移动IP无缝切换技术研究

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移动IP无缝切换技术研究



    移动IP[1]是IETF制订的一种宏移动管理方案。在移动IP中，每个移动节点(MN)总是被家乡地址唯一标识，不随MN的位置改变而变化。当MN远离家乡时，就获得一个转交地址，来标示它在Internet上的当前位置。为了保持通信的正常进行，每次移动到一个新的外部代理(FA)或者一个新的子网，MN就需要向家乡代理(HA)执行位置登记。移动IP能够与任何链路层(即L2)技术结合提供移动支持。而且使用移动IP，通信节点(CN)还能够将IP包透明地传递到MN。然而，移动IP并不支持无缝切换(即低延时、低丢包率)，为此，研究人员提出了各种改进方案，来增强其性能。这些改进方案都以移动IP为基础，通过微小改进，来实现无缝切换。


1 移动IP切换过程
    移动IP中的切换是IP层切换。当MN不断地从一个原外部代理域(记为原FA,或者称为一个子网)移动到一个新外部代理域(记为新FA)时，就要执行一系列动作。一个完整的切换过程中大致要经历下列3个阶段：链路层切换，移动检测、IP地址的获取与配置以及FA选择，位置登记和媒体重定向。从上述切换过程可以看出：移动IP协议保留了各协议层之间的严格分离。因此，移动IP可以和任何L2技术集成提供移动支持，这是移动IP的优点，也是其不足。移动IP不支持无缝切换，主要有下列3个因素：


(1)移动IP切换过程的3个阶段是顺序执行的，而非“并发”执行。这意味着移动IP中的切换延时(MN从原FA接收到最后一个分组到它从新FA接收到第一个分组之间的通信中断间隙)是这3个阶段中各组件延时之和。在文献[2]中，作者估计这个切换延时大约在3.2 s～6.6 s之间。这个延时对于许多实时应用都难以接受。


(2)在移动IP中，MN每次从一个位置移向另一个位置都要执行位置登记。当MN远离HA和CN时，将会带来大量的延时和开销。


(3)在移动IP中没有分组缓存和转发机制(即分组从原FA转发到新FA)。这意味着当MN从原FA移到新FA后，在分组被重定向到新FA之前，CN将继续把分组转发到原FA，由于没有缓存和转发机制，这些分组将会被丢弃。这对于分组丢失敏感的应用(如视频点播)非常不利。另外，分组丢失会引起分组重传，将浪费带宽并造成拥塞。
为了使移动IP支持无缝切换，人们提出了各种策略来增强其性能。


2 增强移动IP性能的无缝切换策略
    为了增强移动IP的性能，在MN从一个子网移动到另一个子网的过程中，需要选择一个合适的FA作为切换目标，同时，为减少切换对通信的冲击，需要转移当前通信的状态，提供减少分组丢失的机制，缩小切换各阶段的延时。

2.1 基于缓存和转发机制的切换
    在移动IP中，当MN从原FA移到新FA，在分组被重定向到新FA之前，CN仍然会将分组发送到原FA，这些分组会被丢弃。一个很自然的改进措施是：在每个FA中保留一个缓冲区。当MN从原FA移到新FA时，原FA暂时缓存余留的分组。当MN执行绑定更新时，也向原FA发送一个消息，通知原FA将缓存的分组转发到新FA。然而这种策略需要考虑下列问题：

如何处理因转发引起的重复分组、乱序问题？
应该保留多大的缓存？应该采取什么缓存策略？
安全保证问题，如原FA如何认证新FA，以避免将分组发送给一个“坏蛋”？
2.2 基于减少组件延时的切换
    在移动IP中，切换过程中的3个阶段是顺序执行的，造成较大的切换延时。有两种思路来减少切换延时。一种思路为保持协议层之间的分离，同时减少各组件延时。这又可分为两种情况：一种情况是对移动IP协议本身进行改进；另一种情况是保持移动IP协议不变，而对链路层技术进行改进。另一种思路是打破协议层之间的独立性，使用链路层的“暗示”信息来减少切换延时。


2.2.1  基于微移动的快速切换
    在移动IP中，MN每次移动都要执行位置登记，这在MN远离家乡的情况下会带来很大的延时和开销。为解决这个问题，人们提出了微移动管理方案，如移动IPv4区域登记模型[3]。移动IPv4区域登记模型如图1所示。图1中，在每个区域网络中，引入一个新实体：网关外部代理(GFA)，管理若干个外部代理(FA)。当MN在GFA管理域内移动时，只需要向GFA进行本地登记，只有当MN从一个GFA域移向另一个GFA域时，它才会向HA、CN执行位置登记。更为详细的描述可参见文献[3]。




    采用微移动方案，在一个区域内运动时，MN只需向本地家乡代理注册，从而减少向HA及CN执行位置登记的延时。


2.2.2  基于位置的快速切换
    在移动IP中，MN采用生存时间检测和前缀匹配检测来推断自身是否发生移动。然而MN的运动实质上就是物理位置的改变，因此可以利用全球定位系统(GPS)，获得位置信息。在文献[4]中，一种基于GPS的快速切换策略被提出。每当MN进入一个新地区，在初始化阶段，MN先用动态主机配置协议或者点对点协议(DHCP/PPP)获得一个新IP地址；与此同时，从本地服务器下载一个GPS-IP的数据库(其中包含GPS地址范围)以及在这个地区可分配的IP地址集。MN在这个地区内从一个子网移向另一个子网时可以提前利用这些信息，从而减少IP地址获取和配置的延时。然而采用这种方法，需要为移动节点以及网络配置一个GPS设备，会增加设备成本。


2.2.3  基于组播的快速切换
    组播技术提供了支持IP移动的另一种途径。目前，有3类组播技术可用来增强基本移动IP的性能：PIM/DM、PIM/SM、SGM[5]。
    组播协议对移动IP有如下改进：HA采用组播协议发送分组，组播地址被分配给MN，采用组播在FA之间转移状态信息。
    在文献[6]中，作者采用PIM/DM协议来改进移动IP，然而，采用这种组播协议，信息在一开始就被扩散到网络的所有节点。当接收节点较少时，采用PIM/DM模式严重地浪费了带宽。与之相比，PIM/SM能够更经济地利用网络资源，将分组发送到需要的位置，因此在文献[7]中，作者采用了这种技术。在文献[8]中，作者采用SGM来改进移动IP，这是因为在支持众多不同的组播小组时，与其他组播协议相比，SGM性能更优。不过，采用SGM技术，一方面需要骨干网支持所需的组播协议，另一方面要求骨干网的带宽资源非常丰富。
    采用这种技术，当MN移到一个新位置时，避免了IP地址获取、位置登记等延时，引入的只是加入组播小组的延时。又由于分组可以发送到MN当前FA及其邻居，因此能缩短切换延时。然而，由于组播技术毕竟不是面向移动设计的，因此，采用这种技术将面临如下争议和挑战：

组播地址是分配到MN还是应该分配到FA？
新FA如何知道哪些分组已被MN接收？
如何获得当前FA的邻居信息以便通知它们加入组播小组？

2.2.4  基于链路层的快速切换
    在文献[9]中，一种新的思路被提出：在不改变移动IP协议的前提下，通过增强或改变链路层技术来达到快速切换的目的。作者对WLAN进行了下列增强或改变：


(1)增强接入点(AP)的功能使它能够把MN的媒体访问控制(MAC)地址通知给有线网络。


(2)采用网桥连接不同的子网，并且经过配置使得网桥只有当MAC帧的MAC地址在过滤数据库中被登记过，才会被转发到相应的端口。


    研究表明：使用基于链路层的快速切换的方法，在没有改变移动IP协议的前提下，通信中断延时几乎和L2切换延时相当。它说明对于某些特定的无线链路层技术，可以在不改变移动IP协议的前提下，采用巧妙的方法，提高移动IP的性能。


2.2.5  基于暗示的快速切换
    在移动IP中，协议层之间的分离是增大延时的根源。因此，打破协议层之间的独立性是减少延时的根本途径。基于暗示的快速切换方法利用链路层的信息，来“暗示”IP层将要发生切换。因此又被称为基于暗示的切换策略。


    针对移动IPv4，文献[10]提出了前置登记(pre-registration)和后置登记(post-registration)策略。本文主要论述前置登记。


    前置登记策略允许MN提前进行IP层切换。利用L2引擎(其中包含新FA的IP地址等)，在与原FA保持连接的同时，MN可以与新FA进行通信。这意味着与新FA建立L2连接之前MN就可以执行位置登记，登记的同时新FA缓存到来的分组。这样一旦完成L2连接，MN就能够从新FA接收分组。


    在上述策略中，切换延时减少主要体现在两个地方。
(1)由基于链路层信息而不是由基于IP层的移动检测技术来决定MN是否执行IP层切换，因此，提前了执行IP层切换的开始时间。


(2)在位置登记的过程中而不等位置登记结束就可以接收分组，缩短了通信中断延时。文献[10]中的基本假设为链路层有能力将新AP的L2标示符递交给当前FA以及MN，也要求当前FA能将L2标示符映射到新FA的IP地址。


2.2.6  减少组件延时的切换技术比较
    表1给出了各种减少组件延时的切换技术的对比。




    表1中，“减少延时的着眼点”里，减少的含义应该理解为：不是完全消除这些延时，而是说在执行这些延时组件的过程中，MN就可以接收分组，从而使得整个切换延时减少。

2.3  基于上下文转移的切换
    上下文的意思[11]指：当在新子网上重建一种服务而不必交换所有协议消息时，重建这种服务所必需的当前状态信息。如AAA信息、QoS信息、头部压缩信息等。


    在文献[12]中，作者指出：在移动环境下，延时敏感服务(如VoIP、视频通信)的成功运作极大地依赖于一种能力：在分组转发路径改变期间，最小化流量重定向所带来的负面影响。在建立新转发路径过程中，新路径上沿途经过的节点必须准备提供IP分组以前所享受的类似待遇。上下文信息转移在缩小切换对IP服务的冲击过程中非常有用。
在文献[13]中，作者描述了一种授权的上下文转移协议。上下文转移常常发生在源节点(如原FA)和目标节点(如新FA)，文献的主要目标是：在目标节点转移上下文，而非全部重建以减少切换延时和分组丢失。文献为上下文在节点间的转移制订了统一的接口，定义了在切换前、切换期间以及切换后转移上下文的消息，并简要地描述了一些消息交换的过程。消息主要包括：上下文转移初始化消息、上下文转移授权消息以及上下文状态通知消息等。

2.4 基于候选访问路由器发现策略的切换
    执行无缝切换的另一个要求是：具有切换候选FA的知识。有了这些知识，MN才能用全局的观点判断最优的切换目标。


    在未来的无线网络中，在许多情况下，MN希望有一种能够切换到不同FA的选择，比如：MN具有支持多种L2访问技术(如3G、WLAN等)的网卡，当MN使用其中一种技术进行通信时，可能会感到采用另一种技术更适合，这时MN就希望切换到不同的访问网络。然而不同的AP可能连接到不同功能的FA，因此，MN希望能够了解这些FA的信息以便能够做出最好的决定。为了使MN能够无缝地从一个FA切换到另一个FA，MN需要发现候选的FA作为切换目标。这一技术被称为：候选访问路由器发现(CARD)[14，15]。这个技术主要解决两个问题：发现候选FA的IP地址以及与它们相连的AP的L2地址、候选FA的功能。有两种方法来建立并维持候选访问路由器(CAR)的IP地址，以及IP地址与L2地址的映射关系。一种称为中心方法，其基本思想是引入一个新实体——CAR服务器，附近的FA向这个服务器注册，存放它们的逆向地址映射表，于是当前FA可以访问这个CAR服务器，获得候选FA信息。然而，中心方法在FA和CARD服务之间又引入了额外的消息。另一种称为分散方法，其基本思想是利用MN在两个FA之间的切换信息来引导、建立并维持两个FA之间的联系，使它们各自将对方作为邻居。


3 结束语
    移动IP是IETF制订的宏移动管理方案，越来越受到重视，然而，对于实时应用来说，移动IP并不十分适合，因为它并不能很好地支持快速切换，也不能保证切换过程中低丢包率。为此，研究人员进行了大量的研究，从不同角度改进移动IP，以增强移动IP的性能。按照各种改进方案的着眼点和技术特征，本文把现有的改进方案分为4种类型：基于缓存和转发机制的切换、基于减少组件延迟的切换、基于上下文转移的切换以及基于CARD策略的切换，分别进行研究。其中缓存和转发机制是避免分组丢失的基本技术；基于减少组件延迟的切换着眼于减少各个组件延时；上下文转移协议和CARD协议目前还是一个草案。在移动环境下，无缝切换是提供QoS保障的基础，因此，提出实用可行的无缝切换技术意义深远。上述这些技术尚需进一步研究与完善。