Internet移動(dòng)計(jì)算原理及性能

Internet移動(dòng)計(jì)算原理及性能（裴珂、董海霞）
    摘要：隨著移動(dòng)終端的普及，以及用戶(hù)需求的提高，在Internet上提供移動(dòng)性支持成
為移動(dòng)ISP提供商的候選方案。這里給出了在這一領(lǐng)域的研究情況和Mobile IP的基本機(jī)制，
討論了Mobile IP所帶來(lái)的各種問(wèn)題，如三角路由開(kāi)銷(xiāo)、隧道開(kāi)銷(xiāo)、分片開(kāi)銷(xiāo)及其網(wǎng)絡(luò)層切
換在TCP性能方面的影響。
    關(guān)鍵詞：Internet  移動(dòng)計(jì)算  移動(dòng)IP
    隨著便攜式計(jì)算機(jī)的普及和無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)、蜂窩網(wǎng)的不斷成熟，用戶(hù)的需求也逐步
提高。無(wú)線局域網(wǎng)用戶(hù)要求網(wǎng)絡(luò)提供全球移動(dòng)性支持，而蜂窩網(wǎng)用戶(hù)要求網(wǎng)絡(luò)提供高速數(shù)
據(jù)業(yè)務(wù)（如在GSM網(wǎng)上將提供GPRS空中接口）。由于Internet的興起，人們可以通過(guò)它獲
得各種信息，收發(fā)電子郵件，下載文件等，一些移動(dòng)用戶(hù)迫切希望能夠隨時(shí)隨地地接入
Internet。但由于現(xiàn)今Internet上的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IPv4的路由算法不支持主機(jī)的漫游，在現(xiàn)
有的IP地址分層體系結(jié)構(gòu)下，主機(jī)在Internet注的位置是由其IP地址確定的，主機(jī)必須在
網(wǎng)中處于由其IP地址標(biāo)示的地方，才可以接收到發(fā)給它的數(shù)據(jù)。所以就有必要另外設(shè)計(jì)一
種基于現(xiàn)有IP協(xié)議的、支持主機(jī)無(wú)縫漫游的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。
    一、 Mobile IP的研究情況
    移動(dòng)主機(jī)如何高效地訪問(wèn)Internet，以及如何向移動(dòng)用戶(hù)提供透明的Internet信息服
務(wù)仍是一個(gè)在廣泛討論的問(wèn)題，目前，已提出了幾種解決方案。
    第一個(gè)移動(dòng)主機(jī)協(xié)議稱(chēng)作Mobile IP，由哥倫比亞大學(xué)的John Ioannidis設(shè)計(jì)。它使
用了虛擬移動(dòng)子網(wǎng)和IPIP（IP in IP），打包。與此同時(shí)，Sony公司的 Fumio Terqoka設(shè)
計(jì)了另一種移動(dòng)主機(jī)協(xié)議——虛擬IP（VIP）。VIP協(xié)議使用了特殊的路由器來(lái)記憶移動(dòng)主
機(jī)的位置，并定義了新的IP頭選項(xiàng)來(lái)傳遞數(shù)據(jù)。隨后，IBM的C．Perking和Y．Reckter也
設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)主機(jī)協(xié)議，這種協(xié)議利用現(xiàn)有IP協(xié)議中的可選功能——松散源選徑（Loose
 Source Routing）來(lái)支持主機(jī)的移動(dòng)。
    1994年A．Myles和C．Perking分析了前三種移動(dòng)主機(jī)協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)了一種
協(xié)議： MIP，并將它提交給IETF。MIP后來(lái)發(fā)展成了MobileIP協(xié)議。同年，卡耐基·梅隆
大學(xué)（CMU）的D．B．Johnson設(shè)計(jì)了MHRP協(xié)議。它與松散源選徑類(lèi)似，不同之處是松散源
選徑是利用IP頭的選項(xiàng)，而MHRP重新定義了一種打包協(xié)議來(lái)代替松散源選徑。
    不管是MHRP還是MIP在安全性上都存在嚴(yán)重的問(wèn)題。因此，A．Mnles，C．Perkinn和
D．B．Johnson共同制定了IMHP。IMHP引入了一種新的安全機(jī)制并提出了簡(jiǎn)單認(rèn)證的概念，
后來(lái)這一概念被IPv6所借鑒。
    主機(jī)漫游軟件的研發(fā)在國(guó)際上也是個(gè)熱點(diǎn)課題，CMU、紐約大學(xué)、瑞典皇家學(xué)院、FTP
 Software，IBM，摩托羅拉。諾基亞，SUN，Telxon等的研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行這方面的研究，
其中最具影響力的當(dāng)屬I(mǎi)ETF的網(wǎng)間漫游工作組。
    IETF的網(wǎng)間漫游工作小組一直致力于在Internet上提供主機(jī)可移動(dòng)性的標(biāo)準(zhǔn)。該工作
組已提出了在現(xiàn)存的IP協(xié)議之上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間漫游的許多工作，并于1996年11月公布為建議標(biāo)
準(zhǔn)（Proposed Standard）。該標(biāo)準(zhǔn)包括下面的RFC文件：
    RFC 2002：定義了Mobile IP協(xié)議；
    RFC 2003，2004和1701：定義了Mobile IP中用到的三種隧道技術(shù)；
    RFC 2005：敘述了Mobile IP的應(yīng)用；
    RFC 2006：定義了MobileIP的管理信息庫(kù)MIB。MobileIP的MIB庫(kù)是實(shí)現(xiàn)Mobile IP的節(jié)
點(diǎn)的變量集合，管理平臺(tái)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMPV2對(duì)這些變量進(jìn)行檢查和配置。除了
以上工作，還提出許多性能優(yōu)化草案，以及IPv6的移動(dòng)性草案，等等。
    二、 Mobd6IP基本機(jī)制
    Mobile IP是一種在全球Internet上提供移動(dòng)功能的方案，使節(jié)點(diǎn)在切換鏈路時(shí)仍可保
持正在進(jìn)行的通信。它提供了一種IP路由機(jī)制，使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以一個(gè)永久的IP地址連接到任
何鏈路上。與特定主機(jī)路由技術(shù)和數(shù)據(jù)鏈路層方案不同，Mobile IP還要解決安全性和可靠
性問(wèn)題，并與傳輸媒介無(wú)關(guān)。Mobile IP的可擴(kuò)展性使其可以在整個(gè)Internet上應(yīng)用。
    三個(gè)子網(wǎng)分別是不同的IP子網(wǎng)， MH1是歸屬于子網(wǎng)1的移動(dòng)主機(jī)， HA1與FA1，HA2與
FA2分別是子網(wǎng)1與子網(wǎng)2的家代理與外地代理。當(dāng)MH1由子網(wǎng)1漫游到子網(wǎng)2時(shí)，稱(chēng)子網(wǎng)1是
MH1的家網(wǎng)，稱(chēng)子網(wǎng)2是MH1的訪問(wèn)網(wǎng)或外地網(wǎng)。對(duì)MH1的漫游管理將由FA2與HA1協(xié)作完成。
當(dāng)MH檢測(cè)出它已經(jīng)漫游至外地網(wǎng)時(shí)，它將通過(guò)外地網(wǎng)的AP從FA處獲得一個(gè)轉(zhuǎn)變地址。轉(zhuǎn)交
地址有兩種類(lèi)型：FA轉(zhuǎn)交地址和配置轉(zhuǎn)交地址。MH把這個(gè)轉(zhuǎn)交地址通過(guò)Internet通知它的
HA。此后，其它子網(wǎng)發(fā)給該MH的IP數(shù)據(jù)報(bào)仍將發(fā)給其家網(wǎng)，在家網(wǎng)由HA通過(guò)代理ARP吸引
發(fā)向MH的報(bào)文，把發(fā)至MH的IP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行重新裝配，裝配時(shí)只把IP數(shù)據(jù)報(bào)的宿IP地址域作
為MH的轉(zhuǎn)交地址（隧道技術(shù)），然后再發(fā)送出去。如果轉(zhuǎn)交地址是FA轉(zhuǎn)交地址，則隧道的
接收端是FA。FA把重新裝配的IP數(shù)據(jù)報(bào)恢復(fù)成原來(lái)的格式再轉(zhuǎn)交給MH。如果轉(zhuǎn)交地址是配
置轉(zhuǎn)交地址，則隧道的接收端是該MH，由它自己完成拆包工作。當(dāng)MH在外地網(wǎng)發(fā)送IP數(shù)據(jù)
報(bào)時(shí)，使用正常的IP協(xié)議發(fā)送，無(wú)需HA與FA的介入。子網(wǎng)C中的固定主機(jī)SH發(fā)向MH的報(bào)文
先到達(dá)子網(wǎng)A，然后再通過(guò)隧道發(fā)向子網(wǎng)B。這樣使得一個(gè)移動(dòng)用戶(hù)在從A網(wǎng)移動(dòng)到B網(wǎng)的過(guò)
程中，不需要重新配置、重起主機(jī)，更值得注意的是，用戶(hù)也不需要重起應(yīng)用。例如，用
戶(hù)在從A網(wǎng)移動(dòng)到B網(wǎng)的過(guò)程中進(jìn)行FTP文件下載，該程序不會(huì)因?yàn)榍袚Q到不同的子網(wǎng)而中
斷連接，從而實(shí)現(xiàn)了操作透明性。
    三、移動(dòng)IP的TCP性能
    同正常的IP路由機(jī)制比較，移動(dòng)IP路由機(jī)制帶來(lái)了許多額外開(kāi)銷(xiāo)（Overhead）（如隧
道開(kāi)銷(xiāo)、三角路由開(kāi)銷(xiāo)和分片開(kāi)銷(xiāo)），以及切換延遲問(wèn)題，它們?cè)谝黄饘⒋蟠蠼档屯掏滦?br />能。
    所謂隧道開(kāi)銷(xiāo)是指在Mobile IP運(yùn)作過(guò)程中，引人了家代理打包和外地代理解包的額
外開(kāi)銷(xiāo)；三角路由開(kāi)銷(xiāo)是指IP報(bào)文不是直接發(fā)向移動(dòng)主機(jī)而是先發(fā)給家代理然后再轉(zhuǎn)交給
外地代理，于是也引入了開(kāi)銷(xiāo)；分片開(kāi)銷(xiāo)是指任何一條路徑可能包含多條鏈路，而每一條
鏈路并不一定都采用相同的最大幀長(zhǎng)，一條鍵路上的報(bào)文如果大于另一條鏈路上的最大幀
長(zhǎng)，就不得不被分為兩個(gè)或更多的報(bào)文，從而引入分片開(kāi)銷(xiāo)。
    新加坡國(guó)立大學(xué)的FOO等人為此做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。在這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞那闆r下對(duì)各種開(kāi)
銷(xiāo)進(jìn)行測(cè)試，得到以下結(jié)果：當(dāng)移動(dòng)主機(jī)從家網(wǎng)移動(dòng)到外地網(wǎng)以后，Mobile IP路由機(jī)制
帶來(lái)的總開(kāi)銷(xiāo)為正常路由機(jī)制的90％，也就是說(shuō)外地移動(dòng)主機(jī)下載同一個(gè)文件所用的時(shí)間
將是本地移動(dòng)主機(jī)在相同情況下的1.9倍。其中隧道開(kāi)銷(xiāo)占6.6％，分片開(kāi)銷(xiāo)占6.3%，三角
路由開(kāi)銷(xiāo)占76.5％。當(dāng)然以上實(shí)驗(yàn)是在特定情況下的測(cè)試結(jié)果。不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠蚨嗷蛏?br />會(huì)有些改變，但可以肯定，三角路由開(kāi)銷(xiāo)是占很大比例的。
    因此，IETF移動(dòng)工作組下一步工作重點(diǎn)之一就是解決三角路由開(kāi)銷(xiāo)及優(yōu)化路由的問(wèn)題。
最簡(jiǎn)單的方法就是將移動(dòng)主機(jī)的轉(zhuǎn)交地址通過(guò)某種機(jī)制通知對(duì)端的通信主機(jī)，使得對(duì)瑞主
機(jī)發(fā)給移動(dòng)主機(jī)的報(bào)文直接發(fā)給移動(dòng)主機(jī)，而不用先發(fā)給HA。但這樣做會(huì)帶來(lái)許多問(wèn)題，
如IPV4存在兼容性不好的問(wèn)題，而在IPV6中存在密鑰分配問(wèn)題。
    除了以上的開(kāi)銷(xiāo)，還存在切換時(shí)延問(wèn)題。MobileIP是解決移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在不同子網(wǎng)之間連
續(xù)移動(dòng)的問(wèn)題，因而必然帶來(lái)切換問(wèn)題。在Mobile IP機(jī)制下，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)連續(xù)三次未收
到注冊(cè)代理的代理公告時(shí)，才同新的代理發(fā)起網(wǎng)絡(luò)層切換。由此可見(jiàn)，當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)，
必然在大約等于三次代理公告的時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)連接，即使移動(dòng)生機(jī)可以收到新
代理的公告。在RFC 2002中，代理公告的最小間隙為1s，于是，每一次切換將至少導(dǎo)致
2.5s的連接丟失。這就是MIP帶來(lái)的切換時(shí)延。在下一個(gè)公告到達(dá)之前，當(dāng)前代理的鏈路
連接隨機(jī)斷開(kāi)，服從均勻分布，這使得網(wǎng)絡(luò)連接丟失了為平均時(shí)間2.5倍的代理公告間隙。
值得注意的是，網(wǎng)絡(luò)連接的丟失會(huì)大大影響TCP性能，這主要是TCP的慢啟動(dòng)特性決定的。
    簡(jiǎn)單地提高代理公告的頻率就可以減少切換時(shí)延，但這種方法使得更多的網(wǎng)絡(luò)資源用
于代理公告，減少了帶寬利用率。一個(gè)代理公告至少50個(gè)字節(jié)，如果公告間隙為10ms，那
么MIP切換時(shí)延就為25ms，公告速率為40 kbit／s，為2MHz帶寬無(wú)線鏈路的2％，這種方式
適合帶寬富裕的情況。
    另一種減少切換時(shí)延的方式是TCP。該方式采用快啟動(dòng)方式，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上的TCP應(yīng)在新
鏈路上注冊(cè)后立即進(jìn)入快速重發(fā)，而不是等待超時(shí)。這種方法關(guān)系到Mobile  IP軟件和
TCP軟件的配合，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和對(duì)端節(jié)點(diǎn)TCP和Mobile IP協(xié)議棧不得不被修改。
    四、結(jié)語(yǔ)
    綜上所述，Mobile IP解決了網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性問(wèn)題是Internet移動(dòng)性支持的必經(jīng)之路，它
實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)層的操作透明性，但是，Mobile IP還存在許多問(wèn)題，如何提供移動(dòng)網(wǎng)
絡(luò)的性能透明性是今后的主攻方向。



摘自《現(xiàn)代電信科技》