王煜韦岗华南理工大学
【摘要】本文在介绍了移动通信中移动性管理的基本概念后，针对移动IP 的体系结构，提出了移动IP 移动性管理所涉及的特殊问题，并介绍了其解决方案。最后，提出了尚需进一步研究的问题。
1 引言
为了解决因特网节点移动问题，Internet 工程任务组制定了一系列标准，即移动IP。它是一种在因特网上提供移动功能的方案，使节点可以以一个永久的IP 地址连接到任何链路上，并在切换链路时可保持正在进行的通信。在移动IP 所涉及的诸多问题中，移动性管理是最重要，同时也是极具挑战性的工作之一。它主要解决因特网节点可移动通信问题和因特网节点移动中通信问题。目前关于这套方案有两种版本，一种是移动IPv4，一种是IPv6。IPv6 与移动IPv4 相比具有更多的地址空间，具有更丰富的移动性支持功能。
2 移动性管理
移动通信中的移动性管理包括两方面的内容：位置管理和切换管理。位置管理用来使网络发现移动节点的接入点，并向其发起呼叫。整个过程可分为两个阶段：第一阶段完成位置注册（或称为位置更新），第二阶段完成呼叫建立。在第一阶段中，移动节点周期性地向网络通告它当前的接入点，网络对移动节点进行鉴权和认证，并更新移动节点的位置信息。在第二阶段中，网络在移动节点位置库中查找被叫节点的位置信息，并向被叫移动节点发起呼叫。位置管理的操作如图1 所示。
图1：位置管理操作
当移动节点在移动通信过程中改变了其网络接入点，网络可以利用切换管理功能保证其连接不间断。切换管理过程可分为三个阶段，第一阶段初始化，第二阶段建立新连接，第三阶段数据流控制。在初始化阶段，用户或网络根据变化的网络条件判定是否要进行切换。在第二阶段，网络必须为切换分配新的网络资源，并执行相关的寻径操作。最后，网络根据服务协议将数据从旧连接转到新的连接上。切换管理操作如图2 所示：
图2：切换管理操作
3 移动IP 体系结构
移动IP 的体系结构如图3 所示。移动节点可以是一个主机，也可以是一个路由器，它在从一个子网移动到另一个子网时，不改变其IP 地址。移动节点通过家乡代理或外地代理接入因特网，其中家乡代理是移动节点家乡网络上的一个路由器，外地代理是移动节点外地网络上的一个路由器。与移动节点通信的节点称为通信节点。在图3 中，通信节点通过移动节点的家乡代理和外地代理向移动节点发送数据包。
4 移动IP 的移动性管理
由于因特网的组织架构与传统的移动通信网不同，比如移动主机是将其位置信息通告给家乡代理，而不是网络的位置数据库，所以移动IP 在进行位置管理和切换管理时引入了一些新的操作：
◆发现（Discovery）－当移动节点从一个子网移动到另一个子网时，它如何发现一个新的因特网接入点；
◆注册（Registration）－移动节点如何向家乡代理注册；
◆寻径和隧道（Routing and Tunneling）－当移动节点离开它的家乡网络时，如何接收数据包。
4.1 移动IP 位置管理
移动IP 的位置管理主要包括移动代理发现、移动检测、形成转交地址和绑定更新。
（1）位置注册
当移动节点离开其家乡链路时，就必须有一个家乡代理。移动节点向家乡代理进行注册，外地代理以便使网络知道移动节点当前的IP 地址。每个移动节点有两个IP 地址，一个用于定位，另一个用于标识。当移动节点移动到一条外地链路上时，它就获得一个新的IP 地址，称为转交地址。转交地址与家乡地址的关系通过一个移动性绑定来维护，这样发往移动节点的数据就可以根据移动节点的家乡地址进行转发，而不必管其当前的位置。每一个绑定都有一个经协商的有效期，当有效期过后，绑定信息就被删除。所以移动节点必须在有效期到期前重新进行注册，以便使网络可以继续使用这个转交地址。
移动节点根据接入方式的不同，可以直接向家乡代理发送注册信息，也可以通过外地代理向家乡代理转发注册信息。图4 说明了在移动IPv4 中，移动节点的注册过程。
图4：移动IP 位置注册过程
◆移动节点通过外地代理向家乡代理发送注册请求；
◆家乡代理产生或修改移动性绑定；
◆家乡代理通过外地代理向移动节点发送注册相应信息，其中包含绑定请求是否被接受的说明，以及新绑定的有效期。
在IPv6 中，不存在外地代理。外地代理仅仅作为一个接入点。
（2）移动性检测
在移动IP 中，移动代理通过发送代理广播消息来声明自己的存在。在移动IPv6 中主要通过IPv6 的邻居发现机制来实现移动性检测。移动节点通过两种方法发现自己发生移动，一种是广播有效期，另一种是网络前缀。广播有效期方法是根据代理广播消息中有效期字段来进行移动性检测。具体来说就是，移动节点记录下其接收到的代理广播中所带的有效期信息，直到其超期为止。如果移动节点不再与其原有外地代理有联系，就要主动寻找新的代理。网络前缀方法是根据网络地址前缀来进行移动性检测。当移动节点接收到的代理广播消息中的网络地址前缀发生变化，它就会认为其移动到了一个新的子网中。
4.2 移动IP 切换管理
（1）平滑切换
移动节点在改变其位置时能否进行平滑切换，对保持QOS 性能非常重要。在IPv4 中，路由优化策略允许以前的外地代理记录下一份以前移动用户的绑定信息，其中包含移动用户当前的转交地址。这样，当数据包发往就转交地址时，前外地代理就可以将其转发到移动节点新的转交地址处。因此，移动节点在对家乡代理和通信节点进行更新的时候，仍可以接收数据包了。
如果旧的外地代理没有一个有效的绑定（比如有效期过期），它就将数据包转发给移动节点的家乡代理。家乡代理再根据移动节点最新的位置注册信息，将数据包转发给移动节点。但是，如果家乡代理关于该移动节点的绑定信息仍然指向前外地代理，则会产生不必要的数据流。为了解决这个问题，外地代理可以使用特殊隧道来转发数据，并且指明该数据需要家乡代理的特殊处理。
如果使用特殊隧道，由外地代理向家乡代理转发的数据包被封装在新的隧道包中，该包的原地址是该外地代理的地址。家乡代理收到这个数据包后，将数据包的原IP 地址与移动节点最新的注册转交地址相比较。如果一样，家乡代理就不会再将该数据包发给原外地代理。如果不一样，家乡代理就将愿数据包解封装后，再转发给移动节点。移动IP 的平滑切换过程如图5 所示：
图5：移动IP 平滑切换过程
（a） 前外地代理有移动节点当前的绑定信息
（b） 前外地代理无移动节点当前的绑定信息移动节点移动节点
（2）寻径与隧道
通过移动节点的家乡代理向移动节点传送数据所经过的路径明显比经过优化的路径要长。移动IP 的路由优化技术采用隧道来减少无效的路径。比如，当家乡代理通过隧道将数据包传给移动节点时，移动节点的家乡地址对家乡代理和移动节点之间的路由器是不可见的。直到数据包被传送到外地代理后，原数据包才被重新恢复，并转发给移动节点。当前，有两种协议用于路由优化和隧道的建立，一种是移动IP 的路由优化协议，另一
种是隧道建立协议。
路由优化技术对基本移动IP 协议进行了扩展，以获得更优的转发路由。其主要思想是通信接点直接将数据包传送给移动接点，而不经过移动节点的家乡代理。这个技术除了提供通信节点缓存移动节点的绑定信息，并根据这一信息将数据包通过隧道直接传给移动节点，而不经过家乡代理外，还考虑到了在下述情况下如何向移动节点直接转发数据，一种情况是当移动节点移动时，数据包正在发送途中，另一种情况是数据包根据过期的绑定信息传送。为了使用隧道协议，必须对移动IP 进行修改，以便在任意两个节点之间都可以进行隧道传送。当建立好一条隧道后，数据封装代理（家乡代理）按照一组参数将协议数据单元传送给隧道终点（外地代理）。产生和更新隧道参数的过程称为隧道的建立。一般来说，隧道建立的参数包括移动节点的网络地址。为了使用隧道传送数据，家乡代理必须决定移动节点的隧道终点。这可以通过移动节点的IP 地址查询注册表得到。每张表都包含隧道终点的地址和其他一些必要的隧道参数。外地代理收到数据后，经过处理将解封装的数据传给移动节点。如果移动节点就注册在这个外地代理，就不再需要别的网络操作。
4.3 尚待解决的问题
（1）同时绑定
由于一个移动节点可以同时拥有几个转交地址，所以家乡代理必须能够将数据包经过隧道传到几个终点。这样家乡代理就需要将复制的数据包传送到每一个转交地址处。移动节点从这些转交地址处收到数据包后，它可以将复制的数据包丢弃。如果必要，移动节点可以保留这些复制的数据，以便信号的重构。由于无线局域网技术还没有广泛使用，所以同时绑定技术还未被采用。
（2）注册
在上面介绍的移动IP 移动性管理策略虽然简单易行，但它存在两方面的缺陷。首先，被发送的数据包要经过一条未优化的路径。这个过程称为三角路由。它会给数据包的传送带来延时，并会给网络带来不必要的额外开销。其次，移动节点每次移动时，都要对其家乡代理进行更新，即使它远离家乡链路。当移动节点移动过于频繁时，这会增加更新代价，甚至使更新操作不能完成。
为了解决第一个问题，人们提出了许多方案。这些方案的主要思想是在通信节点和路由器中记录下移动节点的位置信息，以便提供较优化的路由。这些方案的问题是需要维护缓存信息的更新。由于移动节点可以同时与不同的通信节点进行通信，因此对这些通信节点的更新就是一个非常繁重的任务。
为了减小绑定代价，人们也提出了许多方法。其主要思想是在移动节点和它的家乡代理之间增加一个中间实体。这样，当移动节点远离家乡链路时，它可以不去更新家乡代理，而只是更新临近的移动代理。具体技术包括：前向指针技术、位置铆定技术和移动代理分层组织技术等。这些方法都是以增加发送代价来减小绑定代价。有些技术通过将位置铆定技术与缓存技术相结合来减小绑定和发送代价。虽然他们通过概率分析得到了所期望的绑定和发送代价，但是却不能保证在最坏情况下，这些方法得到的绑定和发送代价比传统策略好。
----《移动通信在线》
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