移动IP及基于IPv6的切换

徐 晶 曹达仲 天津大学

　　【摘要】本文首先对移动IP的工作原理作了简单的介绍，进而提出作为未来移动网络首选的移动IPv6协议的特点。在此基础上，对基于IPv6的各种切换方案作了深入的探讨，引入了类比于3G移动通信切换的思路，提出了基于IPv6切换的下一步研究方向。

1 引言

　　因特网和移动通信已逐渐成为当今世界通信领域的两大潮流，深入到人们生活的各个领域，引发了工作和生活模式的巨大变革。我们可以想见，若将因特网在全球范围无孔不入的覆盖和移动通信方便、快捷的特点完美地结合在一起，必将导致数据通信发生与语音通信一样的变革，缔造出人类个人通信的美好蓝图：人类将实现在任何时间、在任何地点、可以用任何一种媒体与任何一个人进行通信的梦想。两者相结合的产物就是目前人们普遍关注的移动互联网，其协议的基础就是移动IP协议。

2 移动IP的概念

2.1 移动IP

　　移动网是指移动电话用户利用手机、笔机本电脑、PDA、掌上型电脑等移动终端通过蜂窝网络的无线信道接入因特网的业务。

　　现在的因特网协议是IPv4版本，但其不提供任何移动性支持。针对这一情况，IETF于1996年开始制定支持移动因特网的协议，即移动IP协议。移动IP是一种在全球因特网上提供移动功能的网络层方案，它具有可扩展性。可靠性和安全性，并使节点在切换链路时仍可保持正在进行的通信。值得特别注意的是，移动IP提供了一种IP路由机制，使移动节点可以以一个永久的IP地址连接到任何链路上。

2.2 基于IPv6的移动IP

　　移动IP协议有两种版本：基于IPv4的移动IPv4和基于IPv6的移动IPv6。

IPv6相对于IPv4而言，具有如下的优势：

●足够多的IP地址；

●要求安全数据包头的实现；

●目的选项提高了路由效率；

●地址自动配置：

●避免入口过滤：

●错误恢复没有软状态“瓶颈”。

　　因此，基于IPv6的移动IP更易于实现和使用，此外它的设计还吸收了移动IPv4发展的经验。我们相信未来移动网络应首选基于IPv6的移动IP。

3 移动IP的工作原理

　　类似于处理蜂窝移动电话的呼叫，移动IP使用漫游、位置登记、隧道技术、鉴权等技术，使移动节点使用固定不变的IP地址，一次登录即可实现在任意位置（包括移动节点从一个IP于网漫游到另一个IP了网时）上保持与IP主机的单一链路层连接，使通信持续进行。

3.1 通信节点（CN）→移动节点（MN）

　　（1）代理发现：通过周期地多播或广播一个称为代理广播（Agent Advertisements）的消息，本地代理和外地代理宣告它们与链路的连接关系。

　　（2）注册：MN收到这些代理广播消息后，检查其中的内容以确定自己是连在本地链路还是外地链路上。

　　●当MN发现自己连在本地链路上时，就向本地代理注销，并开始像固定主机或路由器那样进行通信，即不再利用下面的移动IP功能。

　　●当MN发现自己连在一条外地链路上时，它就得到一个转交地址，并通过外地代理（如果在外地链路上有一个代理的话）向本地代理注册这个转交地址。

　　（3）分组传送：本地代理或者是在本地链路上的其它一些路由器，广播对移动节点本地地址的网络前缀的可达性，从而吸引发往移动节点本地地址的数据分组：

　　本地代理截取这个分组，并根据移动节点注册的转交地址，通过隧道将数据分组传送给MN。

　　在转交地址处——可能是外地代理或移动节点的一个端口，原始数据分组被从隧道中提取出来送给移动节点。

3.2 移动节点（MN）→通信节点（CN）

　　由MN发出的数据分组被直接选路到目的节点上，无需隧道技术，即采用正常的IP路由。对所有来访的移动节点发出的分组来说，外地代理完成路由器的功能。

4 基于IPv6的切换

　　当MN离开本地链路进入外地链路时，或者是由一个外地链路进入到另一个外地链路时，就需要进行切换，已是移动IP中的一项有待解决与改进的关键技术。

4.1 切换的过程

　　（1）链路层切换：当MN由一个网络接入点改接到另一个接入点（可能同属一个子网，也可能分属不同子网）时，首先需要进行数据链路层的切换。这一层的切换过程是由各个子网所使用的底层通信技术决定的。

　　（2）IP层切换：当MN判断出自己已经移动到新的外地子网时，首先从外地子网获得转交地址，并发送注册请求向HA注册新的转交地址。HA收到注册请求后给MN发送注册应答，这样就完成了一次新的注册过程。之后，HA开始将目的地址为MN的IP包通过隧道发送到MN的当前位置，隧道的出口即为新的转交地址，从而完成了一次完整的切换。

4.2 移动IPv6的特点

（1）IPv6巨大的地址空间使移动性实现起来更加简单；

（2）移动节点的转交地址可通过无状态或者有状态地址自动配置来获得，简化了对MN的转交地址的分配；

（3）移动节点能把自己的转交地址告诉每个通信节点，从而避免了三角路由问题，实现了路由的优化。

（4）移动IPv6中不再需要外地代理；

（5）移动IPv6提供了一种动态本地代理地址发现机制，解决了地址解析协议（ARP）的局限性。

4.3 基于IPv6的切换方案

（1）快速切换

　　所谓快速切换即意味着低延时，虽然移动IPv6采用了路由优化技术，但是在链路层及IP层切换过程中的分组延时还是大量存在的，尤其是IP层内进行的注册过程导致的切换延时是急待解决的。

　　既然移动IP是移动通信与因特网的结合，我们完全可以借助于移动通信中的切换算法解决移动IP的切换问题，具体方案如下：

　　在所有外地链路中设置一台主机作为外地本地代理（FHA），它相当于移动通信系统中的移动交换中心（MSC）；外地本地代理中设置一个MN的缓存列表，用来记录其所管理区域内的所有MN。由于移动IPv6中移动节点的转交地址可以通过网络前缀加上其MAC层地址来自动配置，所以当寻址到MN的分组到达FHA时，FHA查询其MN缓存列表，并利用蜂窝组播技术向该区域内具有相同MAC地址的转交地址进行组播，从而使移动节点在该区域内的任何一个子网上都能收到数据。

　　此方案用外地本地代理代替了网络中所有子网的外地代理，大大降低了移动性带来的频繁注册导致的切换延时；并将FHA等效为MSC，大大提高了移动IP的移动性管理功能。

（2）平滑切换

　　平滑切换是针对降低IP数据包丢失率而提出的一种切换方案。

　　IP数据包的丢失往往是由于移动节点刚刚移动到一个新的子网还没有完成注册，同时原先转发的数据包还没有发完，此时，移动节点要求当前子网的路由器缓存它的数据包，直到移动节点完成向新子网内路由器的注册过程。一旦注册完成，移动节点在新网络中就有了合法的转交地址，缓存的数据包从先前的路由器转发过来，从而减少了移动过程中的数据包丢失的可能性。

　　目前，如何判断MN已完成注册，开始转发缓存的数据包是仍待解决的问题。同样引入移动通信系统切换的想法，本文提出了一种解决方案：设置一个默认为注册完成的门限时间，这个门限时间类似于越区切换中的切换门限，它可通过训练序列得出。一旦达到了此门限时间就向原子网络的路由器发送准备转发消息，并将用于监测注册过程的计时器置0。

5 基于IPv6的研究展望

　　（1）平滑切换中的注册完成判断方法的确定，如门限时间的选择。

　　（2）为了减少分组丢失，还可以考虑一种检测系统，利用它对MN的运行方向进行估计，预测出即将发生的切换，预先做好切换准备，

　　（3）如何将快速切换与平滑切换结合，实现无缝切换。

　　（4）为了使用户能利用最佳网络为它服务，David Lee及William Lee提出了多接口/多连接的概念，但MN注册了多个转交地址后，本地代理如何确定最优的发送转交网络将是今后解决最优化的关键。

　　（5）目前，无线接入网一般均采用蜂窝结构，而且蜂窝的范围趋向于微蜂窝甚至于微微蜂窝。如果对整个网络采用移动IPv6协议，移动节点在小范围内的移动就可能引起频繁的切换，产生大量的注册更新消息，从而增加网络负担，同时也会使切换的延时增加，IP数据包的丢失率提高。所以，我们可以类似于移动通信中同频小区采用软切换，不同频率的小区采用硬切换的思路，在移动IPv6协议中引入层次的概念，将移动协议分为宏观与微观协议两种，在无线接入网域内采用微观移动协议（即将MN的切换限制在小范围），在域间采用目前的移动IPv6协议。微观移动协议由于在域内移动时不需要本地代理进行注册，因此大大减少了切换延时。

　　（6）由上述思想引发的如何使宏观与微观移动IPv6协议更好结合，将会是无线互联网的研究趋势。

6 结束语

　　目前，移动IP还处于一种“概念”阶段，除了极少数的运营商已经开始提供业务外，绝大多数运营商都处于试验和观望的状态。切换是移动IP中一项极为重要的关键技术，对IPv6及基于它的切换的研究必将为通信的未来带来光明的前景，最大限度得服务于人们的工作和生活。

----《移动通信在线》