移動ＩＰＶ６概述

中圖分類：TN915-04 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-6868(2002)03-20-04

摘要：

文章分析了IPv6支持移動性的優(yōu)勢，概述了移動IPv6協(xié)議，并對一些熱點問題，如快速切換、平滑切換、移動管理、AAA和服務(wù)質(zhì)量等進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：

移動IPv6；移動計算；切換；服務(wù)質(zhì)量

ABSTRACT:

The advantages of IPv6 in supporting mobility are given and the Mobile IPv6 protocol is overviewed. Some hotspot issues such as fast handover， smooth handover， mobility management， AAA(Authentication， Authorization， and Accounting)，and QoS are discussed.

KEY WORDS:

Mobile IPv6; Mobile computing; Handover; QoS

現(xiàn)在的因特網(wǎng)協(xié)議是IPv4版本，IPv6作為新版本的IP協(xié)議，繼承了IPv4的很多特性，其巨大的地址空間將能滿足因特網(wǎng)的快速發(fā)展，并且也正在集成移動性、安全性和服務(wù)質(zhì)量等內(nèi)容。

IPv4原不提供任何移動性支持。針對這一情況，IETF于1996年開始制訂支持移動因特網(wǎng)設(shè)備的協(xié)議。該移動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的出現(xiàn)是移動計算的一個重要里程碑。IPv6的主要特性對于未來的移動無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展非常重要，這些特性包括：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”。移動IPv6的設(shè)計借鑒了移動IPv4開發(fā)的經(jīng)驗，并且結(jié)合了IPv6協(xié)議的新特性。在移動IPv6中，定義了3個操作實體：移動節(jié)點(MN)、通信節(jié)點(CN)、家鄉(xiāng)代理(HA)；定義了4個新的IPv6目的選項：綁定更新、綁定認(rèn)可、綁定請求和家鄉(xiāng)地址選項；為“動態(tài)家鄉(xiāng)代理地址發(fā)現(xiàn)”定義了兩個ICMP(Internet Control Message Protocol)消息：家鄉(xiāng)代理地址發(fā)現(xiàn)請求ICMP消息和家鄉(xiāng)代理地址發(fā)現(xiàn)應(yīng)答ICMP消息；為“鄰居發(fā)現(xiàn)”定義了兩個新的IPv6選項：廣播時間間隔選項和家鄉(xiāng)代理信息選項。

移動IPv6技術(shù)的研究方向集中在宏觀移動性和微觀移動性兩個方面。微觀移動主要關(guān)于“無縫”切換，這包括快速切換和平滑切換，一些關(guān)于服務(wù)質(zhì)量、AAA(鑒定、認(rèn)證和計費)、組播和流量工程等問題也是廣泛研究的熱點。

1 移動IPv6基本協(xié)議

移動IP的主要目標(biāo)就是使移動節(jié)點總是通過家鄉(xiāng)地址尋址，不管是連接在家鄉(xiāng)鏈路還是移動到外地網(wǎng)絡(luò)。移動IP在網(wǎng)絡(luò)層加入了新的特性，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點改變網(wǎng)絡(luò)連接點時，運行在節(jié)點上的應(yīng)用程序不需修改或配置仍然可用。這些特性使得移動節(jié)點總是通過家鄉(xiāng)地址通信。這種機制對于IP層以上的協(xié)議層是完全透明的。DNS(域名系統(tǒng))中移動節(jié)點的條目是關(guān)于家鄉(xiāng)地址的，因此當(dāng)移動節(jié)點改變網(wǎng)絡(luò)接入點時，DNS不需要改變。事實上，移動IPv6影響了數(shù)據(jù)包的路由，但是卻又獨立于路由協(xié)議(如RIP，OSPF等)本身。

1.1 移動IPv6基本操作過程

移動IPv6操作包括家鄉(xiāng)代理注冊、三角路由、路由優(yōu)化、綁定管理、移動檢測和家鄉(xiāng)代理發(fā)現(xiàn)。移動IPv6的工作機制可以用圖1來說明。圖中有3條鏈路和3個系統(tǒng)。鏈路A上有一個路由器提供家鄉(xiāng)代理服務(wù)，這條鏈路是移動節(jié)點的家鄉(xiāng)鏈路。移動節(jié)點從鏈路A移動到B。鏈路C上有一個通信節(jié)點，可以移動也可以靜止。

當(dāng)移動節(jié)點連接到外地鏈路時，除了家鄉(xiāng)地址，它還可以通過一個或多個轉(zhuǎn)交地址進(jìn)行通信。轉(zhuǎn)交地址是移動節(jié)點在外地鏈路時的IP地址。移動節(jié)點家鄉(xiāng)地址和轉(zhuǎn)交地址之間的關(guān)聯(lián)稱為“綁定”。移動節(jié)點的轉(zhuǎn)交地址可以通過無狀態(tài)或者有狀態(tài)地址自動配置(如采用DHCPv6協(xié)議)來獲得，這要根據(jù)IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)方法來確定，或者其他方法，如由外地鏈路的管理員預(yù)先靜態(tài)配置。

移動IPv6的實現(xiàn)離不開家鄉(xiāng)鏈路上的家鄉(xiāng)代理。當(dāng)移動節(jié)點離開家鄉(xiāng)，要向家鄉(xiāng)鏈路上的一個路由器注冊自己的一個轉(zhuǎn)交地址，要求這個路由器作為自己的家鄉(xiāng)代理。家鄉(xiāng)代理需要用代理鄰居發(fā)現(xiàn)來截獲家鄉(xiāng)鏈路上發(fā)往移動節(jié)點家鄉(xiāng)地址的數(shù)據(jù)包，然后通過隧道將截獲的數(shù)據(jù)包發(fā)往移動節(jié)點的主轉(zhuǎn)交地址。為了通過隧道發(fā)送截獲的數(shù)據(jù)包，家鄉(xiāng)代理對數(shù)據(jù)包進(jìn)行IPv6封裝，外部IPv6報頭地址置為移動節(jié)點的主轉(zhuǎn)交地址。

當(dāng)移動節(jié)點離開家鄉(xiāng)時，家鄉(xiāng)鏈路的一些節(jié)點可能重新配置，以至于執(zhí)行家鄉(xiāng)代理功能的路由器被其他路由器所代替，這種情況下，移動節(jié)點可能不知道自己的家鄉(xiāng)代理的IP地址。移動IPv6提供了一種動態(tài)家鄉(xiāng)代理地址發(fā)現(xiàn)機制，移動節(jié)點可以動態(tài)發(fā)現(xiàn)家鄉(xiāng)鏈路上家鄉(xiāng)代理的IP地址，離開家鄉(xiāng)時，它在這個家鄉(xiāng)代理上注冊轉(zhuǎn)交地址。

移動IPv6還定義了一個附加的IPv6目的選項。由于每個數(shù)據(jù)包都包含家鄉(xiāng)地址選項，發(fā)送方的移動節(jié)點可以把家鄉(xiāng)地址告訴接收方的通信節(jié)點，而轉(zhuǎn)交地址對于移動IPv6以上層(如傳輸層)是透明的。

IPv6中，移動節(jié)點能把自己的轉(zhuǎn)交地址告訴每個通信節(jié)點。這就避免了三角路由問題。優(yōu)化功能使得通信節(jié)點和移動節(jié)點之間進(jìn)行直接路由，不需要經(jīng)過移動節(jié)點的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)，這樣就避免了移動IPv4中的三角路由問題。由于未來因特網(wǎng)上會有大量的無線移動節(jié)點，因此在路由效率上的大規(guī)模改善可能對因特網(wǎng)的擴(kuò)展性產(chǎn)生本質(zhì)的影響。

1.2 切換

移動IPv6已經(jīng)提供了切換過程，但是在某些情況下不適合支持實時應(yīng)用程序。研究切換的目的是要減少切換的延遲和丟包率，移動IPv6能很好地處理運行實時應(yīng)用的移動節(jié)點的移動問題。除了移動IPv6給出的基本切換過程外，也可以采用其他信令過程和優(yōu)化方法。完美的切換是無“縫”切換。

1.2.1快速切換

快速切換是一種切換操作，它減小或者消除了移動節(jié)點建立新的通信路徑的延遲；平滑切換則減小了數(shù)據(jù)包的丟失率；而無“縫”切換是兩者的結(jié)合，即低延遲和低丟失率。

根據(jù)控制分類，切換可以分為兩種：網(wǎng)絡(luò)控制和移動節(jié)點控制。在網(wǎng)絡(luò)控制的切換中，服務(wù)域中的網(wǎng)絡(luò)元素決定移動節(jié)點的連接點，某個實體指導(dǎo)建立與移動節(jié)點的連接。在移動節(jié)點控制的切換中，移動節(jié)點決定新的連接點，并且在該點建立連接。

現(xiàn)在，一些因特網(wǎng)草案文件介紹了不同的切換方法。有的方法是關(guān)于快速切換的，包括預(yù)測移動節(jié)點的移動，并且發(fā)送數(shù)據(jù)包的多個副本到移動節(jié)點可能移動的地方。這個草案中對普通和分層的移動IPv6模式都考慮到了。有的方法中分層移動IPv6的移動性管理模型已經(jīng)對移動IP的切換進(jìn)行了改善，其中提供了移動錨點(Mobile Anchor Point)的功能。為了得到快速切換，對現(xiàn)有分層模型操作還有其他的補充。

當(dāng)移動節(jié)點從一條鏈路切換到另一條鏈路時，需要盡快得到新的轉(zhuǎn)交地址，這樣才能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。一種方法可以減少獲得新轉(zhuǎn)交地址的延遲，這樣移動節(jié)點能很快重新傳輸數(shù)據(jù)包，并且還減小了發(fā)送數(shù)據(jù)包到移動節(jié)點的延遲，如果切換是網(wǎng)絡(luò)控制的，這中間要通知移動代理和通信節(jié)點。這個草案要求有一個網(wǎng)絡(luò)實體指導(dǎo)移動節(jié)點從一個訪問路由器切換到另一個，假設(shè)這個實體知道這些路由器的IP地址和網(wǎng)絡(luò)前綴。

其他的草案也提出了新的切換方法，采用小組組播(SGM)的明確組播(Xcast)技術(shù)。在有線段，控制/用戶數(shù)據(jù)包由Xcast向基站組播，基站能訪問移動節(jié)點，然后數(shù)據(jù)包發(fā)送到基站和移動節(jié)點之間的無線鏈路上。

1.2.2平滑切換

對于平滑切換，通過對移動IPv6的擴(kuò)展，在切換時附加控制結(jié)構(gòu)傳輸所必要的狀態(tài)信息，這樣在切換時，運行在移動節(jié)點上的應(yīng)用程序能保持較低的延遲、最小的中斷和減小數(shù)據(jù)包丟失率。

而且當(dāng)移動節(jié)點在同一個訪問域內(nèi)移動時，移動IPv6區(qū)域注冊減小了綁定更新信令延遲和信令負(fù)載。延遲的減小是通過將綁定更新限制在家鄉(xiāng)，而信令負(fù)載的減小是因為采用了區(qū)域感知路由器地址作為代理轉(zhuǎn)交地址或者區(qū)域轉(zhuǎn)交地址。區(qū)域注冊可以采用區(qū)域感知路由器的聯(lián)播地址，在相關(guān)路由器上為移動節(jié)點生成宿主路由器，支持任意的層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不需要知道從其他域移動過來的移動節(jié)點的其他信息，并且指定了轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的最佳方法，與平滑/快速切換相兼容。

要在移動網(wǎng)絡(luò)中支持實時應(yīng)用程序如VoIP，需要考慮的一個重要問題就是平滑切換的能力。當(dāng)移動節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)鏈路中移動時，平滑切換能最小化數(shù)據(jù)包丟失率。有的方法中定義了移動IPv6的一種緩存機制，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，減少了移動過程中的數(shù)據(jù)包丟失的可能性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬有限時，如無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可以壓縮IP報頭和傳輸報頭，來更好地利用可用的帶寬。當(dāng)切換采用報頭壓縮時，報頭壓縮上下文需要從一個IP訪問點(如路由器)重新定位到另一個IP訪問點，這樣才能完成平滑操作。有的采用IPv6和移動IPv6來獲得這種壓縮上下文的重新定位。

2 移動IPv6的AAA

IETF的AAA工作組致力于網(wǎng)絡(luò)訪問中鑒定、認(rèn)證和計費的需求開發(fā)，需求來自NASREQ、移動IP、ROAMOPS工作組和TIA45.6。這個AAA工作組主要是在Diameter提議的基礎(chǔ)上，開發(fā)IETF的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

Diameter協(xié)議是在RADIUS(遠(yuǎn)端授權(quán)撥號上網(wǎng)用戶服務(wù))RFC2138協(xié)議之后，解決RADIUS不足問題，并且可以與NASREQ，ROAMOPS和移動IP一起應(yīng)用。Diameter框架結(jié)構(gòu)包括一個基本協(xié)議和一些擴(kuò)展協(xié)議(如安全性、NASREQ、移動IP和計費)。服務(wù)的通用功能在基本協(xié)議中實現(xiàn)，而與應(yīng)用有關(guān)的功能在擴(kuò)展機制中實現(xiàn)。

移動IP工作組最近已經(jīng)改變了工作重點，重點研究管理域間的移動性，這解決了應(yīng)用移動性協(xié)議的蜂窩發(fā)送者的需求；并擴(kuò)展了Diameter基本協(xié)議，Diameter服務(wù)器可以對移動節(jié)點上的移動IPv4服務(wù)進(jìn)行鑒定、認(rèn)證和收集計費信息。結(jié)合基本協(xié)議的域間功能，這個擴(kuò)展允許移動節(jié)點從其他服務(wù)提供者獲得服務(wù)。Diameter計費擴(kuò)展用在外地和家鄉(xiāng)代理上，向Diameter服務(wù)器傳輸有用信息。

在一種方法中，IPv6節(jié)點(客戶端)向家鄉(xiāng)AAA提交認(rèn)證材料，以便對家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問。然而在IPv4中，路由器和DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)不一定能處理這種功能，作者相信如果由IPv6路由器進(jìn)行這些訪問控制，效率將會更加合理，也可能作為執(zhí)行DHCPv6延遲功能的一部分。DHCPv6服務(wù)器和路由器可以與AAA服務(wù)器聯(lián)合使用，決定客戶端的認(rèn)證材料是否有效。通過鄰居緩存中的控制條目的設(shè)備，路由器能執(zhí)行這樣的網(wǎng)絡(luò)訪問控制。如果沒有有效的認(rèn)證材料，路由器就不會把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到這個設(shè)備，而且這樣的設(shè)備也不能訪問(或者只是有限訪問)相鄰的其他網(wǎng)絡(luò)鏈路。只有通過這種方法，新設(shè)備在認(rèn)證完成之前，才不會濫用網(wǎng)絡(luò)連接。

3 其他IP移動性解決方案

除了移動IPv6以外，還有其他的IP移動性解決方案，如：IETF的移動IPv4、IETF移動IP的擴(kuò)展(包括分層外地代理、路由優(yōu)化、動態(tài)移動支持、反向地址翻譯、基于組播的切換）、HAWAII、蜂窩IP、移動人結(jié)構(gòu)、ICEBERG、擴(kuò)展SIP移動性等。

如何解決通常的移動性問題，重點是上述這些方法如何滿足新用戶、網(wǎng)絡(luò)需求和新技術(shù)的要求。筆者認(rèn)為，在未來的基于IP的無線網(wǎng)絡(luò)中，需要設(shè)計切換方案，最后對這些方法進(jìn)行比較。首先從通用的移動性問題進(jìn)行比較，然后總結(jié)這些機制，根據(jù)通用功能列出一個名為切換方法比較的表，比較時可假設(shè)切換是幾種機制的組合。

未來的無線網(wǎng)絡(luò)將是純IP網(wǎng)絡(luò)，訪問網(wǎng)絡(luò)中的基站和路由器是可以通過IP地址識別的。移動性問題應(yīng)該在網(wǎng)絡(luò)層解決，其中涉及到與鏈路層和應(yīng)用層的協(xié)作。IETF的移動IP框架是未來純IP無線網(wǎng)絡(luò)的強大候選方案。我們認(rèn)為移動IP會解決通用移動性支持問題，但一個適用于所有移動情況的統(tǒng)一機制是一種誤解。在主機位置不暴露的前提下，我們?nèi)匀幌Ｍ谥鳈C間直接通信。

未來一些應(yīng)用(音頻和視頻)將需要切換支持，這樣，在分層無線技術(shù)的域內(nèi)可以采用移動性方案來支持家鄉(xiāng)移動，但需要解決一些關(guān)于垂直切換中切換策略的問題。

另外，基于組播的切換提供了切換支持的一些優(yōu)點：不需要切換指定的信令，重新路由的節(jié)點離基站很近，并且優(yōu)化切換易于實現(xiàn)。同時現(xiàn)在的組播也有一些缺點，如不通用等。未來網(wǎng)絡(luò)中要集成優(yōu)化的組播，如小組內(nèi)廣播，一些問題仍然存在，需要對基本組播進(jìn)行擴(kuò)展。

4 移動IPv6中的服務(wù)質(zhì)量

當(dāng)移動節(jié)點改變網(wǎng)絡(luò)連接點時，數(shù)據(jù)包經(jīng)過的中間網(wǎng)絡(luò)域可能發(fā)生變化。因此，在這些網(wǎng)絡(luò)域中，需要在移動節(jié)點的數(shù)據(jù)包上提供適當(dāng)?shù)姆?wù)質(zhì)量支持，這樣運行在移動節(jié)點上的服務(wù)質(zhì)量敏感應(yīng)用程序能保持可用的服務(wù)等級。

有的方法提出了一個無線和移動網(wǎng)絡(luò)中的信令協(xié)議，當(dāng)移動主機從一個子網(wǎng)移動到另一個子網(wǎng)時，允許移動主機在當(dāng)前位置的路徑上建立和維持預(yù)留資源。這個協(xié)議通過結(jié)合RSVP(資源預(yù)留協(xié)議)隧道和移動IP協(xié)議來實現(xiàn)。

有的方法解決了在移動IP網(wǎng)絡(luò)中運行RSVP信令的問題，采用優(yōu)化路由，討論了基本解決方法：在移動節(jié)點和通信節(jié)點上修改RSVP，使其知道移動IPv6的地址；允許在固定和移動網(wǎng)絡(luò)之間傳輸RSVP數(shù)據(jù)流。

上述這些為移動用戶提供服務(wù)的方法都是基于RSVP的，因此就有了RSVP的可擴(kuò)展性問題。IP移動性和RSVP的結(jié)合是很復(fù)雜的問題。

在某些方法中，引入了一個新的IPv6選項，稱為“服務(wù)質(zhì)量對象”。根據(jù)上下文不同，服務(wù)質(zhì)量對象可以作為目的選項或者Hop-by-Hop選項，包含在綁定更新和綁定認(rèn)可消息中。作為Hop-by-Hop選項時，服務(wù)質(zhì)量對象在中間網(wǎng)絡(luò)域觸發(fā)特定的服務(wù)質(zhì)量過程。這篇文章描述了在盡力而為、MPLS(多協(xié)議標(biāo)記交換)、Diffserv(區(qū)分服務(wù))和IntServ(綜合服務(wù))域中的服務(wù)質(zhì)量過程，這包括了所有將來可能用到的支持服務(wù)質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)。

這些方法的基本思想是把服務(wù)質(zhì)量對象作為Hop-by-Hop選項放在綁定消息中，傳輸方向與服務(wù)質(zhì)量敏感的數(shù)據(jù)流相同(HA到MN、CN到MN或者M(jìn)N到CN)。當(dāng)數(shù)據(jù)包在端到端路徑上穿過不同域時，需要檢查服務(wù)質(zhì)量對象，為MN的數(shù)據(jù)包提供服務(wù)質(zhì)量支持。

我們提出了一個移動IPv6網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量結(jié)構(gòu)框架。該結(jié)構(gòu)是基于區(qū)分服務(wù)的，因為數(shù)據(jù)流是以集合的方式在主干網(wǎng)上傳輸。每個管理域中至少有一個全局服務(wù)器，稱為全局服務(wù)質(zhì)量代理(GQA)，有幾個家鄉(xiāng)節(jié)點作為家鄉(xiāng)服務(wù)質(zhì)量代理(LQA)。結(jié)構(gòu)的主要特點是：GQA是在控制面上，LQA是在傳輸面上。由于在中心服務(wù)器上保留全局信息，并且將控制和數(shù)據(jù)傳輸分開，這個結(jié)構(gòu)用于移動環(huán)境時非常靈活，易于添加新的服務(wù)，并且更加有效。GQA和LQA之間的通信采用COPS(Common Open Policy Service)。

該結(jié)構(gòu)還考慮了集成移動IPv6和區(qū)分服務(wù)的其他問題，如移動環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)資源提供、缺乏動態(tài)配置問題、服務(wù)等級約定的定義和選擇、移動數(shù)據(jù)流的標(biāo)識和計費問題等。

5 結(jié)論

目前，移動IPv6的安全問題還沒有得到完全解決，IETF專家們正在努力工作，估計在不久的將來移動IPv6將逐步成熟。移動IPv6比移動IPv4有很多優(yōu)勢，因為它的設(shè)計吸取了移動IPv4發(fā)展的經(jīng)驗，并且遇上了設(shè)計新版本IP協(xié)議的大好時機，結(jié)合了IPv6的很多新特性。我們相信，未來移動網(wǎng)絡(luò)應(yīng)首選移動IPv6協(xié)議?！?/p>

參考文獻(xiàn)

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3 Deering S， Hinden R. Internet Protocol. Version 6 (IPv6) Specification. RFC2460， 1998

(收稿日期：2002-03-29)

作者簡介

闞志剛，諾基亞中國研究中心IP專員，博士。研究領(lǐng)域包括IPv6、移動IPv6、移動IPv4、服務(wù)質(zhì)量、流量工程、無線通信技術(shù)和3G等。已發(fā)表學(xué)術(shù)論文30多篇，編著3本。

黃暉，諾基亞中國研究中心研究員。從事無線通信網(wǎng)絡(luò)、IP和ATM網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)質(zhì)量、移動IP、IPv6網(wǎng)絡(luò)及TCP／IP網(wǎng)絡(luò)性能等方面的研究。已發(fā)表學(xué)術(shù)論文多篇。

馬建，諾基亞中國研發(fā)中心互聯(lián)網(wǎng)研發(fā)部經(jīng)理，博士，北京郵電大學(xué)客座教授。擁有多項專利。在ATM和TCP/IP等領(lǐng)域已發(fā)表60多篇學(xué)術(shù)論文。