（计算机应用技术专业论文）移动ip切换技术研究.pdf

麟凑交通大学硕女聚究生学位论文第l 菠 摘要 近年泉，远程办公、移动计算的应用需求正在不断增长，在无线应用 串，移动圭机在不同的予网之闻移动对，为了保证正常通信，都必须进 行切换，为了更好地满足这些需求，我们应进一步加强对移动i p 切换技 术静研究。事实上，移动 p 酶韵换梳截研究己液茺诗舞瓿阏终戆重妥研 究内容之一。 移魂l p 技术援供了l p 移动凌蹩熬勰决方案，它霹黻使装熹在穗换 链跻时不用中断正在进行的通信，使移动节点可以通过一个永久的i p 地 蛙逐接刭馁侮一条链路上。 本文首先介绍了移动i p 的切换机制，切换的移动检测机制及其采用 蛇嚣张检测方法，弗阐述了检测时延是切换时廷中最主要的部分，它的 产擞是因为移动主机只能被动地进行移幼检测。 然后介绍了注册过程中移动主机与器种代蠼之间接收或产生注册消 息的交互邋程，并对移动i p v 4 葶瓣移动i p v 6 协议体系及其切涣机制进行 了详细分析，指出了其存在的问题，并将现有备种快速切换方案归类为 层次移动管理、蜂窝i p 秘 矗餮a l i 、结合链路释信息的切换方案等，丽 且对这些方案进行了综合的分析和评价。 在贫绥了各；黪切换方案嚣特熹之囊，本文遴分辑了甥换对t c p 瞧戆 的影响。文章在分析无线链路特性的基础上，分析比较了各种可在无线 圈终孛增强t c p 瞧戆匏鼓拳方案。遂过辩魄分撰，本文建谈焉s n o o p 技术进行平滑切换和快速藿发，从而改镶移动i p 切换的t c p 性能。 本文在详细分绍了套秘移动l p 切换技术改遂方案繁破上，提出了使 用镟路层信息和预注册技术对区域切换方案进行改进的方案，即链路层 信慰预注册区域切换方案( “n k l a y e r 1 n f op f e - r e 西s t r a t i o 娃d i s 城c t h a 棚o f f p r o i e c t ，l l i p r d h p ) ，并详细介绍了新方案原理，实现过程， 并分析了其切换性能。 勇井，作者还撬出了一个对i e t f 移确l p 协议通错辊制鹃改进方案， 以实现对端通信主机与移动结点奠接通信，避免兰角路由。 最后，在o p n e t 仿真平台下，构建网络实验环境，就改进方案进行 了仿真分事厅，仿真结果表明：改进后的切换方裳切换速度较快，网络撰 鼹瘴交遗失学硕士獗究生学位论文第鞋炎 比特率和去包率都相对较低。 关懿溺：移动 p ；垂适盛主凄鬏溅；秘挨；翻换瓣遥： 弋毽； 层次移动管理 褥南交遴夫举硕士锵究垒学位论文第1 h 贾 a b s tr a c t l 娃f e c e n y e 硅f s ，扛ea p p ! l c a l i o 娃so ff e l 鞋o eo f 聪c e 鑫n d 拜l o b i l ee o 班p u l f 羲g k e o pi 珏e f 嚣鑫s i 魏g ，魏鞋琏i nw i o l e s se 藏v i f o 韩氆。矬，舞e 蛭o b i i e 差o s tl 鞋群s t 鑫d o p h a n d o f f t o e h n o l o g y t o k e e p t h ec o n n e c t i o n sw h e ni tl n o v e sb e t 、v e e 娃 d i f f e r e n ts u bn e t w o r k s 。l no r d e f1 0 彗f o v i d eb e l l e rs e r v i e e ，w es h o # l ds t 罄d ￥ t h em o b 订ei ph a n d o f ft e c h n o l o g yf u r t h e t h em o b i l ei ph a n d o f ft e c h n o l o g y h a sb e e nt h e 重( e yf a c t o rt ob o t ht h ew i f e l e s sc o n l l n u n i c a t i o n ss y s t e ma n dt h e w i r ec o m m l l n i c a t i o n ss y s t e m a n dw h a t sm o r e ，f h es t u d i e so nt h em o b i l e l p | l a n d o f f t # c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c h i n g 贰e l d s o f h 嚣e o m p u t e rn e t w o r k ， i 暖o b i l el ph 美sp r o v i d e dl m o b i i j l ys o l h t i o na n d 黼a d ei t p o s s i b i ef b r 秘l o b i i en o d 嚣oe h a n g e j t sp o i n to f 蘸t t a c h m e n t 、v i t h o u ti o s i n gi t sa b i l i yl o c o f 矬l 矬u n i c 建l e 靠珏d 靼s eap e 瓣a 曩e 赫l pl o a c e e s sa 秘yl i 鞋k ， l 魏o r 娃搴f1 0s e f 。f h | h em o b i l ei p b 趣n 硅o f f l e c 氛箍o l o g y ，i f s t l y ，| 蠢e p a p e f 藏l a k e sa n a l y s i si 珏d e p t ho fl h em o b i l el ph a n d o f fs c h e 菇t e 。a n d l s p o i n l e do 毡tl h a ll h eh a n d o f f1 8 l e 鞋e yi st h e b 鞋i ns 擘e l i o 珏o fl 照el a l o 熟c vo fl 魏e m o l i o nd e t e c t i o n ，w h i c hi sc a u s e db yt h ef a c tt h a tl h eb o s th a st op a s s i v e l y p e r f o r mt h el n o t i o nd e t e c t i o n t h e 薅d a p l v ei n n i a t 至v ep r e d i e t i v ea l g o f i s 鞲l c o u l db ea d o p t e d1 0p f e d i c tt h en e t w o r kc o n d i t j o n sa n dt h ei n o v e m e n to ft h e m o b i l oh o s t ，、v h i e hl e a d st oa d v a n c et h ee f f j c i e n c vo ft h e 珏l o b i l ej p h a n d o f f a 魏e r w a 蹦，b o 氆强em o b 箍ei 擎h a n d o f fm o t i 甜id e l e c i o ns c h e m ea n di t s d j f f e r e n tm e t h o d sa r ei n t f o d n c e d t h ei n t e f a c t i o np r o c e s s e s0 fr e c e i v i n ga n d a f f o f d i 挂g | h e f e g l s l e l 聩e s s 8 9 e s b e l w e e nl h eh o s ta n dl h e a g o n s a f e e x p | 嚣i 靛e 矗i nd e l 8 i l ， 渡e a 珏w h l l e ，b o hl h e 醚o b i l ei p v 6a n dl h ei 蟠o b i l e p v 4 a f c h i l e c t f u ea 辩dt h e i rh a n d o f f警e h e h l e sa r ed i s c 鞋s s e da n dl h e e x i s t i 臻g p r o b l o l 强s 鑫f ea 秘a l y z e d 。 t h ep a p o fc l a s s i f i e sv a f i o u sf a s th a n d o f fs h c e m e si n t oh i e f a r c h i c a l m o b i l j l ym 曩n a g e m o n ts c h e m e ，e e l l u a f 。l 量至a w a l l ，蠊eh 翘d o f fs c h e m o c o m b i n e dw i t hi n f o r m a t i o no f d a t al i n k1 a v e fe t c a f t e rt h a t ，e v e r vs c h e m ej s 西涛交通大学硕土研究缴擘位论文第l v 凝 d i s c u s s e dr e s p e c t j v e l y e o n s i d e 靠n ga b o u lt | l e n f l u e n e eo fw i f e l 。s sl i n kl ot e pp e f f e r | 程a 髓e e ， t h ed i s s o t a t i o nd i s e u s s e s 镪ef e a t u r e so fw i f e l e s si i n 耗，c o m 贽a r e st 缸f e e d i f f o r e n tm e c h a n i s m sw h i c hp r o p o s e dt oe n h a n c et c pp e f f o r m a n c ei n w i r e l e s sn e t w o r k s 。o nt h e s ec o m p a f i s 臼n 诖i sr c c o m m 茹n d d e dl h a th s 主n g s 藏0 e p | 。e 耋圭鞋i 罐毛| et oi l 鞋 f 密v e 零c pp e f f o f 翦睦鑫菇c ei 挂l 圭圭ep f o c e s s0 i 矬o b i l 嚣l h 箍矬d o 蠢e o 毽嚣瓢a v e 薹。f e 撼e f i s 韩s o m ow 蠢y 。 o nt h eb a 8 eo fr e s e a r c hd i f f e r e n t8 c h e m e sw h j c ha m e l i o r a t e d1 0 建d v 挂n e e氆em o b i l e l ph a n d o 嚣 e f f c i e 雏e ￥， a珏e w s e h e 驻e “秸瑟w l a y e 卜l n f o 一p f e r e g i s t r a t i o 砖d i s l 越e th a n d o 蠢p f o j e e ，w h i e hb a s e do n t h e t b e o f y o fp r e f e g i s t r 鞋t i o n l 矬a p p 嚣蠢 o n l o d s t 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耩o m e a g e 狂t ) 家乡代瑾 l i a ( f o r e j g na g e n t ) 步p 呶代理 o f a ( o l d 翔f e 谵珏a g e n t ) 韬换遭程中 ( 即憋叛开懿羚建代理) n f a ( n e wf o r 。j g na g e n t ) 切换过程中 ( 邵将连羧静矫邋代理) e 融( c a f eo fa 雒f e s s ) 转交遗簸 c n ( c o r r e s p o n d e n tn o d e ) 对端节点 e | 毛( c o r f e s p o 蘸硅e 珏鼍轻o s | ) 对漆主撬 g f a ( g a t e w a yf o r e i g na g e n t ) 外地代理 ( 麓进行箧域注掰管理) b s ( b a s es l a t i o 魏) 基站 l c s ( l a z yc e l ls w i t c h i n g )消极切换算法 p m ( p f e 矗xm a c h 穗g ) 祷缀疆配冀法 e c s ( e a g e rc e l ls w i t c h 蛔g ) 积极切换检测算法 b f u ( b a c k w a f df o r w a f d n gu n i c a s ) 蓐两聋睾发 f f u ( f o r w a r d sf o r w a f d i n gu n i c a s t ) 前向聋搴发 p r ( p r e r e g l s t r a t i o n )鞭 童翡 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 论文背景 随着计算机网络和无线通信技术的快速发展，网络中出现了随时都可能在移 动的主机，当主机的移动跨越i p 子网时，这些子网必须能够支持漫游。 i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 为了迎合这种需求，制定了移动i p ( m o b i l ei p ) 协议，它是传统i n t e r n e t 的有效延伸和扩展。移动i p 是一个在全 球t n t e r n e t 上提供移动功能的解决方案，它能够使节点在切换链路时仍可保持正 在进行的通信。它提供了一种m o b “el p 路由机制，使移动节点以一个永久的i p 地址连接到任何链路上。随着网络中移动通讯和i p 的融合，个人通讯( 语音、数 据或图像等) 将主要由移动通讯来完成。因而，通过移动i p 开展实时业务的需求 也h 益迫切。然而，出于移动节点的移动性，移动节点需要频繁切换，从而造成 延时甚至网络的中断。如何解决移动i p 的无缝切换问题，降低切换时延，是我们 急需研究和解决的问题。 i e t fm o b l l ei p 工作组的移动i p 及其相关技术是实现网络设备存全球移动 漫游的关键性技术。移动i p 技术实现移动主机( 计算终端服务器等) 使用基于 t c p i p 协议，移动到外地子网时，不用修改网络i p 地址，保持正在通信中的连接 不中断，且继续享有原网络中一切权限。但移动i r 技术中存在二角路由，注册时 延较长等问题，为了提高切换效率，缩短切换时延，有必要对移动i p 切换技术作 进一步的研究。 12 移动i p 概述 为了实现移动节点在移动过程中保持正在进行的通信，移动i p 在传统i p 协 议基础上引入了三种新的功能实体i l j ： 1 移动节点m n ( m o b il en o d e )移动节点删又名移动主机，它具有两个 i p 地址：+ 个是归属地址( h o m ea d d r e s s ) ，用来识别节点：另外一个是转交地址 ( c a r eo fa d d r e s s ) ，标识心在网络拓扑中的实际位置。姗处于其归属子网时， 移动i p 运行机制与普通i p 相同。当m n 漫游到外地子网时，获得转交地址。转交 地址随着m 折处的外地子网的不同而不同，它表明了当前在网络中的拓扑位 置。 2 归属代理h a ( h o l n ea g c n l ) 位于移动节点洲归属子网中的路由器。当州 离丌归属子网时，h a 将发往m n 的分组进行封装再转发给m n 。h a 持有心的位置 信息、即转交地址信息。 3 l 外地代理f a ( f o r e i g na g e n t ) 位于m n 所访问的外地子网中的路由器，除 了具有传统崮定网络中普通路由器的功能外，如果m n 己经在此注册，则负责路由 了具有传统固定网络中普通路由器的功能外，如果m n 己经在此注册，则负责路由 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 与m n 相关的业务。f a 收到由 i a 传来的以m n 为目的分组，将分组解封装再传给 m n 。 下面分别介绍移动i p 协议支持的三种基本功能：代理发现、注册和路由。 1 2 1 代理发现过程 通过代理发现过程可以实现以下三个功能j ； 第一：刖判断目前处于归属子网还是外地子网： 第二：m n 检测何时从一个子网漫游到另外一个子网； 第三：当州与外地链路连接时，可以获得转交地址； 代理发现包括两种消息：代理广播和代理请求消息。代理广播消息是由代理 ( h a 和f a ) 周期性以多播或者广播的形式向其所能到达的链路发出的消息，消息中 包含代理的地址信息等与注册有关的相关信息。广播消息由移动i p 中定义的i c m p 路由器广播消息的一个或多个扩展构成的。代理请求消息是由m n 发出的消息，只 有当m n 没有耐心等待下一个代理广播信息到来时才发送代理请求信息以便使代理 在收到请求后马上发出广播消息。代理请求消息与i cm p 路由器请求消息基本上 是相同的，唯一的不同的地方就是代理请求消息必须将t t l ( t i m et ol i v e ) 值设 为1 。 州根据收到的代理广播消息i p 源地址的网络前缀与自己的归属地址的网络 前缀比较来判断目前处于归属子网还是处于外地子网。如果两个网络前缀相同， 则表明m n 处于归属子网，没有必要进行注册；如果两个网络前缀不同，则说明 离开其归属链路，触发“移动检测”算法来判断是否移动到新的链路上。如果m n 移动到新的链路，则获得新的转交地址并向其h a 进行注册。 1 2 2 注册过程 注册过程包括两种消息1 3 】：注册请求和注册应答消息。当移动检测算法检测到 m n 己经移动到新的子网时，就通过新的代理向h a 发送注册请求消息( 此消息中含 有m n 获得的新的转交地址等信息) 。h a 处含有关于州的绑定缓存( b i n d i n g c a c h e ) ，绑定缓存内存有删在新的注册到来之前的转交地址。当h a 收到一个含 有与绑定缓存中不同的转交地址的注册请求消息时，就更新绑定缓存，并发出注 册应答消息经f a 发送到洲。可以看出，注册是h a 更新在网络中位置信息的过 程。此后，m n 就可以与网络中的任何节点进行正常通信。但是在m n 与旧的链路断 开之后且在注册完成之前的这段时间内，发往m n 的数据报文将被丢弃。 1 2 3 移动l p 中的路由分析 前面介绍了m n 通过注册过程通知h a 它在网络的当前位置( 即转交地址) 。当 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 m n 处于归属子网时，以m n 为目的地址的分组和由m n 发出的分组均采用传统路由 方式。当m n 处于外地子网时，由m n 发出的分组也采用传统的路由方式：但以m n 为目的地址的分组路由过程就相对复杂了，下面简要介绍这一过程。 首先介绍移动i p 路由过程中很重要的一个概念封装1 4 j 。存在三种类型的 封装：“i pi ni p ”封装( i pi n i pe n c a p s u l a t i o n ) 、最小封装( m i n i m a l e n c a p s u l a t i o n ) 和通用路由封装( g e n e r i cr o u t i n ge n c a p s u l a t i o n ) 。“i pi ni p ” 封装是将整个i p v 4 分组作为封装后分组的净荷，而新增加分组头部，所以分组经 过此类型封装后增加了2 0 字节的长度。最小封装减少了封装前分组i p 头部和封 装后分组i p 头部中的冗余信息，从而减少了分组经过封装后增加的长度。通用路 由封装除了支持i p 协议之外还可以支持其他网络层协议，允许一种协议的分组经 过封装后作为另一种协议分组的净荷。在移动i p 中，代理必须支持“i pi ni p ” 封装【5 】，而对于后两种类型封装的支持是可选的。 图1 1 移动i p 通信示意图 如图卜1 所示，以网络中一通信节点( c o r r e s p o n d e n tn 0 d e ，c h ) 与m n 进行 通信为例来解释移动i p 中的路由过程。与c h 通信时，m n 始终将归属地址作为通 信地址，分组由c h 按传统路由方式路由到州的归属子网即h a ，h a 通过地址解析 协议( a r p ) 截获以m n 为目的地址的分组，查询相关于m n 的绑定缓存，将分组按 “i pi ni p ”类型封装后传送到m n 当前的转交地址( 即外地代理f a ) 。f a 收到 封装分组，检查其净荷部分( 即由c h 发出的原始分组) 的目的地址，得知目的地址 为m n ，并且m n 己经在f a 的访问列表中有注册，f a 将其解封装之后，将原始分组 传送给m n 。图中虚线箭头为由m n 发往c h 的分组的传输路径，采用传统路由方式。 从而，c h 发往m n 的分组所经过的路径是：。 c h 一一) c h n e t 一一) h a 一一) f a 一一) m n 可见，移动i p 是移动因特网中支持主机移动的网络层解决方案，并且移动对 于网络层以e 的各层和用户都具有透明性。但是，从c h 到m n 的分组必须经过h a ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 给分组造成了不必要的延迟，这就是移动i p 在路由中存在的“三角路由”问题。 1 3 本文研究内容 从上面移动i p 实现过程我们可以看出，i e t f 移动i p 协议存在以下不足之处： 1 三角路由问题，上一节中已经提到移动i p 中存在三角路由问题，三角路由 带来的潜在问题有：增加分组延迟；在h a 处容易形成路由瓶颈，引起拥塞，造成 网络资源浪费。 2 移动环境下t c p 性能下降，传统t c p 是基于有线、固定网络拓扑的可靠传 输协议1 6 j ，通信中任何分组丢失都会认为是网络拥塞造成的，但在移动环境下， 分组丢失通常是由无线链路内在的高误比特率和链路临时断开( 由信号衰落、链路 错误或移动节点移动等原因造成) 等原因引起的。 在m n 移动过程中，难免有分组丢失，但c h 端的传输层将分组丢失归结为网 络拥塞，降低拥塞窗口到最小值，重传未得到确认的分组，如果连续几次未得到 确认，重传超时就以指数增加。心在新的子网完成了注册之后，理论上应该可以 正常继续通信，但是c h 端并不知道这一消息，而必须等到重传报文收到确认之后 才慢慢恢复正常通信。 鉴于i e t f 移动i p 协议存在以上不足之处，为了满足未来主机移动通信的需 求，对移动i p 技术的进一步研究就显得非常有必要。 移动技术涉及的内容主要包括以下两个方面： 第一：位置管理，提供移动过程中主机寻址能力，核心问题是保持移动主 机地址不变，特别是由于地址缓存技术造成高层地址解析协议往往要求低层地址 能够保持不变。 第二：连接切换，提供移动过程中主机维持活动连接的能力：移动主机从一 个基站移动到另一个基站时，在新的基站中协商的带宽和延时等特性必然不同于 前一个基站中所获得的业务质量，因此切换机制必须确保新路径满足q o s 要求， 或者可以进行q o s 重新协商：其次还有路由优化提高网络带宽利用率 而移动i p 连接切换机制主要涉及两个方面的内容：代理发现和注册n 代理发现是指移动代理，包括家乡代理和外地代理，通过定期发送“代理 通告”消息，在相连接链路上通告移动代理业务；移动主机侦听“代理通告”，检 查通告内容，检测是否发生移动。 注册是指移动主机侦测到网络接入点发生改变或者上一个注册有效期将要 过期时，移动主机实施注册过程：通知归属代理当前转交地址；在归属代理中生成 移动主机的绑定信息；发送注册消息给外地代理：请求外地代理提供路由业务。 移动主机对于将要过期的注册项，要重新注册，当判断其返回归属地网络时，需 要对原注册进行注销。 当移动主机判断出自己己经移动到新的外地子网时，就需要开始切换过程。 它首先从外地子网获得转交地址，并发送注册请求向家乡代理注册新的转交地址， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 家乡代理发送注册应答给移动主机，这样就完成一次新的注册过程。家乡代理开 始将目的地址为移动主机的i p 包通过隧道发送到移动主机的当前位置，隧道的出 口即为新的转交地址，从而该次切换过程即告结束。 1 4 移动i p 切换研究现状 早在1 9 9 6 年1 0 月，i e t f 就提出了移动i p 协议标准( 草案) ，主要包括 r f c 2 0 0 2 ，r f c 2 0 0 3 ，r f c 2 0 0 4 ，r f c 2 0 0 5 和r f c 2 0 0 6 等r f c 文档nr f c 2 0 0 2 定义了 移动i p 协议；r f c 2 0 0 3 ，r f c 2 0 0 4 和1 7 0 1 定义了移动i p 中用到的三种隧道技术； r f c 2 0 0 5 叙述了移动i p 的应用，r f c 2 0 0 6 定义了移动i p 的管理信息库m i b 。该草 案文档一经发表，立刻引发了全球范围研究移动i p 技术的高潮。美国哥伦比亚大 学、纽约大学、卡耐基梅隆大学、新加坡国立大学、日本科学与技术研究所、 瑞典皇家学院以及阿ps o f t w a r e ，i b m ，m o t o r 0 1 a ，n o k i a s u n t e l x o n 等公司 都成立了相应的工作组，针对移动i p 进行研究。 现有的移动i p 切换机制存在着延迟大，数据易丢失和安全性差等问题。针对 目前这种移动i p 机制的问题，在支持移动i p 的快速平滑切换方面有以下一些方 案。p a d m a n a b h a n ，c u s t a f s s o n 和k a r i m e i m al k 例提出t 层次的移动管理方案。 他们把无线网络划分为一个个的域，每个无线域的最上级层次是域外部代理d f a ， d f a 的下一级层次为子网外部代理s f a ，再下一级是外部代理f a ，通常是基站，用 来连接移动主机到网络，从而实现主机的重新注册层次性和局部性。在同一域内 的切换，移动主机不需向距离比较远的家乡代理注册，而是向d f a 注册，减少了 重新注册的时间。但对不同域之间的切换，移动主机向家乡代理注册。 p e r k i n s 提出了具有路由优化和平滑切换的层次移动管理方案。移动主机 使用m i p 注册扩展以实现注册的本地化，但不对不同域间的切换做任何处理。 在平滑切换方面，需要分组缓存转发机制。单播转发是当前基站代理缓存分 组，在切换后转发给新的基站代理，但新旧基站代理之间的分组转发可能需要较 长的时间；而组播转发则采用组播协议转发缓存的分组。每个移动主机有一个组 播地址，当移动主机向新基站代理注册时，该基站代理要求相邻的基站代理加入 组播组，预先缓存分组，但存在组播地址冲突和邻居手工配置问题。采用域外部 代理d f a 给移动主机分配组播地址解决了组播地址冲突问题，但同样存在缺乏智 能的邻居发现机制和组播状态的开销问题。 1 5 本文主要工作及本文组织结构 本文围绕移动i p 的切换机制，以提高移动i p 切换性能为目标，主要工作如 下： i 研究了移动i p 协议体系及其切换机制，对其存在的缺点和不足进行了分 析；比较了当前移动i p 切换机制各种改进方案，就其各自特点进行了分 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 类总结与性能分析。 i i 提出了一种新的移动i p 快速切换方案： 链路层信息预注册区域切换方案( l i n k l a y e r i n f 0p r e r e g i s t r a t i o n d i s t r i c th a n d o f fp r o j e c tl l i p r d h p ) 。 i i i 使用o p n e t 网络仿真软件对该移动i p 快速切换方案进行仿真分析。 本文组织结构如下图所示。 图卜2 论文组织结构示意图 本文组织结构如图卜2 所示，第一章是绪论移动口概述；第二章是移动心 切换技术分析；第三章是移动i p 切换性能分析；第四章是新的移动i p 切换方案； 第五章第六章是对新方案的仿真以及对全文的总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章移动ip 切换技术 2 1 引言 移动i p 于1 9 9 6 年6 月由因特网工程指导组i e s g ( i n t e r n e te n g i n e e r i n g s t e e r i n gg r o u p ) 通过，并于1 9 9 6 年1 1 月公布为建议标准( p r o p o s e ds t a n d a r d ) 。 建议标准是一个协议从因特网草案发展成因特网标准的第一个重要步骤。 移动i p 由i e t f 的移动i p 工作组【1 1 】( i pr o u t i n gf o r 毗r e l e s s m o b i l eh o s t s ) 于1 9 9 2 年6 月制定，包括下面的r f c 文件： r f c2 0 0 2 定义了移动i p 协议。 r f c2 0 0 3 ，2 0 0 4 和1 7 0 1 定义了移动i p 中用到的三种隧道技术。 $ r f c2 0 0 5 叙述了移动i p 的应用。 $ r f c2 0 0 6 定义了移动i p 的管理信息库m i b ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n b a s e ) 。 移动i p 的m i b 库是实现移动i p 的主机的变量集合，管理平台可以通过简单 网络管理协议s n m p v 2 ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) r f c1 9 0 5 对这些 变量进行检查和配置【1 2 1 。 根据以上标准，设计移动i p 时有以下几个要求f 1 3 】： ( 1 ) 移动主机在改变数据链路层的接入点后应仍能与因特网上的其他主机通 信。 ( 2 ) 无论移动主机连接哪个数据链路层接入点，它应仍能用原来的i p 地址 进行通信。 ( 3 ) 移动主机应能与不具备移动i p 功能的计算机通信。 ( 4 ) 移动主机不应比因特网上的其他主机面临新的或更多的安全威胁移动 i p 的设计目标之一是为使移动i p 能在多种无线链路上工作，使这些更新信息的数 量和频率尽量减少。 另个设计目标是尽量简化移动主机软件，这可以增加使用移动i p 的主机 数目，特别是那些内存和处理能力受到限制的寻呼机、智能蜂窝电话、个人记事 本以及笔记本电脑 最后，由于因特网已经认识到了i p v 4 地址的短缺问题，因此，移动i p 的另一 个目标是，尽量避免要求移动主机使用多个地址，或要求为移动主机准备一个大 的地址空间。 2 2 移动ip 协议体系与切换机制 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 ，1 移动l p 协议及其切换相关概念 如上一章所说，移动i p 定义了三种必须实现移动协议的功能实体： ( 1 ) 移动主机，可以将接入因特网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，并且对其它通信主机来说，该移动主机地址不 变。 ( 2 ) 家乡代理( h o m e 衄e n t ) ，有一个端口与移动主机家乡链路相连的路由 器。当移动主机切换链路时，移动主机通知家乡代理它自身的当前位置，这个信 息由移动主机保存在它的转交地址( c a r eo fa d d r e s s ) 中。 ( 3 ) 外地代理( f o r e i g na g e n t ) ，它是在移动主机的外地链路上的路由器 另外，与移动i p 相关的概念还有： ( 1 ) 隧道，当一个数据包被封装在另一个数掘包的净荷中进行传送时，所经 过的路径称为隧道f 1 4 】。 ( 2 ) 家乡地址、家乡链路和家乡代理，移动主机的家乡地址是指“永久” 地分配给该主机的地址，当移动主机切换链路时，家乡地址并不改变移动主机家 乡地址的网络前缀决定了它的家乡链路家乡代理是至少有一个端口与家乡链路 相连的路由器移动主机将家乡地址写入d n s 中它的”i p 地址”域，其他主机在查 找移动主机的主机名时就会发现它的家乡地址。 ( 3 ) 转交地址、外地链路和外地代理，转交地址是指移动主机连接在外地链 路上时的相关i p 地址。转交地址有以下特点1 1 5 】： $ 转交地址与移动主机当前所在的外地链路相关。 十每次移动主机改换外地链路时，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因特网路由机制传送。 女转交地址是连接家乡代理和移动主机的隧道的出口。 木当移动主机与其他主机通信时，转交地址不会被作为源i p 地址或目的i p 地自e 。 2 2 2 移动i p 切换的移动检测机制 移动主机利用代理搜索( a g e n td i s c o v e r y ) 过程完成以下功能 判定它当前连在家乡链路上还是外地链路上。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 检测它是否切换了链路。 当连在外地链路上时，得到一个转交地址。 代理搜索包括的消息1 1 6 l ：代理搜索由两条简单的消息构成。第一条消息是代 理广播消息( a g e n ta d v e r t i s e m e n t ) ，代理( 家乡的、外地的) 利用这个消息向移 动主机宣布它们的功能。连到链路上的移动主机可以判定该链路上是否有代理存 在。第二条消息是代理请求消息( a g e n ts 0 1 i c i t a t i o n ) ，这个消息让链路上的所 有代理立即发送一个代理广播消息。由于密钥管理上的困难，移动i p 不要求对这 两种消息进行确认。 同样，代理广播消息也是移动i p r f c2 0 0 2 通过对r f c1 2 5 6 中定义的i c m p 路由器广播消息进行扩展得到的，这条消息必须包含移动代理广播扩展 ( m o b i l i t y a g e n ta d v e r t i s e m e n te x t e n s i o n ) ，前缀长度扩展则是可选的。 移动主机可以通过以下方法来确定自己从一条链路移到了另一条链路上。假 设在移动主机所连接的链路上至少有一个代理。 ( 1 ) 以生存时间域作移动检测，第一种方法利用代理广播消息中i c m p 路由 器广播部分的生存时间域，这个时间域告诉移动主机，每过多长时间它就可以从 同一个代理那里收到一个广播。由于广播消息有可能丢失，特别是在较容易出错 的无线链路上，因此，家乡代理和外地代理常更频繁地发送广播，根据 r f c2 0 0 2 中建议，大约比生存时间域中标示的要快二倍。 ( 2 ) 用网络前缀作移动检侧，移动检测的第二种方法利用了网络前缀假设 移动主机向某条链路上的一条外地代理注册了，并且记录了发现那个外地代理所 用的代理广播消息。假设移动主机又收到了来自另一个外地代理的代理广播消息， 移动主机通过比较两个广播消息的网络前缀就可以判定它们是否来自同一条链 路。如果两个网络前缀相同，则m n 处于归属子网；如果两个网络前缀不同，则说 明m n 离开其归属链路。 ( 3 ) 无需广播消息的移动检测，移动主机通过两种方法：t c p 进程监测和检 查链路上的所有包，进行移动检测。如果t c p 进程出现异常或检查到链路上的所 有数据包均被丢失，则说明已经移动到外地链路，需要进行移动切换。这两种检 测方法都需要网络层以外的帮助。 2 2 3 移动l p 切换注册过程 当移动主机发现它的网络接入点从一条链路切换到另一条链路上时，它就要 进行注册。另外，由于注册时间的有效期有一定限制，即注册生存时间不是无限 长，所以即使在没有移动位置时，移动主机也有必要在现有注册期进行注册。 我们可以把注册过程简化为如图2 1 的几个步骤， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 1 移动i p 注册过程示意图 在图2 1 中， m n ：移动主机； f a ：外地代理； h a ：家乡代理； c n ：i n t e r n e t 网络中其它主机； 标号l ，2 ，3 ，4 表示移动主机m n 进行注册的四个过程。 如该图所示，移动i p 注册过程有以下几个过程： 过程1 ：移动主机收到新的外地代理的广播信号。移动主机在外地链路上时， 由于外地代理服务器定期发送的代理广播信息中包含有该链路上的代理服务器路 由信息，所以移动主机在外地链路上接收到该代理广播信息后，就能得知该链路 上的代理路由信息，即转交地址。 过程2 ：移动主机发送注册请求信息。移动主机通过外地代理向家乡代理h a 发送注册请求消息，该消息中含有潲获得的新的转交地址等信息。 过程3 ：家代理确认移动主机的注册。当家乡代理h a 收到一个含有与绑定缓 存中不同的转交地址的注册请求消息时，就更新绑定缓存，并发出注册应答消息 发送到外地代理f a 。 过程4 ：外地代理f a 确认注册信息。外地代理m 收到从h a 发来的注册应答 消息后，对该注册消息进行有效性检查，如果检查该注册消息是有效的，就更新 它对来访主机的列表，并将该外地代理自身的相应信息以及h a 发来的注册一并转 ”萝 疆南交通大攀硕士研究生学位论文第l l 页 发给移动主机m n 。 这样，就完成了移动主枫溅的注艇过程。 移动主机洲注册还可以包括如下另外一贱功能： ( 1 ) 可以同时浪册多个转交地址，家乡代联将送往移动主机家乡地址的数据包 邋过隧道送往姆个转交地址。 ( 2 ) 可鞋在注锩一个转交蟪蟪骟霹嚣爨黧獒蝗转交逸缝。 ( 3 ) 在先前不翔遴它豹家乡代理静情况下，移动主瓿可激通过注掰动态地得羁 一个可能的家乡代理的地址。 移动i p 的注越进程在代璞搜索之后。当移动主辊发现它连在本地主枧上时， 它裁国家乡代理注镪，著嚣始像潮定主瓿或潞鑫器那样透露逶信，帮不褥穗爱朔 的移动i p 功能。注册过程：移动主机、外地代理和家乡代理在接收或产生注册消 息时所做的处理过程。 2 3 移动l p v 鑫协议及冀切换车氕制 2 3 1 移动i p v 6 相关概念 1 9 9 6 年，i e 丁f 的移动i p 工作组( i pr o u t i n gf o rw i r e l e s s 棚o b i l eh o s t 0 制订移动i p v 4 的拽术标准。但怒，到目前为庶，移动i p v 6 的标准仍在制订的过 程中，并经历了多次版本更耨。最新的草案( d r a f t ) 为第2 4 版本的m o b 订i t y s u p p 。r ti n 王p ￥6 1 7 l 。 移动i p v 6 协议中以下一些功能实体和概念，它们和移动i p v 4 协议中的意义 大同小异。 家乡地址：在移动主机的家乡链路上分配绘移动主机的i p 地址。 家乡予霹蘸缀：对应予移动熏提家乡建缝豹l p 子网蘸缀。 家乡链路：定义移动主瓿家乡予网前缀的链路。标准 p 路由魂割将发往移动 主机的家乡地址的数据包发送到移动主机的家乡链路。 移动主机：移动主机能够从一个链路移动到另外一个链路，在移