（信号与信息处理专业论文）移动ip切换技术的分析与改进.pdf

生型坚坐尘竺兰型兰堡兰一一一 堡垫! 望堡垫查箜竺堕兰墼垡 独创性( 或创新性) 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，也不包含为获得北京邮电大学或其他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。 申请学位论文与资料若有不实之处 本人繇辎一 本人承担一切相关责任。 f t 飙印吟3 珂 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解： 匕京邮电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北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位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、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学 立论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学应论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：上，2 莎 日期：2 1 煎：主：兰篓 移动i pi ；j 换技术的分析，改进 移动ip 切换技术的分析与改进 摘要 随着互联网和移动通信的蓬勃发展，随着笔记本电脑和p d a 等移动终 端设备计算能力的迅速增强，移动互连的需求变得十分迫切，技术也逐渐 可行。移动i p 是一种能够跨越不同链路层的移动技术。它通过代理和隧道 转发技术，使得移动节点能够以固定的i p 地址被访问，使得移动节点在移 动中保持通信不中断。节点的移动过程对上层协议性能产生很大影响，在 数据传输应用中，切换所引起的丢包、延迟和失序都将降低吞吐量。本文 重点对移动i p 切换技术做了分析，并在此基础上提出种简单可行的改进 方案，在实验环境中对该方案进行了模拟。 本文首先简要介绍了移动i p v 4 和移动i p v 6 ，然后重点分析了移动l p 切换过程对t c p 协议性能的影响，并探讨了目前几种主要的切换改进方案， 包括移动i p v 4 低延迟切换、移动i p v 6 快速切换和层次型切换，以及其它改 进思路。本文在上述改进方案的基础上，提出在切换过程中采用简单的缓 存技术，转发的同时缓存，缓存无需移动节点申请，无需对协议进行扩展， 在发现移动节点接入新的网络后立即将最近缓存的分组发往移动节点。这 一方案能够减少分组丢失，尽量避免由对端重传，降低时延。在链路层切 换延迟小于移动节点和通信对端之间t c p 协议r t t ( r o u n dt r i pt i m e ) 值的 情况下，进一步提高t c p 性能。 本方案在l i n u x 系统上进行了仿真，在移动i p v 6 的l i n u x 软件包 m i p l 上做了改动，使用h a 替代m a p ，仿真了对层次型切换的改进。 关键词：移动i p v 4 移动i p v 6 家乡代理绑定更新 切换 北京邮电大学学位论史移动f p 切换技术的分析与改进 t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t l 0 n0 ft h e c o m m u n i c a t l 0 nm e c h a n i s mo fm o b i l ei p v 6 a b s t r a c t m o b i l ei pp r o v i d e sm o b i l i t ys u p p o r to nd i f f e r e n tl i n kl a y e r w i t h a g e n ta n d t u n n e lf o r w a r do fm o b i l ei p ，m o b i l en o d ec a nb ea c c e s s e do naf i x e di pa d d r e s s ， w i t h o u t i n t e r r u p td u r i n gm o v e m e n t h o w e v e r , t h ep e r f o r m a n c e o ft c p d e g r a d e s d u r i n gn o d em o v e m e n t ，p a c k e t sl o s s ，l a t e n c ya n do u to fs e q u e n c ec a u s e db y h a n d o f fa l lh a v en e g a t i v ei m p a c to n t h r o u g h p u t i nt h i sp a p e r ，w ef o c u so nt h e a n a l y s i so f s e v e r a lh a n d o f fs c h e m e s ，a n dp r o p o s eas i m p l ei m p r o v e m e n tu p o n t h o s es c h e m e s ，f i n a l l y , w es i m u l a t ei to nl i n u x p l a t f o r m f i r s t ，w ei n t r o d u c em o b i l ei p v 4a n dm o b i l ei p v 6b r i e f l y t h e na n a l y z e i m p a c t o nt c pp e r f o r m a n c eb yh a n d o i f , d i s c u s ss e v e r a l i m p r o v e dh a n d o f f s c h e m e s ，i n c l u d i n gl o w l a t e n c y h a n d o f fi nm o b i l ei p v 4 ，f a s th a n d o f fa n d h i e r a r c h i c a l m o b i l i t ym a n a g e m e n t i nm o b i l e i p v 6 ，a n do t h e r s u p o nt h o s e s c h e m e s ，w ep r o p o s eas i m p l ec a c h i n gs c h e m e ，c a c h i n gp a c k e tw h i l ef o r w a r d i n g ， t h e r ei sn on e e df o rm nt ot r i g g e rc a c h i n g n on e e dt oe x t e n dt h em o b i l ei p p r o t o c o l ，o n l y n e e d c h a n g e s o n r o u t e r s ，a s l o n g a s f i n d i n g m no nn e w s u b n e t w o r k r o u t e r s ( a c t a sm a po ra r ) i m m e d i a t e l yr e t r a n s m i t p a c k e t s i n b u f f e rt om n w i t ht h i si m p r o v e m e n t p a c k e t sl o s sa n dl a t e n c yc a l lb er e d u c e d a n dr e t r a n s m i s s i o nf r o mc ni sm i n i m i z e d i nc a s e st h a tl i n kl a y e rl a t e n c yi s i o w e rt h a nr t ti nt c pb e t w e e ni v l na n dc n ，p e r f o r m a n c eo ft c pc a nb e i m p r o v e d w es i m u l a t eo u rs c h e m eo fh i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6o nl i n u xw i t hm i p l p a c k a g e i n s t e a do fi m p l e m e n t m 泼p w e m o d i f y h at os i m u l a t eo u rs c h e m e k e yw o r d sm o b i l e i p v 4 m o b i l e i p v 6 h o m ea g e n t b i n d i n gu p d a t e h a n d o f f 北柬 l 包大学学位论文 移动i p 切换技术的分析与改进 1 1 移动l p 简介 1 1 1 移动l p 提出 第一章绪论 随着无线通信技术、便携式计算设备平1 i n t e m e t 的发展，蜂窝移动i n t e r n e t 1 】成为现实， 移动i p 吲技术在蜂窝移动i n t e m e t 中的应用成为研究热点。 移动i p 技术【2 】最早是针对便携计算机的移动而提出的，是在i p v 4 协议基础上为支持 节点移动的补充解决方案。 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，使得移动节点在不同网络问不断移 动过程中仍能保持通信，是一个在i n t e r n e t j x 基于网络层提供移动支持功能的解决方案， 它解决了： 移动节点可以通过一个永久的i p 地址连接到任何链路上； 移动节点在切换到新的链路上时，仍然能够保持正在进行的通信。 移动i p 的实现将促进移动网络与i n t e m e t 的真正融合，也将促进移动网络运营商和 i n t e r n e t 运营商的统一。 1 1 2 移动l p v 4 和移动i p v 6 i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 一直致力于在i n t e m e t 上提供主机可移动性 的标准，该工作组已提出了在i p 协议之上实现网间漫游的许多工作。 i e t f 在1 9 9 2 年制定了移动i p v 4 的最初标准草案，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 g g r o u p ) 在1 9 9 6 年6 月通过了移动i p v 4 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 d s t a n d a r d ) 。 i p v 6 是i e t f 开发的新一代网络协议，它不但解决了i p v 4 存在的地址严重匮乏、对网 络安全和服务质量支持不够等很多问题，而且集成了网络安全、服务质量、移动性等内 容，使路由器处理分组更简便，协议的扩展性也更好。 北京邮f “大学学位沦史移动i p 切换技术的分析与改上生 移动i p v 6 的设计汲取了移动i p v 4 的设计经验，并且利用t i p v 6 的许多新的特征，所 以提供了比移动i p v 4 更多的、更好的特点。移动i p v 6 成为t i p v 6 协议不可分割的一部分。 1 1 3 移动i p 技术特点 移动i p 是一个提供移动功能的网络层解决方案，与改变i p 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。移动i p 通过在合适的节点上 建立转交路由表，将i p 包送到那些不在归属网络上的移动节点。它与下层的物理传输 介质无关，不需要改变移动节点的永久标识，主要具有以下几个特点： 是网络层的移动解决方案，适用于不同的底层接入技术，既可以从一个网段移动 到另一个网段，又可以从一种介质的网络移动到另一种介质的网络。 不论移动节点连接哪个数据链路层接入点，仍使用原来的i p 地址进行通信。 移动节点能与不具备移动i p 功能的计算机通信。 具有扩展性和安全性。 同正常的i p 路由机制比较，移动i p 路由机制带来了许多额外开销( 如隧道开销、三 角路由开销和分片开销) ，以及切换延迟和由此引发的丢包和失序问题，它们在一起将 大大降低网络的吞吐性能。 隧道开销是指在移动i p 运作过程中，引入了归属代理打包和外区代理解包的额 外开销。 三角路由开销是指通信对端发出的i p 报文不是直接发向移动节点而是先发给 归属代理然后再转交给外区代理，于是也引入了开销。 分片开销是指由于隧道封装占用了净荷空间，或由于移动节点与通信对端之间 m t u 的变化( 直接路由或三角路由) 所引入的额外分片及重组过程。 切换延迟是指移动节点在不同子网间切换时，因链路层切换过程，网络层的移 动地址检测、转交地址获取和重新绑定注册等过程产生的延迟。在切换过程中 还有可能丢包或失序，这些因素都会导致运输层协议吞吐量的急剧下降。 北京邮电犬学学位论文移动i p 切换技术的分析与改进 1 2课题提出 在下一代无线通信系统中，出于对节约信道等方面的考虑，小蜂窝( m i c r o c e u 和 p i c o c e l l ) 的架构将会获得越来越多的使用，这样将会导致链路的频繁切换，切换问题 的研究日益成为移动i p 技术的热点。影响切换性能的因素包括时延( 链路层切换延迟、 移动检测延迟、配置延迟和更新注册延迟) 以及切换引起的丢包和失序，这些因素与上 层协议相互作用，对不同的上层协议和应用类型产生了相应的影响。相关问题的研究一 直是移动i p 技术的热点，目前没有找到十分完满的解决方法。 本论文的重点是在介绍移动i p v 4 和移动i p v 6 协议的基础上，研究主机在移动过程 中的移动i p 切换问题：综合考虑切换过程中上层和底层与i p 层之间的相互作用关系： 分析影响切换性能的各种因素：提出了改进移动i p v 6 切换性能的方案。 1 3 论文的内容组织 论文分为三部分： 第一部分：概述，即第一章。简要介绍了移动i p 的提出、技术特点，移动i p v 4 和 移动i p v 6 的简述，以及论文研究的主要内容。 第二部分：深入移动i p 协议的研究和切换技术的分析( 包括第二章、第三章) 。 第二章介绍了移动i p 的基本概念，移动i p v 4 和移动i p v 6 的工作原理及它们之间的对比， 移动i p 的关键技术等。第三章分析了切换过程对t c p 协议性能的影响，介绍了现有的 四种移动i p 切换技术：移动i p v 4 低延迟切换( l o wl a t e n c yh a n d o f f ) 技术和移动i p v 6 的快速切换( f a s th a n d o v e r ) 、i p v 6 的平滑切换( s m o o t hh a n d o v e r ) 和i p v 6 的层次型 ( h m i p v 6 ，h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6 ) 管理模型。 第三部分：提出移动i p v 6 切换技术的的改进方法并论证分析，搭建仿真环境进手亍 模拟测试，总结本文所做的工作并展望未来。( 包括第四章、第五章和第六章，是本文 的重点内容) 。第四章提出了移动i p v 6 切换技术的改进方法，即缓存分组法，并分别 分析了移动i p v 6 - - r 速切换和h m i p v 6 采取改进后的工作过程、性能和可行性。第五蕈 搭建了第二个改进方法的原型进行模型测试，并对测试数据进行分析。第六章总结了本 北京邮l 色= 学学位论立移动i p 切换技术的分析与改进 文的主要工作，对下一步工作目标进行了展望。 一9 一 北京邮电大学学位论文移动i p 切换技术的分析与改上韭 2 1移动lp v 4 协议 第二章移动ip 协议研究 i e t f 在1 9 9 6 年6 月通过了移动i p v 4 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 ) ，主要是： r f c2 0 0 2 定义了m o b i l ei p v 4 协议； r f c2 0 0 3 、2 0 0 4 、1 7 0 1定义了m o b i l ei p v 4 中用到的三种隧道技术； r f c2 0 0 5定义了m o b i l ei p v 4 的应用； r f c2 0 0 6定义了m o b i l ei p v 4 的管理信息库m i b ；m o b i l e l p 的m i b 库是实现 m o b i l e l p 的节点的变量集合，管理平台可以通过网络管理协议s n m p v 2 对这些 变量进行检查和配置。 r f c2 3 4 4 定义了m o b i l ei p v 4 的反向隧道技术； r f c2 7 9 4定义了m o b i l ei p v 4 的接入识别扩展； 此外，还提出了许多性能优化草案。 2 1 1 移动i p v 4 基本原理 传统i p 技术的主机使用固定的i p 地址和t c p ( 传统控制协议) 端口进行相互通信。 在通信期间，它们的l p 地址和t c p 端口号必须保持不变，否则i p 主机之间的通信将无 法继续。而移动i p 主机在通信期间可能需要在网络上移动，它的i p 地址也许会经常发 生变化。若采用传统方式，i p 地址的变化会导致通信中断。为解决这一问题，移动【p 技术引用了处理蜂窝移动电话呼叫的原理，使移动节点采用固定不变的i p 地址，一次 登录即可实现在任意位置上保持与i p 主机的单一链路层连接，使通信持续进行。移动 i p 网络结构如图2 - l 所示。 北京邮f 乜大学学位论文移动i p 切换技术的分析与改进 归塑璺竺墨! ! 垦垡矍 外 焉_ j 一厂j _ 厂罱 两圆圆冈 j 芷信机：7 一 发信机i 一 _ 一 一7 一，j 一一 1 竺塑竺塞il 生竺! ! 圭墨! 垫! 皇j 图2 - 1 移动i p 网络结构 根据现有i p 网络的寻路机制，同一个i p 子网的节点具有相同的网络前缀。当某 主机从一个子网移到另一个子网时，它原来的i p 地址的网络前缀与当前接入子网的网 络前缀不同，因此发往该主机的分组就不能到达目的主机。移动i p 为主机在移动的同 时能够连续访问i n t e r n e t ，提供了网络层支持。一个移动节点( m n ) 在它的归属网络上有 一个长期的i p 地址，称为移动节点的归属地址。当m n 移动到外区网络时，它可以通 过外区网络上的路由器代理公告获取一个临时的转交地址，这个转交地址反映了m n 当 前接入的网络。然后m n 向归属代理注册，告知当前的转交地址，归属代理将m n 的归 属地址和转交地址放入绑定高速缓冲区。当通信对端( c n ) 向m n 发送分组时，发往m n 的分组按i p 网络的寻路机制首先到达归属网络，被归属代理拦截后用隧道技术转发给 m n 的转交地址。在移动i p v 4 中，由于地址缺乏，常采用外区代理的i p 地址作为m n 的转交地址，外区代理解隧道封装后再将分组转发给m n 。m n 发给c n 的分组通过标 准的i p 寻路机制直接转发，形成了c n 与m n 通信中的“三角路径”，如图2 所示。 2 1 2 移动ip v 4 基本概念 2 1 2 1功能实体 图2 - 2 移动i p v 4 的基本原理 在参考文献【4 1 中定义了三种必须实现移动协议的功能实体： 北京邮i 乜人学学位论，：c =移动i p 切换技术的分析与改进 移动节点( m o b i l en o d e ) ：是当网络接入点发生变化时，仍能用原【p 地址保持 所有诋在进行的通信的节点。 归属代理( h o m ea g e n t ) ：是有个端口与移动节点归属链路相连的路由器。 当移动节点离开归属链路时，它负责把发往移动节点的分组通过隧道转发给移 动节点，并维护移动节点当前的位置信息。 外区代理( f o r e i g n a g e n t ) ：是移动节点目前所在链路上的路由器。一方面提供 移动节点的转交地址( c o a ) ；另一方面负责恢复封装在隧道里的原始数据包， 并将其发送给移动节点。 图2 3 是移动i p 网络的构成图，它表明了移动节点，归属代理和外区代理的功能及 在网络中的关系。 移动节点防问外l 五 外区代理在归属测络的移动节点 外区网络 图2 - 3 移动i p 功能实体及相互关系 归属代理和外区代理一般是运行在传统路由器或主机( p c 或工作站) 上的软件， 移动节点则可能是具有可便携性的计算机，如笔记本电脑等。通常一个节点可以是一些 移动节点的外区代理，同时又是另一些移动节点的归属代理。 21 2 2 移动节点的两个地址 归属地址( h o m e a d d r e s s ) 这是移动节点的通信对端们所知道的移动节点的i p 地址。当移动节点在因特网上移动时，它的归属地址是不变的。移动节点归属地址的网 络前缀与在它的归属链路上的节点的网络前缀是一样的。移动节点的归属地址、归属链 路和归属代理是密切相关的。 转交地址( c a r e o f a d d r e s s ) ，即隧道终点地址移动节点将这个地址暂时作为从 北京邮电大学学位论文移动i p 切换技术的分析与改进 移动节点的归属代理发出的隧道的出口。当移动节点在因特网上移动时，转交地址是会 改变的。转交地址有两类：它可能是外区代理转交地址。也可能是m n 转交地址。外区 代表转交地址是外区代理的一个地址，移动节点利用它进行登记。在这种地址模式中， 外区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。由于这种地址模式可使很多移动节点共享同一个转交地址，而且不 对有限的i p v 4 地址空间提出不必要的要求。所以这种地址模式被优先使用。m n 转交地 址是一个临时分配给移动节点的地址。它由外区获得( 如通过d h c p ) ，移动节点将其 与自身的一个网络接口相关联。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m n 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，也是移动节点与外区网连接时使用的i | 缶时地 址。每当移动节点接入到一个新的网络，转交地址就发生变化。移动节点的转交地址、 外区链路和外区代理是密切相关的。 2 12 3移动节点的三个主要功能 212 3 1 代理发现( a g e n td is c o v e r y ) 移动i p 定义了两种代理发现方法： ( i ) 被动发现，即所有移动节点侦听移动代理发布的代理公告。通常移动节点采 取被动模式完成代理发现，因此所有代理都要具备代理公告功能。 ( 2 ) 主动发现，即在无法听到代理公告且无法获得转交地址时，移动节点主动发 送代理请求报文( a g e n ts o l i c i t a t i o n ) ，因此所有移动节点都应具备代理请求功能。 移动i p 采用扩展的“ c m pr o u t e rd i s c o v e r y ”机制作为代理发现的主要机制。代理公 旨报文由i p 头标、i c m p 路由公告、移动代理扩展公告和前缀长度扩展信息( 可省略) 四部分组成，报文各组成部分格式与r f c 标准相符。 对移动节点来说，代理发现主要完成三个任务： ( 1 ) 判断自己是否在归属网还是在外区网上。移动节点根据i p 头标中的源地址 静缀，判断自己所连接的子网。若此前缀与移动节点归属地址的前缀相同，则在归属网 中，否则在外区网中。 北京邮电犬r 挚学位论文移动i p 切换技术的分忻与改j 2 ( 2 ) 检测自己是否已移动到一个新的区域网络中。可采用两种机制：一种是使用 代理公告报文中的存在时间域( l i f e t i m ef i e l d ) 。若移动节点已在某一外区代理登记，且 在固定时间内未收到此外区代理发送的代理公告，则可判断自己己漫游到一个新的区域 网络中，这种机制可在任何情况下使用；另一种是使用网址前缀，要求公告报文中必须 包括前缀长度扩展信息，移动节点对此前后两次收到的代理公告中网址前缀，若相同， 则认为自己仍在同一子网中，否则说明已移入新的子网。 ( 3 )当连接到外区网时，设法获得个转交地址，移动节点只需直接阅读代理公 告，就可获得外区网的一个转交地址。 21 2 3 2 位置登记( r e g i s t r a t i o i l ) 为了实现互联通信，移动节点必须将其当前的位置信息向归属代理登记，以便被 h a 或c n 找到。移动i p 位置登记步骤如下： 向外区网上的外区代理请求进行路由服务。 通知归属代理其当前的转交地址。 移动到新的i p 子网或是前一次登记将要过期时，重新向归属代理进行登记。 回到归属网时，向归属代理撤销登记。 位置登记包括登记请求和登记答复两种信息在移动节点和归属代理之间交换。移动 节点首先向归属代理发出登记请求，表示一次位置登记已开始；归属代理处理完成登汜 请求后，面向移动节点发送登记答复；移动节点收到登记答复后，此次位置登记结束。 移动i p 技术使用用户数据报协议( u d p ) 传送登记请求和登记答复。 在移动i p 技术中，通常有三种位置登记规程f 3 】： ( 1 ) 移动节点在外区网上，通过外区代理转交地址进行登记，见图2 - 4 a 。 ( 2 ) 移动节点在外区网上，通过m n 转交地址，直接向归属代理进行登记，见 图2 4 b 。 ( 3 ) 移动节点返回归属网时，撤销登记，见图2 4 c 。 一1 4 北京邮电大学学位论丈 移动i p 切换技术的分析与改j 登记蒋蔓 图2 4 b 羹降弹 威f 叠记爵碾i ! 赢】 种j7 理lf 獭梢)f 归瑚嘲 2 1 2 3 3 隧道技术( t u n n e in g ) 图2 4 c 移动i p 技术使用隧道技术向连接在外区网上的移动节点转发数据包。其他用户和 某个移动节点通信时，只需向该节点的归属地址发送数据包，根据一般路由算法，将此 数据包发往归属地址所属归属网。归属网的归属代理截获此原始数据包，对其进行隧道 封装，然后转发至移动节点的转交地址。在隧道终点( 外区代理或移动节点本身) 处， 解除数据包隧道封装，原始数据包最后到达移动节点( 见图2 5 2 3 】) 。与之相反，移动节 点发往外区的数据包使用移动节点的归属地址作为源地址，此数据包根据一般路由算 法，直接发往目标地址，通常不必进行隧道封装。 北京邮l 乜大学学位论文 移动i f 切换技术的分析，i 改进 1 只，原精挺透嚣 i f 。i 锰终日日馓 墨兰主鲨譬一原始i p 乜 ：二鬣：j ip ，一雌道口d j 鐾的i p 旺 外部净衙 廖功常点外地代理 象乡代璐 从家乡 理通岛 国净i 圣k 二 b 外心嘲的龇 图2 - 5 隧道技术 r f c 2 0 0 3 、r f c 2 0 0 4 和r f c l 7 0 1 标准分别定义了i pi ni f i 引、最小封装和通用路由 封装三种隧道封装技术，如图2 - 6 所示。 译内的审封裴( r i 9 2 - 0 0 3 ) 驴内舳最小封鞋( r f c2 0 0 4 ) 图2 - 6 两种隧道封装技术 i pi ni p 的封装技术在原始数据包前插入一个外层头标，除了按照r f c 规范设定一 系列参数外，源地址和目标地址分别被设定为隧道入口点和隧道终点。对于内层头标的 t t l 而言，整个隧道看作一个虚拟链路，即只在入口和出口处各减l 。 对移动i p 来说，最小封装技术是一种可选技术。它修改原始数据包中的i p 头标， 在修改后的头标与净负荷之间，插入最小转发头标。与i p 封装相比，最小封装可节酋 一些字节数( 通常是8b y t e ) ，但数据包在封装之前不能分片。在隧道封装期间，最小封 装后的数据包每通过一个路由器。其t t l 值都会减少。 通用路由封装支持多协议封装，这里就不赘述了。 通过这三个相关功能，可以使连接在外区网络的移动节点以一个“永久”的i p 地址f 景 銎姜 北京邮电大学学位论文移动i p 切换技术的分析j i 改进 持通信连接。 21 ，3 移动i p v 4 工作过程 ( 1 ) 归属代理和外区代理在各自的网络上定期组播或广播代理公告( a g e n t a d v e r t i s e m e n t s ) ，已声明自己所处位置。 ( 2 ) 移动节点接收或通过代理请求消息( a g e n ts o l i c i t a t i o n ) 来获得代理公告，通 过分析代理公告，确定自己是在归属网络还是在外区网络。 ( 3 ) 如果移动节点仍在归属网络中，则无需启动移动功能；若移动节点剐从外区 网返回，则需向归属代理发出撤销登记请求。 ( 4 ) 当移动节点处在外区网络上，则从代理公告中获得转交地址。 ( 5 ) 移动节点向归属代理登记注册自己的转交地址。 ( 6 ) 归属代理及其他相关路由器截获发往己登记节点归属地址的数据包，归属代 理对数据包进行隧道封装，然后通过i p 隧道发往移动节点转交地址。 ( 7 ) 使用外区代理转交地址时，外区代理收到数据包后解除其隧道封装，从中取 出原始数掘包，发给移动节点。若使用m n 转交地址，则由移动节点自行解除隧道封装。 ( 8 ) 移动节点由一子网切换到另一子网时，只需重新登记转交地址，发往节点归 属地址的数据包仍可到达移动节点，数据传输不会中断。 ( 9 ) 移动节点送出的数据包按一般i p 寻址方式发送，不必通过归属代理。 移动i p 的工作过程如图2 7 2 3 j 所示。 ! ! 室l l 坐皇查兰兰竺堡兰 堡垫里塑垫苎查塑坌堑皇墼垄 图2 7 移动i p v 4 工作过程 2 1 4 移动i p v 4 存在的问题 2 1 4 1 三角路径问题 移动i p 协议执行时常会遇到三角路径问题，即通信节点发送数据包到移动节点时 北京邮电大学学位论义移动i p 切换技术的分析与改进 需要通过其归属代理，而移动节点根据标准i p 路由规则将数据包直接发送到通信节点。 三角路径问题会引起一些潜在的危害，例如增加引入流量的延迟容易引起归属代理处的 路由瓶颈。 21 42 外区代理间的平滑切换问题 由于移动节点的移动频率可能很高，与移动节点通信的每个主机可能来不及收到移 动节点的地址更新消息，在主机离开一个子网而进入另一个子网期间，在网络上有可能 存在以移动节点为目的的分组。因此保证这些分组的可达是网络实现在于网涮平滑漫游 的主要问题。 2 1 43 其他问题 移动节点连至i n t e r n e t 的链路通常是无线链路，这种链路与传统的有线网络相比， 其带宽明显低得多，误码率高得多；某些防火墙也可能会阻断i p 隧道，因为它们检验 每个数据包的源地址，而移动节点的数据包归属地址与外区网的网络地址不一样，从而 导致防火墙阻截i p 隧道数据包；另外移动节点一般是电池供电，如何减少为支持移动 性所必要的操作从而减小功耗是一个急需解决的问题。 2 2 移动ip v 6 协议 2 2 1ip v 4 的缺陷及ip v 6 的解决方案 随着i n t e r n e t 的发展，i p v 4 协议出现了地址严重匮乏、对网络安全和服务质量支持 不够等很多问题，不能满足目前网络应用及发展的需求。为了解决i n t e m e t 目前和将来 有可能遇到的问题，i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ( i e t f ) 在i p v 4 的基础上定义了下一 代的被称2 _ n “i p n g ”或“i p v 6 ”的i p 协议。i p v 6 协议的制定主要经历了两个主要阶段：第 一阶段是1 9 9 6 年之前，i p v 6 及其支持的协议r f c 标准( r f c l 8 8 3 1 8 8 7 ) 制定；第二 阶段是1 9 9 8 年，新的i p v 6 的r f c 标准( r f c 2 4 6 0 一2 4 6 3 和r f c 2 3 7 3 - - 2 3 7 4 ) 制定。 这期间建立了i p v 6 的试验网络6 b o n e 。 北京邮i 乜大学学位论j 移动i p 切换技术的分析与改进 2 2 2ip v 6 主要特点和变化 2 22 1 修改地址体系机构 ( 1 ) i p v 6 地址由3 2 位扩展为1 2 8 位，共有2 1 2 8 个i p 地址。 ( 2 )i p v 6 具有网络适配的层次地址。i p v 6 地址的1 2 8 位中，高6 4 比特表示网络 | j 缀，低6 4 比特表示主机，为将网络前缀分成多个层次的网络，又将其分成1 3 比特的 t l a ( t o p l e v e la g g r e g a t i o n ) 一i d ，2 4 比特的n l a ( n e x t l e v e la g g r e g a t i o n ) 和l6 比特的 s l a ( s i t e l e v e la g g r e g a t i o n ) 。如图2 - 8 所示【6 】。 圈2 - 8i p v 6 层次化寻址方式 ( 3 ) i p v 6 地址通过其地址前缀来划分其传输类型，共分为3 种： 单播( u n i c a s t ) 地址：目的地址是指明一个单一网络接口( s i n g l e i n t e r f a c e ) 。 组播( m u l t i c a s t ) 地址：目的地址是一组计算机( 典型情况是属于不同网络的 不同节点) ，发送到一个m u l t i c a s t 地址的分组将通过硬件组播或者广播投递给 该组中的每一个成员。在i p v 6 中没有i p v 4 中的广播地址( b r o a d c a s t a d d r e s s ) ， 用多播地址取代。 泛播( a n y c a s t ) 地址：目的地址是共享一个地址前缀的计算机组合( as e to f i n t e r f a c e s ，典型情况是挂在同一个物理网络上的不同节点) ，发送到一个a n y c a s t 北京邮电大学学世论史移动l p 切换技术的分析与改进 地址的分组将选择一条最近的路径到达该集群。接收方只需要是一组接口中的 个即可，如移动用户上网就需要因地理位置的不同，而接入离用户最近的一 个接收站，这样才可以使移动用户在地理位置上不受太多的限制。 ( 4 )i p v 6 地址具有范围( s c o p e ) 属性，根据地址的有效范围，可以分为全球 ( g l o b a l ) 地址，区域局部( s i t e - - l o c a l ) 地址和链路局部( 1 i n k l o c a l ) 地址。 2 2 2 2 简化报头设计 i p v 6 报头设计的原则是尽力降低报头处理开销，将i p v 4 首部中的一些域被抛弃或 改为可选项，这样可降低通用情况下包处理代价，同时限制i p v 6 包的带宽代价。所以 虽然地址改为1 2 8 位，但报头大小只增加一倍，从i p v 4 的2 0 个字节增为4 0 个字节。i p v 4 与i p v 6 首部格式 6 】如图2 - 9 所示。 h 砷o f l h l恻h 蛐 蜘i h 嘲m _ n k l 瑚嘲l一卅 0 m t l m t o u ip m 自州l l m d a c h h 姗 s m m 由 。删n 蝴埘 酣r ：o删on p 捌嘲 一矩b 啦 图2 9 a p v 4 首部格式 2 2 2 3 可实现自动配置 脚 翱佃卅“r - - h b 笆篙 盛怒；w l i n e r m 由 图2 - 9 b i p v 6 首部格式 i p v 6 支持无状态( s t a t e l e s s ) 和有状态( s t a t e f u l ) 两种自动配置地址方式。在无状 态地址自动配置方式下，节点使用邻居发现机制获得一个链路局部地址，通过使用即插 即用机制，在没有任何人工干预的情况下，能够获得唯一的全球i p 地址。有状态配置 机制如动态主机配鼍协议d h c p ，需要一个额外的服务器，也就需要很多额外的操作和 维护。 北京娜电大学学位论文 移动i p 切换技术的分析与改进 222 4 服务质量( o o s ，q u a ii t yo fs e r v i c e ) 支持。 i p v 6 报头中新增加了“业务级别”( t r a f f i cc l a s s ) 和“流标签”( f l o w l a b e l ) 字段， 支持资源预留，从而支持集成服务( i n t s e r v ) 和差分服务( d i f f s e r v ) 机制。在分组传 输过程中，中继路由节点通过它们识别和分开处理任何分组，并按需对这些分组进行特 定的处理。 2 22 5 内置的安全特性 i p v 6 协议同i p s e c ( i ps e c u r i t y ) 安全机制一体化，通过认证头( a h ，a u t h e n t i c a t i o n h e a d e r ) 和封装安全净荷( e s p ，e n c r y p t e ds e c u r i t yp a y l o a d ) 扩展报头提供丁i p 分组的 认证和加密。对所有i p v 6 节点，i p s e c 是强制实现的。i p v 6 强制性的安全性包括两方面 内容： i p v 6 数据分组的接受者可以要求发送者首先利用i p v 6 的a h 进行登录，然后才 能接收数据分组。这种登录是算法独立的，可以有效地阻止网络黑客地攻击。 利用i p v 6 地e s p 加密数据分组，这种加密也是算法独立地，意味着可以安全地 在i n t e r n e t 上传输数据而不用担心被第三方截取。 2 2 2 6 移动性 i p v 4 协议对移动地支持是可选部分，而移动i p v 6 是i p v 6 协议不可缺少地组成部分。 移动i p 需要为每个移动设备在访问外区网络上提供一个全球唯一地临时i p 地址，i p v 4 协议没有足够的地址空间为i n t e m e t 上每个移动设备分配一个这样的地址，因此移动 i p v 4 协议不适合用于数量庞大的移动设备。而移动i p v 6 能够通过简单的扩展，满足大 规模移动用户的需求。 2 2 3 移动ip v 6 的工作原理 22 ，31 移动i p v 6 工作过程 ( 1 ) 移动节点采用i p v 6 版的路由器搜索( r o u t e rd i s c o v e r y ) 确定它的转交地址。 北京邮电大学学位论文 移动【p 切换技术的分钎与改进 ( 2 ) 移动节点连接在它的归属链路上时与任何固定的主机和路由器一样工作。 ( 3 ) 当移动节点连接在外区链路上时，它采用i p v 6 定义的地址自动配置方法得到 外区链路上的转交地址。 ( 4 ) 移动节点将它的转交地址通知给归属代理。 ( 5 ) 如果可以保证操作时的安全性，移动节点也将它的转交地址通知几个通信对 端。 ( 6 ) 不知道移动节点的转交地址的通信对端送出的数据包和移动i p v 4 中一样进行 路由，即它们先被路由到移动节点的归属网络，从那里归属代理再将它们经过隧道送到 移动节点的转交地址， ( 7 ) 知道移动节点转交地址的通信对端送出的数据包可以利用i p v 6 选路报头直接 送给移动节点，选路报头将移动节点的转交地址作为一个中间目的地址。 ( 8 ) 在相反方向，移动节点送出的数据包采用特殊的机制被直接路由到它们的目 的地。然而，当存在入口方向的过滤时，移动节点可以将数据包通过隧道送给归属代理， 隧道的源地址为移动节点的转交地址。 2 2 3 2 移动i p v 6 基本操作 ( i ) 获取转交地址和归属注册。 连接到外区链路后，通过常规的i p v 6 无状态和有状态的自动配置机制，移动节点 可以获得一个或多个转交地址。转交地址的子网前缀是移动节点正访问的外区链路的子 网前缀。移动节点在外区网络获得转交地址后，先进行新转交地址的重复地址检测，确 定其唯一性后再向归属代理申请注册，为移动节点的归属地址和转交地址在归属代理上 建立“绑定“，使得归属代理能够把只知道其归属地址的节点发来的分组转发到移动节点 的当前位置。此过程中使用的地址称为移动节点的“主转交地址”。归属注册过程如图2 - 9 所示。 北京邮l 乜大学学位论文 移动i p 切换技术的分析与改进 沸定照新 ! 定心罾 图2 - 9 归属注册过程 ( 2 ) 与通信对端的通信。 移动i p v 6 允许移动节点在通信对端上进行类似“归属注册”的绑定注册过程，称为 “通信对端绑定”，绑定过程见图2 1 0 。为了保证这种绑定的安全性，规定它的建立必须 经过“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 ) ”的授权。 俸砷节点 图2 1 0 移动节点将它的转交地址通知给一个通信对端。 如果通信对端上存在关于移动节点归属地址和主机地址的绑定，就可以直接把分组 发送到移动节点的转交地址；否则，只能把分组发送到其归属地址。 ( 3 ) 移动透