移動IPv6的切換技術

范玉宇

隨著移動網絡的迅速發展和IPv6技術的部署實施，各項基于移動網絡上新的數據應用層出不窮。當移動節點在不同的子網間隨意移動時，移動IPv6技術如何保障其正在通信的業務不中斷，在網絡層上完成平滑快速無縫切換，成為移動IP的關鍵技術之一。

一、標準MIPv6切換工作原理

1.1 MIPv6中的基本概念

在標準移動IPv6技術術語中，常用到以下幾個專有名詞：（1）移動節點（Mobile Node）：物理上能夠從一個鏈路接入點移動到另一個接入點的移動主機節點。（2）家鄉鏈路（Home Link）：對應于移動節點家鄉子網前綴的子網鏈路。（3）家鄉地址（Home Address）：在家鄉鏈路上分給移動節點的唯一可路由單播地址。當移動節點有多個家鄉鏈路網絡前綴時，一個移動節點可以使用多個家鄉地址。（4）家鄉代理（Home Agent）：移動節點家鄉鏈路上的某臺指定路由器。當移動節點離開家鄉時，負責截獲家鄉鏈路上發往移動節點家鄉地址的數據包，封裝后再通過隧道轉發到移動節點的轉交地址。（5）外地鏈路（Foreign Link）：除了其家鄉鏈路之外的任何鏈路。（6）通信節點（Correspondent Node）：所有與移動節點通信的對端節點。（7）綁定（Binding）：移動節點家鄉地址和轉交地址的關聯以及關聯相應的生存時間。（8）注冊（Register）：移動節點向家鄉代理或者通信節點注冊移動節點的綁定，通過綁定更新和綁定應答實現。進一步分為家鄉代理注冊和通信節點注冊。

1.2 MIPv6的標準切換過程

如果移動節點處于家鄉鏈路中，配置方式與位置固定的主機相同。當移動節進入外地網絡時，切換的過程主要包括兩個階段：首先是通過底層協議進行L2鏈路層切換；之后是網絡層即IP層的切換，由于IP層切換技術相對復雜，這個過程也是MIPv6的主要研究對象，包括以下步驟：（1）移動節點通過路由通告消息中的子網前綴獲得一個或多個轉交地址，并進行重復地址檢測（DAD）。（2） 如果測得轉交地址可用，移動節點向家鄉代理申請注冊，建立綁定。家鄉代理此后用鄰居通告消息，截獲所有發往移動節點家鄉地址的數據包，通過隧道發往移動節點。（3）移動節點直接發送分組給通信對端。當通信節點也支持MIPv6時，使用路由優化方法，移動節點與通信節點直接注冊自己的轉交地址，此后移動節點和通信節點直接相互通信，不需要經過家鄉代理轉發，解決了MIPv4中三角路由的問題。（4）對端通信節點給移動節點發送數據包時，先根據目的IP地址查詢綁定緩存，如存在綁定匹配，則直接發給移動節點。如果沒有綁定匹配，則發給移動節點的家鄉地址，仍然將數據送到移動節點的家鄉鏈路上，經其家鄉代理通過隧道方式轉發給移動節點。（5）移動節點通過收到家鄉代理轉發來的數據包，判斷通信節點沒有自己轉交地址的綁定緩存，進而可以向通信節點發送綁定更新。

二、F-MIPv6切換技術

為了解決MIPv6中切換延時過長的問題，IETF工作組在RFC4068中提出了F-MIPv6協議即快速切換技術。包括預先注冊快速切換方法和過后注冊快速切換方法。

在標準MIPv6的設計中，鏈路層與網絡層分割明確，只有在完成二層切換后才能進行三層切換工作，導致了移動IP的固有時延。預先注冊快速切換方法允許移動節點在還沒有完成L2層的切換時就可以啟用L3層切換的部分操作，可以由移動節點或先前接入路由器（PAR）發起。

以移動節點發起切換為例，切換流程如下：（1）移動節點向先前接入路由器（PAR）發起路由器代理請求消息。（2）PAR返回路由器代理通告消息，在消息中含帶了新的接入路由器（NAR）的消息，包括網絡地址、前綴、鏈路層地址等信息。（3）移動節點生成新的轉交地址，向PAR發出快速綁定更新消息。（4）PAR收到該消息后在新、舊轉交地址間建立隧道，向NAR發切換發起消息。（5）NAR對新的轉交地址進行重復地址檢測（DAD），若重復則重新分配新轉交地址并在切換確認消息中將結果告知PAR。（6）PAR向NAR和移動節點回復快速綁定確認消息，然后通過隧道把發往原轉交地址的數據送到NAR，NAR將這些數據暫存。（7）移動節點到達新的子網，向NAR發送快速鄰居通告消息，從NAR接受緩存和新來的數據。

在L2的切換完成之前，預先注冊快速切換方法不一定保證能夠完成，此時可以采用過后注冊快速切換方法。該機制允許PAR和NAR之間通過二層信息，建立雙向隧道，移動節點在新的子網中仍然使用舊的轉交地址建立連接，減少對實時應用的影響。過后注冊快速切換方法是對預先注冊快速切換方法的備份和必要補充。

三、H- MIPv6切換技術

H-MIPv6即層次型移動IPv6，它的主要思想是將區域劃分，在每個區域中由一個指定的“移動錨點”（MAP）進行管理。MAP是移動節點在外地鏈路中的路由器，它可以位于移動網絡的任意層次中。

支持H-MIPv6的移動節點以無狀態自動配置方式獲取鏈路轉交地址（LCoA）和區域轉交地址（RCoA）。LCoA是基于當前接入路由器默認的路由器通告產生的移動節點地址，RCoA是基于錨點的網絡前綴配置形成的地址。移動節點在同一MAP域的不同接入路由器鏈路下，具有相同的RCoA和不同的LCoA。

只有當移動節點在不同的MAP域間進行切換時，才需要更換RCoA，向MAP、家鄉代理、通信節點進行綁定更新。

應用H- MIPv6技術，當移動節點進行MAP域內切換時，網絡上總開銷減少，數據傳輸的延遲和丟包率都有所減小。但由于增加了網絡邏輯結構的復雜度，當移動節點進行MAP域間切換時，總開銷、延時和丟包率反而高于標準MIPv6。在部署了多MAP的H-MIPv6網絡中，如果MAP點設計得不合理，將使MAP成為數據傳輸的瓶頸。因此，人們又提出了基于自適應算法的MAP自動選擇機制。

四、F-H-MIPv6切換技術

以上兩種技術各有優缺點，F-MIPv6比標準MIPv6減少切換的時間，但注冊過程仍產生較多額外開銷。H-MIPv6雖然減少了部分切換的開銷，但增大了網絡邏輯結構和路由算法復雜度，甚至增加了切換時間。人們將兩者優點相結合，提出了F-H-MIPv6技術，既在結構上分層，又在切換時采取預判注冊及緩存隧道機制，將F-MIPv6的預注冊方法應用于H-MIPv6的結構之上。F-H-MIPv6技術在不同的MAP區域之間進行切換時，與F-MIPv6的區別是：在建立快速存貯轉發隧道時，是在MAP與新的接入路由器（NAR）之間建立隧道，即原MAP起到PAR的作用。

五、小結與展望

以MIPv6為基礎的下一代移動互聯網技術，吸取了IPv4移動技術的經驗，通過改進和拓展，滿足大規模移動用戶發展的需求，解決有關網絡和訪問技術的移動性問題，支持異構網絡環境下固網和移動接入網絡之間的隨時切換。

隨著移動IP技術研究的不斷深入，不僅切換過程中的時延和丟包率會趨近于固網水平，切換過程中信令交互帶來的的額外負載開銷也將盡量減少，對移動IP的管理水平也將精細化，為各項移動通信業務的QOS保障提供更加合理均衡的服務。