（计算机应用技术专业论文）蚂蚁算法在ip路由中的应用.pdf

摘要 互联网的出现给人们的生活带来了巨大的变化，通过互联网，人们可以及 时获取信息，但互联网信息量的快速增长及人们对信息处理提出的更高要求， 使传统的有线网络已不能满足用户的需求。为此人们期望能不再受时间和空间 的限制，随时随地享受各种信息服务。无线通信技术和计算机技术的快速发展， 使移动计算成为可能。 移动邛通信最基本的问题是i p 主机在通信期间可能需要移动，因此i p 地 址可能会缀常发生变化。而在传统的i p 技术中，i p 地址的变化必将导致i p 通信 的中断。移动i p 通信一方面希望移动的i p 主机保持原来的i p 地址不变，以方 便其他主机与移动主机的通信，另一方面又希望根据当前所在的网络，及时更 新i p 地址进行通信。其目标就是能够透明地支持i p 主机的移动性，在i p 主机 移动的过程中，能够始终用原来的i p 地址即归属地址来与移动口主机通信。 移动主机在两个不同子网之间移动时将产生切换。切换会导致移动主机在 一定时间之内不能发送和接收数据分组，通信对端和移动主机之间的通信暂时 会中断。目前有一些工作，研究如何达到平滑切换或无缝切换，并取得了较好 的效果。切换之后移动主机必须尽快找到一条最短路径路由与通信对端建立连 接。求解最短路径实际上是多变量、多约束的非线性优化问题，是n p 难问题。 在移动网络中，网络拓扑变化快，要保证用户业务不受影响，必须在最短时间 内找到最短路径路由。 蚂蚁算法就是近年来出现的，搜索效果良好的一种启发式搜索方法。蚂蚁 算法的主要思想，是模拟蚂蚁寻找食物的过程。在蚂蚁在搜索的过程中，会不 断分泌外激素。蚂蚁之间通过外激素交流信息，可以很快找到从蚁穴到食物之 间的最短路线。蚂蚁算法的核心，就是让蚂蚁以外激素为媒介，互相交流信息， 不断搜索更好的路径。本文利用“信息素表”来取代网络节点的路由选择表， 把移动口网络和蚂蚁算法联系起来，研究将蚂蚁算法用于求解移动邛路由选择 当中的最短路径。实验表明，本文慕于蚂蚁算法的移动l p 路由选择在网络节点 数量较多时比基于遗传算法的移动i p 路由选择在煮找性能上更优。 关键词：移动i p ，路由选择，最短路径，蚂蚁算法 a b s t r a c t i n t e r n e tt e c h n i q u eh a sb e e nc h a n g i n gt h ep e o p l e sl i f ea n dw o r ks t y l e p e o p l ec a n a c q u i r ei n f o r m a t i o ni nt i m ei ni n t e r a c t b u tt h ef a s ti n c r e a s i n gi n f o r m a t i o na n dt h e h i g h e rr e q u i r e m e n tm a k et h et r a d i t i o nn e t w o r kc a n ts a t i s f yt h eu s e r sr e q u i r e m a n t p e o p l eh o p et oa c h i v ea l lk i n d so fi n f o r m a t i o ns e r v i c e sa n y w h e r ea n da n y t i m e t h e r a p i dd e v e l o p m e n t so fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dr a d i o c o m m u n i c a t i o nt e c h o n o l o g y m a k em o b i l ec o m p u t i n gp o s s i b l e i nm o b i l ei pc o m m u n i c a t i o n ，t h em o s tb a s i cp r o b l e mi si ph o s i sm a ym o v e w h e n t h e yc o m m u n i c a t ee a c ho t h e r , a n dt h e i ri pa d d r e s s e sw i l lc h a n g ef r e q u e n t l y f o r t r a d i t o ni pt e c h n o l o g y , t h ec h a n g eo fi pa d d r e s sw i l lr e s u l ti nt h ei n t e r r u p to f c o m m u n i c a t i o n o nt h eo n eh a n d ，t h e yh o p et h em o b i l ei ph o s t sc a nm a i n t a i nt h e i ri p a d d r e s s e st ok e e pt h ec o m m u n i c a t i o nw i t ho t h e rh o s i se o n v e n i e n c e l y ；o nt h eo t h e r h a n d ，w ea l s oh o p ei ph o s t sc a nc h a n g et h e i ri i a d d r e s s e sa c c o r d i n gt ot h ec u r r e n t n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n i t sg o a li st os u p p o r ti ph o s t s m o b i l i t yt r a n s p a r e n c e l y , a n dm ( 山i l eh o s t sc a l lc o m m u n i c a t ew i t hf o r m e ri pa d d r e s s e s m o b i l eh o s t sw i l ls w i t c hw h e nt h e ym o v eb e t w e e nt w os u b - n e t w o r k s s w i t c h w i l lr e s u l ti nm o b i l eh o s t sc a n ts e n da n dr e c e i v ed a t ag r o u p si nac e r t a i nt i m e n o w s o m ew o r k ss t u d yf l a t n e s ss w i t c ha n da c h i e v ev e r yg o o dr e s u l t s a f t e rs w i t c h i n g ， m o b i l eh o s t sm u s tf i n das h o r t e s tr o u t et oe s t a b l i s hc o n n e c t i o nw i t hc o r r e s p o n d e n c e n o d e f i n d i n gs h o r t e s tr o u t ea c t u a l l yi sn o n - l i n e a r i t yo p t i m i z a t i o np r o b l e mw i t ha m u l t i - v a r i a b l ea n dm u l t i - r e s t r i c t i o n ，a n di san p h a r dp r o b l e m a n ts y s t e m ( a s ) i san e w , p r o m i s i n gh e u r i s t i c s a sc a m ef r o ms t u d y i n go fa n t s i nr e a l i t y w h e na n t ss e a r c hf o o d ，t h e yd e p o s i tp h e r o m o n ea l t h o u g ht h e i rw a y s b y c o m m u n i c a t i n gt h r o u g hp h e r o m o n ea n dr e i n f o r c i n gs e a r c h i n g , a n t sc a na l w a y sf i n d b e s tw a yf r o mh o m et of o o d s a m ea sa n t si nr e a l i t y , c o r eo fa si st h ep h e r o m o n e a r t i f i c i a la n t sc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e r s e a r c hn e ww a y sb a s e do nh i s t o r i c a l r e s u l t s ，a n dg i v es a t i s f y i n gs o l u t i o n st op r o b l e m sf i n a l l y t h i sp a p e ru s e sp h e r o m o n e r o u t es e l e c t i o nt a b l et or e p l a c et h er o u t es e l e c t i o n t a b l eo ft h en e t w o r kn o d e s ，a n di th e l p st oc o n n e c tm o b i l ei pn e t w o r kw i t ha n t n a l g o r i t h m ，a n ta l g o r i t h mi sa p p l i e dt os o l v et h ep r o b l e mo fs h o r t e s tr o u t ei nm o b i l e 坤 n e t w o r k t h ee x p e r i m e n ti sb e t t e rt h a nt h a to n eb a s e do ng e n e t i cs h o w st h a tt h e p r e s e n t e da l g o r i t h ma l g o r i t h m k e yw o r d s ：m o b i l ei p , r o u t es e l e c t i o n ，s h o r t e s tr o u t e ，a n ta l g o r i t h m i 独创性声明 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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 曲。s 。 毛 。j 。1 。一 ， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：酋i 洱导师签名： 日期；坌! ! 羔“ 武汉理工大学硕十学位论文 1 1 论文选题的背景 第1 章绪论 近十年来，随着社会、科技、文化和经济的发展，特别是计算机网络技术 和通信技术的迅速发展，人们对开发和使用信息资源越来越重视，从而强烈刺 激着因特网的发展。在因特网上，按从事的业务分类包括了广告公司、航空公 司、农业生产公司、艺术、导航设备、书店、化工、通信、计算机、咨询、娱 乐、财贸、各类商店、旅馆等等1 0 0 多类，覆盖了社会生活的方方面面，构成了 一个信息社会的缩影。人们对网络的依赖性日渐增加，并希望能够以一种更加 灵活便利的方式随时随地访问企业网和i n t e r n e t ，这就要求将目前的有线网络技 术和和移动通信技术结合起来，为人们提供可以承载多媒体业务的宽带无线接 入和无缝全球个人通信【1 】【2 】。美国“皮尤因特网与美国人生活工程”研究机构公布 的调查结果显示，目前美国有三分之一的因特网用户己使用无线设备上网。目 前美国已有3 4 的因特网用户利用手机或配备“w i f i ”装冕的笔记本电脑等无线 设备上网；而2 0 0 4 年2 月份的调褒显示，当时美国的因特网用户中通过无线设备 上网的比例只有2 2 。调查同时显示，目前家中安装无线上网设备的网络用户比 例也从2 0 0 5 年1 月份的1 0 上升至1 9 。，移动性已经成为目前i n t e m e t 研究的最 重要问题之一。 传统的t c p i p 产生于2 0 世纪7 0 年代，受当时技术水平和条件的限制，它 不支持主机的移动。移动口技术正是为解决t c p i p 网络不支持漫游而产生的 新技术。移动口是一种在全球因特网上提供移动功能的方案，可使移动主机在 切换链路时仍保持正在进行的通信。它提供了一种i p 路由机制，使移动主机以 一个永久的i p 地址连接到任何链路上。移动i p 的可扩展性使其可以在整个因特 网上应用。 1 2 现阶段国内外研究现状 移动i p 技术正是为解决t c p i p 网络不支持漫游而产生的新技术。它对 武汉理工大学硕士学位论文 t c p i p 网络协议做了必要的补充，使t c p i p 网络支持漫游功能，人们可以拥有 惟一的网络坤地址与外界保持通信。在传统的网络中，受t c p f i p 协议的限制只 能实现在同一口子网中不同小区间的越区切换功能，在不同的口子网、不同的 局域网之间不能进行漫游，如果使用d h c p ( d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o n p r o t o c 0 1 ) 解决漫游问题，那么移动节点的i p 地址是变化的，该方法最直接的缺 点是网络上的其他用户不能对它发起访问。而移动技术可以使移动节点在不 同的口子网间自由移动，同时在移动过程中保持对互联网的访问，进而扩展了 移动用户的移动范围，使互联网上用户的交互访问更方便。第一个移动主机协 议由哥伦比亚大学的j o h ni o a n n i d i s 设计，它的主要思想是使用虚拟移动子网和 i p i n i p 技术1 6 】。同时，s o n y 公司的f u m i o t e r q o k a 设计了另一种移动主机协议， 虚拟碑( v i p ) ，该协议使用了特殊的路由来标记移动主机的位置，并定义了新 的m 头选项来递送数据【”。在此之后不久，i b m 的c p e r k i n g 和yr e c k i e r 也 设计了一种移动主机协议，这种协议利用了现有i p 协议中的可选功能松散 源路由( l o o s es o u r c er o u t i n g ) 来支持主机的移动1 5 j 。1 9 9 4 年久m y l e s 和c p e r k i n g 分析了前三种移动主机协议的优缺点，重新设计了一种协议m i p ，该协 议后来发展成为m o b i l e i p 协议。1 9 9 6 年1 0 月，i e t f ( i n t e r a c t 工程任务组) 提 出了移动i p 协议标准( 草案) ，主要包括r f c 2 0 0 2 【5 1 、r f c 2 0 0 3 鄹、r f c 2 0 0 4 9 1 、 r f c 2 0 0 5 1 0 1 和r f c 2 0 0 6 1 1 1 l 等r f c 文档。r f c 2 0 0 2 定义了移动i p 协议；r f c 2 0 0 3 、 r f c 2 0 0 4 和r f c l 7 0 1 1 2 】定义了移动i p 中用到的三种隧道技术；r f c 2 0 0 5 叙述了 移动i p 的应用；r f c 2 0 0 6 定义了移动i p 的管理信息库m i b 。该草案文档一经 发表，立刻引发了全球范围研究移动口技术的高潮。美国哥伦比亚大学、纽约 大学、卡耐基梅隆大学、新加坡国立大学、日本科学与技术研究所、瑞典皇 家学院以及f t ps o f t w a r e 、i b m 、m o t o r o l a 、n o 蚰a 、s u n 、t c l x o n 等公司都成立 了相应的工作组，针对移动口进行研究。 从1 9 9 5 年开始，我国对移动计算网络中的关键技术进行研究，并逐渐加大 了资助力度。国内起步最早的研究单位是西安电子科技大学综合业务网园家重 点实验室移动计算网络课题组。这个课题组在1 9 9 2 年就承担了中日合作项目“无 线局域网研制”，开始了相关的研究，1 9 9 5 年，在i n t e m e t 工程部公布移动i p 协 议标准之前就提出了“游牧计算网络”的概念，并提出了实现网间漫游的整体 方案。经过1 0 年探索与研究，随着相关技术的发展( 如无线局域网标准8 0 2 1 1 的出台等1 。2 0 0 5 年该课题组在西安电子科技大学的校园网上构建了移动口实验 武汉理工大学硕士学位论文 网，并成功开发了基于w i n d o w s9 撇d o w s m e w i n d o w s2 0 0 0 w i n d o w s n t l i n u x 系统的移动口软件包，实现了这项技术研究成果的广泛应用。这一技 术成果不仅大大领先于国内外同行业水平，同时，使我国成为了在国际上将移 动腰技术成功推向市场产业化的“第一人”。未来的移动网络将实现全包交换， 包括话音和数据都由i p 包来承载，语音和数据的隔阂将消失。在i m t 2 0 0 0 中 已明确规定，第三代移动通信系统必须支持移动口分组业务。而i e t f 也正在 扩展因特网协议，开发一套用予移动p 的技术规范。目前针对移动i p 研究的重 点集中在承载不同业务时的性能分析【1 3 】【1 4 l 【1 5 】，以及使用优化路由技术时的性能 分析。 移动通信的口化进程将分为三个阶段：首先足移动业务的m 化；之后是移 动网络的分组化；最后是在第三代移动通信系统中实现全m 化。随着分组业务 量的急剧增长和口技术的完全成熟，所有的业务将会统一到i p 网络，形成一个 真正的综合业务网络。 1 2 1 蚂蚁算法理论 蚂蚁算法由意大利学者m d o r i g o 等人于1 9 9 1 年提出，于1 9 9 2 年在m a r c o d o r i g o 的博士论文中引入，其灵感来源于蚂蚁在寻找食物过程中发现路径的行 为。它的主要思想是通过蚂蚁觅食过程群体之间的信息传递而达到寻优的目的。 其原理是一种正反馈机制，通过信息素的不断更新达到最终收敛于最优路径上， 同时具有天然的随机性、自适应性和分布式等优点，适合并行计算和求全局最 优解。由于模拟仿真中使用了人工蚂蚁的概念，因此亦称蚂蚁系统( a n ts y s t e m a s ) ，人工蚂蚁与天然蚂蚁的区别是人工蚂蚁具有记忆功能。 蚂蚁算法是一种崭新的解决复杂优化问题的有效方法，它是利用正反馈原 理来搜索最优解的。蚂蚁算法不同予简单地随机搜索，它充分利用先前蚂蚁的 经验来确定搜索的方向，从而获得较为满意的结果。作为一种优秀的搜索算法， 蚂蚁算法具有自组织、自学习、并行憔等特点并在许多领域取得了成功【1 9 i 。而 使用蚂蚁算法进行网络路由优化是当前研究的一个热点问题【驯 1 2 3 本文的主要工作 本文主要讨论移动i p 中的路由问题，以及如何使用蚂蚁算法使其能够适应 3 武汉理工大学硕士学位论文 于移动口网络中特定的路由优化问题。针对国内外移动i p 和路由算法的研究现 状，本文开展并完成了以下方面的工作： 1 分析了移动i p 的工作机理，针对移动i p v 6 进行了相关的研究。 2 对移动i p 中的路由选择算法进行研究，分析和总结相关研究的优缺点， 从中找到可以利用的经验和技术。 3 对蚂蚁算法进行深入研究，了解蚂蚁算法当前的应用和发展状况。 4 提出采用蚂蚁算法来求解移动i p 路由选择的问题。 5 设计和实现了一个移动i p 中基于蚂蚁算法的实验系统。通过实验对本文 研究进行验证并得到相关数据 在本文中使用网络仿真工具对移动职的主要工作方式进行了仿真，对于文 中提出的采用蚂蚁算法求解最短路由，使用随机网络拓扑算法生成器来生成网 络拓扑结构以验证该算法的有效性； 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章移动ip 的概述 在当今快速发展的信息领域中，i n t e r n e t 和移动通信是两个引人瞩目的1 1 r 产 业和通信技术。在过去十几年尤其是近几年，以i n t e m e t 为代表的信息网络给人 们的生活带来了巨大的变化，政府上网、企业上网、家庭上网、电子商务等成 了当今的热门话题。通过i n t e r n e t ，人们能够及时地了解世界各地的新闻，方便 地获得许多有用信息，如股市行情、旅游信息、商品介绍，参与网上的互动游 戏等娱乐活动，进行网上远程教育和购物，发送电子邮件等等，i n t e m e t 已经成 为很多人日常活动不可或缺的部分。由于目前主要以固定接入方式使用i n t e r n e t ， 而人们的生活节奏在加快，可能经常处在运动中，而不是整天呆在固定的办公 室内，需要在任何地点任何时候都能获得i n t e r n e t 服务。随着移动技术的迅猛发 展，手机、掌上电脑、膝上电脑、笔记本电脑等便携式或移动设备大量应用， 用户希望在日常生活和商务环境中使用这些设备方便地上网。现在多种网络技 术正在逐步融合，p 协议将成为统一的网络平台，但原来m 协议对网络节点的 移动性支持不够。大量移动设备的用户希望在移动过程中保持i n t e r n e t 接入和连 续通信，获得如固定接入一样的网络服务质量。这种潜在的巨大的商业需求给 i n t e r n e t 带来了新的机遇，也带来了新的技术难题。移动i p 就是在原来口协议 的基础上为了支持节点移动而提出的解决方案i z 。 2 1 移动lp 的概述 2 1 。1 移动i p 的产生 在i n t e m e t 上，每个主机分配有唯一的i p 地纰或动态的i p 地址。由于i n t e m e t 是基于网络前缀的路由，口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。当移动主机在不同网络间移动时，它的i p 地址己经不能表示其物 理网络地址，发送移动主机的口分组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。为了实现移动主机接入i n t e m e t ，曾经 提出下面的几种方案： 5 武汉理工大学硕士学位论文 第一种方案，在移动节点每次变换位置时，改变其球地址。这种方法对上 层协议不能提供移动的透明性，不能保持通信的连续性，特别当移动节点在两 个子网间漫游时，由于其口地址不断变化，将导致移动节点无法与其他用户通 信。 第二种方案，根据特定主机地址进行路由选择。这种方法将大量浪费路由 器的有限资源，对每个数据分组选路时，路由器都要搜索大量的主机地址入口， 系统的可扩展性蓑，不能满足大规模网络互联的要求 第三种方案，在链路层使用蜂窝数字分组数据等标准。蜂窝数字分组数据 标准提供l l k b s 的传输速率且支持多种协议，但它需要新的网络基础设施和大 量管理维护费用，无法与现存的互联网兼容，因此也不是合适的解决方案。 以上这些方案都存在问题，因此必须寻找一种新的机制，解决主机能够在 不同网络间的自由移动问题。为此，i n t e m e t s 程任务组i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) 下属的移动i pi 作组( i pr o u t i n gf o rw i r l e s s m o b i l eh o s t s ) 在1 9 9 2 年制 定了移动口的最初标准草案，主要包括下面的主要r f c 文档： ( 1 ) r f c 2 0 0 2 ：定义了移动i p 协议： ( 2 ) r f c 2 0 0 3 ，2 0 0 4 和1 7 0 1 ：定义了移动i p 中用到的三种隧道技术； ( 3 ) r f c 2 0 0 5 ：定义移动口的应用； ( 4 ) r f c 2 0 0 6 ：定义移动口的管理信息库m i b ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n b a s e ) 。 移动m 的m i b 库是实现移动i p 节点的变量集合，管理平台通过简单网络 管理协议s n m p v 2 ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 对这黛变量检查和配 置。 i n t e m e t 工程小组i e s g ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gs t e e r i n gg r o u p ) 在1 9 9 6 年6 月通 过移动m 标准草案，在1 9 9 6 年1 1 月公布了建议标准( p r o p o s e ds t a n d a r d ) ，为移 动口成为i n t e m e t 正式标准打下了纂础，对移动口的发展起了关键性的作用。 2 1 2 移动i p 解决的问题 移动i p 在当前i n t e m e t 基于网络前缀路由前提下，使得移动主机在不同网 络间不断移动过程中仍能保持通信，是一个在i n t e m e t 上基于网络层提供移动支 持功能的解决方案。它主要解决： ( 1 ) 移动主机可以通过一个永久的口地址连接到任何链路上； 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 移动主机在切换到新的链路上时，仍能够保持正在进行的通信； 与改变m 地址、特定主机路由和链路层方案不同，移动i p 具有扩展性、可 靠性和安全性。它与下层的物理传输介质无关，不需要改变移动主机的永久标 识，与现有的i n t e r n e t 协议兼容，能够与不具有移动i p 功能的主机进行正常通 信。 2 1 3 移动i p 的应用 在i n t e r a c t 网络协议中，网络层协议负责将网络数据正确转发到相应的目的 地址，其主要部分就是路由协议。路由协议通过路由器之间交换路由信息，建 立用于转发分组的路由表，路由表根据接收分组的目的m 地址查找路由表，转 发分组到相应的端e l 。移动m 是网络层的支持主机移动的解决方案，目的是把 数据分组发送到可能不断改变接入位置的移动主机，通过在合适的节点上建立 路由表项，实现转发数据分组到在外地链路上的移动主机。因此，采用移动i p 功能的移动主机可以从一个网段移动到另一个网段，甚至从一种介质的网络移 动到另一种介质的网络而保持已有连接的通信，这种在不同网络和介质问移动 同时保持己有通信的功能是移动口的重要标志。 作为网络层的一个协议，移动m 协议与下层数据链路层无关，也与物理传 输介质无关。移动职是支持主机移动的i p 分组转发的网络层标准，对t c p 层 及上层协议的改进不属于移动m 的研究范围。 2 1 4 移动i p 的设计要求和目标 移动口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m 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肼功能的节点能够进行正常的通信。具体来说，移动i p 协议的设计应该满足如下的要求： ( 1 ) 移动节点在改变数据链路层的接入点后应仍能与因特网上的其他节点通 信。 ( 2 ) 无论移动节点连接哪个数据链路层接入点，它应仍能用原来的i p 地址进 行通信。 ( 3 ) 移动节点应能与不具备移动i p 功能的计算机通信。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 移动节点不应比因特网上的其它节点面临新的或更多的安全威胁。 另外，由于移动节点通常通过无线链路连接到i n t e r n e t 上，无线链路具有低 带宽、高误码率的特点，长消息容易出错，以及移动节点通常由能量少的电池 供电，减少通信中的能量消耗非常重要。因此，设计移动坤时要考虑移动节点 接入时发送的管理消息数据应该尽量少，消息的长度也应该尽量短。 2 2 移动lp 的基本概念 2 2 1 移动l p 的功能实体 移动m 定义了三种功能实体：移动主机、家乡代理和外地代理。”。家 乡代理和外地代理统称为移动代理( 图2 1 ) 。 访问外地链路的移动节点 家乡链路上的移动节唐 井地代理 图2 - 1 移动i p 功能实体和关系 移动节点( m o b i l en o d e ，m n ) 是指一个装有支持漫游功能软件的蜂窝式电 话、p d a 或主机。当它在切换链路时可以不改变i p 地址而仍能保持正在进行 的通信；家乡代理( h o m ea g e n t ，h a ) 是指一个连接到移动节点本地链路的主 机或路由器，它保存有移动节点的位置信息，当移动节点离开本地网络时家乡 代理能够将发往移动节点的数据包转发给移动节点；外地代理( f o r e i g na g e n t 。 武汉理工大学硕士学位论文 f a ) 是指移动节点当前所在的外地链路上的一个主机或路由器，它能够把由本 地代理送来的数据包转发给移动节点。 除了如上三个功能实体外移动口还定义了如下名词”1 ： 1 家乡链路( h o m en e t w o r k ，h n ) ：该链路上的网络前缀与移动节点家乡 地址的网络前缀相同； 2 。外地链路( f o r e i g nn e t w o r k , f n ) ：非移动节点家乡链路的网络链路。 移动节点拥有两个腰地址，一个为家乡地址，是指“永久”分配给移动节 点的地址，当移动节点切换链路时，家乡地址并不改变。家乡地址的网络部分 代表了移动节点所在的家乡链路。另一个地址称为转交地址( c a r c o f a d d r e s s ) ， 它是移动节点在外地链路上时由外地代理分配的临时m 地址，该地址标示了移 动节点当前的物理连接位置。转交地址可以是外地代理的m 地址称为外地代理 转交地址( f o r e i g na g e n tc a r e o f a d d r e s s ) ，也可以是暂时分配给移动节点某个 端口的i p 地址称为配置转交地址( c o l l o c a t e dc a r e o f a d d r e s s ) 。 2 2 2 移动l p 的工作原理 移动i p 工作过程主要有如下三个阶段啪1 ： 1 代理发现( a g e n td i s c o v e r y ) ：移动节点发现它的外地代理和家乡代理。 2 注册( r e g i s t r a t i o n ) ：移动节点向代理注册它的当前位置。 3 隧道( t u n n e l i n g ) ：当移动节点漫游到外地链路时，家乡代理和转交地 址( 移动节点在外地链路上的当前位置) 之间建立双向隧道用来路由数据包。 每个移动节点在“家乡链路”上有唯一的“家乡地址”。与移动节点通信 的节点被称为“通信对端”，通信对端可以是移动的，也可以是静止的。通信 对端与移动节点通信时，通信对端总是把数据包发送到移动节点的家乡地址， 而不考虑移动节点当前的位最情况。在家乡链路上每个移动节点必须有一个“家 乡代理”来维护自己当前的位置信息，这个位置由“转交地址”来确定。移动 节点家乡地址与它当前转交地址的联合称为“移动绑定”，或简称为“绑定”。 每当一个移动节点得到一个新的转交地址时，它必须生成一个新的绑定来向家 乡代理注册，以使家乡代理及时了解移动节点当前的位置信息。一个家乡代理 可以同时为多个移动节点提供服务。 当一个移动节点连接到家乡链路之外的“外地链路”时，可以通过下述两 种方法来获得转交地址。通常情况下移动节点使用“代理发现”协议在外地链 9 武汉理工大学硕士学位论文 路上发现一个“外地代理”，然后移动节点向这个外地代理进行注册，并使用 此外地代理的口地址作为自己的转交地址。外地代理的主要功能是为这个移动 节点转发数据包。另外移动节点也可以通过其他方法( 如d h c p ) 在外地链路上 获得一个临时m 地址来作为自己的转交地址，在这种情况下移动主机可以作为 自己的外地代理。当移动主机离开家乡链路时，它的家乡代理把发往移动主机 的所有数据包转发到移动主机的当前位置。家乡代理可以使用“代理a r p ”或 其他有效方法在家乡链路上截获发往移动主机的数据包。对于每个截获的数据 包，家乡代理使用隧道技术把它们发送到移动主机的当前转交地址。如果转交 地址是外地代理的口地址，那么这个外地代理是隧道的终端，此时外地代理从 数据包中移走隧道报头，并把剩余部分发送到移动主机。如果移动主机使用一 个临时地址作为转交地址，那么数据包将直接通过隧道传送到移动主机( 图2 2 ) 。 2 2 3 移动i p 漫游 通信节点 图2 - 2 移动砰数据包转发 移动i p 提供了网络节点移动的透明性，即通信对端不需要知道移动节点的 当| j i 位置，它只是向移动节点的家乡地址发送数据包。同时移动节点也不需要 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 了解目前所在位置与i p 地址的对应关系。 移动m 的家乡代理和外地代理都会周期性的发送代理广播消息( a g e n t a d v e r t i s e m e n t ) ，使得该链路上的移动节点可以判定链路上是否有代理存在。如 果有，则判定它们的标识和功能是什么。移动到一个新的外地链路上的移动节 点也可以主动发送代理请求消息( a g e n ts o l i c i t a t i o n ) ，促使链路上的所有代理 都发送一个代理广播消息通报有关代理的信息。移动节点通过这些代理的广播 消息可以判断自己是在家乡链路还是在外地链路。当它在家乡链路上时，移动 节点就可以像固定节点一样工作，不再需要移动m 的其它功能。同时移动节点 还可以通过这些代理广播消息确认自己是否从一个链路移动到了另一个链路 ( 图2 3 ) 。 图2 3 移动节点漫游 2 2 4 移动i p 数据传送 移动节 点的地 址没有 改变 移动节点的通信对端向移动节点发送的数据包首先被路由到移动节点的家 乡网络，家乡网络中的家乡代理截获此数据包，通过查找注册信息找到移动节 点的当前转交地址，家乡代理通过隧道技术将数据包封装后发往移动节点的转 交地址，拥有转交地址的实体将数据包解封，然后交给移动节点。 在外地链路中的移动节点一般选择外地代理为默认的路由器，移动节点将 需要发送的数据报文赢接交给外地代理，由外地代理负责将数据包路由到相应 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 的目的地。 从上可以看出在移动i p 路由过程中外地代理和家乡代理扮演了主要的角 色。同时移动节点家乡代理和外地代理间的通信也是非常重要的。”。 2 2 5 移动i p 路由方案 传统的m 选路机制适用于固定主机的路由管理，而移动节点的路由是一种 动态路由，因此，移动i p 网络中的移动性管理必须具备对移动节点动态的管理 机制。为此先后提出了三种解决方案：特定主机路由技术、源路由技术和隧道 技术，来解决移动节点的移动性问题。 特定主机路由技术是相对于现有的m 网络中的网络前缀路由而言的，它在 路由器中为每一个主机建立一个路由表项，根据每一个特定主机的口地址对数 据包进行选路。如果移动口使用特定主机路由技术解决移动节点的移动性，至 少要在移动节点的家乡网络到移动节点拜访的外地网络之间所有的路由器上建 立特定主机路由。使用特定主机路由的突出缺点就是需要发送大量的路由信息。 特定主机路由的数量取决于移动节点的家乡链路到移动节点访问的外地链路之 问路由器的数目，这些路由器的数量通常可以达到数西个。因而每一个移动节 点在移动位置后至少要向数百个节点发送特定主机路由。而且，移动节点往往 需要经常改变其接入因特网的位置，同时切换链路以后必须要发送路由更新消 息。在最坏的情况下，每一次改变链路，移动节点原先路径上的特定主机路由 都将被改变。如果链路的切换很频繁，因特网带宽将被这些路由更新信息消耗 掉。而使用隧道技术则只需改变隧道入口和隧道出口这两个路由器中的路由表 项就可以了，因而远远少于特定主机路由下的路由信息。当移动节点的接入位 景发生变化时同样只要更新这两个节点上的路由信息就可以了，而不用对移动 节点的家乡链路到拜访的外地链路之间所有路由器都发送路由更新消息，从而 有效地减少了因特网上的路由更新消息的数量。 源路由技术使用了在m 头中定义的一个可选项：l o o s es o u r c ea n dr e c o r d r o u t e 。这个可选项中列出了一个或者多个中间目的地址，要求数据包在到达最 终目的地址之前必须经过这些中间地址。移动节点要发送一个数据包给通信对 端时需要在数据包的l o o s es o u r c ea n dr e c o r dr o u t e 中加入自己目前所连接的外 地网络的路由器的地址，接收方接收到该数据包后将l o o s es o u r c ea n dr e c o r d r o u t e 选项中的中间地址取出，并按照其相反的方向将数据包按照移动节点选定 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 的路由送往移动节点。使用源路由技术时i p 数据包需要因特网上所有路由器都 进行额外的处理，即每一台转发数据包的路由器都要判断自己的口地址是不是 该数据包的一个中间地址，然后进行相应的处理。实践表明，处理经过的数据 包相对于转发而言速度上相差一个数量级，这样的性能恶化是不能忍受的，而 且出于安全性的考虑防火墙可能会拒绝使用i p 源路由选项的数据包。 隧道是将一个数据包封装在另一个数据包的净荷中进行传送时所经过的路 径。采用隧道技术将发送给移动节点的数据包封装后转发到一个中间节点，然 后由此中间节点解封后再将恢复出来的原始数据包转发到移动节点。在一个隧 道中涉及到两个实体：封装节点和解封节点，通常将封装节点称为隧道的入口， 解封节点称为隧道的出口。在移动m 中隧道的入口是移动节点的家乡代理，出 口是移动节点的转交地址。任何一个节点只要知道移动节点的家乡地址就可以 和它建立通信连接。移动节点更换了位置以后只要通过注册机制将移动节点的 转交地址通知家乡代理，家乡代理就可以通过隧道将发送给移动节点的数据包 转发到移动节点的转交地址，进而转发到移动节点。 2 3 移动ip v 6 协议 2 3 1i p v 6 协议 网际互连协议( i p ：i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) ，作为全球最大的互连网络 i n t e r n e t 的核心协议，提供了网络互连的工业标准。它屏蔽了异种网络的实现 细节，允许计算机独立于物理网络连接进行通信。正是由于i p 技术的简洁、高 效和容易实现，才使得异种计算机网络和异种操作系统的数据互通和资源共享 成为可能。 当前的i p 协议( i p v 4 ) ，是在1 9 8 1 年由r f c 7 9 1 标准化的。尽管它现在已非 常成熟，取得了巨大的成功，但是随着用户数量的增加，网络带宽的成倍增长， 新的应用需求的出现，己经暴露出其当初设计不足的地方，逐渐显出过时的征 兆。i p v 4 面l 临的两个最大的问题是地址资源耗尽和骨干路由器路由表爆炸，这 两个问题是i p v 4 本身存在的缺陷，只有对其进行较大的修改才能解决。另一方 面，新的应用及其发展对i p 协议提出了新的要求，比如当| j 非常关注的两个问 题：移动i p 和i p 安全性。实际上，从2 0 世纪9 0 年代初以来，国际上己经开始 讨论下一代的i p 协议体系了经过多年的讨论，各种方案的比较权衡，下一代 武汉理工大学硕士学位论文 的i p 协议体系目前己经基本制定完成，并分配了版本号6 ，称为i p v 6 。 i p v 6 对i p v 4 所作的主要改进有： ， ( 1 ) 将i p 地址从3 2 位增加到1 2 8 位。 ( 2 ) 通过增加一个作用域字段而改进了多点播送地址。 ( 3 ) 新的选播( a n y c a s t ) i p 地址类型用于向组内任何成员发送包，通常是最 近的组成员。 ( 4 ) 用可选的扩展首部替代i p v 4 首部中的选项字段。 ( 5 ) 增加的路由报头提供了对移动通信的完善支持。 ( 6 ) 去掉了首部校验和字段。 ( 7 ) 去掉了所有分片处理所用的字段，仅执行端到端的分片。 ( 8 ) 增强的地址自动配置功能。 ( 9 ) 新的流标号字段可用来标识特定的用户数据流或通信量类型 ( 1 0 ) 扩展了对认证、数据一致性和( 可选的) 数据保密的支持 2 3 2 移动l p v 6 基本原理 1 功能实体 移动i p v 6 与移动i p v 4 相比，取消了外地代理( f a ) ，因此它只有三个功能 实体。 ( 1 ) 移动节点( m o b il en o d e m n ) 是可以将接入因特网的位置从一条链路切换到另一条链路上，而仍然保持 所有正在进行的通信，并且只使用它的家乡地址( h o m ea d d r e s s ) 的那些节点。 ( 2 ) 家乡代理( h o m ea g e n ，h a ) 是有一个接口与移动节点家乡链路相连的路由器。当移动切换链路时，它 会在家乡代理处注册它现在的转交地址，而且家乡代理会拦截发送到移动节点 家乡地址的数据包，并将这些包通过隧道技术传送到移动节点注册的转交地址 上。 (