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东北大学硕士学位论文 摘要 基于分层网络体系结构的移动网络 快速切换机制研究 摘要 近年来，随着移动计算的日益普及，对因特网设备的移动性支持也变得很重要。大 量的移动计算设备如移动电话、笔记本电脑和掌上电脑等正在被日益广泛地应用。而这 些设备多是通过无线上两，并且是移动的，移动i p v 6 技术的发展受到人们越来越多的关 注。 但仅仅对单个节点的移动支持，并不能满足人们所有的应用需求。比如个人携带的 是由智能手机、掌上电脑等组成的个人移动网络以及在公共交通系统( 公共汽车、火车1 架设的提供乘客移动设备按入的移动网络等。单纯提供单节点接入i n t e m e t 的移动i p v 6 标准并不能直接应用到以上应用场景中。i e t f 的移动网络( n e m o ) 工作小组已提出 支持网络移动接入的基本技术草案，很多学术团体也加入到这一研究课题中来。 在这样的背景下，在比较完善的移动i p v 6 技术的基础上，我们对移动网络作了深 入和细致的研究。由于原有支持单节点的技术，并没有考虑网络可嵌套性所产生的路由 优化问题，我们基于移动i p v 6 的分层网络结构，提出了有效解决p i n b a l l 冗余路由的优 化问题，并充分利用分层网络结构的特性来达到切换过程中减少消息发送的目的。另外， 我们全面分析了移动网络模式下发生p 层切换的各种情形，提出了应用单节点的快速 切换技术来减少移动网络各移动实体问的切换延迟和数据丢失，提高切换性能表现。除 了理论的探讨，我们分析了在实际切换过程中，因为信号中断而导致切换失败的情况下， 应用快速切换技术的代价问题。 本文首先介绍了移动网络基本特点和当前研究概况，然后综述了移动网络技术的基 础移动i p v 6 协议以及其扩展的切换优化机制，包括快速切换技术f a s tm i p v 6 ( f m 邛v 6 ) 、 分层切换技术h i e r a r c h i c a lm i p v 6 ( h m i p v 6 ) 以及它们的结合应用。针对t f 移动网 络小组提出的基本支持协议所存在的问题，我们应用h m i p v 6 实现了嵌套移动网络的路 由优化；我们应用f m i p v 6 实现了移动网络各移动情景下的快速移动切换。最后，我们 综合考虑实际实现移动口技术过程中，存在着快速切换失败的情况，提出分析模型和 代价评估机制，找出了切换过程中的关键点，并把模型应用于移动网络情形，为避免移 动网络中快速切换需时较长的情形，提出简化的快速切换机制。 关键字：移动i p v 6 ；n e m o ；分层移动网络：路由优化：快速切换；切换失败 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho ff a s th a n d o v e rm e c h a n i s m sf o rn e m ob a s e do n h i e r a r c h i c a ln e t w o r k a b s t r a c t i nt h en e a rf u t u r e ，d e m a n d sf o rn e t w o r km o b i l i t yw i l la r i s ef r o mr e a ls i t u a t i o n ss u c ha sa p e r s o n a la r e an e t w o r k ( p a n ) t a k e nw i 廿lt h eu s e r sa n da c c e s sn e t w o r k sd e p l o y e do np u b l i c t r a n s p o r t a t i o n sl i k ec a r s ，b u s e sa n dt r a i n s n o d e sm o b i l i t yp r o t o c o l s ，s u c ha sm o b i l ei p v 6 o 咀p v 6 ) w h i c hp r o v i d ei n t e r n e tc o n n e c t i v i t yt om o b i l en o d e c a n n o ts c a l et oh a n d l et h e m o b i l i t yo fan e t w o r k 。t h en e t w o r km o b i l i t y 啾o ) b a s i cs u p p o r tp r o t o c o lp r o p o s e db y i e t fn e m 0w o r k i n gg r o u pg n s u l g sb a s i ci pc o n n e c t i v i t yt ot h em o b i l en e t w o r kn o d e s h o w e v e rt h es o l u t i o nt h a ta l lc o m m u n i c a t i o n st oa n df r o mn o d e si n s i d em u s tg ot h r o u g ht h e b i - d 2 r e e t i o n a lt u n n e le s t a b l i s h e db e t w e e nt h em o b i l er o u t e r a n di t sh o m ea g e n t 圆a ) s u f f e r sf r o mt h et u n n e l - i n - t u n n e la n dn o n o p t i m a lr o u t i n gp r o b l e mi nt h ec a s eo fn e s t e d m o b i l en e t w o r k c o n s i d e r i n gn e m os c e n a r i o ，w ec a l lf i n do u tt h a tm n w o u l d p e r f o r mh a n d o v e ri nc e r t a i n n e wc a s e s f o re x a m p l e ，a l t h o u g hb e f o r em o b i l en o d ea n dm o b i l er o u t e r9 r ec o n n e c t e dt ot h e s a m ea c c e s sr o u t e r ( a r ) ，m o b i l en o d eh a st oc o n f i g u r ean e wc a r e o f - a d d r e s s ( c o a ) a c c o r d i n gt om o b i l en e t w o r kp r e f i xw h e ni te n t e r st h i sm o b i l en e t w o r k t h es e m es i t u a t i o n h a p p e n sa st h em o b i l en o d el e a v e st h em o b i l en e t w o r ko rs w i t c h e st o d i f f e r e n tm o b i l e n e t w o r kd i r e c t l y ! t h e m f o r ei t sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h eh a n d o v o ri s s u ei nn e m oa n dt r i e s t oa d o p tf a s tm i p v 6a n dh i e r a r c h i c a lm i p v 6t on e m os c e n a r i o s ，w h i c ha r ew e l lp e r f o r m e d f o rs i n g l em o b i l en o d e u s i n gf a s tm o b i l ei p v 6f f m n ) a n dh i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6o 蹦口) t o g e t h e rh a s p r o v e do u t p e r f o r mi nt e r m so f m o b i l en o d e sh a n d o v e rp e r f o r m a n c e s ow ea d a p ta b o v et w o s c h e m e st os u p p o r tm o b i l en e t w o r k sf o rb e t t e rp e r f o r m a n c e a n dh e r ea r eo u rc o n t r i b u t i o n s f i r s tw ec l a r i f yv a i j e t yo f m o b i l en o d e sa n dm o b i l er o u t e r sm o v e m e n ts c e u r r l o sw h i c hc a n l e a dt oh a n d o v e r s e c o n dw ed e s i g nf a s th a n d o v e rm e c h a n i s mt os u p p o r tn e m ob a s e do n h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e t h i r dw ee v a l u a t eo u rp r o p o s e ds c h e m ea n dt h er e s u l tp r o v e sp o s i t i v e l y , f o u r t hw et h o r o u g h l ya n a l y z et h ep o s s i b l ef a s th a n d o v e rf a i l u r ec a s e sa n dp r o v i d et h e e 曲a m c e ds o l u t i o n k e yw o r d s ：m o b i l e 口6 ；n e t w o r km o b i l i t y ( n e m o ) ；f a s th a n d o v e r ；h i e r a r c h i c a ln e t w o r k s t r u c t u r e ；f a i l u r ec u s ea n a l y s i s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导f 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谢意。 学位论文作者签名：苏熟 日期：。彩屏i 屠d 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。本人授权东北大学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、交流。 ( 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： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着轻便灵活的计算设备和无线局域网、g p r s 、3 g 等无线通信技术的发展，基于 移动计算的应用服务越来越普及。日益增加的户外活动、家庭网络和计算化移动行为促 进了移动网络的发展，并且移动网络与固定网络有机融合在一起的趋势越来越明显，从 而形成一个“全p ”的统一网络。在未来的这种网络中移动i p v 6 协议将起到非常重要的 作用。对于数据通信领域来说，因特网已经成为不可或缺的网络，相应地，人们也希望 因特网成为电信领域的主导者。现在用户们不仅希望能够访问基于w w w 的各项服务， 同时也希望随时、随地、与任何人进行多媒体交互式通信。 i e t f 多年来有专门的研究小组研究如何为移动的单节点提供不问断的h t c m e t 连 接，并成功开发了移动研1 和移动口v 6 1 2 等协议。但现在我们遇到了越来越多移动网 络应用的出现。移动网络，顾名思义，就是一组节点组成的网络，如同一个整体那样移 动，比如公共汽车或者轮船等。那么原有的支持单移动节点的协议应该修改扩充以支持 整个移动网络不间断的i n t e m e t 接入。 这一章我们首先对移动i p v 6 作简要的介绍，然后说明移动网络具有的区别于单移 动节点的新特点以及带来的新的研究课题，最后给出本论文的选题和文章结构。 1 1i p v 6 和移动i p v 6 由于现有因特网互联协议口v 4 的固有局限性，使得因特网成为自己巨大成功的牺牲 品。在所有口v 4 所面临的问题中，无疑i p v 4 地址的短缺是最为严重的。据预测按照目前 因特网的发展速度，口v 4 的地址在不久的将来将被耗尽。为了适应因特网的迅速发展， 特别是无线计算设备在未来的巨大发展和需求，1 9 9 1 年因特网工程任务委员会( m t f ) 开始了制定下一代口协议f l p i p v 6 3 的标准工作，1 9 9 6 年以来有关口v 6 的大部分r f c 文件 相继发表。 职v 6 是在口v 4 巨大成功的基础上发展起来的新互联协议版本。l p v 6 的巨大地址空间 能够非常容易地满足因特网的快速发展。移动性、安全性和对服务质量的支持已经成为 口v 6 的主要特征。l p v 6 被认为是建设移动信息社会和未来因特网的重要基石之一。 众所周知，口v 4 不提供对移动性的任何支持。为了在因特网上提供对移动设备的支 持，皿t f 制定了移动p 标准。目前有两种类型的移动p 标准：基于p v 4 的移动d v 4 ，基 于口v 6 的移动i p v 6 。 移动l p v 6 的诞生被认为是移动计算领域的重要里程碑。p v 6 能够满足移动无线网 络未来增长的需求，主要特点如下：足够的d 地址数量、强制的安全报头实现、使路 东北大学硕士学位论文第一章绪论 由更加有效的目的地选项、地址自动配置、避免“入口过滤”、没有“软状态”瓶颈的错误 恢复机制。移动i p v 6 将使得移动因特网逐步走进我们的生活。由于移动计算越来越广 泛的发展，所以对接入因特网设备的移动性支持显得日益重要。成千上万的手持设备如 移动电话、掌上电脑和笔记本计算机等正以低廉的价格为人们所接受。这些设备一般是 基于无线通信的移动设备，所以它们必将从移动i p v 6 的发展和推广中得到益处。移动 i p v 6 是移动i p v 4 的自然发展，就象p v 6 是基于i p v 4 的优点产生出来的一样。移动口 的主要目标是使得移动节点总是使用它的家乡地址来被寻址，而不管移动节点当前是连 接在家乡链路还是离开了家乡。移动p 通过在网络层加入一些新的特征来使得运行在 移动节点上的应用程序在移动的过程中能够保持连接，即保证移动性对于上层协议及应 用程序的透明性。在移动i p v 6 术语 4 】定义了三种操作实体，分别是：移动节点( m n ) 、 通信节点( c n ) 和家乡代理( h a ) ；定义了四种新的i p v 6 目的地选项，分别是：绑定 更新( b u ) 、绑定认可( b a ) 、绑定请求( b r ) 和家乡地址选项；为“动态家乡代理 地址发现”机制定义了两种i c m p 消息，分别是：i c m p 家乡代理地址发现请求消息和 i c m p 家乡代理地址发现应答消息；为“邻居发现”定义了两种i p v 6 的选项：宣告间隔选 项和家乡代理信息选项。在移动因特网将要成为现实的今天，移动i p v 6 将在这个过程 中扮演不可或缺的角色。 1 2 移动网络概述 考虑公共交通工具如公共汽车，火车和轮船等为乘客提供i n t e m e t 连接服务，即乘 客可利用自己手持的智能终端通过交通工具内的接入设备享受i n t e m e t 的连接。此时， 可以把以上的交通工具视为移动网络，网络内部包含有大量的要求获得i n t e m e t 连接的 设备，而这些可能功能单一，也可能非常复杂的设备却如同一个整体共同移动。怎么才 能为移动网络内的不同类型的各种设备( 节点) 提供网络连接，成为了i e t f 一个称为 n e m o ( n e t w o r km o b i l i t y ) 【5 】的研究小组主要关注的课题。 1 2 1 移动网络举例 n e m o 工作小组期望通过引入一个成为移动路由器( m r ) 【5 的装置，作为连接网 络内外的接口网关，使得网络内部的所有节点都能够获得全球范围的连接。同时定义了 3 种m r 可以支持的节点类型。本地固定节点( l o c a lf i x e dn o d e ) ，属于移动网络自身， 自身并不具有网络接入的移动性，脱离了m r 就会失去了和网络外部的连接；本地移动 节点( l o c a lm o b i l en o d e ) ，属于移动网络自身，且具有在移动中保持本地网络连接， 但脱离了m r 同样会失去和网络外部的连接；访问移动节点( v i s i t i n g m o b i l e n o d e ) ，具 有自己的家乡链路和代理，因而具有移动p 或者移动i p v 6 的能力。对于访问移动节点， 是否可以脱离m r 而仅仅通过自身保持和网络外部的连接，取决于其连接的技术。比如， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 m r 是通过卫星连接来保持和外部网络连接，而一般的访问移动节点并不具备这种连接 手段，所以只能依靠m r 来保持和外部网络的联系。 图1 1 移动网络情形 f i g 1 1m o b i l en e t w o r ks c e n a r i o 图1 1 显示的就是比较典型的移动网络，一个承载旅客的飞机。飞机配备了很多设 备，包括在每个舱向旅客显示信息的信号面板，液压传感器和收集像温度，压力等信息 的传感器。这些装置组成了车载区域网络( v e h i c u l a r a r e an e t w o r k ) ，由本地固定节点和 本地移动节点组成。另外，还有旅客携带的，个人无线装置甚至整个个人移动网络 ( p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 被称为访问节点或者访问网络。 在移动网络中引入m r 来管理网络内部节点的连接，在实现了为内部节点提供连接 的目标，还能带来多种效能上的提高。 减少信号发射所需的能量。对于在汽车或者火车上的移动网络节点，m r 和移 动节点的距离要远远小于i n t e m e t 上的接入路由器与移动节点的距离。这样，把m r 作 为接入路由器提供接入服务，能有效地减少移动节点信号发射接收所需的能量，也就能 延长设备电池的使用时间。 减少切换的次数。只要移动网络节点建立了和m r 的连接，那么该节点在随着 移动网络移动的过程中，不需要中断该连接。因为所有外部的连接都是通过m r 实现， 网络移动过程中也只需m r 来处理外部的链路切换。这同时也就能使不支持切换机制的 节点在随着移动网络移动过程中保持连接。 降低复杂性。接入到移动网络的节点，在网络移动过程中不再需要或者较少需 要改变它们的地址，因为当移动网络因为移动改变网络接入点，m r 负责配置新的转交 地址。完成切换后，移动网络节点通过m r 新的地址就能够和外部保持连接。这样，就 不需要网络内部的节点来处理切换和配置地址，能有效降低移动节点硬件和软件开发的 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 复杂性。 减少带宽消耗和地址更新延迟。移动节点在更新了接入点完成切换后，需要向 家乡代理发送绑定更新消息。而在移动网络中，通过m r 来完成地址更新会更有效，因 为它只需要向其家乡代理发送绑定更新，即可实现整个移动网络的连接，移动节点没有 必要单独发送，这就大大减少发送地址更新报文所带来的带宽消耗。 易扩展。m r 是作为整个移动网络移动性的总管理，很多功能是由m r 来实现。 因而将来发现有什么功能需要添加，则通过更新m r 来实现，比更新各个节点要容易的 多。 1 2 2 移动网络新特点 但移动i p v 6 并不能直接应用于解决移动网络的移动性支持问题。直接把支持单节点 的移动i p v 6 应用于移动网络会产生两个问题。首先，m r 的h a 并不能把数据通过建立 的渠道发送给移动网络内的节点。因为m r 的h a 只处理了m r 的绑定更新。另外，家 乡代理无法和移动网络的m r 进行路由信息的交换以便创建整个移动网络使用的地址 路由表。 另外，在考虑扩展移动l p v 6 协议以支持移动网络，首先必须研究移动网络不同于 单移动节点的新特点，正是这些特点决定了如何扩展原有的协议。 移动网络的整体性。移动网络对外部网络而言可以看作是一个整体，但支持移 动网络的协议又必须考虑对移动网络内的每一单个节点都能提供i n t e m e t 的连接。 移动网络节点的差异性。移动网络节点可以区分为本地节点和访问节点。在以 上的例子中，旅客的无线设备就属于访问节点，其家乡链路并不同与m r 所在的家乡链 路。而本地节点就是飞机例子中的信号面板，其所在的家乡链路就是当前链路。同样， 移动网络节点还可以区分为移动可见( m o b i l i t ya w a r e ) 节点和移动透明( m o b i l i t y u n a w a r e ) 节点。移动可见节点就是可运行移动p 或者移动p v 6 协议的节点，并且能 够进行链路层切换的节点。而移动透明节点就是不可进行链路层切换的节点。支持移动 网络的协议应该充分考虑移动网络节点的差异性。 嵌套网络。一个小型的移动网络可以接入到一个稍大的移动网络，这个就被称 作嵌套网络。嵌套网络要求至少2 层以上的嵌套，在以上的例子中，旅客携带的p a n 接入飞机的v a n 之后，该网络就可称为嵌套网络。嵌套网络往往要求移动网络协议具 有路由优化的特性。 移动网络的大小差异性。一个包括单个m r 和少许几个的设备如p d a 和移动电 话是小型的网络：而另一方面，包括几组子网和上百个婵设备的整个飞机v a n 就可称 为是大型的网络。支持移动网络的协议应该满足大小不同的移动网络。 查苎苎兰堡圭芏竺笙三一 篓二主丝 复杂性。 减少带宽消耗和地址更新延迟。移动节点在更新了接入点完成切换后，需要向 家乡代理发送绑定更新消息。而在移动网络中，通过m r 来完成地址更新会更有效，因 为它只需要向其家乡代理发送绑定更新，即可实现整个移动网络的连接，移动节点没有 必要单独发送，这就大大减少发送地址更新报文所带来的带宽消耗。 易扩展。m r 是作为整个移动网络移动性的总管理，很多功能是由m r 来实现。 因而将来发现有什么功能需要添加，则通过更新m r 来实现，比更新各个节点要容易的 多。 1 2 2 移动网络新特点 但移动d v 6 并不能直接应用于解决移动网络的移动性支持问题。直接把支持单节点 的移动碑v 6 应用于移动网络会产生两个问题。首先，m r 的h a 并不能把数据通过建立 的渠道发送给移动网络内的节点。因为m r 的h a 只处理了m r 的绑定更新。另外，家 乡代理无法和移动网络的m r 进行路由信息的交换以便创建整个移动网络使用的地址 路由表。 另外，在考虑扩展移动i p v 6 协议以支持移动网络，首先必须研究移动网络不同于 单移动节点的新特点，正是这些特点决定了如何扩展原有的协议。 移动网络的整体性。移动网络对外部网络而占可以看作是一个整体，但支持移 动网络的协议又必须考虑对移动网络内的每一单个节点都能提供i n t e r n e t 的连接。 移动网络节点的差异性。移动网络节点可以区分为本地节点和访问节点。在以 上的例子中，旅客的无线设备就属于访问节点，其家乡链路并不同与m r 所在的家乡链 路。而本地节点就是飞机例子中的信号面板，其所在的家乡链路就是当前链路。同样， 移动网络节点还可以区分为移动可见( m o b i l i t ya w a r e ) 节点和移动透明( m o b i l i t y u n a w a r e ) 节点。移动可见节点就是可运行移动坪或者移动l p v 6 协议的节点，并且能 够进行链路层切换的节点。而移动透明节点就是不可进行链路层切换的节点。支持移动 网络的西议应该充分考虑移动网络节点的差异性。 嵌套网络。一个小型的移动网络可以接入到一个稍大的移动网络，这个就被称 作嵌套网络。嵌套网络要求至少2 层以上的嵌套，在以上的例子中，旅客携带的p a n 接入飞机的v a n 之后，该网络就可称为嵌套网络。嵌套网络往往要求移动网络协议具 有路由优化的特性。 移动网络的大小差异性。一个包括单个m r 和少许几个的设备如p d a 和移动电 话是小型的网络；而另一方面，包括几组子网和上百个m 设备的整个飞机v a n 就可称 为是大型的网络。支持移动网络的协议应该满足大小不河的移动网络。 为是大型的网络。支持移动网络的协议应该满足大小不河的移动网络。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3n e m 0 基本支持协议及其存在问题 i e t f 的n e m o 工作小组开发的n e m o 基本支持协议 6 能够达到为移动网络内的 所有节点提供h l t e m e n t 的连接并且在切换过程中保持网络连接连续。该支持协议主要依 靠m r 和它的h a 通过类型于单节点移动协议的机制来实现。 首先，m r 要通知它的h a 现在它作为m r 而不是单纯的移动节点。第二，m r 通 过报文告知h a 它所代表移动网络的网络前缀。有个这个前缀，m r 的h a 就可以截获 目的地址是该移动网络节点的数据包，并通过隧道机制把它们转发给m r 。第三，m r 把收到的属于网络内部节点的数据包解包( d e c a p s u l a t e ) 之后发送到目的的移动网络节 点。而移动网络节点发往外部的数据也是经过类似的隧道过程，通过m r 以及它的h a 发送到数据包的目的地，这过程数据包会经过封装和解包。 n e m o 基本支持协议最大的特点就是简洁，扩展了m r 和其h a 在原移动i p v 6 中 定义的操作，这就使得其与原有的协议的兼容性较好。但该协议并没有考虑诸如路由优 化，安全，可伸缩性等问题。 因为m r 和h a 之间使用了双向的隧道机制来为移动网络内的节点实现和外部的连 接，但如果该移动网络是嵌套型的移动网络，网络内各分层的m r 都会和各自的h a 建 立隧道，这样底层的移动节点则会随嵌套分层增加而导致冗余路由，因为它发送和接收 的数据包都必须经过上层m r s 建立的隧道。这个多角路由问题也被称为p i n b a l l 路由。 它能够导致数据收发延迟，并在每一层封装过程增大了数据包的大小。 另外，还必须考虑移动网络的容错性。如果一个移动网络只有一个m r 来承担整个 移动网络连接的重任，那么一旦该m r 出现错误，则整个移动网络就会失去连接了。我 们有必要考虑多接入支持机制，这样不但可以提高移动网络的容错性，还可以利用多接 入机制来分担网络负载，以优化网络性能。 移动网络的m r 允许从不同类型的节点接入网络并获得i n t e m e t 的连接，这就必须 考虑如何建立起相互之间的授权和安全机制。尽管在n e m o 基本支持协议中，提出使 用i p s c c 来保护数据安全，但文献【7 指出了m r 和h a 之间的信息交换以及嵌套网络配 置过程是协议比较敏感的两个地方，而文献【8 】则分析了使用i p s e c 和隧道机制所带来的 安全隐患。 1 3 相关工作综述 i e t f 提出的n e m o 基本支持协议虽然简洁易行，但却缺乏综合考虑移动网络中出 现的各种新问题。而目前，移动网络技术己得到学术界和产业界极大的关注，一些学者 和研究机构正在对其进行较深入的研究，针对以上问题，提出了各自的解决方案和项目 原型研究，并取得了一定的研究成果。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 协议扩展研究综述 p i n b a l l 路由和m 报头冗余能大大降低移动网络的连接性能，甚至影响到移动网络 技术的应用。因而很多研究都是为了能找出行之有效的解决路由优化的问题的方案。这 些方案大概可以分成两类，分别是方案一：不需要网络内部节点参与的路由优化解决方 案和方案二：需要网络内部节点参与的路由优化解决方案。 文献 9 】和文献【1 0 】属于方案一。文献【9 】要求移动网络内部节点的通信节点都向某个 多播地址注册，然后m r 向该地址发送一个前缀范围绑定更新报文，来达到实现向每个 通信节点通知移动网络当前位置的目的。该方法对含有大量本地固定节点的大型网络非 常有利，但却较大的改动了移动i p v 6 协议。而文献【1 0 】则引入新的网络实体，称为优化 路由缓存路由器( o p t i m i z e d r o u t e c a c h e ) ，利用其来记录移动网络前缀和转交地址之间 的匹配。但该方法同样较大的改动了移动i p v 6 协议，并要求在网络中配置大量的o r c 路由器。 属于方案二的方法分别有文献 1 1 】，【1 2 】， 1 3 】， 1 4 】， 1 5 】。其基本的策略就是当 m r 接入到新的外部链路之后，获得了新的转交地址。之后，m r 把当前链路的网络前 缀向网络内部的节点广播，移动网络节点就可以自动配置自己的转交地址，并告知其通 信节点，以实现路由优化。 也有一些文献是解决嵌套移动网络的路由优化问题。文献【1 6 】使用了一种新的路由 报头称为反向路由报头( r e v e r s er o u t i n gh e a d e r ) 。利用该报头可以有效避免隧道的嵌 套，来达到路由优化的目的。而文献 1 7 也是基于同样的思路来修改了某一报头，并 通过携带接入的路由器的信息来避免路由冗余。 1 3 2 项目研究综述 除了1 e t f 的n e m o 研究小组，其他的一些研究机构的n e m o 研究课题同样对移动 网络技术的发展起到了很大的推动作用。 e m o t i o n0 q e t w o r ki nm o t i o n ) c h i l dp r o j e c to f o c e a n o c e a n m 是新南威尔士大学和澳大利亚研究委员会支持的一个项目，同时合作伙 伴还包括澳大利亚国家i c t 和b o e i n g 航空公司。这个项目意识到公共交通工具提供 i n t e r n e t 网络接入的需要，并分成两个部分，分别是网络和数据处理。而该项目的子项目 e m o t i o n 1 9 要解决的网络问题就是如何通过移动路由器和广域无线接入系统来为旅客提 供i n t e r n e t 的连接。 o v c t d r i v e ( o v e r d y a d i c m u l t i - r a d i o n e t w o r k i n v e h i c u l a x e n v i r o n m e n t s ) o v e r d r i v e 2 0 是i n f o r m a t i o ns o c i e t yt e c h n o l o g i e s ( i s t ) d r i v e l 2 1 项目的延续。项目 主要目标是在多信号接入环境下，为车载网络提供高质量的无线网络连接。o v e r d r i v e 东北大学硕士学位论文第一章绪论 支持的i n t t av e h i c u l a ra r e an e t w o r k ( w a n ) 可以接入到不同的接入系统中，而主要是依 靠移动i p v 6 协议和n e m o 基本支持协议的m r - h a 之间的双向隧道机制来实现。 i n t e m e t c e k r ( i n t e m e tc o n n e c t e d a u t o m o b i l er e s e a x c h e s ) 由于智能公交系统的发展和需要，i n t e m e t c a r 2 2 项目就是为了能够为车辆提供 i n t e r n e t 连接，实现公交系统智能化发展。该项目是w i d e ( w i d e l yi n t e g r a t e dd i s t r i b u t e d e n v i r o n m n e t ) 项目的一部分，主要是通过多种接入媒介来实现车辆运行期间i n t e r n e t 连 接，主要是依据文献 2 3 】和文献 2 4 】提出的方案来实现的。 1 4 本论文选题 移动i p v 6 是当前的研究热点，而n e m o 移动网络技术更是当中的崭新的课题，且 有很多问题还没有得到有效的解决，对科研人员来说具有相当大的挑战性。另外，随着 无线技术的普及，人们希望能够随时随地能接入i n t e m e t ，也包括在公共交通( 公共汽 车，火车等) 上。 很多研究文献和i e t f 的研究草案研究的是n e m o 的路由优化问题，但在n e m o 框架下，移动网络节点发生切换的情况更普遍了。比如，在m n 接入到移动网络之前， m n 和该网络m r 都接在同一个a r 中，而当m n 接入到该移动网络中去，就需要根据 移动网络的本地前缀配置新的地址，切换就发生了。在是在移动i p v 6 协议支持的单节 点模式下，不存在这样的切换情况。同样的情况会发生在m n 离开移动网络或者转移到 另外的移动网络。 因此，由于在移动网络中切换更加普遍，所以就更有必要提高切换过程的性能如延 迟和数据包丢失等指标。而在移动口v 6 中，快速切换移动i p v 6 ( f a s tm p v 6 ) 2 5 】和分 层移动i p v 6 ( h i e r a r c h i c a lm i p v 6 ) 【2 6 被证明是有效改善切换性能的针对单移动节点的 技术。本论文就是在尝试把以上两个技术应用到移动网络中，以达到无缝切换的目的。 1 5 课题来源 该课题是本人作为东北大学学生代表到韩国仁荷大学进行交流学习时间所进行的 研究课题。我加入了该大学的情报通信研究学院的多媒体网络实验室，该课题是超宽带 网络技术项目的子课题。该项目得到韩国大学研究中心的资助。 1 6 本文组织结构 全文一共分为七章。 第一章是前言，主要介绍了移动i p v 6 和移动网络的概念及特点，主要强调了移动 网络的优异性以及差异性；然后介绍了当前移动网络研究领域中一些实施的项目系统和 研究课题来源。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第二章主要介绍移动i p v 6 基本协议和扩展的切换优化机制，首先介绍了基本协议 相关的术语、消息和格式，然后列举了两项重要的切换优化机制( 快速切换和分层网络 结构) 。 第三章叙述了基于分层网络的移动网络( n e m o ) 路由优化策略。 第四章主要介绍了扩展应用于移动网络的快速切换机制。 第五章对移动网络各种切换机制进行了较详细的性能分析。 第六章针对有可能出现的快速切换失败情形，进行了全面的风险评估和代价分析。 第七章总结全文并给出结论以及建议。 东北大学硕士学位论文第二章移动l p v 6 综述 第二章移动ip v 6 综述 随着移动计算的日益普及，对因特网设备的移动性支持也变得很重要。大量的移动 计算设备如移动电话、笔记本电脑和掌上电脑等，随着价格逐渐被大多数人所接受，正 在被日益广泛地应用。因为这些设备多是通过无线上网，并且是移动的，因此移动i p v 6 将会促进其发展。 移动i p v 6 继承了移动i p v 4 的很多特性，正如磴v 6 本身继承了碑v 4 的特性一样。在这 一章里，讲述i p v 6 对移动性的支持和移动i p v 6 理论研究框架的构成，并且概述移动i p v 6 基本协议。然后，介绍一些热点阆题如快速切换、分层网络、移动管理等。 2 1 移动i p v 6 技术研究框架 现在的因特网协议是口v 4 版本，由于其本身的局限性，因特网正成为它本身巨大成 功的牺牲者。v 4 必须面临的一个最严重的问题就是：如果因特网以现在的速度发展， 口v 4 地址将在不久的将来用尽。现在的研究表明，在2 0 0 2 年以内，将大约会有l o 亿台移 动无线遥信设备。为了适应因特网的快速发展和无线通信设备的需求，e t f 扶1 9 9 1 年开 始制定i p v 6 的标准，也称为l p n g ( 下一代碑) 。自从1 9 9 6 年以来，已经发布了很多 p v 6 的r f c 。 i p v 6 是新版本的坤协议，继承了p v 4 的很多特性，l p v 6 巨大的地址空间将容易满足 因特网的快速发展。并且移动性、安全性和服务质量现在也集成在p 钙中。口v 6 将是建 立移动信息社会和未来因特网的奠基石。 众所周知，i p v 4 不提供任何移动性支持。现在的口4 网络中，每台计算机都分配一 个固定的p 地址。如果计算机移动到不同的网络中，改变了接入点，发给它的数据包将 会被路由到先前的网络，由于找不到目的地址，数据包被丢弃。而且，移动计算设备如 嵌入式设备、p d a 和多功能终端将需要口层的移动支持。 移动设备通常能够动态地改变与网络的接入点，因此t f 最近制定了支持移动因特 网设备的协议，称为移动坤。有两种版本的移动球协议，基于i p v 4 的移动l p v 4 和基于i p v 6 的移动i p v 6 。 i p v 6 的出现是移动计算的一个重要里程碑。i p v 6 的主要特性对于未来的移动无线网 络的发展非常重要，包括：足够多的口地址；要求安全数据包头的实现：目的选项提高 了路由效率；地址自动配置；避免入口过虑；错误恢复没有软状态瓶颈。 移动i p v 6 的设计借鉴了移动i p v 4 开发的经验，并且遇上了设计新版本口协议( i p v 6 ) 的契机，结合了p v 6 协议的新特性。在移动i p v 6 中，定义了三个操作实体：移动节点 ( m n ) ，通信节点( c n ) ，家乡代理( h a ) ；定义了四个新的i p v 6 目的选项：绑定 东北大学硕士学位论文第二章移动i p v 6 综述 更新，绑定认可，绑定请求和家乡地址选项：为“动态家乡代理地址发现”定义了两个 i c m p 消息：家乡代理地址发现请求i c m p 消息和家乡代理地址发现应答i c m p 消息；为“邻 居发现”定义了两个新的i p v 6 选项：广播时间间隔选项和家乡代理信息选项。 2 2 移动lp v 6 基本协议 移动坤的主要目标就是使得移动节点总是通过家乡地址寻址，不管是连接在家乡链 路还是移动到外地网络。移动p 在网络层加入了新的特性，使得网络节点改变网络连接 点时，运行在节点上的应用程序不需修改或配置仍然可用。这些特性使得移动节点总是 通过家乡地址通信。 这种机锘4 对于层以上的协议层是完全透明的，如t c p 、u d p 及所有的应用程序。 d n s 中移动节点的条目是关于家乡地址的，因此当移动节点改变网络接入点时，d n s 不 需要改变。事实上，移动i p v 6 影响了数据包的路由，但是却又独立于路由协议本身。 2 2 1 术语 移动6 定义的一些术语如下： ( 1 ) 家乡地址( h o m e a d d r e s s ) 在移动节点的家乡链路上分配给移动节点的d 地址。 ( 2 ) 家乡子网前缀( h o m es u b n e tp r e f i x ) 对应于移动节点家乡地址的p 子网前缀。 ( 3 ) 家乡链路( h o m el i n k ) 定义移动节点家乡子网前缀的链路。标准口路由机制将发往移动节点的家乡地址的数据 包发送到移动节点的家乡链路。 ( 4 ) 移动节点( m o b i l en o d e ) 移动节点能够从一个链路移动到另外一个链路，在移动的过程中这个节点仍然可以通过 它的家乡地址与外界保持联系。 ( 5 ) 移动( m o v e m e n t ) 移动节点从当前链路移动到另外一个链路的变化过程。当一个移动节点没有连接在它的 家乡链路时，就认为这个移动节点“离开家乡”。 ( 6 ) 通信节点( c o r r e s p o n d e n tn o d e ) 与移动节点进行通信的对等节点。通信节点可以是移动的也可以是静止的。 ( 7 ) 外地子网前缀( p r e f i xo f f o r e i g ns u b n e t ) 移动节点的家乡子网前缀以外的任何邛子网前缀。 ( 8 ) 外地链路( f o r e i g nl i n k ) 移动节点家乡链路以外的任何链路。 东北大学硕士学位论文 第二章移动i p v 6 综述 ( 9 ) 家乡代理( h o m ea g e n t ) 移动节点家乡链路上的一个路由器，移动节点向其注册了当前的转交地址。当移动节点 不在家乡时，家乡代理截获家乡链路上发往移动节点的数据包，进行封装后，通过隧道 发送给移动节点注册的转交地址。 ( 1 0 ) 转交地址f c a r e o f a d d r e s s ) 当移动节点访问外地链路时它将获得一个与它相关联的妒地址，这个地址就称为转交地 址，这个地址的子网前缀是“外地子网前缀”。移动节点同时可以有多个转交地址( 如这 些转交地址有不同的子网前缀) ，向移动节点的家乡代理注册的那一个转交地址称为“主 转交地址”。 ( 1 1 ) 绑定( ；b i n d i n g ) 移动节点的家乡地址和