移動IP的跨區(qū)路由技術(shù)研究

王剛

(江西財經(jīng)大學(xué)，江西 南昌 330013)

0 引言

隨著時代的發(fā)展和進步，移動智能終端數(shù)量突飛猛進已經(jīng)成為了主流的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。移動智能終端是指具備開放的操作系統(tǒng)平臺（應(yīng)用程序的靈活開發(fā)、安裝與運行）、接近PC的處理能力、高速接入能力和豐富的人機交互界面的移動終端，包括智能手機、平板電腦等。隨著全球范圍內(nèi)第三代移動通信技術(shù)（3G）與第四代移動通信技術(shù)（4G）的快速普及，世界整體步入移動互聯(lián)網(wǎng)時代，網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍變得更加廣泛，人們?nèi)粘５墓ぷ?、生活與網(wǎng)絡(luò)越來越緊密，移動智能終端成為移動互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容和應(yīng)用的主要載體。伴隨著移動智能終端數(shù)量的快速增長，相配套的無線互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展顯得日益滯后，現(xiàn)代移動網(wǎng)絡(luò)主要還是依賴GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸，速度雖然不斷提高，但不是對等的互聯(lián)網(wǎng)訪問方式，而是采用一種基于移動代理的“三角路由”模式，當(dāng)前普及的無線局域網(wǎng)（WIFI），可以在小范圍內(nèi)移動，但無法實現(xiàn)跨區(qū)漫游[1]。

1 傳統(tǒng)移動IP體系及路由技術(shù)

移動智能終端在互聯(lián)網(wǎng)上被看做一個移動節(jié)點（Mobile Node）。在WIFI網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，移動節(jié)點從一個子網(wǎng)進入到另外一個子網(wǎng)時，網(wǎng)關(guān)發(fā)生了變化，需要斷開原有的網(wǎng)絡(luò)連接后重新獲取新子網(wǎng)的IP地址后，才可以繼續(xù)通信，切換過程會產(chǎn)生了明顯的網(wǎng)絡(luò)中斷，這在移動互聯(lián)網(wǎng)上叫移動節(jié)點的跨區(qū)漫游。如何斷開舊的連接和建立新的連接以及如何減少二者切換時產(chǎn)生的通信延時是移動網(wǎng)絡(luò)通信要解決的基本問題。傳統(tǒng)的移動IP技術(shù)(基于IEFT RFC2002)主要通過移動代理來實現(xiàn)移動節(jié)點的跨區(qū)漫游[2]。實現(xiàn)原理如圖1所示。

Mobile IP的路由可以由圖1來描述：左側(cè)的移動節(jié)點MN在HA的區(qū)域和節(jié)點CN建立了一對通信連接，當(dāng)節(jié)點MN離開區(qū)域HA的范圍進入到另外一個區(qū)域FA的范圍時（見圖1虛線所示），它首先通過路由發(fā)現(xiàn)機制向FA申請一個新的IP地址來標(biāo)識自己，這個地址叫COA轉(zhuǎn)交地址，然后再把這個COA地址發(fā)送給HA家鄉(xiāng)代理路由器進行登記，申告自己的位置已經(jīng)發(fā)生了改變，到了COA。之后的通信過程為：CN并不知道MN位置已經(jīng)改變而繼續(xù)基于原有的目標(biāo)IP發(fā)送數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包到了HA，由HA采用隧道技術(shù)對數(shù)據(jù)包進行封裝和轉(zhuǎn)發(fā)，最終數(shù)據(jù)包經(jīng)過FA發(fā)送到了COA地址，由MN完成接收。反正MN則可以直接向CN發(fā)送數(shù)據(jù)包進行通信，但數(shù)據(jù)包必須采用舊的源地址進行發(fā)送，否則CN無法識別數(shù)據(jù)來源。

圖1 傳統(tǒng)Mobile lP 工作原理Fig.1 Working principle of traditional mobile lP

通過分析移動后數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)鏈路可以發(fā)現(xiàn)，CNHA-FA三點構(gòu)成了一個三角形，這就是傳統(tǒng)Mobile IP路由方案出現(xiàn)的“三角路由”的問題。當(dāng)節(jié)點每次發(fā)生區(qū)域改變時，都需要向最初的HA家鄉(xiāng)代理申告新的轉(zhuǎn)交地址COA，來自CN的數(shù)據(jù)包都必須經(jīng)過再次封裝才能轉(zhuǎn)交給MN[3]。這種路由方式存在幾個弊端：（1）家鄉(xiāng)代理路由器HA增加了不必要的轉(zhuǎn)交和封裝負擔(dān)。（2）路由路徑不是最優(yōu)，是拐彎轉(zhuǎn)發(fā)。（3）數(shù)據(jù)包必須通過隧道技術(shù)再次封裝，降低了傳輸速率[4]。

2 改進的移動IP方案

通過對傳統(tǒng)Mobile IP路由方案的分析，可以發(fā)現(xiàn)問題根源出在現(xiàn)有的IPv4的編址方式。1981年Jon Postel在RFC791中定義了IPv4，設(shè)計之初是為了為數(shù)不多的大學(xué)以及研究機構(gòu)的固定主機進行科研數(shù)據(jù)通信提供服務(wù)的，沒有充分考慮到未來海量的移動智能終端將成為主流的通信節(jié)點[5]。IPv4本質(zhì)上是一種只標(biāo)識位置，不標(biāo)識身份信息的地址系統(tǒng)，主要是用來解決固定主機間網(wǎng)絡(luò)路由問題。在移動互聯(lián)網(wǎng)成為主流通信方式之后，節(jié)點一旦從一個區(qū)域進入到另外一個區(qū)域，采用傳統(tǒng)的IPv4地址方案將會丟失自己的身份信息，從而要重新建立信任關(guān)系，只能采用第三方進行代理轉(zhuǎn)發(fā)才能繼續(xù)保持原有會話連接。為了消除這個弊端，有必要對現(xiàn)有的IPv4體系進行前瞻性改造，以適應(yīng)未來移動計算高速發(fā)展的社會需求。

本文的改進思路是讓IP地址結(jié)構(gòu)不僅具有位置屬性，同時還具備身份屬性。傳統(tǒng)的IPv4地址的長度為32位，分為4段，每段8位，它由兩部分組成，前部為網(wǎng)絡(luò)地址，后部分為主機號，由子網(wǎng)掩碼進行區(qū)分。我們考慮把IP地址的前三段固定下來，用來標(biāo)識子網(wǎng)信息，把第四段8位地址拓展為48位，正好放下現(xiàn)有的網(wǎng)卡MAC地址。新的IP地址用這個48位MAC地址標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)主機的身份信息，總長度由32位變成了72位。新的IP地址的基本特征是：（1）數(shù)量眾多，達到萬億級別；（2）同時具備網(wǎng)絡(luò)屬性和身份屬性，稍微修改便可沿用原有路由算法，節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)便可實現(xiàn)實名訪問[6]。新IP結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 新方案lP地址Fig.2 lP address of new scheme

新方案的IP地址的無線拓撲可采用蜂窩IP的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，當(dāng)移動節(jié)點進行跨區(qū)漫游時，我們采用基于滯后余量的相對信號強度準(zhǔn)則的軟切換方式[7]。允許移動節(jié)點在當(dāng)前區(qū)域的無線鏈路的信號比較弱，且新區(qū)域鏈路的信號強于本地信號過閥值，可以啟動跨區(qū)切換進程，在切換過程中，保持原有的網(wǎng)絡(luò)連接，同時著手建立新連接，直到切換順利完成。

圖3 跨區(qū)切換Fig.3 Cross- area handover

α邊界：當(dāng)AP2信號強度—AP1信號強度=λ1，（λ＞0）

β邊界：當(dāng)AP2信號強度—AP1信號強度=λ2，（λ＞0）

λ：為信號切換門限值

移動節(jié)點MN可以根據(jù)域間無線信號的強弱進行通信IP切換。在圖3中無線網(wǎng)關(guān)AP1的IP地址為10.0.0.A，無線網(wǎng)關(guān)AP2的IP地址為10.0.1.B，移動節(jié)點MN的網(wǎng)卡地址為C，則在AP1的鏈路區(qū)域內(nèi)，MN的IP地址為10.0.0.C。當(dāng)移動節(jié)點MN由AP1鏈路區(qū)域跨入AP2區(qū)域時，首先穿越α邊界，信號強度差過閥值λ1，MN的IP地址保持不變，仍然是10.0.0.C，同時采用網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)機制獲取AP2的網(wǎng)絡(luò)信息完成新地址的注冊，此時還是采用舊的地址和外界通信。當(dāng)MN繼續(xù)跨越中間區(qū)域，進入到β邊界時，信號強度差過閾值λ2時，切換成新區(qū)域的IP地址10.0.1.C向遠程通信主機發(fā)送數(shù)據(jù)包，遠程主機接到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)數(shù)據(jù)包源地址的第四段信息C做出判斷是移動節(jié)點MN發(fā)生了位置改變，可以接收改數(shù)據(jù)包，并且把IP地址10.0.1.C作為新目標(biāo)地址繼續(xù)之前的通信，雙方維持原有會話連接直到通信結(jié)束釋放連接[8]。

3 結(jié)論

本文提出的新的IP方案是針對移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下創(chuàng)新設(shè)計，解決了傳統(tǒng)IP體系下移動互聯(lián)網(wǎng)訪問存在的諸多問題，是一種更為科學(xué)的IP體系架構(gòu)。新方案實現(xiàn)了IP地址的無限擴充和IP身份識別功能，這既解決了IP地址資源枯竭的問題，又可以解決了移動節(jié)點跨區(qū)切換丟失身份信息，需要由第三方中轉(zhuǎn)連接的“三角路由”難題[9]。新的IP方案實現(xiàn)跨區(qū)無縫切換，后續(xù)通信也無需借助隧道直接訪問。這樣既提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸效率，又可以支持移動節(jié)點之間的互聯(lián)互通，從而可以為移動終端提供點到點的多樣化的通信服務(wù)[10]。