（通信与信息系统专业论文）移动ipv6快速切换的研究和实现.pdf

摘要 摘要 随着无线技术的快速发展，越来越多的固网用户涌向了移动互联网。与此同 时移动互联网对现有的移动技术提出了更高的要求。移动切换技术作为移动技术 的重要组成部分，其切换性能的好坏将直接影响着移动互联网的发展。 目前对切换技术的优化工作都集中在如何减少切换延迟，减小切换丢包率的 研究上，本文也朝着这两个方向来改进优化快速切换机制。 标准的快速切换虽然已经具有了低延迟的特点，但其切换成熟度与实际需求 之间还是存在较大的差距。为此，本文在链路层信道扫描方面提出了改进的选择 性信道扫描算法，在扫描门限选择方面提出了对s n r 取均值的方法来消除模糊衰 减的影响。 为了使快速切换能适疲高速运动的情况，本文提澎了在p 献上增加缓存视制 来减少丢包率，通过n s 2 仿真工具对增加缓存机制后的快速切换进行了仿真实现。 仿真结果表明，改进后的快速切换在移动节点高速运动的条件下比标准的快 速切换更具有平滑性。 关键词：快速切换信道扫描n s 2 平滑 a b s t r a c t a i j i s t l 鼗e t w i t h 也er a p i dd e v e l o p m e n to f 诚r e l e s s 姒：h n o l o 韶，ag r o 诚n gn 1 黝b e ro f 谢r e d 璐e 鲻耗m e 氇e 瓣o b i l el 臻e 搬瞧潞e f s 。a t 壤es 鑫掇e 矗m e 饿。如v e l o p 撰e 嫩醴壤o b i l e 1 1 1 t e m e th a sb r o u g h tu p1 1 i g h e rr c q u i r e m e n t so nm ee x i s t i n gm o b i l et e c h n o l o g y a sa l l i m p o 心m tc o m p o n e n to ft h em o b i l et e c h n o l o g y ，也ep e r f b 咖a l l c co fm o b i l e l 铷1 d o v e r 蛾l ld i f e 礤y 趣p a c to n 也e v e l o p 黻e n to f 擞o b i l o 融e 糟或。 a tp r e s e n t 畦l ew o r kt 0o p t i m i z em eh a n d o v e rt e c 量l l l o l o g yi sf o c u s 磁o nh o wt o r e d l l c et h ei 姗d o v c rl a t e n c ya n dm er a t eo fp a c k e tl o s s ，t 1 1 i st h e s i si sa l l s om o v i n gt ot l l e d i f e c t i o nt oi m p r o v ea n do p t i m i z e dm ef 瓠th a n d o v e rm e c h a l l i s m 骶l es t a n 蠡撼羲焱h a 耐。豫k s 蠢豫c h 撇c t e r i 贩eo fl o wl 船数y ，砒m e 羚i sab i g g 印b e 协，e e nt l l em a t u r i 够d e g r e eo fh a r l d o v e ra n dt h ea c t u a lr c q u i r e m e n t s o ，o nm es i d e o fc h a n n e ls c 疵n g ，t h i sm e s i sp r e s e n t sa i m p r o v c ds e l e c t i v e s c 锄a 1 9 0 r i t i l i l l o nt l l es i d e o f 妇e 幽l de h o 主c 堍，妇黼e s e 弦s e 嬲她热确藤诚烛镪b s 龇m e 强v a l 啦q f 妞 s n rt oe l i m i n a t em ei i n p a c to f 触翰，d e c a y i i lo r d e rt oa d a p tt om eh i 曲- s p e e dm o v e m e n t ，i ti sp r c s e n t e di i lt l l et h e s i st oa d d b u 懿rm e c h a _ l l i s m 瓤p a rt o 羚d u c et l l er a t eo fp a c k e tb s s n l e ni m p l e m e n ti t s s 妇u l a t i o nb yn s 2 t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt l l a t 吐l ei m p r o v e df 瓠th a i l d o v e ri sm o r es m o o t h e s s t h a nt l l es t a i l d a r df a s tl 姗d o v e ri nn l es i t u a t i o no fh i g h - s p e e dm o v e m e n t x e y w 0 1 d ：f a s lh 建稳d o v e r c h a 稚牡ds e a 硅n s os 磁o o 馕娃e s s 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：强鱼兰虫日期兰盟：三兰 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：鳓 导师签名：日期型型 第一章绪论 1 1 1 背景 第一章绪论 1 1 论文的选题背景和意义 在当今飞速发展的信息领域中，最引人瞩目的是i n t e m e t 【1 1 和无线通信【2 1 两个 产业。在过去的几年中，以1 1 1 t e m e t 为代表的信息网络已经逐步渗透到人们工作、 生活的方方面面，并对人们生活、企业发展和社会进步产生了巨大影响。人们可 以通过i n t e m e t 了解到周边的事情，了解到世界各地正在发生的事情。通过m t e m e t ， 人们可以与世界各个角落的人交流信息，并享受电子商务，网络游戏，网络影视， 搜索引擎等服务。并且随着宽带的普及，网上精彩内容和服务的增多，越来越多 的人将涌向互联网地带，截止到2 0 0 8 年底，光中国的网民就达到2 8 5 亿人，而且 这个数字还在以惊人的速度在增长。可以想象的出人们将越来越离不开1 1 1 t e m e t 。 与此同时无线通信也在高速发展中，随着无线技术的快速发展，移动终端种 类的日益增多，手机，掌上电脑，笔记本电脑等各种高性能移动设备的大量应用， 越来越多的用户已经渐渐不满足于单一的固定上网方式，希望能在任何时间任何 地点以任意的接入方式用固定的账号( i p 地址) 连接到i n t e m e t ，并能在移动过程 中获得及时的信息，享受与固定用户一样的待遇。由此产生了移动互联网【3 l 的发 展。移动互联网产业发展的三大必备条件：网络、终端与应用，在过去几年中都 有了很大的发展。在应用方面，最近评出了2 0 0 8 移动互联网应用十佳1 4 】如g o o g l e 公司开发出的g o o g l e 手机地图，银泰未央传媒技术有限公司推出的e c h a n n e l ( 手 机广告) 等，在终端方面各种3 g 1 5 】手机的研发，尤其最近台湾工业科技研究院 ( i t 砌) 又宣布，在2 0 0 9 年就能研发成功手机上可随意折叠的液晶屏幕【6 1 ，这样 一来就可以轻松获得5 存以上的显示屏，有效解决屏幕大小和手机体积之间的矛 盾。在网络方面中国正在积极筹备3 g 网络的建设。随着2 0 0 9 年，中国将以3 g 牌照正式发布和运营为标志性事件，移动互联网产业将出现一个崭新的起点和全 新的机遇。因此可以说，移动互联网将是互联网的必然趋势。 1 1 2 移动i p 技术 为了能适应人们对移动互联网的需求，我们就需要研究移动i p 技术，移动口 是一种在全球因特网上提供移动功能的网络层解决方案，它具有可扩展性、可靠 性和安全性，并使节点在切换链路时仍可保持正在进行的通信连接。值得特别注 意的是，移动i p 提供了一种i p 路由机制，使移动节点可以用一个永久的i p 地址 连接到任何链路上。移动i p 技术的研究成为业界研究的重点，它支持的性能非常 9移动i p v 6 快速切换的研究和实现 强大，潜力无穷，极具研究开发的价值。 当前，移动p 主要指得是移动i p v 4 和移动i p v 6 【7 1 ，由于移动i p v 6 的设计摄 取了移动i p v 4 的设计经验，并且利用了i p v 6 【8 】【9 1 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。它能完全满足数目庞大的移动终端对地址的需要， 同时i p v 6 的即插即用功能极大的方便了各种移动终端的接入，并且可以通过 i p s e c 【1 0 】认证报头和封装安全净荷1 1 1 】【1 2 】【1 3 】来保护无线数据在传输中的安全。可以 说移动i p v 6 与移动通信【1 4 】的结合将为互联网开拓一个全新的领域，同时下一代移 动互联网也将成为移动i p v 6 最具发展潜力的应用领域之一。 移动i p v 6 ( m i p v 6 ) 协议提供了移动管理机制，并且对上层( 传输层和应用层) 协议隐藏了移动带来的影响，这样就不需要为支持移动通信而对上层协议进行修 改了。当移动终端从一个i p 子网切换到另一个m 子网时，在上层协议看来，移动 终端始终连接在同一个i p 子网中，就像一个固定终端一样，这样就能保持上层协 议建立的会话的连续性。 1 i1 3 移动切换技术的概念及研究的意义 实现用户移动性的一个关键问题就是解决切换问题。用户在移动过程中如果 改变网络接入点，需要断开旧的连接，建立新的连接。在这个过程中，用户正在 进行的业务可能会受到比较大的影响。移动切换技术就是前后接入路由器之间通 过相互合作使移动终端在切换过程中保持上层业务的连续性。 切换问题是移动计算环境中最基本的问题，当移动节点从家乡链路或当前链 路漫游移动到外地链路时，对于实时要求较高的应用就存在切换问题。研究切换 问题意义在于提出一种减少切换时延和丢包率的方法，从而为实时应用提供良好 的服务保证。使人们更好的享受移动服务。因为移动i p v 6 快速切换本身具有较低 切换时延的特性，本文的工作主要围绕着移动i p v 6 快速切换展开，同时研究移动 i p v 6 快速切换机制对于研究i p v 6 协议本身有着重要作用，也为进一步研究与第三 代移动通信的结合提供了理论基础和实践经验，对于推动i p v 6 和移动i i l t e m e t 技 术在我国的应用和发展具有重要的意义。 1 2 1 问题的提出 1 2 问题的提出及相关研究现状 从功能上看，m i p v 6 协议实现了它的设计目标，即支持移动终端在全球漫游， 但是从性能上看，当移动终端从一个子网切换到另一个子网时，他的通信会中断 在秒级，这个由切换过程造成的通信中断时间被称为切换延迟。切换延迟过大的 第一颦绪论 闯题对于某些业务( 如文件传输) 来说并不重要，但是对予实时性业务( 如网络 电话) 来说，影响是很大的。另外，在切换过程中，m 脚6 协议会产生一些控制 信令，这些信令可能需要穿越骨干网，e l j 于移动终端的数目巨大，这些信令可能 会增加骨干网的负担。 1 2 2 研究现状 为此，i e t f 成立了专门的工作组，研究如何对切换过程进行优化，以减少切换 延时和信令开销。并且在2 0 0 1 年7 月避台了“移动l p v 6 快速切换的草案，2 0 0 5 年7 月制定了其建议标准r f c 4 0 6 8 ：f a s th a n d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6 ( 移动i p v 6 快速切换) 。2 0 0 8 年7 月更新为l 汪c 5 2 6 8 ：m o b i l ei p v 6f a s th a l l d o v e r s 【1 6 1 。在2 0 0 2 年7 月出台了“h i e 凇l l i e a lm 曲i l el p v 6m 曲i l 姆m 飘a g e 掰e n 勃( h m l h 6 ) 的草案， 2 0 0 5 年8 月制定了其建议标准r f c 4 1 4 0 ：h i e 饿c h i c a lm o b i l ei p v 6m o b i l 戤 m a l l a g e m e m 【1 7 】。 h m i p v 6 协议不能将切换延时减少到实时性业务可以接受的程度，但是它能有 效的减少控制信令的数匿。蕊f m 糟v 6 协议能够将切换延迟减少到网络电话等实时 性业务可以接受的程度，它通过提前注册，以及在新的外地网络切换未完成时通 过前一个网络保持通信的方法来减少切换延时，以对实时业务提供支持，不过它 增加了控割髂令的数曩，所幸的是这些新增的控制傣令不需要穿越雷干网。 除此之外国内外的研究成果，如： 1 ) 基于重叠网络的移动i p v 6 快速切换方法1 1 引。该方法通过在两个不同的移动 i p v 6 网络闻设置重叠网络和依据其路由通告列表来实现i p 层的无缝切换。 2 _ ) 文献阐中联合使用a p 和一种专用的氛缎c 网桥设备来减少切换延迟。 3 ) 文献【2 0 1 中使用基于二层触发( l 2 强g g e r ) 和快速路由器公告来减小移动检测延 迟。 4 ) 文献翻中透过结合资源预蟹协议r s ，快速恢复会话层分组流的逶信连接来 减少切换延迟、降低分组丢失和资源占用。 5 ) 文献1 2 2 1 中把扩展路由通告r a 分组和多宿主边界a p 相结合的无缝切换方案。 6 ) 文献f 2 3 l 中通过修改标准邻居发现秣e i 曲b o rd i s c o v c 黟) 机制中的建议参数、利 用链路层提供的信息等方法来缩短移动检测时闻。 这些切换方法要么需额外增加硬件设备，要么需修改相应协议来完成切换， 使用范围受限，可扩展性差，且投入成本大 此辨工作组最新的墨巨c ： h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6m o b i l i t ym a n a g e m e n t ( 1 稍i p v 6 )( r f e4 1 4 0 ) m o bil ei p v 6f a s th a n d o v e r sf o r8 0 2 11n e t w o r k s( r f c4 2 6 0 ) e n h a n e e dr o u t eo p t i 璐i z a t i o nf o ri 毒。b i l ei p v 6 ( r f c4 8 6 6 ) 4 移动i p v 6 快速切换的研究和实现 m o b i l i t ys e r v i c e st r a n s p o r t ：p r o b l e ms t a t e m e n t ( r f c5 1 6 4 ) m o b il ei p v 6f a s th a n d o v e r s( r f c5 2 6 8 )o b s o l e t e sr f c4 0 6 8 d i s t r i b u t i n gas y m m e t r i cf a s tm o b i l ei p v 6 ( f m i p v 6 ) h a n d o v e rk e yu s i n g s e c u r en e i g h b o rd is c o v e r y( s e n d ) ( r f c5 2 6 9 ) m o b il ei p v 6f a s th a n d o v e r sf o r3 gc d m an e t w o r k s( r f c5 2 7 1 ) m o b il ei p v 6f a s th a n d o v e r so v e ri e e e8 0 2 1 6 en e t w o r k s( r f c5 2 7 0 ) 1 2 3 本文的研究情况 跟别人出于同一个原因，由于标准的快速切换机制作为移动i p v 6 1 2 4 j 1 2 5 】前沿技 术，其技术成熟度与实际需求之间还存在较大差距，特别是在链路层信道扫描上 存在一定的缺陷，一个是链路层扫描上采用的是全信道扫描方式，这种扫描方式 对所有信道都执行一次扫描动作，目的是发现可能存在的所有a p ，因为不会所有 的信道中都会存在a p ，因此全扫描会带来很大的探测延迟，造成不必要的浪费。 且因为信道扫描过程是链路层切换的一个重要步骤，而链路层切换在整个切换过 程中又占有相当大的比重，所以说优化链路层扫描过程很有必要。基于此本论文 提出了选择性信道扫描算法。 与此同时还考虑了信道扫描门限选择时会遇到信号不稳定情况，由于移动终 端通过周期性的信标帧来获取当前链路的瞬时s n r ，当发现s n r 低于搜索门限时， 就开始切换过程。由于这时的s n r 取值可能受到模糊衰减的影响，其值随时间快 速起伏变化，所以并不可靠，如果这时执行切换的话，会导致不必要的扫描或者 乒乓效应。基于此提出了一种通过对一段时间内s n r 值取平均的方法来消除模糊 衰减的影响。 另一方面标准的快速切换中只实现n a r 的分组缓存机制，没有实现p a r 的 分组缓存机制，这样对于高速运动的移动终端来说，会带来较大的丢包率。这是 由于快速切换中可能会出现这样一种情况，当数据包在隧道建立起来之前到达 p a r ，这部分数据包将会被丢弃，带来较大的丢包开销。鉴于此，本文提出了一种 在p a r 上增加分组缓存机制的快速切换以适应高速运动的移动终端。 本文的目标是在i p v 6 快速切换的基础上实现其无缝切换( 低切换延时，低丢 包率) 的效果 1 3 主要研究工作 本文围绕移动i p 的切换机制，以提高移动i p 切换性能为目标，主要工作如下： 1 ) 对移动i p v 6 和n s 2 仿真软件的学习，并借助n s 2 工具，仿真分析了f m i p v 6 第一章绪论 技术。同时对别人改进的切换技术进行了较深入学习和研究，对其实现原理和规 程，以及对通信性能的影响做出了分析。 2 ) 对按m i p v 6 协议进行的基本切换的性能和按f m i p v 6 协议进行的快速切换的性 能进行了系统全面的分析。通常采用两个指标衡量切换的性能：切换过程中丢失的 分组个数和切换延迟，影镌对数据丢失敏感的业务的主要是前一个指标，瑟影响 实时性业务的主要是后一个指标。虽然本文考虑的应用主要是v o i p ( 网络电话) 等实时性业务，但在对快速切换作性能分析的过程中，同时考察了这两个指标， 不过将前一个指标转换戒了发送方的通信中断时闻。对实时性业务来说，通信一 般是双向的，在切换过程中，两个方向上的通信受到的影响是不完全相同的。这 一点经常被忽视，而本文在分析过程中考虑到了这一点。另外，本文还考察了各 种条件对切换性能的影响，例如，在分析快速切换的性能时，就考察了分组缓存 功能对切换糕施的影响。逶过性能分析，推导出了一系列计算公式和结论，为在 安现f m i p v 6 协议时采取的优化措施提供了理论依据。 3 ) 对链路层切换进行了较深入的研究，提出针对信道扫描的i e e e8 0 2 1 1 链路层 切换优化方案。基于匿e e8 9 2 。l lw 淞n 的无线接入技术由于其方便、快捷的特性 以及多媒体业务( 例如v o i p ) 的支持得到了广泛的部署。但是与数字蜂窝通信技 术相比，由于缺乏有效的链路层切换管理机制，切换延时较大，实现结果表明，i e e 融 8 0 2 1 l 链路层切换延时9 0 以上来自信道扫描，第三章提出了一种结合f m i p v 6 协议的选择性信道扫描算法，以减少扫描信道的数量。与此同时还考虑了信遒扫 描门限选择时会遇到信号不稳定情况，由于移动终端通过周期性的信标帧来获取 当前链路的瞬时s n r ，当发现s n r 低予搜索门限时，就开始切换过程。由于这时 的s 隧取值可能受到模糊衰减的影响，其值睫时闻快速起伏变纯，所以并不可靠， 如果这时执行切换的话，会导致不必要的扫描或者乒乓效应。基于此提出了一种 通过对一段时间内s n r 值取平均的方法来消除模糊衰减的影响。 4 _ ) 提出了在狲姨中实现分组缓存机制，对其进行了较深入的研究和分析。改进 快速切换算法在p a r 上增加了一个缓存，使当p a r 和n a r 之间的隧道没有建立 起来之前，p a r 能缓存接收到的数据。在鼢皿上增加了分组缓存后与之前的基本 快速切换相比减小了丢包率，尤其对于高速移动节点，改进快速切换的性能比快 速切换要好的多。 1 4 论文结构 论文第2 章对移动i p v 6 做了介绍，以及对移动i p v 6 中的切换包括链路层切换 过程进行了分析，并且在此基础上详细讨论了切换优化研究的具体内容，为以后 6 移动i p v 6 快速切换的研究和实现 的切换优化提供依据。 第3 章对i e e e8 0 2 1 1 w l a n 中的链路层切换技术进行了讨论，指出现有的 链路层切换机制导致的延时不能满足v o i p 等实时应用的需求，并且分析了现有和 已有改进的信道扫描对链路层切换延时的影响，在此基础上提出了针对信道扫描 的链路层切换优化方案。 第4 章提出了一种在p a r 上增加分组缓存的改进快速切换，改进后的快速切 换在p a r 和n a r 之间的隧道没有建立起来之前，p a r 缓存接收到的数据包，减 少了丢包率。通过比较前后两种切换算法在预测式的快速切换下的开销性能，得 出对于高速移动的节点在p a r 上增加缓存是非常必要的。 第5 章介绍了n s 2 仿真工具，并通过仿真平台对改进后的平滑快速切换进 行了仿真实验，通过实验结果，得出对于高速移动的节点在p a r 上增加缓存是非 常必要的。 第6 章对全文进行总结，并指出了进一步的研究方向。 第一章 多动i p v 6 技术及切换掷议 第二章移动l p v 6 技术及切换协议 2 1 移动i p v 6 无线技术和i n t e m e t 的结合形成了移动i p ，移动i p 使得传统的基丁同定i p 技 术的i n t e m e t 体系结构面临巨大的挑战。方面，随着i m e m e t 用户的增加，i p v 4 地址面临资源枯竭的困境，人量移动笈备的加入加快了这一步伐。井预计到2 0 1 0 年全球l p v 4 将用完，另方面，随着大量无线设备的出现，对i p 阶议提出了移 动性要求，但是现有的i p 协议都是基于固定网络设训的，需要引入新的功能来支 持移动性。 下一代i n t e m 毗协议i p v 6 解决了地址不足的问题。i p v 6 继承了i p v 4 的优点， 并做出了大量修改、优化和功能扩充。i p v 6 协议将地址k 度从3 2 位比特增加到 1 2 8 m 1 比特拥有几乎取之不尽的地址空间。i p v 6 的即插即用( p l u g p i a y ) 功能极 人的方便了无线设备的使用，能够自动获取地址接入i n k m e t 。i p v 6 规定ri p s e c ( i ps e c u r i t y ) 功能，通过“认证头杯( a u t h c m i c 札i o nh c a d c la h ) ”和“封装安全净 荷( e n c 8 p s u l m l o ns e c 叭可p 8 y l o a d ，e s p ) ”来保证信息在传输中的安全。利用i p v 6 头标中的8 比特业务等级域和2 0 比特的流标记域可以确保带宽，实现可靠的实时 通信。 i p v 6 协议在i p 层提供了移动管理机制( 移动i p v 6 ，m o b i i ci p v 6 ) ，通过移动性扩 展，实现了采用无线技术的移动竹点在不同接入网络之间漫游时仍能保持i p 通信， 为数据、音视频等多种业务提供了统一的传输平台。 圈2 1 移动i p v 6 协议的网络实体示意图 2 il 主要实体功能描述 r 移动i p v 6 快速切换的研究和实现 如图2 1 所示，给出了移动i p v 6 网络各个功能实体的示意图 由图中可看出，移动糟v 6 有露种主要功能实俸，分别是移动节点、家乡代理 和通信对端和接入路由器。以下分别介绍： l 。移动节点( m o b i l en o d e ) 能够将接入位置从一条链路切换到另一条链路上，并显不会中断当前通信的 主机或路由器。移动节点在家乡网络获得的地址称为家乡地址( h o m ea d d r e s s ) ， 在外地网络获得的地址称为转交地址( c a r eo f a d r e s s ) ，移动节点在不同接入网间 移动时，仍可以通过家乡地址被寻址。能够在双向隧道机制下使用耨获得的l p 地 址与其链节点逶信，也能够在路由优亿机制下使用原有的p 地址与其佳节点通信。 每个移动节点都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 垃所在链路家乡代理的所有绑定更新。在某个绑定更新表顼快要越时的情况下， 移动节点通过发送绑定更新消息来维护当前的绑定信息。 2 通信对端( c o 仃e s p o n d e n tn o d e ) 通信对端就是与移动节点进行通信的对等实体，可以是一个固定节点，也可 以是一个移动节点。 通信对端要为其他节点维护一个绑定缓存列表。每一条绑定缓存条目都必须 包括条目所对应的移动节点的家乡地址、转交地址、该条目的剩余生存期、序号 字段、该条隧使用信息等。在发送数据包时，逯信对端在邻居发现概念量的地缓 存之前要先搜索绑定缓存，在为所发送的数据包目的地址搜索绑定缓存时，要以 条目中移动节点的家乡地址作为搜索关键值。 3 。 家乡代理( 瓣。疆臻a g e n t ) 移动节点的家乡代理是家乡链路上的一台路由器，主要负责维护离开家乡链 路的移动节点，以及和这些节点相关的地址信息。当移动节点位于家乡链路时， 则家乡代理的作用和一般的路由器一样，将目的地址为移动节点的数据包正常转 发给移动节点；当移动节点离开家乡链路时，家乡代理将截获发往移动节点家乡 地址的数据包，并将这些数据包通过隧道发往移动节点的当前转交地址。 家乡代理要维护两个表项：绑定缓存列表和家乡代理列表。维护的绑定缓存 列表与通信对端类似。家乡代理列表中记录了同一链路上每台作为家乡代理的路 幽器的相关信息。动态家乡代理地址发现机制将使用该列表。 4 接入路由器( a p ) 接入路由器是指位子移动节点所访问的网络上的路由器，为注册的移动节点提 供路由服务。它接收移动节点的家乡代理遥过隧道发寒的掇文，进行拆封看发给 移动节点。 第= 章移动i p v 6 技术及切换协议 9 2 1 2 基本操作 移动i p v 6 通过家乡地址、转交地址以及它们之间的绑定，采用隧道机制进行数 据的连续传递。下面说一下其过程的主要操作： 1 移动检测 在m i p v 6 中定义的移动检测机制主要是利用l p 嗡的邻居发现机制( 包括路由 发现和邻居不可达检测) ，但并不排斥使用其他机制，例如使用底层协议提供的信 息等。移动节点通过检查当前默认路由器是否可达来判断自己是否发生了移动。 如采当前默认路由器已经不可达，并置发现了一个新的默认路壹器，移动节点就 可以假定自己已经移动到了新的链路上。 移动节点可以使用路由发现机制定义的路由器公告消息，发现新的路由器和 新的子嚣链路翦缀，移动节点南路由器发送路由器公告请求，或被动地等待下一 个公告周期来获得路由器公告消息。根据收到的路由器公告消息的内容，移动节 点在默认路由器列表中为每个路由器维护个表项，在前缀列表中为每个子网链 路前缀维护一个表项。这两种表项一般都关联着计时器，用于判断表项何时过期。 如果移动节点一直在通过默认路由器发送分组，例如上层协议指示莱个连接状态 为“正在进行 ，或者从默认路由器收到了响应自己邻居请求消息的公告，那么移 动节点就认为路由器是可达的。相反地，移动节点可以通过路由器公告中的公告 闻隔选项发现公告的丢失。每个移动节点单独决定在丢失多少条路由器公告意， 判断该路由器为不可达。移动节点就是使用这种被叫做“邻居不可达检测”机制 来检查默认路由器的不可到达。 2 。转交地址的自动配置 移动节点在检测到移动发生之后，应该使用新的默认路由器所提供的子网前 缀形成新的转交地址。移动节点通过i p v 6 的无状态1 2 7 ) 或有状态( 例如d h c p v 6 ) 地 址自动配置枧制生成转交地址。关于地址自动配置的缨节，m l p v 6 并没有更多的 要求。在某些情况下，外地网络的系统管理员已经为移动节点静态指定了一个仅 供在本地链路使用的i p v 6 地址，此时移动节点可以使用它作为自已的转交地址， 丽不需要使用地址皇动配嚣机制。 m i p v 6 允许移动节点同时拥有多个转交地址，其中一个为“主转交地址”。在 任何时候，移动节点都只能有一个主转交地址，并且只把这个地址注册到家乡代 理。此终，移动节点可以根据当前链路上的某些或全部子网前缀形成其他转交地 址。例如，无线鼹络接西可能允许节点通过多条链路可达，因而也就允许移动节 点拥有多个转交地址。 移动节点形成新的转交地址之后，需要对这个地址进行重复地址检测 ! q垡型! 型! 堡些塑垫堕型塞型壅些 ( d u p l i 咖e d a d d 陀s sd d e d i o n ，d a d ) ，以确认它的唯一性。重复地址检测通常造成 移动节点要经历一定的延迟爿能使用新的转交地址，从而导致移动节点与通信对 端之问的通信在一段时川内中断。冈此，在形成新的转交地址后，移动节点也可 以不进行蕈复地址检测就外始使用它。但是，如果该转交地址已经被别的节点使 用，就会造成地址冲突。在多数情况r ，移动节点还是成该进行重复地址检测。 3 注册 移动节点在获得转交地址后，通过移动j p 定义的消息向家乡代理请求注册。家 乡代理确认后，将家乡地址和相应的转交地址存放在绑定缓存中，完成家乡地址 和转交地址的绑定，并向移动节点发送注册应答。在注册过程中，如果移动节点 使用外地代理转交地址，就要通过外地代理进行注册请求和注册应答。移动i p v 6 巾，注册到家乡代理的转变地址称为丰转变地址( 鲥m a r vc a r e o f a d d r e s s ) 。发送 的注册消息称为绑定更新”，家乡代理应答的消息称为“绑定确认”。移动节点与家 乡代理绑定过程见图22 。 圈22 家乡注册过程 移动节点在任何时候都可以给任何通信对端发送绑定更新，使通信对端缓存 移动节点当前使用的转交地址。考虑到移动节点的连续移动，当移动节点在新的 链路上获得新的转交地址时，可能希糍正在发往前一个转交地址的分组通过隧道 到达移动节点新的转交地址，减少分组重传代理的延迟。为了精确建立这类临时 的隧道隧道的源端必须是移动节点的前一个转交地址，类似从移动节点家乡地 址到移动节点当前转交地址的隧道。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。 4 分组路| i 家乡代理在获得移动节点的转交地址并完成绑定后，在移动节点的家乡链路 上使用代理邻居发现机制，在家乡链路上截获的目的地址是移动节点的家乡地址 的i p v 6 分组，然后通过隧道将它们转发到移动节点的主转交地址。家乡代 j j 对分 组使用i p v 6 封装，外层i p v 6 报头中目的地址是移动竹点的主转交地址。 通信对端和移动节点存在两种通信方式：双向隧道模式和路山优化模式。 第二章移动i p v 6 技术及切换协议 移动节点 网2 3 移动i p v 4 的三角路由现教 对于双向隧道模式，家乡代理和家乡链路上的其他路由器通过与外地链路上 的路由器交换路由信息，使得发送给移动节点家乡地址的分组被正确转发到家乡 链路上。家乡代理通过邻居发现机制来截取发向移动节点家乡地址的分组。家乡 代理根据分组的i p 目的地址查找绑定缓存，获得移动节点注册的转交地址，然后 透过隧道发送分组到移动节点的转交地址。 家乡钱理 ，q 移动节纛 图2 4 移动i p v 6 的优化路由 对于路由优化模式，移动节点使用外地网络的路由器作为默认路由器，它发 送的分组通过辨地网络路由器直接发送给通信节点，无需采用隧道机制。这样通 信对端发送的分组通过移动节点的家乡代理发送给移动节点，移动节点的分组童 接发往通信对端，形成如图2 3 所示的基本移动i p 的三角路由现象。移动i p v 6 协议 中对路由的优化如图2 4 所豕。移动节点和通信对端之间的可以直接通信。 5 动态家乡代理地址发现 移动节点离开家乡后，家乡网络可能进行重新配置，导致原来提供家乡代理 服务的节点被另令路壶器取代。在这种情况下，移动节点就不知道当前家乡代 理的i p 地址。移动i p v 6 提供“动态家乡代理地址发现”机制，允许移动节点动态发现 家乡链路上现有的i p 地址，从而保证能够注册其主转交地址。 6 返回可路由过程 返回路由可达( r r ) 机制是移动i p v 6 路由优化安全设计机制，基本内容是一 个节点检验另一个节点是否能够回复发到指定地址的数据包。基本的r r 机制包含 两次检验，家乡地址检验和转交地址检验。首先移动节点发送两个数据包到通信 节点：一个经过家乡代理的家乡测试初始化消息( h o m e t e s ti i l i t ，h o t i ) 一个直接 发送的转交测试初始化消息( c a r e o f t e s ti n i t ，c o t i ) 。通信对端c n 分别回复这两 个信息，发送家乡测试消息( h o m et e s t ，h o t ) 回复h o t i ，和转交地址测试消息 ( c a r e o f t e s t ，c o t ) 回复c o t i 。最终，移动节点收到了h o t 和c o t 。 当移动节点收到h o t 和c o t 消息后，它使用哈希函数计算收到的令牌得到绑 定管理密钥( b i n d i n gm a n a g e m e n tk e y ，k b m ) 。mn 和c n 使用k b m 保护随后的绑 定更新( b u ) 报文和绑定确认( b a ) 报文。 2 2m 工p v 6 切换技术 m i p v 6 从一个子网切换到另一个子网的过程分为四个阶段，如图2 5 所示。 心a r h ac n ( 厂 l 路由器公告( r a ) 一 1 邻居公告( n a ) l r 绑定更新( b u ) ， 绑定确认( b u ) 1 家乡地址测试初始化 ( h o t i ) 转交地址测试初始化 ( c o t i ) 家乡地址测试结果7 ( h o t ) 转交地址测试结果 ( c o t ) 1 绑定更新( b u ) 图2 5 移动i p v 6 切换过程中的消息流程 第= 章移动i p v 6 技术及切换协议 1 ) 链路层切换。氛耋n 断开弼黯链路上酶冀心( 无线接入点) 的连接，建立同薪链路 上的a p 的连接。本文将链路层切换所需的时间表示为t i ，。 2 ) 移动检测：袱连接到新链路后，等待一段时间嚣，收到来自耨链路上的熊 的路由器公告消息。凇将淞清怠中提供的子网遗缝前缀和它在正在使用的缝垃 进行比较后，发现不匹配，于是判断它进入了新的子网。m n 会改用新a r 作为它 的缺省路由器。本文将这个阶段所需的时间表示为t 制。 3 ) 她缝配嚣帮重复检测：轰烈采孀无状态地址配萋或者商状态缝蛙鬣置的方式获 褥一个新转交地址，并进行重复地址裣测过程。如果采嗣无状态地址配置方式， 则配置地址几乎不需要时间，所以本文将这个阶段所需的时间表示为t 。d 4 ) 绑定更掰：m n 囱它的姒发送b u 满怠。h a 收到鹣u 消息螽，创建或更叛 绑定缓存孛醚n 的条露，建立或更薪裂涮昀隧道，然惹返回绑定确认b a ) 消感。 m n 收到b a 后，建立或更新到h a 的反向隧道，再向所有c n ( 通信对端) 发送b u 消息。c n 收到b u 消息后，如果它支持移动i p v 6 ，则创建或更新绑定缓存中m n 的条鳍。本文将从凇囱淞发送b u 清息，到所有烈收到b u 消息这段时闻表 示为fb 。，并从m n 向h a 发送b u 消息，剿姒收到b u 消息这段时闻表示为t h 出。， 将从h a 发送b a 消息，到m n 收到b a 消息这段时间表示为t 。曲。，将从m n 向 q 发送b u 消患，到e 烈救到秘u 消患这段时闻表示为譬k 。 以上几个步骤是顺序执行的，所以韬换过程总共需要的时阉为式2 1 ： 卜1 2 + t m d + t d a d + tb i l 式( 2 一1 ) 遴常将爱隧兰步称为第三层切换，藏嬲络层切换，掰需要时阅为式2 2 ： 薯1 3 = t 氆d + 善麟镀醵 式( 2 毫) 其中，绑定聪新时间可以表示为式2 3 ： k = t + t 蛐+ t 融 式( 2 3 ) 电于各个鼎和硪阚酶掰络路径状态不一样，所以各个c n 对应酶f h 。也 不一样，t h 。应该取最大值。 r 蝴与路幽器公告的发送间隔相关，幽于路由器主动发送的路南器公告消息要 被链路上酶所有节点接牧，凳了避免缭节点增加过多负载，逶常路蠢器公告斡发 送间隔是几秒钟甚至十几秒钟，所以t m d 一般也是几秒钟。t 捌取决于地址重复检 测过程所使用的机制，如果是采用发送邻居请求的方式，则t 。鲥般在1 秒钟左 右。零h 。壶蹦与默窝渊阀豹霹络路径酶转输延遴决定，如果湫离激或 c l n 缀远，则下h 。会比较大。豳此可见，移动l p v 6 的讶换过程一般至少需要凡秒锋， 并且主要是第三层切换需要的时间。 豳上述分耩可知切换延迟般至少为几秒钟。对于实时性业务( 如网络电话、 网络会议) 来说，经常出现几秒钟的通信中断是不能被用户接受的。而实时性业务 在未来的网络应用中将会占据非常重要的地位，所以有必要对切换过程进行优化， 以减少切换延迟。i e t f 为此成立了一个名称为m i p s h o p 【2 8 】( m i p v 6s i 弘a l i n ga i l d h a n d o 行o p t i m i z a t i o n ) 移动m v 6 信令和切换优化的工作组，专门负责制定切换 优化协议。目前m i p s h o p 工作组的主要任务是完善两个切换优化协议：f m i p v 6 ( 移 动i p v 6 快速切换) 和( 层次化移动i p v 6 移动性管理) 。本文接下来将会介绍移动 i p v 6 快速切换并对快速切换的性能进行分析。 2 3f m i p v 6 切换技术 2 3 1 移动i p v 6 快速切换协议描述 为了减少移动节点在切换过程中的切换时间，i e t f 提出了移动i p v 6 快速切换 技术( f a s th 锄d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6f m i p v 6 ) 。 f m i p v 6 是对移动i p v 6 的改进，它 可以加快i p v 6 移动节点的切换时间，减少己有通信连接的中断时间，保证通信流 的实时传输。快速切换的主要原理是在m n 断开原链路的连接之前获得将要接入 的新链路的信息，并根据这些信息预先完成注册过程。为了获得预期的切换性能， 这个协议要求移动节点或者接入路由器在移动节点切换前预先获得它将要切换到 的新的接入路由器的信息。 接入路由器是指网络和移动节点之间的最后一个路由器。在描述快速切换时， 前接入路由器( p r e v i o u s a c c e s sr o u t e r ，p a r ) 是指移动节点当前连接的接入路由器， 新接入路由器( n e wa c c e s sr o u t e r ，n a r ) 是指移动节点将要移动到的接入路由器。 快速切换的关键是要在m n 与p a r 断开连接之前能够确定一个预期的新转交地址 n c o a 。当m n 移至n a r 后，m n 能用n c o a 继续原先的通信；如果n c o a 注册失 败，快速切换也允许移动节点不获得新的转交地址而切换到新的网络。在此之前， 需要进行的准备工作包括新转交地址配置、重复地址检测和邻居节点发现等。此 外，快速切换在p a r 与n a r 之间还建立了数据包转发机制。移动i p v 6 快速切换 技术新增了一些新的消息，如下所述： 1 ) 代理路由器请求( r o u t e rs 0 1 i c i t a t i o nf o rp r o x y ，r t s o l p r ) 由m n 发向p a r ，当移动节点预测到自己要进行切换时，发送该消息到旧接 入路由器，该消息通知旧接入路由器本移动节点将要进行切换，并且请求切换所 需要的信息。 2 ) 代理路由器广播