（计算机应用技术专业论文）基于ipv6域内组播的微观移动协议的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着下一代无线技术的引进以及无线设备的推广，对高效移动i p 协议体系的需求显得越来越明显。以前，曾有人提出过几种支持移动 i p 的协议体系，如当前的移动i p 标准就是在这些协议的基础上逐渐完 善而成的。但是，随着研究的逐步深入，这些协议体系几乎都存在着不 同方面的缺陷。尤其是在无线终端得到广泛应用的今天，用户密集度不 断增长，无线蜂窝的覆盖范围日益缩小，人们将移动性的问题分解成宏 观移动( 即域间移动) 与微观移动( 即域内移动) ，并对微观移动协议 展开了研究。 在研究现有各种微观移动协议的基础上，针对其在快速切换以及在 小蜂窝( m i c r o c e l l 和p i c r o c e l l ) 架构中切换的不足，本文结合域内组 播与下一代i p ( i p v 6 ) 的相关特性，提出了一个新颖、高效的域内组播 结构体系一一基于i p v 6 域内组播的微观移动协议，它可以在提供高效、 无缝切换的同时，与其他技术共存并且互操作。 论文介绍并比较了两种不同的组播地址分配方案。首先介绍的是“基 于代理”的方案，接着详细介绍了另一种“算法映射”的方案。通过 比较及分析可以看出，与代理的方法相比，算法映射的方法具有相对优 势。它避免了对代理的第三方依赖，不再会因为代理单点失效而产生服 务中断，而且封装数据包的路由器不必保存显式的映射记录，这不仅可 以解决映射的可扩展性问题，而且还提供了一个更为健壮的机制。 本文提出的是一个域内组播的微观移动体系，即仅在一个域内执行 组播协议，而非在整个网络中。由于仅局限于域内，同时论文在切换过 程中采用“c a r 系列”方案，并且将m i p v 6 中的绑定更新过程与建立 c n 到m n 组播分布树的过程有机地结合起来，这样，不仅避免了组播 江苏大学硕士学位论文 技术在主机移动的无线环境下的各种缺点，而且可以使切换具有低延 迟、低分组丢失和移动主机通信中断达到最小的特点。 论文最后使用网络仿真系统n s 对本文提出的协议体系进行仿真， 并与其他几个微观移动的主流协议，如c i p 和h a w a i i ，从几个角度进 行了性能比较分析。仿真结果表明，本协议体系虽然较为简单，可是却 提供了一个高效的方案，在微观移动的切换性能及可扩展性方面有显著 提高。 关键词：微观移动，i p v 6 ，组播，m n ，a r ，b s i i 江苏大学顼士学位论文 a b s t r a c t w i mt h ei n t r o d u c t i o no fan e w e rg e n e r a t i o no fw i r e l e s sd e v i c e sa n d t e c h n o l o g i e s ，t h en e e df o r a ne f f i c i e n ta r c h i t e c t u r e f o ri pm o b i l i t yi s b e c o m i n gm o r ea p p a r e n t s e v e r a l a r c h i t e c t u r e sh a v e b e e np r o p o s e dt o s u p p o r ti pm o b i l i t y , s u c ha st h ec u r r e n tm o b i l ei p ( r e a p ) s t a n d a r d ，w h i c h i s t h em o d i f i c a t i o no ft h o s ea r c h i t e c t u r e s f u r t h e rs t u d y , h o w e v e r , s h o wt h a t t h e s ea r c h i t e c t u r e sh a v ed i s a d v a n t a g e si nd i f f e r e n tw a y s t o d a y , w i r e l e s s t e r m i n a l sb e c o m es op o p u l a rt h a tt h ed e n s i t yo fu s e r si n c r e a s e s ，a n dt h e c o v e r a g eo fw i r e l e s sc e l l u l a rs h r i n k s a c c o r d i n gt ot h e s ep h e n o m e n o n ，t h e i s s u eo fm o b i l i t yi sd i v i d e dt om a c r o - m o b i l i t y ( i n t e r - d o m a i nm o b i l i t y ) a n d m i c r o - m o b i l i t y ( i n t r a - d o m a i nm o b i l i t y ) t h es t u d yo fm i c r o - m o b i l i t y p r o t o c o li su n d e rw a y b a s e do nt h es t u d yo fe x i s t i n gm i c r o m o b i l i t yp r o t o c o l sa n dt h e i r d i s a d v a n t a g e si nf a s th a n d o f fa n dh a n d o f fa m o n gm i c r o - c e l lo rp i c r o c e l l ， t h i sp a p e ri n t e g r a t e sr e l a t e dc h a r a c t e r i s t i c so fi n t r a - d o m a i nm u l t i c a s ta n d i p v 6 ，a n dp r o p o s e san e we f f i c i e n ta r c h i t e c t u r e ，t h a ti sm i c r o m o b i l i t y p r o t o c o lu s i n gi n t r a - d o m a i ni p v 6m u l t i c a s t - b a s e d t h ea r c h i t e c t u r ec o u l d p r o v i de f f i c i e n ta n ds m o o t hh a n d o v e r , w h i l eb e i n ga b l et oc o e x i s t a n d i n t e r - o p e r a t ew i t ho t h e rt e c t m o l o g i e s i l lt h i ss m d y t w oa s s i g n m e n t sa p p r o a c h e so fm u l t i c a s ta d d r e s sa r e p r o p o s e da n dc o n t r a s t e d t h ef i r s ti n t r o d u c e st h ec o n c e p to fp r o x y - b a s e d m o b i l i t y , w h i l et h eo t h e ru s e sa l g o r i t h m i cm a p p i n gt oo b t a i nt h em u l t i c a s t a d d r e s so fv i s i t i n gm o b i l e s w es h o wt h a tt h ea l g o r i t h m i cm a p p i n g a p p r o a c hh a ss e v e r a la d v a n t a g e so v e rt h ep r o x ya p p r o a c hb yc o m p a r i n g i t a v o i d st h et h i r dp a r t yd e p e n d e n c eo nt h ep r o x y , a n dt h es e r v i c ed i s r u p t i o n e f f e c to fp r o x yf a i l u r ew i l l1 1 0 l o n g e rp r e s e n t m o r e o v e r , n oe x p l i c i t r c o a m c o am a p p i n gi sk e p to rm a i n t a i n e db yt h ee n c a p s u l a t o r , w h i c h i i i 江苏大学硕士学位论文 s o l v e st h em a p p i n gs c a l a b i l i t yp r o b l e ma n dp r o v i d e sam o r er o b u s t m e c h a n i s m t h ep a l ) e rp r o p o s e sa ni n t r a - d o m a i nm u l t i c a s t - b a s e dm i c r o m o b i l i t y a r c h i t e c t u r e ，w h i c hu t i l i z em u l t i c a s to n l yi nd o m a i nr a t h e rt h a ni nt h ew h o l e n e t w o r k b e c a u s eo u rs t u d yi sr e s 仃i c t e di nd o m a i n ，u s e s “c a rs e r i e s s c h e m ei nt h ep r o c e s so fh a n d o f f , a n di n t e g r a t e sb a n d i n gu p d a t eo fm i p v 6 w i t hs e t t i n gu pm u l t i c a s td i s t r i b u t i n gt r e e ，s ot h i sp a p e rc o u l dn o to n l ya v o i d m u l t i c a s t sd i s a d v a n t a g e si nw i r e l e s se n v i r o n m e n t ，b u ta l s oo b t a i nl o w h a n d o f fd e l a y , l o wp a c k e tl o s sa n dm i n i m u mc o m m u n i c a t i o nd i s r u p t i o n f i n a l l y , o u rs c h e m ei s e v a l u a t e db yn e t w o r ks i m u l a t i o n ( n s ) a n d c o m p a r e dt os o m em a i n s t r e a ma p p r o a c h e sf o ri pm o b i l i t y , s u c ha sc i p a n d h a w a i i t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u rw o r kp r o v i d e se x 虹e m e l y e f f i c i e n t ，y e ts i m p l e ，s c h e m e st oa c h i e v en o t a b l ei m p r o v e m e n t i nh a n d o v e r p e r f o r m a n c ea n ds c a l a b i l i t y k e y w o r d s ：m i c r o m o b i l i t y , i p v 6 ，m u l t i c a s t ，m n ，a r ，b s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密匹y 。 学位论文作者签名 导师签名 签字日期：力碑年彭月f 4 日签字日期：呷年z 月，p 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 独创性声明 y l o l s o e a 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2 4 年6 月日 扛苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着微电子技术、计算机技术以及通信技术的迅速发展和相互渗透，计算机 网络已经成为当今最热门的学科之一，在过去的几十年里取得了长足的发展，尤 其是在近十几年来得到了高速发展。计算机网络的发展使得信息的获取和发布变 得非常方便和快捷，计算机网络所提供的信息也更加丰富。在2 1 世纪，这个信息 爆炸的时代，计算机网络成了这些信息存储和传递的载体，此外信息还在网络中 不断的繁殖和衍生。计算机网络在信息时代里的作用犹如2 0 世纪石油在工业中的 地位，计算机网络是信息时代的血脉，人们对信息的获取已经不再局限于目前的 i n t e r a c t 访问方式。 与此同时，电信网络g s m 全球移动通讯系统( g l o b a ls y s t e mf | o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 的成功应用，不仅给电信网络用户带来了更多的方便，给运行 商带来了更多的利润，与此同时，它还给人们的生活方式带来了巨大的改变，这 包括信息的获取方式以及通信模式等等。当今的社会是信息化的社会，社会对数 据通信技术的需求正向多样化、个人化的方向发展。人们不再局限于固定区域内 的语音通信，而是随时随地的进行包括话音、图像、数据在内的多媒体通信。众 多无线终端设备的出现，如移动电话，无线p d a ，笔记本电脑等，也为人们的这 种需求提供了可能性。 i n t e m e t 的无线访问和无线通信的数据访问是目前上述两种网络都热衷于解决 的问题，同样也是这两种网络最终走向融合的一个切入点。目前计算机网络所提 出的方案有：无线局域网标准( i e e e8 0 2 1 1 ) ，对移动主机的支持( m o b i l ei p 、i p v 6 ) 等。电信网络中目前提供的数据服务则有：短信服务( s m s ，s h o r tm e s s a g e s e r v i c e ) ，彩信服务( m m s ，m u l t i m e d i am e s s a g es e r v i c e ) ，移动数据通信( c d p d ， c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ) 以及无线应用协议( w a p ，w i r e l e s sa p p l i c a t i o n p r o t o c 0 1 ) 等。电信网络的下一步如g p r s ( p h r a s e2 + ) 、c d m a ( 3 g ) 等都是以 支持分组、i n t e m e t 访问、图像等多媒体通信为目标，4 g 则是以全i p 网络为最终 的设计目标。 江苏大学硕士学位论文 计算机网络中所使用的i p 协议，其最初的设计是为解决共享环境下固定主机 以及有固定地址的网络的互连，当时并没有考虑到目前的无线访问的需求问题。 因而在计算机网络和电信网络相互融合的过程中，坤协议需要进行必要的扩展和 改动，但是又不能破坏现有计算机网络的互连。目前所提出的m o b i l e 斟1 l 就是针 对移动主机的支持而提出的。它提供了一种简单、可扩展性很强、并且与现有的 网络有很强兼容性的框架，但是它的提出是单纯地从计算机网络的角度去看主机 的移动，并没有考虑到下层电信网络和移动主机的特点等各方面的因素，因此 m o b i l ei p 尚存在着很多不完善的地方有待解决。 微观移动协议( m i c r o m o b i l i t yp r o t o c o l s ) 0 0 1 1 1 1 就是针对m o b i l ei p 中存在的 问题而提出的一种解决方案，即通过处理主机的局部移动来支持快速、平滑的移 动切换，减少网络中移动性相关的控制流量，同时提高对服务质量q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 的支持。另外，现有的几种微观移动协议都切实地考虑到了具体电信 网络的结构和特点，因此说在局部移动方面，微观移动协议比m o b i l ei p 具有更 好的局部支持性和实际的应用性。但是这并不意味着微观移动协议和m o b i l ei p 之间是取代与被取代的关系，事实上，二者相互补充。一般认为m o b i l ei p 在支 持全局移动性方面有更好的扩展性，全局使用m o b i l ei p 并不会对现有的i p 协议 产生太大的改变，这一点是至关重要的，因为目前i n t e m e t 所有的应用所基于的 网络层协议都不支持主机的移动性，所以如果m o b i l ei p 对现有口的改动太大， i n t e r n e t 中的应用将会瘫痪，i n t e m e t 也不会正常运行。相对而言，微观移动协议 则不太可能做到这一点。因此在实现主机移动方面，m o b i l ei p 将会在全局移动时 使用，而微观移动协议则将用于主机局部移动的情况。 目前国外提出了许多微观移动i p 协议，典型的有b e l l 实验室的h a w 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 t e m e ti n f r a s t r u c t u r e ) 协议，c o l u m b i a 大学的 c e l l u l a r1 1 协议，m a r y l a n d 大学的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 及分层移动协议等等。这些协议的共同特点是传统的移动i p 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，相同的i p 层路由协议，相应的切换机制以及移动管理机制。他们在 一定程度上提高了移动m 的切换性能，但是都有其局限性。与此同时，国内各大 院校及实验室也都积极地投入到对移动协议的研究中，如北京邮电大学信息工程 2 江苏大学硕士学位论文 学院a t m 中心，东南大学的移动通信国家重点实验室，西安电子科技大学的综 合业务网国家重点实验室等等，这些研究课题得到了国家自然科学基金的资助。 他们针对移动口协议的特点、切换原理及其发展前景进行了相应的研究。有的课 题研究并分析了移动i p 对于不同的无线带宽的切换性能，认为移动碑基本满足 网络宏移动的应用，但对于将来的微蜂窝网络下的快速移动应用还不能很好地进 行支持。有的课题提出在现有的条件下，可以采用组播技术来实现移动m 功能。 还有的课题则采用实验的手段对移动口协议切换对t c p 、u d p 造成的影响进行 了测试，并相应的讨论了可行的改进措施。但总体来说，我国对微观移动m 协议 的研究尚处于起步阶段，未能形成体系而提出一个完整的、实用性较强的改进协 议，这正是我们进一步努力的方向。 1 2 论文研究内容和各章安排 论文研究的主要内容就是对现有的微观移动协议进行分析比较并进行相应的 改进。在对现有微观移动协议分析的基础上，论文提出了一种新颖的基于i p v 6 和组播的域内微观移动协议体系。 论文的内容主要有两个方面：理论研究部分和仿真部分。 1 理论研究部分即对几种主流微观移动协议的研究，对所涉及到的i p v 6 和组播 等几个关键技术的研究，以及在此基础上对所提出的协议体系自身的详细描 述。 2 仿真部分也即实现部分，对n s 网络仿真系统进行开发，并实现本文所提出的 协议体系以及前面提到的几种主流微观移动协议，在一定的拓扑结构下模拟移 动主机的移动，从而获得相关的仿真数据，最后对这些数据进行分析，得出比 较结果，并阐明其原因。 论文共分为六章，各章的主要内容如下： 第一章绪论部分，介绍了计算机网络和电信网络的发展趋势，阐述了i p 支 持主机移动性的必要性，m o b i l ei p 和微观移动协议在支持主机移动性中的相互关 系，以及国内外对移动协议的研究情况，最后简要说明了本论文的研究内容和组 织框架。 第二章背景知识及相关技术，介绍了本文所提出的协议体系中涉及到的相关 江苏大学硕士学位论文 技术，如口v 6 及移动i p v 6 ，微观移动协议以及m 组播等。 第三章对本文提出的微观移动协议进行系统分析，首先介绍了该体系结构的 设计目标，接着介绍了其主要结构，包括工作机制以及各主要功能实体，最后对 工作流程的细节进行描述。 第四章对域内i p v 6 组播协议设计的详细介绍，其中包括参考结构体系的介 绍，组播地址分配方案的描述，域内接入路由器之间切换的详述，以及采用域内 组播的优点。 第五章仿真及结果分析。首先介绍了n s 网络仿真系统的安装使用、其输出 结果的采集、分析，以及n s - a l l i n o n e 2 1 b 6 a 中所包含的各个模块，接着介绍了n s 的工作机制，以及如何在n s 中实现新的协议，最后对仿真的环境参数、拓扑结 构等进行设置，并运行仿真，分析数据，显示比较结果，并进行评价。 第六章论文总结。总结论文的工作和研究结果。并对下一步的研究工作进行 了展望。 江苏大学硕士学位论文 第二章背景知识及相关技术 2 1i p v 6 及移动l p v 6 协议 2 1 1i p v 6 协议 i p v 6 协议【4 】【1 5 】【1 6 1 是一个建立可靠的、可管理的、安全以及高效的口网络的长 期解决方案。几乎无限的地址空间是接纳 p v 6 最根本的理由，口v 6 的1 2 8 位地 址格式可以支持的口地址数量多达1 0 亿的平方，从而彻底的解决了地址枯竭的 问题。1 2 8 位的地址空间，足以使一个大企业将其所有的设备如计算机、打印机 等连入i n t e m e t ，而不必担心m 地址不足。i p v 6 中取消了广播地址，以一个组播 地址取而代之，其组播范围为“所有节点”，此外还新增了选播地址( a n y c a s t a d d r e s s ) 。i p v 4 中原有的用于指定一个网络接口的单播地址( u n i c a s t a d d r e s s ) ，以 及用于指定一个或多个主机的组播地址( m u l t i c a s ta d d r e s s ) 仍保持不变。 i p v 6 中使用固定格式的报头并且减少了需要检查和处理的字段数量，这将使 路由的效率更高。i p v 6 中把可选项放在单独的扩展报头中，通过这种方法，可选 项只有在需要的时候才会被检查和处理，从而节约了时间。在i p v 6 中还实现了 “流”的概念，“流”是指从一个特定源发往一个特定目的地( 单播或组播) 的报 文序列，源节点希望中间路由器对这些报文进行特殊处理。路由器需要对“流” 进行跟踪并保持一定的信息，这些信息在“流”的每个报文中都是不变的。这种 方法使路由器可以对“流”中的报文进行高效处理，因为路由器无需对每个报头 重新处理。 众所周知，手工配置主机m 地址是一件既费时又烦琐的事情，而对分配给主 机的静态i p 地址进行管理则更是一项艰难的任务，尤其是当主机i p 地址需要经 常变动的时候。m v 6 继承了m v 4 的自动配置服务，并将其称为“有状态自动配 置”( s t a t e f u la u t o c o n f i g u r a t i o n ) 。除此之外，i p v 6 还采用了一种被称为“无状态 自动配置”( s t a t e l e s sa u t o g o n f i g u r a t i o n ) 的自动配置服务。使用此方法，无需手 动干预就能够改变网络中所有主机的口地址。 安全问题始终是与i n t e r n c t 密切相关的一个重要话题。由于在i p 协议设计之 初没有考虑到安全性，因而在早期的i n t e m e t 上时常发生诸如企业或者机构的网 江苏大学硕士学位论文 络遭到攻击、机密数据被窃取等不幸事件。为了加强i n t e r a c t 的安全性，从1 9 9 5 年开始，姬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 ，因特网工程任务组) 着手研究制 定了一套用于保护p 通信的口安全协议( i ps e c u r i t y ，简称为i p s e c ) 。i p s e c 是 i p v 6 的一个组成部分，也是珏、r 6 的一个可选扩展协议。它提供了两种安全机制； 身份认证和数据加密。认证机制使m 通信的数据接收方能够确认数据发送方的真 实身份以及数据在传输过程中是否遭到改动。加密机制通过对数据进行编码来保 证数据的机密性，以防止数据在传输过程中被他人截获而失密。 综上所述，与传统的因特网协议相比，i p v 6 在保持p v 4 的优良特性，抛弃、 减弱其缺陷的同时，还具备了其他重要的优点，例如它支持规模更大的网络结构， 改进了安全性和数据的完整性，还采用了分级地址模式和服务质量q o s 等许多技 术。i p v 6 中也强化了组播的功能，并扩大了它的应用范围。已提出的移动i p 支 持组播的机制可以移植到i p v 6 支持组播的机制中，有些方面还可以得到简化。鲫 2 1 2 移动l p v 0 协议 i e t f 是国际上研究移动主机协议的权威机构，其下属的i p n g ( i pn e x t g e n e r a t i o n , 下一代讲) 工作小组于1 9 9 5 年提出了i p v 6 草案，与此相适应，i e t f 的m i p ( m o b i l ei v , 移动i p ) 工作小组随后提出了在i p v 6 中提供移动性支持的建 议，并称之为m o b i l ei p v 6 ( 简称为m m v 6 ，即移动i p v 6 ) 1 7 】f 9 】。 m i p v 4 和m i p v 6 有时统称为m p 。m m 是在全球因特网上提供移动性支持的 协议，它并不是一个孤立的通信方案，而是对广为使用的t c p i p 协议集的扩充， 它与标准璎协议一起为未来的移动计算机网络提供路由服务。m i p v 6 是在下一代 因特网中应用于移动主机的协议。m i p v 6 中继承了m i p v 4 中对移动性支持的思想， 并对m i p v 4 进行了许多改进。例如，m m v 6 直接支持路由优化：允许m n ( m o b i l e n o d e ，移动节点) 发出的数据包经过带有“入口过滤”功能的路由器；不再需要 外地代理，因为m n 全部使用配置转交地址；可以利用i p v 6 的i p s e c 机制进行安 全保护，并且使用i p v 6 的“邻居发现协议”来截获发往m n 的数据包，而非采用 “代理a r p ”；另外还允许控制信息与碑数据包一起传送等等。正如当前的网际 协议i p v 4 最终必将过渡到i p v 6 一样，m i p v 4 最终也必然过渡到m i p v 6 。下面简 要地介绍一下m m v 6 的工作原理。 6 江苏大学硕士学位论文 移动i p v 6 建立在i p v 6 体系结构基础之上，其基本思想是：移动设备可以在 移动计算环境中自由移动，不用手工配置任何网络信息就能够继续通信，而且能 够保证正在进行的网络连接在移动过程中不被中断。 基本工作原理为：移动节点m n 从一个子网移动到另一个子网时，获得一个 新的转交地址( c o a ，c a r e - o f - a d d r e s s ) ，移动节点必须通过“绑定更新”报文向 家乡代理( h a ，h o m ea d d r e 髂) 对该地址进行注册。家乡代理把该更新信息放入 “绑定缓存”中。家乡代理用作移动节点的代理服务器，截获发往移动节点的数 据报文，封装后用隧道机制发往移动节点的转交地址。移动节点同时也向通信节 点( c n ，c o m m u n i c a t i o nn o d e ) 发送“绑定更新”报文，这样，移动节点就可以 和通信节点直接通信，从而解决了m i p v 4 中的三角路由问题。图2 - 1 显示了移动 口v 6 的工作原理。 1 当c n 知道m n 的转交地址时，直接将数据报发往m n 。 2 当c n 不知道m n 的转交地址时。将数据报发到家乡链路上，由h a 截获 3 h a 再利用隧道机制将数据报转发给m n 图2 - l 移动i p v 6 的工作原理 在移动i p v 6 中，实际上是家乡代理和通信节点在管理移动节点的移动性能， 由此产生的延迟必然会减小有效报文的转交速度。此外，对移动节点和通信节点 间直接通信的路由优化的支持也会产生大量的“绑定更新”信息，这也给网络增 加了大量额外的负担。 7 江苏大学硕士学位论文 2 2 微观移动协议 2 2 1 微观移动协议的提出 近年来，因特网与无线通信获得了前所未有的飞速发展，将二者相结合，为 用户提供移动计算成为了目前人们的关注热点。为了支持全球的口网络互通与设 备的漫游，m t f 提出了m 移动性支持协议移动口。其中规定：只要m n 移 动到另外一个礤子网，它就会获得临时的转交地址，从而启动注册过程，该过程 要求m n 必须通过f a ( f o r e i g na g e n t ，外地代理) 向h a 进行注册，m n 的任何 移动都必须报告给h a ，由h a 来维护m n 的移动绑定。这种简单的移动性支持 方案可以与现有网络兼容，并且只需要在移动代理( 包括h a 、f a ) 和m n 上根 据终端的移动性要求进行改进即可实现移动m 功能。但是随着研究的深入，人们 发现当移动i p 应用于微观移动( m i c r o - m o b i l i t y ) 和快速移动( h i g h - m o b i l i t y ) 的 环境中时，则存在许多不足之处，突出表现在以下三点：在网络中引发大量注 册报文的传输，从而严重影响网络性能；造成较大的切换延迟，特别是当m n 远离其家乡网络时，将引起严重的数据包丢失和通信吞吐量的下降；采用优化 路由时，由于要正确地通过隧道传输口包，因而必须保存精确的位置信息，这将 需要大量的缓存，此外，频繁的位置更新还会引起这项开销的急剧增加。 基于此，人们又进一步展开了对微观移动协议的研究。所谓微观移动i p 协议 就是在移动m 协议中引入“层次”的概念，将移动节点的切换限制在小范围内。 通过对层次的划分将网络分成不同的域，从而将移动性的问题分解成了宏观移动 ( 即域间移动) 与微观移动( 即域内移动) 。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 协议相结合，从而在i p 层实现无线互联。一般在域内采 用微观移动i p 协议，而在域问采用i e t f 的移动i p 协议。采用该方法，对移动节 点的家乡代理而言，隐藏了移动节点在域内的移动，减少了信令流量。其结构如 图2 2 所示。 苏大学硕士学位论文 周关 无线接入胃( 域内采 用徽观移动协议) 家乡代理门 l 家乡网络 i n t 劂e 1 i 域问采用 王e i 整； i p 协议 坠，d 1 、 无线接入同( 域内采 用微观移动协议) 图2 - 2 结合微观移动的网络图 微观移动协议是作为m o b i l ei p 的补充而设计的，它们的相互作用使得m 在 支持主机移动性方面更有效。更切实可行。微观移动协议的关键技术有：快速平 滑的移动切换机制；地址的分配和管理机制；分组转发机制；位置管理机制( 路 径的建立、维护和更新) ；此外还包括寻呼机制( 被动连接) 和安全机制等多个方 面。 微观移动协议的目标是将移动主机的微观移动行为局限于域内进行处理，从 而减少移动切换所产生的延迟和分组丢失以及广域网络上的信令负载。根据域内 分组转发机制的不同，主要包括两种类型：代理结构( p r o x y - a g e n t a r c h i t e c t u r e ， p a a ) ，包括层次隧道协议、分层移动协议h m i p ( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ) 等；局 部路由优化机制( l o c a l i z e de n h a n c e d r o u t i n gs c h e m e s ，l e r s ) ，包括b e l l 实验 室提出的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 t e m c ti n f r a s t r u 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 r1 1 协议等。这些协议的共同特点是传统的移动i p 路由技术不再推广到接入网与移动节点相交的边缘，而是位于接入网与m 核心网 的交界处。在域内采用统一的方案，相同的i p 层路由协议、相应的切换机制和移 动管理机制。下面着重介绍c e l l u l a ri p 、h a w a i i 和h m i p 等几个主流微观移动协 议。 2 2 20 e i | u i a ri p c e l l u l a ri p 协议( 以下简称为c i p ) 脚是由c o l u m b i a 大学与e r i c s s o n 研究所共 9 江苏大学硕士学位论文 同提出的，它提供了对局部移动和快速切换的支持，并且在c i p 接入网内，位置 管理、切换支持与路由三者相结合。它可以和m o b i l ei p 进行互操作来支持广域 移动或者全局移动性的支持。这个协议设计的四个基本原则是：位置信息是存 储在分布式数据库中的，移动主机的位置信息是由节点发送的常规m 数据包 进行创建和更新，这样有助于使控制信令最小化。位置信息采用软状态 ( s o f t - s t a t e ) 方式存储。对空闲状态( i d l e ) 移动主机的位置管理和处于活动 状态( a c t i v e ，即处于发送、接收数据包的过程中) 移动主机的管理是有所区别的。 c i p 网络的框架如下图2 3 所示。 图2 - 3 c i p 框架结构 动 机 c i p 网络由支持该协议的一个网关路由器( g a t e w a y ) 、多个c i p 节点、基站 以及移动节点所组成，网关路由器连接c i p 接入网与因特网。网关的i p 地址将作 为接入网中移动节点的转交地址，通过隧道发往移动节点的口数据包将在网关处 进行拆封，然后再按照c i p 协议中规定的路由方法将数据包发送至移动节点。c i p 的基本操作描述如下：基站周期性的发送信令( b e a c o ns i g n a l s ) ，m n 利用这些信 令来定位最近的基站。所有由m n 发送的数据包，不论其目标地址为什么，都由 基站通过最短路径逐跳地转发至网关。每个节点都有路由缓存( r o u t ec a c h e ) ， 由m n 发送的数据包进行创建、更新每个节点的缓存。缓存中的每条记录映射了 邻居节点转发的数据包的m n 的m 地址。一个m n 的缓存映射链就是指向该m n 1 0 江苏大学硕士学位论文 的数据包下行路径方向的路由。当m n 移动时，这个映射链始终指向m n ，因为 它的上行节点修改了相应的映射记录。为了使缓存映射不会超时，m n 需要周期 性的发送控制报文。当m n 不发送或不接收数据包。即处于空闲状态，但是又希 望被数据包寻址到时，则会引起路由缓存映射超时的情况。此时可以保留寻呼缓 存( p a g i n gc a c h e ) 。指向m n 的i p 数据包会通过寻呼缓存转发至m n 。寻呼缓存 比路由缓存具有更长的生存时间，但并不是每个节点都具有寻呼缓存。 c 1 p 网络中的切换是由移动节点初始的，活动的m n 在接近新基站时，它会 发送“路由更新”报文，并重定向到新基站；而空闲的m n 在移动到新基站时， 只有当该新基站处于其寻呼区域内时，m n 才发送。寻呼更新”报文，从而触发 切换。c i p 支持两类切换方案：c i p 硬切换以部分数据包的丢失为代价，换取切 换信令开销的最小化；c i p 半软切换( s e m i - - s o f th a n d o f f ) 则侧重于保证数据包 的零丢失率，在实际切换前，先通知新的接入点准备切换，并且在切换过程中， 某些移动节点还可以同时接收来自新、旧基站的数据包。因此与硬切换相比，半 软切换可以提供较好的t c p 和u d p 通信性能。 2 2 3h a m i i 美国朗讯科技公司提出的h a w a i i 协议( h a n d o f f - a w a r ew i r e l e s sa c c e s s i n t e m e ti n f r a s t r u c t u r e ) 例是一个用来处理域内移动性的独立的路由协议，将基于 主机的转发实体安装在特殊的路由器上以支持域内微观移动，并使用m o b i l ei p 进行域间宏观移动。h a w a i i 的协议设计有三个基本原则，分别是：移动性上 做到最大的透明性。当m n 移动时，为了保持端到端的连接性，并减少冲突， 建立到达m n 的特殊路径。使用软状态机制来保持转发状态。 h a w a i i 协议中采用了基于域的层次结构，其网络框架如下图2 - 4 所示。 江苏大学硬士学位论文 i n t e r n e t 核心( c o r e ) 边界线 图2 - 4 h a w a i i 框架图 h a w a i i 网络的域是由具有扩展功能的路由器和基站组成，其中连接h a w a i i 域与i n t e r n e t 核心网的路由器称为“域根路由器”( d r r ，d o m a i nr o o tr o u t e r ) 。 移动节点在域内获得一个配置转交地址c c o a ( c o 1 0 c a t e dc a r e o f - a d d r e s s ) ，且 节点在域内移动时，该地址不会改变。在弛娟，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 ) ，以及空状态( 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，既降低了能量消耗，又减少了信令开销。h a w a i i 协议的路径建立 机制如下：当m n 开杌时，m n 发送m i p “注册报文”到最近的基站，基站使用 缺省的路由将h a w a i i “路径建立”报文发送到域根路由器。在每个基站以及路 由器中有一个软状态的转发表，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。从m n 到根路由器之间路径上的所有路由器都加 入了m n 的这个转发表。然后根路由器向基站返回“确认报文”，最后基站发送 m m “注册回复”给m n ，发往m n 的数据包会根据这个基于主机的转发表路由 到m n 。 h a w a i i 方案中采用了两种切换方法来建立新的路径，分别是转发路径建立 1 2 江苏大学硕士学位论文 方案和非转发路径建立方案。转发方案是指缓存的报文从旧基站转发至新基站， 适用于移动节点只能与一个基站进行通信的情况( 如t d m a 系统) ，而非转发方 案则是指报文从交叉路由器( c r o s s o v e rr o u t e r ) 转发给新基站，适用于移动节点 可以同时与多个基站进行通信的情况( 如c d m a 系统) 。 2 2 4h i p e r i c s s o n 与n o k i a 共同提出的h m i f 协议( h i e r a r c h i c a lm o b h ei p ) 采用外地 代理分级的方式以使m i p 的注册本地化，这可以减少信令延迟，同时改善切换的 性能。在h m i p 协议中，m n 使用发送的m i p “注册报文”更新其位置信息。“注 册报文”沿着移动节点与网关外地代理( g f a ，g a t e w a yf o r e i g n a g e n t ) 之间的路 径，在邻居外地代理之间建立隧道。发往m n 的数据包通过隧道传送，隧道网络 可视为i p 层之上的一个独立的路由网络层。通常，所有的外地代理f a 都与网关 外地代理g f a 连接