移動IPv6切換技術研究

陳利軍

(河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學院，河南 鄭州 450000)

1.概述

當前信息技術飛速發(fā)展，Internet和移動通信是通信領域的兩大發(fā)展趨勢。但是，由于目前網(wǎng)絡主要以固定接入方式接入Internet，每個主機分配有唯一的IP地址或動態(tài)的IP地址。Internet是基于網(wǎng)絡前綴的路由，IP數(shù)據(jù)包首先路由到IP地址前綴對應的網(wǎng)段，再轉(zhuǎn)發(fā)給目標節(jié)點。當移動主機在不同網(wǎng)絡間移動時，它的原有IP地址已經(jīng)不能再表示其物理網(wǎng)絡地址，發(fā)送給移動主機的數(shù)據(jù)包不能被正確地轉(zhuǎn)發(fā)給目標節(jié)點，所以移動主機不能正常的接入Internet獲得網(wǎng)絡服務。而人們的生活經(jīng)常處于運動中，需要隨時隨地訪問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Internet使用需求。人們迫切希望在傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡中實現(xiàn)移動性的支持，這些潛在的巨大需求給Internet帶來新的機遇，移動IP就是在原來IP協(xié)議的基礎上為了解決這些問題而提出的解決方案。

移動IP的主要設計目標是移動節(jié)點在改變網(wǎng)絡接入點時，能夠不改變其IP地址，并在移動過程中保持通信，而且對上層協(xié)議保持透明性。為此，國際標準化組織Internet工程任務組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IP協(xié)議，即移動IPv4和移動IPv6。1996年10月，IETF提出了移動IPv4協(xié)議的相關標準，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)絡上開展移動IPv4應用變得困難。而IPv6以其豐富的地址空間、較高的安全性和服務質(zhì)量以及良好的移動性支持，使得IPv6在移動通信領域得到了廣泛的應用。

目前，移動IP中的關鍵技術主要包括：

（1）移動切換技術

移動節(jié)點從一個子網(wǎng)移動到另一個子網(wǎng)就產(chǎn)生了切換(Handoff／Handover)。移動節(jié)點在新子網(wǎng)上獲得新的轉(zhuǎn)交地址，新的轉(zhuǎn)交地址不同于前一個網(wǎng)絡上的轉(zhuǎn)交地址。因此，移動節(jié)點需要向家鄉(xiāng)代理重新注冊，以及向通信對端重新綁定。移動IP是關于第三層，即網(wǎng)絡層上的協(xié)議，由于詳細傳輸和協(xié)議處理都需要時間，加上無線鏈路的高誤碼率、無線信號強度動態(tài)變化等多方面的原因，切換可能導致移動節(jié)點在一定時間內(nèi)不能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)分組，引起通信對端與移動節(jié)點之間的通信暫時中斷。如何保持通信的連續(xù)性，支持各種實時應用，縮短切換引起的通信中斷時間，減少切換對服務質(zhì)量的影響，是移動IP研究中重點關注的問題。

目前主要的切換方法主要有：移動IPv4低延遲切換(Low Latency Handoff)技術和移動IPv6的三種切換技術：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節(jié)點在切換過程中通信連接中斷的時間最??；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）移動安全

移動IP在網(wǎng)絡層實現(xiàn)了移動互聯(lián)，但是，也帶來了潛在的安全問題，主要來源于移動環(huán)境和移動IP協(xié)議兩個方面。移動主機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，容易遭受被動竊聽、重放攻擊和其它主動攻擊。而且，這些攻擊行為很難檢測出來。在移動IP協(xié)議中，移動主機不斷切換到不同的外地網(wǎng)絡，通過這些外地網(wǎng)絡與家鄉(xiāng)網(wǎng)絡和通信對端通信，外地網(wǎng)絡的安全性和可信度都影響通信的安全性。

安全機制在移動環(huán)境中是至關重要的，移動IP協(xié)議和IPSec協(xié)議結合起來，可以提高移動IP協(xié)議的安全性。

（3）服務質(zhì)量

目前在固定IP網(wǎng)絡上提出了集成服務(IntServ)和差分服務(DiffServ)兩種服務質(zhì)量機制，但它們都不適合移動環(huán)境。移動IP服務質(zhì)量解決方案要求在切換期間通信連接服務中斷時間最短，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釋放原有路徑上的服務質(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留協(xié)議(RSVP，Resource Reservation Protocol)。

（4）組播技術

在組播通信中，一個發(fā)送方可以同時向任意的接收方發(fā)送組播分組，通過網(wǎng)絡中建立組播傳播樹，只在扇出點復制組播分組，使得每個組播分組在每條鏈路上最多出現(xiàn)一次，高效利用資源。在主機移動的無線環(huán)境下，移動組播不僅要處理組播中組成員的動態(tài)變化，而且要處理移動節(jié)點位置的動態(tài)改變。在組成員不斷移動過程中，如果每次主機移動到新的網(wǎng)絡時，都重新構建組播傳播樹，將大大增加網(wǎng)絡系統(tǒng)的協(xié)議開銷，組播服務被間歇性中斷；當移動節(jié)點快速移動時，可能因來不及重建組播傳輸樹而使組播服務一直中斷。目前固定IP提出的DVMRP、MOSPF、CBT和PIM等組播協(xié)議都不適合移動環(huán)境。

基于移動IPv4和移動IPv6支持主機移動的組播機制：雙向隧道(BT，Bi-directional Tunneling)和遠程訂閱(RS，Remote Subscription)。

2.目的和意義

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

目前，對移動IP關鍵技術的大量研究的都集中在其切換技術上，可見對切換技術研究的重要性。移動IPv6允許節(jié)點在Internet內(nèi)的移動過程中，保持可達性，并維持移動節(jié)點和通信對端之間正在進行的通信。為此，移動節(jié)點在發(fā)生移動后，需要向其家鄉(xiāng)代理以及所有的通信對端發(fā)送綁定更新注冊它的當前位置，此過程稱為切換過程。其性能將影響整個移動IPv6的性能，因此具備一個性能優(yōu)良的切換機制是移動IPv6性能的重要保證。未來移動通信網(wǎng)絡將會越來越復雜，無線異構網(wǎng)絡的漫游和實時多媒體的應用，使人們對快速平滑切換機制的需求更為迫切。而切換需要解決的問題是怎樣使正在進行的網(wǎng)絡服務、通信在移動節(jié)點移動過程中不受到中斷因素等的影響，使服務能夠在網(wǎng)絡之間平滑過渡。由于無線網(wǎng)絡的帶寬非常有限，為滿足當前網(wǎng)絡的帶寬需求，基站的服務半徑變得越來越小，這增加了用戶在基站之間進行切換的頻率。因此，進行合理、有效的切換成為降低網(wǎng)絡負擔的一種重要途徑，設計合理的切換算法滿足低時延、高服務質(zhì)量、高可靠性等要求成為移動IPv6研究的一個熱點。

3.研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)

在移動IP技術中，移動IP切換是關鍵。所以，怎樣提高移動IP技術的切換性能成為移動IP研究領域的熱點。目前對切換的研究工作主要在以下幾個方面展開：

對切換時延的研究：如果切換時延過長，將導致當前服務的中斷，或?qū)Ψ召|(zhì)量造成嚴重的影響?，F(xiàn)有很多研究通過設計網(wǎng)絡系統(tǒng)架構、設計切換協(xié)議或設計切換過程中各個階段的消息交換方式和消息內(nèi)容來減少時延。

對用戶行為的研究：切換算法利用移動節(jié)點的位置和移動模式來協(xié)助系統(tǒng)進行切換。由于移動節(jié)點可能表現(xiàn)出特殊的移動方式，因此可研究用戶行為和移動模式以預測用戶的移動方向，在用戶進入目標接入服務范圍之前預先執(zhí)行無縫隙切換過程。

對切換決策的研究：信號強度RSS和信號功率RSP是判斷網(wǎng)絡環(huán)境好壞的標準，距離越遠，信號強度越差。利用信號強度的變化來觸發(fā)切換過程，選擇適當?shù)那袚Q決策是非常重要的。由于移動節(jié)點接收到的信號強度是隨機的，如果只使用信號強度作為切換的判斷標準，將會出現(xiàn)乒乓效應，而且將來的移動網(wǎng)絡將有多種不同類型的、不同特征的網(wǎng)絡組成，不同類型網(wǎng)絡的信號強度和信號功率不同，因此需要制定更好的切換決策來確定是否進行切換。

由于移動IPv6標準切換機制的高時延、高數(shù)據(jù)包丟失和網(wǎng)絡性能瓶頸都不能很好地滿足各種實時業(yè)務的需求，因此只使用該切換機制是顯然不夠的?，F(xiàn)有的移動IPv6各種切換機制中，快速切換移動FMIPv6(Fast Handovers for Mobile IPv6)和層次型移動IPv6技術HMIPv6（Hierarchical for Mobile IPv6）最具有代表性。

移動IPv6快速切換技術FMIPv6是對移動IPv6協(xié)議的改進，可以加快IPv6移動主機的切換過程，減少已有通信連接的中斷時間，保證通信流的實時傳輸。它通過提前注冊，以及在新的外地網(wǎng)絡切換未完成時通過前一個網(wǎng)絡保持通信的方法，實現(xiàn)快速切換，以對實時業(yè)務提供支持。FMIPv6關注于快速執(zhí)行切換，對移動切換事件進行預測和快速響應，通過實際切換前預先進行的路由器發(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，為移動節(jié)點在與新接入路由之間建立連接，與家鄉(xiāng)代理和通信對端綁定，更新注冊，完成之前提供的數(shù)據(jù)傳輸服務。

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

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

HMIPv6關注于網(wǎng)絡架構的設計，減少移動IPv6的綁定更新時延，減少綁定更新消息在網(wǎng)絡中的傳輸，提高整體的切換性能。

4.結束語

本文在介紹移動IPv6協(xié)議以及移動IPv6標準切換的主要操作的基礎上，研究了兩種典型的改進切換機制FMIPv6和HMIPv6。

[1]Li.Yong，Cheng.Wentiao，Jin.Depeng.Seamless handoff scheme for real-time application in the wireless IPv6 networking.2nd International Conferenceon Anti—counterfeiting，Security and Identification.August 2008 page(s)：136-139.

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