（电路与系统专业论文）移动IPv6切换技术的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 随着i n t e m e t 的迅速发展，在下一代互联网中将会有越来越多的移动终端设备接入互 联网。为此，i e t f 工作小组制定了解决移动性问题的移动i p v 6 协议及其改进技术m i p v 6 的快速切换技术( f m i p v 6 ) 和层次型切换技术( h m i p v 6 ) ，它们相对原来的m i p v 4 而言 在时延和丢包率方面都有所改善，但仍然存在一定的局限性。 针对移动i p v 6 协议及其相关改进技术的不足之处，本文主要提出一种基于h m i p v 6 的切换管理技术i h m i p v 6 ( i m p r o v e dh i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6 ) ，论文主要从下面两个方面论 述： 理论介绍一分析了m i p v 6 、f m i p v 6 、h m i p v 6 协议中的基本切换性能。对切换过程进 行了系统全面的介绍，并主要针对感兴趣的时延和丢包率进行分析，指出各自的特点及不 足之处。为在实现h m i p v 6 切换协议时采取的优化措施提供了理论基础。 改进方案一针对h m i p v 6 协议目前没有解决或考虑到的几个问题，提出了改进与完善 的技术i h m i p v 6 。这些问题包括：m a p 选择策略的问题和切换过程中数据包丢失的问题。 对于第一个问题，根据移动节点的移动轨迹，经过的接入路由器的相关信息来选择合适的 m a p 。对于第二个问题，提出了预切换的思想，通过在m a p 中增加缓存机制，将数据包 的丢失减至最小。结合以上两方面的改进措施，提高h m i p v 6 中切换时延和丢包率的性能。 并在论文的后面对h m i p v 6 和所提出的i h m i p v 6 两种技术方案进行时延分析、仿真验证。 仿真结果显示，改进技术在减少时延的基础上，通过采用缓存机制，使丢包率减至最低。 关键词：移动i p v 6 ，移动锚点，i h m i p v 6 ，宏移动，切换，时延，丢包率 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，m o r ea n dm o r em o b i l et e r m i n a l e q u i p m e n tw i l lb e i n t r o d u c e di n t ot h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k t h e r e b y , t h ei e t fw o r k g r o u pp u b l i s h e dt h em o b i l e i p v 6p r o t o c o l 、f m i p v 6a n dh m i p v 6t os o l v et h em o b i l ec o m m u n i c a t i o np r o b l e m s c o m p a r e d 谢t hi p v 4 ，t h e s es c h e m e sp r o m o t et h ep e r f o r m a n c eo fh a n d o v e ri nl a t e n c ya n dp a c k e t sl o s t b u t a f t e ra n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，t h e r ei ss t i l ll i m i t a t i o nw i t ht h e m c o n s i d e r i n gt h e s eq u e s t i o n s ，t h i sp a p e rm a i n l yp r e s e n t s ap e r f o r m a n c eh a n d o v e r m a n a g e m e n ts c h e m eb a s e do nh m i p v 6 t h ew o r ko ft h i sp a p e ri n c l u d e st w oa s p e c t s ： t h e o r yi n t r o d u c e d i th a sa n a l y z e dt h eb a s i ch a n d o v e rp e r f o r m a n c eo fm i p v 6 ，f m i p v 6 ， h m i p v 6p r o t o c 0 1 t h e nt h e r ei sac o m p l e t ei n t r o d u c t i o ni nt h ep r o c e s so fh a n d o v e r , p o i n t e do u t t h em a i n l yc h a r a c t e r i s t i ca n ds h o r t c o m i n ga b o u tt h eh a n d o v e rd e l a ya n dp a c k e t sl o s sr a t e s i th a s a l s op r o v i d e dat h e o r e t i cb a s i st oo p t i m i z et h eh m i p v 6 s c h e m ei m p r o v e d - i nv i e wo ft h ed i s a d v a n t a g eo fh m i p v 6 ，t h ep a p e ri n t r o d u c e di h m i p v 6 p r o t o c o lt o s o l v et h e s ep r o b l e m s t h e s ep r o b l e m si n c l u d e ：t h et e c h n i q u eo fc h o o s et h et i g h t m a pa n dt h ep r o b l e mo fp a c k e t sl o s si nt h eh a n d o v e rp r o c e s s f o rt h ef i r s tp r o b l e m ，w ec a n c h o o s et h er i g h tm a pa c c o r d i n gt ot h et r a j e c t o r yo fm o b i l en o d ea n dt h ec o r r e l a t e di n f o r m a t i o n o fa c c e s sr o u t e r f o rt h es e c o n dp r o b l e m ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e p r e h a n d o v e r t e c h n o l o g y a n dt h eb u f f e t i n gm e c h a n i s mt oi n d u c et h eh a n d o v e rd e l a ya n dp a c k e t sl o s sr a t e f i n a l l y , c o n c e r n e dt h et w ok i n d so fs c h e m e s ，t h e r ei sa na n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a t t h ep r e s e n t e dt h e m ec a nr e d u c et h eh a n d o v e rd e l a ya n dt h ep a c k e t sl o s sr a t e k e yw o r d s ：m o b i l ei p v 6 ，m o b i l ea n c h o r , i h m i p v 6 ，m a c r om o b i l i t y , h a n d o v e r , d e l a y , p a c k e t s l o s sr a t e 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 含为获得南京邮电大学或其它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。 研究生签名：兰丝丝日期：丛丑二丝! l 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：耋监导师签名：进日期：2 盟。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 在当今飞快发展的信息领域中，i n t e m e t 和移动通信是两个引人瞩目的通信技术和i t 产业【引。这两大潮流已经深入到人们生活的各个领域，引发了工作和生活方式的巨大变革。 凭借网络的全球连通性，使用者足不出户就可以浏览大量信息，共享资源。网络甚至能让 身处遥远两地的使用者借助电脑召开视频会议，面对面地进行沟通。近年来，便携式计算 机的普及刺激了人们对移动通信的需求。人们越来越希望即使在移动过程中也能通过便携 式计算机接入网络，并保持通信过程的畅通。 第三代移动通信和无线局域网为实现移动网络提供了通信基础，它们分别通过点到点 协议和i e e e8 0 2 1 1 1 2 8 】将移动节点接入i n t e m e t 。这两种技术都是在数据链路层实现节点的 移动性。移动通信网通常提供低速率的数据通信服务，而无线局域网的数据速率可以达到 5 4 m b p s 2 羽。因此i e e e 8 0 2 11 逐渐成为一种新兴的无线接入方式。但是这两种方式也存在 着明显的缺陷。因为节点的移动对i p 层来说是不可见的，当移动节点穿越了一个路由器， 如果不配置新的i p 地址，数据包将无法正确路由至目的地址，正在进行中的数据传输业务 会被迫中断。因此，仅仅依靠链路层技术不足以在全球范围内实现节点的可移动性。另外， 如果移动节点通过移动通信网接入，它将没有固定的i p 地址，无法在客户机h i 务器的分 布式系统中充当服务器。 上述缺陷和网络的寻址模式有关。在i n t e r n e t 上，每个节点都分配有唯一的i p 地址p 1 。 i p 的分组路由是基于网络前缀的路由，数据分组首先路由到目的i p 地址的网络前缀所对 应的网段，然后再转发到目的节点。i p 地址不仅标识一个节点，也标识这个节点所在的物 理网络地址。当节点移动到另一网络后，以前的i p 地址无法表示其现在所处的物理网络地 址，发送给节点的i p 分组将无法正确路由。 可见，i p 天生没有移动通信的能力。一旦节点移动到一个新网络就意味着它的i p 地 址必须改变，路由器必须把特定于主机的路由通过整个i n t e r n e t 进行传播。为了解决节点 的移动性问题，因特网工程任务组【1o 】( i e t f ：i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 成立了移动 i p ( m o b i l ei p ) 工作组，致力于寻找一种新的解决方案，使节点能够在不同的网络间自由 移动。移动i p 工作组在1 9 9 6 年1 1 月公布了建议标准。目前，移动i p 有两种版本1 9 l ：基 于i p v 4 的移动i p v 4 和基于i p v 6 的移动i p v 6 。移动i p v 4 是人们在i p 上尝试提供移动支 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 持的第一步，虽然移动i p v 4 存在三角路由、效率不高等问题，但它体现了移动i p 的基本 思想。而移动i p v 6 是i e t f 工作组目前研究的主要课题，它不仅继承了移动i p v 4 的优点， 还利用了i p v 6 的许多新特性。和移动i p v 4 相比，移动i p v 6 在很多方面有不可比拟的优势， 同样本文是针对移动i p v 6 进行研究。 1 2 论文工作 在下一代网络中，移动i p v 6 1 2 j ( m i p v 6 ) 作为认可的支持移动性的标准，在本文中对 它做了较详细的描述，通过对m i p v 6 的分析，发现它在处理切换过程中存在时延过长、丢 包率过高的问题。然后在对其它相关的基于m i p v 6 的切换技术( f m i p v 6 t 6 1 和h m i p v 6 1 7 1 ) 的分析中，也发现了它们虽然都有各自的优势，但同时也有自身的局限性。为了便于分析 研究，引入了宏移动f 7 】和微移动【7 1 的概念，在h m i p v 6 的基础上提出了针对宏移动的改进 切换方案i h m i p v 6 ( i m p r o v e dh i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6 ) ，对其具体的切换过程和m a p 的操 作【8 】作了详尽的分析，并通过仿真对它的可行性进行了验证。 本文使用的仿真平台是n s 2 t 3 7 j ，运行的操作系统是r e d h a tl i n u x9 0 。n s 仿真软件主 要用来进行对通信协议以及网络结构、设备和应用的设计、建设、分析和管理。同时根据 本论文的需要，安装了m o t o r o l a 公司的m o b i w a n t 4 2 】模块。该模块修改了n s 2 的地址 体系，引入了层次化的地址结构，在后面对其进行详细说明。 1 3 论文结构 本论文首先介绍移动i p v 6 的相关基础知识，在此基础上对目前移动i p v 6 切换管理技 术进行了分析和研究，最后根据已有的分层移动i p v 6 协议提出了自己的改进技术，并且对 提出的切换技术用n s 2 仿真软件进行仿真，主要在切换时延和数据包的丢失两方面进行 比较分析，最后对本论文进行总结并指出进一步的工作方向。 本论文共包括六章。 第二章将对移动i p v 4 和移动i p v 6 做了比较详细的介绍。介绍了各自的详细操作过程， 特点，并对其优缺点进行了比较分析。 第三章对移动i p 的切换进行介绍，提出现有的几种切换方法包括m i p v 6 、f m i p v 6 和 h m i p v 6 。 第四章是全论文的重点，提出改进的层次型切换技术( i h m i p v 6 ) ，在现有的切换技术 h m i p v 6 基础上，针对其中的两方面( m a p 选择算法和切换过程) 提出的具体改进方法。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第五章介绍仿真工具n s 2 、仿真环境以及对仿真产生的实验结果进行详细分析。 第六章是总结和展望，并指出论文进一步的研究方向。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p v 6 介绍 第二章移动i p v 6 介绍 2 1 移动i p v 4 与移动i p v 6 2 1 1 移动i p v 4 概述 为了支持主机的跨网移动，i e t f 工作组提出了移动i p v 4 1 1 1 】协议，作为对i p v 4 协议支 持主机移动的扩展。移动i p v 4 允许节点能够改变到网络的链路层接入点，而不必改变i p 地址，同时能保持与其他节点的通信。在移动i p v 4 中，协议定义了4 个新的功能实体： ( 1 ) 移动节点一般为一台主机或路由器，它在切换链路时不改变i p 地址，也不中 断正在进行的通信。 ( 2 ) 家乡代理一般为一台路由器，它的一个端口连接在移动节点的家乡链路上， 这个端口截获所有发往移动节点家乡地址的数据包，并通过隧道【l o 】将它们送到移动节点最 新注册的转交地址上。 ( 3 ) 外地代理一般为一台一个端口在移动节点的外地链路上的路由器，它帮助移 动节点完成移动检测，并向移动节点提供路由服务。 ( 4 ) 对端节点是指与移动节点进行通信的对端通信节点，可以是一台主机，也可 以是一台路由器。 在移动i p v 4 中，移动节点定义了两种地址： ( 1 ) 家乡地址移动节点的对端节点所知道的移动节点的i p 地址。当移动节点在互 联网上移动时，其家乡地址保持不变。移动节点家乡地址的网络前缀与在它的家乡链路上 的节点的前缀是一样的。移动节点的家乡地址与其家乡链路和家乡代理是密切相关的。 ( 2 ) 转交地址移动节点暂时作为从移动节点的家乡代理发出的隧道出口的地址。 当移动节点在互联网上移动时，转交地址是会发生改变的，在移动i p v 4 中，转交地址分为 两类：外地代理转交地址和配置转交地址。其中，外地代理转交地址是暂时分配给移动节 点某一个端口的地址。移动节点的转交地址与其外地链路和外地代理是密切相关的。 在移动i p v 4 中，移动节点定义了3 种功制9 1 ，移动检测、注册和隧道。 ( 1 ) 移动检测 移动检测需要执行代理搜索过程。移动节点通过移动检测确定移动节点当前连接的是 家乡链路还是外地链路，并且通过移动检测确定移动节点是否从一条链路移动到了另一条 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p v 6 介绍 链路，当连接在外地链路上时，移动节点获得一个转交地址。 ( 2 ) 注册 注册是移动节点向其家乡代理通知它当前转交地址的一种认证机制，也是移动节点在 回到家乡链路上后注销转交地址的机制。移动节点也可以通过注册过程得到其家乡代理地 址。 注册通过一系列u d p t l 7 1 承载的消息来完成。注册请求消息是由移动节点发往它的家乡 代理的，途中可能会经过外地代理。家乡代理通过向移动节点回答一条注册应答消息来通 知移动节点对它的请求的处理接受或拒绝。注册应答有可能经过外地代理。 ( 3 ) 隧道 隧道技术是移动i p v 4 定义的第三种主要功能，是对数据包进行路由的特殊规程，尤其 是对源或目的地是当前连接在外地链路上的移动节点数据包。连接在家乡链路上的移动节 点则和其他固定主机或路由器一样进行数据包的路由。 隧道协议用来向那些连接在外地链路上的移动节点传送数据包。要发往移动节点家乡 地址的数据包先路由到它的家乡链路上，在家乡链路上，家乡代理截获数据包，然后通过 隧道将数据包送到移动节点的转交地址。在那里，数据包从隧道中取出，然后送往移动节 点。在相反的方向，移动节点产生的数据包用它的家乡地址直接路由到它们的目的地。如 果有外地代理，它将作为移动节点的缺省路由器。 2 1 2 移动i p v 6 下一代网络协议【l 】( i p v 6 ) 批准于1 9 9 5 年。它的建立是为了解决当前网络协议i p v 4 其内在的局限性。最突出的一点就是全球i p 地址的分配不均，其中美国占全球地址的7 0 以上，仅美国斯坦福大学所分配的i p 地址就比整个中国所分配的i p 地址要多。公有i p 地址资源日趋紧张，虽然n a t 8 1 的提出将i p v 4 地址有效的从3 2 位扩展到了4 8 位，使公有 i p 地址资源的紧张得以暂时的缓解，但是p 2 p 应用因为n a t 不能提供全球路由而无法使 用，比如n e t m e e t i n g 。为了克服这个问题就需要一个服务器对打算进行p 2 p 应用而失败的 两个客户端之间进行裁决。显然n a t 仍然不能解决全球公有地址分配不均的问题。随着各 个组织和机构在i p v 6 中的投资不断加大和i p v 6 本身具有的优势，如：可扩展性、安全性、 服务质量等。在移动性方面，i p v 6 在设计中针对于i p v 4 移动性不足的问题，做了大量的 工作，以期对移动i p 提供更好的支持。例如，使用自动地址配置、转交地址以及转交地址 通告等技术，克服了i p v 4 中典型的“三角路由”问题，可以直接与相关通信节点进行通信， 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动i p v 6 介绍 能够较好地使用在无线环境下。 常用术语： ( 1 ) 移动节点( m o b i l en o d e ) ：指移动i p 中能够从一个链路的连接点移动到另一个连 接点，同时，仍能通过其家乡地址访问的节点。 ( 2 ) 通信对端( c o r r e s p o n d e n tn o d e ) ：指所有与移动节点通信的节点，通信对端可以 是静止的或移动的。 ( 3 ) 家乡代理( h o m ea g e n t ) ：指移动节点家乡链路上的一个路由器，允许移动节点 向其注册当前的转交地址，并且当移动节点离开家乡时，截取其家乡链路上目的地地址是 移动节点家乡地址的分组，通过隧道转发到移动节点注册的转交地址。 ( 4 ) 家乡地址( h o m ea d d r e s s ) ：指分配给移动节点的i p 地址，它属于移动节点的家 乡链路，标准的i p 路由机制会把发给移动节点家乡地址的分组发送到其家乡链路。 ( 5 ) 转交地址( c a r e o fa d d r e s s ) ：指移动节点访问外地链路时获得的i p 地址，这个 i p 地址的子网前缀是外地子网前缀，移动节点同时可得到多个转交地址，其中注册到家乡 代理的转交地址称为主转交地址( p r i m a r yc a r e o f a d d r e s s ) 。 ( 6 ) 家乡链路( h o m el i n k ) ：对应于移动节点家乡子网前缀的链路，标准i p 路由机制 会把目的地址是移动节点家乡地址的分组转发到移动节点的家乡链路。 ( 7 ) 外地链路( f o r e i g nl i n k ) ：对于一个移动节点而言，指除了其家乡链路之外的任 何链路。 ( 8 ) 绑定( b i n d i n g ) ：指移动节点家乡地址和转交地址之间的关联。家乡代理通过这 种关联把发到家乡链路的属于移动节点的分组转发到其当前位置，通信对端通过这种关联 也可以知道移动节点的当前接入点，从而实现通信的路由优化。 根据i e t fr f c 3 7 7 5 对m o b i l ei p v 6 的定义，移动节点在移动到外地网络之后，可以 利用i p v 6 固有的机制获得一个转交地址。随后将一个带有该转交地址的绑定更新( b i n d i n g u p d a t e ) 发送给家乡代理。家乡代理将转交地址与移动节点的家乡地址( h o m ea d d r e s s ) 进行绑定后，向移动节点回复一个绑定确认( b i n d i n ga c k n o w l e d g e m e n t ) 。该绑定确认告知 移动节点在它的家乡代理处，它的转交地址和它的家乡地址已经建立了绑定关系。 而对于移动节点与相关通信节点之间的通信，m i p v 6 下存在两种模式【2 1 。 第一种模式使用双向隧道( b i d i r e c t i o n a lt u n n e l i n g ) 的方式。相关通信节点不需要支持 m i p v 6 ，即移动节点不需要对相关通信节点进行注册，它们之间就可实现相互的通信。相 关通信节点发送给移动节点的报文的目的地址填写为移动节点的家乡地址，在报文传送到 移动节点的家乡网络时，移动节点的家乡代理将截取该报文，并按照移动节点当前的转交 。6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动i p v 6 介绍 地址封装报文，以隧道的方式将报文转发给移动节点。而移动节点发送给相关通信节点的 报文也会以隧道的方式发回家乡代理，再由家乡代理解开隧道封装，最后发送给相关通信 节点。 第二种模式是路由优化模式( r o u t eo p t i m i z a t i o n ) 。在该模式下，移动节点与对端通信 节点之间可以直接相互通信，而不需要通过家乡代理。移动节点会向对端通信节点注册其 当前的位置信息，而对端通信节点会将相关信息记录在其绑定缓存( b i n d i n gc a c h e ) 中。 当对端通信节点需要向移动节点发送报文时，它会先查找绑定缓存中是否存在对应移动节 点的信息，如果找到，它便将报文的目的地址项填写为移动节点的当前转交地址后将其发 送出去。如果对端通信节点没有查找到移动节点的相关信息，它便首先按照第一种移动节 点与对端通信节点的通信模式向移动节点发送报文。当移动节点向对端通信节点发送报文 时，它会将转交地址填写在报文的源地址项中，并将自己的家乡地址填写在m i p v 6 中新定 义的家乡地址目的地选项( h o m ea d d r e s sd e s t i n a t i o no p t i o n ) 中，随后直接把报文发送给对 端通信节点。 2 1 3m i p v 6 与m i p v 4 的比较 m i p v 6 除了吸收了m i p v 4 所具备的功能外，还将i p v 6 提供的优点结合，形成了一些 m i p v 4 所不具备的独特优点。 其主要区别在于： ( 1 ) 外地代理：移动i p v 6 中，在外地网络上，不像移动i p v 4 那样需要特别地把某些 路由器配置成外地代理。i p 移动节点使用i p v 6 的特性，如邻居发现和地址自动配置等， 无需外地网络上的路由器提供特别的功能支持。 ( 2 ) 路由优化：路由优化是移动i p v 6 协议基本功能的部分，而不像移动i p v 4 那样是 可选的。移动i p v 6 允许通信对端节点发出的分组直接路由到移动节点，不必通过家乡代理 进行转发，解决了在基本移动i p v 4 协议中出现的三角路由问题。即使没有预先设置安全关 联，移动i p v 6 的路由优化机制也是安全的，并且能够对全球范围内任何移动节点和通信对 端之间的通信进行路由的优化。 ( 3 ) 输入过滤：在移动i p v 6 中，路由优化功能与路由器的输入过滤能够共存。分组 中携带转交地址和家乡地址，使得分组能够正常通过具有输入过滤功能的路由器。 ( 4 ) 组播分组的发送：在移动i p v 6 中，移动节点作为发送者的组播分组，不再必须 由家乡代理进行转发。 南京邮电大学硕：t ：研究生学位论文 第二章移动i p v 6 介绍 ( 5 ) 移动检测：移动i p v 6 中的移动检测机制，提供了对移动节点与默认路由器之间 双向通信能力的确认，既可确保移动节点能够接收到路由器发出的分组，也可确保路由器 能够接收到移动节点发出的分组。 ( 6 ) 截获分组：在移动i p v 6 中，家乡代理截取发往离开家乡移动节点的分组时，使 用的是邻居发现机制而不是如移动i p v 4 中的a r p 协议。邻居发现机制不像a r p 那样需要 关心链路层的特定情况，不仅简化了移动i p 的实现，而且具有更好的鲁棒性。 ( 7 ) 隧道封装：在移动i p v 6 中，除家乡代理截取的分组外，多数分组都是使用i p v 6 路由头直接发送到移动节点，不需要使用隧道封装，而移动i p v 4 需要对所有的分组进行封 装，使用路由头相对封装而言能够减小移动i p 分组的传输开销。 ( 8 ) 隧道软状态：移动i p v 6 使用i p v 6 封装和路由头，没有必要管理“隧道软状态” ( t u n n e ls o f ts t a t e ) ，而由于i p v 4 的i c m p 协议的限制，移动i p v 4 必须管理隧道软状态才 能把隧道返回的i c m p 错误消息转发到分组的原始发送者，而移动i p v 6 使用i c m p v 6 ，不 再需要使用隧道软状态。 ( 9 ) 家乡代理地址发现：移动i p v 6 中，动态家乡代理地址发现机制使用i p v 6 泛播地 址，仅返回单个应答给移动节点，而移动i p v 4 使用广播分组机制，家乡链路上的每个家乡 代理都给移动节点返回一个应答。由于实际上只有一个应答分组返回到移动节点，移动 i p v 6 机制更加高效和可靠，并且不存在应答爆炸问题。 2 2 移动i p v 4 的基本操作过程1 1 1 l 如图2 1 所示，以移动节点在外地网络上和对端节点通信的大致过程为例，说明移动 i p v 4 的基本操作过程。 对端节点 l 固噫 。l 算“ 譬一图扔悯i 譬鼍；一日5 7 “8 一# $ 一 移动节点 图2 1 移动i p v 4 的基本操作过程 步骤1 ：移动代理( 外地代理和家乡代理) 通过代理通告消息告诉移动节点移动代理 的存在，移动节点也可以通过向当前访问网络发送代理请求获得代理通告消息。移动节点 接收到代理通告消息后，可以确定它是在家乡网络还是外地网络上，如果移动节点发现自 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一二章移动i p v 6 介绍 己在家乡网络，则其操作过程与固定主机一样。如果它是从其他注册的网络回到家乡网络， 将通过和家乡代理交换“注册请求 和“注册应答消息在家乡代理上进行注销。 步骤2 ：如果移动节点发现它已经移动到一个外地网络上，它将获得该外地网络上的 一个转交地址。这个转交地址或者来自外地代理的通告，或者由d h c p ( 动态主机配置协 议) 等外部分配机制确定，前者称为外地代理转交地址( f o r e i g na g e n tc a r e - o f a d d r e s s ) ， 后者称为配置转交地址( c o 1 0 c a t e dc a r e o f a d d r e s s ) 。 步骤3 ：移动到外地网络上的移动节点随后与家乡代理交换注册请求和注册应答消息， 注册它的转交地址。 步骤4 ：家乡代理截获发往移动节点家乡地址的数据分组。 步骤5 ：家乡代理通过隧道把截获的数据分组发送到移动节点的转交地址。 步骤6 ：隧道的输出端点( 外地代理或者移动节点本身) 收到的报文进行拆封后，交 给移动节点。 步骤7 ：对端节点发出的报文通过标准的i p 路由机制路由到目的节点，不需要经过家 乡代理。 2 3 移动i p v 6 的基本操作过程1 2 l 移动i p v 6 的基本操作过程如图2 2 所示，和移动i p v 4 类似，下面详细说明其步骤： 家乡地址转交地址 图2 - 2 移动i p v 6 的基本操作过程 步骤l ：移动节点通过移动检测机制，检测自己是否移动到外地网络上。如果移动节 点处在家乡网络中，则使用传统的寻路机制收发数据。如果移动节点已移动到外地网络中， 则要使用移动i p v 6 机制进行通信。 步骤2 ：移动节点发现自己移动到外地网络后，首先要获得外地网络中的转交地址。 移动节点的转交地址可以有多个，但主转交地址( p r i m a r yc a r e o fa d d r e s s ) 只能有一个。 9 守舭 南京邮电大学硕i ：研究生学位论文第一二章移动i p v 6 介绍 家乡代理只将截取的数据发向主转交地址，但移动节点接收以任意一个转交地址为目的地 的分组，采用这种机制有利于移动节点在无线网络间的平稳切换。 步骤3 ：获得主转交地址后，移动节点就向家乡代理发送一个含有绑定更新( b i n d i n g u p d a t e ) 选项的报文，注册主转交地址。 步骤4 ：家乡代理将转交地址信息存入绑定缓存，并送回一个含有绑定确认( b i n d i n g a c k n o w l e d g e ) 选项的报文。 步骤5 ：家乡代理使用代理邻居发现机制截获发向该移动节点家乡地址的报文，将截 获的报文通过隧道转发到移动节点的主转交地址。 步骤6 ：移动节点除了向家乡代理发送绑定更新进行注册之外，也可以向通信对端发 送绑定更新，告知移动节点当前的转交地址。 步骤7 ：这样，通信对端就可以和移动节点直接通信，而避免使用三角路由。 移动节点发送报文时，通过传统的i p 机制直接向通信对端发送报文。为了避免所在的 外地网络中路由器的源过滤( i n g r e s sf i l t e r i n g ) ，将i p v 6 报头中的原地址设为移动节点的转 交地址，将移动节点的家乡地址写入家乡地址选项附在基本报头之后。 通信对端向移动机节点发送报文时，先查询其绑定缓存，若存在此移动节点的家乡地 址和转交地址的绑定表项，则使用路由报头( r o u t i n gh e a d e r ) 发送该分组。此时，将移动 节点的转交地址写入i p v 6 报头的目的地址中，将移动节点的家乡地址写入路由报头的地址 列表。若无此项绑定缓存，则按正常程序发送，将报文发送到移动节点的家乡地址，由家 乡代理负责将通信对端发送的分组转发给移动节点。移动节点收到家乡代理通过隧道发送 过来的分组，就认为通信对端不知道移动节点的转交地址，则主动向通信对端发送带绑定 更新选项的报文。最终，移动节点可使用转交地址直接和通信对端通信，实现了路由的优 化，减少了报文传输的延时，节约网络带宽。 2 4 移动i p v 6 的缺陷 移动i p v 6 使得移动节点在从一个接入路由器移动至另一接入路由器时保持其连通性， 这一过程称为切换【2 】过程。移动节点的切换过程包含二层切换( l 2h a n d o v e r ) 和三层切换 ( l 3h a n d o v e r ) 两个部分。二层切换是指，一个移动节点从一个链路层接入点连接到另一 个的过程。三层切换是指，在一个二层切换之后，一个移动节点会检测到一个链路层子网 前缀的改变，这会触发主机改变原有的转交地址。在r f c3 7 7 5 1 7 】中定义的m i p 移动管理协 议下，主机在切换过程中既不能发送也不能接收到i p 报文，由此便会造成主机通信的中断， l o 南京邮电大学硕七研究生学位论文第二章移动i p v 6 介绍 导致时延。主机切换产生的这种通信时延称为“切换时延”( h a n d o v e rl a t e n c y ) 。详细分析 主机切换过程，造成主机切换时延的原因是主机在切换过程中所进行的三个主要步骤：移 动检测、转交地址配置和绑定更新，其中移动检测属于二层切换，转交地址配置和绑定更 新属于三层切换。具体来说，移动检测时延就是移动节点在移动到一个新的网络后，等待 接收接入路由器发送的路由器通告( r o u t e ra d v e r t i s e m e n t ) 所带来的时延。为了提供移动 节点适时的移动探测，路由器通告发送的时间间隔不宜太短，因此m i p v 6 将路由器通告间 隔时间由i p v 6 协议中所规定的3 秒钟，缩短为0 5 , - - - 1 5 秒。但移动节点仍然可能需要5 0 0 m s 来等待新的路由器通告的到来，以在随后进行新的地址配置及注册。而如果使用更小的路 由器通告间隔，则会造成对宝贵无线网络资源的浪费，因为这样会增加路由器通告发送的 数量，但并非随时都会有新的主机不断的接入路由器。这就需要考虑如何避免移动节点接 收路由器通告在切换过程中消耗过多的时间，甚而将此时间消耗去除。转交地址配置时延 是指，移动节点在新接入的网络中得到新的正式可用的转交地址所需的时间。由于需要重 复地址检测( d u p l i c a t ea d d r e s sd e t e c t i o n ) ，因此这个时延也是一个相对可观的量。这里需 要考虑能否加快地址重复性检测过程，或者使得主机在地址重复性检测过程中仍能保持正 常通信。 此外，在m i p v 6 移动管理协议下，移动节点每次转交地址的改变都会产生一次针对家 乡代理以及相关通信节点的绑定更新，从而造成绑定更新时延。如果移动节点到家乡代理 ( 或相关通信节点) 的距离十分远，绑定更新就可能非常的耗费时间，从而在相当程度上 增长了切换时间。更糟的是，移动节点有可能频繁的发生移动，也就是说可能会频繁的改 变转交地址，那么移动节点与移动节点的通信将显得断断续续，这是用户所不能容忍的。 这使得需要考虑能否将移动节点的绑定更新过程本地化，以缩短绑定更新时间。在m i p v 6 中，除了主机在切换时会产生切换时延，从而影响主机通信外，m i p v 6 还会带来大量控制 信令在i n t e m e t 网络上的传输。而这些信令对于用户来说，并没有传递实际有效的信息。 即是说，这些信令对于用户的通信来说是多余的，因此将这些信令称为信令负载。m i p v 6 引起信令负载的原因主要有两个，一是移动节点需要定期的发送绑定更新消息给家乡代理 及相关通信节点，以在家乡及相关通信节点处维护已建立的绑定；二是每次移动节点与家 乡代理及相关通信节点之间的绑定更新过程都会产生诸如绑定更新、绑定确认这样的控制 信令。而当i n t e m e t 上接入了大量移动节点时，信令负载的数量将会变得相当庞大，从而 将会消耗大量i n t e r a c t 的网络资源，对i n t e r n e t 的网络性能造成严重的影响。 由此可以看到，移动节点切换时产生的通信时延和控制信令传输带来的信令负载是 m i p v 6 存在的两个最主要的缺陷。 1 1 南京邮电人学硕士研究生学位论文第三章移动i p v 6 切换技术 第三章移动i p v 6 切换技术 对上章提到的切换过程，根据进行切换操作的协议栈的层次不同，可将移动i p v 6 中的 切换可分为链路层切换和i p 层切换( 或者称为第二层l 2 切换和第三层l 3 切换) 。链路层 切换是指m n 在同一子网内的不同a p 或者基站之间移动，不用改变i p 层状态和连接，这 种切换也称为a p 间切换。a p 间切换【2 9 】可分为水平切换和垂直切换。水平切换是指在采用 同种( 无线) 链路层技术的网络之间进行的切换。例如在c d m a c d m a 2 0 0 0 网络中不同 基站之间的切换。而垂直切换则是在采用不同( 无线) 链路层技术的网络之间进行的切换， 例如由c d m 刖c d m a 2 0 0 网络切换到i e e e8 0 2 1 1 w l a n 。m n 一般使用当前接收到的无 线信号的强度来决定是否进行a p 间切换。移动节点在新的子网上获得新的转交地址，这 需要向家乡代理重新注册，以及向通信对端重新绑定。而i p 层切换是指m n 在不同子网 a r 之间移动，这种切换除了包括a p 间切换外，还要执行移动i p v 6 切换过程，以更新m n 的i p 层路由信息。 由于链路转换和i p 协议操作，移动节点在一段时间内无法发送或接收数据包。这种由 于标准的移动i p 程序( 即移动检测、新转交地址配置和绑定更新等) 引起的切换时延对于 实时流量，例如v o i p 等来说是不可接受的；而对于非实时而关注吞吐量的应用来说，减 少切换时延也能带来很大的好处。在此基础上，人们为了不同的目的又提出了多种切换技 术，以减少切换引起的连接中断时间，维持或提高已有连接的通信服务质量。其中，低延 迟切换主要目的是是移动节点在切换过程中通信连接中断的时间达到最小，平滑切换( 也 叫低丢失切换) 的主要目的是使丢掉或者延迟的分组数量达到最小，无缝切换既达到低延 迟切换，又达到低丢失切换。 本章主要介绍了i p v 4 低延迟切换技术、i p v 6 的快速切换技术和平滑切换技术，移动切 换过程中的关键技术，以及相关的技术例如移动检测过程、转交地址形成过程、重复地址 检测以及绑定更新过程等。最后对移动i p v 6 层次型管理模式进行介绍。 3 1 移动i p v 4 低延迟切换技术1 1 i 移动i p v 4 描述了移动主机在不同网络之间移动的切换过程中的相关操作。由于移动i p 网络层注册过程的延迟，导致了移动主机可能在一段时间内暂时不能发送和接收i p 分组， 介绍两种可以达到低延迟切换的方法，预先注册切换方法和过后注册切换方法。并结合这 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章移动i p v 6 切换技术 两种方法提出联合切换方法。 为了达到最广泛的适用性，移动i p 最初设计为对链路层保持独立，这种设计的优点是 将协议栈的二层和三层明确分割，但是，对切换延迟带来负面的影响。 i 固有延时 第二层和第三层的严格分离导致了下面的固有延时。 ( 1 ) 移动主机只能与直接连接的外地代理进行通信，即移动主机只有在与新外地代理 的第二层切换完成后，才能开始注册过程。 ( 2 ) 注册过程的持续时间非零，在这一时间内，移动主机不能发送和接收i p 分组。 2 解决办法 针对上面存在的固有延迟问题，人们从下面两个方面考虑，提出了减小移动i p 固有延 迟的一些方法。 ( 1 ) 移动主机在当前外地网络时，在发生切换之前就与新的新的外地网络上的外地代 理进行通信。这使移动主机在二层切换之前就在新外地代理上建立它的注册状态，加快切 换处理过程。 ( 2 ) 在新的外地网络上正式注册过程完成之前，移动主机继续使用前一个外地网络上 的转交地址，通过前一个外地网络的外地代理维持已有通信连接。这样，减少了移动主机 在网络切换过程中的通信中断时间。 有三种降低第三层切换拖延迟的方法，它们分别是预先注册切换方法，过后注册切换 方法和联合切换方法。 预先注册切换方法是允许移动主机参与即将发生的第三层切换。在网络支持下，移动 主机在没有完成第二层切换时，就启动第三层切换的部分操作。第三层切换可以时移动发 起的，也可以是网络发起的。除了移动发起的情况下需要对代理请求消息进行扩展外，该 方法没有提出新的消息类型。 过后注册切换方法是对移动i p 协议的扩展，允许新i d a , t , 地代理利用二层触发，在新旧 外地代理之间建立双向隧道。这样，移动主机可以在新的网络上继续使用旧的转交地址， 移动主机在新连接点上很快建立服务，减小对实时应用的影响。移动主机最终必须在与新 外地代理的二层连接建立后，执行正式的移动i p 注册。 联合切换方法是同时使用预先注册和过后注册方法。如果预先注册切换可以