（计算机应用技术专业论文）基于移动ip的组播算法研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着移动技术的迅猛发展，移动设备的大量应用，用户希望 在日常生活和商务活动中能通过无线设备随时随地访问i n t e r n e t ，移动性支 持成为i n t e m e t 发展的一种必然趋势。而新的接入设备、新的信息服务内 容和不断增长的用户数量，特别是用户的移动性要求，使得移动i n t e m e t 面临许多新的挑战。由于组播应用具有可扩展性、高效等特点在移动这种 资源受限的环境中显得尤为突出和重要，所以移动环境中的组播应用引起 了人们越来越多地重视，在该领域展开了大量的研究 本文介绍了移动口的基本概念以及移动p 的工作原理、对移动i p v 4 和移动i p v 6 进行比较，分析其性能；研究了i p 组播和移动i p 中的组播技 术在此基础上对移动口中的组播技术进行了探讨，全面深入分析了移动 i p v 4 和移动i p v 6 中都给出的两个基本移动组播机制：双向隧道( b t ) 和 远程签署( r s ) 以及基于这两个算法的改进算法。 本论文结合前向网络的思想，提出了新的改进算法一f p s r ( f i r s tp s s e c o n d r s ) 在该算法中，当移动主机移动到外地网络后，首先同前向网 络之间建立隧道，通过隧道接收前向网络转发的组播数据分组，同时在外 地网络上申请加入组播组当移动主机通过外地网络收到组播数据分组 后，则通知前向网络停止转发组播数据分组，并断开两者之间的隧道将 该算法在n s 2 模拟环境中进行仿真模拟，并从组播树的重构频率、组播 服务中断时间、传输延时和传输开销等方面与现有的移动组播算法进行分 析比较。仿真结果表明该算法能够较好的改进长隧道链引起的传输延时问 题，减小服务中断时问和传输开销 关键词：移动m ；移动组播；远程签署；双向隧道；n s 2 仿真 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em o b i l et e c h n o l o g ya n dt h e l a r g e s c a l e a p p l i c a t i o no ft h em o b i l ed e v i c e si nr e c e n ty e a r s ，m o b i l el l s e i se x p e c tt oa c c e s s i n t e m e ti nt h ed a i l yl i f ea n dc o m m e r c i a la c t i v i t ya ta l lt i m e sa n da l lp l a c e s t h e r e f o r e d e v e l o p i n gt h em o b i l i t ys u p p o r ti s t h ei n e v i t a b l et r e n do fi u t e m e t b u tf o rt h e r e q u i r e m e n to f t h en e wa c c e s sd e v i c e s t h en e wc o n t e n to f i n f o r m a t i o ns e r v i c oa n dt h e d e v e l o p i n gn u m b e ro fu s e 稻e s p e c i a l l yt h er e q u i r e m e n to ft h em o b i l i t y , t h e r ea r e m a n yn e wc h a l l e n g 嚣f a c i n gt h em o b i l ei n t e r n e t f o ri pm u l t i c a s tw i t ht h em e r i t so f h i g hs c a l a b i l i t ya n de 伍c i 髓c mw h i c ha l em o r es i g n i f i c a n tf o rm o b i l ee n v i r o n m e n t w h o s er e s o u i v , ei sm u c hl i m i t e d , m o r ea n dm o r ep e o p l ep a ya t t e n t i o nt ot h e s et w o t e c h n i q u e s a n dm a n ye f f o r t s 撇b e i n gm a d et ob r i n gt h e mt o g e t h e r a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no f t h eb a s i cc o n c e p t sa n dw o r kp r i n c i p l eo f m o b i l e 皿t h e c h a r a c t e r so fm o b i l e 洲a n dm o b i l el p v 6a r ea n a l y z e di nd e t a i la n da c o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o ni sg i v e n , t h e ndm u r i c a s 建t e c h n i q u e sa n dmm u l t i c a s t o v e rm o b i l ei pa r er e s e a r c h e di nd e t a i l b a s e do nt h e s ew o r k s ，t h em u l f i c a s t t e c h n i q u e si nm o b i l e 口a r ed i s c u s s e di nd e p t h , a n dt h et w ob a s i cm o b i l em u l t i c a s t s c h 锄e 譬一b i - d i r e c t i o n a lt u n n e l0 3 1 ) a n d r e m o t es u b s c r i p t i o na 熔) w h i c ha r e g i v e nb ym o b i l ei p v 4a n dm o b i l ei p v 6a l ea n a t o m i z e dc o m p r e h e n s i v e l y , a l s ot h e o t h e re x i s t i n gm o b i l em u l t i c a s tp r o t o c o l s b a s e do nt h ew o r k sm e n t i o n e da b o v e ，an e wm o b i l em u l t i c a s ta l g o r i t h mc a l l e d f p s r ( f i r s tp ss e c o n dr s ) i sp r e s e n t e d , w h i c hi n t e g r a t e st h em e c h a n i s mo f p r e v i o u s n e t w o r ks u b s c r i p t i o n a c c o r d i n gt ot h i sa l g o r i t h m , w h e nt h em o b i l eh o s tm o v i n gt oa n e wf o l l c i g nn e t w o r k , t h e r ew i l lb eb u i l tab i - d f f e c t i o n a lt u n n e lb e t w e e nm o b i l eh o s t a n dt h ep r e v i o u sn e t w o r ka tf i r s t , a n dt h e nt h em u l t i c u s td a t aa r ct r a n s m i t t e dt om o b i l e h o s t st h r o u g hp r e v i o u sn e t w o r k a tt h es 锄et i m e t h em o b i l eh o s ts e n d s a p p l i c a t i o n t oj o i nt h em u l t i c a s tg r o u po ft h ef l e wf o r e i g nn e t w o r k w h e nr e c e i v i n gt h em u l t i c a s t d a t at h r o u g ht h ef o r e i g nn e t w o r k , t h em hw i l ls t o pr e c e i v i n gm u l t i c a s td a t af r o mt h e h p r e v i o u sa n dt h et u n n e lb e t w e e nt h e mw i l lb ei n t c a r u p t e d t h ea l g o r i t h mp r o p o s e di s c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gm o b i l em u l t i c a s tp r o t o c o l si nt h ew a yo f t h ef r e q u e n c yo f r e b u i l d i n g m u l t i c a s tt r e e , m u l t i c a s ts e r v i c e d i s r u p t i o n , t r a n s m i s s i o nd e l a ya n d t r a n s m i s s i o nc o s ti nn s 一2s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ea l g o r i t h mh a sag o o dp c r f o r m a n c 甚i nt e r m so ft r a n s m i s s i o nd e l 嘞m n 城c a s t s e r v i c ed i s r u p t i o na n d 缸a n s m i s s i o nc o s t k e y w o r d s ：m o b i l ei p ；m o b i l em u l t i c a s t ；r e m o t es u b s c r i p t i o n ；b i d i r e c t i o n a l t u n n e l i n g ；n s - 2s i m u l a t i o n i i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位 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 复制手段保存和汇编本学位论文。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注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：王巍。监 指导教师签名： 岛峻 卅叼年月中日7 叼年6 月日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其 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谢意。 学位论文作者签名：王玩晔 w 印年月伊日 第1 章引言 第1 章引言 1 1研究背景和意义 随着远程教学、视频会议、i n t e m e t 电视、软件发布等新兴i n t e m a 应用的发 展，i p 组播【1 】因其网络利用率高、扩展性高、节省发送者资源等优点，成为这些 年来研究的一个热点。目前致力于组播研究的国际研究组织很多，其中包括i e t f ( i n t 锄e te n g i n 血gt a s kf o r c e ，e t 工程任务组) 下属的组播工作组。目 前i p 组播已经形成了较为完整的组播协议体系，包括组播主机和网络的交互协 议、组播路由协议、组播的地址管理协议等。但是，i p 组播并没有在i n t e m e t 上 锝到大规模的应用1 2 1 ，为此，研究人员提出了应用层组播【3 1 等解决方案期望能够 实现广域网范围内的组播服务，同时还希望能够在各种新型网络( 如无线网络) 中实现组播服务。 近几年随着移动设备的普及和移动技术的迅速发展，越来越多的人希望使用 移动设备更方便快捷的访问i n t e m e t 许多大学和组织致力于这一方向，其中以 i e t f 下属的移动口工作组1 4 l ( i p r o u t i n g f o r w l r e l e s s m o b i l e h o s t s ) 制定的移动 口i 州及相关技术1 】为主要研究内容，它在业界也占有主导地位，而且已经取 得了显著的研究成果 由于无线链路存在着链路带宽有限的缺陷，无线链路容易受到干扰而导致误 码率高，在移动过程中也会产生丢包问题，所以解决好这些问题就成为移动i p 需要着重研究的问题。同时移动节点具有体积小的物理特征和电池电量有限、处 理速度慢、存储空间相对较小等缺点，在这种情况下，组播可以高效利用资源的 优点对于移动节点来说就极为重要。移动和组播的结合，扩大了组播和移动的应 用范围，为两者的应用带来了更广泛的发展空剐n 】，而且达到优势互补、缺点减 少的效果。同时也为两者带来了挑战。在移动环境中，组播不仅要管理动态组播 成员、建立及维护组播转发树【1 3 】，还要注意组播成员由于位置移动而带来的一系 列问题。面目前在i n t e r n e t 中使用的组播协议如d v m r p l l 4 1 ，c b t 1 5 1 、m o s p f 阍、 p i m t l 7 _ 删等，都是假设组播成员是静态的，没有考虑组播成员动态移动的情况。 第1 章引言 如果沿用现有的组播协议，那么每当组播成员移动位置，就当成了节点离开原有 组播组、在新的物理位置重新加入组播组的过程。这显然给组播组的管理和组播 树的维护带来了新的困难，增加网络开销和组管理员的负担。总之，把组播与移 动i p 结合起来，为移动节点提供稳定可行的组播服务，是一个非常值得研究的 问题。 1 2研究现状及难点 随着移动口技术的发展，越来越多地人开始研究支持主机移动的组播协议， 在移动i p v 4 的r f c 2 0 0 2 3 2 2 0 5 问和移动i p v 6 1 7 种都给出了两个基本的支持主机移 动的组播机制；双向隧道( b i - d i r e c t i o n a lt u n n e f i n g ，b t ) 和远程签署( r e m o t e s u b s c r i p t i o n ，r s ) 但是，这两种组播机制还存在着严重的缺陷，例如，双向隧 道算法使用的是三角路由，而远程签署算法对移动主机作为组播源支持不是很 好 在考虑了不同网络的特点和用户需求后，又发展出多种移动组播协议由于 在移动环境中，组播不仅要管理动态的组成员、建立和维护组播转发树，还需要 解决组成员位置动态变化的问题，这对组播组管理协议和组播路由协议都带来了 影响。因此，目前对移动组播技术的研究，大部分都集中在对组播组管理协议和 组播路由协议的研究，特别是对组播路由协议的研究目前已有的改进方案有： 基于双向隧道改进的移动组播协议( m o m ) 刚；基于范围的移动组播协议 ( r b m o m ) 【2 l 】，组播代理协议( m a ) 瞄】，移动组播代理协议( m m a ) 田1 和 f h s r 算法等移动组播算法这些算法有各自的优点和适用范围，也都有其不 足之处 而文献 2 5 j 6 j 7 j 8 ，2 9 提出的可靠组播协议，大多数都是为了解决某些特定 的问题而提出来的。可靠组播定义为保证每个接收者都能正确地接收到所有的组 摇包，还要求组播包按序到达、迸行拥塞控制等。目前对可靠移动组播的研究工 作不是很多，已有的可靠组播方案有：可靠移动组播协议r m m p 0 0 和基于范围 的可靠移动组播协议r r b m o m 【3 1 j 2 1 在移动环境中，组播不仅要管理动态的组成员以及转发树的建立和维护，还 2 第1 章引言 需要解决组成员位置动态变化的问题，这使得原来的组播组管理协议和组播路由 协议都发生了改变，因此，移动环境中的m 组播面临着一系列新的挑战： ( 1 ) 目前i n t e r n e t 中使用的组播路由协议通常都假设其组成员是静态的，没 有考虑组成员位置动态变化的情况。每当成员节点移动时就重新计算和建立组播 转发树会引入过多的处理开销和协议开销，并且会影响组播转发的稳定性；如果 保持组播转发树不变则又会带来路径非最优、路由冗余等问题，甚者导致错误转 发。 ( 2 ) 组播组成员移动时的切换时延相对较大组成员在移动时，网络链路 间的切换会引入固有的时延，如果再加上建立组播转发树的时延，将会大大增加 移动节点切换的时延，导致部分组播包接收的中断。 ( 3 ) 由于移动节点常常使用无线链路，这些链路在质量方面存在较大的差 异，因此移动还给组播带来了比较严重的异构性问题 ( 4 ) 当移动节点作为组播的源节点时，它的改变将会引起整个组播转发树 的重建，不仅开销非常大，而且在新的组播转发树建立之前，源节点向组播组成 员发送的组播数据流会发生中断。 ( 5 ) 丢包问题也是移动组播所面临的一个严重问题造成丢包的原因除了 无线链路的链路质量相对较差以外，还包括移动节点在发生切换时由于存在切换 时延而导致组播包的丢失 ( 6 ) 移动环境中的p 组播还可能遇到外地链路没有支持组播的路由器、发 生“隧道聚集不同区域的”巴阈值设置方式不同，区域内组播地址重复等其 他多种问题。 以上这些问题和困难都是静态环境中的组播所不曾有的，它们的存在直接影 响着移动口组播的应用，因此需要对现有的组播方式以及协议进行分析和研究， 加以适当的修改，使其适应移动环境的要求。 1 3本文的主要内容及结构安排 本文集中讨论了移动口中的组播技术，特别是对移动p 组播中的组播算法 和协议进行了重点的研究，以期待能为改善移动m 下的组播技术提供有价值的 3 第1 章引言 参考。本文的内容安排如下； 第二章研究了移动口的基本概念。首先阐述了移动m 的设计目标，然后详 细介绍了移动p 的基本概念和基本操作，深入分析了移动m 的基本工作原理， 并对移动i p v 4 和移动i p v 6 的特性进行分析对比，指出它们的不同。 第三章分析研究移动口中的组播机制。首先详细介绍了p 组播技术和基于 移动主机的组播机制，然后着重讨论了移动口中的组播机制及其现有的改进算 法，并详细分析了它们的优缺点。 第四章在分析现有的改进算法的基础上提出改进算法。首先介绍了现有的改 进算法f i - i s r ，并详细分析了该算法的不足之处；然后针对此不足之处并结合前 向网络签署机制，提出改进算法f p s r 。在该算法中，当移动主机移动到外地网 络后，首先同前向网络之间建立隧道，通过隧道接收前向网络转发的组播分组， 同时在外地网络上申请加入组播组。当移动主机通过外地网络收到组播分组后， 则通知前向网络停止转发组播分组，并断开两者之间的隧道。在本章的最后，对 提出的算法进行了性能分析 第五章首先介绍了n s - 2 1 3 3 ，3 4 j 5 】技术及使用方法，然后利用n s - 2 所提供的环 境对前面提出的算法进行网络仿真模拟通过实验将传统的移动组播算法与已有 的改进算法进行比较，实验结果表明该算法能很好的改善移动组播的传输延时， 减小服务中断时间和传输开销等性能 第六章对全文的工作进行总结并对下一步的工作进行了展望 4 第2 章移动口概述 第2 章移动i p 概述 i n t e r n e t 工程任务组m t f 在1 9 9 2 年制定了移动的最初标准，其中比较详 细的阐述了移动p 的原理、实现以及各种细节问题。之后在1 9 9 6 年i n t e r n e t 工 程指导小组i e s g ( i n t e m e te n g i n e e r i n gs t e e r i n gg r o u p ) 通过了移动口标准草案 并公布了建议标准，为移动p 成为i n t e r a c t 正式标准打下了基础，对移动口的 发展起了关键性的作用 3 6 3 7 3 s 3 9 1 。 移动m 协议是目前公认最好的支持通信节点移动的网络层解决方案，它与 底层的数据链路层协议和物理传输介质无关并且与现有的i n t e r n e t 协议兼容。移 动口在当前i n t e r a e t 基于网络前缀路由前提下，它使得移动主机可以通过一个永 久的口地址连接到任何链路上，并且在不同的网络间不断移动仍能保持正在进 行的通信，是一个在i n t e r n e t 上基于网络层提供移动支持功能的解决方案。 2 1 移动i p 的设计目标 移动p 的主要设计目标就是移动节点在改变网络接入时，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p 功能的节点能够进行正常通信具体来说，移动口协议的 设计应该满足如下的要求： 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 r n e t 上其他 节点的连续通信； 移动节点无论连接到任何接入点，应该能够用原来的p 地址进行通信； 移动节点应该能够与不具有移动口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； 移动节点不应该比i n t e m e t 上的其他节点面临更多的安全威胁 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，不利于传输长消息，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，设计移动口时要考虑移动节点 接入时发送的管理消息数目应该尽量少，消息的长度也应该尽量短 5 第2 章移动m 概述 2 2移动i p 的基本概念 本节以移动i p v 6 为例介绍移动p 的基本术语和基本操作。 2 2 1 基本术语 1 ) 移动节点( m o b i l en o d e ) ：是指从一个网络或子网链路上切换到另一个 网络或子网的主机或者路由器。移动节点可以改变它的网络接入点，但不需要改 变p 地址，并且使用原有的p 地址能够继续与其他节点通信。 2 ) 通信对端( c o r r e s p o n d e n tn o d e ) ：是指所有与移动节点通信的节点，通 信对端可以是固定主机或移动主机。 3 ) 家乡代理( h o m e a g e n t ) ：是指移动节点家乡链路上的一个路由器，允许 移动节点向其注册当前的转交地址。当移动节点离开家乡网络时，它负责把发往 移动节点的分组通过隧道转发给移动节点，并且维护移动节点当前位置的信息。 移动节点、家乡代理和通信对端是移动i p v 6 中最重要的三类功能实体。这 种分类只是概念上的，他们只是存在于i p v 6 节点上的功能实体，并非对i p v 6 节 点的分类定义比如移动节点同时可能是其他节点的通信对端，家乡代理也可能 是移动节点的通信对端等 4 ) 家乡地址( h o m ea d d r e s s ) ：分配给移动节点的p 地址。它属于移动节 点的家乡链路，标准的婵路由机制会把发给移动节点家乡地址的分组发送到其 家乡链路 5 ) 转交地址( c a r e - o f a d & e 鲻) ：指移动节点访问外地链路时获得的m 地址 这个口地址的子网前缀是外地子网前缀。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 y c a r e - o f a d d r e s s ) 6 ) 移动( m o v e m e n t ) ：指移动节点改变其到h t c m e t 连接点的行为。如果移 动节点当前不在它的家乡链路上，则称为离开家乡。 7 ) 家乡链路( h o m el i n k ) ：是指与移动节点的家乡地址具有相同网络前缀 的链路，是移动节点在家乡网络时的链路。家乡链路比家乡网络更为精确的描述 了移动节点在家乡的位置。 8 ) 外地链路( f o r e i g nl i n k ) ：对一个移动节点而言，外地链路指除了其家 6 第2 章移动坤概述 乡链路之外的任何链路。 9 ) 口封装隧道( m 抽i pt u n n e l ) ：i p - i n - i p 封装是将整个m 包放在另个 碑包的净荷部分。如图2 1 所示，当一个数据分组被封装在另一个数据分组的净 荷中进行传送时，所经过的路径成为隧道。 源i p = 原始发送者 目的i p = 最终接收者 封装前匿函二二三 源i p = 隧道入口 目的i p = 隧道出口 封装后 图2 1i p 隧道 1 0 ) 绑定( b i n d i n g ) ：移动节点家乡地址和转交地址之间的关联家乡代理 通过这种关联把发到家乡链路的属于移动节点的分组转发到其当前位置，通信对 端通过这种关联也可以知道移动节点当前接入点，从而实现分组路由的优化 1 1 ) 绑定过程( b i n gp r o c e d u r e ) ：由移动节点发起通知通信对端或家乡代理 关于本节点当前绑定的过程。 1 2 ) 绑定授权( b i n ga u t h o r i z a t i o n ) ：绑定过程需要授权，使得接收者相信 发送者有权指定新的绑定 2 2 2 基本操作 1 移动绑定 当移动节点移动到外地链路上时，通常通过无状态的地址自动配置方式获得 一个或多个地址，转交地址的子网前缀与移动节点访问的外地链路的子网前缀相 同移动节点在获得转交地址后，通过向家乡代理发送“绑定更新”消息，把一 个转交地址注册到它的家乡代理上，家乡代理应答“绑定确认”消息完成注册 移动节点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 ) ， 但是移动节点可以同时拥有多个转交地址。移动节点可以随时给通信对端发送绑 定更新，使通信对端获知移动节点当前使用的转交地址。移动节点连续移动时， 当移动节点在新的链路上获得了新的转交地址后，希望正在发往前一个转交地址 7 第2 章移动口概述 的分组也可以到达移动节点，这样可以减少分组重传带来的延时。为了建立这样 的隧道，隧道的源端必须是移动节点的前一个转交地址，为此移动节点需要向前 一个转交地址所在链路的家乡代理发送绑定更新以建立绑定。 移动节点维护一个绑定更新列表，记录它所发送的每个尚未超时的绑定更新 的相关信息，其中包括移动节点发往家乡代理、通信对端、前一个转交地址所在 链路的家乡代理的所有绑定更新。如果某个绑定更新表项快要超时，移动节点重 新发送绑定更新消息，以确定是否需要继续维护当前的绑定 2 分组路由 家乡代理获得移动节点的主转交地址后，截取在家乡链路上目的地址是移动 节点家乡地址的i p v 6 分组，并通过隧道转发这些分组到移动节点的主转交地址 家乡代理对分组使用i p - i n - i p 封装，即外层i p v 6 报头中目的地址是移动节点的主 转交地址。 通信对端和移动节点之间有两种可能的通信方式。第一种方式称为双向隧道 ( 如图2 2 所示) ，通信对端可以不支持移动i p v 6 ，移动节点也不需要在通信对 端上注册绑定。通信对端发送的分组首先被发送到家乡代理，然后家乡代理通过 隧道转发给移动节点；移动节点发送到通信对端的分组通过反向隧道先发送到家 乡代理，再从家乡网络到达通信对端。 琏佰对埔 图2 2 移动i p v 6 的双向隧道路由方式 第二种方式是优化路由( 如图2 3 所示) ，这种方式要求通信对端支持移动 i p v 6 并且移动节点在通信对端上需要注册它的当前绑定，通信对端到移动节点 的分组直接发送给移动节点的转交地址。当发送任何i p v 6 分组时，通信对端根 据分组目的p 地址查询它的绑定缓存，如果在绑定缓存中存在匹配，通信对端 使用第二类路由头，分组的目的地址换成查询获得的转交地址，第二类路由头中 8 第2 章移动p 概述 的地址是移动节点的家乡地址。移动节点发送分组给通信对端时，在目的地扩展 报头中使用家乡地址选项，设置分组的源地址为移动节点的当前转交地址，家乡 地址选项中的地址是移动节点的家乡地址。这种优化路由机制缩短了通信的路 径，也消除了家乡代理和家乡链路上可能的额外流量，并且减小了家乡代理、家 乡链路上的故障对移动节点与通信对端通信的影响 ，弧、 唰 丑循x g l 图2 3 移动i p v 6 的优化路由方式 通信对端在发送分组时，如果在检查绑定缓存中没有分组的目的地址，则按 常规的分组发送，使用移动节点的家乡地址作为分组的目的地址家乡代理收到 分组后，通过隧道转发分组给移动节点，如图2 4 中( 1 ) 移动节点收到家乡代 理通过隧道发来的分组，可以得知通信对端没有与它建立绑定，则向通信对端发 送绑定更新消息来建立绑定，绑定完成后形成优化的路由，如图2 4 中( 2 ) 通循对靖 图2 4 移动i p v 6 的路由方式转换 3 返回路径可达过程( r e t u r nr o u t a b i l i t yp r o c e d u r e ) 移动i p v 6 提供很多安全特性，包括移动节点到家乡代理或通信对端绑定更 新的保护，对隧道、家乡地址信息和分组中路由指令的保护。移动节点和家乡代 理通过建立安全关联，使用a h ( a u t h e n t i c a t i o nh e a d e r ) 和e s p ( e n c a p s u l a t i n g 9 第2 章移动口概述 s e c u r i t y p a y l o a d ) 协议，实现到家乡代理绑定更新的保护。到通信对端的绑定更 新可以使用绑定管理密钥( b i n d i n gm a n a g e m e n tk e y ) 来保护，通过返回路径可 达过程建立绑定管理密钥。下面简要介绍返回路径可达过程 移动节点 家乡代理通信对端 r j c a r e - o ft e s ti n i t ( c o t i ) 一 l h o m et e s t ( h o t ) 一 厂 c a r e - o ft e s t ( c o t ) 图2 5 返回路径可达过程 如图2 5 ，返回路径可达过程由四条消息组成移动节点先同时发送h o t i 消息和c o t i 消息，通信对端处理这两个消息后，返回h o t 消息和c o i 消息。 h o t i 消息用于请求获得家乡密钥令牌( h o m ek e y g e nt o k e n ) ，传送移动节 点的家乡地址给通信对端，也携带通信对端必须随后回传的h o tc o o k i e ，该消息 经过隧道到家乡代理再到移动节点c o t i 消息用于请求获得转交密钥令牌 ( c a r e - o f k e y g e nt o k e n ) ，传送移动节点的转交地址给通信对端，也携带通信对 端必须随后回传的c o tc o o k i e ，该消息直接被发送到通信对端h o t 消息是通信 对端对h o t i 消息的响应，携带有h o t c o o k i e 、家乡密钥令牌等信息，该消息经 过家乡网络转发给移动节点，其中假设家乡代理已经完成绑定更新，家乡代理与 移动节点之间的通信是安全的。c o t 消息是通信对端对c o t i 消息的响应，携带 有c o tc o o k i e 、转交密钥令牌等信息，该消息直接发送到移动节点。当移动节点 接收到c o t 消息和h o t 消息后，返回路径可达过程结束。这样移动节点根据收 到的信息计算绑定管理密钥，获得向通信对端发送绑定更新的授权 通过返回路径可达过程，通信对端测试目的地址分别为移动节点报告的家乡 地址和转交地址的两个分组是否路由到移动节点，确认报告的转交地址和家乡地 址能否寻址到移动节点。移动节点只有证明它收到通信对端发向这两个地址的分 组才能通过测试，通信对端才接收移动节点的绑定更新，重新定向发给移动节点 的流量到新的转交地址。 4 动态家乡代理地址发现 0 第2 章移动m 概述 当移动节点离开家乡时，家乡链路上的部分节点可能进行了重新配置，原来 家乡代理被其它的路由器替代。在这种情况下，在需要给家乡代理发送绑定更新 注册它的主转交地址时，移动节点可能不知道自己家乡代理的妒地址。移动i p v 6 提供了一个称为“动态家乡代理地址发现”( d y n a m i ch o m ea g e n ta d d r e s s d i s c o v e r y ) 的机制，允许移动节点动态发现家乡链路上家乡代理的口地址，从 而可以正确注册它的主转交地址。 移动节点发送i c m p v 6 “家乡代理地址发现请求”消息，目的地址为其家乡 子网前缀的“移动i p v 6 家乡代理”泛播( a n y c a s t ) m 地址，源地址是移动节点 的转交地址家乡链路上收到这个请求消息的家乡代理会回答一个i c m p “家乡 代理地址发现应答”消息，给出自己的全球单播i p v 6 地址，以及包含家乡链路 上所有家乡代理的全球单播i p v 6 地址的列表。收到家乡代理地址发现应答消息 后，移动节点可以随后发送自己的家乡注册绑定更新到该消息分组的口源地址， 或者是发送到应答消息中家乡代理地址字段中的任何一个全球单播m 嘶地址 2 3移动i p 的基本工作原理 移动p 的基本工作原理分为以下几个步骤： 本地代理和外地代理不停地向网上发送代理广告信息( a g e n t a d v e r t i s e m e n t m e s s a g e ，a a m ) 消息，以声明自己的存在； 移动节点收到一个代理的a a m 时，先比较代理的网络地址和它本地地址 的网络部分，确定自己是在本地网还是在外地网； 如果移动节点发现自己仍在本地网，即收到的是本地代理发来的消息，则 不启动移动功能，就按正常的m 方式发送和接收数据报；如果移动节点是从外 地重新返回的，则向本地代理发出注册取消的功能，声明自己回到本地； 当一个移动节点检测到它移动到外地网络，那么它从a a m 或用动态主机 配置协议d h c p ( d y n a m ch o s tc o n f i g u r a t i o ap r o t o c 0 1 ) 获得一个转交地址( 这 个地址有两种类型：一种是外地代理的p 地址：另一种是通过某种机制与移动 节点暂时对应起来的网络地址，也即是移动节点在外地网暂时获得的新的口地 址) ，并向本地代理注册该转交地址，表明自己离开本地网络。移动节点要定期 第2 章移动m 概述 地向支持它的外地代理( f a ) 注册，如果外地代理在一定时间后没有收到移动 节点的注册，则认为该移动节点已移出了它管辖的子网，将该移动节点从它的 m h ( m o b i l eh o s t ) 表中删去： 注册完毕后，所有通向移动节点的数据包将被家乡代理截获，家乡代理再 以m h 的转交地址为目的地址，利用隧道技术把他们发往外地代理( 如使用第一 类转交地址) 或移动节点本身( 如使用第二类转交地址) ，外地代理再把数据包 转给移动节点； 移动节点发往外地的数据包按一般p 路由方法送出，不必通过本地代理。 2 4 移动i p v 4 和移动i p c 6 的比较 移动m v 6 r 7 瑚1 的设计借鉴了开发移动脚4 【5 捌的经验，并且利用了口v 6 协议 提供的新特性。移动p v 6 和移动i p v 4 有很多相同的特性，但和移动1 1 v 4 作为 i p v 4 协议的补充不同，移动i p v 6 协议正在成为i p v 6 协议不可分割的部分，而且 比移动i p v 4 有很多显著改进。它们之间的主要区别如下： 外地代理：移动l p v 6 中，在外地网络上，不像移动i p v 4 那样需要特别地 把某些路由器配置成外地代理。移动节点使用i p v 6 的特性，如邻居发现和地址 自动配置等，无需外地网络上的路由器提供特别的功能支持； 路由优化：路由优化是移动m v 6 协议的基本功能部分，而不像移动i p v 4 那样是可选的移动i p v 6 允许通信对端发出的分组直接路由到移动节点，不必 通过家乡代理进行转发，解决了在基本移动i p v 4 协议中出现的三角路由问题 即使没有预先设置安全关联，移动i p v 6 的路由优化机制也是安全的。三角路由 问题是指，在移动i p v 4 中，移动主机使用外地网络的路由器作为默认的路由器， 它发送的分组通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，而 通信对端发送的分组通过移动主机的家乡代理发给移动主机，就形成了基本的移 动i p v 4 的三角路由现象： 输入过滤：在移动i p v 6 中，路由优化功能与路由器的输入过滤能够共存 分组中携带转交地址和家乡地址，使得分组能够正常通过具有输入过滤功能的路 由器： 1 2 第2 章移动p 概述 组播分组的发送：在移动i p v 6 中，移动节点作为发送者的组播分组，可 以不再必须由家乡代理进行转发； 移动检测：移动l p v 6 中的移动检测机制，提供了对移动节点与缺省路由 器之间双向通信能力的确认，既可确保移动节点能够接收到路由器发出的分组， 也可确保路由器能够接收到移动节点发出的分组。这种双向通信能力的确认能够 检测到“黑洞”位置的存在“黑洞”位置指移动节点只能接收、不能发送分组 的地点，它们在某些无线环境下存在。因为路由器的无线链路覆盖范围通常大于 移动节点的，移动节点和路由器的距离在二者的覆盖半径之间的位置，就是“黑 洞”位置而移动口v 4 中只有转发方向( 从路由器到达移动节点) 是需要确认 的，从而无法检测到“黑洞”位置的存在； 截取分组：在移动i p v 6 中，家乡代理截取发往离开家乡移动节点的分组 时，使用的是邻居发现机制而不是如移动i p v 4 中的a r p 协议邻居发现机制不 像a r p 那样需要关心链路层的特定情况，不仅简化了移动m 的实现，而且具有 更好的鲁棒性； 隧道封装：在移动l p v 6 中，除家乡代理截取的分组外，多数分组都使用 i p v 6 路由头直接发送到移动节点，不需要使用隧道封装，而移动i p v 4 需要对所 有的分组进行封装。使用路由头相对封装而言能够减少移动p 分组的传输开销； 隧道软状态：移动i i v 6 使用i p v 6 封装和路由头，没有必要管理“隧道软 状态”( t u n n e ls o i ts t a t e ) ，而由于i p v 4 的i c m p 协议的限制，移动脚4 必须管 理隧道软状态才能把从隧道返回的i c m p 错误消息转发到分组的原始发送者，而 移动i p v 6 使用i c m p v 6 ，不再需要使用隧道软状态； 家乡代理地址发现：移动、r 6 中，动态家乡代理地址发现机制使用i p v 6 泛播地址，仅返回单个应答给移动节点，而移动i p v 4 使用广播机制，家乡链路 上的每个家乡代理都给移动节点返回一个应答。由于实际上只有一个应答分组返 回到移动节点，移动i p v 6 机制更加高效和可靠，并且不存在应答爆炸问题。 目前对移动球研究的热点问题主要包括路由优化问题、外地代理平滑切换 问题、网络性能问题、安全问题服务质量q o s 保障问题、组播等，面组播通 信是很多新兴网络应用需要网络提供的重要传输方式。本文后面的章节将主要针 对移动口环境下的组播技术进行研究和分析。 13 第2 章移动口概述 2 5本章小结 本章首先介绍了移动m 的发展及其设计目标，接下来研究了移动p 的基本 术语和基本操作，并详细描述了移动口的基本工作原理。最后对移动i p v 4 和移 动i p v 6 进行分析和比较，对移动口的基本模型和工作机制进行了详细深入的研 究和分析。 1 4 第3 章移动m 中的组播技术 第3 章移动j p 中的组播技术 3 1固定网络的组播技术 互联网上腰组播机制的实施减少了网络上的通信流量，提供了对新的服务 模式的支持，更重要的是组播系统使大规模的网络业务不再因为负载和带宽的限 制局在传统的局域网范围之内，而是扩展到整个h l t 锄e t 上，包括分布广泛的商 业系统网络。由于组播具有节省发送者资源、减少网络流量、提高网络资源的利 用率等优点，所以，自1 9 8 8 年s t e p h e n d e e t i n g 1 捷出标准的m 组播服务模型后， p 组播及其相关网络技术一直是研究的一个热点 m 组播( 口m u l t i c a s t ) 又称组播或多播，是一种相对于单播( u n i c a s t ) 和广 播( b r o a d c a s t ) 的单对多( i