（管理科學與工程專業(yè)論文）移動ipv6的移動性管理策略研究.pdf

浙江工業(yè)大學碩士畢業(yè)論文移動i p v 6 的移動性管理策略研究 移動i p v 6 的移動性管理策略研究 摘要 移動i p 技術，是一個在網絡層解決i n t e r n e t 中節(jié)點移動性的方 案，使節(jié)點在不同網絡間移動的過程中仍能以固定的i p 地址保持與 網絡的聯(lián)接與通信，是實現(xiàn)網絡終端設備全球漫游的關鍵性技術。 在移動i p 網絡中，移動性管理起著關鍵作用，它包括兩個相互 聯(lián)系的部分：切換管理和位置管理。切換管理目的是，使正在通信的 移動節(jié)點的通信能夠連續(xù)不斷；位置管理使得網絡能夠確定移動節(jié)點 當前的訪問接入點，從而實現(xiàn)將數據分組準確轉發(fā)到該節(jié)點。由于位 置管理所產生的控制報文等開銷消耗了網絡的帶寬、電能等重要資 源，因此，采用一個優(yōu)化的位置管理機制以有效地降低網絡中位置管 理的開銷就顯得尤為必要。本文主要對位置管理進行研究。 層次型移動i p 協(xié)議h m i p ( h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ) 是i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 提出的、旨在降低移動i p 位 置管理的信令消耗的一個著名協(xié)議。本文正是基于h m i p 提出了一種 支持尋呼的h m i p v 6 移動性管理策略，并分別針對有時延限制及無時 延限制的情況提出了不同的基于遺傳算法的多步尋呼策略，即根據移 動節(jié)點的位置概率分布，采用遺傳算法對尋呼區(qū)域內的所有子網進行 分組，再依次對各組按概率進行分批尋呼，使得平均尋呼信令開銷達 到或接近最優(yōu)。此外，對h m i p v 6 、支持單步尋呼的h m i p v 6 以及基于 遺傳算法的多步h m i p v 6 尋呼方案的信令開銷進行了比較分析，得出 尋呼節(jié)省信令開銷的必要條件。最后，給出數值實驗結果，以說明所 提出的尋呼策略的有效性。本文的研究成果，對移動工p 技術的發(fā)展、 對移動計算的研究有一定的理論及應用價值。 關鍵詞：移動i p v 6 ，移動性管理，i p 尋呼，遺傳算法，信令開銷 分析 浙江工業(yè)大學碩士畢業(yè)論文移動i p v 6 的移動性管理策略研究 r e s e a r c ho nm o b l l i t ym a n a g e m e n tf o r m o b i l ei p v 6 a b s t r a c t m o b i l ei p ( m i p ) i sas o l u t i o na tt h en e t w o r kl a y e rt os u p p o r tm o b i l en o d e s ( m n s ) m o v i n gi nt h ei n t e r n e t ，w h i c he n a b l e sa nm nw i t haf i x e di pa d d r e s st ok e e pi t s c o n n e c t i o nt ot h en e t w o r ka n do t h e rn o d e sw h e nt h em nm o v e sa m o n gd i f f e r e n t n e t w o r k s m i pi sak e yt e c h n o l o g yf o ra nm n sg l o b a lr o a m i n g m o b i l i t ym a n a g e m e n t ，w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nm o b i l ei pn e t w o r k s ， c o n s i s t so ft w or e l a t e dc o m p o n e n t s ：h a n d o f fm a n a g e m e n ta n dl o c a t i o nm a n a g e m e n t t h ef o r m e ra i m st ok e e pc o m m u n i c a t i o n su n d i s r u p t e db e t w e e nt h en e t w o r ka n dt h e m - n si nm o v i n g ，w h i l et h el a t t e re n a b l e st h en e t w o r kt oq u i c k l yl o c a t et h ec u r r e n t a c c e s sp o i n t so ft h em - n si no r d e rt od e l i v e rd a t ap a c k e t st ot h e m t h ec o n t r o l l i n g m e s s a g e sr e s u l t e df r o ml o c a t i o nm a n a g e m e n tc o n s u m e sal o to fn e t w o r k s r e s o u r c e s i n c l u d i n gb a n d w i d t h ，p o w e ra n dm o r e t h e r e f o r ei t i sv e r yi m p o r t a n tt h a to p t i m i z e d l o c a t i o nm a n a g e m e n ts t r a t e g i e sa r ed e v e l o p e dt oe f f i c i e n t l yr e d u c et h es i g n a l i n gc o s t i nm o b i l i t ym a n a g e m e n t t h eh i e r a r c h i c a lm o b i l ei p ( h m i p ) ，p r o p o s e db yt h ei e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) ，i saw e l l k n o w np r o t o c o lt or e d u c es i g n a l i n gc o s tf o rl o c a t i o n m a n a g e m e n t i nm o b i l ei pn e t w o r k s b a s e do nt r u eh m i p , w ed e v e l o p p e da p a g i n g s u p p o r t e dh m i p v 6i nt h i sp a p e rs ot h a tt h ep o w e rc o n s u m e db ym o b i l en o d e s a sw e l la ss i g n a l i n gt r a f f i cc a nb ec o n s i d e r a b l yr e d u c e d s e q u e n t i a lp a g i n gs c h e m e s u n d e rb o t hu n l i m i t e da n dl i m i t e dp a g i n gd e l a ya r es t u d i e d i na d d i t i o n ，t w og e n e t i c a l g o r i t h m ( g a ) b a s e ds e q u e n t i a lp a g i n gs c h e m e sa r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e l y , i nw h i c h a l lt h es u b n e t si nap a g i n ga r e aa r ep a r t i t i o n e di n t og r o u p sb yag am a k i n gu s eo f l o c a t i o np r o b a b i l i t i e so fm r n s ，a n dt h e ne a c hg r o u pi sp a g e di no n ep a g i n gs t e p f u r t h e r , t h es i g n a l i n gc o s t so fh m i p v 6 ，t h eh m i p v 6w i t hs i n g l e s t e pp a g i n g ，a n dt h e t w os c h e m e sa r ec o m p a r e d m o r e o v e r , t h ep r e r e q u i s i t ec o n d i t i o n sf o rd e c r e a s i n g s i g n a l i n gc o s tu n d e rs i n g l eo rs e q u e n t i a lp a g i n ga r eg i v e n b e s i d e s ，n u m e r i cr e s u l t s a r ep r e s e n t e dt os h o wt h ee f f i c i e n c ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e ds c h e m e s t h e r e s u l t sg i v e ni nt h i sp a p e ra r eu s e f u lb o t hi nt h e o r ya n dp r a c t i c ef o ra d v a n c i n gm o b i l e i pt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：m o b i l ei p v 6 ，m o b i l t ym a n a g e m e n t ，i pp a g i n g ，g e n e t i ca l g o r i t h m ， s i g n a l i n gc o s ta n a l i s y s 1 1 浙江工業(yè)大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所提交的學位論文是本人在導師的指導下，獨立進行 研究工作所取得的研究成果。除文中已經加以標注引用的內容外，本論文 不包含其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不含為獲得浙江 工業(yè)大學或其它教育機構的學位證書而使用過的材料。對本文的研究做出 重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人承擔本聲明的 法律責任。 作者簽名：乃孝卻 日期：2 哆年僧月弓f 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意 學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文 被查閱和借閱。本人授權浙江工業(yè)大學可以將本學位論文的全部或部分內 容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存 和匯編本學位論文。 本學位論文屬于 1 、保密口，在年解密后適用本授權書。 2 、不保密口。 ( 請在以上相應方框內打“”) 作者簽名： 導師簽名： 日期：0 口夕年 日期：汐戶 p 月- b 日 月e 1 浙江工業(yè)大學碩上畢業(yè)論文移動i p v 6 的移動性管理策略研究 1 緒論 1 1 移動i p 產生的背景 i n t e m e t 應用的日益成熟，移動通信技術的高速發(fā)展以及筆記本電腦、掌上 電腦、p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n c e ，令人數字助理) 、手機等便攜式移動設 備的大量應用，使得人們對移動互聯(lián)網的需求變得越來越迫切，人們希望的是不 僅僅能在任何地方任何時間連接i n t e r n e t ，而且更重要的是能進行高效、安全的 通信。 然而在傳統(tǒng)的t c p i p 網絡環(huán)境中，i p 協(xié)議給所有節(jié)點( 包括主機和路由器) 都分配了i p 地址，且每個節(jié)點的各個端口都分別有一個i p 地址，包括網絡前綴和 主機部分，同一條鏈路上的所有主機通常有相同的網絡前綴和不同的主機部分， 這使得i p 可以依據目的節(jié)點的i p 地址的網絡前綴部分來進行路由選擇，從而使路 由器只需保存一條簡單的網絡前綴路由，而不必為每個節(jié)點保存一條單獨的路 由。在這種情況下，由于采用了網絡前綴路由，因此當節(jié)點從一條鏈路切換到另 一條鏈路而沒有及時改變其i p 地址時，該節(jié)點則不可能在新鏈路上接收到數據 包，從而也就無法與其他節(jié)點進行通信。因此，網絡中的節(jié)點無法在移動過程中 訪問i n t e m e t 。 為了實現(xiàn)移動節(jié)點接入i n t e m e t ，研究人員曾經提出了以下三種方案幢： 第一種方案：在移動節(jié)點每次變換位置時，改變其i p 地址。這種方案的缺點 是：對上層協(xié)議不能提供移動的透明性，不能保持當前通信的連續(xù)性，特別當移 動節(jié)點在兩個子網之間漫游時，由于其i p 地址不斷地變化，將導致移動節(jié)點無法 與其他用戶通信。 第二種方案：根據特定主機地址進行路由選擇。這種方案的缺點是：它將大 量浪費路由器的有限資源，對每個數據分組選路時，路由器都要搜索大量的主機 地址入口，系統(tǒng)的可擴展性差，不能滿足大規(guī)模網絡互聯(lián)的要求。 第三種方案：在鏈路層使用蜂窩數字分組數據等標準。蜂窩數字分組數據標 準提供1l k b s 的傳輸速率，并且支持多種協(xié)議，但它需要新的網絡基礎設施和高 昂的管理維護費用，而且無法與現(xiàn)存的互聯(lián)網兼容，因此也不是合適的解決方案。 為了解決移動節(jié)點自由接入i n t e m e t 這一問題，i n t e r n e t 工程任務組i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 下屬的移動i p t 作組( i pr o u t i n gf o r w i r e l e s s m o b i l eh o s t s ) 于1 9 9 2 年在i p v 4 協(xié)議的基礎上制定了移動i p 的最初標準草 案，i n t e m e t 3 二程指導小組i e s g ( i n t e m e te n g i n e e r i n gs t e e r i n gg r o u p ) 在19 9 6 年6 月通 過了移動i p 標準草案，并于1 9 9 6 年1 1 月公布了建議標準，為移動i p 成為i n t e m e t 浙江工業(yè)大學碩士畢業(yè)論文 移動i p v 6 的移動性管理策略研究 正式標準打下了基礎，對移動工p 的發(fā)展起了關鍵性的作用。 所謂移動i p 技術口7 1 ，是在當前i n t e m e t 基于網絡前綴路由的前提下，使得移動 節(jié)點在不同網絡間不斷移動時仍能保持通信，是一個在網絡層解決移動性的方 案，是實現(xiàn)網絡終端設備在全球網絡漫游的關鍵性技術。它主要解決以下幾個問 題： ( 1 ) 移動節(jié)點可以通過一個永久的i p 地址連接到任何鏈路上； ( 2 ) 移動節(jié)點在切換到新的鏈路上后，仍然能夠保持正在進行的通信； ( 3 ) 與改變i p 地址、特定主機路由和鏈路層方案不同，移動i p 具有可擴展性、 可靠性和安全性。它與下層的物理傳輸介質無關，不需要改變移動節(jié)點的永久標 識，并能與現(xiàn)有的i n t e r n e t 協(xié)議兼容，能夠與不具有移動王p 功能的節(jié)點進行正常通 信。 1 2 移動i p 的研究現(xiàn)狀及應用 對于移動i p 協(xié)議自身及其應用的研究目前仍然處于不斷地完善與成熟的階 段。對于完善移動i p 協(xié)議自身的研究工作主要集中在以下的幾個方面： 1 、路由優(yōu)化問題 在移動i p v 4 中，對端節(jié)點向移動節(jié)點發(fā)送的數據包首先要到達家鄉(xiāng)代理，由 家鄉(xiāng)代理截獲后通過隧道路由轉發(fā)給移動節(jié)點，而移動節(jié)點可以直接向對端節(jié)點 發(fā)送數據包，這就構成了所謂的“三角路由”問題。三角路由會增加數據包傳輸 的時延，占用網絡資源并且加重家鄉(xiāng)代理的處理負擔。為此人們提出了路由優(yōu)化 技術，但是路由優(yōu)化將會帶來新的安全問題。所以必須考慮在實際的網絡拓撲結 構中在保證安全性的前提下如何實現(xiàn)路由優(yōu)化。 2 、無縫切換問題 當移動主機在不同的網絡間移動時，需要進行網絡層的切換。一個完整的切 換過程大致包括移動檢測、新轉交地址的配置和地址的重新綁定三個階段。實現(xiàn) 無縫切換是移動i p 切換優(yōu)化的最終目標。無縫切換的兩個關鍵性能指標是低丟失 率和低時延，分別可以通過平滑切換( 低丟失率切換) 和快速切換( 低時延切換) 來實現(xiàn)。然而，標準的移動i p 切換并不符合無縫切換的性能指標，原因有三：首 先，移動i p 切換過程的三個階段是順序執(zhí)行的，這意味著切換時延將等于這三個 階段時延之和，據文獻 3 3 】估計，整個切換時延大約在3 2 s 6 6 s 之間，這對于許 多實時應用來說都是難以接受的：其次，移動節(jié)點每次從一個位置移向另一個位 置時均需要位置重新綁定，當移動節(jié)點遠離家鄉(xiāng)網絡時，位置注冊將會帶來大量 的時延和開銷；第三，在移動l p 中沒有分組緩存和轉發(fā)機制，這意味著當移動節(jié) 點切換到新的網絡之后，在分組未被重新定向到新網絡之前，原網絡收到的數據 分組將被丟棄，這對分組丟失敏感的應用非常不利，而由分組丟失引起的分組重 2 浙江工業(yè)大學碩士畢業(yè)論文 移動i p v 6 的移動性管理策略研究 傳還將浪費帶寬并造成擁塞。因此，有必要對標準的移動i p 切換技術基于無縫切 換的兩個性能指標來加以改進，實現(xiàn)移動i p 對無縫切換的支持。 3 、安全性問題1 ：移動i p 是否能得到廣泛的應用，其中一個需要解決的關 鍵問題是安全性問題。目前，移動i p 中采用了多種認證機制和加密方法來防止惡 意攻擊，在很大程度上克服了移動i p 中的安全隱患。但是，還存在很多安全問題 沒有得到很好的解決，例如，密鑰的管理和分配以及防止拒絕服務攻擊等。當前 安全問題的研究目標是如何利用各種安全手段來提供最優(yōu)的安全性能。由于強密 碼方案是通過犧牲網絡性能來提高安全性能的，因此應在安全性能和網絡性能之 間進行尋找平衡，根據實際需要來選擇合適的安全策略。 4 、無線鏈路帶寬低及誤碼率高的問題 移動節(jié)點連至i n t e m e t 的鏈路通常是無線鏈路，這種鏈路與傳統(tǒng)的有線網絡相 比，其帶寬低，誤碼率高。當移動i p 網絡的移動節(jié)點數目較多時，移動節(jié)點、對 端節(jié)點和家鄉(xiāng)代理之間的綁定更新消息和其它安全認證消息占用過多的網絡帶 寬，而無線網絡的帶寬一般是非常寶貴的資源，所以必須盡可能減少網絡帶寬的 開銷；同時，無線鏈路較高的誤碼率及節(jié)點的移動性對t c p 的性能造成了很大的 影響，t c p 協(xié)議認為幾乎所有的數據包丟失都是由于擁塞引起的，當數據包發(fā)生 錯誤或丟失時，t c p 就認為網絡發(fā)生了擁塞，從而調整發(fā)送窗口來降低數據的發(fā) 送速率。但這種假設對移動i p 中的t c p 協(xié)議并不成立，因為誤碼率較高的無線鏈 路經常會引起數據傳輸錯誤，并且頻繁移動的節(jié)點可能在數據包到達前就離開了 原來的位置，從而引起數據包的丟失，而t c p 會錯誤地將這些數據丟失歸咎于網 絡擁塞，從而降低發(fā)送數據的速率，使得t c p 的性能在移動i p 環(huán)境下變得很差。 并且，由于無線鏈路檢驗每個數據包的源地址，而移動節(jié)點的數據包家鄉(xiāng)地址與 外地網絡的轉交地址不一樣，從而導致防火墻阻截i p 隧道數據包。 5 、q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，服務質量) 保障問題 隨著移動業(yè)務的不斷開展，通過移動i p 開展實時業(yè)務的需求也日益迫切。 但是無線網絡的資源相對匱乏，特別是當移動節(jié)點不斷改變位置且作為接收者 時，向它提供實時業(yè)務將變得非常困難?，F(xiàn)有的q o s 體系結構包括集成服務模 型和差分服務模型，它們都沒有考慮移動環(huán)境下的q o s 保證，必須進行適當修 改?？尚械姆椒ㄊ遣捎眯薷倪^的一種單向信令協(xié)議資源預留協(xié)議( r e s o u r c e r e s e r v a t i o np r o t o c o l ，r s v p ) 。由于r s v p 只在一條特定路徑上預留資源，通信 對端到移動節(jié)點路徑的經常變化意味著移動節(jié)點每次切換鏈路時都要重新進行 資源預留，因此每當移動節(jié)點移動時，它便會重新為從家鄉(xiāng)代理到轉交地址的路 徑預留資源。同時又由于移動i p 使用隧道技術及以所采用的a h ( a u t h e n t i c a t i o n h e a d e r ，鑒別報頭) 和e s p ( e n c a p s u l a t i n gs e c u r i t yp a y l o a d ，封裝安全性有效負 載) 等安全手段，使得中間路由器很難識別出數據包的種類進行資源預留，為此 r s v p 通過增加一個傳輸層報頭，利用傳輸層協(xié)議的端口號來區(qū)分不同的數據包。 浙江工業(yè)大學碩士畢業(yè)論文移動i p v 6 的移動性管理策略研究 因此在移動i p 中進行資源預留的代價將會很高。 6 、移動i p v 6 以i p v 6 技術為主導的下一代互聯(lián)網，將徹底解決i p v 4 協(xié)議造成的地址危機， 能使地球上的每一粒沙礫都擁有一個i p v 6 地址，讓后起的國家獲得一次重新“洗 牌”的機會，從而實現(xiàn)真正的“端到端”連接，大大提高網絡的服務質量、安全 性和傳輸速度。所以目前全世界各國及各個大移動通信設備制造商都對i p v 6 投 入了巨大的熱情。愛立信于1 9 9 9 年購買了丹麥一家生產了世界第一臺支持i p v 6 路由器的公司，并于2 0 0 0 年1 2 月，與全球首家推出w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o n p r o t o c o l ，無線應用協(xié)議) 服務的經營商香港數碼通公司和b tw i r e l e s s 公司 在移動互聯(lián)網上成功進行世界首次端對端1 1 0 測試：1 9 9 9 年下半年，諾基亞在 中國聯(lián)合網c e r n e t ( c h i n ae d u c a t i o na n dr e s e a r c hn e t ，中國教育科研網) 建 立了i n e m e t 一6 合作項目，在全國范圍內使用諾基亞提供的i p 路由器和i p v 6 軟件 建立實驗網絡，力圖使其成為全球最先進的全國性i p v 6 網絡，2 0 0 1 年4 月，諾 基亞( 中國) 投資有限公司舉辦了第二屆中國i p v 6 高級研討會，并展示了其移動 i p v 6 演示系統(tǒng)。諾基亞已經推出了全球第一臺全l p 概念的i p v 6 產品，并在日本 千葉市幕張m e s s e 國際會展中心演示了支持i p v 6 的移動通信技術m o b i l ei p v 6 ”， 歐洲的通信運營商和通信設備制造商目前正在促進將i p v 6 運用到移動電話上的 “a 1 1 i p ”開發(fā)，諾基亞此次也正是利用m o b i l ei p v 6 的演示來展示a 1 1 i p 技術方 面的進展的；日本自1 9 9 5 年起每年投入數億美元，計劃在2 0 0 5 年實現(xiàn)所有互聯(lián) 網的i p v 6 過渡，目前已經有一批廠商、運營商、應用服務提供商成為了世界i p v 6 領域的領跑者；歐洲于2 0 0 0 年確定i p v 6 為e e u r o p e2 0 0 5 計劃的核心，在3 g p p ( t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i p ) 下一代移動技術中采用i p v 6 技術，每年投入數億 歐元預算；韓國自2 0 0 0 年資助i p v 6 的研發(fā)和推廣，預計在2 0 1 1 年實現(xiàn)全部網 絡的純i p v 6 過渡；2 0 0 3 年6 月美國國防部宣布，投入專項資金3 0 0 億美元，在 2 0 0 8 財政年度將軍網全面實現(xiàn)向i p v 6 網絡過渡，并自2 0 0 3 年1 0 月開始所有新 采購的設備必須支持i p v 6 ；中國面對i p v 6 帶來的機遇與挑戰(zhàn)也不甘落后，1 9 9 8 年，中國教育網( c e r n e t ) 正式參加國際下一代試驗網，并建成了國內第一個 i p v 6 試驗床。2 0 0 4 年1 2 月2 5 日，世界上規(guī)模最大的純i p v 6 互聯(lián)網第二代 中國教育科研網( c e r n e t 2 ) 三式開通。如今，第二代c e r n e t 2 己經與國內2 0 個城市的1 0 0 所高校相連通，進行著一系列寬帶視頻廣播、模擬仿真、移動式應 用和大容量、高可靠性的數據傳輸試驗，并為國產設備提供測試和應用環(huán)境。i p v 6 對未來必將產生深遠的影響，因此移動i p v 6 將成為移動i p 技術發(fā)展的必然趨勢。 目前，移動i p 的標準化工作還在制定之中，而研究工作者對于移動i p 應用問 題的研究也是不遺余力，主要集中在以下幾個方面： 1 、移動i p 在m p l s 網絡中的應用f l o 】【2 5 】1 9 m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 技術是將分層網絡的第二層交換和第 4 浙江工業(yè)大學碩士畢業(yè)論文移動i p v 6 的移動性管理策略研究 三層路由結合起來的一種快速包交換技術。多協(xié)議是指該協(xié)議支持多種協(xié)議的傳 送，標簽交換是指該系統(tǒng)的轉發(fā)依賴于標簽。m p l s 實際上是一種分類轉發(fā)的技 術，它將具有相同轉發(fā)處理方式( 目的地相同、使用的轉發(fā)路徑相同、具有相同 的服務等級等) 的分組歸為一類，這種類別就稱為轉發(fā)等價類( f o r w a r d i n g e q u i v a l e n c ec l a s s ，f e c ) 。屬于相同轉發(fā)等價類的分組在m p l s 網絡中將獲得完 全相同的處理，這些分組在入口節(jié)點被貼上相同的標簽( l a b e l ) ，經過中間節(jié)點的 時候，中間節(jié)點檢查標簽以決定下一跳節(jié)點，同時執(zhí)行“標簽交換”的過程，用 輸出標簽替換輸入標簽，用于下游節(jié)點區(qū)分不同的f e c 。 全i p 移動通信網絡必須能夠在各種基礎設施上動態(tài)有效地傳輸流量。同時需 要提供可靠性控制，支持流量工程技術和端到端的q o s ?；谶@些考慮，m p l s 作為最通用的解決方案能夠解決下一代移動通信網絡面臨的問題，如帶寬管理， 伸縮性，q o s 管理和流量工程。但是基本的m p l s 并不支持移動性管理，移動i p 和m p l s 結合將使m p l s 網絡具備了支持i p 移動性的能力，不僅能滿足用戶的移動 性要求，而且可以為用戶服務提供q o s 保證。 目前主要有兩種基本模型：一是傳統(tǒng)的m p l s 與移動i p 結合的方案，它只考 慮對用戶宏移動性的支持；另一種是m p l s 與分級移動i p 的結合，即h m p l s ， 用于解決用戶的微移動性管理。這是一個新的研究領域，并且日益成為研究的熱 點。 2 、移動i p 在移動通信系統(tǒng)中的應用【( 2 7 j 4 0 1 3 6 】 移動通信技術正由2 g 向3 g 平滑過渡，目前處于2 5 g 時期。而3 g 的建設 工作己經在全球范圍內展開。目前i p 網絡帶寬有限，限制了移動i p 接入速度和 功能的發(fā)揮。進入3 g 后，隨著制約因素的逐步消除，移動i p 的應用會越來越廣， 移動i p 的功能將得到充分發(fā)揮。在移動環(huán)境下提供因特網服務正是第三代移動 通信系統(tǒng)的主要業(yè)務特征。i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，國際電 信聯(lián)盟) 在i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 0 ) 中規(guī)定， 第三代移動通信以i p 網絡作為核心網絡，必須支持i p 分組業(yè)務；著名的移動通 信設備制造商摩托羅拉公司同著名計算機廠商s u n 公司共同開發(fā)基于i p 的無線 網絡；a t & t 、e r i c s s o n 、l u c e n t 、n o k i a 等9 大公司合作，專門研究開發(fā)基 于采用第三代移動通信技術的無線網絡的i p 協(xié)議，這個組織被命名為3 g i p 。這 些公司支持基于全i p 網絡結構的下一代無線業(yè)務，例如語音、高速數據和因特 網接入以及圖像和視頻會議等。這種全i p 網絡結構將由基于通用分組無線系統(tǒng) g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的通用核心網絡逐漸過渡。近幾年來，g p r s ， w l a n ，c d m ai x 技術正在得到廣泛的發(fā)展與完善，都推動著移動i p 技術的發(fā) 展，并為移動i p 業(yè)務的技術實現(xiàn)提供了平臺。 4 g 時代，移動i p 將作為主流技術得到普及應用，因為4 g 系統(tǒng)的無線連接速 率在初期就可達到撥號調制器的9 0 倍，是目前移動上網速率的3 0 0 倍，下載速率 浙江工業(yè)大學碩土畢業(yè)論文移動i p v 6 的移動性管理策略研究 可達5 1 0m b s 。4 g 技術將促進移動通信和i p 的進一步融合，使移動i p 和移動互 聯(lián)網實現(xiàn)統(tǒng)一。在未來的全i p 的移動通信系統(tǒng)中，運營商提供給用戶的內容將更 加豐富，費用也更加低廉。首先，在全i p 網絡中，語音、短信和其他一些通信業(yè) 務基于i p 包交換技術，無疑將導致通信成本的降低，用戶可以支付更少的費用來 享受同等質量的服務；其次，通過i p ，用戶可以非常容易地把新型通信業(yè)務和傳 統(tǒng)的語音業(yè)務結合在一起，這樣就可以通過i p 網絡來同時傳輸各種信息，滿足通 信雙方多方面的需要，讓用戶交流起來更加方便和生動。移動用戶的高速接入、 網絡用戶的靈活移動將成為通信的最主要最普遍的業(yè)務途徑，移動i p 將發(fā)展成為 通信產業(yè)應用最為普及的主流技術。 3 、移動i p 在v p n 中的應用【1 8 i d l 】 商業(yè)應用中除辦公應用外，移動商務應該是最主要最有潛力的應用。利用移 動i p 技術可以很方便地實現(xiàn)遠程訪問v p n ( v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ，虛擬專用 網絡) 技術。安裝了移動i p 服務器的子網之間可以通過隧道方式進行通信，移 動用戶也可以通過隧道方式與企業(yè)網進行通信，它實際上己經部分實現(xiàn)了v p n 的功能。 基于i p s e c 的v p n 網絡，實現(xiàn)了移動i p 的構想，使得移動節(jié)點具備移動i p 以及 i p s e c 傳輸模式的操作能力，以保證節(jié)點與網關之間無線信道的安全通信，這樣 也避免了在鏈路層進行安全處理的開銷；對于安全網關，除了具有全部i p s e c 的 操作能力( 包括傳輸模式和隧道模式) 以外，也要支持移動i p ，具體就是作為本 網段移動節(jié)點的家鄉(xiāng)代理的能力，以及作為其它網段移動節(jié)點的外地代理的能 力。因此整個保密網，包括安全網關、移動主機，都使用i p s e c 體系進行一致的 安全規(guī)劃，統(tǒng)一管理。 西電捷通通信有限公司在這方面的應用處于較高的水平，該公司已經成功地 研制了具有自主知識產權的天暢移動i p 系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的i p s e cv p n 、s s lv p n 等具有更多的優(yōu)點。 4 、移動1 p 在w l a n 中的應用1 4 2 1 盡管w l a n ( w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k ，無線局域網) 除去了纏繞在局域網中 的線纜，使用戶有了一定的自由，但在跨網段移動方面還是力不從心，而且目前 w l a n 服務覆蓋的區(qū)域都很有限，用戶經常會漫游出服務區(qū)。正是由于其移動 的狹隘性，才使得w l a n 無法被更廣泛地應用。為滿足用戶跨網段漫游的要求， 當將允許進行w l a n 訪問的服務區(qū)域從“點，發(fā)展成“面”，并且要求向用戶提 供操作和性能兩方面的透明性的時候，必須要采用某種關鍵技術才能解決。移動 i p 正好提供了獨一無二的、維持會話的能力。從一個連接點到另一個連接點的 無縫轉移，不需要用戶干預和用戶資料，移動i p 是第一個提供這種透明移動性 的協(xié)議。從有線網絡到無線或w l a n 的漫游也非常方便。w l a n 加移動l p 的 應用可以使用戶更加自由。 6 浙江工業(yè)大學碩士畢業(yè)論文 移動i p v 6 的移動性管理策略研究 1 3 移動i p v 4 的缺陷及移動i p v 6 對移動性的支持 自2 0 世紀9 0 年代以來，移動i p v 4 所獲得的空前成就，就已經證明了它的設計 是非常成功的，靈活而富有生命力的l p 設計，能夠連接各種規(guī)模的網絡并保證它 們之間的通信。然而，由于受i p v 4 協(xié)議最初設計出發(fā)點的限制，在此基礎上形成 的移動i p v 4 技術并不完美，在地址空間、三角路由、網絡服務質量、安全性以及 對移動通信的支持等各方面都存在著缺陷，使得它逐漸無法滿足新的計算機和通 信技術的要求，因此出現(xiàn)了基于i p v 6 協(xié)議的新一代移動i p v 6 技術。與此同時，地 址的分配由于歷史的原因存在著明顯的不公平，發(fā)展速度越來越快的亞太地區(qū)因 得不到足夠的地址而受到束縛。地址問題直接促使新的i p 協(xié)議的產生。另一方面， 越來越多的i n t e m e t 訪問來自移動設備，比如移動電話、便攜式計算機等等。事實 上，移動通信技術正在層出不窮。由于i p 網絡能夠提供固定或移動應用的數據、 聲音和其它多媒體網絡的會聚層，新的移動技術l 時i i g s m ，w a p ，g p r s 等都 是基于i p 的。因此，i p 協(xié)議的演變升級直接影響著移動通信在i n t e m e t 通信技術的 許多方面。 1 9 9 8 年1 2 月i e t f 經過進一步的研究，推出了i p v 6 的第二版規(guī)范r f c 2 4 6 0 i n t e m e t 協(xié)議第六版規(guī)范，取代了1 9 9 5 年1 2 月制定的r f c l 8 8 3 。i p v 6 協(xié)議 提供了1 2 8 位的i p 地址，足夠的地址空間和i p v 6 即插即甩的特性使得i p v 6 對 移動性的支持易于i p v 4 。2 0 0 0 年1 月i p v 6 論壇加入3 g p p ，確立了i p v 6 作為移 動i n t e m e t 的基本協(xié)議。隨著國際標準的確定，i p v 6 必將在移動領域發(fā)揮巨大的 作用，它的主要特性對于未來的移動無線網絡的發(fā)展非常重要，可以從以下幾方 面來看： 1 、地址問題 根據i e t f 的估計，基于i p v 4 的地址資源將會在2 0 0 5 年枯竭，而i p v 6 的1 2 8 位地址格式可以支持的i p 地址數量為1 0 億的平方，這足以為地球上的每粒沙礫 都分配一個地址，從而徹底解決地址枯竭的問題。另外，采用移動i p v 6 之后將 不再需要n a t ( n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n ，網絡地址轉換) 技術，這將使移動 i p v 6 的部署更加簡單直接，由于不再需要管理內部地址與公網地址之間的網絡 地址翻譯和地址映射，使得網絡的部署工作只需要管理比移動i p v 4 少的網絡元 素和協(xié)議即可。 2 、路由優(yōu)化 在移動i p v 6 中首先解決了在i p v 4 中的“三角路由”問題，因為在移動i p v 6 中，通過修改數據包的目的地址允許任何通信對端和移動節(jié)點之間直接路由數據 包。這樣就減低了家鄉(xiāng)代理和家鄉(xiāng)鏈路的負擔。 3 、地址自動配置p u j 移動i p v 6 中主機地址的配置方法要比移動i p v 4 中的多，任何主機i p v 6 的 7 浙江工業(yè)大學碩士畢業(yè)論文移動i p v 6 的移動性管理策略研究 地址配置包括無狀態(tài)自動配置、全狀態(tài)自動配置( d h c p v 6 ) 和靜態(tài)地址。地址 自動配置有兩個優(yōu)點：一是意味著在移動i p v 6 環(huán)境中的編址方式能夠實現(xiàn)更加 有效率的自我管理，使得移動、增加和更改都更加容易；二是顯著降低了網絡管 理的成本。 4 、鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議l j l j 鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議是i p v 6 協(xié)議的一個基本的組成部分，r f c 2 4 6 1 ( ( n e i g h b o r d i s c o v e r yf o ri pv e r s i o n6 ( i p v 6 ) 是鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議的標準文本，鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議的 主要目的是尋找同一鏈路上鄰居的鏈路地址、尋找能為其轉發(fā)數據包的路由器、 判斷哪些鄰居是可以連通的、檢測鄰居的鏈路地址變化，以及提供當路徑或路由 器不可達時的替換策略。鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議實現(xiàn)了i p v 4 中的a r p 協(xié)議( a d d r e s s r e s o l u t i o np r o t o c o l ，地址解析協(xié)議) 、i c m p ( i n t e r a c tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ， 因特網控制報文協(xié)議) 中的路由器發(fā)現(xiàn)部分、重定向協(xié)議的所有功能，并進行了 一定的擴展。鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議解決了連接在同一條鏈路上的所有節(jié)點之間的互操作 問題。 鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議與i p v 4 協(xié)議相應部分相比較，在性能方面有了很大的改善。 首先，在i p v 4 中實現(xiàn)由i p 層到鏈路層地址的解析是基于鏈路層的廣播機制來實 現(xiàn)的；而在i p v 6 中這一過程是基于i p 層的多播機制實現(xiàn)的，這使得在地址解析 過程中受到地址解析所發(fā)送包影響的節(jié)點數大大減少，而且非i p v 6 節(jié)點根本不 受其影響。其次，由于a r p 是基于網絡廣播機制工作的，數據包由l l c ( l o g i c a l l i n kc o n t r o l ，邏輯鏈路控制) 網橋進行轉發(fā)，在一個比較大的站點范圍內，這 會占用大量的帶寬，并且有時還會引起“廣播風暴”；在i p v 6 的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議中， 路由器宣告消息會帶著自己的鏈路層地址，還會帶著本地鏈路的前綴，從而避免 了每個節(jié)點配置自己的子網掩碼。再次，a r p 是不安全的，沒有辦法保證回應 a r p 探尋消息的節(jié)點就是用戶想要的節(jié)點，這有可能導致發(fā)往一個節(jié)點的數據 包被另一個節(jié)點竊聽到；而鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議運行在i p v 6 之上，它屬于網絡層協(xié)議， 它的安全性可由i p v 6 的安全性來保證。最后，a r p 運行在數據鏈路層，不同的 網絡介質需要有不同的a r p ，例如，以太網a r p 與f d d ia r p 就不完全相同； 而鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議運行在網絡層，與介質無關，任何網絡媒介都可以運行相同的鄰 居發(fā)現(xiàn)協(xié)議。 5 、擴展頭部 為了更有效更清晰地處理網絡層的可選操作，i p v 6 使用了一系列的擴展頭 部( e x t e n s i o n sh e a d e r ) 來取代i p v 4 的選項域，比如路由頭部，認證頭部等等。 在這些擴展頭部中，目的選項頭部( d e s t i n a t i o no p t i o n sh e a d e r ) 定義了僅由數 據包的最終目的節(jié)點處理的選項，它攜帶的最重要的功能是移動節(jié)點的家鄉(xiāng)地址 和轉交地址的綁定，可以用來支持移動。擴展頭部的使用集中體現(xiàn)了i p v 6 的設 計思想，它把網絡層的各種選項要求和功能上的擴展性很好地集成起來：同時 8 浙江工業(yè)大學碩士畢業(yè)論文 移動i p v 6 的移動性管理策略研究 i p v 6 報頭組織更為合理有序，減少了對可選信息不必要的處理開銷。 6 、服務質量提高 i p v 6 提供了兩個頭部域來顯示地支持服務質量，分別是流標記域( f l o w l a b e l ) 和通信量類型域( t r a f f i cc l a s s ) 。其中流標記域可以有效地應用于 i n t s e r v r s v p 服務模型：而通信量類型域則可以在區(qū)分服務中定義不同類型的通 信量，類似于i p v 4 中的t o s 。如何使用這些域還取決于當前的研究發(fā)展與應用 需求。但是無論如何，它們都提供了層次性傳輸實時數據的可能性。這一點對于 移動應用是非常重要的，因為移動鏈路通常是帶寬與可靠性都遠不如有線鏈路的 無線鏈路，這就尤其需要對通信量依據其不同服務質量要求進行傳輸。 7 、家鄉(xiāng)代理地址發(fā)現(xiàn) 移動i p v 6 中，動態(tài)家鄉(xiāng)代理地址發(fā)現(xiàn)機制使用i p v 6 泛播地址，僅返回單個 應答給移動節(jié)點，而移動i p v 4 使用廣播分組機制，家鄉(xiāng)鏈路上的每個家鄉(xiāng)代理 都給移動節(jié)點返回一個應答。由于實際上只有一個應答分組返回到移動節(jié)點，移 動i p v 6 機制更加高效和可靠，并且不存在應答爆炸問題。 8 、內嵌的安全機制 雖然兩種i p 標準目前都支持i p s e e ，而且在今天的移動i p v 4 網絡中已經使 用了i p s e c ，但是移動i p v 6 是將安全作為標準的有機組成部分，安全的部署是在 更加協(xié)調統(tǒng)一的層次上，而不是像i p v 4 那樣通過疊加的解決方案來實現(xiàn)安全。 通過移動1 p v 6 可以實現(xiàn)遠程企業(yè)內部網的無縫接入，并且可以實現(xiàn)永遠連接。 此外，i p v 6 還具備其它重要的優(yōu)點，如支持規(guī)模更大的網絡結構，改進了數 據安全性和完塹眭，具有數據組播和更有效的網絡路由聚合等功能。i p v 6 己被認 為是下一代互聯(lián)網絡協(xié)議核心標準之一。 1 4 主要內容與創(chuàng)新之處 本論文研究的是移動i p v 6 的移動性管理策略，主要創(chuàng)新之處在于：在基本分 層移動i p v 6 的基礎上，引入了多步尋呼功能，并采用遺傳算法提出了兩種改進的 尋呼區(qū)域劃分算法，并通過數值實驗與基本的分層移動i p v 6 和支持單步尋呼功能 的分層移動i p v 6 進行比較分析，證明了本文提出的移動性管理策略在節(jié)約移動 i p v 6