《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于移動網(wǎng)絡(luò)的IPv6網(wǎng)絡(luò)模型

2008-07-25
作者:張文濤1, 常紅星2

??? 摘 要: 通過移動無線網(wǎng)絡(luò)接入Internet的主機(jī)可能會經(jīng)常變換接入點(diǎn)" title="接入點(diǎn)">接入點(diǎn),本文在構(gòu)建一個完整IPv6網(wǎng)絡(luò)模型,同時通過引入軟切換,有效解決了移動主機(jī)" title="移動主機(jī)">移動主機(jī)在切換過程中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟失。
??? 關(guān)鍵詞: IPv6; 切換; 軟切換; 移動網(wǎng)絡(luò)

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1 系統(tǒng)介紹
??? 通過移動無線網(wǎng)絡(luò)連接到Internet的主機(jī)可能會經(jīng)常變換接入點(diǎn),這就需要提供一個有效機(jī)制用以保證數(shù)據(jù)包到移動主機(jī)的有效尋址。在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中,接入點(diǎn)的變換通常稱為切換(handoff),在切換過程中或者切換后的極短時間內(nèi),由于主機(jī)位置信息" title="位置信息">位置信息的延遲數(shù)據(jù)包可能會丟失。因?yàn)榍袚Q正變得越來越頻繁,有效地降低丟包是確保QoS的前提。蜂窩式IPv6(CIPv6:Cellular IP for IPv6)是一個支持主機(jī)頻繁切換的協(xié)議,該協(xié)議主要用于本地網(wǎng),同時也可以與使用于廣域的通用的移動IPv6(MIPv6:Mobile IPv6)有效協(xié)同[1],從而共同構(gòu)成廣域的移動IPv6網(wǎng)絡(luò)。
1.1 模型實(shí)體
??? (1)CIPv6節(jié)點(diǎn):構(gòu)成CIPv6網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)元素,主要功能有兩個:①CIPv6節(jié)點(diǎn)可以在CIPv6網(wǎng)絡(luò)中為數(shù)據(jù)包提供無線訪問路由;②為無線訪問提供接入,所以也稱為基站。
??? (2)CIPv6基站:同CIPv6節(jié)點(diǎn)。
??? (3)CIPv6網(wǎng)關(guān):提供CIPv6網(wǎng)絡(luò)和Internet的互聯(lián)接口。
??? (4)CIPv6主機(jī):應(yīng)用CIPv6協(xié)議的移動主機(jī)。
1.2 模型構(gòu)成
??? 圖1是CIPv6網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流向,每個基站周期性地發(fā)射Beacon信號,移動主機(jī)通過這些信號尋找最近的基站。通常,所有移動主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)包在基站間通過最短路徑" title="最短路徑">最短路徑的方式實(shí)現(xiàn)路由,并不考慮目標(biāo)IP。CIPv6節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)維護(hù)一個路由緩沖區(qū),移動主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包在每個節(jié)點(diǎn)的路由緩沖區(qū)中創(chuàng)建并更新一個記錄,每個記錄在映射移動主機(jī)IP的同時還記錄數(shù)據(jù)包來源節(jié)點(diǎn)的IP。在每個CIPv6節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)中形成的記錄鏈總是對應(yīng)一個特定的移動主機(jī),下行數(shù)據(jù)也通過這個記錄鏈到達(dá)移動主機(jī)。這個記錄鏈總是對應(yīng)主機(jī)的最新位置,因?yàn)楫?dāng)主機(jī)移動時,通過上行數(shù)據(jù)包,記錄鏈也會隨時被更新。此外,下行數(shù)據(jù)到移動主機(jī)的路由也由記錄鏈負(fù)責(zé)。為防止記錄鏈超時,移動主機(jī)會周期地發(fā)送控制數(shù)據(jù)包,控制數(shù)據(jù)包是IPv6協(xié)議的擴(kuò)展,協(xié)議頭實(shí)現(xiàn)了適應(yīng)CIPv6網(wǎng)絡(luò)的最短路徑方式和CIPv6控制信息。當(dāng)移動主機(jī)未處于發(fā)送數(shù)據(jù)的激活狀態(tài)時,仍可以接收數(shù)據(jù),這時CIPv6節(jié)點(diǎn)會維護(hù)一個分頁緩沖區(qū),所有的下行數(shù)據(jù)由分頁緩沖區(qū)負(fù)責(zé)提供路由,分頁緩沖區(qū)比路由緩沖區(qū)有更長的超時時間。

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1.3 位置管理和路由
??? CIPv6使用兩個并行的緩沖區(qū)來維護(hù)移動主機(jī)的位置信息,兩個緩沖區(qū)的操作方式基本相同。當(dāng)移動主機(jī)處于活動狀態(tài),CIPv6網(wǎng)絡(luò)必須可以管理移動主機(jī)在基站間的移動,以保證數(shù)據(jù)到達(dá)主機(jī),所以移動主機(jī)必須隨時向網(wǎng)絡(luò)通報每次切換。對于睡眠狀態(tài)的主機(jī),位置信息是相對次要的,最小化通信量以保證電量的節(jié)省具有更高的優(yōu)先級。所以,兩個CIPv6緩沖區(qū)分別對應(yīng)活動主機(jī)和睡眠主機(jī)。雙緩沖區(qū)還有性能方面的優(yōu)勢,單緩沖區(qū)用以存儲所有移動主機(jī)的位置信息時,下行數(shù)據(jù)就需要在整個緩沖區(qū)中遍歷一次,這對于睡眠主機(jī)沒意義。
2? CIPv6的功能
2.1位置管理
??? CIPv6允許睡眠模式的移動主機(jī)在不進(jìn)行位置信息更新的情況下跨基站邊界漫游,網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以將基站集群組織成分頁區(qū),分頁區(qū)可以由任意數(shù)量的基站構(gòu)成,每個分頁區(qū)擁有CIPv6網(wǎng)絡(luò)中唯一的ID。每個基站通過Beacon信號周期性地發(fā)送分頁區(qū)的ID,從而使移動主機(jī)在跨分頁區(qū)時得到必要的數(shù)據(jù)包。睡眠移動主機(jī)在跨越分頁區(qū)時必須發(fā)送一個分頁更新數(shù)據(jù)包,分頁更新數(shù)據(jù)包會采用最短路徑方式上行,最終到達(dá)CIPv6網(wǎng)關(guān)。其間經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)形成分頁緩沖區(qū),分頁緩沖區(qū)中形成一個記錄對應(yīng)每個睡眠移動主機(jī)。當(dāng)數(shù)據(jù)包下行到CIPv6節(jié)點(diǎn)時,由分頁緩沖負(fù)責(zé)其路由。如果所到節(jié)點(diǎn)沒有分頁緩沖區(qū),則數(shù)據(jù)包會繼續(xù)下行到相鄰節(jié)點(diǎn);如果仍然沒有分頁緩沖區(qū)或者分頁緩沖區(qū)沒有對應(yīng)移動主機(jī)的記錄,則數(shù)據(jù)包被丟棄。在整個下行路徑上的節(jié)點(diǎn)可能有分頁緩沖區(qū),也可能沒有,這取決于最后一次分頁更新數(shù)據(jù)包的上行路徑。當(dāng)移動主機(jī)接收到下行數(shù)據(jù)包后,便由睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為激活狀態(tài),同時通過發(fā)送路由更新數(shù)據(jù)包建立其路由緩沖區(qū),后續(xù)的下行數(shù)據(jù)由路由緩沖區(qū)負(fù)責(zé)其路由。
2.2 路由
??? 分頁緩沖區(qū)和路由緩沖區(qū)都可以為CIPv6網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包提供路由,表1列出了兩者的差異。

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2.3 切換
??? 切換的初始化由移動主機(jī)完成。當(dāng)活動主機(jī)靠近一個新的基站時,它會發(fā)送一個路由更新數(shù)據(jù)包,并將后續(xù)的數(shù)據(jù)包指向新的基站。路由更新數(shù)據(jù)包會更新對應(yīng)的整個路由緩沖記錄鏈。睡眠主機(jī)僅當(dāng)進(jìn)入新的分頁區(qū)時才會發(fā)送分頁更新數(shù)據(jù)包;當(dāng)在同一個分頁區(qū)中切換基站時,睡眠主機(jī)不發(fā)送數(shù)據(jù),因?yàn)樵谝粋€分頁區(qū)中的分頁緩沖區(qū)都相同。
2.4 漫游
??? 當(dāng)移動主機(jī)在不同的CIPv6網(wǎng)絡(luò)間漫游時,主機(jī)將根據(jù)基站周期發(fā)送的Beacon信號判斷已經(jīng)進(jìn)入新的CIPv6網(wǎng)絡(luò),Beacon信號同時包含新CIPv6網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)IP。主機(jī)一旦作出判斷,就自動啟用無地址狀態(tài)模式[2],無地址狀態(tài)模式會自行配置新的IP,并檢驗(yàn)新IP是否與新的CIPv6網(wǎng)絡(luò)IP沖突,如不沖突就以此IP作為在新CIPv6網(wǎng)絡(luò)中的臨時IP。
3 協(xié)議
3.1協(xié)議參數(shù)

??? 表2為CIPv6網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議參數(shù)。

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3.2 Beacon 結(jié)構(gòu)
??? CIPv6基站必須周期性地發(fā)送Beacon 信號,使得移動主機(jī)總可以有一個可用基站。Beacon 信號是基于IPv6的廣播,基本形式為:FF02:0:0:0:0:0:0:1,具體結(jié)構(gòu)如表3。

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3.3包格式
3.3.1路由更新數(shù)據(jù)包

??? 路由更新數(shù)據(jù)包是一個基于IPv6的包含最短路徑擴(kuò)充的協(xié)議。具體結(jié)構(gòu)如表4。

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??? S標(biāo)志含義:1為軟切換,默認(rèn)值為0,不支持軟切換的基站忽略此標(biāo)志。I標(biāo)志的含義為:指示間接軟切換。
3.3.2 分頁更新數(shù)據(jù)包
??? 與路由更新數(shù)據(jù)包類似,分頁更新數(shù)據(jù)包也是一個基于IPv6的包含最短路徑擴(kuò)充的協(xié)議。源地址為IPv6主機(jī)IP,目標(biāo)地址為IPv6網(wǎng)關(guān)IP,S標(biāo)志和I標(biāo)志均為0。
3.4 路由
??? IPv6網(wǎng)絡(luò)的路由算法具有特殊性,它并不需要通常IP網(wǎng)絡(luò)的路由能力,IP網(wǎng)絡(luò)的路由能力完全由CIPv6網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。
3.4.1 路由器的拓補(bǔ)
??? 在上行方向,數(shù)據(jù)包基于最短路徑方式到達(dá)CIPv6網(wǎng)關(guān),每個節(jié)點(diǎn)都將數(shù)據(jù)包發(fā)往與其連接到IPv6網(wǎng)關(guān)的相鄰節(jié)點(diǎn),相鄰節(jié)點(diǎn)的上行選擇由網(wǎng)絡(luò)管理員事先設(shè)定,或者通過簡單的最短路徑算法選擇最短路徑從而替代手工設(shè)定。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度較高時,通過計算后的手工設(shè)定會有更高的效率。
3.4.2 上行路由
??? 當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)一個節(jié)點(diǎn)后,該數(shù)據(jù)包首先被用以更新到達(dá)節(jié)點(diǎn)的路由緩沖區(qū)和分頁緩沖區(qū),然后被發(fā)送到上行相鄰節(jié)點(diǎn)。為了更新緩沖區(qū),節(jié)點(diǎn)會讀取數(shù)據(jù)包類型、端口號、源IP地址。分頁更新數(shù)據(jù)包更新分頁緩沖區(qū),路由更新數(shù)據(jù)包同時更新分頁緩沖區(qū)和路由緩沖區(qū),數(shù)據(jù)包則會刷新所有緩沖區(qū)的狀態(tài),但不會改變分頁緩沖區(qū)和路由緩沖區(qū)。兩個緩沖區(qū)都包含IPv6地址、接口、MAC地址、呼出時間和時間戳。接口和MAC地址用作下行數(shù)據(jù)的路由,時間戳用于存放控制數(shù)據(jù)包發(fā)來的時間,以便明確映射時間。
??? 當(dāng)一個數(shù)據(jù)包由下行連接相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)來時,節(jié)點(diǎn)首先在路由緩沖區(qū)中查找源IP,如果路由沒有變化就刷新記錄:呼出時間被刷新為當(dāng)前時間+路由超時,如果該節(jié)點(diǎn)有分頁緩沖區(qū),分頁緩沖區(qū)也作相同處理。如果路由發(fā)生變化,數(shù)據(jù)包就被丟棄。當(dāng)更新數(shù)據(jù)包到達(dá)一個節(jié)點(diǎn)時,節(jié)點(diǎn)首先檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包的合法性,如果不能通過合法性檢測,則更新數(shù)據(jù)包就被丟棄[3],并在系統(tǒng)日志中記錄該事件。如果數(shù)據(jù)包合法,節(jié)點(diǎn)就在緩沖區(qū)中建立新的路由記錄" title="路由記錄">路由記錄:新數(shù)據(jù)包IPv6地址、接口、MAC地址、呼出時間(當(dāng)前時間+路由超時)、時間戳。如果緩沖區(qū)中對應(yīng)IP已經(jīng)存在,根據(jù)時間戳進(jìn)行判斷,到來數(shù)據(jù)包時間戳更新時,則更新對應(yīng)記錄,否則丟棄數(shù)據(jù)包。
3.4.3 下行路由
??? 當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)從其上行連接節(jié)點(diǎn)收到一個數(shù)據(jù)包時,節(jié)點(diǎn)首先檢驗(yàn)路由緩沖區(qū)中是否包含該目標(biāo)IP,如果存在則繼續(xù)向下行方向發(fā)送。如果不存在對應(yīng)記錄,該數(shù)據(jù)包將以廣播的形式向所有相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送。如果該節(jié)點(diǎn)有分頁緩沖區(qū),且分頁緩沖區(qū)中包含對應(yīng)IP的記錄,數(shù)據(jù)包會繼續(xù)下行,如果分頁緩沖區(qū)中沒有對應(yīng)記錄,數(shù)據(jù)包就被丟棄。
4 CIPv6的擴(kuò)充
4.1 切換擴(kuò)充
4.1.1 軟切換

??? 為了防止敏感數(shù)據(jù)的丟失,可以采用軟切換方式。在軟切換時,移動主機(jī)會與兩個基站同時通信,這樣下行數(shù)據(jù)仍然可以同時到達(dá)兩個基站,從而防止數(shù)據(jù)通信的中斷。為了實(shí)現(xiàn)軟切換,移動主機(jī)需要在新基站建立對應(yīng)的路由記錄,同時繼續(xù)監(jiān)聽舊主機(jī)的下行數(shù)據(jù)。移動主機(jī)通過設(shè)置S標(biāo)志來實(shí)現(xiàn)軟切換,節(jié)點(diǎn)通過識別S標(biāo)志,在數(shù)據(jù)下行時會同時向新基站和舊基站發(fā)送數(shù)據(jù)包,直到移動主機(jī)向新基站發(fā)送路由更新數(shù)據(jù)包。一旦移動主機(jī)向新基站發(fā)送路由更新數(shù)據(jù)包,S標(biāo)志將被清除,舊主機(jī)路由緩沖區(qū)中的對應(yīng)記錄也會被清除,從而完成整個軟切換過程。
??? 如果新基站的訪問路徑大于舊基站,下行數(shù)據(jù)可能無法到達(dá)移動主機(jī)。為了防止類似問題,在軟切換時到達(dá)新基站的數(shù)據(jù)包會有一定的延時,這可能導(dǎo)致移動主機(jī)收到兩次相同數(shù)據(jù)包,但不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失。
4.1.2? 間接軟切換
??? 不是所有無線技術(shù)都支持同步多連接,如:有些設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)在監(jiān)聽舊基站的同時向新基站發(fā)送路由更新數(shù)據(jù)包,在這種情況下可以采用間接軟切換。當(dāng)需要切換時,主機(jī)不向新基站發(fā)送路由更新數(shù)據(jù)包(因?yàn)樵O(shè)備無法實(shí)現(xiàn)),路由更新數(shù)據(jù)包仍被發(fā)送到當(dāng)前基站,但這個數(shù)據(jù)包的目標(biāo)IP(下行時的目標(biāo)IP)就是新基站的IP,這時將I標(biāo)志設(shè)定為1,表示開始間接軟切換過程。這樣,下行的數(shù)據(jù)就會根據(jù)新的基站地址到達(dá)新基站,當(dāng)基站收到該數(shù)據(jù)包時即可建立新的主機(jī)路由記錄鏈。
4.2 多網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)
??? 當(dāng)CIPv6網(wǎng)絡(luò)只有一個網(wǎng)關(guān)時,這個網(wǎng)關(guān)必須負(fù)責(zé)上行和下行數(shù)據(jù)。IPv6網(wǎng)絡(luò)可以采用多網(wǎng)關(guān),這樣可以提高網(wǎng)絡(luò)的效率,但移動主機(jī)和相關(guān)節(jié)點(diǎn)必須可以判斷使用哪個網(wǎng)關(guān),例如:通過地理位置或IP空間進(jìn)行網(wǎng)關(guān)分配。
??? 蜂窩式IPv6是一個支持主機(jī)頻繁切換的協(xié)議,通過對該協(xié)議的擴(kuò)充引入軟切換后,不僅可以實(shí)現(xiàn)基于移動網(wǎng)絡(luò)的IPv6網(wǎng)絡(luò),還可以很好地解決切換過程中的數(shù)據(jù)丟失。軟切換根據(jù)設(shè)備的功能性,可以通過直接軟切換和間接軟切換兩種方式實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
[1] ?Internet Protocol version 6(IPv6) specification. IETF RFC 2460, December 1998.
[2] ?THOMSON S, NARTEN T. IPv6 stateless address autoconfiguration. IETF RFC 2462, December 1998.
[3] ?METZGER P, SIMPSON W. IP authentication using keyed ?MD5. IETF RFC 1828, August 1995.

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