Internet移動計算原理及性能

Internet移動計算原理及性能（裴珂、董海霞）
    摘要：隨著移動終端的普及，以及用戶需求的提高，在Internet上提供移動性支持成
為移動ISP提供商的候選方案。這里給出了在這一領(lǐng)域的研究情況和Mobile IP的基本機制，
討論了Mobile IP所帶來的各種問題，如三角路由開銷、隧道開銷、分片開銷及其網(wǎng)絡(luò)層切
換在TCP性能方面的影響。
    關(guān)鍵詞：Internet  移動計算  移動IP
    隨著便攜式計算機的普及和無線局域網(wǎng)技術(shù)、蜂窩網(wǎng)的不斷成熟，用戶的需求也逐步
提高。無線局域網(wǎng)用戶要求網(wǎng)絡(luò)提供全球移動性支持，而蜂窩網(wǎng)用戶要求網(wǎng)絡(luò)提供高速數(shù)
據(jù)業(yè)務(wù)（如在GSM網(wǎng)上將提供GPRS空中接口）。由于Internet的興起，人們可以通過它獲
得各種信息，收發(fā)電子郵件，下載文件等，一些移動用戶迫切希望能夠隨時隨地地接入
Internet。但由于現(xiàn)今Internet上的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IPv4的路由算法不支持主機的漫游，在現(xiàn)
有的IP地址分層體系結(jié)構(gòu)下，主機在Internet注的位置是由其IP地址確定的，主機必須在
網(wǎng)中處于由其IP地址標(biāo)示的地方，才可以接收到發(fā)給它的數(shù)據(jù)。所以就有必要另外設(shè)計一
種基于現(xiàn)有IP協(xié)議的、支持主機無縫漫游的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。
    一、 Mobile IP的研究情況
    移動主機如何高效地訪問Internet，以及如何向移動用戶提供透明的Internet信息服
務(wù)仍是一個在廣泛討論的問題，目前，已提出了幾種解決方案。
    第一個移動主機協(xié)議稱作Mobile IP，由哥倫比亞大學(xué)的John Ioannidis設(shè)計。它使
用了虛擬移動子網(wǎng)和IPIP（IP in IP），打包。與此同時，Sony公司的 Fumio Terqoka設(shè)
計了另一種移動主機協(xié)議——虛擬IP（VIP）。VIP協(xié)議使用了特殊的路由器來記憶移動主
機的位置，并定義了新的IP頭選項來傳遞數(shù)據(jù)。隨后，IBM的C．Perking和Y．Reckter也
設(shè)計了一種移動主機協(xié)議，這種協(xié)議利用現(xiàn)有IP協(xié)議中的可選功能——松散源選徑（Loose
 Source Routing）來支持主機的移動。
    1994年A．Myles和C．Perking分析了前三種移動主機協(xié)議的優(yōu)缺點，重新設(shè)計了一種
協(xié)議： MIP，并將它提交給IETF。MIP后來發(fā)展成了MobileIP協(xié)議。同年，卡耐基·梅隆
大學(xué)（CMU）的D．B．Johnson設(shè)計了MHRP協(xié)議。它與松散源選徑類似，不同之處是松散源
選徑是利用IP頭的選項，而MHRP重新定義了一種打包協(xié)議來代替松散源選徑。
    不管是MHRP還是MIP在安全性上都存在嚴(yán)重的問題。因此，A．Mnles，C．Perkinn和
D．B．Johnson共同制定了IMHP。IMHP引入了一種新的安全機制并提出了簡單認(rèn)證的概念，
后來這一概念被IPv6所借鑒。
    主機漫游軟件的研發(fā)在國際上也是個熱點課題，CMU、紐約大學(xué)、瑞典皇家學(xué)院、FTP
 Software，IBM，摩托羅拉。諾基亞，SUN，Telxon等的研究機構(gòu)都在進(jìn)行這方面的研究，
其中最具影響力的當(dāng)屬IETF的網(wǎng)間漫游工作組。
    IETF的網(wǎng)間漫游工作小組一直致力于在Internet上提供主機可移動性的標(biāo)準(zhǔn)。該工作
組已提出了在現(xiàn)存的IP協(xié)議之上實現(xiàn)網(wǎng)間漫游的許多工作，并于1996年11月公布為建議標(biāo)
準(zhǔn)（Proposed Standard）。該標(biāo)準(zhǔn)包括下面的RFC文件：
    RFC 2002：定義了Mobile IP協(xié)議；
    RFC 2003，2004和1701：定義了Mobile IP中用到的三種隧道技術(shù)；
    RFC 2005：敘述了Mobile IP的應(yīng)用；
    RFC 2006：定義了MobileIP的管理信息庫MIB。MobileIP的MIB庫是實現(xiàn)Mobile IP的節(jié)
點的變量集合，管理平臺可以通過網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMPV2對這些變量進(jìn)行檢查和配置。除了
以上工作，還提出許多性能優(yōu)化草案，以及IPv6的移動性草案，等等。
    二、 Mobd6IP基本機制
    Mobile IP是一種在全球Internet上提供移動功能的方案，使節(jié)點在切換鏈路時仍可保
持正在進(jìn)行的通信。它提供了一種IP路由機制，使移動節(jié)點以一個永久的IP地址連接到任
何鏈路上。與特定主機路由技術(shù)和數(shù)據(jù)鏈路層方案不同，Mobile IP還要解決安全性和可靠
性問題，并與傳輸媒介無關(guān)。Mobile IP的可擴展性使其可以在整個Internet上應(yīng)用。
    三個子網(wǎng)分別是不同的IP子網(wǎng)， MH1是歸屬于子網(wǎng)1的移動主機， HA1與FA1，HA2與
FA2分別是子網(wǎng)1與子網(wǎng)2的家代理與外地代理。當(dāng)MH1由子網(wǎng)1漫游到子網(wǎng)2時，稱子網(wǎng)1是
MH1的家網(wǎng)，稱子網(wǎng)2是MH1的訪問網(wǎng)或外地網(wǎng)。對MH1的漫游管理將由FA2與HA1協(xié)作完成。
當(dāng)MH檢測出它已經(jīng)漫游至外地網(wǎng)時，它將通過外地網(wǎng)的AP從FA處獲得一個轉(zhuǎn)變地址。轉(zhuǎn)交
地址有兩種類型：FA轉(zhuǎn)交地址和配置轉(zhuǎn)交地址。MH把這個轉(zhuǎn)交地址通過Internet通知它的
HA。此后，其它子網(wǎng)發(fā)給該MH的IP數(shù)據(jù)報仍將發(fā)給其家網(wǎng)，在家網(wǎng)由HA通過代理ARP吸引
發(fā)向MH的報文，把發(fā)至MH的IP數(shù)據(jù)報進(jìn)行重新裝配，裝配時只把IP數(shù)據(jù)報的宿IP地址域作
為MH的轉(zhuǎn)交地址（隧道技術(shù)），然后再發(fā)送出去。如果轉(zhuǎn)交地址是FA轉(zhuǎn)交地址，則隧道的
接收端是FA。FA把重新裝配的IP數(shù)據(jù)報恢復(fù)成原來的格式再轉(zhuǎn)交給MH。如果轉(zhuǎn)交地址是配
置轉(zhuǎn)交地址，則隧道的接收端是該MH，由它自己完成拆包工作。當(dāng)MH在外地網(wǎng)發(fā)送IP數(shù)據(jù)
報時，使用正常的IP協(xié)議發(fā)送，無需HA與FA的介入。子網(wǎng)C中的固定主機SH發(fā)向MH的報文
先到達(dá)子網(wǎng)A，然后再通過隧道發(fā)向子網(wǎng)B。這樣使得一個移動用戶在從A網(wǎng)移動到B網(wǎng)的過
程中，不需要重新配置、重起主機，更值得注意的是，用戶也不需要重起應(yīng)用。例如，用
戶在從A網(wǎng)移動到B網(wǎng)的過程中進(jìn)行FTP文件下載，該程序不會因為切換到不同的子網(wǎng)而中
斷連接，從而實現(xiàn)了操作透明性。
    三、移動IP的TCP性能
    同正常的IP路由機制比較，移動IP路由機制帶來了許多額外開銷（Overhead）（如隧
道開銷、三角路由開銷和分片開銷），以及切換延遲問題，它們在一起將大大降低吞吐性
能。
    所謂隧道開銷是指在Mobile IP運作過程中，引人了家代理打包和外地代理解包的額
外開銷；三角路由開銷是指IP報文不是直接發(fā)向移動主機而是先發(fā)給家代理然后再轉(zhuǎn)交給
外地代理，于是也引入了開銷；分片開銷是指任何一條路徑可能包含多條鏈路，而每一條
鏈路并不一定都采用相同的最大幀長，一條鍵路上的報文如果大于另一條鏈路上的最大幀
長，就不得不被分為兩個或更多的報文，從而引入分片開銷。
    新加坡國立大學(xué)的FOO等人為此做實驗進(jìn)行測試。在這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞那闆r下對各種開
銷進(jìn)行測試，得到以下結(jié)果：當(dāng)移動主機從家網(wǎng)移動到外地網(wǎng)以后，Mobile IP路由機制
帶來的總開銷為正常路由機制的90％，也就是說外地移動主機下載同一個文件所用的時間
將是本地移動主機在相同情況下的1.9倍。其中隧道開銷占6.6％，分片開銷占6.3%，三角
路由開銷占76.5％。當(dāng)然以上實驗是在特定情況下的測試結(jié)果。不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠蚨嗷蛏?br />會有些改變，但可以肯定，三角路由開銷是占很大比例的。
    因此，IETF移動工作組下一步工作重點之一就是解決三角路由開銷及優(yōu)化路由的問題。
最簡單的方法就是將移動主機的轉(zhuǎn)交地址通過某種機制通知對端的通信主機，使得對瑞主
機發(fā)給移動主機的報文直接發(fā)給移動主機，而不用先發(fā)給HA。但這樣做會帶來許多問題，
如IPV4存在兼容性不好的問題，而在IPV6中存在密鑰分配問題。
    除了以上的開銷，還存在切換時延問題。MobileIP是解決移動節(jié)點在不同子網(wǎng)之間連
續(xù)移動的問題，因而必然帶來切換問題。在Mobile IP機制下，當(dāng)移動節(jié)點連續(xù)三次未收
到注冊代理的代理公告時，才同新的代理發(fā)起網(wǎng)絡(luò)層切換。由此可見，當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)切換時，
必然在大約等于三次代理公告的時間段內(nèi)沒有連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)連接，即使移動生機可以收到新
代理的公告。在RFC 2002中，代理公告的最小間隙為1s，于是，每一次切換將至少導(dǎo)致
2.5s的連接丟失。這就是MIP帶來的切換時延。在下一個公告到達(dá)之前，當(dāng)前代理的鏈路
連接隨機斷開，服從均勻分布，這使得網(wǎng)絡(luò)連接丟失了為平均時間2.5倍的代理公告間隙。
值得注意的是，網(wǎng)絡(luò)連接的丟失會大大影響TCP性能，這主要是TCP的慢啟動特性決定的。
    簡單地提高代理公告的頻率就可以減少切換時延，但這種方法使得更多的網(wǎng)絡(luò)資源用
于代理公告，減少了帶寬利用率。一個代理公告至少50個字節(jié)，如果公告間隙為10ms，那
么MIP切換時延就為25ms，公告速率為40 kbit／s，為2MHz帶寬無線鏈路的2％，這種方式
適合帶寬富裕的情況。
    另一種減少切換時延的方式是TCP。該方式采用快啟動方式，移動節(jié)點上的TCP應(yīng)在新
鏈路上注冊后立即進(jìn)入快速重發(fā)，而不是等待超時。這種方法關(guān)系到Mobile  IP軟件和
TCP軟件的配合，在移動節(jié)點和對端節(jié)點TCP和Mobile IP協(xié)議棧不得不被修改。
    四、結(jié)語
    綜上所述，Mobile IP解決了網(wǎng)絡(luò)層移動性問題是Internet移動性支持的必經(jīng)之路，它
實現(xiàn)了移動用戶網(wǎng)絡(luò)層的操作透明性，但是，Mobile IP還存在許多問題，如何提供移動網(wǎng)
絡(luò)的性能透明性是今后的主攻方向。



摘自《現(xiàn)代電信科技》