移动IP路由器技术的基本原理与工作过程

移动IP路由器技术的基本原理与工作过程互联网的广泛应用、移动用户的不断增加，使移动IP路由技术的研究显得特别重要。IETF的建议提供了移动IP协议，但却没有提供优化路由，它存在路由的“三角形”问题。因此，只有解决IETF建议的路由“三角形”问题及其复杂性问题，移动IP路由技术才可以有效地同现有的网络兼容，实现真正的移动优化路由。移动IP路由技术还处于发展阶段，许多技术还有待于深入研究和探讨，这里从目前使用的移动IP路由技术出发，简要介绍移动IP路由技术的基本原理和工作过程，并对路由优化进行分析总结。移动IP路由技术技术背景1996年IETF提出了RF2002移动IP协议。它提出的背景是由于当时盛行的IP协议并不能满足用户以移动方式接入企业网和互联网的要求。因为在IP协议中，假定任何一个端点的设备都是固定的（即IP地址唯一），那么在通信时，只要将目的端的IP地址嵌入目的地址域，与数据包一同打包封装，然后传送到目的端即可。但在移动环境中，若通信端点的一方为移动用户，IP协议就无法准确地将数据包送到移动主机。移动IP协议的出现，使该问题迎刃而解。移动IP协议的基本思想是：将IP地址标志与寻址功能分开，用两个IP地址分别表示。用于标志移动主机的IP地址为本地代理地址，用于标志主机当前所在位置的IP地址为接管地址CoA（CareofAddress）。那么移动主机如何进行路由寻址，又用到了哪些路由技术？下面作详细分析。运用协议要经常谈到几个通信实体：移动主机MH（MainHost）、本地网络HN（HomeNetwork）、外地网络FN（gnNetwork）、本地代理HA（）、外地代理FA（ForeignAgent）及接管地址CoA（CareofAddress）。这里我们仅对接管地址CoA进行详细分析。CoA地址的作用与获取路由技术最基本的原理是移动主机（MH）登记到本地代理（HA），在本地代理（HA）与外地代理（FA）之间建立数据通道来实现数据包的路由功能。接管地址（CoA）是指移动主机漫游到外地网络（FN）后所获得的临时地址，为移动主机和本地网络（HN）通信提供了一个通道，它是通道的终点。因此正确获取接管地址（CoA）是关键的步骤。要获得接管地址通常有两种渠道：一是直接以外地代理（FA）的IP地址作为接管地址（CoA），移动主机利用它来登记，此时，FA就是通道的终点，负责接收数据包、解除封装、再发给移动主机。这种地址模式可以使多个移动主机共享一个CoA，使用率较高。二是临时分配给移动主机的IP地址。它是通过外部（如DHCP）获得的外地网络中的一个暂时地址。此时移动主机自身是通道终点，自行解除封装，取出数据包。在这种模式下，一个CoA仅能被一个移动主机使用，使用率较低。CoA是数据包路由的核心，但它是一种动态的地址，也就是说当移动主机更换网络时，CoA也就随即改变。寻找移动代理当移动主机进入网络时，必须找到一个移动代理以便获得最新的CoA。移动主机有两种寻找代理的方法：一是被动发现，移动主机等待移动代理周期性的广播代理通告报文。二是主动发现，移动主机广播一条请求代理的报文。两种方法中的任何一种都可使移动主机识别出代理，并获得CoA。但第二种方法只有在移动主机没有收到代理通告报文，并且无法获得CoA时才使用。登记规程有了CoA，移动主机必须向本地代理（HA）登记当前的CoA，以便HA能准确地转发数据包，登记规程在不同网络中有不同方式。一种是通过FA进行登记，移动主机向FA发送登记请求报文，FA处理请求报文，并转发至HA，HA处理登记请求，发送登记答复给FA，FA处理答复，并转发至移动主机；另一种是移动主机直接向HA请求登记，HA处理后向移动主机发送登记答复。移动IP的工作过程移动主机在不同子网间漫游，其数据包的通信过程如下：（1）本地代理和外地代理不停地向网上发送代理广告（）消息，以声明自己的存在。（2）移动主机收到这些消息，确定自己是在本地网还是在外地网。（3）如果移动主机发现自己仍在本地网，即收到的是本地代理发来的消息，则不启动移动功能。如果是从外地网络重新返回的，则向本地代理发出取消注册的消息，声明自己回到了本地网。（4）当移动主机检测到它移动到外地网时，则获得接管地址（CoA）。（5）然后移动主机向本地代理登记，表明自己已离开本地网，把所获得的接管地址通知本地代理。（6）登记完毕后，所有发给移动主机的数据包被本地代理截获，经本地代理封装后，通过隧道发到外地网络的外地代理FA（第一种CoA地址）或移动主机自身（第二种CoA地址）。第一种情况下，外地代理再把数据包转发给移动主机。此时，数据包在不同子网间传送成功。（7）移动主机发送数据到一般的IP主机时，按正常的IP寻址方法发送，不必通过本地代理。出现的问题在上述工作过程中，有效地解决了移动主机在子网间漫游通信的问题。但是，却在路由上存在着问题。当移动主机发送数据时，不管它是在本地网络还是在外地网络，它始终保留了它的本地网络地址，当它发送数据包时，可以用通常的IP协议发送。反之，当一般IP主机给移动主机发送数据包时，首先到达移动主机的本地代理（HA），HA再根据收到的移动主机当前的接管地址CoA（假定为第一种地址），将数据包发往外地网络，由外地代理最终将数据包发给移动主机，这就出现了路由的“三角问题”。最差的情况是当发送数据包的一般IP主机靠近移动主机所在的外地网络或移动主机已经漫游到发送主机所在的网络时，发送的数据包却仍要先到达移动主机的本地代理，再由本地代理发到外地代理，最后到达移动主机，这不仅增大了传输延迟，同时对一些延迟敏感的业务如音频、视频等造成极大的损害。其次，数据包在网络中运行时间过长，浪费了网络资源，增加了网络负担。优化路由为了减小传输延迟、减轻网络负担，必须对路由进行优化。一种最具代表意义的思想是隧道技术。隧道技术本身是指移动主机登记后，发送主机发送数据包到本地网络，本地代理截获数据包后，将它作为净负荷封装在转发的数据包中，生成一个新的数据包，该数据包数据部分是净负荷，报头中，以本地代理的IP地址作为源地址，以接管地址CoA作为目的地址，完成封装，然后按常规的IP路由方式，通过隧道转发到处于隧道终点的接管地址处，解除隧道封装后，取出原始数据包，再发送至移动主机。当接管地址是临时分配的驻留地址时，移动主机自己是隧道终点，它自身解除隧道封装，取出原始的数据包。在路由优化中如果将隧道技术应用到发送数据包的一般IP主机上，执行各种工作，那么就会省去本地代理的转发，解决了“三角形”问题。也就是说当本地代理收到IP主机发往移动主机的数据后，向IP主机发出绑定请求，通知IP主机关于移动主机的捆绑信息（包括本地代理地址、CoA和注册生存时间），随后，IP主机对数据包进行封装，并建立与CoA处的隧道，数据包在隧道中透明传输，到达隧道终点后，解除封装，传给移动主机。如果移动主机又移动了，新的CoA实体会把更新的捆绑信息传给老的CoA实体，而且本地代理也随后得到更新的捆绑信息，它再通知IP主机新的捆绑信息，之后传送的数据包直接由IP主机发往新的CoA处。这样保证了数据包的网间通信，同时，减少了转发环节，消除了路由三角形，实现了路由的优化。这一思想是优化路由的基本思想，但如果在实践中应用会遇到许多问题，如对IP主机要求条件太高，它必须具有能够获取捆绑信息、能够封装数据及能够建立隧道的能力，对现有的互联网用户而言，实现难度太大。另外，外地代理的平滑切换、网络安全等也都是亟待解决的问题。另一种路由优化的思想是引入一个新的通信代理CA（CommunicateAgent），专门负责管理IP主机与移动主机通信时的寻址、隧道建立、数据传输等工作。它大大缩短了传输路径，减小了传输延迟，减轻了IP主机的负担，实现起来简单，对现有的互联网用户而言，不必进行太大的改动，就可以实现移动IP的功能，应用前景广阔。1引言当今世界，因特网的网络规模正以惊人的速度不断扩大，同时移动通信也在突飞猛进的向前发展。越来越多的移动用户都希望能够以更加灵活的方式接入到因特网中去，而不受到时空的限制。移动IP技术正是适应这种需求而产生的一种新的支持移动用户和因特网连接的互连技术，它能够使移动用户在移动自己位置的同时无需中断正在进行的因特网网络通信，因此成为当前业界研究的热点问题。2基本工作原理传统的IP技术是针对固定节点之间的相互通信而言的，不再适用于移动节点，因此IETF的网络工作组在1996年10月提出了RFC2002标准，其中较为详细地阐述了移动IP的原理、实现以及各种细节问题。简单地讲，移动IP就是能让网络节点在移动的同时不断开连接，并且还能正确收发数据包。（1）功能实体在移动IP中定义了三种功能实体：*移动节点：是指一个主机或路由器，当它在切换链路时可以不改变IP地址而仍能保持正在进行的通信。*本地代理：是指一个连接到移动节点本地网络的主机或路由器，它保存有移动节点的位置信息，当移动节点离开本地网络时能够将发往移动节点的数据包传给移动节点。*外地代理：是指移动节点当前的所在的外地网络上的一个主机或路由器，它能够把由本地代理送来的数据包转发给移动节点。（2）工作机制在移动IP协议中，每一个移动节点都有一个唯一的本地地址，当移动节点移动时它的本地地址是不变的，在本地网络链路上每一个本地节点还必须有一个本地代理来为它维护当前的位置信息，这就需要引入转交地址。当移动节点连接到外地网络链路上时，转交地址就用来标识移动节点现在所处的位置，以便进行路由选择。移动节点的本地地址与当前转交地址的联合称做移动绑定或简称绑定。当移动节点得到一个新的转交地址时，通过绑定向本地代理进行注册，以便让本地代理即时了解移动节点的当前位置。当移动节点连接在本地网络链路上时，移动节点的工作机制和固定节点一样，不运用移动IP功能。当移动节点到外地网络链路上时，它通常情况下使用一个称做“代理发现”的规程在外地链路上发现一个外地代理，并向这个外地代理进行注册，把这个外地代理的IP地址作为自己的转交地址，移动节点通过这种方式获得转交地址的情况较为普遍。但在有些子网中可能没有配备代理节点，这时就需要采用其它方法如DHCP（动态主机配置协议）或是手工配置的方法在外地链路上获得一个临时IP地址作为自己的转交地址。移动节点通过上述两种方法获得转交地址后，再通过注册规程把自己的转交地址告诉本地代理。这样当有发往移动节点本地地址的数据包时，本地代理便截取该数据包，并根据注册的转交地址，通过隧道将数据包传送给移动节点。但是由移动节点发出的数据包是可以直接选路到目的的节点上的，无需隧道技术。3代理发现移动IP是使用扩展的“ICMP路由器发现”机制作为代理发现的主要机制。代理发现机制能够使移动节点检测出它是在本地网络链路上还是外地网络链路上，并且当移动节点移动到一个新的网络链路上时，代理发现机制还能为它找到一个合适的外地代理。代理发现有两种消息：一种是代理发送的周期性的代理广告消息，另一种是移动节点发送的代理请求消息。本地代理和外地代理在自己所连接的网络上周期性地广播代理广告消息，以声明自己的存在。移动节点监听到这些消息后，就可以判断自己是在本地网络上还是在外地网络上，并且判断有哪些本地代理或是外地代理连接在它目前所在的网络上，如果移动节点发现自己仍在本地网络上，即收到本地代理发来的代理广告消息，则不启动移动IP功能。如果是从外地网络返回本地网络，则向本地代理进行注册。如果移动节点检测到它已移动到一个新的外地网络上，则通过注册获得转交地址，移动节点得到这人转交地址后再通过绑定向本地代理进行注册，以便让本人代理存储移动节点的当前位置。如果移动节点在一段时间内没有收到相应的代理广告消息，则应向它所在的网络发送代理请求消息，以便让链路上的所有代理立即广播代理广告消息。4注册移动IP的注册过程一般是在代理发现机制完成之后进行的。一旦移动节点发现它的网络接入点从一条链路切换到另一条链路时，它就要进行注册。另外，由于注册信息有一定的生存时间，所有即使移动节点没有发生移动也要进行注