移動IP及基于IPv6的切換

2019-11-03 09:08:39

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供稿：網友

徐晶曹達仲天津大學　　【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絡首選的移動IPv6協議的特點。在此基礎上，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

　　因特網和移動通信已逐漸成為當今世界通信領域的兩大潮流，深入到人們生活的各個領域，引發了工作和生活模式的巨大變革。我們可以想見，若將因特網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合在一起，必將導致數據通信發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。兩者相結合的產物就是目前人們普遍關注的移動互聯網，其協議的基礎就是移動IP協議。

2 移動IP的概念

2.1 移動IP

　　移動網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絡的無線信道接入因特網的業務。

　　現在的因特網協議是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的協議，即移動IP協議。移動IP是一種在全球因特網上提供移動功能的網絡層方案，它具有可擴展性。可靠性和安全性，并使節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，具有如下的優勢：

●足夠多的IP地址；

●要求安全數據包頭的實現；

●目的選項提高了路由效率；

●地址自動配置：

●避免入口過濾：

●錯誤恢復沒有軟狀態“瓶頸”。

　　因此，基于IPv6的移動IP更易于實現和使用，此外它的設計還吸收了移動IPv4發展的經驗。我們相信未來移動網絡應首選基于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、鑒權等技術，使移動節點使用固定不變的IP地址，一次登錄即可實現在任意位置（包括移動節點從一個IP于網漫游到另一個IP了網時）上保持與IP主機的單一鏈路層連接，使通信持續進行。

3.1 通信節點（CN）→移動節點（MN）

　　（1）代理發現：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系。

　　（2）注冊：MN收到這些代理廣播消息后，檢查其中的內容以確定自己是連在本地鏈路還是外地鏈路上。

　　●當MN發現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MN發現自己連在一條外地鏈路上時，它就得到一個轉交地址，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，廣播對移動節點本地地址的網絡前綴的可達性，從而吸引發往移動節點本地地址的數據分組：

　　本地代理截取這個分組，并根據移動節點注冊的轉交地址，通過隧道將數據分組傳送給MN。

　　在轉交地址處——可能是外地代理或移動節點的一個端口，原始數據分組被從隧道中提取出來送給移動節點。

3.2 移動節點（MN）→通信節點（CN）

　　由MN發出的數據分組被直接選路到目的節點上，無需隧道技術，即采用正常的IP路由。對所有來訪的移動節點發出的分組來說，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鍵技術。

4.1 切換的過程

　　（1）鏈路層切換：當MN由一個網絡接入點改接到另一個接入點（可能同屬一個子網，也可能分屬不同子網）時，首先需要進行數據鏈路層的切換。這一層的切換過程是由各個子網所使用的底層通信技術決定的。

　　（2）IP層切換：當MN判斷出自己已經移動到新的外地子網時，首先從外地子網獲得轉交地址，并發送注冊請求向HA注冊新的轉交地址。HA收到注冊請求后給MN發送注冊應答，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包通過隧道發送到MN的當前位置，隧道的出口即為新的轉交地址，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起來更加簡單；

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

（3）移動節點能把自己的轉交地址告訴每個通信節點，從而避免了三角路由問題，實現了路由的優化。

（4）移動IPv6中不再需要外地代理；

（5）移動IPv6提供了一種動態本地代理地址發現機制，解決了地址解析協議（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采用了路由優化技術，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層內進行的注冊過程導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的結合，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置一臺主機作為外地本地代理（FHA），它相當于移動通信系統中的移動交換中心（MSC）；外地本地代理中設置一個MN的緩存列表，用來記錄其所管理區域內的所有MN。由于移動IPv6中移動節點的轉交地址可以通過網絡前綴加上其MAC層地址來自動配置，所以當尋址到MN的分組到達FHA時，FHA查詢其MN緩存列表，并利用蜂窩組播技術向該區域內具有相同MAC地址的轉交地址進行組播，從而使移動節點在該區域內的任何一個子網上都能收到數據。

　　此方案用外地本地代理代替了網絡中所有子網的外地代理，大大降低了移動性帶來的頻繁注冊導致的切換延時；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數據包丟失率而提出的一種切換方案。

　　IP數據包的丟失往往是由于移動節點剛剛移動到一個新的子網還沒有完成注冊，同時原先轉發的數據包還沒有發完，此時，移動節點要求當前子網的路由器緩存它的數據包，直到移動節點完成向新子網內路由器的注冊過程。一旦注冊完成，移動節點在新網絡中就有了合法的轉交地址，緩存的數據包從先前的路由器轉發過來，從而減少了移動過程中的數據包丟失的可能性。

　　目前，如何判斷MN已完成注冊，開始轉發緩存的數據包是仍待解決的問題。同樣引入移動通信系統切換的想法，本文提出了一種解決方案：設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切換中的切換門限，它可通過訓練序列得出。一旦達到了此門限時間就向原子網絡的路由器發送準備轉發消息，并將用于監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，利用它對MN的運行方向進行估計，預測出即將發生的切換，預先做好切換準備，

　　（3）如何將快速切換與平滑切換結合，實現無縫切換。

　　（4）為了使用戶能利用最佳網絡為它服務，David Lee及William Lee提出了多接口/多連接的概念，但MN注冊了多個轉交地址后，本地代理如何確定最優的發送轉交網絡將是今后解決最優化的關鍵。

　　（5）目前，無線接入網一般均采用蜂窩結構，而且蜂窩的范圍趨向于微蜂窩甚至于微微蜂窩。如果對整個網絡采用移動IPv6協議，移動節點在小范圍內的移動就可能引起頻繁的切換，產生大量的注冊更新消息，從而增加網絡負擔，同時也會使切換的延時增加，IP數據包的丟失率提高。所以，我們可以類似于移動通信中同頻小區采用軟切換，不同頻率的小區采用硬切換的思路，在移動IPv6協議中引入層次的概念，將移動協議分為宏觀與微觀協議兩種，在無線接入網域內采用微觀移動協議（即將MN的切換限制在小范圍），在域間采用目前的移動IPv6協議。微觀移動協議由于在域內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）由上述思想引發的如何使宏觀與微觀移動IPv6協議更好結合，將會是無線互聯網的研究趨勢。

6 結束語

　　目前，移動IP還處于一種“概念”階段，除了極少數的運營商已經開始提供業務外，絕大多數運營商都處于試驗和觀望的狀態。切換是移動IP中一項極為重要的關鍵技術，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，最大限度得服務于人們的工作和生活。

----《移動通信在線》