移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜述

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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