（通信与信息系统专业论文）本地移动管理中的路由优化.pdf

! 曼型堂垫查盔兰翌圭堂堕望塞塑要 捕要 夔着无线阙络彝计算棍技术蕊发震，主撬在子嚣翔静移动戒菇强烈豹嚣袋。毽楚传 统的i p 协议不支持主机的移动。因此移动i p 协议作为传统i p 协议的补充，引起了越来 越多貔关注。移动l p 协谡舞决了主机在溪个无线子稠羯移动瓣豹瓣蔻，主要藏瑾是移动 节点请求家多代理将它的家乡地址和在外地子网获得的转交地址绑定起来，然后由家乡 代壤将发送别穆动节焦家乡地城豹摄文转发绘移凑苇点懿转交建垃。姿移动节赢工作在 远离家乡网络的外地予网时，它与家多代理之间的信令交互要跨越核心网络，带来了核 。髑终流量增拥，注浆延对增大筹一系列阕题。耀姥太 f l 提出了本地移动鸷理，在移动 节点的访河城中使用一个本地移动代理暂时代替家乡代理来管理移动节点的移动。移动 节点和透信对端的通信报文都通过本地移动代理避行转发。但是对于位于弼一个域的移 动节点和通倍对端来说。通过本地移动代理进行避信不是使用的最佳路由，由此带来了 网络流量和报文传输延对增加簿问题。本文针对移动p v 4 和移动l p v 6 中的本地移动管理， 分别提出了路由优化算法来实辘最佳路由。 针对i p 俩协议中地址分配的层次性，本文提出在外地子网的路姐器公告中增加m a p 的隧络前缀僚息，通谶将通信对鞴的霹络蘸缀与备m a p 的翔络靛缀迸行嚣酝，鄹断移动 节点和通信对端是否麟于同一予网，以选择合适的m a p 与通信对端进行通信，来实现最 佳鼯由。 对于移动i p v 4 本地移动管理中的路由优化，由于口v 4 网络的地址分配不是层次化的， 本文捷盛巅粼瓣络接a 舔疆搿a 1 ) 来翔凝移动繁赢箨逶蕊对壤是否麟予蠢一伞壤。移雅苗 点和通信对端之间交换域标识请求应答撒文，通过比较域标识，判断是否属于同一个域。 磐聚是，就蠖羯移动蕊熹熬转交遮蛙壹接进舞逶壤。 然后，通过仿真，可以直观的看到进行路由优化的结粜，实现了最佳路由，减少了 投文传羧蕊怒游。 当移动节点在子孵间移动时，它和避信对端之间的位置关系也发生变化。本文在最 后讨论了切换和路由伉纯静关系。 关键字：移动l p v 4 ，移动1 p v 6 ，h m i p v 6 ，移动i p v 4 区域注册，路由优化 星墼兰茎查查鲎堡主兰堡焦苎一 一窟蚩 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r sa n dw i r e l e s sn e t w o r k s ，m o r ea n d m o r e p e o p l 。 w a n or o a mb e t w e e nt h es u b n e t s b u tt h ec o n v e n t i o n a li pp r o t o c o ld o e sn o ts u p p o r tm o b i l i t y , s ot h em o b i l ei pp r o t o c o l ，as u p p l e m e n tt ot h ec o n v e n t i o n a li pp r o t o c o l ，a r o u s e s m o r ea n dm o r e a t t e n t i o n t h em o b i l e 球p r o t o c o ls o l v e dt h ep r o b l e m s ，w h i c ho b s t r u c tt h em o b i l en o d e sm a m b e t w e e nt h es u b n e t s 。i nm o b i l ei p , h o m ea g e n t sb i n dt h eh o m ea d d r e s so f a m o b i l en o d et oi t s c a r e 。o f - a d d r e s ss ot h a tt h e yc a l lt u n n e lt h ep a c k e ba d d r e s s i n gt ot h eh o m ea d d r e s so f a m o b i l e n o d et oi t sc a r e o f - a d d r e s sl a t c hb u tw h e nt h ef o r e i g ns u b n e t sa f ef a ra w a yf r o mt h eh o m e n e t w o r k , t h es i g n a lp a c k e t s m u s tc r o s st h eb a c k b o n en e t w o r k i nt h i ss c e n a r i o ，t h et r a f f i co f t h e b a c k b o n ea n dt h er e g i s t r a t i o nd e l a yi n c r e a s e ，s ol o c a lm o b i l i t ym a n a g e m e n t i sb r o u g h tf o r w a r d t os o l v et h e s ep r o b l e m s i nl o c a lm o b i l i t ym a n a g e m e n t ，t h e r ea r el o c a lm o b i l i t ya g e n t s ，w h i c h s u b s t i t u t et h eh o m ea g e n tt om a n a g et h em o b i l i t yo f t h em o b i l en o d e 遮t h ef o r e i g ns u b n e t s b u t e v e r yp a c k e tb e t w e e nt h em o b i l en o d ea n dt h ec o m m u n i c a t i o nn o d em u s tc r o s st h el o c a l m o b i l i t ya g e n t ，w h i c hb r e a k st h e b e s to rs h o r t e s tr o u t i n g i nt h i sa r t i c l e ，lp u tf o r w a r dm e t h o d s t or e a l i z et h eb e s tr o u t i n gi nt h el o c a lm o b i l i t ym a n a g e m e n t f o rh i e r a r c h i c a lm 转6m o b i l i t ym a n a g e m e n t 。la d dp r e f i xi n f o r m a t i o no fm a pi n t o r o u t e ra d v e r t i s e m e n t ，s ot h a tt h em o b i l en o d ec a r t c o m p a r e t h es u b n e t p r e f i x o ft h e c o m m u n i c a t i o nn o d e 姒如t h em a p s t oc h o o s et h ea p p r o p r i a t em a p w h e nc h o o s i n gt h e a p p r o p r i a t em a p t oc o m m u n i c a t ew i t hc o m m u n i c a t i o nn o d e ，t h eb e s tr o u t i n ga c h i e v e s f o rm 璎v 4r e g i o n a l r e g i s t r a t i o n ，t h e d o n m i ni d e n t i f i e r r e q u e s t r e p l yp a c k e t s a r e e x c h a n g e d b e t w e e nt h em o b i l en o d ea n dt h ec o m m u n i c a t i o nn o d e i f t h em o b i l en o d ea n dt h e c o m m u n i c a t i o nn o d el o c a t ei nt h es a m ed o m a i n , t h e yc o m m u n i c a t eu s i n gt h ec a r e - o f - a d d r e s s o f m o b i l en o d et oa c h i e v et h eb e s tr o u t i n g t h e nf r o mt h er e s u l t so ft h en ss i m u l a t i o n , w ec a l ls e et h a tm ym e 也o d sc a nr e a l i z et h e b e s tr o u t i n gi nl o c a lm o b i l i t ym a n a g e m e n ta n dt h ep a c k e td e l a yb e t w e e nt h em o b i l en o d ea n d t h ec o m m u n i c a t i o nn o d ei sr e d u c o d i nt h el a s tc h a p t e ro f t h i sa r t i c l e ，id i s c u s st h er e l a t i o no f r o u t i n g o p t i m i z a t i o na n d h a n d o f f k e yw o r d s ：m o b i l et p v 4 ，m o b i l ei p v 6 , h m i p v 6 ，m i p v 4r e g i o n a lr e g i s t r a t i o n ，r o u t i n g o p t i m i z a t i o n h 主塑跫登整查查璺璧主璧垡兰塞 墨! 章 第1 章绪论 1 1 因特网( i n t e r n e t ) 发展概况 1 9 8 1 年9 舜毽将网王稳任势缎绥( i m e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 发蠢了檬准瓣范 k f c ( r e q u e s tf o rc o m m e n t s ) 7 9 1 ，规定了世界上凝大的氨联髓i n t e r n e t 的主饕协议靓范 狰v 4 ( i n t e r n e t p r o t o c o l v e r s i o n 4 ) 。扶辩驳嚣，i p v 4 终为璃络的基础设瓣广+ 涎缝疲蠲在 i n t e m e t 和难阻计数的小型专用网终上。 鞫i 一1 1 9 9 1 年裂2 0 0 2 年i n t e m e t 2 芝梳数增长麴线f l i 图1 - 2i n t e r n e t 全球在缝耀户数变纯憨势渊 醚着递僚技术与计箕壤技术豹飞速发鬟，i n t e m e t 撬摸不断扩大，i n t e m e t a 的主税 数、主赠懿入数帮程飞速增筏。圈l i 徐窭了献l 辨1 年至2 0 瓣箨轴把瞄e t 入掰主撬鼓斡增长 里登堂垫查查兰堡主兰堡鲨壅型苹 曲线 1 i ，接入i n t e m e t 的主机已经超过了1 6 0 ，0 0 0 ，0 0 0 台。图i 2 给出了在线用户数统计吐 预计到2 0 0 5 年，在线用户总数可达到l ，0 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 人。 1 2 无线局域i 网( w i r e l e s s l o c a ln e t w o r k ) 发展概况 i n t e m e t 发展之初，用户都是通过固定终端，利用有线电缆或光缆接入i n t e r a c t 。随着 无线网络技术的发展，越来越多的用户开始通过无线终端设备接入i n t e r a c t 。 无线网络的技术范围非常广泛，根据传输的距离，可将其分为几种不同类型：无线 广域网( w i r e l e s s w i d e a c c e s s n e t w o r k ，简称w w a n s ) ，无线城域网( w i r e l e s s m e t r o p o l i t a n a c c e s sn e t w o r k ，简称w m a n ) ，无线局域网( w i r e l e s sl o c a la c c e s sn e t w o r k ，简称 w l a n ) ，无线个人网( w i r e l e s s p e r s o n a la c c e s sn e t w o r k ，简称w p a n ) 。 无线广域网和无线城域网使用的是电信网络的技术，即第二代( s e c o n dg e n e r a t i o n ， 简称2 g ) 系统和正在发展的第三代( t h i r dg e n e r a t i o n ，简称3 0 ) 系统。即使实现3 g ，也只 能达到2 m 的带宽，而视频( v i d e o ) 之类的多媒体业务需要1 5 m 7 m b p s 的带宽p 】，因此无 法满足多媒体业务的需求。无线个人网采用的是蓝牙技术，蓝牙主要是点对点的短距离 无线发送技术，被设计成低功耗、短距离、低带宽的应用，也无法满足很多i n t e m e t 业务 的需求。而美国电子电气工程师协会( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，简称 i e e e ) 提出的无线局域网标准8 0 2 1 l b 可以达到1 1 m b p s 的带宽( 增强版本i e e e 8 0 2 1 i b + 可以达到2 2 m b p s 的带宽) ，后续标准8 0 2 1 l g 和8 0 2 1 l a 最高可达5 4 m b p s 的带宽，使得 运行多媒体业务成为可能，能够满足大多数网络业务的需求，因此得到了很快的发展。 无线局域网以无线信道作为传输媒介，提供了传统有线局域网的功能，并具备有线 网络无法相比的移动特性，能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。无 线局域网可用于在本地创建无线连接，搭建临时办公室，用于其它缆线安装受限的场所， 或者用于增强现有的l a n 。而且无线局域网还具备安装简单、易扩展、易管理等特点， 因此具有非常广阔的前景。 在许多发达城市的热点( h o t s p o r ) 地区，如机场、酒店、咖啡厅、高档写字楼的商务 区等。网络运营商相继开通无线局域网接入服务，人们可以通过自己的笔记本等无线设 备接入i n t e m e t 。图1 - 3 给出了从2 0 0 1 年到2 0 0 6 年全球采用w l a n 的热点地区数量增长 趋势p 1 。从图中可以看出，全球无线局域网的数量将从2 0 0 1 年的不到1 万处增加到2 0 0 6 年的1 1 万处。英国a n a l y s y s 公司的调查显示：到2 0 0 6 年，欧洲将有2 0 0 0 多万人使用无 线局域网：到2 0 0 7 年，使用公共无线局域网的美国人将由2 0 0 2 年的6 0 万人增加到2 1 0 0 万，产生3 0 亿美元的收益p j 。 2 旦型堂垫查查堂堡主堂垡笙苎 一! 坠苹 图1 - 32 0 0 1 年到2 0 0 6 年全球采用w l a n 的热点地区数量增长趋势4 j ( 百万) 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 2 0 ，0 0 0 1 5 。0 0 0 1 0 0 0 0 5 。0 0 0 o 图1 - 41 9 9 9 年剥2 0 0 5 年菁姥局域网棒口卡销售抬势悯 图1 _ 4 给出从1 9 9 9 年到2 0 0 5 年无线局域网接口卡销售趋势阍。从图中可以看出，无 线接入设备的需求也增长很快，说明越来越多的人开始使用无线网络。 1 3 移动i p ( m o b i l ei p ) 发展概况 1 3 1 为什么需要移动i p 早期发展的无线局域网由于数量较少，相互独立，基本上只提供接入服务，以及在 中国科学技术大学硕士学位论文 第1 章 无线网络覆盖范围内的移动，不涉及到无线局域网间的移动。此时网络接入提供商通常 使用动态主机配置协议( d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c o l ，简称d h c p 【8 1 ) 动态的为接 入网络的每台主机分配一个临时地址，以便用户接入i n t e r n e t 。 但是随着无线网络的发展，当无线局域网从“点”连接成“面”时，产生了相当数 量的移动用户。当主机在无线局域网之间进行移动时，他们希望能保证各种i n t e m e t 业务 正常进行。随着计算机和网络技术的发展，移动用户的数量也越来越多。如图1 - 5 ，给出 了1 9 9 6 年到2 0 0 5 年移动用户的增长趋势f 7 1 。从图中可以看出，移动设备数量甚至有超过 固定设备数量的趋势。 而传统的i p v 4 在制定之初，只是试图实现计算机之间的信息共享，并没有考虑到移 动的需要。因此i p v 4 中使用一个难而且固定的标志来识别一个节点和它所在的网络， 图1 - 5 1 9 9 6 年到2 0 0 5 年移动用户的增长趋势7 】 即i p v 4 地址。当一个节点改变自己接入的子网时，它必须重新配置属于新子网的i p v 4 地址才能进行正常的通信- 而在这个过程中，i n t e m e t 业务必然会被终止。因此，为了在 移动过程中可以不间断的进行i n t e m e t 业务，必须对传统的i p v 4 协议进行修改，使其支 持主机的移动。 中国科学技术大学硕士学位论文 第l 章 1 3 2 对移动i p 的设计 图1 - 6 显示了无线设备在无线子网间移动的情形。这里将使用无线设备接入无线局域 网，并在无线局域网间移动的主机称为移动节点( m o b i l e n o d e ，简称m n ) ，将移动节点最 初所在的网络称为家乡网络o m e n e t w o r k ) ，移动节点在家乡网络有一个长期i p 地址， 称为家乡地址( h o m e a d d r e s s ) 。移动节点离开家乡网络后，在外地接入的网络称为外地网 络。和移动节点进行通信的主机称为通信对端。 从图中可以看出传统的i p 协议对移动节点的通信造成的影响。 1 )移动节点接入新的予网后如果不改变i p 地址就无法接收和发送口报文。 2 )通信对端发往移动节点的报文将被路由到移动节点的家乡地址，无法被位于外 地网络的移动节点接收。 3 )如何才能安全的把发往移动节点的家乡地址的报文递交给移动节点，而不被有 恶意的节点篡改或者窃取? 因此移动妒的目标，或者说对移动口设计的要求【9 】应包括如下的内容： 1 )移动节点在改变数据链路层的接入点后，即使不改变口地址也能与因特网上的 其他节点通信。 2 )移动节点应能与不具备移动m 功能节点进行通信。 图i - 6 移动主机在无线子网间移动 3 )传输移动节点的位置信息的报文必须经过认证，以免受到攻击。 4 )移动节点通常利用无线链路接入i n t e m e t ，无线链路的特点就是低带宽，高误玛 s 里型兰垫查查堂堡主兰垡笙壅一 一 ! 翌章 率。而且，移动节点经常使用电池作为能源，减少电能的消耗是必要的。因此 移动i p 的设计需要充分考虑这些与传统网络不同的特点。例如，要减少移动i p 的信令报文的数量和尺寸，以此来减少电能消耗。 5 1移动i p 不能对i p 地址的分配有额外的约束。 为此，c p e r k i n s 提出了移动i p v 4 1 0 i ，作为对i p v 4 协议的补充，解决主机移动的问 题。 基于c p e r k i n s 的工作，1 9 9 6 年6 月因特网工程任务组织i e t f ( i n t e m e t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e 、发布了基于现行的i p v 4 协议的移动解决方案移动i p v 4 【1 0 j ，并于1 9 9 6 年1 0 月公布为r f c ( r e q u e s t f o rc o m m e n t s ) 2 0 0 2 ，后来几经修改，现在的版本是2 0 0 2 年8 月公布 的r f c 3 3 4 4 。 移动i p v 6 “1 是基于后来兴起的i p v 6 协议【”1 的移动解决方案。于1 9 9 6 年1 月由因特网工 程指导组公布为草案f o r a y ) ，现在最新的版本是2 0 0 3 年2 月发布的第2 1 版。 1 3 3 移动i p v 4 和移动i p v 6 的相关文档 移动i p v 4 的有关文档 移动i p v 4 包括下面的r f c 文件： 一 r f c2 0 0 2 定义了移动i p v 4 协议，经过两次修改，现在的版本为r f c 3 3 4 4 t 。 一 r f c2 0 0 3 1 、2 0 0 4 1 和1 7 0 1 1 定义了移动i p v 4 中用到的三种隧道技术。 一 r f c2 0 0 5 叙述了移动i p v 4 的应用。 一 r f c2 0 0 6o ”定义了移动i p v 4 的管理信息库m i b ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 。 移动i p 的m i b 库是实现移动i p v 4 的节点的变量集合，管理平台可以通过简单网络 管理协议s n m p v 2 ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) r f c1 9 0 5 对这些变 量进行检查和配置。 一 m o b i l ei p v 4r e g i o n a lr e g i s t r a t i o n ，定义了移动n , v 4 中的本地移动管理方案。 一l o wl a t e n c yh a n d o f f si nm o b i l ei p v 4 “”，定义了移动i p v 4 中的快速切换方案。 移动i p v 6 的有关文档 移动i p v 6 目前尚无r f c 文档发布，有关草案( d r a 蛐如下： 一m o b i l i t ys u p p o r t i ni p v 6 ，定义了移动i p v 6 协议。 一h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6m o b i l i t ym a n a g e m e n t t “1 ，定义了移动i p v 6 的本地移动管 理方案。 一 f a s th a n d o v e mf o rm o b i l ei p v 6 1 9 l ，定义了移动i p v 6 的快速切换方案。 一 u s i n gi p s e c t op r o t e c tm o b i l ei p v 6s i g n a l i n gb e t w e e nm o b i l en o d e sa n dh o m e a g e n t s z 5 1 ，定义了使用i p s e c 对移动节点和家乡代理之间交换的信令进行保护的 6 中国科学技术大学硕士学位论文 第1 章 方案。 1 4 本论文的内容和组织结构 移动i p 的出现解决了传统的i p 协议不支持主机移动的问题。无论是移动i p v 4 还是移动 i p v 6 协议，移动节点和家乡网络中的代理通过信令报文交互移动节点当前的位置信息， 以便家乡网络中的代理将发往移动节点家乡地址的报文转发给移动节点的当前位置。 但是移动i p 协议只适用于同一个域内部的移动，对于跨越核心网络的移动，使用家 乡网络中的代理进行移动管理会引起报文传输延时加大，核心网络上流量过多等问题， 于是引入了本地移动管理。本地移动代理管理移动节点在外地网络中的移动，解决了上 述问题。但是引入本地移动管理后，移动节点与同一个网络中的通信节点之间又存在着 路由优化的问题。这个问题尚未被提出来讨论过。本论文的目的就是研究和解决本地移 动管理中的路由优化问题。 本论文分为三个部分。第一部分是研究背景，包括第1 、2 、3 、4 章，介绍了移动网 络的发展以及相关的协议。第二部分提出本地移动管理中存在路由优化问题，并给出了 解决方案和仿真数据，包括第5 、6 、7 章。 ! 里型堂苎查奎兰堡主兰垡堕壅i 垦章 9 2 章移动i p v 4 基本原理 2 1 术语简介 移动i p 引入几个新的功能实体： 移动节点( m o b i l en o d e ，简称m n ) 一个主机或路由器，由于移动经常改变它接入的子网，但它不需要改变口地址，就能继 续与其它节点保持通信。 家乡代理( h o m ea g e n t ，简称h a ) 移动节点的家乡网络( h o m en e t w o r k ) 上的某个路由器，当移动节点离开家乡网络时，它 能用隧道技术把发往移动节点的报文传送给移动节点，并保持移动节点的当前位置信息。 外地代理( f o r e i g na g e n t ，简称f a ) 移动节点接入的外地子网上的某个路由器，它通常是发送给移动节点的报文经过的最后 一跳的路由器。外地代理为来自移动节点家乡代理的报文拆除隧道封装，并将拆封后的 报文递交给移动节点。当移动节点发送报文时，外地代理作为它的默认路由器。 其他与移动i p 相关的术语： 通信对端f c o r r e s p o n d e n tn o d e ，简称c n ) 与移动节点通信的节点。它可以是一个固定节点，也可以是一个移动节点，甚至可以是 移动节点的家乡代理。 家乡地址( h o m ea d d r e s s ) 分配给移动节点的属于家乡网络的长期i p 地址。无论移动节点是否接入i n t e m e t ，这个地 址都是不变的。 转交地址( c a r e o b a d d r e s s ，简称c o a ) 当移动节点离开家乡网络时，家乡代理通过隧道转发给移动节点的那些报文的隧道终点。 移动节点可能有两种转交地址：外地代理转交地址f o r e i g na g e n tc a r e - o f - a d d r e s s ) 是移动 节点注册的外地代理的地址；配置转交地址( c o - l o c a t e dc a r e - o f - a d d r e s s ) 是移动节点在外地 网络上获得的临时地址。 移动代理( m o b i l ea g e n t ) 家乡代理和外地代理统称为移动代理。 切换( h a n d o m 链路层的切换指移动节点从原先接入的接入点断开，并连接到另一个接入点的过程。网 络层的切换指在链路层切换的基础上。移动节点离开原来接入的p 子网，连接到另一个 i p 子网的过程。 8 生里型堂垫查查兰堡主堂竺堡奎! 坚章 注册( r e g i s t r a t i o n ) 当移动节点离开家乡网络时它要在家乡代理上注册它的转交地址。移动节点可以 直接向家乡代理注册，也可以由外地代理将注册报文转发给家乡代理。 移动绑定( m o b i l i t yb i n d i n g ) 指移动节点的家乡地址和转交地址之间的一种联系，以及这种联系存在的时间。 2 2 移动i p v 4 协议基和操作 图2 - 1 是一个典型的基于口的移动计算机网络。图中的虚线表示无线接入点( a c c e s s p o i n t ，简称a p ) 的覆盖范围。其中无线接入点1 ( a p i ) 和无线接入点2 ( a p 2 ) 属于同一个 i p 子网。移动节点在他们之间的移动称为“散步”。无线接入点2 和无线接入点3 ( a p 3 ) 属于不同的i p 子网。移动节点在他们之间的移动称为“漫游”。移动节点的“散步”由 无线接入点负责完成，只涉及到链路层的切换。移动节点的“漫游”要由无线接入点， 移动代理和移动节点共同完成，涉及到链路层和网络层的切换。 图2 - 1移动口网络拓扑结构 9 生璺型堂茎查查堂堡主堂垡丝塞! 鎏章 在图2 - 1 中，除了移动节点和无线接入点以外，其他设备均为现有i n t e m e t 上的网络 设备。因此，只要在家乡网络和外地网络上的路由器追加移动i p 动能，就能组建移动计 算机网络。对于不支持移动i p 功能的节点，按照原来的方式进行通信，不受影响。 下列步骤粗略地概括了移动i p 协议的基本操作( 参考图2 - 2 ) ： 1 )移动代理在子网中定期主动发布代理公告( a g e ma d v e r t i s e m t ) 报文来通告它的存 在。接入到子网的移动节点接收移动代理主动发布的代理公告报文，或者通过发送 代理请求( a g e n ts o l i c i t a t i o n ) 报文来获取代理公告报文( 图2 - 2 - a ) 。 图2 - 2 - a发布和获取代理公告 2 1移动节点根据获取的代理公告报文中包含的网络前缀来判断自己是在家乡网络还是 已经移动到外地网络。 3 )如果移动节点检测到它在家乡网络，就不需要移动服务。如果它从外地漫游后回到 家乡网络( 移动节点漫游到外地网络时要向家乡代理进行注册) ，则通过交换注册请 求( r e g i s t r a t i o nr e q u e s t ) 注册应答( r e g i s t r a t i o nr e p l y ) 报文在家乡代理上删除注册信 息( d e r e g i s t e r ) 。 4 )如果移动节点检测到自己已漫游到外地网络，它就要在外地网络上获取一个转交地 址。这个转交地址可以是代理转交地址( 外地代理的口地址) ，也可以是配置转交 地址( 在外地网络上分配的临时i p 地址) 。由于i p v 4 地址匮乏，在移动口v 4 中通常 使用代理转交地址。移动节点可以有多个转交地址，但只能向家乡代理注册一个首 选转交地址。以其他转交地址为目的地址的报文可以被移动节点接收，这有助于移 动节点在子网间快速平滑的切换。 5 1移动节点在外地网络中获取转交地址后，通过与家乡代理交换注册请求脏册应答报 文。向家乡代理注册它的首选转交地址( 图2 - 2 - b ) 。 l o 旦型堂垫查查堂堡主堂垡堡壅! 坠章 图2 - 2 - b 移动节点向家乡代理注册 6 )发往移动节点的家乡地址的报文被家乡代理拦截，经过i p 隧道封装后发往移动节点 的转交地址。移动节点的转交地址是隧道的尽头，将隧道报文拆封装后转交给移动 节点。如果移动节点使用代理转交地址，则隧道的尽头是外地代理；如果移动节点 使用配置转交地址，则隧道的尽头是移动节点本身( 图2 - 2 - - c ) 。 7 1当移动节点发送报文时，使用标准的i p 路由机制，无须家乡代理的介入( 图2 - 2 - c ) 。 图2 - 2 c 移动节点接收和发送报文 8 )移动节点和家乡代理之间使用h m a c - m d 5 算法来进行认证，并使用时戳等方式来 防止重播攻击( r e p l a y a t t a c k ) 。 2 3 对i p v 4 协议的扩展 移动m v 4 使用u d p 协议作为信令报文的传输协议，井使用端口4 3 4 作为移动口v 4 的协议端口。移动p v 4 的信令报文主要包括注册请求报文和注册应答报文，格式如下： 注册请求 主璺型兰垫查查兰堡主兰垡堡壅蔓三章 图2 - 3注册请求报文格式 类型：l ，表示注册请求。 s ：同时绑定( s i m u l t a n e o u sb i n d i n g s ) 。当s 比特置位时，移动节点请求家乡代理保留原来 绑定的转交地址，否则，家乡代理将用新的转交地址覆盖原来绑定的转交地址。这 样，家乡代理上就同时绑定了多个转交地址，因此它把发往移动节点家乡地址的报 文复制多份，通过隧道转发给每一个绑定的转交地址。 b ：广播报文( b r o a d c a s td a t a g r a m s ) 。当b 比特置位时，移动节点请求家乡代理将家乡链 路上的广播报文通过隧道转发给它，否则家乡代理不转发广播报文。 d ：移动节点对报文解封装( d e c a p s u l a t i o nb ym o b i l en o d e ) 。d 比特置位表示将由移动节点 为通过隧道发送给转交地址的报文解封装，即转交地址是配置转交地址。 m ：最小封装f m i n i m a le n c a p s u l a t i o n ) 。当m 比特置位时，移动节点请求家乡代理使用最 小封装进行隧道转发。 g ：g r e 封装( g r ee n c a p s u l “i o n ) 。当g 比特置位时，移动节点请求家乡代理使用g r e 封装进行报文转发。 r ：发送者置为0 ，接受者将其忽略。 t ：反向隧道请求( r e v e r s et u n n e l i n gr e q u e s t e d ) 。 x ：发送者置为0 ，接受者将其忽略。 生存期：移动节点请求保持注册信息的时间，单位为秒。如果值为0 ，表示请求删除注册 信息，如果值为0 x t t 帮, 表示注册的生存时间为无限值。 家乡地址：移动节点在家乡子网中的长期i p 地址。 家乡代理：移动节点的家乡代理的i p 地址。 转交地址：家乡代理转交报文的隧道另一端的口地址。 标志符：“比特整数，由移动节点构造，用于匹配返回的注册应答报文，以及防止重播 攻击( r e p l a y ) 。 注册应答 图2 - 4注册应答报文格式 主里型兰垫查盔兰堡圭堂垡堡壅! 望章 类型：3 ，表示注册应答。 代码：注册请求处理的结果。 生存期：如果代码字段指出注册请求被接受，那么生存期字段表示注册信息在家乡代理 上保存的时间，单位为秒。如果值为0 ，表示移动节点的注册信息已被删除，如果值 为0 x f f f f ，表示注册信息的生存时间为无限值。如果代码字段指出注册请求被拒绝， 那么生存期的字段的值无意义，必须被接收者忽略。 家乡地址：移动节点在家乡子网中的长期m 地址。 家乡代理：移动节点的家乡代理的i p 地址。 标志符：6 4 比特整数，用于匹配返回的注册应答报文，以及防止重播攻击( r e p l a y ) 。它的 值根据注册请求报文的标志符字段以及重播攻击保护方式来构造。 为了公告移动代理信息，在代理公告中加入了移动代理公告扩展选项，格式如下 移动代理公告扩展选项 图2 - 5移动代理公告扩展选项 类型：1 6 长度：6 + 4 n 字节。6 表示序列号，注册生存期，标识和保留字段的长度，n 表示转交地 址的个数。 序列号：表示代理开机以来发送代理公告的个数。 注册生存期：移动代理愿意保留注册信息的最长时间，单位是秒。值o x 在i r 表示无限制。 r ：必须注册( r e g i s t r a t i o nr e q u i r e d ) 。置位时表示即使移动节点使用配置转交地址，也必 须向发送代理公告的外地代理注册。 b ：外地代理资源不足( b u s y ) ，不能再接受任何移动节点的注册请求。 h ：家乡代理( h o m ea g e n t ) 标识。表示发送代理公告的节点是此链路上的家乡代理。 f ：外地代理( f o r e i g na g e n t ) 标识。表示发送代理公告的节点是此链路上的外地代理。 m ：最小封装( m i n m a le n c a p s u l a t i o n ) 。表示此代理接受使用最小封装发送的隧道报文。 g ：g r e 封装( g r ee n c a p s u l a t i o n ) 。表示此代理接受使用( 3 r e 封装发送的隧道报文。 r ：由发送方设置为0 ，被接受方忽略。 t ：置位时表示外地代理支持反向隧道。 保留：被发送方设置为0 。被接收方忽略。一 中国科学技术大学硕士学位论文 第2 章 转交地址：外地代理提供的代理转交地址。如果f 比特置位的话，转交地址字段必须至 少有一个转交地址。 2 4 移动i p v 4 存在的问题 2 4 1i p v 4 本身的问题 i p v 4 本身协议存在着一些缺陷，其中地址空间不足成为最致命的弱点。虽然理论上 p v 4 的3 2 位地址可容纳约4 0 亿台主机，但划分成不同的网络后，可用地址要少得多( 约 3 0 亿) ；而且由于地址分配不均匀，美国占据了大量得a 、b 类地址，使其他国家，尤其 是发展中国家很难得到全局i p 地址( g l o b a l i p a d d r e s s ) 。分类域间路由( c l a s s i n t e r - d o m a i n r o u t i n g ，简称c i d r ) 及内部地址( p r i v a t e a d d r e s s ) 也只能暂时缓解地址空间不足。 而i n t e r a c t 用户特别是无线用户数量的飞速增长，使得对p 地址的需求大大增加。由 于没有足够的地址空间，移动节点在外地网络中很少使用配置转交地址，都使用代理转 交地址。使用代理转交地址不仅增加了外地代理的负担，而且增加了报文传输延时。 2 4 2 三角路由 通信对端发往移动节点的报文首先到达家乡网络，被家乡代理拦截后用隧道技术转 发给转交地址，在隧道尽头解隧道封装后报文再被转发给移动节点。移动节点发给通信 对端的报文通过标准的i p 寻路机制直接发给通信对端。这样就形成了“三角路由”。由 于形成三角路由和通过隧道发送报文，通信对端发送给移动节点的报文的延时增大，而 且增加了家乡代理的负担。 解决的方法是在通信对端上建立一个绑定列表，将移动节点的家乡地址和转交地址 缓存和绑定起来【l ”。通信对端发送报文之前先查找绑定列表，如果存在绑定的转交地址， 就将报文直接发送给转交地址，从而实现“最佳路由”。但是这要求通信对端也要安装相 关的移动i p 功能，不支持此功能的通信对端无法实现最佳路由。 1 4 主里型兰垫查查兰堡主兰竺堕兰一! 坠章 g3 章i p v 6 1 3 1 和移动i p v 6 1 1 1 1 基本原理 3 1i p v 6 简介 为了解决i p v 4 地址空间不足等问题，i e t f 发布了下一代i n t e m e t 协议i p v 6 ”“。i p v 6 继承了口v 4 的优点，并根据i p v 41 0 年来运用的经验进行了大幅度的修改和功能扩充。i p v 6 将地址长度扩充为1 2 8 位，拥有巨大的地址空间，因而移动节点漫游到外地子网时很容易 获得临时口地址。 i p v 6 头标的结构如图3 - 1 所示。i p v 6 头标对i p v 4 头标进行了简化，删除了一些不必 要的i p v 4 功能，同时加强了某些功能。虽然i p v 6 基本头标占4 0 字节，是2 0 字节i p v 4 头标的1 6 倍，但因其长度固定( i p v 4 头标是变长的) ，而且要处理的域由i p v 4 的1 2 个 减少到8 个，从而大大降低了路由器上的软件处理复杂度。 图3 - 1i p v 6 头标格式 i p v 4 头标中存在可变长度的选项，利用它可以处理具有选项的特殊报文。但因这种 报文会影响网络的性能，故选项逐渐被废弃。在i p v 6 中使用扩展头标( e x t e n s i o n h e a d e r ) 来处理特殊的报文。一个i p v 6 报文可以携带0 个、1 个或多个扩展头标，每个扩展头标 的类型由其前一个头标的下一头标值( n e x th e a d e r v a l u e ) 字段标明。扩展头标的类型主 要有寻路头标，信宿选项头标，e s p 头标、a h 头标等。大多数报文不带扩展头标，被送 入高优先级队列快速处理，带有扩展头标的报文往往被送入低优先级队列，只能以非优 化的软件处理报文这种方式能够减少命令数，优化分组转发程序，显著地提高路由器 1 5 中国科学技术大学硕士学位论文 第3 章 的性能。 i p v 6 中还集成了安全性和移动性。i p v 6 规范规定了认证头标( a u t h e n t i c a t i o nh e a d e r ) 和封装安全净荷( e n c a p s u l a t i o ns e c u r i t yp a y l o a d ，简称e s p ) 。认证头标使接收方能够确 认i p 分组源地址是否正确无误，其内容在传输过程中是否未被篡改；封装安全净荷则保 证只有合法的受信者才能读憧i p 分组的内容。 i p v 6 集成的与移动相关的特性包括路由器公告，地址自动配置等，在3 1 2 小节中将 详细介绍。 3 1 1i p v 6 的层次地址分配 1 2 8 位的i p v 6 地址包括三种不同类型，即单目( u n i c a s t ) 、组播( m u l t i c a s o 和任