（通信与信息系统专业论文）移动ip在linux下的实现与研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ， 两矍 i 随着人们对移动办公、移动互联的需要，无线接入的问题开始成为通信行业 的热门话题。然而t c p i p 协议天生缺乏对移动通信的支持，当移动节点改变物 理接入位置时，都会中断原来建立的1 c p 连接。移动i p 正是为解决这个问题而 提出。 在解决丕垡垫四蜃时，存在众多的解决方案如蓝牙，8 0 2 ，1 1 等。8 0 2 1 1 家 。 族，尤其是8 0 2 1 l b 因为自身卓越的性能如可达1 1 m b p s 的最高通信速率，室外 3 0 0 米的通信距离而成为移动i p 无线接入平台的首选。y 本文首先简要的介绍了8 0 2 1 l b 协议本身，然后简单介绍了移动i p 协议，包 括它的三个组成实体以及互相配合，形成三角路由以实现移动互联的方法。随后 从解决接入的硬件平台入手，详细的介绍了在嵌入式l i n u x 平台下，利用i n t e r s i l 公司的i s l 套片开发基于8 0 2 1 l 协议的无线接入路由器，包括移植l i n u x 系统、 丌发硬件设备在l in u x 系统下的驱动程序并在接入路由器上直接实现对移动i p 支持的过程。在后面的章节中继续分析了在普通p c 机l i n u x 系统下实现各个移 动l p 组成实体，包括家乡代理、移动节点以及家乡代理与外地代理之间i p 隧道 的过程，详细探讨了移动i p 的工作过程，并着重对移动i p 中的关键问题，包括 路山优化、安全性问题以及穿越堕厶域等问题进行了探讨与研究。 关键词：移动i v8 0 2 瓶嵌入式素统l i n u 妫核 华中科技大学硕士学位论文 i i ii i a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o n n e c t i o n ，w ew a n tt oa c c e s si n t e m e t a n y w h e r ea ta n y t i m e u n f o r t u n a t e l yt c p i pl a c k ss u p p o r tf o rm o b i l i t y e s t a b l i s h e d t c p i pc o n n e c t i o n sw i l lb eb r o k e nw h e nm o b i l en o d ec h a n g e di t s p h y s i c a la c c e s s p o s i t i o n ，m o b i l ei pc o u l c so u tf o rs o l v i n gt h i sp r o b l e m a sr e f e rt os l o v ew i r e l e s sn e t w o r ka c c e s s p r o b l e m ，8 0 2 1 1 s e r i e s ，e s p e c i a l l y 8 0 2 1lbi sc o m m o n a d a p ti na dh o en e t w o r k sf o ri t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e i ts u p p o r t m a x i m a l1l m b p sa n d c a nc o m m u n i c a t ew i t ho t h e rw i r e l e s sn o d ew h i c hi s3 0 0m e t e r s a w a y t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e d8 0 2 1l ba n dm o b i l ei pp r o t o c o l s i tt h e na n a l y z e dt h e a c c e s sh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do n8 0 2 1l b ，w h i c hi sa nw i r e l e s sa c c e s sr o u t e ru s i n g c h i p sp r o v i d eb yi n t e r s i lc o m p a n y i ti s a ne m b e d d e d s y s t e mb a s e d o nl i n u x e n v i r o n m e n ta n di nt h i sp a p e rw ed e s c r i b e dt h o s ep r o c e s ss u c ha sp o r t i n gl i n u xk e r n e l t o $ 3 c 4 5 1 0 b ，t h em a i nc p ub a s e do na r mc o r e ，d e v e l o p i n gd e v i c ed r i v e r s t o s u p p o r tu a r t a n dm a cc o n t r o l l e ri nt h ec p u ，a d d i n gd i r e c ts u p p o r tf o rm o b i l ei p s y s t e m o nt h ew i r e l e s sr o u t e r i nt h el a t e r c h a p t e r s ，w e d e s c r i b e dt h e p r o c e s so f i m p l e m e n t i n ga l lo f t h o s em o b i l ei pe n t i t i e si n c l u d i n gh o m e a g e n t ，m o b i l e n o d ea n d t h ei pt u n n e lb e t w e e nh o m e a g e n t a n d f o r e i g na g e n t a tl a s tw ea n a l y z e ds o m ek e y p r o b l e m so f m o b i l ei pi m p l e m e n t a t i o ns u c ha sr o u t eo p t i m i z a t i o n ，m o b i l ei ps e c u r i t y p r o b l e m s k e y w o r d s ：m o b i l ei p8 0 2 1le m b e d d e d s y s t e m l i n u xk e r n e l n 一一“瑟薹纛，囊；，j i i 一 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 随着人们对移动办公的需要，无线互联网络逐渐被提到议事日程。正因为 如此，蓝牙、8 0 2 1 l 等无线互联方案协议不断涌出。在这些接入方案中，8 0 2 1 1 家族，尤其是8 0 2 1 l b 以及最近推出的8 0 2 1 l g 因为其卓越品质而倍受关注。 ， 但它始终只关注了接入的问题。出于 | c p i p 协议在最初设计的时候并没有太多 的考虑移动业务，它还不能够直接支持节点的移动，即：节点如果改变接入点 的位置，则为了解决接入的问题它势必要改变自己的i p 地址，重新设置自己的 网关，才可以恢复因为移动而中断的网络通信( 当然，存在又不改变i p 地址的 理论方案，但随后我们可以看到，这种方法在实际上是行不通的) 。 为了解决移动接入的同时避免因为移动而造成的通信中断，在解决移动接 入的同时解决漫游、切换等问题，移动i p 由此而生。移动i p 是一个网络层的 解决方案，它能够在不改变现有网络中已有设备情况下，在移动：饥氧接入位置 发生变化时，始终保持它在移动之前所建立的所有t c p 连接，保证关键应用不 被中断。它因为自身的卓越表现而被业介广泛称为“4 g ”。 1 9 9 3 年由美国卡耐基一梅隆大学( c m u ) 最先开始在在移动i p 领域的研究， 随后跟进的有i b m 和诺基亚，陆续有c i s c o 、s u n 等公司的参与；随着无线互联 的发展，i n t e r s i l 、c i r r u sl o g i c 、s a nj o s e 等公司推出了蓝牙以及8 0 2 1 1 b 、 8 0 2 “a 以及8 0 2 1 1 9 的芯片级解决方案，大大推动了移动互联的发展。1 9 9 6 年6 月移动i p 规范正式出台。规范中定义了移动i p 协议。从此各大公司以 及研究机构开始在实践中逐步完善移动i p 协议本身。卡耐基一梅隆大学最先在 n e t b s d 下予以实现，s u n 最先在它的s o l a r i s 操作系统中实现了移动i p 的商用 版本，随后众多的研究机构开始在l i n u x 操作系统中予以实现并逐步向i p v 6 转移，试图将移动i p 与i p v 6 进一步结合以获得性能、安全上的突破。2 0 0 1 年 7 月，北京邮电大学采用i n t e lw i r e l e s sp r o 系列产品建立“北京邮电大学移 动i p 试验网”，是正式开展移动i p 试验研究的国内第一家研究机构。 虽然市场上有众多的利用8 0 2 1 l b 解决接入问题的产品出现，如i n t e l 公 司w i r e l e s sp r o 系列、c i s c o 公司的c i s c oa i r o n e t3 4 0 3 5 0 系列，但它们都 没有将对移动i p 的支持集成在无线接入路由器中。而在以后的介绍中我们可以 看到，如果在无线接入路由器中能够直接支持移动i p 协议，使自己可以称为 华中科技大学硕士学位论文 i 一台路由器外带外地代理功能的活，可以大大减少移动i p 实现的工作量。更 重要的一点，可以在支持移动i p 的同时不需要占用已经极其宝贵的i p 资源 ”“”。有鉴于此，我们决定自己开发接入路由器，在其中提供对移动i p 的直接 支持。 存决定采用8 0 2 u b 做为解决接入问题的方法以及接入路山器开发成功的 基础上，我们仍需要按照移动i p 的规范开发家乡代理、外地代理以及改造移 动节点的网络层使它能够支持移动i p 。 由于需要改造移动节点，尤其是直接改造它的协议栈，同时更由于我们需 要实现家乡代理、外地代理平台上的t c p i p 协议栈，我们决定选用l i n u x 做为 统一的操作平台。原因在于： 。 l i n u x 系统源代码开放，我们可以在其中自由添加所需要增加的功能：因此 是实现移动i p 这一新协议的理想平台，适合于移动节点的开发； 嵌入式l i n u x 系统发展迅速，是开发接入服务器接入路由器的理想选择。 l i n u x 系统本身完备而成熟的网络功能以及成熟的网络协议栈、众多的应用程 序，各种成熟配套软件使得它成为嵌入式系统，特别是需要比较强的网络功能 的嵌入式系统的首选平台； l i n u x 在商端服务器市场的成功突破，s m p 技术、集群技术等使得它具备强 大的处理能力，完全可以充当代理服务器的角色； 移动节点、接入服务器、代理服务器采用同一种操作系统，大大降低了系 统丌发的代价以及系统整合的难度。 g n u 作为一个大型的软件组织，得到了全世界精英程序员的大力支持，借助 于g n u 所宣扬的自由软件以及l if l u x 所倡导的免费软件，我们可以从他们那里 得到众多的免费资源，大大减轻我们的工作量。在移动i p 系统中，l i n u x 系统 几乎成为了唯一的、理想的开发平台。 在整个项目研发过程中，我们首先实现了无线接入路由器基频电路硬件的 研制，将l i n u x 移植并运行在接入路由器中，并改造了移动节点、家乡代理服 务器以及外地代理服务器并实现了整套平台的整合，整套系统已初具雏形。在 具备了整个研究开发平台的基础上，继续进行了移动i p 中路由简化以及穿越 防火墙的分析和实验，由于采用的全部是自主开发的硬件和软件，使得实验性 分析与研究得到了极大的自由与便利。文章探讨了一种简化三角路由的方法并 。4 一1 二。；。7 i 焉嚣i 。 囊琏；1 、。：。：弧辩妊女建交魏疆i i 漱。誊豢。、_ 华中科技大学硕士学位论文 在实践中证明是可行的。同时，我们对移动i p 中不能够穿越防火墙的问题进 行了分析与改进。成功的使移动节点穿过防火墙，访问外面的节点六大扩展 了移动l p 今后的应用领域和范围。 由于移动i p 中路由简化、防火墙问题仍 然是处于争议的问题，我们实施的一整套解决方案有力的证明，我们的方法是 可行的。 3 华中科技大学硕士学位论文 2 移动ip 系统简介 本章内容简介 本章简单介绍了移动i p 协议出现的原由，所要解决的问题以及它的实现目 标，在此基础上简要的分析了整个协议的基本部分以及工作过程。 2 1i p 路由 2 1 1 路由与路由表 移动i p 协议于1 9 9 6 年6 月由因特网工程指导组i e s g ( i n t e r n e t e n g i n e e r i n gs t e e r i n gg r o u p ) 通过，并于1 9 9 6 年1 1 月公布为建议标准。 因特网网络层协议称为因特网协议( i p ) “1 。和其他所有的网络层协议一样， i p 将数据包从源端发送到目的端点，这种业务有时也称为“端到端的包传送”。 i p 包包括从传输屋或更高层送来的一段数据，以及加在数据前面的一个i p 报 头。文“1 定义的i p 报头包括各个域，其中最主要的域是源地址和目的地址。这 些地址的作用和邮政系统中信封上的地址作用相似，表明了发送者和接收者的 地址。i p 地址有两个部分：网络前缀部分和主机部分。网络地址是一串连续的 比特，连在同一条链路上的所有节点有相同的网络前缀，因此要求这些节点的 i p 地址具有唯一的、不同的主机部分。你可以把网络前缀看成是用来标识一条 链路的，而主机部分是用来标识连接在链路上的一台特定主机或路由器的节点 可以通过手工和自动两种方法得到它们的i p 地址节点，有一个i p 包要发送时 每一个i p 节点，无论是主机还是路由器，都需要一个路由表来作转发决策。 2 1 2 路由表及分类 有三类基本的路由表表项： 1 ) 特定主机路由是前缀长度为3 2 比特的路由表表项。从名字可以看出， 特定主机路由只能匹配一个特定的i p 目的地址，也就是该路由中目的地址这一 列规定的i p 地址。 一善i 疆麓ro j ：趣氨。，。镒：黝滤邈珏臻藏 ； 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 网络f j i 缀路由是前缀长度为l 3 l 比特的路由表项。从名字可以看出， 对于目的i p 地址的网络前缀与浚路由中目的地址的网络前缀部分一样的i p 包 来说，该路由都是匹配的路由。 3 ) 缺省路由是前缀长度为o 比特的路由表项。从名字可以看出，缺省路由 可以匹配所有的i p 包。然而，根据“最长匹配前缀”原则，只有在特定主机路 山和网络i j 缀路由与i p 包的目的i p 地址都不匹配时才可能采用缺省路由。 2 i 3 路由规则 i p 包的选路原则可以简单的描述如下： 1 ) 如果存在一条特定主机路由与数据包的目的i p 地址相匹配，那么必须 首先选用这条路由，而不选用路由表中的任何网络前缀路由。 2 ) 如果存在一条网络前缀路由与i p 包的目的i p 地址的网络l j i 缀相匹配， 那么必须选用这条路由，而不选用路由表中的缺省路由或前缀长度较短的任何 网络前缀路由。 3 ) 在没有相匹配的特定主机路由或网络前缀路由时，如果存在一条或多条 缺省路由，那么可以采用缺省路由中的任一条来转发数据包。 4 ) 如果前面几条都不成立( 即根本没有任何匹配路由) ，就宣告路由错误， 并向数据包的源端发送一条i c m pu n r e a c h a b l e 消息。 因特网骨干节点路由器以及核心路由器的路由表项往往达数万条网络前缀 路由项。由于接入因特网的主机数目的高速膨胀，不可能在路由器上以主机路 由的方式来存储路由表，因此因特网的可扩展性依赖于网络前缀路出，而不是 特定主机路由，这要求接在同一键路上的节点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，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。 利用特定主机路由和改变节点的i p 地址可以解决这个问题，但这些方法不 适于在全球因特网上提供节点的移动功能。文。“6 。3 指出，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 地址又使 得链路切换时无法保持现有通信。移动1 1 ) 是一利一在全球因特网上提供移动功能 华中科技大学硕士学位论文 _ _ - o ! ! ! ! ! ! o ! _ _ _ _ _ l - - - 一i i i | _ - _ _ - - _ _ _ - - - - - _ - - _ - - - _ _ _ - - - _ - _ _ _ - - - - _ _ _ - 的方案，它具有可扩展性、可靠睦和安全性，并使节点在切换链路时仍可保持 正在进行的通信。值得特别注意的是，移动i p 提供了一种i p 路由机制，使移 动节点可以以一个永久的i p 地址连接到任何链路上。3 。 2 2 移动i p 原理 2 2 1 移动i p 工作基础 当计算机想发一个数据包给一台目的计算机时，它并不关心也不知道目的 计算机在什么地方，它只想发出的数据能被送到合适的接收者那里。这是网络 层，也就是o s i ( o p e ns y t e m si n t e r c o n n e c t i o n ) 模型第三层的功能。网络层 负责为数据包动态地选择一条从源到目的节点的路径，在因特网中，网络层协 议称为i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 。i p 自己的工作并不多。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，路由协议被路由器用来交换信息， 这些信息包括目的节点的位置、组成因特网的链路，路由协议有o s p f ( o p e n s h o r t e s e tp a t hf i r s t ) 、r i p ( r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 和边界网关 协议b g p ( b o r d e rg a t e w a yp r o t o c 0 1 ) 等。移动i p 是在因特网中提供移动功 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，将i p 包送到那些不在家乡链路上的移动节点。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 数据包路由到那些可能一直在快速地改变位置的移动节点上。“。 移动i p 主要解决如何将i p 包路由到移动节点上，这只是在因特网上提供 移动功能时非常重要的第一步，一个完整的移动通信方案还要求对协议栈中的 其他层作改进。因此，移动i p 只是将数据包路由到移动节点的网络层标准，对 t c p 等其他技术以及应用程序的改进则不是移动i p 的范畴。 2 2 2 移动i p 的设计要求 设计移动i p 时有以下几个要求： 1 ) 移动节点在改变数据链路层的接入点后应仍能与因特网上的其他节点 t 穗骥黪秽鼍： ? ? i 豫；“ 一；_ 皆一：冀、ji 。 ；亳囊i 罐 茹艇0 ，矗；二 华中科技大学硕士学位论文 通信。 2 ) 无论移动节点连接哪个数据链路层接入点，它应仍能用原来的i p 地址 进行通信。 3 ) 移动节点应能与不具备移动i p 功能的计算机通信。 4 ) 移动节点不应比因特网上的其他节点面临新的或更多的安全威胁。 2 2 3 移动i p 的基本假设 移动i p 的一个基本假设是：点到点通信的数据包在选路时与源i p 地址无 关。也就是说，移动i p 假设点到点通信只依据目的i p 地址来选取路由，实际 上是只用目的地址的网络前缀部分。后面在介绍拒绝服务攻击时，我们还会看 到，虽然理论上这种假设是有效的，但实际操作时，在一些情况下这种假设是 无效的。 移动i p 的另一个假设是：假设已经存在因特网( 或一个内部网) ，并且该 网络能在任意两个节点间传送数据包。移动i p 关心的不是因特网中采用哪个动 态路由协议、因特网的路由结构如何扩展到足以支持几百万台主机和路由器， 而只是认为因特网用了这些协议，而且它可以扩展到这样的网络规模。移动i p 要求的只是由路由器和链路构成的一个网络，这个网络能将数据包送到任何连 接在家乡链路上的节点。i p 协议正好提供了这个条件。这样，我们就可以将因 特网的一部分抽象成一朵云。对移动i p 来说，重要的是存在着一些路由器和链 路，而不是它们的拓扑结构。 2 2 4 移动i p 的功能实体 移动i p 定义了三种必须实现移动协议的功能实体： 1 ) 移动节点：可以将接入因特网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，并且只使用它的家乡地址( h o m ea d d r e s s ) 的那些节点。 2 ) 家乡代理( h o m ea g e n t ) ：有一个端口与移动节点家乡链路相连的路由器。 当移动节点切换链时，家乡代理直通知移动节点它的当前位置，这个信 _ ，? i 一；- | 一 tu = “ 。+ 华中科技大学硕士学位论文 息由移动节点保存在它的转交地址( c a r eo fa d d r e s s ) 中。有时，家乡代理广 播对移动节点家乡地址的网络前缀的可达性，从而吸引那些送往移动节点的家 乡地址的i p 包。有时，+ 家乡代埋广播对移动节点家乡地址的网络前缀的可达 性，从而吸引那些送往移动节点的家乡地址的i p 包。解析送往移动节点的家 乡地址的包，弗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 ) ：在移动节点的外地链路上的路由器。外地 代理帮助移动节点通知它的家乡代理它的转交地址。有时，提供移动节点的转 交地址，并为已被家乡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。 4 ) 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。同时我们给出的一个例子说明了家乡代理为将数据包传送 给移动节点，把数据包通过隧道先送给外地代理的这个过程。 5 ) 家乡地址、家乡链路和家乡代理：移动节点的家乡地址是指“永久”地 分配给该：竹点的地址，就像分酉d 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，家乡地址并不改变。改变移动节点的家乡地址的原因和场合与 改变固定主机或路由器地址的原因与场合一致，- 即当整个网络需重新编址时。 移动节点的家乡地址与它的家乡代理、家乡链路密切相关，特别是移动节点家 乡地址的网络前缀决定了它的家乡链路。也就是说，移动节点的家乡链路就是 与它的家乡地址具有相同网络自f 缀的链路，家乡代理就是至少有一个端口与家 乡链路相连的路由器。除了极少数特例，移动节点只用家乡地址和别的节点通 信，即移动节点发出的所有包的源i p 地址都是它的家乡地址，它接收的所有包 的目的i p 地址也都是它的家乡地址。 最后，移动节点的家乡链路并不一定是由物理媒介构成的物理链路，它可 以是在移动节点的家乡代理中由软件实现的一条虚拟链路，可以认为家乡代理 与这条虚拟的家乡链路有一个虚拟端口1 ，这样移动节点就永远不会连到它的 家乡链路上。也就是说。这个移动节点永远也“不在家”，但它可以与外地链路 有一条物理连接，即它总是“出门在外”。 6 ) 转交地址、外地链路和外地代理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，转交地址的特性有：转交地址与移动节点当前所在的外地 链路相关：每次移动节点改换外地链路时，转交地址也随着改变；送往转交地 一一一一_ o 、 ：i p? 。霸r 。 。l 螽辩越g 藏笺”，蠹。 华中科技大学硕士学位论文 址的数据包可以通过现有的因特网路由机制传送，即不需要用于移动i p 相关外 地代理的隧道的特殊规程来将i p 包传送到转交地址上。 转交地址是连接家乡代理和移动节点的隧道的出口。当移动节点与其他节 点通信时，转交地址几乎永远不会被作为源i p 地址或目的i p 地址。特别是， 当其他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。从家乡代理和外地代理的定义来看，它们应是路由器。 从概念上讲，有两种转交地址： 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。外地代理转交地址可以是外 地代理的任一个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， 多个移动节点可以同时共用一个外地代理转交地址。 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 ) 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连的外地链路的网络 ；i 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 个配置转交地址同时只能被一个移动节点使用。转交地址是一个与移动节点连 接的外地链路紧密相关的i p 地址，它与移动节点所连接的外地链路最多只有 一跳之隔。它要么是有一个端口在外地链路上的外地代理的i p 地址，要么就是 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，家乡 代理利用这个地址向移动节点传送数据包。特别地，转交地址是从家乡代理到 移动节点的隧道出口。 2 2 5 移动i p 的工作机制 移动i p 的功能、节点和协议之间是密切相关的，移动i p 的大体工作机制 为： 1 ) 通过周期地组播或广播个称为代理广播( a g e n ta d v e r t i s e m e n t s ) 的消息，家乡代理和外地代理宣告它们与链路的连接关系。 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。当它连在家乡链路上时，移动节点就可像固定节点 华中科技大学硕士学位论文 一样工作，即它不再利用移动i p 的其他功能。 下面的步骤假设移动节点连接在一条外地链路上。 3 ) 连在外地链路上的移动节点需要一个转交地址。它可以从外地代理广播 的代理广播消息中找到外地代理转交地址，配置转交地址必须通过一个配置规 程得到，比如用d i i c p “”( d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c 0 1 ) 、p p p 的 i p c p 或手工配置。 4 ) 移动节点向家乡代理注册从第3 步中得到的转交地址，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，如果链路上有一个外地代理，移 动节点就向它请求服务。为阻止拒绝服务攻击，注册消息要求进行认证。 5 ) 家乡代理或者是在家乡链路上的其他一些路由器广播对移动节点家乡 地址的网络前缀的可达性，从而吸引发往移动节点家乡地址的数据包，家乡代 理截取这个包( 可能用代理a r p ) ，并根据移动节点在第4 步中注册的转交地址， 通过隧道将数据包传送给移动节点。 6 ) 在转交地址处可能是外地代理或移动节点的一个端口，原始数据包 被从隧道中提取出来送给移动节点。 7 ) 相反，由移动节点发出的数据包被直接选路到目的节点上，无需隧道技 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移动 节点连到了外地链路上，并用了外地代理转交地址。这与移动节点采用配置转 交地址的情况非常类似。如上面第7 ) 步所示，移动节点产生的所有数据包被 直接送到目的节点上，这时外地代理成为移动节点的缺省路由器。 从另外一个角度来看：首先，当移动节点连到外地链路上时，就收不到发 往它的家乡地址的数据包了，除非从家乡链路到外地链路沿途的所有路由器都 采用特定主机路由。如果这种路由不存在，那么就要有其他机制将数据包送给 连在外地链路上的移动节点。移动i p 采用了隧道技术作为发送机制。移动i p 需要一个靠近移动节点的地址作为隧道出口，并且这个地址应是通过现有的路 由机制可以到达的。也就是说，不应依靠移动i p 的特定功能将经过封装的包送 往隧道出口。转交地址提供了这种隧道出口，并且它与移动节点的外地链路至 多一跳之隔。当采用的是外地代理转交地址时，正好相差一跳：当采用的是配 置转交地址时，就不再需要经过任何转接了，转交地址就配置成了移动节点本 身的地址。由于每条隧道除了出口外必然还有入口，这就要找个可以作为入 i 一 一- 二，：二一1 ；二 i # j 一 ，j 。潞。澎矗；藩i i 矗羹蠹。鑫霸 华中科技大学硕士学位论文 口的节点。连在移动节点家乡链路上的路由器，即家乡代理，就是隧道的入口。 家乡代理要将数据包通过隧道传给移动节点，它必须先截取这个包，为达到这 个目的，家乡代理在家乡链路上的其他路由器广播对移动节点家乡地址网络前 缀的可达性；有时，如当家乡代理只有一个端口时，家乡代理采用代理a r p 来 截取数据包。 。 家乡代理将送往移动节点家乡地址的包截取下来后，还必须要知道隧道出 口地址，这出移动i p 中带有认证机制的注册规程“”“”完成。移动节点通过这个 规程将它的转交地址通知家乡代理。在此之前，移动节点首先要确定它连接在 一条外地链路上，其次还必须得到个转交地址。这最后两个功能由移动i p 的代理搜索( a g e n td i s c o v e r y ) 来帮助移动节点完成。实际上，就是由家乡 代理和外地代理周期组播或广播移动i p 的代理广播消息，移动节点接收这个消 息，从而确定它们当前所连的链路以及该链路上的代理。如果移动节点发现自 己正连接在家乡链路上，那么以后它就和固定节点一样工作，无需运用移动i p 的任何其他功能了。如果它连接的是一条外地链路，移动节点就从外地代理的 代理广播消息中读出转交地址，并向它的家乡代理注册这个转交地址，然后开 始通过连接家乡代理和转交地址的一条隧道从外地代理那里接收数据包。 本章小结：本章主要介绍了移动i p 协议中所不可或缺的三种实体：移动 节点、家乡代理、外地代理的功能以及相互的配合。移动i p 协议的本身的实质 就是定义了一套在三个实体之间互相配合形成一个特定路由的一套规范。了解 了这个规范，我们将进一步的实现这个规范并试图对这个规范中不完全的部分 进行补充。 。、 。 1 、 + ， t j 鑫 ” 华中科技大学硕士学位论文 3 无线接入硬件设计 本章内容简介 移动i p 系统只是定义了i p 层的路由规范，它对底层的接入方法没有其他 要求。但无论如何解决接入问题是实现移动互联的第一步。本章主要介绍无线 局域网规范标准i e e e 8 0 2 1 l 中的一些基本概念、技术名词和基本拓扑结构， 进一步介绍了项目中接入硬件平台构造，为以后的软件开发打下硬件基础。 3 1 引言 无线接入硬件部分所要解决的问题是t c p i p 网络协议中的物理层以及数据 链路层的功能，具体的说就是要解决数据无线发送以及接收的问题。 无线接入技术区别于有线接入的特点之一是标准不统一，不同的标准有不 同的应用。在众多的无线接入标准中，无线局域网标准8 0 2 1 1 家族成为我们的 首选。i e e e8 0 2 1 l 标准化小组致力于为无线局域网提出一个合理化的协议标 准，终于在1 9 9 9 年8 月出台了8 0 2 1 l 协议“”的正式标准。8 0 2 1 l 协议涉及了 w l a n 所需功能和服务描述、多址接入过程的定义、物理层信号处理和接口功能 的定义以及用户信息的保密和认证n ”等内容。 3 2 无线局域网的基本概念 无线局域网与其他局域网最重要的区别就在于“无线”。由于它使用的是无 线媒体( w i r e l e s sm e d i u m ) ，所以引出了许多与传统局域网所不同的新概念。 在i e e e 8 0 2 1 l 中，无线网络的最基本的组成单元被称为基本业务区b s a ( b a s i cs e r v i c ea r e a ) ，我们通常称之为小区c e l l ，而在一个b s a 内彼此之 阳j 相互联系，相互通信的一组主机组成了一个基本业务组b s s ( b a s i cs e r v i c e s e t ) ，通常我们把介质访问控制层和物理层的接口规范符合无线介质特性的设 备，如计算机等，称为主机s t a ( s t a t i o n ) 。一个单独的b s s 组成的网络称为 多区网( a dh o cn e t w o r k ) 。 一个b s a 所能覆盖的区域受到环境和主枫收发机特性的限制，为了覆盖更 _ + _ 。? 蔫 + 一 ，；。蓉囊溢蕊鬣越蠢纛 华中科技大学硕士学位论文 大的区域，我们就需要把多个b s a 通过分布式系统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 联接起来，形成一个扩展业务区e s a ( e x t e n d e ds e r v i c ea r e a ) ，丽通过d s 互 相连接起来的、属于同一个e s a 的所有主机组成一个扩展业务组e s s ( e x t e n d e d s e r v i c es e t ) 。每个b s s 都被分配了一个标识号b s s i d ，每个e s s 也被分配 一个标识号e s s i d ，所有的e s s i d 组成一个网络标识n i d ( n e t w o r ki d ) ， 用以标识这几个e s s 组成的网络。通常在b s s 中有一台主机能提供这样的服务： 本b s s 中所有主机能通过它对d s 进行访问、与其它b s s 中的主机通信、获取和 维护管理信息，我们称这台主机为无线接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) ，a p 既可以 做为一个普通主机应用，也可以提供这种管理服务。通过a p 把b s s 和d s 互联 起来组成的网称为多区网( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k ) 。在i e e e 8 0 2 1 1 中要求： 从数据链路层l l c 看来，e s s 和一个独立的b s s 是没有什么区别的，属于同一 个b s s 的移动主机从一个b s s 移动到另一个b s s 是透明的。 用来形成一个无线局域网的传输介质称为无线媒体w m ( w i r e l e s s m e d i u m ) ，而d s 所用的在a p 之间通信的传输介质称为分布式系统媒体d s m ( d i s t r i b u t i o ns y s t e mm e d i u m ) ，w m 和d s m 可以相同也可以不同，即d s m 可 以是有线媒体，也可以是频段多变的无线媒体，这样在组织无线局域网时就有 了足够的灵活性。在一个b s s 中，决定某时刻哪个主机可以通过无线媒体发 送数据或接收数据的功能称为协调功能c f ( c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) ，无线局 域网最基本的协调功能是分布式协调功能d c f ( d i s t r i b u t i o nc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) ，而在多区网中由a p 决定某个时刻哪个主机可以发送接收，我们 称之为点协调功能p c f ( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) ，a p 充当点协调器。 这两种协调功能实际是基于分布式无线媒体访问协议d f w m a c ( d i s t r i b u t e d f o u n d a t i o nw i r e l e s sm a c ) 引入的两种访问方法，它们是可以共存，互为补充 的。 华中科技大学硕士学位论文 ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! 竺! ! - l l l f i l l i i i i ! ! ! 竺! ! ! ! 竺竺! ! = ! ! ! 竺! ! ! ! ! 竺! ! ! 竺! ! 图3 - 1基本业务组 3 3 无线局域网的基本拓扑结构 b s s 是组成一个i e e e 8 0 2 1 l 局域网的最基本的单元，如图3 1 所示，图中 有两个b s s ，每个b s s 中各有两台主机。b s s 中的主机只能与同一b s s 中的主机 进行通信，一旦一个主机离开b s s ，我们就认为它与原b s s 中其它主机的通信 宣告中断。一个单独的b s s 组成一个单区网，如图3 1 中的b s s l 就可以认为是 一个单区网。 如果我们再引入一个分布式系统d s ，把图3 一l 中的s t a 2 和s t a 3 升级成a p ， 并使得b s s l ，b s s 2 通过d s 连接起来，s t a l 在s t a 2 上登录，s t a 4 在s t a 3 上登 录，这样就组成了一个多区网，b s s i 和b s s 2 组成了一个扩展业务区e s a ，s t a l ， s t a 2 ，s t a 3 ，s t a 4 组成一个扩展业务组e s s ，如图3 2 所示。 1 4 - 一。矗，二。 ， n 犯* ：? “# ，l 。、。i 鏊鑫蕊陵漉薮缓妊+ ，。 华中科技大学硕士学位论文 幽3 - 2 扩展业务组 通过相当时期的发展，有线局域网已经颇具规模，怎样把无线局域网与现 有网络联接起来，也是发展无线局域网络时必须考虑的问题。 i e e e 8 0 2 1 1 规定：对于l l c 层来说，无线网和有线网应该是一样的，即对 于l l c 层是透明的，采用相同网络协议的无线网和有线网的帧在l l c 层都应该 是相同的。i e e e 8 0 2 1 l 提出了入口p o r t a l 的概念，从无线局域网发往有线局 域网的数据都必须经过p o r t a l ，反之亦然，这样就通过p o r t a l 把无线局域网 和有线局域网连接起来了。如图3 3 所示。 图3 - 3 无线网与有线网的集成 华中科技大学硕士学位论文 像现有的能连接不同拓扑结构有线局域网的有线网桥一样，p o r t a l 必须能 够识别i e e e 8 0 2 1 1 的帧，d s 上的帧，有线局域网的帧，如应用最广泛的 i e e e 8 0 2 3 的帧，并且能相互转换。p o r t a l 即可以是一个单一的设备，也可以 和a p 共存于同一设备。 3 4 无线媒体的媒体访问控制 本节首先概述了i e e e s 0 2 1 1 m a c 层的功能，然后重点研究了无线局域网的 两种媒体访问控制方法d c f 和p c f 。 3 4 18 0 2 11m a c 层概述 在无线8 0 2 11 网络中，m a c 层功能“州较复杂，它主要包括的功能模块有： m a c 数据业务接口、m a c 控制状态机制、g t l c 管理业务接口、m a c 管理状态机制 以及分布式业务接口。另外m a c 层的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 ) 包 含在m a c 的管理功能中，m a c 的m i b 主要用来存放 i a c 的管理信息。以上功能 模块之间的关系如图3 4 示。 从m a c 的功能模块结构图中知，m a c 业务接口从高层或从主机管理实体接收 业务请求，根据具体的请求业务分配到m a c 的数据业务或m a c 管理业务，m a c 数据业务和m a c 管理业务解释接收到业务请求，通过相应的信息告知状态机制 ( 控制状态机制和管理状态机制) ，状态机制激发物理层进行有关的业务活动； 或者是一个相反的过程。 m a c 控制状态机制则提供分夼式协调功能d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) 和点协功能( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) ，提供了异步的、无 连接的接入控制，从而达到有效的利用无线媒体进行通信。 m a c 管理状态机制主要提供：凇c 、m i b 的存取，登录( a s s o c i a t i o n ) ，认 证( a u t h e n tj c a t i o n ) ，电源管理，时间同步。这些业务用来为主机管理服务。 一一一。 一坫 ，一 a # j 。 霄，惑* 蕊扼霞蘸霸女 莲瓿j 连蕊hi 氨 华中科技大学硕士学位论文 l l c s u b l a y e r s u b t a y e rm a n a g e m e n t p h yd a t as e r v i c ep h y m a n a g e m e n t s i a o n m a n a g e m e n t 图3 4m a c 功能模