移動(dòng)IP技術(shù)及三標(biāo)識分離研究

陳龍

（北京交通大學(xué)計(jì)算機(jī)信息與技術(shù)學(xué)院，北京 100044）

移動(dòng)IP技術(shù)及三標(biāo)識分離研究

陳龍

（北京交通大學(xué)計(jì)算機(jī)信息與技術(shù)學(xué)院，北京 100044）

就改進(jìn)現(xiàn)有移動(dòng)IP技術(shù)進(jìn)行研究，現(xiàn)有的移動(dòng)IP技術(shù)是對已有IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的補(bǔ)充與改進(jìn)，但由于IP網(wǎng)絡(luò)的一些先天不足，導(dǎo)致出現(xiàn)三角路由，安全性差等問題。在此基礎(chǔ)上提出身份標(biāo)識、位置標(biāo)識、路徑標(biāo)識、三標(biāo)識分離的移動(dòng)IP解決方案，從根本上解決現(xiàn)有移動(dòng)IP技術(shù)的問題。

移動(dòng)IP技術(shù)；向量地址；三標(biāo)識分離技術(shù)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了大量的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要在不間斷當(dāng)前通信的基礎(chǔ)上保持訪問Internet，為了支持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)訪問，出現(xiàn)了移動(dòng)IP技術(shù)以及一系列優(yōu)化技術(shù)，然而傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)支持的局限性日益顯現(xiàn)，亟需開展下一代網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)的研發(fā)。

1 移動(dòng)IP體系結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)大致可以分為兩類：一類是因特網(wǎng)的無線擴(kuò)展，它是在IP網(wǎng)基礎(chǔ)上，增加了Wi-Fi等無線網(wǎng)絡(luò)；另一類是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，在經(jīng)歷了第一代、第二代和第三代的發(fā)展后，目前正在向4G和LTE方向演進(jìn)，按照3GPP等組織的觀點(diǎn)，未來的移動(dòng)通信系統(tǒng)也要向全I(xiàn)P網(wǎng)方向發(fā)展。因此可以認(rèn)為，現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)均以IP網(wǎng)為基礎(chǔ)。

移動(dòng)IP技術(shù)是得到廣泛認(rèn)可的，使移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以以固定的IP地址實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)段的漫游功能，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫和不間斷傳輸[1-2]。在移動(dòng)IP技術(shù)中，包括了三個(gè)實(shí)體——移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、歸屬代理、外部代理。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)由歸屬網(wǎng)絡(luò)分配的固定IP地址，如果該節(jié)點(diǎn)位于歸屬網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，則使用和固定IP一樣的操作策略，不使用其他的移動(dòng)IP功能。

如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)漫游到其他網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，即連接在外部鏈路上時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要從外部代理處獲得轉(zhuǎn)交地址，并在歸屬代理處進(jìn)行注冊，注冊后歸屬代理更新綁定緩存，存儲移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的歸屬地址和轉(zhuǎn)交地址的關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)發(fā)生與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的通信時(shí)，把發(fā)往移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的分組目的地址設(shè)為該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的歸屬地址，這些分組會路由到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)歸屬網(wǎng)絡(luò)的歸屬代理，歸屬代理截獲這些分組之后對分組進(jìn)行封裝，運(yùn)用隧道技術(shù)發(fā)往移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。而移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與通信節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，可以通過外地代理直接發(fā)送消息。

圖1 通信主機(jī)與移動(dòng)主機(jī)的三角路由

如圖1，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收發(fā)信息時(shí)的這種路徑不一致就稱為三角路由，三角路由帶來的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的通信延遲，產(chǎn)生大量的額外開銷。

為了解決三角路由問題，提出了一系列路徑優(yōu)化移動(dòng)IP技術(shù)，其中比較典型的有ROMIPv4、Reverse Routing等。這些方案的核心思想都是讓通信節(jié)點(diǎn)可以和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)直接路由，并且盡量減少移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)造成的分組丟失。ROMIPv4定義了移動(dòng)綁定信息，通信節(jié)點(diǎn)會緩存移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的歸屬地址與當(dāng)前轉(zhuǎn)交地址之間的映射關(guān)系，這樣通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息時(shí)就可以直接路由到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)而不必經(jīng)過移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的歸屬地址。Reverse Routing協(xié)議通過向通信節(jié)點(diǎn)的所屬路由發(fā)送注冊信息告知路由器移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的歸屬地址以及當(dāng)前轉(zhuǎn)交地址，路由器在收到通信節(jié)點(diǎn)發(fā)往移動(dòng)節(jié)點(diǎn)歸屬地址的消息時(shí)就會轉(zhuǎn)發(fā)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的轉(zhuǎn)交地址。

這些路徑優(yōu)化移動(dòng)IP方案在一定程度上解決了三角路由問題，提高了路由效率，但同時(shí)也不可避免地帶來了一些新問題，有的需要修改通信節(jié)點(diǎn)上的軟件，增加封裝等功能，產(chǎn)生一定通信延遲；有的不支持平滑切換，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換網(wǎng)絡(luò)時(shí)造成大量的分組丟失。

移動(dòng)IP技術(shù)產(chǎn)生這些弊端的根本原因在于IP網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初并沒有考慮移動(dòng)性支持的問題，傳統(tǒng)IP網(wǎng)不能支持節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，究其本質(zhì)原因，是因?yàn)镮P網(wǎng)中沒有區(qū)分身份標(biāo)識（ID）和位置標(biāo)識（Locator）的概念。IP網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)的IP地址具有雙重功能：一方面，它起身份標(biāo)識的作用，被運(yùn)輸層協(xié)議用于連接管理（如TCP協(xié)議使用四元組<源IP地址，源端口，目的IP地址，目的端口>來標(biāo)識一個(gè)連接）；另一方面，它起位置標(biāo)識的作用，被IP協(xié)議用于分組轉(zhuǎn)發(fā)過程中。在節(jié)點(diǎn)位置固定的場合下，其身份標(biāo)識和位置標(biāo)識的對應(yīng)關(guān)系是固定的，不會引起嚴(yán)重問題；但在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的場合下，其身份標(biāo)識和位置標(biāo)識的對應(yīng)關(guān)系不再固定，而隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)不斷改變。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的同時(shí)還要保持通信的連續(xù)性時(shí)，出現(xiàn)了一對矛盾：一方面，為了維護(hù)運(yùn)輸層TCP連接的完整性，需要保持節(jié)點(diǎn)IP地址不變；另一方面，為將分組正確轉(zhuǎn)發(fā)至移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置，則需要改變節(jié)點(diǎn)的IP地址。這就是傳統(tǒng)IP網(wǎng)在支持節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)所遇的問題。

而在傳統(tǒng)IP網(wǎng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的移動(dòng)IP網(wǎng)難免出現(xiàn)了如下的問題：

（1）這種移動(dòng)性是外加的而不是內(nèi)在的，是在IP網(wǎng)體系架構(gòu)基礎(chǔ)上通過打補(bǔ)丁而得到的。幾十年的研究表明，對IP網(wǎng)修修補(bǔ)補(bǔ)沒有前途，解決了這個(gè)問題又會帶來其他更多的問題。提出移動(dòng)IP解決了移動(dòng)性支持問題，但也帶來了以下更多的問題。

（2）使用兩層地址方案，即用兩個(gè)IP地址分別實(shí)現(xiàn)IP地址所承擔(dān)的身份標(biāo)識和位置標(biāo)識兩種功能，造成IP地址的浪費(fèi)。而在IP網(wǎng)中IPv4地址是非常寶貴的資源。

（3）為了保持運(yùn)輸層連接的完整性（仍然使用原來的IP地址），通信時(shí)，需要采用隧道的方式，用當(dāng)前的轉(zhuǎn)交地址進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)。隧道的使用一方面增加了分組的傳輸開銷和節(jié)點(diǎn)的封裝/解封裝操作開銷，另一方面可能隱藏分組的QoS信息，影響服務(wù)質(zhì)量的提供。

（4）三角路由問題，增加了分組傳輸?shù)臅r(shí)延，并且增加了網(wǎng)絡(luò)的通信量負(fù)載。路徑優(yōu)化移動(dòng)IP和移動(dòng)IPv6緩解了這一問題，但又引起了可伸縮性和安全性等新問題，因此并不實(shí)用。

（5）切換時(shí)需要通知位于歸屬網(wǎng)絡(luò)的歸屬代理，時(shí)延較大，并會引起較多的分組丟失，同時(shí)給廣域網(wǎng)絡(luò)增加了信令負(fù)載。

2 三標(biāo)識分離技術(shù)

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，原本互聯(lián)網(wǎng)的不支持移動(dòng)IP的特點(diǎn)開始慢慢的顯現(xiàn)出來。

為了徹底解決移動(dòng)IP的三角路由，安全性等問題，提出了身份標(biāo)識、位置標(biāo)識、路徑標(biāo)識三標(biāo)識分離的新網(wǎng)絡(luò)體系。三種標(biāo)識分別滿足網(wǎng)絡(luò)的不同功能面要求，相互配合，形成人方便，機(jī)器高效的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識體系。

身份標(biāo)識用于標(biāo)識電子設(shè)備的身份，在運(yùn)輸層和呼叫過程使用，位置標(biāo)識用于標(biāo)識電子設(shè)備的位置，在路由過程使用，路徑標(biāo)識用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中。節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)只是改變了位置標(biāo)識，而身份標(biāo)識保持不變，這樣節(jié)點(diǎn)位置的改變對運(yùn)輸層來說就是透明的了。

（1）身份標(biāo)識（ID）

每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)身份標(biāo)識。身份標(biāo)識主要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)對象之間的社會隸屬關(guān)系賦予，對身份標(biāo)識的唯一要求是全名在本組織架構(gòu)中的唯一性。身份標(biāo)識相對用戶和組織關(guān)系固定，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)時(shí)，其身份標(biāo)識保持不變。層次關(guān)系的身份標(biāo)識聚合形成標(biāo)識架構(gòu)。身份標(biāo)識具有多樣化和人性化的特點(diǎn)。不僅用戶有ID，更大的網(wǎng)絡(luò)對象比如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和子網(wǎng)也有類似ID；ID可以采用人們習(xí)慣的各種代碼或字符串，只要唯一即可，就是說，除了域名、電話號碼、IP地址外，甚至郵寄地址、身份證號碼、QQ號等都可以作為網(wǎng)絡(luò)對象的ID，而且多種ID可以同時(shí)使用。

（2）位置標(biāo)識（Locator）

節(jié)點(diǎn)的每個(gè)端口對應(yīng)一個(gè)位置標(biāo)識，一條鏈路對應(yīng)兩個(gè)位置標(biāo)識。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系決定了網(wǎng)絡(luò)的位置架構(gòu)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對象與位置架構(gòu)的連接關(guān)系決定了該網(wǎng)絡(luò)對象的位置標(biāo)識。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)時(shí)，其位置標(biāo)識隨之發(fā)生變化。位置標(biāo)識具有統(tǒng)一化和層次化特征，所有ID都映射成統(tǒng)一的Locator。Locator的全網(wǎng)統(tǒng)一性和層次性可以有效提高網(wǎng)絡(luò)的效率。Locator的長度隨需而定，雖然可以采用固定長度的Locator，但是不定長Lo-cator可以使網(wǎng)絡(luò)無限可擴(kuò)展，并提高網(wǎng)絡(luò)信令的表示效率。身份標(biāo)識、位置標(biāo)識及相應(yīng)標(biāo)識架構(gòu)和位置架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2

以向量地址作為交換標(biāo)簽而建立的數(shù)據(jù)傳送通信網(wǎng)稱為向量傳送網(wǎng)，簡稱為向量網(wǎng)。

在向量網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都有各自的端口號，由源地址到目的地址的通信路徑就稱為向量地址，由每個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出端口號序列構(gòu)成，而每一個(gè)端口號則稱為分量地址[3-4]。

圖3 向量網(wǎng)示意圖

如圖3所示，節(jié)點(diǎn)A到D的路徑為1，3，3，3。實(shí)際使用時(shí)使用二進(jìn)制表示，即1，11，11，11。

（3）路徑標(biāo)識（Route）

也稱交換標(biāo)簽（Label）。交換標(biāo)簽必須方便傳送面高速簡單地交換轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，采用向量地址作為交換標(biāo)簽。身份標(biāo)識到位置標(biāo)識的映射關(guān)系由公式（1）表示：

其中X（N）ID表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)N的身份標(biāo)識（ID），Yi（N）Locator（i=1，2，…，p）表示節(jié)點(diǎn)N的位置標(biāo)識（Loca-tor），式中Φ[·]是一對多的映射函數(shù)，完成節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)識到多個(gè)位置標(biāo)識的映射。

位置標(biāo)識到路徑標(biāo)識的映射關(guān)系由公式（2）表示：

其中Y（N）Locator表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)N的某位置標(biāo)識，Zi（M，N）Label（j=1，2，…，q）表示從節(jié)點(diǎn)M到節(jié)點(diǎn)N的路徑標(biāo)識（Label），式中Ψ[·]是一對多的映射函數(shù)，完成節(jié)點(diǎn)的一個(gè)位置標(biāo)識到多個(gè)路徑標(biāo)識的映射，注意信宿節(jié)點(diǎn)N的位置標(biāo)識與信源節(jié)點(diǎn)M無關(guān)，但到N的路徑標(biāo)識與信源節(jié)點(diǎn)M有關(guān)。

身份標(biāo)識、位置標(biāo)識和路徑標(biāo)識之間的一對多映射關(guān)系如圖4所示。

圖4 身份標(biāo)識、位置標(biāo)識和路徑標(biāo)識間映射關(guān)系

身份標(biāo)識到位置標(biāo)識的解析通過呼叫過程來完成，位置標(biāo)識到路徑標(biāo)識的解析通過路由過程來完成。呼叫過程和路由過程合起來就是建立向量連接的過程，即建立起向量連接的同時(shí)完成了身份標(biāo)識到位置標(biāo)識再到路徑標(biāo)識的解析。整個(gè)解析過程如圖5所示，信源以信宿的身份標(biāo)識為目標(biāo)發(fā)起呼叫，利用標(biāo)識架構(gòu)將信宿的身份標(biāo)識解析為位置標(biāo)識；有了信宿的位置標(biāo)識，信源發(fā)起路由，通過位置架構(gòu)解析得到路徑標(biāo)識，在此也就是向量地址。得到向量地址后，通信雙方就可以快速高效的傳送數(shù)據(jù)。

圖5 身份標(biāo)識到位置標(biāo)識再到路徑標(biāo)識的解析過程

在三標(biāo)識分離的網(wǎng)絡(luò)體系中，終端部分存儲著接入的網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識信息，可以判斷接入的子網(wǎng)。同時(shí)路由節(jié)點(diǎn)也存有接入節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)識等信息，定時(shí)對接入點(diǎn)發(fā)送請求信息，如果收到應(yīng)答消息，可以判斷節(jié)點(diǎn)還在子網(wǎng)中，如果沒有應(yīng)答消息，則可以確定節(jié)點(diǎn)故障或是產(chǎn)生了移動(dòng)，也就是移動(dòng)監(jiān)測的過程。

節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)時(shí)，通過洪泛的方式發(fā)送移動(dòng)信息，通知接入路由保存接入信息，同時(shí)通過呼叫和路由過程可以建立完整的向量連接，完成身份標(biāo)識到位置標(biāo)識，位置標(biāo)識到路徑標(biāo)識的構(gòu)建。在三標(biāo)識的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)不需要定義歸屬地址和轉(zhuǎn)交地址，每次移動(dòng)都處理為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓恍枰P(guān)注節(jié)點(diǎn)所屬的路由變化即可，如圖6所示。

圖6 三標(biāo)識分離下的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)

圖中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從A位置移動(dòng)到B位置，通信節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的出口路由發(fā)生了變化，通過移動(dòng)監(jiān)測，路由器感知到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的變化，也就是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置標(biāo)識的改變，此時(shí)重新構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在新接入的路由器上注冊移動(dòng)節(jié)點(diǎn)信息。同時(shí)在確定節(jié)點(diǎn)的位置標(biāo)識改變之后，為了保證較小的丟包率，提高切換性能，根據(jù)位置標(biāo)識的改變尋找新的路徑標(biāo)識，進(jìn)行路徑切換。

由于在三標(biāo)識分離網(wǎng)絡(luò)體系中，節(jié)點(diǎn)之間是多徑連接的，因此在路徑切換時(shí)，存在以下兩種情況，一是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)除了中斷的原鏈路外，還存在與通信節(jié)點(diǎn)的其他鏈路，此時(shí)雖然原鏈路中斷，但由于轉(zhuǎn)發(fā)功能和選路功能高度分離，在拓?fù)涓碌耐瑫r(shí)，通信節(jié)點(diǎn)還可以通過其他鏈路和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了軟切換。還有一種情況是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與通信節(jié)點(diǎn)之間僅存一條鏈路，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)導(dǎo)致的鏈路中斷會暫時(shí)中斷通信節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的通信，在路徑切換完成之后，重新建立新的通信鏈路才能重新通信。

3 結(jié)語

本文探討了現(xiàn)代移動(dòng)IP技術(shù)的現(xiàn)存問題和發(fā)展趨勢，在分析已有問題的基礎(chǔ)上提出了三標(biāo)識分離的新一代網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。目前移動(dòng)IP技術(shù)還在不斷發(fā)展中，三標(biāo)識分離的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也還不太成熟，一些相關(guān)機(jī)制還需要進(jìn)一步完善，隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，相信在不久的將來這些問題都能得到解決。

參考文獻(xiàn)：

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Research on Mobile IP Technology and Separation of Three Identifications

CHEN Long

（School of Computer and Information Technology，BeiJing Jiaotong University，Beijing 100044）

Studies the modern mobile IP technology,the modern mobile IP technology is a supplement and improvement to the existing IP network protocol,due to some congenitally deficient of IP network,resulting in some problems like a triangle routing,poor security.On this basis, puts forward the solution of mobile IP that bases on identity,locater,route,three identifies’separation,which fundamentally solves the problem of the existing mobile IP technology.

Mobile IP Technology;Vector Address;Separation of Three Identifications Technology

1007-1423（2016）08-0056-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.08.012

陳龍（1991-），男，云南昆明人，碩士研究生，研究方向?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)

2015-12-29

2016-02-28