移動IP及基于IPv6的切換

徐 晶 曹達仲 天津大學(xué)

　　【摘要】本文首先對移動IP的工作原理作了簡單的介紹，進而提出作為未來移動網(wǎng)絡(luò)首選的移動IPv6協(xié)議的特點。在此基礎(chǔ)上，對基于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通信方便、快捷的特點完美地結(jié)合在一起，必將導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信發(fā)生與語音通信一樣的變革，締造出人類個人通信的美好藍圖：人類將實現(xiàn)在任何時間、在任何地點、可以用任何一種媒體與任何一個人進行通信的夢想。兩者相結(jié)合的產(chǎn)物就是目前人們普遍關(guān)注的移動互聯(lián)網(wǎng)，其協(xié)議的基礎(chǔ)就是移動IP協(xié)議。

2 移動IP的概念

2.1 移動IP

　　移動網(wǎng)是指移動電話用戶利用手機、筆機本電腦、PDA、掌上型電腦等移動終端通過蜂窩網(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性支持。針對這一情況，IETF于1996年開始制定支持移動因特網(wǎng)的協(xié)議，即移動IP協(xié)議。移動IP是一種在全球因特網(wǎng)上提供移動功能的網(wǎng)絡(luò)層方案，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正在進行的通信。值得特別注意的是，移動IP提供了一種IP路由機制，使移動節(jié)點可以以一個永久的IP地址連接到任何鏈路上。

2.2 基于IPv6的移動IP

　　移動IP協(xié)議有兩種版本：基于IPv4的移動IPv4和基于IPv6的移動IPv6。

IPv6相對于IPv4而言，具有如下的優(yōu)勢：

●足夠多的IP地址；

●要求安全數(shù)據(jù)包頭的實現(xiàn)；

●目的選項提高了路由效率；

●地址自動配置：

●避免入口過濾：

●錯誤恢復(fù)沒有軟狀態(tài)“瓶頸”。

　　因此，基于IPv6的移動IP更易于實現(xiàn)和使用，此外它的設(shè)計還吸收了移動IPv4發(fā)展的經(jīng)驗。我們相信未來移動網(wǎng)絡(luò)應(yīng)首選基于IPv6的移動IP。

3 移動IP的工作原理

　　類似于處理蜂窩移動電話的呼叫，移動IP使用漫游、位置登記、隧道技術(shù)、鑒權(quán)等技術(shù)，使移動節(jié)點使用固定不變的IP地址，一次登錄即可實現(xiàn)在任意位置（包括移動節(jié)點從一個IP于網(wǎng)漫游到另一個IP了網(wǎng)時）上保持與IP主機的單一鏈路層連接，使通信持續(xù)進行。

3.1 通信節(jié)點（CN）→移動節(jié)點（MN）

　　（1）代理發(fā)現(xiàn)：通過周期地多播或廣播一個稱為代理廣播（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：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，就向本地代理注銷，并開始像固定主機或路由器那樣進行通信，即不再利用下面的移動IP功能。

　　●當(dāng)MN發(fā)現(xiàn)自己連在一條外地鏈路上時，它就得到一個轉(zhuǎn)交地址，并通過外地代理（如果在外地鏈路上有一個代理的話）向本地代理注冊這個轉(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，廣播對移動節(jié)點本地地址的網(wǎng)絡(luò)前綴的可達性，從而吸引發(fā)往移動節(jié)點本地地址的數(shù)據(jù)分組：

　　本地代理截取這個分組，并根據(jù)移動節(jié)點注冊的轉(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節(jié)點的一個端口，原始數(shù)據(jù)分組被從隧道中提取出來送給移動節(jié)點。

3.2 移動節(jié)點（MN）→通信節(jié)點（CN）

　　由MN發(fā)出的數(shù)據(jù)分組被直接選路到目的節(jié)點上，無需隧道技術(shù)，即采用正常的IP路由。對所有來訪的移動節(jié)點發(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離開本地鏈路進入外地鏈路時，或者是由一個外地鏈路進入到另一個外地鏈路時，就需要進行切換，已是移動IP中的一項有待解決與改進的關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 切換的過程

　　（1）鏈路層切換：當(dāng)MN由一個網(wǎng)絡(luò)接入點改接到另一個接入點（可能同屬一個子網(wǎng)，也可能分屬不同子網(wǎng)）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(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)移動到新的外地子網(wǎng)時，首先從外地子網(wǎng)獲得轉(zhuǎn)交地址，并發(fā)送注冊請求向HA注冊新的轉(zhuǎn)交地址。HA收到注冊請求后給MN發(fā)送注冊應(yīng)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IPv6的特點

（1）IPv6巨大的地址空間使移動性實現(xiàn)起來更加簡單；

（2）移動節(jié)點的轉(zhuǎn)交地址可通過無狀態(tài)或者有狀態(tài)地址自動配置來獲得，簡化了對MN的轉(zhuǎn)交地址的分配；

（3）移動節(jié)點能把自己的轉(zhuǎn)交地址告訴每個通信節(jié)點，從而避免了三角路由問題，實現(xiàn)了路由的優(yōu)化。

（4）移動IPv6中不再需要外地代理；

（5）移動IPv6提供了一種動態(tài)本地代理地址發(fā)現(xiàn)機制，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，雖然移動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還是大量存在的，尤其是IP層內(nèi)進行的注冊過程導(dǎo)致的切換延時是急待解決的。

　　既然移動IP是移動通信與因特網(wǎng)的結(jié)合，我們完全可以借助于移動通信中的切換算法解決移動IP的切換問題，具體方案如下：

　　在所有外地鏈路中設(shè)置一臺主機作為外地本地代理（FHA），它相當(dāng)于移動通信系統(tǒng)中的移動交換中心（MSC）；外地本地代理中設(shè)置一個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IPv6中移動節(jié)點的轉(zhuǎn)交地址可以通過網(wǎng)絡(luò)前綴加上其MAC層地址來自動配置，所以當(dāng)尋址到MN的分組到達FHA時，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)交地址進行組播，從而使移動節(jié)點在該區(qū)域內(nèi)的任何一個子網(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，大大降低了移動性帶來的頻繁注冊導(dǎo)致的切換延時；并將FHA等效為MSC，大大提高了移動IP的移動性管理功能。

（2）平滑切換

　　平滑切換是針對降低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節(jié)點剛剛移動到一個新的子網(wǎng)還沒有完成注冊，同時原先轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包還沒有發(fā)完，此時，移動節(jié)點要求當(dāng)前子網(wǎng)的路由器緩存它的數(shù)據(jù)包，直到移動節(jié)點完成向新子網(wǎng)內(nèi)路由器的注冊過程。一旦注冊完成，移動節(jié)點在新網(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，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)置一個默認為注冊完成的門限時間，這個門限時間類似于越區(qū)切換中的切換門限，它可通過訓(xùn)練序列得出。一旦達到了此門限時間就向原子網(wǎng)絡(luò)的路由器發(fā)送準備轉(zhuǎn)發(fā)消息，并將用于監(jiān)測注冊過程的計時器置0。

5 基于IPv6的研究展望

　�。�1）平滑切換中的注冊完成判斷方法的確定，如門限時間的選擇。

　�。�2）為了減少分組丟失，還可以考慮一種檢測系統(tǒng)，利用它對MN的運行方向進行估計，預(yù)測出即將發(fā)生的切換，預(yù)先做好切換準備，

　　（3）如何將快速切換與平滑切換結(jié)合，實現(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注冊了多個轉(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。如果對整個網(wǎng)絡(luò)采用移動IPv6協(xié)議，移動節(jié)點在小范圍內(nèi)的移動就可能引起頻繁的切換，產(chǎn)生大量的注冊更新消息，從而增加網(wǎng)絡(luò)負擔(dān)，同時也會使切換的延時增加，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IPv6協(xié)議中引入層次的概念，將移動協(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IPv6協(xié)議。微觀移動協(xié)議由于在域內(nèi)移動時不需要本地代理進行注冊，因此大大減少了切換延時。

　�。�6）由上述思想引發(fā)的如何使宏觀與微觀移動IPv6協(xié)議更好結(jié)合，將會是無線互聯(lián)網(wǎng)的研究趨勢。

6 結(jié)束語

　　目前，移動IP還處于一種“概念”階段，除了極少數(shù)的運營商已經(jīng)開始提供業(yè)務(wù)外，絕大多數(shù)運營商都處于試驗和觀望的狀態(tài)。切換是移動IP中一項極為重要的關(guān)鍵技術(shù)，對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。

----《移動通信在線》