（信号与信息处理专业论文）mipv6环境下qos信令的改进与仿真实现.pdf

m i p v 6 环境下q o s 信令的改进与仿真实现 摘要 随着i n t e m e t 技术的发展，i p 网络用户数量日益庞大，实时业 务与日俱增。这些业务与传统的i p 业务不同，除了对单纯的信息传 输有要求外，对时延、带宽等也有明确的要求。与此同时，由于移 动通信技术的迅猛发展，实时业务被引入到移动网络环境下，从而 对移动网络环境下的服务质量( q o s 刈u a l i t yo fs e r v i c e ) 保证提 出了新的要求，因此，如何在移动i p v 6 网络中提供q o s 保证是目前 研究的热点。 现有移动i p v 6 的q o s 解决方案大都是基于r s v p 协议，但是 鉴于r s v p 在安全性、灵活性和扩展性等方面面临着诸多问题，本 课题引入下一代信令协议( n s i s 刈e x ts t e p si ns i g n a l i n g ) 。n s i s 根据模块化的要求将信令协议分成两层：信令传输层( n t l p n s i st r a n s p o r tl a y e rp r o t o c 0 1 ) 和信令应用层( n s l p - 刈s i s s i g n a l i n gl a y e rp r o t o c 0 1 ) ，这种体系结构在很大程度上决定了n s i s 的灵活性和可扩展性。 本文的创新点主要在于将n t l p 层协议栈扩展到移动i p v 6 环境 中，最终提出一个n t l p 层协议栈在典型移动i p v 6 环境下的跨层信 令流。主要解决了n t l p 层协议栈在移动i p v 6 环境下的状态管理问 题和传输机制问题。同时在n s 2 网络仿真平台上实现n t l p 协议栈， 并在n s 2 网络仿真平台上评估了n t l p 层协议栈提供的上层信令消 息传输服务的性能。 关键字：信令移动i p v 6 路由变化传输 t h ee x t e n s i o na n dp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o no fq o ssi g n a l i n gi n m o b i l ei p v 6e n v i r o n m e n t a bs t r a c t w l t ht h e d e v e l o p m e n t o fi n t e r n e t t e c h n o l o g y , t h e r e a r ea n i n c r e a s i n gl a r g en u m b e ro fu s e r s a n d g r o w i n g r e a l - t i m es e r v i c e s d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a li ps e r v i c e ，i na d d i t i o nt ot h er e q u e s to f s i m p l ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，t h er e a l t i m es e r v i c e sa l s oh a v ec l e a r r e q u i r e m e n to fd e l a ya n db a n d w i d t h m e a n w h i l e ，d u et ot h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h er e a l t i m e s e r v i c e sa r ea l s oa p p l i e du n d e rm o b i l en e t w o r ke n v i r o n m e n t ，a n dn e w r e q u i r e m e n t so fq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) g u a r a n t e ea r ep r o p o s e di n m o b i l en e t w o r ke n v i r o n m e n t 。t h e r e f o r e ，h o wt op r o v i d eq o sg u a r a n t e e i nt h em o b i l ei p v 6n e t w o r ki sah o tt o p i c t h ee x i s t i n gs o l u t i o n so fo o si nm o b i l ei p v 6a r em o s tb a s e do n r s v rh o w e v e r , d u et or s v p ss h o r t c o m i n g si ns e c u r i t y , f l e x i b i l i t ya n d s c a l a b i l i t y , t h en s i s ( n e x ts t e p si ns i g n a l i n g ) p r o t o c o ls u i t eh a sb e e n i n t r o d u c e di n t oo u rr e s e a r c h p r o je c t a c c o r d i n g t ot h em o d u l a r r e q u i r e m e n t ，t h en s i sp r o t o c o ls u i t ei ss t r u c t u r e di nt w ol a y e r s ：s i g n a l i n g t r a n s p o r tl a y e r ( n t l p _ n s i st r a n s p o r tl a y e rp r o t o c 0 1 ) a n ds i g n a l i n g a p p l i c a t i o nl a y e r ( n s l p 一_ n s i ss i g n a l i n gl a y e rp r o t o c 0 1 ) ，a n dt h e l a y e r e da r c h i t e c t u r ed e t e r m i n e st h ef l e x i b i l i t ya n ds c a l a b i l i t yo f n s i s t h em a i ni n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri st oe x t e n dt h en t l pp r o t o c o l s u i t et om o b i l ei p v 6n e t w o r k s i na d d i t i o n w ep r o p o s eac r o s sl a y e r s i g n a l i n gf l o wo fo u re x t e n s i o n si nt y p i c a ln s i sd e p o y m e n tm o d e l s 。朊f o c u so nt h es t a t e m a n a g e m e n ta n d t h es ig n a l i n g t r a n s p o r t m e c h a n i s m so ft h en t l pp r o t o c o ls u i t ei nm o b i l ei p v 6s c e n a r i o s a n d w ea l s o p r o p o s et h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s t os o l v et h e e x i s t i n g p r o b l e m s t h en t l pp r o t o c o ls u i t eo nn s 2s i m u l a t i o np l a t f o r mh a sb e e n i m p l e m e n t e d w i gt h ed e p l o y m e n tm o d e l s ，w ee v a l u a t et h ep e r f o r m a n c e o fs i g n a l i n gt r a n s p o r ts e r v i c ep r o v i d e db yt h en t l pp r o t o c o ls u i t e k e yw o r d s ：s i g n a l i n gm o b i l ei p v 6r o u t ec h a n g et r a n s p o r t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或 其他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。 申请学位论文与资料若有不实之 本人签名：圣毯兰氢 处，本人承担一切相关责任。 日期：兰兰里：旦墨垄r 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：圣兰峦煎r 期：型里：皇兰：! ! 导师签名：1 诵哆耻 日期：j 尘堕j 坚j 幺二 北京邮电人学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着i p 网络技术和移动通信技术的迅猛发展以及i n t e r n e t 信息资源的日益 丰富，越来越多的用户不再满足在固定地点从i n t e r n e t 检索：传输信息，而希望 能够以更加灵活的方式接人i n t e m e t 中去，不受到时空的限制，移动i p 技术正 是适应这种需求而产生的一种新的支持移动用户和i n t e r n e t 连接的互连技术， 它能够使移动用户在自己位置移动的同时无须中断正在进行的i n t e m e t 网络通 信。而移动i p v 6 t l 】充分利用了i p v 6 自身的移动性能，并结合i p v 6 的优点，简 化和解决了移动i p v 4 中的众多问题。但是移动i p v 6 仍然存在许多问题，关于 移动i p v 6 的宏观移动性和微观移动性( 微观移动主要涉及“无缝”切换，包括 快速和平滑切换) 、服务质量( q o s q u a l 埘o fs e r v i c e ) 、趾气a ( 授权、认 证和计费) 、组播和流量工程等问题是广泛研究的热点。 q o s 信令是当前研究的热点之一，也是支持端到端q o s 技术的一个重要方 面。i e t f 早期提出的资源预留协议【2 】( r s v p 叫e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 通过为特定类型的数据流预留相应的网络资源，以在i n t e m e t 中提供q o s 保证。 但是r s v p 在安全性、灵活性和扩展性等方面面临着诸多问题，如不支持移动 性、只支持接收端发起的资源预留等。为了满足网络信令多样化的要求，需要 一种更为灵活的统一的i p 信令协议体系。2 0 0 1 年1 1 月i e t f 成立了n s i s t 3 ( n e x t s t e p si ns i g n a l i n g ) 工作组，致力于研究下一代信令的需求、体系结构以及协议 实现等问题。n s i s 主要解决沿着数据路径的网络控制状态建立问题，它根据模 块化的要求将信令协议分成了两层：信令传输层( n t l p n s i st r a n s p o r t l a y e rp r o t o c 0 1 ) 和信令应用层( n s l p - n s i ss i g n a l i n gl a y e rp r o t o c 0 1 ) ，这 种体系结构在很大程度上决定了n s i s 的灵活性和可扩展性。 在n s i s 工作组成立之后，多个研究机构和公司致立于n s i s 协议的框架研 究和软件实现。n s i s 协议族内在的新特性和它更广阔的信令应用，引起了一些 研究者和工业界的注意。目前，美国肯塔基州立大学、德国的g o t t i n g e n 大学等 完成了i e t f 的相关协议草案，西门子、诺基亚、n e c 、爱立信、三星还有一些 大学都在研究n s i s 协议族的实现。而本课题侧重于n s i s 协议族，尤其是g i s t t 4 1 协议在移动i p v 6 环境下的扩展研究，在n s 2 t 5 6 1 网络仿真环境上实现该协议， 并进一步做仿真评估该协议的性能。 北京邮电大学硕i j 学位论文 1 2 移动i p v 6 协议框架 1 2 1 移动i p v 6 的基本概念 1 什么是移动i p v 6 简单的说就是移动+ i p v 6 = 移动i p v 6 1 1 。移动i p v 6 保证节点在移动时，外界 能够通过一个固定的i p 地址家乡地址( h o m ea d d r e s s ) 和其他节点保持连 通，这保证了节点的移动对于上层通信应用是透明的。同时由于互联网中数据 包的投递是根据网络层的目的地址来选路的，所以移动i p v 6 中采用转交地址 ( c a r eo fa d d r e s s ) 来表示移动节点在当前网段的可达的i p 地址，使得在现有 的路由模式下通信可达。家乡地址和转交地址的映射，使得上层应用所使用的 网络层标识与网络层路由所使用的目的标识建立对应关系。 2 移动i p v 6 和移动i p v 4 的比较 袁1 1 移动p v 6 和移动i p v 4 的比较 移动i p v 6移动i p v 4 三角由于每个i p v 6 主机都具有通信节所有发送到移动节点( m n 一一 路由点功能，所以与运行移动i p v 6 的 m o b i l en o d e ) 的数据包都由家乡代 问题主机通信时，可以直接使用优化路 理来路由，导致家乡网络负担过重 由，从而避免三角路由问题 地址 地址长度为1 2 8 位，拥有足够多的地址长度为3 2 位，地址紧缺，面 空间地址，能确保每台主机都有一个全临用完的危机，所以使用了外地代 球唯一的口地址理( f a f o r e i 印a g e n t ) ，可以 多个m n 共用同一个转交地址 入口 使用转交地址作为源地址，家乡地m n 在外地因特网服务提供商( i s p 过滤 址包含在家乡地址目的选项中，由 1 1 1 t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r ) 那儿 于在外地链路c o a 是一个有效地使用家乡地址作为源地址，入口过 址，所以可以顺利通过入口过滤滤可能会丢弃这些包 安全i p s e c 是i p v 6 的有机组成部分，可i p s e c 在i p v 4 中是可选部分，移动 认证以对i p 层上的通信提供加密授i p v 4 中只利用这一机制进行移动 权。移动i p v 6 可以为所有安全的i p v 4 登记的认证 要求使用i p s e c ，如授权、数据完 整性保护和重发功能 北京邮电人学硕士学位论文 1 2 2 移动i p v 6 的基本操作 每个移动节点( m o b i l en o d e ，m n ) 都有一个家乡地址( h o m ea d d r e s s ) ， 无论该移动节点具体位置在哪里，该家乡地址都不发生变化。家乡地址唯一的 标识着这个移动节点。无论移动节点在家乡还是在外地，它总是能通过家乡地 址来被寻址的。 当移动节点在家乡时，可以使用通常的路由机制来对发往移动节点的数据 包进行路由。由于移动节点的子网前缀和移动节点家乡链路的子网前缀相同， 所以发往移动节点的数据包将被路由到它的家乡链路。 当移动节点离开家乡链路时，利用i p v 6 7 】“邻居发现”协议，移动节点可以 通过有状态的或无状态的“地址自动配置”机制来获得转交地址，当然也可以通 过其他方法获得转交地址( 如由外地链路的网络管理员事先分配一个i p 地址给 移动节点) 。获得转交地址后要进行重复地址检测( d a d - - - - - - d u p l i c a t e d a d d r e s s d e t e c t i o n ) 确保该转交地址是独一无二的。在这之后，我们将得到一个家乡地 址和转交地址的关联，称之为绑定。m n 要向家乡链路上的一个路由器注册自 己的一个转交地址，并要求这个路由器作为自己的家乡代理( h a h o m e a g e n t ) 。进行注册时，移动节点向家乡代理发送“绑定更新”消息( b i _ b i n d i n g u p d a t e ) ；然后家乡代理向移动节点发送“绑定确认”消息( b a b i n d i n g a c k ) 作为响应。移动节点把这个“绑定更新”消息中的转交地址向家乡代理注册，这 个被注册的转交地址称为移动节点的“主转交地址”。 当通信对端( c n - - c o r r e s p o n d e n tn o d e ) 要发送数据包给移动节点时， 如果它是第一次与m n 通信，还不知道m n 的转交地址时，则以m n 的家乡地 址作为目的地址来寻址，该数据包将被家乡代理所截获，利用“i p v 6 封装”协议 来封装数据包，i p v 6 封装的外部报头的目的地址是移动节点的“主转交地址”， 然后通过隧道传输给移动节点的主转交地址。 m n 收到从隧道传来的数据包时就知道自己还没有与这个通信节点绑定， 就发起一次返回路径可达过程。返回路径可达过程主要目的在于保证通信节点 接收到绑定更新的真实性和可靠性。在此过程成功以后，则向c n 发送绑定更 新消息。此后，c n 可以直接利用m n 的转交地址与之通信，数据包将被直接 路由到在这个外地链路上的移动节点，也叫做路由优化过程，如图1 1 所示。 北京邮电大学硕士学位论文 移动节，卣 甬f 三o i 熹 i 日i i 图1 - 1 三角路由和优化路由 移动节点可以使用一个或多个转交地址，但它的“主转交地址”必须是唯一 的，因为家乡代理只为每个移动节点维护一个转交地址，并且通常都是把数据 包通过隧道传输到移动节点的“主转交地址”。这样的话，家乡代理使用隧道传 输数据包时就不用采取任何策略来决定要利用哪个转交地址作为隧道的出口， 而把这项功能留给移动节点去完成。 当移动节点离开家乡时，家乡链路上的一些节点可能被重新配置，如原来 作为移动节点家乡代理的路由器可能被别的路由器所替换。在这种情况下，移 动节点可能不再知道它自己家乡代理的口地址。为了解决这个问题，移动口v 6 提供了“动态家乡代理地址发现”机制来允许移动节点动态地在家乡链路上发现 一个家乡代理的口地址，发现之后，移动节点可以向这个家乡代理注册自己的 转交地址。 1 3n s i s 协议框架 2 0 0 1 年1 1 月i e t f 成立了n s i s 3 】( n e x ts t o p si ns i g n a l i n g ) 工作组，致力 于研究下一代信令的需求、体系结构以及协议实现等问题。n s i s 工作组提出通 用的控制i p 包传递的信令框架，并为网络实体提供模型。它主要解决沿着数据 路径的网络控制状态建立问题，并根据模块化的要求将信令协议分成了两层： 信令传输层( n t l p ) 和信令应用层( n s l p ) ，这种体系结构在很大程度上决定 了n s i s 的灵活性和可扩展性。 4 北京邮电人学硕士学位论文 n s i s 的性质概括如下： 路径耦合( p a t h c o u p l e d ) ，即信令消息与数据共用一条路径； 不支持组播( m u l t i c a s t ) ； 支持移动性的机制； 可以重用已有的安全机制； 支持各种信令设定，而不只是端对端的； 双层协议体系结构：n t l p 负责在相邻节点间传递信令消息，n s l p 用 于提供各种信令应用； 可扩展性：支持p e r - f l o w p e r - a g g r e g a t e 的预留；支持不同区域使用不同 的q o s 模型；在没有建立预留路由状态的情况下使用n t l p 传输协议。 n s i s 基本的设计思想是把信令传输和信令应用分离开来，将信令协议分为 两层：信令传输层( n t l p - n s i st r a n s p o r tl a y e rp r o t o c 0 1 ) 和信令应用层 ( n s l p - n s i ss i g n a l i n gl a y e rp r o t o c 0 1 ) 。其协议体系结构如图1 2 所示： 图1 - 2 n s i s 体系结构 信令传输层n t l p 包含一个通用的消息层g i s t 【4 j ( g e n e r a li n t e r n e ts i g n a l i n g t r a n s p o r t ) ，用于传输信令应用层的消息，该协议是本论文的核心研究、实现对 象。其主要任务是把信令消息从n s i s 发起方n i ( n s i si n i t i a t o r ) 传输到n s i s 响应方n r ( n s i sr e s p o n d e r ) 。如果终端系统本身不支持n s i s ，可以通过代理 北京邮电大学硕士学位论文 ( p r o x y ) 实现。g i s t 是n t l p 中的通用消息层，它是一种软状态协议，即网 络节点中的控制状态必须不断更新，否则将超时无效。g i s t 运行于标准的传输 和控制协议( 如：t c p t 引、u d p 9 1 、s c t p ，d c c p ) 之上。 信令应用层n s l p 用于执行特定的信令应用功能，包括n s l p 对等实体间 交换消息的格式和处理规则。一个n s l p 只能对应于一个特定的信令应用， n s l p 信令消息通过n t l p 传输。n s l p 不仅支持传统的q o s 资源预留，还可 用于管理不同类型的网络控制状态，例如在m i d d l e b o x e s ( 如n a t f i r e w a l l 等) 中建立与流相关的状态；此外，n s l p 还可用于网络监视、测试、隧道端点发 现等。 n s i s 在设计实现方法上有很多特点：首先，很重要的一点突破在于将对等 体发现与信令消息传输分离开来。r s v p 将对等体发现和信令消息的传输结合 在一起，这种设计方法使r s v p 难于采用已有的标准的安全协议和传输层协议。 而n s i s 在g i s t 中引入了一个对等体发现的功能部件，它可以依赖于i p 路由 器报警选项( i pr o u t e ra l e r to p t i o n ，r a o ) 或其它方法实现。其次，n s i s 中 除了定义了与r s v p 类似的数据流标识( f l o wi d e n t i f i e r ) 外，还引入了一个会 话i d ( s e s s i o ni d ) 。会话i d 是一个加密的随机数，用于唯一地标识一个信令会 话和信令状态，它是独立于流i d 的。一个会话可以映射到一条特定的流，但在 有些情形如移动性支持、多宿主机( m u l t i h o m i n g ) 以及隧道技术和i p v 4 v 6 穿 越情形中，信令应用可能创建更灵活的会话和流之间的映射关系。另外，n s i s 信令可应用于i n t e r n e t 的不同部分。n s i s 扩展了r s v p 端对端的信令模式，网 络的不同部分( 终端节点，域边缘节点，域内节点) 都可以触发和终止信令。 它支持不同类型的信令交换，包括两个终端主机间的e n d t o e n d 信令、域边缘 节点直接通话的e d g e t o e d g e 信令以及终端主机到网络节点的e n d t o e n d 信令。 1 4 课题主要研究目标及内容 本课题来源于华为科技基金项目下一代信令n s i s 在移动i p v 6 环境中 的应用研究。项目的总体目标是：在深入分析移动性对n s i s 协议体系的影响 的基础上，研究n s i s 在移动i p v 6 ( m i p v 卜m o b i l ei p v 6 ) 环境中的协议扩展， 并建立仿真平台( 基于n s 2 5 】1 6 】) 加以验证和性能评估，最终为实现移动i p v 6 网络中端到端q o s 保证和防火墙穿越提出一个较完善的信令解决方案。 项目的研究内容包括：l 、m i p v 6 环境下，对于n s i s 协议的影响和需求； 2 、m i p v 6 环境下基于q o sn s l p 的端到端q o s 保证；3 、m i p v 6 环境下基于 6 北京邮电大学硕士学位论文 n a t f wn s l p 的防火墙穿越。 项目过程中，本人的工作重点，也是本论文的重点主要是如下几个方面： 1 、深入分析n s i s 协议体系中的核心协议栈，n t l p 协议栈，其中尤 以g i s t 协议为重；深入分析移动i p v 6 环境对g i s t 协议的影响， 深入研究相关的解决方案；分析基于g i s t 协议的无状态、轻量级 n s l p 协议- p i n gt o o l ； 2 、 深入分析n t l p 协议栈代码在l i n u x 环境上的实现； 3 、设计n t l p 协议栈在n s 2 上的实现架构；在n s 2 上实现n t l p 协 议栈，并扩展到移动i p 环境； 4 、 依照协议定义，通过n s 2 仿真，对n t l p 协议栈功能实现做分析； 对n t l p 在移动环境中传输上层信令消息的性能做评估。 1 5 论文结构 本课题侧重于n t l p 协议栈，尤其是g i s t 4 】协议在移动i p v 6 环境下的扩展 研究，在n s 2 5 】【6 1 网络仿真环境上实现该协议，并进一步做仿真，评估该协议 的性能。论文结构安排如下： 第一章为绪论，主要介绍移动i p v 6 协议框架、n s i s 协议框架以及本课 题的研究目标； 第二章深入分析n t l p 协议框架、协议设计原则； 第三章深入分析n t l p 协议栈在移动i p v 6 环境中的扩展所遇到的问题 以及相应的解决方案； 第四章为n t l p 协议栈在n s 2 网络仿真环境下的设计、实现； 第五章在n s 2 环境下仿真典型的n t l p 协议框架模型，提出一个移动 环境下新的q o s 信令流程； 最后第六章总结展望。 北京邮电人学顾十学位论文 2 1 基本设计思想 第二章n t l p 协议原理 n s i s 的信令传输层协议n t l p 主要是针对上层不同的信令应用流提供统一 的信令消息传输服务。n t l p 在设计之初并不打算重新设计一种新的传输和安 全协议，信令消息的传输和安全保证是延用已存在并广泛使用的传输和安全协 议( 比如t c p 8 l 、u d p 9 】) 来提供的。同时，n t l p 提供了一种将信令消息传输 和对等体发现分离的机制，这样便于采用标准的传输和安全协议。 图2 1 是n t l p 的协议框架，在其上设计了一个通用的消息层( g i s t 4 1 ， g e n e r a li n t e m e ts i g n a l i n gt r a n s p o r t ) ，该协议是n t l p 协议层的核心协议，也 是本论文的核心研究对象。在g i s t 之下延用已存在并广泛使用的传输和安全 协议。g i s t 本身并不是传输或路由协议，g i s t 主要用于管理n s i s 对等实体之 间的消息路由状态和消息关联状态。消息路由状态和消息关联状态是n s i s 节 点上存储的两类重要的状态，在n s i s 节点上的一切基本消息处理( 比如消息 发送、本地处理、消息接收等) 都基于这两类状态。 ，7 1一 图2 1 n t l p 协议栈设计框架 2 2g i s t 信令协议设计 1 、g i s t 介绍 北京邮电人学硕上学位论文 信令是用来管理、配置和监测网络中节点的状态，包括状态的建立、改变、 撤销。在n s i s 信令协议体系中，g i s t t 4 】层主要用于管理网络中节点的消息路 由状态和消息关联状态。而本文重点研究g i s t 协议在移动i p v 6 环境下的状态 管理和消息传输机制。 根据信令流路径和数据流路径是否一致，信令分为p a t h c o u p l e 信令， l o o s e e n d 信令。g i s t 属于p a t h c o u p l e 信令，即信令流路径事先已经由数据流 路径定义好。 根据是否需要t i m e r ，即定时刷新机制，信令分为软状态信令和硬状态信令。 g i s t 属于软状态信令，即设置有t i m e r ，定时刷新节点状态。 2 、g i s t 总体设计方法 根据路由和传输两个方面来总体设计g i s t 协议。 信令消息的两个方面：( 1 ) 路由；( 2 ) 传输。其中，路由决定了如何到 达相邻的对等节点( t h eg i s tp e e r ) ；传输决定了通过何种方式来传输信令消 息。 路由方面，节点通过本地消息路由状态信息( m e s s a g er o u t i n gi n f o r m a t i o n , m r i ) 来发现g i s t 对等节点。g i s t 通过三次握手的方式在相邻的对等节点之 间建立必要的消息路由状态信息( m e s s a g er o u t i n gi n f o r m a t i o n m r i ) 。 传输方面，一旦路由决定下来，则需要考虑的是通过何种方式来传输信令 消息。有两种方式传输信令消息：( 1 ) 数据报模式d m o d e ，默认传输层用u d p 协议；( 2 ) 面向连接模式c m o d e ，默认传输层用t c p 协议。 3 、g i s t 消息传输模式 g i s t 有两种消息传输模式： 数据报模式( d a t a g r a mm o d e ) ：用于比较小，且不频繁的信令消息传 输，这些信令消息的传输在时延和安全方面没有过高的要求。如果路由 状态不存在的情况下，必须使用这种模式来传输信令消息。 面向连接模式( c o n n e c tm o d e ) ：用于比较大的信令消息传输，需要快 速建立节点之间的状态。同时，这些信令消息在丢包率、安全方面有比 较高的要求。 d m o d e 使用u d p 作为首选来封装信令消息；而c m o d e 使用t c p 作为首 选来封装信令消息。如果安全方面有需求，在网络层可以使用i p s e c ，在传输层 可以使用t l s 。 关于什么时候使用c m o d e ，什么时候使用d m o d e 。主要决定于信令消息 本身的特性以及信令传输的要求。 4 、g i s t 消息路由方法 9 北京邮电人学颁i j 学位论文 在路由方面，主要有两种情形： p a t h c o u p l e ：在这种情形下，信令消息所走的路径和数据流路径一致。 l o o s e e n d ：在这种情形下，信令消息路径和数据流路径不一致。 协议设计及实现中，默任情形是p a t h c o u p l e 。 5 、g i s t 消息类型 这里简单的介绍一下g i s t 消息类型，详细介绍见附录1 。 g i s t 消息有六种消息类型：q u e r y ，r e s p o n s e ，c o n f i r m ，d a t a ，e r r o r 和 m a h e l l o 。所有信令应用的数据都携带在g i s t 消息的净荷( p a y l o a d ) 中。 q u e r y ，r e s p o n s e ，c o n f i r m 主要用于g i s t 的三次握手，用以建立节点的消 息路由状态以及对等节点之间的消息关联。q u e r y 消息由请求节点向响应节点 发出，在响应节点，收到q u e r y 消息后，触发产生r e s p o n s e 消息，并反方向传 输给请求节点。 d a t a 消息用于封装信令应用层消息，通常在发送d a t a 消息时已经建立好路 由状态。 6 、信令会话( s i g n a l i n gs e s s i o n s ) 信令会话用于信令应用层。会话关联特定的信令消息，之所以需要在信令 应用层设计会话的原因如下：在信令应用层作信息( 用于网络控制状态的信息) 交换时，这些信息在节点间交换时需要对其做监控或者相应的配置管理，因此 信令消息就需要与某个信令会话有所关联。信令应用层设计了一个会话标志 ( s e s s i o ni d e n t i f i e r ，s i d ) ，在发送信令消息时，g i s t 都会报告该消息相应的 s i d 。 关于信令消息流和s i d 之间的关系： 属于同一个流的信令消息有同样的s i d ； 消息之前属于某个流，但之后可能改变成另一个流，在这种情况下也可 能使用同样的s i d 。这种情形尤以移动环境下为多； 属于同一个流的信令消息可能有不同的s i d 。 在g i s t 实现中，只要有一个新的s i d 需求，信令应用层就会产生一个新的 s i d 。定义s i d 为一个1 2 8 b i t 的随机序列。 s i d 对g i s t 层处理消息的影响如下： 在同样的g i s t 对等节点之间，有相同s i d 的信令消息都以可靠性方式 传输，并且其消息传输为有序传输( d e l i v e ri no r d e r ) 。 g i s t 通过m r i 、n s l p 、s i d 来标志路由状态。 7 、信令应用标志 在信令应用层会支持不同的信令应用，因此需要一个标志来标志信令应用 1 0 北京邮电大学硕上学位论文 层为何种应用。设计了一个n s l p i d 来标志信令应用。 8 、g i s t 应用场景 s o u r c e i p a d d r e s s = f l o ws o u r c e a d d r e s s g i s t ( a d a j a c e n t ) p e e rn o d e s d e s t i n a t i o n i pa d d r e s s = s i g n a l i n g i pa d d r e s s = s o u r c e d e s t i n a t i o na d d r e s s f l o w ( d e p e n d i n go nt h ed i r e c t i o n ) d e s t i n a t i o n d a t a f l o w a d d r e s s 图2 - 2 g i s t 端到端的信令应用场景 如图2 2 ，端到端的信令应用是f l o ws e n d e r 节点发起的，下面将简单介绍 一下在相邻的对等节点之间( g n l 与g n 2 ) ，在g i s t 层是如何交互信令消息 的。 在g n l ，g i s t 会对信令消息作出判断，看是何种信令应用。同时判断 该信令消息是否有安全方面的需求，或者传输方面的特别需求( 如丢包 率方面) 。最终，需要对该信令消息在网络中下一个对等节点在哪儿作 出判断。 信令消息的净荷在g n l 通过g i s t 层，g n l 会产生一个q u e r y 消息携 带n s l p 净荷，此外会携带一些其它额外的信息用来创建消息关联。 q u e r y 消息使用u d p 方式来封装，之后将消息向整个网络中散发出去。 该消息在网络中使用流目的地址和i p 路由警告选项( i pr a o ) 来寻址。 网络中的各路由器( 节点) 会依此的发现g n l 发出的q u e r y 消息，如 果是g i s t u n w a r e 路由器( 节点) ，不会对该消息作任何处理，将会向 前转发q u e r y 消息，如果是g i s t a w a r e 路由器( 节点) ，但是不支持 该q u e r y 消息标志的信令应用，同样不会对q u e r y 消息作任何处理，仅 仅是做向前转发处理。 q u e r y 消息在网络中会被支持它的信令应用的节点所截获，在本图中是 g n 2 。q u e r y 消息到达g n 2 时，g n 2 在g i s t 层会发现该q u e r y 消息是 和本节点相关的信令应用，它会将该q u e r y 消息中的n s l p 净荷和流标 志符传向本节点的上层( 信令应用层) 作相关处理。g n 2 节点的信令 应用层收到n s l p 净荷后会通知g i s t 层，说明g n l 是它的g i s t 对等 北京邮电大学硕一f ：学位论文 节点，然后在g i s t 层建立相关的路由状态。 此时，在g n 2 节点，g i s t 层会维持g n 2 与g n l 之间的路由状态和消 息关联，以便将来继续和g n l 做信令消息交互。收到q u e r y 消息后， g n 2 也会产生一个r e s p o n s e 消息给g n l 。这会分两种情况：( 1 ) 在 g n l 和g n 2 之间已经存在消息关联。这种情况下，g n 2 只需要记录下 g n l 是它的上游对等节点，同时记录下流标志和信令应用标志，然后 在已有的消息关联( m a ) 之上向g n l 发送一个r e s p o n s e 消息。 ( 2 ) 在g n l 和g n 2 之间不存在消息关联。在这种情况下，g n 2 会以d m o d e 方式给g n l 发送一个r e s p o n s e 消息，告诉g n l 可以在他们之间( g n l 和g n 2 ) 建立消息关联。 2 3g i s t 消息 g i s t 消息主要有四种类型：g i s t q u e r y ，g i s t r e s p o n s e ，g i s t c o n f i r m ， g i s t d a t a 。 g i s t - q u e r y ：n s i s 请求节点向n s i s 响应节点发送的请求消息。只能用数 据报模式封装。 g i s t r e s p o n s e ：n s i s 响应节点向n s i s 请求节点发送的响应消息。可以用 数据报模式和连接模式封装。 g i s t c o n f i r m ：n s i s 请求节点向n s i s 响应节点发送的确认消息。可以用 数据报模式和连接模式封装。 g i s t d a t a ：g i s t 传输上层( n s l p ) 数据。可以用数据报模式和连接模式封 装。 关于g i s t 消息，详见附录1 。 2 4g i s t 消息处理概要 2 4 1g i s ta p l n s i s 为两层架构，很自然在g i s t 和n s l p 之间需要有一个a p i 接口，用 以两层之间的消息传输。关于g i s ta p i 的详细说明见附录2 。需要说明的是： g i s ta p i 和s o c k ea p i 类似，几乎是用u d ps o c k e t 实现。 1 2 北京邮电大学硕上学位论文 2 4 2g i s t 消息传输特性 可靠性( r e l i a b i l i t y ) ：值为t r u e 和f a l s e 。 安全性( s e c u r i t y ) ：标志信令消息传输是否有安全需要。指定该信令 消息需要哪一层的安全保护( 网络层，传输层) ；同时也能指定信令消 息需要鉴权的源端、目的端i p 地址。 本地处理( l o c a lp r o c e s s i n g ) ：用来指定本地策略是否用于该信令消息， 比如说传输优先级。 2 4 3g i s t 消息路由状态( m e s s a g er o u t i n gs t a t e ) 对每一个消息流，g i s t 层都会为其维持一个消息路由状态，用以管理输出 的信令消息。消息路由状态由