（计算机系统结构专业论文）基于移动ip的移动位置管理研究.pdf

2 ：蚺00o q 1 1 “j 鼍 嘲 t 1 鼍 锣 j_，f - t k 2 r e s e a r c ho f m o b i l i t yl o c a t i o nm a n a g e m e n ti nm o b i l ei p n e t w or k s b yw ue r l i a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rx i al i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 7 m 9洲8 、1，i-j7， ，01辞1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：武；琵 签字e l 期：舻g 2 - 加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 l或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 卜 l ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：武歹鼋导师签名：篡冽 i 签字日 期：伽况 珈 签字日期：矽d 莎。) 砂 h垂毋 文摘要 基于移动i p 的移动位置管理研究 摘要 学技术的蓬勃发展，特别是i n t e m e t 技术在最近十年内的惊人发展， 各种各样的通信服务被广泛运用，大大方便了人们的生活。同时随着新型网络技术的不 断出现，人们对信息的需求在内容和获取方式上也出现了变化。便携式电脑以及移动终 端的普及，使得人们期望这些移动终端设备也能同固定终端一样，在任何时间、任何地 点以及运动中能够获得高质量的通信服务。 移动口的移动管理分为宏观移动、微观移动以及移动节点在不同网络中移动产生 的切换问题。微观移动p 协议主要包括蜂窝i p ( c e l l u l a ri p ) 协议、h a w a i i 协议以及 层次型移动1 p ( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ) 协议。移动节点的切换技术包括移动p v 4 中的 低延迟切换技术和移动i p v 6 中的快速切换技术。在深入研究相关技术的基础之上，本 文提出一种应用在分层快速移动i p 中的分布式位置管理方案( d l mf h m i p ) ，使移动 节点在快速切换的同时，能够根据自己的业务类型在网络内选择适合自己的移动锚点进 行注册。该方案采用了分散注册的分布式管理方法，改善了单点拥塞或者故障造成的通 信服务质量下降问题，提高了网络健壮性，保证了网络服务质量。 本文首先介绍了移动i p 的产生及其工作原理，随后详细分析和研究了移动i p 的移 动管理技术，并提出一种应用在分层快速移动p 中的分布式位置管理方案 ( d l mf h m i p ) 。在n s 中实现了d l m f h m i p ，并建立网络模型进行模拟，通过分析 t仿真结果及实验数据，来验证所提方案的可行性。 ； l 关键词：移动i p ；微观移动；切换；移动管理 一i i ；孳i一 学位论文 a b s t r a c t a r c ho fm o b i l i t yl o c a t i o nm a n a g e m e n ti nm o b i l ei p n e t w o r k s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n dt e c h n o l o g y ，p a r t i c u l a r l yt h ed e v e l o p m e n to f i n t e r a c tt e c h n o l o g yi nt h el a s td e c a d e ，a l lk i n d so fc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sa r e 、i d e l yu s e d ， w h i c hg r e a t l yf a c i l i t a t et h ep e o p l e sl i v e s a tt h es a m et i m e ，勰n e wn e t w o r kt e c h n o l o g i e s c o n t i n u et oe m e r g e ，t h ei n f o r m a t i o nn e e d sa l s oc h a n g ei nc o n t e n t sa n da c c e s sm e t h o d s w i t h t h ep o p u l a r i t yo fp o r t a b l ec o m p u t e r sa n dm o b i l et e r m i n a l s ，p e o p l ee x p e c tt h a tt h em o b i l e d e v i c ec a ng e th i g h q u a l i t yc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sa ta n yt i m e ，a n yp l a c ea n dt h em o v e m e n t m o b i l em a n a g e m e n to fm o b i l ei pi n c l u d e sm a c r o - m o b i l i t y ，m i c r o m o b i l i t ya n dt h e h a n d o f fo fm o b i l en o d e si nd i f f e r e n tm o b i l en e t w o r k s t h em i c r o m o b i l i t yi pp r o t o c o li s r e a l i z e db yc e l l u l a ri p ，h a w a i ia n dh i e r a r c h i c a lm o b i l ei p t h eh a n d o f fi si n t r o d u c e di n t h el o w - l a t e n c yh a n d o f ft e c h n o l o g yi nm i p v 4a n dt h ef a s th a n d o v e rt e c h n o l o g yi nm i p v 6 o n t h eb a s i so fr e l e v a n tt e c h n o l o g ys t u d y i n g ，t h i s p a p e rp r e s e n t s ad i s t r i b u t e dl o c a t i o n m a n a g e m e n ts o l u t i o ni nf a s th a n d o f ff o rm i p v 4 ( d l m _ f h m i p ) m o b i l en o d e sc a l lr e g i s t e ri n s u i t a b l em o b i l i t ya n c h o rp o i n ta c c o r d i n gt ot h et y p eo fi t sb u s i n e s s ，w h e nt h e yf a s ts w i t c hi n n e t w o r k s d l m f h m i pi m p r o v e st h ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c ei s s u e sc a u s e db yf a i l u r e o r c o n g e s t i o ni nas i n g l eg a t e w a yf o r e i g na g e n t ，a n de n h a n c e st h en e t w o r kr o b u s t n e s s ，a n d e n s u r e st h eq u a l i t yo fs e r v i c ei nn e t w o r k s 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 em o b i l ei pa n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e s e c o n d l y ，t h e p a p e ra n a l y z e st h em o b i l em a n a g e m e n tt e c h n o l o g yo fm o b i l ei pi nd e t a i l t h i r d l y , t h i sp a p e r p r e s e n t s ad i s t r i b u t e dl o c a t i o n m a n a g e m e n t s o l u t i o ni nf a s th a n d o f ff o rm i p v 4 ( d l m _ f h m i p ) f i n a l l y , d l m f h m i pi sa c h i e v e di nn s ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m ei s v a l i d a t e dt h r o u g ha n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a k e y w o r d s ：m i p ；m i c r o - m o b i l i t y ；h a n d o f f ；m o b i l i t ym a n a g e m e n t i i i h 1 j -，0，i-一 目录 目录 i ：】 i i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 移动p 概述l 1 2 1 移动p 的产生1 1 2 2 移动相关协议2 1 2 3 移动p 工作原理3 1 3 本课题的研究目的4 1 4 本文的内容及组织结构5 第二章移动口的移动性管理7 2 1 移动d 微移动管理：_ 7 2 1 1 蜂窝i p ( c e l l u l a ri p ) 协议7 2 1 2h a ：w r a i i 协议9 2 1 3 层次型移动i p ( h i e r a r c h i c a lm o b i l e 婵) 协议1 1 2 2 移动i p 切换技术。，13 2 2 1 切换的基本概念1 3 2 2 2 移动i p v 4 低延迟切换技术1 4 2 2 3 移动i p v 6 中的快速切换技术17 2 3 小结18 第三章分层移动i p 中的分布式位置管理方案1 9 3 1 移动管理策略的目的1 9 3 2 移动节点的切换2 0 3 2 1 切换的判决条件2 0 3 2 2 切换时延分析2 l 3 2 3 切换延时和解决方法2 3 3 3 移动位置管理2 3 3 3 1 分布式位置管理方案2 4 3 3 2 分布式位置管理方案性能分析2 7 3 4 小结2 9 一i v 东北大学硕士学位论文 目录 第四章d l m f h m i p 方案的仿真实现3 1 4 1 网络仿真平台n s 。3 1 4 1 1n s 简介：3 1 4 1 2n s 的类体系结构o 3 3 4 1 3n s 的主要构件3 4 4 1 4 使用n s 进行网络仿真的方法和步骤3 5 4 2d v 4 下分层移动i p 快速切换在n s 中的实现：3 6 4 2 1 协议改进3 6 4 2 2n s 中的代码实现3 7 4 3d l m f h m i p 方案的实现3 7 4 3 1 协议改进3 8 4 3 2n s 中的代码实现。3 8 4 4 爿、结4 2 第五章仿真实验结果及分析4 3 5 1 仿真实验设计一4 3 5 1 1 网络拓扑结构4 3 5 1 2 实验参数设置4 3 5 1 3 仿真环境的o t c l 脚本配置4 4 5 2 仿真实验一4 6 5 3 仿真实验二4 7 5 3 1 切换延时分析4 7 5 3 。2 吞吐量分析4 9 5 4d 、结。5 0 第六章结论5 l 参考文献：5 3 致 射5 5 一v 一 ；、i-liii 、“；j 魄，ltoll0 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论帚一早珀下匕 1 1 研究背景 随着i n t e m e t 技术的发展以及网络规模的扩大，用户数量也在急剧增长。特别是移 动用户数量呈指数增长，据信息产业部统计表明，移动用户到2 0 0 7 年l o 月已经达到 5 3 1 4 4 7 万用户，并且增长速率没有停止或减慢的迹象【l l 。移动用户的增长更是催动了各 种应用的需求，同时随着各种移动终端设备( 例如笔记本电脑和p d a 等) 的普及，移 动用户迫切希望能够在任何时间、任何地点以及移动中获得同固定网络一样的通信服 务，因此，移动通信接入技术成为当前技术发展的热点之一。 移动终端用户希望能够随时随地的访问全球互联网，需要克服i n t e m e t 设计时带来 的固有问题。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 连接在同一链路上的节点i p 地址具有相同的网络前缀部分【2 】。当移动节点从一条链路切 换到另一条链路时，其i p 地址的网络前缀部分不再与新链路的网络前缀相等。这样， 网络前缀路由技术就没有办法将数据包发送到移动节点的新位置上。移动p 技术的出 现解决了这个问题，移动p 是一种在全球互联网上提供移动功能的方案，它提供了一 种口路由机制，使移动节点可以用一个永久的p 地址连接在任何链路上。 移动i p 是在互联网中提供移动功能的网络层解决方案。但是，目前移动i p 技术仍 存在多个问题需要解决。其一，移动i p 中经常遇到的三角路由问题所带来的路由优化 问题。其二，由于移动节点的移动频率可能很高，移动节点切换以及将当前的新转交地 址注册到家乡代理都要产生时间延迟，此时发往移动节点的数据包将会丢失。如何降低 。切换时延，提高切换效率是当前的研究热点，移动i p v 4 下的低延时切换技术以及移动 i p v 6 的快速切换技术都是对该问题的解决方案。其三，移动i p 产生的网络性能问题。 o 当移动m 工作在无线网络时，由于移动节点数目较多以及频繁移动产生的切换注册信 令开销会占用过多的网络带宽，而无线网络的带宽是一种宝贵的资源，因此必须尽可能 减少网络开销。对于该问题的研究目前集中在微移动i p 技术的研究之上，例如层次型 移动i p 协议，但是每种技术都不是尽善尽美的，都有需要完善提高之处。 1 2 移动i p 概述 1 2 1 移动i p 的产生 东北大学硕士学位论文第一章绪论 i n t e m e t 技术是2 0 世纪最重要的技术创新，随着i n t e r a c t 的普及和发展，人类进入 了信息化时代，在过去的二十多年里，以网络为特征的计算机操作系统、大型数据库、 客户服务器技术得到了广泛的应用。随着集成电路工艺的提高，计算机硬件的处理速度、 功耗、体积等指标都已非昔日可比。移动电话、p d a ( p e r s o n a ld i g i t a l a s s i s t a n t ) 、笔记 本电脑都得到了普及与应用，可移动性大大提高。 另外，各种无线通信技术也有了很大的发展。特别是到了八十年代以后，以数字化 为特征的第二代移动通信系统在系统的频谱利用率、容量、多种业务支持能力、保密性、 系统的抗衰能力、网络管理和控制的灵活性方面都得到了很大的提高，使其在全球范围 内得到了普及和应用，目前又着力开发和研究第三代和第四代移动通信技术。除此之外， 为了更好地支持宽带的数据业务，目前还有一些高速的无线技术，如无线局域网、无线 a t m 、红外无线通信、宽带卫星技术、以及无线p 技术等。 随着i n t e m e t 的兴起以及技术的发展和应用的需求，人们提出了移动i p 的概念3 1 。 网络中的计算机在i n t e r a c t 上的位置是由它的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。对于大量的无线移动设备用户，他们希望在移动过程中保 持i n t e r a c t 的接入和连续通信，获得如固定接入一样的网络服务质量。因此，在移动设 备移动时，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。移动 i p ( m o b i l ei p ) 就是在原来i p 协议的基础上为了支持节点的移动而提出的解决方案【4 】。 1 2 2 移动i p 相关协议 2 0 世纪9 0 年代以来，许多研究机构都开展了在i n t e r a c t 上支持主机漫游的技术与 协议的研究工作。s o n y 公司、i b m 公司、哥伦比亚大学都先后通过研究与实验，提出 了支持主机漫游的协议。i n t e r a c t 学会的i e t f 专门成立了i pr o u t i n gf o rw i r e l e s s m o b i l e h o s t 工作组，即m o b i l e i p 工作组，从事漫游协议的标准化研究工作，并于1 9 9 6 年公布 为建议标准。 到目前为止，该工作组完成的r f c 文档主要包括以下几个： ( 1 ) r f c 2 0 0 2 ：定义了移动i p 的移动性支持( 后被r f c 3 2 2 0 和3 3 4 4 替代) 【4 】【5 】【6 】。 ( 2 ) r f c 2 0 0 3 ：i p 的i p 封装【7 1 。 ( 3 ) r f c 2 0 0 4 ：i p 的最小封装【g j 。 ( 4 ) r f c 2 0 0 5 ：移动i p 的应用1 9 】。 ( 5 ) r f c 2 0 0 6 ：移动i p 的管理信息库m i b ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) t o 】。 一2 一 飞 j 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 6 ) r f c 3 0 2 4 ：移动i p 的反向隧道【l i 】。 其它r f c 文档还包括r f c 2 7 9 4 ，描述了i p v 4 中的移动i p 网络接入标志扩展【1 2 1 。 r f c 3 0 1 2 描述了移动i p 的询问应答扩展【1 3 1 。r f c 4 8 5 7 描述了移动i p v 4 的区域注册等等 1 4 1 。除此之外，移动i p 工作组目前还在进行多项其它内容草案的讨论，涉及到很多方 。 面，例如：移动i p v 6 、分层的移动i p v 6 和快速切换的移动口方案等【1 5 1 1 6 1 1 7 1 。 t 1 2 3 移动i p 工作原理 相关术语如下： 移动节点( m o b i l en o d e ，m n ) ：在子网间切换的主机或路由器。它在移动过程中 不断地改变网络接入点，但总是使用原有的i p 地址保持与其它节点的通信。 家乡代理( h o m ea g e n t ，h a ) ：移动节点家乡链路上的路由器。它负责维护移动节 点当前位置的信息，并且把来自通信对端的分组通过隧道转发给移动节点。 外地代理( f o r e i g na g e n t ，f a ) ：位于移动节点访问网络上的路由器。它负责将来 自家乡代理的分组转发给移动节点，同时把移动节点发送的分组路由出去。 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。 家乡地址：永久分配给移动节点的i p 地址，无论m n 移动与否，该地址始终不变。 家乡链路：与移动节点的家乡地址具有相同网络前缀的链路。 外地链路：移动节点的家乡链路外的其它网络。 转交地址( c a r e o fa d d r e s s ，c o a ) ：指移动节点连接在外地链路上时的相关i p 地 址。转交地址是连接家乡代理和移动节点的隧道的出口地址，每次移动节点改换外地链 路时，转交地址也随着改变。从概念上讲，有两种转交地址，即外地代理转交地址( 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 ) 。前者是外地代理 的i p 地址有一个端口连接移动节点所在的外地链路。后者是外地链路暂时分配给移动 节点的某个端口的口地址，当外地链路没有外地代理时，移动节点可以采用这种转交 地址。 代理广播( a g e n ta d v e r t i s e m e n t ) ：一个由i n t e m e t 控制报文协议附加特定的扩展信 息位所产生的信息，告知m n 当前接入的网络的相关信息。 注册( r e g i s t r a t i o n ) ：当m n 不在家乡时，它向其h a 注册刚得到的c o a 。m n 可 以直接向其h a 注册，或者通过f a 向h a 注册。 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 对移动p 工作原理描述如下： ( 1 ) 通过周期性地组播或广播代理广播消息，家乡代理和外地代理宣告它们与链路 的连接关系。移动节点也可以发送代理请求消息请求当地的移动代理发送代理广播消 息。 ( 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在家乡链 路还是外地链路上。 ( 3 ) 如果移动节点发现自己连接在一个外地链路上，那么连在外地链路上的移动节 点需要一个转交地址。转交地址可以从外地代理广播的代理广播消息中获得，或者通过 一个配置规程( 如d h c p ) 得到。如果m n 在家乡链路上，m n 就可像固定节点一样工 作。 ( 4 ) 处于外地链路的m n 通过交换注册请求和注册应答消息向h a 注册其新的转交 地址。此过程可以通过f a 来完成，也可以由m n 直接完成。为阻止拒绝服务攻击，注 册消息要求进行认证。 ( 5 ) 家乡代理广播对移动节点家乡地址网络前缀的可达性，从而吸引发往移动节点 家乡地址的数据包。h a 截获这个包，并根据移动节点注册的转交地址，通过隧道将数 据包传送给移动节点。 ( 6 ) 在转交地址处，原始数据包从隧道中被提取出来送给移动节点。反过来，由移 动节点发出的数据包直接被选路到目的节点，无需隧道技术。 1 3 本课题的研究目的 移动i p 技术是一种在全球互联网上提供移动功能的方案，它具有可扩展性、可靠 性和安全性的特点，并使移动节点在切换链路时仍可以保持正在进行的通信。 移动口作为网络层的协议，其设计是基于t c p i p 协议的设计宗旨，移动p 协议与 底层的链路特性是毫无关系的。由于网络第2 层和第3 层的明确分割，对移动节点的切 换延时带来了较大影响。例如当移动节点移动发生切换时，只能在移动节点第2 层切换 完成后，才能开始第3 层的注册过程，其整个切换延时会比较大。延时造成的数据包的 丢失会造成网络拥塞，进而影响整个网络性能。 低延迟切换( l o wl a t e n c yh a n d o f f ) 是在移动i p v 4 基础上提出的，主要目的是使移 动节点在切换过程中通信中断时间最短【l 引。它定义了预先注册( p r e r e g i s t r a t i o n ) 、过后 注册( p o s t r e g i s t r a t i o n ) 和联合切换3 种切换方法1 1 8 】。 一4 一 #，10 第一章绪论 切换过程中的正常数据通信【1 7 1 。 本课题的研究目的之一就是降低切换延时，提高切换效率。 当移动节点离开家乡网络进入外地网络，并且移动节点发生切换时，需要向家乡代 理以及通信对端进行新转交地址的注册。如果外地网络远离家乡网络，那么切换延时会 变得相对更大，造成的数据丢包会更多，网络性能会急剧下降。 为了解决网络性能下降问题，提出了区域注册技术( 例如层次型移动i p 协议) 1 9 1 。 在区域内使用微移动i p 技术进行管理，移动节点在区域内移动时仅与区域内代理网关 进行注册更新，无需向家乡代理和通信对端注册更新，解决了远离家乡网络造成的家乡 注册时延较长的问题。域间的移动则使用标准移动i p 协议来实现。 这种集中式管理方法的性能瓶颈都集中在了区域内代理网关处，虽然集中式的移动 管理方案具有实现简单、维护容易的优点，但其缺点也不容忽视，即区域中网关的单点 故障会造成整个区域移动管理的灾难性后果，并且信令开销和注册开销都集中在网关 处，使网络负载极不平衡。本课题的另一研究目的就是改善区域注册的过于集中化，提 高服务质量。 1 4 本文的内容及组织结构 本文在深入研究微移动i p 协议以及切换技术的基础上，提出一种基于分层快速切 换移动弹的分布式位置管理方案( d i s t r i b u t e dl o c a t i o nm a n a g e m e n tf o rf i 州i p ， d l m f h m i p ) 。 d l m - f h m i p 方案利用分层移动工p 中移动锚点( m a p ) 分层的逻辑结构，使移动节点 可以选择不同层次上的m a p 作为外地代理网关，同时移动节点可以根据自己的业务类型 选择出可选m a p 中适合自己的最优的一个m a p 作为自己的区域注册网关。最后，对该方 案利用网络模拟器n s 进行仿真实验，完成了方案设计和编码改造工作，最后通过仿真 试验来验证其可行性和网络性能。 论文组织结构如下： 第二章介绍移动性管理技术，重点介绍了微移动i p 技术以及移动i p 的切换技术。 第三章提出了分层移动i p 协议中分布式位置管理方案。 一5 一 东北大学塑圭兰堡垒壅 箜二主堑垒 _ _ - i _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ 一一 一 第四章简要介绍网络仿真器n s ，包括其原理、体系结构、主要组件及使用n s 进 行网络仿真的方法和步骤，然后介绍了如何在n s 中实现第三章所介绍的分布式位置管 理方案。 第五章对所提出的分布式位置管理方案进行仿真测试，并针对仿真结果进行分析。 第六章结论部分是对整个论文i 作的总结以及下一步工作的展望，指出工作中有待 改进的地方，同时指明进一步的研究方向。 一6 一 i p 的移动性管理 介绍了移动i p 的微观移动i p 协议和移动i p 的切换技术。 2 1 移动i p 微移动管理 移动终端在任何 技术，目前移动 方向之一。本章 虽然移动i p 解决了主机的移动性问题，但是传统的移动i p 协议方法仍存在着许多 难以克服的缺点【1 引。例如，如果移动节点远离家乡网络，将增大切换延时，同时造成分 组丢失，甚至通信中断等问题。针对移动i p 技术的这些缺陷，移动节点的移动性问题 经常用两个子问题微移动和宏移动来解决 2 0 l 。所谓微观移动i p 协议就是在移动i p 协议中引入层次的概念，将移动节点的切换限制在小范围内，通过层次的划分将网络分 成不同的域，从而将移动性的问题分成了宏观移动和微观移动。 针对微移动和宏移动各自的特点，应采用不同的移动性管理解决方案。目前实现这 两种移动性的技术就是宏移动协议和微移动协议。宏移动协议确保了移动主机在移动时 仍然能够进行正常的数据通信，微移动协议确保了来自i n t e r n e t 目的地为移动节点的 分组能够以有效的方式被正确的转发到合适的无线接入点。这两种移动性管理解决方案 的结合能有效地支持移动节点全球范围内的移动。宏移动性问题采用标准移动i p 协议 来解决，而微移动性问题采用微移动协议来解决，目前，主要的微移动协议有c e l l u l a r i p 、h a w a i i 和h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p 协议等口o 】 2 1 1 。 。2 1 1 蜂窝i p ( c e l l u l a ri p ) 协议 c e l l u l a ri p 协议相关术语如下 2 2 】： c e l l u l a ri p 节点( c e l l u l a ri pn o d e ) ：c e l l u l a ri p 网络是由相互连接的c e l l u l a ri p 节点 组成的。它有两方面的作用，在网络内路由分组和通过无线接口与移动节点通信。根据 节点的后一个作用，有无线接口的c e l l u l a ri p 节点也被称为基站。 c e l l u l a ri p 网关( c e l l u l a ri pg a t e w a y ) ：至少有一个接口与外部网络相连的c e l l u l a ri p 节点。 一7 一 东北大学硕士学位论文 第二章移动i p 的移动性管理 c e l l u l a ri f 移动主机( c e l l u l a ri pm o b i l eh o s t ) , 实现蜂窝i p 协议的移动主机。 寻呼区：由几个基站组成的区域，处于空闲状态下的移动主机在同一个寻呼区内移 动时，不必发送控制包来更新自己的位置。 c e l l u l a ri f 协议是一个为频繁移动的主机提供域内移动和切换支持的微移动i p 协 议，对于域间移动性的支持，采用标准的移动i p 协议来实现。c e l l u l a ri f 沿用了蜂窝通 信系统的移动管理原则、被动连接模式以及切换控制，与蜂窝通信系统不同的是，c e l l u l a r i p 是基于i p 构架设计的。c e l l u l a ri f 网络由支持该协议的一个网关路由器、基站和移动 主机组成，网关路由器将c e l l u l a ri f 接入网与i n t e m e t 相连。网关的i p 地址将作为接入 网中移动主机的转交地址，通过隧道到达移动主机的m 包，将在网关处进行拆封，然 后再按照c e l l u l a ri f 协议中规定的路由方法将数据包发送至节点。 c e l l u l a ri f 网络结构如图2 1 所示。 基站f 图2 1c e l l u l a r i f 网络结构 f i g2 1n e t w o r ks t r u c t u r ei nc e l l u l a ri f 在c e l l u l a ri f 网络中定义了寻呼区间和寻呼表，c e l l u l a ri f 网络中移动主机具有两 种状态，空闲状态( i d l e ) 和激活状态( a c t i v e ) 。如果移动主机在激活状态超时后不收 发数据，则进入空闲状态。在空闲状态，移动主机在一个寻呼区内移动时不需要发送位 置更新信息，这样既可以减少能量消耗，也可以减少信道负荷，同时在转发分组时减少 了查表时间。 c e l l u l a ri f 网络采用了软状态方式在基站中保存了两种类型的软状态信息，分别是 与该基站相邻的、到达网关路径上第一个基站的信息，以及通过该基站向移动主机转发 数据的路由信息，路由表中由移动主机的i p 地址以及对应的转发基站组成。c e l l u l a ri f 协议中定义了两种切换机制，分别是用于移动主机只能与一个接收机通信的硬切换 ( h a r dh a n d o f f ) ，以及移动主机可以与多个接收机同时通信的半软切换( s e m i s o f t 一8 靠 东北大学硕士学位论文第二章移动i p 的移动性管理 h a n d o f f ) 。硬切换中节点移动至新基站时，发送路径更新信息，该路由更新信息以逐跳 ? 的方式发送至网关路由器，路径上的c e l l u l a ri p 节点将对其路由表进行相应修改。 采用硬切换方式，路径更新信息从新基站到达相交节点期间内的分组将会丢失，而 半软切换方式可以使分组丢失减少为零。采用半软切换方式，移动主机可以同时接收两 个基站发来的分组，当移动主机检测到切换将要发生后，将向新基站发送一个半软路由 更新分组( s e m i s o f t - r o u t e u p d a t ep a c k e t s ) ，同时仍然接收从旧基站发来的分组。在相交 i 节点处，增加一个到新基站的路由映射，使得发往移动主机的分组同时被转发至新、旧 两个基站。半软切换是在一个固定的半软延时( s e m i s o f td e l a y ) 期间内完成的，该期 间结束后，再进行一次常规的切换。 在c e l l u l a ri p 网络中，将几个基站划分为一个寻呼区，每一个寻呼区都有一个唯一 的标志符，寻呼区中的基站会定期的发送包含有寻呼区标志符的b e a c o n 消息。通过比 较寻呼区标志符，m n 就可以知道自己是不是移动到了一个新的寻呼区。处于空闲状态 的m n 可以在同一寻呼区中大范围的漫游，而无需每时每刻都向网络更新自己的位置信 息，只有当寻呼更新定时器到期后，才会向基站发出一个寻呼更新数据包，过期的寻呼 缓存信息将会被删除。 当处于空闲状态的m n 进入到一个新的寻呼区后，它必须发出一个寻呼更新数据包 到附近的基站，基站将以逐跳路由的方式将寻呼更新包发往网关路由器。寻呼更新包所 经过的具有寻呼缓存功能的节点，都会据此更新自己的寻呼缓存信息。当更新包到达网 关路由器，且网关路由器更新寻呼缓存后，该包将被丢弃。当发往m n 的数据包到达网 关后，如果网关路由缓存中没有m n 相关的路由信息，网关就会根据寻呼缓存信息路由 数据包，这称为“隐式( i m p l i c i t ) 寻呼 。 2 1 2h a w a i i 协议 。 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 ) 微移动协议由朗讯 公司提出，采用特定主机路由途径。h a w a i i 协议对支持移动i p 路由优化的移动节点来 说是透明的，当移动节点发送移动i p 注册信息时，网络接收设备自动触发h a w a i i 协 议机制。移动节点进入运行h a w a i i 协议的外地网络时，使用分配的配置转交地址，且 在本地网络范围内保持不变。该协议使用显式信令来更新特定主机的路由信息，网络中 的节点按照一般的i p 路由协议工作，这些节点可以看成是增强功能的口路由器。 h a w a i i 定义了四种可选的路径设置方案来控制接入点之间的移交，具体选择取决于运 一9 一 东北大学硕士学位论文 第二章移动i p 的移动性管理 营商对消除丢包、降低移交时延、维持分组排序优先权的设置。当进入子网的数据包到 达一个接入网络，而它目前的路由表中无此路由信息时，h a w a i i 使用i p 多播机制来寻 呼空闲的移动节点 2 3 j 。 h a w a i i 使用与i n t e m e t 相同的方法，将网络分为不同等级的区域，称为自治的系 统等级。网络结构如图2 2 所示。每个区域的网关称为区域根路由器。每个主机有一个 i p 地址和一个家乡域。当移动节点在它的家乡域移动的时候，移动节点保持它的i p 地 址不变。发往移动节点的分组根据区域的子网地址首先到达区域根路由器，然后再通过 一条动态建立的专门路径被转发到移动节点。这允许家乡域覆盖由成千上万个基站组成 的大区域，因此，增加了移动节点在它的家乡域的可靠性。对于在家乡域内移动的主机， 数据路径并不涉及h a 。 正常i p 分组。祓封襞明i p 分组 图2 2 h a w a i i 网络结构 f i g2 2n e t w o r ks t r u c t u r ei nh a w a i i 当移动节点移动到一个外地域的时候，采用传统的移动机制来实现移动节点的 切换过程。如果这个外地域也是基于h a w a i i 的，那么就分配给移动节点一个联合定位 转交地址。发给移动节点的分组通过在其家乡域的h a 隧道发往转交地址。移动节点在 同一外地域内移动时，保持它的转交地址不变( 因此当移动节点在外地域内移动时，不 需要通知h a ) ，连接性通过使用在外地域专门建立的动态路径来维持。在外地域内， h a w a i i 使用动态建立路径的方法维持连接性，这样简化了对每个q o s 流的支持，但 是使用配置转交地址选项的一个缺点是，每一个移动节点需要两个地址，这加剧了有限 的口地址资源紧缺问题。 该协议构建路径有三种消息，p o w e ru p ，r e f r e s h 和u p d a t e 。当移动节点第一次进 入一个区域时，首先发送路径构建p o w e ru p 消息。该消息在区域根路由器和路径上所 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第二章移动i p 的移动性管理 有的路由器上建立该移动节点的专门路由。因此，从区域根路由器到连接到其上的所有 移动节点的各条连接构成了一个虚拟的树型结构。 当移动节点在某一区域内移动时，为了保持与移动节点端到端的连接需要专门的技 术用于管理用户的移动。h a w a i i 使用u p d a t e 消息在区域内选定的路由器上建立和更新 移动节点的主机路由条目，这样就可以保证在限定中断次数的情况下将到达区域根路由 器的分组发给移动节点。决定什么时候、怎样以及在哪些路由器上建立路由，根据路径 构建方案的不同而不同。 将路由器中保持的h a w a i i 路径状态设计为“软态 。这样有利于增强路由协议的 健壮性并降低连接失败的次数。移动节点周期性的向其连接的