毫米波通信技术课件

毫米波通信技术刘发林电子工程与信息科学系2014年11月第六章、无线宽带信息交换技术Part2

研究生选修课ESD5302中国科学技术大学毫米波通信技术刘发林第六章、无线宽带信息交换技术研究生选修课2移动IP产生背景因特网飞速发展，已不可或缺，是人们获取信息的主要手段。包括地面蜂窝移动通信技术、卫星移动通信技术和无线局域网技术在内的移动通信技术这些年也得到了巨大的发展，已经有效地解决了人们的“动中通”问题。移动用户希望随时随地接入因特网，从而产生了移动IP技术。因特网的应用目前还主要是固定接入，而移动通信主要解决的还是话音通信问题。如果能产生一种技术，它既能有效地解决移动通信的数据通信问题(如大量因特网用户接入)，又能完全解决因特网的无线(移动)接入问题，那将非常有用。这种技术已经出现，它就是移动IP技术。6.5移动IP技术2移动IP产生背景6.5移动IP技术36.5移动IP技术IP技术的基本概念研究IP技术，离不开具体的网络环境。Internet是一种最典型的IP网络，它也是IP技术的一种最成功的应用。基于Internet的新应用也不断涌现，如IP电话、IP传真、视频会议、电子商务等。这些客观事实引起了人们，特别是众多的电信专家和从业人员极大的兴趣。从目前的情况来看，IP技术也是综合业务的最好方案。因此，有人预言，一场融合了通信与计算机技术的信息革命正在悄然兴起，当今的Internet就是这场革命的先兆。36.5移动IP技术IP技术的基本概念46.5移动IP技术IP技术与InternetInternet具有以下特点：(1)

由众多的计算机网络互联组成；(2)

是一个世界性的网络；(3)

主要采用TCP/IP协议；(4)

采用分组交换技术；(5)

由众多的路由器连接而成；(6)

是一个信息资源网。IP的标准化机构自愿、竞争、存在就是合理的46.5移动IP技术IP技术与Internet56.5移动IP技术IP的协议体系结构所谓“协议”是关于通信过程的规则或条约。是指通信双方对数据传送控制的一种约定。约定数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题。通信双方必须共同遵守，它也叫做链路控制规程。它规定了如何传输信号，如何在信宿计算机上将数据包重新组成计算机信息等等。因特网工程任务组（IETF）56.5移动IP技术IP的协议体系结构66.5移动IP技术异种网互联异种网通信互联，目的是隐藏网络细节，向用户提供一致的通信服务。异种网一般是指网络协议层次结构不同。协议功能不同以及协议细节不同的网，因此异种网互联也就是不同协议的转换。具体实现异种网互联有两种方式：(1)

应用程序级互联：网络互联通过应用程序进行，应用程序直接建立在物理网络上，没有中间协议。主要问题在于应用程序直接面对物理网络硬件。新功能或新硬件意味着要修改所有的应用程序。(2)

网络级互联：系统中增加了若干中间层次（主要是网络层），使应用程序不直接处理硬件连接。目标是建立一个统一、协作、提供通用服务的通信系统。这是TCP/IP的基本思路，是它的灵活性和通用性实质所在。66.5移动IP技术异种网互联76.5移动IP技术TCP/IP分层模式IP泛指整个计算机网络，IP协议也是一个庞大的协议族。围绕IP的4层分层结构模型，在应用层包括FTP、HTTP、SNMP、DNS等，在底层的网络接口层包括了所有主要接口技术如以太网、令牌网、ATM、SDH、帧中继等。在地址解析方面有ARP、RARP协议，在差错控制方面除了TCP外还有ICMP协议，在网络路由选择方面有GGP、EGP、RIP、OSPF、BGP、IGMP、BOOTP等众多的协议。最为重要的是RFC791定义的网际协议即IP协议RFC793定义的传输控制协议即TCP协议。IP协议负责将数据从一处传往另一处，TCP负责数据的流量控制，并保证传输的正确性。76.5移动IP技术TCP/IP分层模式86.5移动IP技术TCP/IP分层模式续1TCP/IP体系结构已经成为当今网络协议的主流和事实上的工业标准，得到了广泛的响应和支持。TCP/IP是一个协议簇。TCP/IP协议遵从一个四层概念模型：应用层、传输层、因特网层、网络接口层。上层协议层需要低层的协议层提供服务。当任何一个计算机应用模块有网络通信的需求时，只要按照标准的接口使用低层协议模块提供的网络服务即可。图6.26给出了TCP/IP的网络体系结构及各协议所处的位置。作为比较，图中也给出了OSI七层参考模型。86.5移动IP技术TCP/IP分层模式续196.5移动IP技术TCP/IP分层模式续2图6.26TCP/IP和OSI网络体系结构的对比

IP的结构模型与ISO的OSI模型略有不同，它采用4层结构模型96.5移动IP技术TCP/IP分层模式续2IP的结构106.5移动IP技术TCP/IP分层模式续3IP协议分层并不严格对应OSI模型的相关协议层次。最上面第4层为应用层，它支持用户，提供通信工具和相关服务；往下第3层为传输层，负责传输控制，保证端对端数据传输的完整性(TCP)；第2层为网络层，负责数据传输，将数据发往目的地；最底层为网络接口层，负责访问具体网络(如以太网、令牌网等)。（1）应用层TCP/IP体系中的最高层是应用层，应用程序通过该层访问网络。该层有许多标准的TCP/IP工具与服务，比如FTP（文件传输）、Telnet（远程登录）、SNMP（简单网络管理）、SMTP（简单报文传送）、DNS（域名服务）、E-Mail(电子邮件)、WWW浏览等。106.5移动IP技术TCP/IP分层模式续3116.5移动IP技术TCP/IP分层模式续4（2）传输层传输层协议在计算机之间提供端到端的通信。因特网中有两种广泛采用的传输协议：传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。TCP为应用程序提供可靠的、面向连接的端-端通信服务；适合于一次传输大批数据的情况，并适用于要求得到响应的应用程序。UDP提供了没有可靠性保证的、无连接的通信服务，适合于一次传输少量数据，数据的可靠传输由应用层负责。传输协议的选择依据数据传输方式而定。116.5移动IP技术TCP/IP分层模式续4126.5移动IP技术TCP/IP分层模式续5（3）网络层网络层协议负责相邻计算机之间的通信。它将数据包封装成Internet数据报，并运行必要的路由算法。四个网络层协议是：网际协议(IP)、地址解析协议(ARP)、网际控制报文协议(ICMP)和因特网组管理协议(IGMP)。(a)IP主要负责在主机和网络之间为数据报进行寻址和路由选择；(b)

ARP获得同一物理网络中的硬件主机地址；(c)ICMP发送消息，并报告有关数据报的传送错误；(d)IGMP被IP主机用来向本地多路广播路由器报告主机组成员。126.5移动IP技术TCP/IP分层模式续5136.5移动IP技术TCP/IP分层模式续6（4）网络接口层这是TCP/IP网络模型的最低层，负责数据帧的发送和接收。这一层从IP层接收IP数据报并通过网络发送之，或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。IP支持广域网和本地网接口技术。它所支持的本地网技术包括LAN技术（如Ethernet、TokenRing）以及MAN（MetropolitanAreaNetwork）技术（如FDDI）。TCP/IP还支持两种主要类型的广域网技术：串行线路和分组交换网络。串行线路包括模拟电话线、数字线和租用线。分组交换网络包括X.25、帧中继和ATM等。136.5移动IP技术TCP/IP分层模式续6146.5移动IP技术TCP/IP模型中的两大边界在协议分层的概念结构中有两大重要边界：一个是协议地址边界，将高级地址和低级地址分开；一个是操作系统边界，将系统和应用程序分开。如图6.27所示图6.27TCP/IP模型中的两大边界应用层传输层网络层网络接口层物理层仅使用IP地址仅使用物理地址操作系统内部软件操作系统之外软件操作系统边界协议地址边界TCP/IP协议模型146.5移动IP技术TCP/IP模型中的两大边界图6.156.5移动IP技术TCP/IP模型中的两大边界续1(1)协议地址边界在TCP/IP的软件分层中，存在一个概念上的边界，将低级(物理)地址和高级(IP协议)地址分开。该边界出现在网络层与网络接口层之间。网络层及其以上各层软件均使用IP地址，网络接口层则使用物理地址。划分地址边界的思想与协议分层的思想是一致的，既屏蔽物理细节又分而治之，使整个网络软件在地址问题上显得简单而清晰，易于实现和理解。(2)操作系统边界不同的TCP/IP实现，操作系统边界位置可能不同。影响操作系统边界划分的最重要因素是效率问题，在操作系统边界内部低层软件之间的数据传递效率明显高得多。156.5移动IP技术TCP/IP模型中的两大边界续1166.5移动IP技术IP协议IP层协议在TCP/IP中起核心作用：其一，采用无连接方式传递数据报（Datagram），上层应用不用关心低层数据传输的细节，可以提高数据传输的效率；其二，通过IP数据报和IP地址将各种物理网络技术统一起来，达到屏蔽低层技术细节，向上提供一致性的目的。可以使物理网络的多样性对上层透明。IP协议对应于OSI模型的第三层，即网络层，是一种不太可靠的、无连接的投递机制。IP提供了三个重要的定义：1）定义了在整个计算机网络上数据传输所用的基本单元和传输数据的确切格式；2）IP软件完成路由选择的功能；3）还包括了一组嵌入了不可靠分组投递思想的规则，这些规则指明了主机和路由器应该如何处理分组、何时以及如何发出错误信息以及在什么情况下可以放弃数据包。166.5移动IP技术IP协议176.5移动IP技术IP协议续1现用的IP协议版本为1981年定义的第四版，即IPv4，其数据包的格式如图6.28所示。在传输过程中从左到右，从上到下，即最左位为MSB。

图6.28IP数据包格式012301234567890123456789012345678901+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|版本号|IHL|服务类型|总长度|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|标识符|标志|分片偏移量|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|生存时间|协议|首部校验和|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|源地址|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|目的地址|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|选项|填充|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|数据|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|……|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+176.5移动IP技术IP协议续10186.5移动IP技术IP协议续2各域说明：(1)版本号（Version）域：4比特，指出了IP数据包首部的格式。它用来证实发送方、接收方和它们之间的所有路由器都同意的数据报格式。IPv4域的值为4。(2)IHL（因特网首部长度）域：4比特，表示以32比特(4字节)为计数单位的IP数据包首部的长度。其最小值为5，即20字节。(3)服务类型域：8比特，包含5个子域，可用来对数据包划分优先级别。(4)总长度域：16比特，给出了以字节数为单位的整个IP数据包的总长度，包括IP报头本身的长度。IP数据包的最大长度为216，即65535个字节。186.5移动IP技术IP协议续2196.5移动IP技术IP协议续3(5)标识符域：16比特，是由发送端填写的值，以便让接收端识别每个到达的数据包，从而重组那些不得不分为几个分片(Fragment)的IP包。(6)标志(Flag)和分片偏移量(FragmentOffset)域分别为3和13比特，用于将大IP包分割成几个称为分片的小数据包，以保证它可以顺利地穿过那些无力处理大IP包的网络。(7)生存时间（TimetoLive）域：8比特，用于限制一个IP包的转发时间。在因特网中，它设置了一个IP包允许存在的以秒为单位的时间或允许经过的路由器的数目，其目的是避免数据包在网络中出现无限循环。这是一个介于1～255之间的整数。196.5移动IP技术IP协议续3206.5移动IP技术IP协议续4(8)协议(Protocol)域：8比特，用于说明IP包的数据域中的数据是由哪种高层协议产生的。当接收到一个IP时，这个域使得接收节点上的IP软件可以将IP包送给相应的高层协议处理。如，这个域取值为1表示ICMP，6表示TCP，17表示UDP，具体见RFC1700。(9)首部校验和（HeaderChecksum）域：16比特，被接收节点用来确定接收到的IP报头中有没有差错，它是由IP报头中的各个域计算得来，而与IP包的数据域无关。首部校验和的计算是把首部看成是一个16比特字的序列，对每个字分别计算其二进制反码，然后相加，再对结果计算一次二进制反码而求得。为了计算校验和，假定首部校验和域本身的值为0。206.5移动IP技术IP协议续4216.5移动IP技术IP协议续5(10)地址（SourceAddress）和目的地址（DesinationAddress）域均为32比特，用来标明数据报的源(发送方)地址和目的(接收方)地址(11)选项（Options）域：长度是可变的，主要用于网络测试或调试，从而增加IP数据报的灵活性。(12)填充（Padding）域：长度是可变的，依赖于选项，它填充“0”以保证数据包的长度是32比特的整数倍。(13)

数据域用来传送需传送的数据，可以为0～65535个字节。有关IP数据包首部的详细描述参阅RFC791。216.5移动IP技术IP协议续5226.5移动IP技术IP协议续6位于数据报传输路径上的每一个路由器都从IP数据包的首部提取目的地址，由目的地址在路由器的路由表中查找发往目的地的下一跳地址，然后路由器将数据报传递给下一跳，直至到达目的地。路由表有三个基本域：目的网络地址域、目的网络地址的地址掩码域，和到达目的网络的下一跳地址域。在数据包首部的目的地址总是数据包的最终目的地址。目的地址与其对应的掩码进行“按位与”操作，得出目的地址主机所在网络的网络地址。然后，根据这个网络地址，决定下一跳地址，通过一个特定的连接，将数据发给下一跳。226.5移动IP技术IP协议续6236.5移动IP技术TCP协议在最底层的计算机通信网络提供的服务是不可靠的分组传送。TCP协议的目的是提供可靠的传输服务。TCP协议具有5个特征：面向数据流、虚电路连接、有缓冲的传送、无结构的数据流全双工连接。TCP报文段的格式如图6.29所示。236.5移动IP技术TCP协议246.5移动IP技术图6.29TCP报文格式

012301234567890123456789012345678901+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-|源端口|目的端口|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-|序列号|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-|确认号|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-|首部||U|A|P|R|S|F|||长度|保留|R|C|S|S|Y|I|窗口||||G|K|H|T|N|N||+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-|校验和|紧急指针|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-|选项|填充|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-|数据|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-|……|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-246.5移动IP技术图6.29TCP报文格式256.5移动IP技术TCP协议续1各域说明：(1)

源端口和目的端口域：长度均为16比特，包含了连接两端对应用程序进行标识的TCP端口号。(2)

序列号(Sequencenumber)域：32比特，给出本报文段中第1个数据字节的序列号(没有设置SYN时)。当设置了SYN时，序列号是指初始序列号(ISN)，第1个数据字节是ISN+1。(3)

确认号(Acknowledgementnumber)域：32比特，该域指出了本报文段的发送者准备接收的下一个序列号的值。仅当设置了ACK控制比特时才有效。(4)

首部长度(Dataoffset)域：4比特，是一个以32比特为单位的首部长度值，之所以需要该域是因为选项域的长度是根据所选内容而变化的。256.5移动IP技术TCP协议续1266.5移动IP技术TCP协议续2(5)保留(Reserved)域：6比特，保留使用，必填为“0”。(6)控制比特(ControlBits)域：共有6比特，6种作用。(7)

窗口(Window)域：16比特，用来给出本报文段的发送者准备接收的数据字节数。(8)校验和(Checksum)域：16比特，提供对包括TCP首部在内的全部数据的完整性校验。(9)

紧急指针(Urgentpointer)域：16比特，与控制比特域的URG位联用。(10)选项（Options）域：长度是字节的整数倍，主要用于TCP报文段大小和边界的控制。(11)填充（Padding）域：长度是可变的，依赖于选项，它填充“0”以保证TCP的首部长度是32比特的整数倍。(12)

数据域用来传送需传送的数据。266.5移动IP技术TCP协议续2276.5移动IP技术TCP/IP协议数据在TCP/IP模式中，数据从一层传递到另一层。在这个过程中，每一层的协议软件（称为模块）为上一层进行数据封装。数据封装是一个按照较低层协议要求的格式保存数据的过程。图6.30TCP/IP各层协议的封装过程在TCP/IP各层中数据单位的名称随着相应协议的不同而不同。物理层：比特流；数据链路层：数据帧（又称物理帧）网络层：IP数据包；传输层：传输报文/UDP数据报应用层:应用报文应用数据本地网络尾部TCP/UDP首部IP首部本地网络首部应用报文UDP数据报或TCP报文段IP数据包本地网络数据帧276.5移动IP技术TCP/IP协议数据图6.30T286.5移动IP技术IP封装、分片与重组物理帧的数据封装在特定的物理帧内，通过帧的传输来实现数据报的传输。数据帧首部的目的地址是数据报送往目的地的下一跳的物理地址。数据包在源站进行封装，将物理帧传给下一跳，接收者从物理帧中的数据区提取数据报，丢掉帧的首部，然后采用下一个物理网络的帧格式进行封装，又传给下一跳，直至目的地。MTU（MaximumTransmissionUnit）是指一个特定的网络所允许的物理帧的最大数据量，当路由器收到一个大于其要转发的网络的MTU的数据包时，路由器必须将这个数据包分成可通过该网络的数据包片。每一片仍采用数据包的格式，且保留原数据包的标识符，但只包含原数据包的部分数据，在需要时，数据包片可以再次分片。286.5移动IP技术IP封装、分片与重组296.5移动IP技术差错报告机制为使路由器报告错误或提供有关意外情况的信息，在TCP/IP中加入了一个特殊用途的报文机制，叫做Internet控制报文协议（ICMP）。ICMP定义了五类错误信息和四种报告信息。(1)源站抑制：路由器收到太多的数据报,没有足够的缓冲区来处理，放弃额外数据包，使用ICMP报文向初始源网点报告拥塞，并请求它减慢目前的数据报发送速率。(2)

数据报超时：当路由器将一个数据报的寿命域的值减为零时，放弃该数据报并发送超时信息；当一台主机对某一个数据报的重组时间截止，而该数据报的分片还没有全部到达，主机放弃分片并发送超时信息。(3)

目的地不可达：当路由器检测出一个数据报不能发往它的目的地时，发送目的地不可达的信息。296.5移动IP技术差错报告机制306.5移动IP技术差错报告机制续1(4)

重定向：当路由器检测到一台主机使用非优化路由时，它向该主机发送一个重定向的ICMP报文。(5)

分片请求：如果路由器收到一个不允许分片的数据报，而它又大于必须经过的转发网络的MTU，则路由器放弃数据报，发送一个分片请求信息。(6)

回送请求、应答：一个回送请求信息能够送到任意计算机的ICMP软件。为了响应一个回送请求，ICMP软件需要发送一个ICMP回送应答信息。(7)

地址掩码请求、应答：一台主机在系统自举时广播一个地址掩码请求。收到请求的路由器发送一个包含该计算机所在网络的32位掩码的应答。ICMP报文是在IP数据报的数据区中传送的，并且在报文的开始有三个固定长度的域：类型域、代码域和校验和域。报文类型域决定了剩余部分的格式及其含义。306.5移动IP技术差错报告机制续1316.5移动IP技术IP地址技术寻址问题：两个需要通信的双方依赖地址来通信。在物理网络中，各站点都有一个机器可以识别的地址，该地址称为物理地址（也叫硬件地址或MAC地址）。由TCP/IP协议模型中的协议地址边界可以看到，在因特网中，把地址分为两类：在网络接口层使用物理地址；而在网络层以上使用IP地址。因特网中各个网络之间的物理地址差异就被网络层屏蔽，在网络层以上统一通过上层软件（IP层）提供一种通用的地址格式，在统一管理下进行分配，确保一个地址对应一台主机，通称IP层所用的地址为因特网地址，或IP地址。它包含在IP数据报的首部。316.5移动IP技术IP地址技术326.5移动IP技术IP地址技术续1对应不同规模的物理网络，因特网在地址概念上有三个层次，即：因特网、网络和主机，如图6.31所示。图6.31因特网概念层次因特网网络1网络2网络n主机主机主机主机326.5移动IP技术IP地址技术续1图6.31因特网概336.5移动IP技术IP地址技术续2因特网只有一个，没有必要给它分配一个IP地址。因特网中包含许多网络，每个网络中还有若干台主机，必须要在IP地址中标识各网络和网络内的各主机。TCP／IP地址结构方案如图。该地址模式明显地携带了位置信息，通过主机的因特网地址，可确定它位于哪个网络中，给数据包的寻址带来了很大方便。在IPv4中，使用32bit作为通用的机器标识符，称为IP地址（IPAddress）。32位IP地址被分成前缀(Prefix)与后缀(Suffix)两个部分。分别表示该计算机所接入的物理网络（即网络号）和该物理网络上的某特定主机（即主机号）。网络号主机号336.5移动IP技术IP地址技术续2网络号主机号346.5移动IP技术IP地址技术续3IPv4协议中把IP地址分为5类（见图6.33）。A类、B类和C类用作主机地址，称为主要类别（PrimaryClasses），根据网络规模分给相应的IP地址；D类是多播地址；E类保留为今后使用。图6.33IP地址分类346.5移动IP技术IP地址技术续3图6.33IP地356.5移动IP技术IP地址技术续4

A类地址：适用于大型网络，网络号占7位，主机号占24位，可容纳网络数为27个，每个A类网络拥有主机数最多为224台。

B类地址：适用于中型网络，网络号占14位，主机号占16位，可容纳网络数为214个，每个B类网络拥有主机数最多为216台。

C类地址：适用于小型网络，网络号占21位，主机号占8位，可容纳网络数为221个，每个C类网络拥有主机数最多为28台。

D类地址：多播地址，支持多目传输技术，即与网络中多台主机同时通信。

E类地址：将来扩展用。356.5移动IP技术IP地址技术续4366.45移动IP技术IP地址技术续5IP地址的表示方式：采用点分十进制表示法，即每8位二进制数值用十进制数表示，且每个量之间用一个点分开。例：一个IP地址用十六进制表示为C013F112，用带点的十进制表示时就成为8，同时该地址还是一个C类地址。IP地址在Internet中的唯一性：Internet编号分配管理机构IANA（InternetAssignedNumberAuthority）对所分配的编码有最终控制权。当一个组织加入Internet时，可以从Internet网络信息中心INTERNIC（INTERnetNetworkInformationCenter）那里获得网络地址。IP地址是指向网络连接的。因此，多地址主机（MultiHomedHost）和路由器的每一个连接有一个地址。366.45移动IP技术IP地址技术续5376.5移动IP技术IP特殊地址(1)网络地址（NetworkAddress）：主机号的所有位都为“0”的地址；保留使用；(2)定向广播地址（DirectedBroadcastAddress）：主机号的所有位都为“1”的地址；用于向指定网络号的网络内的所有主机广播；(3)有限广播地址（LimitedBroadcastAddress）：网络号和主机号的所有位都为“1”的地址；用于向不知道网络号的本地网络广播；(4)本机地址（ThisComputerAddress）：网络号各位全为“0”，又称“0”地址。仅在系统启动时允许使用，永远都不是有效目的地址；当需要本网内通信，但又不知本网网络号的情况下使用“0”地址。(5)

回送地址（Loopback）：A类网络地址127是一个保留地址，用于检测网络应用软件以及允许在一台计算机上进行通信试验，它永远不能在一个网络上出现。376.5移动IP技术IP特殊地址386.5移动IP技术地址解析技术IP地址独立于机器的物理硬件地址，为了在物理网络上传送分组给下一跳，下一跳的IP地址必须转换成它所对应的物理地址，并用这个物理地址传送该帧。由IP地址确定其对应的硬件地址的过程叫地址解析（AddressResolution），地址解析算法可以分成以下三种基本类型：(1)表查询（TableLookup）：将协议地址与其对应的物理地址进行捆绑存入内存的一个表中(2)

闭合公式计算（Closed-FormComputation）(3)

信息交换（MessageExchange）：位于同一物理网络的计算机通过交换信息进行地址解析。386.5移动IP技术地址解析技术396.5移动IP技术地址解析技术续1TCP/IP协议包含了地址解析协议（ARP）。ARP标准定义了两种基本信息类型：请求与响应。当一台主机要求转换一个IP地址时，它广播一个含有该IP地址的ARP请求，如果该请求与一台机器的IP地址匹配，则该机器发出一个含有所需物理地址的应答。应答是直接发给广播该请求的机器的。在使用ARP的计算机上都保留了一个高速缓存，用于存放最近获得的IP地址到物理地址的绑定，在发送分组时，计算机先到缓存中寻找所需的绑定，如没有，则发出一个ARP请求。接收方在处理ARP分组之前，先更新它们缓存中发送方的IP地址到物理地址的绑定信息，再进行响应或抛弃。396.5移动IP技术地址解析技术续1406.5移动IP技术IP技术的主要发展方向与IP业务一样，IP协议也一直处于发展之中。走开放式发展道路，以满足社会实际需要为目的。IP从一开始就不是十全十美的，而且也从不把自己定位为十分完善的技术，但它能够引进新的技术，尽量满足用户的需要。IP没有QoS、IETF正研究满足QoS要求的DiffServ技术；初始IP网络不适合传送话音、视频等实时业务，IETF定义了实时传送协议(RTP)和资源预留协议(RSVP)；针对传统的路由器交换速率低以及没有业务流量工程，引进了MPLS；为充分利用光纤通信提供的巨大网络带宽，制定了IPoverSDH标准，并正在制定IPoverOptical，且能够满足实时业务所需求的50ms业务倒换。406.5移动IP技术IP技术的主要发展方向416.5移动IP技术IP技术的主要发展方向续1虽然现有的IP协议还存在一些问题，随着ITU-T等标准化机构的参与，相信能够满足方方面面要求的完善的IP标准体系会早日完成。随着Internet业务的增多和技术的成熟，IP技术自身也在不断发生变化。这些变化已经使人们对传统的电信和计算机通信的概念有了新的认识。在IP网上除了收发电子邮件、浏览主页外，还可以进行实时通话甚至观看点播电视。特别是IP电话的发展，拉近了传统电信网与数据通信网之间的距离，给电信市场带来极大的冲击。416.5移动IP技术IP技术的主要发展方向续1426.5移动IP技术目前IP技术的发展方向1.IPv4到IPv6现在Internet上运行的IP协议是IPv4，改变IP协议的动机主要表现在两个方面：(1)

地址空间即将耗尽；－－扩大了地址空间(2)

新的Internet应用需要高效传输。－－简化了IPv4的首部IPv6并定义了服务质量等功能。2.IP网传送实时业务技术(1)

RTP/RTCP（实时传输协议/实时传输控制协议，RFC1889）(2)

RSVP（资源预留协议）：RSVP还可以按不同应用分配带宽。426.5移动IP技术目前IP技术的发展方向436.5移动IP技术目前IP技术的发展方向续13.IP多播技术在传统的Internet中，从一台服务器发送出的每个数据包只能传送给一个客户机。解决办法是采用多点广播（Multicasting）技术。允许路由器一次将数据包复制到几个通道上，从而减少引起网络拥塞的可能性。4.IPOverWhat？IPOverATM，IPOverSDH和IPOverOptical等IP骨干网技术是目前大家讨论的焦点，究竟IPOver什么好？这三种技术将在较长一段时间内共存，在宽带通信网络中将发挥各自的作用，逐渐走向融合，最后统一于IPOverOptical技术。5.路由和交换技术将路由技术和交换技术结合起来，提高网络转发IP数据报的效率是目前IP网络发展的热点问题。436.5移动IP技术目前IP技术的发展方向续1446.5移动IP技术IPv6现在的IPv4的地址长度是32比特，RFC1883定义的IPv6就是在这种情况下产生的下一代IP协议。IPv6扩展了地址空间，它的128位地址与IPv4的32位地址相比，几乎可以无限制地提供新的IP地址。足够为地球上每一粒沙子分配一个独立的地址。除了更大的地址空间外，IPv6还具备其它重要的优点。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，具有自动配置、移动计算、数据组播和更有效的网络路由聚合等。几乎所有主要路由器生产商都承诺在其产品中增加支持IPv6的部分。在演进工作实际进行的第一阶段，会出现多种不同类型的混合网络，然后逐渐进化到IPv6网络。446.5移动IP技术IPv6456.5移动IP技术IPv6的特点(1)扩大了地址空间。地址长度32位扩展到128位。(2)简化了数据包首部格式。首部的长度随网络和实际应用的要求而变化，并且IPv6的标准数据包首部从IPv4的数据包首部中去除了不需要的域。(3)源地址和目的地址之间的路由器只处理“逐跳(Hop-by-Hop)”头和路由头。(4)支持QoS，具有流标记，支持实时通信。(5)

易于扩充。(6)

支持多点广播和任意点广播。(7)支持话音和图像等实时多媒体业务。可以使一个数据报与一个预先分配好的资源储备相关连。(8)

内置安全特性。(9)

管理简单，便于大规模部署。(10)为手机上网提供了良好的协议平台和许多增值特性，将成为未来全球移动IP的基础。456.5移动IP技术IPv6的特点466.5移动IP技术IPv6首部格式IPv6数据包首部由基本首部和扩展首部两部分组成。由一个固定大小的基本首部作为开头，后接零个或多个扩展首部，再以数据域结束一个帧。IPv6的基本数据包首部从IPv4的数据包首部中去除了不需要的域，IPv6基本首部格式见图6.34。版本传输类别数据流标记净荷长度下个首部跳数极限源地址源地址源地址源地址目的地址目的地址目的地址目的地址比特01234567012345670123456701234567466.5移动IP技术IPv6首部格式版本传输类别数据流标476.5移动IP技术IPv6首部格式续1(1)

版本(Version)域：4比特，其作用与IPv4的相同，IPv6的"6"就在此域表示。可利用该域来区别IPv4和IPv6，在同一网络中实现IPv4和IPv6的通用。(2)传输类别(TrafficClass)域：8比特，用于让源结点和/或中间路由器区分IPv6数据包的业务类别或优先级。(3)

数据流标记(FlowLabel)域：20比特，由源节点用来标记需要由IPv6路由器进行特殊处理(如，非约定的业务质量或实时业务等)的分组序列。(4)

净荷长度(PayloadLength)域：16比特，给出了Ipv6数据包中除去此首部自身长度外的数据包长度(以字节为单位)，包括扩展首部的长度。476.5移动IP技术IPv6首部格式续1486.5移动IP技术IPv6首部格式续2(5)下个首部(NextHeader)域：指明了下一个首部的类型，其作用与Ipv4中的协议类型相似。(6)

跳数极限(HopLimit)域：指明了数据包所能通过的最大跳数，其作用与Ipv4中的生存时间域相同，即当数据包每次转发时它的值都将减小，当减到零时，这个数据包就要被丢弃。(7)

源(Source)地址和目的(Destination)地址域：均为128比特，指明了本报文的发送者及其所期望的接收站的IP地址，与IPv4中的相同。486.5移动IP技术IPv6首部格式续2496.5移动IP技术IPv6首部格式续3在IPv6中，可选的因特网层信息可以在单独的首部中编码，并且放置在分组的IPv6基本首部和上层首部之间。IPv6定义了一些扩展首部，每种扩展首部都有一个单独的下个首部值。一个IPv6分组可以携带0、1或多个扩展首部，每个扩展首部由前一个首部中的下个首部域来识别。接收者使用每个首部包含的下个首部域的内容来确定跟在这个首部后面的是什么，这些扩展首部要么有固定的格式，要么在固定的位置有一个指明其长度的域，以便于接收者处理多个首部。图6.35给出了没有扩展首部(基本首部后直接是TCP首部)、有1个扩展(路由扩展首部)和2个扩展首部(路由扩展首部和分片扩展首部)时下个首部域值的变化过程。496.5移动IP技术IPv6首部格式续3506.5移动IP技术IPv6首部格式续4图6.35IPv6扩展首部的工作示意图+---------------------+------------------------|IPv6首部|TCP首部+数据|||下个首部=TCP|+---------------------+------------------------

(a)没有扩展首部(IPv6首部后直接是TCP首部)

+---------------------+-----------------------+------------------------|IPv6首部|路由首部|TCP首部+数据||||下个首部=|下个首部=TCP||路由||+---------------------+-----------------------+------------------------

(b)只有1个路由(Routing)扩展首部506.5移动IP技术IPv6首部格式续4图6.35I516.5移动IP技术IPv6首部格式续5图6.35IPv6扩展首部的工作示意图+-----------------+------------------+------------------+------------------------------------|IPv6首部|路由首部|分片首部|TCP首部+数据的分片|||||下个首部=|下个首部=|下个首部=||路由|分片|TCP|+----------------+------------------+-------------------+--------------------------------------

(c)有2个扩展首部(路由(Routing)首部和分片(Fragment)首部)516.5移动IP技术IPv6首部格式续5图6.35I526.5移动IP技术IPv6首部格式续6当在一个数据包中使用多于1个的扩展首部时，RFC2460建议按如下顺序排列扩展首部：IPv6首部、逐跳选项(Hop-by-HopOptions)首部、目的地址选项(DestinationOptions)首部、路由(Routing)首部、分片(Fragment)首部、认证(Authentication)首部、封装安全净荷(EncapsulatingSecurityPayload)首部、目的地址选项首部、上层首部。不同扩展首部的格式是不同的，图6.36和图6.37分别给出了IPv6路由扩展首部和分片扩展首部的格式。526.5移动IP技术IPv6首部格式续6536.5移动IP技术IPv6首部格式续7+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|下个首部|首部扩展长度|路由类型|剩余的分片|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+||...特定类型的数据...||+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

图6.36IPv6路由扩展首部的格式+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|下个首部|保留|分片偏移量|Res|M|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|标识|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

图6.37IPv6分片扩展首部的格式536.5移动IP技术IPv6首部格式续7+-+-546.5移动IP技术IPv6首部格式续8路由扩展首部是由IPv6源节点用来列出到数据包目的节点路径上所应访问的1个或多个中间节点。在路由扩展首部中，8比特的下个首部域指出了紧跟在路由扩展首部之后的首部类型；8比特的首部扩展长度域给出了路由首部的长度(以8个字节为单位)，不包括第1个8个字节；8比特的路由类型域标识了特殊的路由首部变量，其值决定了特定类型的数据域的格式；8比特的剩余的分片域表示了剩余的路由分片数量，即在到达最终目的节点前，仍应被访问且需被明确列出的中间节点数；特定类型的数据域与路由类型有关，其长度是可变的。546.5移动IP技术IPv6首部格式续8556.5移动IP技术IPv6首部格式续9分片扩展首部用于发送大于至目的节点的路径MTU的数据包。源节点可以将数据包分成若干个分片，每个分片独立发送，在接收处重装。未分片的原始大数据包称为“原包”，原包由不可分片和可分片两部分组成。不可分片部分包括IPv6首部及扩展首部。可分片部分为数据包的其余部分。分片扩展首部说明：8比特的下个首部域标识了原包中可分片部分的原始首部类型；8比特的保留域和2比特的Res域留作未来使用，发送时初始化为0，接收端不作处理；13比特的分片偏移量域指出了首部后的数据相对于原包可分片部分开始位置的偏移量(以8个字节为单位)；1比特的M域为0时表示这是最后1个分片，1表示仍有后续；32比特的标识域由源节点用来标识被分成多个片的同一个原包。556.5移动IP技术IPv6首部格式续9566.5移动IP技术分片、重装与寻址IPv6把数据报重装的任务安排给了数据报的最终目的站。分片则被限制由最初的源站来完成。在发送数据前，源站必须进行一种称做路径MTU发现(RFC1981)的技术，以此来确定沿着这条路径到目的站的最小MTU。源站依据此MTU将数据报分片。IPv6要求因特网中每条链路的MTU值不小于1280字节。对于不能一次传送一个1280字节长的分组的链路，需要在IPv6的下层完成分组的分片和重装。对于可以设置MTU值的链路(如PPP链路)，需要设置其MTU大于1280字节，RFC2460建议把MTU设置成1500字节或更大值。566.5移动IP技术分片、重装与寻址576.5移动IP技术分片、重装与寻址续1IPv6把一个地址与一个特定的网络连接相关连，同样将地址分成前缀与后缀，分别对应于一个网络和网络中的一台计算机。然而为了地址分配和修改的方便，IPv6允许给一个特定的网络指派多个前缀，也允许对一个主机的给定接口同时指派多个地址。IPv6的地址是由8组16位组成。其表示方法与IPv4不同，IPv4是十进制数隔“.”，IPv6是十六进制数隔“:”。IPv6地址采用“冒号十六进制”表示法，即把每个16比特的量用十六进制值表示，各量之间用冒号分隔。IPv4的地址可以作为IPv6地址的一部分使用，可将IPv4的地址映射到IPv6的32位，例如，IPv4的地址"00"，表示成IPv6的地址则为"0:0:0:0:0:0:00"。576.5移动IP技术分片、重装与寻址续1586.5移动IP技术分片、重装与寻址续2IPv6地址可分为以下三类：(1)

单播（Unicast），地址指明一个单一的计算机，数据报将选择一条最短的路径到达目的地；(2)

群集（Cluster），目的站是共享一个地址前缀的计算机的集合，数据报将选择一条最短的路径到达该组，然后只投递给组中的一个成员；(3)

组播（Multicast），目的站是一组计算机，它们可能位于不同的地方，数据报将通过硬件组播和广播投递给该组中的每一个成员。586.5移动IP技术分片、重装与寻址续2596.5移动IP技术从IPv4向IPv6的过渡及IPv6的应用从IPv4向IPv6的过渡将逐渐进行，两者会有一定的共存期。把IPv4的地址纳入到IPv6地址，作为IPv6的一部分来使用，有两种方法：一是映射IPv4的IPv6地址(IPv4-mappedIPv6address)。另一种是与IPv4兼容的IPv6地址(IPv4-compatibleIPv6address)。实现IPv4向IPv6转移的几个技术包括双堆栈系统(DualStackSystem)、隧道技术(Tunneling)和数据包头翻译(HeaderTranslation)。作为下一代因特网基础的“IPv6”经过多年的开发，已经开始从试验阶段向实用阶段过渡。1995年决定主要规格后，IPv6便成为决定在因特网上传输的数据地址及格式的下一代IP的规范。目前多数核心路由器均支持IPv6。596.5移动IP技术从IPv4向IPv6的过渡及IPv606.5移动IP技术从IPv4向IPv6的过渡及IPv6的应用续1随着新型服务的出现，各种多媒体应用的不断涌现，用户的期望越来越高。正像预计的那样，数据流量呈爆发性增长，同时也随之产生了对IP地址的大量需求，这将使现在基于IPv4的系统不堪重负。我们从上述可以看出，除了能够提供足够的地址空间外，IPv6将使因特网更具鲁棒性(Robustness)和安全性，同时也提高了效率和可操作性。对因特网安全而可靠的访问将使移动用户受益，而运营商则能简化其网络结构，降低投资和运营的成本。因此，IPv6是唯一的选择。IPv6是网络发展的趋势。606.5移动IP技术从IPv4向IPv6的过渡及IPv616.5移动IP技术

移动IP的产生背景移动IP不是移动通信技术和因特网技术的简单叠加，也不是无线话音和无线数据的简单叠加；现有移动通信网采用电路交换，适合话音业务，但对IP类型的业务则不是最适合的。现有移动通信网络必须进行改造，需要一个以包交换为基础的无线网络，这种新型网络结构正是移动IP未来的结构。移动IP是移动通信和IP的深层融合，也是对现有移动通信方式的深刻变革。移动IP真正实现话音和数据的业务融合。目标是将无线话音和无线数据综合到统一的IP协议平台上。将实现全包交换，话音和数据的隔阂将消失。因此，移动IP是通信方式的一场深刻变革。616.5移动IP技术移动IP的产生背景626.5移动IP技术

移动IP的产生背景续1移动通信的IP化进程将分为三个阶段：移动业务的IP化；移动网络的分组化演进；移动通信系统中实现全IP化。从业务角度来讲，由于IP在移动通信中的引入，将改变移动通信的业务模式和服务方式。基于移动IP技术，可能为用户提供各种快速、高效、方便应用服务。基于移动IP网络的应用型服务的市场会越来越大。移动IP发展的关键是应用。决定移动IP成败的关键是用户需求，而不是技术本身。目前，移动IP应用受网络带宽限制，其信息内容的丰富性还难以和固定网抗衡。在未来，移动IP的服务将更丰富多彩，用户和移动网络运营商之间将是厚实的应用服务层，必须抓住应用层。626.5移动IP技术移动IP的产生背景续1636.5移动IP技术

移动IP的基本原理传统的IP技术只适用于固定节点间的相互通信，不适用于移动节点。IETF的网络工作组在1996年10月提出了RFC2002标准，较为详细地阐述了移动IP的原理、实现以及各种细节问题。简单地讲，移动IP是一种在全球因特网上提供移动功能的技术，它具有较好的可扩展性、可靠性和安全性，能使移动节点在移动时保持正在进行的通信，并能正确收发数据包。需特别指出的是，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。636.5移动IP技术移动IP的基本原理646.5移动IP技术移动IP的应用范围移动IP是在因特网中提供移动功能的网络层解决方案。与工作在什么媒质上没有关系。与底层的链路特性无关是IP协议的设计宗旨。移动IP可以从一种媒质移动到另一种媒质，而不会丢失现在的连接。比如，移动IP可以让笔记本电脑从有线的以太网切换到无线的局域网接口上，而不中断网络服务。这种在不同媒质之间移动而能保持现有通信的功能称为移动节点的异质移动性(HeterogeneousMobility)。现有的无线局域网(WLAN，定义在IEEE802.11中)只提供移动节点的同质移动性(Homogeneous)，即它们只允许在自己的网络中移动，而不能在采用不同媒质的网络间提供移动功能。移动IP同时具有同质移动性和异质移动性。646.5移动IP技术移动IP的应用范围656.5移动IP技术移动IP设计的几个要求(1)移动节点在改变数据链路层的接入点后应仍能与因特网上的其它节点通信。(2)无论移动节点连接哪个数据链路层接入点，它应仍能用原来的IP地址进行通信。(3)移动节点应能与不具备移动IP功能的计算机通信。(4)移动节点不应比因特网上的其他节点面临新的或更多的安全威胁。656.5移动IP技术移动IP设计的几个要求666.5移动IP技术移动IP的设计目标(1)为使移动IP能在多种无线链路上工作，要尽可能减小路由协议在网络的各种节点之间传送的路由更新信息的数量和频率。(2)尽量简化移动节点的软件，以便增加使用移动IP的节点数目，特别是那些内存和处理能力受到限制的设备。(3)尽量避免要求移动节点使用多个地址或要求为移动节点准备一个大的地址空间，这对于地址短缺的IPv4协议来说是必需的。在确定这些设计要求和目标时，移动IP均假设：已经存在一个因特网，该网络能在任意两个节点之间传送数据包，并且这些IP数据包在该网络内只依据目的IP地址进行路由选择，而与源IP地址无关。移动IP是建立在现有的固定因特网的基础之上的。666.5移动IP技术移动IP的设计目标676.5移动IP技术

功能实体及有关术语(1)移动节点（MN,MobileNode）：指一个主机或路由器由一个网络（或子网）移动到另一个网络(或子网)。移动节点可以在不改变IP地址的情况下，改变其位置而仍与网络内的其它节点保持通信，使上层协议感觉不到该节点的移动。(2)本地代理（HA,HomeAgent，也称家乡代理或归属代理）：一个在移动节点本地网上的路由器，当移动节点离开本地网时，它能通过IP隧道（IPtunnel）把数据包传给移动节点，并且保存移动节点的当前位置信息。(3)外地代理（FA,ForeignAgent）：移动节点当前所在网络上的路由器，可为移动节点在向本地代理登记时提供路由信息，并负责把本地代理送来的数据包转交给移动节点。676.5移动IP技术功能实体及有关术语686.5移动IP技术使用的术语(1)转交地址(COA,Care-ofaddress)：标识移动节点当前所在位置的一个地址。它指向移动节点的隧道的出口；每次移动节点改换外地链路时，转交地址也随之改变。(2)对等节点(CN,CorrespondentNode)：向移动节点发送数据的节点。(3)移动性代理(MA,MobilityAgent)：支持移动性的一个代理，可以是本地代理或外地代理。(4)家乡地址(HA,HomeAddress)：分配给移动节点的一个永久IP地址。(5)隧道(Tunnel)：通过把一个IP数据包封装在另一个数据包的净荷中，然后从本地代理传送到外地代理所经过的路径称为隧道。686.5移动IP技术使用的术语696.5移动IP技术支持的业务代理发现(AgentDiscovery)：由移动节点用于确定它是否连接在一条外地链路上，如果连接在外地链路上还必须得到转交地址。注册(Registration)：供移动节点向外地代理申请服务，并且通知本地代理它的转交地址。隧道(即封装(Encapsulation)和去封装(Decapsulation))：当移动节点连接在外地链路上时，本地代理要对发给移动节点的数据包进行的封装，而外地代理要对这些封装过的数据包再进行去封装。696.5移动IP技术支持的业务706.5移动IP技术移动IP的工作机制移动IP的功能、节点和协议之间是密切相关的，移动IP的基本工作过程如下：（1）本地代理