移動IP技術及三標識分離研究

陳龍

（北京交通大學計算機信息與技術學院，北京 100044）

移動IP技術及三標識分離研究

陳龍

（北京交通大學計算機信息與技術學院，北京 100044）

就改進現有移動IP技術進行研究，現有的移動IP技術是對已有IP網絡協議的補充與改進，但由于IP網絡的一些先天不足，導致出現三角路由，安全性差等問題。在此基礎上提出身份標識、位置標識、路徑標識、三標識分離的移動IP解決方案，從根本上解決現有移動IP技術的問題。

移動IP技術；向量地址；三標識分離技術

0 引言

隨著信息技術的發展，出現了大量的移動網絡節點，這些移動節點需要在不間斷當前通信的基礎上保持訪問Internet，為了支持移動節點的網絡訪問，出現了移動IP技術以及一系列優化技術，然而傳統的IP網絡在移動支持的局限性日益顯現，亟需開展下一代網絡互聯技術的研發。

1 移動IP體系結構

現有的移動網絡大致可以分為兩類：一類是因特網的無線擴展，它是在IP網基礎上，增加了Wi-Fi等無線網絡；另一類是蜂窩移動通信系統，在經歷了第一代、第二代和第三代的發展后，目前正在向4G和LTE方向演進，按照3GPP等組織的觀點，未來的移動通信系統也要向全IP網方向發展。因此可以認為，現有移動網絡體系架構均以IP網為基礎。

移動IP技術是得到廣泛認可的，使移動節點可以以固定的IP地址實現跨網段的漫游功能，同時可以實現數據的無縫和不間斷傳輸[1-2]。在移動IP技術中，包括了三個實體——移動節點、歸屬代理、外部代理。

移動節點有一個由歸屬網絡分配的固定IP地址，如果該節點位于歸屬網絡內部，則使用和固定IP一樣的操作策略，不使用其他的移動IP功能。

如果移動節點漫游到其他網絡區域，即連接在外部鏈路上時，移動節點需要從外部代理處獲得轉交地址，并在歸屬代理處進行注冊，注冊后歸屬代理更新綁定緩存，存儲移動節點的歸屬地址和轉交地址的關聯關系。當發生與移動節點的通信時，把發往移動節點的分組目的地址設為該移動節點的歸屬地址，這些分組會路由到移動節點歸屬網絡的歸屬代理，歸屬代理截獲這些分組之后對分組進行封裝，運用隧道技術發往移動節點。而移動節點與通信節點通信時，可以通過外地代理直接發送消息。

圖1 通信主機與移動主機的三角路由

如圖1，移動節點收發信息時的這種路徑不一致就稱為三角路由，三角路由帶來的移動節點的通信延遲，產生大量的額外開銷。

為了解決三角路由問題，提出了一系列路徑優化移動IP技術，其中比較典型的有ROMIPv4、Reverse Routing等。這些方案的核心思想都是讓通信節點可以和移動節點直接路由，并且盡量減少移動節點進行網絡切換時造成的分組丟失。ROMIPv4定義了移動綁定信息，通信節點會緩存移動節點的歸屬地址與當前轉交地址之間的映射關系，這樣通信節點發送消息時就可以直接路由到移動節點而不必經過移動節點的歸屬地址。Reverse Routing協議通過向通信節點的所屬路由發送注冊信息告知路由器移動節點的歸屬地址以及當前轉交地址，路由器在收到通信節點發往移動節點歸屬地址的消息時就會轉發到移動節點當前的轉交地址。

這些路徑優化移動IP方案在一定程度上解決了三角路由問題，提高了路由效率，但同時也不可避免地帶來了一些新問題，有的需要修改通信節點上的軟件，增加封裝等功能，產生一定通信延遲；有的不支持平滑切換，在移動節點切換網絡時造成大量的分組丟失。

移動IP技術產生這些弊端的根本原因在于IP網在設計之初并沒有考慮移動性支持的問題，傳統IP網不能支持節點的移動，究其本質原因，是因為IP網中沒有區分身份標識（ID）和位置標識（Locator）的概念。IP網中，節點的IP地址具有雙重功能：一方面，它起身份標識的作用，被運輸層協議用于連接管理（如TCP協議使用四元組<源IP地址，源端口，目的IP地址，目的端口>來標識一個連接）；另一方面，它起位置標識的作用，被IP協議用于分組轉發過程中。在節點位置固定的場合下，其身份標識和位置標識的對應關系是固定的，不會引起嚴重問題；但在節點移動的場合下，其身份標識和位置標識的對應關系不再固定，而隨著節點的移動不斷改變。當節點移動的同時還要保持通信的連續性時，出現了一對矛盾：一方面，為了維護運輸層TCP連接的完整性，需要保持節點IP地址不變；另一方面，為將分組正確轉發至移動節點的當前位置，則需要改變節點的IP地址。這就是傳統IP網在支持節點移動時所遇的問題。

而在傳統IP網基礎上設計的移動IP網難免出現了如下的問題：

（1）這種移動性是外加的而不是內在的，是在IP網體系架構基礎上通過打補丁而得到的。幾十年的研究表明，對IP網修修補補沒有前途，解決了這個問題又會帶來其他更多的問題。提出移動IP解決了移動性支持問題，但也帶來了以下更多的問題。

（2）使用兩層地址方案，即用兩個IP地址分別實現IP地址所承擔的身份標識和位置標識兩種功能，造成IP地址的浪費。而在IP網中IPv4地址是非常寶貴的資源。

（3）為了保持運輸層連接的完整性（仍然使用原來的IP地址），通信時，需要采用隧道的方式，用當前的轉交地址進行分組轉發。隧道的使用一方面增加了分組的傳輸開銷和節點的封裝/解封裝操作開銷，另一方面可能隱藏分組的QoS信息，影響服務質量的提供。

（4）三角路由問題，增加了分組傳輸的時延，并且增加了網絡的通信量負載。路徑優化移動IP和移動IPv6緩解了這一問題，但又引起了可伸縮性和安全性等新問題，因此并不實用。

（5）切換時需要通知位于歸屬網絡的歸屬代理，時延較大，并會引起較多的分組丟失，同時給廣域網絡增加了信令負載。

2 三標識分離技術

隨著移動互聯網的發展，原本互聯網的不支持移動IP的特點開始慢慢的顯現出來。

為了徹底解決移動IP的三角路由，安全性等問題，提出了身份標識、位置標識、路徑標識三標識分離的新網絡體系。三種標識分別滿足網絡的不同功能面要求，相互配合，形成人方便，機器高效的網絡標識體系。

身份標識用于標識電子設備的身份，在運輸層和呼叫過程使用，位置標識用于標識電子設備的位置，在路由過程使用，路徑標識用于數據轉發過程中。節點移動時只是改變了位置標識，而身份標識保持不變，這樣節點位置的改變對運輸層來說就是透明的了。

（1）身份標識（ID）

每個節點擁有一個身份標識。身份標識主要根據網絡對象之間的社會隸屬關系賦予，對身份標識的唯一要求是全名在本組織架構中的唯一性。身份標識相對用戶和組織關系固定，當節點發生移動時，其身份標識保持不變。層次關系的身份標識聚合形成標識架構。身份標識具有多樣化和人性化的特點。不僅用戶有ID，更大的網絡對象比如網絡設備和子網也有類似ID；ID可以采用人們習慣的各種代碼或字符串，只要唯一即可，就是說，除了域名、電話號碼、IP地址外，甚至郵寄地址、身份證號碼、QQ號等都可以作為網絡對象的ID，而且多種ID可以同時使用。

（2）位置標識（Locator）

節點的每個端口對應一個位置標識，一條鏈路對應兩個位置標識。網絡拓撲關系決定了網絡的位置架構，一個網絡對象與位置架構的連接關系決定了該網絡對象的位置標識。當節點發生移動時，其位置標識隨之發生變化。位置標識具有統一化和層次化特征，所有ID都映射成統一的Locator。Locator的全網統一性和層次性可以有效提高網絡的效率。Locator的長度隨需而定，雖然可以采用固定長度的Locator，但是不定長Lo-cator可以使網絡無限可擴展，并提高網絡信令的表示效率。身份標識、位置標識及相應標識架構和位置架構示意圖如圖2所示。

圖2

以向量地址作為交換標簽而建立的數據傳送通信網稱為向量傳送網，簡稱為向量網。

在向量網網絡拓撲中，每一個網絡節點都有各自的端口號，由源地址到目的地址的通信路徑就稱為向量地址，由每個節點的輸出端口號序列構成，而每一個端口號則稱為分量地址[3-4]。

圖3 向量網示意圖

如圖3所示，節點A到D的路徑為1，3，3，3。實際使用時使用二進制表示，即1，11，11，11。

（3）路徑標識（Route）

也稱交換標簽（Label）。交換標簽必須方便傳送面高速簡單地交換轉發數據，采用向量地址作為交換標簽。身份標識到位置標識的映射關系由公式（1）表示：

其中X（N）ID表示網絡中節點N的身份標識（ID），Yi（N）Locator（i=1，2，…，p）表示節點N的位置標識（Loca-tor），式中Φ[·]是一對多的映射函數，完成節點的身份標識到多個位置標識的映射。

位置標識到路徑標識的映射關系由公式（2）表示：

其中Y（N）Locator表示網絡中節點N的某位置標識，Zi（M，N）Label（j=1，2，…，q）表示從節點M到節點N的路徑標識（Label），式中Ψ[·]是一對多的映射函數，完成節點的一個位置標識到多個路徑標識的映射，注意信宿節點N的位置標識與信源節點M無關，但到N的路徑標識與信源節點M有關。

身份標識、位置標識和路徑標識之間的一對多映射關系如圖4所示。

圖4 身份標識、位置標識和路徑標識間映射關系

身份標識到位置標識的解析通過呼叫過程來完成，位置標識到路徑標識的解析通過路由過程來完成。呼叫過程和路由過程合起來就是建立向量連接的過程，即建立起向量連接的同時完成了身份標識到位置標識再到路徑標識的解析。整個解析過程如圖5所示，信源以信宿的身份標識為目標發起呼叫，利用標識架構將信宿的身份標識解析為位置標識；有了信宿的位置標識，信源發起路由，通過位置架構解析得到路徑標識，在此也就是向量地址。得到向量地址后，通信雙方就可以快速高效的傳送數據。

圖5 身份標識到位置標識再到路徑標識的解析過程

在三標識分離的網絡體系中，終端部分存儲著接入的網絡的標識信息，可以判斷接入的子網。同時路由節點也存有接入節點的身份標識等信息，定時對接入點發送請求信息，如果收到應答消息，可以判斷節點還在子網中，如果沒有應答消息，則可以確定節點故障或是產生了移動，也就是移動監測的過程。

節點發生移動時，通過洪泛的方式發送移動信息，通知接入路由保存接入信息，同時通過呼叫和路由過程可以建立完整的向量連接，完成身份標識到位置標識，位置標識到路徑標識的構建。在三標識的網絡架構中移動節點不需要定義歸屬地址和轉交地址，每次移動都處理為網絡拓撲的變化，只需要關注節點所屬的路由變化即可，如圖6所示。

圖6 三標識分離下的節點移動

圖中移動節點從A位置移動到B位置，通信節點到移動節點的出口路由發生了變化，通過移動監測，路由器感知到移動節點的變化，也就是移動節點位置標識的改變，此時重新構建網絡拓撲結構，在新接入的路由器上注冊移動節點信息。同時在確定節點的位置標識改變之后，為了保證較小的丟包率，提高切換性能，根據位置標識的改變尋找新的路徑標識，進行路徑切換。

由于在三標識分離網絡體系中，節點之間是多徑連接的，因此在路徑切換時，存在以下兩種情況，一是移動節點除了中斷的原鏈路外，還存在與通信節點的其他鏈路，此時雖然原鏈路中斷，但由于轉發功能和選路功能高度分離，在拓撲更新的同時，通信節點還可以通過其他鏈路和移動節點進行通信，實現了軟切換。還有一種情況是移動節點與通信節點之間僅存一條鏈路，此時節點的移動導致的鏈路中斷會暫時中斷通信節點與移動節點之間的通信，在路徑切換完成之后，重新建立新的通信鏈路才能重新通信。

3 結語

本文探討了現代移動IP技術的現存問題和發展趨勢，在分析已有問題的基礎上提出了三標識分離的新一代網絡體系架構。目前移動IP技術還在不斷發展中，三標識分離的網絡技術也還不太成熟，一些相關機制還需要進一步完善，隨著網絡和通信技術的不斷發展，相信在不久的將來這些問題都能得到解決。

參考文獻：

[1]Perkins C.IP Mobility Support for IPv4.IETF RFC3344,Aug，2002.

[2]Perkins C.IP Mobility Support for IPv4,revised.IETF Internet-Draft,Jan.2010.

[3]梁滿貴.一種向量網絡地址編碼方法.中國專利，ZL200610089302.6.2009-09-02.

[4]Aqun Zhao,Mangui Liang.A New Forwarding Address for Next Generation Networks.Journal of Zhejiang University Science C,Vol.13, No.1,pp.1-10,2012.

[5]趙阿群，梁滿貴，廉松海，郭箭銘.向量地址平均長度研究[J].高技術通信，2011，21（12）:1246-1251.

Research on Mobile IP Technology and Separation of Three Identifications

CHEN Long

（School of Computer and Information Technology，BeiJing Jiaotong University，Beijing 100044）

Studies the modern mobile IP technology,the modern mobile IP technology is a supplement and improvement to the existing IP network protocol,due to some congenitally deficient of IP network,resulting in some problems like a triangle routing,poor security.On this basis, puts forward the solution of mobile IP that bases on identity,locater,route,three identifies’separation,which fundamentally solves the problem of the existing mobile IP technology.

Mobile IP Technology;Vector Address;Separation of Three Identifications Technology

1007-1423（2016）08-0056-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.08.012

陳龍（1991-），男，云南昆明人，碩士研究生，研究方向為移動互聯網

2015-12-29

2016-02-28