基于蓝牙的移动IP技术

引言

      随着In ternet 的迅速普及, 笔记本计算机的大量使用以及蓝牙无线通信设备的发展, 蓝牙用户产生了对蓝牙设备移动性的需求, 即希望接入Internet 的蓝牙设备能够在所处的位置不断变化的情况下, 保持已有的通信联接。传统IP 技术的主机使用固定的IP 地址和TCP (传输控制协议) 端口进行相互通信。在通信期间, 它们的IP 地址和ICP 端口号必须保持不变, 否则IP 主机之间的通信将无法继续。因移动蓝牙节点在通信期间可能需要在网络上移动, 它的IP 地址也许会经常发生变化。若采用传统通信方式, IP 地址的变化会导致通信中断。本文主要探讨了基于蓝牙的移动IP 技术。

移动IP 技术

移动IP 的网络结构

       移动IP 的3 个基本功能: ①代理搜索, 移动节点通过代理搜索确定它当前位置并获得一个转交地址; ②注册, 通过注册过程, 移动节点向外地代理发送请求服务消息, 并把它的转交地址通知给本地代理; ③数据转发, 当移动节点与外地网络联接时, 为它发出的数据包或发往它的数据包进行路由选择。

      移动IP 协议将IP 地址标识与寻址功能分开,利用2 个IP 地址来分别表示: 即用于标识移动主机的IP 地址为本地代理地址; 用于标识主机当前所在位置和选路的IP 地址为转交地址(CoA: care of address)。在移动IP 技术下, 移动用户可以使用一个固定的IP 地址在任何地点采用任何方式联接到因特网上, 当移动用户移动到另外一个网络或者子网时, 移动用户可以在不改变IP 地址的情况下仍保持通信。移动IP 的网络结构如图1 所示。

移动IP 的工作原理

      移动IP 工作原理的步骤如下。①本地代理和外地代理不停地向各自网内发送代理通告(agent advertisement) 消息, 以表明自己的存在, 移动节点接收并根据这些消息判断自己是在本地网还是在外地网上。②如果移动节点发现自己仍在本地网上, 则不启动移动功能, 如果是从外地重新返回的, 则向本地代理发出注册取消的功能消息, 声明自己已回到本地网中; 如果移动节点检测到已移到外地网, 则获得一个转交地址(有2 种类型, 即外地代理的IP 地址和通过某种机制与移动节点暂时对应起来的网络地址) , 也是移动节点在外地暂时获得的新的IP 地址,然后移动节点向本地代理注册, 表明自己已离开本地网, 把获得的转交地址通知本地代理。③注册以后, 发往移动节点的数据包经过本地代理使用"IP隧道"发给外地代理后再转交给移动节点(如使用前面1 种转交地址) 或直接交给移动节点本身(如使用后面1 种转交地址)。这样, 即使移动节点已由一个子网移到另一个子网, 移动节点的数据传输仍能继续进行。④移动节点发往外地的数据包使用一般的IP 选路方法发送, 不必通过本地代理。

基于蓝牙的移动IP

利用蓝牙技术可以实现移动用户的无线接入,将移动蓝牙用户接入因特网有2 种方式: 蜂窝IP 技术和移动IP 技术。

蓝牙系统中蜂窝IP 的工作原理

      蜂窝IP 技术主要是利用蓝牙独特的组网方式,可以使得7 个移动蓝牙用户同时通过一个固定网络节点与因特网相联。在蓝牙系统中应用蜂窝IP 的工作原理如下。

      移动蓝牙用户需要无线接入时, 它将发出查询命令, 当基站能够接受新用户时, 联接就建立起来了, 这时移动蓝牙用户将通过基站向蓝牙代理发送登记请求, 蓝牙代理经过验证返回一个包含分配给移动蓝牙用户的临时的IP 地址、代理服务器端口地址以及DN S 地址的分组, 移动蓝牙用户收到这个分组后, 就可以采用该IP 地址向因特网收发数据, 也可以与本局域网内其它的移动蓝牙用户通信。

      当移动蓝牙用户移动位置时, 并且如果移动蓝牙用户的接收信号强度(RSSI) 小于某个门限值时,它将发出查询命令, 查找是否有更近的基站存在, 如果有, 将与新的基站建立联接, 这时移动蓝牙用户将通过新的基站向蓝牙代理发送登记请求, 蓝牙代理获得一个包含临时IP 的新地址、代理服务器端口地址以及DN S 地址的分组, 移动蓝牙用户通过该IP地址向因特网收发数据。但是, 由于可供接入的固定节点并不是随时随地都存在, 因而蜂窝IP 不能实现移动蓝牙用户随时随地都能接入因特网。

蓝牙系统中移动IP 的工作原理

       本地代理(移动蓝牙用户所在的本地网上的路由器) 和外地代理(移动蓝牙用户当前所在网络上的路由器) 不停地向网上发送代理消息, 以证明自己的存在。移动蓝牙用户接收到这些消息后, 确定自己是在本地网还是在外地网。

      如果移动蓝牙用户发现自己是在本地网, 并且收到的是本地代理发来的消息, 则不启动移动功能;如果仍然收到外地代理发来的消息, 则向本地代理发送注消原位置(外地网) 命令, 声明自己已经回到本地网。如果一个移动主机进入外部网点时, 它与所在地的外地代理联系, 并进行登记, 外地代理再与用户的本地代理联系, 并把转交地址传送给本地代理。一个发往移动用户的数据包到本地代理局域网时,本地代理截获该数据包, 然后本地代理将数据包进行IP 封装, 通过隧道把它发往具有转交地址的外地代理。外地代理接收后, 进行解封, 取出其中的数据再发往蓝牙移动用户。这样即使移动蓝牙用户已经从一个子网移动到另一个子网, 移动蓝牙用户的数据通信仍然能够继续。移动蓝牙用户发往外地的数据包则不必通过本地代理, 而是按照通常的选路方法发送。

存在的几个技术问题

蓝牙系统中移动IP 中的路由优化问题

      移动IP 中经常遇到三边路由问题, 如图2 所示。通信对端发送数据包到移动节点时, 首先要到达本地代理, 而后由本地代理通过隧道转发给移动节点, 而移动节点可以直接向通信对端发送数据包。三边路由问题会增加数据包传输的时延, 路由的选择也不是最佳的, 占用网络资源并且加重本地代理的处理负担。可以采用路由优化技术来解决三边路由问题, 即通信对端在向移动蓝牙用户发送数据之前首先向本地代理注册, 从而获得移动蓝牙用户的转交地址, 再根据其中的地址信息, 直接传送给移动蓝牙用户。

      这种路由优化方法需要移动节点和通信对端间相互认证, 从而加强安全性能。当移动节点和通信对端数目较多时, 为每一个移动节点和通信对端分配一对密钥的方法是不可行的, 而为每个移动节点和其本地代理配置一对密钥的方法是可行的。只有当移动节点与本地代理比较远, 而与通信对端较近时采用该路由优化才有较大意义。在移动蓝牙用户频繁越区移动时, 若本地代理来不及刷新转交地址信息, 将容易造成数据包的丢失, 因此, 应根据实际的网络拓扑结构并在考虑安全性的前提下来决定是否采用路由优化。

蓝牙系统中移动IP 中越区切换问题

      为了实现移动蓝牙用户的无缝接入, 关键问题就是越区切换。为了提高切换性能, 可以采用在外地代理加缓冲区的办法来减少数据包的丢失率。具体实现如下: 当移动蓝牙用户移动位置时, 如果移动蓝牙用户的RSSI 小于某个门限值时, 它将发出查询命令, 查找是否有更近的外地代理存在, 同时它也向原来的外地代理发出声明, 告之它将切换到新的外地代理。移动蓝牙用户移动到新的外地代理的登记请求没有被本地代理确认前, 原先的外地代理将通信对端发送来的数据包存储在缓冲区里。登记请求确认后, 本地代理通过新的外地代理给移动蓝牙用户发出确认消息, 同时刷新通信对端的转交地址, 使通信对端获得移动蓝牙用户的新的转交地址, 将以后的数据包发送到新的外地代理, 再转发给移动蓝牙用户。移动蓝牙用户收到登记确认消息后, 解除其在旧的外地代理的登记, 并且通知它新的转交地址,使它释放缓冲区的数据包到新的外地代理, 再转发给移动蓝牙用户, 这样就避免了切换时的数据丢失。

蓝牙系统中移动IP 中的注册优化问题

      由于移动蓝牙用户多次跨区移动, 导致移动蓝牙用户频繁注册, 大大加重了网络的负担。因而需要对注册进行优化。该方案将一个区域内的外地代理(FA: foreign agent) 采用分层的结构进行组织, 如图3 所示。分层结构最顶端的FA 称为根FA。从根FA到移动蓝牙用户的路径上的所有FA 的地址被包含在一个CoA 向量中, 并由最底层的FA 周期性地在它的覆盖范围内广播。移动蓝牙用户(BT ) 根据收到的广播信息获得到达根FA 的路径。移动蓝牙用户的注册请求消息沿路径依次到达上一级的FA 处,最终到达根FA , 根FA 将注册请求中的CoA 写为它的IP 地址, 转发给本地代理(HA: home agent )。移动蓝牙用户越区切换后, 比较收到的新的CoA 向量和原来的CoA 向量, 选择2 个向量中的相同的FA 中最低一级的FA , 然后向它发送注册请求。任何高一级的FA 不需要知道移动蓝牙用户的切换动作。

      图3 中, CH 代表通信对端。当BT 到达FA 5时, 注册请求消息通过FA5, FA2, FA1 到达HA , 注册应答消息的路径反向。越区切换时,BT 从FA5 移动到FA4, FA2 是本地注册的目标点, FA1不需要任何修改, 仍然可以将数据包移动到FA2。在移动的过程中, HA 不知道本地用户的移动, 注册消息也没有到达HA , 因而减少了注册的开销。

移动IPv6 在蓝牙中的应用

      IPv6 巨大的地址空间使得地址的自动配置变得非常简单, 蓝牙移动节点可以通过它容易地得到一个配置转交地址, 所以移动IPv6 不再需要FA , 但其他高层功能与移动IPv4 相似, IPv6 本身集成了对路由优化的支持, 通过交换绑定更新和绑定应答消息, 通信对端能够及时获得移动节点的转交地址,并可利用IPv6 选路报头通过源路由直接将数据包发送给蓝牙移动节点来实现路由优化。因为IPv6 中地址为128 位, 源路由比隧道技术减少处理开销,因此移动IPv6 中采用源路由而不使用隧道技术。

蓝牙技术下移动IP 网的组网方式

      在蓝牙无线接入系统中, 移动设备在IP 适配层完成移动切换功能。蓝牙无线接入通常采用以下3种方式完成蓝牙设备无线接入基站。第1 种方式是蓝牙设备作为主动设备向蓝牙基站发送接入请求, 基站根据接收到的请求, 确定蓝牙设备的硬件地址, 并向设备发送必要的接入信息。在这种方式下,蓝牙基站必须时刻处于待命状态, 确保蓝牙设备能够及时地接入网络。

      这种方式的缺点是: 当基站为不同子网的多个蓝牙设备所复用时, 基站必须采用时分复用的方式在不同的子网之间切换。这大大浪费了系统的资源, 降低了接入效率。第2 种方式是蓝牙接入设备作为从属设备, 而基站作为主动设备, 蓝牙设备所有的通信请求都必须在基站的控制下完成,基站的接入算法决定了蓝牙设备在网络中的工作效率。这种方式的缺点是基站成为了蓝牙设备通信的瓶颈, 基站不断地对网络中的蓝牙设备发送轮询信息, 如果设备增多将导致轮询时间增大, 从而造成需要进行通信的设备不能及时接入网络。

      第3 种方式是主从切换方式。为了使蓝牙设备更有效地接入BLU EPAC 网络, 可以使上面的两种接入方式结合使用。在这种主从切换方式下, 蓝牙基站在轮询和待命状态之间循环切换。在蓝牙设备与蓝牙基站建立联接之前, 蓝牙基站以主动设备方式工作, 蓝牙设备向基站发送请求信息, 当得到回应后, 表明二者的联接关系已经建立, 这时, 蓝牙基站转为在从属设备方式下工作, 但是此时对于网络中其他未与基站建立联接关系的设备来说, 基站仍然在主动设备的方式下工作。

结束语

      最近, 无线蓝牙数据通信业务的迅速增长引起了各行业对蓝牙技术的重视, 认为它将对未来的无线数据通信业务产生巨大的促进作用。本文就蓝牙系统中的移动IP 技术进行了浅析, 蓝牙技术是无线数据通信最为重大的进展之一, 对蓝牙普及具有重要的意义。