曲阜師范大學博士 碩士學位論文原創性說明 在口劃 4 本人鄭重聲明 此處所提交的博士口碩士叫論文 無線i p v 6 快速切 換技術的分析與研究 是本人在導師指導下 在曲阜師范大學攻讀博士口 碩士d 學位期間獨立進行研究工作所取得的成果 論文中除注明部分外不包 含他人已經發表或撰寫的研究成果 對本文的研究工作做出重要貢獻的個人 和集體 均已在文中已明確的方式注明 本聲明的法律結果將完全由本人承 擔 作者簽名 套鎣芎 日期 陽勿 石 2 曲阜師范大學博士 碩士學位論文使用授權書 在口劃 無線i p v 6 快速切換技術的分析與研究 系本人在曲阜師范大學攻讀博 士口碩士a 學位期間 在導師指導下完成的博士口碩士釁位論文 本 論文的研究成果歸曲阜師范大學所有 本論文的研究內容不得以其他單位的 名義發表 本人完全了解曲阜師范大學關于保存 使用學位論文的規定 同 意學校保留并向有關部門送交論文的復印件和電子版本 允許論文被查閱和 借閱 本人授權曲阜師范大學 可以采用影印或其他復制手段保存論文 可 以公開發表論文的全部或部分內容口 作者簽名 李璽苛 導師簽名 南仲含 日期 幻 彳 2 日期 知肋 么 弓 摘要 隨著無線技術的高速發展 i n t e m e t 技術和移動通信技術已成為信息領域中發展最快的 兩大關鍵技術 移動通信和i p 技術的結合是通信技術發展的必然結果 移動i p v 6 網絡已成 為未來互聯網絡的發展方向 由于傳統固定接入方式已不再滿足人們的需求 人們希望在 移動過程中仍能保持對互聯網的連續訪問 因此移動i p v 6 協議成為下一代互聯網絡的核心 協議 從移動i p v 6 協議提出后 移動i p v 6 的切換優化問題就一直是業界關注的熱點 移動i p v 6 的切換協議是指移動節點從當前鏈路移動到外地鏈路 在移動過程中仍然能 夠保持通信的持續性 由于基本移動i p v 6 協議的切換延遲較大 造成了切換過程中的通信 中斷和數據包丟失 無法滿足實時應用和對數據丟失敏感應用的要求 為此i e t f 成立了一 個工作組 研究如何對切換過程進行優化 以減少切換延遲及數據包丟失 在移動i p v 6 研 究領域中 對移動i p v 6 切換技術的改進成為一個熱點課題 本文詳細敘述了基本的移動i p v 6 協議和移動i p v 6 快速切換協議的操作過程 對移動 i p v 6 快速切換機制及其鏈路層切換 移動檢測過程 地址配置和重復地址檢測過程以及綁 定更新過程進行了系統全面的分析 針對當前的移動i p v 6 快速切換協議仍然有較大的切換 時延 切換過程中存在較大的丟包率等問題 本文提出了一種基于鏈路層觸發器的移動 i p v 6 預先式快速切換方法 該快速切換方法是通過使用鏈路層觸發器和快速路由器通告來 獲取接入路由器的i p 地址信息 使移動節點在盡可能早的時間內生成新的轉交地址 并且 提前建立兩個路由器之間的雙向隧道進行數據包傳輸 使新的接入路由器具有分組緩存功 能來減少數據包的丟失 減少切換過程的時延 在網絡模擬器n s 2 的實驗平臺上 添加無線擴展協議n o a h 模塊和移動i p v 6 切換改 進協議f h m i p 模塊 通過n s 2 網絡模擬環境對基本的移動i p v 6 切換技術 移動i p v 6 快 速切換技術和基于鏈路層觸發器的預先式快速切換技術進行模擬仿真 根據實驗所得數據 對三種切換技術的切換性能進行對比分析 從而證實了基于鏈路層觸發器的預先式快速切 換技術減少了切換延遲和因切換造成的丟包率 保持了移動節點在切換過程中通信的連續 性 提高了切換和通信的性能 關鍵詞 移動i p v 6 快速移動i p v 6 切換時延 丟包率 n s 2 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s st e c h n o l o g y i n t e m e tt e c h n o l o g ya n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y 嬲t w ok e yt e c h n o l o g i e sh a sb e c o m et h ef a s t e s tg r o w i n gf i e l do f i n f o r m a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa n di pt e c h n o l o g ya r ec o m b i n e d a n dt h en e t w o r ko f m o b i l ei p v 6h a sb e c o m et h ed i r e c t i o no ff u t u r ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e t t h et r a d i t i o n a l f i x e da c c e s sw a y sa r en ol o n g e rs a t i s f yt h en e e d so fp e o p l e i ti sh o p e dt h a tt h em o v ec a ns t i l l m a i n t a i nac o n t i n u o u si n t e r a c ta c c e s s t h e r e f o r e m o b i l ei p v 6b e c o m e st h ec o r eo ft h en e x t g e n e r a t i o ni n t e r n e tp r o t o c 0 1 w h i l et h em o b i l ei p v 6h a sp r o p o s e d i t sh a n d o v e ro p t i m i z a t i o n p r o b l e mh a sb e e nt h ef o c u so f a t t e n t i o ni nt h ei n d u s t r y m o b i l ei p v 6p r o t o c o li st h em o b i l en o d em o v i n gf r o mt h ec u r r e n tl i n kt ot h ef o r e i g nl i n k w h i c hs t i l la b l et om a i n t a i nc o n t i n u i t yo fc o m m u n i c a t i o ni nt h em o v i n gp r o c e s s r e s u l t i n gi n d i s r u p t i o no fc o m m u n i c a t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fh a n d o v e ra n dp a c k e tl o s s i tc a nn o ts a t i s f y t h er e q u i r e m e n t so ft h e r e a l t i m ea p p l i c a t i o n sa n dd a t al o s ss e n s i t i v ea p p l i c a t i o n s s oi e t f f o u n d e da w o r k g r o u pt or e s e a r c ho no p t i m i z i n gt h eh a n d o v e rp r o c e s s a n dt h eg o a l sa r et or e d u c e h a n d o v e rl a t e n c ya n dp a c k e tl o s s i nt h ef i e l do fr e s e a r c hm o b i l ei p v 6 t h eh a n d o v e rt e c h n o l o g y f o rm o b i l ei p v 6i m p r o v e m e n ti sah o tt o p i c t m sp a p e rd e s c r i b e st h eb a s i cm o b i l ei p v 6p r o t o c o la n dt h eh a n d o v e rp r o c e s so ff a s t h a n d o v e mf o rm o b i l ei p v 6i nd e t a i l t h eh a n d o v e rm e c h a n i s mo ff a s th a n d o v e r sf o rm o b i l e i p v 6a n di t sl i n kl a y e rh a n d o v e r m o t i o nd e t e c t i o np r o c e s s a d d r e s sc o n f i g u r m i o na n dd u p l i c a t e a d d r e s sd e t e c t i o np r o c e s sa n dt h ep r o c e s so fb i n d i n gu p d a t i n ga r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y v i e w o ft h ec u r r e n tf a s th a n d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6p r o t o c o ls t i l lh a sl a r g e rh a n d o v e rl a t e n c y t h e r ei s ab i gi s s u eo fp a c k e tl o s sr a t ed u r i n gt h eh a n d o v e rp r o c e s s t h i sp a p e rp r o p o s e sam e t h o da b o u t p r e t y p ef a s th a n d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6w h i c hb a s e do nl i n kl a y e rt r i g g e r n em e t h o di st o o b t a i nt h ei pa d d r e s si n f o r m a t i o nf r o mt h er o u t e ra n dt og e n e r a t ean e wc a r e o fa d d r e s sa tt h e e a r l i e s tt i m e i ta l s oa d v a n c e st h ee s t a b l i s h m e n to fb i d i r e c t i o n a lt u n n e lb e t w e e nt w or o u t e r sf o r d a t ap a c k e tt r a n s m i s s i o n s ot h en e wa c c e s sr o u t e r i t i lp a c k e tc a c h i n gr e d u c e st h ep a c k e tl o s i n g a n dt h eh a n d o v e rl a t e n c yo ft h ep r o c e s s b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fn s 2 w i r e l e s se x t e n s i o nn o a hm o d u l e sa n dt h e i m p r o v e dh a n d o v e rp r o t o c o lf o rm o b i l ei p v 6f h m i pm o d u l e s 硼 a d d e d b yu s i n gt h en s 2 t h i s p a p e rs i m u l a t e s t h eh a n d o v e rt e c h n o l o g y f a s th a n d o v e r st e c h n o l o g ya n dp r e t y p ef a s t h a n d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6t e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ep e r f o r m a n c eo f t h r e eh a n d o v e rt e c h n o l o g yi st oc o m p a r a t i v ea n da n a l y s i s a tt h es a m et i m e t h ep r e t y p ef a s t h a n d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6t e c h n o l o g yt or e d u c et h eh a n d o v e rl a t e n c ya n dp a c k e tl o s sr a t e w h i c hc a u s e di nh a n d o v e rp r o c e s si sp r o v e d i tk e e p st h ec o n t i n u i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o ni nt h e p r o c e s so fh a n d o v e r a n di ti m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fh a n d o v e ra n dc o m m u n i c a t i o n s k e y w o r d s m i p v 6 f m i p v 6 h a n d o v e rl a t e n c y p a c k e tl o s sr a t e n s 2 目錄 第一章緒論 l 1 1 課題研究的背景 1 1 2 課題的國內外研究現狀 l 1 2 1 國外研究現狀 1 1 2 2 國內研究現狀 2 1 3 課題研究的意義 2 1 4 論文的主要任務與章節安排 3 第二章移動i p v 6 技術相關知識 一4 2 1 移動i p v 6 協議 4 2 1 1 移動i p v 6 的功能實體 4 2 1 2 移動i p v 6 的基本操作 5 2 2m i p v 6 切換技術的研究 7 2 3f m i p v 6 切換技術的研究 9 2 3 1f m i p v 6 切換技術 9 2 3 2f m i p v 6 切換延遲分析 l0 2 4 本章小結 1 3 第三章基于鏈路層觸發器的f m i p v 6 切換技術 1 4 3 1 現有的快速切換協議中存在的問題 1 4 3 2 改進的切換技術的基本思想 1 5 3 2 1 鏈路層觸發器 l5 3 2 2 快速路由器通告消息 l7 3 2 3 接入路由器分組緩存功能 18 3 2 4 新的控制消息和頭標 1 9 3 3 改進的切換技術的操作過程 2 0 3 4 改進的切換技術的性能分析 2 l 3 5 本章小結 2 2 第四章網絡仿真與實驗分析 2 4 4 1 仿真工具 2 4 4 1 1 仿真準備工作 2 4 4 1 2 仿真模型 2 5 4 2 部分源代碼 2 6 4 2 1 實驗場景模擬源代碼 2 6 i v 4 2 2 運行仿真實驗 2 9 4 3 仿真結果分析 3l 4 3 1 丟包情況的分析 31 4 3 2 切換時延的分析 3 2 4 4 本章小結 3 3 第五章總結和展望 3 4 參考文獻 3 5 攻讀學位期間發表的論文 3 7 致 射 3 8 v 無線i p v 6 快速切換技術的分析 j 研究 1 1 課題研究的背景 第一章緒論 近年來 在高速發展的信息領域中 發展最快的是無線通信1 1 l 與i n t e m e t 2 1 以i n t e m e t 為首的信息網絡不僅給用戶帶來了意想不到的變化 并且使越來越多的用戶依賴于無線網 絡 但是 隨著人們生活節奏的加快 以固定方式連接i n t e m e t 已經不能滿足人們的需求 而是盼望能在任何地方任何時間接入i n t e m e t 為了能夠解決這個問題 將移動性這個條件嵌入到現在的i n t e m e t 中 在1 9 9 2 年 i e t f 工作組制定了移動i p v 4 3 的最初協議草案 使i p v 4 協議棧具備移動性的條件 但是 由于 i p v 4 協議有限的地址空間 很難支持過多的移動節點 并且 移動i p v 4 協議只是對i p v 4 協議進行簡單的擴充 在i p v 4 網絡中并不能得到所有路由器的支持 針對移動i p v 4 的不 足 i e t f 工作組制定出了新的移動協議即移動i p v 6 協議 i p v 6 協議是下一代互聯網絡的核心協議 而移動i p v 6 4 l 則是在i p v 6 協議的基礎上建立 起來的 是i p v 6 協議的主要部分 移動i p v 6 的基本思想是 移動節點可以隨意從一個子 網移動到另一個子網 并且在移動過程中能進行正常的網絡通信 移動i p v 6 還可以自動配 置網絡地址 可以預見 下一代i n t e m e t 將能夠使移動業務和數據業務完全混合 并且在這個基礎 上日趨提高 對于這個能夠提供處處存在的 多種連接方式的 無縫切換業務的移動i p v 6 協議 它將是下一代i n t e r a c t 的核心 下一代無線通信的發展促進了移動i p v 6 的發展和標 準化的實現 而移動i p v 6 的很多優越性 也為下一代無線網絡的通信奠定了堅實的基礎 1 2 課題的國內外研究現狀 1 2 1 國外研究現狀 從1 9 9 6 年起 i e t f 工作組開始對移動i p v 6 進行研究 在對移動i p v 6 的版本進行了 2 4 次修改之后 終于在2 0 0 4 年6 月 制定了r f c 3 7 7 5 副 m o b i l i t ys u p p o r ti ni p v 6 是指 在i p v 6 協議中加入移動性元素 為了使移動i p v 6 協議的移動性能更加完善 在2 0 0 5 年7 月制定了r f c 4 0 6 81 6 f a s th a n d o v e r sf o rm o b i l ei p v 6 是指移動i p v 6 的快速切換技術 這 種切換方案可以更好的減少切換延遲時間 在2 0 0 5 年8 月制定了r f c 4 1 4 0 1 7 j h i e r a r c h i c a l m i p v 6m o b i l i t ym a n a g e m e n t 是指層次化移動i p v 6 切換管理機制 這種切換方案可以更好 的減少數據包的丟失 當前 國外研究主要是在i e t f 研發的標準協議的框架下來開發和優化移動i p v 6 協議 例如同本的t a h i 工作組1 8 j 其主要工作是測試移動i p v 6 協議的同一性和配合性 加強移 無線i p v 6 快速切換技術的分析 j 研究 動i p v 6 協議的功能性和代碼的正確性 澳大利亞的m o a s n h 大學 它的移動i p v 6 工作 組的主要工作是研究和開發層次移動i p v 6 管理機制 1 2 2 國內研究現狀 最近幾年 我國對移動i p v 6 的研究得到快速發展 不僅僅局限于技術的跟蹤 中國科 學院計算技術研究所在移動i p v 6 方面的研究成果比較顯著 他們利用能夠提供移動i p v 6 家鄉代理的設備和能夠支持移動i p v 6 的路由器構造成基本的移動i p v 6 網絡平臺 并且能 夠提供移動i p v 6 鑒定辨別 授權和記費功能的服務系統 在北京科教信息網上建成了實用 性的無線移動i p v 6 接入示范網絡 此外 北京郵電大學自主研發了基于l i n u x 的移動i p v 6 演示實驗原型系統 實現了綁定更新 隧道轉發等移動i p v 6 基本功能 北郵在其他方面也 有多項研究成果如移動i p v 6 安全 分級移動i p v 6 等 另外 我國在切換方面也取得了一 些研究成果 例如北航的平滑切換研究 中科大的疊加網絡切換方面的研究 南郵的智能 切換研究 另外 在資源利用方面 西安交大通過多協議標簽進行這方面的研究 并且取 得了一定的研究成果 1 3 課題研究的意義 當前 在無線通信技術高速發展的趨勢下 下一代i n t e r a c t 具有移動性已成為不可或 缺的部分 在i p 層 使移動性和多種無線通信技術充分融合 為一些實時性業務提供了一 個通信不問斷的傳輸平臺 因為移動i p v 6 能使用戶隨時隨地的接入網絡 并且提供不中斷 的網絡通信 因此 在下一代i n t e r a c t 中移動i p v 6 將得到普遍使用 從1 9 9 6 年到2 0 0 4 年這段時間內 移動i p v 6 協議共經歷了2 4 個草案版本 直到2 0 0 4 年6 月 i e t ft 作組公布了r f c 3 7 7 5 移動i p v 6 協議標準 雖然在這個過程中移動i p v 6 得到很好的發展 但就目前來說 移動i p v 6 仍然不完善 需要對其進行改進 從功能上看 移動i p v 6 協議支持移動終端在全球漫游 解決了主機在不同i p v 6 子網之間移動的問題 但是從性能上看 當移動終端從一個子網切換到另外一個子網時 它的通信會中斷幾秒鐘 甚至十幾秒鐘 切換延遲過大的問題對于某些業務 如文件傳送 來說影響并不大 但是對 實時和t c p 延時敏感的業務影響是很大的 此外 移動i p v 6 協議的切換會因為引進多余 的信令開銷而使骨干網的負擔加重 因此 移動i p v 6 必須對其切換技術進行改進 以減少 切換過程產生的問題 切換優化己經成為移動i p v 6 研究領域中的一個熱點課題 本文的研 究工作也是圍繞著移動i p v 6 的切換優化技術而展開 本文將從移動節點的切換問題入手 對移動i p v 6 現有的切換技術做一些深入的研究 并在此基礎上提出改進算法 最后通過網絡仿真軟件n s 2 進行仿真分析 希望能在此基礎 上改進移動i p v 6 的切換性能 這就是本文的選題意義所在 本文的研究目的主要在于 對現有的移動i p v 6 切換技術進行評價 通過分析現有的切 2 無線i p v 6 快速切換技術的分析j j i f 究 換技術的切換性能 提出了改進的移動i p v 6 切換方案 1 4 論文的主要任務與章節安排 本文主要對移動i p v 6 快速切換技術展開研究 首先對移動i p v 6 協議中的基本術語 協議操作過程以及切換性能進行了詳細分析 接著對f m i p v 6 協議的新增消息以及切換性 能進行了深入分析 最后本文在對f m i p v 6 協議進行深入研究和分析的基礎上 針對該協 議的響應時間長 切換延遲時間長以及數據包丟失等問題進行了一些探討 提出了基于鏈 路層觸發器的預先式快速切換技術 該切換技術使用鏈路層觸發器和快速路由器通告來獲 取接入路由器的i p 地址信息 在切換過程中提前建立兩個路由器間的隧道進行數據傳輸 并且使新的接入路由器具有分組緩存功能來緩存通過隧道轉發的數據包 最后通過網絡仿 真軟件n s 2 創建仿真模型對基于鏈路層觸發器的切換機制進行了仿真測試 通過分析產生 的跟蹤文件驗證了基于鏈路層觸發器的預先式快速切換技術的切換性能在切換延遲及數 據包丟失率等方面都有一定的改進 本文共分五章 第一章 緒論 本章主要闡明了課題的研究背景 分析了移動i p v 6 技術的國內外研究 現狀 探討了選題意義 第二章 移動i p v 6 技術相關知識 本章首先介紹了移動i p v 6 協議及其四個主要的功 能實體 然后介紹了移動i p v 6 的協議操作過程并對切換過程中各個階段的切換延遲進行了 系統全面的分析 最后介紹了f m i p v 6 切換技術中的新增消息 并對f m i p v 6 切換過程中 c n 和m n 丟棄數據包的時間段進行了詳細分析 第三章 基于鏈路層觸發器的f m i p v 6 切換技術 本章針對現有的f m i p v 6 切換技術 的新轉交地址生成不及時 觸發信號的多變性 切換延遲的增加和數據包的丟失等不足之 處 提出了一種基于鏈路層觸發器的預先式快速切換技術 對其基本思想及操作過程進行 了詳細介紹 并分析了該切換技術的切換性能 第四章 網絡仿真與實驗分析 本章首先介紹了目前使用較為廣泛的網絡仿真軟件 n s 2 無線擴展協議n o a h 模塊和移動i p v 6 的切換改進協議f h m i p 模塊 然后通過仿真 實驗模擬基本的移動i p v 6 切換技術 移動i p v 6 快速切換技術及基于鏈路層觸發器的預先 式快速切換技術 通過實驗結果對各種切換技術做出性能評價 第五章 總結與展望 總結了本文所做的工作 并對今后的研究工作及研究方向進行 了展望 一 無線i p v 6 快速切換技術的分析 j 研究 2 1 移動i p v 6 協議 第二章移動i p v 6 技術相關知識 移動i p v 6 協議 9 1 0 是i e t f 的m i p v 6 工作組為了支持節點在i p v 6 網絡中移動時的連續 性而提出的協議 為了便于i p v 6 分組透明地尋徑且與移動主機當前的接入點無關 移動 i p v 6 協議定義了一組基本i p v 6 協議的擴展 不論移動節點當前位于家鄉網絡還是外地網 絡 都可以通過家鄉地址尋址 當移動節點處于家鄉網絡時 發送給移動節點的數據包采 用傳統的路由機制傳輸 當移動節點離開家鄉網絡到達外地網絡時 將其轉交地址中的一 個向家鄉代理注冊 家鄉代理隨后攔截發送給移動節點家鄉地址的數據包 再通過隧道發 送至移動節點的轉交地址 2 1 1 移動i p v 6 的功能實體 如圖2 1 顯示了移動i p v 6 網絡中各個功能實體的示意圖 從下圖中可以看出 移動i p v 6 協議有四個主要的功能實體 分別是移動節點 家鄉代理 通信對端和接入路由器 通信對端 圖2 1 移動i p v 6 協議的功能實體示意圖 1 移動節點m n m o b i l en o d e 移動節點 1 1j 是指能夠在不同的子網間進行移動 并且在移動過程中還能保持和通信對 端的通信不會中斷 m n 的家鄉地址則是m n 在家鄉網絡進行通信時使用的地址 當m n 移動到另外一個子網時 它在外地子網中注冊得到的地址被稱為轉交地址 雖然m n 在不 同的子網問移動 但是m n 依然可以利用家鄉地址進行通信 m n 在移動過程中與其他節 點進行通信時 既可以使用新的轉交地址通過雙向隧道進行通信 也可以使用原來的轉交 地址通過路由優化方式進行通信 4 無線i p v 6 快速切換技術的分析 j 研究 每個m n 都維護一個綁定更新列表 記錄它所發送的每個綁定更新的相關信息 其中 包括m n 發往家鄉代理 通信對端 前一個轉交地址所在鏈路家鄉代理的所有綁定更新 在某個綁定更新表項快要超時的情況下 移動節點通過發送綁定更新消息來維護當前的綁 定信息 2 通信對端c n c o r r e s p o n d e n tn o d e 通信對端是在網絡上與m n 進行通信的節點 它既可以是固定的節點 也可以是移動 的節點 通信對端要為其他節點維護一個綁定緩存列表 每一條綁定緩存條目都必須包括條目 所對應的m n 的家鄉地址 轉交地址 該條目的剩余生存期 序號字段 該條目的使用信 息等 在發送數據包時 通信對端在鄰居發現概念目的地緩存之前要先搜索綁定緩存 在 為所發送的數據包目的地址搜索綁定緩存時 要以條目中心的家鄉地址作為搜索關鍵值 3 家鄉代理h a h o m ea g e n t 移動i p v 6 網絡中的家鄉代理是為m n 服務的路由器 主要負責維護離開家鄉鏈路的 m n 以及和m n 相聯系的信息 在m n 沒發生移動時 家鄉代理的作用則是將發送給m n 的數據包轉發給m n 和具有一般功能的路由器一樣 在m n 發生移動 離開家鄉鏈路之 后 家鄉代理則充當中轉的作用 先將發送到m n 的數據包截獲下來 然后通過隧道將數 據包轉發給m n 所在鏈路的轉交地址 家鄉代理要維護兩個表項 綁定緩存列表和家鄉代理列表 維護的綁定緩存列表與通 信對端類似 家鄉代理列表中記錄了同一鏈路上每臺作為家鄉代理的路由器的相關信息 4 接入路由器a r a c c e s sr o u t e r 接入路由器是指m n 所在的鏈路上為m n 提供路由服務的路由器 它主要負責接收數 據包 當m n 移動到新的子網時 新的子網中的接入路由器則接收家鄉代理利用隧道發送 的數據包 把數據包拆封后發送到m n 2 1 2 移動i p v 6 的基本操作 在移動i p 網絡中 m n 可以不用改變i p 地址就可以隨時隨地從一個子網移動到另一 個子網 不論m n 離家鄉鏈路遠或近 發送到m n 家鄉地址的數據包也能被在另一個子網 中的m n 接收到 而且m n 移動到另一個子網之后 與其他節點的通信不會中斷 以下步 驟就是移動i p v 6 的基本操作i l2 1 1 移動檢測 在移動網絡中 節點的移動主要是指節點連接至0 i n t e r n e t 的接入點發生變化 對于m n 是否移動到另一個子網中可以通過多種機制檢測得到 移動i p v 6 協議中 鄰居發現協議i l 3 則是用來檢測m n 是否發生移動最主要的移動檢測機制 鄰居發現協議是i p v 6 協議的一個 基本的組成部分 它可以解決路由器發現及檢測鄰居不可達等問題 m n 發現新的接入路 無線i p v 6 快速切換技術的分析 i 研究 由器是通過路由器發現協議來實現的 m n 可以通過主動發送路由器請求報文來獲得路由 器通告報文 或者還可以通過監聽周期發送路由廣播的路由器來獲得 m n 則按照收到的 路由廣播信息自動生成路由表 其中含有所有向m n 發送路由廣播信息的路由器 還有與 路由器相對應的每個子網的網絡前綴 當m n 發生移動將要離開家鄉鏈路時 m n 的新轉交 地址則是通過路由表中的網絡前綴 缺省路由器所對應的 在地址自動配置的方式下得到 的 并將獲得的新轉交地址在家鄉鏈路中進行注冊 鄰居不可達機制的作用主要是為了讓 m n 檢測產生新轉交地址的路由器是否可達 對于缺省路由器是否可達 m n 既可以通過向 其發送報文時利用收到的提示信息來檢測 也可以通過讓m n 不斷地向路由器發送路由器 請求報文 看有沒有從缺省路由器那收到相對應的路由器通告消息來檢測 即使鄰居不可 達協議能夠檢測路由器是否可達 但是在m n 還沒有開始鏈路層切換之前 m n 不能進行數 據傳輸 但是為了檢測路由器是否可達 發送的路由器請求報文必須是顯式的 這就造成 了網絡資源的浪費 為了使上面的問題不會發生 不管m n 收到來自缺省路由器的任何報 文 則都認為此路由器是可達的 2 轉交地址的獲取 對于m n 如何獲得轉交地址主要有兩種方法 一種是有狀態地址自動配置i l 引 另一種 則是無狀態地址自動配 置 j 對于m n 采用哪種地址配置方式生成轉交地址則是由接收到 的路由器通告中的m 比特來決定 m 比特為0 對應的是有狀態地址自動配置 反之 是無狀 態地址自動配置 在移動i p v 6 中 一個m n 可以同時有多個轉交地址 但是只有一個被注冊成主轉交地 址 無論何時 被m n 注冊到家鄉代理的轉交地址只能是m n 的主轉交地址 對于生成的新 的轉交地址 為了檢驗該地址是否是唯一的 需要對其進行重復地址檢測 但是重復地址 檢測會帶來延遲 在一段時間內不能使用新的轉交地址 會使m n 與c n 之間的通信發生中 斷 為了減少重復地址檢測所造成的延遲 m n 也可以在生成新的轉交地址之后 就直接 使用它而不經過重復地址檢測 但是這種方法很容易造成地址沖突 因此 在一般情況下 m n 都會對新的轉交地址進行重復地址檢測 3 家鄉注冊 當m n 在外地鏈路得到轉交地址 m n 的主轉交地址 之后 必須向家鄉代理申請注冊 并且還要將得到的新轉交地址和m n 的家鄉地址進行綁定 使得家鄉代理能夠把只知道其 家鄉地址的節點發來的數據包轉發到m n 的當前位置 因此把這個過程稱為家鄉注冊 家 鄉注冊的過程如圖2 2 所示 6 無線i p v 6 快速切換技術的分析 j 研究 圖2 2 家鄉注冊過程 首先m n 向家鄉代理發送綁定更新消息申請注冊 而家鄉代理則向m n 返回一個綁定確 認消息作為對綁定更新消息的應答 家鄉注冊完成之后 m n 的新轉交地址和家鄉地址也 進行了綁定 這時發往m n 家鄉地址的所有數據包都被家鄉代理截獲 在轉發之前 家鄉 代理把這些數據包進行封裝 同時將外層i p v 6 報頭中的目的地址寫成m n 的新轉交地址 然后再通過隧道將這些數據包轉發到m n 的新轉交地址 4 與通信對端的通信 在移動i p v 6 中 能和m n 進行通信的通信對端 它既可以是固定的節點 也可以是移 動的節點 m n 也需要向c n 發送綁定更新消息 實現與c n 的綁定 在與c n 的綁定注冊過 程中必須有返回路徑可達消息 這樣才能證明其過程是安全的 如果c n 的更新列表中有 m n 的轉交地址和家鄉地址已經綁定的消息 則就能把數據包直接發給m n 的轉交地址 反 之 c n 只能把數據包發給家鄉地址 因此 c n 發送給m n 的數據包首先被路由到m n 的家 鄉鏈路 然后再被家鄉代理利用隧道轉發到m n 所在的位置 換一種想法 當m n 收到通過 隧道發送過來的數據包時 就可以斷定c n 可能不知道m n 的轉交地址和家鄉地址的綁定 因而促進了m n 與c n 之間建立綁定 為了避免三角路由問題 在移動i p v 6 網絡中 對路由問題進行了優化 使c n 與m n 的 通信不再通過家鄉代理進行轉發 而是直接把數據包發送到m n 的新轉交地址上 這樣做 加強了網絡的安全性和可發展性 也減少了整個網絡的負擔 很明顯 c n 與m n 的轉交地 址直接通信 不但減少了通信過程對家鄉鏈路的依靠 也減輕了通信過程中故障對通信的 干擾 同時家鄉鏈路受這種通信方式產生的流量的影響也減少了 2 2m i p v 6 切換技術的研究 當m n 從一個子網向另一個子網移動時就會產生切換 m n 需要向家鄉代理注冊生成 新的轉交地址 并且要把新的轉交地址與家鄉地址和通道對端進行綁定更新 在基本的 m i p v 6 切換過程中 由于信號強度等原因 可能會導致m n 與c n 之間的通信發生一段時 間的中斷 使m n 不能發送和接收數據包 i6 1 基本的m i p v 6 切換過程主要分為四個階段 即鏈路層切換 移動檢測 地址配置和重復檢測 綁定更新 基本m i p v 6 的切換過程如圖 2 3 所示 7 無線l p v 6 快速切換技術的分析 j 研究 圖2 3 移動i p v 6 切換操作流程 1 鏈路層切換 m n 收到鏈路層發送來的觸發信號 通知m n 將要進行切換 也就是m n 離開原來子 網中的接入路由器 移動到新的子網中與新的接入路由器建立連接 用t l 2 來表示鏈路層 切換所用的時間 2 移動檢測 當m n 移動到新的子網后 m n 很快就會收到從新子網中的接入路由器中發送過來的 路由消息 如果m n 發現新接入路由器中的路由消息的子網前綴與m n 當前使用的地址不 匹配 則就可以判斷m n 進入了新的子網中 這時 m n 把它的缺省路由器改成新的接入 路由器 用t m d 來表示此階段所用的時間 3 地址配置和重復檢測 上一節中已經介紹m n 獲得新的轉交地址的方式有無狀態地址自動配置和有狀態地址 自動配置 并且需要對獲得的地址進行重復地址檢測 而使用無狀態地址自動配置方式幾 乎不浪費時間 用t d 礎來表示此階段所用的時間 4 綁定更新 移動節點在配置新的轉交地址之后 則要向它的家鄉代理發送綁定更新消息進行注 冊 當家鄉代理收到綁定更新消息后 把緩存中的關于m n 的緩存列表更新或創建一個新 的緩存列表 然后建立到m n 的隧道 最后向m n 返回一個綁定確認消息 當m n 收到綁 定確認消息后 立即建立與家鄉代理的反向隧道 形成m n 與家鄉代理的雙向隧道 然后 向c n 發送綁定更新消息進行注冊 當c n 收到綁定更新消息后 也需要把緩存中關于m n 的緩存列表更新 用t b 表示從m n 開始向家鄉代理發送綁定更新消息 直到c n 也收到 綁定更新消息的時間 用t b u i i 表示從m n 開始發送綁定更新消息給家鄉代理 到家鄉代理 收到綁定更新消息的時間 用t h a h 表示從家鄉代理向m n 返回綁定確認消息開始 一直到 m n 收到綁定確認消息的時間 用t b u 表示m n 向c n 發送綁定更新消息一直到c n 收到 3 無線i p v 6 快速切換技術的分析 j 研究 綁定更新消息的時間 由于m i p v 6 切換過程中的幾個階段是順序進行的 因此需要的總時間為 t 互2 十互h d 十互蜘十毛 其中網絡層切換包括后三個階段 因此網絡層切換所用的時間為 互3 乃鰣十毛 由于需要向家鄉代理和通信對端進行綁定更新注冊 因此綁定更新所用的時間為 毛 k 手乞手m a x 夕 其中m a x t b u c n 表示取t b 哪的最大值 由于m n 可以有多個c n 每個c n 與m n 通 信的網絡延遲不同 因此t b 咖也不同 鏈路層采用的接入技術不同決定了t l 2 的大小 無線局域網一般采用8 0 2 1 1 協議標準 因此t l 2 的值很小 僅僅幾十或幾百毫秒 t m d 值的大小是由路由通告的發送間隔來決定的 路由器為了避免向所有的節點發送路由通告消息時增加節點的負擔 通常以幾秒或十幾秒 的間隔發送路由通告 因此t m d 一般為幾秒 t d a d 值的大小由在重復地址檢測過程中采用 的檢測機制來決定 如果 的值為1 秒鐘左右則表示采用的是n s 方式 t b 值的大d 貝j l 是有m n 與h a 和c n 間的距離所決定的 如果它們之間的距離很遠 則t b 就會很大 由以上的推論可知 m i p v 6 切換過程中所需的時間大部分是網絡層切換過程所用的時間 最少需要幾秒鐘 2 3f m i p v 6 切換技術的研究 2 3 1f m i p v 6 切換技術 移動i p v 6 快速切換技術f m i p v 6 1 6 是在移動i p v 6 協議的基礎上進行的改進 它能夠使 移動i p v 6 網絡中的m n 的切換過程加快 它可以減少m n 與c n 的切換延遲 以實現數 據流的實時傳輸正常進行1 1 7 1 f m i p v 6 主要是通過提前注冊新的轉交地址 在m n 的切換 沒有完成之前 仍然能夠使用家鄉地址繼續通信 f m i p v 6 切換技術對整個移動i p v 6 網絡結構進行了擴展 引入了新的組成部分 如原 接入路由器p a r 及新接入路由器n a r 其中p a r 是指m n 沒有移動前家鄉鏈路上的接入 路由器 n a r 是指m n 將要接入的新子網中的接入路由器 快速切換的關鍵是要在m n 與p a r 斷開連接之前能夠確定一個預期的新轉交地址n c o a 當m n 移至n a r 后 b i n 能用n c o a 繼續原先的通信 如果n c o a 注冊失敗 快速切換也允許移動節點不獲得新的 轉交地址而切換到新的子網 但在進行切換之前 需要把配置n c o a 鄰居發現和重復地 址檢測等工作準備好 哺一9 1 并且 f m i p v 6 切換技術還使p a r 和n a r 建立隧道進行數據 包的轉發 f m i p v 6 協議增加一些新的消息如下所述 1 代理路由器請求消息 r o u t e rs o l i c i t a t i o nf o rp r o x y r t s o l p r 該消息是在m n 判斷自己將要發生切換 然后向p a r 發送代理路由器請求消息 該消 9 無線i p v 6 快速切換技術的分析j j 自j f 究 息中包含將要接入鏈路的接入點標識 此消息主要是告訴p a r m n 將要移動到另一個子 網中 并向p a r 請求切換過程中所需的信息 2 代理路由器通告消息 p r o x y r o u t e ra d v e r t i s e m e n t p r r t a d v 當p a r 收到代理路由器通告消息之后 根據其中的信息判斷新接入點所屬的路由器 然后p a r 向m n 發送此消息 此消息中包括n a r 的鏈路層地址 i p 地址和子網前綴等信 息 3 切換發起消息 h a n d o v e ri n i t i a t e h i 該消息表示切換將要發起 是p a r 發送給n a r 的消息 指示m n 正在從p a r 向n a r 進行快速切換 4 切換確認消息 h a n d o v e ra c k n o w l e d g e m e n t h a c k 該消息是從n a r 向p a r 發送的 作為對h i 消息的確認 用于向p a r 說明n c o a 是 可用的 則p a r 可以執行下一步操作 如果這個n c o a 不能用 則切換確認消息中會含有 一個可用的n c o a 同時 p a r 還根據切換確認消息中的信息建立與n a r 之間的隧道 5 快速綁定更新消息 f a s tb i n d i n gu d a t e f b u 該消息是在m n 配置n c o a 之后 由m n 向p a r 發送的消息 它用于在p a r 和n a r 之間建立雙向隧道 并且請求p a r 向m n 的n c o a 轉發數據包