移動IPv6:移動信息社會的基石

2019-11-03 09:07:40

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供稿：網友

闞志剛趙凱

　　移動ipv6與移動IPv4相比優勢明顯，主要是其設計吸收了移動IPv4的發展經驗，并且抓住了設計新版本IP協議（IPv6）的大好時機，結合了IPv6的很多新特性。人們相信，未來移動網絡應首選移動IPv6協議。

　　現在的互聯網協議是IPv4，它原本不提供任何移動性支持。針對這一情況，IETF于1996年制定了支持移動互聯網設備的協議，稱為移動IP，其協議有兩種版本：基于IPv4的移動IPv4和基于IPv6的移動IPv6。

　　IPv6的出現是移動計算的一個重要里程碑。IPv6的主要特性對于未來的移動無線網絡的發展至關重要，這些特性包括：足夠多的IP地址，要求安全數據包頭的實現，目的選項提高了路由效率，地址自動配置，避免入口過濾，錯誤恢復沒有軟狀態“瓶頸”。

移動IPv6基本協議

　　移動IP的主要目標是:不管是連接在本地鏈路還是移動到外地網絡，使移動節點總是通過本地地址尋址。移動IP在網絡層加入了新的特性，在改變網絡連接點時，運行在節點上的應用程序不需修改或配置仍然可用。這些特性使得移動節點總是通過本地地址通信。

　　這種機制對于IP層以上的協議層是完全透明的，如TCP、UDP及所有的應用程序。DNS中移動節點的條目是關于本地地址的，因此當移動節點改變網絡接入點時，DNS不需要改變。事實上，移動IPv6影響了數據包的路由，但是卻又獨立于路由協議（如RIP、OSPF等）本身。

　　移動IPv6操作包括本地代理注冊、三角路由、路由優化、綁定管理、移動檢測和本地代理發現。

　　移動IPv6的工作機制如圖1所示。圖中有3條鏈路和3個系統。鏈路A上有一個路由器提供本地代理服務，這個鏈路是移動節點的本地鏈路。移動節點從鏈路A移動到鏈路B。鏈路C上有一個通信節點，可以是移動的或者靜止的。

　　當移動節點連接到外地鏈路時，除了本地地址外，它還可以通過一個或多個轉交地址進行通信。轉交地址是移動節點在外地鏈路時的IP地址。移動節點本地地址和轉交地址之間的關聯稱為“綁定”。移動節點的轉交地址可以通過無狀態或者有狀態地址自動配置（如DHCPv6）。

　　移動IPv6的實現離不開本地鏈路上的本地代理。當移動節點離開本地時，要向本地鏈路上的一個路由器注冊自己的一個轉交地址，要求這個路由器作為自己的本地代理。本地代理需要用代理鄰居發現來截獲本地鏈路上發往移動節點本地地址的數據包，然后通過隧道將截獲的數據包發往移動節點的主轉交地址。為了通過隧道發送截獲的數據包，本地代理要把數據包進行IPv6封裝，外部的IPv6報頭地址置為移動節點的主轉交地址。

　　當移動節點離開本地時，本地鏈路的一些節點可能重新配置，以至于執行本地代理功能的路由器被其他路由器所代替。在這種情況下，移動節點可能不知道自己本地代理的IP地址。移動IPv6提供了一種動態本地代理地址發現機制，移動節點可以動態發現本地鏈路上本地代理的IP地址，離開本地時，它在這個本地代理上注冊轉交地址。

　　移動IPv6還定義了一個附加的IPv6目的選項。由于每個數據包都包含本地地址選項，發送方的移動節點可以把本地地址告訴接收方的通信節點，而轉交地址對于移動IPv6以上層（如傳輸層）是透明的。

　　在IPv6中，移動節點能把自己的轉交地址告訴每個通信節點，使通信節點和移動節點之間進行直接路由，避免了三角路由問題。由于未來互聯網上會有大量的無線移動節點，因此，在路由效率上的大規模改善可能對互聯網的擴展性產生本質的影響。

移動IPv6中的切換

　　快速切換減小或者消除了移動節點建立新的通信路徑的延遲；平滑切換則減少了數據包的丟失率；而無“縫”切換是兩者的結合，即低延遲和低丟失率。

　　移動IPv6已經提供了切換過程，但是在某些情況下不適合支持實時應用程序。研究切換的目的是要減少切換的延遲和丟包率，移動IPv6能很好地處理運行實時應用的移動節點的移動問題。除了移動IPv6給出的基本切換過程外，也可以采用其他信令過程和優化方法。

　　完美的切換是無“縫”切換，包括快速切換和平滑切換。

1．快速切換

　　通常根據控制分類，切換可以分為兩種：網絡控制和移動節點控制。在網絡控制的切換中，服務域中的網絡元素決定移動節點的連接點，某個實體指導建立與移動節點的連接。在移動節點控制的切換中，移動節點決定新的連接點，并且在新連接點建立連接。

　　現在，一些互聯網草案文件介紹了不同的切換方法。有的方法是關于快速切換的，包括預測移動節點的移動，并且發送數據包的多個副本到移動節點可能移動的地方。這個草案中對普通和分層的移動IPv6模式都考慮到了；有的方法中分層移動IPv6的移動性管理模型已經對移動IP的切換進行了改善，其中提供了移動錨點（MAP）的功能。為了得到快速切換，對現有分層模型操作還有其他的補充。

　　當移動節點從一條鏈路切換到另一條鏈路時，需要盡快得到新的轉交地址，這樣才能發送和接收數據包。這種方法可以減少獲得新轉交地址的延遲，這樣移動節點能很快重新傳輸數據包，并且還減小了發送數據包到移動節點的延遲，如果切換是網絡控制的，這中間要通知移動代理和通信節點。這個草案要求有一個網絡實體指導移動節點從一個訪問路由器切換到另一個，并且假設這個實體知道這些路由器的IP地址和網絡前綴。

　　其他的草案也提出了新的切換方法，采用小組組播（SGM）的明確組播（Xcast）技術。在有線段，控制/用戶數據包由Xcast向基站組播，基站能訪問移動節點，然后數據包發送到基站和移動節點之間的無線鏈路上。

2．平滑切換

　　對于平滑切換，通過對移動IPv6的擴展，在切換時附加控制結構傳輸必要的狀態信息，這樣在切換時，運行在移動節點上的應用程序能保持較低的延遲、最小的中斷和減少數據包丟失率。

　　當移動節點在同一個訪問域內移動時，移動IPv6區域注冊減小了綁定更新信令延遲和信令負載。區域注冊可以采用區域感知路由器的聯播地址，在相關路由器上為移動節點生成宿主路由器，支持任意的層次拓撲結構，不需要知道從其他域移動過來的移動節點的其他信息，并且指定了轉發數據包的最佳方法，與平滑/快速切換相兼容。

　　要在移動網絡中支持實時應用程序如VoIP，需要考慮的一個重要問題就是平滑切換的能力。當移動節點在網絡鏈路中移動時，平滑切換能最小化數據包丟失率。當網絡帶寬有限時，如無線蜂窩網絡，可以壓縮IP報頭和傳輸報頭，以更好地利用可用的帶寬。當在切換時采用報頭壓縮時，報頭壓縮上下文需要從一個IP訪問點（如路由器）重新定位到另一個IP訪問點，這樣才能完成平滑操作。有的采用IPv6和移動IPv6來獲得這種壓縮上下文的重新定位。

移動IPv6的AAA

　　移動IP工作組最近已經改變了工作重點，著重研究管理域間的移動性，解決應用移動性協議的蜂窩發送者的需求。

　　IETF的AAA工作組致力于網絡訪問中鑒定、認證和計費的需求開發，需求來自NASREQ、移動IP、ROAMOPS工作組和TIA45.6。這個AAA工作組主要是在Diameter提議的基礎上開發IETF的標準協議。

　　Diameter協議是在RADIUS（RFC2138）協議之后發展起來的，主要彌補RADIUS的不足，并且可以與NASREQ、ROAMOPS和移動IP一起應用。

　　Diameter框架結構包括一個基本協議和一些擴展協議（如安全性、NASREQ、移動IP和計費）。服務的通用功能在基本協議中實現，而與應用有關的功能在擴展機制中實現。

　　移動IP工作組最近已經改變了工作重點，重點研究管理域間的移動性，解決應用移動性協議的蜂窩發送者的需求。它擴展了Diameter基本協議，Diameter服務器可以對移動節點上的移動IPv4服務進行鑒定、認證和收集計費信息。結合基本協議的域間功能，這個擴展允許移動節點從其他服務提供者獲得服務。Diameter計費擴展用在外地代理和本地代理上，向Diameter服務器傳輸有用信息。

　　在這種方法中，IPv6節點（客戶端）向本地AAA提交認證材料，以便對本地網絡進行訪問。然而在IPv4中，路由器和DHCP不一定能處理這種功能，筆者相信，如果由IPv6路由器進行這些訪問控制，效率將會更加合理，也可能作為執行DHCPv6延遲功能的一部分。DHCPv6服務器和路由器可以與AAA服務器聯合使用，決定客戶端的認證材料是否有效。

　　通過鄰居緩存中的控制條目的設備，路由器能執行這樣的網絡訪問控制。如果沒有有效的認證材料，路由器就不會把數據包轉發到這個設備上；而且這樣的設備也不能訪問（或者只是有限訪問）路由器相鄰的其他網絡鏈路。只有通過這種方法，新設備在認證完成之前，才不會濫用網絡連接。

其他IP移動性解決方案

　　面對各種不同的解決方案，最好的思路是整合優勢、兼收并蓄。

　　除了移動IPv6以外，還有其他幾種IP移動性解決方案：IETF的移動IPv4、IETF移動IP的擴展（分層外地代理、路由優化、動態移動支持、反向地址翻譯、基于組播的切換、HAWAII、蜂窩IP、移動人結構、ICEBERG、擴展SIP移動性等)。

　　如何解決通常的移動性問題，重點是上述這些方法如何滿足新用戶、網絡需求和新技術三方面的要求。筆者認為，在未來的基于IP的無線網絡中，需要設計切換方案，并對這些方案進行比較。

　　未來的無線網絡將是純IP網絡，訪問網絡中的基站和路由器是可以通過IP地址識別的。移動性問題應該在網絡層解決，其中涉及到與鏈路層和應用層的協作。IETF的移動IP框架是未來純IP無線網絡的主要候選方案。我們認為，移動IP會解決通用移動性支持問題，但如果認為它是一個適用于所有移動情況的統一機制，則是一種誤解。在主機位置不暴露的前提下，我們仍然希望在主機間直接通信。

　　未來一些應用(音頻和視頻)將需要切換支持，這樣，在分層無線技術的域內可以采用移動性方案來支持本地移動，但需要解決一些關于垂直切換中切換策略的問題。

　　另外，基于組播的切換具有切換支持的一些優點：不需要切換指定的信令，重新路由的節點離基站很近，并且優化切換易于實現。同時現在的組播也有一些缺點，如不通用等。未來網絡中要集成優化的組播，如小組內廣播，不過仍然需要對基本組播進行擴展。

　　目前，移動IPv6的安全問題還沒有得到完全解決，IETF專家們正在努力工作，估計在不久的將來移動IPv6將逐步走向成熟。

　　IPv6優勢之三支持移動性

　　基于移動IPv6協議的IP層移動功能具有重要優點，尤其在移動終端數量持續上漲的今天，這些優點更加突出。盡管IPv4中也存在移動協議，但二者之間存在著本質的區別：移動IPv4協議不適用于數量龐大的移動終端。移動IP需要為每個設備提供一個全球惟一的IP地址，IPv4沒有足夠的地址空間可以為在公共互聯網上運行的每個移動終端分配一個這樣的地址。從另一個角度講，移動IPv6能夠通過簡單的擴展，滿足大規模移動用戶的需求。這樣，它就能在全球范圍內解決有關網絡和訪問技術之間的移動性問題。另外，IPv4協議中對移動性的支持不是強制的，而移動IPv6是IPv6協議中不可或缺的部分，所有IPv6的實現都必須支持移動性。

摘自　計算機世界網

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