微觀移動IP 協議綜述

2019-11-03 09:08:04

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供稿：網友

余旭濤徐平平畢光國東南大學移動通信國家重點實驗室　　[摘要] 為了解決互聯網內節點的移動問題而提出傳統的移動ip 協議具有切換延時大分組丟失嚴重造成連接中斷等缺點微觀移動IP 協議的提出將分層的概念引入到移動IP協議中減少了小范圍類移動的切換時間改進了系統的性能把傳統移動IP 協議作為宏觀移動IP 協議將微觀與宏觀移動IP 協議相結合將是構造切實可用的無線互聯網的必然自從移動IP(Mobile IP)協議提出以來關于采用何種方式將不同的無線接入網接入Internet 實現用戶無線終端在不同系統間自由移動切換成為人們研究的一個重點傳統的移動IP 協議方法具有一些很難克服的缺點。

　　移動IP 協議采用的三邊間接路由雖然實現了移動節點與其他節點的通信但同時也增加了端到端的延時使其很難達到有嚴格延時限制的業務如實時多媒體業務的要求也增加了網絡的傳輸量特別是在移動節點遠離家鄉代理而與通信對端距離較近時，問題更為突出。

　　為了增加用戶容量無線接入網一般采用的是蜂窩結構而且蜂窩的范圍趨向于微蜂窩甚至微微蜂窩如果對整個網絡采用移動IP 協議移動節點在小范圍的移動就可能引起頻繁的切換產生大量的注冊更新信息如果移動節點遠離家鄉代理更會增加網絡的信令開銷同時切換延時加大使得切換引起的分組丟失更加嚴重造成業務中斷?！　≡诩亦l代理處對IP 數據包的再次封裝會增加延時且會帶來一些報頭信息的重復產生冗余如果由此帶來分組長度加大需要進行分片就將花費更多的數據報處理時間如果采用改進的路徑優化方法雖然可以克服三邊路由引起的問題但是同時帶來了新的問題主要是安全問題即移動節點和通信對端之間的認證與鑒別。

　　移動IP 協議沒有對水平切換以及垂直切換進行區分也沒有對移動終端的空閑等待狀態以及激活狀態分別處理造成了不必要的流量針對移動IP 的這些缺點已提出了微觀移動IP 的觀點。

　　所謂微觀移動IP 協議就是在移動IP 協議中引入層次的概念將移動節點的切換限制在小范圍內通過層次的劃分將網絡分成不同的域從而將移動性的問題分成了宏觀移動域間移動與微觀移動域內移動微觀移動IP 協議充分考慮了接入網的特點與宏觀移動IP 協議相結合從而在IP 層實現無線互聯一般在域內采用微觀移動IP 協議而在域間采用IETF 移動IP 協議采用該方法對移動節點家鄉代理而言隱藏了節點在域內的移動減少了信令流量其結構如圖1 所示

圖1 采用宏觀和微觀移動IP 協議實現無線互聯

　　目前有許多微觀移動IP 協議典型的有Bell 實驗室提出的HAWII Handoff Aware　Wireless access Internet Infrastructure 協議Columbia 大學提出的Cellular IP 協議Maryland大學提出的EMA Edge obility Architecture 協議以及分層移動協議等這些協議的共同特點是傳統的移動IP 路由技術不再推廣到接入網與移動節點相交的邊緣而是在接入網與IP 核心網的交界處在域內采用統一的方案采用相同的IP 層路由協議相應的切換機制和移動管理機制這里以HAWAII 協議為重點對目前的幾種常見的微觀移動IP 協議進行介紹

2.1 HAWAII 協議

　　HAWAII 協議的目標是提供標準的微移動特性如快速切換被動連接尋呼以及QoS保證其域由擴展功能的路由器以及基站組成其中將HAWAII 域與Internet 核心網相連的路由器稱為域根路由器DRR, Domain root rooter 移動節點在域內獲得一個共同定位轉交地址Co-located Care-of-address , 且節點在域內移動時該地址不會改變因此在HAWAII方案中隧道的終端是移動節點本身在HAWAII 系統中移動節點可以用三種狀態來描述分別是激活狀態Active 待機狀態Standby ,空狀態(Null) 在不同的狀態對移動節點的定位要求不同當處于空狀態時移動節點什么也不發送這樣即降低了能量消耗又減少了信令開銷HAWII 保留了蜂窩網中的被動連接和尋呼特性每一個HAWAII 域內又劃分為一些尋呼區間移動節點可以通過自己發送的特定請求以及基站發送的信標檢測到自己所在的尋呼域基站以及路由器中有一個軟狀態的尋呼表如同路由更新信息一樣移動節點也會周期性的發送尋呼更新信息但尋呼更新周期更長HAWAII 協議以逐跳hop by hop 的方式管理主機的移動性在每個基站以及路由器中有一個軟狀態表用以確定如何對接收到的分組數據進行處理該表通過路徑建立機制進行管理所謂軟狀態路由表是指經過一定的時間后路由表中的路徑信息將不再有效因此移動節點需要周期性的發送路由更新信息。

　　HAWAII 方案中采用了兩種切換方法來建立新的路徑分別是轉發路徑建立方案和非轉發路徑建立方案轉發方案適用于移動節點只能與一個接收機通信的情況如TDMA 系統而非轉發方案適用于移動節點可以同時與多個接收機通信的情況如CDMA 系統轉發路徑建立方案Forwarding Path Setup Scheme 過程如圖2 所示分為以下幾步：　　1 移動主機發送包含了舊基站地址的移動IP 注冊請求信息給新的基站

　　2 隨后新基站發送一個HAWAII 路徑建立更新信息至舊基站

　　3 舊基站收到該信息后搜索路由表并為移動節點增加一個新的轉發入口forwarding　entry 隨后再以逐跳的方式轉發該消息在到達新基站路徑上的每一個路由器的路由表中為移動節點再增加或更新轉發入口值得注意的是相交基站crossover　station 更新轉發入口后發往移動節點的分組將被送到新基站4 新基站收到該信息后在路由表中增加轉發入口并向移動節點發送注冊響應信息。

　　非轉發路徑建立方案與轉發路徑建立方案相比主要的不同在于新基站收到移動節點發來的注冊請求后直接在路由表中增加一個移動節點的轉發入口再以逐跳的方式發送路徑建立信息在通往舊基站的每一個基站及路由器上添加新的轉發入口當相交路由器路由表中移動節點信息更新后發往節點的分組就將沿著新的路徑發送從而減少了分組損耗

2.2 Cellular IP 協議

　　與HAWAII 協議相似Cellular IP 協議中也支持快速切換被動連接尋呼等CellularIP 網絡由支持該協議的一個網關路由器以及基站和移動節點組成網關路由器將Cellular IP接入網與Internet 相連網關的IP 地址將作為接入網中移動節點的轉交地址因此與HAWAII系統不同通過隧道到達移動節點的IP 包將在網關處進行拆封然后再按照Cellular IP 協議中的規定的路由方法將數據包發送至節點在Cellular IP 網絡中也定義了尋呼區間和尋呼表Cellular IP 網絡中移動節點具有兩種狀態空閑狀態idle 和激活狀態active 移動節點在激活狀態超時后仍然不收發數據則進入空閑狀態在空閑狀態節點在一個尋呼區內移動時不需要發送位置更新信息這樣即可以減少能量消耗也可以減少信道負荷同時轉發分組時減少了查表時間同樣這里也采用了軟狀態方式在基站中保存了兩種類型的軟狀態信息分別是與該基站相鄰的到達網關路徑上的第一個基站的信息以及通過該基站向移動節點轉發數據的路由信息路由表中由移動節點的IP 地址以及對應的轉發基站組成Cellular IP 協議中定義了兩種切換機制分別是用于移動節點只能與一個接收機通信的硬切換Hard handoff 以及移動節點可以與多個接收機同時通信的半軟切換Semi-soft handoff 硬切換中節點移動至新基站時發送路徑更新信息該路由更新信息以逐跳的方式發送至網關路由器路徑上的移動路徑。

圖2 HAWAII 系統轉發路徑建立過程

　　Cellular IP 節點將對其路由表進行相應修改采用硬切換方式路徑更新信息從新基站到達相交節點期間內的分組將會丟失而半軟切換方式可以使分組損丟失減少為零采用半軟切換方式移動節點可以同時接收兩個基站發來的分組當檢測到切換將要發生后將向新基站發送一個半軟路由更新分組Semi-softroute-update packets 同時仍然接收舊基站發來的分組在相交節點處增加一個到新基站的路由映射使得發往移動節點的分組同時被轉發至新舊兩個基站半軟切換是在一個固定的半軟延時Semi-soft delay 期間內完成的,該期間結束后在進行一次常規的切換。

2.3 分層移動IP 協議

　　目前有多種不同的分層移動IP 協議如區域隧道管理協議Regional tunnel management　PRotocol ,HUT(Helsinki University of Technology)移動IP 協議RAFA(Regional Aware Foreign　Agent)協議其共同的特點是移動節點在接入網域內移動時位置的改變不用通知家鄉節點外地代理采用了分層樹狀結構且分組在外地代理之間逐層轉發時也采用了隧道技術以區域隧道管理協議為例接入網中定義了一個專用的外地代理稱為網關外地代理GFA 其IP 地址為移動節點的轉交地址在域內移動時該轉交地址不變與HAWAII類似移動節點只需要在舊外地代理至新代理最短路徑上的各節點更新位置信息切換時采用了平滑切換方法移動節點移動到新的外地代理時新的外地代理將通知舊的外地代理將發往移動節點的分組進行轉發從而減少了切換造成的分組丟失。

2.4 EMA 協議

　　EMA 協議所定義的網絡結構與其他微移動協議類似接入網由接入路由器以及所屬的基站構成其路由協議采用了自適應TORA(Temporally-Ordered Routing Algorithm)算法可以在網絡的拓撲結構發生改變時快速的建立最佳路由協議定義了BBM(Break before Make)以及MBB(Make before Break)兩種切換方式切換發生前移動節點可以檢測到即將發生的切換切換時在新舊接入路由器之間建立了一個暫時隧道舊接入路由通過重定向可以將發往移動節點的分組轉發到新的接入路由器因此使得分組丟失降至0。

3 協議比較

　　可以從以下幾個方面對微觀移動IP 協議性能進行分析比較

　　1 切換延時微觀移動協議由于在域內移動時不需要對家鄉代理進行注冊因此大大減少了切換延時HAWAII 協議分層移動IP 協議以及EMA 協議將切換所涉及的節點限于新舊路由器之間Cellular IP 協議中更新從新的基站逐跳至網關由于EMA 算法中采用了TORA 路由協議因此其切換中還包含了計算時間相比較而言HAWAII 算法延時更小

　　2 信道負載采用微觀移動協議切換發生在域內時不需要網關與家鄉代理之間交換注冊信息減少了核心網和家鄉網絡的負荷在Cellular IP 以及HAWAII 協議中均引入了被動連接和尋呼尋呼表的更新頻率小于路由表的更新頻率且移動節點有不同的狀態對不同狀態有不同的定位要求減少了網絡的信令流量相對而言其余的移動IP 協議還未引入這兩種機制分層移動IP 協議在外地代理之間轉發分組時采用了隧道封裝會增加信道數據量同時也會造成封裝延時

　　3 分組丟失在Cellular IP 協議的半軟切換方式以及EMA 協議中切換造成的分組丟失為0 其余協議造成的分組丟失也小于只采用傳統移動IP 協議造成的分組丟失。

　　4 系統的魯棒性EMA 協議由于采用了TORA 路由算法因此可以適用于各種不同的環境魯棒性強而上述的另外幾種算法采用樹狀接入網絡結構對于Cellular IP協議每次切換都要通過網關因此會造成網關的負荷過大在HAWAII,以及分層移動IP 協議中采用了分布式結構且節點為IP 結構可以利用現有的IP 路由回復機制因此較之Cellular IP 其魯棒性更強

　　4 系統分析

　　為了使整個無線互聯網系統能夠協調運行移動節點能夠在采用不同移動協議的網絡仍能正常收發數據面對各種微觀移動IP 協議種類需要考慮以下兩個問題

　　1 不同的接入網采用統一的一個微觀移動IP 協議

　　2 不同接入網采用不同協議各協議協調共存

　　從前面的分析介紹可以看出單純的一種微觀IP 協議顯然不能適應于現在的各種無線接入網且上述的協議都存在各自的缺陷如Cellular IP 協議和HAWAII 協議網絡結構中都假設接入網與IP 核心網通過一個網關相連即會造成網關的負荷過大成為網絡的一個瓶頸而EMA 協議采用了用于自組織網絡Ad hoc 的TORA 路由方案該方案適用于接入網為拓撲變化較快的無線的分布式環境而現有的無線接入網的基站和路由器一般是通過有線方式相連除了移動節點外網絡的其余部分不會發生拓撲變化并且該方案為每一個目的節點提供了不止一個路由會造成路由器的負荷過大造成很多不必要的浪費在這里考慮到一般對移動節點而言無論是其軟件還是硬件都需要盡量簡單如果移動設備為在不同的接入網中漫游需要安裝不同的協議軟件顯然適用性會受到限制因此可將移動節點與接入網內和網間具體采用的宏觀及微觀移動IP 協議相獨立使得移動節點與接入網間采用同一個注冊請求接入協議在接入網內部可以采用不同的微觀移動IP 協議以管理移動節點在域內移動切換宏觀移動IP 協議則用于移動節點在接入網域間以及不同的接入網間的切換采用這樣的方法將網絡劃分為了3 個不同的層次考慮到未來的無線網絡將是全IP 的無線網絡并且3GPP 計劃在未來的無線蜂窩網絡中采用IPV6 協議上述的微移動協議并不完全適用在這里我們計劃結合上述的協議進行一些改進無線接入網域內采用微移動協議域間采用移動IP 協議對于基于IPV6 的網絡采用路徑優化機制與微移動協議相結合的方法由于IPV6 中采用了一種密鑰管理體系因此解決了路徑優化中移動節點與通信對端之間的認證問題而微移動協議則解決了在一定范圍接入網中移動所產生的切換問題減少了切換損失此外在網絡中引入自適應監測通過監測信號的強弱以及信令信道對移動節點的運動方向進行估計預測即將發生的切換預先做好切換準備使得切換發生時減少分組丟失

　　5 結論

　　傳統移動IP 協議存在許多問題微移動IP 協議的提出從減少切換延時降低切換引起的分組損耗節約信令開銷減少信道負荷等方面對傳統移動IP 協議進行了改進提高了系統性能從大的發展趨勢看在無線接入網之間采用宏觀移動IP 協議在接入網域內采用微觀移動協議是一種趨勢但現有的微觀IP 協議都有其局限性針對未來的全IP 無線接入網對微移動協議進行研究改進使宏觀與微觀移動IP 協議更好相結合以及各種協議的共存是目前移動IP 領域研究的重點。

----《移動通信在線》