移動IP中的低時延切換技術

　　摘要：移動IP技術已經成為人們的研究熱點，而在移動IP 中，當移動主機從一個外地代理移動到另一個外地代理時，就要發(fā)生切換，本文主要介紹了目前移動IP中的幾種主要低時延切換技術，并進行了分析比較。


　　關鍵詞：移動IP 提前注冊切換法 過后注冊切換法 聯(lián)合切換法


一 引 言


　　近年來，移動通信與互聯(lián)網是通信業(yè)發(fā)展最為迅猛的兩個領域。作為兩者的結合，移動IP技術也成為人們研究的熱點。同正常的IP路由機制相比較，移動IP的路由機制帶來了許多額外的開銷，如隧道開銷、三角路由開銷、分片開銷等。此外，移動IP 還存在切換時延的問題，當移動節(jié)點在兩個外地代理之間移動時，為了保證正常通信，必須進行切換，隨著用戶移動性的增強，切換將是影響性能的一個關鍵因素。為了滿足移動IP中實時傳播業(yè)務的需要，IETF提出了幾種低時延切換技術，本文就針對這幾種技術進行了詳細的介紹。



二 移動IP技術


　　移動IP是一種在全球因特網上提供移動功能的方案，它具有可擴展性、可靠性和安全性，并使節(jié)點在切換鏈路時仍可保持在進行的通信。移動IP提供了一種IP路由機制，是移動節(jié)點可以以一個永久的IP地址連接到任何鏈路上。目前的移動IP協(xié)議主要有移動IP、蜂窩IP協(xié)議、夏威夷協(xié)議（Hawaii）、EMA、TeleMIP等幾種。


　　由于在固定網中，當節(jié)點在切換鏈路時不改變它的IP地址就無法在新鏈路上接收數(shù)據(jù)包，而當節(jié)點在移動時改變它的IP地址，就不得不每次都中斷和重啟正在進行的通信，而引入移動IP技術則很好的解決了這個問題。移動IP協(xié)議在增加了對移動節(jié)點移動接入的同時，對Internet的其他部分包括域名服務器都不必改動，使移動節(jié)點在Internet中移動接入成為現(xiàn)實。移動IP通過定義了3個新的功能實體：移動節(jié)點、本地代理、外地代理，完成代理搜索、注冊、分組傳送這三個基本的功能來實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)分組的路由。


　　不過，目前移動IP協(xié)議還存在不少問題，尤其當移動節(jié)點遠離家鄉(xiāng)代理的時候，移動IP會暴露更多的不足之處，這些我們都在進一步改進之中。



三 移動IP中的低時延切換技術


　　在移動IP中，當移動節(jié)點連續(xù)三次未收到注冊代理的代理公告后，就會與新的代理發(fā)起網絡層的切換，為了減少這個切換時延，最簡單的方法就是提高代理公告的頻率，但提高代理公告的頻率后又會使更多的網絡資源被代理公告所占用，而減少了帶寬的利用率。因此，IETF工作組提出了L2 Trigger，即提前通知三層即將發(fā)生三層切換，使三層提前做好準備，以減少額外開銷，降低時延。并在此基礎上提出了三種低時延切換技術，以更好的滿足在移動IP中傳播實時業(yè)務。下面分別對這三種切換技術進行介紹：



3.1 切換中的術語介紹


　　切換：指當前正在進行的移動節(jié)點與通信節(jié)點之間的通信鏈路從當前AR轉移到新的AR 的過程。


　　L2 trigger：是來自2層的信息，這些信息在2層切換前后通知3層特定的事件。


　　2層切換：當移動節(jié)點由一個網絡接入點改接到另一個接入點（可能同屬一個子網，也可能分屬不同子網）時，首先需要進行數(shù)據(jù)鏈路層的切換。這一層的切換過程是由各個子網所使用的底層通信技術決定的。


　　3層切換：當移動節(jié)點判斷出自己已經移動到新的外地子網時，首先從外地子網獲得轉交地址，并發(fā)送注冊請求向HA注冊新的轉交地址。HA收到注冊請求后給移動節(jié)點發(fā)送注冊應答，這樣就完成了一次新的注冊過程。之后，HA開始將目的地址為移動節(jié)點的IP包通過隧道發(fā)送到移動節(jié)點的當前位置，隧道的出口即為新的轉交地址，從而完成了一次完整的切換。



3.2 提前注冊切換法


　　提前注冊切換法允許移動節(jié)點發(fā)起一個提前切換，移動節(jié)點在網絡的輔助之下可以在一個L2切換完成之前執(zhí)行一個L3切換。這個L3切換既可以由網絡發(fā)起也可以由移動節(jié)點發(fā)起,相應地，移動節(jié)點和外地代理利用L2 triggers觸發(fā)特定的L3切換事件,兩種情況都允許移動節(jié)點選擇外地代理進行注冊。提前注冊既支持常規(guī)的移動IP注冊模型又支持區(qū)域性注冊模型，在常規(guī)的移動IP注冊模型中，移動節(jié)點從家鄉(xiāng)代理接收數(shù)據(jù)包，在區(qū)域性注冊模型中，移動節(jié)點從一個外地代理網關接收數(shù)據(jù)包。下面詳細介紹一下它的操作過程：（操作圖如下）






　�。�1） 報文1a是一個從舊外地代理到新外地代理的路由請求（RtSol），報文1b是一個從新外地代理到舊外地代理的路由廣播（RtAdv）。為了不延遲切換，這兩個報文一般應該在提前注冊切換之前產生。


　�。�2）報文2a是一個代理路由請求（ProxyRtSol），它和常規(guī)的路由請求不同，因為它實際上是在向一個不同于接收這個報文的路由器的路由器請求一個廣播。如果切換由移動節(jié)點發(fā)起，它首先向舊外地代理發(fā)送一個代理路由請求報文（ProxyRtSol），舊外地代理在收到這個請求后，必須返回一個包含代理路由廣播的2b報文。如果切換由網絡發(fā)起，舊外地代理直接向移動節(jié)點發(fā)送這個2b報文。不管什么情況，2b報文僅僅是新外地代理的代理廣播。


　�。�3）移動節(jié)點在進行移動性檢測接收到一個請求的或非請求的代理廣播后，它就向新外地代理發(fā)送一個報文3（注冊請求報文RegReq或者區(qū)域性注冊請求報文RegRegReq）。因為在二層切換之前移動節(jié)點和新外地代理并不是直接連接的，所以報文3通過舊外地代理確定路由。


　�。�4）報文4和5完成標準的移動IP注冊或區(qū)域性注冊。如果注冊成功，移動節(jié)點的數(shù)據(jù)包將通過隧道從家鄉(xiāng)代理（或外地代理網關）發(fā)送到移動節(jié)點已經移動到的新外地代理。提前注冊切換法不依賴區(qū)域注冊擴展，然而如果家鄉(xiāng)代理距離新外地代理很遠的位置，那么本地外地代理網關的使用將減少切換過程完成所需要的時間。



3.3 過后注冊切換法


　　過后注冊切換法建議對MIP協(xié)議做出擴展以使新舊外地代理可以利用L2 triggers在新舊外地代理之間建立一條雙向隧道，從而使移動節(jié)點在新外地代理的子網上時仍然可以繼續(xù)使用外地代理。其操作過程如下：






　�。�1）當移動節(jié)點和舊外地代理之間進行一個成功的移動IP注冊后，舊外地代理就變成了移動節(jié)點的移動性錨點，我們稱之為錨外地代理（aFA）。當移動節(jié)點從舊外地代理向新外地代理移動的時候，移動節(jié)點能夠推遲三層切換并繼續(xù)利用它的錨外地代理，而不是在無線鏈路上發(fā)送信號向新外地代理注冊。


　�。�2）如果移動節(jié)點在向新外地代理注冊之前向第三個外地代理移動，第三個外地代理就向錨外地代理發(fā)送信號通知錨外地代理把雙向邊緣隧道的無線鏈路末端從新外地代理移向它。雙向邊緣隧道的網絡方末端仍然保持錨接在錨外地代理直到移動節(jié)點進行完移動IP注冊。


　�。�3）在L2同新的外地代理之間的連接建立之后，移動節(jié)點最終必須進行一個正式的移動IP注冊，但是它可以按移動節(jié)點或外地代理的需要被推遲。直到移動節(jié)點進行注冊時，外地代理才按需建立和遷移雙向隧道以使移動節(jié)點具有連續(xù)的連通性。



3.4 聯(lián)合切換法


　　聯(lián)合切換法可以同時運行一個提前注冊法和一個過后注冊法。如果提前注冊切換可以在L2切換完成之前進行，聯(lián)合切換法實際上就是一個提前注冊切換。然而，如果不能在L2切換完成之前進行，舊外地代理就會為移動節(jié)點到外地代理啟動一個轉發(fā)通信，就像過后注冊切換法中規(guī)定的那樣。當一個提前注冊切換不能保證在L2切換完成之前完成時，這種方法就提供了一種有用的備用機制。



3.5 幾種切換技術的比較


　　提前注冊切換法必須要求L2觸發(fā)有足夠的時間讓提前注冊切換在二層切換完成之前完成。它要求外地代理或者移動節(jié)點能在一個未決的二層切換之前獲得L2觸發(fā)信息。


　　過后注冊切換法主要是支持相同無線接入技術的外地代理之間的切換。它允許外地代理與臨近的未決定切換的外地代理之間直接通信，所以它不需要發(fā)送任何IP層報文或來自MN的L2觸發(fā)事件。過后注冊切換法一般適合用在此種情況下：在網絡上可利用二層觸發(fā)機制來表明oFA和nFA之間的切換未決定。


　　提前注冊切換法要求在二層切換完成之前完成注冊過程，而過后注冊切換法則是在二層切換完成之后再進行一個注冊過程。聯(lián)合切換法是綜合考慮兩種情況。


　　以上幾種切換技術主要是為了滿足移動IP中傳播實時業(yè)務的需要，它對減少數(shù)據(jù)報的丟失也起到了很好的作用。但是，如果移動節(jié)點在幾個外地代理之間頻繁移動，而每次切換都要向家鄉(xiāng)代理注冊，由家鄉(xiāng)代理來維護移動節(jié)點的移動綁定，這樣勢必在網絡中引發(fā)大量的注冊報文的傳輸，從而嚴重影響了網絡的性能。并且造成了較大的切換延遲，尤其是移動節(jié)點離家鄉(xiāng)代理較遠的時候，問題更嚴重，還會引起數(shù)據(jù)報的丟失，從而降低了通信吞吐量。這些問題都值得我們進一步去研究。



4 小結


　　移動網絡和無線網絡的發(fā)展使得移動IP成為近兩年IETF最重要的研究協(xié)議之一。而切換是移動IP中最為關鍵的技術之一，也是IETF工作組研究的重點內容，同時還有很多個人和單位都在進行這方面的研究。目前，移動IP的切換還存在很多問題，如何盡量減少數(shù)據(jù)報的丟失，盡量減小切換延遲是我們努力的目標。



參考文獻


[1]James Kempf, Tom Hiller，Peter J.McCann，Ajoy Singh，Hesham Soliman，Sebastian
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[2] Pierre Reinbold ,Olivier Bonaventure, University of Namur, A Comparison of IP mobility Protocols. June 2001.


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----《移動通信在線》