现代计算机网络原理_13：移动ip技术

2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,1,现代计算机网络原理_13移动IP技术,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,2,第十五章 移动IP,1、移动IP需求移动IP：Mobile IP移动IP的技术背景互联网技术和应用的普及计算机技术的发展：笔记本电脑的普及应用移动通信技术的发展和普及，智能移动终端现代无线通信技术的发展：宽带数字无线通信WPAN、WLAN、WMAN、W应用需求经济全球化，人的活动更为频繁、范围更加广阔移动办公、娱乐：人们希望在任何时间、地点和条件均可接入网络,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,3,第十五章 移动IP,2、无线通信技术的发展状况,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,4,第十五章 移动IP,3、移动IP的基本概念移动IP是一种在网络层解决移动问题的方案；移动IP可以在同构或者异构的传输媒质中应用，移动IP与经典的IP协议一样，并不定义链路层和物理层的技术；移动IP协议可以运行在包括现有的网络链路层和物理层技术之上。在经典的IP协议中，节点的IP地址的网络编号必须与其所在的网络相适配；移动IP协议所定义的移动性主要体现在，采用一个IP地址，就可以在整个互联网上与网络上的其它节点通信；既便在移动节点在跨越不同的子网时，也可以保持原有通信的连续性。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,5,第十五章 移动IP,3、移动IP的基本概念移动IP是一种在网络层解决移动问题的方案；移动IP可以在同构或者异构的传输媒质中应用，移动IP与经典的IP协议一样，并不定义链路层和物理层的技术；移动IP协议可以运行在包括现有的网络链路层和物理层技术之上。在经典的IP协议中，节点的IP地址的网络编号必须与其所在的网络相适配；移动IP协议所定义的移动性主要体现在，采用一个IP地址，就可以在整个互联网上与网络上的其它节点通信；既便在移动节点在跨越不同的子网时，也可以保持原有通信的连续性。移动IP协议与原有的TCP/IP协议栈中的传输层和应用层协议完全兼容。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,6,第十五章 移动IP,4、移动IP的关键技术问题位置问题：移动IP节点如何发现本身是处在本地还是在外地，处在外地的什么网络；寻址问题：移动IP节点如何用一个自身的IP地址在外地网络中接收数据和发送数据；切换问题：移动IP节点移动至某两个或两个以上的网络的交界处时，如何解决切换和通信的连续性问题；兼容性问题：如何保证移动IP协议与原有的IP协议共存和互通；安全性问题：如何保证移动IP节点受到的安全威胁不会比普通的IP节点更大；效率问题：不会因为移动IP的引入导致大量的附加控制信息的增加。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,7,第十五章 移动IP,5、移动IP的协议标准,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,8,第十五章 移动IP,6、移动IP协议的有关术语移动性(mobility)：一个节点可从一个子网移动到另一子网而保持其原有所有通信进程的连续性的能力。移动节点(mobile node)：可用固定的IP地址实现移动性的主机或路由器；家乡地址(home address)：分配给移动节点的永久地址，该地址不随节点的移动而改变；家乡网络(home network)：移动节点的归属网络，网络号与家乡地址的网络号相同；家乡代理(home agent):当移动节点离开家乡网络时，家乡网络中负责截获发往该移动节点的IP包，并转发给移动节点的特定主机或路由器；外地网络(foreign network)：移动节点离开家乡网络后所在另一网络；,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,9,第十五章 移动IP,6、移动IP协议的有关术语外地代理(foreign agent)：移动节点所在外地网络上，负责接收和转发移动节点IP包的外地网络主机或路由器；移动代理：家乡代理和外地代理的统称；转交地址(care of address)：移动节点在外地网络上用于标识自己而使用的临时地址；隧道(tunnel )：一个IP包被封装在另一IP包的净荷中进行传输所经过的路径。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,10,第十五章 移动IP,7、隧道的基本概念在隧道入口对IP包进行封装在隧道出口对IP包进行解封,Header,Payload,Header,Payload,Header,IPsrc = Original SenderIPdst = Ultimate Destination,Original IP Packet,Encapsulating IP Packet,IPsrc = Tunnel Entry-PointIPdst = Tunnel Exit-Point,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,11,第十五章 移动IP,7、隧道的基本概念移动IP隧道的起点与终点,Mobile Node,Foreign Agent,Home Agent,Tunnel start,A tunnel from a home agent to a foreign agent,Internet/Intranet,Tunnel end,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,12,第十五章 移动IP,8、移动IP系统实体与相互间的关系本地和外地代理可以是主机或者是路由器,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,13,第十五章 移动IP,9、转交地址转交地址(care of address)是一个IP地址；转交地址是一个移动节点所在的外地网络/链路上的IP地址，用于标识移动节点的当前位置；移动节点从一个外地链路移动到另外一个外地链路时，转交地址也将发生相应的变化；由家乡代理送往转交地址的IP包可以通过现有的路由机制实现转交地址就是连接家乡代理和移动节点的隧道的出口地址,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,14,第十五章 移动IP,10、转交地址的类别外地代理转交地址(Foreign Agent Care-of-Address)外地代理转交地址是移动节点外地代理的某个IP地址外地转交地址通常被多个移动节点共用外地转交地址的工作方式较节省地址空间，Mobile IPv4推荐使用配置转交地址(Collocated Care-of-Address)配置转交地址是外地网络的某个IP地址配置转交地址是外地网络临时指定给某移动节点的IP地址某个配置转交地址在某个时刻只能由一个移动节点使用当外地链路上没有外地代理时，可以使用这种转交地址配置转交地址较适合在IP地址丰富的Mobile IPv6中使用,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,15,第十五章 移动IP,11、移动IP的基本工作原理移动节点移动到外地网络/链路时，设法找到一个外地代理，获得相应转交地址将转交地址报告家乡代理家乡代理知道特定的节点已经离开本地网络，移动到转交地址所对应的外地网络家乡代理在本地设法截获发给移动节点的IP报文家乡代理将截获的IP报文发到转发地址对应的网络移动节点设法获得转发地址发给自己的IP报文移动节点要发送数据时，通常将外地网络上的路由器作为缺省的网关，也可发往外地代理后转发。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,16,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程移动节点在外地链路/网络的工作过程包括三个阶段 (1)代理搜索/发现：移动节点可以监听网络的状态或者发起查询，判断自己的位置，获得外地代理发出的转交地址的信息；(2)注册：移动节点向外地代理发出服务注册请求，请求获准后，外地代理将转交地址发往本地代理申请注册，本地代理发回注册的应答； (采用Foreign Agent Care-of-Address的工作情形)(3)数据转发：注册完成后，当有IP报文发给移动节点时，本地代理截获该报文，转发给外地代理，再转发给移动节点。 (采用Foreign Agent Care-of-Address的工作情形),2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,17,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程代理搜索/发现机制移动(家乡/外地)代理周期性地广播代理广告消息(Agent Advertisement)；移动节点收到代理广告消息后，即可判断自己是处在本地/家乡网络还是在外地网络；如果是在外地网络，则进一步判断是否移动到一个新的外地网络；移动节点也可主动发送代理查询消息(Agent Solicitation)，代理收到此消息后，应立即发送广告消息,MobileNode,Host,Agent,Host,Agent Advertisements,Link,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,18,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程移动节点的移动位置判断移动代理周期地发布广告消息，移动节点可根据这些消息判断自己的位置；收到原有代理的广告消息可知没有“移动”；收到新代理的广告可知已经发生“移动”；移动节点可以截获网上传送的IP报文判断自己所在的网络；移动节点在规定的时间内没有收到预定到达的广告消息，可估计已经离开了原来的网络，此时可发查询报文进行询问；移动节点每当发现自己已经到达新的网络，都要重新进行注册。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,19,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程移动节点使用外地代理转交地址的注册过程移动节点根据在广告消息中获得的外地代理转交地址向外地代理发出注册请求(Registration Request)；外地代理对注册请求做有效性检查：若没有问题，将注册请求发往移动节点的家乡代理；收到家乡代理的注册应答(Registration Reply)，包括注册成功或失败，都将转发给移动节点；若有问题，外地代理直接向移动节点发送注册应答，告知注册失败的原因。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,20,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程移动节点使用外地代理转交地址的注册过程注册过程的示意图,MobileNode,Agent,Registration Request,Foreign Link,Arbitrary Topology of Routers and Links,Agent,Foreign Agent,Home Agent,Home Link,Registration Reply,1,2,3,4,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,21,12、移动IP的基本工作过程移动节点注册的具体操作过程当移动节点接收外地代理广告消息的同时，可获得外地代理的链路层地址(MAC地址、物理地址)；移动节点向外地代理发出注册请求时，可直接使用该链路层地址于外地代理通信。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,22,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程移动节点使用配置转交地址的注册过程根据某种机制获得外地网络的一个IP地址被动地址配置：向DHCP服务器申请当地网络的IP地址主动地址配置：网络前缀移动节点的MAC地址(IPv6环境)手工配置外地网络当地的IP地址以外地网络的路由器作为缺省网关，向家乡代理发送注册请求,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,23,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程移动节点使用配置转交地址的注册过程注册过程示意图,MobileNode,Registration Request,Foreign Link,Arbitrary Topology of Routers and Links,Agent,Home Agent,Home Link,Registration Reply,1,2,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,24,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程家乡代理的注册处理过程家乡代理收到注册请求后，做有效性(如鉴权等)检查若消息有效，将移动节点的家乡地址与转交地址绑定，回送注册应答表示注册成功；当截获移动节点的IP报文时，利用转交地址作为隧道的出口地址，通过隧道机制转发移动节点的IP报文；若消息无效，向转交地址发送注册应答消息，指示注册失败。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,25,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程使用外地代理地址时的注册应答处理过程外地代理收到注册应答消息后先做有效性检查若检查通过，将应答消息转发给移动节点，同时建立移动节点的列表，准备作为该移动节点的隧道出口；若检查没有通过，外地代理发送注册应答消息给移动节点，指示注册失败；当出现注册失败的情形，移动节点可根据注册失败的原因(代码)，确定是否可以尝试重新注册。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,26,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程移动节点的IP报文接收过程在移动IP系统中，网络原有的路由机制不变，路由协议与普通IP网相同；其它节点并不需要知道移动节点是否已经发生移动，发给移动节点的报文按照原有的方式发往移动节点的家乡网络；,Router,Router,Router,Home agent,Home agent update:I can reach all destinations with network-prefix equal tomobile nodes home address,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,27,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程移动节点的IP报文接收过程(续),Router,Router,Router,Home agent,Host,Home link,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,28,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程移动节点的IP报文接收过程(续)发给移动节点的IP报文按照通常的方式到达移动节点的家乡网络时；若家乡代理是路由器，可自动截获发给移动节点的IP报文，通过隧道方式对报文进行转发；若家乡代理不是路由器，则该代理通过响应移动节点的ARP的地址解析消息，截获移动节点的IP报文；然后通过隧道方式对报文进行转发。,router,router,Mobile Node,Foreign Agent,Home Agent,Internet/Intranet,MobileNode,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,29,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程移动节点的IP报文接收过程(续)使用外地代理转交地址时的转交方式：外地代理作为隧道的出口对数据进行拆封，检查访问列表，获得对应的移动节点，将相应的IP报文转交给它。在进行IP报文的转交时，外地代理通过移动节点注册时提供的链路层地址(MAC地址、物理地址)直接交付，不需要移动节点的IP地址。使用配置转交地址时的转交方式：移动节点本身就是隧道出口，直接对嵌套的IP报文进行拆封。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,30,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程移动节点的IP报文接收过程(续)使用不同转交地址时的IP报文转交情形,MobileNode,Agent,Home Agent,Router,Agent,Host,Router,Router,Router,Router,MobileNode,Foreign Agent,Original Packet,Tunneled Packet,Foreign Agent Care-of address Mobile node,Collocated Care-of address Mobile node,Host,1,2,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,31,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程移动节点的IP报文/分组发送(1)当移动节点位于家乡网络时，相当于一个普通的节点，按普通节点发送分组的方式工作；(2)当移动节点在外地网络时若使用外地代理转交地址，则将外地代理作为缺省网关；若使用配置转交地址，则使用外地网络/链路上的某个路由器作为缺省网关。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,32,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程使用外地代理转交地址时移动节点的接收发送工作示意图,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,33,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程使用配置转交地址时移动节点的接收发送工作示意图,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,34,第十五章 移动IP,12、移动IP的基本工作过程移动节点移动状态的注销过程当移动节点从外地返回家乡网络时，向移动节点发出注销注册的请求，家乡代理清楚有关该节点的所有表项，移动节点重新称为普通节点。,De-registration Request,Foreign Link,Arbitrary Topology of Routers and Links,Agent,Home Agent,Home Link,De-registration Reply,1,2,MobileNode,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,35,第十五章 移动IP,13、移动IP协议的控制信息有关移动代理的搜索/发现协议和消息,Agent DiscoveryRFC 2002,ICMP RFC 792,IP RFC 791,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,36,第十五章 移动IP,13、移动IP协议的控制信息有关移动代理的搜索/发现消息Agent Advertisements They are used by agents (home, foreign, or both) to announce their capabilities.They are periodically transmitted as multicasts or broadcasts to each link on which a node is configured to perform as a agent.Agent Solicitations They are sent by mobile nodes that do not have the patience to wait around for the next periodic transmission of an Agent Advertisements.They force any agents on the link to immediately transmit an Agent Advertisement.,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,37,第十五章 移动IP,Agent Advertisement Message,reserved,Lifetime (of this Advertisement),(max.) Registration lifetime,R,Type =9,Code,Checksum,reserved,IP Header,Num Addrs,Addr Entry Size,Router Address 1,Preference 1,Preference 2,Router Address 2,Type =16,Length,Sequence Number,B,H,F,M,G,V,Care-of Address 1,Care-of Address 2,.,Type =19,Length,Prefix-Length1,Prefix-Length2,IPHeader,ICMPRouterAdverti-sement,MobilityAgentAdverti-sementExtension,Prefix-LenExtension(Optional),2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,38,第十五章 移动IP,Agent Solicitation Message,Ver=4,Type of Service,Total Length,IHL,Identification,Flags,Fragment Offset,Time to Live=1,Protocol=ICMP,Header Checksum,Source Address=mobile nodes home address,Destination Address=255.255.255.255 (br.) or 224.0.0.2(Mu.),Type=10,Code=0,Checksum,reserved,IPHeader,ICMPRouterSolicitation,The Agent Solicitation Messages are identical to ICMP Router Solicitations, except for their TTL field set to 1,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,39,第十五章 移动IP,13、移动IP协议的控制信息有关移动代理的广告和查询消息的参数定义IP Header Fields It can be used by a mobile node to determine (according to the network-prefix of the IP Source Address) whether it connected to its home link or a foreign link.ICMP Router Advertisement Fields Type field = 9: it identifies the ICMP message as an advertisement.Code field = 0: router advertisements = 16: Mobile IP agent advertisementsChecksum: to check whether messages error or not Lifetime field: it indicates how frequently this agent sends advertisements,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,40,第十五章 移动IP,ICMP Router Advertisement Fields Num Addrs : it indicates how many Router Address / Reference Level (priority) pairs.Addr Entry Size: it indicates how many bytes each pair contains (for IP, 4 bytes + 4 bytes). Mobile Agent Advertisement Extension FieldsType field = 16: the extension is a Mobile Agent Advertisement Extension.Registration Lifetime R, M, G, V (The data related to registration and routing).R: request registration;M: can accept minimum size of packetsG: can accept GRE type of packets,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,41,第十五章 移动IP,Mobile Agent Advertisement Extension FieldsF = 1: a foreign agentH = 1: a home agent A agent which is both home and foreign sets F =1 & H =1. B = 1: a foreign agent sets it to indicate that it is too busy to accept additional registrations.Prefix-Length Extension Fields There may be several agents in a same link, the Prefix-Length Extension Fields sent by the agent on the same link should be equal. The data can be used by a mobile node to perform “move detection”.,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,42,第十五章 移动IP,13、移动IP协议的控制信息有关移动IP注册的协议和消息,RegistrationRFC 2002,UDP RFC 768,IP RFC 791,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,43,第十五章 移动IP,Type=1,Destination Port = 434,IP Header,Mobile Nodes Home Address,Home Agent Address,Identification,Care-of Address,Optional Extensions ,IPHeader,Source Port,Checksum,Length,UDPHeader,rsv,S,B,D,M,G,V,Lifetime,Fixed-LengthPortionOfRegistra-tionRequest,13、移动IP协议的控制信息有关移动IP注册消息的格式,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,44,第十五章 移动IP,Authenticator (Default equals Keyed MD5),Mobile HomeAuthen-ticationExtens-ion,Optional Extensions ,Security Parameter,Type=32,. Index (SPI),More Optional Extensions ,Length,Mobile Home Authentication Extension is Mandatory,13、移动IP协议的控制信息有关移动IP注册消息的格式(续),2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,45,第十五章 移动IP,Lifetime,Type=3,Code,Mobile Nodes Home Address,Home Agent Address,Identification,13、移动IP协议的控制信息有关移动IP注册应答消息的格式,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,46,第十五章 移动IP,13、移动IP协议的控制信息 有关注册和注册应答消息参数的定义The Functions of the Registration Message FieldsUDP Header Fields: a mobile node selects whatever value it wants for the Source Port field and always set the Destination Port field to 434.Mobile IP Fields:S=1: to ask that it its home agent create or delete a binding for the specified care-of address without affecting any other existing bindings.,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,47,第十五章 移动IP,13、移动IP协议的控制信息 有关注册和注册应答消息参数的定义(续)The Functions of the Registration Message FieldsMobile IP Fields:B=1: to request that the home agent provide it (via a tunnel ) a copy of broadcast packets that occur on the home link.D: D bit is set to 1 to inform the home agent a collocated care-of address and is set to 0 for a foreign agent care-of address.M=1: to request that the home agent use Minimal Encapsulation RFC 2004.,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,48,第十五章 移动IP,Mobile IP Fields:G=1: to request that the home agent use Generic Routing Encapsulation RFC 1701.V=1: if the mobile node and foreign agent can support Van Jacobson Header Compression RFC 1144 across the foreign link.Code field in a Registration Reply indicate success: the registration was accepted by the home agent or the foreign agent;indicate failure: the registration was rejected by the home agent or the foreign agent;indicate the reason for the failures (authentication failures, administrative prohibitions, lifetime too long, and home agent unreachable).,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,49,第十五章 移动IP,Mobile IP Fields:Lifetime fieldA mobile node set it in Registration Request to the number of seconds it would like its registration to last before it expires.The lifetime field in the corresponding Registration Reply tell the mobile node how long the registration actually lasts before it expires.A lifetime of zero indicates that the mobile node wishes to deregister (i.e., delete) the specified care-of address.A lifetime of FFFF(hex) indicates that the care-of address should be registered for infinity.,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,50,第十五章 移动IP,Mobile IP Fields:Identification fieldAllow the mobile node to match Registration Requests with the corresponding Registration Reply.The uniqueness of the Identification field, along with the mandatory Mobile Home Authentication Extension, prevents a Bad Guy from saving a copy of a mobile nodes Registration Request and replaying it at a late time.,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,51,第十五章 移动IP,14、家乡代理IP地址的获取方法询问家乡网络的网络管理人员获得，通过手工进行配置；通过动态探知(dynamically ascertain )的方法获得(1)注册申请向家乡网络进行广播/多播,MobileNode,Foreign Link,Arbitrary Topology of Routers and Links,Agent,Foreign Agent,Home Agent,Home Link,Router,Agent,Agent,Host,Home Agent,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,52,第十五章 移动IP,14、家乡代理IP地址的获取方法通过动态探知(dynamically ascertain )的方法获得(续)(2)所有的家乡代理都会分别作出响应(此时代码域的取值：Code136)，每个独立的响应都携带该家乡代理的IP地址；,MobileNode,Foreign Link,Arbitrary Topology of Routers and Links,Agent,Foreign Agent,Home Agent,Home Link,Router,Agent,Agent,Host,Home Agent,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,53,第十五章 移动IP,MobileNode,Foreign Link,Arbitrary Topology of Routers and Links,Agent,Foreign Agent,Home Agent,Home Link,Router,Agent,Agent,Host,Home Agent,14、家乡代理IP地址的获取方法通过动态探知(dynamically ascertain )的方法获得(续)(3)移动节点获得代理的IP地址后，可选择其中的一个进行注册。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,54,第十五章 移动IP,15、移动节点IP地址的绑定方式当移动节点移动到一个外地网络时，通常在家乡代理中会建立移动节点家乡IP地址与转交地址的一个绑定关系；当移动节点移动到两个外地网络之间时，可能会出现反复注册的“振荡”情况；移动IP为解决这些问题提供了一种机制，移动节点可注册多个转交地址，从而在家乡代理中建立一个家乡IP地址与多个转交地址的绑定关系；家乡代理在转发该移动节点的数据报文时，同时发往相应的多个转交地址；移动节点负责处理收到的重复的数据报文。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,55,第十五章 移动IP,15、移动节点的数据发送问题及解决Mobile IP described in RFC 2002 assume