（通信与信息系统专业论文）wlan中快速切换机制的研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着移动通信技术的发展，无线局域网( w l a n ) 凭借其自身的优越性而取 得了快速发展。同时，用户对网络的要求也呈现上升趋势，主要表现在网络对 移动性的支持和业务的多样化，特别是v o i p 等实时业务的出现，给现有网络 带来了严峻的挑战。如何满足用户在移动环境下对服务质量的要求是必须解决 的首要问题。本文主要研究w l a n 中快速切换机制，降低移动切换过程中的时 延及丢包率，满足v o i p 等业务对切换时延和丢包率的要求，具有非常重要的 现实意义。 本文首先对研究背景及研究意义进行简要介绍，然后在分析无线局域网技 术、移动i p v 6 ( m i p v 6 ) 、快速移动i p v 6 ( f m i p v 6 ) 等技术的基础上，讨论了 w l a n 中快速切换机制的研究现状及研究意义。本文首先从如何降低二层扫描 时延和丢包率的基础上出发，提出了基于快速傅立叶变换( f 兀) 的信号强度衰 减检测算法和基于网络拓扑结构的选择性a p 同步扫描算法的二层切换机制。 本文进一步研究分析了影响三层切换时延的因素，提出了三层切换预测算法和 无缝移动检测算法，将三层移动检测时延降低为零；同时，提出了家乡代理( h a ) 双路转发算法和目标路由器缓存算法，降低了三层切换中的丢包率。最后，利 用相关的软、硬件设备，搭建真实的网络环境，对本文所提出的算法进行了实 验验证。 本文分别从二层和三层的角度出发，对如何降低w l a n 中水平切换时延进 行了有意义的探索研究，降低了移动切换时延，取得了一定的成果；并通过搭 建实验环境，构建系统，对本文提出的算法进行了验证，对实际应用具有一定 的参考价值。 关键词：w l a n ：水平切换；m i p v 6 ；同步扫描；双路转发；目标路由器缓存 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td 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 , w i r e l e s sl o c a l a e r an e t w o r k ( w t a r , 9h a sa c h i e v e ds i g n i f i c a n tp r o g r e s sb a c a u s eo fi t sa d a v a n t a g e s ， s u c ha sh i 曲t r a n s m i s s i o ns p e e d ，l o wd e p l o y m e n tc o s t ，a n ds oo n h o w e v e r t h e r e q u i r e m e n t sb yu s e r sf o rt h es u p p o r to fm o v e m e n t o ft h en e t w o r ka n dt h e d i v e r s i f i c a t i o no fs e r v i c e s ，a n ds oo n ，a r en o w d a y sm u c hh i g h e rt h a ne v e rb e f o r e a m o n ga l l t h e s ec h a l l e n g e s ，h o wt o g u a r a n t e e t h e q u a l i t yo fs e r v i c e ( o o s ) r e q u i r e m e n tb yt h es e r v i c e sl i k ev o i pd u r i n gt h em o v e m e n to fm o b i l en o d e s ( m n s ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti s s u e s i nt h i sp a p e r ，o u rr e s e a r c hf o c u si sm a i n l yo nt h e f a s th a n d o f fm e c h a n i s mi nw l a n sa i m i n ga tr e d u c i n gt h eh a n d o f fd e l a ya n dt h e p r o b a b i l i t yo fp a c k e tl o s sd u r i n gt h eh a n d o f fp r o c e s s t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e sb r i e f l yt h eb a c k g r o u n da n dm o t i v a t i o n s ，a n dt h e n s o m ef u n d a m e n t a la b o u tt h e m i p v 6a n df m i p v 6i nt h ee x i s t i n gw l a n t e c h n o l o g y i t i ss h o w n tt h a tt h es c a nd e l a yt a k e sa r o u n d9 0 o ft h el a y e ri ih a n d o f fd e l a yi nt h e h o r i z o n t a lh a n d o f fm e c h a n i s mi nw l a n s i no r d e rt or e d u c et h es c a nd e l a ya n dt h e r a t i oo fp a c k e tl o s sd u r i n gt h el a y e ri ih a n d o f fp r o c e s s ，al a y e ri ih a n d o f fm e c h a n i s m b a s e do nf f rt e c h n i q u ea n dt h es e l e c t i v ea ps y n c h r o n o u ss c a nm e c h a n i s mb a s e do n t h en e t w o r kt o p o l o g ya r ep r o p o s e di nc h a p t e r3 i nc h a p t e r4 ，t h el a y e ri i ih a n d o f f m e c h a n i s mb a s e d0 1 1t h ep r e d i c t i o nm e c h a n i s m ( p l e a s er e v i s ea c c o r d i n g l yh e r e r ) i s p r o p o s e dt oi m p r o v et h el a y e ri i ih a n d o f fe f f i c i e n c y i ti sv a l i d a t e dt h a t ，b o t ht h e t w o r o u t e r sr e t r a n s m i t t i n gm e c h a n i s mo nh o m ea g e n t ( h a ) a n dt h et a r g e tr o u t e r c a c h ea l g o r i t h mo nt h et a r g e tr o u t e ra r eh e l p f u lf o rr e d u c i n gp a c k e tl o s sd u r i n gt h e l a y e ri i ih a n d o f fp r o c e s s i nc h a p t e r5 ，ar e a lt e s te x p e r i m e n t a ln e t w o r kp l a t f o r mi s d e v e l o p e dt oi n c l u d ea n dv a l i d a t eo nac o m p a r a b l eb a s i sa l lt h ep r o p o s e dt e c h n i q u e f o rt h ef a s th o r i z o n t a lh a n d o f fp r o b l e mi nw l a n s i nt h i sp a p e r , s o m eu s e f u lt e c h n i q u e sa r ed e v e l o p e dt or e d u c ee i t h e rt h el a y e ri i t h eh a n d o f fd e l a yo rt h el a y e ri i ih a n d o f fd e l a yi ni nw l a n s b o t ht h es i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t a lt e s tv a l i d a t et h ea p p l i c a b i l i t yo ft h o s ep r o p o s e dt e c h n i q u e s a l lt h e p r o p o s e da l g o r i t h m so f f e r ag o o dr e f e r e n c ef o rb o t ht h e i n v e s t i g a t i o na n d t h e i m p l e m e n t a t i o n so ft h eh o r i z o n t a lh a n d o f fi nw l a n s k e yw o r d s ：w l a n ，h o r i z o n t a lh a n d o f f , m i p v 6 ，s y n c h r o n o u ss c a n ，t w o - r o u t e r e t r a n s m i t ，t a r g e tr o u t e rc a c h e 西南交通大学曲南父通大宇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打? ) 学位论文作者签名：o 腾哆 日期：加 i6 i 指导老师签名：啦汰慕 日期：撕8 一s i b 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 论文在基于f f t 的信号强度衰减检测算法的基础上，粗略估计了m n 的 移动速度，并将该算法用在了抑制移动切换过程中的乒乓效应之上，取得了良好 的效果。 2 、论文在i e e e8 0 2 1 1 协议规定的p s m 的基础上，提出了一种伪节能模式， 实现了同步扫描算法，将二层扫描时延降低为零；论文同时提出了基于网络拓扑 结构的选择性a p 搜索算法，减少了二层切换过程中的信道扫描数。 3 、论文的三层切换预测机制为本文的提出的三层切换机制提供了前提。在 此基础上提出了一种无缝移动检测技术，将三层移动检测时延降低为零；论文同 时提出了h a 的多路转发机制及目标路由器缓存机制，将移动切换过程中的丢包 率降低为零。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 目前，人们对未来网络的组成达成了一种共识：下一代网络( n e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k ，n g n ) 是一个多种接入方式融合的基于全m 体系架构的网络。通过移 动和无线通信系统接入i n t e m e t 的方式可分为两大类，一类是基于蜂窝的接入技 术，如c d m a ，g p r s ，e d g e 等；另一类是基于局域网的技术，如i e e e 8 0 2 1 1 w l a n ，b l u e t o o t h ，h o m e r f 等。近年来，无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ，w l a n ) 作为下一代网络的重要组成部分之一，凭借其高带宽、安装 便捷、经济节约、使用灵活和容易扩展等优势，发展十分迅速。在最近几年里， w l a n 已经在医院、商店、工厂、机场和学校等不适合网络布线的场合得到了 广泛的应用。 无线局域网w l a n 是2 0 世纪9 0 年代计算机与无线通信技术相结合的产物， 它使用无线信道来接入网络，为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了潜 在的手段，并成为宽带接入的有效手段之一。无线局域网w l a n 利用射频( r f ) 技术，取代旧式的双绞铜线构成局域网络，提供传统有线局域网的所有功能， 网络所需的基础设施不需再埋在地下或隐藏在墙里，也能够随需移动或变化。 无线局域网络能利用简单的构架让用户透过它，达到“信息随身化、便利走天 下 的理想境界。 无线局域网的应用范围非常广泛，如果其应用划分为室内和室外的话，室内 应用包括大型办公室、车间、智能仓库、临时办公室、会议室、证券市场：室外 应用包括城市建筑群间通信、学校校园网络、工矿企业厂区自动化控制与管理 网络、银行金融证券城区网、矿山、水利、油田、港口、码头、江河湖坝区、 野外勘测实验、军事流动网、公安流动网等。在无线局域网用户和运营商的双 重推动下，w l a n 网络的应用将会成为未来的主流网络应用技术方案。 1 2 研究目标及意义 在无线局域网中，由于受无线接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 发射功率的限制， 其覆盖范围较小。通常情况下，在室外环境下，a p 的覆盖半径为3 0 0 m ；而在 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 室内环境下，其覆盖范围更小，覆盖半径大约为1 0 0 m 左右。当移动节点( m o b i l e n o d e ，m n ) 由于其自身的位置变化而超出网络的覆盖范围时，i p 数据包将无 法到达移动节点，从而导致正在运行的业务被中断，只有当移动节点重新进入 另外一个新的子网，并与新网络取得链接之后，才能进行正常的通信。我们称 此过程为移动切换过程，相应的技术称为移动切换技术。 为此，正t f 制定了扩展i p 网络移动性的系列标准。所谓移动i p ，就是指在口 网络上的多个子网内均可使用同一i p 地址的技术。这种技术是通过使用被称为 本地代t 里( h o m ea g e n t ，h a ) 和外地代j 望( f o r e i g na g e n t ，f a ) 的特殊路由器对网 络终端所处位置的网络进行管理来实现的。在移动i p 系统中，可保证用户的移 动终端始终使用固定的i p 地址进行网络通信，不管在怎样的移动过程中皆可建 立t c p 连接而不会发生中断。在无线局域网系统中，广泛的应用移动i p 技术可以 突破网络的地域范围限制，并可克服在跨网段时使用动态主机配置协议( d h c p ) 方式所造成的通信中断、权限变化等问题。 为了减小移动切换所产生的通信中断时间，在移动口的基础上，主要提出 了一下几种切换方法：层次型移动i p 是针对移动i p v 4 和移动i p v 6 提出的一种支持 微移动的方案。它通过采用层次型路由结构，减小移动节点与家乡代理的消息 交互，减少切换引起的通信中断时间。快速切换和平滑切换都是针对移动i p v 6 协议提出的切换方法。快速切换采用预先切换和基于隧道的切换两种机制，减 少通信终端时间。平滑切换是在切换过程中，分析关于移动节点的状态信息转 移问题，使得切换尽量平滑。但是，以上方案或者切换时延较大，不能满足v o i p 等实时业务对时延的要求；或者方案复杂，对现有的网络改动较大，可行性差。 为此，本论文的研究目标是分析和研究w l a n 网络中的现有切换机制，并试图 在尽可能小的改变现有网络基础结构的基础上，优化切换方案，减小切换时延， 降低切换过程中的丢包率，满足v o i p 等实时业务对切换时延的要求，提高w l a n 网络中的切换性能，满足移动用户对切换时延的需求 1 1 1 。 1 3 本文的内容结构 本文围绕w l a n 网络中的水平切换技术展开分析研究，在研究过程中，采 用了理论分析跟实际相结合的方法，在理论和实践方面验证方案的正确性和可 行性。论文总共分为六章，结构安排如下： 第2 章介绍了无线局域网标准、技术的发展，无线局域网的基本原理和应 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 用，以及移动i p v 6 和快速移动i p v 6 技术。 ， 第3 章在分析了w l a n 网络中水平切换中的二层切换技术之后，采用基于 h 叮的信号强度衰减检测、动态选择扫描信道和伪节能模式等技术，降低二层 切换时延，并在l i n u x 系统下，通过修改网卡驱动进行了验证。 第4 章详细分析了w l a n 网络中水平切换中的三层切换技术，对各部分所 导致的切换时延进行了定量分析。通过预发b u ( b i n d i n gu p d a t e ) 、多重绑定和 路由器数据缓存等技术，降低切换时延和丢包率。并在l i n u x 系统下搭建系统， 验证了该方案的正确性和可行性。 第5 章将第3 章和第4 章中所涉及的二、三层优化方案进行合并，搭建 w l a n 快速水平移动管理系统，完成了w l a n 网络中整个水平切换过程，进行 了测试和验证，并与其它方案进行了比较。 第6 章对全文内容进行总结，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题， 并展望了该领域的研究发展趋势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章无线局域网技术介绍 近年来，随着无线局域网标准、技术和移动i p v 6 协议的不断发展，支持移 动i p v 6 标准的无线局域网产品也逐渐成熟起来，无线局域网已经取得了业界及 公众的广泛关注，无线局域网的应用也逐渐发展起来，并被认为是下一代网络 不可缺少的重要组成部分。相对于蓝牙等无线技术，无线局域网以其独特的优 势，成为当前无线领域中一个引入关注的热点。 同时，电信运营商对无线局域网给予了极大的关注，许多电信运营商开始投 资建设无线局域网，提供公众接入服务。国外的有英国b t 、美国v o i c e s t r e a m 、 西班牙t e l e f o n i c a 、韩国电信等等；国内中国移动、中国网通和中国电信等运营 商已经或即将建设无线局域网。电信运营商的参与使得无线局域网的发展进一 步加快。 2 1 基本缩略词 为了叙述方便，本节介绍全文所使用的基本缩略语( 见表2 1 ) 。 表2 1 基本缩略词 b s s基本服务基( a c c e s sp o i n t ) e s s扩展服务基 姆无线访问点( a c c e s sp o i n t ) a r访问路由器( a c c e s sr o u t e r ) b a 绑定确认( b i n d i n ga c k n o w l e d g m e n t ) b e尽力而为服务( b e s te f f o r ts e r v i c e ) b s基站( b a s es t a t i o n ) b u 绑定更新( b i n d i n gu p d a t e ) c n 通信对端节点( c o r r e s p o n d e n tn o d e ) c o a转交地址( c a r eo f a d d r e s s ) d a d 重复地址检测( d u p l i c a t ea d d r e s sd e t e c t i o n ) f ：f 气 外地代理( f o r e i g na g e n t ) 丌p文件传输协议( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 w l a n无线局域网( w i r e l e s sl o c a l a e r an e t w o r k ) n g n 下一代网络( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) g p r s 通用无线分组业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) h a 家乡代理( h o m e a g e n t ) h o a 家乡地址( h o m e a d d r e s s ) ! t f 互联网工程任务组( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) l c o a 链路转交地址( l i n kc a r eo f a d d r e s s ) m a p 移动锚点( m o b i l ea n c h o rp o i n t ) m n移动节点( m o b i l en o d e ) n a r新访问路由器( n e wa c c e s sr o u t e r ) p a r原访问路由器( p r e v i o u sa c c e s sr o u t e r ) p c o a前转交地址( p r e v i o u sc a r eo fa d d r e s s ) 2 2 无线局域网标准及组成 2 2 1 无线局域网标准 随着无线通信技术的发展和对无线局域网通信速率要求的不断提高，无线局 域网标准也在不断发展，总的趋势是数据速率越来越高、安全性越来越好、服 务质量越来越有保证。而从无线局域网标准的支持者及被采用的地域范围来看， 无线局域网大致可以分为三个阵营：i e e e 的8 0 2 1 1 系列标准、欧洲的 h i p e r l a n l h i p e r l a n 2 和日本的m m a c 系列标准【1 】。 2 2 1 1 无线局域网标准 8 0 2 1 1 协议族是i e e e ( 电气和电子工程师协会) 工作组制定的无线局域网 规范。所有的8 0 2 1 1 规范利用以太网协议和载波监听多址访问冲突避免 ( c s m c a ) 协议来实现多路共享。在8 0 2 1 1 系列标准中，涉及物理层的有4 个标准：8 0 2 1 1 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 i b 和8 0 2 1 l g 。 i e e e8 0 2 1 1 标准是i e e e 于1 9 9 7 年推出的，它工作在2 4 g h z 频段之上。 在物理层8 0 2 1 1 标准采用红外、d s s s ( 直接序列扩频) 或者是f s s s ( 调频扩 频) 技术，其共享的数据速率最高可达到2 m b p s 。8 0 2 1 1 标准主要用于解决办 公室局域网和校园网中用户终端的无线接入问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 9 9 9 年9 月i e e e8 0 2 1 l b 被正式批准，它是在i e e e8 0 2 1 1 的基础上的进 一步扩展，采用直接序列扩频( d s s s ) 技术和补偿编码键控( c c k ) 调制方式，其 物理层分为p l c p 和p m d 子层。p l c p 是专为写入m a c 子层而准备的一个通 用接口，并且提供载波监听和无干扰信道的评估；p m d 子层则承担无线编码的 任务。i e e e8 0 2 1 l b 实行动态传输速率，允许数据速率根据噪音状况在1m b s 、 2m b s 、5 5m b s 、1 1m b s 等多种速率下自行调整。 i e e e8 0 2 1 1 a 也是i e e e8 0 2 1 1 标准的补充，采用正交频分复用( o f d m ) 的 独特扩频技术和q f s k 调制方式，大大提高了传输速率和整体信号质量。i e e e 8 0 2 1 1 a 和i e e e8 0 2 1 l b 都采用c s m a c a 协议，但物理层有很大的不同，8 0 2 1 l b 工作在2 4 0 00 - 2 4 8 35g h z 频段，而8 0 2 1 l a 工作在5 1 5 5 8 2 5g h z 频段， 数据传输速率可达到5 4m b s 。 2 0 0 1 年1 1 月，i e e e8 0 2 实验性地批准一种新技术8 0 2 1 l g 。它是一种混合 标准，有两种调制方式：8 0 2 1 1 b 中采用的c c k 和8 0 2 1 l a 中采用的o f d m 。 因此，它既可以在2 4g h z 频段提供1 1m b s 数据传输速率，也可以在5g h z 频段提供5 4m b s 数据传输速率。 除上述几种标准之外，到目前为止，i e e e 还颁布了8 0 2 1 l e 、8 0 2 1 l f 和 8 0 2 1 1 i 。其中，8 0 2 1 l e 是无线通用标准，主要解决企业、家庭和公共场所之间 的互通问题，并且该标准是向后兼容的；8 0 2 1 l f 定义了一套称之为i a p p ( i n t e r - a c c e s sp o i n tp r o t o c 0 1 ) 的协议，实现了不同厂商接入点之间的互操作性； 8 0 2 1 1 i 标准使无线局域网的安全性得以增强。 2 2 1 2h i p e r l a n l h i p e r l a n l 标准 在i e e e 制定8 0 2 1 1 系列标准的同时，欧洲的e t s i ( 欧洲通用标准学会) 则在大力推广h i p e r l a n 2 h i p e r l a n 2 标准。h i p e r l a n ( h i g hp e r f o r m a n c e e u r o p e a nr a d i ol a n ，高性能欧洲无线，是由e t s i ( e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ，欧洲电信标准化协会) 的r e s i o 小组开 发的，是高速w l a n 的泛欧标准。标准h i p e r l a n 与8 0 2 1 1 相似，覆盖了物理 层和m a c 层。通过在5 g h z 频段内使用传统的无线调制技术，提供2 - 2 5 m b p s 的数据传输速率【1 】。 2 2 1 3m m a c 标准 日本的多媒体移动接入通信促进委员会( m u l t i m e d i am o b i l ea c c e s s 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 c o m m u n i c a t i o np r o m o t i o nc o u n c i l ) 一直致力于w l a n 技术的研究和标准制订 工作。相继制订了h i s w a n a 和h i s w a n b 标准。其中，h i s w a n a 工作与5 g h z 频段之上，h i s w a n b 工作于2 5 2 7 g h z 频段上，支持数据速率为6 - 5 4 m b p s ，采 用o f d m 调制、t d m a 多址和t d d 双工方式。 无线局域网技术仍然在进一步发展，从目前的发展趋势和用户的需求分析来 看，无线局域网技术的研究方向为：一是更高速率、更高频段，解决用户对带 宽和速率要求的日益增长和目前的网络状况不能满足用户需求之间的矛盾；二 是无线局域网与3 g 乃至4 g 蜂窝移动通信网络的融合与互通，提高移动用户在 网内不同子网之间及不同网间的切换性能。 2 2 2 无线局域网的组成 8 0 2 1 1 网络包含4 个主要的物理元件：移动终端、接入点、无线媒体和分布 系统，网络结构如图2 - 1 所示。 鲫瓣r 篱j 誉，t 图2 18 0 2 1 1 无线局域网 移动终端：是配备无线网络接口的计算机设备，例如：笔记本、p d a 等等。 接入点：a c c e s sp o i n t _ a p ，接入点是无线网络与有线网络之间的桥梁。无 线局域网中的移动终端通过接入点接入网络，移动终端发送和接收的数据包都 要经过接入点。一个接入点下可以容纳多个移动终端。 无线媒体：8 0 2 1 1 网络中使用无线媒体，其主要作用是将帧从一个工作站转 移动另外一个工作站。8 0 2 1 1 标准中定义了几个不同的物理层。体系架构允许 丌发多个物理层来支持8 0 2 1 l m a c 协议。起初，两个无线频率物理层和一个红 外线物理层被标准化。 分布系统：当多个a p 连接起来形成一个覆盖范围较大的网络时，它们之间 必须相互通信来跟踪移动台的移动情况。分配系统是8 0 2 1 1 的一个逻辑组件， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 用来将数据帧发送到目的地址上。8 0 2 1 1 标准中没有对分配系统制定特定的技 术。但是，从众多商业软件来看，它被用作桥梁机制与分配系统媒体的联合， 也就是用来转发数据包的骨干网。因此分配系统通常被简单地成为骨干网。在 最近比较成功的商业产品中，以太网通常被用来充当分配系统，即骨干i 网 3 1 。 2 2 2 1 基本服务集b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) 8 0 2 1 1 网络中的基本的建筑块是基本服务集( b s s ) ，如图2 2 所示。基本 服务集可以简单地看作是多个工作站相互通信的组。通信发生在一个有点模糊 的区域，称为基本服务集( b a s i cs e r v i c es e t ) ，该服务区由无线媒体的传播特性 来决定。当某个移动台在基本服务区内时，它可以与同一个基本服务集中的其 它移动台相互通信。基本服务集包含：独立基本服务集( i b s s ) 与基础架构基 本服务集( i n f r a s t r u c t u r eb s s ) 。i b s s 中的m n 之间可以相互通信；而i n f r a s t r u c t u r e b s s 中的m n 之间的通信需要经过a p 转发【3 】。 瞄 一嘴臼 圆芍7 弥、冷 图2 2 独立式和架构式的基本服务集 2 2 2 2 基扩展服务集e s s ( e x t e n d e ds e r vic es e t ) b s s 只能创建一个覆盖家庭或办公室的小型网络，它不能构建出较大规模 的无线局域网。如果需要构建较大规模的无线局域网，则应该使用下面介绍的 扩展服务集( e s s ) 技术。 8 0 2 1 1 标准允许通过连接多个b s s 来形成任意大小的无线网络。e s s 就是 将多个b s s 与骨干网连接在一起而形成的。在同一个e s s 中的所有a p 都配置 一个相同的服务集标示符。对于用户来说，该标示符相当于网络名。 8 0 2 1 1 标准中并没有指定一个详细的骨干网技术，仅仅规定骨干网需要提供 一系列指定的服务。在实际的开发与应用中，同一扩展服务集内的不同基本服 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 务集之间的重叠区域比较大。因为在实际应用中，我们希望在同一个扩展服务 集内提供连续的覆盖。 处于同一个e s s 中的用户之间可以相互通信，即使它们不属于同一个b s s ， 甚至它们在不同的b s s 之间移动。同一个e s s 中用户之间相互通信时，无线媒 体就像一个二层的联接。由于接入点像桥梁一样工作，因此同一个e s s 中用户 之间相互通信同样要求骨干网作为一个2 层连接。 处于扩展服务集中的a p 允许外界通过使用用户的m a c 地址与用户通信， 而不管该用户在扩展服务区域内的什么位置。路由器使用移动台的m a c 地址 左右目的地址将数据包发送到移动台，只有与该数据包相连的a p 才为该移动 台转发数据包。路由器忽略移动台的位置，而是依靠a p 为移动台转发数据包【3 】。 图2 3 扩展服务集 2 3 移动lp v 6 协议 2 3 1 移动ip v 6 的工作原理 在移动i p v 6 中，网络节点新增了三类角色【2 】： 1 移动节点( m o b i l en o d e ，m n ) ：移动i p v 6 协议的“主角”，在各个链路 上移动并可能发生切换的节点。 2 家乡代理( h o m e a g e n t ，h a ) ：m n 注册网络中的一组特殊的固定节点， 负责记录m n 的最新位置并为离开注册网络的m n 转发报文。 3 通信对端节点( c o r r e s p o n d e n tn o d e ，c n ) ：与m n 通信的对端节点，可 以是非移动节点，也可以是移动节点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 移动i p v 6 网络也有两个新增角色： 1 家乡网络( h o m en e t w o r k ) ：m n 的注册网络，m n 在家乡网络时可以 按照普通i p v 6 节点方式通信，在家乡网络注册时被分配的固定i p 地址 称为m n 的家乡地址( h o m e a d d r e s s ，h o a ) 。 2 外地网络( f o r e i g nn e t w o r k ) ：除家乡网络外的其他网络，m n 在外地 网络动态获得的口地址称为转交地址( c a r eo fa d d r e s s ，c o a ) 。因为 m n 可能同时会有多个转交地址，所以定义m n 当前网络的转交地址为 主转交地址( c u r r e n tc a r eo fa d d r e s s ，c c o a ) ，这也是记录在h a 上的 转交地址；相应的在前一个外地网络上使用的转交地址就成为前转交地 址( p r e v i o u sc a r eo fa d d r e s s ，p c o a ) 。 移动i p v 6 的具体实现过程描述如下。如图2 4 所示，m n 连接到家乡网络时， 使用它的家乡地址h o a 。当m n 没有发生移动时，如果c n 与之通信，c n 发 送的数据包会按照正常的路由方式到达m n 。 一一一一一 一一酝u 妊乡络 。 m n ， 鹱翳狳 键遴萝 ( ! ) m d s t = h o a s r c = c n 图2 4 未移动前m n 和c n 可正常通信 当m n 从家乡网络移动到外地网络时，如果不改变其i p 地址，则c n 发送 的数据包按照现行的以前缀为基础的路由方式就不能到达m n 了。此时m n 需 要借助于移动i p v 6 协议维持通信，具体过程如图2 5 所示。 1 a r 定期广播路由器宣告r a 消息，其中携带本地链路前缀信息( 采用 邻居发现协议) 。m n 接收到宣告消息后，检测到自己发生了移动( 称 为：移动检测) ，并配置好新链路上使用的转交地址c c o a ； 2 m n 发送绑定更新b u 消息给h a ，该消息告诉h a 将m n 当前的主转 交地址c c o a 与m n 的家乡地址h o a 绑定； 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 3 h a 收到b u 消息后，向m n 发送绑定更新确认b a 消息，通知m n 绑 定更新成功； 4 假如c n 要发送数据包给m n ，它并不知道m n 已经发生了移动，此时 它会把这个数据包继续发送给m n 原来的家乡地址h o a ，h a 发现有需 要送到m n 家乡地址h o a 的数据包，它会把这个数据包截获； 5 h a 把截获的数据包作为净荷，在其上面再加上一层i p v 6 报头，把新的 数据包发送到m n 的主转交地址c c o a ，这个过程称为隧道转发； 6 m n 收到h a 转发过来的数据包以后，通过检查数据包的内层源地址， 知道c n 想与它进行通信，此时它会发送一个绑定更新b u 消息给c n ， 告之自己的主转交地址c c o a ； 7 c n 收到b u 消息后，向m n 发送绑定更新确认b a 消息，通知m n 绑 定更新成功； 8 此后，c n 发给m n 的数据包使用c c o a 作为目标地址、h o a 作为类型 2 路由头选项，c n 与m n 实现直接通信，而不必绕道m n 的家乡网络。 ，一。一一 一、 磊丙 一一。 ( ! ) r a d s t = a i i s r c = a r b u d s t = h a 。s r c = c c o a h o a o p t = h o a q ) b a d s t = c c o a ，s r c = h a ( dm d s t = h o a s r c = c n m d s t = c c o a s r c = h a m 】b u 8 d s t = c n 。s r c = c c o a h o a o p t = h o a b a 4 d s t = c c o a s r c = c n t y p e 2d s t = h o a l m 。 d s t = c c o a s r c = c n ， t y p e 2d s t = h o a 图2 5 移动后m n 与c n 的通信过程 当m n 从一个子网移动到另一个子网时，一般要经过如图2 6 所示的五个阶 段： 1 邻居发现：在邻居发现协议 4 1 0 0 规定，a r 应该周期性地广播其前缀信息， m n 根据这些前缀信息，发现a r 的存在。或者m n 通过主动发送r s 来 蛄 ，fp 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 请求r a 的方式发现a r 的存在； 2 移动检测：m n 可以通过生存时间域或者路由前缀来判断当前是否已经移 动到外地网络，这两种方式通常可以混合使用： 3 形成c o a ：当m n 通过移动检测发现自己当前处于外地网络时，可以使 用有状态或无状态地址配置协议来形成c o a ； 4 绑定更新：当m n 形成c o a 后，需要与自己的h o a 地址之间建立对应关 系，此过程成为绑定更新，或注册； 5 使用c o a - 待绑定更新完成之后，m n 就可以使用c o a 进行通信了； 图2 6 移动i p v 6 过程阶段示意图 2 3 2f a s tip v 6 协议 移动肌6 协议仅仅定义了基本的操作处理流程，并没有过多地考虑切换性 能的问题，因而它的增强版本快速移动i p v 6 协议( f a s tm i p v 6 ) 【5 1 被提出。在 移动i p v 6 协议中，切换时延包含四个主要部分，即： p 层切换时延= 链路层切换时延+ 地址配置时延+ 移动检测时延+ 绑定更新时延 其中，二层切换时延和绑定更新时延都是毫秒级，而地址配置时延和移动检 测时延都是秒级。因而，快速移动i p v 6 协议的主要思想就是通过减少地址配置 时延和移动检测时延来提高移动i p v 6 的切换性能。 快速移动i p v 6 方案共有两种模式一预测( p r e d i c t i v e ) 模式和反应( r e a c t i v e ) 模式，其实现流程如图2 7 和图2 8 所示。 当m n 发现新的链路可用时，它将发送新链路前缀请求消息( r t s o l p r ) 给 当前链路的接入路由器( p a r ) ，请求新链路的子网信息。在收到p a r 的回应消 息( p r r t a d v ) 后，m n 将配置适用于新链路的转交地址( n c o a ) ，而此时m n 仍然在当前链路上。通过这个过程，移动i p v 6 协议中的地址配置时延被消除了。 在配置好n c o a 后，m n 在当前链路发送f b u 消息，在p a r 和n a r 之间 建立一条邻居隧道。隧道建立好后，p a r 将发往m n 的p c o a 地址的数据包通 过隧道转发到m n 的n c o a 地址( 在n a r 上缓存) 。p a r 通过h i h a c k 消息进 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 行重复地址检测( d u p l i c a t ea d d r e s sd e t e c t i o n ，d a d ) 以检查m n 的n c o a 的可 用性。 图2 7f a s tm i p v 6 预测模式 m np a rn a r 图2 8f a s tm i p v 6 反应模式 如果m n 在当前链路收到p a r 的f b a c k 消息( 预测模式) ，在m n 接入新 链路后，直接发送f n a 消息通知n a r 。n a r 将缓存的发往m n 的n c o a 地址 的数据包转发给m n 。如果m n 发送f b u 消息后发生链路切换，即在当前链路 没有收到p a r 的f b a c k 消息( 反应模式) ，则m n 在接入新链路后，将f b u 消 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 息封装在f n a 消息中发送给n a r 。n a