（通信与信息系统专业论文）移动ip切换中tcp性能及其改进研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 移动i p 是目兹难一支持因特网主机移动的标准，它能够使移动终端在 不改变i p 地址的前提下仍能保证通信的连续性。但是由于在切换过程中存 在较长时延和丢包等问题，移动i p 切换会对些实时性要求较高的应用产 生严重影响，例如网络多媒体、视频会议等，使得漫游对上层应用不透明， 严重影响移动节点的通信质量。如何尽量地减少切换过程中数据包的丢 失，缩短切换时延，改善切换中的t c p 性能，是移动i p 应用中急需解决 的问题，也是本硕士论文研究讨论的主要内容。 本文首先介绍了移动l p 的概念及其工作原理，分析了t c p 原理，在此 基础上着重分析了移动i p 切换过程中的时延和丢包对t c p 性能的影响， 并对现有改进方案的优点和不足做了详细的分析。 随后论文讨论了设计移动i p 切换机制的目标，在现有的切换方案的基 础上提出了一种新的改进的移动i p 切换方案，方案包括了改进的移动检测 算法和改进的注册方案。其中，改进的移动检测算法根据代理覆盖区域内 移动节点的多少来调节发送代理宣告的时间间隔，来减少不必要的移动检 测时延；改进的注册方案是在平滑切换方案的基础上进行改进。通过原外 地代理短暂广播数据包和新外地代理缓存数据包，使得移动节点能够在进 入新外地代理的覆盖区域内发送注册请求后，就能接收到数据包。改进的 注册方案基本上消除了注册过程所造成的移动节点的通信时延，同时避免 了平滑切换方案中的数据包乱序到达和缓存区大小如何设置的问题。本文 提出的改进注册方案的特点是：在不改变移动i p 注册过程的前提下，只需 要对代理进行修改。而对移动节点不需要进行修改，实施过程简单。 最后，本文在n s 仿真平台上，对标准的移动i p 切换性能和改进的注 册方案的性能进行了较为详尽的仿真和分析。仿真结果表明改进的注册方 案有效的改善了移动i p 切换的性能 关键词：移动i p ，切换，移动检测算法，注册，n s ，仿真 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m o b i l ei pi st h eo n l ys t a n d a r dw h i c hs u p p o r t st h em o b i l eh o s t o fi n t e r n e t 。m o b i l ei pc a ne n s u r et h ec o m m u n i c a t i o ni nt h ec a s eo fm o b i l e t e r m i n a l sd o n tc h a n g et h ei pa d d r e s s b e c a u s eo fl a t e n c yt i m ea n dl o s i n go f p a c k e t s ，t h e h a n d o f fo fm o b i l ei pw i l la f f e c tt h er e a l - t i m ea p p l i c a t i o n s e r i o u s l y , s u c ha sn e t w o r km e d i a ，v i d e of f e q u e n c ym e e t i n g i tc a nm a k er o a m o p a q u ef o rt h ea p p l i c a t i o n i tw i l la f f e c tt h eq u a l i t yo fm o b i l en o d e so v e r l y h o wt or e d u c et h el o s i n gp a c k e t sa n ds h o r t e nt h eh a n d o f fl a t e n c yt i m et o i m p r o v et h et c pp e r f o r m a n c ei st h ek e y t h i sp a p e rw i l ld i s c u s st h ep r o b l e m c h i e f l y f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p t i o na n dp r i n c i p l eo fm o b i l ei p a n da n a l y z e st h ee f f e c to fm o b i l ei ph a n d o f fo nt c pp e r f o r m a n c ec h i e f l y t h e p a p e ra n a l y z e st h ee x i s t i n gi m p r o v i n gh a n d o f fs c h e m e sr o u n d l y a f t e r w a r d ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ea i mt od e s i g nt h em e c h a n i s mo fm o b i l e i ph a n d o f f t h ep a p e rp u t sf o r w a r da ni m p r o v i n gh a n d o f fp r o j e c tb a s e do n e x i s t i n gp r o j e c t s t h ep r o j e e ti n c l u d e st h ef a s tm o t i o nd e t e c t i n ga l g o r i t h ma n d t h ei m p r o v i n gr e g i s t e rs c h e m e t h es c h e m ec a na d j u s tt h ei n t e r v a lo fa g e n t a d v e r t i s e m e n tb a s e do nt h ea m o u n to ft h em o b i l en o d e si nt h ef o r e i g na g e n t i t c a ns h o r t e nt h et i m eo fd e t e c t i o ne f f e c t i v e l y t h er e g i s t e rs c h e m ei sb a s e do n t h es m o o t hh a n d o f f i tm a k e st h em o b i l en o d e sr e c e i v et h ep a c k e t sw h i l et h e m o b i l en o d e se n t e ri nt h ec o v e r i n ga r e ao ft h ea g e n tb yb r o a d c a s t i n gt h e p a c k e t sb r i e f l ya n ds u s p e n d i n gm e m o r y t h ei m p r o v i n gs c h e m eb a s i c a l l y e l i m i n a t et h er e g i s t e rl a t e n c yt i m e i ta l s os o l v e st h ep r o b l e mo fd i s o r d e r i n g 1 ) a c k e t sa r r i v i n ga n dt h es i z eo ft h em e m o r y t h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h e i m p r o v i n gs c h e m ei s ：i to n l ym o d i f i e st h ea g e n t i td o e s n tm o d i f yt h em o b i l e h o s t t h es c h e m ei sa l s os i m p l ew h e np u ti n t op r a c t i c e e v e n t u a l l y , t h es i m u l a t i o no fm o b i l ei ph a n d o f fp e r f o r m a n c eo nn sa r e i n t r o d u c e d t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o nd e m o n s t r a t et h ei m p r o v i n gs c h e m e i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm o b i l ei ph a n d o f fe f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：m o b i l ei p ，h a n d o f f ，m o v e m e n td e t e c t i o na l g o r i t h m ，n s ， s i m u l a t i o n 珏 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，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废 整虫太堂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谢 意。 学位论文作者签名：多。f 签字日期：哆年莎月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆邮电太堂有关保留、使用学位论 文的规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重麽鲣虫太堂可以将学位论文的 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：莎r 未导师签名： 枷p 叶 签字吼一年易月扩日签字眺叩年5 月9 日 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 移动ip 的研究背景 第一章绪论 在最近几年，随着无线数字传输技术的发展，一种新型的局域网一无 线局域网( w l a n ) 悄然出现，极大地改变着i n t e r n e t 的传统服务形式，i n t e r n e t 末端用户所要求的已经不仅仅是能够通过电话拨号或网卡插槽等方式接 入，而是更加灵活的无线接入形式，并且要求是在任何时候、任何地点都 可以享受i n t e r n e t 的服务。从这一点来说，i n t e r n e t 走向了移动，即i p 走 向移动。与此同时，随着通信技术发展的日新月异，通信网络之间相互融 合的趋势日见明显，而计算机网络，以其独有的优异性能和强大的信息运 载能力，以及高度的实用性和优异的使用性价比，将会在未来的信息网络 架构中起着不可替代的主导作用。 随着技术不断发展和社会信息需求的持续增长两个因素的强劲推动， 通信网络的融合是一种必然的趋势，各个通信网络的业务将会相互交叉和 渗透，而移动和l p 的结合是这种融合趋势在当前阶段的强烈反映。为了满 足这种需求，i n t e r n e t 工程任务组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 ) 下 属的移动i p 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 ) 在1 9 9 2 年制定、 并在1 9 9 6 年6 月通过了移动i p 最初的标准草案。在1 9 9 6 年1 1 月公布了 建议标准，为移动i p 成为i n t e r n e t 的正式标准打下了基础。 移动i p 是一个在i n t e r n e t 上基于网络层提供移动支持的解决方案。它 将人们从台式计算机的网卡插槽、电话插座及信息插座的限制中解放出 来，不管是在家还是在办公室，还是在火车或飞机上，不用重新启动计算 机，也不用做任何的重新配置，甚至不用中断当前的网络浏览，就能随处 享受移动通信的便利与乐趣。 移动i p 能够使移动主机在不同网络问不断移动的过程中仍能保持通 信。它主要解决了两个方面的问题，其一，如何保证移动主机可以使用一 个永久的i p 地址链接到任何链路上；其二，当移动主机在切换到新的链路 上时，如何能够保持正在进行的通信。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。它与下层的物理传 输介质无关，不需要改变移动主机的永久标识，与现有的i n t e r n e t 兼容， 同时能够与不具备移动i p 功能的主机进行正常通信。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 目前世界移动通信技术处于2 5g 时期。虽然2 g 和2 5 g 移动通信已 经成功实现商用，但是由于当初设计网络时的局限性，导致了2 g 网络支 持的数据业务带宽有限。3 g 和未来的4 g 移动通信网络可以提供更大的网 络带宽，使更高要求的移动通信服务成为可能。在人们不断研究3 g 网络 时，3 g 网络中的重要技术的实现成为人们关注的焦点。其中移动i p 技术 就是3 g 乃至4 g 移动通信网络的重要技术之一。 1 2 国内外移动ip 研究现状 1 9 9 6 年i e t f 提出了的移动i p 协议标准，主要包括r f c 2 0 0 2 、r f c 2 0 0 3 、 r f c 2 0 0 4 、r f c 2 0 0 5 和r f c 2 0 0 6 等r f c 文档。r f c 2 0 0 2 定义了移动i p 协 议；r f c 2 0 0 3 、2 0 0 4 定义了移动i p 中用到的三种隧道技术；r f c 2 0 0 5 叙 述了移动i p 的应用：r f c 2 0 0 6 定义了移动i p 的管理信息库m i b 。r f c 文 档的发表引发了研究移动i p 技术的高潮，美国哥伦比亚大学、纽约大学、 新加坡国立大学、日本科学与技术研究所、瑞典皇家学院以及 f t p s o f t w a r e 、i b m 、m o t o r o l a 、n o k i a 、s u n 、t e l x o n 等公司都有相应的工 作组针对移动i p 进行研究。 针对r f c 文档中的一些问题和有待扩展的方面，研究人员提出了很多 的思想进行增强和改进。其中主要集中在如下几个方面： ( 1 ) 移动i p 技术在i p v 6 中的应用； 在i p v 6 中实现移动i p 将更加容易和便于使用。首先，移动i p v 6 因为 有了巨大的i p v 6 地址空间，而且每台路由器都要求实现路由器搜索，所以 不再需要外地代理，获得转交地址的过程更加简单。正因如此，i p v 6 中没 有外地代理转交地址，而只有配置的转交地址。其次，应该尽可能使用i p v 6 的各种特性来改进移动节点的操作，例如归属代理可以使用邻居发现的代 理通告来截获发给移动节点的i p v 6 包。 在移动i p v 6 中，移动节点不仅仅通知归属代理它当前的转交地址，也 将转交地址通知给一些通信节点，这使得知道移动节点转交地址的通信节 点可以利用选路报头直接将数据包路由给移动节点。不知道移动节点转交 地址的那些通信伙伴发出的数据包则和移动i p v 4 中一样进行路由，移动节 点送出的数据包也和移动i p v 4 中一样被直接送到它们的目的地，而无需任 何特殊选路机制。在移动i p v 6 中主要研究有关分级的移动i p v 6 的移动性 管理( h m i p v 6 ) 、移动报头携带绑定信息、l 2 t r i g g e r 和安全问题。 ( 2 ) 支持“微移动”的移动i p 技术； 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 移动i p 协议是一种广域的支持i p 移动性的协议，如果移动节点远离归 属网络，又基本上只在一个管理域内移动，极少发生管理域间的移动，那 么移动i p 的每次改变子网，即向h a 注册的机制就会带来很多问题，比如： 1 在网络中将引发大量的注册报文的传输，从而严重影响网络性能； 2 造成较大的切换延迟，特别是当m n 远离其归属网络时，将引起严重 的包丢失和通信吞吐量的下降； 3 采用优化路由时，由于要正确地通过隧道传输i p 包，因而必须保存 精确的位置信息，这将需要大量的缓存。 为了提高移动i p 的效率，人们把移动节点的移动性分为宏移动和微移 动两种情况，发生在不同管理域之间的移动称之为宏移动；发生在同一个 管理域内的移动称之为微移动。在宏移动的情况下采用移动i p 协议，在微 移动的情况下则采用各种微移动协议，这样可以尽量减小注册时延、减少 广域网中的注册报文。 目前已经提出了很多有关微移动的补充协议： r r a m j e e 等人提出h a w a i i 草案，引入了d r r ，微移动情况下m n 的 位置更新只需要由d r r 以及相关路由上的节点处理即可【4 1 。 c a m p b e l l 等人提出了c e l l u l a ri p , m n 在无线接入网之间的移动由标准 移动管理，无线接入网之内的移动由c e l l u l a r i p 管理【5 1 。 ( 3 ) 无线网络中的t c p 协议改进； 作为无连接的i p 协议，本身就不具备支持实时业务的特征，构成因特 网的许多链路同样没有预留带宽的功能，它们给实时业务带来了较大的、 不可预测的时延；同时t c p 的超时重发机制只能使问题更严重。t c p 假设 绝大多数数据包或确认报文的丢失是由于因特网的拥塞引发的，对大多数 因特网链路来说是有效的，但是对于无线链路来说，大多数包丢失是由于 数据包在红外、无线链路等高误码的链路上传输时发生的错误引起的。当 有错误发生时，t c p 就假设网络发生了拥塞，从而大大降低新数据包和旧 数据包的发送速率，反而使得t c p 性能更差。对于移动节点来说，当其移 动到新子网之前的一刻，归属代理通过隧道向移动节点的转交地址发送了 一个数据包，在这个包到达移动节点的旧子网时，移动节点已经离开那里， 因此无法接收这个数据包，发送这个数据包的节点上的t c p 就会检测到一 个包丢失，并假设这是由于网络发生了拥塞，于是开始降低发送数据包的 速率。由此可看出，移动节点自己以及移动节点通信所用的无线链路都能 使t c p 的性能严重地恶化。为了解决这些问题，i e t f 正在定义一些机制， 节点可以利用这些机制向网络要求一定的服务质量，例如区分服务和综合 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 服务机制。 ( 4 ) 切换性能研究 切换问题指从m n 离开原先的外地网络开始，到h a 接收到新m n 的 新注册请求为止的这段时间内，由于h a 不知道m n 的最新的转交地址 ( c o a ) ，所以它仍然将属于m n 的i p 包通过隧道发送到原先的外地网络， 导致这些i p 包被丢弃，使得m n 与c h 间的通信受到影响( 特别是在切换 频繁或者m n 到h a 的距离很远时) ，特别是会对一些实时性要求较高的应 用产生严重影响，例如网络多媒体、视频会议等，使得漫游对上层应用不透 明，严重影响移动节点的通信质量。 随着移动i p 网中的实时业务的比重越来越大，越来越多的人们需要在 随时随地进行网络通信。但移动i p 不能很好地保证实时业务的服务质量 ( q o s ) ，尤其是在切换当中，更是使q o s 变得更差。目前，移动i p 的切换 还存在很多问题，如何尽量减少数据分组的丢失，尽量减小切换延迟正是 本文在移动i p 切换方面研究的目标。 1 3 论文主要工作及结构安排 1 3 1 本文主要工作 本文的主要工作从以下三个方面展开。 其一，介绍了移动i p 的研究背景及研究现状，对目前移动i p 的几个热 点研究问题进行了分析；介绍了移动i p 的切换工作机制，包括代理发现和 注册过程。移动i p 切换过程中的切换时延和丢包，对t c p 性能造成了严 重的影响，随着移动i p 网中实时业务的比重越来越大，越来越多的人们需 要在随时随地进行网络通信。但移动i p 的切换不能很好地保证实时业务的 服务质量( q o s ) ，尤其是在当中，更是使q o s 变得更差。因此必须对移动 i p 切换机制进行改进，使之能更好的支持实时业务。本文对目前学者们已 经提出的主流改进方案归纳为六种，分析了这六种改进方案的工作机制， 指出了这六种方案的优点和不足之处。 其二，在前人的工作基础上，提出了一种改进的移动检测算法。在 r f c 3 3 4 4 中，给出了两中移动检测算法，这两种算法由于采用固定的代理 宣告的时间间隔，造成了不必要的移动检测时延，不能满足实时业务的要 求。因此，本文对算法2 进行了改进，改进后的移动检测算法能够根据代 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 理覆盖区域内的移动节点的多少来调节代理宣告的时间间隔，有效的减少 了不必要的移动检测时延。本文在移动节点按照泊松分布到达的情况下， 对代理宣告的时间间隔进行了推导。 其三，在标准移动i p 中，移动节点每次发生切换都要向自己的家乡代 理进行注册，这会造成移动节点的通信暂时中断和数据包的丢失，特别是 在移动节点离家乡代理较远的情况下，会造成更长时间的通信中断和更多 的数据包丢失。因此本文在平滑切换方案的基础上，对移动i p 的注册机制 进行了改进。改进的注册方案通过在新外地代理覆盖通过原外地代理短暂 广播数据包和新外地代理缓存数据包，使得移动节点能够在进入新外地代 理的覆盖区域内发送注册请求后，就能接收到数据包。改进的注册方案基 本上消除了注册过程所造成的移动节点的通信时延，同时避免了平滑切换 方案中的数据包乱序到达和缓存区大小如何设黄的问题。本文提出的改进 注册方案的特点是：在不改变移动i p 注册过程的前提下，只需要对代理进 行修改，而对移动节点不需要进行修改，实施过程简单。最后，本文在 n s 仿真平台上对本文提出的改进的注册方案进行了仿真分析，仿真结果 表明改进方案有效地缩短了注册时延和减少了数据包的丢失，从而改进了 切换过程中t c p 性能。 1 3 2 本文结构安排 论文结构安排大致如下： 第一章概述了移动i p 的研究背景，分析了移动i p 的研究现状，并简要 的介绍了移动i p 技术。 第二章首先介绍了移动i p 的概念及其工作原理，其次分析了移动切换 对t c p 性能产生的影响，最后，详细分析了目前提出的解决方案及其不足。 第三章提出了一种改进的移动i p 切换方案，并对方案的性能进行了分 析。 第四章对标准的移动i p 技术和改进的移动i p 切换方案分别进行了仿 真，通过对仿真结果的分析，得出改进的移动i p 切换方案明显改进了移 动i p 切换性能的结论。 第五章总结了全文的工作，并探讨了下一步的研究方向。 重庆邮电大学硕士论文第二章移动m 工作机制及其切换对t c p 性能影响 第二章移动i p 工作机制及其切换对t c p 性能影响 2 1 移动i p 的工作原理 2 1 1 工作机制 在移动i p v 4 协议中，每一个移动节点都有一个唯一的家乡地址，当移 动节点移动时它的家乡地址是不变的，在家乡网络链路上每一个本地节点 还必须有一个家乡代理来为它维护当前的位置信息，这就需要引入转交地 址( c a r e o f - a d d r e s s ) 。 转交地址指向移动节点的隧道的终止点，用于移动节点不在家乡网络 时把数据包转交到移动节点。移动i p 有两种不同类型的转交地址：( 1 ) 外地 代理转交地( f o r e i g na g e n ta r e - o fa d d r e s s ) ，该地址是移动节点所注册的外 地代理的地址；( 2 ) 联合转交地址( c o l o c a t e d c a r e o fa d d r e s s ) ，该地址是移 动节点从外地网络获得的本地地址，移动节点已经将该地址与自己的一个 网络接口建立了关联。 当移动节点连接到外地网络链路上时，转交地址就用来标识移动节点 现在所处的位置，以便进行路由选择。 移动i p 协议的大致操作过程可归纳为几个步骤，其协议操作过程及时 间示意图如图2 1 和图2 2 所示： ( 1 ) 移动代理( 即外地代理和家乡代理) 通过代理宣告消息将它们的存在 性进行广播。 ( 2 ) 移动节点收到这些代理宣告并确定自己是在家乡网络还是在外地网 络，当移动节点检测到自己位于家乡网络上，移动节点的工作机制和固定 节点一样，不启用移动i p 功能：如果移动节点是从外地代理返回到家乡网 络，这时通过交换注册请求和注册应答消息，移动节点解除其在家乡代理 的注册：当移动节点移动到外地网络链路上时，它通常情况下使用一个称 做“代理发现”的规程在外地链路上发现一个外地代理，获得一个转交地址。 转交地址可以从外地代理的广告中获得( 外地代理转交地址) ，或者通过外 部分配机制如d h c p 获得。 ( 3 ) 位于外地网络的移动节点向其家乡代理发送注册请求，进行注册， 家乡代理把移动节点的转交地址和家乡地址进行绑定。 6 重塞塑皇盔兰堡主堡塞 箜三童整塾里三堡垫型垦基塑垫盟! 垡生e ! ! i 堕 f 4 1 家乡代理返回移动节点一个注册回复- ( 5 ) 发送到移动节点家乡地址的数据报被其家乡代理截获，家乡代理通 过隧道把数据报发送到移动节点的转交地址。 ( 6 ) 外地代理收到数据报后，转发给移动节点。 在相反方向，由移动节点发送的数据包通常使用标准的i p 路由机制传 送到目的地址，不一定经过家乡代理 图2 1 移动i p 协议操作过程示意图 。 m n 进入外地同鳍。： nd h as g r v c r 丽接收到代理宣告 m n 请求d h c p m n 收到d h c p 应菩 p t m n 开始注册 、j ， _ ， r 猫最氢匠面砬蓄：_ 一一 i 一猫尧威t 矗矗i 眭茁+ ： 通信恢复 图2 2 移动i p 协议操作过程时间示意图 7 重庆邮电大学硕士论文第二章移动i p 工作机制及其切换对t c p 性能影响 2 1 2 代理发现及注册 为了随时随地与其他主机进行通信，移动节点必须首先找到一个移动 代理，并获得转交地址。代理发现( a g e n td i s c o v e r y ) 就是移动节点判断它 是连接在家乡网络还是外地网络以及找到所在链路上的移动代理的过程。 而且，当移动节点移动到一个新的网络链路上时，代理发现机制还能为它 找到一个合适的外地代理。 移动主机有两种方法来判断是否移动： 1 、用生存域作移动检测 这种方法利用代理宣告消息中i c m p 路由器广播部分的生存时间域， 这个域告诉移动节点，每过多长时间它就可以从同一个代理那里收到一个 广播。但实际发送广播的频率比生存域设定的值要快二倍。因此，如果移 动节点注册到一个外地代理上，但在生存时间域规定的时间内没有收到来 自那个代理的广播，那么移动节点就认为它已移动到另一链路上了。无论 怎样，移动节点都要向下一个发来代理宣告的外地代理注册。 2 、用网络前缀作移动检测 假设移动节点向一个外地代理注册了，并记录了它的代理宣告消息。 现在我们假设移动节点又收到了另一个外地代理的代理宣告。移动节点通 过比较两个宣告消息的网络前缀判定它们是否来自同一链路。如果是，它 就不必向新的外地代理注册：如果不是，即宣告消息来自另一条链路，移 动节点就肯定改变了位置，要向新链路上的外地代理注册。 移动节点的家乡代理必须时刻准备着为移动节点提供服务。外地代理 有时可能太忙而不能为其他进入该代理覆盖范围内的移动节点服务，即使 这样，它也必须继续发送代理宣告，以便已经向其注册的移动节点知道它 们没有超出外地代理的范围以及外地代理没有出现故障。 移动节点可以从代理宣告消息中获得它的转交地址( 外地代理转交地 址) ，或者通过外部分配机制如d h c p ( 动态主机配置协议) 获得转交地址 ( 配置转交地址) 。其中代理宣告消息格式如图所示，它是通过对i c m p 路 由器广播消息中包含一个“移动代理广告扩展( m o b i l i t ya g e n t a d v e r t i s e m e n te x t e n s i o n ) 进行扩展得到的。如图2 3 所示： 8 重庆邮电大学硕士论文第二章移动工作机制及其切换对t c p 性能影响 0123 01234 5 67 89 012 345 6 7 8 9 0l2 3 45 67 8 9 01 + 一+ - + - + - + - + - + 一+ - + - + - + - + - + - + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ - + - + - + 一+ 一+ - + - + t y p ejl e n g t h i s e q u e n c en u m b e r j + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ - + - + - - + - - + - 十- - + - - + - - + - - + - - + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十 r e g i s t r a t i o nl i f e t i m er ib i h if i m l g l v i r e s e r v e d 十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ - - + - - + - - + - - + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ z e r oo rm o r ec a r e - o fa d d r e s s e s 图2 3 代理宣告消息格式 在移动i p 中，家乡代理的主要作用是管理和维护移动节点的转交地址 并与移动节点保持联系，这是由移动i p 的注册过程完成的。移动节点在代 理发现机制完成之后，必须将其位置信息向其家乡代理进行注册 ( r e g i s t r a t i o n ) ，以便其能够被家乡代理找到。 移动i p 注册包括两种注册消息：注册请求和注册应答。注册请求和注 册应答格式如图2 4 和图2 5 所示： 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动m 工作机制及其切换对t c p 性能影响 012 3 012 3 4 5 6 7 8 9 012 34 5 6 7 8 9 012 3 4 5 6 7 8 9 01 + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ t y p es i bj dj m l g i y r s vjl i f e t i m e + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ lh o m ea d d r e s s + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ h o m ea g e n t + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ c a r e o fa d d r e s s + 一+ 一+ 一十一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ ji d e n t i f i c a t i o n + 一+ 一+ 一十一十一+ 一+ 一十一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ + 一+ 一+ 一十一十+ e x t e n s i o n s 0 图2 。4 注册请求消息格式 2 0i2 3 4 5 6 7 8 9 0i2 3 4 5 6 7 8 9 0i2 3 4 5 6 78 9 0 i - - - - - , - , - - , - - , - - - , - - , - - , - - , - - , - , - , - - , - - - - , - , - - , - - , - - , - - - - - , - - , - - , - - , - , - - , - - - t y p e c o d e l i f e t i m e 十一十一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ - + - + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ - + - + 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ - + - + h o m ea d d r e s s + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ + 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一十一十一+ 一+ 一+ 一+ h o m ea g e n t + 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一十一十一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ i d e n t i f i c a t i o n | + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一十一+ 一+ - - + - - - - e x t e n s i o n s 图2 5 注册应答消息格式 l o 重庆邮电大学硕士论文第二章移动口工作机制及其切换对t c p 性能影响 其中，注册请求消息包括了移动节点的家乡地址和新的转交地址。注 册过程包括移动节点和它的家乡代理一次注册请求和注册应答的交互，可 能还会牵涉到一个外地代理。有两种可能的注册过程： 一种是通过外地代理，即移动节点向外地代理发送注册请求消息，外 地代理接收并处理注册请求消息记录移动节点的相关信息，然后将注册请 求中继到移动节点的家乡代理：家乡代理处理完注册请求消息后向外地代 理发送注册应答消息( 接受或拒绝注册请求) ，外地代理接收到注册应答消 息，将其发送到移动节点。 另一种是直接向家乡代理进行注册，即移动节点向其家乡代理发送注 册请求消息，家乡代理处理后向移动节点发送注册应答消息( 接受或拒绝 注册请求) 。当移动节点收到来自其家乡代理的代理广播消息时，可判断 自己已回到家乡网络。此时，移动节点应向家乡代理注销其注册的位置信 息。在试图注销注册之前，移动节点应配置适用于其家乡代理的路由表。 移动i p 的注册过程是用于通知家乡代理通过隧道向移动节点发送数据 包的目的地址的信息，但是如果不采用安全保障措施，如果有一个恶意用 户故意发送一条假注册请求消息给家乡代理，那么所有的数据包就有可能 全部发送到恶意用户那里，因此安全性问题就成为移动i p 技术中的重要组 成部分，有必要通过注册消息结构中的扩展字段对注册消息进行安全认 证。 2 2t c p 原理 t c p 是在因特网上保证可靠传输的协议，传输层协议通常从应用层接 受数据，将数据分成最佳大小的块，为这些块加上一个传输层的报头以形 成数据包，然后将数据包作为网络层数据包的净荷进行传送。t c p 定义了 许多机制来实现向应用层提供可靠的服务，这些机制主要包括： 1 差错检测 t c p 利用校验和来检测传输中的错误。发送方对t c p 报文段( 以及部分 i p 报头) 进行计算得到校验和，将校验和放在t c p 校验和域中，然后将数 据包送给接收方。接收方重新计算校验和，然后将计算结果与校验和域中 的值比较，如果不相等，那么传输过程中就肯定有错误发生，接收方于是 将这个包丢弃。 2 差错改正 t c p 通过确认和重发来纠正错误。确认是用来通知发送者数据已被它 重庆邮电大学硕士论文第二章移动m 工作机制及其切换对t c p 性能影喧 所希望的接收方正确接收的一个消息。如果发送方在“一定的时间内”没 有收到确认它就假设数据己经丢失了，因此应重发这个数据。其中的技巧 是这里的“一定的时间”到底多少比较合适，不必要的重发会浪费网络带 宽。而过长时间的等待会降低应用传送数据的速率。t c p 有一个算法来估 计返回时间( 也就是它认为数据包从源端到目的端以及确认被送回到源端 所需的时间) 。t c p 利用估计的往返时间及其变化来做出有根据的假设， 应过多长时间就可以认为数据包己经丢失了。因为t c p 是全双工的，第一 个节点可以在它向第二个节点发送的数据包中对接收到的数据进行确认。 t c p 报头结构可以将确认与数据放在同一个数据包中而不需要增加额外的 字节数。相反，一个单独的确认需要4 0 字节长( t c p 报头2 0 字节和i p 报 头2 0 字节) 。因此，接收节点可能会推迟确认的时间，以等到机会将确认 放在包含用户数据的包中传送。 3 滑动窗口 如果t c p 节点只是简单地发送一个数据包，并在发送下一个数据包前 等待确认的到来，那么它会花很多的时间用于等待确认。实际上，t c p 允 许节点在一些确认到达之前发送其他数据包，在节点必须停下来等待确认 到达之前，它允许发送的最大数据包数称为一个窗口。当节点收到它已发 送的数据包的确认时，可将窗口向前“滑动”，有时还可以增加窗口大小。 当窗口向前滑动或尺寸增加时，节点可以发送更多的数据包。 4 拥塞控制 拥塞是指网络中的路由器由于它们所连接的链路速率等原因而过载。 从丽不能对数据包进行转发。在一个拥塞的网络中，一些数据包被丢弃， 另一些可能时延变大，而真正能传送的数据量大大下降。t c p 可以检测拥 塞，并通过降低发送( 或重发) 数据包的速率来缓解这种局面。有关拥塞， t c p 对因特网做了一个基本的假设，t c p 假设因特网中几乎所有包丢失都 是由于拥塞引起的，而不是硬件、传输和接收这些数据包时发生的错误。 因此，当t c p 检测出丢失了一个数据包时( 即在一定的时间内没收到确 认) ，它就大大减小发送数据包的数量，并等待很长一段时间才重发还没 有得确认的那些数据包。 5 慢启动 当t c p 发现一个拥塞现象有所缓解时，它就开始增加发送数据包的数 目，并调整等待确认的时间。如果提高得太快，考虑到因特网上所有的主 机数目，那么拥塞可能会很快又发生。因此，在拥塞发生后和开始一个新 的连接时，t c p 都慢慢地提高以上两个参数，目的是为了防止在一个新链 重庆邮电大学硕士论文第二章移动m 工作机制及其切换对t c p 性能影响 路开始时主机发送太多的数据包，因为主机不知道在这条新链路上因特网 能传送多少数据包。 2 3 移动i p 切换对t c p 性能影响 在移动i p 的网络中，当一个移动节点由原来的代理覆盖区域向一个新 的代理覆盖区域移动的时候，就发生了移动i p 切换，移动节点需要向家乡 代理进行注册，以通知家乡代理自己新的转交地址。 在切换过程中，由于通过隧道送往旧的外地代理的数据报文无法投送， 会有数据丢失。如果切换时间太长，通信对端将收不到来自移动主机的确 认信息，它会认为这些未被确认的数据包已经丢失，便不断重传数据包， 直至收到确认信息，这样就会对t c p 性能产生两个消极影响： 首先，在t c p 中，为保证可靠性，每个数据包都必须被确认，如果在 某一段时间后没收到确认信息，数据包将会被重传。为防止网络阻塞每 一次重传失败后，延迟时间片( t i m e o u t ) 将会被加倍，这也就是指数退避 算法。由于在切换期间连续超时，根据指数退步算法就会在数据包重传之 前产生长时间的时延，因此在注册结束到重传激活，有一段时间的等待 期。 其次，在t c p 机制中，认为数据包的丢失都是由于网络的拥塞造成的。 当t c p 发现有数据包丢失时，t c p 采用快速重传和快速恢复机制，t c p 将窗口减半，通过控制发送窗口的大小来减少数据包发送的数量，从而控 制阻塞。如果切换过程中，有多个数据包的丢失，发送窗口将会反复的 减半，直到窗口大小是l 。即使链路被激活，窗口恢复到原来大小，即要 达到切换前的流量，也需要一段时间。 移动i p 切换会对一些实时性要求较高的应用产生严重影响，例如网络 多媒体、视频会议等，使得漫游对上层应用不透明，严重影响移动节点的通 信质量如何尽量地减少切换过程中数据包得丢失，缩短切换时延，改善 切换中的t c p 性能，是急需解决的重要问题。 2 4 现有改进方案及其不足 移动主机在切换时，由于协议处理和信号强度减弱等原因，可能导致 移动主机在一定时间内不能发送和接收数据分组，通信对端与移动主机之 间的通信暂时会产生中断。移动i p 标准给出了移动检测、转交地址获取和 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动工作机制及其切换对t c p 性能影响 重新建立绑定的基本过程，在此基础之上，人们出于不同目的又提出了各 种切换技术，以减少切换引起的连接中断时间，维持或提高已有连接的通 信服务质量。 根据移动i p 工作原理，移动i p 切换延时主要由三个部分组成：协议栈 处理的时间、协议数据包的传输时间和等待代理宣告的时间，这三部分时 间开销的特点分别为： ( 1 ) 协议栈处理时间比较小，相对固定。 ( 2 ) 协议数据报的传输时间是网络层切换的主要耗时，它受网络中多种 因素影响较大。传输中路由的数量和网络忙闲情况将明显影响协议数据包 的传输时间。 ( 3 ) 等待代理宣告的时间。m n 进入新网络的时间与代理宣告发送