（通信与信息系统专业论文）移动ip中快速切换技术的研究.pdf

重庆邮电学院硕士论文 摘要 移动通信发展的趋势是实现宽带化、智能化和个人化使数据、话音、多媒体信息等 能够在统一的网络平台上高速接入；在移动环境下提供因特网服务是第三代移动通信系统 的主要特征，第三代移动通信的核心网络采用宽带i p 技术这为移动i p 技术在3 g 系统中 的发展应用提供了契机。全i p 化是未来通信网络发展的必然趋势，移动i p 技术集成了移 动通信网络和i p 通信网络的优势，将开刨通信产业发展的新纪元。 由于移动i p 协议自身存在的一些缺陷，因此通常把主机的移动分成两个部分：微移动 利宏移动。目前提出的许多协议都是针对微移动提出的，宏移动采用标准的移动i p 实现。 微移动协议在移动节点的切换延迟和q o s 保证方面得到了很大的改善- 但是切换时延 对通信质量的影响在一定程度上还是很大的，为了更进一步减少注册时延的影响本文结 合国家8 6 3 项目的要求，对移动i p 的快速切换技术进行了深入的研究，采用二层与三层结 合的方法来实现移动节点快速平滑的切换，并对二层触发的时机进行了较为深入的分析利 研究。 本文，首先叙述移动i p 的基本概念及其原理，包括移动i p 的功能实体、实现机制， 讨论移动i p 的研究热点和存在的问题；其次，对目前提出的几种徽移动协议，如h a w a i i 、 c e l l a ri p 、h m i p 等，进行了分析比较，阐述了他们各自的特点；然后，叙述目前通信 网络中实现切换的机制及现有的实现快速切换的机制，最后提出新的快速切换方案和二层 触发机制。 关键词：移动i p ，微移动性，快速切换，二层触发 重庆邮电学院碳1 一论文 a b s t r a c t t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa r e e v o l v i n gt o w a r d st h eb r o a d b a n d i n t e l l i g e n c ea n d i n d i v i d u a l t om a k et h ec o m m n u i n c a t i o n ss e r v i c e s ( s u c ha sv o i c e ，d a t aa n dm u l t i m e d i aa n ds oo n ) h i g h s p e e d i l ya c c e s st h ei n t e r a c ti nt h eu n i f o r mn e t w o r k si st h ed e v e l o p i n gn e n do ft h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n sp m v i d i n gt h ei n t e m e ts e r v i c ei nm o b i l ee n v i r o m e n ti sp r i m a r yc h a r a c t e ro ft h e 3 g t h ec o r en e t w o r ko ft h e3 gm a k e su s eo ft h eb m a d b a n di pn e t w o r k f o rt h i st h em i p t e c h n o l o g yh a saf o r t u n ef o rd e v e l o p i n gi nt h e3 gs y s t e m s t h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ef u t u r e n e t w o r ki st or e a l i z ea 1 1 i pn e t w o r k m i ph a st h em e r i to f t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n d i pc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i tw i l lc r e a t et h en e we r ao f m o b i l ec o m m u n i c a t i o nd o m a i n b e c a u s eo fs o m el i m i t a t i o no fm i p ，s t h eh o s t sm o b i l i t yi sd i v i d e di n t ot w op o r t i o n s ： m i c r o - m o b i l i t y a n dm a c r o - m o b i l i t y m a n yp r o t o c o l s p r o v i d e d a t p r e s e n t a i ma t m i c r o - m o b i l i t y f o rm a c r o - m o b i l i t y ，t h er o a mo fm o b i l eh o s tc a nr e a l i z et h r o u g ht h es t a n d a r d s m i p m i c r o - m o b i l i t yp m t o c o lh a sm a d eag r e a ti m p r o v e m e n ti nt h eh a n d o f f - d e l a ya n dq o s g u a r a n t e e ，b u tt h eh a n d o f f - d e l a y se f f e c to nc o m m u n i c a t i o nq u a l i t yi ss t i l ll a r g et os o m ee x t e n t t od e c r e a s et h ee f f e c to f t h eh a n d o f f - d e l a yf u r t h e r , t h i sp a p e rh a sat h o r o u g hm s e a r o ho nt h ef a s t h a n d o f ft e c h n o l o g yo fm o b i l ei pa c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h e8 6 3p r o g r a m ，a n du s e st h e r e s o l v e n tt h a tl 2c o m b i n e sw i t hi - 3t or e a l i z et h el o w - d e l a ya n dl o w l o s sh a n d o f f , a n dm a k ea n i n - d e p t ha n a l y s i sa n ds t u d yo nt h et r i g g e rt i m e f i r s tt h i sp a p e rd e s c r i b e st h eb a s i cc o n c e p ta n dp r i n c i p l eo f t h em o b i l ei p ，w h i c hi si n v o l v e d 抽i h ef u n c t i o ne n t i t ya n dr e a l i z i n gm e c h a n i s m ，a n dd i s c u s s e st h er e s e a r c hh o t o ta n dt h e e x i s t e n tp r o b l e mo fm o b i l ei p ，s e c o n d l yi th a sac o m p a r i s o na n da n a l y s i so nt h ed i f f e r e n t m i c r o m o b i l i t yp r o t o c o l sp r e s e n t e dc u r r e n t l y ，s u c ha sh a w a i i ，c e l l a ri p ，h m i pa n ds oo n t h e ni ti l l u s t r a t e st h ef a s t - h a n d o f fm e c h a n i s mi nt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dt h ec u r r e n t r e a l i z a t i o no ff a s t h a n d o f i n a l l yt h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e wf a s t h a n d o f fp r o j e c ta n d l 2 - t r i g g e rm e c h a n i s m k e y w o r d s ：m o b i l ei p , m i c r o - m o b i l i t y , f a s th a n d o 最l 2 - t r i g g e r 重庆邮电学院硕j 一论文 缩略语 名词英文解释 中文解释 m i pm o b i l ei p 移动i p h m i ph i e r a r c h i c a lm o b i l el p层次移动i p c i p c e l l a ri f 蜂窝i p h a n d o f fa w a r e w i r e l e s sa c c e s si n t e m e t h a w a i i i n f r a s t r u c 讥r e h ah o m ea g e n t归属代理 f a f o r e i g na g e n t 外地代理 d r rd o m a i nr o o tr o u t e r域根路由器 c o a c a r eo f a d d r e s s 转交地址 c c o a c 0 1 o c a t e dc a r e - o f - a d d r e s s配置转交地址 g f ag a t e w a yf o r e i g na g e n t 网关外地代理 r f a r e g i o n a lf o r e i g na g e n t 区域外地代理 l 2 tl a y e rt w ot r i g g e r 二层触发 1 1 1 重庆邮电学院硕士论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。 据我所知，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，也不包含为获得重压酆盎堂隧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谢 意。 学位论文作者签名：4 巧互兰签字日期：7 帕哒月； 日 ( 学院代码：1 0 6 1 7 专业代码：通信与信息系统0 8 1 0 0 1 ) 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重庆整直堂院 有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权 重庆整虫堂睦 可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文 学位论文作者签名 签字日期毋神薛r 月引日 适用本授权书) 兰 导师签名： ， h ：二6 ： 签字日跏户f 影日 带 重庆邮电学院硕j ：论文 _-j- 刖声 目前的移动通信核心网还是基于电路交换和7 号信令系统结构，这种结构已经与移动 通信技术和业务的发展趋势不相适应。全i p 移动通信网( a 1 1 i pm o b i l en e r o ) 是闪特 网i p 技术和移动通信技术迅速发展相结合的产物。第三代移动通信平第三代以后的移动通 信网络都将向全i p 移动通信网发展，这将是移动通信网络和因特网网络的一次重大变革。 全i p 移动通信隧的基本概念是将各种无线接口标准和接入手段的数据信号通过i p 网关连 接到因特网网络。全p 移动通信网的业务是传统移动业务与传统因特网业务的结合与延 伸，可以统称为无线因特网业务，其中主要部分是实时多媒体业务。 移动性管理是指移动通信网中用户移动所涉及的问题，它是移动通信网的核心问题。 随着移动通信网转变为全m 网络，全i p 移动通信网的移动管理也将面i 临新的变革。全 i p 移动通信网移动性管理可以分为三个层次：空中接口( 物理层) 移动性管理、链路层移 动性管理和网络层移动性管理。由于全i p 移动通信网中从移动台到网关完全依赖于i p 技 术接入因特网，网络层移动性管理问题尤为关键。全i p 移动通信网网络层移动性管理关心 的问题有：切换( h a n d o v e r ) 管理、被动连通性( p a s s i v ec o n n e c t i v i t y ) 和寻呼( p a g i n g ) 以及健壮性、可升级性、业务质量q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 支持、无线接入网的通信量管 理、安全性和隐私保护等等。 移动d 可以较好地解决大范围内漫游( 而不是切换) 的问题，适用于宏移动环境。但 其可观的切换延迟、丢包及较重的信令负荷使其不适合于切换频繁的徽移动性环境。针对 移动i p 的这种缺陷，全i p 移动通信网网络层移动性管理需要采用域内移动性管理扩展协 议弥补。域内移动性管理扩展协议的基本思路是：当移动节点进a - - 个域时，将获得一个 与域相关的临时地址( 移动节点停留在这个域中的时候，这个相关地址一直保持有效) 。这 样，一方面移动节点仅仅在进入该域时使用m o b i l ei p 协议进行一次位置登记处理。火人 减少丁位置登记次数，减少了控制数据流量；另一方面域内移动性管理对于归属代理和网 络其它部分透明，这样就可以按照私有地址( 仅对域内唯一) 形式重复利用很大一部分i p 地址，解决i p 地址资源紧缺的问题：另外，整个网络将不关心移动节点在某个特定域内的 移动对r s v p 仅在移动节点改变域的时候作资源预定，从而使业务质量得到支持。目前主 要的微移动协议解决方案有h a w a i i 、c e l l a ri p 、h m 砰等。 微移动协议在移动节点的切换延迟和q o s 保证方面得到了很大的改善，但是切换时延 对通信质量的影响在一定程度上还是很大的，为了更进一步减少注册时延的影响，本文结 台国家8 6 3 项目的要求，对移动i p 的快速切换技术进行了深入的研究，采用二层与二层结 台的方法来实现移动肖点快速平滑的切换，并对二层触发的时机进行了较为深入的分折和 研究。 重庆邮电学院顺： ：论文 在本篇论文中，第一章简单介绍移动i p 的基本概念及其原理，包括移动i p 的功能实 体、实现机制以及研究热点和存在的问题；第二章介绍目前的几种微移动协议并比较了他 们各自的特点主要包括h a w a i i 、c e l l a ri p 、h m i p 等：第三章首先介绍目前通信网 络中实现切换的机制及现有的实现快速切换的机制，然后提出新的快速切换方案和二层触 发机制：第四章全文总结。 2 重庆邮电学院硕士论文 第一章移动i p 1 1 引言 随着网络技术的不断发展和手提电脑、掌上电脑和各种移动数字设备的广泛应，在 i p 网络中实现对移动性的支持变得很重要，移动i p 1 1 1 2 协议成为一个重要的i p 协议，其技 术也成为当前国际上研究的热点之一。为了解决移动用户接人i n t e m e t 的难题，必须打破 1 日的t c p i p 网络协议，通过在网络层改变i p 协议来实现这有利于实现无缝漫游羽l 使 移动性对应用层透明。移动i p 是目前最好的支持移动性的方法，它很好地解决了用户从一 个i p 子网络漫游到另一个i p 子网时如何继续与其他用户的通信的问题，它由i e t f 标准化。 移动m 是一种在全球互联网上提供移动功能的方案，它提供了一种特殊的p 路由机制， 使移动节点可以以一个永久的i p 地址连结到任何链路上。 随着网络体系结构的演变和宽带技术的发展，传统网络向下一代网络的演进势不可挡。 f 一代网络将具有更广阔的业务范围，其主要目标是：支持实时的多媒体业务，支持移动 性，缩减服务投向市场的时间支持多种接入方式，确保现有网络的平滑演进以及具有经 济、可扩展的网络结构。移动i p 技术是在传统网络中实现下一代网络应用的核心技术，其 主要支持网络移动性、访问的双向性、支持多媒体业务的实时性等。移动i p 技术是i p 技 术发展的新领域，是无线通信技术和i p 这两个最成功的信息技术融合。 众所周知，移动网络在给我们带来新机遇和新业务的同时，也带来了新的技术难题。 由于传统的t c p i p 产生于2 0 世纪7 0 年代，受当时技术水平和条件的限制，它不支持移动。 随着技术的不断进步，这成为了互联网进一步发展的障碍。因此，移动i p 技术应运而生。 1 2 移动lp 的应用范围 当计算机想发送一个数据分组给一台目的计算机时，它并不关心也不知道目的计算机 在什么地方。它只想发出的分组能被送到合适的接受者那里，这是网络层也就是o s l ( o p e n s y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 模型第三层的功能。网络层负责为数据分组动态地选择一条从源到 目的节点的路径。在因特网中，网络层协议称为m ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) ，而j p 自己的 ：作 并不多。实际上，在复杂的网络中传送数据分组需要一个或者多个路由协议，路由协议被 路由器用来交换信息，这些信息包括目的节点的位置、组成因特网的链路。路由协议有 o s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) 、r i p ( r o u t i n gi n f o r m a t t i o np r o t o c 0 1 ) 、b g p ( b o r d e rg a t e w a y p r o t o c 0 1 ) 等。移动i p 是在因特网中提供移动功能的网络层解决方案。也就是说，移动i p 通过在合适的节点上蹬立路由表只是与上面几种路由协议相比，移动i p 具有特殊的功能， 它的目的是将数据分组选路到那些可能一直在快速地改变位置的移动节点上。 重庆豁屯学院硕 论文 1 3 移动lp 的基本原理 1 3 1 移动l p 功能实体 在移动i p 中作了以下两个假设：一是，点到点通信的数据包在选路时与源ip 地址无 关。也就是说，移动i p 假设点到点通信只依据目的i p 地址来选取路由，实际上是只_ l j i 日 的地址的网络前缀部分。二是，假设已经存在因特网( 或一个内部网) 并且该网络能在任 意两个节点问传送数据包。移动ip 定义了三种必须实现移动协议的功能实体：移动节点、 家乡代理、外地代理。图1 表明了移动i p 的各功能实体及它们之间的相互关系。 霉动t 枉访问 卦j 铬貉 图1 移动i p 实体及相互关系 1 3 2 移动l p 的工作机制 移动i p 的功能、节点和协议之间是密切相关的。 移动i p 的工作机制如下： 1 ) 通过周期地组播或广播一个称为代理广播( a g e n t a d v e r t i s e m e n t s ) 川的消息，家乡代理 和外地代理宣告它们与链路的连接关系。 2 ) 移动节点收到这些代理广播消息后，检查其中的内容以确定自己是连在家乡链路还是 外地链路上。当它连在家乡链路上时，移动节点就可像同定节点一样工作，即它不再 利用移动i p 的其他功能。 。f 面的步骤假设移动节点连接在一条外地链路上。 3 ) 连在外地链路上的移动节点需要一个转交地址。它可以从外地代理广擂的代理广播消 息中找到外地代理转交地址，配置转交地址必须通过一个配置规程得到，比如刈 d h c p f ”( d y r - a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c 0 1 ) 、p p p s 的t p c p 或手工配置。 4 ) 移动节点向家乡代理注册从第3 步中得到的转交地址，可以通过移动p 中定义的消息 交抉来完成。在注册过程中如果链路上有一个外地代理移动节点就向它请求服务。 为阻止拒绝服务攻击。注册消息要求进行认证。注册成功后，归属代理将发往移动节 点的数据包封装1 6 1 ，8 】【9 1 通过隧道送到移动节点的转交地址。然后从隧道取出、解封装 后送往移动节点。 5 ) 家乡代理或者是在家乡链路上的其他一些路由器广擂对移动节点家乡地址的网络前缀 的可达性，从雨吸引发往移动节点家乡地址的数据包，家乡代理截取这个包( 可能川 4 重庆邮l 毡学院硕士论文 代理a r p ) ，并根据移动节点在第4 步中注册的转交地址，通过隧道将数据包传送给移 动节点。 6 ) 在转交地址处一可能是外地代理或移动节点的个端口原始数据包被从隧道中提取 出来送给移动节点。 7 ) 相反，由移动节点发出的数据包被直接选路到目的节点上。无需隧道技术。对所有来 访的移动节点发出的包来说，外地代理完成路由器的功能。 1 3 3 移动i p 研究中存在的几个热点问题 移动i p 研究中主要包含如下几个热点问题： 1 路由优化“”1 问题 移动i p 中经常遇到三边路由问题，即通信对端发送数据包到移动节点时，首先要到达家 乡代理，而后由家乡代理通过隧道转发给移动节点，而移动节点可以直接向通信对端发送数 据包。三边路由问题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。 它的解决方法是采用路由优化技术，即移动节点将其转交地址通知通信对路，使通信对端可 以通过隧道直接发送数据包到移动节点。但是路由优化将会带来新的安全问题，为了加强安 全性能，移动节点必须和通信对端相互认证，即它们需要一对密钥。当移动节点和通信对路 数1 7 1 较多时，为每一个移动节点和通信对端分配一对密钥的方法是不可行的，而为每个移动 1 y 点和其家乡代理配置一对密钥的方法是可行的。另外，只有当移动节点与家乡代理比较远 而与通信对端较近时采用路由优化才有较大意义。因此，应根据实际的网络拓扑结构并在考 虑安全性的前提下来决定是否采用路由优化。 2 。外地代理之间的快速平滑切换“”问题 由于移动主机的移动频率可能很高，移动节点有时不能及时将当前的新转交地址注册到 家乡代理，此时发往移动节点的数据包将会丢失，这个问题可以通过实现代理之间的快速平 滑切换技术来解决。快速切换是指低时延切换，平滑切换是指切换过程造成的分组丢失少。 i p 层微移动性协议应将注册消息的时延限制在ms 数量级。另外，切换时旧基站先缓存数据 分组，切换完成后再发给新基站的方法也能实现平滑切换。当然，这种切换具有相当大的复 杂性。一方面，真正的快速切换机制需要无线相关低层技术的支持；另一方面，i p 层微移动 性协议应尽可能减小低层依赖性以提高其适应性。这两者是一对矛盾需要仔细权衡。 种简单的实现方法是在新的外地代理得到移动节点认证前就发送绑定更新给l e i t h 地 代理，尔后i f l ：l 地代理开始向新外地代理转发数据。这种方法的切换虽然时延较短，但存在 很大的安全缺陷。如果一个攻击者假冒了新的外地代理，则可能会截获送往移动节点的数据。 为增加代理切换的安全性能，同对尽量减少切换过程中的数据丢失必须要求新外地代理首 先要得到移动节点的认证。移动节点可以在向新的外地代理发送注册请求的同时向l r 外地代 理发送绑定更新消息。并通知l e i t h 地代理暂时缓存数据。然后，移动节点对新外地代理进行 认证如果认证成功，移动节点将通知旧外地代理转发它缓存的数据到新外地代理，从而实 现- - ；l b 更平滑、安全的切换。 重庆邮电学院顾上论文 3 网络性能问题 移动i p 是一种与媒介无关的协议，它可以工作在多种环境。当移动i p i 作在无线网络时， 由于无线网络的带宽是一种宝贵的资源，必须尽可能减少网络开销。 当移动节点数目较多时，由于移动节点和家乡代理的认证而引入的开销将会占用过多的 网络带宽。另外，应该认识到强密码方案是通过牺牲网络性能来提高安全性能的。因此我们 应在安全性能和网络性能之间进行折衷，根据实际需要来选择合适的安全策略。一般遵循的 原则是当网络规模较小或网络资源比较充足对，可以采用较强的安全机制。反之，则麻适当 降低安全性以保障网络的可用性。 考虑至i j t c p 和i p 的报头总长将占4 0 个字节，非常有必要实现移动节点的t c p ，i p 报头压 缩。一种方法是在移动节点中采用v a nj a c o b s o n 压缩机制，但要求外地链路必须支持这种压 缩机制。 考虑到代理广播消息和代理注册请求消息也将占用网络资源因此，应在不影响移动节 点正常 ：作的同时适当减少代理广播的发送频率和适当增加注册的有效时长。减少注册消息 的方法是采用分层外地代理来实施注册优化。在这种方法中，外地代理按照树状的分级方式 组织，家乡代理只存储当前根外地代理的地址，每个外地代理存储移动结点所在的下一级代 理的地址，每个叶外地代理广播从根到叶的路径上代组成的向量，移动结点切换后，比较收 到的若向量和新向景，向新、老外地代理的最低共同祖先注册新位置，只有移动结点切换出 根外遣代理的范围时，才会向家乡代理发起注册。这种方法通过将注册消息局部化来减小注 册带来的开销。 4 0 0 $ 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 菲常圈难，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r 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资源预留协议( r s v p ) 。 r s v p 不是路由协议，也不是传输层协议，而是一种单向信令协议。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。它的解决方法是每当移动节点移动时重新为从家乡代理到转交地址的 路径预留资源。同时由于移动i p 使用隧道技术并且采用a h 和e s p 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通过增加一个传输层报头，利用传输层协议的端 1 2 号来区分不同的数据包来解决。因此在移动i p 中进行资源预留的代价将会很高，服务提供 商将会向得到较高q o s 保证的用户收取更多的费用。 5 移动l p 中t o p 的性能 移动i p 中的移动性和使用的无线媒介对t c p 的性能造成了很大影响。t c p 协议认为几乎 所有的数据包丢失都是由于拥塞而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 协议井 6 重庆邮电学院硕士论文 不成立；误码率较高的无线链路经常会引起数据传输错误，并且频繁变动的移动节点可能在 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。因此t c p 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。 为解决这个问题，可对t c p 作如下改进： 1 ) 采用运动中的快速重发机制 2 ) 外地代理的平滑切换问题 3 ) 采用连接分段的方法 4 ) 采用传输和超时冻结的机制 5 ) 采用有选择的确认机制和随路t c p 6 ) t c p 上层应用程序的改进 其他有待解决的问题有：服务定位问题、移动节点的i p 地址问题、移动终端的设计、安 全问题等。 1 4 移动ip 中的切换 1 。4 。1 。切换“习相关概念 1 、越区切换 越区( 过区) 切换( h a n d o v e r 或h a n g o f f ) 是指将当前正在进行的移动台与基站的通 信链路从当前的基站转移到另一个基站的过程。该过程也称为自动链路转移a l t ( a u t o m a t i cl i n k t r a n s f e r ) 。 越区切换通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入到另一个基站覆盖的小区的 情况下，为了保持通信的连续性，将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站 之间的链路。 越区切换分为两大类 8 2 ：一类是硬切换，另一类是软切换。硬切换是指在新的连接建 立以前，先中断旧的连接。而软切换是指既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用 新旧链路的分集合并来改善通信质量。当与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路 2 、移动i p 中的切换“相关概念 2 层切换( l 2h a n d o f f ) ：一个移动节点的二层连接点从一个无线接入点移到另外一个 无线接入点。 3 层切换( l 3h a n d o f f ) ：一个移动节点在不同的f a 之间移动，将涉及到l 3 中转交 地址豹改变。 1 4 2 移动l p 中切换存在的问题 移动i p 平滑切换问题是这筒论文研究的重点，本文将主要围绕如何尽可能的减小切换 延迟及其对通信质量的影响展开我们知道，当移动节点从一个网络内的个f a 移向另一 f a 或者当移动节点从一个网络的f a 移向另一个网络的f a 时，移动节点要进行切换才能够 7 重庆龆屯学院硕士论文 继续进行通信，在i p 网络中移动节点的切换过程包括两方面的内容移动节点二层l 2 ( l a y e r t w o ) 链路的切换和三层l 3 ( l a y e r t h e e ) 路由的切换。因此，当移动节点发生切 换的时候，传统的移动i p 存在着的问题是：移动节点首先需要与新基站建立链路，然后执 行移动i p 的注册过程，移动用户的分组必须等到移动节点注册完成之后才被转发，这造成 了通信的中断。 传统移动i p 存在的问题的解决方法目前主要有两种：一种方法是利用微移动协议减少 注册路径长度从而减少注册时延，另一种方法是乖j 用链路层特性提前通知移动节点或者网 络端移动节点在链路层将要发生的行为。本文的第二章和第三章针对这两种方法进行了详 细的描述和深入的研究。 重庆邮电学院硕士论文 第二章移动i p 微移动协议 2 1 引言 虽然移动i p 解决了主机的移动性问题，但是传统的移动i p 协议方法存在着如下难以 克服的缺点l l4 j ： ( 1 ) 移动i p 协议采用的三边间接路由虽然实现了移动栉点与其他节点的通信，但同时 也增加了端到端的延时，使其很难达到有严格延时限制的业务如实时多媒体业务 的要求，也增加了网络的传输量，特别是在移动节点远离家乡代理而与通信对端距 离较近时，问题更为突出。 ( 2 ) 为了增加用户容量，无线接入网一般采用的是蜂窝结构，而且蜂窝的范围趋向于微 蜂窝甚至微微蜂窝。如果对整个网络采用移动i p 协议，移动节点在小范围的移动 就可能引起频繁的切换，产生大量的注册更新信息。如果移动节点远离家乡代理， 更会增加网络的信令开销，同时切换延时加大，使得切换引起的分组丢失更加严 重，造成业务中断。 ( 3 ) 在家乡代理处对口数据包的再次封装会增加延时，且会带来一些报头信息的重复， 产生冗余。如果由此带来分组长度加大，需要进行分片，就将花费更多的数据报 处理时间。 ( 4 ) 如果采用改进的路径优化方法，虽然可以克服三边路由引起的问题但是同时带来 了新的问题。主要是安全问题即移动节点和通信对端之间的认证与鉴别“1 。 ( 5 ) 移动p 协议没有对水平切换咀及垂直切换进行区分。也没有对移动终端的空闲等 待状态以及激活状态分别处理，造成了不必要的流量。 针对移动i p 技术的这些缺陷，移动主机的移动性问题经常被分为两个子问题微移动 芹| 1 宏移动【”1 来解决。对于宏移动，各子网之间的连接如t c p 连接的保持不是必需的，但是对 于微移动，在进行通信会话时连路的拆销并不是所期望的，因为这会导致会话中断，同时由 于微移动的频繁切换可能会导致大量的服务性能下降。因此，针对微移动和宏移动各自的特 点应采用不同的移动性解决方案。目前实现这两种移动性的技术即宏移动协议和微移动协 议。宏移动协议确保了主机在移动时仍然能够进行正常的通信，微移动协议确保了来白 i n t e m e t 目的地为移动主机的分组能够以有效的方式被正确的转发到合适的无线接入点。这 两种移动性解决方案的结合能有效地支持移动主机全球范围内的移动。宏移动性问题采瑚移 动i p 技术来解决，移动i p 技术是i p 网络支持宏移动的当前标准；微移动性问题采用微移动协 议来解决，目前，主要的微移动协议有c e l l u l a ri p 、h a w a i ： l l h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p 等。 所谓微观移动i p 协议就是在移动i p 协议中引入层次的概念。将移动节点的切换限制在小 范闱内。通过层次的划分将网络分成不同的域。从而将移动性的问题分成了宏观移动( 域问 9 重庆邮电学院硕卜论文 移动) 与微观移动( 域内移动) 。微观移动i p 协议充分考虑了接入网的特点，与宏观移动i p 协 义相结合，从而在i p 层实现无线互联。般在域内采用微观移动i p 协议，而在域间采用i e t f 移动i p 协议。采用该方法，对移动节点家乡代理而言隐藏了节点在域内的移动，减少了信 令流量。其结构如图2 所示 圈2 采用宏观和微观移动i p 协议实现无线互连 目前有许多微观移动疋协议，典型的有b e l l 实验室提出的h a w i i ( h a n d o f f a w a r e w i r e l e s s a c c e s sh a t e m e ti i l 触s n l l c t u r e ) 协议，c o l u m b i a 大学提出的c e l l u l a ri p 协议，m a r y l a n d 大学提出 的e m a ( e d g em o b i l i t ya r c h i t e c t u r e ) 协议，以及分层移动协议等。这些协议的共同特点是 传统的移动m 路由技术不再推广到接入网与移动节点相交的边缘，而是在接入网与i p 核心网 的交界处。在域内采用统一的方案，采用相同的口层路由协议相应的切换机制和移动管理机 制。这里将对目前的几种常见的微观移动i p 协议进行介绍。 2 2 h a w a i i 我们知道当使用移动p 来支持微移动的时候，将会导致高的控制开销，这是因为在移动 主机的切换期间存在着大的延迟和分裂以及需要频繁的向h a 发出通告消息。另一方面在移 动主机需要q o s 保障的情况下。每一次切换都要求个新的转交地址将会触发从h a i i j f a 多 数未变路径上新的q o s 预留的建立。因此，尽管移动i p 是广域无线数据网络中移动性管理的 基础，但是，当移动口应用到有高速移动用户( 也许要求q o s 保证) 的广域无线网络中时， 它却存在着j l 个限制。h a w a i i 协议假定大多数用户的移动性是在一个本地域( 通常是一个 网络管理域) 内，它的目标是提供标准的微移动特性，如快速切换、被动连接、寻呼i i ”以 及q o s 保证。 h a w a i i 1 9 1 完全操作在无线接入网络管理域内为了保持h a w a i i 对移动主机的透明性， 移动主机执行标准的移动p 协议，只是在移动i p 添加扩展项1 1 2 0 ( n e t w o r ka g c g s s i d e n t i f i e r ) 、路由优化以及激励响应j 。h a w a i i 协议把移动l p 注册信息的产生和处理分成两 个部分：移动主机和基站之间以及基站和h a 之间。这种分离对于任何期望减少到眦的更新的 任何方法都是必须的，如移动i p 的区域注册在f a 上提出了相似的分离。另外，在h a w a i i $ 1 1 移动i p 协议结会方面，h a w a i i - i 以选用c c o a ( c o - l o c a t e d c a r e o f a d d r e s s ) 选项，这个选项住支 重庆邮电学院硕士论文 持q o s 方面有几个好处。但是在移动i p 中使用c c o a 的移动主机一直期望能够直接与眦通 信，这又与减少到h a 的更新频率相矛盾，因此，h a w a i i 提出即使移动主机使用了c c o a 选 项的时候，移动主机也能够向基站进行注册。基站通过在本地处理注册信息有助于减少移动 主机n h a 的更新频率，同时通过转发必要的分组确保平滑切换。 夏威夷有三个设计目标： ( 1 、通过减少到家乡代理和相应主机业务的更新，避免可能的三角路由以及限制用 户业务的分离取得好的性能。 ( 2 )移动性管理方法提供对q o s 的内在支持，包括允许每个q o s 业务流以及当主机 移动的时候限制必须被重建的预留数。 ( 3 )增加可靠性。 2 2 1 常用术语 域( d o m a i n ) ：无线接入网络的一个分割，它由一个或者多个路由器和多个基站组成。 域根路由器( d o m a i nr o o tr o u t e r ) ：到一个域的喇关路由器被称为域根路由器。 家乡域( h o m ed o m a i n ) ：每一个移动用户基于它的n a i 指定有一个家乡域，在注册信息 中的n a i 字段有助于标识移动主机当前所在的域。 外地域( f o r e i g nd o m a i n ) ：不是移动主机家乡域的任何域被称为移动主机的外地域e 路径建立方法( p a t hs e t u ps c h e m e ) ：是指在一个域中更新路由绗通常方法。通过路径更 新来维持在切换过程中与移动主机的连接性。 2 2 2 h a w a i i 网络结构 提供透明移动性给通信主机的一个通常的方法是把网络分离成层次化的结构，h a w a i i 基于域的概念定义层次结构，网络结构如图3 。到每一个域的网关被称为域根路由器 ( d r r ) ，每一个主机有一个i p 地址和个家乡域。当移动主机在它的家乡域移动的时候， 移动主机保持它的i p 地址不变；目的地为移动主机的分组将基于域所在的子网地址到达域 根路由器，然后通过一条动态建立的专门路径被转发到移动主机，这允许家乡域覆盖由成 千上万个基站组成的大区域，因此，增加了移动主机在它的家乡域的可靠性。对于在家乡 域内移动的主机，数据路径并不涉及h a 。 当移动主机移动到一个外地域的时候，采用传统的移动p 机制来实现移动主机的切换 过程。如果移动主机的外地域也是基于h a w a i i 的，那么从移动主机的外地域指定一个 c c o a 给移动主机，发给移动主机的分组通过在其家乡域的h a 隧道到c c o a 。移动主机 在同外地域内移动时保持它的c c o a 不变( 因此当移动主机在外地域内移动时，不需要 通知h a ) ；连接性通过使用在外地域专门建立的动态路径来维持。在外地域内h a w a i i 使 崩动态建立路径的方法维持连接性，这样简化了对每个q o s 浇的支持，但是使_ 【l ；l 配置转交 地址选项的一个缺点是每一个移动主机需要两个地址，这加剧了有限的口地址资源紧缺f 7 题。 l l 重庆邮屯学院硕i 论文 i e 常鹊i p 骨组艘封装日可ip 分组 。，- 图3 h a w a i i 嘲络结构 h a w a i i 系统中移动节点可以用三种状态来描述分别是激活状态( a c t i v e ) ，待机状态 ( s t a n d b y ) ，空状态( n u l l ) 。在不同的状态对移动节点的定位要求不同，当处于空状态时， 移动节点什么也不发送。这样，即降低了能量消耗又减少了信令开销。h a w i i 保留了蜂 窝网中的被动连接和寻呼特性。每一个h a w a i i 域内又划分为一些寻呼区间，移动节点可 以通过自己旋送的特定请求以及基站发送的信标检测到自己所在的寻呼域，基站以及路由 器中有一个软状态的寻呼表a 如同路由更新信息一样移动节点也会周期性的发送寻呼更新 信息但寻呼更新周期更长。 h a w a i j 毖议以逐跳( h o p 毋b o p ) 豹方式管理主机豹移动性，在每个基站以及路出器 中有个软状态( s o f t s t a t e ) 表。用以确定如何对接收到的分组数据进行处理，该表通过路 径建立机制进行管理。h a w a i i 的路径状态是以软状态韵形式保存，所谓软状态路由表是 指经过一定的时间后，路由表中的路径信息将不再有效，因此移动节点需要周期性的发送 路由更新信息。 在路由器中的软状态通过h a w a i i 中两种类型的控制信息更新( u p d a t e s ) 和刷新 ( r e f r e s h e s ) 来分别建立和维持，在开机期间移动主机发送注册请求信息之后或者切换之后在 基站处将会触发路径建立更耨信息的产生，这个信息会被接收者明确确认。值得注意的是， h a w a i i 的切换过程仅仅当在切换过程中移动主机的卜一跳地址改变的对候才被激活，并 且在实际使用的网络中，移动主机的下跳l p 节点可是也可不是基站节点。移动主机完成 注册过程之后将会周期性的向基站发送注册刷新消息，同时基站和路由器以逐跳的方式 向移动主机的上行路由器周期性的发送h a w a i i 刷新消息。 2 2 3 路径建立方案 在h a w a i i