移动IP技术

移动IP技术
    目前世界传统电话业务每年的增长率为8％，而数据通信业务增长率却超过100％，
尤其是Internet，进入90年代中期以来其业务量一直以300％的速率在爆炸性增长。
“数据为王”已成为众多电信业务运营商和设备供应商的共识，纷纷将其投资的重点
转移到数据通信网络和设备上。因此，IP技术将最终战胜其他各种网络技术而成为网
络竞争的大赢家。
    与此同时，能与Internet的发展相提并论的只有移动通信。移动通信技术的发展
首先改变了人们语音通信的方式和观念，使语音的移动通信变得司空见惯，人类进入
了个人通信的初级阶段。
    现在，IP技术和移动通信技术的完美结合，正使得数据通信发生与语音通信一样
的变革。它将缔造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。
    研究移动IP技术已成为数据通信界和移动通信界共同研究的重点。ITU在IMT－20
00中已明确规定第三代移动通信系统必须支持移动IP分组业务。而IETF也正在扩展因
特网协议，开发一套用于移动IP的技术规范，目前已制订完成了RFC2002（IP移动性
支持）、RFC2003（IP内的IP封装）RFC2004（IP内的最小封装）、RFC2290（用于PPP 
IPCP的移动IPv4配置选项），其他协议正在制订中。
    一、移动IP与传统IP之间的主要区别
    使用传统IP技术的主机使用固定的IP地址和TCP端口号进行相互通信，在通信期
间它们的IP地址和TCP端口号必须保持不变，否则IP主机之间的通信将无法继续。而
移动IP的基本问题是IP主机在通信期间可能需要在网路上移动，它的IP地址也许经常
会发生变化。而IP地址的变化最终会导致通信的中断。
    如何解决因节点移动（即IP地址的变化）而导致通信中断的问题？蜂窝移动电话
提供了一个非常好的解决问题的先例。因此，解决移动IP问题的基本思路与处理蜂窝
移动电话呼叫相似，它将使用漫游、位置登记。隧道技术、鉴权等技术。从而使移动
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
（子）网漫游到另一个IP（子）网时）上保持与IP主机的单一链路层连接，使通信持
续进行。
    二、移动IP中使用的传输技术
    目前实现移动IP的最有竞争力的传输技术至少有以下三种：①无线分组共享一个
无线频点／信道；②扩频技术；③红外发射。
    无线分组技术与局域网情况类似，它只不过用共享无线信道来替代共享一根电缆。
但是由于本地发射的信号比远程信号要强几个数量级，要实现“冲突检测”而进行“
在发送中监听”几乎不可能。因此，人们不能使用典型的载波监听多路访问／冲突检
测协议（CSMA／CD）去实现“发送前监听，发送中监听”，需要对传统的CSMA／CD协
议进行适当的修改。
    由于无线信道可能存在各种各样的干扰，虽然通过减少蜂窝区域的大小可部分解
决干扰问题，但这会增加基站的数量，增加网络成本。扩频技术则很好地解决了这个
问题。它将待发送数据包的每一位都分隔成极小的时间片和频率，至于如何分布则由
每个发送者决定。通过同样的方法反向运算得到信号后，接收方可以从各种不同的噪
声中准确地复原正确的信息。
    在一些组织内部的移动IP系统中，红外发射是一个较为理想的选择。
    三、移动IP的几个重要概念
    ·移动代理：
    移动代理分归属代理和外区代理两类，它们是移动的IP服务器或路由器。
    其中归属代理是归属网上的移动代理。当移动节点离开归属网进行漫游时。归属
代理需要截收发往移动节点的数据包，并使用“隧道技术”将这些数据包转发到移动
节点的转交节点。另外，归属代理还负责维护移动节点的当前位置信息。
    外区代理位于移动节点当前连接的外区网上，它向已登记的移动节点提供选路服
务。当使用外区代理微地址时，外区代理负责解除原始数据包的隧道封装，取出原始
数据包，并将其转发到该移动节点。对于那些由移动节点发出的数据包而言，外区代
理可作为已登记的移动节点的缺省路由器使用。
    ·移动IP地址：
    移动IP节点拥有两个IP地址。
    第一个地址称为归属地址，这是用来识别端到瑞连接的静态地址，也是移动节点
与归属网连接时使用的地址。不管移动节点连至网络何处，其归属地址保持不变；
    第二个地址是转交地址，转交地址就是隧道终点地址。它可能是“外区代理转交
地址”也可能是“驻留本地的转交地址”。
    当转交地址为外区代理转交地址时，它实际上就是外区代理的一个地址，移动节
点利用它进行登记。在谢地址模式中，外区代理就是隧道的终点，它接收隧道数据包，
解除数据包的隧道封装，然后将原始数据包转发到移动节点。由于这种地址模式可使
很多移动节点共享同一个转交地址，而且不对有限的IP v4地址空间提出不必要的要求，
所以这种地址模式被优先使用。
    而驻留本地的转交地址是一个临时分配给移动节点的地址，可通过DHCP等机制获
得。移动节点将其与自身的一个网络接口相关联。当使用这种地址模式时，移动节点
自身就是隧道的终点，执行解除隧道功能，取出原始数据包。一个“驻留本地的转交
地址”仅能被一个移动节点使用。
    转交地址是仅供数据包选路使用的动态地址，也是移动节点与外区网连接时使用
的临时地址。每当移动节点接入到一个新的网络，转交地址就发生变化。
    四、移动IP中的位置登记／注册机制
    移动节点必须将其位置信息向其归属代理进行登记（或注册），以便被找到。在
移动IP技术中，依赖于不同的网络连接方式，有两种不同的登记规程。一种是通过外
区代理，即移动节点向外区代理发送“登记请求”报文，外区代理接收并处理“登记
请求”报文，然后将报文中继到移动节点的归属代理；归属代理处理完“登记请求”
报文后向外区代理发送“登记答复”报文（接受或拒绝登记请求），外区代理处理“
登记答复”报文，并将其转发到移动节点。另一种是直接向归属代理进行登记，即移
动节点向其归属代理发送“登记请求”报文，归属代理处理后向移动节点发送“登记
答复”报文（接受或拒绝登记请求）。“登记请求”和“登记答复”报文使用用户数
据报协议（UDP）进行传送。
    当移动节点收到来自其归属代理的“代理通告”报文时，它可判断其已返回到归
属网络。此时，移动节点应向归属代理注销其登记的位置信息。在试图注销登记之前，
移动节点应配置适用于其归属网络的路由表。
    五、移动IP中的代理发现机制
    为了随时随地与其他节点进行通信，移动节点必须首先找到一个移动代理，并获
得转交地址。移动IP中定义了两种发现移动代理的方法。方法一：被动发现，即移动
节点等待本地移动代理周期性地广播“代理通告”报文；方法二：主动发现，即移动
节点广播一条“请求代理”的显式报文。方法一虽然是一种简单、有效的方法，但它
会较多地占用宝贵的无线带宽。
    使用以上任何一种方法都可使移动节点识别出移动代理并获得转交地址，获悉移
动代理可提供的任何服务，并确定其连至归属网还是某一外区网上。使用“代理发现”
可使移动节点检测到它何时从一个IP网络（或子网）漫游到另一个IP网络（或子网）。
    所有移动代理（不管其能否被链路层协议所发现）都应具备“代理通告”功能，
并对“代理请求”作出响应。所有移动节点必须具备“代理请求”功能。但是，移动
节点只有在没有收到移动代理的“代理通告”以及无法通过链路层协议或其他方法获
得转交地址的情况下，方可发送“代理请求”报文。
    六、移动IP中的隧道技术
    当移动节点在外区网上时，归属代理需要将原始数据包转发给已登记的外区代理。
这时，归属代理使用“IP隧道技术”，即将原始IP数据包（作为净负荷）封装在转发
的IP数据包中，从而使原始IP数据包原封不动地转发到处于隧道终点的转交地址。在
转交地址处，解除隧道，取出原始数据包，并将原始数据包发送到移动节点。（注：
当转交地址为“驻留本地的转交地址”时，移动节点本身就是隧道的终点，它自身进
行解除隧道，取出原始数据包的工作）。
    IETF RFC2003和RFC 2004各自定义了一种利用隧道封装数据包的技术。
    在RFC2003中，为了实现在IP数据包中封装作为净负荷的原始IP数据包，需要在原
始数据包的现有头标前插入一个外层IP头标。外层头标中的源地址和目的地址分别标
识隧道的两个边界节点。内层IP头标（即原始lP头标）中的源地址和目的地址则分别
标识原始数据包的发送节点和接收节点。除了减少TTL值之外，封装节点不改变内层
的IP头标。内存IP头标在被传送到隧道出口节点期间保持不变。从而使原始IP数据包
原封不动地转发到处于隧道终点的转交地址。
    而使用RFC 2004定义的IP内的最小封装”有一个前提条件，就是当原始数据包被
分片时，不能使用这种封装技术。也就是说，数据包在封装之前不能被分片。因此，
对移动IP技术来讲，最小封装技术是可选的。为了使用最小封装技术来封装数据包，
需要在原始数据包经修改的IP头标和未修改的净负荷之间插入“最小转发”头标。显
然，最小封装技术比RFC 2003定义的封装技术节省开销。
    当拆装数据包时，隧道的出口节点将最小转发头标的字段保存到IP头标中，然后
移走这个转发头标。
    七、移动IP基本工作原理
    移动IP协议的工作原理大致如下：
    ·移动代理（即外区代理和归属代理）通过“代理通告”报文广播其存在。移动
节点通过“代理请求”报文，可有选择地向本地移动代理请求“代理通告”报文。
    ·移动节点收悉这些“代理通告”后，决定其在归属网上，还是在某一外区网上。
    ·当移动节点检测到它位于归属网上时，那么它不需要移动性服务就可工作。假
如移动节点从登记的其它外区网返回归属网时，通过交换其随带的“登记请求”和“
登记答复”报文，移动节点需要向其归属代理注销其外区网登记信息。
    ·当移动节点检测到其已漫游到某一外区网时，它获得该外区网上的一个转交地
址。这个转交地址可能通过外区代理的通告获得，也可能通过外部分配机制获得，如
DHCP（一个驻留本地的转交地址）。
    ·然后，离开归属网的移动节点通过交换其随带的“登记请求”和“登记答复”
报文向归属代理登记其别的转交地址，也可能借助于外区代理向归属代理进行登记。
    ·发往移动节点归属地址的数据包被其归属代理截收，归属代理利用隧道技术封
装该数据包，并将封装后的数据包发送到移动节点的转交地址，由隧道终点（外区代
理或移动节点本身）接收，解除封装，并最终传送到移动节点。
    ·在相反方向，使用标准的IP选路机制，移动节点发出的数据包被传送到其目的
地，无需通过归属代理的转发。
    无论移动节点在归属网内还是在外区网中，IP主机与移动节点之间的所有数据包
都使用移动节点的归属地址，转交地址仅用于与移动代理的联系，而不被IP主机所觉
察。
    八、移动IP技术存在不足
    由于移动IP是一种新兴的技术，目前该技术存在以下不足：
    ·移动节点连至Internet的链路通常是无线链路。这种链路与传统的有线网络相
比，其带宽明显低得多，其误码率明显高得多。
    ·由于采用IP隧道封装技术，使得封装后的数据包大于源路由数据包。
    ·必须事先知道隧道的出口节点能解除封装，取出原始数据包，否则IP隧道封装
技术无法使用。
    ·移动IP每节点的成本明显高于有线IP网的节点成本。
    ·移动节点可能是电池供电，如何减小功耗是一个急需解决的问题。
    ·某些防火墙可能会阻断IP隧道，因为它们检验每个数据包的源地址域，而移
动节点的数据包归属地址与外区网的网络地址不一样，从而导致防火墙阻截IP隧道数
据包。
    ·目前因特网上的大多数设备和ISP不支持移动IP业务。