移動(dòng)IP在藍(lán)牙中的應(yīng)用

2019-11-03 09:30:56

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供稿：網(wǎng)友

上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院　　吳瑞　汪敏　陳慧　　摘要：當(dāng)前，如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶的因特網(wǎng)無(wú)縫接入成為通信領(lǐng)域研究的一大熱點(diǎn)，該文首先分別介紹了移動(dòng)ip技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)，在此基礎(chǔ)上討論了移動(dòng)IP在藍(lán)牙中的應(yīng)用，并且針對(duì)移動(dòng)IP在藍(lán)牙妝入網(wǎng)中存在的幾個(gè)問題提出了解決方案。

　　關(guān)鍵字　藍(lán)牙　無(wú)線接入　移動(dòng)IP　蜂窩IP

　　1　概述

　　隨著筆記本電腦和個(gè)人數(shù)字助理（PDA）的逐漸普及，人們對(duì)通信技術(shù)的期望越來(lái)越高，希望隨時(shí)都能夠接入因特網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)，這就需要無(wú)線接入技術(shù)。目前，無(wú)線接入主要有三種技術(shù)：IEEE802.11、藍(lán)牙技術(shù)和HomeRF。

　　無(wú)線接入的關(guān)鍵是不受限于某個(gè)固定區(qū)域，當(dāng)移動(dòng)用戶從一個(gè)地方到另一地方時(shí)，可以很方便地?cái)嚅_原來(lái)的鏈接，建立新的鏈接。移動(dòng)IP正是滿足上述需要而產(chǎn)生的，它可以使得移動(dòng)用戶在網(wǎng)絡(luò)上的無(wú)線接入成為可能，具有極大的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。本文主要探討移動(dòng)IP在藍(lán)牙中的應(yīng)用。

　　2　移動(dòng)IP簡(jiǎn)介

　　傳統(tǒng)IP技術(shù)的主機(jī)使用固定的IP地址和TCP端口號(hào)進(jìn)行相互通信，在通信期間必須保持IP地址和TCP端口號(hào)不變，否則IP主機(jī)之間的通信將無(wú)法繼續(xù)。移動(dòng)IP主機(jī)在通信期間可能需要在網(wǎng)絡(luò)上移動(dòng)，它的IP地址會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化，若采用傳統(tǒng)方式，IP地址的變化會(huì)導(dǎo)致通信中斷。為了解決這一問題，移動(dòng)IP技術(shù)引用了處理蜂窩移動(dòng)電話呼叫的原理，使移動(dòng)用戶采用固定不變的IP地址，一次登錄即可實(shí)現(xiàn)在任意位置上保持與IP主機(jī)的單一鏈路層連接，使通信持續(xù)進(jìn)行。

　　移動(dòng)IP以IETF所制定的RFC2002作為標(biāo)準(zhǔn)，它實(shí)際上只是在移動(dòng)用戶改變了它在網(wǎng)絡(luò)上的連接點(diǎn)時(shí)對(duì)發(fā)往該用戶的數(shù)據(jù)包的路徑作相應(yīng)的改變，是基于IP/ICMP的一種服務(wù)。移動(dòng)IP協(xié)議中移動(dòng)主機(jī)至少有兩個(gè)IP地址，一個(gè)稱本地地址（Home Address），它對(duì)于移動(dòng)主機(jī)來(lái)說(shuō)是固定不變的，用來(lái)唯一標(biāo)志移動(dòng)用戶，另一個(gè)稱為轉(zhuǎn)交地址（Care-of Address），它是當(dāng)移動(dòng)主機(jī)離開本地網(wǎng)絡(luò)后為進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)而獲得的臨時(shí)地址，用于路由策略。采用移動(dòng)IP協(xié)議需要有兩個(gè)服務(wù)器：本地代理和外地代理、典型的本地代理是移動(dòng)用戶本地網(wǎng)絡(luò)中的路由器，它維持著本地地址與轉(zhuǎn)交地址的映射，外地代理是移動(dòng)用戶正在訪問的網(wǎng)絡(luò)中的路由器，它將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)用戶。

　　3　移動(dòng)IP在藍(lán)牙中的應(yīng)用

　　3.1　基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線接入技術(shù)

　　利用藍(lán)牙技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶的無(wú)線接入技術(shù)，眾多的藍(lán)牙用戶（以下簡(jiǎn)稱BT用戶）也可以組成一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)。基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線接入簡(jiǎn)稱為BLUEPAC（Bluetooth Public access），藍(lán)牙技術(shù)主要用于BLUEPAC網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

　　目前，移動(dòng)藍(lán)牙用戶接入因特網(wǎng)可采用兩種方式：蜂窩IP技術(shù)和移動(dòng)IP技術(shù)。蜂窩IP主要應(yīng)用于BT用戶地點(diǎn)相對(duì)固定的場(chǎng)合，比如火車站、醫(yī)院等，它可以通過藍(lán)牙技術(shù)與固定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（公共電話網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)）技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種技術(shù)的應(yīng)用也可以很方便地實(shí)現(xiàn)一個(gè)家庭中的幾臺(tái)電腦的無(wú)線連接，并且能同時(shí)通過一個(gè)節(jié)點(diǎn)上網(wǎng)。移動(dòng)IP主要應(yīng)用于BT用戶移動(dòng)區(qū)域較大的場(chǎng)合，比如火車、飛機(jī)等，它可以通過藍(lán)牙技術(shù)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（帶WAP功能的手機(jī)）技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。由此可以看出藍(lán)牙的無(wú)線接入網(wǎng)方案是與其它技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它可以最大限度地利用現(xiàn)有設(shè)備，節(jié)省成本的開支，為藍(lán)牙技術(shù)的普及打下基礎(chǔ)。

　　3.2　蜂窩IP應(yīng)用于藍(lán)牙系統(tǒng)的工作原理

　　蜂窩IP技術(shù)主要是利用藍(lán)牙獨(dú)特的組網(wǎng)方式，使得同時(shí)可以有7個(gè)BT用戶通過一個(gè)固定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與因特網(wǎng)相連。在藍(lán)牙技術(shù)下應(yīng)用蜂窩IP的工作原理如下：

　　移動(dòng)藍(lán)牙用戶（以下簡(jiǎn)稱BT用戶）需要無(wú)線接入時(shí)，它將發(fā)出查詢命令，當(dāng)基站能夠接受新用戶時(shí)，連接就建立起來(lái)了。這時(shí)BT用戶將通過基站向藍(lán)牙代理發(fā)送登記請(qǐng)求，藍(lán)牙代理經(jīng)過驗(yàn)證返回一個(gè)包含分配給BT用戶的臨時(shí)的IP地址、代理服務(wù)器端口地址、以及DNS地址的分組，BT用戶收到這個(gè)分組后，就可以采用該IP地址向因特網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)，也可以與本局域網(wǎng)內(nèi)其它的BT用戶通信。

　　當(dāng)BT用戶移動(dòng)位置時(shí)，如果BT用戶的接收信號(hào)強(qiáng)度（rssI）小于某個(gè)門限值時(shí)，它將發(fā)出查詢命令，查找是否有更近的基站存在，如果有，將與新的基站建立連接，這時(shí)BT用戶將通過新的基站向藍(lán)牙代理發(fā)送登記請(qǐng)求，藍(lán)牙代理駝回一個(gè)新的包含臨時(shí)IP地址、代理服務(wù)器端口地址、以及DNS地址的分組，BT用戶通過該IP地址向因特網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　從上面的分析可以看出：蜂窩IP并不能實(shí)現(xiàn)BT用戶隨時(shí)隨地都能接入因特網(wǎng)的愿望，因?yàn)椴⒉皇请S時(shí)都有可供接入的固定節(jié)點(diǎn)。利用蜂窩IP的接入實(shí)際上是無(wú)線接入與有線接入的結(jié)合，要實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)線接入必定用到移動(dòng)IP技術(shù)。

　　3.3移動(dòng)IP應(yīng)用于藍(lán)牙系統(tǒng)的工作原理

　　與蜂窩IP的工作機(jī)理不同，在移動(dòng)IP技術(shù)下，移動(dòng)用戶可以使用一個(gè)固定的IP地址在任何地點(diǎn)采用任何方式連接到因特網(wǎng)上，當(dāng)移動(dòng)用戶移動(dòng)到另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或者子網(wǎng)時(shí)，移動(dòng)用戶可以在不改變IP地址的情況下仍保持通信，移動(dòng)IP正是當(dāng)前移動(dòng)通信的研究熱點(diǎn)。在藍(lán)牙技術(shù)下應(yīng)用移動(dòng)IP的工作原理如下：

　　*本地代理（BT用戶所在的本地網(wǎng)上的路由器）和外地代理（BT用戶當(dāng)前所在網(wǎng)絡(luò)上的路由器）不停地向網(wǎng)上發(fā)送代理消息，以證明自己的存在。

　　*BT用戶接收到這些消息后，確定自己是在本地網(wǎng)還是在外地網(wǎng)。

　　*如果BT用戶發(fā)現(xiàn)自己是在本地網(wǎng)，并且收到的是本地代理發(fā)來(lái)的消息，則不啟動(dòng)移動(dòng)功能；如果仍然收到外地代理發(fā)來(lái)的消息，則向本地代理發(fā)送注消原位置（外地網(wǎng)）命令，聲明自己已經(jīng)回到本地網(wǎng)。

　　*當(dāng)一個(gè)BT用戶檢測(cè)到它已移動(dòng)到外地網(wǎng)，它將獲得一個(gè)轉(zhuǎn)交地址，該地址包含兩方面的信息：一個(gè)是外地代理的IP地址，一個(gè)是外地代理通過某種機(jī)制與BT用戶暫時(shí)對(duì)應(yīng)起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)地址。

　　*然后BT用戶向本地代理注冊(cè)，表明自己已經(jīng)離開本地網(wǎng)，并把所獲得的轉(zhuǎn)交地址通知本地代理。

　　*注冊(cè)完畢后，所有通向BT用戶的數(shù)據(jù)包將被本地代理截獲，并由本地代理通過以IP隧道（tunnel）發(fā)往外地代理，外地代理接收到后，再把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給BT用戶，這樣即使BT用戶已經(jīng)從一個(gè)子網(wǎng)移動(dòng)到另一個(gè)子網(wǎng)，BT用戶的數(shù)據(jù)通信仍然能夠繼續(xù)。

　　*BT用戶發(fā)往外地的數(shù)據(jù)包一般按IP尋徑方法送出，不必通過本地代理。

　　4　移動(dòng)IP應(yīng)用于藍(lán)牙系統(tǒng)中的幾個(gè)技術(shù)問題以及解決方案

　　4.1　路由優(yōu)化問題

　　由于采用隧道技術(shù)，使得移動(dòng)IP的路由問題顯得尤其重要，傳統(tǒng)移動(dòng)IP采用三角路由技術(shù)。

　　BT用戶向通信對(duì)端發(fā)送信息時(shí)，直接通過外地代理傳送，但是從通信對(duì)端發(fā)往BT用戶的數(shù)據(jù)卻由本地代理截收，再根據(jù)轉(zhuǎn)交地址中的地址信息，采用隧道技術(shù)發(fā)送給外地代理，外地代理再傳送給BT用戶。這種方案的缺點(diǎn)在于它增加了本地代理的負(fù)擔(dān)，并且路由的選擇不是最佳的，增加了路由的延時(shí)。IETF建立的一種改進(jìn)方案如下：通信對(duì)端在向BT用戶發(fā)送數(shù)據(jù)之前首先向本地代理注冊(cè)，從而獲得BT用戶的轉(zhuǎn)交地址，再根據(jù)其中的地址信息，直接傳送給BT用戶。這種路由方案的缺點(diǎn)是，在BT用戶頻繁越區(qū)移動(dòng)時(shí)，若本地代理來(lái)不及刷新轉(zhuǎn)交地址信息，將容易造成數(shù)據(jù)包的丟失，下面我們給出一種簡(jiǎn)單的解決越區(qū)切換問題的方法。

　　4.2　越區(qū)切換問題

　　要實(shí)現(xiàn)BT用戶的無(wú)縫接入，最關(guān)鍵的問題就是越區(qū)切換，為了提高切換性能，可以采用在外地代理加緩沖區(qū)的辦法減少包的丟失率，這種方案的具體實(shí)現(xiàn)如下：當(dāng)BT用戶移動(dòng)位置時(shí)，如果BT用戶的接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）小于某個(gè)門限值時(shí)，它將發(fā)出查詢命令，查找是否有更近的外地代理存在，同時(shí)它也向原無(wú)的外地代理發(fā)出聲明，告之它將切換到新的外地代理。BT用戶移動(dòng)到新的外地代理的登記請(qǐng)求沒有被本地代理確認(rèn)前，原先的外地代理將通信對(duì)端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在緩沖區(qū)里。在登記請(qǐng)求確認(rèn)后，本地代理通過新的外地代理給BT用戶發(fā)出確認(rèn)消息，同時(shí)刷新通信對(duì)端的轉(zhuǎn)交地址，使通信對(duì)端獲得BT用戶的新的轉(zhuǎn)交地址，將以后的數(shù)據(jù)包發(fā)送到新的外地代理，再轉(zhuǎn)發(fā)給BT用戶。BT用戶收到登記確認(rèn)消息后，解除其在舊的外地代理的登記，并且通知它新的轉(zhuǎn)交地址，使它釋放緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包到新的外地代理，再轉(zhuǎn)發(fā)給BT用戶，這樣就避免了切換時(shí)的數(shù)據(jù)丟失。

　　4.3　注冊(cè)優(yōu)化問題

　　當(dāng)BT用戶頻繁更換外地鏈路時(shí)，注冊(cè)次數(shù)增多，加重了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，特別是BT用戶離本地代理較遠(yuǎn)時(shí)，將占用不少的帶寬。另外，當(dāng)一個(gè)本地代理負(fù)責(zé)的BT用戶數(shù)目過多時(shí)，注冊(cè)帶來(lái)的信息量將成為本地代理的一大負(fù)擔(dān)。由此引出了如何進(jìn)行注冊(cè)優(yōu)化的問題。下面半給出通過注冊(cè)消息局部化來(lái)減小注冊(cè)的開銷方案。　　該方案的實(shí)質(zhì)就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)按照分層代理的原則進(jìn)行分區(qū)管理，本地代理只存儲(chǔ)BT用戶的大概位置即它在哪個(gè)區(qū)域。BT用戶在區(qū)域內(nèi)的位置變化不用向本地代理報(bào)告，只有跨區(qū)域移動(dòng)時(shí)才通知本地代理。發(fā)往BT用戶的報(bào)文先被本地代理轉(zhuǎn)交給所在的區(qū)域的服務(wù)器，區(qū)域內(nèi)的服務(wù)器負(fù)責(zé)將報(bào)文交給BT用戶。BT用戶在區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，位置變化只在區(qū)域內(nèi)傳播，不會(huì)增加區(qū)域外網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。

　　在這種方案下，外地代理按照樹狀的分組方式組織。本地代理只存儲(chǔ)當(dāng)前根外地代理的地址，每個(gè)外地代理存儲(chǔ)BT用戶所在的下一級(jí)代理的地址，每個(gè)葉外地代理廣播從根到葉的路徑上代理組成的向量。BT用戶越區(qū)切換后，比較收到的老向量和新向量，向新老外地代理的最低共同祖先注冊(cè)新位置，只有BT用戶切換出根外地代理的范圍時(shí)，才會(huì)向本地代理發(fā)起注冊(cè)。

　　4.4　安全策略問題

　　在移動(dòng)IP被廣泛采用之前，還有一些障礙，其中最重要的是網(wǎng)絡(luò)安全問題。這里介紹兩種安全策略：

　　（1）“壞家伙”向本地代理發(fā)送一個(gè)偽造的注冊(cè)請(qǐng)求消息，本地代理將它的IP地址當(dāng)作BT用戶的轉(zhuǎn)交地址，所有發(fā)送給BT用戶的報(bào)文都被送給“壞家伙”，這使得“壞家伙”可以在任意地點(diǎn)進(jìn)行攻擊。一種有效的解決方案是：移動(dòng)IP使用IPSec機(jī)制，要求BT用戶和本地代理之間建立安全協(xié)定，對(duì)所有的注冊(cè)消息都進(jìn)行有效的認(rèn)證。

　　（2）“壞家伙”將一個(gè)有效的注冊(cè)請(qǐng)求消息存起來(lái)，等BT用戶離開后再用這個(gè)有效的消息進(jìn)行攻擊，本地代理會(huì)認(rèn)為它是合法的。解決方案如下：在移動(dòng)IP中，注冊(cè)消息都有一個(gè)標(biāo)志域，要求BT用戶為每個(gè)注冊(cè)消息產(chǎn)生一個(gè)唯一的值，并且本地代理不處理已經(jīng)過時(shí)的注冊(cè)消息。

　　另外，某些防火墻也可能會(huì)阻斷IP隧道，因?yàn)樗鼈儠?huì)檢驗(yàn)每個(gè)數(shù)據(jù)包的源地址域，而BT用戶的數(shù)據(jù)包本地地址和外部網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)地址不一樣，從而導(dǎo)致防火墻阻截IP隧道數(shù)據(jù)包。為此，IETF要與防火墻的供應(yīng)商達(dá)成協(xié)議，允許有使用權(quán)的用戶使用移動(dòng)IP的臨時(shí)IP地址，而且防火墻供應(yīng)商還需生產(chǎn)專門的軟件和硬件以支持移動(dòng)IP。

　　5　小結(jié)

　　藍(lán)牙以其成本低廉，組網(wǎng)靈活而取代了電纜，成為下一代個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PAN）的理想實(shí)現(xiàn)技術(shù)，基于藍(lán)牙技術(shù)的蜂窩IP和移動(dòng)IP中的基站可以是任一具有藍(lán)牙內(nèi)核的PC機(jī)、筆記本電腦、甚至手機(jī)，增加的只是上層軟件的復(fù)雜度，與日前提得較多的IEEE802.11無(wú)線接入技術(shù)相比，我們認(rèn)為藍(lán)牙在小區(qū)域組網(wǎng)中將更具有優(yōu)勢(shì)。但是要使基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線接入技術(shù)趨于成熟，還亟需提高系統(tǒng)的干擾能力，減小系統(tǒng)功耗，并且提高傳輸效率。

摘自《無(wú)線電工程》2001.11

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