（计算机应用技术专业论文）移动ip切换性能研究.pdf

移动i p 切换性能研究 摘要 传统i n t e r n e t 由于时空上的限制，不能满足越来越多移动用户的需求，因 此一种新的技术移动i p 技术，应运而生。让移动用户能够在自己所处的位 置不断变化的情况下，保持已有的通信连接。 移动i p 切换是移动i p 技术的一个关键问题，切换性能的优劣直接关系到 通信质量的好坏，对移动i p 切换研究是移动i p 技术研究的一个热点，能否提 供一种高效的低丢包率、低切换延迟的切换算法是亟待解决的问题。 针对移动i p 切换性能问题，本文重点提出一种移动i p 切换参数检测模型， 对模型进行仿真，通过仿真分析移动i p 切换性能。从优化链路层切换角度考虑 减小移动i p 切换延迟，提出一种移动i p 在无线局域网下的改进切换方案。 全文主要内容如下： ( 1 ) 对移动i p 基本原理进行研究，深入学习和总结现有各种移动i p 切换 技术，对影响移动i p 切换性能的各种因素进行深入分析。 ( 2 ) 提出一种移动i p 切换参数检测模型，通过模型分析切换延迟、数据包 丢失和分组乱序情况。通过仿真追踪t c p 数据包，分析移动i p 切换过程和移 动性对移动i p 切换性能的影响。 ( 3 ) 当移动节点在两个不同子网之间发生移动i p 的切换时，将先后进行链 路层切换和网络层切换。从网络层切换角度考虑，或多或少要改变现有移动i p 规范。因此，我们从链路层切换角度考虑，提出一种移动i p 在无线局域网下的 一种改进切换方案。该方案较好的减小移动i p 切换延迟，提高移动i p 切换性 能。 关键词：i n t e r n e t ；移动i p ；切换；n s 2 ； r e s e a r c ho nm o b i l ei ph a n d o f f p e r f o r m a n c e a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a li n t e r n e tb e c a u s eo ft h er e s t r i c t i o n so ns p a c ea n dt i m e ，i tc a n t s a t i s f y w i t hm o r ea n dm o r em o b i l eu s e r s r e q u i r e m e n t s ，s o an e w t e c h n o l o g y _ 一m o b i l e i pt e c h n o l o g ye m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r e f o rm o b i l e u s e r sm a i n t a i nt h e e x i s t i n g c o m m u n i c a t i o nl i n k si nt h e e v e r c h a n g i n g c i r c u m s t a n c e s t h em o b i l ei ph a n d o f fi sak e yi s s u eo fm o b i l ei pt e c h n o l o g y , t h ep r o sa n dc o n s o fh a n d o f fp e r f o r m a n c ed i r e c t l yr e l a t e dt oc o m m u n i c a t i o nq u a l i t yi sg o o do rb a d ， m o b i l ei ph a n d o f ft e c h n o l o g yr e s e a r c hi sah o tr e s e a r c h ，t h ea b i l i t yt op r o v i d ea n e f f i c i e n ta n dl o wp a c k e tl o s sr a t e ，l o wh a n d o f fl a t e n c ya l g o r i t h mi st h eu r g e n tn e e d t or e s o l v et h ei s s u e a st om o b i l ei ph a n d o f fp e r f o r m a n c ei s s u e s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sam o b i l ei p h a n d o f fp a r a m e t e rd e t e c t i o nm o d e l ，s i m u l a t e st h em o d e l ，a n da n a l y z e sm o b i l ei p h a n d o f fp e r f o r m a n c et h r o u g hs i m u l a t i o n f r o mt h ep o i n to fo p t i m i z i n gl i n kl a y e r h a n d o f ft od e c r e a s em o b i l ei ph a n d o f fl a t e n c y ，w ep r e s e n tai m p r o v i n gs c h e m eo f m o b i l ei pi nw i r e l e s sl a n t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) s t u d yt h eb a s i cm e c h a n i s mo fm o b i l ei p , d e e ps t u d ya n ds u m m a r i z et h e p r e s e n tm o b i l ei ph a n d o f ft e c h n o l o g y ，a n a l y z et h ev a r i o u sf a c t o r so fi m p a c t i n g m o b i l ei ph a n d o f fp e r f o r m a n c e ( 2 ) p r e s e n tam o b i l eh a n d o f fp a r a m e t e rd e t e c t i o nm o d e l ，a n a l y z et h ec a s e o f h a n d o f fl a t e n c y 、p a c k e tl o s sa n dp a c k e td i s o r d e r t r a c kt c pp a c k e tt oa n a l y z e m o b i l ei ph a n d o f fp r o c e s sa n dm o b i l ei ph a n d o f fp e r f o r m a n c eu n d e rm o v i n g ( 3 ) w h e nt h em o b i l en o d e so c c u rh a n d o f f f r o mo n es u b n e t t oa n o t h e r s u b n e t ，w i l lb et ol i n kl a y e rh a n d o f fa n dn e t w o r kl a y e rh a n d o f f f r o mt h en e t w o r k l a y e rh a n d o f fp o i n to fv i e w ，m o r eo rl e s st oc h a n g et h ep r e s e n tm o b i l ei ps t a n d a r d t h e r e f o r e ，w ep r e s e n tai m p r o v i n gs c h e m eo fm o b i l ei pi nw i r e l e s sl a nf r o mt h e p o i n to fo p t i m i z i n gl i n kl a y e rh a n d o f f t h es c h e m er e d u c e sm o b i l ei ph a n d o f f 1 a t e n c yb e t t e r a d v a n c e sm o b i l ei ph a n d o f fp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：i n t e r n e t ；m o b i l ei p ；h a n d o f f ；n s 2 h 插图清单 图2 1 移动口v 4 的基本原理5 图2 2 外地代理转交地址注册8 图2 3m n 转交地址注册8 图2 4 返回家乡地址时注销8 图2 - - 5 两种隧道封装技术9 图2 6 移动p v 4 和i p v 6 的比较1 4 图3 1i n t e m e t 模型的四个层次15 图3 2 预先注册切换操作过程1 8 图3 3 过后注册两方切换过程1 9 图3 4 过后三方切换过程2 1 图4 1 代理广告发送示意图2 5 图4 2 移动口切换的各个阶段2 5 图4 3 重叠情况下移动口切换2 6 图4 4 数据包丢失和乱序分组情况2 7 图4 5 两节点靠近运动3 3 图4 6 两节点通信3 4 图4 - - 7 丢包情况3 4 图4 8 仿真拓扑图3 5 图4 9 移动p 中c h 与m h 的通信过程3 8 图4 1 0m h 吞吐量3 8 图4 1 16 m s 时t c p 报文丢失情况3 9 图4 1 28 m s 时t c p 报文的丢失情况4 0 图4 1 32 0 m s 时t c p 报文的丢失情况4 0 图4 1 4 “微移动”协议仿真拓扑图4 l 图4 1 5 改进前后吞吐量的比较4 2 图4 一1 6 移动主机主动搜索过程4 3 图4 17 预先转发数据4 4 图4 一1 8 链路层切换优化方案过程4 5 v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目垦些盔堂 或其他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谢意。 学位论文作者签字：弘垒 签字日期：力? 年矿月乡寸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金照兰些盔 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：；易童 签字日期：2 d 哆年簪月扣日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名襞( 习- 签字目期：a 跏8 年乒月扣日 电话： 邮编： 致谢 光阴荏苒，岁月如梭，三年的硕士研究生生活即将结束。回首往事，一切 仿佛就在昨天。还清晰记得入学那天的情景，而如今我们又一次站在毕业的十 字路口。三年前，我徘徊不知所往；三年后，我满怀信心地去迎接新的明天。 在此向所有帮助我的人表示衷心感谢： 衷心感谢我的恩师吴国风副教授，感谢她对本硕士论文的悉心指导，感谢 她对我的淳淳教诲，感谢她给予我生活上、学习上无微不至的关怀。恩师对我 的指导和影响之大，怎样言说都表达不尽，自己取得的点滴成绩无不凝聚着恩 师的心血。恩师诲人不倦的良师风范，严谨勤奋的治学风格，都让我永生不忘， 深刻影响着我日后的工作和生活。 衷心感谢研究生院的各位老师，计算机学院的王浩、曹航和徐静等老师在 日常事务中提供的帮助。 衷心感谢我同门师兄牛磊、吴善新和吴乃鑫同学，我们在一起学习、交流 和生活。在写论文的过程中，他们给了我很多帮助和建议。 衷心感谢我年迈的父母，他们省吃俭用，用自己辛苦劳动换来的微薄收入， 支持我完成自己的研究生学业。衷心感谢哥哥，在我人生最困难的时候给予我 的鼓励和支持，他是我一生学习的榜样。 衷心感谢我的同学李响、李守毅、杨倩和张齐等，我们在一起度过一段美 好幸福的时光，这将是永生难忘的美好回忆。 最后，衷心感谢评阅、评审、出席论文答辩会的各位专家在百忙中给予悉 心的指导! i i l 作者：张东 2 0 0 8 年4 月4 日 第一章绪论 1 1 引言 当今世界，i n t e r n e t 规模正以惊人的速度不断扩大，在短短的几十年时间里， 迅速成为现代信息社会的一个重要信息载体，对当代社会产生着越来越重要的 推动作用。 随着人们对网络依赖性的增加，越来越多的用户都希望能够以一种更加灵 活的方式随时随地访问企业网络资源和i n t e r n e t 资源，而不受到时空的限制。 采用传统i p 技术的主机在移动到另外一个子网时候，由于不同的子网有不同的 i p 地址，用户不能使用原有i p 地址进行通信，必须修改主机i p 地址为所在子 网的i p 地址；而且由于各种网络设置，用户一般不能继续访问原有网络的资源， 其他用户也无法通过该用户原有的i p 地址访问该用户。i e t f 1 定义的移动i p 就是一种能够满足要求的网络技术，它是传统i p 技术的扩展。移动i p 技术的 推出，使用户在跨网络随意移动和漫游中，使用基于t c p i p 协议的网络时，不 用修改计算机原来的i p 地址，同时继续享有原网络中的一切资源。 然而，由于移动节点的移动性，移动节点需要频繁切换，从而造成了切换 延迟甚至网络中断，这对实时业务是不能容忍的。因而，如何降低移动i p 的切 换延迟和丢包率，提高移动i p 的切换性能，是我们急需研究和解决的问题。 1 2 移动i p 切换概述 1 2 1 移动i p 研究背景 在过去的几十年尤其是近几年，以i n t e r n e t 为代表的信息网络给人们的生 活带来了巨大的变化，视频点播、电子商务、虚拟专用网和多媒体业务等成了 当今的热门话题。通过i n t e r n e t ，人们能够及时的了解世界各地的新闻，便捷的 获得许多如股市行情、旅游信息、电子地图和商品介绍等各方面的实时信息， 参与网上互动的游戏娱乐活动，进行网上远程教育和购物等。目前i n t e r n e t 的 接入主要是固定接入方式，而人们的生活节奏在日益加快，经常处于频繁运动 之中，而不是整天呆在固定的办公室内。因此任何时间、任何地点都能方便快 捷的获得i n t e r n e t 服务的需求变得越来越迫切。另一方面，如何能够方便快捷 的使用诸如手机、掌上电脑和笔记本电脑等各种终端设备上网获取信息和通信， 也成为用户在日常生活和商务环境中的基本需求。 如何满足人们随时随地访问i n t e r n e t ，是当前i n t e r n e t 技术研究的一个重点 和热点，也是下一代网络( n g n ，n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 真正个人通信技术的 目标。在i n t e r n e t 上，每个主机分配有唯一的i p 地址或动态i p 地址。由于i n t e r n e t 是基于网络前缀的路由，i p 数据分组首先路由到i p 地址网络前缀对应的网段， 然后转发到目的主机，因此i p 地址不仅标识一台主机，也表示这台主机的物理 网络位置【2 】。当移动主机在不同的网络间移动时，它的i p 地址已经不能表示其 物理网络地址。发送给移动主机的i p 分组就不能被正确转发给目的节点，移动 主机因而不能正常的接入i n t e r n e t 获得网络服务。为了实现移动主机接入 i n t e r n e t ，i n t e r n e t 工程任务组( 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 ) 下属的移动i p 工 作组( i pr o u t i n gf o rw i r e l e s s m o b i l eh o s t ) 在1 9 9 2 年制定，并在1 9 9 6 年6 月通 过了移动i p 的最初标准草案。在l9 9 6 年1 1 月公布了建议标准，为移动i p 成 为i n t e r n e t 正式标准打下了基础。 移动i p 是一个在i n t e m e t 上基于网络层提供移动支持的解决方案。它将人 们从计算机机房、电话插座的限制中解放出来，不管是在家还是在办公室，还 是在火车或飞机上，不用重新启动计算机，也不用做任何的重新配置，甚至不 用中断当前的网络浏览，就能随处享受移动通信的便利与乐趣。 在当前基于网络前缀路由前提下，移动i p 能够使移动主机在不同网络间不 断移动过程中仍能保持通信。它主要解决了两个方面的问题：其一，如何保证 移动主机可以使用一个永久的i p 地址连接到任何链路上；其二，当移动主机在 切换到新的链路上时，如何能够保持正在进行的通信。与改变i p 地址、特定主 机路由和链路层方案不同，移动i p 具有扩展性、可靠性和安全性。它与下层的 物理传输介质无关，不需要改变移动主机的永久标识，与现有的i n t e r n e t 协议 兼容，同时能够与不具备移动i p 功能的主机进行正常通信。 移动i p 作为网络层支持主机移动的解决方案，目的是把数据分组发送到可 能不断改变接入位置的移动主机，通过在合适的结点上建立路由表项，实现转 发数据分组到外地链路上的移动主机。采用移动i p 功能的移动主机可以从一个 网段移动到另一个网段，甚至从一种介质的网络移动到另一种介质的网络而保 持已有的连接通信，这种在不同网络、介质问移动并同时保持已有通信的功能 是移动i p 的重要标志。作为网络层的一个协议，移动i p 协议与下层数据链路 层协议无关，也与物理传输介质无关。因此，可以说移动i p 是支持主机移动的 i p 分组转发的网络层标准。 1 2 2 移动i p 切换研究现状 移动i p 技术自从二十世纪九十年代初期提出以来，经过短短不到二十年时 间的发展，在i n t e r n e t 应用获得迅猛扩张的背景下，己经取得了长足的进步。 国内外形成了不少研究开发的组织和团体，遵照与i e t f 的移动i p 协议 r f c 2 0 0 2 兼容的基本原则，各方开发出了各自的实现系统原型，并就研究的侧重点 的相关技术进行了有益的探索和实践。目前，有关移动i p 的研究正渐入佳境， 特别它与第三代移动通信的有机结合的问题，成为了各方关注的热点。 第一个移动主机协议c o l u m b i am h p 由哥伦比亚大学的j o h ni o a n n i d i s 设 计。它的主要思想是使用虚拟移动子网和i pi ni p 打包。几乎与此同时，s o n y 公司的f u m i ot e r a o k a 设计了另一种移动主机协议，s o n ym h p ( v i p ) p 】。v i p 协 2 议使用了特殊的路由器来记忆移动主机的位置，并定义了新的i p 头选项来传递 数据。不久后i b m 的c p e r k i n s 和y r e c k t e r 也设计了一种移动主机协议i b m m h p ，这种协议利用了现有i p 协议中的松散源选径( l o o s es o u r c er o u t i n g ) 来支 持主机的移动。1 9 9 4 年a m y l e s 和c p e r k i n s 分析了前三种移动主机协议的优 缺点，重新设计了一种协议：m i p ，并将它提交给互联网学会下属的工程技术 委员会( i e t f ) 。m i p 后来发展成为m o b i l ei p 协议。1 9 9 6 年在移动i p 的发展史 上是值得纪念的一年。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 在10 月的相继公布，奠定了移动i p 发展的基础。 r f c 文档一经发表，立刻引发了研究移动i p 技术的高潮。针对r f c 文档 中的一些问题和有待扩展的方面，研究人员提出了很多的思想进行增强和改进。 其中主要集中在如下几个方面： ( 1 ) 移动i p 在下一代即i p v 6 中的应用。 ( 2 ) 支持“微移动 的移动i p 技术。 ( 3 ) 无线网络中的t c p 协议改进。 ( 4 ) 全i p 网络的研究。 ( 5 ) 切换性能研究。 对于下一代因特网互联协议i p v 6 ，d b j o h n s o n 借鉴了m o b i l ei p v 4 的基本 原理，提出了m o b i l ei p v 6 草案【4 】，主要作了下面几个方面的改进： ( 1 ) 由于i p v 6 的地址空间不是问题，这么巨大的地址空间使得地址的自动 配置变得非常简单，移动节点可以很简单快速地得到一个配置转交地址。m o b i l e i p v 6 不再需要外地代理了，同样也不需要外地代理转交地址了，也就是说 m o b i l ei p v 6 中唯一的一种转交地址是配置转交地址。 ( 2 ) m o b i l ei p v 6 采用了新的、改进了的i p v 6 选路报头以及认证报头和一些 i p v 6 功能，从而简化了到移动节点的路由选择，使得路由优化可以安全地进行。 一旦因特网中广泛采用了一种密钥管理体系，m o b i l ei p v 6 就可以过渡到路由优 化。 目前已提出了一些应用于“微移动 的快速切换的移动i p 的移动管理方案 ，其主要思想是将h a 的功能分布化，实施本地注册。主要包括爱立信和诺基 亚公司联合提出的h m i p ( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ) ，哥伦比亚大学和爱立信提出 的蜂窝i p ，以及朗讯提出h a w a i i 等，都是把无线接入网划分为一个个的无线 域，在无线域内实施注册本地化，可以节省注册带来的开销，提高切换性能。 移动i p 是基于l 3 ( 网络层) 的一种宏移动管理方案，它能够与任何l 2 ( 链路 层) 技术结合提供移动支持。当移动主机从一个子网移动到另一个子网就产生了 切换。移动主机在切换时，由于协议处理和信号强度减弱等原因，可能导致移 动主机在一定时间内不能发送和接收数据分组，通信对端与移动主机之间的通 信暂时会产生中断。移动i p 标准给出了移动检测、转交地址获取和重新建立绑 3 定的基本过程，在此基础之上，人们出于不同目的又提出了各种切换技术【5 】， 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使移动主机在切换过程中通信中断的时间达到最小；平 滑切换( 也称为低丢失切换) 的主要目的是使丢失或者延迟的分组数量达到最 小；无缝切换是综合前面二者目标，既达到低延迟切换，又达到低丢失切换。 1 3 本文内容安排 第一章绪论 首先介绍移动i p 研究的重要意义，然后介绍移动i p 研究的相关背景以及 移动i p 切换研究的现状，最后描述本文内容安排。 第二章移动i p 协议研究 重点介绍了移动i p v 4 协议和移动i p v 6 协议，并且比较两种协议的不同之 处。 第三章移动i p 切换技术及分析 详细分析了移动i p 切换对网络层性能的影响，介绍现有的各种移动i p 切 换技术，并分析各种切换性能。 第四章移动i p 切换参数检测模型及改进方案 提出重叠情况下移动i p 切换参数检测模型，通过模型分析影响移动i p 切 换性能的切换延迟、分组丢失和乱序分组，并通过仿真追踪t c p 数据包分析移 动i p 切换过程和移动性对移动i p 切换性能的影响。最后我们从优化链路层切 换角度考虑减小移动i p 切换延迟，提出一种移动i p 在无线局域网下的一种改 进切换方案。 第五章总结与展望 对本文的工作进行总结，并指出需要进一步研究的问题，同时对移动i p 技 术的前景进行展望。 4 第二章移动i p 协议研究 本章主要介绍移动i p v 4 协议和移动i p v 6 协议的基础知识，这些知识是后 面章节内容的重要基础。 2 1 移动i p v 4 协议 i e t f 在19 9 6 年6 月通过了移动i p v 4 标准草案，在l9 9 6 年1 1 月公布了建 议标准( p r o p o s e ds t a n d a r d ) ，主要是： ( 1 ) r f c2 0 0 2 定义了移动i p v 4 协议。 ( 2 ) r f c2 0 0 3 、2 0 0 4 、1 7 0 1 定义了移动i p v 4 中用到的三种隧道技术。 ( 3 ) r f c2 0 0 5 定义了移动i p v 4 的应用。 ( 4 ) r f c2 0 0 6 定义了移动i p v 4 的管理信息库m i b 。移动i p 的m i b 是实现 移动i p 的节点的变量集合，管理平台可以通过网络管理协议s n m p v 2 对这些 变量进行检查和配置。 ( 5 ) r f c2 3 4 4 定义了移动i p v 4 的反向隧道技术。 ( 6 ) r f c2 7 9 4 定义了移动i p v 4 的接入识别扩展。 此外，还提出了许多性能优化草案。 2 1 1 移动i p v 4 基本原理 根据现有的i p 网络的路由机制，同一个i p 子网的节点具有相同的网络前 缀。当某主机从一个子网移动到另一个子网时，它原来的i p 地址的网络前缀与 当前接入子网的网络前缀不同，因此发往该主机的分组就不能到达目的主机。 移动i p v 4 的工作原理如图2 1 所示。 图2 1 移动i p v 4 的基本原理 移动i p 为主机在移动的同时能够连续访问i n t e r n e t 提供了网络层支持。一 个移动节点( m n ) 在它的家乡网络上有一个长期的i p 地址，称为移动节点的家 乡地址。当m n 移动到外地网络时，它可以通过外地网络上的路由器代理广播 获取一个临时的转交地址，这个转交地址反映了m n 当前接入的网络。然后 m n 向家乡代理注册，告知当前的转交地址，家乡代理将m n 的家乡地址和转 交地址放入绑定高速缓冲区。当通信对端( c n ) 向m n 发送分组时，发往m n 的 分组按i p 网络的路由机制首先到达家乡网络，被家乡代理拦截后用隧道技术转 发给m n 的转交地址。在移动i p v 4 中，由于地址缺乏，常采用外地代理的i p 地址作为m n 的转交地址，外地代理解隧道封装后再将分组转发给m n 。m n 发给c n 的分组通过标准的i p 路由机制直接转发，形成了c n 与m n 通信中的 “三角路由。 2 1 2 移动i p v 4 基本概念 1 功能实体 移动i p v 4 定义了三种必须实现移动协议的功能实体1 6 】： ( 1 ) 移动节点( m o b i l en o d e ) ：是当网络接入点发生变化时，仍能用原i p 地 址保持所有正在进行的通信的节点。 ( 2 ) 家乡代理( h o m ea g e n t ) ：是有一个端口与移动节点家乡链路相连的路由 器。当移动结点离开家乡链路时，它负责把发往移动节点的分组通过隧道转发 给移动节点，并维护移动节点当前的位置信息。 ( 3 ) 外地代理( f o r e i g na g e n t ) ：是移动节点在外地链路上的路由器。一方面 提供移动节点的转交地址( c o a ) ；另一方面负责恢复封装在隧道里的原始数据 包，并将其转发给移动节点。 家乡代理和外地代理一般是运行在传统路由器或主机( p c 或工作站) 上的 软件，移动节点则可能是具有可便携性的计算机，如笔记本电脑等。通常一个 节点可以是一些移动节点的外地代理，同时又是另一些移动节点的家乡代理。 2 移动节点的两个地址 家乡地址( h o m ea d d r e s s ) ：是通信对端知道的移动节点的i p 地址。当移动 节点在因特网上移动时，它的家乡地址是不变的。移动节点家乡地址的网络前 缀与它在的家乡链路上的节点的网络前缀是一样的。移动节点的家乡地址、家 乡链路和家乡代理是密切相关的。 转交地址( c a r e o f a d d r e s s ) ：即隧道终点地址移动节点将这个地址暂时 作为从移动节点的家乡代理发出数据包的隧道的出口。当移动节点在因特网上 移动时，转交地址是会改变的。转交地址有两类：它可能是外地代理的转交地 址，也可能是m n 转交地址。外地代理转交地址是外地代理的一个地址，移动 节点利用它进行注册。在这种地址模式中，外地代理就是隧道的终点，它接收 隧道数据包，解除数据包的隧道封装，然后将原始数据包发到移动节点。由于 这种地址模式可使很多移动节点共享同一个转交地址，而且不对有限的i p v 4 地址空间提出不必要的要求，所以这种地址模式被优先使用。m n 转交地址是 一个临时分配给移动节点的地址。它由外地获得( 如通过d h c p ) ，移动节点将 6 其与自身的一个网络接口相关联。当使用这种地址模式时，移动节点自身就是 隧道的终点，执行解除隧道功能，取出原始数据包。一个m n 转交地址仅能被 一个移动节点使用。转交地址是仅供数据包选路使用的动态地址，也是移动节 点与外地网络连接时使用的临时地址。每当移动节点接入到一个新的网络，转 交地址就发生变化。移动节点的转交地址、外地链路和外地代理是密切相关的。 3 移动节点的三个主要功能 ( 1 ) 代理发现( d i s c o v e r y ) 移动i p 定义了两种代理发现方法： 被动发现，即所有移动节点侦听移动代理发布的代理广播消息。通常移 动节点采取被动模式完成代理发现，因此所有代理都要具备代理广播功能。 主动发现，即在无法听到代理广播消息且无法获得转交地址时，移动节 点主动发送代理请求消息( a g e n ts o l i c i t a t i o n ) ，因此所有移动节点都应具备代理 请求功能。 移动i p 采用扩展的“i c m pr o u t e rd i s c o v e r y 机制作为代理发现的主要机 制。代理广播消息由i p 报头、i c m p 路由广播、移动代理广播扩展和前缀长度 扩展( 可选项) 组成。 对移动节点来说，代理发现主要完成三个任务： 判断自己是否在家乡网络还是外地网络上。移动节点根据i p 报头中的 源地址前缀，判断自己所连接的子网。若此前缀与移动节点家乡地址的前缀相 同，则在家乡网络中，否则在外地网络中。 检测自己是否已移动到一个新的区域网络中。可采用两种机制：一种是 使用代理广播消息中的存在时间域( l i f e t i m ef i e l d ) 。若移动节点已在某一外地 代理注册，且在规定时间内未收到此外地代理发送的广播消息，则可判断自己 已漫游到一个新的区域网络中，这种机制可在任何情况下使用；另一种是使用 网络前缀，要求广播消息中必须包括前缀长度扩展信息，移动节点对比前后两 次收到的代理广播中网络前缀，若相同，则认为自己仍在同一子网中，否则说 明已移入新的子网。 当连接到外地网时，设法获得一个转交地址，移动节点只需要直接阅读 代理广播消息，就可获得外地网的一个转交地址。 ( 2 ) 注册( r e g i s t r a t i o n ) 为了实现互联通信，移动节点必须将其当前的位置信息向家乡代理注册， 以便被h a 或c n 找到。移动i p 注册过程如下： 移动节点可以通过注册得到外地代理的路由服务。 通知家乡代理其当前的转交地址。 移动到新的i p 子网或是前一次注册将要过期时，重新向家乡代理进行 7 注册。 回到家乡网络时，向家乡代理注销。 注册包括注册请求和注册应答两种信息在移动节点和家乡代理之间交换。 移动节点首先向家乡代理发出注册请求，表示次注册已开始；家乡代理处理 完成注册请求后，向移动节点发送注册应答；移动节点收到注册应答后，此次 注册结束。移动i p 技术使用用户数据报协议( u d p ) 传送注册请求和注册应答。 在移动技术中，通常有三种注册规程【_ 7 】： 移动节点在外地网络上，通过外地代理转交地址进行注册，见图2 2 。 家 乡 网 络 家 外 1 罗f 移 乡 _ 多 地地动 代代 网节 理理 络。 点 注册应答 图2 2 外地代理转交地址注册 移动节点在外地网络上，通过m n 转交地址，直接向家乡代理进行注册，见 图2 3 。 家 乡 网 络 家移 乡 一妻。 动 代 节 理 r 点 注册应答 图2 3m n 转交地址注册 移动节点返回家乡网络时，进行注销，见图2 4 。 家 乡 网 络 家 一董。 移 乡动 代1 了 理 占 注销应答 图2 4 返回家乡地址时注销 ( 3 ) 隧道技术( t u n n e l i n g ) 移动i p 技术使用隧道技术向连接在外地网络上的移动节点转发数据包。其 他用户和某个移动节点通信时，只需向该节点的家乡地址发送数据包，根据一 般路由算法，将此数据包发往家乡地址所属家乡网络。家乡网络的家乡代理截 获此原始数据包，对其进行隧道封装，然后转发至移动节点的转交地址。在隧 道终点( 外地代理或移动节点本身) 处，解除数据包隧道封装，原始数据包最后 到达移动节点。与之相反，移动节点发往外地的数据包使用移动节点的家乡地 址作为源地址，此数据包根据一般路由算法，直接发往目标地址，通常不必进 行隧道封装。 r f c 2 0 0 3 、r f c 2 0 0 4 和r f c l7 0 1 标准分别定义了疋i np 【8 1 、最小封装和通用路 由封装三种隧道封装技术，如图2 5 所示。 i p 内的口封装( r f c 2 0 0 3 ) 礤最小封装( r f c 2 0 0 4 ) 图2 5 两种隧道封装技术 pi n 口的封装技术在原始数据包前插入一个外层报头，除了按照r f c 规范设定 一系列参数外，源地址和目标地址分别被设定为隧道入口点和隧道终点。对内层报头 的t t l 而言，整个隧道看作一个虚拟链路，即只在入口和出口处各减1 。 对移动口来说，最小封装技术是一种可选技术。它修改原始数据包中的口报头， 在修改后的报头与净负荷之间，插入最小转发报头。与p 封装相比，最小封装可节 省一些字节数( 通常是8b y t e ) ，但数据包在封装之前不能分片。在隧道封装期间，最 小封装后的数据包每通过一个路由器，其t t l 值都会减少。 通用路由封装支持多协议封装，这里就不赘述。 通过这三个相关功能，可以使连接在外地网络的移动节点以一个“永久”的p 地址保持通信连接。 2 1 3 移动i p v 4 工作过程 ( 1 ) 家乡代理和外地代理在各自的网络上定期组播或广播代理广播( a g e n t a d v e r t i s e m e n t s ) 消息，声明自己所处位置。 ( 2 ) 移动节点接收或通过代理请求消息( a g e n ts o l i c i t a t i o n ) 来获得代理广播 消息，通过分析代理广播消息，确定自己是在家乡网络还是在外地网络。 ( 3 ) 如果移动节点仍在家乡网络中，则无需启动移动功能；若移动节点刚 从外地网络返回，则需向家乡代理发出注销请求。 ( 4 ) 当移动节点处在外地网络上，则从代理广播消息中获得转交地址。 ( 5 ) 移动节点向家乡代理注册自己的转交地址。 ( 6 ) 家乡代理及其他相关路由器截获发往已注册节点家乡地址的数据包， 家乡代理对数据包进行隧道封装，然后通过i p 隧道发往移动节点转交地址。 9 ( 7 ) 使用外地代理转交地址时，外地代理收到数据包后解除其隧道封装， 从中取出原始数据包，发给移动节点。若使用m n 转交地址，则由移动节点自 行解除隧道封装。 ( 8 ) 移动节点由一子网切换到另一子网时，只需要重新注册转交地址，发 往节点家乡地址的数据包仍可到达移动节点，数据传输不会中断。 ( 9 ) 移动节点送出的数据包按一般i p 寻址方式发送，不必通过家乡代理。 2 1 4 移动i p v 4 存在的问题 1 三角路由问题 移动i p 协议执行时常会遇到三角路由问题，即通信节点发送数据包到移动 节点时，需要通过其家乡代理，而移动节点根据标准i p 路由规则将数据包直接 发送到通信节点。三角路由问题会引起一些潜在的危害，例如增加引入流量的 延迟和容易引起家乡代理的路由瓶颈。 2 夕 地代理间的平滑切换问题 由于移动节点的移动频率可能很高，与移动节点通信的每个主机可能来不 及收到移动节点的地址更新消息，在主机离开一个子网而进入另一个子网期间， 在网络上有可能存在以移动节点为目的的分组。因此保证这些分组的可达是网 络实现网络间平滑漫游的主要问题。 3 其他问题 移动节点连至i n t e r n e t 的链路通常是无线链路，这种链路与传统的有线网 络相比，其带宽明显低得多，误码率高得多；某些防火墙也可能会阻断i p 隧道， 因此它们检验每个数据包的源地址，而移动节点的数据包家乡地址与外地网络 地址不一样，从而导致防火墙阻截i p 隧道数据包；另外移动节点一般是电池供 电，如何减少为支持移动性所必要的操作从而减小功耗是一个急需解决的问题。 2 1 5 移动i p v 4 协议的改进方案 如2 1 4 小节所述，现有的移动i p 技术方案存在三角路由问题，会增加数 据包传输的延迟，占用网络资源并且加重家乡代理的处理负担；同时现有的移 动i p 技术方案q o s 也没有保障，由于通过移动i p 开展实时业务的需求也日益 增加，所以q o s 没有保障的问题显得更加突出。 鉴于以上原因，世界各国的研究人员对现有的移动i p 技术提出了诸多改进 方案，这些改进方案中，以下方案最具代表性。 1 层次移动管理结构p j 在分层结构中，当移动主机在本区域内移动时，移动主机发出的位置更新 等控制消息由管理本区域的移动代理进行处理而不通知位于远端的家乡代理， l o 这样减小了控制消息传输的往返延迟，同时减小了通过核心网络的信令消息流 量。在分层移动管理结构中，移动主机向家乡代理注册的转交地址不再反映移 动主机当前的具体位置，而是代表了移动主机当前所处区域的网关外地移动代 理或归属外地移动代理的地址。网关外地移动代i 里( g f a ) 是一个区域中起核心 控制功能的外地代理，而归属外地移动代理( f a ) 是处于网关外地移动代理( g f a ) 的下级网络。 这种移动p 切换方案的优点是，当移动主机在同一g f a 管理的不同层次区域内 移动时，移动主机不必向家乡代理发送位置更新信息，只需通知g f a 即可。 2 蜂窝i p 方案1 0 】 蜂窝i p 使用一个特殊的移动性代理，同时作为通往因特网的网关和m o b i l e i p 的外地代理，用蜂窝i p 协议代替无线接入网内部的i p 协议，路由方式使用 移动主机在接入网络时建立和更新经历的路由器。这些路由器保证了移动终端 接入到网络和网关。蜂窝i p 方案中每个站点具有一个路由缓存( r o u t i n g m e m o r y ) ，用于将数据包从网关发往移动主机，或者从移动主机发往网关。路 由通过跳转传送特殊的控制数据包建立和维持，这些控制数据包将促使路径上 的站点更新其路由缓存。 3 h a w a i i 方案1 1 】 h a w a i i 的工作原理类似于蜂窝i p ，每个站点都具有路由缓存用于支持移 动性管理，特殊数据包的跳转传输促使站点更新路由缓存。h a w a i i 方案工作 于i p 层之上，而不是代替i p 。在h a w a i i 方案中，每个站点都按照传统i p 路 由器的方式工作，只是具有h a w a i i 的特有特性。在蜂窝i p 中，网络按照树 状结构组织，网关位于树状结构的根主机。在支持业务质量方面。h a w a i i 定 义了内部整合的资源预订协议r s v p 适应用户的移动性，这样，h a w a i i 就自 然减少了由于路径改变带来的资源预定。假设移动主机是一台接收机，切换的 时候，网络只为路径上变化了的部分作资源预定。 2 2 移动i p v 6 协议 2 2 1 移动i p v 6 相关概念 t 9 9 6 年，i e t 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 m o b i l eh o s t s ) $ 4 订 移动i p v 4 的技术标准。但是，到目前为止，移动i p v 6 的标准仍