徐 晶 曹達(dá)仲 天津大學(xué)
【摘要】本文首先對(duì)移動(dòng)IP的工作原理作了簡(jiǎn)單的介紹,進(jìn)而提出作為未來移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)首選的移動(dòng)IPv6協(xié)議的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)基于IPv6的各種切換方案作了深入的探討,引入了類比于3G移動(dòng)通信切換的思路,提出了基于IPv6切換的下一步研究方向。
1 引言
因特網(wǎng)和移動(dòng)通信已逐漸成為當(dāng)今世界通信領(lǐng)域的兩大潮流,深入到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域,引發(fā)了工作和生活模式的巨大變革。我們可以想見,若將因特網(wǎng)在全球范圍無孔不入的覆蓋和移動(dòng)通信方便、快捷的特點(diǎn)完美地結(jié)合在一起,必將導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信發(fā)生與語(yǔ)音通信一樣的變革,締造出人類個(gè)人通信的美好藍(lán)圖:人類將實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、在任何地點(diǎn)、可以用任何一種媒體與任何一個(gè)人進(jìn)行通信的夢(mèng)想。兩者相結(jié)合的產(chǎn)物就是目前人們普遍關(guān)注的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng),其協(xié)議的基礎(chǔ)就是移動(dòng)IP協(xié)議。
2 移動(dòng)IP的概念
2.1 移動(dòng)IP
移動(dòng)網(wǎng)是指移動(dòng)電話用戶利用手機(jī)、筆機(jī)本電腦、PDA、掌上型電腦等移動(dòng)終端通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無線信道接入因特網(wǎng)的業(yè)務(wù)。
現(xiàn)在的因特網(wǎng)協(xié)議是IPv4版本,但其不提供任何移動(dòng)性支持。針對(duì)這一情況,IETF于1996年開始制定支持移動(dòng)因特網(wǎng)的協(xié)議,即移動(dòng)IP協(xié)議。移動(dòng)IP是一種在全球因特網(wǎng)上提供移動(dòng)功能的網(wǎng)絡(luò)層方案,它具有可擴(kuò)展性?煽啃院桶踩,并使節(jié)點(diǎn)在切換鏈路時(shí)仍可保持正在進(jìn)行的通信。值得特別注意的是,移動(dòng)IP提供了一種IP路由機(jī)制,使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以以一個(gè)永久的IP地址連接到任何鏈路上。
2.2 基于IPv6的移動(dòng)IP
移動(dòng)IP協(xié)議有兩種版本:基于IPv4的移動(dòng)IPv4和基于IPv6的移動(dòng)IPv6。
IPv6相對(duì)于IPv4而言,具有如下的優(yōu)勢(shì):
●足夠多的IP地址;
●要求安全數(shù)據(jù)包頭的實(shí)現(xiàn);
●目的選項(xiàng)提高了路由效率;
●地址自動(dòng)配置:
●避免入口過濾:
●錯(cuò)誤恢復(fù)沒有軟狀態(tài)“瓶頸”。
因此,基于IPv6的移動(dòng)IP更易于實(shí)現(xiàn)和使用,此外它的設(shè)計(jì)還吸收了移動(dòng)IPv4發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)。我們相信未來移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)首選基于IPv6的移動(dòng)IP。
3 移動(dòng)IP的工作原理
類似于處理蜂窩移動(dòng)電話的呼叫,移動(dòng)IP使用漫游、位置登記、隧道技術(shù)、鑒權(quán)等技術(shù),使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)使用固定不變的IP地址,一次登錄即可實(shí)現(xiàn)在任意位置(包括移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)IP于網(wǎng)漫游到另一個(gè)IP了網(wǎng)時(shí))上保持與IP主機(jī)的單一鏈路層連接,使通信持續(xù)進(jìn)行。
3.1 通信節(jié)點(diǎn)(CN)→移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(MN)
。1)代理發(fā)現(xiàn):通過周期地多播或廣播一個(gè)稱為代理廣播(Agent Advertisements)的消息,本地代理和外地代理宣告它們與鏈路的連接關(guān)系。
(2)注冊(cè):MN收到這些代理廣播消息后,檢查其中的內(nèi)容以確定自己是連在本地鏈路還是外地鏈路上。
●當(dāng)MN發(fā)現(xiàn)自己連在本地鏈路上時(shí),就向本地代理注銷,并開始像固定主機(jī)或路由器那樣進(jìn)行通信,即不再利用下面的移動(dòng)IP功能。
●當(dāng)MN發(fā)現(xiàn)自己連在一條外地鏈路上時(shí),它就得到一個(gè)轉(zhuǎn)交地址,并通過外地代理(如果在外地鏈路上有一個(gè)代理的話)向本地代理注冊(cè)這個(gè)轉(zhuǎn)交地址。
。3)分組傳送:本地代理或者是在本地鏈路上的其它一些路由器,廣播對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)本地地址的網(wǎng)絡(luò)前綴的可達(dá)性,從而吸引發(fā)往移動(dòng)節(jié)點(diǎn)本地地址的數(shù)據(jù)分組:
本地代理截取這個(gè)分組,并根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)注冊(cè)的轉(zhuǎn)交地址,通過隧道將數(shù)據(jù)分組傳送給MN。
在轉(zhuǎn)交地址處——可能是外地代理或移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)端口,原始數(shù)據(jù)分組被從隧道中提取出來送給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
3.2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(MN)→通信節(jié)點(diǎn)(CN)
由MN發(fā)出的數(shù)據(jù)分組被直接選路到目的節(jié)點(diǎn)上,無需隧道技術(shù),即采用正常的IP路由。對(duì)所有來訪的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的分組來說,外地代理完成路由器的功能。
4 基于IPv6的切換
當(dāng)MN離開本地鏈路進(jìn)入外地鏈路時(shí),或者是由一個(gè)外地鏈路進(jìn)入到另一個(gè)外地鏈路時(shí),就需要進(jìn)行切換,已是移動(dòng)IP中的一項(xiàng)有待解決與改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)。
4.1 切換的過程
。1)鏈路層切換:當(dāng)MN由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)改接到另一個(gè)接入點(diǎn)(可能同屬一個(gè)子網(wǎng),也可能分屬不同子網(wǎng))時(shí),首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路層的切換。這一層的切換過程是由各個(gè)子網(wǎng)所使用的底層通信技術(shù)決定的。
。2)IP層切換:當(dāng)MN判斷出自己已經(jīng)移動(dòng)到新的外地子網(wǎng)時(shí),首先從外地子網(wǎng)獲得轉(zhuǎn)交地址,并發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求向HA注冊(cè)新的轉(zhuǎn)交地址。HA收到注冊(cè)請(qǐng)求后給MN發(fā)送注冊(cè)應(yīng)答,這樣就完成了一次新的注冊(cè)過程。之后,HA開始將目的地址為MN的IP包通過隧道發(fā)送到MN的當(dāng)前位置,隧道的出口即為新的轉(zhuǎn)交地址,從而完成了一次完整的切換。
4.2 移動(dòng)IPv6的特點(diǎn)
(1)IPv6巨大的地址空間使移動(dòng)性實(shí)現(xiàn)起來更加簡(jiǎn)單;
(2)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址可通過無狀態(tài)或者有狀態(tài)地址自動(dòng)配置來獲得,簡(jiǎn)化了對(duì)MN的轉(zhuǎn)交地址的分配;
(3)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能把自己的轉(zhuǎn)交地址告訴每個(gè)通信節(jié)點(diǎn),從而避免了三角路由問題,實(shí)現(xiàn)了路由的優(yōu)化。
(4)移動(dòng)IPv6中不再需要外地代理;
(5)移動(dòng)IPv6提供了一種動(dòng)態(tài)本地代理地址發(fā)現(xiàn)機(jī)制,解決了地址解析協(xié)議(ARP)的局限性。
4.3 基于IPv6的切換方案
(1)快速切換
所謂快速切換即意味著低延時(shí),雖然移動(dòng)IPv6采用了路由優(yōu)化技術(shù),但是在鏈路層及IP層切換過程中的分組延時(shí)還是大量存在的,尤其是IP層內(nèi)進(jìn)行的注冊(cè)過程導(dǎo)致的切換延時(shí)是急待解決的。
既然移動(dòng)IP是移動(dòng)通信與因特網(wǎng)的結(jié)合,我們完全可以借助于移動(dòng)通信中的切換算法解決移動(dòng)IP的切換問題,具體方案如下:
在所有外地鏈路中設(shè)置一臺(tái)主機(jī)作為外地本地代理(FHA),它相當(dāng)于移動(dòng)通信系統(tǒng)中的移動(dòng)交換中心(MSC);外地本地代理中設(shè)置一個(gè)MN的緩存列表,用來記錄其所管理區(qū)域內(nèi)的所有MN。由于移動(dòng)IPv6中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址可以通過網(wǎng)絡(luò)前綴加上其MAC層地址來自動(dòng)配置,所以當(dāng)尋址到MN的分組到達(dá)FHA時(shí),F(xiàn)HA查詢其MN緩存列表,并利用蜂窩組播技術(shù)向該區(qū)域內(nèi)具有相同MAC地址的轉(zhuǎn)交地址進(jìn)行組播,從而使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在該區(qū)域內(nèi)的任何一個(gè)子網(wǎng)上都能收到數(shù)據(jù)。
此方案用外地本地代理代替了網(wǎng)絡(luò)中所有子網(wǎng)的外地代理,大大降低了移動(dòng)性帶來的頻繁注冊(cè)導(dǎo)致的切換延時(shí);并將FHA等效為MSC,大大提高了移動(dòng)IP的移動(dòng)性管理功能。
(2)平滑切換
平滑切換是針對(duì)降低IP數(shù)據(jù)包丟失率而提出的一種切換方案。
IP數(shù)據(jù)包的丟失往往是由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)剛剛移動(dòng)到一個(gè)新的子網(wǎng)還沒有完成注冊(cè),同時(shí)原先轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包還沒有發(fā)完,此時(shí),移動(dòng)節(jié)點(diǎn)要求當(dāng)前子網(wǎng)的路由器緩存它的數(shù)據(jù)包,直到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)完成向新子網(wǎng)內(nèi)路由器的注冊(cè)過程。一旦注冊(cè)完成,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在新網(wǎng)絡(luò)中就有了合法的轉(zhuǎn)交地址,緩存的數(shù)據(jù)包從先前的路由器轉(zhuǎn)發(fā)過來,從而減少了移動(dòng)過程中的數(shù)據(jù)包丟失的可能性。
目前,如何判斷MN已完成注冊(cè),開始轉(zhuǎn)發(fā)緩存的數(shù)據(jù)包是仍待解決的問題。同樣引入移動(dòng)通信系統(tǒng)切換的想法,本文提出了一種解決方案:設(shè)置一個(gè)默認(rèn)為注冊(cè)完成的門限時(shí)間,這個(gè)門限時(shí)間類似于越區(qū)切換中的切換門限,它可通過訓(xùn)練序列得出。一旦達(dá)到了此門限時(shí)間就向原子網(wǎng)絡(luò)的路由器發(fā)送準(zhǔn)備轉(zhuǎn)發(fā)消息,并將用于監(jiān)測(cè)注冊(cè)過程的計(jì)時(shí)器置0。
5 基于IPv6的研究展望
(1)平滑切換中的注冊(cè)完成判斷方法的確定,如門限時(shí)間的選擇。
。2)為了減少分組丟失,還可以考慮一種檢測(cè)系統(tǒng),利用它對(duì)MN的運(yùn)行方向進(jìn)行估計(jì),預(yù)測(cè)出即將發(fā)生的切換,預(yù)先做好切換準(zhǔn)備,
。3)如何將快速切換與平滑切換結(jié)合,實(shí)現(xiàn)無縫切換。
(4)為了使用戶能利用最佳網(wǎng)絡(luò)為它服務(wù),David Lee及William Lee提出了多接口/多連接的概念,但MN注冊(cè)了多個(gè)轉(zhuǎn)交地址后,本地代理如何確定最優(yōu)的發(fā)送轉(zhuǎn)交網(wǎng)絡(luò)將是今后解決最優(yōu)化的關(guān)鍵。
。5)目前,無線接入網(wǎng)一般均采用蜂窩結(jié)構(gòu),而且蜂窩的范圍趨向于微蜂窩甚至于微微蜂窩。如果對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用移動(dòng)IPv6協(xié)議,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在小范圍內(nèi)的移動(dòng)就可能引起頻繁的切換,產(chǎn)生大量的注冊(cè)更新消息,從而增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān),同時(shí)也會(huì)使切換的延時(shí)增加,IP數(shù)據(jù)包的丟失率提高。所以,我們可以類似于移動(dòng)通信中同頻小區(qū)采用軟切換,不同頻率的小區(qū)采用硬切換的思路,在移動(dòng)IPv6協(xié)議中引入層次的概念,將移動(dòng)協(xié)議分為宏觀與微觀協(xié)議兩種,在無線接入網(wǎng)域內(nèi)采用微觀移動(dòng)協(xié)議(即將MN的切換限制在小范圍),在域間采用目前的移動(dòng)IPv6協(xié)議。微觀移動(dòng)協(xié)議由于在域內(nèi)移動(dòng)時(shí)不需要本地代理進(jìn)行注冊(cè),因此大大減少了切換延時(shí)。
。6)由上述思想引發(fā)的如何使宏觀與微觀移動(dòng)IPv6協(xié)議更好結(jié)合,將會(huì)是無線互聯(lián)網(wǎng)的研究趨勢(shì)。
6 結(jié)束語(yǔ)
目前,移動(dòng)IP還處于一種“概念”階段,除了極少數(shù)的運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開始提供業(yè)務(wù)外,絕大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商都處于試驗(yàn)和觀望的狀態(tài)。切換是移動(dòng)IP中一項(xiàng)極為重要的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)IPv6及基于它的切換的研究必將為通信的未來帶來光明的前景,最大限度得服務(wù)于人們的工作和生活。
----《移動(dòng)通信在線》