（计算机应用技术专业论文）地铁无线通信系统中网络层移动性的研究与实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 无线局域网技术使得网络的接入方式不再受物理线路的局限，嵌入式技术 使得通信设备向着微型化、低功耗、高性能的方向发展。本文研究的地铁无线 通信系统正是无线局域网与嵌入式技术集成应用的典型。 地铁无线通信系统用于动态地监控地铁运行状况，地铁上的无线通信终端 sta与架设在隧道沿岸的无线访问接入设备ap组成了符合802.11b标准的无线局 域网。地铁行驶中会经过多个网段，如果sta的ip地址不能及时更新为所处网段 中的ip地址，sta将无法与其他通信节点通信。而sta的ip地址的更新又会产生 如何将新ip地址通知整个地铁无线通信系统中其它通信节点等问题。 本文设计了一套移动和漫游协议确保地铁在行驶过程中， sta在保持自身ip 地址不变的条件下，仍然能与通信系统中的其他节点通信。其原理是通过在家 乡网络和外地网络中分别设计家乡代理和外地代理，在家乡代理和外地代理之 间创建隧道， 并将目的ip地址指向移动节点的数据包经隧道封装后发送至外地网 络，最后由外地代理将数据包转发至移动节点。 本文首先设计了移动和漫游协议的各个功能模块，然后给出了具体的实现 流程，最后采用ping程序和ixchariot软件进行了高速移动测试，测试结果表明在 sta高速移动（时速为5060km/h）的情况下，sta和ap之间的切换时间短，移 动和漫游协议能够提供基于802.11b无线网络环境下的移动和漫游功能。 关键字：关键字：移动节点，隧道，网内选路代理，家乡代理，外地代理 地铁无线通信系统中网络层移动性的研究和实现 - ii - abstract wireless lan technology makes the network access not limited by physics circuit any more for the. the embedded technology makes the communication device become more microminiaturized with lower power consumption and stronger function. the subway wireless communication system researched in this paper is a typical integrated application model of the wireless lan and the embedded technology. the subway wireless communication system is used to monitor the status information of subway dynamically. the wlan according to 802.11b standard is composed of sta and ap. subway will go through several networks. sta wont be able to communicate with other nodes if the stas ip address cant be updated to new ip address in the new network immediately. but the change of stas ip address will cause another problem that is how sta announce its new ip address to other nodes in the subway system. in this paper, a set of mobile and roaming protocals were designed to ensure that sta can communicate with other nodes in the communication system while going through networks without changing its ip address, in the process of subway running. the principles are as follows: tunnels are established between the home agent located in home network and the foreign agents located in foreign networks. data packets whose destination ip address is the same with the mobile nodes ip address are sent to the foreign network through the tunnel. then the foreign agent sends the data packets to the mobile node. at first, each function module of the mobile and roaming protocol is designed, then the specific implementation was given. at last, the fast moving test results were carried out using ping program and ixchariot software. the test results prove that, in the circumentstances of sta fast moving(5060km/h), the time consumed in the swithing process between aps and sta is short enough, and the mobile and roaming functions can be ensured in the wireless network environment based on 802.11b. keywords: mobile node, tunnel, network route selection proxy, home agent, foreign agent 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图清单图清单 图 2.1 无线局域网物理结构示意图.4 图 2.2 ibss 网络拓扑图.6 图 2.3 基础结构(bss)网络拓扑图 .6 图 2.4 移动 ip 实体及相互关系示意图.9 图 2.5 ip 隧道示意图.10 图 3.1 地铁运行模拟场景示意图.14 图 3.2 sta 和 stapc 组成的移动节点结构示意图.14 图 3.3 sta 在两 ap 间切换示意图.15 图 3.4 地铁在子网 a 中时的场景示意图 .17 图 3.5 网内选路代理示意图.19 图 3.6 隧道创建示意图.23 图 3.7 隧道拆除示意图.24 图 3.8 协议整体工作流程：单 sta 网内越区切换示意图.25 图 3.9 协议整体工作流程：单 sta 网间跨网漫游示意图.26 图 3.10 协议整体工作流程：双 sta 网内越区切换示意图.28 图 3.11 协议整体工作流程：双 sta 网间跨网漫游示意图.28 图 3.12 协议整体工作流程：sta 回到家乡网络示意图.29 图 4.1 移动节点的构成示意图.31 图 4.2 stasearchap 流程图.33 图 4.3 msgmnip 消息结构.33 图 4.4 stabroadcast 流程图.34 图 4.5 stagateway 流程图.36 图 4.6 msgmnack 消息结构.37 图 4.7 msgmndetail 消息结构.37 图 4.8 apbtwstaandpxy 流程图.38 图 4.9 svrrtproxyf 流程图.40 图 4.10 msgregreq 消息结构.41 图 4.11 foreignagent 流程图.43 图 4.12 homeagent 流程图.46 地铁无线通信系统中网络层移动性的研究与实现 vi 图 4.13 msgdelap 消息结构图.48 图 4.14 svrrtproxyh 流程图.50 图 5.1 网内移动测试环境图.52 图 5.2 sta 从 ap1 切换至 ap2 的实时吞吐量曲线图（网内移动）.54 图 5.3 pc1 和 pc2 间吞吐量分布图（网内移动） .54 图 5.4 网间跨网漫游测试环境图.55 图 5.5 sta 从 ap2 切换到 ap3 时的吞吐量曲线图（跨网移动）.57 图 5.6 pc1 与 pc2 间吞吐量分布图（跨网移动） .57 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 表清单表清单 表 5.1 汽车以 60km/h 速度行驶时 pc1 运行 ping 的测试结果（网内）.53 表 5.2 汽车以 60km/h 速度行驶时 pc2 运行 ping 的测试结果（网内）.53 表 5.3 汽车以 60km/h 速度行驶时 pc2 运行 ping 的测试结果（网间）.56 表 5.4 汽车以 60km/h 速度行驶时 pc1 运行 ping 的测试结果（网间）.56 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。 尽我所知， 除文中已经注明引用的内容 外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允 许论文被查阅和借阅， 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、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言 无线通信技术1已经发展得相当成熟， 各类无线通信标准的相继推出使得无 线通信在通信的速率、可靠性、安全性方面有了很大的飞跃。另一方面随着嵌 入式处理器的性能不断提升，成本不断降低，嵌入式设备的应用越来越广泛。 轨道通信系统正是无线通信和嵌入式技术应用的一个领域。 目前的轨道通信系统主要有两类：一类是基于卫星进行无线传输、目标定 位的轨道通信系统，系统功能强大但系统实现和维护非常复杂，耗资巨大，并 且实时性不能令人满意；另一类是基于无线局域网的轨道通信系统，这类轨道 通信系统所能覆盖的范围较小，但整个通信系统构造简单，实现和维护成本低。 近年来无线局域网技术的发展非常迅猛，各类无线局域网标准被不断推出和实 现，使得无线局域网中数据通信的速率和稳定性都有很大的提高，这也推动了 基于无线局域网的轨道通信系统的发展。世界上各大厂商，例如思科、华为、 奥维通、朗讯等都成功地向市场推出了轨道通信产品。但目前的轨道通信产品 多采用跳频方式，通信速率不高，抗干扰能力不强，而且大多数产品仅支持一 个网段内的ap（access point）切换，对于网间切换无能为力，而实际应用环境 中，几十公里长的地铁系统一般会划分为若干网段。本文中的地铁无线通信系 统由于存在网内切换和网间漫游的需求，所以目前基于跳频方式的产品不能满 足要求。 1.2 课题背景 地铁无线通信系统是现代嵌入式技术2和最新的无线局域网技术1完美结 合的典型应用。在地铁行驶的过程中，反映地铁运行状况的各类参数能够及时 地反馈给地铁监控管理网络中的监控计算机，使得工作人员能够动态监控，及 时处理地铁运行中出现的各类问题，最大限度地确保乘客的安全，高效地服务 于乘客。 整个地铁无线通信系统在结构和功能上分为四部分： 1安装在地铁上的无线通信终端sta(station)。 2地铁隧道沿岸架设的无线访问接入设备ap(access point)。 地铁无线通信系统中网络层移动性的研究与实现 2 3监控管理网络中用作代理服务器的计算机。 4运行监控管理软件的普通pc。 sta和ap的硬件基础相同，通过运行不同的软件提供不同的服务。sta和 ap是基于三星s3c2410x芯片3的单板嵌入式系统，主要功能分为基于cs8900a 芯片的以太网接口部分和基于飞利浦公司bgw200g芯片的无线网络接口部分。 飞利浦公司的bgw200g芯片内部集成了arm7处理器，从而将一部分原本需要 由主嵌入式处理器（s3c2410x）进行的数据处理转移到了bgw200g芯片内部处 理，减少了s3c2410x的处理负荷。 sta和ap上移植的是嵌入式linux操作系统。嵌入式linux技术成熟，可定制， 可剪裁， 并且包含了轻量级的tcp/ip协议栈， 开发应用程序相当方便， bgw200g 芯片的无线驱动被编译进内核后，sta和ap已经具备了相互通信的基本功能。 sta和ap之间的通信在数据链路层完全符合ieee802.11b的标准。 1.3 论文研究内容 本论文的主要工作是研究、设计、实现一套用于地铁无线通信系统的移动 和漫游协议， 用于解决地铁上的无线通信终端sta如何在保持自身ip地址不变的 条件下，与监控管理网络中的监控计算机相互通信，即实现无线通信终端sta 网络接入位置的透明性。 本论文的研究工作是在硬件电路板调试成功，sta和ap在数据链路层已经 可以相互通信的基础上进行的。 1.4 论文结构 本论文共六章，各章节内容如下： 第一章：绪论。介绍了课题的背景，本课题的研究意义，以及论文的研究 内容和结构。 第二章：协议基础。主要介绍了设计移动和漫游协议时借鉴的现有协议、 标准，主要分为802.11协议，iapp协议，移动ip协议，代理网关。 第三章：协议设计。重点描述了移动和漫游协议各个功能模块的定义和协 议工作的原理；分析各模块设计时遇到的问题，提出并比较各种解决方案。 第四章：协议实现。从实现的角度出发详细描述了移动和漫游协议各个功 能模块的具体实现流程，相关数据结构的定义，以及运行时的开销问题 南京航空航天大学硕士学位论文 3 第五章：协议测试。分为sta网内越区切换和网间跨网漫游测试两部分，测 试使用业界公认的ixchariot软件，并对测试结果数据进行分析，验证移动和漫游 协议的实际应用价值。 第六章：总结与展望。总结移动和漫游协议中已实现的功能，展望下一步 值得研究的方面，并提出建议。 最后为致谢和参考文献。 地铁无线通信系统中网络层移动性的研究与实现 4 第二章第二章 移动和漫游协议的理论基础移动和漫游协议的理论基础 2.1 引言 地铁无线通信系统中， 无线通信终端sta和架设在地铁隧道沿岸的无线访问 接入设备ap之间的数据通信在数据链路层按照802.11b协议标准规范交换数据 帧， 在网络层按照ip协议规范转发数据包。本章节将介绍与本系统研究内容相关 的数据链路层协议（802.11b协议），网络层数据包转发方式（基于ipv4协议）， 提出按照现有的通信标准、协议规范，地铁无线通信系统将面临的问题，随后 本章介绍本论文研究和设计移动和漫游协议时所借鉴的现有协议和标准，分析 现有协议和标准对于解决地铁无线通信系统中的问题时的适用性和局限性。 2.2 802.11b协议 地铁无线通信系统中，无线通信终端sta和无线访问接入设备ap之间的通 信在数据链路层严格按照802.11b协议4, 5规范交换数据帧，本论文中无线通信终 端sta和无线访问接入设备ap的名称定义也是参照802.11b协议中的实体定义命 名的。以下简要介绍802.11协议中与本论文研究的移动和漫游协议相关的部分。 按照802.11b协议规范中的描述，无线局域网主要由站(station, sta)、无线 介质(wireless medium, wm)、基站(base station, bs)或接入点(access point, ap) 和分布式系统(distribution system, ds)等几部分组成，如下图所示： 图 2.1 无线局域网物理结构示意图 1）站sta(station) 连接在无线局域网中的设备被称为站，是无线局域网最基本的组成单元。 网络就是进行站间数据传输的。无线局域网中的站是可以移动的，因此通常也 称为移动主机(mobile host, mh) 或移动终端(mobile terminal, mt)。 从站的移动 性来分，无线局域网中的站分为三类：固定站、半移动站和移动站。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 固定站是指物理位置固定不动的站；半移动站是指经常改变其物理位置的 站，但它在移动状态下并不要求保持与网络的通信；而移动站则要求在移动状 态下也能够保持与网络的通信，典型的移动速度多在210m/s之间。地铁无线通 信系统中的sta属于移动站。 无线局域网中站与站之间可以直接通信也可以通过基站或接入点进行通信。 站所能覆盖的通信区域称为基本服务区(bsa)，是构成无线局域网的最小组成单 元。 在一个bsa内彼此之间相互联系， 相互通信的一组站点组成了一个基本业务 组（bss）。 2）无线接入点ap(access point) 无线接入点类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成单元。无线接 入点是一种特殊的站，它通常处于bsa的中心，固定不动。其基本功能有： a）作为接入点，完成其它非ap的站对分布式系统的接入访问和同一bss中 的不同站间的通信联结。 b）作为无线网络和分布式系统的桥接点完成无线局域网与分布式系统间的 桥接功能 c）作为bss的控制中心完成对其他非ap的站的控制和管理。 3）分布式系统ds(distribution system) 分布式系统是用来连接不同bsa的通信信道，称为分布式系统信道 (distribution system medium, dsm)。dsm可以是有线信道，也可以是频段多变 的无线信道。这样在组织无线局域网时就有了足够的灵活性。多数情况下，有 线ds系统与骨干网都采用有线局域网。而无线分布式系统可通过ap间的无线通 信取代有线电缆来实现不同bss的连接。 分布式系统通过入口(portal)与骨干网相连。 从无线局域网发往骨干网的数据 都必须经过portal；反之亦然。这样就通过portal把无线局域网和骨干网连接起来 了。portal必须能够识别无线局域网的帧、ds上的帧、骨干网的帧，并且能相互 转换。portal是一个逻辑接入点。 地铁无线通信系统中的sta和ap上也要实现类似的功能以便转发不同格式 的数据帧。 4）无线局域网的拓扑结构 bss是无线局域网的基本构造模块，有两种基本拓扑结构，分别是分布式对 等拓扑和基础结构集中式拓扑。单个bss称为单区网，多个bss通过ds互联构成 地铁无线通信系统中网络层移动性的研究与实现 6 ess，形成多区网。 分布式对等网络是一种独立的bss，它至少有两个站。在可以直接通信的范 围内，ibss中任意站之间可直接通信而无需ap转接，如下图2.2所示，站之间的 关系是对等的。在这种拓扑结构的网络中，各站点竞争公用信道。当站点数过 多时，信道争用成了限制网络性能的要害。因为没有ap的存在，ibss网络无法 接入ds。 图 2.2 ibss 网络拓扑图 在无线局域网中，基础结构(infrastructure)包括分布式系统媒体(dsm)、ap 和端口实体。同时，它也是ess的分布和综合业务功能的逻辑位置。一个基础机 构除ds外，还包括一个或多个ap及零个或多个端口。因此，在基础结构wlan 中，至少要有一个ap。ap是bss的中心控制站，网中的站在该中心站的控制下 与其他站进行通信。在一个基础结构bss中，如果一个站要想与同一bss内的另 一个站通信，必须经过源站到ap和ap到宿主的两跳过程并由ap进行转接。 图 2.3 基础结构(bss)网络拓扑图 由多个bsa通过ds联结形成的一个扩展区域esa，其范围可覆盖数公里。属 于同一个esa的所有站组成ess。ess是一种由多个bss组成的多区网，其中每 个bss都被分配了一个标识号bssid。 如果一个网络由多个ess组成， 则每个ess 也被分配一个标识号essid，所有的essid组成一个网络标识nid，用以标识由 这几个ess组成的网络。当一个站从一个bsa移动到另一个bsa，这种移动称为 南京航空航天大学硕士学位论文 7 散步或越区切换，这是一种链路层的移动；当一个站从一个esa移动到另一个 esa，也就是说，从一个子网移动到另一子网中，这种移动称为漫游，这是一种 网络层或ip层的移动。 地铁无线系统中的sta和ap之间采用ibss方式通信，但同时ap上又需要提 供类似portal访问接入的功能，这一功能将在网络层实现。 2.3 802.11f协议 ieee 802.11协议制定了无线局域网mac层和物理层的规范及其基本结构， 但并没有对无线局域网的具体网络架构做出规定。这给接入点ap和由其组成的 分布式系统在功能设计留出了很大的自由空间， 但同时也给无线站点sta的移动 带来了问题，sta在ap间移动会产生数据链路层的通信问题。为了解决这个问 题，ieee工作组制定了802.11f6, 11协议。 在无线局域网中，站点sta的移动行为可能会产生如下几个问题： 1）旧ap（sta上次接入的ap）会认为自己与sta还有连接，当接收到sta 的报文时，它仍会在本地bss内发送该报文。这会导致无线资源的浪费和ap资 源的占用。因此新的ap（接收 sta重连接请求报文的ap）需要将sta的切换情 况通知旧ap，让它释放掉与sta的单边连接。 2）由于sta在切换时只是向新ap提供旧ap的mac地址（即旧bssid），要 与旧ap通信，新ap还需要知道旧ap 的ip地址等信息，所以要求新ap能够根据 旧ap的bssid查询到它的ip地址。 3）在与ap连接的有线网络中可能存在诸如网桥、交换机等二层转发设备。 当sta从网桥的一个端口连接的子网段移动到另一个端口的子网段时， 如果网桥 的转发表不能得到更新， 将导致其他网络节点发送给sta的报文不能被正确送达 sta现在所处的位置， 造成sta的报文丢失。 因此需要新ap在处理sta的重连接 请求时通知这些二层设备更新转发表。 为了解决上述问题，需要使用ieee 802.11f协议中推荐的接入点内部协议 iapp。iapp协议是ieee 802.11工作组制订的用于ap间互通的协议。它的主要功 能是便于扩展服务集ess的创建和维护，支持802.11移动站点在ap间的移动，保 证每个移动站点在确定时刻与ap间只有一个连接关系。 本文在此只介绍iapp协议中动态更新数据链路层设备转发表的部分， 因为论 文后面网内选路代理的设计借鉴了iapp协议动态更新链路层设备转发表的基本 地铁无线通信系统中网络层移动性的研究与实现 8 原理。 在ieee 802.11f协议中，ap通过广播xid帧更新链路层设备的转发表。xid 帧是链路层标识交换更新的响应帧，当子网上的二层设备，如网桥、交换机等 接收到该帧后，根据该帧的源mac地址来更新自己的转发表。 2.4 网关原理 地铁无线通信系统中采用的bgw200g芯片目前不支持混杂模式，该芯片从 无线介质上接收到数据帧后首先会从数据帧头中取出链路层目的地址，并将该 地址与自身的链路层地址做比较，如果两者不相等，则丢弃该数据帧。因此在 地铁无线通信系统中，sta和ap上必须提供网关功能，有线网络与无线局域网 之间的数据包交换功能是通过网关实现的。 充当网关的系统中通常都有两个以上的网络接口， 从某一网络接口接收到数 据包后，若发现数据包的目的地址不是本系统，则根据系统中已存在的路由规 则转发数据包。应用层的网关还完成不同类型协议间的转换功能。某些网关还 提供网络地址转换功能，对外网隐藏内网的信息。 2.5 移动ip 本论文研究的移动和漫游协议是用来解决地铁高速行驶的过程中， 地铁上无 线通信终端sta的ip地址必须保持不变而sta的物理网络接入位置却在不断发 生变化，由此产生的网内越区切换，网间跨网漫游的问题。目前移动ip是用来解 决无线局域网和有线局域网组成的混合型网络乃至广域网中，通信数据终端(笔 记本电脑，pda等)在网络层地址保持不变，物理网络接入位置发生改变的情况 下产生的移动性问题的主流技术。本文在设计移动和漫游协议时借鉴了很多移 动ip的设计思想，下文将简要介绍移动ip协议的基本原理。 当网络中的某台计算机想要发送数据包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，它只想发出的数据包能被送到合适的接收者那 里。这是网络层，也就是osi模型第三层的功能。网络层负责为数据包动态的选 择一条从源到目的节点的路径，网络层协议称为ip协议。ip自己的工作并不多。 实际上，在复杂的网络中传送数据包需要一个或多个路由协议，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、组成网络的链路。 移动ip7, 8, 9, 10于1996年6月由因特网工程指导组iesg(internet engineering 南京航空航天大学硕士学位论文 9 steering group)通过，并于1996年11月公布为建议标准（proposed standard）， 最新的基于ipv4的移动ip协议规范在rfc3344种描述。移动ip提供了一种ip路由 机制，使移动节点可以以一个永久的ip地址连接到任何链路上。 移动ip协议的思想是基于两个假设的： 1）点到点通信的数据包在选路时与源ip地址无关。 2）已经存在内部网络中的任意两个节点间能交换数据包。 移动ip定义了三种必须实现的功能实体，各功能实体的关系如下图2.5所示： 1）移动节点（mobile node）：可以将接入网络的位置从一条链路切换到另 一条链路上，而仍然保持所有正在进行的通信，并且只使用它的家乡地址的那 些节点。 2）家乡代理(home agent)：有一个端口与移动节点家乡链路相连的路由器 或主机。 当移动节点切换链路时，家乡代理一直通知移动节点它的当前位置，这 个信息由移动节点保存在它的转交地址（care of address）中。 有时家乡代理广播对移动节点家乡地址的网络前缀的可达性，从而吸引 那些送往移动节点家乡地址的ip包。 解析送往移动节点的家乡地址的包，并将这些包通过隧道技术传送到移 动节点的转交地址上。 3）外地代理(foreign agent)：在移动节点的外地链路上的主机或路由器。 帮助移动节点把它的转交地址通知给该移动节点的家乡代理。 有时提供移动节点的转交地址，并为已被家乡代理设置了隧道的移动节 点发送拆封后的包。 作为连接在外地链路上的移动节点的缺省路由器。 图 2.4 移动 ip 实体及相互关系示意图 为了方便下文描述移动ip协议的工作原理， 本文在此先介绍下移动ip协议规 地铁无线通信系统中网络层移动性的研究与实现 10 范中定义的一些术语： 1. 隧道 如下图所示，当一个数据包被封装在另一个数据包的净荷中进行传送时， 所经过的路径称为隧道。图中还给出了一个例子，表明家乡代理为将数据包传 送给移动节点，把数据包通过隧道先发送给外地代理。 图 2.5 ip 隧道示意图 2. 家乡地址、家乡链路和家乡代理 移动节点的家乡地址是指“永久”地分配给该节点的地址，就像分配给固 定的路由器或主机的地址一样。当移动节点切换链路时，家乡地址并不改变。 改变移动节点家乡地址的原因和场合与改变固定主机或路由器地址的原因与场 合一致，即当整个网络需重新编址时。移动节点的家乡地址与它的家乡代理、 家乡链路密切相关，特别是移动节点家乡地址的网络前缀决定了它的家乡链路。 也就是说，移动节点的家乡链路就是与它的家乡地址具有相同网络前缀的链路， 家乡代理就是至少有一个端口与家乡链路相连的路由器。除了极少数特例，移 动节点只用家乡地址和别的节点通信， 即移动节点发出的所有包的源ip地址都是 它的家乡地址，它接收的所有包的目的ip地址也都是它的家乡地址。这就要求移 动节点将家乡地址写入dns中它的“ip地址”域，其他节点在查找移动节点的主 机名时就会发现它的家乡地址。 需要注意的是：移动节点的家乡链路并不一定是由物理媒介构成的物理链 路，它可以是在移动节点的家乡代理中由软件实现的一条虚拟链路，可以认为 家乡代理与这条虚拟的家乡链路有一个虚拟端口，这样移动节点就永远不会连 到它的家乡链路上。也就是说，这个移动节点永远也“不在家”，但它可以与 外地链路有一条物理连接，即它总是“出门在外”。 3. 转交地址、外地链路和外地代理 转交地址是指移动节点连接在外地链路上时的ip地址， 转交地址具有如下特 南京航空航天大学硕士学位论文 11 性： 转交地址与移动节点当前所在的外地链路相关。 每次移动节点改换外地链路时，转交地址也随着改变。 送往转交地址的数据包可以通过现有的网络路由机制传送，即不需要用 于移动ip相关的代理和移动节点的隧道的出口。 转交地址是一个与移动节点连接的外地链路紧密相关的ip地址，它与移动节 点所连接的外地链路最多只有一跳之隔。它要么是有一个端口在外地链路上的 外地代理的ip地址，要么就是暂时分配给移动节点的一个端口的地址。当移动节 点与外地链路相连时，家乡代理利用这个地址向移动节点传送数据包。特别地， 转交地址是从家乡代理到移动节点的隧道出口。 移动ip协议的工作机制： 1）通过周期地组播或广播一个称为代理广播（agent advertisements）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，移动节点就可像固定节点 一样工作，即它不再利用移动ip的其他功能。 下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播 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，比如用dhcp（dynamic host configuration protocol）、ppp的ipcp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ip 中定义的消息交换来完成。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。 5）家乡代理或者是在家乡链路上的其他一些路由器广播对移动节点家乡地 址的网络前缀的可达性，从而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（可能用代理arp），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）在转交地址处可能是外地代理或移动节点的一个端口，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 地铁无线通信系统中网络层移动性的研究与实现 12 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。 2.6 小结 本章简要介绍了目前组建无线局域网的主流标准ieee802.11b标准，用于处 理无线局域网中移动节点越区切换问题的iapp协议，在网络层实现数据包转发 和地址翻译功能的代理网关和处理移动节点跨网络漫游问题的移动ip协议的基 本原理。为后续网络层的移动和漫游协议的设计积累了理论基础。 下一章节将详细讨论应用现有的协议和技术解决地铁无线通信系统中存在 的问题时所受的限制。并在综合借鉴上述各类协议的设计思想后设计网络层的 移动和漫游协议用于解决地铁无线通信系统中移动节点网内越区切换，网间跨 网漫游的问题。 南京航空航天大学硕士学位论文 13 第三章第三章 移动和漫游协议的研究与设计移动和漫游协议的研究与设计 3.1 引言 在本章节中，首先介绍地铁无线通信系统的应用场景以及该通信系统应当 实现的功能，然后探讨现有的协议（见第二章）对于解决地铁无线通信系统中 数据通信设备sta移动性问题的适用性和局限性，从资源消耗，响应时间，切换 时可能产生的丢包等角度出发，对于移动和漫游协议各个功能模块进行比较、 分析，确定最优的设计方案。 3.2 地铁无线通信系统概述 现代地铁作为重要的交通工具之一，每日都承载大量的乘客，服务于人们 的日常生活。地铁运行的环境有其特殊性具有一定的封闭性，地铁通常运 行在地下，轨道铺设在固定的隧道中，地铁运行环境中通常没有什么干扰，比 较适合搭建无线通信的网络环境。 人们乘坐地铁时，通常会考虑三个方面的因素：1）方便快捷，这点现代地 铁已基本能满足人们的需求；2）舒适，现代地铁正朝着这方面发展，比如说智 能的调节车内温度；3）安全，地铁应该能最大限度的保证乘客的安全，比如说 当地铁车门没关紧，或车厢内发生火灾时应能够及时发出警报。 现代地铁虽然具备了一定的智能，但是目前反映地铁运行状况的各类参数， 比如地铁的当前时速、地铁车厢的气温、地铁上各类设备当前的配置信息、统 计信息等都只是存储在地铁内部的存储系统中或由地铁上的工作人员人工收 集，人们无法远程地对地铁运行的状态进行监控和管理。 地铁无线通信系统就是为了实现远程监控和管理地铁。反映地铁运行状态 的各类参数（温度，统计信息，故障信息）够实时地发送给监控网络中的监控 管理计算机。工作人员可以在远程随时监控目前地铁的运行状态。地铁无线通 信系统的模拟运行场景如下图所示： 地铁无线通信系统中网络层移动性的研究与实现 14 图 3.1 地铁运行模拟场景示意图 上图中，黑色列车图标代表行驶中的地铁，地铁上安装了无线通信设备sta 和配置管理用的计算机stapc，计算机stapc上运行地铁无线通信系统的管理 软件，计算机stapc连接到sta的utp端口，如下图所示，stapc和sta作为一 个整体在功能上等同于移动ip协议中定义的移动节点。 上图3.1中的无线设备ap， 管理和监控用的pc，交换机，路由器组成了地铁监控管理网络。因为局域网组 网时在物理范围上有限制，上图中的地铁监控管理网络划分成三个子网，行进 中的地铁在任意时刻，任意位置应能与地铁监控网络中的任意一台pc进行双向 通信。 图 3.2 sta 和 stapc 组成的移动节点结构示意图 3.3 移动节点的移动性问题 地铁监控管理网络中的任意一台计算机pci要与地铁上的管理计算机 stapc通信时，必须知道stapc的ip地址，pci中上层应用程序交付给下层的数 南京航空航天大学硕士学位论文 15 据作为数据净载荷在网络层由ip协议封装在ip数据包中，ip数据包中ip协议头部 分的目的ip地址为stapc的ip地址，网络中的路由器，网关根据ip数据包首部的 目的ip地址转发ip数据包。 根据ip数据包的转发规则12，地铁无线通信系统中，地铁物理位置的不断 变化会产生跨越子网的移动性问题：如上图3.2中所示，管理计算机stapc的ip 地址为172.18.0.2，无线通信设备sta无线端口的ip地址为192.168.1.1，有线端口 的ip地址为172.18.0.1，从sta无线端口接收到的发往stapc的数据包能正确转 发到stapc。当地铁位置处于子网a中时，由于sta无线端口的ip地址属于子网 a，因此发往stapc的数据包被转发至子网a后，能被sta收到进而转发给 stapc。但当地铁处于子网b或子网c中时，由于发往stapc的数据包的ip报文 头部的目的ip地址仍然为stapc的ip地址，因此该类ip数据包仍被转发至子网 a，导致stapc接收不到数据包。 地铁位置的不断变化还将产生子网内的移动性问题：地铁无线通信系统中， 无线通信设备sta在任意时刻只能与一个无线访问点设备ap通信。考虑如下图 所示的sta在网内两ap切换时的拓扑图： 图 3.3 sta 在两 ap 间切换示意图 假定刚开始时sta距离ap1较近，检测到ap1信号强度高于预设阀值，sta 与ap1之间建立无线链路，sta与ap2间没有无线链路存在，ap1和ap2只作为 链路层设备存在。在pc首次发送数据包给sta前，pc会广播arp请求报文获得 sta无线端口的硬件地址，用该硬件地址作为目的硬件地址封装链路层数据帧。 交换机内部有一张端口和硬件地址的映射表，交换机根据该表内容转发数据帧， 因此pc发往sta的数据帧是从与ap1连着的端口转发出去的。随后sta向ap2移 动，检测到