摘要移動性是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方向之一,移動互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)協(xié)議能支持單一無線終端的移動和漫游功能,但這種基礎(chǔ)協(xié)議并不完善,在處理終端切換時,存在較大時延且需要較大傳輸開銷,此外它不支持子網(wǎng)的移動性。移動互聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展協(xié)議能較好解決上述問題。文章首先介紹移動互聯(lián)網(wǎng)的基本目標(biāo),然后介紹移動互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)協(xié)議工作原理,最后介紹能提高移動互聯(lián)網(wǎng)工作性能的擴(kuò)展協(xié)議
0、引言
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線通信設(shè)備的迅速發(fā)展,人們迫切希望能隨時隨地從Internet上獲取信息。針對這種情況,Internet工程任務(wù)組(IETF)于1996年開始制定支持移動Internet的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前,移動IPv6的正式標(biāo)準(zhǔn)(MIPv6-RFC3775[1])和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn):移動IPv6的快速切換(FMIPv6-RFC4068[2])、層次移動IPv6的移動性管理(HMIPv6-RFC4140[3])、網(wǎng)絡(luò)移動(NEMO-RFC3963[4])已經(jīng)出臺,相關(guān)的各項開發(fā)工作都在進(jìn)行中。
下一代移動通信的核心網(wǎng)是基于IP分組交換的,而且移動通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出相互融合的趨勢,故在下一代移動通信系統(tǒng)中,可以較為容易地引入移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將得到廣泛應(yīng)用。
1、移動互聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)
傳統(tǒng)IP技術(shù)的主機(jī)不論是有線接入還是無線接入,基本上都是固定不動的,或者只能在一個子網(wǎng)范圍內(nèi)小規(guī)模移動。在通信期間,它們的IP地址和端口號保持不變。而移動IP主機(jī)在通信期間可能需要在不同子網(wǎng)間移動,當(dāng)移動到新的子網(wǎng)時,如果不改變其IP地址,就不能接入這個新的子網(wǎng)。如果為了接入新的子網(wǎng)而改變其IP地址,那么先前的通信將會中斷。
移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在Internet上提供移動功能的網(wǎng)絡(luò)層方案,它可以使移動節(jié)點(diǎn)用一個永久的地址與互聯(lián)網(wǎng)中的任何主機(jī)通信,并且在切換子網(wǎng)時不中斷正在進(jìn)行的通信。
2、移動互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)協(xié)議
移動互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)協(xié)議為移動IPv6協(xié)議(MIPv6),IETF已經(jīng)發(fā)布了MIPv6的正式協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)RFC3775[1]。MIPv6支持單一終端無需改動地址配置,可在不同子網(wǎng)間進(jìn)行移動切換,而保持上層協(xié)議的通信不發(fā)生中斷。
在MIPv6體系結(jié)構(gòu)中,含有3種功能實體:移動節(jié)點(diǎn)(MN)、家鄉(xiāng)代理(HA)、通信節(jié)點(diǎn)(CN)。其中MN為移動終端;HA位于家鄉(xiāng)子網(wǎng),負(fù)責(zé)記錄MN的當(dāng)前位置,并將發(fā)往MN的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至MN的當(dāng)前位置;CN為與MN通信的對端節(jié)點(diǎn)。
MIPv6的主要目標(biāo)是使MN不管是連接在家鄉(xiāng)鏈路還是移動到外地鏈路,總是通過家鄉(xiāng)地址(HoA)尋址。MIPv6對IP層以上的協(xié)議層是完全透明的,使得MN在不同子網(wǎng)間移動時,運(yùn)行在該節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)用程序不需修改或配置仍然可用。
每個MN都設(shè)置了一個固定的HoA,這個地址與其當(dāng)前接入互聯(lián)網(wǎng)的位置無關(guān)。當(dāng)MN移動至外地子網(wǎng)時,需要配置一個具有外地網(wǎng)絡(luò)前綴的轉(zhuǎn)交地址(CoA),并通過CoA提供MN當(dāng)前的位置信息。MN每次改變位置,都要將它最新的CoA告訴HA,HA將HoA和CoA的對應(yīng)關(guān)系記錄至綁定緩存。假設(shè)此時一個CN向MN發(fā)送數(shù)據(jù),由于目的地址為HoA,故這些數(shù)據(jù)將被路由至MN的家鄉(xiāng)鏈路,HA負(fù)責(zé)將其捕獲。查詢綁定緩存后,HA可以知道這些數(shù)據(jù)可以用CoA路由至MN的當(dāng)前位置,HA通過隧道將數(shù)據(jù)發(fā)送至MN。在反方向,MN首先以HoA作為源地址構(gòu)造數(shù)據(jù)報,然后將這些報文通過隧道送至HA,再由HA轉(zhuǎn)發(fā)至CN。這就是MIPv6的反向隧道工作模式。
若CN也支持MIPv6功能,則MN也會向它通告最新的CoA,這時CN就知道了家鄉(xiāng)地址為HoA的MN目前正在使用CoA進(jìn)行通信,在雙方收發(fā)數(shù)據(jù)時會將HoA與CoA進(jìn)行調(diào)換,CoA用于傳輸,而最后向上層協(xié)議遞交的數(shù)據(jù)報中的地址仍是HoA,這樣就實現(xiàn)了對上層協(xié)議的透明傳輸。這就是MIPv6的路由優(yōu)化工作模式。
建立HoA與CoA對應(yīng)關(guān)系的過程稱為綁定(Binding),它通過MN與HA、CN之間交互相關(guān)消息完成,綁定更新(BU)是其中較重要的消息。
3、移動互聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展協(xié)議
3.1移動IPv6的快速切換
基本的MIPv6解決了無線接入Internet的主機(jī)在不同子網(wǎng)間用同一個IP尋址的問題,而且能保證在子網(wǎng)間切換過程中保持通信的連續(xù),但切換會造成一定的時延。移動IPv6的快速切換(FMIPv6)針對這個問題提出了解決方法,IETF已經(jīng)發(fā)布FMIPv6的正式標(biāo)準(zhǔn)RFC4068[2]。
FMIPv6引入新接入路由器(NAR)和前接入路由器(PAR)兩種功能實體,增加MN的相關(guān)功能,并通過MN、NAR、PAR之間的消息交互縮短時延。
MIPv6切換過程中的實驗主要是IP連接時延和綁定更新時延。
決定要進(jìn)行切換時,MIPv6首先進(jìn)行鏈路層切換,即通過鏈路層機(jī)制首先發(fā)現(xiàn)并接入到新的接入點(diǎn)(AP),然后再進(jìn)行IP層切換,包括請求NAR的子網(wǎng)信息、配置新轉(zhuǎn)交地址(NCoA)、重復(fù)地址檢測(DAD)。通常IP層切換需要較長時間,造成了IP連接時延。針對這個問題,F(xiàn)MIPv6規(guī)定MN在剛檢測到NAR的信號時就向PAR發(fā)送代理路由請求(RtSoPr)消息用于請求NAR的子網(wǎng)信息,PAR響應(yīng)以代理路由通告(PrRtAdv)消息告之NAR的子網(wǎng)信息。MN收到PrRtAdv后便配置NCoA。這樣,在MN決定切換時只需進(jìn)行鏈路層切換,然后使用已配置好的NCoA即可連接至NAR。
MN連接至NAR后并不意味著它能立刻使用NCoA與CN通信,而是要等到CN接收并處理完針對NCoA的BU后才能實現(xiàn)通信,造成了綁定更新時延。針對這個問題,F(xiàn)MIPv6規(guī)定MN在配置好NCoA并決定進(jìn)行切換時,向PAR發(fā)送快速綁定更新(FBU)消息,目的是在PAR上建立NCoA-PCoA綁定并建立隧道,將CN發(fā)往PCoA的數(shù)據(jù)通過隧道送至NCoA,NAR負(fù)責(zé)緩存這些數(shù)據(jù)。當(dāng)MN切換至NAR后,立即向它發(fā)送快速鄰居通告(FNA)消息,NAR便得知MN已完成切換,已經(jīng)是自己的鄰居,把緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送給MN。此時即使CN不知道MN已經(jīng)改用NCoA作為新的轉(zhuǎn)交地址,也能與MN通過PAR-NAR進(jìn)行通信。CN處理完以NCoA作為轉(zhuǎn)交地址的BU后,就取消PAR上的綁定和隧道,CN與MN間的通信將只通過NAR進(jìn)行。
此外,PAR收到FBU后向NAR發(fā)送切換發(fā)起(HI)消息,作用是進(jìn)行DAD以確定NCoA的可用性,然后NAR響應(yīng)以切換確認(rèn)(HAck)消息告知PAR最后確定可用的NCoA,PAR再將這個NCoA通過快速綁定確認(rèn)(FBack)消息告訴MN,最終MN將使用這個地址作為NCoA。
采用上述方法,F(xiàn)MIPv6切換延遲比基本MIPv6縮短10倍以上,工作流程如下:1)MN檢測到NAR信號;2)MN發(fā)送RtSoPr;3)MN接收PrRtAdv,配置NCoA;4)MN確定切換,發(fā)送FBU;5)PAR發(fā)送HI,NAR進(jìn)行DAD操作;6)NAR回應(yīng)Hack;7)PAR向MN發(fā)送FBA,同時建立綁定和隧道,將發(fā)往PCoA的數(shù)據(jù)通過隧道送至NCoA;8)MN向NAR發(fā)送FNA;9)NAR把MN作為鄰居,向它發(fā)送從PAR隧道過來的數(shù)據(jù);10)CN更新綁定后,刪除PAR上的綁定和隧道,CN將數(shù)據(jù)直接發(fā)往NCoA。
3.2層次移動IPv6的移動性管理
若MN移動到離家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)很遠(yuǎn)的位置,每次切換時發(fā)送的綁定要經(jīng)過較長時間才能被HA收到,造成切換效率低下。為解決這個問題,IETF提出層次移動IPv6(HMIPv6),發(fā)布了正式標(biāo)準(zhǔn)RFC4140[3]。
HMIPv6引入了移動錨點(diǎn)(MAP)這個新的實體,并對MN的操作進(jìn)行了簡單擴(kuò)展,而對HA和CN的操作沒有任何影響。按照范圍的不同,將MN的移動分為同一MAP域內(nèi)移動和MAP域間移動。在MIPv6中引入分級移動管理模型,最主要的作用是提高M(jìn)IPv6的執(zhí)行效率。HMIPv6也支持FMIPv6,以幫助MN的無縫切換。
當(dāng)MN進(jìn)入MAP域時,將接收到包含一個或多個本地MAP信息的路由通告(RA)。MN需要配置兩個轉(zhuǎn)交地址:a)區(qū)域轉(zhuǎn)交地址(RCoA),其子網(wǎng)前綴與MAP的一致;b)鏈路轉(zhuǎn)交地址(LCoA),其子網(wǎng)前綴與MAP的某個下級AR的一致。首次連接至MAP下的某個AR時,將生成RCoA和LCoA,并分別進(jìn)行DAD操作,成功后MN給MAP發(fā)送本地綁定更新(LBU)消息,將其當(dāng)前地址(即LCoA)與在MAP子網(wǎng)中的地址(即RCoA)綁定,而針對HA和CN,MN發(fā)送的BU的轉(zhuǎn)交地址則是RCoA。CN發(fā)往RCoA的包將被MAP截獲,MAP將這些包封裝轉(zhuǎn)發(fā)至MN的LCoA。
如果在一個MAP域內(nèi)移動,切換到了另一個AR,MN僅改變它的LCoA,只需要在MAP上注冊新的地址,不必向HA、CN發(fā)送BU,這樣就能較大程度地節(jié)省傳輸開銷,由此可見,MAP本質(zhì)上是一個區(qū)域家鄉(xiāng)代理。
在MAP域間移動時,MN將生成新的RCoA和LCoA,這時才需要給BU發(fā)送HA和CN注冊新的RCoA,當(dāng)然也需要發(fā)送LBU給新區(qū)域的MAP。
因此,只有RCoA才需要注冊CN和HA。只要MN在一個MAP域內(nèi)移動,RCoA就不需要改變,使MN的域內(nèi)移動對CN是透明的。
3.3子網(wǎng)移動
網(wǎng)絡(luò)移動性(NEMO)工作組研究將移動子網(wǎng)作為一個整體在全球互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)變換接入位置時的移動管理和路由可達(dá)性問題。移動網(wǎng)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬潭?,通過一臺或多臺移動路由器連接至全球的互聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)移動對移動網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)完全透明,內(nèi)部節(jié)點(diǎn)無需感知網(wǎng)絡(luò)的移動,不需要支持移動功能。IETF已發(fā)布NEMO的正式標(biāo)準(zhǔn)RFC3963[4]。
NEMO網(wǎng)絡(luò)由一個或多個移動路由器、本地固定節(jié)點(diǎn)(LFN)和本地固定路由器(LFR)組成。LFR可接入其他MN或MR,構(gòu)成潛在的嵌套移動網(wǎng)絡(luò)。
NEMO的原理與MIPv6類似,當(dāng)其移動到外地網(wǎng)絡(luò)時,MR生成轉(zhuǎn)交地址CoA,向其HA發(fā)送BU,綁定MR的HoA和CoA,并建立雙向隧道。CN發(fā)往LFN的數(shù)據(jù)將路由至HA,經(jīng)路由查詢下一跳應(yīng)是MR的HoA,HA便將數(shù)據(jù)用隧道發(fā)至MR,MR將其解封裝后路由至LFN。反方向上,所有源地址屬于NEMO網(wǎng)絡(luò)前綴范圍的數(shù)據(jù)都將被MR通過隧道送至HA,HA負(fù)責(zé)將其解封裝路由至CN。
值得注意的是,HA上必須有NEMO網(wǎng)絡(luò)前綴范圍的路由表,即HA需要確定發(fā)往LFN的數(shù)據(jù)的下一跳是MR的HoA。有兩種途徑建立該路由表:a)在BU中攜帶NEMO網(wǎng)絡(luò)前綴信息;b)在MR與HA間通過雙向隧道運(yùn)行路由協(xié)議。
RFC3963[4]中只提出了基本的反向隧道工作方式,沒有解決三角路由問題,特別是在NEMO網(wǎng)絡(luò)嵌套的情況下,需要多個HA的隧道封裝轉(zhuǎn)發(fā),效率不是很高。為此,針對NEMO路由優(yōu)化的相關(guān)工作正在進(jìn)行中。
3.4應(yīng)用中的技術(shù)整合
在移動IPv6中引入上述擴(kuò)展協(xié)議后,移動互聯(lián)網(wǎng)可以提供對單一終端和子網(wǎng)的移動性支持,并且在移動過程中支持終端、子網(wǎng)的快速切換和層次移動性管理。其架構(gòu)如圖3所示。
此結(jié)構(gòu)下的移動互聯(lián)網(wǎng)在處理切換時,傳輸時延等開銷較小,能做到無縫切換,可承載豐富的多媒體業(yè)務(wù),提供良好的用戶服務(wù)。
4、結(jié)束語
移動IPv6協(xié)議能支持單一終端在不同子網(wǎng)間移動切換,保持上層通信的不中斷,但其切換速度和效率不是很高。移動IPv6的快速切換這一擴(kuò)展協(xié)議提高了終端在不同子網(wǎng)間切換速度,降低了切換時延。層次移動IPv6的移動性管理這一擴(kuò)展協(xié)議,降低了切換產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸代價,提高了切換的效率。以上三種協(xié)議協(xié)同工作,可作為用戶無線終端移動接入互聯(lián)網(wǎng)的解決方案。更進(jìn)一步,NEMO為子網(wǎng)提供移動性支持,而子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)不需要支持移動功能。這一特性可廣泛用于交通運(yùn)輸?shù)确矫妫蔀槁每吞峁┰L問互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)。
移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線接入互聯(lián)網(wǎng)的用戶提供了移動支持,為用戶提供了極大方便。但還有很多細(xì)節(jié)需要完善,如快速切換、層次移動、子網(wǎng)移動三者的結(jié)合、子網(wǎng)移動的路由優(yōu)化等問題,這些將是移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下一步的研究方向。
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