陳利軍

(河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

1.概述

當(dāng)前信息技術(shù)飛速發(fā)展，Internet和移動(dòng)通信是通信領(lǐng)域的兩大發(fā)展趨勢(shì)。但是，由于目前網(wǎng)絡(luò)主要以固定接入方式接入Internet，每個(gè)主機(jī)分配有唯一的IP地址或動(dòng)態(tài)的IP地址。Internet是基于網(wǎng)絡(luò)前綴的路由，IP數(shù)據(jù)包首先路由到IP地址前綴對(duì)應(yīng)的網(wǎng)段，再轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)移動(dòng)主機(jī)在不同網(wǎng)絡(luò)間移動(dòng)時(shí)，它的原有IP地址已經(jīng)不能再表示其物理網(wǎng)絡(luò)地址，發(fā)送給移動(dòng)主機(jī)的數(shù)據(jù)包不能被正確地轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，所以移動(dòng)主機(jī)不能正常的接入Internet獲得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。而人們的生活經(jīng)常處于運(yùn)動(dòng)中，需要隨時(shí)隨地訪問Internet，因此傳統(tǒng)的固定IP協(xié)議已經(jīng)不能完全滿足人們對(duì)Internet使用需求。人們迫切希望在傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性的支持，這些潛在的巨大需求給Internet帶來新的機(jī)遇，移動(dòng)IP就是在原來IP協(xié)議的基礎(chǔ)上為了解決這些問題而提出的解決方案。

移動(dòng)IP的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在改變網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)時(shí)，能夠不改變其IP地址，并在移動(dòng)過程中保持通信，而且對(duì)上層協(xié)議保持透明性。為此，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織Internet工程任務(wù)組IETF(Internet Engineering Task Force)制定了基于IPv4和IPv6兩種不同版本IP協(xié)議的移動(dòng)IP協(xié)議，即移動(dòng)IPv4和移動(dòng)IPv6。1996年10月，IETF提出了移動(dòng)IPv4協(xié)議的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，由于IPv4自身的不足，如IP地址匱乏、安全性不好等原因，使得在基于IPv4的網(wǎng)絡(luò)上開展移動(dòng)IPv4應(yīng)用變得困難。而IPv6以其豐富的地址空間、較高的安全性和服務(wù)質(zhì)量以及良好的移動(dòng)性支持，使得IPv6在移動(dòng)通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，移動(dòng)IP中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

（1）移動(dòng)切換技術(shù)

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)子網(wǎng)移動(dòng)到另一個(gè)子網(wǎng)就產(chǎn)生了切換(Handoff／Handover)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在新子網(wǎng)上獲得新的轉(zhuǎn)交地址，新的轉(zhuǎn)交地址不同于前一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的轉(zhuǎn)交地址。因此，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要向家鄉(xiāng)代理重新注冊(cè)，以及向通信對(duì)端重新綁定。移動(dòng)IP是關(guān)于第三層，即網(wǎng)絡(luò)層上的協(xié)議，由于詳細(xì)傳輸和協(xié)議處理都需要時(shí)間，加上無線鏈路的高誤碼率、無線信號(hào)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化等多方面的原因，切換可能導(dǎo)致移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)不能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)分組，引起通信對(duì)端與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的通信暫時(shí)中斷。如何保持通信的連續(xù)性，支持各種實(shí)時(shí)應(yīng)用，縮短切換引起的通信中斷時(shí)間，減少切換對(duì)服務(wù)質(zhì)量的影響，是移動(dòng)IP研究中重點(diǎn)關(guān)注的問題。

目前主要的切換方法主要有：移動(dòng)IPv4低延遲切換(Low Latency Handoff)技術(shù)和移動(dòng)IPv6的三種切換技術(shù)：快速切換(Fast Handover)、平滑切換(Smooth handover)和層次型(Hierarchical)管理模型。其中低延遲切換和快速切換的目的是使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在切換過程中通信連接中斷的時(shí)間最??；平滑切換(也叫低丟失切換)的主要目的是使丟失的分組數(shù)量最小。

（2）移動(dòng)安全

移動(dòng)IP在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)互聯(lián)，但是，也帶來了潛在的安全問題，主要來源于移動(dòng)環(huán)境和移動(dòng)IP協(xié)議兩個(gè)方面。移動(dòng)主機(jī)在許多情況下通過無線鏈路接入到Internet，無線鏈路是開放的鏈路，容易遭受被動(dòng)竊聽、重放攻擊和其它主動(dòng)攻擊。而且，這些攻擊行為很難檢測(cè)出來。在移動(dòng)IP協(xié)議中，移動(dòng)主機(jī)不斷切換到不同的外地網(wǎng)絡(luò)，通過這些外地網(wǎng)絡(luò)與家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)和通信對(duì)端通信，外地網(wǎng)絡(luò)的安全性和可信度都影響通信的安全性。

安全機(jī)制在移動(dòng)環(huán)境中是至關(guān)重要的，移動(dòng)IP協(xié)議和IPSec協(xié)議結(jié)合起來，可以提高移動(dòng)IP協(xié)議的安全性。

（3）服務(wù)質(zhì)量

目前在固定IP網(wǎng)絡(luò)上提出了集成服務(wù)(IntServ)和差分服務(wù)(DiffServ)兩種服務(wù)質(zhì)量機(jī)制，但它們都不適合移動(dòng)環(huán)境。移動(dòng)IP服務(wù)質(zhì)量解決方案要求在切換期間通信連接服務(wù)中斷時(shí)間最短，能夠有效確定切換過程中原有路徑的重建部分；切換完成后要能夠及時(shí)釋放原有路徑上的服務(wù)質(zhì)量狀態(tài)和已分配的資源等。目前研究較多的解決方案都基于資源預(yù)留協(xié)議(RSVP，Resource Reservation Protocol)。

（4）組播技術(shù)

在組播通信中，一個(gè)發(fā)送方可以同時(shí)向任意的接收方發(fā)送組播分組，通過網(wǎng)絡(luò)中建立組播傳播樹，只在扇出點(diǎn)復(fù)制組播分組，使得每個(gè)組播分組在每條鏈路上最多出現(xiàn)一次，高效利用資源。在主機(jī)移動(dòng)的無線環(huán)境下，移動(dòng)組播不僅要處理組播中組成員的動(dòng)態(tài)變化，而且要處理移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置的動(dòng)態(tài)改變。在組成員不斷移動(dòng)過程中，如果每次主機(jī)移動(dòng)到新的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，都重新構(gòu)建組播傳播樹，將大大增加網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)議開銷，組播服務(wù)被間歇性中斷；當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)快速移動(dòng)時(shí)，可能因來不及重建組播傳輸樹而使組播服務(wù)一直中斷。目前固定IP提出的DVMRP、MOSPF、CBT和PIM等組播協(xié)議都不適合移動(dòng)環(huán)境。

基于移動(dòng)IPv4和移動(dòng)IPv6支持主機(jī)移動(dòng)的組播機(jī)制：雙向隧道(BT，Bi-directional Tunneling)和遠(yuǎn)程訂閱(RS，Remote Subscription)。

2.目的和意義

移動(dòng)IP的技術(shù)研究，研究方向從整體上可以分為宏觀移動(dòng)性和微觀移動(dòng)性兩個(gè)方面。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)子網(wǎng)移動(dòng)到另一個(gè)子網(wǎng)必然產(chǎn)生切換。由于切換過程中信令報(bào)文的傳輸和處理造成了切換的延時(shí)，致使通信的暫時(shí)中斷。

目前，對(duì)移動(dòng)IP關(guān)鍵技術(shù)的大量研究的都集中在其切換技術(shù)上，可見對(duì)切換技術(shù)研究的重要性。移動(dòng)IPv6允許節(jié)點(diǎn)在Internet內(nèi)的移動(dòng)過程中，保持可達(dá)性，并維持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和通信對(duì)端之間正在進(jìn)行的通信。為此，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在發(fā)生移動(dòng)后，需要向其家鄉(xiāng)代理以及所有的通信對(duì)端發(fā)送綁定更新注冊(cè)它的當(dāng)前位置，此過程稱為切換過程。其性能將影響整個(gè)移動(dòng)IPv6的性能，因此具備一個(gè)性能優(yōu)良的切換機(jī)制是移動(dòng)IPv6性能的重要保證。未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)越來越復(fù)雜，無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的漫游和實(shí)時(shí)多媒體的應(yīng)用，使人們對(duì)快速平滑切換機(jī)制的需求更為迫切。而切換需要解決的問題是怎樣使正在進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、通信在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過程中不受到中斷因素等的影響，使服務(wù)能夠在網(wǎng)絡(luò)之間平滑過渡。由于無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬非常有限，為滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求，基站的服務(wù)半徑變得越來越小，這增加了用戶在基站之間進(jìn)行切換的頻率。因此，進(jìn)行合理、有效的切換成為降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)的一種重要途徑，設(shè)計(jì)合理的切換算法滿足低時(shí)延、高服務(wù)質(zhì)量、高可靠性等要求成為移動(dòng)IPv6研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

3.研究現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)態(tài)

在移動(dòng)IP技術(shù)中，移動(dòng)IP切換是關(guān)鍵。所以，怎樣提高移動(dòng)IP技術(shù)的切換性能成為移動(dòng)IP研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前對(duì)切換的研究工作主要在以下幾個(gè)方面展開：

對(duì)切換時(shí)延的研究：如果切換時(shí)延過長，將導(dǎo)致當(dāng)前服務(wù)的中斷，或?qū)Ψ?wù)質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響?，F(xiàn)有很多研究通過設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)計(jì)切換協(xié)議或設(shè)計(jì)切換過程中各個(gè)階段的消息交換方式和消息內(nèi)容來減少時(shí)延。

對(duì)用戶行為的研究：切換算法利用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置和移動(dòng)模式來協(xié)助系統(tǒng)進(jìn)行切換。由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可能表現(xiàn)出特殊的移動(dòng)方式，因此可研究用戶行為和移動(dòng)模式以預(yù)測(cè)用戶的移動(dòng)方向，在用戶進(jìn)入目標(biāo)接入服務(wù)范圍之前預(yù)先執(zhí)行無縫隙切換過程。

對(duì)切換決策的研究：信號(hào)強(qiáng)度RSS和信號(hào)功率RSP是判斷網(wǎng)絡(luò)環(huán)境好壞的標(biāo)準(zhǔn)，距離越遠(yuǎn)，信號(hào)強(qiáng)度越差。利用信號(hào)強(qiáng)度的變化來觸發(fā)切換過程，選擇適當(dāng)?shù)那袚Q決策是非常重要的。由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度是隨機(jī)的，如果只使用信號(hào)強(qiáng)度作為切換的判斷標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)出現(xiàn)乒乓效應(yīng)，而且將來的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將有多種不同類型的、不同特征的網(wǎng)絡(luò)組成，不同類型網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)功率不同，因此需要制定更好的切換決策來確定是否進(jìn)行切換。

由于移動(dòng)IPv6標(biāo)準(zhǔn)切換機(jī)制的高時(shí)延、高數(shù)據(jù)包丟失和網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸都不能很好地滿足各種實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的需求，因此只使用該切換機(jī)制是顯然不夠的?，F(xiàn)有的移動(dòng)IPv6各種切換機(jī)制中，快速切換移動(dòng)FMIPv6(Fast Handovers for Mobile IPv6)和層次型移動(dòng)IPv6技術(shù)HMIPv6（Hierarchical for Mobile IPv6）最具有代表性。

移動(dòng)IPv6快速切換技術(shù)FMIPv6是對(duì)移動(dòng)IPv6協(xié)議的改進(jìn)，可以加快IPv6移動(dòng)主機(jī)的切換過程，減少已有通信連接的中斷時(shí)間，保證通信流的實(shí)時(shí)傳輸。它通過提前注冊(cè)，以及在新的外地網(wǎng)絡(luò)切換未完成時(shí)通過前一個(gè)網(wǎng)絡(luò)保持通信的方法，實(shí)現(xiàn)快速切換，以對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供支持。FMIPv6關(guān)注于快速執(zhí)行切換，對(duì)移動(dòng)切換事件進(jìn)行預(yù)測(cè)和快速響應(yīng)，通過實(shí)際切換前預(yù)先進(jìn)行的路由器發(fā)現(xiàn)、新轉(zhuǎn)交地址的配置以及新舊接入路由器之間雙向隧道建立等操作，為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在與新接入路由之間建立連接，與家鄉(xiāng)代理和通信對(duì)端綁定，更新注冊(cè)，完成之前提供的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

層次型移動(dòng)IPv6技術(shù)HMIPv6引入一個(gè)新的實(shí)體稱為移動(dòng)錨點(diǎn)(MAP，Mobility Anchor Point)，它可以是層次型MIPv6網(wǎng)絡(luò)中的任何層次的路由器(包括子網(wǎng)的接入路由器)，不需要每個(gè)子網(wǎng)都具有MAP。MAP的使用可以限制移動(dòng)IP同本地域以外的節(jié)點(diǎn)的信令交互，它能支持快速移動(dòng)IP切換，幫助移動(dòng)主機(jī)實(shí)現(xiàn)無縫移動(dòng)，并且支持特定的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)情況。

移動(dòng)主機(jī)通過MAP獲得的地址是區(qū)域轉(zhuǎn)交地址(RCoA，Regional Care-Of Address)，根據(jù)移動(dòng)主機(jī)RCoA用法的不同，有兩種MAP模式：基本模式和擴(kuò)展模式。當(dāng)漫游到MAP域時(shí)，移動(dòng)主機(jī)可以使用RCoA作為備用的轉(zhuǎn)交地址 (擴(kuò)展模式)，或者在MAP的子網(wǎng)上形成自己的RCoA(基本模式)。

HMIPv6關(guān)注于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，減少移動(dòng)IPv6的綁定更新時(shí)延，減少綁定更新消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，提高整體的切換性能。

4.結(jié)束語

本文在介紹移動(dòng)IPv6協(xié)議以及移動(dòng)IPv6標(biāo)準(zhǔn)切換的主要操作的基礎(chǔ)上，研究了兩種典型的改進(jìn)切換機(jī)制FMIPv6和HMIPv6。

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