移動IP 的移動性管理

2019-11-03 09:26:51

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供稿：網友

王煜韋崗華南理工大學

　　【摘要】本文在介紹了移動通信中移動性管理的基本概念后，針對移動ip 的體系結構，提出了移動IP 移動性管理所涉及的特殊問題，并介紹了其解決方案。最后，提出了尚需進一步研究的問題。

1 引言

　　為了解決因特網節點移動問題，Internet 工程任務組制定了一系列標準，即移動IP。它是一種在因特網上提供移動功能的方案，使節點可以以一個永久的IP 地址連接到任何鏈路上，并在切換鏈路時可保持正在進行的通信。在移動IP 所涉及的諸多問題中，移動性管理是最重要，同時也是極具挑戰性的工作之一。它主要解決因特網節點可移動通信問題和因特網節點移動中通信問題。目前關于這套方案有兩種版本，一種是移動IPv4，一種是IPv6。IPv6 與移動IPv4 相比具有更多的地址空間，具有更豐富的移動性支持功能。

2 移動性管理

　　移動通信中的移動性管理包括兩方面的內容：位置管理和切換管理。位置管理用來使網絡發現移動節點的接入點，并向其發起呼叫。整個過程可分為兩個階段：第一階段完成位置注冊（或稱為位置更新），第二階段完成呼叫建立。在第一階段中，移動節點周期性地向網絡通告它當前的接入點，網絡對移動節點進行鑒權和認證，并更新移動節點的位置信息。在第二階段中，網絡在移動節點位置庫中查找被叫節點的位置信息，并向被叫移動節點發起呼叫。位置管理的操作如圖1 所示。

圖1：位置管理操作

　　當移動節點在移動通信過程中改變了其網絡接入點，網絡可以利用切換管理功能保證其連接不間斷。切換管理過程可分為三個階段，第一階段初始化，第二階段建立新連接，第三階段數據流控制。在初始化階段，用戶或網絡根據變化的網絡條件判定是否要進行切換。在第二階段，網絡必須為切換分配新的網絡資源，并執行相關的尋徑操作。最后，網絡根據服務協議將數據從舊連接轉到新的連接上。切換管理操作如圖2 所示：

圖2：切換管理操作

3 移動IP 體系結構

　　移動IP 的體系結構如圖3 所示。移動節點可以是一個主機，也可以是一個路由器，它在從一個子網移動到另一個子網時，不改變其IP 地址。移動節點通過家鄉代理或外地代理接入因特網，其中家鄉代理是移動節點家鄉網絡上的一個路由器，外地代理是移動節點外地網絡上的一個路由器。與移動節點通信的節點稱為通信節點。在圖3 中，通信節點通過移動節點的家鄉代理和外地代理向移動節點發送數據包。

4 移動IP 的移動性管理

　　由于因特網的組織架構與傳統的移動通信網不同，比如移動主機是將其位置信息通告給家鄉代理，而不是網絡的位置數據庫，所以移動IP 在進行位置管理和切換管理時引入了一些新的操作：

◆發現（Discovery）－當移動節點從一個子網移動到另一個子網時，它如何發現一個新的因特網接入點；

◆注冊（Registration）－移動節點如何向家鄉代理注冊；

◆尋徑和隧道（Routing and Tunneling）－當移動節點離開它的家鄉網絡時，如何接收數據包。

4.1 移動IP 位置管理

　　移動IP 的位置管理主要包括移動代理發現、移動檢測、形成轉交地址和綁定更新。

（1）位置注冊

　　當移動節點離開其家鄉鏈路時，就必須有一個家鄉代理。移動節點向家鄉代理進行注冊，外地代理以便使網絡知道移動節點當前的IP 地址。每個移動節點有兩個IP 地址，一個用于定位，另一個用于標識。當移動節點移動到一條外地鏈路上時，它就獲得一個新的IP 地址，稱為轉交地址。轉交地址與家鄉地址的關系通過一個移動性綁定來維護，這樣發往移動節點的數據就可以根據移動節點的家鄉地址進行轉發，而不必管其當前的位置。每一個綁定都有一個經協商的有效期，當有效期過后，綁定信息就被刪除。所以移動節點必須在有效期到期前重新進行注冊，以便使網絡可以繼續使用這個轉交地址。

　　移動節點根據接入方式的不同，可以直接向家鄉代理發送注冊信息，也可以通過外地代理向家鄉代理轉發注冊信息。圖4 說明了在移動IPv4 中，移動節點的注冊過程。

圖4：移動IP 位置注冊過程

◆移動節點通過外地代理向家鄉代理發送注冊請求；

◆家鄉代理產生或修改移動性綁定；

◆家鄉代理通過外地代理向移動節點發送注冊相應信息，其中包含綁定請求是否被接受的說明，以及新綁定的有效期。

　　在IPv6 中，不存在外地代理。外地代理僅僅作為一個接入點。

（2）移動性檢測

　　在移動IP 中，移動代理通過發送代理廣播消息來聲明自己的存在。在移動IPv6 中主要通過IPv6 的鄰居發現機制來實現移動性檢測。移動節點通過兩種方法發現自己發生移動，一種是廣播有效期，另一種是網絡前綴。廣播有效期方法是根據代理廣播消息中有效期字段來進行移動性檢測。具體來說就是，移動節點記錄下其接收到的代理廣播中所帶的有效期信息，直到其超期為止。如果移動節點不再與其原有外地代理有聯系，就要主動尋找新的代理。網絡前綴方法是根據網絡地址前綴來進行移動性檢測。當移動節點接收到的代理廣播消息中的網絡地址前綴發生變化，它就會認為其移動到了一個新的子網中。

4.2 移動IP 切換管理

（1）平滑切換

　　移動節點在改變其位置時能否進行平滑切換，對保持QOS 性能非常重要。在IPv4 中，路由優化策略允許以前的外地代理記錄下一份以前移動用戶的綁定信息，其中包含移動用戶當前的轉交地址。這樣，當數據包發往就轉交地址時，前外地代理就可以將其轉發到移動節點新的轉交地址處。因此，移動節點在對家鄉代理和通信節點進行更新的時候，仍可以接收數據包了。

　　如果舊的外地代理沒有一個有效的綁定（比如有效期過期），它就將數據包轉發給移動節點的家鄉代理。家鄉代理再根據移動節點最新的位置注冊信息，將數據包轉發給移動節點。但是，如果家鄉代理關于該移動節點的綁定信息仍然指向前外地代理，則會產生不必要的數據流。為了解決這個問題，外地代理可以使用特殊隧道來轉發數據，并且指明該數據需要家鄉代理的特殊處理。

　　如果使用特殊隧道，由外地代理向家鄉代理轉發的數據包被封裝在新的隧道包中，該包的原地址是該外地代理的地址。家鄉代理收到這個數據包后，將數據包的原IP 地址與移動節點最新的注冊轉交地址相比較。如果一樣，家鄉代理就不會再將該數據包發給原外地代理。如果不一樣，家鄉代理就將愿數據包解封裝后，再轉發給移動節點。移動IP 的平滑切換過程如圖5 所示：

圖5：移動IP 平滑切換過程

（a）前外地代理有移動節點當前的綁定信息

（b）前外地代理無移動節點當前的綁定信息移動節點移動節點

（2）尋徑與隧道

　　通過移動節點的家鄉代理向移動節點傳送數據所經過的路徑明顯比經過優化的路徑要長。移動IP 的路由優化技術采用隧道來減少無效的路徑。比如，當家鄉代理通過隧道將數據包傳給移動節點時，移動節點的家鄉地址對家鄉代理和移動節點之間的路由器是不可見的。直到數據包被傳送到外地代理后，原數據包才被重新恢復，并轉發給移動節點。當前，有兩種協議用于路由優化和隧道的建立，一種是移動IP 的路由優化協議，另一種是隧道建立協議。

　　路由優化技術對基本移動IP 協議進行了擴展，以獲得更優的轉發路由。其主要思想是通信接點直接將數據包傳送給移動接點，而不經過移動節點的家鄉代理。這個技術除了提供通信節點緩存移動節點的綁定信息，并根據這一信息將數據包通過隧道直接傳給移動節點，而不經過家鄉代理外，還考慮到了在下述情況下如何向移動節點直接轉發數據，一種情況是當移動節點移動時，數據包正在發送途中，另一種情況是數據包根據過期的綁定信息傳送。為了使用隧道協議，必須對移動IP 進行修改，以便在任意兩個節點之間都可以進行隧道傳送。當建立好一條隧道后，數據封裝代理（家鄉代理）按照一組參數將協議數據單元傳送給隧道終點（外地代理）。產生和更新隧道參數的過程稱為隧道的建立。一般來說，隧道建立的參數包括移動節點的網絡地址。為了使用隧道傳送數據，家鄉代理必須決定移動節點的隧道終點。這可以通過移動節點的IP 地址查詢注冊表得到。每張表都包含隧道終點的地址和其他一些必要的隧道參數。外地代理收到數據后，經過處理將解封裝的數據傳給移動節點。如果移動節點就注冊在這個外地代理，就不再需要別的網絡操作。

4.3 尚待解決的問題

（1）同時綁定

　　由于一個移動節點可以同時擁有幾個轉交地址，所以家鄉代理必須能夠將數據包經過隧道傳到幾個終點。這樣家鄉代理就需要將復制的數據包傳送到每一個轉交地址處。移動節點從這些轉交地址處收到數據包后，它可以將復制的數據包丟棄。如果必要，移動節點可以保留這些復制的數據，以便信號的重構。由于無線局域網技術還沒有廣泛使用，所以同時綁定技術還未被采用。

（2）注冊

　　在上面介紹的移動IP 移動性管理策略雖然簡單易行，但它存在兩方面的缺陷。首先，被發送的數據包要經過一條未優化的路徑。這個過程稱為三角路由。它會給數據包的傳送帶來延時，并會給網絡帶來不必要的額外開銷。其次，移動節點每次移動時，都要對其家鄉代理進行更新，即使它遠離家鄉鏈路。當移動節點移動過于頻繁時，這會增加更新代價，甚至使更新操作不能完成。

　　為了解決第一個問題，人們提出了許多方案。這些方案的主要思想是在通信節點和路由器中記錄下移動節點的位置信息，以便提供較優化的路由。這些方案的問題是需要維護緩存信息的更新。由于移動節點可以同時與不同的通信節點進行通信，因此對這些通信節點的更新就是一個非常繁重的任務。

　　為了減小綁定代價，人們也提出了許多方法。其主要思想是在移動節點和它的家鄉代理之間增加一個中間實體。這樣，當移動節點遠離家鄉鏈路時，它可以不去更新家鄉代理，而只是更新臨近的移動代理。具體技術包括：前向指針技術、位置鉚定技術和移動代理分層組織技術等。這些方法都是以增加發送代價來減小綁定代價。有些技術通過將位置鉚定技術與緩存技術相結合來減小綁定和發送代價。雖然他們通過概率分析得到了所期望的綁定和發送代價，但是卻不能保證在最壞情況下，這些方法得到的綁定和發送代價比傳統策略好。

----《移動通信在線》