移動ＩＰＶ６概述

中圖分類：TN915-04 文獻標識碼：A 文章編號：1009-6868(2002)03-20-04

摘要：

文章分析了IPv6支持移動性的優勢，概述了移動IPv6協議，并對一些熱點問題，如快速切換、平滑切換、移動管理、AAA和服務質量等進行了探討。

關鍵詞：

移動IPv6；移動計算；切換；服務質量

ABSTRACT:

The advantages of IPv6 in supporting mobility are given and the Mobile IPv6 protocol is overviewed. Some hotspot issues such as fast handover， smooth handover， mobility management， AAA(Authentication， Authorization， and Accounting)，and QoS are discussed.

KEY WORDS:

Mobile IPv6; Mobile computing; Handover; QoS

現在的因特網協議是IPv4版本，IPv6作為新版本的IP協議，繼承了IPv4的很多特性，其巨大的地址空間將能滿足因特網的快速發展，并且也正在集成移動性、安全性和服務質量等內容。

IPv4原不提供任何移動性支持。針對這一情況，IETF于1996年開始制訂支持移動因特網設備的協議。該移動IP協議有兩種版本：基于IPv4的移動IPv4和基于IPv6的移動IPv6。

IPv6的出現是移動計算的一個重要里程碑。IPv6的主要特性對于未來的移動無線網絡的發展非常重要，這些特性包括：足夠多的IP地址；要求安全數據包頭的實現；目的選項提高了路由效率；地址自動配置；避免入口過濾；錯誤恢復沒有軟狀態“瓶頸”。移動IPv6的設計借鑒了移動IPv4開發的經驗，并且結合了IPv6協議的新特性。在移動IPv6中，定義了3個操作實體：移動節點(MN)、通信節點(CN)、家鄉代理(HA)；定義了4個新的IPv6目的選項：綁定更新、綁定認可、綁定請求和家鄉地址選項；為“動態家鄉代理地址發現”定義了兩個ICMP(Internet Control Message Protocol)消息：家鄉代理地址發現請求ICMP消息和家鄉代理地址發現應答ICMP消息；為“鄰居發現”定義了兩個新的IPv6選項：廣播時間間隔選項和家鄉代理信息選項。

移動IPv6技術的研究方向集中在宏觀移動性和微觀移動性兩個方面。微觀移動主要關于“無縫”切換，這包括快速切換和平滑切換，一些關于服務質量、AAA(鑒定、認證和計費)、組播和流量工程等問題也是廣泛研究的熱點。

1 移動IPv6基本協議

移動IP的主要目標就是使移動節點總是通過家鄉地址尋址，不管是連接在家鄉鏈路還是移動到外地網絡。移動IP在網絡層加入了新的特性，使得網絡節點改變網絡連接點時，運行在節點上的應用程序不需修改或配置仍然可用。這些特性使得移動節點總是通過家鄉地址通信。這種機制對于IP層以上的協議層是完全透明的。DNS(域名系統)中移動節點的條目是關于家鄉地址的，因此當移動節點改變網絡接入點時，DNS不需要改變。事實上，移動IPv6影響了數據包的路由，但是卻又獨立于路由協議(如RIP，OSPF等)本身。

1.1 移動IPv6基本操作過程

移動IPv6操作包括家鄉代理注冊、三角路由、路由優化、綁定管理、移動檢測和家鄉代理發現。移動IPv6的工作機制可以用圖1來說明。圖中有3條鏈路和3個系統。鏈路A上有一個路由器提供家鄉代理服務，這條鏈路是移動節點的家鄉鏈路。移動節點從鏈路A移動到B。鏈路C上有一個通信節點，可以移動也可以靜止。

當移動節點連接到外地鏈路時，除了家鄉地址，它還可以通過一個或多個轉交地址進行通信。轉交地址是移動節點在外地鏈路時的IP地址。移動節點家鄉地址和轉交地址之間的關聯稱為“綁定”。移動節點的轉交地址可以通過無狀態或者有狀態地址自動配置(如采用DHCPv6協議)來獲得，這要根據IPv6鄰居發現方法來確定，或者其他方法，如由外地鏈路的管理員預先靜態配置。

移動IPv6的實現離不開家鄉鏈路上的家鄉代理。當移動節點離開家鄉，要向家鄉鏈路上的一個路由器注冊自己的一個轉交地址，要求這個路由器作為自己的家鄉代理。家鄉代理需要用代理鄰居發現來截獲家鄉鏈路上發往移動節點家鄉地址的數據包，然后通過隧道將截獲的數據包發往移動節點的主轉交地址。為了通過隧道發送截獲的數據包，家鄉代理對數據包進行IPv6封裝，外部IPv6報頭地址置為移動節點的主轉交地址。

當移動節點離開家鄉時，家鄉鏈路的一些節點可能重新配置，以至于執行家鄉代理功能的路由器被其他路由器所代替，這種情況下，移動節點可能不知道自己的家鄉代理的IP地址。移動IPv6提供了一種動態家鄉代理地址發現機制，移動節點可以動態發現家鄉鏈路上家鄉代理的IP地址，離開家鄉時，它在這個家鄉代理上注冊轉交地址。

移動IPv6還定義了一個附加的IPv6目的選項。由于每個數據包都包含家鄉地址選項，發送方的移動節點可以把家鄉地址告訴接收方的通信節點，而轉交地址對于移動IPv6以上層(如傳輸層)是透明的。

IPv6中，移動節點能把自己的轉交地址告訴每個通信節點。這就避免了三角路由問題。優化功能使得通信節點和移動節點之間進行直接路由，不需要經過移動節點的家鄉網絡，這樣就避免了移動IPv4中的三角路由問題。由于未來因特網上會有大量的無線移動節點，因此在路由效率上的大規模改善可能對因特網的擴展性產生本質的影響。

1.2 切換

移動IPv6已經提供了切換過程，但是在某些情況下不適合支持實時應用程序。研究切換的目的是要減少切換的延遲和丟包率，移動IPv6能很好地處理運行實時應用的移動節點的移動問題。除了移動IPv6給出的基本切換過程外，也可以采用其他信令過程和優化方法。完美的切換是無“縫”切換。

1.2.1快速切換

快速切換是一種切換操作，它減小或者消除了移動節點建立新的通信路徑的延遲；平滑切換則減小了數據包的丟失率；而無“縫”切換是兩者的結合，即低延遲和低丟失率。

根據控制分類，切換可以分為兩種：網絡控制和移動節點控制。在網絡控制的切換中，服務域中的網絡元素決定移動節點的連接點，某個實體指導建立與移動節點的連接。在移動節點控制的切換中，移動節點決定新的連接點，并且在該點建立連接。

現在，一些因特網草案文件介紹了不同的切換方法。有的方法是關于快速切換的，包括預測移動節點的移動，并且發送數據包的多個副本到移動節點可能移動的地方。這個草案中對普通和分層的移動IPv6模式都考慮到了。有的方法中分層移動IPv6的移動性管理模型已經對移動IP的切換進行了改善，其中提供了移動錨點(Mobile Anchor Point)的功能。為了得到快速切換，對現有分層模型操作還有其他的補充。

當移動節點從一條鏈路切換到另一條鏈路時，需要盡快得到新的轉交地址，這樣才能發送和接收數據包。一種方法可以減少獲得新轉交地址的延遲，這樣移動節點能很快重新傳輸數據包，并且還減小了發送數據包到移動節點的延遲，如果切換是網絡控制的，這中間要通知移動代理和通信節點。這個草案要求有一個網絡實體指導移動節點從一個訪問路由器切換到另一個，假設這個實體知道這些路由器的IP地址和網絡前綴。

其他的草案也提出了新的切換方法，采用小組組播(SGM)的明確組播(Xcast)技術。在有線段，控制/用戶數據包由Xcast向基站組播，基站能訪問移動節點，然后數據包發送到基站和移動節點之間的無線鏈路上。

1.2.2平滑切換

對于平滑切換，通過對移動IPv6的擴展，在切換時附加控制結構傳輸所必要的狀態信息，這樣在切換時，運行在移動節點上的應用程序能保持較低的延遲、最小的中斷和減小數據包丟失率。

而且當移動節點在同一個訪問域內移動時，移動IPv6區域注冊減小了綁定更新信令延遲和信令負載。延遲的減小是通過將綁定更新限制在家鄉，而信令負載的減小是因為采用了區域感知路由器地址作為代理轉交地址或者區域轉交地址。區域注冊可以采用區域感知路由器的聯播地址，在相關路由器上為移動節點生成宿主路由器，支持任意的層次拓撲結構，不需要知道從其他域移動過來的移動節點的其他信息，并且指定了轉發數據包的最佳方法，與平滑/快速切換相兼容。

要在移動網絡中支持實時應用程序如VoIP，需要考慮的一個重要問題就是平滑切換的能力。當移動節點在網絡鏈路中移動時，平滑切換能最小化數據包丟失率。有的方法中定義了移動IPv6的一種緩存機制，移動節點要求當前子網的路由器緩存它的數據包，直到移動節點完成向新子網內路由器的注冊過程。一旦注冊完成，移動節點在新網絡中就有了合法的轉交地址，緩存的數據包從先前的路由器轉發過來，減少了移動過程中的數據包丟失的可能性。當網絡帶寬有限時，如無線蜂窩網絡，可以壓縮IP報頭和傳輸報頭，來更好地利用可用的帶寬。當切換采用報頭壓縮時，報頭壓縮上下文需要從一個IP訪問點(如路由器)重新定位到另一個IP訪問點，這樣才能完成平滑操作。有的采用IPv6和移動IPv6來獲得這種壓縮上下文的重新定位。

2 移動IPv6的AAA

IETF的AAA工作組致力于網絡訪問中鑒定、認證和計費的需求開發，需求來自NASREQ、移動IP、ROAMOPS工作組和TIA45.6。這個AAA工作組主要是在Diameter提議的基礎上，開發IETF的標準協議。

Diameter協議是在RADIUS(遠端授權撥號上網用戶服務)RFC2138協議之后，解決RADIUS不足問題，并且可以與NASREQ，ROAMOPS和移動IP一起應用。Diameter框架結構包括一個基本協議和一些擴展協議(如安全性、NASREQ、移動IP和計費)。服務的通用功能在基本協議中實現，而與應用有關的功能在擴展機制中實現。

移動IP工作組最近已經改變了工作重點，重點研究管理域間的移動性，這解決了應用移動性協議的蜂窩發送者的需求；并擴展了Diameter基本協議，Diameter服務器可以對移動節點上的移動IPv4服務進行鑒定、認證和收集計費信息。結合基本協議的域間功能，這個擴展允許移動節點從其他服務提供者獲得服務。Diameter計費擴展用在外地和家鄉代理上，向Diameter服務器傳輸有用信息。

在一種方法中，IPv6節點(客戶端)向家鄉AAA提交認證材料，以便對家鄉網絡進行訪問。然而在IPv4中，路由器和DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)不一定能處理這種功能，作者相信如果由IPv6路由器進行這些訪問控制，效率將會更加合理，也可能作為執行DHCPv6延遲功能的一部分。DHCPv6服務器和路由器可以與AAA服務器聯合使用，決定客戶端的認證材料是否有效。通過鄰居緩存中的控制條目的設備，路由器能執行這樣的網絡訪問控制。如果沒有有效的認證材料，路由器就不會把數據包轉發到這個設備，而且這樣的設備也不能訪問(或者只是有限訪問)相鄰的其他網絡鏈路。只有通過這種方法，新設備在認證完成之前，才不會濫用網絡連接。

3 其他IP移動性解決方案

除了移動IPv6以外，還有其他的IP移動性解決方案，如：IETF的移動IPv4、IETF移動IP的擴展(包括分層外地代理、路由優化、動態移動支持、反向地址翻譯、基于組播的切換）、HAWAII、蜂窩IP、移動人結構、ICEBERG、擴展SIP移動性等。

如何解決通常的移動性問題，重點是上述這些方法如何滿足新用戶、網絡需求和新技術的要求。筆者認為，在未來的基于IP的無線網絡中，需要設計切換方案，最后對這些方法進行比較。首先從通用的移動性問題進行比較，然后總結這些機制，根據通用功能列出一個名為切換方法比較的表，比較時可假設切換是幾種機制的組合。

未來的無線網絡將是純IP網絡，訪問網絡中的基站和路由器是可以通過IP地址識別的。移動性問題應該在網絡層解決，其中涉及到與鏈路層和應用層的協作。IETF的移動IP框架是未來純IP無線網絡的強大候選方案。我們認為移動IP會解決通用移動性支持問題，但一個適用于所有移動情況的統一機制是一種誤解。在主機位置不暴露的前提下，我們仍然希望在主機間直接通信。

未來一些應用(音頻和視頻)將需要切換支持，這樣，在分層無線技術的域內可以采用移動性方案來支持家鄉移動，但需要解決一些關于垂直切換中切換策略的問題。

另外，基于組播的切換提供了切換支持的一些優點：不需要切換指定的信令，重新路由的節點離基站很近，并且優化切換易于實現。同時現在的組播也有一些缺點，如不通用等。未來網絡中要集成優化的組播，如小組內廣播，一些問題仍然存在，需要對基本組播進行擴展。

4 移動IPv6中的服務質量

當移動節點改變網絡連接點時，數據包經過的中間網絡域可能發生變化。因此，在這些網絡域中，需要在移動節點的數據包上提供適當的服務質量支持，這樣運行在移動節點上的服務質量敏感應用程序能保持可用的服務等級。

有的方法提出了一個無線和移動網絡中的信令協議，當移動主機從一個子網移動到另一個子網時，允許移動主機在當前位置的路徑上建立和維持預留資源。這個協議通過結合RSVP(資源預留協議)隧道和移動IP協議來實現。

有的方法解決了在移動IP網絡中運行RSVP信令的問題，采用優化路由，討論了基本解決方法：在移動節點和通信節點上修改RSVP，使其知道移動IPv6的地址；允許在固定和移動網絡之間傳輸RSVP數據流。

上述這些為移動用戶提供服務的方法都是基于RSVP的，因此就有了RSVP的可擴展性問題。IP移動性和RSVP的結合是很復雜的問題。

在某些方法中，引入了一個新的IPv6選項，稱為“服務質量對象”。根據上下文不同，服務質量對象可以作為目的選項或者Hop-by-Hop選項，包含在綁定更新和綁定認可消息中。作為Hop-by-Hop選項時，服務質量對象在中間網絡域觸發特定的服務質量過程。這篇文章描述了在盡力而為、MPLS(多協議標記交換)、Diffserv(區分服務)和IntServ(綜合服務)域中的服務質量過程，這包括了所有將來可能用到的支持服務質量的網絡。

這些方法的基本思想是把服務質量對象作為Hop-by-Hop選項放在綁定消息中，傳輸方向與服務質量敏感的數據流相同(HA到MN、CN到MN或者MN到CN)。當數據包在端到端路徑上穿過不同域時，需要檢查服務質量對象，為MN的數據包提供服務質量支持。

我們提出了一個移動IPv6網絡的服務質量結構框架。該結構是基于區分服務的，因為數據流是以集合的方式在主干網上傳輸。每個管理域中至少有一個全局服務器，稱為全局服務質量代理(GQA)，有幾個家鄉節點作為家鄉服務質量代理(LQA)。結構的主要特點是：GQA是在控制面上，LQA是在傳輸面上。由于在中心服務器上保留全局信息，并且將控制和數據傳輸分開，這個結構用于移動環境時非常靈活，易于添加新的服務，并且更加有效。GQA和LQA之間的通信采用COPS(Common Open Policy Service)。

該結構還考慮了集成移動IPv6和區分服務的其他問題，如移動環境下的網絡資源提供、缺乏動態配置問題、服務等級約定的定義和選擇、移動數據流的標識和計費問題等。

5 結論

目前，移動IPv6的安全問題還沒有得到完全解決，IETF專家們正在努力工作，估計在不久的將來移動IPv6將逐步成熟。移動IPv6比移動IPv4有很多優勢，因為它的設計吸取了移動IPv4發展的經驗，并且遇上了設計新版本IP協議的大好時機，結合了IPv6的很多新特性。我們相信，未來移動網絡應首選移動IPv6協議。□

參考文獻

1 Johnson D， Perkins C. Mobility Support in IPv6. http:∥www.ieft.org/internet-drafts/draft-ietf-mobileip-ipv6-16.txt， 2002

2 闞志剛.移動IPv6服務質量研究[D]:[學位論文].北京:北京郵電大學，2002

3 Deering S， Hinden R. Internet Protocol. Version 6 (IPv6) Specification. RFC2460， 1998

(收稿日期：2002-03-29)

作者簡介

闞志剛，諾基亞中國研究中心IP專員，博士。研究領域包括IPv6、移動IPv6、移動IPv4、服務質量、流量工程、無線通信技術和3G等。已發表學術論文30多篇，編著3本。

黃暉，諾基亞中國研究中心研究員。從事無線通信網絡、IP和ATM網絡、服務質量、移動IP、IPv6網絡及TCP／IP網絡性能等方面的研究。已發表學術論文多篇。

馬建，諾基亞中國研發中心互聯網研發部經理，博士，北京郵電大學客座教授。擁有多項專利。在ATM和TCP/IP等領域已發表60多篇學術論文。