（计算机系统结构专业论文）融合移动ip和蜂窝ip的无线局域网研究与设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ( 目前可以实现移动计算，提供移动因特网接入的无线网络有多种类型，主要 模式分为两种：一种是无线l a n 和蓝牙，它们可以提供高速率，但距离受限的无 线移动接入；另一种是基于公众蜂窝移动系统的数据网络，如叠加在g s m 网络上 的g p r s ，以及目前正在研发的第三代移动通信系统。 支持移动性的网络协议有多种，移动i p 和蜂窝i p 是最具代表性的两个支持 i p 移动性的协议。其中，移动i p 对宏移动性支持较好，它提供了一个简单的可 扩展的全球移动性解决方案，适合于大范围的移动性和相对低速的移动主机，但 不适合于支持快速无缝的切换；蜂窝i p 贝u 集成了蜂窝网络的快速平滑切换和高效 位置管理等优点，同时又具有i p 网络固有的灵活性和可扩展性，对微移动性的支 持较好。两者若相互配合，则能很好的支持i p 移动性。、l 序毒针对当前移动计算网络和协议的现状，分析了未来移动计算网络的发展趋势， 指出未来的移动计算网络的发展方向将是通过移动i p 和蜂窝i p 进行融合，未来 的移动计算网络基础将是基于移动i p 和蜂窝i p 的全i p 网络，能支持各种接入子 网间的用户的无缝切换。 在此未来网络发展趋势的背景下，详细研究了移动i p 和蜂窝i p 与无线局域 网的融合。 ， 分析了融合移动i p 和蜂窝i p 后的无线局域网的体系结构和协议栈，在协议 栈中提出了i p 关口层，在关口层中实现移动i p 和蜂窝i p 对i p 移动性的支持； 继而对融合了移动i p 和蜂窝i p 后的无线局域网的i p 路由性能进行了分析、优化 和比较；接着详细研究了无线局域网中的i p 关口层和数据链路层对移动i p 和蜂 窝i p 的支持0 最后设计并实现了无线局域网环境下基于l i n u x 操作系统的移动 i p 和蜂窝i p 的部分功能，验证了融合移动i p 和蜂窝i p 后无线局域网能较好的 支持频繁切换和无缝漫游。 关键词：移动计算网络：移动因特网：无线局域网：移动i p ； 蜂窝i p ；i p 关口层：融钦 l 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h e r ea r es o m ek i n d so fn e t w o r k st h a tc a r l i m p l e m e n tm o b i l e c o m p u t i n ga n do f f e rm o b i l ei n t e r a c ta c c e s s t h e s en e t w o r k sc a nb ed i v i d e di n t ot w o， k i n d s ：o n ek i n do fn e t w o r ki sw i r e l e s sl a na n db l u e t o o t h w h i c hc a no f f e rh i g hd a t a t r a n s m i s s i o nr a t ew i r e l e s sm o b i l ea c c e s sw h i l ei nr e s t r a i n e dd i s t a n c e ；t h eo t h e ri st h e - d a t an e t w o r k sb a s e do n p u b l i cc e l l u l a rm o b i l es y s t e m s u c ha st h eg p r s t h a tp i l e su p t h en e t w o r ko f g s m a n dt h e1 1 1 i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c hi s b e i n gd e v e l o p e d t h e r ea r ea l s os o m ek i n d so fn e t w o r k p r o t o c o l st h a tc a ns u s t a i nm o b i l i t y m o b i l e i pp r o t o c o la n dc e l l u l a ri p p r o t o c o l a r et h em o s t r e p r e s e n t a t i v ep r o t o c o l s ，b u tt h e yh a v e s o m ed i f f e r e n c e s m o b i l ei pp r o t o c o lc a ns u s t a i nt h em a c r om o b i l i t ys u c c e s s f u l l y , i t a f f o r d sas i m p l ea n de x t e n s i b l eg l o b a lm o b i l i t yr e s o l v e n t a n di ti ss u i t a b l ef o rl a r g e s c a l ea n dr e l a t i v e ) 7l o ws p e e dm o b i l eh o s t s ，b u tm o b i l e pi sn o tf i tf o rs u p p o r t i n g r a p i d a n ds e a m l e s sh a n d o f f ；c e l l u l a ri p p r o t o c o li n t e g r a t e t h ec e l l u l a rn e t w o r k s e x c e l l e n c e s o f r a p i ds m o o t h n e s sh a n d o f f a n dk i g h e f f e c t i v el o c a l i t ym a n a g e m e n t ，a n da t t h es a m et i m ec e l l u i a ri ph a st h ei pn e t w o r k sf l e x i b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y , i tc a n s u s t a i n 山em i c r om o b i l i t ys u c c e s s f u l l y i fw ec a nm a k et h e mt oc o o p e r a t ew i t he a c h o t h e r , t h ei pm o b i l i t ym a yb es u s t a i n e db e a u t i f u l l y a i m i n ga tt h ep r e s e n ts i t u a t i o nm o b i l ec o m p u t i n gn e t w o r ka n dp r o t o c o l s ，w e a n a l y s et h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo f f u t u r em o b i l e c o m p u t i n g n e t w o r k w et h i n kt h e d i r e c t i o no ff u t u r em o b i l ec o m p u t i n gn e t w o r kw i l lb ei n o s e u l a t e dt h r o u g hm o b i l ei p a n dc e l i u i a ri et h eb a s eo ff u t u r em o b i l ec o m p u t i n gn e t w o r kw i l lb ec o m p l e t ei p n e t w o r k sf o u n d e do nm o b i l ei pa n dc e l l u l a ri p - a n di tc a r ls u p p o r tt h eu s e r si nd i f f e r e n t k i n d so fa c c e s ss u b n e th a n d o f fs e a m l e s s u n d e rt h et e n d e n c yo ff u t u r em o b i l ec o m p u t i n gn e t w o r k , w er e s e a r c ht h e i n t e g r a t i o no fm o b i l ei p c e l l u l a r i pw i t hw i r e l e s sl a ni nd e t a i l s w ea n a l y s et h ew t r e l e s sl a n sa r c h i t e c t u r ea n dp r o t o c o ls t a c ka f t e ri n t e g r a t i n g w i t hm o b i l ei p c e l l u l a ri ew e b r i n gf o r w a r dt h ec o n c e p to fi pp a s sl a y e r t h e i m p l e m e n t a t i o no f m o b i l ei p s c e l l u l a ri p ss u p p o r t i n gi pm o b i l i t yw i l lb ei ni pp a s s i i i t 华中科技大学硕士学位论文 l a y e r t h e nw ea n a l y s e ，o p t i m i z ea n dc o m p a r et h e h e l e s sl a n si p r o u t i n g p e r f o r m a n c ea f t e ri n t e g r a t i n gm o b i l ei p & c e l l u l a ri p 、v i t l lw i r e l e s sl a n n e x tw e r e s e a r c hi nd e t a i l st h ei pp a s sl a y e r sa n dt h ed a t al a y e r ss u s t a i no nm o b i l ei p & c e l l u l a ri pi nw i r e l e s sl a n f i n a l l yw ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o np a r tf u n c t i o n so f m o b i l ei p c e l l u l a ri pu s e di n i e s sl a nb a s e do nl i n u x0 s ，a n dt h et e s t st e s t i 钾 m a tt h em r e l e s sl a nw h i c hi n t e g r a t e sw i t hm o b i l ei p & c e l l u l a ri pc a r lp r e f e r a b l y s u p p o r tt h ef i e q u e n c yh a n d o f f a n ds e a m l e s sr o a m i n g k e yw o r d s ：m o b i l ec o m p m i n gn e t w o r k ；m o b i l ei m e m e t ； w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ；m o b i l ei p ；c e l l u l a ri p ； i pp a s sl a y e r ；i n t e g r a t i o n 1 1 1 华中科技大学硕士学位论文 图表目录 图1 - 1 ：移动计算的组成( 3 ) 图卜2 ：基于i n t e r n e t 的移动计算网络一( 6 ) 图2 1 ：向在外地链路上的移动节点发送数据包( 15 ) 图2 2 ：蜂窝i p 和移动i p ( 1 6 ) 图2 3 ：寻呼更新包创建映射表( 18 ) 图2 - 4 ：移动中寻呼映射表的更新( 1 8 ) 图2 - 5 ：下行信息包的路由( 1 9 ) 图2 6 ：越区切换( 2 0 ) 图2 7 ：g p r s 网络的逻辑结构( 2 3 ) 图2 8 ：w - c d m a 中融合移动i p ( 2 4 ) 图2 9 ：c d m a 2 0 0 0 中融合移动i p ( 2 5 ) 图2 1 0 ：未来移动计算网络体系结构图( 3 1 ) 图3 - 1 ：融合移动i p 和蜂窝i p 的w l a n 协议栈( 3 4 ) l 蛩3 2 ：i n f r a s t r u c t u r e 网络( 3 5 ) 图3 3 ：a dh o ci 碉络( 3 6 ) 图3 - 4 ：扩展的8 0 2 1 1 无线局域网拓扑结构( 3 7 ) 图3 一j ：融合移动i p 的w l a n 基本体系结构( 3 8 ) 图3 6 ：融合移动i p 和蜂窝i p 的w l a n 基本体系结构( 3 9 ) 图3 7 ：两个移动节点之间的通信( 4 1 ) 图4 1 ：a p 在i p 关口层上与旧和w a s 的通信( 4 4 ) 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 绪论 近年来，随着i n t e r n e t 的应用渗透到人类社会经济生活的各个方面，人们对 因特网上信息的依赖性持续增长；另外，随着便携式计算机、移动终端的普及和 无线局域网技术、蜂窝网技术的不断成熟，越来越多的用户习惯于移动通信方式。 人们希望能够更加灵活地、不受任何限常4 地接入到i n t e r n e t ，即可以在任何时间、 任何地点及移动状态下访问因特网，共享资源和服务，而不局限于某一固定区域。 于是，移动计算网络( m c n ，m o b i l ec o m p u t i n gn e t w o r k ) 的需求应运而生。 移动计算网络，特别是i n t e r n e t 的移动接入是当前国际上十分活跃的研究课 题。由于i n t e r n e t 的普及应用，目前关于移动计算网络的研究主要是基于 i n t e r n e t 展开的。对于需要随时保持在线的移动用户来说，无线通信是解决问题 的惟一方法，而蜂窝通信和无线局域网的发展为移动因特网的实现莫定了网络连 接的基础吼 第二代( g s m 、c d m a ) 、2 5 代( g p r s ) 和第三代( w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 ) 移动数 据通信系统都能够为移动用户提供广域数据传输业务。g s m 的数据业务是基于电 路交换的，仅能提供9 6 k b p s 的接入速率；g p r s 则实现从空中接口到外部网络之 间的分组数据传输，可提供的速率为1 4 4 k b p s ；当前正在开发的第三代移动通信 系统则能为在低速移动用户提供3 8 4 k b p s 的数据业务速率。 无线局域网技术也已成熟和标准化，目前有多种无线局域网技术标准：典型 的如i e e e8 0 2 1 1 和h i p e r l a n ，它们都已具备较高的数据通信能力，如i e e e 8 0 2 11 b 的传输速率可达1i m b p s ，而h i d e r l a n 达到2 3 5m b p s 。 据我国信息产业部统计，截至2 0 0 2 年3 月底，我国移动电话用户已达到1 6 1 5 亿户。另据预测，到2 0 0 6 年底，全球无线用户将会超过1 7 亿，而其中的5 亿以 上将通过无线方式接入因特网。 蜂窝通信和无线局域网技术的成熟和网络规模的不断扩大，导致了用户在网 络间的漫游也越来越频繁。如何使用户在接入i n t e r n e t 的同时，能够在不同的网 络间漫游和移动，是目前急待解决的问题。 华中科技大学硕士学位论文 要实现基于i n t e r n e t 的移动计算，将面临许多问题，由于无线网络在数据传 输机制、协议、性能( 带宽、延时、误码率、安全性等) 诸方面与有线网络不同， 所以对于移动计算和移动互连有许多问题有待研究和解决。需要分别在链路层、 网络层、传输层制定相应的解决方案【2 】。 移动互连网是未来移动通信的发展方向。我国作为世界上潜在的、最大的移 动互联网市场，移动通信和互联网现在已经是我国信息产业的两大支柱，据我国 信息产业部测算，未来5 年我国信息产业至少将新增投资1 万亿元，其中通信业 超过5 0 0 0 亿元。当前急需拥有自主版权的能满足移动i n t e r n e t 接入的无线网络 系统和移动终端软件产品。 据此，计算机学院网络与信息系统研究室对移动计算网络进行了较深入的研 究。在无线蜂窝数字通信网络领域，与华为技术有限公司进行了智能网业务仿真 平台( 移动及有线智能网) 的项目合作开发；在无线局域网领域，一直致力于无 线局域网体系结构的研究和关键无线网络设备的开发及软件设计，并取得了华中 科技大学研究生基金的资助( 项目编号：2 0 0 1 - x 5 0 ) 。 我有幸作为主要开发人员参加了上述两个项目。在智能网仿真平台项目中， 我在华为技术有限公司中研智能网络资源研究部进行了半年的封闭开发，承担了 “自动脚本测试”子系统的软件开发工作，并负责多个版本的移动及有线智能网 系统和仿真平台的搭建、维护，全流程的经历了规范、严格的从需求分析、概要 设计、详细设计、编码、单元测试、集成测试到最后验收测试通过的软件开发过 程。 在“无线接入点软件研究与设计”项目中，我主要研究了i n t e r s i l 公司的 p r i s mw l a n 芯片组，i e e e8 0 2 1 1 协议簇，无线接入点的体系结构，移动i p 、蜂 窝i p 协议以及它们与无线局域网的融合，参与了部分程序实现及部分测试工作。 本论文将是我对自己所参与的上述两个项目的总结，主要从支持i p 移动性的 角度论述了移动计算网络的发展方向：对基于i n t e r n e t 的移动计算网络的实现进 行了研究；重点论述了融合移动i p 和蜂窝i p 的无线局域网体系结构，提出了i p 关口层的概念，详细分析了网络各层对i p 移动性的支持：以及融合移动i p 和蜂 窝i p 的无线局域网设计和实现方法，此外还包括设计思想以及实现中的一些重点 和难点。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 移动计算及移动计算网络 1 2 2 移动计算 移动计算是指人们可以随时、随地进行“计算”。移动计算网络( m o b i l e c o m p u t i n gn e t w o r km c n ) 或称为游牧计算网络，是指能够支持移动计算，主机或 局域网可在网中漫游的计算机网络。它支持包括通话、寻呼、高速数据、视像在 内的多媒体业务，是实现个人通信的途径之一。 移动计算包括三个要素，通信，计算和移动。这三个方面既相互独立又相互 联系。移动计算概念提出之前，人们对它们的研究已经很长时间了，移动计算是 第一次把它们结合起来进行研究。在移动计算中，三要素可以用一个三维空间来 表示三者之间的关系( 如图卜1 ：移动计算的组成) 。它们可以相互转化，例如， 通信系统的容量可以通过计算处理( 信源压缩，信道编码，缓存，预取) 得到提 高。移动性可以给计算和通信带来新的应用，但同时也带来了许多问题。 图卜i ：移动计算的组成 在移动计算中，最大的问题就是如何面对无线移动环境带来的挑战。在无线 移动环境中，信号要受到各种各样的干扰和衰落的影响，会有多径和移动给信号 带来的时域和频域弥散、有限的频带资源、较大的传输时延等等，使得所有的应 用都必须建立在一个不可靠或者说是一个可能中断的物理连接上。 在这样的一个环境下，仍采用已有的建立在有线网络基础上的计算体系和技 术，显然是不明智和有缺陷的。 移动性带来的问题，是移动计算中的最大问题。移动计算概念的提出对传统 华中科技大学硕士学位论文 的计算环境和无线移动网络都有很大影响，它引出了很多在移动通信网络和计算 机网络中从未遇到的问题。 第一，信道可靠性问题和系统配置问题。在有线连接的计算机网络中，计算 机都采用频谱较宽的铜缆或光缆连接，连接可靠，误比特性、时延特性好，可靠 的信道可以很好地支持各种业务。当系统建立在个采用无线方式连接起来的网 络上时，情况就大不一样。首先，恶劣的通信环境造成很高的错误传输概率，为 此采用的纠错和重传技术又会加剧时延特性的恶化。其次，有限的无线带宽，限 制了数据的传输速率。各种应用必须建立在一个不可靠的、可能断开的物理连接 上。在有线计算环境中，用户终端很少移动，系统配置基本上采用静态方式；而 在移动计算网络环境下，移动终端位置的移动要求系统能够实时进行配置和更新。 第二，对宽带业务的支持问题。为了真正实现在移动中进行各种计算，必须 要对宽带数据业务进行支持。目前的无线移动蜂窝网络基本只能支持话音和低速 的数据业务。为了解决这个问题，除了增加无线信道的带宽外，还必须研究如何 在较低数据速率下适应移动特性，及如何提供预连接服务、智能业务服务和资源 的预分配技术等。 第三，在移动计算中，还存在一个移动管理的问题。现有的移动管理主要针 对话音业务，如何拓展现有的移动管理技术到宽带数据业务，更好地支持预连接 智能业务和预分配资源是正在研究的课题。 第四，如何把一些在固定计算网络中的成熟技术移植到移动计算网络中的问 题。移动计算网络是建立在无线通信环境下的多用户数据网络，数据通信的突发 特性，使得分组交换技术在其中得到了广泛的应用。例如，缓存( c a c h i n g ) 和预 取( p r e f e t c h i n g ) 技术在计算机系统中已经广为应用。已经证明，它们可以大大提 高系统的性能，减少系统的业务量。那么如何适应无线移动的特点，使它们更好 地提高移动计算的效率，也是目前研究的问题。 1 2 3 移动计算网络 为了支持计算的移动性，需要人们在计算的各个层次上增加对移动性的支持， 因此移动计算涵盖的研究内容非常广泛，而移动计算网络是其中最为重要的研究 内容。在移动计算网络中，主要研究如何支持节点的移动性和移动性管理问题嘲。 移动计算网络具有如下特点：首先是计算机网络，即必须实现资源共享，且 具有各种网络服务功能：其次，可允许计算机在网络中的移动，并且移动对于用 4 华中科技大学硕士学位论文 户必须是透明的。 无线移动环境带来的特殊性是对移动计算的最大挑战。要支持计算的移动性， 需要在系统的各个层面增加对移动性的支持。其中，一个可靠、支持高数据速率 的物理和数据链路对计算的移动性至关重要。有关移动计算网络的研究主要是围 绕着它进行的。 一 根据节点支持的移动范围大小，移动计算网络基本上可以分为两种解决方案： 广域解决方案和局域解决方案。 1 广域方案主要是依靠现有的无线蜂窝数字通信网络和卫星通信网络作为移动 计算的物理网。传统的以话音业务为主的无线数字蜂窝系统只能支持低速的数据 业务，满足不了日益增长的宽带多媒体业务的需求。为了在现有蜂窝系统的基础 上增加对无线数据业务的支持( 计算能力) ，需要做两方面的工作，一是在物理层 上提供更可靠的高比特速率传输，二是在高层上支持数据业务的交换。g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 和c d p d ( c e l i u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ) 就 是在这样的背景下提出的。 一个在地域范围上受限制但速率更高的移动解决方案是无线局域网。无线局 域网是一种能支持较高数据速率( 2 5 4 m b s ) 、采用微蜂窝、微微蜂窝结构的、自 主管理的计算机局部网络。它可采用无线电或红外线作为传输媒质，采用扩展频 谱技术，移动的终端可通过无线接入点来实现对i n t e r n e t 的访问。在无线局域网 这个领域中有两个主要标准：i e e e 8 0 2 1 1 1 4 j 和h i p e r l a n 5 1 。 一个典型的基于i n t e r n e t 的移动计算网络如图1 2 所示。 移动计算除了对物理层的链路提出要求外，对网络层也有移动性的要求。因 为计算机在i n t e r n e t 的位置是由它的i p 地址决定的，主机只有在其i p 地址所标 识的地方时，才可以通信。因此在主机移动时，除了在链路层上要提供越区切换 的能力外，在网络层也需要提供支持。而目前使用的i n t e r n e t 协议i p v 4 中，并 不提供这样的能力。为了解决这个问题，人们提出了移动i p 。 移动i p 为因特网提供了路由能力。它使得节点在从一条链路切换到另一条链 路上时无需改变它的i p 地址，也不必中断正在进行的实时通信。移动i p 解决了 移动中的可靠性、安全性、可扩展性及媒介相关等问题，而且使得移动节点既可 以是客户也可以是服务器，这意味着移动的不仅仅可以是独立节点还可能是一 个网络。 移动i p 提供了一个简单的可扩展的全球移动性解决方案，但它不适合于支持 快速无缝的切换。移动i p 适合大范围的移动性和相对低速的移动主机，它要求移 华中科技大学硕士学位论文 动主机在每次变更位置后向远方的主代理发送位置更新消息，这样增加了越区切 换时延，加重了i n t e r n e t 的负担。在无线i n t e r n e t 接入环境中，随着小区范围 的缩小、切换次数的增加，移动i p 的缺陷将严重影响系统的性能。 为了克服移动i p 的局限性，人们又提出分等级移动性管理方法。将网络分为 支持蜂窝i p 的本地无线接入网和支持移动i p 的全球i n t e r n e t 。前者处理本地无 线环境中的移动问题，而后者支持大范围的移动性。当移动主机进入新的接入网 时，才向远方主代理发送位置更新消息；而在同一接入网内移动时，由蜂窝i p 处理位置的变更。 蜂窝i p 解决了无线接入i n i e r n e t 网主机频繁移动性问题，弥补了移动i p 的缺陷。它集成了蜂窝网络的快速平滑切换和高效位置管理等优点，同时又具有 i p 网络固有的灵活性和可扩展性。 图i - 2 ：基于i n t e r n e t 的移动计算网络 6 华中科技大学硕士学位论文 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外的研究和应用情况 国际上正在兴起一股移动计算研究和应用的新浪潮。目前研究和应用主要集 中在两个方面：一方面是对移动计算网络的接入技术的研究和应用。它主要包括 这样几类：无线广域网( c d p d ，a r d i s ，m o b i t e x 等) ：数字蜂窝系统( g p r s ，g s m e d g e 等) ；无线局域网( i e e e8 0 2 1 1 、h i p e r l “和蓝牙等) ；无线a t m ( r a d i oa t m ， w a t m n e t 等) ；卫星i n t e r n e t ( 如t e e d e s i c 等) 。 以无线局域网为例，为了推动无线局域网产品的推广和应用，美国联邦通信 委员会( f c c ) 划定了无需使用许可的i s m 频段【6 】( 9 0 2 m h z 9 2 8 m h z 、2 4 g h z 2 4 8 3 5 g h z 、5 7 2 5 g h z 5 8 5 0 g h z ) 供无线局域网产品使用。可在2 4 g h z 频段大 规模开发和应用的系统有i e e e8 0 2 1 l 、b l u e t o o t h 等等。据不完全统计，目前 国外已有近3 0 家系统集成商( a t t 、i b m 、m o t o r o l a 、x i r c o m 、p r o x i m 、a i r o n e t 、 d e c 等) 在生产w l a n 产品，多家芯片制造商( 例如a m d 、i n t e r s i l 等) 已开发出 或正在开发w l a n 芯片集。除此以外h a r r i s ，l u c e n t 等公司提出了i e e e8 0 2 1 1 h i g hd a t ar a t es t a n d a r d ，通过c c k ( c o m p l e m e n z a r yc o d ek e y i n g ) 调制可 提供】1 m b s 的数据速率。i e e e8 0 2 】p a n ( p e r s o n a la r e a n e t w o r k s ) e x t e n s j o n 、 h o m er f 等方案从传输速度( 或距离) 上的排序依次为：p a n ( 速度最低) ， b l u e t o o t h ，h o m er f ，i e e e8 0 2 1 1 ( 2 m b s ) ，i e e e8 0 2 1 i b t n ( 1 1 m b s ) ，i e e e 8 0 2 1 i g 8 ( 1 1 m b s ) ，i e e e8 0 2 1 i a l 9 1 ( 5 4 f o s ) 。目前提供l l m b s 高速数据传 输的芯片或产品的公司有i n t e r s i l ，a i r o n e t 等。 在无线局域网领域中，美国i n t e r s i l 公司( 原h a r r i s 公司) 为i e e e8 0 2 1 1 系列标准的普及应用做出了巨大贡献，在芯片提供方面走在了世界前列。它设计 并大量生产的p r i s m 、p r i s m 2 、p r i s m 2 5 、p r i s m 3 等系列i e e e8 0 2 1 l 标准无线 局域网套片，实现了从m a c 控制到射频前端的整套方案，为i e e e8 0 2 1 1 无线局 域网应用提供了巨大的便利，当前无线局域网设备供应商基本上采用该系列套片 设计生产自己的产品。目前该公司正在开发符合最新的i e e e8 0 2 1 1 9 规范的 p r i s mg t 套片，计划于2 0 0 2 年年中开发出样品；工作在5g h z 、符合i e 旺8 0 2 1 1 a 规范、传输能力达5 4 m b s 的p r i s mi n d i g o 套片目前已开发出样品，预计2 0 0 2 年年底将全面投产。l u c e n t 、m i n t e i 、l i n k s y s 等公司也有部分芯片产品提供。 华中科技大学硕士学位论文 在无线局域网设备开发方面，世界主要通信厂商均投入了巨大资金，开发了 包括无线网卡、无线接入点、无线网桥、台式机转接卡等全套无线局域网产品。 国际市场上已可买到各种无线局域网设备。当前无线局域网正全面向宽带化转型。 另一方面是基于i p 的移动性研究1 1 0 。它包括如何构成一个支持移动性的 i n t e r n e t 的体系结构，如何把高速无线数据传输与移动通信系统的漫游功能有机 地揉为一体，以提供高效的i n t e r n e t 接入，支持包括e - r e a l1 、w w 浏览，f r p 文 件传输，i pp h o n e ，交互式多媒体等业务，甚至构建宽带无线i p 网络【1 1 1 。i e t f ( i n t e r n e t 工程任务组) 提出的与m o b j 】ei p 相关的建议有：r f c2 0 0 2 ，r f c2 0 0 3 ， r f c2 0 0 4 等。1 9 9 9 年2 月i n t e r n e td r a f t 提出了i pm o b i l i t ya r c h i t e c t u r e f r a m e w o r k ；1 9 9 9 年3 月在i n t e r n e td r a f t 中十五个公司提出了“3 gw i r e l e s s p r o v i d e ra r c h i t e c t u r eu s i n gm o b i l ei pa n d 从a ”等。据报道，在1 9 9 9 年6 月m o n t ec a r l o 的u m t s 会议上，九家在无线市场领先的公司成立了f o c u sg r o u p 来推动第三代移动通信的无线i p 技术。美国h r ll a b 已提出了在p a c sd a t a n e t w o r k 上实现m o b i l ei ps e r v i c e 的系统方案。近年来，已经有实验性的系统 问世，但总的来说，在这方面的工作基本上还处于研究阶段。 国际上许多从事电信研究的大学和公司均对移动i p 和蜂窝i p 技术进行了深 入的研究，提出了多种实现方案。i e t f 也提出了几个参考意见稿，初步树立了一 个移动i p 技术框架，蜂窝i p 的草案则正在起草中。自从1 9 9 6 年后期公布移动 i p 标准以来，已经出现了大量免费和商用的移动i p 实现。当然，这些实现是针 对不同应用对象的，还存在大量问题亟待解决，如：安全认证闯题【l “、肪火墙兼 容问题【1 3 】、路由问题、向i p v 6 过渡问题及与o o s 协议协调问题等等。很多专 家为此做了大量研究，如c p e r k i n s 利用f a ( 外地代理) 的分层管理来解决移 动i p 中的频繁切换的问题【l5 】：d j o h n s o n 对移动i p 中的三角路由做了优化改进 i 怕】，大量的研究工作还在进行之中。 除此之外，还有基于无线链路的t c p 协议研究、无线接入终端的操作平台研 究等等。 1 3 2 国内的研究情况 我国在移动计算网络方面也作了大量的研究工作。国内从1 9 9 6 年开始对移动 计算网络中的关键技术进行研究，并逐渐加大了资助力度。 在移动计算网络接入技术的研究和应用领域，国内最早进行移动计算研究的 华中科技大学硕士学位论文 西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室在1 9 9 4 年已经成功研制出了我国 的第一套w l a n 样机，于1 9 9 9 年3 月推出了m o b i l ei p 的演示系统，后来又研制 了宽带c d 姒扩频芯片，实用化的无线接入设备( 如无线接入点1 1 8 】【1 9 1 、无线网桥【2 q ) ， 以及实用化的移动管理软件等，有些成果接近国外水平。目前该实验室正在进行 高速无线分组网、无线i p 【l ”、卫星i n t e r n e t 路由技术、i p v 6 、下一代互联网移 动性管理等项目的研究。东南大学移动通信国家重点实验室等许多单位则从1 9 9 8 年起相继开始了蓝牙技术的研究和开发，目前已研制出蓝牙协议栈、蓝牙电话网 关、蓝牙局域网网关等设备。这些研究工作和取得的成果为我国移动计算领域研 究和开发出具有独立知识产权的移动计算产品，起到了重要的作用。 在数字蜂窝系统方面，国内有多家通信设备制造厂家( 华为、中兴、大唐) 投入巨资进行第三代移动通信系统( c d m a 2 0 0 0 、w - c d m a 、t d - s c d m a ) 的研究，基 本与国际同步。我校科技产业公司控股的武汉汉网高技术有限公司采用基于多码 道的包分多址( p a c k e td i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 无线传输技术的“宽带无线 i p 通信系统”，具有较高的传输速率，目前正在实用化之中。国内两大移动通信 运营商：中国移动和中国联通分别开通了g p r s 和c d m a ( 增强型i s 一9 5 a ) 网络， 第二代移动通信系统正在向第三代演进。 在基于i p 的移动性研究领域，目前国内以跟踪性研究为主。对i p 移动性的 探讨不多，而且以移动i p 为主，很少涉及到蜂窝i p 。将宏移动性和微移动性结 合的研究还未曾进行。 1 3 3 前景晨望 目前，国内外对移动计算的研究仍在继续进行，这些研究包括更高的传输速 率，媒质接入控制技术，网络对无线多媒体业务的支持，更好的支持i p 移动性等 等。数据速率为4 0 8 0 , w o p s 的系统正在实验，预计在未来的十年内，有望为人们 提供i g b p s 的无线系统。随着i n t e r n e t 技术的发展，移动计算与i n t e r n e t 的结 合也越来越紧密。新一代的i p 协议，将更好地支持移动计算。第三代移动通信系 统中，也强调了对宽带多媒体数据业务的支持。如何把第三代移动通信技术和移 动计算相融合是目前讨论的热点。移动计算一定会有更加美好的未来。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本课题主要研究工作 1 4 1 本课题的研究设想与方法 目前可以实现移动计算，提供移动因特网接入的无线网络有多种类型，主要 模式有两种：一种是无线l a n 和蓝牙，它们可以提供高速率，但距离受限的无线 移动接入：另一种是基于公众蜂窝移动系统的数据网络，比较典型的是叠加在g s m 网络上的g p r s ，以及目前正在研发的第三代移动通信系统。 上述各种移动计算网络系统在实现移动性管理上有各自的特点。移动性管理 从本质上分为宏区域级与蜂窝级。相对而言宏区域级的管理对低层的差异性不太 敏感，因此各种标准本质上非常类似；而蜂窝级的管理考虑到无线传输的工作模 式，往往有不同的方法。i e t f 针对宏区域级的管理提出移动i p ；针对蜂窝级的管 理提出蜂窝i p 。移动i p 逐步被越来越多的系统所采用，原因是目前i p 已经是主 流的网络层协议，移动i p 承载移动i p 业务最通用最方便，能比较好地溶入现有 i p 体系；蜂窝i p 的推广则要困难一些，因为在蜂窝级采用基于网络层的管理势 必会消耗无线带宽。 虽然当前还没有一个统一的移动计算网络，但网络正向支持i p 移动性、全 i p 化、三网融合的方向发展的趋势是显而易见的。因此，从宏观上和大方向上 有必要研究未来数据通信网络如何支持移动计算，如何进行演进；从微观上和具 体研究上，我们将从i e e e8 0 2 1 l 无线局域网入手，分析为了支持面向未来的移 动计算，实现真正的全网无缝漫游，在未来的数据通信网络中将作为一种关键接 入子网的i e e e8 0 2 1 1 无线局域网应该做哪些扩展。 1 4 2 本课题要解决的问题 本课题将针对当前移动计算网络和协议的现状，分析未来移动计算网络的发 展趋势。 在此未来网络发展趋势的背景下，重点将研究融合移动i p 和蜂窝i p 的无线 局域网体系结构及其协议栈，并试图在现有的o s i r m 的七层网络体系结构的数据 链路层和网络层中独立划分出一层：文中称为i p 关口层。由i p 关口层专门负责 对w l 从中移动主机的接入管理，实现对移动i p 和蜂窝i p 的支持。在i p 关口层 之下，可以是异构的不同无线或有线网络( 如i e e e 8 0 2 1 i1 1 1 l a n ，h i p e r l a n ，i e e e 1 0 华中科技大学硕士学位论文 8 0 2 3 以太网) ；在i p 关口层之上，是统一的网络层和以上各层。 即i p 关口层独立完成对移动主机的移动性管理，对上屏蔽主机的移动性，对 下可兼容多种异构无线或有线网络。 本文还将研究引入i p 关口层之后的无线局域网的关键设备：无线接入点、无 线接入服务器同移动主机之间的信息交互过程；研究无线局域网中的i p 关口层和 数据链路层对移动i p 和蜂窝i p 的支持：并实现无线局域网环境下的移动i p 和蜂 窝i p 的部分功能。 华中科技大学硕士学位论文 2 移动i p 和蜂窝i p 在未来移动计算网络中的应用 本章主要介绍了移动i p 和蜂窝i p 协议，比较了它们对i p 移动性的支持：介 绍各种移动计算网络，并研究了它们对i p 移动性的支持；接着给出作者对未来网 络发展方向的理解，指出未来数据通信网络的发展方向是通过移动i p 和蜂窝i p 进行融合；最后描述了未来移动计算网络。 2 1 移动i p 移动i p 于1 9 9 6 年6 月由i e t f ( 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 ) 的移 动工作组( i pr o u t i n gf o rw i r e l e s s m o b i l eh o s t s ) 通过，并于1 9 9 6 年1 1 月 公布为建议标准( p r o p o s e ds t a n d a r d ) 。 移动i p 包括下面的r f c 文件： ( 1 ) r f c2 0 0 2 定义了移动i p 协议【2 ”。 ( 2 ) r f c2 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吲1 2 3 1 【