移動ＩＰｖ６切換方法的研究綜述

［摘 要］ IPv6在下一代互聯(lián)網(wǎng)中將被廣泛使用，IPv6支持移動的特性能夠?qū)⒐潭ňW(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)緊密地結(jié)合起來。本文介紹了移動IPv6基本工作原理，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了移動IPv6的各種網(wǎng)絡(luò)切換方法，并對各種切換方法的優(yōu)劣進(jìn)行了分析和比較，最后對移動IPv6技術(shù)做出了展望。

［關(guān)鍵詞］ 移動IPv6；平滑切換；快速切換；無縫切換

［中圖分類號］F724.6；TP393.03［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A［文章編號］1673-0194（2008）17-0101-04

1 引 言

隨著移動通信和互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的全面融合，可以實現(xiàn)在任何地方、任何地點能與任何人進(jìn)行通信，在移動中享受音樂、視頻和上網(wǎng)等服務(wù)。而實現(xiàn)這些服務(wù)的核心就是支持移動通信的IPv6協(xié)議。

2 移動IPv6的概述

2. 1移動IPv6的目標(biāo)

IETF所提出的基于IPv6移動通信的目標(biāo)在于：解決地址短缺的問題，使得所有的移動設(shè)備都能夠分配到一個全球有效的IPv6地址；減小路由表的長度；簡化路由協(xié)議，提高吞吐量與帶寬的利用；提供比IPv4更好的安全性能；更加關(guān)注服務(wù)類型，特別是實時數(shù)據(jù)；通過指定允許范圍幫助實現(xiàn)組播；允許主機不改變地址而實現(xiàn)漫游；協(xié)議未來的可擴充性；允許新舊協(xié)議共存［1］。

2. 2節(jié)點的切換

移動IPv6的特點就是能在不同的網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行切換而保持連接節(jié)點的通信。其中的切換主要指的是節(jié)點從一個網(wǎng)絡(luò)移入到了另一個擁有不同網(wǎng)絡(luò)前綴的網(wǎng)絡(luò)中，主要包括兩個層面：鏈路層的切換和網(wǎng)絡(luò)層的切換。當(dāng)移動節(jié)點進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的切換時首先是鏈路層的切換，包括有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)。涉及了底層的通信技術(shù)，主要包括無線通信中的鏈路層觸發(fā)機制［2］。網(wǎng)絡(luò)層的切換主要是通過網(wǎng)絡(luò)IP層地址綁定信息的交互來建立隧道，本文所討論的所有網(wǎng)絡(luò)切換算法的實現(xiàn)都是基于IP層的。

2. 3切換過程

圖1所示的是移動IPv6的工作模型，根據(jù)IETF的移動IPv6工作組對在草案［3］中提出的概念，移動節(jié)點在IPv6網(wǎng)絡(luò)中移動的過程如下：

移動前：當(dāng)移動節(jié)點(Mobile Node MN)沒有移動時，處于自己的網(wǎng)絡(luò)N₁中時擁有本地IPv6地址，即移動前的地址(Previous Care of Address，PcoA)。此時當(dāng)對等節(jié)點(Correspondent Node CN)向MN發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)通過MN所在網(wǎng)絡(luò)的接入路由( Previous Access Router，PAR)轉(zhuǎn)發(fā)到MN上。當(dāng)MN從網(wǎng)絡(luò)N₁移動到網(wǎng)絡(luò)N₂，此時地址PcoA將失效。

獲得轉(zhuǎn)交地址：當(dāng)移動節(jié)點移動到網(wǎng)絡(luò)N₂后，必需在新網(wǎng)絡(luò)注冊且要獲得一個能在網(wǎng)絡(luò)N₂中有效的唯一的IPv6地址，這時稱為新轉(zhuǎn)交地址（New Care of Address，NcoA），該地址的獲取算法在文獻(xiàn)［4］中介紹。

注冊：在移動節(jié)點獲得了轉(zhuǎn)交地址NcoA后，就會發(fā)送綁定更新消息(Binding Update，BU)向PAR去注冊這個地址， 本地代理也會返回一個(Binding Acknowledgement，BAK)確認(rèn)數(shù)據(jù)包信息，表示注冊成功。

攔截轉(zhuǎn)發(fā)：注冊成功后，本地代理即N₁中的默認(rèn)接入路由器將攔截發(fā)往MN的移動前的轉(zhuǎn)交地址的所有報文，并把這些報文轉(zhuǎn)發(fā)給MN的當(dāng)前有效地址NcoA。

直接通信：當(dāng)移動節(jié)點接收到本地代理轉(zhuǎn)發(fā)的由CN發(fā)送的報文后，移動節(jié)點可以發(fā)送BU消息給對等節(jié)點CN，通知CN自己當(dāng)前的地址。CN收到后就可以將之后的數(shù)據(jù)直接發(fā)送到MN上，從而實現(xiàn)了路由的優(yōu)化。

3 平滑切換

3. 1問題的提出

在移動的過程中，當(dāng)MN移入新的網(wǎng)絡(luò)，還未將新地址向PAR和CN綁定時，如果此時正好有CN節(jié)點在和MN通信，則從CN發(fā)出的數(shù)據(jù)將到達(dá)MN移動前的網(wǎng)絡(luò)的接入路由PAR，由于PAR未收到MN的新地址綁定消息而直接將數(shù)據(jù)流發(fā)往MN在PAR中的所用地址PCoA，但由于MN已經(jīng)移出該網(wǎng)絡(luò)，故將導(dǎo)致發(fā)出的數(shù)據(jù)丟失。如果綁定所用的時間過長則會導(dǎo)致丟失過多的數(shù)據(jù)報文而使通信性能下降。

3. 2切換的控制方式

節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中平滑切換的控制方式有兩種：移動節(jié)點控制切換網(wǎng)絡(luò)作為輔助(Mobie Controled Network Assist，MCNA)方式和網(wǎng)絡(luò)控制切換移動節(jié)點作為輔助(Network Controled Mobile Assistant，NCMA)方式。前者是由移動節(jié)點MN進(jìn)行引導(dǎo)來完成整個切換過程，后者則是由網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行引導(dǎo)來完成整個切換過程。

3. 3平滑切換方法

IETF工作組提出了一種為解決移動切換丟失報文問題的平滑切換方法，其思想就是在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點移出網(wǎng)絡(luò)后且尚未完成對新網(wǎng)絡(luò)的注冊的時候或是未完成在PAR上的地址綁定時， 從CN發(fā)出的數(shù)據(jù)報文在到達(dá)網(wǎng)絡(luò)后將存儲在網(wǎng)絡(luò)的接入路由PAR或NAR上，當(dāng)MN發(fā)出了綁定注冊消息后再將AR上緩存中的數(shù)據(jù)向MN發(fā)送。對于不同的切換控制方式，分別有相應(yīng)的切換算法。

在切換開始的時候移動節(jié)點還在PAR網(wǎng)絡(luò)中時會進(jìn)行兩步操作：一是PAR向移動節(jié)點MN發(fā)送路由通告信息RA，來告訴MN節(jié)點自己是否支持平滑切換的路由協(xié)議。二是 MN向PAR發(fā)送平滑切換的初始化消息，通知PAR進(jìn)行內(nèi)存的初始化分配工作。此后PAR將作為代理攔截由CN發(fā)往MN的報文，并存入緩存。

在MCNA方式下，MN利用包括像路由通告信息、鏈路層的一些信息等方法來判斷出自己的鏈路的更換信息。當(dāng)確定更換到了新的網(wǎng)絡(luò)后就會向NAR發(fā)送內(nèi)存初始化的消息，要求NAR根據(jù)消息進(jìn)行內(nèi)存的初始化工作，消息中含有緩存轉(zhuǎn)發(fā)的選項設(shè)置。當(dāng)NAR收到了該消息后會開辟內(nèi)存空間，并將緩存轉(zhuǎn)發(fā)消息發(fā)送至PAR。PAR收到后會返回一個確認(rèn)消息，然后將緩存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至NAR，并由NAR發(fā)送到MN的新地址。

在NCMA方式下，網(wǎng)絡(luò)可以通過各種元素判斷出MN何時在兩個AR之間的交換。這樣做的優(yōu)點就是NAR可以通過PAR得知切換之前的MN的狀態(tài)消息，由此來進(jìn)行緩存的初始化，進(jìn)而PAR緩存的報文將直接發(fā)送至NAR而不需要MN發(fā)送顯示的請求信息。當(dāng)MN移入NAR網(wǎng)絡(luò)，注冊完之后，NAR就將其緩存的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給MN［5-6］。

平滑切換也存在某些不足之處，比如：高層協(xié)議的重傳問題，這樣會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的浪費和性能的不穩(wěn)定；報文亂序的問題；平滑切換由于沒有考慮到切換的時延，從而使其不適合用于對實時性要求較高的數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中。

4 快速切換

4. 1問題的提出

IETF在移動IPv4的基礎(chǔ)上增加了路由優(yōu)化技術(shù)到移動IPv6技術(shù)中，解決了網(wǎng)絡(luò)的三角路由問題從而降低了網(wǎng)絡(luò)延遲，但仍然存在一些使數(shù)據(jù)延遲的因素，包括對節(jié)點的行為方向判斷，以及節(jié)點在新網(wǎng)絡(luò)中新地址的獲得和對HA，CN節(jié)點的注冊。過大的延時會導(dǎo)致數(shù)據(jù)報文的丟

失，使得TCP認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)的擁塞而導(dǎo)致重傳或停止通信。對一些實時性的應(yīng)用，要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r低，否則就會降低整個通信的質(zhì)量。

4. 2快速切換方法

快速切換能降低網(wǎng)絡(luò)切換延時，交換協(xié)議開始是從MN向當(dāng)前所在網(wǎng)絡(luò)的接入路由PAR發(fā)出代理路由請求消息RtSolPr，這是通告網(wǎng)絡(luò)將要進(jìn)行快速切換，其中包含了新網(wǎng)絡(luò)的接入點的鏈路地址。作為回應(yīng)，PAR將向MN發(fā)送一個代理路由通告信息PrRtAdv來告訴MN它所申請的地址是可知的、未知的或是連接PAR的另一條鏈路。如果是連接到同一個路由器上的不同鏈路那么就不需要做切換了，因為MN仍在PAR的網(wǎng)絡(luò)中，這種情況往往發(fā)生在同一路由中的MN從無線鏈路轉(zhuǎn)變到有線鏈路。

若RtSolPr消息中申請的鏈路地址是PAR已知的外部網(wǎng)絡(luò)信息，MN就會在PAR中完成新網(wǎng)地址的生成和配置，稱之為轉(zhuǎn)交地址的預(yù)先配置。交換的過程將如圖2所示。

這種方式下的PtRtAdv消息中包含了確認(rèn)的新網(wǎng)絡(luò)的地址前綴，MN可以通過該信息來形成在新網(wǎng)絡(luò)的有效地址NCoA［4］，這樣MN就會向PAR發(fā)送快速切換的地址綁定消息FBU， 該消息使得PAR能夠?qū)N移動前的有效地址PCoA 和NCoA 地址綁定在PAR上，以便當(dāng)MN在移入新網(wǎng)絡(luò)后PAR可以將發(fā)往MN的報文轉(zhuǎn)發(fā)到MN的新地址。在PAR得到NCoA后需要進(jìn)行地址驗證，這時就會向NAR發(fā)送切換初始化消息HI，其中包含了NCoA。當(dāng)NAR收到這個地址后將會在本網(wǎng)中驗證這個地址是否為有效［4］，然后通過HAck消息告知PAR。若地址無效，NAR將會產(chǎn)生一個有效的IPv6地址在HAck消息中返回。這樣PAR會得到一個最終有效的地址，然后通過FBAck消息通知到MN，同時也向NAR發(fā)送一個FBack消息來對最后地址綁定的一個確認(rèn)。這樣就在PAR和NAR之間建立起了一條隧道，之后發(fā)向MN的PCoA地址的數(shù)據(jù)就會在PAR上通過隧道到達(dá)NAR。當(dāng)MN移入新網(wǎng)絡(luò)向NAR發(fā)送了通告消息FNA進(jìn)行地址注冊后，NAR就會知道MN在本網(wǎng)絡(luò)，并把從PAR發(fā)送過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到MN上。

如果PAR上沒有請求地址信息，或者M(jìn)N移動得太快，或者是FBACK消息在中途丟失等情況下，MN在移入新網(wǎng)絡(luò)之前就收不到FBACK消息。那么切換的方式就會變成如下圖3所示。

當(dāng)MN完成與PAR之間的RtSolPr和PrRtAdv消息的交換后就直接移到了NAR的網(wǎng)絡(luò)里，之后MN就將綁定消息FBU封裝在FNA消息中發(fā)向NAR。NAR從FNA消息中取出FBU消息然后將其中的MN的新地址進(jìn)行驗證，如果新生成的地址已經(jīng)被使用，則將由NAR返回一個NAACK消息，其中包含了一個由NAR生成的有效地址并且MN將使用此地址。然后NAR將向PAR發(fā)送FBU消息， 在PAR處將MN的新舊地址綁定。PAR會向NAR發(fā)送一個FBACK來確認(rèn)消息。PAR就可以將發(fā)向MN的PCoA地址的數(shù)據(jù)立即發(fā)向MN的NCoA。這樣就完成了MN的快速切換。

以上討論的是在由移動節(jié)點控制的情況下的切換。如果在網(wǎng)絡(luò)的控制下進(jìn)行切換，首先是由網(wǎng)絡(luò)判斷出MN即將發(fā)生切換，然后PAR就會直接向MN發(fā)送PrRtAdv消息，其中有NAR網(wǎng)絡(luò)的鏈路信息。MN通過該消息來生成新的轉(zhuǎn)交地址NCoA， 并會通過FBU消息向PAR進(jìn)行地址綁定。之后的操作與上述的基本相同［7］。

5 無縫的切換

無縫的切換能夠保證網(wǎng)絡(luò)切換的低延時，又能保證切換時的數(shù)據(jù)不丟失，但這是一種理想的情況，并不能徹底地將兩者完全地結(jié)合起來。Robert Hsieh等人提出了一種基于分層結(jié)構(gòu)和快速切換結(jié)構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)切換模型S-MIP，這就向無縫切換邁出了更大的一步，其切換的框架如圖4。

整個切換的過程如圖5所示。和快速切換相似，當(dāng)MN收到外部網(wǎng)絡(luò)鏈路信息時會主動向PAR發(fā)送RtSolPr消息來表示開始切換，其中包含了網(wǎng)絡(luò)的新轉(zhuǎn)交地址。PAR會向RtSolPr消息中的所有涉及的網(wǎng)絡(luò)的AR發(fā)送HI消息，并會收到回復(fù)的HACK消息并建立隧道。

移動節(jié)點在一個網(wǎng)絡(luò)中會周期性地將每次收到的所有L2層的鏈路信號的強弱和對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)AR的ID號一起通過當(dāng)前跟蹤狀態(tài)消息CTS發(fā)送到?jīng)Q策引擎DE中去，DE可以根據(jù)該消息確定MN可能移入的網(wǎng)絡(luò)。通過設(shè)定L2信號閥值及根據(jù)信號強弱的變化來確定MN將要移入的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)DE發(fā)現(xiàn)MN的移動是隨機的運動時會向PAR和所有與MN有聯(lián)系的NAR上發(fā)送轉(zhuǎn)交決策信息HD，讓它們保留地址的綁定消息。這樣可以在MN發(fā)生“ping-ponging”運動時，盡量減少PCoA地址的注冊時間。當(dāng)MN停留在多個AR網(wǎng)絡(luò)的交界區(qū)時DE將通知MN和各AR之間進(jìn)行多重的地址綁定。而在MN線性的移動的情況下DE就會將MN要移入的網(wǎng)絡(luò)的信息告知MN。HD消息中包含了由DE決策出的MN所要移入網(wǎng)絡(luò)中的新轉(zhuǎn)交地址，并且通過PrRtAdv消息傳送給MN。

當(dāng)MN收到DE的通過消息后就會向PAR發(fā)送地址綁定更新消息FBU。然后PAR會向MAP發(fā)送同步播發(fā)消息Scast， MAP會將此后從CN發(fā)向MN的所有報文打上“s”標(biāo)志發(fā)給所有MN能感應(yīng)到的網(wǎng)絡(luò)的AR路由上，這可以使得一些無法預(yù)測的非規(guī)則運動如MN在線性移動過程中突然轉(zhuǎn)向移入別的網(wǎng)絡(luò)，造成DE方向判斷失誤的可能。這種同步的報文發(fā)送機制可以減少由此引起的報文丟失。在S-MIP中NAR將開辟兩個內(nèi)存空間，分別存放著從PAR發(fā)送過來的帶有“f ”標(biāo)志的報文的緩存f-buffer和從MAP發(fā)送過來的帶有“s”標(biāo)志的報文的緩存s-buffer。當(dāng)MN在新的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送F-NA消息時，NAR就會將f-buffer和s-buffer中的數(shù)據(jù)依次發(fā)給MN，這樣可以減小報文的丟失率，同時也保證了在NAR上不會產(chǎn)生報文亂序問題。當(dāng)NAR發(fā)送完f-buffer中的消息后就會清空其中的內(nèi)容并向MAP發(fā)送Soff消息來結(jié)束整個切換過程，之后MAP就直接將報文傳送給MN了［8］。

S-MIP切換模型是一種由節(jié)點發(fā)起并由網(wǎng)絡(luò)控制的切換，在快速切換和分層網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上通過增加DE決策機制，報文的同步播送以及在網(wǎng)絡(luò)接入路由中進(jìn)行雙緩存，減少了快速切換時帶來的數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，并保證了沒有報文亂序的問題。比較適合于應(yīng)用在具有小型蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的大型建筑物內(nèi)。但是整個框架是針對低速的1M/S的移動速度而提出的，對于高速的節(jié)點運動則不適用于該模型。

6 總 結(jié)

本文對移動IPv6進(jìn)行切換時產(chǎn)生的問題進(jìn)行了分析探討，并詳細(xì)介紹了解決這些問題的各種切換方法，分析了各自的優(yōu)劣性，最后提出了一些在移動IPv6切換中值得研究的問題。結(jié)合IPv6的很多新特性，建議未來移動網(wǎng)絡(luò)應(yīng)首選移動IPv6協(xié)議。從目前的研究情況來看，要能夠?qū)崿F(xiàn)移動IPv6的商業(yè)化的應(yīng)用，還需要一套完善的切換機制來進(jìn)行支持，同時也要考慮到不同的應(yīng)用類型和不同的應(yīng)用環(huán)境，移動IPv6的安全問題也要得到很好的解決。

主要參考文獻(xiàn)

［1］ 李毅，等. 關(guān)于移動IPv6技術(shù)的探討［J］. 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2005，25(2)：87－90.

［2］ D Johnson，et al. Mobile Support in IPv6［S］. draft-ietf-mobileip-

ipv6-24. June，2003.

［3］ S Thomson，et al. IPv6 Stateless Address Autoconfiguration［S］. RFC2462，December 1998：10-19.

［4］ Rajeev Koodli，et al. A Framework for Smooth Handovers with Mobile IPv6［S］. IETF INTERNET-DRAFT，2000.

［5］ Robert Hsieh.A Seamless Handoff Architecture for Mobile IP［R］.INFOCOM， 2003.

［6］ S Deering，et al.Internet Protocol， Version 6 (IPv6) Specification［S］.RFC 2460， December，1998.

［7］ J Loughney，et al. Context Transfer Protocol［S］. draft-ietf-seamoby-

ctp-05. October，2003.

［8］ Rajeev Koodli. Fast Handovers for MobileIPv6［S］. draft-ietf-mipshop-fast-mipv6-01. January，2004.