（计算机应用技术专业论文）cellular+ip中基于基站特定路由切换机制的设计和实现.pdf

四川大学硕士学位论文 摘要： c e l l u l a ri p 中基于基站特定路由切换机制的 设计和实现 计算机应用技术 研究生：菅宏宇指导教师：吕光宏 随着计算机网络和无线网络的发展和融合，目前的i p 并不能充分满足 i m e m e t 的无线访问这一需求，因而提出一种新的机制来解决i m e m e t 无线访问 所遇到的主机移动问题。 为解决i p 支持主机移动性，i e t f 提出了m o b i l ei p 作为其解决方案。m o b i l e i p 的基本方案是：使用转交地址和“隧道”的方法。它的特点是：简单，可伸 缩性。 移动i p 是支持i p 网络移动性的标准，当移动主机( 节点) 在不同的i p 子网 之间移动时，它通过隐藏i p 地址的变换提供移动时无缝的切换。然而，移动i p 并没有被设计来支持切换频繁环境中的快速和无缝切换。在支持移动i p 的网络 中，几个微移动协议被提出来支持在某一个域中的频繁切换的移动性。c e l l u l a r i p ，h a w a i i ( h a n d o f f a w a r ew i r e l e s sa c c e s si n e m e ti n f r a s t r u c t u r e ) 和分层移动 i p 协议( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ) 就是一些较为流行的微移动协议。c e l l u l a r i p 补充了移动i p 的管理功能，它支持快速、无缝及本地切换控制，并支持i p 呼叫。在本论文中，先说明了目前的c e l l u l a ri p 协议存在的不足，然后提出了 一种在c e l l u l a ri p 中对现存的间接切换机制改进后的新切换机制基于基站 特定路由切换机制，这种新方法是当向新基站切换时，是通过向旧基站发送切 换报文而进行初始化，这样可以减少时延和减少包的丢失。最后进行了模拟实 验并验证了其正确性。 论文第一章介绍了论文研究的必要性和论文的研究内容；第二章综述了移 一 四川大学硕士学位论文 动1 p 原理、c e l l u l a ri p 的机制和c e l l u l a r1 p 间接切换协议的关键技术；第三章 提出本文的核心思想：基于基站特定路由切换机制的设计；第四章对提出的机 制进行协议分析和理论评估；第五章介绍了n s 仿真系统和论文的仿真实验内 容；第六章对在n s 系统中的仿真数据进行了分析和验证；第七章总结了论文 的研究内容、成果、不足和未来的研究工作。 关键字：微移动c e l l u l a ri p间接切换切换分组基站特定路由 四川大学硕士学位论文 d e s i g n & i m p l e m e n t o fb a s es t a t i o ns p e c i f i cr o u t i n g - b a s e dh a n d o f fm e c h a n i s mi nc e l l u l a ri p a b s t r a c t m a j o r ：c o m p m e ra p p l i c a t i o n p o s t g r a d u a t e ：j i a nh o n g y u t u t o r ：l vg u a n g h 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 rn e t w o r k sa n dw i r e l e s sn e t w o r k s r e g u l a ri pc a n tf i n i s ht h ew i r e l e s sa c c e s so fi n t e r n e tt h e r en e e d sa n e ws c h e m et os o l v et h i sp r o b l e m 。 t os u p p o r tt h em o b i l i c yo fm o b i l eh o s t i e t fi n t r o d u c e st h em o b i l e i pa si t ss o l u t i o n t h eb a s i cs c h e m ei st ou s ec a r e o f a d d r e s s ( c o a ) a n d t u n n e l i n gm e t h o d s t h ea d v a n t a g e so fm o b i l ei pa r e s i m p l i c i t ya n d e x t e n s i b i i i t y 。 m o b i l ei pi sn o wt h es t a n d a r df o rs u p p o r t i n gm o b i l i t yi ni pn e t w o r k s i tp r o v i d e ss e a m l e s sm o b i l i t yb yh i d i n gt h ec h a n g eo fi p a d d r e s sw h e na m o b i l eh o s tm o v e sb e t w e e ni ps u b n e t s n e v e r t h e l e s s ，m o b i l ei p i sn o t d e s i g n e d t o s u p p o r t f a s th a n d o f fa n ds e a m l e s s m o b i l i t y i n h a n d o f f i n t e n s i v ee n v i r o n m e n t s s e v e r a lm i c r o m o b i l i t yp r o t o c o l sh a v e b e e np r o p o s e dt os u p p o r th o e tm o b i l i t yw i t hf r e q u e n th a n d o f f sw i t h i na d o m a i n c e l l u l a ri p ，h a w a i i ( h a n d o f fa w a r ew i r e l e s sa c c e s s i n t e r n e t i n f r a s t r u c t u r e ) a n dh i e r a r c h i c a lm o b i l ei pa r es o m eo ft h ep o p u l a ri p m i c r o m o b i l i t yp r o t o c o l s c e l l u l a ri pc o m p l e m e n t sm o b i l e i pw i t hs u p p o r t f o rf a s t ，s e a m l e s sa n d1o c a lh a n d o f fc o n t r o l ，a n di pp a g i n g i n t h is p a p e r ，w ei l l u m i n a t e dt h el i m i t a t i o no fc u r r e n tc e l l o l a ri pp r o t o c o l f i r s t l y ，t h e np r o p o s e dan e wh a n d o f fm e c h a n i s mw h i c hi sam o d i f i c a t i o n 4 一 四川大学硕士学位论文 t ot h ee x i s t i n gi n d i r e c th a n d o f fm e e h a n i s f n _ 一b a s es t a t i o ns p e c i f i c r o u t i n g ，a n dc o n s t i t u t e san e ww a yt oh a n d o f ft ot h en e wb a s es t a t i o n w h e r et h eh a n d o f fi si n i t i a t e da l o n gt h eo l db a s es t a r i o n ，r e s u l t i n gi n r e d u c e dh a n d o f fd e l a ya n dp a c k e tl o s s i nt h ee n d ，t h en e wm e c h a n i s mi s p r o v e db ys i m u l a t i o n t h ec o n t e n to ft h ep a p e ri si n t r o d u c e si n c h a p t e r1 c h a p t e r2 s u m m a r i z e sm o b i l ei p ，c e l l u l a ri pp r o t o c o l sa n dt h ek e yt e c h n o l o g i e so f i n d i r e c th a n d o f fm e c h a n i s m t h en e wd e s i g no fb a s es t a t i o ns p e c i f i c r o u t i n gb a s e do nh a n d o f fm e c h a n i s mi nc e l l u l a ri p i sg i v e ni nc h a p t e r 3 c h a p t e r4a n a l y s e sa n de v a l u a t e st h en e wh a n d o f fm e c h a n is mb a s e do n s o m et h e o r i e s c h a p t e r5 p r o v i d e st h eb a s i ck n o w l e d g eo f n sa n dt h e p r a c t i c a lp a r t so ft h ep a p e r c h a p t e r6a s s e s s e st h en e wh a n d o f f m e c h a n i s mb a s e do nt h ed a t ap r o v i d e dt h r o u g hs i m u l a t i n gi nn s 一2a n di n c h a p t e r7t h e r ei sab r i e fs u m m a r yo ft h i sp a p e ra n di t sc o m i n gw o r ki n t h ef u t t l r e k e yw o r d s ：m i c r o - - m o b i l i t y , c e l l u l a ri p ，i n d i r e c th a n d o f f ，h a n d o f f p a n c k e t ，b a s es t a t i o ns p e c i f i cr o u t i n g 四j 1 i 大学硕士学位论文 1 1 移动l p 协议的提出 第一章绪论 移动i p 技术是由互联网工程任务小组( 1 e t f ) 在1 9 9 6 年制定的一项开放 标准( 现r f c3 3 4 4 ) ，它让用户可以在漫游于不同i p 网络之间时保持连接。网 络中的i p 寻址和路由都是基于固定位置的，网络中的一个设备可以被找到的原 因是它在网络中拥有一个地址。ip 路由技术的一个重要原则：想到达某一个特 定地址的ip 包，将被选路到对这个地址的网络前缀广播了可达性的那些路由 器上。如果节点并没有在它的网络前缀所指示的那条链路上，那么发向该节点 的数据包就找不到目的主机了。这意味着该主机不再可能和别的任何主机通信 了! 因此，一台主机要想与别的主机通信在没有改变它的ip 地址以反映它与 新网络的连接之前，就不要从一条链路移动到另一条链路上。i p 地址类似于一 个与某个电话插孔相对应的电话号码。如果某个电话始终插入到一个特定的插 孑l 中，那么就可以通过分配给这个插孔的电话号码找到这部电话。 但是，如果某个正在打电话的人想要移动到另外一个地方，并将同一部电 话插到个新的插孔中，那么就会出现问题。因为电路是按照原有的插孔设计 工作方式的，所以通话会中断。l p 网络也面临着同样的问题。当某个设备不再 与它原来所在网络中的i p 地址相关联时，它的有效会话将被中断。 1 2 移动i p 的扩展方案微移动i p 管理的引入 移动ip 协议简单、灵活，能保持具体网络无关性以提供全球无缝漫游能 力，能够使终端的移动性对应用保持透明，从而为穿越ip 网络的节点移动性 提供了个网络层解决方寰。但是移动ip 考虑的主要应用环境是有线网络和 无线局域网用户之间的漫游情况。随着移动通信与因特网的日益融合，业界已 经意识到无线数据业务主要通过蜂窝移动网来提供。 传统的m o b i l ei p 协议只是在较大范围的蜂窝间简单地解决i n t e r n e t 主机 移动性，仅适用于宏蜂窝的情况。在微蜂窝情况下，移动主机在蜂窝间的移动 o 四川大学硕士学位论文 切换更加频繁，无线接入的数据率也显著增加，若仍然采用传统的m o b i l ei p 协 议，网络的运行效率非常低，主要表现在以下几个方面： 一位置登记等待时间长，产生控制数据流量大。 将耗费较长的切换时阳j 。 l i p 地址资源紧缺。 服务质量( q o s ) 支持性差。 由于移动i p 的以上缺陷，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。域内移动性管理扩展协议的基本思想是：当移动主机 进入一个域时，将获得一个转交地址，移动主机停留在这个域中的时候，这个 转交地址一直保持有效。这样，一方面移动主机仅仅在进入该域时使用移动i p 协议进行一次位置登记处理，这样就大大减少了位置登记处理的次数，减少了 控制数据流量；另一方面域内移动性管理对于家乡代理和网络其他部分透明， 这样就可以按照私有地址( 仅仅对域内唯一) 形式重复利用很大一部分i p 地址， 解决口地址资源紧缺问题；另外，整个网络将不关心移动主机在某个特定域内 的移动，对r s v p ( 资源预留协议) 仅在移动主机改变域的时候作资源预定， 从而使服务质量得到支持。尽管移动i p 能满足操作透明性和支持切换，但对于 商用蜂窝移动网络来说，移动i p 在移动性管理方面还是存在缺陷，即它不能实 现快速、无缝、平滑的切换。特别是，我们可以看到在和远处的通信节点通信 时，移动主机的移动将引起大量的位置更新消息和位置更新传输时带来的时延， 使得移动i p 不适于在i n t e m e t 上支持实时性业务。但实时业务( 如话音和视频业 务) 是移动通信( 3 go r4 g ) 未来业务的一个重要组成部分。由于基本移动i p 不能 在蜂窝移动通信系统中实现快速、无缝、平滑的切换，业界提出了很多移动i p 的扩展方案来解决这些问题。主要有：h a w a 协议( h a n d o f fa w a r ew i r e l e s s a c c e s si n t e r n e ti n f r a s t r u c t u r e ) 、分层移动i p 协议( h i e r a r c h i c a lm o b i l e i p ) 、蜂窝i p 协议( c e l l u l a ri p ) 等。 移动i p 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 移动性环境。但其可观的切换时延、丢包及较重的信令负荷使其不适合于切换 频繁的微移动性环境。因此，i e t f 移动i p 工作组正在努力提高切换性能协议 的标准化，并成立了s e a m o b y 工作组束解决微移动性管理问题。 四川大学硕士学位论文 1 3c e l l u l a ri p 的切换机制概述 蜂窝i p ( c e l l u l a ri p ) ，它继承了m o b i l ei p 的优点，并且充分利用蜂窝移动 通信系统的移动性管理功能和移动切换技术，从而支持快速运动的移动主机无 线接入i n t e m e t 。 移动i p 的一个主要问题就是切换。切换是无线网络的重要特征，切换机制 的性能直接影响到整个网络的性能。随着无线网络用户大规模增加，小区覆盖 范围逐渐缩小，不仅使网络内的切换越来越频繁，而且使切换性能的重要性持 续增加。传统的硬切换机制下数据包的丢失现象较为严重，且无法克服。c e l l u l a r i p 定义了三种切换：硬切换( h a r dh a n d o f f ) 、半软切换( s e m i h a n d o f f ) 和间 接切换( i n d i r e c th a n d o f f ) 。c e l l u l a r i p 的半软切换机制减少了丢包，其性能比 硬切换大大改善。在半软切换期间数据同时发送到新旧两个基站，移动主机可 从任一基站接收数据包。然而在减少丢包的同时却产生了重复包，浪费了系统 资源，增加了不必要的流量。而不是所有的无线技术都具有同步的能力，它们 向新基站发送路由更新消息时不能侦听当前基站。间接切换技术解决了这个问 题。 1 4 改进型间接切换所要解决的问题 在c e l l u l a ri p 中，每个报文都必须向上转发至网关路由器。这就增加了网 关路由器的报文处理负担。在微移动i p 的域内，间接切换的报文也必须经由网 关路由器而到达新的基站。这就导致了间接切换的相当大的延迟。而且，对间 接切换，c e l l u l a ri p 要求常规i p 转发引擎( 路由项) 与c e l l u l a ri p 路由表共存。 常规i p 路由表将包括c e l l u l a ri p 接入网中每一个节点的路由表项。这将导致在 整个接入网中为维护i p 路由衷而增加了不必要的信息，而如果接入网的节点很 多的话，处理路由表将会消耗很大内存。 为克服上述缺点，在改进的间接切换中，我们引进基站特定路由表的概念。 这个概念与移动节点特定路由表相似，基站特定路由表包含了每个基站路由表 项。基站向网关路由器发送路由更新到上行链路，就象移动节点发送路由包。 从基站发出的路由更新被c e l l u l a ri p 网中的节点所用，这是为了更新他们的基 四川大学硕士学位论文 于特定基站的路由表项。一个c e l l u l a ri p 的节点包含了路由表项，这些路由表 项显示了从网关路由器到基站的最短路径，因此这些基于基站的路由表将会很 小。基站会定期地更新路由。周期可以是几分钟，从而不会加重接入网的负担。 1 5 本论文内容研究及各章安排 第一章为绪论，简述移动i p 的提出，微移动i p 管理方案的引入及本论文的重 点c e l l u l a ri p 的切换机制现状及改进方案。最后是本论文各章安排。 第二章详细讨论了c e l l u l a ri p 间接切换协议及原理，并对现存的间接切换机 制的缺陷进行分析。 第三章提出一个基于基站特定路由的间接切换算法，描述该算法的思想和 实现过程。 第四章对c e l l u l a ri p 进行协议分析和理论评估 第五章介绍n s 系统及在本论文中的应用实践。 第六章进行n s 系统仿真结果分析。 第七章总结了论文的研究内容、成果、不足和未来的研究工作。 四川大学硕士学位论文 第二章c e l l u l a ri p 间接切换协议 2 1 数据链路层上移动解决方案 对节点移动问题，确实存在一些数据链路层的解决方案，它们与相关的因 特网协议一起起作用。这一节中将简单介绍其中的两种，并指出为什么它们还 不足以成为因特网移动性的解决方案。有哪些数据链路层方案这一节介绍因特 网中现有的两种数据链路层移动方案，一种是“广域”方案，另一种是“本地” 方案。 2 1 1 蜂窝数字分组数据网( c d p d ) cdpd 是利用北美模拟蜂窝电话系统的空闲信道来传送ip 包的一种标 准。cdpd 与电路交换数据不同，因为后者需要在拨号接入服务器和无线调 制解调器之间建立一条电话呼叫，无论该呼叫的接通过程中是否真的有数据传 送，调制解调器的主叫方，也就是呼叫的发起者都必须为整个呼叫过程付费。 然而在c dp d 中，许多c dp d 用户共享一个无线信道，他们只在真正有数 据发送时才竞争这个信道。使用c dp d 服务需要为计算机买一个c dp d 调 制解调器，并与cdpd 业务提供商或电信商签定个业务合同。一般认为不 同的c d p d 电信商之间都有漫游协定，所以，理论上可以在模拟蜂窝能覆盖、 又可以提供c dp d 服务的任何地方使用c dp d 业务。同样，理论上说，这 种覆盖广阔地域的能力使得cdpd 成为一种“广域”移动解决方案。当你申 请c d p d 服务时，电信商会给你个在整个c d p d 网络中使用的i p 地址。 无论你在cdpd 网的哪个位置，数据链路层协议对ip 来说是不可见的 保证了数据包能按电信商提供的ip 地址准确传送。虽然概念上与移动ip 接近，但c d p d 协议只在c d p d 系统中提供了可移动性，这也是我们将c d pd 看作数据链路层方案的原因。cdpd 的最大速率为1 1k b p s ，这是用户实 际能用到的最大速率。cdpd 最吸引人的特点是它可以支持多种协议，但实 际上极少有电信商提供ip 以外的网络层协议。目前，许多地方没有提供cdp d 业务，使得它成了一种“局域”而不是“广域”的移动方案，有些人批评说， j 1 四川大学硕士学位论文 即使网络只需要为用户提供ip 业务， cdpd 也要求网络支持clnp ( c o n n e c t i o n l e s s n e t w o r kp r o t o c 0 1 ) 。与只运行i p 的网络相比， c dp d 的 运营成本要高得多，cdpd 的计费系统也因为太复杂而被批评。即使有这些 批评，cdpd 也不失为一种在特定媒介上提供节点可移动性的有效方案。在 许多情况下，它对一些应用来说非常有用。 2 1 2i e e e8 0 2 i l i e e e ( i n s t i t u t eo fe 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 ) 有一个组专门负责 协议标准的制定工作，已标准化的技术之一就是无线局域网( w i r e l e s sl a n s ) 。 简单地说，与cdpd 相比，802 1 1 是一个在地域范围上受限制但速率更高 的移动解决方案。 802 1 l 中定义了一系列无线收发器( 发送器接收器) ，它们为无线媒介 和有线网络之间提供桥接，计算机的无线网络接口可以和这些收发器通信。数 据链路层协议使得由802 1 1 收发器构成的整个网络对网络层来说只是一条链 路。和c dp d 一样，在802 1 l 中，设备的移动对i p 层来说是不可见的， 然而，如果节点移动时穿过了一台路由器，那么它就应改换ip 地址，这样， 正在进行的通信就会中断。因此，目前许多无线局域网经销商都支持移动i p ， 而另一些则表示有意想要支持移动ip 。 2 1 ，3 数据链路层解决方案的缺陷 有好几个原因使得单单依靠数据链路层方案不足以在全球因特网上实现移 动i p 解决方案。首先，根据数据链路层的定义，数据链路层的解决方案只能在 一种媒介内提供节点的移动性。例如，c dp d 可以在移动节点从一个c d p d 蜂窝移动到另一个时提供可移动性，但当节点移动到另一种媒介上时( 如有线 的以太网) ，c d p d 就要求节点改换ip 地址。因此，在不同媒介之间，c dp d 和8o2 1 1 等数据链路层方案只能提供漫游能力。数据链路层方案的另一个 问题是，对于n 种传送媒介就要求n 种不同的方案。那种对各种媒介普遍适用 的方案肯定要比这些依赖于传输媒介的方案更好。移动ip 就是一种适用于各 种传输媒介的方案。 四川大学硕士学位论文 最后，数据链路层方案只能在一定的地理范围内提供移动性。像802 1 l 那样的局域网方案可以在一个园区网或一幢大楼内提供可移动性，一旦节点离 丌了这个范围，它就无能为力了。只要覆盖范围足够大，cdpd 这样的广域 网方案可以在更大的地理范围内提供可移动性，但这种系统的吞吐量有限。在 可能的情况下，节点总是宁可连接到别的媒介上，而cdpd 又不能在两种不 同媒介之间提供可移动性。下章将介绍的移动ip 可以在各种媒介上、在任 意大的地理范围内提供可移动性，这是它独有的能力。利用移动i p ，只要它能 够连到网上，就可以采用一个固定的ip 地址进行通信。 2 2 移动i p 的原理 2 2 1 移动i p 的三方协调 移动i p 涉及到三个实体：移动节点、家乡代理和外部代理。移动节点是 指一个能够进行网络漫游的设备。移动i p 客户端的实例包括蜂窝式电话、p d a 或者笔记本电脑，它们的软件可以提供漫游功能。家乡代理是指本地网络上的 一个路由器，它可以充当与移动节点进行通信的定位点；它可以通过隧道将分 组发送给正在漫游的移动节点。外部代理是指一个可以在移动节点移动到某个 外地网络时，充当移动节点的连接点的路由器，它可以将从家乡代理发来的分 组提供给移动节点。 移动口领域的常用术语还包括转交地址( c o a ) 和远端节点。转交地址 是移动节点处于本地网络之外时，连接移动节点的隧道的端接点，而远端节点 是指移动节点与之通信的设备，例如一个y a h o o ! w e b 服务器。 2 2 2 代理发现 为了让在不同网络之间漫游的移动节点获得“永不中断”的连接，移动节点 首先要做的是发现代理。家乡代理和外部代理会不断地在网络上广播它们的服 务。移动节点在收到广播消息之后，就可以发现这些代理和它们所提供的服务， 并可以由此判断出自己目前是在本地网络中还是已经移动到某个外地网络。在 广播消息中，代理可以说明它是一个家乡代理或者外部代理，或者两者都是； - 1 5 四川大学硕士学位论文 它的转交地址；它所提供的服务的类型，例如反向隧道；以及它所允许的注册 时间或者漫游期限，这些时间可能会针对移动节点延长。 当移动代理收到某个外部代理的广播消息时，它可以检测到自己已经移动 到本地网络之外，并开始注册。 2 2 3 登机注册 为了明确地表达它的注册请求，移动节点可以利用外部代理的广告消息中 的信息，并在将请求发送到外部代理之前，利用它的家乡代理共享密钥保护这 些数据的完整性。作为移动节点和家乡代理之间的桥梁，外部代理将会处理这 些信息，并将请求转发到家乡代理，它可以利用相同的共享密钥进行身份校验， 以确认移动节点的有效性。家乡代理随后可以建立移动捆绑，即将移动节点映 射到转交地址( c o a ) ，即移动节点目前在外地网络中实际所在的位置。 移动i p 为获取转交地址提供了两种方法：移动节点可以从某个外部代理获 得转交地址，或者它也可以直接获取一个配置转交地址，它实际上代表了它在 外地网络中的当前位置。获得了一个配置转交地址的移动节点需要占用外地网 络中的一个地址，而从外部代理获取转交地址的节点则可以与其他移动节点共 享一个与该代理相关联的地址。 因为在家乡代理和外部代理上的注册都会自动过期，所以移动节点必须重 新注册，以保持它与外地网络的连接。移动节点还可以通过取消注册，明确地 通知代理它将不再漫游。 为了在移动节点和它的本地网络之间传输分组，家乡代理将创建条指向 转交地址的隧道，随后将注册回复发送给外部代理。在使用配置转交地址的情 况下，也会建立一条指向家乡代理的隧道，以实现成功的注册，同时将注册恢 复转发给移动节点。最后，移动节点将对这个回复进行身份验证，确认代理已 经意识到它正在处于漫游状态。注册可以设置移动节点收发分组的路由方式， 整个过程是通过隧道完成的。 2 2 4 隧道 移动节点可以利用它的本地i p 地址发送分组，从而有效地保持这样种 四川大学硕士学位论文 表象：即它一直处于本地网络之中。因此，即使在移动节点漫游到外地网络时， 它的运动对于远端节点而言始终是透明的。 发送移动节点的数据分组将被路由到它的本地网络，随后本地网络将阻截 这些分组，并通过隧道方式将它们发送到移动节点的转交地址。隧道主要具有 两种功能：封装到达隧道终端的数据分组，并在分组被发送到隧道另一端时解 除分组的封装。 通常，移动节点首先将分组发送到外部代理。外部代理将这些分组路由到 它们的最终目的地( c o a ) ，即远端节点。但是，这条数据路径在拓扑上是不正确 的，因为它并没有体现出数据真正的源i p 地址，而是体现了移动节点的本地网 络。因为分组在外地网络中将本地网络作为它们的来源，所以网络路由器上的 一种名为“输入过滤”的访问控制列表将丢弃这些分组，而不是转发它们。种 名为“反向隧道”的功能可以让外部代理从移动节点接收到分组之后，通过一条 隧道将这些分组发送到家乡代理，从而可以解决这个问题。 2 3c e l l u l a ri p 的主要思想 传统的m o b i l ei p 协议只是在较大范围的蜂窝间简单地解决i n t e r n e t 主机 移动性，仅适用于宏蜂窝的情况。在微蜂窝情况下，移动主机在蜂窝间的移动 切换更加频繁，无线接入的数据率也显著增加，若仍然采用传统的m o b i l ei p 协 议，网络的运行效率非常低，i p 微移动性协议是篇决微移动性造成网络性能损 伤的一种有效方案。微移动性协议的基本原则是：在域内引入新的选路机制( 微 移动选路机制) 、快速切换机制和位置管理寻呼机制。从而使网络在移动节点在 域内移动和切换时路由更新的信令开销和占用网络资源减少，并显著减小传输 时延和i p 包丢失率，从而提高服务质量。 在微移动性协议中，移动节点在域问移动的时候采用移动i p 协议支持宏移 动性，在域内的时候采用微移动性协议，微移动性协议能改善切换的性能，支 持快速的、无缝的、域内的移动性。微移动性协议的目的就是在不涉及移动i p 的互联网上的作用，而来帮助它处理移动节点的本地移动( 也就是在一个域内 的移动) 。这将有益于减少移动主机在切换中的延时、分组丢失，也有益于当移 动主机仍在它的本地域的时候，避免向远处的家乡代理( h a ) 注j l | 。通过在域 17 四川大学硕士学位论文 内运用微移动管理协议，来减少移动主机的注册，从丽减少支持移动性的网络 的信令负荷。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留，从而使业务质量得到支持。 目前在i e t f 中已经提供了三种最重要的微移动性协议草案。它们分别是 爱立信和诺基亚研究中心的h t 4 1 p 协议，源于朗讯科技的h a w a i i 协议，和哥 伦比亚大学和爱立信提出的c e l l u l a ri p 协议。 本文介绍蜂窝i p ( c e l l u l a r1 p ) ，它是支持m i c r o m o b i l i t y 的技术之一。它 适合于树型的网络拓扑结构，例如，移动通信系统接入网部分就是典型的树型 结构，如g s m 系统中m s c ( m o b i l e s e r v i c e ss w i t c h i n gc e n t r e ) 一b s c ( b a s e s t a t i o nc o n t r o l l e r ) 一- b t s ( b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ) 。c e l l u l a ri p 在位 置管理、路由、切换方面有很好的技术实现手段，并且能和移动l p 技术结合使 用。 2 3 1 协议基本操作 a ) 基站周期性地发送烽火信号( b e a c o ns i g n a l s ) 。m n 利用这些烽火信号来 定位最近的基站。 b ) 所有由m n 发送的i p 包，不管其目标地址是什么，都会由基站通过最短 路径逐跳的路由到g a t e w a y ( 网关路由器) 。 c ) 每个节点都有路由缓存( r o u t ec a c h e ) 。由m n 发送的包来创建、更新每 个节点的c a c h e 。c a c h e 中的每个条目映射了从邻节点来的包的m n 的1 p 地址。 d ) 一个m n 的c a c h e 映射链是指向该m n 包的下行路径的方向路径。当m n 移动时，这个映射链是一直指向m n 的，因为它的上行节点修改了映射。 e ) 为了使c a c h e 映射不超时，m n 要周期性地发送控制报文。控制报文是 i c m p + 鉴定( 作为负载) 。 在蜂窝l p 中，位置管理和切换支持都集成在路出功能中。基站定时发送烽 火信 号( b e a c o ns i g n a l ) ，烽火信号中包含所在网关的i p 地址，移动主机通过该烽 火信号进行定位，支持广域的移动性。蜂窝i p 节点维护一个路由缓存 ( r o u t ec a c h e ) ，存储移动主机的i p 地址和相邻的下一个节点，通过 h o p b y h o p 方式，构成一条上行链路( 基站到网关) 的路由。为减少控制信令， 节点处的路由缓存由传输的数据分组创建和修改。下行链路( 网关到基站、也可 一1r 一 四川大学硕士学位论文 以利用这条路由缓存链，将数据分组转发到移动主机。当主机在基站间移动时， 由于上行数据分组不断更新路由缓冲，所以下行分组可以准确转发到移动主机 处，很好地解决了蜂窝i p 网内部的位置更新问题。在有些节点处还设置寻呼缓 存( p a g i n gc a c h e ) ，对路由缓存的起到一定弥补作用。移动主机定时发送一些控 制分组，阻止缓存中的映射超时，维持位置信息和路由。下面从路由、切换和 寻呼等几个方面，详细介绍蜂窝i p 协议机制。 2 3 2 关键技术 2 3 21 移动主机 在蜂窝i p 网络中，移动主机有两种状态：激活( a c t i v e ) 和空闲( i d l e ) 。可以 将移动主机抽象为一个简单的二状态的状态机模型。当移动主机收到或准备发 送数据分组时，它的状态从空闲转为激活，而且，只要移动主机在发送或接收 数据分组，就一直保持激活状态。当主机经过一段时间没有收到或发送任何数 据分组，激活状态超时，主机重新回到空闲状态。当移动主机从空闲转为激活 状态时，它发送路由修改分组( m u t e - u p d a t ep a c k e t ) ，同时启动一个定时器， 初始值为路由修改时n ( m u t e u p d a t e t i m e ) 。只要主机发送数据分组，定时器 就会重新初始化为路由修改时间，这样就确保了在激活状态下，间隔时间不大 于路由修改时间的数据分组都可以发送。如果发送的数据分组足够快，移动主 机可以不产生路由修改分组。 在空闲状态下，移动主机定时发送寻呼修改分组( p a g i n g u p d a t ep a c k e t ) ， 间隔为寻呼修改时n ( p a g i n g u p d a t e t i m e ) 。当发送数据分组时，移动主机就停 止发送寻呼修改分组。 当主机移动到一个新的基站或无线信道阻塞的情况下，如果主机处于激活 状态，就立即发送路由修改分组，否则就立即发送寻呼修改分组，保持主机与 网络的连接。 232 2 映射 映射就是把移动主机的i p 地址对应到网络节点( 如基站) 的端口( 端口就是 四川大学硕士学位论文 网络节点用来转发数据包的) 。映射由移动主机传输的包创建，这些包在无线接 入网中以逐跳方式传输到网关。通过监视经过的数据包，无线接入网内的网络 节点将移动主机的i p 地址映射到包到达的端口，并由此创建了指向移动主机的 逐跳下行通道。 为了减少控制信息，映射在切换之后被完全清除，这是通过定时器来完成 的，为了保持映射表，移动主机在没有数据要传输时，周期性地发出寻呼更新 包。更新包和定时器使得主机在服务区漫游时网关和连接移动主机的b s 之间 总会产生新的映射。这种机制使得无线接入网内网络层的移动更容易实现。 2 3 2 3 路由 前面已经简要介绍了蜂窝i p 技术的路由机制：在蜂窝i p 节点维护路由缓 存( r o u t ec a c h e ) 和寻呼缓存( p a g i n gc a c h e ) ，存储移动主机i p 地址和相邻下一 节点的映射表。利用该映射表，通过h o p b p h o p 方式，构成上行路由；下行 路由也利用该映射表转发数据分组：映射表由传输的数据分组创建和更新，因 此，路由随着移动主机位置更新而自动调整，很好地解决主机移动性问题。 在上行链路方向( 基站到网关) ，当分组到达一个节点时，节点检查分组类 型，如果是数据分组，就利用节点映射表进行转发，转发到上行链路的下一节 点；如果是寻呼修改分组，就创建或修改节点的寻呼缓存，同样也转发到上行 链路的下一节点。 在下行链路方向( 网关劐基站) ，节点首先检查路由缓存中是否有分组的目 的地址，如果存在，则将分组转发到下一节点；如果没有该地址的映射，则检 查节点处是否有寻呼缓存，若没有寻呼缓存，就向所有下行链路的节点广播该 分组：如果存在寻呼缓存，且其中有该分组的目的地址，就将分组转发到对应 的下一节点，否则就丢弃该分组。 2 3 24 切换 蜂窝i p 硬切换( h a r dh a n d o f f ) 算法直接来源于蜂窝通信系统，当移动主机 进入新的基站时，发送路由修改分组来改变路由映射表链，使其指向新的基站。 这种切换造成切换完成后到达原基站的分组被丢弃，从后面的性能分析可以看 四川大学硕士学位论文 出，对分组丢失率、亿p 吞吐量等性能存在较大影响。 为提高切换性能，引入新的切换机制一一半软切换( s e m i s o f th a n d o f l ：) 。在 半软切换中，移动主机保持一段时间同时接受两个基站的分组，可以显著减少 分组丢失，保持连接不中断。半软切换的具体过程为： ( 1 ) 半软切换开始，移动主机向新基站发送路由修改分组，同时也侦听原基 站： ( 2 ) 路由修改分组在新基站创建路由缓存和寻呼缓存，当路由修改分组到达 新老基站路由交汇节点时，在其路由缓存中增加新的映射，而不是替代原有的 映射； ( 3 ) 移动主机从原基潍和新基站同时接收分组： ( 4 ) 当移动主机完全进入新基站后，发送新的路由修改分组，清除路由缓存 映射，仅保留到新基站的路由，这样就切换到新的基站上，完成半软切换。 半软切换可以确保主机切换过程中连续接收分组，但并不能完全提供平滑 切换。由于网路拓扑和话务条件的影响，从路由交汇点发往新老基站的分组的 到达时间并不相同，对性能有一定影响，增加切换复杂度。通过后面的性能分 析，证明半软切换是一项可取方案。 2 3 2 5 位置管理和寻呼 在蜂窝i p 网络中，几个蜂窝组成一个寻呼域( p a g i n ga r e a ) ，每个寻呼域有 唯一的寻呼域标识号( p a g i n g a r e ai d e n t i f i e r ) 。基站在定时发送的烽火信号 ( b e a c o ns i g n a l ) 中传送寻呼域标识号，使移动主机通过烽火信号获得所在寻呼 域的标识号。因此，空闲状态移动主机不需要在蜂窝边界发送位露修改分组， 就可以支持广域上的漫游。 当空闲状态主机在寻呼域内移动时，仅在寻呼修改时间 ( p a g i n g - u p d a t e - t i m e ) 超时后发送寻呼修改分组。当空闲状态主杌移动到新的寻 呼域时，就必须发送寻呼修改分组。该分组通过基站以h o p b y h o p 方式路由 到网关，在每个节点通过创建寻呼缓存，指向新的寻呼域。寻呼修改分组到达 网关后丢弃。基站选择性的设置寻呼缓存，寻呼缓存和路由缓存有两个方面的 不同：一是寻呼缓存映射的超时时间更长，二是主机发送的所有分组都修改寻 呼缓存映射，雨路由缓存映射只能被路由修改分组修改。当一个分组发往空闲 一2 1 四川大学硕士学位论文 状态主机，而节点没有指向该主机的路由缓存映射时，就发生寻呼。如果基站 没有寻呼缓存，就将分组转发到所有下行基站：否则就利用寻呼缓存的映射， 将分组转发到下一节点，直至主机，就避免了在蜂窝内查找的过程，降低了寻 呼的费用。 2 4c e l l u l a rip 的切换机制 移动i p 的一个主要问题就是切换。切换是无线网络的重要特征，切换机制 的性能直接影响到整个网络的性能。随着无线网络用户大规模增加，小区覆盖 范围逐渐缩小，不仅使网络内的切换越来越频繁，而且使切换性能的重要性持 续增加。传统的硬切换机制下数据包的丢失现象较为严重，且无法克服。c e l l u l a r i p 引入了半软切换机制减少丢包，其性能比硬切换大大改善。在半软切换期间 数据同时发送到新旧两个基站，移动主机可从任一基站接收数据包。然而在减 少丢包的同时却由于数据包继续发到旧基站，旧基站又转发到新基站而产生了 重复包，浪费了系统资源，增加了不必要的流量。本文从减少切换延迟和降低 丢包率的角度出发，在已有切换算法的基础上提出了改进的间接切换算法，增 加了资源预留、缓冲和重复包消除等机制，最大限度地消除包的丢失和重复。 现分别论述各种切换方法： c e l l u l a ri p 定义了三种切换：硬切换( h a r dh a n d o f f ) 、半软切换( s e m i - h a n d o f r )