（通信与信息系统专业论文）移动ip平滑切换优化.pdf

中文摘要 移动i p 就是能让网络节点在移动的同时不断开连接，并且还能正确收发 数据包。 切换技术是支持移动i p 的关键技术，切换技术的改进，可以在很大程度 上提高移动节点的通信性能。为了改善切换过程中的丢包现象，提出了平滑 切换的概念。平滑切换主要的改进是在移动代理为移动节点设置缓存，在移 动节点切换后，外地代理把缓存的数据包转发给移动节点，达到减少数据包 的丢失的目的。 平滑切换虽然有效降低了数据包的丢失率，但仍然存在通信时延等问题， 对t c p 和u d p 的性能和建立在t c p 和u d p 上的应用产生不利影响。特别是v o d 、 i p 电话等在固定网络中运行的很好的实时应用，由于切换期间的时延，通信 质量受到很大影响。 为了改善移动i p 切换的性能，缩短切换时延，本文对移动i p 的切换进 行了研究，对平滑切换提出优化方案。优化方案的基本思想是：移动节点检 测到其进入一个新的网络后，向新外地代理注册，请求新外地代理向原外地 代理发送消息，通知原外地代理移动节点新的转交地址。原外地代理收到这 一消息后，把它为移动节点缓存的数据包通过隧道发送到移动节点的新外地 代理，新外地代理不等待移动节点的家乡代理的注册应答，便为移动节点转 发这些数据包。从而缩短了移动节点注册期间不能接收数据包的时间，改善 了切换时延等问题。 通过在n s 上建立仿真模型，对优化方案的主要参数进行了测试。结果表 明，本文提出的方案在对家乡代理、固定节点和上层协议无需改动的情况下， 可有效改善移动i p 通信性能，减小切换时延。 关键词：移动i p ，平滑切换，通信时延 a b s t r a c t t h ef u n c t i o no fm o b i l ei pi st h a tt h en e t w o r kn o d e sc a nk e e pc o n n e c t i o nw i t h i n t e r n e tw h i l em o v i n ga n da tt h es a m et i m et h en o d e sc a nr e c e i v ea n ds e n dd a t a p a c k e t sc o r r e c t l y h a n d o f ft e c h n i q u ei st h ek e yt e c h n i q u eo fs u p p o r t i n gm o b i l i t y t h e i m p r o v e m e n to nh a n d o f f c a ne n h a n c ee f f e c t i v e l yt h ec o m m u n i c a t i v ep e r f o r m a n c e o ft h em o b i l en o d e s i no r d e rt ol e s s e nt h ep a c k e tl o s sd u r i n gh a n d o f f , t h ec o n c e p t o fs m o o t hh a n d o f fw a sc o m eo u t t h ep r o m i n e n ti m p r o v e m e n to fs m o o t hh a n d o f f i sa sf o l l o w ：s e tb u f f e rf o rt h em o b i l en o d e si nt h ef o r e i g na g e n t a f t e rh a n d o f f , t h e p r e v i o u sa g e n tt r a n s m i t t e dp a c k e t si nb u f f e rt ot h en e wa g e n to ft h em o b i l en o d e i m m e d i a t e l y , s ot h el o s so f t h ed a t ap a c k e tw a s l i m i t e d a l t h o u g hs m o o t hh a n d o f fr e d u c e se f f e c t i v e l yt h el o s sr a t eo ft h ep a c k e t s ，i t w i l lc a u s ec o m m u n i c a t i o nd e l a y i ti sd i s a d v a n t a g et ot h ep e r f o r m a n c eo ft c pa n d u d pa n do t h e ra p p l i c a t i o n sb a s e do nt h e m i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f h a n d o f f o f m o b i l ei p ，t h i sp a p e rg i v e s a ni d e at oo p t i m i z et h es m o o t hh a n d o f f t h eb a s i ci d e ao ft h eo p t i m i z e ds c h e m ei s ： w h e nm o b i l en o d ed e t e c tt h a ti ti se n t e ran e wn e t w o r k ，i tr e g i s t e rw i t hn e w f o r e i g na g e n t ，a n dr e q u e s tt h en e wf o r e i g na g e n ts e n di n f o r m a t i o nt oi t sp r e v i o u s f o r e i g na g e n tt oi n f o r mi t sm o v ei n f o r m a t i o n o n c et h ep r e v i o u sa g e n tr e c e i v e st h e i n f o r m a t i o n ，i ts e n d st h o s ep a c k e t st h a tb u f f e r e df o rt h em o b i l en o d et ot h en e w f o r e i g na g e n tt h r o u g ht u n n e l n e wf o r e i g na g e n tr e l a y st h o s ep a c k e t sc o m ef r o m p r e v i o u sa g e n tw i t h o u tt h er e g i s t e rr e p l yf r o mm o b i l en o d e sh o m ea g e n t w h i c h s h o r tt h ep e r i o dd u r i n gw h i c hm o b i l en o d ec a n n o tc o m m u n i c a t ew i t ho t h e rn o d e t h u sm i n i m i z et h eh a n d o f fd e l a y b u i l dm o d e lo nn ss i m u l a t o ra n dt e s tt h em a i np a r a m e t e r so f t h ei m p r o v e m e n t p l a n t h er e s u l tm a n i f e s t st h a t t h ei d e ag i v e ni nt h i sp a p e rc a ni m p r o v et h e p r o b l e mo fc o m m u n i c a t i o n d e l a ya n ds oo n k e yw o r d s - m o b i l ei p ，s m o o t hh a n d o f f , l a t e n c y 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，也不包含为获得苤鲞盘芏或其他教育机构的 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：矛么巧全 签字日期：朋l 厂年2 月雄日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘生盘茎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权苤鲞盘茎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说明) 学位论文作者签名：罗谷淞 导师签名 签字日期：甜年2 月二2 日签字日期：埘年1 月 t 国 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 推动移动通信发展的力量 随着电脑便携性和计算性能的不断提高及价格的平民化，和移动通信设 备在体积、重量方面的不断改进，笔记本电脑、p d a ，尤其是移动电话等设备 的数目和使用者也越来越多；同时：因特网也在以惊人的速度发展着，能够 给人们在日常生活和商务活动中提供大量的资源，移动计算机用户越来越希 望能和其他台式用户接入同一个网络，共享网络资源和服务，而不是局限于 某一特定的网络区域：当他移动时，能够保持原来的连接，不会因为移动而 带来使用上的不便，从而能够随时随地获得企业的数据和网络资源。不断增 加的移动办公人群、对网络计算越来越强的依赖和移动计算技术的发展，这 三方面一起推动着移动计算机与其他计算机相连的需求，包括与固定的和移 动的计算机连接。 人们为两台或多台计算机之间交换信息定义了一套复杂的规则，这就是 网络协议。问题是，在大多数网络协议制定的时代，几乎所有的计算机都不 需要经常移动，所以许多通信协议都应付不了快速移动中的计算机通信。 为此，i e t f 在一九九六年提出移动i p 技术“1 。移动i p 是一个具有可扩 充性、可靠性和安全性的为节点在因特网上提供移动能力的协议。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 的设计目标是：计 算机在网络中可以随意改变地理位置和物理媒介，在切换链路时保持正在进 行的通信，并且保持原有的i p 地址不变。 1 2 移动i p 的发展前景 移动i p 是数据通信界和移动通信界共同研究的问题，它是移动计算机接 入i n t e r n e t 的技术核心。i t u 明确规定第三代移动通信系统必须支持移动i p 分组业务。i e t f 也开发出一系列有关移动i p 的协议，如r f c 3 3 4 4 ( i p 移动性 第一章绪论 支持) ，r f c 2 0 0 3 ( i p 内的i p 封装) 等协议。 随着移动设备的性能不断提高，i n t e r n e t 业务的发展，更多的人需要通 过无线方式接入i n t e r n e t ，实现w w w 浏览，e - m a i l 收发，f t p 文件传输，以 及n e w s 讨论组甚至多媒体技术视频服务等几乎所有的i n t e r n e t 业务，促使 移动i p 网络飞速发展。我们可以相信，移动i p 将会在企业组网，移动接入 i n t e r n e t ，移动办公，个人商旅工程实施等各个方面具有广阔的应用前景。 移动i p 技术将缔造个人通信的美好蓝图：在任何时间、任何地点可以用任何 一种媒体与任何一个人进行通信。 1 3 移动i p 存在的问题 然而，基本移动i p 的方案在许多方面有待进一步的探讨和改善：首先， 移动i p 的隧道技术带来三角路由眩问题，数据包不能以最优的路由传输；第 二，由于移动设备移动而发生切换时，正在传输中的数据包很容易无法到达 目的地，造成丢包，即移动设备从一个外地代理的服务区域移动到另一个外 地代理的服务区域，由于为移动设备服务的代理发生变化而造成正在传输中 的数据包丢失；另外还有安全等问题。 1 4 本文的目标及结构 本文就移动i p 的切换问题进行了研究和分析，旨在对移动i p 平滑切换瞳1 方面的问题进行改进，并通过对协议进行扩展和网络模拟，最后对结果进行 分析并讨论方案的可执行性。 在第二章中简要分析了移动i p 的基本原理和相关关键技术的理论；平滑 切换技术在第三章中进行了讨论；我们将在第四章介绍对平滑切换的优化方 案；第五章对测试结果进行了分析；本文最后提出了这一方案的不足和可能 的改进。 第一章绪论 支持) ，r f c 2 0 0 3 ( i p 内的i p 封装) 等协议。 随着移动设各的性能不断提高，i n t e r n e t 业务的发展，更多的人需要通 过无线力式接入i n t e r n e t ，实现w w w 浏览，em a i l 收发，f t p 文件传输，以 及n e w s 讨论组甚至多媒体技术视频服务等几乎所有的i n t e r n e t 业务，促使 移动i p 网络飞速发展。我们町以相信，移动l p 将会在企业组网，移动接入 i n t e r n e t ，移动办公，个人商旅工程实旌等各个方面具有广阔的麻用前景。 移动i p 技术将缔造个人通信的美好蓝图：在任何时间、任何地点可以用任何 一种媒体与任何一个人进行通信。 1 3 移动i p 存在的问题 然而，基本移动i p 的方案在许多方面有待进一步的探讨和改善：首先， 移动i p 的隧道技术带来三角路由”1 问题，数据包不能以最优的路由传输：第 二，由于移动设备移动而发生切换时，正在传输中的数据包很容易无法到达 目的地，造成丢包，即移动设各从一个外地代理的服务区域移动到另一个外 地代理的服务区域，由于为移动设备服务的代理发生变化而造成正在传输中 的数据包丢失；另外还有安全等问题。 1 4 本文的目标及结构 本文就移动i p 的剀换问题进行了研究和分析，旨在对移动i p 平滑切换“ 方面的问题进行改进，并通过对协议进行扩展和网络模拟，最后对结果进行 分析并讨论方案的可执行性。 在第二章中简要分析了移动i p 的基本原理和相关关键技术的理论；平滑 切换技术在第三章中进行了讨沦；我们将在第四章介绍对平滑切换的优化方 案；第五章对测试结果进行了分析；本文最后提出了这一方案的不足和可能 案；第五章对测试结果进行了分析；本文最后提出了这一方案的不足和可能 的改进。 第二章移动i p 第二章移动i p 为了对移动i p 有一个全面的了解，本章主要介绍了移动i p 的基本原理以 及相关技术，为本文的其余章节提供了充分的背景知识，包括移动i p 新增加 的功能实体及其功能，移动i p 的大致操作过程：代理搜索，隧道技术，切换 等。 2 1 移动i p 的基本概念 移动i p 是一种在i n t e r n e t 上提供移动功能的方案，它提供了一种特殊的 i p 路由机制，使移动节点可以以一个永久的i p 地址连接到i n t e r n e t 的任何位 置。 2 1 1 移动i p 与传统i p 之间的主要区别 传统i p 不支持主机移动性，传统i p 技术的主机使用固定i p 地址和端口 号进行相互通信，在通信期间它们的i p 地址和端口号必须保持不变，否则i p 主机之间的通信将无法继续。这是因为在目前的i n t e r n e t 中，i p 地址即用来标 识网络中特定的主机，又用于数据包选路。而对于移动节点来说，这两者是 相互矛盾的。一方面，移动节点需要一个固定的i p 地址来标识自己，保持通 信连接；另一方面，如果地址固定，则到该移动节点的路由也固定，主机的 移动性受到限制，如果主机的i p 地址在通信期间随着它的移动而不断发生变 化，那么i p 地址的变化最终会导致通信的中断，因为无法唯一地标识出正在 通信的移动节点。为解决这一问题，1 9 9 6 年，i e t f 通过了r f c 2 0 0 2 移动i p 协议。它的基本思想是将i p 地址标识功能与选路分开，用两个i p 地址分别来 表示：用于标识移动节点的i p 地址称为家乡地址h a ；用于标识主机当前所 在位置和选路的i p 地址称为转交地址c o a 。 第二章移动i p 2 1 2 协议要求 移动节点必须能够在改变其在i n t e r n e t 上的链路层接入点后，不改变i p 地址便能够与其它节点通信。移动节点必须能够与其它不使用移动功能的节 点通信。如果主机或路由器不作为移动i p 新的结构实体，则不要求增加任何 协议。所有用于向其它节点更新移动节点的位置信息的消息必须经过认证以 保护系统免受远程重定向攻击( r e m o t er e d i r e c t i o na t t a c k s ) 。 2 1 3 目标 移动节点直接接入i n t e r n e t 的链路通常可能是一条无线链路。这样的链路 可能因而比传统的有线网络有更低的带宽以及更高的错误率，而且移动节点 可能是电池驱动的，减小功耗很重要。因此，应该尽量减少移动节点连接链 路上发送的管理消息( a d m i n i s t r a t i v em e s s a g e ) 的数量，而且消息的大小应该 尽可能的小。 2 1 4 假设 移动i p 协议对分配i p 地址方面没有附加限制。也就是说，移动节点可以 由拥有该机器的组织指定一个i p 地址。 移动i p 假设移动节点i n t e r n e r 接入点的改变的频率通常不频繁于一秒钟 一次。 移动i p 假设i p 单播数据报的路由是基于数据报头部的目的地址而不是基 于源地址。 2 1 5 适用性 移动i p 的目的是允许节点从一个i p 子网移动到另一个i p 子网。这种移 动性适用于同类介质，同样也适用于异类介质，也就是说移动i p 易于节点从 一个以太网子段( s e g m e n t ) 移动到另一个子段，也允许节点从一个以太网子 段移动到一个无线l a n ，只要移动后节点的i p 地址保持不变。 可以把移动i p 看作解决移动性的“宏观”管理问题的方法。它不太适合 于其他的移动性的“微观”管理的应用一一比如无线收发器之间的切换 ( h a n d o f f ) ，其中每一个收发器只覆盖了很小的地理区域。只要节点的移动不 4 第二章移动i p 是发生在不同i p 子网的接入点之间，移动性的链路层机制( 即链路层切换) ， 可以提供比移动i p 更快的收敛性( c o n v e r g e n c e ) 和更小的开销。 2 - 1 6 移动i p 新的功能实体 移动i p 引入了下面所示的新的功能实体： 11 移动节点( m o b i l en o d e ) 其接入点从一个网络或子网变化到另一个网络或子网的主机或者路由 器。移动节点可以改变其位置而不改变其i p 地址：假如到某个接入点 的链路层连接可用，它可以在任何地方使用其( 固定的) i p 地址与 i n t e m e t 上的其它节点通信。 2 ) 家乡代理( h o m ea g e n t ) 位于移动节点家乡网络上的一个路由器，该路由器在移动节点不在家 乡( 网络) 时为数据包创建隧道以便把数据包传送到移动节点，并负 责维护移动节点的当前位置信息。 3 ) 外地代理( f o r e i g na g e n t ) 位于被移动节点访问网络上的一个路由器，该路由器为注册节点提供 路由服务。外地代理把家乡代理通过隧道传送过来的数据报进行拆封 ( d e t u n n e l ) 并把这些数据报传送到移动节点。对于从移动节点传送过 来的数据报，外地代理作为该注册移动节点的缺省路由器。 移动节点在家乡网络被给予一个长期的i p 地址。这个家乡地址按固定主 机的“永久”( p e r m e n e n t ) i p 地址来进行管理。当不在家乡网络时，移动节点 与一个“转交地址”相关联以反映出移动节点当前连接的位置。移动节点使 用家乡地址作为其发送的所有i p 数据报的源i p 地址。 2 2 移动i p 基本工作原理 2 2 1 工作机制 在移动i p 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 第二章移动i p 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 可以使用两种不同类型的转交地址：“外地 代理转交地址”( f o r e i g na g e n tc a r e o f a d d r e s s ) 是移动节点所注册的外地代理 的地址：“联合转交地址”( c o 1 0 c a t e d c a r e o fa d d r e s s ) 是移动节点从外地网络 获得的本地地址，移动节点已经将之与自己的一个网络接口建立关联。 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如下面几个步骤所示： 夺移动代理( 即外地代理和家乡代理) 通过代理广告消息将它们的存在 性进行广播。移动节点可选地通过一个代理请求消息在所连接的外地 网络请求外地代理广播一个代理广告消息。 夺移动节点收到这些代理广告并确定自己是在家乡网络还是在外地网 络上。 夺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；如果从其它注册的地方返回到家乡 网络，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 3 1 获得。 夺位于家乡网络以外的移动节点通过“注册”规程把自己的转交地址告 诉其家乡代理，该过程可能通过外地代理，家乡代理把移动节点的转 交地址和家乡地址进行绑定。 夺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，在隧道的端点( 外地代理 或者移动节点本身) 被接收，最后传送到移动节点，无需隧道技术。 夺在相反方向，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。 第二章移动i p 2 2 2 代理发现 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。 代理发现有两种消息：一种是代理发送的周期性的代理广告消息。家乡 代理和外地代理在自己所连接的网络上周期性地广播代理广告消息，以声明 自己的存在。移动节点监听到这些消息后，就可以判断自己是在家乡网络上 还是在外地网络上，并且判断有哪些家乡代理或是外地代理连接在它目前所 在的网络上，如果收到家乡代理发来的代理广告消息，移动节点可以断定在 自己的家乡网络上。 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移动节点服务，即使这样，它也必须继续发送代理 广告，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。 另一种是移动节点发送的代理请求消息。当移动节点没有耐心等待代理 下一周期的广播时，它可以发送一个代理请求，以便让链路上所有的代理立 即发送代理广告消息。 移动节点可以从代理广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) 。 所有移动代理( 不管其能否被链路层协议所发现) 都应具备代理广告功 能，并对代理请求作出响应。所有移动节点必须具备代理请求功能。但是， 移动节点只有在没有收到移动代理的代理广告，并且无法通过链路层协议或 其他方法获得转交地址的情况下，方可发送代理请求消息。 移动i p 使用扩展的“i c m p 路由器发现b h 机制作为代理发现的主要机 制。移动i p 中定义的代理请求消息与i c m p 中的路由请求消息几乎一样，只 是代理请求消息中的i p 包的生存时间必须置1 。如图2 1 所示。 第二章移动i p 01 23 0 1 2 345 6 7 8 9 0 12345 6 7 8 9 012 34s 6 7 8 9 01 + - - + - - + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一 - - + 一+ - - + - - - - + - - + 一+ 十+ 一+ 一+ 一4 - - - l l - - l i - - + - - + - - 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ it y p els i b i d i h l e i u l r s u l l i f e t i m e i + 一+ 一+ 一+ - - 4 - - - + 一+ - - + - - + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 十 - - + 一+ 一+ 一+ - - + - - - - + 一+ - - + - - + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ l h o m ea d d r e s s i + - - + - - + - - - - 4 f - - + _ + 十+ 一+ 一+ 一+ - - + 一+ - - 4 - - - 4 - - - + 一+ + + 一4 - - - 4 - - - 4 - - - 4 - - - 4 - - - + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ i h o m ea g e n t i i f 一4 - 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一4 - - - + - - 4 - 一+ 一+ + + - - 4 - 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ + + 一+ 一+ 一+ 一+ i c a r e o fa d d r e s s l + 一+ 一+ 十4 - 一+ 一+ 一4 - - - + 一+ 一+ 一+ - - + 一+ 一+ + + - + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ i l + i d e n t i f i c a t i o n + l l + _ + _ - i f+ 一+ 一+ - - 4 - 一+ 一+ 一 - - + - - 4 - 一+ 一+ 一+ 一+ _ + + 一+ 一 i f 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ _ + _ + - + ie x t e n s i o n s + 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一+ 一 图2 1 代理请求消息 同样，代理广播消息也是通过对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 ta 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。 扩展如图2 2 所示： 图2 2 代理广播 2 2 3 移动节点如何判断自己的移动 1 ) 用生存域作移动检测 这种方法利用代理广告消息中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广告的外地代理注册。 f illl 1 一 一 一 3 0 一 一 一 9 一 一 一 + + d + 8 一 一e 一 + + v + 7一rr一+ e + e +6一hs一+ m + e +sur一 + h + + 4 一 一 一 + e + + s 3 一c 一 一e+n+s2一eus+u+e1一qcr+e+d 2 0一shd + + + n 9 一 一f 一 + + + f 8 一 一h 一0 + + + 一 7 一 一b e + + + r 6 一 一r a +c s 一 一 一 + + + e 4 一 一 一r + + + 0 3 一 一 一n + h + + 2一ter+ g + n + 0 1一n一1一 + e + t + 0 1 0一ler + + f + e 9 一 一1 一z + + l + 8 一 一 一 + + n + 7 一 一o 一 + + 1 + 6 一 一t 一 + + a + s 一 一r 一 + + t +4一es一+ p + 1 +3一yg一+ t + e + 2 一 一r 一 + + + 1 一 一 一 + + + 0 口一 一 一 +i+i+ii 第二章移动i p 2 1 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，并记录了它的代理广播消息。现 在我们假设移动节点又收到了另一个外地代理的代理广播，即来自另一个源 i p 地址的广播。移动节点通过比较两个广播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，即广播消 息来自另条链路，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。 2 2 4 注册 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。注册消息放在u d p 的数据部分，u d p 数据段则放在i p 数据包的净荷中。 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。有三种可能的注册过程： 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，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) ，外地代理处理注册应答消息，并将其发送到移动节点。 图2 3 注册过程 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) 。 第二章移动i p 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，如果不采用安全保障措旆，如果又有一个恶意主机用户 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 2 5 隧道技术 当移动节点在外地网络上时，发往移动节点的数据包被移动节点的家乡 代理截获，家乡代理需要将原始数据包通过隧道转交给外地代理，再由外地 代理发送给移动节点。这时，家乡代理使用“隧道技术”，即将原始i p 数据 包作为净荷封装到i p 数据包中，从而使原始i p 数据包原封不动地发送到位于 隧道终点的移动节点的转交地址。在转交地址处，解除封装，取出原始数据 包，并将原始数据包转发到移动节点。当转交地址为配置转交地址时，移动 节点本身就是隧道的终点，它自身进行解封装，取出原始数据包。 隧道技术是移动i p 技术中的重要内容，隧道技术有三种：i p 的i p 封装、 i p 的最小封装和通用路由封装。 i p 的i p 封装由r f c 2 0 0 3 1 定义，用于将整个原始i p v 4 数据包放在另一 个i p v 4 数据包的净荷部分中。它在原始i p v 4 数据包的现有报头前插入了一个 外层i p 报头，外层报头中的源地址和目的地址分别标识隧道中的两个边界节 点。内层i p 报头( 即原始i p v 4 数据包报头) 中的源地址和目的地址则分别标 识原始数据包的发送节点和接收节点。除了减少t t l 外，封装节点不改变内 层的i p 报头。内层i p 报头在被传送到隧道出口节点期间保持不变。从而使原 始i p 数据包原封不动地发送到处于隧道终点的转交地址。移动i p 要求家乡代 理和外地代理实现i p 的i p 封装，以实现从家乡代理至转交地址的隧道。 1 p 的最小封装由r f c 2 0 0 4 1 定义，是移动i p 中可选的隧道方式。它通 过将i p 的i p 封装中内层i p 报头和外层i p 报头的冗余部分去掉，以减少实现 隧道所需的额外字节数。但使用这种封装技术有一个前提，就是原始的数据 第二章移动i p 包不能是已经被分片的数据包，因为i p 的最小封装技术在新的i p 报头和净荷 之间插入了一个最小转发报头，它不保存有关分片的情况。显然，最小封装 比r f c 2 0 0 3 定义的封装技术节省开销。当组装数据包时，隧道的出口节点将 最小转发报头的字段保存到i p 包头中，然后移走这个转发报头。由于最小封 装的局限性，很多情况下可以不必实现。 通用路由封装g r e 由r f c l 7 0 1 ”1 定义，是移动i p 采用的最后一种隧道 技术。除了i p 协议，它还可以支持其它网络层协议，它允许一种协议的数据 包封装在另一种协议数据包的净荷中，这与i p 的i p 封装和最小封装不同，它 们都只采用i p 。g r e 可支持对协议的隧道，它的防止递归封装机制在有些应 用中也非常有吸引力，使得移动节点在外地链路上是可以支持多种协议的数 据包，而不只是i p 。 2 2 6 路由选择 由通信对端送给连接在外地链路上的移动节点的数据包先被路由到它的 家乡代理，然后经隧道送到移动节点的转交地址。然而，由移动节点发出的 数据包却被直接路由到了通信对端，这样构成了一个三角形，如图2 4 所示： 图2 4 移动i p 的路由 但移动节点为什么不直接告诉通信对端它的转交地址，这样对端节点就 可以绕过家乡代理，直接将数据包通过隧道送给移动节点了。这种经过优化 的路由比三角路由效率更高。但只有在移动节点与它的家乡代理距离较远而 与通信对端节点较近时路由优化才可以大大节省资源。采用优化路由“1 的主 要障碍是安全问题。如果移动节点对通知对端节点其转交地址的消息没有有 力的认证机制，那么就很容易受到简单的拒绝服务攻击。 第二章移动i p 通过以上的介绍，我们已经知道移动i p 的路由选择方式。当一个移动节 点移动到外地网络上时收发数据的情况： 夺首先通信节点发送数据包到移动节点的家乡代理： 夺家乡代理根据转交地址将数据包经隧道转发到移动节点的外地代理： 夺最后外地代理将数据包交给移动节点； 夺由移动节点发出的数据包发送到外地代理； 夺外地代理直接将数据包路由到通信节点。 2 2 7 切换技术 切换是移动节点在蜂窝( c e l l ) 间移动时，系统为保持一个正在进行的通 信连接而进行的一种通信任务传递转换的机制。 当移动节点从一个外地网络移动到一个新的外地网络( 发生切换) 时， 我们称原外地网络上的代理为原外地代理p f a ( p r e v i o u sf o r e i g na g e n t ) ，新 外地网络上的代理为新外地代理n f a ( n e wf o r e i g n a g e n t ) ，根据上述移动i p 的基本原理，移动节点应该向其家乡代理进行新的注册，但注册信息要通过 新外地代理所在的网络发送到家乡代理，这个过程的时延导致家乡代理未获 得移动节点新的转交地址时，仍然会将数据包发送到原来的外地网络，而移 动节点不能正确接收这些被错误发送到原来外地网络上的数据包，认为它们 在发送过程中被丢失，发送方将调用t c p 层的超时重发或者快速重传机制， 使t c p 层的性能下降。 为了改善移动i p 切换对移动节点的通信造成的影响，提出了各种方案： 1 ) 本地注册方案 【7 】提出了外地代理层次结构的移动i p 方案提高切换的性能。一个地区 所有的外地代理根据层次结构管理。当移动节点在一个地区移动时，只需向 新旧代理最底层的共同的上层f a 注册，执行本地注册；只有当移动节点移出 这个地区后，才需要向家乡代理注册。 2 1 平滑切换方案 平滑切换的基本思想是：外地代理配置了一个转发缓存器( f o r w a r d i n g b u f f e r ) ，当家乡代理通过隧道向外地代理发送数据包时，外地代理解封装( 如 果是联合转交地址) 数据包，并转发给相应的移动节点，同时拷贝数据包到 第二章移动i p 缓存器。当移动节点发生切换时，移动节点请求它的新外地代理通知它的原 外地代理其新的转交地址：原外地代理将缓存器中的数据包通过隧道转交给 新外地代理，新外地代理可以将这些数据包再转发给移动节点，这样可以减 少报文的丢失。这种方案能有效减少数据包的丢失，但缓冲器的大小是一个 很难解决的问题。另外，需要定义新的协议支持新旧外地代理之问的通信。 3 ) 多播方案 为了减少数据包的丢失和时延变化，【8 】提出使用i p 多播技术实现切换。 每个移动节点有一个唯一的i p 多播地址。外地代理在链路上周期广播可达性 消息，移动节点跟踪代理广告判断它当前的位置和移动趋势，以及它要进入 哪个外地代理的范围。要发送到移动节点的数据包首先到达移动节点的家乡 代理，被家乡代理截获、并使用移动节点的多播地址封装，这一点和传统的 移动i p 不同。移动节点本身并不参与多播组，也不接收多播数据包。移动节 点能指定一个外地代理为它转发解封装的数据包。这个方案的缺点是多播执 行的复杂性和大的开销。 切换需要综合考虑多种因素的影响，如c e l l 的大小，移动节点的移动速 度和方向，c e l l 内的移动节点数日以及c e l l 内的可用信道的数目等等。切换 需要及时告诉，否则通信服务质量( q o s ) 会下降到用户不可接受的水平，甚 至会出现切换来不及执行的情况。在切换中，一般有一个短暂的服务中断， 这对于通信特别是实时通信来说是十分有害的，所以要尽量减少切换的次数， 且必须充分考虑切换的连续性。信道的数目有限，如果切换的目标小区不能 为切换分配信道，那么切换将被阻塞，这时通信连接被迫中断。这些问题对 切换算法提出了很高的要求。 2 3 小结 本章简要讨论了移动i p 的工作原理和相关技术要点。 当移动节点根据移动探测算法判断自己在家乡链路上时，移动节点就和 固定主机地工作机制一样，不运用任何有关移动i p 功能。如果移动节点判断 自己连接于连接在外地网络上，那么它通过代理搜索判定自己的当前位置， 并得到一个在外地链路上的转交地址；或者，当移动节点改变了连接的外地 链路时，它的转交地址也随之改变。随后，移动节点通过注册把它的转交地 第二章移动i p 址告诉其家乡代理。当有发往移动节点家乡地址的数据包时，家乡代理便截 获这个数据包，并根据注册的转交地址，通过隧道将数据包传给移动节点。 但从移动节点发出的数据包则可以直接路由到目的节点上，无需隧道技术。 对所有来访的移动节点来说，外地代理充当路由器的功能。切换发生在移动 节点从一个链路移动到另一个链路时。切换期间有一段时间的通信中断。 第三章平滑切换 第三章平滑切换 我们在第二章概括了移动i p 的基本原理和技术要点，对移动i p 有了总体 上的认识。移动节点接入一个链路之后，获得转交地址，向家乡代理注册， 家乡代理获得移动节点的转交地址，才能为其服务。如果移动节点在与对端 节点通信期间改变了转交地址，在移动节点开始注册到家乡代理收到注册请 求这段时间，由于家乡代理有关移动节点的转交地址信息是过时的，那么如 何保持移动节点的通信不中断，这是这章要回答的问题。 3 1 切换的基本概念 移动i p 的目的是允许节点从一个i p 子网移动到另一个i p 子网。这种移 动性适用于同类介质，同样适用于异类介质，也就是说移动i p 易于节点从一 个以太网子段( s e g m e n t ) 移动到另一个子段，也允许节点从一个以太网子段 移动到一个无线l a n ，只要移动后节点的i p 地址保持不变。所以，可能会发 生如图3 1 所示的情况： 图3 1 移动节点的切换 其中有两个子网s u b n e ta 和s u b n e tb ，和一个在两个子网之间移动 的移动节点m n 。当移动节点进入一个新的子网时，为了继续通信，有关的路 第三章平滑切换 由服务也必须改变，这就需要一个称为切换的过程。 切换发生在两个层面，一个是低层的，主要是移动节点从物理上移入一 个新的网络；另外一个是移动路由的切换，它检测到移动节点进入一个新的 网络，并进行一些处理，将原有的通信重新定向到在网络内的移动主机上。 这里，我们主要关心后一种切换。 切换意味着移动节点离开原外地代理进入新的外地代理，其位置发生改 变，相应地，会得到一个新的转交地址。 根据移动i p 的基本概念，移动节点向家乡代理注册它当前的位置。位于 家乡网络的家乡代理为其支持的每个移动节点创建一个记录保存它们当前的 位置，并充当它们的代理，负责截