移動ＩＰ技術（３）

[編者按]隨著無線通信技術和便攜式終端技術的快速發展，面向固定網絡環境的傳統IP技術迫切需要更新，以支持主機在網絡中的漫游和移動。為此提出了移動IP技術，它是下一代通信網絡(NGN)和下一代因特網(NGI)的重要基礎技術。本講座分3期介紹該項技術：第1期介紹了移動IPv4和移動IPv6的基本原理和關鍵技術；第2期介紹了移動IP的路由優化技術和安全技術；第3期則在分析移動IP切換過程技術特點和切換時延的基礎上，重點介紹兩種典型的微移動切換技術——快速移動IP技術和分級移動IP技術，最后簡述移動IP技術的未來發展。

7 移動IP切換

7.1 宏移動性和微移動性

移動IP提出的初衷是為了解決便攜式計算機異地使用時的即插即用問題，這樣的異地遷移通常不涉及通信的中斷，常稱為游牧式移動。隨著無線通信，特別是移動通信的發展，越來越多的小型化IP終端將在通信過程中發生位置變化，這樣的遷移通常局限在較小的區域內發生，而且要求在遷移過程中保持通信連接不中斷，常稱為切換式移動。鑒于此，業界提出了宏移動性和微移動性兩個概念。

所謂宏移動性指的是終端跨越不同域的移動。這里的域通常指的是管理域，可以是從屬于不同運營商的運行域，也可以是從屬于同一運營商的不同本地域，或者是本地不同的無線接入域。每個域都包含眾多路由器，還可能包含多種無線接入技術。從管理的角度考慮，每個域都設置有特定的網元負責和其他域或者公共Internet之間的通信，因此，終端跨域移動時，其路由地址必須改變，其支撐技術就是前文討論的MIPv4和MIPv6技術。

所謂微移動性指的是終端在同一域內跨域不同的子域移動，各子域配備有各自的接入路由器。雖然，從原理上說擴展的移動IP(MIP)技術同樣適用于微移動性管理，但是由于它要求終端每次移動時都要向位于家鄉網絡的家鄉代理(HA)注冊，當訪問點遠離家鄉時注冊消息交互將耗費很長的時間，尤其是對于需要QoS保證的通信應用，注冊后要重新建立自HA直至訪問點路徑上的資源預留，而對于微移動情況來說，大部分路徑其實是和原來路徑重合的，因此簡單地采用MIP技術將導致較大的切換時延以及在切換過程中的突發性丟包，對于如IP音視頻通信這樣的實時移動通信來說是不可行的。為此，人們針對微移動性應用場景提出了一些MIP技術，典型的技術是分級移動IP(HMIP)技術。

7.2 二層切換和三層切換

在移動通信情況下，終端切換首先執行的是無線接口的變換，稱之為無線鏈路層切換或二層切換。當終端在同一子網內跨越不同接入點(AP)移動時，僅涉及二層切換。切換觸發最基本的條件就是無線信號強度降低到一定的門限值，此時終端通過特定的方法來選定切換目標AP，建立和該AP的同步和認證，建立起鏈路層鏈接，具體過程會因不同的接入技術而不同。

當終端跨越不同子網移動時，則既涉及二層切換又涉及網絡層切換，即三層切換。通常采用的是順序切換方法，即首先完成二層切換，然后再啟動基于MIP的三層切換。為了加快切換速度，人們提出了綜合二層和三層的跨層切換技術，在執行二層切換之前先期完成三層切換的轉交地址(CoA)配置等功能，典型的技術是快速移動IP(FMIP)技術。

7.3 移動IP切換技術要求

移動IP切換技術應能支持IP終端在小范圍內的無縫切換移動，其主要技術要求包括切換、擴展性、QoS和演進4個方面。

首先是快速切換。主要思路是盡量減少HA遠程注冊的次數，以便用戶在域內本地移動時降低信令開銷，減小切換時延和切換過程中的丟包數量。

其次是良好的可擴展性。一方面隨著域內移動終端數量的增加，協議性能不應明顯下降。另一方面應有一個支持本地微移動的靈活的、分布式網絡結構，該結構設置有多個本地移動性代理管理IP終端在本域內的切換移動，每個終端的路由轉發信息分布在多個代理中，以消除單點故障和性能瓶頸。

再次是QoS能力。當IP終端在本域內切換移動時，能確保其QoS保持不變。這里指的是本域傳送網所提供的QoS能力，并不是指端到端的用戶QoS。

最后是逐步演進能力。所提出的技術應能逐步在網絡中部署，即部署了移動IP切換技術的節點能夠和常規MIP節點共存。

下面著重介紹典型的FMIP和HMIP技術。

8 快速移動IP技術

8.1 FMIP技術原理

基于常規MIPv6實現的切換需包含3個過程。首先是移動檢測，先是執行二層切換，在無線鏈路層完成從原接入點(AP1)至新接入點(AP2)的切換，并由AP2鏈路上收到的新接入路由器(NAR)的路由器公告，才能判定發生了跨越不同子網的三層切換。其次是配置新的CoA地址(NCoA)，根據配置方法的不同還可能需要執行鄰居發現協議，以確保所配置的地址沒有發生沖突。最后是執行和遠程HA及對端節點(CN)之間的位置更新過程，只有在更新成功以后，移動節點(MN)才能在新的地址上接收和發送數據包。每個過程都有相當的時間開銷，而且3個過程都是順序執行的，由此造成較大的切換時延。

為此，FMIP采用增強協議和跨層切換的方法有效地降低切換時延。首先，由原接入路由器(PAR)代理NAR發送路由器公告，使MN在啟動二層切換之前就能判定是否將觸發三層切換，并預先獲得NAR的信息，由此實現快速移動檢測。其次，MN利用所獲得的NAR前綴信息，在切換之前預先配置好NCoA，并在二層切換之前就確認配置的地址沒有沖突，或在二層切換完成之后立即主動發送鄰居通告消息，告知NAR該配置的地址，由此實現快速CoA配置。最后，在尚未完成和HA/CN的位置更新之前，在PAR和NAR之間建立一條臨時的雙向隧道，使得MN仍然能通過原有的CoA(PCoA)接收和發送數據包，以避免由于切換過程引起的數據丟失。

根據NCoA的確認發生在二層切換之前還是之后，FMIP有兩種操作模式，分別稱為“預先切換模式”和“反應切換模式”。

8.2 預先切換模式

圖9給出了預先切換模式的協議過程，所示協議消息均為FMIP新定義的。初始狀態是MN經無線鏈路由AP1接入網絡，AP1和PAR相聯。

切換步驟為：

(1)MN通過掃描判定無線鏈路質量下降需要進行二層切換，并確定了目標接入點AP2，于是向PAR發送代理路由器請求(RtSolPr)消息，請求后者告知AP2所連接的路由器的信息。

(2)PAR向MN回送代理路由器公告(PrRtAdv)消息。由于運營商在各接入路由器中預先配置了相鄰路由器及其所連接AP的信息，因此PAR知悉AP2所聯的接入路由器。若聯接的是一個新的路由器NAR，則消息中攜帶[AP2，NAR信息]二元組，其中NAR信息包括路由器的前綴、IP地址和二層地址。收到該消息后，MN在尚未進行二層切換之前就獲知需要進行三層切換。

若AP2也和PAR相聯，或NAR不支持FMIP，則PAR將通過消息將情況告知MN。前者情況不涉及三層切換，后者情況將執行常規的MIPv6過程。

MN也可以詢問多個可選目標AP的接入路由器信息，此時PAR將在消息中包含多個[AP2，NAR信息] 二元組。在某些無線通信系統中，即使切換決策是由MN和網絡交互完成的，但切換控制權位于網絡側，此時MN并不發送RtSolPr 消息，PAR將主動向MN發送PrRtAdv消息。

(3)MN收到此消息并判定需執行三層切換時，根據消息中的NAR信息自動配置NCoA地址，然后通過原無線鏈路向PAR發送快速位置更新(FBU)消息，告知該地址。

(4)PAR收到該消息后，根據最長匹配原則比較NCoA和所有相鄰接入路由器的前綴以確定NAR，然后向其發送切換啟動(HI)消息，內含NCoA。

(5)NAR判定NCoA是否和已分配的地址發生沖突，如無則接受，如沖突可另行分配一個新的NCoA，或由MN重新配置，其結果將在切換確認(HAck)消息中返回PAR。由于在位置更新過程尚未完成之前MN仍然只能以PCoA為源地址向CN發送數據包，因此NAR可建立至PAR的反向隧道，以便將該數據包轉發給PAR。

(6)PAR收到此消息后，建立至NAR的隧道，以在位置更新過程尚未完成之前將目的地址為PCoA的數據包轉發給NAR。同時，向MN發送快速位置更新確認(FBack)消息。

(7)MN執行二層切換，斷開和AP1的連接，建立和AP2的連接，并立即經由新的無線鏈路向NAR發送快速鄰居通告(FNA)消息。

(8)NAR收到FNA，知悉MN已接入新的IP子網，就可將PAR經由隧道轉發來的數據包傳送給MN。

待位置更新過程完成后，PAR-NAR之間的隧道拆除，MN將使用NCoA地址經由AP2-NAR正常收發數據包。至此，切換過程完成。

8.3反應切換模式

圖10示出反應切換模式的協議過程。

其步驟為：

(1)-(2)同預先切換模式。

(3)由于原無線鏈路質量已降至閾值以下，MN尚未發出FBU或尚未收到FBack消息時就已執行二層切換。此時，一旦MN接入AP2就立即向NAR發送快速鄰居通告(FNA)消息，該消息內封裝了FBU消息。

(4)NAR校核NCoA地址，如無沖突則建立對應的鄰居緩存項，同時向PAR轉發內部封裝的FBU消息。

(5)PAR收到后回送FBack，并建立至NAR的隧道，將切換過程中送往PCoA的數據包經隧道轉發至NAR，再由后者傳送給MN。反向隧道則用于傳送MN發送的數據包。

9 分級移動IPv6技術

9.1 HMIPv6技術原理

FMIP給出了快速移動檢測和快速CoA配置的解決方案，但是并沒有減少MN至HA/CN位置更新的信令消息數量，對于資源緊缺的無線鏈路來說，頻繁的切換將產生可觀的信令負荷和消息交互時延。雖然FMIP通過建立PAR-NAR間的臨時隧道可避免位置更新期間的數據包丟失，但是隧道轉發數據和切換后正常傳送數據可能錯序，從而導致TCP傳送出錯。為此，有必要盡量減少切換時位置更新消息的數量，理想情況下，不論與MN通信的CN數量是多少，希望切換時只需要執行一次位置更新過程。HMIPv6協議的設計思想就是保證在微移動情況下達到此目的。

HMIPv6采用兩級HA結構，如圖11 所示。

和移動通信網類似，它將整個IP網絡劃分為一個家鄉域和眾多個訪問域，每個訪問域內設置有一個移動錨點(MAP)，無論MN位于訪問域中何處，所有與HA或CN之間收發的數據包必須經由MAP轉發。因此，當MN在同一訪問域內跨越不同的接入路由器移動時(如AR1-->AR2)，由于MAP沒有變化，HA和CN感覺不到MN發生移動，此時MN只需告知MAP其在新的接入路由器下的CoA，該CoA稱之為鏈路轉交地址(LCoA)，該過程稱之為本地位置更新(LBU)。當MN跨越不同訪問域移動時(如AR2-->AR3)，則MN不但要在新的訪問域進行本地位置更新，還要向HA和CN進行常規的位置更新(BU)，告知新的MAP的地址，該地址稱之為區域轉交地址(RCoA)。在移動通信場景中，可將無線接入網設定為一個MAP域，由于移動用戶大多數情況下是在同一無線接入網范圍內切換(微移動切換)，因此通常只需執行一次LBU過程，可有效地減少切換信令的開銷。

由上可見，對于MN而言，MAP的作用相當于是位于訪問域中的本地HA，它和位于原籍地的常規HA構成兩級HA結構，當MN在本地移動時只需向本地HA注冊即可，故稱此協議為“分級移動IP”。從數據傳送的角度看，MAP和 MIPv4中的外部代理(FA)類似，差別在于FA只管理一個子網，MAP則管理多個子網。

HMIPv6協議利用在路由器通告消息中設置MAP選項的方法實現MAP的發現。和HA發現類似，MAP選項的內容包含MAP的全局地址、表示其可用性的優先級和有效生命期，除此以外還包含該接入路由器和MAP的距離。通過分析MAP地址，MN可判定是否發生了跨域移動；通過分析MAP距離，MN可判斷數據包在域內傳送的時延大小。在一般情況下，無論CN位于何處，MN總是經由MAP與其收發數據，但當CN和MN位于同一接入路由器下時，如果該路由器和MAP的距離較大，MN可以選擇和CN直接通信，即向CN進行位置更新時告知的是MN的LCoA，而不是MAP的RCoA。

9.2 HMIPv6網絡部署

在網絡中具體部署HMIPv6時，首先要合理規劃MAP域的大小。從減少信令開銷的角度考慮，MAP域不宜太小，以便保持一定的微移動切換范圍，但是所設置的MAP必須有足夠的處理能力，能處理全域所有移動節點的信令和話務流量，不能成為該域的瓶頸。從路由優化的角度考慮，MAP域不能太大，如果它和接入路由器的距離過大，和CN-MN直接通信的優化路由相比，經由MAP轉發將引入較大的附加時延。而且，要求MAP和各個接入路由器間的距離比較均衡，使得當MN進行本地移動時，MAP轉發路徑的時延大致相同。

為了能擴大MAP域的范圍，又不影響數據傳送速度和路由優化，可以在域內設置多個MAP，置于域內中心位置，按照負荷分擔方式工作。此時，接入路由器通告應包含域內所有MAP的信息，MN可根據可用優先級選擇一個MAP。這樣，不但可提高協議性能，還能避免設置一個MAP引起的單點故障問題。為此，在本地微移動切換時，允許MN同時向多個MAP進行本地位置更新，若當前注冊MAP發生故障，可以快速切換到其他MAP。位于邊緣的接入路由器還可以同時通告鄰域中的MAP，若MN尚在本域但預測將移動進入鄰域，則可以預先向鄰域的MAP進行本地位置更新，藉此提高跨域切換的速度。當MN進入鄰域后，還可以向原先域的MAP注冊鄰域中的新的鏈路CoA，這樣，在和HA/CN完成位置更新之前，可以經由原先的MAP轉發數據包，以避免切換過程中的數據丟失。

10 移動IP擴展技術

10.1 基于MPLS的MIP技術

由前述分析可知，MIPv6實現的重要一環是在HA和MN或FA之間建立隧道，最常用的就是IP in IP隧道。隨著多協議標記交換(MPLS)技術的日益廣泛應用，一個重要的發展趨勢是將MPLS引入未來B3G系統的無線接入網，形成全IP移動通信網絡，而MPLS網絡的基本技術特征就是以面向連接的標記交換路徑(LSP)作為隧道支持數據的快速可靠傳送，因此一個自然的想法就是將MIP技術和MPLS相結合，實現快速微移動切換。

其網絡結構如圖12所示。

其中，所有AR和選定的標記交換路由器(LSR)或標記交換邊界路由器(LER)裝載有支持微移動IP的標記邊緣移動性代理(LEMA)軟件，形成構建于MPLS之上的LEMA重疊網絡。路由器通告將包含由AR和上層LEMA實體(LSR)組成的多級串接LSP，作為域內數據傳送的隧道，這樣的隧道可以有多個，其串接級數也可能不同，MN可自行選擇其中一條隧道。位于隧道最上層的LEMA實體和家鄉域的HA交互，其作用相當于HMIP中的MAP。當MN在域內跨越不同AR移動時，可通過專門定義的本地注冊消息或重定向消息建立或修改LSP隧道，只要隧道最上層的LEMA實體不變，就無需執行和HA之間的位置更新過程。

如圖12，假設MN首先接入AR1，收到的路由器通告中包含LEMA級聯樹(1，6，(7，9))，MN選擇(1，6，9)作為隧道，分別向AR1，LSR6，LER9分別發送本地注冊消息，建立起9-->6-->1的LSP隧道。其后MN移動接入AR2，收到的路由器通告中包含LEMA級聯樹(2，6，(7，9))，MN選擇(2，6，9)作為新的隧道，此時只需向LSR6發送重定向消息，后者將至MN的數據包由LSP(6，1)重定向至LSP(6，2)。后來MN又移動接入AR3，收到的路由器通告中包含LEMA級聯樹(3，8，(7，9))，MN選擇(3，8，9)作為新的隧道，分別向LSR8和LER9發送本地注冊消息和重定向消息，將隧道改為9-->8-->3。在整個移動過程中，隧道端點LER9不變，相當于是MAP，因而不涉及和HA之間的位置更新。

由于MPLS網絡中的LSP可以預先建立，因此隧道更改只需要在已有LSP中增設對應于MN主機IP地址的轉發等價類(FEC)項即可，而且通常隧道更改只涉及部分級聯LSP的修改，所以切換速度很快。此外，還可以充分利用MPLS的話務工程能力、QoS能力和故障保護能力，獲得有質量保證、安全可靠的傳送性能。

10.2 代理移動IP技術

上述所有移動IP技術都要求MN支持MIP協議，但是現實情況是許多終端的協議棧并不支持MIP，為此，IETF定義了一種基于網絡的移動性管理協議。該協議在網絡中設置有一個本地移動錨點(LMA)和多個移動接入網關(MAG)，LMA的作用相當于是本地域中的HA，MAG通常部署在接入路由器上，其作用是作為MN的代理向LMA進行注冊登記。由于MN的移動性管理協議功能將由網絡中的MAG代理完成，因此稱該協議為代理移動IP(PMIP)，LMA覆蓋的區域為一個PMIP域。

當MN接入時，MAG通過接入認證過程可獲知唯一識別移動節點的MN標識，然后代表MN向LMA注冊，注冊消息中帶有MN標識以及MAG 地址。LMA收到注冊消息后，為MN分配一個家鄉網絡前綴(MN-HNP)，并通過注冊確認消息告知MAG。后者則通過路由器通告告知MN，MN據此自動配置其家鄉地址(MN-HoA)。LMA通過注冊過程建立MN-HNP與對應MAG 地址的綁定以及與該MAG之間的雙向隧道，LMA將MAG地址視為它代理的MN的轉交地址，因此稱其為Proxy-CoA。在PMIP域中，每個MN分配的MN-HNP都不相同，且所有MN-HNP的路由錨點均為LMA，即所有目的地址前綴為MN-HNP的數據包均將路由至LMA，然后由LMA通過隧道轉發給綁定的MAG，最后由MAG將數據包轉發給MN。MN發送的數據包則通過反向隧道由MAG送交LMA，再由后者進行轉發。

當MN在PMIP域內從原先MAG遷移至新的MAG時，后者將向LMA發起新的注冊登記，更新LMA中的綁定。由于MN標識是固定不變的，因此LMA分配的MN-HNP也維持不變，于是MN通過路由器通告獲知相同的網絡前綴，感覺不到發生了移動。因此利用PMIP，網絡對于不具備MIP協議功能的終端也能提供移動IP服務。目前IETF正在繼續進行跨PMIP域的移動性管理過程。

10.3 網絡移動性技術

至此為止，所有的討論都是針對單個主機移動而言的，實際情況還可能是一個局部網絡整體在移動。例如，在飛機、火車、輪船等大型交通工具中部署了為旅客服務的局域網，隨著這些交通設施的行駛，整個局域網在發生移動，要保證局部網絡中的每個主機在移動過程中仍然能與外部通信節點進行正常的通信，就需要研究網絡移動性(NEMO)技術。

移動網絡通過一個或多個移動路由器(MR)和外部Internet相聯，移動網絡中所有主機與外部網絡交互的數據都經由MR轉發，MR是內外網絡之間的網關，相當于HMIP中的MAP功能。移動網絡內部主機相對于MR來說是固定的，感覺不到自己在移動，MR的外部接口地址相當于整個移動網絡的CoA。因此，網絡移動性管理最終將歸結為MR的移動性管理問題，對于MR的移動性管理將最大限度地重用已有的MIP技術和協議。IETF的NEMO工作組對此進行專題研究，已提出網絡結構及解決方案，并正在繼續研究嵌套移動網絡的問題以及移動網絡情況下的路由優化問題。

11 結束語

隨著以IP為核心的下一代網絡技術以及無線通信技術的快速發展，信息通信界日益重視移動IP技術的研究，已將其用于CDMA、3G、WiMAX等無線通信系統，對其提出了更高的性能要求，并圍繞快速性、可靠性、安全性、無縫切換、接入認證等方面的問題繼續深入地研究新的技術。(續完)

收稿日期：2008-07-21

作者簡介

糜正琨，南京郵電大學通信與信息工程學院教授、博士生導師，中國通信學會會士。目前主要研究方向是下一代網絡技術和異構網絡融合技術。曾獲江蘇省科技進步二等獎一項，信息產業部科技進步二等獎和三等獎各一項，已發表SCI、EI收錄論文30余篇，出版專著和國家級教材8部，申請國家發明專利4項。