t w o r k ，b a n ) 。移动i p 能够在由这些无线网络技术 构成的复杂异构网络环境下，提供高效的移动性管理技术。 移动i p 技术使得移动节点在改变网络接入点时，不必改变其i p 地址，能够在移动过程 中保持通信的连续性。然而，由于无线网络的高移动性、低带宽、高传输错误率的特性以 及目前移动i p 技术自身的诸多局限性，如今的移动i p 难以满足人们不断提出的要求。当移 动节点离开家乡网络的时候，必须要在新的子网中配置一个转交地址并与家乡地址进行绑 定后才能继续进行通信，而从移动节点离开原来的网络到它接收到绑定确认为止的这段时 1 堕壅堕皇奎堂堡主堕圣竺堂垡丝茎茎二童堕笙 间中，通信是中断的，我们称这段时间为切换时延。这个时延一般有比较长，对于时延敏 感的业务如v o l p 来说，是无法忍受的。如何减少无线网络的切换时延，降低丢包率，是现 在的研究重点，尤其是在网络带宽资源有限或昂贵的情况下，这就变的尤为重要。 目前己有很多文章或草案提出了基于移动i p 的切换方案，并对移动i p 的切换方案进行 了扩充。本文的研究目的是寻求一种切换方案，使得移动节点在切换过程中切换和切丢包 最小。 1 2 论文主要的研究内容及所做工作 首先，本文描述了移动i p v 4 和移动i p v 6 协议，通过分析得出移动i p v 6 切换方案更具优 势，但移动i p v 6 在切换处理过程中仍然存在切换时延过长、丢包率过高的问题。接着，论 文分析了移动i p v 6 切换的扩展技术，它们虽然都有各自的优势，但同时也存在一定的局限 性。然后，论文在现有的移动i p v 6 切换扩展技术基础上提出了一种改进的基于双播的 f h m i p v 6 切换方案，并通过仿真实验验证了新切换方案的优越性。 第一章详细介绍了论文的研究背景，给出了移动i p 技术的产生背景以及本论文的研究 内容和所做工作。 第二章介绍了移动i p 技术的基本原理，分别介绍了i e t f 已存在的移动i p v 4 和移动i p v 6 技术，并对两种移动i p 进行了简单的比较，得出移动i p v 6 切换方案更具优势；接着，分析 了移动i p v 6 切换技术带来的影响，并对其做出了简单的分析。 第三章介绍了i e t f 标准的移动i p v 6 切换扩展技术：f m i p v 6 和h m i p v 6 ，对其进行简单 的描述，接着介绍了这两种协议的实现过程，然后介绍了直接结合f m i p v 6 和h m i p v 6 切换 技术的f h m i p v 6 方案。 第四章理论上分析了已存在的各种切换方案存在的不足，针对各种切换方案的不足， 在f h m i p v 6 切换方案基础上进行了改进，提出了基于双播的f h m i p v 6 移动切换新方案，即 在m a p 处增加双播，在n a r 处增加缓存机制，改进f b u 的消息结构，并充分利用f n a 通告 消息。接着，给出了改进新方案的原理、详细流程图和详细的消息结构。 第五章在w i n d o w sx p 下利用v m w a r ew o r k s t a t i o n 安装r e dh a tl i n u x2 6 1 6 虚拟机，并 在虚拟机上安装仿真工具n s 2 ，然后构建网络仿真环境，编写脚本实现仿真环境，在 f h m i p v 6 模块基础上根据不同协议的具体要求更改f h m i p v 6 模块源代码中m i p c c 和 m i p r e g c c 文件以及相应的仿真脚本，仿真已有切换方案和提出的基于双播的f h m i p v 6 切 换新方案，接着用g n u p l o t 作图，给出仿真结果并进行详细分析。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第六章总结了论文的主要工作，并对未来移动i p 技术的发展作出了展望，指出了未来 移动i p 的研究重点。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p 技术 第二章移动i p 技术 2 1 移动i p 的产生和目标 在i n t e m e t 上，每个主机分配有唯一的i p 地址或动态的i p 地址。由于i n t e m e t 是基于网络 前缀的路由，i p 数据分组首先路由到i p 地址网络前缀对应的网段，然后转发到目的主机， 因此，i p 地址不仅标识一台主机，也表示这台主机的物理网络位置。当移动主机在不同的 网络间移动时，它原有的i p 地址已经不能表示其物理网络地址，发送给移动主机的i p 分组 将不能被正确转发给目的节点，移动主机因而不能正常地接入i n t e m e t 获得网络服务。为了 支持移动主机在移动时仍能保持与因特网的正常通信，自1 9 9 1 年来，许多研究机构展开了 在因特网上支持主机漫游的研究工作，提出了一些支持主机漫游的协议。i e t f 也成立了“i p r o u t i n gf o rw i r e l e s s m o b i l eh o s t ”( 简称“m o b i l ei p ”) 工作组，专门从事移动i p 协议的标准 化研究。1 9 9 6 年1 0 月公布了i 心c 2 0 0 2 i 强c2 0 0 6 文档，提出了移动i p 协议标准，为移动i p 成为i n t e m e t 正式标准打下了基础，对移动i p 的发展起了关键性的作用。 移动i p 【l l 】是一种在全球因特网上提供移动功能的方案，它具有可扩展性、可靠性和安 全性，并使节点在切换链路时仍可保持正在进行的通信。移动i p 提供了一种i p 路由机制， 移动节点可以用一个永久的i p 地址连接到任何链路上。 移动i p 的主要设计目标就是移动节点在改变网络接入点时，不必改变其i p 地址，能 够在移动过程中保持通信的连续性，对上层协议保持透明性，与其他移动节点或不具有移 动i p 功能的节点进行正常的通信【1 2 1 。具体来说，移动i p 协议应该满足如下的要求： ( 1 ) 移动节点在改变数据链路层接入点以后，应该能够保持与i n t e m e t 上其他节点的连 续通信。 ( 2 ) 移动节点无论连接到任何接入点，应该能够用原来的i p 地址进行通信。 ( 3 ) 移动节点应该能够与不具有移动i p 功能的其他节点进行通信，并且不需要修改这 些节点的协议。 ( 4 ) 移动节点不应该比i n t e m e t 上其他节点面临更多的安全威胁。 目前已存在的移动i p 技术主要有两种：移动i p v 4 幂1 移动i p v 6 ，下面将对这两种移动i p 技术进行详细介绍。 4 南京邮电 学顺上研究生学位论文 第二章移动i p 拉术 2 2 移动i p v 4 1 ”i 2 21 移动l p v 4 的功能实体和基本术语 移动i p v 4 能够使移动主机不需要改变自身的i p 地址就能收发i p 分组，也不需要修改 相关路由器的路由表信息，并能在节点移动时维持其所有正在进行的通信。为了实现以上 功能，移动i p v 4 在传统的i p 网络上定义了新的功能实体： ( 1 ) 移动节点( m o b i l en o d e ，m n ) ：能够从一条链路切换到另一条链路，接入因特网 而仍保持正在进行的通信，并且保持它的家乡t $ t l k ( h o m eo f a d d r e s s ，h o a ) 不变的节点。 ( 2 ) 家乡代理( h o m ea g e m ，h a ) ：与移动节点家乡链路相连的路由器。它保留有移动 节点的家乡地址，该路由器的功能是当m n 离开家乡网络时，h a 通过隧道机制将发往m n 的家乡网络的数据包转发到m n 的当前位置上，并维护反映m n 当前位置的信息。 ( 3 ) 外地代理( f o r e i g na g e n t ，f a ) ：移动节点当前所在网络上的路由器，它向已登记的 移动节点提供选路服务。当使用外地代理转交地址时，外地代理负责解除原始数据包的隧 道封装，取出原始数据包，并将其转发到该移动节点。对于那些由移动节点发出的数据包 而言，外地代理可作为己经蹙记的移动节点的缺省路由器使用。 下图2 - 1 表明了这些功能实体咀及它们之间的关系。 h2 - 1 移动伊功能实体及相互关系 移动i p v 4 除了定义上述新的功能实体外，还定义了如下基本术语： ( 1 ) 家乡地址：移动节点在家乡网络上使用的i p 地址，就像分配给固定的路由器或丰 机一样的“永久”的i p 地址，不管移动节点连接至网络何处，其家乡地址保持不变。 ( 2 ) 通信对端节点( c o m 8 p o n d e n tn o d e ，c n ) ：指与移动节点通信的对等实体，称为通 信对端，它可以是移动节点或者是固定的节点。 ( 3 ) 转交地址( c a r eo f a d d r e s s ，c o a ) ：转交地址即隧道终点地址。它可能是外地代理转 5 查塞坚皇奎堂堡主婴塑笙兰垡丝壅 笙三兰鳖垫堡垫查 交地址，也可能是配置转交地址。外地代理转交地址是外地代理的一个地址，移动节点利 用它进行登记。在这种地址模式中，外地代理就是隧道的终点，它接收隧道数据包，解除 数据包的隧道封装，然后将原始数据包发到移动节点。这种地址模式可使很多移动节点共 享同一个转交地址。配置转交地址是通过地址分配机制为移动节点分配的i p 地址，地址前 缀与当前访问网络的前缀相同，它可以是通过动态主机分配协议( d h c p ) 【1 4 】动态分配的，也 可以是移动节点在外地网络上长期使用的永久地址。当使用这种地址模式时，移动节点自 身就是隧道的终点，执行解除隧道功能，取出原始数据包。一个配置转交地址仅能被一个 移动节点使用。转交地址是仅供数据包选路使用的动态地址，也是移动节点与外地网连接 时使用的临时地址。当移动节点接入到一个新的网络，转交地址就会发生变化。 ( 4 ) 隧道( t u n n e l ) ：当m n 漫游到外地网络时，由于其它主机并不知道它已经漫游，故 发给它的i p 数据包仍然送至其家乡网络。m n 的h a 将把这些i p 数据包截取下来重新封 装后发送到m n 的f a 。所谓m n 的隧道，是指由h a 至f a 用来传送这些重新封装后的 i p 数据包的通道。在隧道的发送端，h a 依据隧道协议把需传送的i p 数据包重新封装，在 接收端完成拆包。当转交地址为配置转交地址时，移动节点本身就是隧道的终点，它自身 进行解除隧道，取出原始数据包的工作。移动i p v 4 中主要使用三种类型的隧道：i p i n i p 、 最小封装和通用路由封装。如图2 2 给出了i p 隧道及其在移动i p 中的应用。 潭i p = 原始发送者 目的i p 一最终接收者 图2 2i p 隧道及其移动i p 中的应用 ( 5 ) 代理广播( a g e n t a d v e r t i s e m e n t ) 消息：家乡代理或外地代理发送的一种广播数据包。 这种数据包是在i c m p 1 5 1 路由广播里加上相应的扩展而形成的。家乡代理或外地代理利用 代理广播消息广播它们的存在性，以便移动主机能够向它们提出服务请求。 ( 6 ) 代理发t 见( a g e n td i s c o v e r y ) ：为了随时随地与其它节点进行通信，移动节点必须首 先找到一个移动代理。移动i p 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广播代理广播报文；二是主动发现，即移动节点广播一条请 求代理的报文。移动用户使用扩展的i c m p 路由发现机制作为代理发现的主要机制。要注 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p 技术 意的是，使用以上任何一种方法都可使移动节点识别出移动代理并获得转交地址，从而获 悉移动代理可提供的任何服务，并确定其连至家乡网络还是某一外地网上。使用代理发现 可使移动节点检测到它何时从一个i p 网络( 或子网) 漫游( 或切换) 到另一个i p 网络( 或子 网) ，所有移动代理( 不管其能否被链路层协议所发现) 都应具备代理广播功能，并对代理请 求做出响应。所有移动节点都必须具备代理请求功能。但是，移动节点只有在没有收到移 动代理的代理广播并且无法通过链路层协议或其他方法获得转交地址的情况下，方可发送 代理请求报文。 ( 7 ) 注册( r e g i s t r a t i o n ) ：m n 必须将其位置信息向其h a 进行登记注册，以便通信。 在移动i p 技术中，依不同的网络连接方式，有两种不同的注册规程：一种是通过外地代理 进行注册，即移动节点向外地代理发送注册请求报文，外地代理接收并处理后将注册请求 报文中继到移动节点的家乡代理，家乡代理处理完后向外地代理发送注册答复报文( 接受或 拒绝注册请求) ，外地代理处理注册答复报文，并将其转发到移动节点。另一种是直接向家 乡代理进行注册，即移动节点向h a 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( 接受或拒绝登记请求) 。注册请求和注册答复报文使用用户数据报协议c o d p ) 进行传送，当移动节点收到来自其家乡代理的代理广播报文时，可判断出其已返回到原来 网络，此时移动节点应向家乡代理撤销注册。 2 2 2 移动i p v 4 协议总体流程 移动i p v 4 协议大致包括以下流程： ( 1 ) 移动代理通过代理公布其存在，m n 可以通过请求一个代理公布消息，或者接收 到代理公布消息。 ( 2 ) m n 通过代理公布消息确定是否位于外地网络。 ( 3 ) 如果m n 位于家乡网络，它将不运行移动程序，如果m n 从外地网络回到家乡 网络，它将取消在h a 上的注册。 ( 4 ) 如果m n 检测到它移动到新的外地网络时，从外地网络上获取一个转交地址。 ( 5 ) m n 和h a 通过交换注册请求消息和注册应答消息，通过f a 在h a 上进行注册。 ( 6 ) 到达m n 的家乡网络的数据包被h a 截获，通过隧道传送到m n 的转交地址。 在隧道的末端，由f a 或者m n 自己解封装后传到m n 。 ( 7 ) 在相反方向上，由m n 发送的数据包用标准的i p 路由机制进行转发，不需要再 通过h a 。 7 南京邮电大学颂上研究生学位论文 第= 章移动i p 技术 如图2 - 3 所不为移动i p v 4 的协议流程 夕” 幽2 - 3 移动i p v 4 的协议流觯 在图2 - 3 中，“1 ”表示发往m n 的数据包经过标准的i p 路由机制被转发到h a 。“2 ”表 示数据包被h a 截获，经过封装后，通过隧道转发到f a 。“3 ”表示f a 对数据包进行了解 封装并传递给m n 。“4 ”是m n 通过标准的i p 路山机制把数据包发给c n 。 2 2 3 移动i p v 4 的切换技术 移动节点从一个子网移动到另一个子网就，“生了切换。移动节点在新的子网获得新的 转交地址后，移动节点需要向家乡代理重新注册以及向通信对端重新绑定。移动i p 是网络 层上的协议，由于消息传输和协议处理都需要时间，加上无线链路的高误码率和无线信号 强度动态变化等多方面的原因，切换可能导致移动节点在一定时问内不能发送和接收数据 分组，引起通信对端与移动节点之问的通信暂时中断。移动节点在两个不同子刚之间移动 时引起了切换，这个切换过程产生了切换延迟、分组丢失以及失序等问题。 移动i p v 4 最初被设计成对链路层保持独立，这种设计的优点是将协议栈的第二层和第 三层明确分割，但这对切换延迟带米了负面影响，原因在于第二层和弟三层的严格分离导 致了下面的固有延迟移动节点只能与直接连接的外地代理进行通信，即移动节点只有在与 新外地代理的第二层切换完成咀后，才能开始注册过程：注册过程持续一定时间，在这一 时问内，移动节点不能发送和接收l p 分组。同时在摹本移动i p v 4 切换过程中存在“三角 路由”问题，如图2 - 4 ：移动节点使用外地网络的路由器作为默认路由器，它发送的分组通 8 ， 堕室塑皇查堂堡主堕窒竺堂垡丝奎笙三皇整垫! 垫查 过外地网络路由器直接发送给通信对端，无需采用隧道机制：通信对端发送的数据分组通 过移动节点的家乡代理转发给移动节点，移动节点的分组直接发送通信对端。三角路由不 是优化的路由，优化的路由如图2 5 所示。 家乡代理 图2 - 4 移动i p v 4 中的三角路由问题 图2 - 5 移动i p 的优化路由 针对上述分析中存在的固有延迟的问题，可以从两个方面考虑加以解决。一方面，移 动节点在当前外地网络时，在发生切换之前就与新的外地网络上的外地代理进行通信。这 使得移动节点在第二层切换之前就在新外地代理上建立它的注册状态，加快切换过程；另 一方面在新的外地网络上正式注册完成之前，移动节点继续使用前一个外地网络上的转交 地址，通过前一个外地网络的外地代理维持已有通信连接。这样，就减少了移动节点在切 换过程中的通信中断时间。 根据上面的分析，下面介绍一种基于移动i p 协议中描述的移动切换最初概念的快速切 换方法一预先注册切换方法。预先注册切换方法的基本操作如图2 - 6 所示。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动口技术 图2 - 6 预先注册切换 1 ) 消息l a 是原来的外地代理o f a 向新外地代理n f a 发送的请求路由器通告消，皂, ( r t s o l ， r o u t e rs o l i c i t a t i o n ) ，消息l b 是新外地代理返回的路由器通告消息( r t a d v , r o u t e r a d v e r t i s e m e n t ) 。这些消息应该在预先切换之前发生才不会给切换带来延迟，这样原来的外 地代理o f a 应该请求和缓存从相邻网络上的外地代理发送来的通告，以减小预先注册信令 交换的时间。 2 ) 消息2 a 是一条代理路由器请求消息( p r o x y r t s o l ，p r o x yr o u t e rs o l i c i t a t i o n ) ，这条消息 与一般的路由器请求消息不同，这条消息请求发送路由器通告的路由器并不是收到这条消 息的路由器。使用这条消息说明切换是移动节点发起的。如果这条消息不存在，意味着切 换是网络发起的。在移动节点发起的切换中，如果移动节点产生一个二层触发请求发送一 条p r o x y r t s o l 消息，消息2 a 用于请求代理路由器通告。当消息2 a 被原来外地代理接收到 后，原来的外地代理返回一条代理路由器通告消息。 3 1 当移动节点接收到路由器通告消息p r o x y r t a d v 后，执行移动检测。在适当的时候， 它通过消息3 向新外地代理发送注册请求消息请求绑定。 4 ) 消息3 、消息4 和消息5 组成标准的移动i p 注册或区域注册。如果切换是网络发 起的目的触发切换，注册应答消息5 应该通过隧道从新外地代理发到原来的外地代理，在 转发给移动节点。如果切换是移动节点发起的，新的外地代理不知道原来外地代理的地址， 所以新外地代理要等到移动节点与新的网络的二层建立连接后才可以将注册应答消息发 送给移动节点。 5 ) 如果注册成功，移动节点的家乡代理就将发往移动节点的分组通过隧道转发给移动 节点新的外地代理。 l o 堕室坚皇奎兰堡圭婴窒竺兰垡鲨茎笙三雯整垫堡塾查 伴随着移动i p v 4 技术的发展，为了解决移动i p 切换过程中数据包丢失率高、切换延 迟大等问题，c h a r l e se 。p e r k i n s 提出一种平滑切换方案【1 6 1 。该方案在外地代理f a 设立一个 缓存区b u f f e r ，发送到f a 的数据包都要经过b u f f e r ，然后转发给m n 。当m n 需要切换时， m n 发送切换请求消息，新的f a 收到切换请求消息就要求原f a 把缓存区b u f f e r 中的数据 包发送给它，从而避免了切换过程中数据包的丢失。为了减小重复，m n 把已经接收到的 i p 包的源地址和i d 值都保存下来，并且这些信息包含在m n 发送的切换请求消息中，这 样原f a 就没有必要发送那些m n 已经接收到的数据包。这种平滑切换方案能够大大降低 切换过程中的丢包率。但应当注意的是，如果在切换过程中m n 发现新代理和重新注册的 时间过长，原f a 的缓存区可能会溢出，这也是移动i p v 4 平滑切换的一个不足。 2 2 4 移动i p v 4 协议的不足 基本的移动i p v 4 协议虽然成功地实现了对主机移动性支持，但是也存在一些不足之 处，主要有一下几点： 1 ) 地址空间问题 移动i p v 4 首先受到了i p v 4 有限的地址空间的限制。下一代移动i n t e m e t 中会存在大量 的m n ，每个节点都需要至少一个i p 地址，这是移动i p v 4 面临的第一个显而易见的问题。 2 ) 三角路由问题 移动i p v 4 中存在“三角路由”问题。由c n 发给连接在外地链路上的m n 的数据包先被 路由到它的家乡代理上，然后经隧道送到m n 的转交地址，然而由m n 发给c n 的数据包 却被直接路由到c n ，这构成了一个三角形，如图4 所示。 三角路由问题导致了一些潜在的问题，比如数据包往返的路径不同，可能导致服务质 量更加难以保证，因为数据包在传输过程中的延迟难以保证。三角路由也可能导致网络资 源的浪费，比如，当c n 和f a 距离很近，而离h a 很远时，数据包仍然要通过h a 进行 转发，这样就消耗了不必要的网络资源。同时在发生切换时，也因为绑定更新消息的传输 导致更多的时延。 3 ) 切换性能问题 移动i p v 4 的切换性能也十分突出。在基本的移动i p v 4 协议下，m n 每次发生切换， 都需要通过f a 向h a 进行绑定更新。在更新完成之前，切换无法完成，因此而引入的时 延是很显著的，所导致的信令及其传输开销也很大。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p 技术 2 3 移动i p v 6 协议1 1 7 i 由于移动i p v 4 协议存在一些不足，i e t f 又提出了移动i p v 6 协议。移动i p v 6 协议是 为了支持移动节点在i p v 6 网络中移动时的连接而提出的协议。总体来说，当m n 在网络 中移动时，总是用移动节点的家乡地址来标识，不会因所访问的外地网络而改变。当节点 离开家乡网络时，它与一个转交地址相关联，节点当前位置由该节点的转交地址标识。移 动i p v 6 协议和移动i p v 4 协议不同，它和i p v 6 协议内在的结合在一起，而不像移动i p v 4 那样，是对原有i p v 4 协议的扩充。i p v 6 节点可以维护一个“家乡地址转交地址”的缓存， 这样i p v 6 可以直接把发往m n 的分组发给m n ，这可以通过使用“目的选项”来实现。i p v 6 节点无论是固定的，还是移动的，都可以直接与m n 通信，这与移动i p v 4 相同。 2 3 1 移动i p v 6 协议概述 移动i p v 6 使i p v 6 节点可以移动，并且在移动过程中仍然保持现有连接。 在没有移动i p v 6 的情况下，如果i p v 6 节点改变了链路，则必须改变其i p v 6 地址以保 持可达性。当移动节点移动到其它链路上时，i p v 6 提供了一些机制来支持i p 地址的改变， 如有状态或无状态的地址自动配置机制，但是这些机制都会正确地结束使用先前链路所分 配的地址所建立的连接。 而移动i p v 6 的突出优点就在于移动节点改变其位置和地址时，移动i p v 6 也会保持移动 节点赖以通信的现有连接。移动i p v 6 不是通过修改面向连接的协议如t c p 来保持移动节 点的连接，而是通过对i p 层地址的处理来实现这一目标。对于传输层来说，移动节点的位 置改变完全是透明的。移动i p v 6 使用移动节点的特定地址来建立和保持连接，无论移动节 点如何改变地理位置和地址，连接都会保持。 相对移动i p v 4 ，移动i p v 6 有很大的优点：地址自动配置机制；邻居发现机s j j ；不再 需要外地代理，避免了三角路由问题，实现了路由优化；更好的支持移动节点的移动性等。 2 3 2 移动i p v 6 的工作原理 当移动节点在家乡网络时，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。当移动节点离开家乡网络进入外地网络时，其工作原理如下： ( 1 ) 移动节点通过常规的i p v 6 无状态或有状态的自动配置机制即d h c p v 6 方式1 0 1 ，获 得一个或多个转交地址。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动m 技术 ( 2 ) 移动节点在获得转交地址后，向家乡代理申请注册，为移动节点的家乡地址和转交 地址在家乡代理上建立绑定。 ( 3 ) 移动节点可以直接发送分组给通信对端，设置分组的源地址为移动节点的当前转交 地址，家乡地址选项中是移动节点的家乡地址。 ( 4 ) 通信对端发送分组给移动节点时，首先根据分组目的i p 地址查询它的绑定缓存， 如果在绑定中存在匹配，则直接发送分组给移动节点。如果不存在这样的匹配，则将分组 发送到其家乡地址。发向家乡地址的分组被路由到移动节点的家乡链路，然后经过家乡代 理的隧道转发到达移动节点。 ( 5 ) 移动节点根据收到家乡代理转发的i p v 6 分组判断通信对端没有自己的绑定缓存， 因而向通信对端发送绑定更新建立绑定。 ( 6 ) 移动节点离开家乡后，家乡网络可能进行了重新配置，原来的家乡代理被其它路由 器取代。移动i p v 6 提供了动态代理地址发现机制，允许移动节点发现家乡代理的i p 地址， 从而正确注册其主转交地址。 2 3 3 移动i p v 6 对基本i p v 6 协议的修改 ( 1 ) 新的移动报头 移动i p v 6 定义了一个新的报头移动报头( m o b i l i t yh e a d e r ) ，用于携带下列移动i p v 6 消息： 家乡测试初始( h o m et e s ti n i t ，h o t i ) 、家乡测试( h o m et e s t ，h o t ) 、转交测试初始 ( c a r e o ft e s ti n i t ，c o t i ) 、转交测试( c a r e o ft e s t ，c o t ) 等四个消息，用于返回路径可达过 程； 绑定更新消息( b i n d i n gu p d a t e ) ，移动节点使用它来通知通信对端它当前的绑定，或 者通知家乡代理它当前的绑定； 绑定确认消息( b i n d i n ga c k n o w l e d g e m e n 0 ，用于对移动节点发出的绑定更新进行确 认； 绑定刷新请求消息( b i n d i n gr e f r e s hr e q u e s t ) ，用于请求移动节点发送新的绑定，典型 的情况是当绑定的生存期接近过期时使用： 绑定错误消息( b i n d i n ge r r o r ) ，通信对端节点使用它来通知和移动性相关的错误。 ( 2 ) 新的目的地选项 1 3 南京邮电大学硕