移動IP技術分析

2019-11-03 09:15:06

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供稿：網友

廣小明　武靜

中國電信集團北京研究院

信息產業部電信傳輸研究所

　　摘要移動ipv4是基于網絡層的移動管理協議，無論從位置管理還是移動切換管理都采用基于網絡層IP來實現。作為支持宏觀移動的技術，移動IP可以與微觀移動的技術，如蜂窩IP等相結合應用。本文著重介紹移動IPv4技術的基本原理，同時從安全、路由和網絡層的移動切換的角度，引入相關的補充技術，如安全認證機制、路由優化技術和平滑切換技術，提供完善的移動IP實現。

　　關鍵詞移動IP 路由優化 Macro-Mobility Micro-Mobility 平滑切換安全認證

　　1 移動IP技術發展背景

　　隨著移動和互聯網技術的發展，移動數據通信作為二者的結合也越來越得到大家的關注。當前移動數據通信領域更多的研究集中在物理層和鏈路層，如衛星、CDMA、IEEE 802.11系列，本文著重于網絡層移動功能的實現，圍繞IETF 移動IP而展開。基于網絡層的移動技術，可以有效提供上層通信實體透明的移動通信能力，最大程度地利用現有互聯網絡中的通信設備和網絡業務。移動IP 技術通過保持移動節點的IP地址的不變，維持移動過程中傳輸層以及更高層的通信連接。在現有協議基礎上疊加（overlay）移動功能方式，優點是最大限度利用現有網絡資源和研發方面的經驗，較快實現解決方案；缺點是在網絡層協議本身是針對固定網絡而設計的基礎上實現的移動方案，可能并不是最佳，需要增補相應的協議內容完善在移動環境中的通信能力，例如CoA地址獲得、反轉隧道技術和路由優化技術等；在下一代IP中，在協議的體系結構中移動功能已經是其中的一個重要方面，所以可以說移動技術是IPv6協議的一個固有的部分，區別于通常的疊加方式的實現方案（IPv4,Wireless ATM等），提供更優化的移動性支持。下面我們將主要分析移動IPv4 技術，因為其中的基本原理無論是在下一代移動IPv6還是在一些其他的移動解決方案中普遍地得到了采納。

　　1. 移動技術

　　移動技術涉及的內容主要包括以下兩個方面：

　　——位置管理：提供移動過程中節點尋址能力，核心問題是保持移動節點地址不變，特別是由于地址緩存技術造成高層地址解析協議往往要求低層地址能夠保持不變。

　　——連接切換：提供移動過程中節點維持活動連接的能力；移動節點從一個基站移動到另一個基站時，在新的基站中協商的帶寬和延時等特性必然不同于前一個基站中所獲得的業務質量，因此切換機制必須確保新路徑滿足QoS要求，或者可以進行QoS重新協商；其次還有路由優化提高網絡帶寬利用率。

　　2. 移動IP技術概述

　　在移動IP中，切換和位置管理是不加區分的，都是在歸屬代理中實現的。移動IP基本協議集中并沒有提供切換中QoS保證以及路由優化，但是平滑切換機制提供：

　　——新外部代理通知舊外部代理新的轉交地址；

　　——在切換完成后，歸屬代理發送綁定更新給通信節點，實現路由優化，即建立通信節點和移動節點轉交地址間的隧道，而不用再通過歸屬代理。

　　這種切換機制是基于這樣一個前提：移動節點在進行切換的過程中能夠和兩個網絡同時通信，這樣可以保證在切換過程中數據完整性。如果沒有這個前提，可以選擇其他一些切換技術，如無線ATM中，部分路徑重路由技術（前向切換），路徑捻接技術（反向切換），支持多播的交接技術（為了避免切換過程中數據丟失或者傳輸報文順序差錯），特別是如果切換過程發生在很短的時間間隔內，不足以實現前向切換，可以采用多播的方式保證在切換過程中數據的完整性。

2 移動IP技術基本原理

　　移動IP主要涉及三個方面的內容：代理發現，注冊和隧道傳輸。下面我們圍繞這三個協議過程展開分析，同時針對各種實現技術所適用的特定環境作一個分析比較。

1. 代理發現：移動代理，包括歸屬代理和外部代理，通過定期發送“代理通告”消息，在相連接鏈路上通告移動代理業務；移動節點偵聽“代理通告”，檢查通告內容，檢測是否發生移動：

　　· 位于歸屬地網絡：不需要移動功能支持；

　　· 位于外部網絡：發生移動，繼續移動IP進程；

　　· 返回歸屬地網絡：注銷移動節點的注冊，結束移動IP進程。

　　移動節點獲得它在外部鏈路上的轉交地址，有兩類轉交地址：

　　· 外部代理的轉交地址，是通過代理通告獲得的；

　　· collocated 轉交地址，是通過DHCP或其他方式臨時分配給移動節點的地址。

　　如果移動節點在一段時間內沒有收到“代理通告”，或者移動節點使用其他方式獲得轉移地址，移動節點可以強制發送“請求代理通告”，現有移動代理應答請求，并且提供相應的轉交地址。

　　移動檢測功能的實現:

　　· 通過生命期判定：在每一個“代理通告”中，移動節點獲得了相應通告的生命期，在生命期過期之前應該接收到下一條“代理通告”；如果在生命期內從相應外部代理未接受到新的通告，就有兩種可能，其一移動節點漫游到了新的子網，其二移動節點向新的外部代理申請了注冊。

　　· 通過網絡地址前綴：通過比較現有外部代理和接受到的新的外部代理的網絡地址前綴來判斷移動節點是否移動到了一個新的子網。

　　2. 注冊：移動節點偵測到網絡接入點發生改變或者上一個注冊有效期將要過期時，移動節點實施注冊過程，通過注冊過程完成以下任務：

　　· 通知歸屬代理當前轉交地址；在歸屬代理中生成移動節點的綁定信息，三元組，包括轉交地址，歸屬地地址和注冊生命期；

　　· 發送注冊消息給外部代理，請求外部代理提供路由業務（特別是在路由優化中，通過擴充注冊選項實現平滑切換）；

　　· 對于將要過期的注冊項，重新注冊；

　　· 當判斷返回歸屬地網絡時，注銷原注冊項。

　　注冊請求中涉及以下這些信息：

　　· 移動節點的歸屬地地址；

　　· 移動節點轉交地址；

　　· 歸屬代理的地址；

　　· 注冊生命有效期；

　　· 封裝信息；

　　· 防竊取安全認證信息。

　　3. 隧道傳輸：代理節點，攔截發送到移動節點歸屬地址的數據報文；以隧道方式封裝后轉發到移動節點注冊的轉發地址。

　　對于發送到移動節點的數據報文，歸屬代理完成隧道封裝，由外部代理完成解封裝，然后轉發給移動節點；或者直接由移動節點完成解封裝和數據接收過程；對于移動節點發送出去的數據報文，以外部代理作為缺省路由器，通過常規路由技術，傳送到目的地。

　　——IP in IP 封裝：作為必選的隧道封裝機制；在原IP數據報文外面，封裝新的IP報頭；保持原IP報頭不變，整個隧道作為路由中的一跳（one hop）來處理；

　　——Minimal Encapsulation（最小化封裝）：作為可選的隧道封裝機制；通過簡化和合并兩級IP報頭的內容，達到減小報頭的額外開銷；已分段的IP數據報不能進行最小化封裝，而進行最小化封裝后的IP數據報可以進行分段；TTL在隧道中每一個路由器處理時減1；

　　——GRE：作為可選的隧道封裝機制；多用于涉及多協議間的封裝。

　　4. 移動IP協議中其他技術

　　（1）反轉隧道

　　采用反轉隧道技術的原因：

　　·防火墻或路由器部署安全策略，如“Ingress Filtering”，將導致移動節點發送的IP數據報文被丟棄；

　　· IP數據報頭中的參數，如TTL，移動節點和歸屬地網絡中其他節點通信中，由于移動節點漫游遠離歸屬地子網而造成TTL超時的錯誤。　　通過補充反轉路由實現，避免以上兩種原因造成的數據丟棄。

　　（2）路由優化。

　　基本移動IP引出三角路由的問題，相伴隨著的是網絡延時和網絡負載的加劇。通過路由優化技術，避免三角路由問題，優化網絡路由結構；主要涉及三個方面的功能實現：

　　· 歸屬代理通知通信節點關于移動節點的位置信息；

　　· 實現收發端的直接隧道連接；

　　· 通信節點學習移動節點的當前位置信息，采用諸如地址緩存的手段。

　　（3）安全性認證

　　注冊信息和綁定信息的安全認證，防止偽造的注冊攻擊和回放式攻擊。

　　——支持md5；

　　——安全防止回放式攻擊。

　　時間戳：歸屬代理通過檢查認證字段中的時間戳，拒絕同步時間段以外的注冊請求。

　　隨機數: 歸屬代理和移動節點間通過匹配請求和相應中的隨機數，防止回放式攻擊。

3 移動IPv6技術

　　在3G發展背景下，IPv6作為實現的關鍵協議已經得到3GPP的認可。作為推動無論是3G或者是IPv6盡可能快的部署，移動IP 業務具有舉足輕重的意義。移動IPv6究其根本在網絡層實現了移動性的管理問題，相對于鏈路層移動管理機制。IPv6協議本身在移動功能的支持上已經遠遠強于IPv4，但是在IPv6中仍然需要移動IP實現移動的管理，提供應用層或高層協議對于移動的透明。IPv6在以下方面作了改變：

　　——鄰居發現協議增強了移動管理能力：

　　· 移動節點轉交地址自動配置；

　　· 移動節點和移動代理之間的相互發現；

　　· 網絡地址前綴的發現，簡化移動檢測過程。

　　——在IPv6中提供端到端的可選消息，減小對路徑中間節點路由器性能的影響。

　　——安全性作為IPv6協議中的基本要求，本身提供必要的安全協議IPSec提供安全認證和數據傳輸的安全保證。

　　——無需外部代理和相應的外部代理的轉交地址方式，避免類似于IPv4中NAT所引起的問題，增強端到端的通信能力。

　　——路由優化作為必然的通信方式而得到支持。

4 其他相關技術問題

　　在移動IP技術被廣泛采用之前，仍然有大量的問題需要得到解決。

　　1. 移動IP所涉及到的授權、認證和計費問題；

　　2. 對應ROAMOP工作組的相關技術，L2TP，PPTP和移動IP相互關系；

　　3. QoS在移動IP中的實現技術。

參考文獻

[1] RFC 2002，IP Mobility Support

[2] RFC 2003，IP Encapsulation within IP

[3] RFC 2004，Minimal Encapsulation within IP

[4] RFC 2005，Applicability Statement for IP mobility Support

[5] RFC 2344，Reverse Tunneling for Mobile IP

[6] RFC 3344，IP Mobility Support for IPv4

[7] RFC 2401，IPSec

[8] draft-ieft-mobileip-optim-08.txt Route Optimization in Mobile IP

[9] draft-ietf-mobileip-ipv6-021.txt Mobility Support in IPv6

[10] Perkins E . Mobile IP Charles

　　廣小明，任職中國電信集團北京研究院，數據通信研究室。畢業至今一直從事數據通信領域的研究和開發工作，主要涉及以下一些領域：窄帶、寬帶ISDN網絡技術，IP網絡路由技術，MPLS流量工程等。

　　武靜：任職信息產業部電信傳輸研究所，二室。畢業至今主要從事移動數據業務的研究。

----《中國數據通信》