（计算机应用技术专业论文）移动ip切换性能优化的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 随着移动通信和i p 网络技术的长足发展 移动i p 成为研究的热点 移动i p 协议是可 行的 也是易于实施的 但是 漫游中不可避免的切换 始终是影响移动p 网络服务和最 终部署的重要问题 如何降低切换时延和丢包成为研究的难点 在这方面已经有了很多尝 试 特别是微移动概念和协议的提出 为解决切换问题提供了重要的思路 本文首先研究了移动i p 标准 对移动i p v 4 和移动i p v 6 加以分析 研究宏移动切换的 特点 找出制约切换性能的主要因素 然后从微移动己有的研究成果着手 在微移动的构 架中寻找解决移动切换问题的途径 本文将微移动中一些有利于提高切换性能的特性应用 于宏移动 提出了以预测切换为基础的宏移动切换模式 并对这种模式下的相关策略进行 了详细分析 文中提出了一种预转发策略 通过临时域的建立 可以最大限度的降低宏移 动切换时的丢包数量 针对宏移动的安全性和路由优化要求 进一步提出了一种可以满足 上述要求的优化方案 即预注册和预绑定策略 其目的是尽可能的提高预转发策略的安全 性和解决宏移动切换时的非最佳路由问题 在n s 环境中对上述改进的切换策略进行了仿 真 试验结果表明这些改进策略是可行的 并且可以改善丢包和时延方面的切换性能 关键词 移动i p 宏移动 微移动 切换 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h er a p i dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to fm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o na n di pn e t w o r k t h e s u b j e c to fi pm o b i l i t yb e c o m e sah o tp o i n to fr e s e a r c h m o b i l ei pi sf e a s i b l e h o w e v e r p r o b l e m s o nh a n d o f fl i m i s t st h eq u a l i t yo fm o b i l ei ps e r v i c ea n dp r a c t i c ew i d e l y s u c ha si n e v i t a b l e p a c k e t l o s s a n dt i m e d e l a y h o wt or e d u c e p a c k e t l o s s a n dt i m e d e l a yi st h ef o c u so f r e s e a c h m e n t t h e r ea r es o m ea t t e m p t so nt h i ss u b je c t a n dc o n c e p to fm i r c o m o b i l i t yi so n eo f h e l p f u la t t e m p t s t h i sp a p e rr e s e a c h e so ni e t fp r o t o c o l so fm o b i l ei p b o t ho nm i p v 4a n dm i p v 6 a n dt r yt o f i g u r eo u tt h ec h a r a c t e r so fm a c r o m o b i l i t yh a n d o f fa n df i n dt h em a i nf a c t s w h i c hr e s t r i c tt h e a b i l i t yo fh a n d o f f t h ep a p e ra l s ow o r k so nc o n t r i b u t i o n so fm i c r o m o b i l i t yc o n s t r u c t u r ea n d f o c u s e so nn e ws o l u t i o n so fh a n d o f fp r o b l e m a p p l i n gm i c r o m o b i l i t yc o n s t r u c t u r et o m a c r o m o b i l i t y a na d v a n c e dh a n d o f fm o d eb a s i n go np r e d i c t i o ni sp r o p o s e da n da n a l y s e d p r e t r a n s m i ts t r a t e g y w h i c hi sw o r k so nt e m p o r a r y d o m a i n c o u l dr e d u c et h en u m b e ro f p a c k e t l o s si nm a c r o m o b i l en e t w o r ko nh a n d o f f t os a t i s f yt h en e e do fm a c r o m o b i l i t ys e c u r i t y a n dr o u t eo p t i m i z a t i o n a n o t h e rs t r a t e g y n a m e dp r e r e g i s t e ra n dp r e b i n d i n g i sp r o p o s e d t h i s s t r a t e g yc o u l ds u p p o r tn e c e s s a r ys e c u r i t ya n dm e t h o da g a i n s to nr o u t eu n o p t i m i z a t i o n t h en s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e s es t r a t e g i e sa l ef e a s i b l ea n dw o r k a b l ea n d t u r e l yi m p r o v ec a p a b i l i t y o fp a c k e t l o s sa n dt i m e d e l a y k e y w o r d m o b i l ei p m a c r o m o b i l i t y m i c r o m o b i l i t y h a n d o f f i l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略词 缩略词 缩略词英文全称译文 b sb a s es t a t i o n 基站 h ah o m ea g e n t 家乡代理 f a f o r e i g na g e n t 外地代理 c o ac a r e o f a d d r e s s转交地址 c n c o r r e s p o n d e n tn o d e 通信节点 m nm o b i l en o d e 移动节点 a ra c c e s sr o u t e r 接入路由器 m a p m o b i l i t ya n c h o rp o i n t移动锚点 r c o a r e g i o n a lc a r e o f a d r e s s域内转交地址 l c o ao n 1 i n kc a l e o f a d d r e s s连接转交地址 b u b i n d i n gu p d a t e绑定更新 b a b i n d i n ga c k n o w l e g m e n t绑定认证 r r pr e t u r nr o u t a b i l i t yp r o c e d u r e 返回路由可达过程 h o t ih o m et e s ti n i t 家乡测试初始化 h o th o m e1 e s t 家乡测试 c o t i c a r e o ft e s ti n i t 转交测试初始化 c o t c a r e o ft e s t 转交测试 i v 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的 地方外 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 含为获得南京邮电大学或其它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 研究生签名 嘲日期 之型 兰 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其 他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权 南京邮电大学研究生部办理 研究生签名 酗导师签名 逖逡日期 芷遂 竺么 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来 随着无线技术的日益成熟和广泛应用 在移动过程中进行i n t e m e t 连接的接 入方式正在被人们所接受 研究如何实现对移动性的支持 并为移动用户提供与固定接入 方式相近的网络通信质量 已经成为i n t e m e t 接入技术发展的重要研究方向 移动i p 技术是目前解决移动中通信持续性问题的核心技术之一 当节点在子网间频繁 移动时 切换过程仍会产生很大时延 导致网络服务质量大幅下降 为了解决这些问题 人们提出了微移动的概念 微移动的目的是在一定移动范围内对节点的移动性加以屏蔽 以减少节点发送地址更新消息的次数 减少隧道重建过程发生的频率 进而减小切换时延 在i p 微移动中 切换管理是实现协议目标的核心内容 目前 虽然人们已经提出了许多方 法 但大部分问题还没有得到很好的解决 仍然值得深入研究 移动i p 技术已经逐渐进入应用领域 大规模的部署和使用的需求呼之欲出 现有的移 动i p 协议已经可以较好的完成基本的网络应用 但移动i p 协议 宏移动 在切换过程中 造成较大的时延 在高速的网络流量和移动节点的频繁快速移动的现实环境中 基本的移 动i p 协议不可避免的造成大量丢包 很高的传输时延 这些都严重影响移动i p 在现实网 络环境中的服务质量 提高移动i p 切换性能成为研究的热点也是难点 1 2 应用领域 i n t e m e t 采用开放的体系结构 统一的标准协议 任何接入网络只要是采用t c p i p 协 议都可以和它互通互连 而传统的有线和移动无线电话则不同 它们有着各自独立的交换 和传输网络 而无线移动电话的接入网络更复杂 有着不同的空中传输标准 这不仅增加 了成本 也给使用 管理者带来不便 随着i p 电话的兴起和v o i p 技术的发展 传统电话 在向i p 方向演化发展 首先长途骨干网开始i p 化 随后各种接入网被用于i p 电话接入 最后 进一步发展将融合传统电话智能网和i n t e m e t 特征的新一代综合业务v o l p 系统 上 述发展趋势必影响第三代 甚至第四代移动通信的发展 移动通信不可能再维持自己独立 的 用于传输和交换的核心网 向统一的核心i p 网演化已经是大势所趋 所有的业务 从 传统电话 移动通信漫游 新一代综合业务v o l p 到电子商务 综合应用服务 乃至交互 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 式电视业务全部都由统一的核心i p 网来完成 差别仅仅在于接入网 接入网可以是传统电 话网 无线电话接入网 有线电视网 a d s l l a n 接入等 统一的核心i p 网用一套统一的设备代替了原来各系统的独立设备 可以大大降低开发 和运营成本 例如 移动电话可以很方便地应用原来为有线电话开发的新一代v o i p 业务 竞争的电信运营商采用统一的核心i p 网不仅可以降低成本 提高竞争能力 还可以快速进 入无线移动通信等新领域 传统的电信运营商由于受到传统电话网的束缚不可能快速转向 统一的核心i p 网 但是这种演进只是时间早晚的问题 i n t e m e t 和移动通信迅速发展 成为目前信息通信领域两大热点 这两者结合将产生无 线i n t e m e t 目前 电信业发展的第三代移动通信系统并不能完全满足要求 运营商必须从 构建统一的i p 信息网的高度来规划移动无线i n t e m e t 的发展问题 这个问题在国际上已经 引起重视 无线i n t e r n e t 是作为统一的i p 信息网的一部分来实现的 移动无线接入网与其 他有线 无线接入网一样 其他功能 如传输 交换 选路 q o s v p n v o i p 漫游 m o b i l ei p 计费 安全等 应该全部统一设计 使用公共设备 该体系结构将采用现有的 或演化的i e t f 协议用于支持无线的扩展服务 并支持与其他下一代固定和移动网络和媒 体网关的互通 现有的移动通信网和传统电信网一样 将逐步融入统一的i p 信息网之中 这是一种多业务网 它不仅可以提供有线 无线 话音 数据业务 基于w e b 互联网的新 业务 交换电视业务 甚至还可以按照用户的需要提供客户化的服务 在无连接的i p 网上 如果采用基于s i p 的v o i p 系统 利用软件交换机提供v o i p 业务 则可以提供固定电话的交换传输 也可以提供移动电话的交换传输 而差别仅仅是接入方 式的不同 它不但可以提供传统电话智能网的全部功能 还可以提供传统电话智能网和 i n t e m e t 特征融合的新功能 发展统一的核心i p 网不仅能使新型电信运营商从互联网综合 业务的角度进入固定电话和移动电话领域 更重要的是在这个统一的i p 核心网上 还可以 进行以电子商务为代表的 基于w e b 的互联网新业务 以及宽带交换式多媒体业务 1 3 全文的内容安排 本文将以提高移动i p 切换性能作为研究目标 主要思路可以做如下概括 在理解现有 的移动i p 国际标准的基础上 深入研究i p 协议对宏移动切换功能的支持 另一方面 跟 踪和学习微移动的现有成果 把握微移动技术的研究脉搏和设计理念 争取将微移动在提 高切换性能方面的研究方法和研究思想应用于宏移动环境中 提出一套适用于宏移动的快 速切换策略 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论部分介绍本文的研究背景 以及应用领域 第二章是对移动i p 技术领域的文献综述 该章节分为两部分 第一部分 介绍与移动 i p 相关的已经发布的国际标准 包括规定移动i p 的总体构架的 r f c 2 0 0 2 i p 移动性支 持 i pm o b i l i t ys u p p o r t 1 1 规定移动i p 在i p v 4 环境部署细节的 r f c 3 3 4 4 i p v 4 移动 性支持 i pm o b i l i t ys u p p o r tf o ri p v 4 2 以及规定移动i p 在i p v 6 环境部署细节的 r f c 3 7 7 5 i p v 6 移动性支持 i pm o b i l i t ys u p p o r tf o ri p v 6 1 3 这一部分将简单介绍移 动i p 中的典型环境 信令报文和工作流程和切换等 第二部分介绍移动p 领域的一个研 究热点 微移动的研究成果 其中选择两个有代表性的微移动策略 c e l l u l a ri p 蜂窝 i p 4 1 和 h m i p v 6 应用于i p v 6 版本的分层移动i p 5 1 本文分别介绍这两种策略的工 作环境 信令以及工作流程等 特别关注微移动在快速切换方面的性能优化 通过分析微 移动的设计和切换特点 为后续章节提出新的切换改进策略打下基础 第三章在对标准移动i p 协议 宏移动 和微移动切换策略进行分析的基础上 提出基 于预测的移动切换 即一种可以应用于宏移动环境下的预转发策略 其目的是最大限度的 降低宏移动中切换时的丢包数量 这个章节将详细阐述预转发策略中的临时域概念 网络 拓扑环境 新增的信令以及优化的切换流程 本章节最后是这个预转发策略的仿真试验结 果和对试验结果的分析 性能比较 第四章是基于预测的移动切换的优化 在第三章的预转发策略的基础上 针对宏移动 的安全性要求和路由优化要求 提出一种可以满足这些要求的预注册和预绑定策略 其目 的是尽可能的提高预转发策略的安全性和解决宏移动中切换时后的 三角路由 问题 这 个章节将详细阐述预注册和预绑定策略中的网络拓扑环境 新增的信令以及优化的切换流 程 本章节最后是这个预注册和预绑定策略的仿真试验结果和对试验结果的分析 性能比 较 第五章主要研究预测的命中率问题 这是上两章中提出的策略在实施过程中必须解决 的难点问题 本章通过对几种简单的网络拓扑环境的分析 提出了对应的预测方法 第六章是对全文的总结和技术展望 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p 协议和切换技术分析 第二章移动i p 协议和切换技术分析 2 1 移动i p 协议分析 移动i p 是支持移动节点从一个i p 网络到另一个网络移动性的协议 它适用于同构或 异构的媒介 只要移动节点移动前后家乡i p 地址保持不变 移动可以发生在以太网或以太 网划分出的无线局域网等 移动i p 协议是在i p 网络基础上 向提供移动节点提供移动性 管理和报文传输服务的协议 在r f c 2 0 0 2 中对这种协议给予了详细的说明 这里的移动i p 属于宏移动范畴 与后文提到的微移动在结构上有所不同 6 1 2 1 1 移动i p v 4 协议 移动i p v 4 协议是移动i p 协议基于i p v 4 网络的协议形式 它并没有集成在i p v 4 的标 准中 而是对i p v 4 协议的扩展 网络层的移动i p v 4 协议与各种物理和数据链路层的协议 共同构成一个支持无线移动服务的网络环境1 7 8 移动i p v 4 协议中包含以下几个主要网络 实体 1 移动节点 m o b i l en o d e 接入点从一个网络或子网改变到新的网络或子网的一 个主机 一个移动节点可以改变它的物理位置 而不改变它的i p 地址 只要链路层上和接 入点的链接可用 它就可以在任何物理位置继续和i n t e m e t 上的其他节点通信 2 家乡代理 h o m ea g e n t 一个处在移动节点家乡网络上的路由器 它在移动节 点不在家乡网络时 通过隧道模式转发数据报文 它也负责维护移动节点现在位置等相关 信息 3 外地代理 f o r e i g n a g e n t 一个处在移动节点访问的网络上的路由器 它向提供 注册的节点提供路由服务 这个外地代理对从家乡代理以隧道模式发送的报文解封装 再 传发给移动节点 外地代理充当移动节点的默认路由器 4 通信节点 c o r r e s p o n d e n tn o d e 一个连接i n t e m e t 网 支持t c p i p 协议的普通 节点 它可以和移动节点互联互通 不需要支持移动d 协议 个移动节点会在家乡网络得到一个长期的i p 地址 可以视为一个固定主机的永久的 地址 称为家乡地址 当移动节点离开家乡网络 一个转交地址和移动节点关联 反映它 现在的接入位置 称为转交地址 除非特别的移动性管理应用 否则移动节点都是用它的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p 协议和切换技术分析 家乡地址为源地址发送报文 移动i p v 4 协议分为代理发现 注册 报文转发几个基础模块 每个模块又涉及一些具体的协议规范 1 代理发现 移动i p 通过扩展现有的 i c m p 路由器发现 机制来实现代理发现 代理发现机制能 够使移动节点检测到自己是否从一个网络移动到了另外的网络 并且也能够检测到它是否 回到了家乡链路 当移动节点移动到一个新的外地链路时 代理发现机制也能帮助移动节 点发现一个合适的外地代理 在某些特定类型的网络上 数据链路层可以完成代理发现的功能 但为了支持在数据 链路层不具有此功能的网络 必须为代理发现制定标准协议 通过制定这个标准协议 可 以为移动节点提供一种适合所有网络类型的代理发现机制 家乡代理和外地代理在自己所 连接的网络上定期地广播 代理宣告 消息来宣告自己的存在 移动节点时刻监听代理宣 告消息 用来判断有哪些家乡代理或外地代理连接在它所在的网络上 如果一个移动节点 从自己的家乡代理接收到一个代理宣告消息 它就能够推断已经返回家乡并直接向家乡代 理进行注册 否则 移动节点将选择是保留当前的注册还是向新的外地代理进行注册 当移动节点位于家乡链路或者已经向一个外地代理进行了注册 那么它仍然希望从它 的家乡代理或它的当前外地代理继续接收定期的宣告消息 如果移动节点在一段时间内没 有接收到一定数量的宣告消息 那么它就认为自 己已经移动或者它的家乡代理或当前的外 地代理发生了故障 如果移动节点最近接收到了其他的宣告消息 它就试图向发送这个宣 告消息的外地代理进行注册 否则 移动节点将向它所在的网络上广播一条 代理请求 消息 接收到这条请求消息的每个家乡代理或外地代理都应当用宣告消息进行应答 代理宣告消息是i c m p 路由器宣告消息的扩展 在i c m p 路由器宣告消息之后是 移 动代理宣告扩展 报头 另外也可以可选地跟随一个 前缀长度扩展 报头 一字节填 充扩展 报头或者其他将来需要定义的报头等 移动节点通过对代理宣告消息的处理 可 以得到自己的位置信息和转交地址 2 注册 当移动节点发现它的网络接入点从一条链路切换到另一条链路时 它就要进行注册 另外 由于注册信息有一定的生存时间 所以移动节点在没有发生移动时也要进行注册 移动i p 的注册功能是 移动节点通过注册可以得到外地链路上外地代理的路由服务 移动 节点通过注册可以通知家乡代理它的转交地址 注册的另外一些功能还包括 同时注册多个转交地址 此时家乡代理将发往移动节点 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p 协议和切换技术分析 家乡地址的数据包通过隧道发往移动节点的每个转交地址 可以在注销一个转交地址的同 时保留其他转交地址 在先前不知道它家乡代理的情况下 移动节点可以通过注册动态地 得到家乡代理的地址 移动i p 的注册过程一般在代理发现机制完成之后进行 当移动节点发现自己返回家乡 链路时 它就向家乡代理进行注册 并开始像固定主机或路由器那样进行通信 当移动节 点位于外地链路时 它能够得到一个转交地址 并通过外地代理向家乡代理注册这个地址 移动i p 包括两种注册消息 注册请求和注册应答 3 报文路由 移动i p v 4 通信主机向移动节点发送报文的基本路由过程 2 1 如图2 1 所示 首先 通 信主机以移动节点家乡地址为目的地址的报文发送给移动节点的家乡代理 然后 家乡代 理用移动节点的转交地址通过隧道技术转发给外地代理 接下来 外地代理完成最后一跳 路由 最后 从移动节点发出的报文可以直接由外地代理转发 2 d a ta g r a mi si n te r c e p te d3 b yh o m ea g e n ta n d i st u n n e l e dt 0t h e c a r e o fa d d r e s s d a t a g r a mi s d e t u n n e l e da n d d e l i v e r e dt0t h e m o b i l en o d e 十一一一十十一一一十十一 一一 ih o m ei if o r e i g ni 一 im o b i l ei ia g e n tl ia g e n tl 2 l 4 0 0 m s 2 a l x a c e l l u l a ri p w i t h o u tr o u t eo p t i m i z a t i o n 2 1 0 m s a 2 a c e l l u l a ri p w i t hr o u t eo p t i m i z a t i o n a i a 2 2 1 0 m s a 2 1 0 m s a i a 2 x a a 2 x 仅 2 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p 协议和切换技术分析 m o b i l ei p v 4 和m o b i l ei p v 6 的4 种情况可以代表宏移动协议 c e l l u l a ri p 的两种情况可 以代表微移动协议 h m i p v 6 在原理上和c e l l u l a ri p 相似 性能参数的区别可以忽略 通过表2 1 先分析宏移动的情况 在无路由优化的情况下 移动i p v 4 和移动i p v 6 的切换时延是一致的 因此 造成的丢包也是相同的 但是在有路由优化的情况下 由于 移动i p v 6 的切换采取了更为复杂的绑定更新策略 在提高了安全性的同时 相对移动i p v 4 它的完成注册和路由优化的时间会更长 无论是否路由优化 注册过程消耗在i n t e m e t 链 路上的时间开销都是巨大的 微移动可以避免消耗在i n t e m e t 链路上的时间开销 可以看到 在无路由优化的微移 动中 切换时延仅仅表现为局域网链路时延 相对于宏移动 这样的时延性能是十分优越 的 如果微移动中采用路由优化 通信节点绑定更新的时延是无法避免的 尽管通信节点 绑定更新时延较大 但由于移动节点的切换不改变转交地址 通信节点绑定更新并不发生 在切换的时刻 切换中体现出的时延只取决于移动节点和微移动顶层路由器的链路时延 而这个时延很小的 可见微移动的整体切换性能是高的 从上面的分析我们得出一个重要结论 更优越的切换性能是以提高网络复杂度为代价 的 安全性的提升是以牺牲性能做代价的 2 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章基于预测的移动i p 切换 第三章基于预转发的移动i p 切换 第二章介绍了微移动的概念和技术进展 通过分析 我们认识到微移动可以提高移动 性能 特别是在切换中降低时延和减少丢包的问题上有显著的优势 但是 微移动在整个 移动部署中属于特例 我们无法要求每个外地网络都拥有微移动要求的拓扑结构 连接 i n t e m e t 的大多数网络还只适用于宏移动 微移动为我们提出了很多值得借鉴的思路和方 法 本章将从宏移动的角度 在提高切换性能的问题上展开讨论 微移动可以快速切换 在于微移动网络的子接入点之间可以共享顶级路由提供的移动 代理服务 换句话说就是移动节点在微移动切换时不涉及到向家乡代理注册的过程 注册 的信令开销有较大的时延 是造成切换性能低下的主要原因之一 微移动中几乎可以屏蔽 这部分开销 那么 如果可以使宏移动中的新 旧两个外地代理共享部分移动节点的信息 也可以达到提高切换性能的效果 在宏移动i p 环境中 各个外地代理保持着互相独立的地位 无法体现出微移动要求的 拓扑结构 但如果可以在移动节点切换的同时 建立起新 旧两个外地代理之间的某种联 系 局部的 临时的构成类似微移动的结构 就可以利用微移动的特性优化切换性能 通 过预测移动节点的运动轨迹 我们可以把新 旧两个外地代理提前联系起来 共享部分移 动节点的信息 基于这种思路 本章将提出一种基于预测的移动i p 切换 切换中我们采用 一种预转发策略 力求降低切换中的丢包数量 3 1 预转发策略的基本构架 当一个移动节点从1 日j l 地代理覆盖区域漫游到新外地代理覆盖区域 移动节点通过代 理发现和新外地代理取得联系 假设外地代理向家乡代理发送报文的网络时延是 那么 注册过程至少将持续2 个时间 在这个时间内 报文仍然被路由到旧的外地代理 1 日j b 地 代理却无法转发给移动节点 这段时间内的丢包不可避免1 4 5 4 6 1 如果可以在这个时间内 设法让旧的外地代理把报文转发给新的外地代理 由新外地代理再转发给移动节点 那么 丢包的数量可以最大程度的下降 由于这种转发过程总是发生在新外地代理完成注册过程 之前的 因此这种转发可以称为 预转发 为了让这种 预转发 策略可以顺利实施 需要 建立临时域 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章基于预测的移动i m p 切换 一 图3 1 是预转发策略实施的整个过程 大致分为相邻代理感知和确认 预测策略 建 立临时域和预转发几个模块 本章将详细研究相邻代理感知和确认 建立临时域和预转发 三个模块 预测策略相对独立 后面的章节将给予详细讨论 图3 1 预测策略的模块划分 相邻移动代理感知和确认发生在代理节点初始化时 与移动节点是否在移动或切换是 无关的 预测策略和建立临时域两个过程发生在移动节点正式切换进入这个外地代理的服 务区域之后 也就是移动节点完成在这个外地代理下的代理发现和向家乡注册两个过程之 后 预转发发生在本外地代理收到被预测的外地代理的切换通告后 3 2 预转发策略的实现 为了实施 建立临时域 和 预转发 需要外地代理节点支持 预转发 的扩展 另外 实施预转发策略种还要涉及到以下信令报文格式 针对i p v 4 网络 可以采用i c m p 的扩展字段 对于i p v 6 可以在i c m p v 6 的路由部分进行扩展 相邻移动代理发现请求 相邻移动代理应答 建立临时域请求 建立临时域应答 相邻移动代理通告 切换通告 其中 相邻移动代理发现请求和相邻移动代理应答两种报文成对用于相邻移动代理的 确认 建立临时域请求和建立临时域应答两种报文成对用于相邻移动代理 临时域 的建 立 相邻移动代理通告用于相邻移动代理自学习 切换通告用于感知切换 触发预转发 3 2 1 相邻移动代理感知 相邻移动代理是相对当前外地代理提出的概念 假设有三个无线覆盖区域a b c 它们互相物理 接壤 它们的移动服务分别由外地代理f a f a b f 氏提供 移动节点漫 游到无线区域a 它的外地代理为f a 这时 物理环境中 与a 的覆盖范围有 接壤 的 b 和c 移动节点的运动和切换只可能发生在b 和c 两个区域中 因此相对于f a a 它的相 邻移动代理为f a b 和f 氏 相邻移动代理应该具有这样的特性 物理上的相邻以及逻辑上的低延时 这里有一个 气 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章基于预测的移动i p 切换 假设 物理上相邻的移动代理之间 外地代理或家乡代理 线路的时延不应过大 尽管每个覆盖区域物理上是相邻的 但外地代理所处的网络环境 路由环境是很不相 同的 它们之间可能是直连的 也可能有两跳三跳 极端的情况下 物理上临近的无线环 境 为它们提供移动i p 服务的移动代理可能相距很远 时延很大 这样的外地代理不具备 成为相邻移动代理的条件 为了完成预转发过程 外地代理必须知道它周围临近移动代理的情况 手工配置和自 动学习是两种可行途径 1 手工配置 根据现实网络的拓扑结构 可以手工配置相邻的 可以信赖的移动代理 动态的维护 一个相邻移动代理节点地址的表 如图3 2 是手工配置情况下外地代理的流程图 图3 2 初始化相邻代理流程图 手工配置 一个具有预转发扩展的外地代理 除了在初始化的时候需要手工配置 还要定时向这 些移动代理发送相邻移动代理发现请求 等待对方移动代理发送相邻移动代理应答 没有 2 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章基于预测的移动i p 切换 应答或应答为拒绝都视为这个相邻移动代理失效 从相邻代理地址列表中删除 如果收到 的应答是确认应答 则保持该相邻移动代理地址在列表中的激活状态 同样 具有支持相 邻代理管理功能的代理应对接收到相邻移动代理发现请求 给予拒绝或确认的应答 拒绝 或确认可以依据不同的安全策略 手工配置适用于网络物理环境比较固定或安全需求比 较高场合 2 自动学习 作为一个可选的功能 如果某个移动节点的家乡代理也具备预转发扩展功能 它也可 以通过发送相邻移动代理通告 帮助这个代理动态地认知其他临近的移动代理 如图3 3 是主动学习情况下外地代理的流程图 图3 3 主动学习临近代理流程图 尽管移动代理之间由互联网连接 它们之间的物理临近情况互相不得而知 但幸运的 是 移动节点的家乡代理可以感知到 远方 移动代理间的物理联系 如果一个移动节点 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章基于预测的移动1 p 切换 从一个网络切换到另一个网络 家乡代理上的绑定更新可以充分说明两个移动代理物理上 是临近的 分别告知绑定更新前 后的两个移动代理的临近情况 这个情况是可靠的 安 全的 一个移动代理维护一张相邻代理列表 这个表的建立可以根据手工配置信息和家乡代 理的相邻通告信息进行初始化和维护 对于在活跃的相邻代理列表中已经存在的表项 周 期性发送确认报文 证实相邻代理的可用性 对于获得相邻代理应答确认的表项 在活跃 相邻代理列表中保留 对于超时没有收到确认或收到拒绝确认 说明对应的相邻移动代理 发生故障或拒绝提供后续的预转发服务 对应的表项应从表中取消 当移动代理收到来自 家乡代理的相邻通告信息 根据这些信息 发送确认报文 根据回复情况决定是否在活跃 相邻表中添加相关表项 对于一个无线网络 物理上 接壤 的无线网络的个数是很有限 的 相邻代理的个数也是很有限的 因此这个表是一张很小很高效的查询缓存 一个移动代理定时周期感知物理相邻的其他代理的存在 相邻代理列表是长时间存在 的 但这不意味着域的永久存在 因为维护一个复杂拓扑情和异构的域的网络开销过大 域的范围越小 存在时间越短 对网络的负担就越小 也就是说 这种域是临时的 小范 围的 域的引入 为宏移动的快速切换提供了可能 3 2 2 临时域的建立过程 上一节 我们通过相邻移动代理感知过程维护了一张高效的查询缓存 保存了对周围 临近物理区域的感知信息 就可以在必要时建立临时域 构成新的网络拓扑结构 移动节点漫游到外地网络 如图3 4 代理发现的过程和注册的过程与标准m i p 协议 是一致的 不同的是 移动节点所在的外地代理a 将对这个移动节点的运动进行预测 在 这个简单的拓扑结构中 显然另一个外地代理b 是预测的目的地 这时 只要外地代理b 的在外地代理a 的相邻代理列表中是确认激活状态的 那么在外地代理a 完成移动节点向 它的家乡代理注册的过程后 马上向外地代理b 发送建立临时域的请求 等待接受外地代 理b 发送的建立临时域应答 如果未收到b 发送的建立临时域应答或收到拒绝回应 则放 弃这次预测 若收到b 发送的建立临时域确认回应 a 告知这个移动节点的相关信息 则 表明建立临时域成功 这是代理a b 以及移动节点的一个临时集合 在这个简单的拓扑结构中 临时域的选择是简单的 只有一个相邻移动代理 但如 果缓存中存在多个相邻移动代理的条目 临时域的确定就需要预测 预测的策略会在本文 稍后详细阐述 2 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章基于预测的移动口切换 一一一一一 图3 4 移动节点的漫游和临时域的预测 下面我们来分析外地代理间建立的临时域的拓扑特性 进而说明临时域如何在提高切 换性能上发挥作用 下图3 5 是建立临时域前后逻辑拓扑结构的对比 图3 5 a 是建立临时域前 外地代 理a 和外地代理b 相当于i n t e m e t 的逻辑位置 外地代理a 作为一个路由器 可以直接连 接无线接入点 也可以是一个分层移动i p 或c e l l u l a r l p 的最高层路由器 外地代理b 可以 通过i n t e m e t 路由到外地代理a 而相对于外地代理a 外地代理b 是等价的网络实体 a i g u 1 域谴秒静 b 临驴城建 缸胼 图3 5 建立临时域前后的逻辑拓扑结构的改变 图3 5 b 是建立临时域后 虽然外地代理a 和外地代理b 相对于i n t e m e t 的物理位置 2 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章基于预测的移动i p 切换 没有改变 但是由于外地代理a 和外地代理b 之间存在临时域 它们有了逻辑关系 它们 在i n t e m e t 上的路由可以视为临时域内的路由 这时外地代理a 构成一个新的分层移动口 微移动系统的顶层路由器 逻辑位置处于外地代理b 的上层 形成一个典型的微移动环境 这样两个移动代理可以共享移动节点在外地代理a 上注册的相关信息 临时域的存在时间是另一个值得注意的问题 临时域的存在可以是长期的 但长期存 在的临时域也存在明显弊端的 如果预测未命中 这个临时域将无效的长期存在 所以最 好的情况是 1 若移动节点离开a 却未按照预测进入b 则 a b 间取消临时域 2 若移动节点离开a 按预测进入b 则实施临时域内的切换 最简便的方法是给临时域一个生存期 这个生存期的长度可以由接入的物理覆盖范围 覆盖范围越大 生存期可以越长 移动节点的运动速度 速度越大 生存期可以越长 和实际需求决定 另外 生存期的确定还可以根据一定的预测策略做相应的调整 临时域的两端分别是 现在外地代理 和 预测移动代理 如图3 6 和图3 7 所示 分别是 现在外地代理 预测成功时临时域的生存期的时序和预测失败时临时域的生存期 的时序 啦时域 扛仃期颓转锭 f 期 宠成必婴的淀发送临时域收删临 l j 城 颁冽成功通街 勰饽步骤她移请求 建也响废 图3 6 现在外地代理 临时域的生存期时序 预测成功 临时域q t 疗潮 峨时域绌 临时城行 f t 翘时 1 i 1 r i l jl r 1 宠成必婴的泣发送l 瓶时域1 1 5 c 剁临别域 册等步骤建轰请求 建怠响j 越 图3 7 现在外地代理 临时域的生存期时序 预测失败 康 束 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章基于预测的移动i p 切换 如图3 8 和图3 9 所示 分别是 预测外地代理 预测成功时临时域的生存期的时序 和预测失败时临时域的生存期的时序 当预测成功时 i 临时域开始于 预测外地代理 发 送建立临时域应答报文的时刻 虽然生存期时间将在随后的某一个时刻过期 但是由于在 这之前 移动节点按照预期进入这个外地代理 进入预转发阶段 直到这个外地代理完成 移动节点新的注册过程 预转发阶段结束 临时域也同时结束 当预测失败时时 移动节 点没有进入预测外地代理 只要生存期过期 无需临时域的另一方外地代理说明 立即结 束这个临时域 l 时城 4 存翻颤转笈珏干嬲 渺微警磁糍嶝磊嚣收嚣攒班 图3 8 预测外地代理 临时域的生存期时序 预测成功 收到 代珊 矬 临刈 j晓j f 始临h r 域结柬 l jl 图3 9 预测外地代理 临时域的生存期时序 预测失败 3 2 3 切换中预转发的过程 上一节介绍了临时域的建立和维护 下面就利用临时域 在切换中实施预转发机制 在最简单的拓扑环境下讨论这种无丢包的快速切换机制 最简单的拓扑环境模型包括 以下几种网络实体 一个普通移动节点 一个普通的家乡代理 它为这个移动节点提供一 个家乡地址 提供移动节点在家乡网络的移动口服务 两个支持预转发的外地代理 它们 将为漫游的移动节点提供转交地址 分别提供移动节点在各自网络的移动i p 服务 另外还 有一个普通通信节点 拓扑结构为家乡代理 外地代理 通信节点在有线网络上互相联通 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章基于预测的移动i p 切换 这些与普通宏移动环境无异 移动节点原先处在a 区域 如图3 1 0 所示 外地代理a 完成与外地代理建立临时域 的过程 这时临时域的两端分别是外地代理a 和外地代理b 移动节点快速移动到b 的区 域范围内 在临时域生存期内 移动节点向外地代理b 发起代理发现过程 外地代理b 立即向外地代理a 发出转发请求 即切换通告 图3 1 0 预转发的过程 移动节点完成代理发现过程 同时搜索是否存在与这个移动节点有关的域存在 如果 不存在 则忽视 如果存在这样的临时域 则向移动代理a 发送预测成功的切换通告报文 当移动代理a 收到这个切换通告报文 则用隧道技术交给新移动代理b 转发给移动节点 当移动节点 完成向家乡代理的注册过程 家乡代理就不再回把报文交给移动代理a 来转发 完成注册过程的同时 移动代理b 向移动代理a 发送预测终止的报文 宣布一个 临时域的解除或者让这个临时域超时自动销毁 预转发策略解决的是报文下行的丢包问题 预转发策略业务流和信令流的流程如图 3 1 1 移动节点在现在的外地代理中 业务流 1 按照家乡代理 现在外地代理 移动节点 的路由顺序转发 移动节点切换 业务流 2 按照家乡代理 现在外地代理一预测外地代 理一移动节点的路由顺序转发 移动节点完成新的注册 业务流 3 按照家乡代理一预 3 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章基于预测的移动i p 切换 一一 一 测外地代理一移动节点的路由顺序转发 侈砌节点黼a 理僦b 理 翥毳繁篓 外地代理外地代理 j 恿侍 点 二 一 j 业篓三 一 一 一 代徽罢 c 走曼妗渗 注册确认 一 繇f 一 q k 务数据漉 一侪令漉 图3 1l 预转发策略下行业务流和信令流的图例 3 3 仿真结果和性能分析 我们用n s 2 仿真我们的预转发策略 并将它和未采用该策略的普通宏移动i p 的情况 进行比较 得出性能分析结果 n s 是一个比较流行的离散事件模拟器 n s 的无线模块最 初是由c m u 的m o n a r c h 工作组引入n s 中的 在无线环境的仿真中大量使用 在n s 2 中配置的无线仿真场景中包括如下 一个家乡代理 一个通信节点 一个移动 节点和两个外地代理 它们都直连到同一个中心路由节点上 如图3 1 2 所示 在这个拓扑 结构中 包括了宏移动的几个必要的组成部分 移动节点是我们的研究对象 它拥有和家 乡代理一样的网络前缀的家乡地址 家乡代理为移动节点提供注册 转发以及家乡网络的 移动接入服务 外地代理为移动节点提供转发和外地网络的移动接入服务 为移动节点提 供和外地代理一样的网络前缀的转交地址 为了考察移动节点在切换中的性能 两个外地 代理是必要的 仿真中移动节点将离开一个外地代理的覆盖范围并进入另一个外地代理的 覆盖范围的过程 通信节点的存在是为了持续向移动节点发送报文 实现产生下行流量的 作用 中心路由节点是为了模拟i n t e m e t 的时延环境 本次仿真的节点和网络层的协议都 在i p v 4 框架中实现 这个拓扑结构涵盖了宏移动切换中涉及的所有实体 通过这个仿真拓 扑结构 可以充分考察出移动节点在宏移动中的切换性能情况 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章基于预测的移动i p 切换 一 移嘲袖虹 乡代弹 图3 1 2n