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浙江工业大学硕士毕业论文移动i p v 6 的移动性管理策略研究 移动i p v 6 的移动性管理策略研究 摘要 移动i p 技术，是一个在网络层解决i n t e r n e t 中节点移动性的方 案，使节点在不同网络间移动的过程中仍能以固定的i p 地址保持与 网络的联接与通信，是实现网络终端设备全球漫游的关键性技术。 在移动i p 网络中，移动性管理起着关键作用，它包括两个相互 联系的部分：切换管理和位置管理。切换管理目的是，使正在通信的 移动节点的通信能够连续不断；位置管理使得网络能够确定移动节点 当前的访问接入点，从而实现将数据分组准确转发到该节点。由于位 置管理所产生的控制报文等开销消耗了网络的带宽、电能等重要资 源，因此，采用一个优化的位置管理机制以有效地降低网络中位置管 理的开销就显得尤为必要。本文主要对位置管理进行研究。 层次型移动i p 协议h m i p ( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ) 是i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 提出的、旨在降低移动i p 位 置管理的信令消耗的一个著名协议。本文正是基于h m i p 提出了一种 支持寻呼的h m i p v 6 移动性管理策略，并分别针对有时延限制及无时 延限制的情况提出了不同的基于遗传算法的多步寻呼策略，即根据移 动节点的位置概率分布，采用遗传算法对寻呼区域内的所有子网进行 分组，再依次对各组按概率进行分批寻呼，使得平均寻呼信令开销达 到或接近最优。此外，对h m i p v 6 、支持单步寻呼的h m i p v 6 以及基于 遗传算法的多步h m i p v 6 寻呼方案的信令开销进行了比较分析，得出 寻呼节省信令开销的必要条件。最后，给出数值实验结果，以说明所 提出的寻呼策略的有效性。本文的研究成果，对移动工p 技术的发展、 对移动计算的研究有一定的理论及应用价值。 关键词：移动i p v 6 ，移动性管理，i p 寻呼，遗传算法，信令开销 分析 浙江工业大学硕士毕业论文移动i p v 6 的移动性管理策略研究 r e s e a r c ho nm o b l l i t ym a n a g e m e n tf o r m o b i l ei p v 6 a b s t r a c t m o b i l ei p ( m i p ) i sas o l u t i o na tt h en e t w o r kl a y e rt os u p p o r tm o b i l en o d e s ( m n s ) m o v i n gi nt h ei n t e r n e t ，w h i c he n a b l e sa nm nw i t haf i x e di pa d d r e s st ok e e pi t s c o n n e c t i o nt ot h en e t w o r ka n do t h e rn o d e sw h e nt h em nm o v e sa m o n gd i f f e r e n t n e t w o r k s m i pi sak e yt e c h n o l o g yf o ra nm n sg l o b a lr o a m i n g m o b i l i t ym a n a g e m e n t ，w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nm o b i l ei pn e t w o r k s ， c o n s i s t so ft w or e l a t e dc o m p o n e n t s ：h a n d o f fm a n a g e m e n ta n dl o c a t i o nm a n a g e m e n t t h ef o r m e ra i m st ok e e pc o m m u n i c a t i o n su n d i s r u p t e db e t w e e nt h en e t w o r ka n dt h e m - n si nm o v i n g ，w h i l et h el a t t e re n a b l e st h en e t w o r kt oq u i c k l yl o c a t et h ec u r r e n t a c c e s sp o i n t so ft h em - n si no r d e rt od e l i v e rd a t ap a c k e t st ot h e m t h ec o n t r o l l i n g m e s s a g e sr e s u l t e df r o ml o c a t i o nm a n a g e m e n tc o n s u m e sal o to fn e t w o r k s r e s o u r c e s i n c l u d i n gb a n d w i d t h ，p o w e ra n dm o r e t h e r e f o r ei t i sv e r yi m p o r t a n tt h a to p t i m i z e d l o c a t i o nm a n a g e m e n ts t r a t e g i e sa r ed e v e l o p e dt oe f f i c i e n t l yr e d u c et h es i g n a l i n gc o s t i nm o b i l i t ym a n a g e m e n t t h eh i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ( h m i p ) ，p r o p o s e db yt h ei e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) ，i saw e l l k n o w np r o t o c o lt or e d u c es i g n a l i n gc o s tf o rl o c a t i o n m a n a g e m e n t i nm o b i l ei pn e t w o r k s b a s e do nt r u eh m i p , w ed e v e l o p p e da p a g i n g s u p p o r t e dh m i p v 6i nt h i sp a p e rs ot h a tt h ep o w e rc o n s u m e db ym o b i l en o d e s a sw e l la ss i g n a l i n gt r a f f i cc a nb ec o n s i d e r a b l yr e d u c e d s e q u e n t i a lp a g i n gs c h e m e s u n d e rb o t hu n l i m i t e da n dl i m i t e dp a g i n gd e l a ya r es t u d i e d i na d d i t i o n ，t w og e n e t i c a l g o r i t h m ( g a ) b a s e ds e q u e n t i a lp a g i n gs c h e m e sa r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e l y , i nw h i c h a l lt h es u b n e t si nap a g i n ga r e aa r ep a r t i t i o n e di n t og r o u p sb yag am a k i n gu s eo f l o c a t i o np r o b a b i l i t i e so fm r n s ，a n dt h e ne a c hg r o u pi sp a g e di no n ep a g i n gs t e p f u r t h e r , t h es i g n a l i n gc o s t so fh m i p v 6 ，t h eh m i p v 6w i t hs i n g l e s t e pp a g i n g ，a n dt h e t w os c h e m e sa r ec o m p a r e d m o r e o v e r , t h ep r e r e q u i s i t ec o n d i t i o n sf o rd e c r e a s i n g s i g n a l i n gc o s tu n d e rs i n g l eo rs e q u e n t i a lp a g i n ga r eg i v e n b e s i d e s ，n u m e r i cr e s u l t s a r ep r e s e n t e dt os h o wt h ee f f i c i e n c ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e ds c h e m e s t h e r e s u l t sg i v e ni nt h i sp a p e ra r eu s e f u lb o t hi nt h e o r ya n dp r a c t i c ef o ra d v a n c i n gm o b i l e i pt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：m o b i l ei p v 6 ，m o b i l t ym a n a g e m e n t ，i pp a g i n g ，g e n e t i ca l g o r i t h m ， s i g n a l i n gc o s ta n a l i s y s 1 1 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：乃孝却 日期：2 哆年僧月弓f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：0 口夕年 日期：汐户 p 月- b 日 月e 1 浙江工业大学硕上毕业论文移动i p v 6 的移动性管理策略研究 1 绪论 1 1 移动i p 产生的背景 i n t e m e t 应用的日益成熟，移动通信技术的高速发展以及笔记本电脑、掌上 电脑、p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n c e ，令人数字助理) 、手机等便携式移动设 备的大量应用，使得人们对移动互联网的需求变得越来越迫切，人们希望的是不 仅仅能在任何地方任何时间连接i n t e r n e t ，而且更重要的是能进行高效、安全的 通信。 然而在传统的t c p i p 网络环境中，i p 协议给所有节点( 包括主机和路由器) 都分配了i p 地址，且每个节点的各个端口都分别有一个i p 地址，包括网络前缀和 主机部分，同一条链路上的所有主机通常有相同的网络前缀和不同的主机部分， 这使得i p 可以依据目的节点的i p 地址的网络前缀部分来进行路由选择，从而使路 由器只需保存一条简单的网络前缀路由，而不必为每个节点保存一条单独的路 由。在这种情况下，由于采用了网络前缀路由，因此当节点从一条链路切换到另 一条链路而没有及时改变其i p 地址时，该节点则不可能在新链路上接收到数据 包，从而也就无法与其他节点进行通信。因此，网络中的节点无法在移动过程中 访问i n t e m e t 。 为了实现移动节点接入i n t e m e t ，研究人员曾经提出了以下三种方案幢： 第一种方案：在移动节点每次变换位置时，改变其i p 地址。这种方案的缺点 是：对上层协议不能提供移动的透明性，不能保持当前通信的连续性，特别当移 动节点在两个子网之间漫游时，由于其i p 地址不断地变化，将导致移动节点无法 与其他用户通信。 第二种方案：根据特定主机地址进行路由选择。这种方案的缺点是：它将大 量浪费路由器的有限资源，对每个数据分组选路时，路由器都要搜索大量的主机 地址入口，系统的可扩展性差，不能满足大规模网络互联的要求。 第三种方案：在链路层使用蜂窝数字分组数据等标准。蜂窝数字分组数据标 准提供1l k b s 的传输速率，并且支持多种协议，但它需要新的网络基础设施和高 昂的管理维护费用，而且无法与现存的互联网兼容，因此也不是合适的解决方案。 为了解决移动节点自由接入i n t e m e t 这一问题，i n t e r n e t 工程任务组i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 下属的移动i p t 作组( i pr o u t i n gf o r w i r e l e s s m o b i l eh o s t s ) 于1 9 9 2 年在i p v 4 协议的基础上制定了移动i p 的最初标准草 案，i n t e m e t 3 二程指导小组i e s g ( i n t e m e te n g i n e e r i n gs t e e r i n gg r o u p ) 在19 9 6 年6 月通 过了移动i p 标准草案，并于1 9 9 6 年1 1 月公布了建议标准，为移动i p 成为i n t e m e t 浙江工业大学硕士毕业论文 移动i p v 6 的移动性管理策略研究 正式标准打下了基础，对移动工p 的发展起了关键性的作用。 所谓移动i p 技术口7 1 ，是在当前i n t e m e t 基于网络前缀路由的前提下，使得移动 节点在不同网络间不断移动时仍能保持通信，是一个在网络层解决移动性的方 案，是实现网络终端设备在全球网络漫游的关键性技术。它主要解决以下几个问 题： ( 1 ) 移动节点可以通过一个永久的i p 地址连接到任何链路上； ( 2 ) 移动节点在切换到新的链路上后，仍然能够保持正在进行的通信； ( 3 ) 与改变i p 地址、特定主机路由和链路层方案不同，移动i p 具有可扩展性、 可靠性和安全性。它与下层的物理传输介质无关，不需要改变移动节点的永久标 识，并能与现有的i n t e r n e t 协议兼容，能够与不具有移动王p 功能的节点进行正常通 信。 1 2 移动i p 的研究现状及应用 对于移动i p 协议自身及其应用的研究目前仍然处于不断地完善与成熟的阶 段。对于完善移动i p 协议自身的研究工作主要集中在以下的几个方面： 1 、路由优化问题 在移动i p v 4 中，对端节点向移动节点发送的数据包首先要到达家乡代理，由 家乡代理截获后通过隧道路由转发给移动节点，而移动节点可以直接向对端节点 发送数据包，这就构成了所谓的“三角路由”问题。三角路由会增加数据包传输 的时延，占用网络资源并且加重家乡代理的处理负担。为此人们提出了路由优化 技术，但是路由优化将会带来新的安全问题。所以必须考虑在实际的网络拓扑结 构中在保证安全性的前提下如何实现路由优化。 2 、无缝切换问题 当移动主机在不同的网络间移动时，需要进行网络层的切换。一个完整的切 换过程大致包括移动检测、新转交地址的配置和地址的重新绑定三个阶段。实现 无缝切换是移动i p 切换优化的最终目标。无缝切换的两个关键性能指标是低丢失 率和低时延，分别可以通过平滑切换( 低丢失率切换) 和快速切换( 低时延切换) 来实现。然而，标准的移动i p 切换并不符合无缝切换的性能指标，原因有三：首 先，移动i p 切换过程的三个阶段是顺序执行的，这意味着切换时延将等于这三个 阶段时延之和，据文献 3 3 】估计，整个切换时延大约在3 2 s 6 6 s 之间，这对于许 多实时应用来说都是难以接受的：其次，移动节点每次从一个位置移向另一个位 置时均需要位置重新绑定，当移动节点远离家乡网络时，位置注册将会带来大量 的时延和开销；第三，在移动l p 中没有分组缓存和转发机制，这意味着当移动节 点切换到新的网络之后，在分组未被重新定向到新网络之前，原网络收到的数据 分组将被丢弃，这对分组丢失敏感的应用非常不利，而由分组丢失引起的分组重 2 浙江工业大学硕士毕业论文 移动i p v 6 的移动性管理策略研究 传还将浪费带宽并造成拥塞。因此，有必要对标准的移动i p 切换技术基于无缝切 换的两个性能指标来加以改进，实现移动i p 对无缝切换的支持。 3 、安全性问题1 ：移动i p 是否能得到广泛的应用，其中一个需要解决的关 键问题是安全性问题。目前，移动i p 中采用了多种认证机制和加密方法来防止恶 意攻击，在很大程度上克服了移动i p 中的安全隐患。但是，还存在很多安全问题 没有得到很好的解决，例如，密钥的管理和分配以及防止拒绝服务攻击等。当前 安全问题的研究目标是如何利用各种安全手段来提供最优的安全性能。由于强密 码方案是通过牺牲网络性能来提高安全性能的，因此应在安全性能和网络性能之 间进行寻找平衡，根据实际需要来选择合适的安全策略。 4 、无线链路带宽低及误码率高的问题 移动节点连至i n t e m e t 的链路通常是无线链路，这种链路与传统的有线网络相 比，其带宽低，误码率高。当移动i p 网络的移动节点数目较多时，移动节点、对 端节点和家乡代理之间的绑定更新消息和其它安全认证消息占用过多的网络带 宽，而无线网络的带宽一般是非常宝贵的资源，所以必须尽可能减少网络带宽的 开销；同时，无线链路较高的误码率及节点的移动性对t c p 的性能造成了很大的 影响，t c p 协议认为几乎所有的数据包丢失都是由于拥塞引起的，当数据包发生 错误或丢失时，t c p 就认为网络发生了拥塞，从而调整发送窗口来降低数据的发 送速率。但这种假设对移动i p 中的t c p 协议并不成立，因为误码率较高的无线链 路经常会引起数据传输错误，并且频繁移动的节点可能在数据包到达前就离开了 原来的位置，从而引起数据包的丢失，而t c p 会错误地将这些数据丢失归咎于网 络拥塞，从而降低发送数据的速率，使得t c p 的性能在移动i p 环境下变得很差。 并且，由于无线链路检验每个数据包的源地址，而移动节点的数据包家乡地址与 外地网络的转交地址不一样，从而导致防火墙阻截i p 隧道数据包。 5 、q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，服务质量) 保障问题 随着移动业务的不断开展，通过移动i p 开展实时业务的需求也日益迫切。 但是无线网络的资源相对匮乏，特别是当移动节点不断改变位置且作为接收者 时，向它提供实时业务将变得非常困难。现有的q o s 体系结构包括集成服务模 型和差分服务模型，它们都没有考虑移动环境下的q o s 保证，必须进行适当修 改。可行的方法是采用修改过的一种单向信令协议资源预留协议( r e s o u r c e r e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p ) 。由于r s v p 只在一条特定路径上预留资源，通信 对端到移动节点路径的经常变化意味着移动节点每次切换链路时都要重新进行 资源预留，因此每当移动节点移动时，它便会重新为从家乡代理到转交地址的路 径预留资源。同时又由于移动i p 使用隧道技术及以所采用的a h ( a u t h e n t i c a t i o n h e a d e r ，鉴别报头) 和e s p ( e n c a p s u l a t i n gs e c u r i t yp a y l o a d ，封装安全性有效负 载) 等安全手段，使得中间路由器很难识别出数据包的种类进行资源预留，为此 r s v p 通过增加一个传输层报头，利用传输层协议的端口号来区分不同的数据包。 浙江工业大学硕士毕业论文移动i p v 6 的移动性管理策略研究 因此在移动i p 中进行资源预留的代价将会很高。 6 、移动i p v 6 以i p v 6 技术为主导的下一代互联网，将彻底解决i p v 4 协议造成的地址危机， 能使地球上的每一粒沙砾都拥有一个i p v 6 地址，让后起的国家获得一次重新“洗 牌”的机会，从而实现真正的“端到端”连接，大大提高网络的服务质量、安全 性和传输速度。所以目前全世界各国及各个大移动通信设备制造商都对i p v 6 投 入了巨大的热情。爱立信于1 9 9 9 年购买了丹麦一家生产了世界第一台支持i p v 6 路由器的公司，并于2 0 0 0 年1 2 月，与全球首家推出w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o n p r o t o c o l ，无线应用协议) 服务的经营商香港数码通公司和b tw i r e l e s s 公司 在移动互联网上成功进行世界首次端对端1 1 0 测试：1 9 9 9 年下半年，诺基亚在 中国联合网c e r n e t ( c h i n ae d u c a t i o na n dr e s e a r c hn e t ，中国教育科研网) 建 立了i n e m e t 一6 合作项目，在全国范围内使用诺基亚提供的i p 路由器和i p v 6 软件 建立实验网络，力图使其成为全球最先进的全国性i p v 6 网络，2 0 0 1 年4 月，诺 基亚( 中国) 投资有限公司举办了第二届中国i p v 6 高级研讨会，并展示了其移动 i p v 6 演示系统。诺基亚已经推出了全球第一台全l p 概念的i p v 6 产品，并在日本 千叶市幕张m e s s e 国际会展中心演示了支持i p v 6 的移动通信技术m o b i l ei p v 6 ”， 欧洲的通信运营商和通信设备制造商目前正在促进将i p v 6 运用到移动电话上的 “a 1 1 i p ”开发，诺基亚此次也正是利用m o b i l ei p v 6 的演示来展示a 1 1 i p 技术方 面的进展的；日本自1 9 9 5 年起每年投入数亿美元，计划在2 0 0 5 年实现所有互联 网的i p v 6 过渡，目前已经有一批厂商、运营商、应用服务提供商成为了世界i p v 6 领域的领跑者；欧洲于2 0 0 0 年确定i p v 6 为e e u r o p e2 0 0 5 计划的核心，在3 g p p ( t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i p ) 下一代移动技术中采用i p v 6 技术，每年投入数亿 欧元预算；韩国自2 0 0 0 年资助i p v 6 的研发和推广，预计在2 0 1 1 年实现全部网 络的纯i p v 6 过渡；2 0 0 3 年6 月美国国防部宣布，投入专项资金3 0 0 亿美元，在 2 0 0 8 财政年度将军网全面实现向i p v 6 网络过渡，并自2 0 0 3 年1 0 月开始所有新 采购的设备必须支持i p v 6 ；中国面对i p v 6 带来的机遇与挑战也不甘落后，1 9 9 8 年，中国教育网( c e r n e t ) 正式参加国际下一代试验网，并建成了国内第一个 i p v 6 试验床。2 0 0 4 年1 2 月2 5 日，世界上规模最大的纯i p v 6 互联网第二代 中国教育科研网( c e r n e t 2 ) 三式开通。如今，第二代c e r n e t 2 己经与国内2 0 个城市的1 0 0 所高校相连通，进行着一系列宽带视频广播、模拟仿真、移动式应 用和大容量、高可靠性的数据传输试验，并为国产设备提供测试和应用环境。i p v 6 对未来必将产生深远的影响，因此移动i p v 6 将成为移动i p 技术发展的必然趋势。 目前，移动i p 的标准化工作还在制定之中，而研究工作者对于移动i p 应用问 题的研究也是不遗余力，主要集中在以下几个方面： 1 、移动i p 在m p l s 网络中的应用f l o 】【2 5 】1 9 m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 技术是将分层网络的第二层交换和第 4 浙江工业大学硕士毕业论文移动i p v 6 的移动性管理策略研究 三层路由结合起来的一种快速包交换技术。多协议是指该协议支持多种协议的传 送，标签交换是指该系统的转发依赖于标签。m p l s 实际上是一种分类转发的技 术，它将具有相同转发处理方式( 目的地相同、使用的转发路径相同、具有相同 的服务等级等) 的分组归为一类，这种类别就称为转发等价类( f o r w a r d i n g e q u i v a l e n c ec l a s s ，f e c ) 。属于相同转发等价类的分组在m p l s 网络中将获得完 全相同的处理，这些分组在入口节点被贴上相同的标签( l a b e l ) ，经过中间节点的 时候，中间节点检查标签以决定下一跳节点，同时执行“标签交换”的过程，用 输出标签替换输入标签，用于下游节点区分不同的f e c 。 全i p 移动通信网络必须能够在各种基础设施上动态有效地传输流量。同时需 要提供可靠性控制，支持流量工程技术和端到端的q o s 。基于这些考虑，m p l s 作为最通用的解决方案能够解决下一代移动通信网络面临的问题，如带宽管理， 伸缩性，q o s 管理和流量工程。但是基本的m p l s 并不支持移动性管理，移动i p 和m p l s 结合将使m p l s 网络具备了支持i p 移动性的能力，不仅能满足用户的移动 性要求，而且可以为用户服务提供q o s 保证。 目前主要有两种基本模型：一是传统的m p l s 与移动i p 结合的方案，它只考 虑对用户宏移动性的支持；另一种是m p l s 与分级移动i p 的结合，即h m p l s ， 用于解决用户的微移动性管理。这是一个新的研究领域，并且日益成为研究的热 点。 2 、移动i p 在移动通信系统中的应用【( 2 7 j 4 0 1 3 6 】 移动通信技术正由2 g 向3 g 平滑过渡，目前处于2 5 g 时期。而3 g 的建设 工作己经在全球范围内展开。目前i p 网络带宽有限，限制了移动i p 接入速度和 功能的发挥。进入3 g 后，随着制约因素的逐步消除，移动i p 的应用会越来越广， 移动i p 的功能将得到充分发挥。在移动环境下提供因特网服务正是第三代移动 通信系统的主要业务特征。i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，国际电 信联盟) 在i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 0 ) 中规定， 第三代移动通信以i p 网络作为核心网络，必须支持i p 分组业务；著名的移动通 信设备制造商摩托罗拉公司同著名计算机厂商s u n 公司共同开发基于i p 的无线 网络；a t & t 、e r i c s s o n 、l u c e n t 、n o k i a 等9 大公司合作，专门研究开发基 于采用第三代移动通信技术的无线网络的i p 协议，这个组织被命名为3 g i p 。这 些公司支持基于全i p 网络结构的下一代无线业务，例如语音、高速数据和因特 网接入以及图像和视频会议等。这种全i p 网络结构将由基于通用分组无线系统 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的通用核心网络逐渐过渡。近几年来，g p r s ， w l a n ，c d m ai x 技术正在得到广泛的发展与完善，都推动着移动i p 技术的发 展，并为移动i p 业务的技术实现提供了平台。 4 g 时代，移动i p 将作为主流技术得到普及应用，因为4 g 系统的无线连接速 率在初期就可达到拨号调制器的9 0 倍，是目前移动上网速率的3 0 0 倍，下载速率 浙江工业大学硕土毕业论文移动i p v 6 的移动性管理策略研究 可达5 1 0m b s 。4 g 技术将促进移动通信和i p 的进一步融合，使移动i p 和移动互 联网实现统一。在未来的全i p 的移动通信系统中，运营商提供给用户的内容将更 加丰富，费用也更加低廉。首先，在全i p 网络中，语音、短信和其他一些通信业 务基于i p 包交换技术，无疑将导致通信成本的降低，用户可以支付更少的费用来 享受同等质量的服务；其次，通过i p ，用户可以非常容易地把新型通信业务和传 统的语音业务结合在一起，这样就可以通过i p 网络来同时传输各种信息，满足通 信双方多方面的需要，让用户交流起来更加方便和生动。移动用户的高速接入、 网络用户的灵活移动将成为通信的最主要最普遍的业务途径，移动i p 将发展成为 通信产业应用最为普及的主流技术。 3 、移动i p 在v p n 中的应用【1 8 i d l 】 商业应用中除办公应用外，移动商务应该是最主要最有潜力的应用。利用移 动i p 技术可以很方便地实现远程访问v p n ( v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ，虚拟专用 网络) 技术。安装了移动i p 服务器的子网之间可以通过隧道方式进行通信，移 动用户也可以通过隧道方式与企业网进行通信，它实际上己经部分实现了v p n 的功能。 基于i p s e c 的v p n 网络，实现了移动i p 的构想，使得移动节点具备移动i p 以及 i p s e c 传输模式的操作能力，以保证节点与网关之间无线信道的安全通信，这样 也避免了在链路层进行安全处理的开销；对于安全网关，除了具有全部i p s e c 的 操作能力( 包括传输模式和隧道模式) 以外，也要支持移动i p ，具体就是作为本 网段移动节点的家乡代理的能力，以及作为其它网段移动节点的外地代理的能 力。因此整个保密网，包括安全网关、移动主机，都使用i p s e c 体系进行一致的 安全规划，统一管理。 西电捷通通信有限公司在这方面的应用处于较高的水平，该公司已经成功地 研制了具有自主知识产权的天畅移动i p 系统，相比传统的i p s e cv p n 、s s lv p n 等具有更多的优点。 4 、移动1 p 在w l a n 中的应用1 4 2 1 尽管w l a n ( w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k ，无线局域网) 除去了缠绕在局域网中 的线缆，使用户有了一定的自由，但在跨网段移动方面还是力不从心，而且目前 w l a n 服务覆盖的区域都很有限，用户经常会漫游出服务区。正是由于其移动 的狭隘性，才使得w l a n 无法被更广泛地应用。为满足用户跨网段漫游的要求， 当将允许进行w l a n 访问的服务区域从“点，发展成“面”，并且要求向用户提 供操作和性能两方面的透明性的时候，必须要采用某种关键技术才能解决。移动 i p 正好提供了独一无二的、维持会话的能力。从一个连接点到另一个连接点的 无缝转移，不需要用户干预和用户资料，移动i p 是第一个提供这种透明移动性 的协议。从有线网络到无线或w l a n 的漫游也非常方便。w l a n 加移动l p 的 应用可以使用户更加自由。 6 浙江工业大学硕士毕业论文 移动i p v 6 的移动性管理策略研究 1 3 移动i p v 4 的缺陷及移动i p v 6 对移动性的支持 自2 0 世纪9 0 年代以来，移动i p v 4 所获得的空前成就，就已经证明了它的设计 是非常成功的，灵活而富有生命力的l p 设计，能够连接各种规模的网络并保证它 们之间的通信。然而，由于受i p v 4 协议最初设计出发点的限制，在此基础上形成 的移动i p v 4 技术并不完美，在地址空间、三角路由、网络服务质量、安全性以及 对移动通信的支持等各方面都存在着缺陷，使得它逐渐无法满足新的计算机和通 信技术的要求，因此出现了基于i p v 6 协议的新一代移动i p v 6 技术。与此同时，地 址的分配由于历史的原因存在着明显的不公平，发展速度越来越快的亚太地区因 得不到足够的地址而受到束缚。地址问题直接促使新的i p 协议的产生。另一方面， 越来越多的i n t e m e t 访问来自移动设备，比如移动电话、便携式计算机等等。事实 上，移动通信技术正在层出不穷。由于i p 网络能够提供固定或移动应用的数据、 声音和其它多媒体网络的会聚层，新的移动技术l 时i i g s m ，w a p ，g p r s 等都 是基于i p 的。因此，i p 协议的演变升级直接影响着移动通信在i n t e m e t 通信技术的 许多方面。 1 9 9 8 年1 2 月i e t f 经过进一步的研究，推出了i p v 6 的第二版规范r f c 2 4 6 0 i n t e m e t 协议第六版规范，取代了1 9 9 5 年1 2 月制定的r f c l 8 8 3 。i p v 6 协议 提供了1 2 8 位的i p 地址，足够的地址空间和i p v 6 即插即甩的特性使得i p v 6 对 移动性的支持易于i p v 4 。2 0 0 0 年1 月i p v 6 论坛加入3 g p p ，确立了i p v 6 作为移 动i n t e m e t 的基本协议。随着国际标准的确定，i p v 6 必将在移动领域发挥巨大的 作用，它的主要特性对于未来的移动无线网络的发展非常重要，可以从以下几方 面来看： 1 、地址问题 根据i e t f 的估计，基于i p v 4 的地址资源将会在2 0 0 5 年枯竭，而i p v 6 的1 2 8 位地址格式可以支持的i p 地址数量为1 0 亿的平方，这足以为地球上的每粒沙砾 都分配一个地址，从而彻底解决地址枯竭的问题。另外，采用移动i p v 6 之后将 不再需要n a t ( n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n ，网络地址转换) 技术，这将使移动 i p v 6 的部署更加简单直接，由于不再需要管理内部地址与公网地址之间的网络 地址翻译和地址映射，使得网络的部署工作只需要管理比移动i p v 4 少的网络元 素和协议即可。 2 、路由优化 在移动i p v 6 中首先解决了在i p v 4 中的“三角路由”问题，因为在移动i p v 6 中，通过修改数据包的目的地址允许任何通信对端和移动节点之间直接路由数据 包。这样就减低了家乡代理和家乡链路的负担。 3 、地址自动配置p u j 移动i p v 6 中主机地址的配置方法要比移动i p v 4 中的多，任何主机i p v 6 的 7 浙江工业大学硕士毕业论文移动i p v 6 的移动性管理策略研究 地址配置包括无状态自动配置、全状态自动配置( d h c p v 6 ) 和静态地址。地址 自动配置有两个优点：一是意味着在移动i p v 6 环境中的编址方式能够实现更加 有效率的自我管理，使得移动、增加和更改都更加容易；二是显著降低了网络管 理的成本。 4 、邻居发现协议l j l j 邻居发现协议是i p v 6 协议的一个基本的组成部分，r f c 2 4 6 1 ( ( n e i g h b o r d i s c o v e r yf o ri pv e r s i o n6 ( i p v 6 ) 是邻居发现协议的标准文本，邻居发现协议的 主要目的是寻找同一链路上邻居的链路地址、寻找能为其转发数据包的路由器、 判断哪些邻居是可以连通的、检测邻居的链路地址变化，以及提供当路径或路由 器不可达时的替换策略。邻居发现协议实现了i p v 4 中的a r p 协议( a d d r e s s r e s o l u t i o np r o t o c o l ，地址解析协议) 、i c m p ( i n t e r a c tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ， 因特网控制报文协议) 中的路由器发现部分、重定向协议的所有功能，并进行了 一定的扩展。邻居发现协议解决了连接在同一条链路上的所有节点之间的互操作 问题。 邻居发现协议与i p v 4 协议相应部分相比较，在性能方面有了很大的改善。 首先，在i p v 4 中实现由i p 层到链路层地址的解析是基于链路层的广播机制来实 现的；而在i p v 6 中这一过程是基于i p 层的多播机制实现的，这使得在地址解析 过程中受到地址解析所发送包影响的节点数大大减少，而且非i p v 6 节点根本不 受其影响。其次，由于a r p 是基于网络广播机制工作的，数据包由l l c ( l o g i c a l l i n kc o n t r o l ，逻辑链路控制) 网桥进行转发，在一个比较大的站点范围内，这 会占用大量的带宽，并且有时还会引起“广播风暴”；在i p v 6 的邻居发现协议中， 路由器宣告消息会带着自己的链路层地址，还会带着本地链路的前缀，从而避免 了每个节点配置自己的子网掩码。再次，a r p 是不安全的，没有办法保证回应 a r p 探寻消息的节点就是用户想要的节点，这有可能导致发往一个节点的数据 包被另一个节点窃听到；而邻居发现协议运行在i p v 6 之上，它属于网络层协议， 它的安全性可由i p v 6 的安全性来保证。最后，a r p 运行在数据链路层，不同的 网络介质需要有不同的a r p ，例如，以太网a r p 与f d d ia r p 就不完全相同； 而邻居发现协议运行在网络层，与介质无关，任何网络媒介都可以运行相同的邻 居发现协议。 5 、扩展头部 为了更有效更清晰地处理网络层的可选操作，i p v 6 使用了一系列的扩展头 部( e x t e n s i o n sh e a d e r ) 来取代i p v 4 的选项域，比如路由头部，认证头部等等。 在这些扩展头部中，目的选项头部( d e s t i n a t i o no p t i o n sh e a d e r ) 定义了仅由数 据包的最终目的节点处理的选项，它携带的最重要的功能是移动节点的家乡地址 和转交地址的绑定，可以用来支持移动。扩展头部的使用集中体现了i p v 6 的设 计思想，它把网络层的各种选项要求和功能上的扩展性很好地集成起来：同时 8 浙江工业大学硕士毕业论文 移动i p v 6 的移动性管理策略研究 i p v 6 报头组织更为合理有序，减少了对可选信息不必要的处理开销。 6 、服务质量提高 i p v 6 提供了两个头部域来显示地支持服务质量，分别是流标记域( f l o w l a b e l ) 和通信量类型域( t r a f f i cc l a s s ) 。其中流标记域可以有效地应用于 i n t s e r v r s v p 服务模型：而通信量类型域则可以在区分服务中定义不同类型的通 信量，类似于i p v 4 中的t o s 。如何使用这些域还取决于当前的研究发展与应用 需求。但是无论如何，它们都提供了层次性传输实时数据的可能性。这一点对于 移动应用是非常重要的，因为移动链路通常是带宽与可靠性都远不如有线链路的 无线链路，这就尤其需要对通信量依据其不同服务质量要求进行传输。 7 、家乡代理地址发现 移动i p v 6 中，动态家乡代理地址发现机制使用i p v 6 泛播地址，仅返回单个 应答给移动节点，而移动i p v 4 使用广播分组机制，家乡链路上的每个家乡代理 都给移动节点返回一个应答。由于实际上只有一个应答分组返回到移动节点，移 动i p v 6 机制更加高效和可靠，并且不存在应答爆炸问题。 8 、内嵌的安全机制 虽然两种i p 标准目前都支持i p s e e ，而且在今天的移动i p v 4 网络中已经使 用了i p s e c ，但是移动i p v 6 是将安全作为标准的有机组成部分，安全的部署是在 更加协调统一的层次上，而不是像i p v 4 那样通过叠加的解决方案来实现安全。 通过移动1 p v 6 可以实现远程企业内部网的无缝接入，并且可以实现永远连接。 此外，i p v 6 还具备其它重要的优点，如支持规模更大的网络结构，改进了数 据安全性和完堑眭，具有数据组播和更有效的网络路由聚合等功能。i p v 6 己被认 为是下一代互联网络协议核心标准之一。 1 4 主要内容与创新之处 本论文研究的是移动i p v 6 的移动性管理策略，主要创新之处在于：在基本分 层移动i p v 6 的基础上，引入了多步寻呼功能，并采用遗传算法提出了两种改进的 寻呼区域划分算法，并通过数值实验与基本的分层移动i p v 6 和支持单步寻呼功能 的分层移动i p v 6 进行比较分析，证明了本文提出的移动性管理策略在节约移动 i p v 6