（计算机应用技术专业论文）移动ip的qos保证研究.pdf

中文摘要 近年来，随着计算机网络和无线通信技术韵发展，移动i p 网络备受瞩目。 尤其是在i n t e r n e t 上已经出现了丰富的实时业务类型( 如音频、视频信息业务 等) 的今天，移动i p 网络中的q o s 支持问题日益成为研究的热点。但是对于带 宽较低、拓扑变化频繁、无线信道易受干扰的移动i p 网络而言，无疑是很大的 挑战。本文结合移动i p 协议和q o s 模型，重点研究了移动i p 网络q o s 支持中的 资源预留问题。 文章探讨了目前提出的支持移动服务质量的各种主要方案，并对它们的技术 特点进行了分析与比较。作者借鉴这些方案的优点，提出了一个新的移动环境下 的q o s 框架模型。该模型以移动i p 协议、i n t s e r v 模型和动态邻居资源预留协 议d n r s v p 为基础，通过三者之间的分工协作，为移动i p 网络提供q o s 支持，其 中d n r s v p 是为了适用于移动环境而由r s v p 协议扩展成的。并且，作者在此基础 上设计并实现了一种移动i p 的q o s 保证方案动态邻居资源预留系统d n r r s 。 论文首先详尽地阐述了该系统的主要设计思想，通过理论分析初步说明，d n r r s 是一个解决移动i p 中o o s 保证问题的有效解决方案。我们利用网络仿真软件n s 进行了大量的仿真实验，对吞吐率、延迟和投递率等系统性能参数进行了测量， 并以图例的形式分析、比较了实验结果数据，得出了如下结论：动态邻居资源预 留系统能够在移动i p 网络中为q o s 业务流提供较好的服务质量保证。论文最后 探讨了未来移动i p 网络中q o s 问题的发展趋势和有待进一步研究的方向。 关键词：移动i p 网络服务质量模型资源预留邻居节点动态邻居资源 预留协议动态邻居资源预留系统 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti nc o m p u t e rn e t w o r k sa n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e s ，t h em o b i l ei pn e t w o r k sh a v em o r ea n dm o r ec o m et o 0 1 2 1 a t t e n t i o n e s p e c i a l l yt h e r ea r em a n y k i n d so fr e a lt i m et r a f f i ci ni n t e r n e tn o w a d a y s ( s u c h a sa u d i oa n dv i d e o ) p r o v i d i n gq o si nm o b i l ei pn e t w o r k sh a sb e c o m ea h o t s p o to f r e s e a r c h b u ti ti sv e r yc h a l l e n g i n gb e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o b i l e i pn e t w o r k s ，s u c ha s ，l o ww i r e l e s sb a n d w i d t h ，r a p i d l yc h a n g i n gt o p o l o g i e sa n dt h e i n t e r f e r e n c ei nt h ew i r e l e s sc h a n n e l ，e t c i no r d e rt op r o v i d eb e t t e rq u a l i t yo fs e r v i c e ， t h et h e s i sr e s e a r c h e sm o b i l ei pt o g e t h e rw i t hq o sm o d e l s ，s u c ha si n t s e r va n d d i f f s c r y v a r i o u ss c h e m e st h a th a v eb e e nr a i s e df o rs u p p o r t i n gm o b i l eq o sa r ed i s c u s s e d i nt h i sp a p e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h o s es c h e m e sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t h e a c ho t h e r t h e nan e w q o s m o b i l i t ym o d e l i sp r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e sm o b i l ei p ， i n t s e r va n dd y n a m i cn e i g h b o rr e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ( d n r s v p ) a n d d n r s v pi st h ek e r n e lo f t h em o d e l ，w h i c hb a s e do nr s v pa n dd e s i g n e df o ru s i n gi n m o b i l ei pe n v i r o n m e n t o nt h eb a s i so ft h em o d e l ，w ea l s od e s i g na n di m p l e m e n ta n e wr e s o u r c er e s e r v a t i o ns y s t e m ，w h i c hi sc a l l e dt h ed y n a m i cn e i g h b o rr e s o u r c e r e s e r v a t i o ns y s t e m ( d n r r s ) w e a n a l y z et h e o r e t i c a l l yt h a tt h ed n r r s i se f f e c t i v e t os o l v et h em o b i l eq o sp r o b l e m w ea l s ou s em a n yd a t ac h a r t st h a ta r eb a s e do n s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t st os u p p o r to u ri d e a s w ec a l l _ c o n c l u d et h a tt h ed n r r sc a n p r o v i d eb e t t e rq u a l i t y o fs e r v i c ei nm o b i l ei p n e t w o r k s f i n a l l yt h ed e v e l o p m e n t t r e n d so f m o b i l eq o sa n d t o p i c sf o r 矗j m l c rs t u d y a l ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：m o b i l ei pn e t w o r k s ，q o sm o d e l ，r e s o u r c er e s e r v a t i o n ，n e i g h b o rn o d e ， d n r s v p - d n r r s i j 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘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了谢意。 学位论文作者签名：刘聿灿 签字日期： z 0 0 4 年月l d e 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权况明) 学位论文作者签名： 刊辛站 导师签名：镥将孳 签字日期：2 0 0 f 1 年1 月i o 日签字日期：妒叶年，月，矿日 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着i n t e m e t 和无线通信技术的飞速发展，移动信息社会正在快速演进。 方便快捷、随时随地获取信息和服务是用户的需求，这也是移动信息社会的特 征，而移动i n t e m e t 则是构筑移动信息社会的基础设施，它应该提供安全可靠 并具有一定服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 保证的信息传送服务。然而， 由于移动i n t e m e t 的拓扑结构和资源都在动态变化，因此要提供服务质量保证 是一项极具挑战性的工作。可以说，移动i n t e m e t 的q o s 保证已成为构建移动 信息社会的关键技术之一。 本课题的研究将以移动i p 技术为核心，为具有移动节点的网络环境中的 q o s 保证问题提供一个较为完善的解决方案。 1 1 1 移动i p 技术概述 1 1 1 1 移动i p 的产生 i n t e r n e t 的飞速发展和移动通信技术的广泛应用，推动了移动计算机无线接 入技术，即移动i n t e m e t 的研究。像其它固定台式机用户一样，移动计算机用户 希望接入同样的网络，共享资源和服务，而不只是局限于某一个固定的区域。 当它移动时，能方便地断开原来的连接，并快速建立起新的连接。 但是，由于i n t e m e t 的可扩展性依赖于网络前缀路由，而不是特定主机路由， 这要求连接在同一条链路上的所有节点的i p 地址具有相同的网络前缀部分。当 节点从一条链路切换到另一条链路上时，它的i p 地址的网络前缀部分就不再与 新链路的网络前缀相等了。这样，固定网络中的网络前缀路由技术就没有办法 将数据包发送到节点的新位置上。 针对这个问题有两种解决方法特定主机路由和改变节点的i p 地址，但 它们都不适于在全球i n t e m e tp 提供节点的移动功能。特定主机路由技术存在严 重的可扩展性、可靠性和安全隐患，而节点在移动时改变i p 地址的方式又使得 链路切换时无法保持现有的通信。 为了满足这种需求，i n t e m e t i 程任务组( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ， 第一章绪论 i e t f ) 制定了移动i p ( m o b i l ei p ) 协议，从而使i m e m e t 上的移动接入成为可能。 移动i p 协议于1 9 9 6 年6 月由i n t e m e t i 程指导组( i n t e r a c te n g i n e e r i n gs t e e r i n g g r o u p ，m s g ) 表决通过，并于1 9 9 6 年1 1 月公布为建议标准。 移动i p 协议族1 e t f 的移动i p 工作组制定，主要包括以下的r f c 文件： r f c2 0 0 2 定义了移动i p 协议。 rfc2 0 0 3 、2 0 0 4 年t 1 1 7 0 1 定义了移动i p 中使用的三种隧道技术。 r f c2 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 a n a g e m e n t i n f o r m a t i o nb a s e ) 。 r f c 2 2 9 0 定义了用于p p p 的i p c p 的移动i p v 4 配置选项。 移动i p 是一种在i m e m e t 上提供移动功能的方案，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。特别值得注意的 是，移动i p 提供了一种新的i p 路由机制，使移动节点可以使用一个永久的i p 地 址连接到任何链路上。 1 1 1 2 移动i p 的应用范围 当一台计算机想要给另一台计算机发送数据时，它并不关心也不知道目的 计算机所在的位置，它只希望发出的数据能正确地送到接收方。选择一条正确 的路径来传送数据是由网络层实现的，该层负责为数据包动态地选择一条从源 节点到目的节点的路径。在i n t e m e t 中，网络层使用的是i p 协议( i n t e r a c t p r o t o c 0 1 ) 。实际上，在复杂的网络中传送数据包需要一个或多个路由协议。 路由器使用路由协议来交换信息，这些信息包括目的节点的位置、组成从源端 到达目的端的链路等。当前i m e m e t 中常用的路由协议有o s p f 、r i p 和b g p 等。 移动i p 是在i n t e r a c t 上提供移动功能的网络层方案。也就是说，移动i p 通过 在合适的节点上设立路由表，可以将i p 包转发到那些不在本地链路的移动节点 上。事实上，移动i p 可以看作是一个路由协议，只是与上面几种路由协议相比， 移动i p 具有特殊的功能，它的目的是将数据包转发到那些可能一直在快速地改 变位置的移动节点上。 作为网络层协议，移动i p 与它运行在何种介质上毫无关系。因此，采用移 动i p 的移动节点可以从一种介质移动到另一种介质上，而不会丢失原有的连 接。例如，使用移动i p 可以让笔记本电脑从有线的以太网切换到无线的局域网 接口上，而在切换过程中并不中断它可能正在进行的网络服务。这种在不同介 质间移动又能够保持现有通信的功能称为移动节点的异质移动功能 ( h e t e r o g e n e o u sm o b i l i t y ) 。当然，移动i p 也允许移动节点从一条链路移动到 另一条相同介质的链路上，同时保持它所有的当前连接。提供同种介质的网络 第一章绪论 问移动功能的技术称为同质移动功能( h o m o g e n o u sm o b i l i t y ) 。移动i p n 时具 有同质移动功能和异质移动功能。 当前，无线通信技术迅速发展，移动i p 技术在无线通信领域的应用将越来 越广泛。本论文将以移动i p 的同质移动功能为基础，研究移动i p 在无线接入情 况下的q o s 问题。 1 1 - 2i p o o s 模型 i n t e m e t 在过去几十年中取得了巨大的成就，未来更是蕴藏着无限的发展 潜力。但是i n t e r n e t 发展的速度和规模，已经远远出乎于当年i n t e r n e t 的先驱们 制定网络标准时的意料，他们从未想过i n t e m e t 会发展到如此的规模，并且仍 在飞速增长。随着i n t e r n e t 的普及，网络同人们的工作和生活已经密切相关。 同时，伴随网络用户数膨胀所出现的问题也越来越严重，除了众所周知的i p 地址匮乏问题以外，另外一个复杂的问题就是缺乏服务质量保证。随着各种新 型网络应用的兴起，如何在i p 网络上保证用户信息传输的质量就成为一个不 容忽视的重要问题。为解决这一问题，i pq o s 应运而生。i pq o s 是为i p 网络 增加服务内容、提高服务质量的关键技术，它己成为网络基础研究的一个重点， 也是未来i p 网络发展的关键技术。 现有的i n t g h - n e t 所提供的是“尽力而为”( b e s t e f f o r t ) 的服务，在这种服 务模型下，所有的业务流被“一视同仁”，公平地竞争网络资源，路由器对所 有的i p 包都采用先来先处理( f i r s tc o m ef i r s ts e r v i c e ，f c f s ) 的工作方式， 它尽最大努力将i p 包送达目的地。但对i p 包传递的可靠性、延迟等不能提供 任何保证。这很适合e m a i l 、f t p 、w w w 等业务。 但是，随着i n t e m e t 的高速增长，i p 业务也出现了快速增长和多样化的趋 势。特别是随着多媒体业务的兴起，计算机已经不再是单纯的处理数据的工具， 而是越来越贴近生活，计算机的交互越来越实时和生动，这也相应地对计算机 互联网络提出了更高的要求。i n t e r n e t 已经逐步由单一的数据传输网演化成数 据、语音、图像等多媒体信息的综合传输网。对那些有特殊服务要求的应用来 说，现有的尽力而为的服务显然是不够的。尽管由于网络技术的发展，网络带 宽和网络速度都得到了极大的提高，但需要通过网络传输的数据也以与网络发 展速度几乎相同的速度增加，甚至超过了网络发展的速度，这使得网络带宽和 网络速度依然是一个瓶颈问题。同时，近年来发展起来的一些新的多媒体应用 不仅增加了网络流量，更因为这些应用改变了以往i n t e m e t 上的流量性质，因 而它们需要全新的服务要求。由于不具备服务质量保证特性，不能预留带宽， 不能限定网络延迟，因此，目前的i n t e r n e t 不能很好地支持这些新的应用，如 第一章绪论 远程教学、远程手术、远程会议和学术交流等。 i pq o s 的研究目标是有效地为用户提供端到端的服务质量控制或保证。 q o s 就是网络单元( 例如应用程序、主机或路由器) 能够在一定级别上确保它 的业务流和服务要求得到满足。q o s 机制并没有创造带宽，只是根据应用程序 的需求以及网络状况来管理带宽。q o s 业务的主要衡量指标有分组延迟( p a c k e t d e l a y ) 、分组丢失率( p a c k e tl o s sr a t e ) 、延迟抖动( d e l a yj i t t e r ) 和吞吐率 ( t h r o u g h p u t ) 等。 i e t f 已经提出了多种服务模型和机制来提高网络的q o s 支持能力。主要 有：集成服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 模型、区分服务( d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ，d i f f s e r v ) 模型、多协议标记交换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ， m p l s ) 。 1 1 2 1i n t s e r v 模型 i n t s e r v 提供基于每个流( p e r f l o w ) 的q o s 保证，其体系结构和参考框架 参见文献【1 。i n t s e r v 的基本思想是在传送数据之前，根据业务的q o s 需求进 行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的q o s 保证。 资源预留协议( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p 2 1 ) 是i n t s e r v 的核心。 它是一种信令协议，用来通知网络节点预留资源，负责建立和维护链路的连接， 由路由器进行资源预留、状态维护等，以支持每个流的q o s 要求。如果资源预 留失败，r s v p 协议会向主机发回拒绝消息。我们将在下一章里对r s v p 协议 进行详细说明。 在服务层次上，n t s e r v r s v p 模型提供了三种级别的业务： 质量保证型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) ：提供端到端的保证带宽、限制 延迟并且无丢包的服务。 可控负载型服务( c o n t r o l l e d - l o a ds e r v i c e ) ：类似于在当前的一个负载 较轻的网络中实现尽力而为业务的服务质量。 尽力而为的服务( b e s t - e f f o r ts e r v i c e ) ：类似于当前i n t e m e t 中各种负载 条件下提供的尽力而为的服务。 从以上可以看出，i n t s e r v r s v p 服务模型对传统i n t e r n e t 体系结构的扩展 主要包括在路由器中保存业务流状态信息以及明确的状态建立机制。同时，由 于这种模型有效地集成了各种实时应用和非实时应用，因而保持了网络的效 率。另外，由于兼容了传统网络体系结构和协议栈，因此能够对网络进行有效 的管理。 第一章绪论 i n t s e r v 能够在球网络上提供端到端的q o s 保证，但其缺点也很明显： 可扩展性不好。由于它是基于流的、与状态相关的服务模型，维护着 每个流的状态信息，因此随着数据流数目的增加，状态信息的数量将 成比例地增长。这将占用过多的路由器存储空间，并带来更大的开销， 难以在i n t e m e t 核心网络实施。 对路由器的要求较高，实现较复杂。由于需要进行端到端的资源预留 操作，要求从发送者到接收者之间的所有路由器都支持必要的信令协 议，因此所有路由器必须实现r s v p 以及准入控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 等机制。 不适合应用于业务量较小的流。因为这种情况下为该业务流预留资源 的开销很可能大于处理有效数据的开销，当这些流需要一定程度的 q o s 保证时，集成服务模型的效率很低。 因此，目前学术界普遍认为i n t s e r v 有可能会应用在网络的边缘上。 i 1 2 2d i t t s e r v 模型 由于i n t s e r v 需要路由器维护每个流的状态，其扩展性成为一个难以解决 的问题，随后人们提出了d i t t s e r v 的方法。d i t t s e r v 的基本思想是将用户的数 据流按照服务质量要求来划分等级，任何用户的数据流都可以自由进入网络， 但是当网络出现拥塞时，级别较高的数据流在排队和占用资源时比级别低的数 据流有更高的优先权。d i f f s e r v 只承诺相对的服务质量，而不对任何用户承诺 具体的服务质量指标。i e t f 定义了d i f f s e r v 的体系结构口 i 4 j 。 在区分服务机制下，用户和网络管理部门之间需要预先商定服务等级合约 ( s e r v i c e l e v e la g r e e m e n t ，s l a ) 。根据s l a ，用户的数据流被赋予一个特定 的优先等级，当数据流通过网络时，路由器会采用相应的方式，即根据每一跳 行为( p e r h o pb e h a v i o r ，p h b ) 来处理流内的分组。 与i m s e r v 类似，d i f f s e r v 也定义了三种服务类型： 奖赏服务( p r e m i u ms e r v i c e ) ：为用户提供低延迟、低抖动、低丢包率 和保证带宽的端到端，或者网络边界到边界的传输服务。奖赏服务是 目前d i f f s e r v 模型中定义的级别最高的服务种类。这种服务类似于传 统运营商网络的专线业务，因此也称为“虚拟专线”服务。 确保服务( a s s u r e ds e r v i c e ) ：从统计上保证用户的带宽，其初衷是在 网络拥塞的情况下，也能保证用户有一定量的预留带宽。确保服务的 着眼点是带宽和丢包率，而不太注重延迟和抖动。它最具吸引力的是 实现机制较为简单，只要采用简单的标记和丢弃机制就能实现i pq o s 。 第一章绪论 在发生拥塞时，确保服务通过控制丢包优先级，提供了比尽力而为服 务更好的服务。 尽力而为的服务( b e s t - e f f o r ts e r v i c e ) ：类似于目前i n t e r n e t 上尽力而为 的服务。 d i f f s e r v 的实施特点是采用聚合的机制将具有相同特性的若干业务流聚集 起来，为整个聚合流提供服务，而不再面向单个业务流。也就是说在d i t t s e r v 网络的边界路由器上保持每个流的状态，核心路由器则只负责数据包的转发而 不保持状态信息。 与i n t s e r v 相比，d i 目 s e r v 模型具有以下优点： d i f f s e r v 只包含有限数量的服务级别，状态信息的数量少，因此实现简 单，可扩展性较好。 d i f f s e r v 可以将其大部分实现复杂度转移到网络的边缘上，而在网络核 心只需要提供最简单的服务保证机制，因此便于实现。 d i f f s e r v 的不足之处是它很难提供基于流的端到端的q o s 保证。目前，区 分服务是学术界认同的i p 骨干网的q o s 解决方案，但是由于标准还不够详尽， 不同运营商的d i f f s e r v 网络之间的互通还存在困难。 1 1 2 3 多协议标记交换m p l s m p l s 5 1 技术是在c i s e o 公司的t a g s w i t c h i n g 技术基础上发展起来的，提出 这种技术的出发点是为了更好地将i p 技术与a t m 的高速交换技术结合起来， 发挥二者的优势，实现i p 数据包的快速转发。 m p l s 的核心是标记交换。标记( l a b e l ) 是一个相对较短、固定长度的、 用于转发数据包的标识符，代替了i p 地址的作用。当数据包进入m p l s 域时， 由入口边界处的标记交换路由器( l a b e ls w i t c h e dr o u t e r ，l s r ) 分析其i p 包 头，给数据包加上相应的标记，然后转发到下一跳，后续l s r 收到带有标记的 数据包后，利用标记作为索引查找路由表的相应项，按要求处理数据包并用出 口标记替换入口标记，然后转发到下一个l s r 。由于在中间节点的分类和转发 只依据标记进行，因而大大简化了转发过程，提高了网络性能。 尽管m p l s 的最初目的是加快转发速度，但其更重要的应用是流量工程和 实现q o s 。m p l s 的显式路由功能大大增强了在i p 网络中实施流量工程的能力。 m p l s 将网络层灵活的路由决策与链路层的快速转发优点相结合，为用户提供 q o s 支持和灵活的流量控制，极大地增强了网络的可扩展性。对于骨干网业务 提供者来说，这是目前使用最普遍、可实现性最强的一种q o s 机制。因此， m p l s 技术具有广泛的前景，是下一代网络研究的重点。 第一章绪论 但是，在m p l s 系统中，在个m p l s 域内建立标记交换路径( l a b e l s w i t c h e dp a t h ，l s p ) 需要在各个l s r 之间及时交换信息，使l s p 保持一致。 这就需要定期地更新各个l s r 上的信息，而且这个更新的时间不能太长，否则 就会造成网络通信量的增加，也就是网络控制开销过大。 以上三种基本的q o s 技术可以相互结合。例如可以将i n t s e r v 和d i f f s e r v 结合，在核心网采用d i f t s e r v 模型，而在接入网采用i n t s e r v 模型。在实际应 用中，i n t s e r v 和d i 懿e r v 的共同发展推动了诸如i p 电话、视频和各种非多媒 体应用的发展。i n t s e r v 使主机能够请求端到端数据路径上的每个流程和可计量 资源，并能够利用r s v p 进行显式准入控制，获得关于这些请求可接受性的反 馈，克服了d i f f s e r v 静态资源分配的缺陷。而d i f t s e r v 使大型网络具有了扩展 性好的优点。 还可以将d i f f s e r v 和m p l s 结合。将d i f f s e r v 在m p l s 网络中实现，相对 于传统i p 网络有明显的优势。m p l s 在i p 网络中引入了面向连接的机制，建 立l s p 来转发数据包，能够明确指示从源端到目的端的路由。这使得在m p l s 中的区分服务能够解决面向无连接的传统i p 无法保证o o s 的问题。 虽然d i t t s e r v 和m p l s 是两种不同的技术，但二者的模型具有很大的相似 性。m p l s 网络中的标记分配机制和d i f f s e r v 中对数据包的分类和标记机制很 类似，并且网络的运算工作都集中在网络的边缘，具有很好的可扩展性。因此， m p l s 网络将是区分服务的主要载体，我们可以结合二者的优点为用户提供更 好的q o s 服务。 1 2 选题动机 随着移动计算技术的发展和移动用户业务多样化需求的不断增长，为移动 节点提供与固定节点相同的服务质量的需求越来越迫切，同时这也是下一代移 动i n t e r n e t 的重要目标。然而，虽然节点的移动给用户提供了灵活方便的使用性， 却使q o s 保证问题变得更加复杂。 移动节点总是在不断地改变它们的位置，根据r f c2 0 0 2 ，这种位置变化甚 至可以一秒钟就发生一次。主机的移动对分组延迟、吞吐率、分组丢失率等q o s 参数产生了巨大的影响，这是移动i p 给q o s 保证带来的最大挑战。当一个f 在 进行通信的主机从一条链路移动到另一条新链路上时，数据流所经过的路径也 随之发生了改变。因此，分组延迟就会因为路径长度的改变和新的路径上的路 由器不同的拥塞情况而发生变化。如果主机移动到的新位置上的链路状况已经 第一章绪论 非常拥挤，因而新的可用带宽就不能满足它在原来链路上所达到的吞吐率。另 外，在从旧链路到新链路的切换过程中，用户还可能遇到服务暂时发生中断的 情况，这个过程中的分组丢失率就会大大增加。因此，移动用户不得不适应这 些在通信过程中由于移动性所带来的变化。在一些极端的情况下，当最小的q o s 要求都不能满足时，移动用户的通信连接甚至会被丢弃。 总之，带有移动节点的网络拓扑结构变化频繁，无线带宽资源有限，要求 数据流连接必须能够快速地建立、恢复和释放，这对于在实际应用中实现q o s 保证都有很大的影响。当前提出的那些针对固定节点的网络q o s 体系结构和机 制不能够满足这种节点频繁移动的特性。 基于对移动i n t e r n e t 网络中q o s 支持问题和固定网络m q o s 模型的分析，作 者认为： i n t s e r v 模型存在可扩展性问题，更适于在接入网中应用； 移动i p 技术的主要应用在于无线接入环境，可扩展性问题不是影响性 能的关键因素； 在带有移动节点的网络中，移动i p 技术和i n t s e 模型的结合，应该能够 提供较好的q o s 支持。 因此，如何把移动i p 机制与集成服务模型有机地相互结合起来将是解决问 题的关键，也是本论文研究的目标。 1 3 论文工作 论文首先介绍了与课题相关的背景知识，包括移动i p 技术的概述，以及 当前三种基本q o s 模型的特点。接着对移动i p 网络中的q o s 保证问题进行了 综述，包括移动i p 协议的基本原理、该问题的研究现状、目前已经提出的解 决方案以及其中存在的问题。然后在前一章所作分析的基础上，作者首先对移 动i p 中的q o s 问题进行了具体描述，进而提出了一种支持移动环境的q o s 服 务模型。在该模型的指导下，设计了一种基于r s v p 的资源预留协议，并在此 基础上进一步与移动i p 技术相结合，设计并实现了一个能够为移动节点提供 q o s 保证的资源预留系统。论文详细阐述了它的主要设计思想，包括系统流程、 协议规则及关键算法。通过理论分析，说明了该系统能够为i p 网络中的移动 节点提供较好的q o s 保证的特点。作者还设计了仿真实验，详细说明了其中的 主要数据结构和实现部分的核心代码，并通过对仿真结果的分析，验证了它在 为移动网络提供服务质量保证方面的有效性。最后对研究结果进行总结，进而 还指出了目前系统中存在的不足以及有待改进之处。 第二章移动i p 的q o s 保证综述 第二章移动i p 的q o s 保证综述 2 1 移动i p 原理 2 1 1 移动i p 的功能实体 为了实现移动协议的功能，移动i p 中定义了三种必须的功能实体： 1 ) 移动节点( m o b i l eh o s t ) 可以将接入i n t e m e t 的位置从一条链路切换到 另一条链路上，而仍然保持所有正在进行的通信，并且只使用它的本地地址 ( h o m e a d d r e s s ) 的那些节点。 2 ) 本地代理( h o m ea g e n t ) 是至少有一个端口与移动节点的本地链路相 连的路由器。本地代理所起的作用是： 当发生链路切换时，移动节点一直通知本地代理它的当前位置，这个 信息由移动节点保存在它的转交地址( c a r eo f a d d r e s s ) 中。 本地代理周期性地广播对移动节点本地地址的网络前缀的可达性，从 而吸引那些发送给移动节点的本地地址的i p 数据包。 解析送往移动节点的本地地址的数据包，并将这些包通过隧道技术传 送到移动节点的转交地址上。 3 ) 外地代理( f o r e i g na g e n t ) 与本地代理相对应的就是外地代理，它是 位于移动节点的外地链路上的路由器。外地代理所起的作用是： 帮助移动节点通知本地代理它当前的转交地址。 提供移动节点的转交地址，并为已被本地代理设置了隧道的移动节点 发送拆封后的包。 作为连接在外地链路上的移动节点的缺省路由器。 移动i p 中的功能实体及其相互关系如图2 1 所示。 第二章移动i p 的q o s 保证综述 图2 1 移动i p 实体及相互关系 另外，移动i p 中还有几个与以上三个功能实体紧密相关的重要概念： 1 隧道 当一个数据包被封装在另一个数据包的净荷中进行传送时，所经过的路径 称为隧道，如图2 2 所示。它是当移动节点连接在外地链路上时，对它所发出的 或发往它的数据包进行路由的特殊机制。图2 2 中的示例表明本地代理为了将数 据包转交给移动节点，首先就要把数据包通过隧道传送给外地代理。 相反，由移动节点发出的数据包则直接路由到目的节点上，而无需使用隧 道技术。对所有来访的移动节点发出的包来说，外地代理完成路由器的功能。 i p 。；= i 釜f 嶷j 量f t i p 。= 撤揭1 0 拙 匿薹= = j 正：= 鼎鲫电 _ _ _ _ _ 一 暑三淼i j j 【p 。睡避尚j ； 讣端巾赫 穆踟一i糙湖i 挑删 h 夺胀刖酗j 鍪( 二 番外裂擎9 “。“跬逊 图2 2i p 隧道 2 本地地址、本地链路 移动节点的本地地址是指“永久”地分配给该节点的地址，就像分配给固 定的路由器或主机的地址一样。当移动节点切换链路时，本地地址并不改变。 第二章移动i p 的q o s 保证综述 只有当整个网络需要重新编址时，移动节点的本地地址才会根据需要改变，这 与改变固定主机或路由器地址的情况一致。 移动节点的本地地址与它的本地代理、本地链路密切相关，特别是移动节 点本地地址的网络前缀决定了它的本地链路。也就是说，移动节点的本地链路 即与它的本地地址具有相同网络前缀的链路。 除了极少数特例，移动节点只使用它的本地地址与其通信对端 ( c o r r e s p o n d e n t n o d e ) 进行通信，即移动节点发出的所有数据包的源i p 地址都 是它的本地地址，而它接收的所有数据包的目的i p 地址也都是它的本地地址。 这就要求移动节点将其本地地址写入d n s 服务器中对应于它的“i p 地址”域， 以便其它节点在查找移动节点的主机名时能发现它的本地地址。 3 转交地址、外地链路 转交地址是指移动节点连接在外地链路上时的相关i p 地址。当移动节点每 次移动到一条新的链路上的时候，为了保证在新的子网段上的可达性，移动节 点需要获得一个新的i p 地址作为它的临时地址。转交地址具有以下的特性： 转交地址与移动节点当前所在的外地链路相关。 每次移动节点改变外地链路时，转交地址也随着改变。 送往转交地址的数据包可以通过现有的i n t c r n e t 路由机制传送，即不需 要使用与移动印相关的特殊规程来将i p 包传送到转交地址上。 转交地址是连接本地代理和移动节点的隧道的出口。 当移动节点与其通信对端进行通信时，转交地址通常不会被作为源i p 地址或目的i p 地址。特别是，当其它节点查找移动节点的主机名时， d n s 服务器不会返回移动节点的转交地址。 从概念上看，转交地址又分为两种： 1 ) 外地代理转交地址( f o r e i g na g e n t c a r eo f a d d r e s s ) 是外地代理的i p 地址， 并且此时的外地代理必然有一个端口与移动节点所在的外地链路相连接。 外地代理转交地址可以是外地代理的任意一个i p 地址，只要外地代理至少 有一个端口与外地链路相连就可以了。因此，外地代理转交地址的网络前 缀并不一定与外地链路的网络前缀相同，并且多个移动节点可以同时共用 一个外地代理转交地址。 2 ) 配置转交地址( c o l l o c a t e d c a r e o f a d d r e s s ) 是暂时分配给移动节点的某个 端口的i p 地址，其网络前缀必须与移动节点当前所在的外地链路的网络前 缀相同。当外地链路上没有外地代理时，移动节点可以采用这种转交地址。 一个配置转交地址只能同时被一个移动节点使用。 第二章移动i p 的q o s 保证综述 转交地址是一个与移动节点所在的外地链路紧密相关的口地址，它与移动 节点所在的外地链路最多只有一跳之隔。它或者是有一个端口在外地链路上的 外地代理的i p 地址，或者就是暂时分配给移动节点的一个端口的地址。当移动 节点与外地链路相连时，本地代理利用这个地址向移动节点传送数据包，转交 地址是从本地代理到移动节点的隧道出口。 2 1 2 移动i p 的工作机制 移动i p 在网络层上解决了节点的移动性问题，是在i n t e m e t 上提供移动功能 时非常重要的第一步，它的工作机制与传统的i p 协议有许多不同。 移动i p 的基本工作机制如下： 1 本地代理和外地代理通过周期地发出一条多播或广播消息，宣告它们与链 路的连接关系。移动节点接收这个消息，从而确定它们当前所连接的链路以及 该链路上的代理，并得到一个转交地址。 这个功能由移动i p 的代理搜索( a g e n td i s c o v e r y ) 机制帮助移动节点完成。 代理搜索由两条简单的消息构成。 第一条是代理广播消息( a g e n ta d v e r t i s e m e n t ) 。本地代理和外地代理利 用这个消息向移动节点宣布它们的功能。当一个节点在一条链路上被配置成本 地代理或外地代理，或同时被配置成这两者时，它就在这条链路上多播或广播 这个代理广播消息，使得连接到这条链路上的移动节点可以判定该链路上是否 有代理存在。如果有，则判定它们的标识( i i p 地址) 和功能。 第二条是代理请求消息( a g e n ts o l i c i t a t i o n ) 。当移动节点来不及等待下一 个周期发送的代理广播消息时，它可以主动发送一个代理请求消息。这个消息 的唯一目的就是让链路上的所有代理立即发送一个代理广播消息。有时候，移 动节点快速地切换链路，而代理发送广播消息的频率相比而言太慢了，此时代 理请求消息就非常有用。 2 移动节点收到这些代理广播消息后，检查其中的内容以确定自己是连接在 本地链路还是外地链路上。当它连在本地链路上时，移动节点就可以像固定节 点一样工作，即它不再利用移动口的其它功能。 3 连在外地链路上的移动节点需要个转交地址。外地代理转交地址可以从 外地代理广播的消息中得到，而配置转交地址则必须通过一个配置过程得到， 可以使用d h c p 、p p p 的i p c p 或手工配置。 4 移动节点向本地代理注册从第3 步中得到的转交地址，这可以通过移动i p 中定义的消息交换来完成。在注册过程中，如果链路上存在一个外地代理，移 动节点就向它请求服务。为阻止拒绝服务( d e n i a lo f s e r v i c e ) 攻击，注册消息 第二章移动l p 的q o s 保证综述 要求进行认证。通过这个过程，移动节点向外地代理请求服务，并通知本地代 理它的转交地址。 移动i p 注册包括两种消息的交互：注册请求消息( r e g i s t r a t i o nr e q u e s t ) 和 注册应答消息( r e g i s t r a t i o nr e p l y ) 。注册消息放在u d p 数据报的数据部分， u d p 数据报则放在i p 包的净荷中。 注册过程包括移动节点和它的本地代理之间的一次注册请求和注册应答 的交互，其中还会涉及到一个外地代理。通常有三种可能的注册行为： 移动节点用外地代理转交地址注册在一条外地链路上。 移动节点用配置转交地址注册在一条外地链路上( 此时在外地链路上 没有外地代理) 。 移动节点在返回本地链路后进行注销。 5 本地代理或者是本地链路上的其它一些路由器广播对移动节点本地地址的 网络前缀的可达性，从而吸引发往移动节点本地地址的数据包。本地代理截