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1、1 绪论11 绪论绪论随着全球 Internet 的普及，人们每天都在享受信息化带来的获取资讯、沟通、和娱乐方面的便利，网络也逐渐成为了人们生活和工作不可缺少的组成部分。但随着科技的发展，当固定化的网络演进到了无线可移动化网络时，那些接受信息的对象将不再仅仅是人类了，各种可移动的智能设备都将可以接收、处理和发送信息，它们将有能力主动和人类进行沟通和做出“自己的”决定，移动智能机器接入互联网，人类就将从此跨入了智能化时代，而如何搭建一个真正全球性的移动互联网是关键问题，这也是本文研究的重点。1.1 研究背景研究背景随着数字集成电路和无线通信技术的发展，人们已经不在满足一台电脑一根网线的工作方式。
2、各式各样的移动终端设备如笔记本电脑、膝上型电脑、掌上电脑的增长率远远超过 PC 机的增长率。同时，各种手机开始走向智能化，很多都已经具有了接入互联网的功能，新技术和新需求的发展迫切要求作为基础设施的Internet 对移动性的支持。移动终端用户也希望可以和其它桌上型电脑用户一样能够自由地接入 Internet，共享同样的资源和服务。所有这些都需要 Internet 能够支持移动终端的异地漫游功能，当它们从一个地方到另一个地方，可以很方便地断开原来的连接，建立新的连接，而这一过程最好能够悄无声息地发生。为了满足这种新业务的发展需要，IETF 制定了移动 IP 协议，它具有很大的理论开创性，它的目
3、标是提供对移动终端跨区切换的无缝连接，使移动终端在互联网上的享受漫游网络服务成为可能。移动 IP 技术是在全球 Internet 上提供可移式接入 IP 功能的解决方案，它可以使移动节点在切换链路时仍可保证正常进行的通信。移动 IP 技术不仅可以使单独的一个网络节点在移动中保持互联，还可以使整个网络移动起来，为此移动 IP 技术将成为未来移动互联网发展研究的重点和热点。1.2 研究现状研究现状在移动电讯业务推动下的无线数字业务网已经取得了长足的发展，并且已经基本了中低速的无线业务的发展需要，典型的是基于 GSM 系统的采用无线分组交换技术的 GPRS 网络。它的理论速度可以达到 115Kbps
4、，可以支持手机终端的WAP 网页的浏览服务，同时也使一些对传输速率敏感的小型移动多媒体应用成移动 IP 的直达路由研究2为可能。第三代移动通信网络(3G 通信) 1的快速发展，虽然在接入速度上有了很大的提高，最高可以达到 2Mbps，可以媲美当前 ADSL 的网络冲浪感受，但由于基于移动代理的计算模式限制了其可应用的范围，很多实时要求的互联网业务并不能很好地被支持。当前广泛使用的基于 IEEE802.11 标准的无线局域网技术(WLAN) ，可以在小范围内移动上网，但无法实现自由的跨区漫游。为了实现真正意义上的移动互联网，许多国外知名大学和研究机构正在致力于研究移动 IP 的实现及如何改善移动
5、 IP 的性能，并且已经有了一些支持移动 IP的产品。Motorola 公司的综合数字增强网络(iDEN，integration Data Enhancement Network) 就是目前比较著名的一个可以部分实现移动 IP 功能的网络。NOKIA 公司则于 2002 年 4 月在中国展示了移动 IPv6 的演示系统，实现了无线局域网中多媒体通信的平稳切换。IETF 的移动 IP 工作小组也一直致力于移动 IP 标准的制定工作。1996 年 10 月提出了移动 IP 协议标准(草案) RFC2002，提供了对移动IP2的基础性支持。在该文档中把移动 IP 协议定义为一个增强型的协议，它允许把
6、 IP 数据报透明地路由到 Internet 的移动节点。每一个移动节点总是由其家乡地址3标识，而与其当前连接到 Internet 的位置无关。当不在家乡网络时，移动节点还与一个转交地址相关联，转交地址标识了其当前接入 Internet 的位置信息，这样一个移动节点就通过两个地址标识了它的位置属性和身份属性。在数据报的路由方式上，该协议提供了移动节点向家乡代理注册其转交地址的方法。家乡代理把以该移动节点为目的地址的数据报通过一个隧道发送到其转交地址，在到达隧道的端点后，数据报被一个个传送到移动节点。该协议引入了移动 IP 体系的关键性功能实体和标准术语。RFC2002 中定义了如下移动 IP
7、体系的功能实体：(1) 移动节点(Mobile Node) ：其接入点从一个网络或子网变化到另一个网络或子网的主机或者路由器。移动节点可以改变其位置而不改变其 IP 地址；假如到某个接入点的链路层连接可用，它可以在任何地方使用其(固定的) IP 地址与Internet 上的其它节点通信。(2) 家乡代理(Home Agent) ：位于移动节点家乡网络上的一个路由器，该路由器在移动节点不在家乡(网络) 时为数据报创建隧道以把数据报传送到移动节点，并负责维护移动节点当前位置信息。(3) 外地代理(Foreign Agent) ：位于被移动节点访问网络上的一个路由器，该路由器为注册节点提供路由服务。
8、外地代理把家乡代理通过隧道传送过来的数据报进行拆封并把这些数据报传送到移动节点。对于从移动节点传送过来的数据报，外地代理作为该注册移动节点的缺省路由器。1 绪论3(4) 移动节点在家乡网络被给予一个长期的 IP 地址。这个家乡地址按固定主机的“永久”IP 地址来进行管理。当不在家乡网络时，移动节点与一个“转交地址”4相关联以反映出移动节点当前连接的位置。移动节点使用家乡地址作为其发送的所有 IP 数据报的源 IP 地址。在 RFC2002 文本中还定义了移动 IP 相关的新术语：(1) 代理广告(Agent Advertisement) ：通过给路由器广播信息。(2) 转交地址(Care-of
9、 Address) ：指向隧道的终止点，用于移动节点不在家乡时把数据报通过隧道发往该地址，再由该地址转交到移动节点。转交地址有两种不同的类型的定义方式：“外地代理转交地址”(foreign agent care-of address) 是移动节点在外地所注册的外地代理的地址；“联合转交地址”(collocated care-of address) 是移动节点从外地获得的新的本地地址，并且移动节点已经将之与自己的一个网络接口建立关联。(1) 对方节点(Correspondent Node) ：与移动节点进行通信的同位体(peer) 。对方节点可为移动节点或固定节点。(2) 外地网络(Foreig
10、n Network) ：移动节点离开家乡网络外前往的任何其他网络。(3) 家乡地址(Home Address) ：给移动节点分配的长期(extended period) IP 地址。不管节点在何处接入 Internet，它都将保持不变。(4) 家乡网络(Home Network) ：其网络前缀与移动节点家乡地址的网络前缀匹配的网络，家乡网络可能是虚拟的。标准的 IP 路由机制将把发往移动节点的数据报发送到移动节点的家乡网络上。(5) 链路(Link) ：节点能在其上进行链路层通信的设备或媒介。链路在网络层的下面。(6) 链路层地址(Link-Layer Address) ：用来标识某条物理链路
11、上的通信端点的地址。典型地，链路层地址是一个接口的 MAC 地址。(7) 移动代理(Mobility Agent) ：家乡代理或者外地代理。(8) 移动绑定(Mobility Binding) ：建立家乡地址与转交地址之间的关联，以及该关联的生存期。(9) 移动安全关联(Mobility Security Association) ：在一对节点之间的安全上下文(security contexts) 的集合，这些安全上下文可能应用于它们之间交换的移动IP 协议消息。每一个安全上下文表明一种认证算法及模式，一个秘密(一个共享的密钥，或者一个公共/私有密钥对) ，以及所使用的重放保护风格。(10)
12、节点(Node) ：主机或者路由器。(11) 随机数(Nonce) ：某个随便选取的值，与以前选用的值不同，插入消息移动 IP 的直达路由研究4中以避免重放攻击。安全参数索引(Security Parameter Index，简称 SPI) 从移动安全关联的全部安全上下文中标识一对节点之间的安全上下文的索引。0 到 255 的SPI 值被保留，不允许在任何移动安全关联中使用。(12) 隧道5-7(Tunnel) ：数据报在处于封装状态时所经过的路径。模型为，在处于封装状态时，数据报被路由到可知的(knowledgeable) 拆封代理(decapsulating agent) ，拆封代理对该数
13、据报进行拆封然后把它正确传送到其最终目的地。(13) 虚拟网络(Virtual Network) ：路由器以远没有物理实体的网络(有一个在其它网络上的物理网络接口) 。路由器(如家乡代理) 通常使用传统路由协议把其可达性向虚拟网络广告。(14) 被访问网络(Visited Network) ：移动节点当前连接到其上的、不是移动节点家乡网络的网络。(15) 访问者列表(Visitor List) ：访问一个外地代理的移动节点的列表。此后又陆续出了改进版本：RFC2003、RFC2004 和 RFC1701 分别定义了三种隧道技术，包括 IP 套 IP，最简，通用三种封装方式。RFC2005 定义
14、了移动 IP 的应用。RFC2006 定义了移动 IP 的管理信息库 MIB。随着研究的进一步深入，当前发展为两个主要的版本，分别为 Mobile IPv4 (RFC 3344，取代了 RFC 3220 和 RFC 2002) 和 Mobile IPv6(RFC 3775) 。由于在制定 IPv4 协议的时候，没有考虑到移动节点的情况，而 IEFT 的移动IP 标准 RFC2002 是基于 IPv4 现有系统的扩充，其对移动网络的支持性并不太好，存在很多局限性。例如：当移动节点从一个区域进入另外一个区域的时候，从断开当前链接到建立新的链接之间，有一个时间间隔，在这个间隔会产生一定的数据丢失，虽
15、然可以由发送端进行补发，但也会造成一定的传输时延。为了解决这个问题，IEFT 在制定移动 IPv6 的时候，引入了快速切换和平滑切换的概念，其中平滑切换的基本原理是将切换中途发往旧区域的数据包暂存起来，等新的区域链接建立好后再转发到新的区域。这一过程比 IPv4 中的丢包再重发方法要快速得多，在网络状况较好的情况下可以逼进无缝切换的服务质量。此外，移动 IPv6 还针对移动 IP 路由中出现的“三角路由”8问题提出了改进方案，在 IP 报文结构中添加了转发地址选项，这样在移动节点在新区域可以把包含转发地址选项内容的数据报发给远程通信节点，远程通信节点依据转发地址知道移动节点已经到了新区域，并可
16、直接采用转发地址和移动节点通信。最后，文献9中提出了在移动 IP 网络架构中引入通信代理机构，建立了微移2 移动 IP 体系及路由技术5动10切换方案，每个通信代理拥有一定的自治区域，通过建立层次化的区域结构，只有移动节点在小的区域内发生移动，就不需要向家乡代理进行更新的转交地址信息，而只需要向上级通信代理更新移动节点新的位置信息即可，这样就减少了由于更新家乡代理所代理的时延问题，对于系统性能的提高起到一定的作用。 1.3 主要研究内容主要研究内容本文从研究移动 IPv4 和移动 IPv6 的基本概念和工作原理出发，深入研究移动 IP 的路由方法和跨区切换方法，并从这两个角度对现有移动 IP 方案的展开分析，提出一种基于直达路由的移动 IP 新方案。通过该方案，解决移动 IP 的“三角路由”问题和切换时延问题；最后对新方案的实现进行了必要的分析。本文的主要研究内容：(1) 移动 IP 的体系结构及路由技术，这两个方面也是目前研究的热点。(2) 移动 IP 的直达路由方案，这是一种基于新型移动 IP 地址的移动 IP 架构，这种新的地址结构适用移动互联
