（通信与信息系统专业论文）b3g网络ip微移动性技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 为了支持以3 g 和b 3 g 为标志的下一代全i p 移动网络的通用移动性和无缝切换，在 移动i p 的基础上提出了口微移动技术，用于支持“域 内主机移动。与此同时，作为下 一代网络核心技术的m p l s 快速发展，并将扩展用于未来移动网络的无线接入子网，由此 提出在基于m p l s 技术的无线接入子网中应用口微移动技术的问题。此问题在国际上提 出不久，许多技术问题尚不成熟，具有较大的研究空间。 论文总结笔者参与南京邮电大学“攀登计划”资助项目的研究心得，参照i e t f 的 m i p v 6 和m p l s 技术，围绕基于m p l s 的i p 微移动管理进行深入的研究和探讨。 论文首先介绍了移动i p 技术，分析了近年来业界提出的两大类微移动性技术：路由 方案和隧道方案，并通过对目前i e t f 草案中几种典型的微移动技术进行性能分析得出隧 道方案更具优势的结论。论文然后分析了m p l s 技术特点，给出了m p l s 和移动i p 微移 动整合的缘由，并对目前已有的几种基于m p l s 的i p 微移动技术进行详细的性能分析， 总结出各种方案中的共性问题。接着，针对这些问题，笔者提出了一种新的q o s 感知的 m p l s 微移动管理技术，并详细给出了基于m i p v 6 和i c m p v 6 的信令协议设计，绑定更新、 基于l s p 的分组路由和可靠切换信令流程，l s p 的q o s 功能和切换前后q o s 维持的实现 方法，l s p 可靠性实现方法和d f a 单点失效处理过程。最后，给出了本文提出的新方案的 性能分析，并总结了新方案的技术优点。 论文提出的新的q o s 感知的m p l s 微移动管理技术具有支持q o s 、可靠性高、可扩展 性好和实用性强的特点，可有效地解决已有基于m p l s 的微移动技术中存在的主要问题， 并为项目的后续工作奠定了基础。 a b s t r a c t i no r d e rt ob ee f f e c t i v et o s u p p o r tf a s th a n d o f fa n ds e a m l e s sm o b i l i t yi nn e x tg e n e r a t i o n “a 1 1 i p , m o b i l e n e t w o r k ss u c ha s3 ga n db 3 g 。v a r i o u si pm i c r o - m o b i l i t yp r o t o c o l sb a s e do nm o b i l e1 1 h a v eb e e np r o p o s e da i m i n g t os u p p o r tm o b i l i t yw i t h i nad o m a i n w i t hi t sr a p i dd e v e l o p m e n ta st h ek e yt e c h n o l o g yo f n g n ，m p l sw i l lb e e x t e n d e dt ob eu s e di nw i r e l e s sa c c e s ss u b n e to ft h ef u t u r em o b i l en e t w o r k s t h e r e f o r e t h ei d e ai s e m e r g e do f a p p l y i n gt h et e c h n o l o g yo fl pm i c r o - m o b i l i t yt om p l s b a s e dw i r e l e s sa c c e s ss u b n e t t h i si s s u ew a sr a i s e dr e c e n t l y a n dt h e r ea r em a n yp r o b l e m st ob es o l v e d t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ea u t h o r se x p e r i e n c e sa c h i e v e di np a r t i c i p a t i n gi n “c l i m b i n g - u pp l a n p r o j e c to f n a n j i n gu n i v e r s i t yo fp o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s 。b a s e do ni e t fp r o p o s e ds t a n d a r d s ，m i p v 6a n dm p l s ，i t s y s t e m a t i c a l l ym a k e sr e s e a r c h e so nt h ei pm i c r o - m o b i l i t ym a n a g e m e n tt e c h n o l o g yb a s e do nm p l s b e g i n n i n gw i t ht h ei n t r o d u c t i o no f m o b i l ei pt e c h n o l o g y , t h et h e s i sa n a l y z e st h et e c h n i c a lf e a t u r e so f t w ok i n d s o fi pm i c r o - m o b i l i t yt e c h n o l o g y , r o u t i n gs c h e m ea n dr u n n e ls c h e m e ，a n dg i v e st h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so f s e v e r a l t y p i c a ls c h e m e s tl e a d i n gt ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h et u n n e ls c h e m ei sm o r ea d v a n t a g e o u st h a nt h er o u t i n gs c h e m e f o l l o w i n gt h ea n a l y s i so ft h et e c h n i c a lf e a t u r e so fm p l sa n dt h er a t i o n a lo ft h ec o m b i n a t i o no fm p l sa n di p m i c r o - m o b i l i t y , t h et h e s i sd e t a i l st h ep e r f o r m a n c eo fs e v e r a ls c h e m e so fm p l s b a s e di p m i c r o m o b i l i t y m a n a g e m e n tt e c h n o l o g ya n dp o i n t so u ts o m ec o m m o np r o b l e m sb e h i n dt h e m t oo v e r c o m et h e s el i m i t a t i o n s ，an e w q o s 。a w a r em p l s - b a s e dm i c r o m o b i l i t ym a n a g e m e n tt e c h n o l o g yi sp r o p o s e d d e t a i l e dt e c h n o l o g i e sa r ep r o v i d e d ， i n c l u d i n gi t sa r c h i t e c t u r e ，s i g n a l i n gp r o t o c o l sb a s e do nu p d a t e dm i p v 6a n di c m p v 6 ，a n ds i g n a l i n gp r o c e d u r e so f b i n d i n gu p d a t e ，l s pb a s e dp a c k e tr o u t i n ga n dr e l i a b l eh a n d o f f f u r t h e r m o r e ，r e l i a b i l i t yt e c h n o l o g i e sa r ep r o p o s e d ， i n c l u d i n gq o sg u a r a n t e es c h e m ew i t hq o sg r a d eu n c h a n g e da f t e rh a n d o f f , , t h er e l i a b i l i t yo fl s p , a n ds i n g l ep o i n t f a i l u r ep r o t e c t i o no fd f a f i n a l l y , t h et h e s i sg i v e sap e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h ep r o p o s e dn o wt e c h n o l o g ya n d s u m m a r i z e si t st e c h n i c a lf e a t u r e si nc o m p a r i s o nt ot h ee x i s t i n gt e c h n o l o g i e s t h ep r o p o s e dq o s - a w a r em p l s - b a s e dm i c r o m o b i l i t ym a n a g e m e n tt e c h n o l o g yf e a t u r e si nq o sa s s u r a n c e ， h i g hr e l i a b i l i t y , f l e x i b l ee x p a n s i b i l i t ya n dg o o dp r a c t i c a l i t y i th a sr e s o l v e ds o m ek e yp r o b l e m so fe x i s t i n g m p l s b a s e dm i c r o - m o b i l i t ym a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e sa n dh a sl a i df o u n d a t i o nf o rf u r o r ep r o j e c tw o r k 1 1 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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 含为获得南京邮电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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 立碧! !日期：塑z ，丛，p 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 立蓥) 导师签名：研究生签名： 生盗) 导师签名： 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： i p 与宽带网络技术 作者：2 0 0 4 级研究生王慧 题日：b 3 g 网络i p 微移动性技术研究 指导教师糜正琨 英文题日： r e s e a r c ho n m i c r o m o b i l i t ym a n a g e m e n t t e c h n o l o g i e si nb 3 gn e t w o r k s 主题词： k e y w o r d s ： 移动i p微移动多协议标记交换服务质量 可靠性 m o b i l ei p m i c r o - m o b i l i t y m u l t ip r o t o c o ll a b e l s w i t c h q u a l i t yo fs e r v i c e r e l i a b i l i t y 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动i p 微移动发展趋势 近年来，由于高性能便携式通信设备的出现以及用户对因特网多样化服务需求的增 长，无线网络上的多媒体业务以及无线设备的移动性管理日趋成为通信界关注的一个热点 课题。对于移动通信网来说，最基本也是最重要的功能就是如何有效地支持用户的移动性， 使用户可以在任何地点、任何时间、采用任何合适的终端、享用任何所需的业务。 目前的移动通信网是通过设置专用网络数据库( h l i w l r ) 和定义专用位置登记协议 的方法来实现对用户终端的跟踪的。这样的移动性管理技术适合于传统移动网络。但是， 对于以3 g 和b 3 g 为标志的下一代移动网络来说，其网络层最终将演进为一个统一的无连 接的碑网络，终端用户是以与地理位置无直接关联的i p 地址寻址的，尤其是b 3 g 网络将 包容各种不同的无线接入技术，许多技术并不是以蜂窝网络结构为基础的，因此，下一代 移动网的移动性将表现为i p 网络层面的移动性。 移动网络可以通过采用“网络层技术”来支持i p 移动性，具体说来就是i e t f 定义的 移动i p ( m i p ) 技术，包括m i p v 4 和m i p v 6 。由于m i p 对于上层应用和下层接入技术的 完全透明性，因此被认同为i p 网络的通用移动性支持技术，尤其是m i p v 6 将是下一代移 动网络移动性管理技术的基础。目前，3 g p p 2 已经在c d m a l x 的分组网络中采用m i p v 4 技术，今后将随着i p 技术的发展而演进到m i p v 6 技术。3 g p p 由于在分组核心网络中沿用 2 5 g 的g p r s 网络结构，采用基于a t m 的面向连接的隧道机制传送i p 数据包，因此仍然 沿用传统的位置跟踪管理技术，待演进到全i p 网络后，将一步到位地采用m i p v 6 技术。 然而，m m 技术主要是支持便携式计算终端在固定网络中的游动，并未考虑i p 移动通 信终端的需求，因此不能很好地支持快速切换。而且，m i p 承袭i p 网络结构，采用的也是 平面控制结构，对于移动网络来说，预计未来将会有多达几十亿个终端，平面结构的可扩 展性是无法满足下一代移动网大规模发展的需要的。因此，b 3 g 网络必须将目前2 g 网络 分层移动性管理的思想和m i p 结合起来。m i p 管理的是大范围内的移动，通常称之为宏移 动性( m a c r o m o b i l i t y ) 或域间( i n t e r - d o m a i n ) 移动性：在域内或本地范围内，还需要建 立自己的管理网络和技术，管理在本域内的小范围移动，称之为微移动性( m i c r o m o b i l i 哆) 或域内( i n t r a - d o m a i n ) 移动性，它支持移动终端的快速切换。 目前i e t f 中已经提供了几种比较重要的微移动性技术，可归为两大类，路由方案和隧 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 道。其中隧道方案成为支持微移动性的主流技术。但这两类技术均是基于网络层，在便携 式计算终端移动过程中会引入额外的信令时延。b 3 g 网络将是一个全i p 网络，作为i p 网 络高速传送技术的m p l s 是通过预先建立的标记交换路径( l s p ) 传送无连接网络层的i p 数据包的，其快速传送、q o s 和流量工程等优异性能均源自于l s p 的面向连接性。 于是，一个自然的想法就是将m p l s 技术和m i p 技术结合起来。此问题在国际上提出 不久，许多技术问题尚不成熟，具有较大的研究空间，是b 3 g 移动网络中的热点课题之一。 1 2 本论文研究背景及所做工作 本论文的课题来源于南京邮电大学“攀登计划”资助项目，该课题的研究目标是针对下 一代全p 移动网络环境，提出基于m i p 和m p l s 两者结合的新的i p 微移动性管理技术， 深入研究该技术的体系结构和实现方法，并评估其性能。 在导师的指导下，笔者在2 0 0 5 年初开始致力于m i p 协议的研究，对m i p v 4 和m i p v 6 的协议框架、特点和应用有着深刻的理解，并开始着手研究基于m i p 的微移动技术。论文 的第二章分析了近年来业界已提出两大类微移动性技术：路由方案和隧道方案，并通过对 目前i e t f 草案中几种典型的微移动技术进行性能分析得出隧道方案更具优势的结论。然 后，笔者介绍了m p l s 技术特点，给出了m p l s 和移动i p 微移动整合的缘由，并重点对 目前已有的几种基于m p l s 的i p 微移动技术进行详细的性能分析，总结出各种方案中的 共性问题。接着，针对这些问题，笔者提出了一种新的q o s 感知的m p l s 微移动管理技术， 并详细给出了对m i p v 6 和i c m p v 6 信令协议设计，绑定更新、基于l s p 的分组路由和可靠 切换等控制信令流程，l s p 的q o s 功能和切换前后q o s 维持的实现方法，l s p 冗余保护 机制的性实现方法以及d f a 单点失效处理过程。论文的最后部分，给出了笔者提出的新方 案的技术优点，并对新方案的不足和下一步研究方向作了概括性的讨论。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p 微移动技术 2 1 移动i p 技术 第二章移动i p 微移动技术 2 1 1 移动i p 的产生和目标 在i n t e m e t 上，每个主机分配有唯一的i p 地址或动态的i p 地址。由于i n t e m e t 是基于网络 前缀的路由，i p 数据分组首先路由到i p 地址网络前缀对应的网段，然后转发到目的主机， 因此，p 地址不仅标识一台主机，也表示这台主机的物理网络位置。当移动主机在不同的 网络间移动时，它原有的i p 地址已经不能表示其物理网络地址，发送给移动主机的i p 分组 将不能被正确转发给目的节点，移动主机因而不能正常地接入i n t e m e t 获得网络服务。为了 支持移动主机在移动时仍能保持与因特网的正常通信，自1 9 9 1 年来，许多研究机构展开了 在因特网上支持主机漫游的研究工作，提出了一些支持主机漫游的协议。i e t f 也成立了“i p r o u t i n g f o rw i r e l e s s m o b i l eh o s t ( 简称“m o b i l ei p ) 工作组，专门从事移动i p 协议的标 准化研究。1 9 9 6 年1 0 月公布了i 心c 2 0 0 2 i 强c2 0 0 6 文档，提出了移动i p 协议标准，为移动 i p 成为i n t e m e t 正式标准打下了基础，对移动i p 的发展起了关键性的作用。 移动i p 的主要设计目标就是移动节点在改变网络接入点时，不必改变其i p 地址，仍然 能够保持通信的连续性，其过程对上层协议保持透明性，与其他移动节点或不具有移动i p 功能的主机能够进行正常的通信。具体来说，移动协议的设计应该满足如下要求： ( 1 ) 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 m e t 上其他节点的 连续通信； ( 2 ) 移动节点无论连接到任何接入点，应该能用原来的i p 地址进行通信： ( 3 ) 移动节点应该能够与不具有移动i p 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： ( 4 ) 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至l j i n t e m e t 上，无线链路具有低带宽、高误 码率的特点，长消息容易出错，而且移动节点的电池电量通常很小，减少通信中的能量消 耗非常重要。因此，设计移动i p 时要考虑移动节点接入时发送的管理消息数目应该尽量减 少，消息长度也应该尽量短。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p 微移动技术 2 1 2 移动i p v 4 2 1 2 1 基本概念 移动i p v 4 f 毙够使移动主机不需要改变自身的i p 地址就能收发i p 分组，也不需要修改相 关路由器的路由表信息，并能在节点移动时维持其所有正在进行的通信。为了实现以上功 能，移动i p v 4 在传统的i p 网络上定义了下列几个新实体： ( 1 ) 移动节点( m o b i l eh o s t ，m h ) ：是在网络上可移动的节点。其特点是：它使用 家乡网络分配的一个固定的i p 地址( 家乡地址) ，不因移动而改变；当移动节点网络上位置 发生变化时，能始终用该i p 地址与其他节点保持通信。 ( 2 ) 家乡代理( h o m e a g e n t ，h a ) ：是移动节点家乡网络上的一个路由器。其主要 功能是：维护移动节点的家乡位置信息：为移动节点提供d 选路服务，将发给位于外地网 络的移动节点的i p 数据报用“隧道 技术传送给移动节点的外地代理。 ( 3 ) 外地代理( f o r e i g n a g e n t ，f a ) ；是移动节点所接入的外地网络上的一个路由器。 其主要功能是：维护移动节点当前的访问位置信息；为移动节点提供i p 选路服务：作为隧 道端点，将发给m h 的i p 数据报拆封，再转发给m h ；同时，作为m h 在外地网络上的缺省 路由器，转发m h 发给其他节点的i p 数据报。 所谓“隧道( t u n n e l ) ”是指传送数据包的一个透明通道，在该通道中数据i p 包作为载 荷( p a y l o a d ) 封装在通道传送i p 包中。通道传送i p 包的源和目的地址就是隧道的两个端点 地址，即家乡地址和转交地址。移动i p v 4 定义了两种转交地址：外地代理转交地址( f o r e i g n a g e n tc a r e o f a d d r e s s ) 和配置转交地址( c o l l o c a t e dc a r e - o f a d d r e s s ) 。 ( 1 ) “外地代理转交地址 是由外地代理通过代理通告报文提供的一个转交地址，这 个转交地址就是外地代理的i p 地址。在这种模式下，外地代理就是隧道的尽头。当它收到 隧道技术封装的分组后，对它进行解封装再将内部分组递交给移动节点。这种获取模式是 首选的，因为它能使许多移动节点共享同一个转交地址，不会给已经有限的i p v 4 地址空间 增加额外的负担。 ( 2 ) “配置转交地址 是通过地址分配机制为移动节点分配的i p 地址，地址前缀与当 前访问的网络前缀相同，它可以是通过动态主机配置协议( d h c p ) 动态分配的临时地址， 也可以是移动节点在外地网络上长期使用的配置地址。当使用配置转交地址时，移动节点 就是隧道的尽头，自身完成隧道技术的分解组装。使用这种地址的优点是移动节点不需要 外地代理，但是需占用额外的i p v 4 地址空间，要求外地网络预留一些地址供来访的移动节 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p 微移动技术 点使用。 2 1 2 2 基本操作 当移动节点连接到外地网络时，按照基于网络前缀的路由机制，就不能正常接收到发 送给移动节点家乡地址的分组。移动i p v 4 通过家乡地址、转交地址的概念以及它们之间的 绑定，采用隧道技术作为其数据转发机制。 1 代理发现( a g e n td i s c o v e r y ) 家乡代理和外地代理周期性地在一条或多条它们作为代理的链路上，组播或广播称为 “代理通告 ( a g e n t a d v e r t i s e m e n t ) 的消息，通告它们与相应链路的连接关系。代理通告 是通过在i c m p 路由器通告消息中增加“移动代理通告扩展 部分，说明移动代理是家乡代 理或外地代理、它的网络地址和通告有效期等信息。 移动节点根据收到的代理通告消息，判断它是在家乡链路上或是在外地链路上。当连 接在家乡链路上时，移动节点就像固定节点一样工作，无需使用移动i p v 4 的其他功能。当 移动节点检测到它从家乡链路移动到外地链路，或从一个外地链路移动到新的外地链路 时，它就要向家乡代理进行注册。 2 注册( r e g i s t r a t i o n ) 当移动节点连接在外地网络时，它需要个代表它当前所在位置的转交地址。移动节 点可以从外地代理通告消息中获得外地转交地址，或通过动态配置协议d h c p 、手工配置 等方法获得配置转交地址。 移动主机在获得转交地址后，通过移动i p v 4 定义的“注册请求 ( r e g i s t r a t i o nr e q u e s t ) 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 ( r e g i s t r a t i o nr e p l y ) 消息。 3 分组路由( p a c k e tr o u t i n g ) 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a r p ( a d d r e s s r e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 协议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，然后通过隧道发送分组到移动节点 的转交地址。 移动节点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 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p 微移动技术 器直接发送给通信对端，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 家乡代理转发给移动节点，移动节点的分组直接发送给通信对端，形成如图l 所示的基本 移动i p v 4 的三角路由现象。三角路由不是最佳路由，当通信对端和移动节点位于同一外地 网络时，通信时也必须通过相距较远的家乡代理来转发分组，从而增加时延和占用资源较 多。如果通信对端能够直接将分组发送给移动节点，就可以节省传输和路由上的开销、减 少分组的延时，形成最佳路由，如图2 1 所示。 4 注销( d e r e g i s t r a t i o n ) 移动节点根据收到的代理通告消息，如果判断它返回到家乡链路上，那么移动节点必 须直接注册到家乡代理完成注销。注销后，移动节点就像固定节点一样工作。 2 1 3 移动l p v 6 2 1 3 1 基本概念 移 通信主机 图2 1 三角路由与最佳路由 移动i p v 6 中的家乡地址和转交地址的概念和移动i p v 4 中的基本相同。其中移动i p v 6 的 家乡地址就是移动节点在家乡链路时所获得的地址，无论移动节点位于i p v 6 互联网中的哪 个位置，移动节点家乡地址总是可达的。移动i p v 6 的转交地址是移动节点位于外地链路时 所使用的地址，由外地子网前缀和移动节点的接1 2 i d 组成。移动节点可以同时具有多个转 交地址，但是只有一个转交地址可以在移动节点的家乡代理中注册为主转交地址。 与移动i p v 4 不同，移动i p v 6 中只用家乡代理的概念，而取消了外地代理。移动节点的 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p 微移动技术 家乡代理是家乡链路上的一台路由器，主要负责维护离开本地链路的移动节点，以及这些 移动节点所使用的地址信息。如果移动节点位于家乡链路，则家乡代理的作用与一般的路 由器一样，它将目的地为移动节点的分组正常转发给移动节点：当移动节点离开家乡链路 时，则家乡代理将截取发往移动节点家乡地址的分组，并将这些分组通过隧道发往移动节 点的转交地址。在移动i p v 6 中，还有一个重要的组成部分是对端节点。对端节点就是与离 开家乡的移动节点进行通信的i p v 6 节点。可以是一个固定节点，也可以是一个移动节点。 ，! 一 ： 2 1 3 2 基本操作 无论移动节点在家乡链路还是外地链路，都可以通过家乡地址进行通信。当移动节点 在家乡网络时，其工作方式同固定主机一样：当移动节点在外地网络时，需要进行绑定注 册，使发给移动节点的分组可被转发到它的外地链路。 1 移动绑定( b i n d i n g ) 当移动节点移动到外地链路上时，要通过i p v 6 邻居发现机制，通常是以无状态的地址 自动配置方式获得一个或多个转交地址，其子网前缀是移动节点访问的外地链路的子网前 缀。移动节点获得转交地址后，需要把一个转交地址注册到它的家乡代理上，通过向家乡 代理发送“绑定更新 ( b i n d i n gu p d a t e ) 消息，以及家乡代理应答“绑定确认 ( b i n d i n g a c k n o w l e d g e m e n t ) 消息完成注册。移动节点可能会同时拥有多个转交地址，注册到家乡 代理的转交地址称为主转交地址。 移动节点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了新 的转交地址时，可能希望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，减少分组重传带来的延迟。为了精确建立这类临时隧道，隧道的源端必须是移动节 点的前一个转交地址，类似于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 移动节点需向前一个转交地址所在链路的家乡代理发送“绑定更新”。 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、前一个转交地址所在链路的家乡 代理的所有绑定更新。当某个绑定更新表项快要超时时，移动节点发送“绑定更新消息， 维护当前的绑定信息。 2 分组路由( p a c k e tr o u t i n g ) 家乡代理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 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二苹移动i p 微移动技术 理邻居发现机制”，在家乡链路上截获目的地址为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。家乡代理对分组使用i p v 6 封装，外层i p v 6 报 头中的目的地址是移动节点的主转交地址。通信对端和移动节点有两种可能的通信方式。 ( 1 ) 双向隧道，不要求通信对端提供移动i p v 6 的支持，也不要求移动节点在通信对端 上注册绑定。通信对端发送的分组路由到家乡代理，家乡代理通过隧道转发给移动节点； 移动节点发送给通信对端的的分组首先通过反向隧道发送到家乡代理，然后从家乡网络正 常路由到通信对端。 。 ( 2 ) 优化路由，要求移动节点在通信对端上注册它的当前绑定，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i 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， 分组的目的地址换为查询获得的转交地址，第二类路由头中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流量冲突，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。通信对端在发送分 组时，如果在检查缓存中没有找到分组的目的地址，就按照常规分组的发送规则发送，即 使用移动节点的家乡地址作为分组目的地址。移动节点的家乡代理收到分组后，通过隧道 转发分组给移动节点。移动节点收到家乡代理通过隧道发来的分组，认为通信对端没有与 它建立绑定，就向通信对端发送绑定更新消息来建立绑定，以形成优化路由。图2 2 中的通 路l 表示双向隧道，通路2 表示优化路由。 通信对端 图2 2 双向隧道和优化路由 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p 微移动技术 2 1 3 3 与移动i p v 4 比较 移动i p v 6 继承了移动i p v 4 的众多特性，借用了许多移动i p v 4 的概念，包括移动节点、 家乡代理、家乡地址和转交地址，但是移动i p v 6 没有外地代理和外地代理转交地址的概 念。相对移动i p v 4 而言，移动i p v 6 有许多显著的改进。表2 1 给出了两种协议的比较。 表2 1移动i p v 4 与移动i p v 6 的区别 移动i p v 4移动i p v 6 基本组成移动节点、家乡代理、外地移动节点、家乡代理( 不再需 代理要外地代理) 转交地址外地代理转交地址、配置转所有转交地址都是配置转交地 交地址址 转交地址的获取通过代理发现、d h c p 或手通过无状态的自动配置、 工配置获取转交地址d h c p 、手工配置获取转交地址 移动检测通过代理发现通告路由器发现通告 移动节点的登录、本向家乡代理登录、认证、通向家乡代理和其他通信对象登 地地址通知过程知本地地址录、通知本地地址 分组的拦截通过a r p 协议通过邻居发现机制 发往移动节点的分组通过隧道寻路到移动节点 通过隧道或源路由寻路到移动 节点 分组的路由三角路由、通过其他协议完支持路由优化 成路由优化 2 2 微移动技术 2 2 1 基本原理 移动i p 技术是一种支持在全球因特网上提供移动功能的方案，采用对网络层隐藏移动 主机的i p 地址变化的措施，支持移动主机在不同i p 子网间的无缝移动。因此，移动主机可 以在正常通信的情况下漫游到家乡网络以外的外地网络。但是，当移动主机在外地网络中 频繁切换时，采用隧道机制的移动i p 技术存在信令开销大、时延严重、丢包率高等缺点。 因此，移动i p 技术不能支持切换频繁发生情况下的快速切换和无缝移动。基于以上原因， i e t f 移动工作组将主机移动性问题划分为两类：宏移动( m a c r o m o b i l i t y ) 和微移动 ( m i c r o m o b i l i t y ) 。宏移动针对解决移动主机在管理域之问的移动性问题，一般采用移动l p 协议；微移动则是针对解决移动主机在管理域内的移动性问题，主要采用一些微移动性技 术。这些微移动性技术的基本原则是：在域内引入新的选路机制、快速切换机制和位置管 理寻呼机制，可以减少移动主机向远处家乡代理注册的频度，从而使移动节点在域内移动 o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p 微移动技术 时减少路由更新的信令开销和占用的网络资源，并能够减小传输时延和降低分组丢失率， 提供一定的服务质量。 微移动技术基本要求是：必须能支持快速切换，以满足实时多媒体移动通信业务的需 要；必须具有良好的扩展性，以支持大规模移动网络的部署和运行；必须有较高的传输效 率和较小的信令开销；必须具有完善的安全保障和计费功能；对于上层应用必须是透明的。 目前i e t f 中已经提供了几种比较重要的微移动性技术，可归为两大类。一类是路由方案， 典型的是哥伦比亚大学和爱立信提出的蜂窝i f ( c e l l u l a rr p ) 和源于朗讯科技的切换感知的无 线接入因特网结构( h a w a i i ) 。另一类是隧道方案，典型的是来自爱立信和诺基亚研究中心 共同提出的移动i p 区域登记( m o b i l ei pr e g i o n a lr e g i s t r a t i o n ) 和分级移动i p v 6 ( h m i p v 6 ) 。微 移动技术的主体架构如图2 3 所示。 2 2 1 2 蜂窝i p 图2 3 微移动技术的主体架构 蜂窝i p 的网络模型被分为两部分：核心网络( i n t e r n e t ) 与无线接入网络。无线接入域 由网关( g w ) 、基站( 无线接入点a p ) 和移动主机组成。核心网络由移动i p 支持，接入网 中的移动性由蜂窝妒支持。每个无线接入网通过网关连接至t j i n t e m e t 上，移动主机将网关作 为移动i p 的外地代理，网关的i p 地址就是转交地址。网络架构如图2 4 所示。蜂窝d 的设计 满足以下要求：全球移动、易实现的被动连接、灵活的切换支持、有效的位置管理。 蜂窝i p 的无线接入域中的每个节点都设置路由缓存，根据寻呼区的配置在些节点设 置寻呼缓存。路由缓存中存储微移动路由信息，其中的路由信息由蜂窝i p 的路由更新机制 维护。每个蜂窝i p 节点有个上行邻居和一个下行邻居，为了减少控制信息，移动节点周 期性发送数据包( 包括i p 包和路由更新包) 以更新位置信息，网关也会周期性地发送信标 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p 微移动技术 到整个网络，使得基站从信标中知道那些接口可以用于传送数据包到网关。域外节点发送 给域内移动节点的i p 包通过i p 选路到达网关后，不再采用隧道技术，而是利用域内各节点 的路由信息转发给目的移动节点。域内移动节点发给域外节点的i p 包，首先传送给无线连 接的基站，然后利用各节点的路由信息，以逐跳方式选路到网关，再通过域外网络传送到 域外的节点。 移动l - e 謦l 图2 4 蜂窝i p 网络架构 寻呼缓存中存储移动节点所在寻呼区的位置信息。在无线接入域内，一个寻呼区由几 个基站组成。该位置信息由蜂窝i p 的位置管理和寻呼机制来实时维护( 即蜂窝i p 依据所有 上行的i p 包、寻呼更新包和路由更新包的源i p 地址来配置下行的信标信号) 。寻呼缓存中的 位置信息主要用来使网络能实时跟踪空闲状态的移动节点，支持被动连接，可以节省能耗 和信令负载；同时对路由缓存中的路由信息起到补充和增强的作用。 蜂窝i p 技术将移动主机区分为空闲状态和激活状态，可以减少移动终端的能量消耗。 同时对处于空闲状态的移动节点的位置只作大致跟踪，即当空闲状态的移动节点移动时不 需要更新它的位置信息，可以延长电池寿命并减少空中接口的通信量。当有数据包要发送 给一个空闲的移动节点时，会在寻呼域中发送广播消息，当移动节点收到广播消息后变为 激活状态，并开始周期更新位置信息，直至移动节点再次变为空闲状态。蜂窝i p 接入网采 用一个基站自身独立计算的特有的会话密钥加密数据，不需定义新的信令，可以减少用于 会话密钥的管理的信令。蜂窝i p 中，由于网关的路由缓存中管理域内所有移动节点的位置 信息，因此网关易成为无线接入域的网络瓶颈。 2 2 3h a w a f l h a w a i i ( h a n d o f f a w a r ew i r e l e s sa c c e s si n t e m e ti n f r a s t r u c t u r e ) 的目标是提供标准的微 移动技术，如快速切换、被动连接、寻呼以及服务质量等。h a w a i i 定义了基于域的分级 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动口微移动技术 结构，和蜂窝i p 一样，都是树型拓扑结构。其网络架构如图2 - 5 所示，无线接入域由基站和 一些具有扩展功能的路由器组成，域的网关称为域根路由器( d o m m nr o o tr o u t e r ，d r r ) 。 当移动主机进入一个新的管理域时，会被分配相应的转交地址，在这个管理域内移动时转 交地址保持不变，不需向家乡代理注册。 图2 5h a w a i i 网络架构 和蜂窝i p 一样，h a w a i i 具有被动连接和寻呼特性，基站和路由器中包含了一个软状态 的寻呼表，用来对移动节点的位置进行管理，移动主机会周期性地发送呼叫更新消息来更 新它。每一个h a w a i i 域可以被划分为一些呼叫区，移动主机可以通过自己发送特定请求 或基站发送呼叫消息判定自己所在的呼叫区。当有分组传送到h 删i 无线接入域时，同 时又无相应路由信息可用时，h a w a i i 可以通过组播在一定范围内寻呼相应移动节点。网 络层的移动管理通过每个基站和路由器的软状态路由表来实现，该路由表由路径建立和更 新机制来维护。所谓软状态路由表是指经过一定时间后路由表中的信息不再有效，因此需 周期性地发送路由更新信息。软状态路由表由h a w a i i 网络中逐跳方式传送的更新消息和 刷新消息来确定。 h a w a i i 系统中移动主机有三种状态：激活状态( a c t i v e ) 、待机状态( s t a n d b y ) 和空状 态( n u l l ) 。其中待机状态等价于蜂窝i p 中的空闲状态。不同状态的移动主机收发的消息不 同。当移动主机处于待机状态时，仅发送呼叫更新和应答消息；当移动主机处于空状态时， 不发送任何数据。这样即降低了能耗又减少了信令开销。 h 心凇i i 采用了两种路径建立机制来实现移动节点的切换：前向路径建立方案 ( f o r w a r d i n gp a t hs e t u ps c h e m e ) 和非前