移动互联网：原理、技术与应用 第3版 课件 第4、5章 无线传感器网络、移动IP技术

无线传感器网络（WSN）1课程大纲引言应用需求支持技术特有限制传感器设计MAC层协议无线传感网络路由协议设计思路路由设计路由协议比较2课程大纲引言应用需求支持技术特有限制传感器设计MAC层协议无线传感网络路由协议设计思路路由设计路由协议比较3嵌入式网络传感医疗环境恢复4嵌入式网络传感5微传感器，船上处理以及无线接口都只在小规模内可行能观测到“零距离接触”现象使得在时间和空间上进行密集的环境监测成为可能嵌入式网络传感将揭示以前没有观察到的现象6地震结构响应污染物运输海洋微生物生态系统，

生物复杂性嵌入式网络传感嵌入式网络传感7嵌入式网络传感地面运动和结构/基础响应间的交互当前的地震网络在空间上不够密集，不能

监测地面移动引起的结构毁坏，

使得波场采样出现空间混淆（锯齿）科学理解建筑和底层土壤对地面震动的响应

建立模型来预测地震场景中的结构响应技术/应用鉴定引起严重结构震动的地震事件在本地节点中对波场进行处理密集的结构监测系统

8实地实验9

¾¾¾¾¾1km¾¾¾¾¾¾

17层的钢架建筑中设置38台强震地震仪100台自由场地震仪在UCLA校园地面上以100米的空间间隔放置嵌入式网络传感生态系统传感研究野生种群（动植物）随着时间推移对栖息地的响应发展对物种和生态系统的现场观察技术在各种事件和空间范围内，对生态系统、种群、栖息地的物理和化学特征数据的获取自动识别生物（当前技术包括人工近景观察）10长时间现场测量有极端温度、湿度、障碍物的恶劣环境智能幼儿园项目Sensors

ModulesHigh-speedWirelessLAN(WLAN)WLAN-PiconetBridgePiconetWLAN-PiconetBridgeWLANAccessPointPiconetSensor

ManagementSensor

FusionSpeechRecognizerDatabase&DataMinerMiddlewareFrameworkWiredNetworkNetwork

ManagementNetworkedToysSensorBadge11课程大纲引言应用需求支持技术特有限制传感器设计MAC层协议无线传感网络路由协议设计思路路由设计路由协议比较12支持技术嵌入式联网感知小巧的外形不受限制的节点组成控制系统开展合作感知、作用与物理世界将紧密联结分布嵌入大量设备来监测并与物理世界交互使用网络设备进行协同并处理更高层的任务在原地进行时空密集的感知和作用13课程大纲引言应用需求支持技术特有限制传感器设计MAC层协议无线传感网络路由协议设计思路路由设计路由协议比较14特有限制对快速响应进行实时分析大量数据

需要智能、有效、创新的数据管理与分析工具由于传输、建筑、暴露等造成的低信噪比大地震数据不够充足

结构响应只能从中小型地震以及力震动测试进行推断15课程大纲引言应用需求支持技术特有限制传感器设计MAC层协议无线传感网络路由协议设计思路路由设计路由协议比较16传感器设计被动元件：

震动感应，声音感应，

红外感应，

张力感应，

盐度测量，

湿度测量，

温度感应等被动阵列：

摄影机

（可见的，红外的），

生物化学的有源传感器：

雷达，声纳相比被动元件需要高能技术趋势：

使用IC集成电路技术来获得更好的稳定性、更低的开销和更小的体积在这些领域中很多已经有足够的COTS（商用货架产品）；而在生物化学领域还有待17网络传感器节点的发展18LWIMIIIUCLA,1996Geophone,RFMradio,PIC,StarnetworkAWAIRSIUCLA/RSC1998Geophone,DS/SSRadio,strongARM,Multi-hopnetworksWINSNG2.0Sensoria,2001Nodedevelopmentplatform;multi-sensor,dualradio,LinuxonSH4,Preprocessor,GPSUCBMote,20004Mhz,4KRam512KEEProm,128Kcode,

CSMAhalf-duplexRFMradio课程大纲引言应用需求支持技术特有限制传感器设计MAC层协议无线传感网络路由协议设计思路路由设计路由协议比较19MAC层挑战传统网络公平性延时吞吐率传感器网络能耗效率可扩展性20MAC层能耗效率许多WSN应用预期的使用时间：几个月或者几年实际的使用时间AA电池：最多2000mAhCC2420无线电：空闲但唤醒状态（RX模式）19.7mA2000mAh/19.7mA=101.5小时=6天让无线电在大部分工作时间处于睡眠状态理想的占空比：0.1%-1%21C.Lu,WashingtonUniv.SaintLouisMAC层能耗效率能量浪费的主要来源空闲监听长期空闲时间没有感知事件发生碰撞控制开销过度监听减少所有上述来源的能量消耗TDMA需要进行时间槽分配和时间同步集合TDMA和竞争协议的优点22所有无线网络的共性无线传感网络的MAC类型有调度的竞争：节点周期性的集体醒来，竞争信道，然后进入睡眠S-MAC,T-MAC信道轮询：节点独立醒来去扫描B-MAC,X-MAC时分复用：节点维护一个规定合适唤醒合适允许传输的调度时间表DRAND混合型：SCP,Z-MAC,802.15.4（竞争接入阶段结合竞争免除阶段）23MAC层协议对比24MAC层协议总结都是以减少能耗为中心竞争型MAC协议：主要目标是动态调节睡眠和侦听的时间，使得节点尽量只在自己需要收发信息时才侦听信道，其余时间处于休眠状态，一方面降低节点能耗，另一方面也减小了和其他节点的冲突。分配型MAC协议：基本都是基于TDMA机制的改进协议，目的是设计一种高效的时隙分配方案来减少能耗。混合型MAC协议综合了前两种协议的优点，其性能更好，但是相对来说其机制其设计更加复杂。25课程大纲引言应用需求支持技术特有限制传感器设计MAC层协议无线传感网络路由协议设计思路路由设计路由协议比较26课程大纲引言应用需求支持技术特有限制传感器设计MAC层协议无线传感网络路由协议设计思路路由设计路由协议比较27引言

WSN的路由协议因应用和网络架构的不同而有所差异基于潜在的网络架构，主要分为以下三类:扁平的:节点之间角色相同

分层的:节点扮演不同的角色基于位置的:利用节点的位置来路由数据根据协议的操作过程分成基于多径的，基于查询的，基于QoS的和基于一致性的在能耗和通信负载之间进行平衡28ModifiedfrompresentationofJamalN.Al-Karakietal.@WirelessCommunications2004.tw/Download/93/94_0425/Routing%20Techniques%20in%20Wireless%20Sensor%20Networks.ppt引言(续)29设计思路设计目标进行数据通信

延长网络的生命周期通过采用积极的能源管理技术来防止链路退化30设计问题（续）节点部署：依赖应用程序手动配置（确定性）：数据通过预定的路径路由随机：节点随机散布，形成一个自组织网络路由架构节点的分布是不均匀的，最优聚类成为必要不失准确的能源消耗用他们有限的能源供应某些传感器节点的故障数据报告的方法时间驱动：应用程序需要定期的数据监测事件驱动：因某个事件的反应（时间关键AP）查询驱动：响应查询（时间关键AP）混合8设计问题（续）节点/链路不均匀例如，分层协议指定簇头节点容错传感器节点的故障不会影响传感器网络的整体任务可扩展性任何路由方案必须能够对数量庞大的传感器节点起作用网络动态节点可以是移动的这种现象是可以移动的传输介质所需要的带宽为低（1-100kb/s）基于TDMA的协议比基于竞争的协议节省更多的能量（如CSMA）9设计问题（续）连接传感器网络的密度依赖于可能随机分布的节点覆盖环境的传感器观点是距离和精度的有限数据聚合传感器节点可能会产生显著冗余数据为了减少发送次数服务质量网络的生命周期通常被认为是更重要的有界延迟数据传输是时间受限应用的条件10课程大纲引言应用需求支持技术特有限制传感器设计MAC层协议无线传感网络路由协议设计思路路由设计路由协议比较34扁平路由每个节点都扮演着同样的角色以数据为中心的路由由于给每个节点分配全局ID不可行通过数据协作和消除冗余数据节约能源协议通过协商的传感器协议信息（SPIN）：[Heinzelmanet.al.@Mobicom’99&WirelessNetworks2002]定向扩散（DD）：Intanagonwiwatet.al.@Mobicom'00]谣言路由：[Braginskyetal.@WSNA2002]最小开销转发算法（MCFA）：[F.Ye@ICCCN2001]12经协商传感器协议信息（SPIN）特点协商为提高运营效率，节约能源使用元数据资源适配为了延长系统的工作寿命监测自己的能源资源SPIN信息ADV-新数据的广播REQ-请求ADV数据DATA-实际数据消息只包含元数据的ADV，REQ消息13Heinzelman等人@Mobicom'99和无线Networks2002经协商传感器协议信息（SPIN）（续）操作流程第一步ADV第三步DATA第二步REQ第四步ADV第五步REQ第六步DATA14经协商传感器协议信息（SPIN）（续）资源自适应算法当能量充足通信使用3级交换协议当能量接近低能量阈如果节点接收ADV，它不发送REQ保留能量用于感测事件优点简单当接收新的数据时每个节点执行小决策无需转发表稳健的拓扑变化缺陷大的开销数据广播15定向扩散（DD）特点数据中心路由协议路径是在汇聚节点和源节点之间建立局部的相互作用传播和聚集过程都是基于本地信息四要素兴趣通过一个描述任务的参数值对表来命名任务描述梯度路径方向，数据传输速率数据消息加强选择来自多个路径的单个路径16Intanagonwiwat等@Mobicom'00定向扩散（DD）（续）基本方案下沉来源第1步：兴趣传播兴趣爱好事件下沉来源步骤2：初始梯度的设置渐变事件低兴趣下沉来源第3步：数据沿增强路径传递事件高速率17定向扩散（DD）（续）优点延迟小始终通过最短路径传输数据失效路径的鲁棒性缺陷节点一直失衡在最短路径节点能量的耗尽比其他节点快时间同步技术为了实现数据汇总在无线传感器网络中不容易实现记录信息的开销增加一个传感器节点的开销18谣言路由特点合并查询洪泛和洪泛事件发现任意路径，而不是最短路径谣言路由是有吸引力的，只有当查询的数量比阈值大事件的数量小于另一阈值假设该网络由密集分布的节点组成只有短距离传输固定节点19布拉金斯基等@​​WSNA2002谣言路由（续）基本方案每个节点维护邻居的名单事件表当一个节点检测到事件生成代理让它在一个随机路径行进被访问的节点形成一个到事件的梯度当源节点需要一个事件发送查询该查询满足某些节点，该节点位于渐变线上路由建立20谣言路由（续）概率代理节点感知一个概率性生成代理事件。产生代理的概率是一个算法参数...矫正算法为了传播网络中尽可能远的方向的事件，a被使用代理维护最近看到的节点的列表。选择下一跳的时候，它会首先尝试不在列表中的节点。21最小开销转发算法（MCFA）目标建立成本域通过最小代价路径发送数据特点最优最低成本路径标准：跳数，能源消耗，延迟等。简单无需维护转发表不需要知道邻居节点的ID22F.Ye@ICCCN2001最小开销转发算法（MCFA）（续）操作流程每个节点向源节点存储其成本源节点广播ADV信息包含它自己的成本（最初为0）每个节点接收到该消息发送给邻居节点添加成本ADV消息自身成本成本字段建立

通过网络ADV消息传播后源节点通过成本域传递一个信息缺陷有限的网络规模设置成本字段的时间是和网络的大小成正比的负载不均衡23最小开销转发算法（MCFA）（续）路由的方向总是已知–指向固定外部的BS该BS广播开销都设置为0的消息，而每个节点初始设定其到BS的最低成本为无穷大如果消息中的估计值加上接收到的链路少于当前估计。11024分层路由节点将扮演不同的角色优势为可扩展性和通信的高效性主要为两层路由选择簇头路由协议低功耗自适应聚类（LEACH）：[Heinzelman,et.al.@HICSS’00]传感器信息系统的高效能量收集算法（PEGASIS）：[S.Lindseyetal.@AerospaceConference2002]阈值敏感节能协议（TEEN）：[A.ManjeshwarandD.P.Agarwal@IPDPS.2001]两层数据分发（TTDD）：[F.Yeetal.@Mobicom’02]26低能量自适应聚类（LEACH）簇头将随机选择的传感器节点作为簇头，所以与基站进行通信的高能量耗散被扩散到所有传感器节点。建立阶段每个传感器节点选择0和1之间的随机数如果该随机数小于阈值T（n）时，所述传感器节点是簇头。27Heinzelman等@HICSS'00低能量自适应聚类（LEACH）（续）建立阶段该簇头发布给网络中的所有传感器节点传感器节点告知相应簇头，它们将是群集的成员。（基于信号强度）然后，簇头为基于TDMA方法向它发送数据的传感器节点分配时间。28稳定阶段传感器节点可以开始感测和向簇头发送数据。该簇头也在向基站发送数据之前聚合来自它的簇的节点的数据。在经过一定时间的稳定阶段后，网络再次进入建立阶段和进入又一轮簇头选择。29低能量自适应聚类（LEACH）（续）p值=0.050.0500=0.05/（1-0.05*0）0.0526=0.05/（1-0.05*1）0.0555=0.05/（1-0.05*2）0.0588=0.05/（1-0.05*3）0.0625=0.05/（1-0.05*4）0.0666=0.05/（1-0.05*5）0.0714=0.05/（1-0.05*6）0.0769=0.05/（1-0.05*7）0.0833=0.05/（1-0.05*8）0.0909=0.05/（1-0.05*9）0.1000=0.05/（1-0.05*10）0.5000=0.05/（1-0.05*18）1.0000=0.05/（1-0.05*19）任何一轮中簇的数目可以不固定。为了避免在某一轮中没有簇头...直接跳过没有的簇头的一轮三十低能量自适应聚类（LEACH）（续）传感器信息系统的高效能量收集算法（PEGASIS）假设节点具有关于所有其他节点的位置信息传感器节点不动特点基于链的节能协议用贪心算法建立链每个节点都有全局知识动态领导者的选择能量负荷均匀分布数据融合31S.Lindsey等@2002航空航天会议传感器信息系统的高效能量收集算法（续）性能PEGASIS性能优于LEACH通过消除动态集群信息开销通过最小化传输距离的总和通过限制发送次数问题为了获得一个全局性的知识是很难的它不适合于传感器网络可扩展性问题很长的延时32阈值敏感节能协议（TEEN）术语硬阈值（HT）对于检测到属性的阈值属性的绝对值软阈值（ST）以感觉到的属性值上的微小变化来触发节点开关它的发射机特点在LEACH基础上基于簇的路由协议时间关键型应用用户可以控制在能量的效率和准确性之间的折衷较小的ST

值更精确的网络图增加能量消耗33A.曼杰斯赫瓦尔和D.P.阿加瓦尔@IPDPS。2001年阈值敏感节能协议（TEEN）（续）基本方案传感值增益决定报告与否基于HT和ST的值只在…报告数据当感测到的值超过HT

当值的变化大于ST缺陷不能分配时隙所有节点一直打开其发射机不能区分死亡或出现故障的节点和无法感知“大”变化的节点在集群中发生冲突34双层数据分发（TTDD）权力过大消费增加无线变速器碰撞状态检修高架35F.Ye等@Mobicom'02双层数据分发（TTDD）（续）假设传感器节点是固定和位置感知的源节点可能会显著改变他们的位置传感器节点都知道自己的任务特点多移动源节点的可扩展和高效的数据传输协议移动传感器节点在网络中不被允许位置信息是需要建立网格结构对拓扑变化的敏感性36双层数据分发（TTDD）（续）基本方案网格建设低层查询洪泛每个节点都选择了自己的传播点更高层次的查询网格转发从分发点到源节点分发节点之间的通信更高层次的数据网格转发从源节点到分发点实际数据的发送低层数据转发轨迹发布点传输的数据通过PA，IA发往源节点PA（主代理），IA（中级代理）37双层数据分发（TTDD）（续）来源传播节点数据公告询问数据即时传播节点38双层数据分发（TTDD）（续）来源传播节点数据公告数据即时传播节点轨道转发来源39双层数据分发（TTDD）（续）网格维护问题：处理突发性传播节点故障效率解决方案源节点在数据公告中设置网格生命周期DN复制：每个DN从其单跳邻居招募几个传感器节点，复制上游DN的位置DN通过持续的查询和数据流来进行故障检测和按需替换40双层数据分发（TTDD）（续）来源传播节点数据即时传播节点X41双层数据分发（TTDD）（续）来源传播节点数据即时传播节点X42分层路由与扁平路由43基于位置的路由协议节点位置被用来路由数据传感器节点通过它们的位置进行寻址距离可以通过信号强度来估计协议：地理自适应保真（GAF）：[Y.Xuetal.@Mobicom’01]地理和能源感知路由（GEAR）：[Y.Yu@TechnicalreportUCLA2001]其他的贪婪自适应路由（GOAFR）：[F.Kuhnetal.@MobiHoc’03]SPAN：[B.Chenetal.@WirelessNetworks2002]45地理自适应保真（GAF）核心理念关闭一个节点，如果从路由的角度它是相等的使用节点部署密度自适应地调整路由保真度什么是保真度通信节点之间的不间断连接46Y。Xu等@Mobicom'01地理自适应保真（GAF）确定等价路由什么是保真度通信节点之间的不间断连接47地理自适应保真（GAF）使用GPS信息来决定虚拟网格ID三态转换发现（Tð）活动（Ta）睡眠（Ts）节点排名活动节点胜高能量节点胜适应流动性使用GPS信息48地理和能源感知路由（GEAR）动机：降低定向扩散中兴趣和低速数据洪泛的负载基本思路：利用地理信息限制洪泛，并在目标区域内部递归传播数据。利用局部技术来平衡能耗，延长整个网络的生命周期跨多个用户查询重用路由信息。49Y.Yu@技术报告UCLA2001年地理和能源感知路由（GEAR）（续）向目标区域转发数据包：贪婪模式：最小化成本函数（f=距离和能量的混合函数）围绕带能源感知邻居估计的“连通孔”来路由在目标区域内传播数据包：地理递归转发向原地理区域的子区域递归地重新转发数据包50地理和能源感知路由（GEAR）（续）每个节点用一个已知成本（历史成本）和估计成本（目前成本）来决定下一个转发节点已知成本估计成本51其他的贪婪自适应面路由（GOAFR）贪婪问题：孔停留在X：X的邻居中没有比X更接近D.SXð52F.库恩等@MobiHoc'03其他的贪婪自适应面路由（GOAFR）（续）在与线段[S,D]相交的面序列间进行路由遍历每个面

在面间相交边界上进行切换(switch)SD74其他的贪婪自适应面路由（GOAFR）（续）简单的面路由可能是非常糟糕54其他的贪婪自适应面路由（GOAFR）（续）绑定的可搜索区域ts55其他的贪婪自适应面路由（GOAFR）（续）什么是边界区域的正确尺寸？先是小范围可搜索区域每次扩大区域时都保证不能到达目的节点换句话说，

当区域太小时调整区域的大小自适应面路由AFR56其他的贪婪自适应面路由（GOAFR）（续）GOAFR：合并Greedy和(Other)AdaptiveFaceRouting贪婪的路由尽可能长。如果被困住了，做面路由。从当前面的“最佳点”切换到贪婪从S开始，GOAFR处于贪婪模式，直到达到局部最低N1。转到面路由模式并探索面F的边界以找到N2-在F的边界节点中最接近t的节点。回到贪婪模式，并最终达到t。57SPAN目标在不显著减少网络的容量和连接的前提下关闭节点核心理念协调转发骨干

非协调58B.Chen等@无线网络2002SPAN（续）规则1：周期性地广播HELLO消息当前状态（协调与否）当前的协调者当前的邻居规则2：协调者公告如果发现它的两个邻居不能直接或通过一个或两个协调员相互通信，节点就决定自愿成为一名协调员避免协调竟争：延迟公告规则3：协调撤消如果每对邻居可以直接地或通过一些其他的协调员达到彼此为了公平，如果一个节点已经做了若干周期的协调者并且每对邻居节点可以通过一些其他邻居节点到达彼此（即使它们不是协调员）59SPAN（续）消息争用13五6724协调竟争初始配置13五6724所有节点都有资格

并同时试着做一个协调者13五6724嘘嘘嘘60SPAN（续）使用退避算法解决消息争用效用0<R<161路由协议比较83CS80240333CUIYong84移动IP

-互联网移动性支持CS80240333CUIYong85课程大纲引言移动ipv4中的概念和术语MIPv4概述移动IP功能代理发现注册隧道MIPv4的挑战移动IP的路由优化移动IP中的快速切换支持总结CS80240333CUIYong86如何与一个移动中的朋友通信求助于她的父母?父母是不动的她一旦有了新的联系地址她会告诉她的父母假设你有个经常旅游、不断换地址的朋友，你要如何联系她?她在哪儿?CS80240333CUIYong87场景1计算机通过无线链路连接互联网实际没有移动

166.111.81.x有线网络CS80240333CUIYong88InternetADSLISDN802.11场景2带笔记本回家有线环境移动中是离线的CS80240333CUIYong89场景3在火车上接入互联网无线环境

移动中处于在线状态CS80240333CUIYong90从网络的角度看移动性固定移动无线用户使用的是固定AP在线移动用户(切换)离线移动用户（漫游）CS80240333CUIYong91互联网和IPBS公司网络本地ISP区域ISP

physicallinknetworktransportapplicationphysicallinknetworkphysicallinknetworktransportapplicationphysicallinknetworkphysicallinknetworkIP集线器,交换机,路由器?CS80240333CUIYong92移动中的问题1一两件事情?移动中断连（切换）MN不能被呼叫（漫游）98IP协议和IP地址非常重要!!CS80240333CUIYong93两类移动1)无缝移动对于应用来说是感觉不到移动的2)可移植性

移动对应用不是透明的，但仍可以在新的地方接入网络分别支持这两点的一些协议DHCP可以支持可移植性移动IP可以支持无缝移动CS80240333CUIYong94需求对于接入点我们知道移动用户可以改变接入点在蜂窝网中,移动用户变换不同的基站.在无线局域网中,移动用户变化不同的接入点.移动用户一天中可以在办公室在家里不同地方办公:移动用户变换不同的以太网子网.对于应用我们希望在移动过程中应用不会终止当变换不同基站时我们希望正在使用的蜂窝电话能够保持通话不中断当变换无线局域网接入点时我们希望远程登录服务能够不中断运行.CS80240333CUIYong95移动性解决方案协议和方法移动蜂窝电话网解决方法GSM有自己的一套注册，切换，移动管理程序移动网络解决方法移动IP已经开发出了对基于IP的主机和移动用户的支持.在本门课程中我们将关注移动IP协议移动IP移动IP是一个三层协议

(网络层)，

用来支持移动用户以无缝的方式在网络中漫游我们并不关心在底层移动用户是如何改变其物理位置的96移动IP

移动IP是一个独立于物理层和数据链路层的移动解决方案:它可以工作于以太网,令牌环网,无线局域网,在串行电缆或电话线上的PPP协议,等等.

通过移动IP协议,会实现所有的TCP/IP都对用户移动无感知

只有IP协议和底层能感知用户移动高层协议(TCP,UDP,RTP,等)和应用对移动无感知.97移动IP

MobileIPEthernetTokenRingPPPWLAN802.11bBluetoothTCPUDP网络应用和协议Telnet,FTP,HTTP,等等.移动对这些协议来说都是无缝的.底层可以使用各类技术来实现.TCP/IP协议栈98我们为什么需要移动IP互联网的设计之初就是为了用于连接计算机.最初我们有台式机、工作站、大型机和超级计算机但它们都是固定的，没法随身携带!现在,我们有笔记本和掌上电脑Palmtop和口袋PC它们的性能都足以运行我们平时所关注的网络应用我们需要无线网络互联网接入技术主要就是为了使这些移动设备能够支持移动应用

移动IP

就是为了这个目的而设计的!99我们为什么需要移动IP(待续)

回归到现在的互联网…现在的互联网架构和协议(除了支持移动IP的)都不支持用户的无缝移动互联网最初是为不会频繁改变位置的固定用户而设计的.当你带着你的笔记本电脑来到一个新的地方想要重新连接以太网，你就需要重新配置电脑.当你配置完你的电脑，通常情况下你需要重启它。

无论你是否重启电脑，当你改变它的IP地址时，原先运行的网络应用都会中止.100CS80240333CUIYong101IP地址的作用在互联网中，IP地址主要用于两个方面目的主机身份的识别一个IP地址可以用来标识一部主机.TCP/IP协议栈中的协议通常使用IP地址来识别终端应用可以使用域名来使它们对用户来说更人性化.DNS服务器存储IP地址之间的一一映射和域名CS80240333CUIYong102IP地址的作用(待续)定位移动用户:为路由IP地址的设立是用来对应互联网中特定位置的.它们是用来确定数据包从源主机到目的主机的路由的.对于固定用户固定用户不改变位置.位置相关的IP地址不是必须要改变的该IP地址我们可以使用很长时间移动网络的中潜在的问题一个IP地址无法满足移动用户的两方面需求CS80240333CUIYong103课程大纲引言移动ipv4中的概念和术语MIPv4概述移动IP功能代理发现注册隧道MIPv4的挑战移动IP的路由优化移动IP中的快速切换支持总结CS80240333CUIYong104移动IP移动IP协议的目标支持漫游和切换

无障碍的兼容现有固定用户使用的互联网和通信协议移动IP协议独立于物理层和数据链路层IETF中的相关RFCRFC2002:定义移动IP协议RFC2003/2004/170:定义三种隧道技术RFC2005:定义移动IP的应用RFC2006:定义移动IP中的管理信息库CS80240333CUIYong105问题和创新198放开你的思维?固定IP地址?可扩展性!CS80240333CUIYong106现实生活中的实际问题求助于她的父母?父母是不动的她一旦有了新的联系地址她会告诉她的父母假设你有个经常旅游，不断换地址的朋友，你要如何联系她?她在哪儿?CS80240333CUIYong107问题和创新198固定IP地址?不!稳定的路由回顾IP的问题再次放开你的思维!CS80240333CUIYong108移动IP方案每个移动用户使用两个IP地址身份标识

一个永久的IP地址(也叫家乡地址)位置一个根据移动主机当前位置不断变化的地址(叫做转交地址)用于路由查找CS80240333CUIYong109概念和术语(1)家乡网络(HN)互联网移动节点(MN)/移动主机(MH)外地网络(FN)CS80240333CUIYong110概念和术语(2)家乡代理(HA)互联网通信对端外地代理(FA)CS80240333CUIYong111概念和术语(3)互联网转交地址永久地址89CS80240333CUIYong112概念和术语(4)互联网外地链路家乡链路CS80240333CUIYong113术语移动节点/主机(MN/MH):一个可以改变链路、IP地址，并依靠家乡地址来保障可达性的IPv6节点

对端节点(CN):与移动节点通信的一个IPv6节点.家乡代理:在家乡链路上的一个服务器，用于维护移动节点在远离家乡网络使用不同IP地址时的注册.家乡链路:分配家乡网络前缀的链路，移动节点可以从该链路获得家乡地址.外地链路:移动节点家乡链路之外的其他链路.家乡地址:当移动节点连接到家乡链路时分配的地址，通过该地址无论移动节点在什么地方都将始终可达.转交地址:当移动节点连接到外地网络时使用的地址.CS80240333CUIYong114概念和术语(总结)互联网移动节点(MN)转交地址(CA)对端节点(CN)家乡代理(HA)外地代理(FA)家乡链路外地链路

CS80240333CUIYong115课程大纲引言移动ipv4中的概念和术语MIPv4概述移动IP功能代理发现注册隧道MIPv4的挑战移动IP的路由优化移动IP中的快速切换支持总结CS80240333CUIYong116现实生活中的处理方法求助于她父母的过程她有了一个新地址告诉她的父母你向她的父母要她的号码你打给你的朋友假设你有个经常旅游，不断换地址的朋友，你要如何联系她?她在哪儿?CS80240333CUIYong117移动IP的作用控制层代理发现

当移动节点来到一个新的子网（或网络），它需要寻找该网络的代理为此,移动代理（家乡和外地）通过周期性的广播ICMP信息来宣告它们的存在

注册当移动节点来到新的网络并从该网络获取一个新的转交地址，它需要向家乡代理注册该地址（绑定），这样一来家乡代理就会知道将数据包转发到何处.注册过程应当是安全的

CS80240333CUIYong118移动IP的作用数据平面反馈&改变目的地址?要求对端节点重新发送它的信息从家乡地址到转交地址有什么问题?隧道&重定向?当家乡代理截获到发往移动节点的数据包时，它们使用一种叫做隧道的技术来将数据转发到移动节点的当前位置（转交地址）有许多类的隧道:IP到IP,最小封装,GRE,等等.CS80240333CUIYong119IPPayloadIP-CIP-MIP-HIP-FIPPayloadIP-CIP-MIPPayloadIP-CIP-M….….….….IPHeaderInner

IPHeaderOuter

IPHeader对端节点C移动主机C外地代理F家乡代理

HDst

Src

Dst

Src

TunnelIP-C:对端主机的IP地址IP-M:移动节点的IP地址(homeaddressofmobile)IP-H:家乡代理的IP地址(care-of-addressofmobile)IP-F:外地代理的IP地址.Dst

Src

Dst

Src

从对端节点到移动节点的数据包传输INTERNETDestAddressSrcAddressTTLProtocolHeaderChecksumIdentificationFragm.OffsetFlagsTotalLengthTOSVerHLAnIPHeaderFieldsOtherFields

CS80240333CUIYong120IPPayloadIP-CIP-M….对端节点C移动主机C外地代理F家乡代理HIP-C:对端节点的IP地址IP-M:移动主机的IP地址IP-H:家乡代理的IP地址IP-F:外地代理的IP地址.IPPayloadIP-CIP-M….SrcDstSrcDst从移动节点到对端节点的数据包传输INTERNETCS80240333CUIYong121课程大纲引言移动ipv4中的概念和术语MIPv4概述移动IP功能代理发现注册隧道MIPv4的挑战移动IP的路由优化移动IP中的快速切换支持总结CS80240333CUIYong122如何设计代理发现机制目的当节点移动时如何发现家乡和外地代理?是还在家乡网络还是移动到了一个新的网络?获得新的IP地址方案设计MN保持无感知新代理的地址甚至是新代理是否存在OSPF的帮助?CS80240333CUIYong123移动代理发现代理广播在链路上广播它们的存在性

无线链路–802.11有线链路–以太网周期性地移动节点

接收到广播

从广播消息中获得IP地址是否还家乡网络?是否移动到新的网络.这种理解是在IP层的!CS80240333CUIYong124移动代理发现实现代理发现

需要找到一个协议进行扩展代理广播消息是一种特定扩展的ICMP路由广播消息

特定的扩展叫做移动代理扩展相似协议IGMPSNMPCS80240333CUIYong125代理广播消息TypeCodeChecksumNAddr=0AddrSizeLifetimeZeroormorecare-of-addresses……….DestAddressSrcAddressTTLProtocolHeaderChecksumIdentificationFragm.OffsetFlagsTotalLengthTOSVerHLTypeLengthSequenceNumberLifetimeFlagsReservedIPHeaderICMPRouter

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MessageMobilityAgent

Extension

FLAGSR:Registrationrequires(withtheforeignagent)B:ForeignagentisbusyH:Theagentishomeagent.F:TheagentisforeignagentM:MinimumencapsulationG:GREencapsulationV:VanJacobsonHeaderCompressionIPTCPUDPICMPIGMPLinkLayer081631ARPRARPApplications主机中的TCP/IP协议栈MN如何获得一个新的转交地址?CS80240333CUIYong126注册为什么需要注册移动节点获得转交地址

从外地代理，或者

从像DHCP这样的服务器

让家乡代理知道节点当前的转交地址什么时候开始注册当节点在IP(ICMP)层检测到它已经移动到一个新的位置它开始在家乡代理处的注册过程CS80240333CUIYong127注册注册消息用TCP或者UDP发送?使用UDP，端口号434注册过程包括两部分注册请求消息

从移动节点发往家乡代理

注册请求回复消息

从家乡代理发往移动节点注册消息需要经过外地代理转发外地代理只是转发这些注册消息外地代理在注册过程中是被动的为什么?CS80240333CUIYong128转交地址类型普通转交地址FN中的短IP地址?什么是正常的转交地址外地代理为那个新位置提供接入服务所使用的IP地址

移动节点直接使用注册和通信必须通过外地代理

向不同的MN分配信息容易实现AAA:身份验证,授权,账户有什么优势/不足?CS80240333CUIYong129转交地址类型混合转交地址没有独立的外地代理?移动节点到达新位置时通过一些诸如DHCP的标准机制来获得IP地址

移动节点自己来完成所有工作外地代理的功能由移动节点自己来实现移动节点解封装来自于家乡代理的双向隧道上数据包注册与通信直接在MN和家乡代理之间进行有什么优势和不足?CS80240333CUIYong130注册请求TypeLifetimeFlagsHomeaddressHomeagentCare-of--addressIdentificationExtensions…..081631Type:

移动IP消息类型:1–注册请求.Lifetime:注册有效时间.Homeaddress:移动节点的家乡IP地址Homeagent:家乡代理的IP地址.

Care-of-address:移动节点当前的IP地址–

之后会成为双向隧道的一端.Identification:用于重发保护.Extensions:安全性扩展，可以用于防止恶意用户.Flags:S:同时绑定.

B:广播–家乡代理将会通过隧道将广播数据发往节点D:移动节点使用混合转交地址–意味着没有外地代理，移动节点自己解封装数据包.M:移动接点请求家乡代理使用最小封装来封装数据包G:移动接点请求家乡代理使用GRE封装来封装数据包注册请求格式IPHeaderUDPHeaderMobileIPMessageExtensionsHAFAMREQREQCS80240333CUIYong131注册请求回复TypeLifetimeCodeHomeaddressHomeagentIdentificationExtensions…..081631注册请求回复格式HAFAMRPLRPLType:3–注册请求回复Code:指示注册的结果

一些代码的值:0注册被接受66外地代理资源不足70无效请求130家乡代理资源不足131移动节点未通过身份验证Lifetime:家乡代理赋予的注册有效时间CS80240333CUIYong132注册过程的安全性安全问题欺骗性注册需要能被检测到.恶意用户会像有数据包需要接收的合法用户那样向家乡代理发送注册请求数据包.通过这种方法,恶意用户可以将发往移动用户的数据包重定向转发到它那里.因此需要身份认证有三种为移动IP定义的身份认证扩展移动节点-家乡代理认证扩展移动节点-外地代理认证扩展外地代理-家乡代理认证扩展CS80240333CUIYong133注册过程的安全性TypeSPILengthSPI….continued081631AuthenticatorAuthenticator…..加入到注册请求消息中的移动IP身份认证扩展Type:32–移动节点-家乡代理认证扩展33–移动节点-外地代理认证扩展

34–外地代理-家乡代理认证扩展SPI:安全参数索引.定义计算认证器的安全内容(策略,模式,密钥).Authenticator:变长.默认的身份认证方法:

前后缀模式的Keyed-MD5128bit认证器:注册信息的信息摘要.

基于以下计算:

共享的安全密钥,

spi索引,

注册消息的保护域,

再次共享密钥.CS80240333CUIYong134路由和隧道技术当对端节点向移动节点发送数据包(向它的家乡地址),数据包首先通过普通的路由方式发给该移动节点的家乡代理.家乡代理截获该数据包并进行封装，通过隧道发往移动节点(隧道出口)的转交地址封装的数据包使用普通的路由方式发往转交地址.有许多种封装方法:IP-IP封装最小封装GRE(通用路由封装)封装.HAFAMC封装数据包隧道为什么需要通过隧道?CS80240333CUIYong135IP-IP封装方法中的家乡代理DestAddress=AddrofMSrcAddress=AddrofCTTLProtocolHeaderChecksumIdentificationFragm.OffsetFlagsTotalLengthTOSVerHL081631IPPAYLOADDestAddress=Care-of-AddressofMSrcAddress=HomeagentaddresTTLProtocol=4HeaderChecksumIdentificationFragm.OffsetFlagsTotalLengthTOSVerHL家乡代理接收到一个来自于移动节点的对端节点的IP数据包家乡代理给数据包加上其他的IP的包头并把它发给移动节点的转交地址内部包头外部包头CS80240333CUIYong136IP-IP封装方法中的转交地址DestAddress=AddrofMSrcAddress=AddrofCTTLProtocolHeaderChecksumIdentificationFragm.OffsetFlagsTotalLengthTOSVerHL081631IPPAYLOADDestAddress=Care-of-AddressofMSrcAddress=HomeagentaddresTTLProtocol=4HeaderChecksumIdentificationFragm.OffsetFlagsTotalLengthTOSVerHL外地代理(或者使用混合转交地址的移动节点)接收到封装数据包接收者看到协议域的信息(为4)，知道数据包是使用IP-IP方法封装的内部包头外部包头接收者使用链路层机制将解封装的数据包转发(不是路由)给移动节点CS80240333CUIYong137最小封装方法中的家乡代理DestAddress=AddrofMSrcAddress=AddrofCTTLProtocolHeaderChecksumIdentificationFragm.OffsetFlagsTotalLengthTOSVerHLIPPAYLOADDestAddress=AddrofMSrcAddress=AddrofCProtocolReservedHeaderChecksumIPPAYLOADSDestAddress=Care-of-addrofmobileSrcAddress=AddrofhomeagentTTLProto=55HeaderChecksumIdentificationFragm.OffsetFlagsTotalLengthTOSVerHL外部包头最小化的内部包头来自于对端主机的数据包使用最小封装方法封装通往转交地址的隧道CS80240333CUIYong138家乡网络配置互联网互联网互联网路由器路由器和家乡代理路由器和家乡代理家乡代理物理家乡网络物理家乡网络虚拟家乡网络1)2)3)CS80240333CUIYong139知道MN和FA之间的MAC地址FA广播广播(IP和链路层广播)FA广播消息

在链路上(子网).移动

接收到广播消息知道FA的IP地址(这是移动节点当时的转交地址)知道FA的硬件地址(MAC或链路层地址).当移动节点通过外地代理发送注册数据包时，外地代理必须知道:移动节点的家乡地址移动节点的硬件地址(MAC或链路层)(路由器,交换机,集线器?)CS80240333CUIYong140广播移动代理广播消息注册请求注册请求回复DATA

DATA

外地代理

-FA移动节点

-M移动节点收到广播帧，知道了FA的MAC地址和Ip地址，并把这些信息存储下来移动节点直接向FA发送注册请求消息获得FA的MAC地址不需要使用ARP移动节点直接向FA的MAC地址发送数据包，不需要使用ARP数据直接发给节点的MAC地址不需要ARP.

FA周期性的广播.使用MAC广播地址.不需要ARP.FA通过注册请求消息知道节点的MAC地址和家乡地址.并把这些信息储存下来回复直接发给节点的MAC地址不需要ARP.

CS80240333CUIYong141外地代理向移动节点发送数据包MAC_FMAC_MtypeIP_C….IP_MIPPayload以太网包头(链路层包头)DstIP包头

SrcOtherFieldsSrc(6bytes)Dst(6bytes)MAC_MIP_MTCP/UDPAPPSMAC_FIP_FUDP外地代理移动节点IP_C….IP_MIPPayloadCS80240333CUIYong142从移动节点向外地代理发送数据包MAC_MMAC_FtypeIP_C….IP_MIPPayload以太网包头(链路层包头)DstIP包头

SrcOtherFieldsSrc(6bytes)Dst(6bytes)MAC_MIP_MTCP/UDPAPPSMAC_FIP_FTCP/UDPAPPS外地代理移动节点IPPayloadIP_C….IP_MIPPayloadCS80240333CUIYong143再次解封装MAC_FIP_FTCP/UDPAPPS外地代理MAC_MIP_MTCP/UDPAPPS移动节点IP_HHomeAgentIP_CIP_MIP_HIP_FIP_CIP_MIP_CIP_MMAC_FMAC_M隧道dstsrcdstsrcdstsrcCS80240333CUIYong144有什么MAC层问题?当节点移动时有什么问题?互联网路由器物理家乡网络移动节点家乡代理其他主机其他主机MAC_MMAC_HARPTableIP_MMAC_MARPTableIP_MMAC_MARPTableIP_MMAC_MCS80240333CUIYong145在家乡网络如何抓取数据包互联网路由器家乡代理物理家乡网络IP_C….IP_MIPPayload从对端节点发往移动节点的数据包WhohasIP_MIhaveIP_M,MyMACaddr=MAC_H广播ARP请求单播ARP回复IP_CIP_MIPPayloadtypeMAC_RMAC_HMAC_HMAC_R以太网帧中的IP包启用代理ARPIP_MMAC_HProxyARPtableCS80240333CUIYong146代理ARP数据包来到家乡子网连接的最后一跳路由器.路由器试着将移动节点的IP地址转换成相应的MAC层地址(硬件地址).为了这一目的，它需要广播一个ARP请求包

因为移动节点不在家乡子网，它无法恢复ARP请求

家乡代理会代替节点回复该请求.为了实现这一功能，家乡代理需要配置ARP代理功能.家乡代理发送ARP请求回复消息,其中包含它的MAC地址(MAC_H)，MAC层地址对应移动节点的IP地址.路由器接收到ARP回复，会像家乡代理的MAC地址发送IP数据包.通过这种方式，家乡代理获取了发往移动节点的IP数据包.CS80240333CUIYong147ARP功能需求互联网路由器物理家乡网络MAC_R移动节点家乡代理其他主机其他主机MAC_MMAC_HARPTableIP_MMAC_MARPTableIP_MMAC_M互联网路由器物理家乡网络MAC_R家乡代理其他主机其他主机MAC_HARPTableIP_M

MAC_HARPTableIP_M

MAC_H移动节点离开家乡子网移动节点在家乡子网CS80240333CUIYong148免费ARP操作家乡代理从新的位置接收到注册请求消息家乡代理在链路上广播免费ARP

(指示IP_M现在位于MAC地址MAC_H)互联网路由器物理家乡网络MAC_R家乡代理其他主机其他主机MAC_H网络上的所有其他主机更新它们的ARP绑定缓存:IP_MMAC_HCS80240333CUIYong149ARP数据包格式EtherDstEtherSrcEtherTypeHwtypeProttypeopSenderHwAddrSenderIPAddrTargetHwAddrTargetIPAddr662221126464ARP数据包以太网包头HwsizeProtosize类型:

0x8006ARP协议OpField:1–ARP请求

2–ARP回复发送者接收者ARP请求(广播)ARP请求回复(单播)LANCS80240333CUIYong150示例:代理ARPINTERNET对端主机(IP_C)路由器家乡代理HostX家乡子网普通互联网路由ARP请求FFFFFFHwtypeProttype1(IP_H,MAC_H)(IP_R,MAC_R)(IP_X,MAC_X)MAC_RMAC_RIP_RIP_M(IP_M,MAC_M)MAC_RMAC_HHwtypeProttype2MAC_HIP_HMAC_HIP_MSenderMACSenderIPTargetMACTargetIP代理ARP回复

MAC_HMAC_RIP_CIP_MIPPayloadIP_CIP_MIPPayload数据(IP数据包)SrcDstTargetIPTargetMAC有什么问题?CS80240333CUIYong151示例:免费ARP对端主机(IP_C)路由器家乡代理HostX家乡子网(IP_H,MAC_H)(IP_R,MAC_R)(IP_X,MAC_X)(IP_M,MAC_M)INTERNETIP_MMAC_MIP_MMAC_HIP_MMAC_MIP_MMAC_H(IP_M,MAC_M)注册广播免费ARP请求FFFFFFMAC_HHwtypeProttype1MAC_HIP_MIP_MTargetIPTargetMACSenderMACSenderIP家乡代理在LAN上广播免费ARP请求.任何接收到的主机都会更新它的ARP缓存.CS80240333CUIYong152课程大纲引言移动ipv4中的概念和术语MIPv4概述移动IP功能代理发现注册隧道MIPv4的挑战移动IP的路由优化移动IP中的快速切换支持总结CS80240333CUIYong153三角路由问题对端节点家乡代理外地代理移动节点Internet12345正反向路径不同.导致三角路由问题.从对端节点到移动节点的路径不是最优的:所有数据包都需要经过家乡代理CS80240333CUIYong154解决方法基本解决方法对端节点存储绑定信息家乡地址

转交地址匹配它们可以使用这一绑定信息将数据包直接发往MN

封装?它们可以再次使用封装技术

外地代理需要解封装

移动节点处的COA并不总是混合型的封装数据包将会直接发往转交地址而无需经过家乡代理.问题?对端节点需要支持绑定协议需要对每个对端节点进行更改!CS80240333CUIYong155绑定更新对端节点如何知道移动节点当前的绑定?移动节点通知对端节点!例如当它从对端节点收到数据包时家乡代理通知对端节点

选择?后者:家乡代理通知对端节点

因为该方法易于在家乡代理和对端节点之间建立安全关联绑定更新是安全的，所以恶意用户无法在没有身份认证的情况下发送绑定更新CS80240333CUIYong156绑定更新IPPayloadIP-CIP-MIP_CIP-FIPPayloadIP-CIP-MIPPayloadIP-CIP-M….….….….IP包头

内部

IP包头外部

IP包头对端主机C移动主机C外地代理F家乡代理HDst

Src

Dst

Src

Dst

Src

Dst

Src

从对端节点向移动节点传输的数据包INTERNETOtherFields

绑定更新(IP-M,IP-C)IP_MIP_FBindingCache第一个数据包其他数据包CS80240333CUIYong157绑定通知/请求CN向HA请求

对端节点发送一个绑定请求消息并等待绑定更新消息.MN会通知HA

HA发送一个绑定更新消息给一个特定主机移动节点发送一个绑定通知消息给HA.TCP/UDP?所有的绑定消息使用UDP发送绑定确认?主机接收到绑定更新消息后需要发送一个绑定更新确认消息.如果在一个退避时间后还没收到确认消息则需要进行重传CS80240333CUIYong158切换中的问题HAFA1FA2FA3MMCH

切换过程中可能会丢包.

切换到一个新的基站（或外地代理）并花时间与家乡代理注册

在这期间数据包会发往移动节点已经离开并断连的旧基站.注册INTERNETCS80240333CUIYong159平滑切换HAFA1FA2FA3MMCH绑定更新注册2)新FA向旧FA发送一个绑定更新消息3)旧FA将从家乡代理处发来的数据包重新封装，并发往新FA.当M进行切换时，它会通知新的外地代理(FA2)(通过使用绑定通知消息)向旧代理(FA1)发送绑定更新消息INTERNETCS80240333CUIYong160课程大纲引言移动ipv4中的概念和术语MIPv4概述移动IP功能代理发现注册隧道MIPv4的挑战移动IP的路由优化移动IP中的快速切换支持总结CS80240333CUIYong161快速切换高速移动用户的频