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【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(jié)構(gòu)，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(jìn)一步研究的問題。
1 引言
為了解決因特網(wǎng)節(jié)點(diǎn)移動問題，Internet 工程任務(wù)組制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，即移動IP。它是一種在因特網(wǎng)上提供移動功能的方案，使節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(zhàn)性的工作之一。它主要解決因特網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可移動通信問題和因特網(wǎng)節(jié)點(diǎn)移動中通信問題。目前關(guān)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(nèi)容：位置管理和切換管理。位置管理用來使網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)移動節(jié)點(diǎn)的接入點(diǎn)，并向其發(fā)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(jié)點(diǎn)周期性地向網(wǎng)絡(luò)通告它當(dāng)前的接入點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)對移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鑒權(quán)和認(rèn)證，并更新移動節(jié)點(diǎn)的位置信息。在第二階段中，網(wǎng)絡(luò)在移動節(jié)點(diǎn)位置庫中查找被叫節(jié)點(diǎn)的位置信息，并向被叫移動節(jié)點(diǎn)發(fā)起呼叫。位置管理的操作如圖1 所示。
圖1：位置管理操作
當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)在移動通信過程中改變了其網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)流控制。在初始化階段，用戶或網(wǎng)絡(luò)根據(jù)變化的網(wǎng)絡(luò)條件判定是否要進(jìn)行切換。在第二階段，網(wǎng)絡(luò)必須為切換分配新的網(wǎng)絡(luò)資源，并執(zhí)行相關(guān)的尋徑操作。最后，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)服務(wù)協(xié)議將數(shù)據(jù)從舊連接轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)
移動IP 的體系結(jié)構(gòu)如圖3 所示。移動節(jié)點(diǎn)可以是一個主機(jī)，也可以是一個路由器，它在從一個子網(wǎng)移動到另一個子網(wǎng)時，不改變其IP 地址。移動節(jié)點(diǎn)通過家鄉(xiāng)代理或外地代理接入因特網(wǎng)，其中家鄉(xiāng)代理是移動節(jié)點(diǎn)家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)上的一個路由器，外地代理是移動節(jié)點(diǎn)外地網(wǎng)絡(luò)上的一個路由器。與移動節(jié)點(diǎn)通信的節(jié)點(diǎn)稱為通信節(jié)點(diǎn)。在圖3 中，通信節(jié)點(diǎn)通過移動節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)代理和外地代理向移動節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。
4 移動IP 的移動性管理
由于因特網(wǎng)的組織架構(gòu)與傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)不同，比如移動主機(jī)是將其位置信息通告給家鄉(xiāng)代理，而不是網(wǎng)絡(luò)的位置數(shù)據(jù)庫，所以移動IP 在進(jìn)行位置管理和切換管理時引入了一些新的操作：
◆發(fā)現(xiàn)（Discovery）－當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)從一個子網(wǎng)移動到另一個子網(wǎng)時，它如何發(fā)現(xiàn)一個新的因特網(wǎng)接入點(diǎn)；
◆注冊（Registration）－移動節(jié)點(diǎn)如何向家鄉(xiāng)代理注冊；
◆尋徑和隧道（Routing and Tunneling）－當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)離開它的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)時，如何接收數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)、移動檢測、形成轉(zhuǎn)交地址和綁定更新。
（1）位置注冊
當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)離開其家鄉(xiāng)鏈路時，就必須有一個家鄉(xiāng)代理。移動節(jié)點(diǎn)向家鄉(xiāng)代理進(jìn)行注冊，外地代理以便使網(wǎng)絡(luò)知道移動節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的IP 地址。每個移動節(jié)點(diǎn)有兩個IP 地址，一個用于定位，另一個用于標(biāo)識。當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)交地址。轉(zhuǎn)交地址與家鄉(xiāng)地址的關(guān)系通過一個移動性綁定來維護(hù)，這樣發(fā)往移動節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)就可以根據(jù)移動節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而不必管其當(dāng)前的位置。每一個綁定都有一個經(jīng)協(xié)商的有效期，當(dāng)有效期過后，綁定信息就被刪除。所以移動節(jié)點(diǎn)必須在有效期到期前重新進(jìn)行注冊，以便使網(wǎng)絡(luò)可以繼續(xù)使用這個轉(zhuǎn)交地址。
移動節(jié)點(diǎn)根據(jù)接入方式的不同，可以直接向家鄉(xiāng)代理發(fā)送注冊信息，也可以通過外地代理向家鄉(xiāng)代理轉(zhuǎn)發(fā)注冊信息。圖4 說明了在移動IPv4 中，移動節(jié)點(diǎn)的注冊過程。
圖4：移動IP 位置注冊過程
◆移動節(jié)點(diǎn)通過外地代理向家鄉(xiāng)代理發(fā)送注冊請求；
◆家鄉(xiāng)代理產(chǎn)生或修改移動性綁定；
◆家鄉(xiāng)代理通過外地代理向移動節(jié)點(diǎn)發(fā)送注冊相應(yīng)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(diǎn)。
（2）移動性檢測
在移動IP 中，移動代理通過發(fā)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(fā)現(xiàn)機(jī)制來實現(xiàn)移動性檢測。移動節(jié)點(diǎn)通過兩種方法發(fā)現(xiàn)自己發(fā)生移動，一種是廣播有效期，另一種是網(wǎng)絡(luò)前綴。廣播有效期方法是根據(jù)代理廣播消息中有效期字段來進(jìn)行移動性檢測。具體來說就是，移動節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)不再與其原有外地代理有聯(lián)系，就要主動尋找新的代理。網(wǎng)絡(luò)前綴方法是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址前綴來進(jìn)行移動性檢測。當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)接收到的代理廣播消息中的網(wǎng)絡(luò)地址前綴發(fā)生變化，它就會認(rèn)為其移動到了一個新的子網(wǎng)中。
4.2 移動IP 切換管理
（1）平滑切換
移動節(jié)點(diǎn)在改變其位置時能否進(jìn)行平滑切換，對保持QOS 性能非常重要。在IPv4 中，路由優(yōu)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(dāng)前的轉(zhuǎn)交地址。這樣，當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)往就轉(zhuǎn)交地址時，前外地代理就可以將其轉(zhuǎn)發(fā)到移動節(jié)點(diǎn)新的轉(zhuǎn)交地址處。因此，移動節(jié)點(diǎn)在對家鄉(xiāng)代理和通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新的時候，仍可以接收數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給移動節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)代理。家鄉(xiāng)代理再根據(jù)移動節(jié)點(diǎn)最新的位置注冊信息，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給移動節(jié)點(diǎn)。但是，如果家鄉(xiāng)代理關(guān)于該移動節(jié)點(diǎn)的綁定信息仍然指向前外地代理，則會產(chǎn)生不必要的數(shù)據(jù)流。為了解決這個問題，外地代理可以使用特殊隧道來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并且指明該數(shù)據(jù)需要家鄉(xiāng)代理的特殊處理。
如果使用特殊隧道，由外地代理向家鄉(xiāng)代理轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)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(xiāng)代理收到這個數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包的原IP 地址與移動節(jié)點(diǎn)最新的注冊轉(zhuǎn)交地址相比較。如果一樣，家鄉(xiāng)代理就不會再將該數(shù)據(jù)包發(fā)給原外地代理。如果不一樣，家鄉(xiāng)代理就將愿數(shù)據(jù)包解封裝后，再轉(zhuǎn)發(fā)給移動節(jié)點(diǎn)。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(jié)點(diǎn)當(dāng)前的綁定信息
（b） 前外地代理無移動節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的綁定信息移動節(jié)點(diǎn)移動節(jié)點(diǎn)
（2）尋徑與隧道
通過移動節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)代理向移動節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)所經(jīng)過的路徑明顯比經(jīng)過優(yōu)化的路徑要長。移動IP 的路由優(yōu)化技術(shù)采用隧道來減少無效的路徑。比如，當(dāng)家鄉(xiāng)代理通過隧道將數(shù)據(jù)包傳給移動節(jié)點(diǎn)時，移動節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)地址對家鄉(xiāng)代理和移動節(jié)點(diǎn)之間的路由器是不可見的。直到數(shù)據(jù)包被傳送到外地代理后，原數(shù)據(jù)包才被重新恢復(fù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給移動節(jié)點(diǎn)。當(dāng)前，有兩種協(xié)議用于路由優(yōu)化和隧道的建立，一種是移動IP 的路由優(yōu)化協(xié)議，另一
種是隧道建立協(xié)議。
路由優(yōu)化技術(shù)對基本移動IP 協(xié)議進(jìn)行了擴(kuò)展，以獲得更優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)路由。其主要思想是通信接點(diǎn)直接將數(shù)據(jù)包傳送給移動接點(diǎn)，而不經(jīng)過移動節(jié)點(diǎn)的家鄉(xiāng)代理。這個技術(shù)除了提供通信節(jié)點(diǎn)緩存移動節(jié)點(diǎn)的綁定信息，并根據(jù)這一信息將數(shù)據(jù)包通過隧道直接傳給移動節(jié)點(diǎn)，而不經(jīng)過家鄉(xiāng)代理外，還考慮到了在下述情況下如何向移動節(jié)點(diǎn)直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，一種情況是當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)移動時，數(shù)據(jù)包正在發(fā)送途中，另一種情況是數(shù)據(jù)包根據(jù)過期的綁定信息傳送。為了使用隧道協(xié)議，必須對移動IP 進(jìn)行修改，以便在任意兩個節(jié)點(diǎn)之間都可以進(jìn)行隧道傳送。當(dāng)建立好一條隧道后，數(shù)據(jù)封裝代理（家鄉(xiāng)代理）按照一組參數(shù)將協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳送給隧道終點(diǎn)（外地代理）。產(chǎn)生和更新隧道參數(shù)的過程稱為隧道的建立。一般來說，隧道建立的參數(shù)包括移動節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址。為了使用隧道傳送數(shù)據(jù)，家鄉(xiāng)代理必須決定移動節(jié)點(diǎn)的隧道終點(diǎn)。這可以通過移動節(jié)點(diǎn)的IP 地址查詢注冊表得到。每張表都包含隧道終點(diǎn)的地址和其他一些必要的隧道參數(shù)。外地代理收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過處理將解封裝的數(shù)據(jù)傳給移動節(jié)點(diǎn)。如果移動節(jié)點(diǎn)就注冊在這個外地代理，就不再需要別的網(wǎng)絡(luò)操作。
4.3 尚待解決的問題
（1）同時綁定
由于一個移動節(jié)點(diǎn)可以同時擁有幾個轉(zhuǎn)交地址，所以家鄉(xiāng)代理必須能夠?qū)?shù)據(jù)包經(jīng)過隧道傳到幾個終點(diǎn)。這樣家鄉(xiāng)代理就需要將復(fù)制的數(shù)據(jù)包傳送到每一個轉(zhuǎn)交地址處。移動節(jié)點(diǎn)從這些轉(zhuǎn)交地址處收到數(shù)據(jù)包后，它可以將復(fù)制的數(shù)據(jù)包丟棄。如果必要，移動節(jié)點(diǎn)可以保留這些復(fù)制的數(shù)據(jù)，以便信號的重構(gòu)。由于無線局域網(wǎng)技術(shù)還沒有廣泛使用，所以同時綁定技術(shù)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(fā)送的數(shù)據(jù)包要經(jīng)過一條未優(yōu)化的路徑。這個過程稱為三角路由。它會給數(shù)據(jù)包的傳送帶來延時，并會給網(wǎng)絡(luò)帶來不必要的額外開銷。其次，移動節(jié)點(diǎn)每次移動時，都要對其家鄉(xiāng)代理進(jìn)行更新，即使它遠(yuǎn)離家鄉(xiāng)鏈路。當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)和路由器中記錄下移動節(jié)點(diǎn)的位置信息，以便提供較優(yōu)化的路由。這些方案的問題是需要維護(hù)緩存信息的更新。由于移動節(jié)點(diǎn)可以同時與不同的通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，因此對這些通信節(jié)點(diǎn)的更新就是一個非常繁重的任務(wù)。
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(jié)點(diǎn)和它的家鄉(xiāng)代理之間增加一個中間實體。這樣，當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離家鄉(xiāng)鏈路時，它可以不去更新家鄉(xiāng)代理，而只是更新臨近的移動代理。具體技術(shù)包括：前向指針技術(shù)、位置鉚定技術(shù)和移動代理分層組織技術(shù)等。這些方法都是以增加發(fā)送代價來減小綁定代價。有些技術(shù)通過將位置鉚定技術(shù)與緩存技術(shù)相結(jié)合來減小綁定和發(fā)送代價。雖然他們通過概率分析得到了所期望的綁定和發(fā)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(fā)送代價比傳統(tǒng)策略好。
----《移動通信在線》
