分析：移動IP路由器技術(shù)的基本原理與工作過程
劉宏英 趙晨 2002/03/15
互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用、移動用戶的不斷增加，使移動IP路由技術(shù)的研究顯得特別重要。IETF的建議提供了移動IP協(xié)議，但卻沒有提供優(yōu)化路由，它存在路由的“三角形”問題。因此，只有解決IETF建議的路由“三角形”問題及其復(fù)雜性問題，移動IP路由技術(shù)才可以有效地同現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)兼容，實現(xiàn)真正的移動優(yōu)化路由。
移動IP路由技術(shù)還處于發(fā)展階段，許多技術(shù)還有待于深入研究和探討，這里從目前使用的移動IP路由技術(shù)出發(fā)，簡要介紹移動IP路由技術(shù)的基本原理和工作過程，并對路由優(yōu)化進(jìn)行分析總結(jié)。
移動IP路由技術(shù)
技術(shù)背景
1996年IETF提出了RF2002移動IP協(xié)議。它提出的背景是由于當(dāng)時盛行的IP協(xié)議并不能滿足用戶以移動方式接入企業(yè)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的要求。因為在IP協(xié)議中，假定任何一個端點的設(shè)備都是固定的（即IP地址唯一），那么在通信時，只要將目的端的IP地址嵌入目的地址域，與數(shù)據(jù)包一同打包封裝，然后傳送到目的端即可。但在移動環(huán)境中，若通信端點的一方為移動用戶，IP協(xié)議就無法準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)包送到移動主機(jī)。移動IP協(xié)議的出現(xiàn)，使該問題迎刃而解。
移動IP協(xié)議的基本思想是：將IP地址標(biāo)志與尋址功能分開，用兩個IP地址分別表示。用于標(biāo)志移動主機(jī)的IP地址為本地代理地址，用于標(biāo)志主機(jī)當(dāng)前所在位置的IP地址為接管地址CoA（CareofAddress）。那么移動主機(jī)如何進(jìn)行路由尋址，又用到了哪些路由技術(shù)？下面作詳細(xì)分析。
運用協(xié)議要經(jīng)常談到幾個通信實體：移動主機(jī)MH（MainHost）、本地網(wǎng)絡(luò)HN（HomeNetwork）、外地網(wǎng)絡(luò)FN（ForeignNetwork）、本地代理HA（HomeAgent）、外地代理FA（ForeignAgent）及接管地址CoA（CareofAddress）。這里我們僅對接管地址CoA進(jìn)行詳細(xì)分析。
CoA地址的作用與獲取
路由技術(shù)最基本的原理是移動主機(jī)（MH）登記到本地代理（HA），在本地代理（HA）與外地代理（FA）之間建立數(shù)據(jù)通道來實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的路由功能。接管地址（CoA）是指移動主機(jī)漫游到外地網(wǎng)絡(luò)（FN）后所獲得的臨時地址，為移動主機(jī)和本地網(wǎng)絡(luò)（HN）通信提供了一個通道，它是通道的終點。因此正確獲取接管地址（CoA）是關(guān)鍵的步驟。要獲得接管地址通常有兩種渠道：一是直接以外地代理（FA）的IP地址作為接管地址（CoA），移動主機(jī)利用它來登記，此時，F(xiàn)A就是通道的終點，負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)包、解除封裝、再發(fā)給移動主機(jī)。這種地址模式可以使多個移動主機(jī)共享一個CoA，使用率較高。二是臨時分配給移動主機(jī)的IP地址。它是通過外部（如DHCP）獲得的外地網(wǎng)絡(luò)中的一個暫時地址。此時移動主機(jī)自身是通道終點，自行解除封裝，取出數(shù)據(jù)包。在這種模式下，一個CoA僅能被一個移動主機(jī)使用，使用率較低。CoA是數(shù)據(jù)包路由的核心，但它是一種動態(tài)的地址，也就是說當(dāng)移動主機(jī)更換網(wǎng)絡(luò)時，CoA也就隨即改變。
尋找移動代理
當(dāng)移動主機(jī)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時，必須找到一個移動代理以便獲得最新的CoA。移動主機(jī)有兩種尋找代理的方法：一是被動發(fā)現(xiàn)，移動主機(jī)等待移動代理周期性的廣播代理通告報文。二是主動發(fā)現(xiàn)，移動主機(jī)廣播一條請求代理的報文。兩種方法中的任何一種都可使移動主機(jī)識別出代理，并獲得CoA。但第二種方法只有在移動主機(jī)沒有收到代理通告報文，并且無法獲得CoA時才使用。
登記規(guī)程
有了CoA，移動主機(jī)必須向本地代理（HA）登記當(dāng)前的CoA，以便HA能準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，登記規(guī)程在不同網(wǎng)絡(luò)中有不同方式。一種是通過FA進(jìn)行登記，移動主機(jī)向FA發(fā)送登記請求報文，F(xiàn)A處理請求報文，并轉(zhuǎn)發(fā)至HA，HA處理登記請求，發(fā)送登記答復(fù)給FA，F(xiàn)A處理答復(fù)，并轉(zhuǎn)發(fā)至移動主機(jī)；另一種是移動主機(jī)直接向HA請求登記，HA處理后向移動主機(jī)發(fā)送登記答復(fù)。
移動IP的工作過程
移動主機(jī)在不同子網(wǎng)間漫游，其數(shù)據(jù)包的通信過程如下：
�。�1）本地代理和外地代理不停地向網(wǎng)上發(fā)送代理廣告（AgentAdvertisement）消息，以聲明自己的存在。
�。�2）移動主機(jī)收到這些消息，確定自己是在本地網(wǎng)還是在外地網(wǎng)。
�。�3）如果移動主機(jī)發(fā)現(xiàn)自己仍在本地網(wǎng)，即收到的是本地代理發(fā)來的消息，則不啟動移動功能。如果是從外地網(wǎng)絡(luò)重新返回的，則向本地代理發(fā)出取消注冊的消息，聲明自己回到了本地網(wǎng)。
�。�4）當(dāng)移動主機(jī)檢測到它移動到外地網(wǎng)時，則獲得接管地址（CoA）。
�。�5）然后移動主機(jī)向本地代理登記，表明自己已離開本地網(wǎng)，把所獲得的接管地址通知本地代理。
�。�6）登記完畢后，所有發(fā)給移動主機(jī)的數(shù)據(jù)包被本地代理截獲，經(jīng)本地代理封裝后，通過隧道發(fā)到外地網(wǎng)絡(luò)的外地代理FA（第一種CoA地址）或移動主機(jī)自身（第二種CoA地址）。第一種情況下，外地代理再把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給移動主機(jī)。此時，數(shù)據(jù)包在不同子網(wǎng)間傳送成功。
（7）移動主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到一般的IP主機(jī)時，按正常的IP尋址方法發(fā)送，不必通過本地代理。出現(xiàn)的問題
在上述工作過程中，有效地解決了移動主機(jī)在子網(wǎng)間漫游通信的問題。但是，卻在路由上存在著問題。當(dāng)移動主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時，不管它是在本地網(wǎng)絡(luò)還是在外地網(wǎng)絡(luò)，它始終保留了它的本地網(wǎng)絡(luò)地址，當(dāng)它發(fā)送數(shù)據(jù)包時，可以用通常的IP協(xié)議發(fā)送。反之，當(dāng)一般IP主機(jī)給移動主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包時，首先到達(dá)移動主機(jī)的本地代理（HA），HA再根據(jù)收到的移動主機(jī)當(dāng)前的接管地址CoA（假定為第一種地址），將數(shù)據(jù)包發(fā)往外地網(wǎng)絡(luò)，由外地代理最終將數(shù)據(jù)包發(fā)給移動主機(jī)，這就出現(xiàn)了路由的“三角問題”。最差的情況是當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)包的一般IP主機(jī)靠近移動主機(jī)所在的外地網(wǎng)絡(luò)或移動主機(jī)已經(jīng)漫游到發(fā)送主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)時，發(fā)送的數(shù)據(jù)包卻仍要先到達(dá)移動主機(jī)的本地代理，再由本地代理發(fā)到外地代理，最后到達(dá)移動主機(jī)，這不僅增大了傳輸延遲，同時對一些延遲敏感的業(yè)務(wù)如音頻、視頻等造成極大的損害。其次，數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中運行時間過長，浪費了網(wǎng)絡(luò)資源，增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。優(yōu)化路由
為了減小傳輸延遲、減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，必須對路由進(jìn)行優(yōu)化。一種最具代表意義的思想是隧道技術(shù)。隧道技術(shù)本身是指移動主機(jī)登記后，發(fā)送主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包到本地網(wǎng)絡(luò)，本地代理截獲數(shù)據(jù)包后，將它作為凈負(fù)荷封裝在轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包中，生成一個新的數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)部分是凈負(fù)荷，報頭中，以本地代理的IP地址作為源地址，以接管地址CoA作為目的地址，完成封裝，然后按常規(guī)的IP路由方式，通過隧道轉(zhuǎn)發(fā)到處于隧道終點的接管地址處，解除隧道封裝后，取出原始數(shù)據(jù)包，再發(fā)送至移動主機(jī)。當(dāng)接管地址是臨時分配的駐留地址時，移動主機(jī)自己是隧道終點，它自身解除隧道封裝，取出原始的數(shù)據(jù)包。
在路由優(yōu)化中如果將隧道技術(shù)應(yīng)用到發(fā)送數(shù)據(jù)包的一般IP主機(jī)上，執(zhí)行各種工作，那么就會省去本地代理的轉(zhuǎn)發(fā)，解決了“三角形”問題。也就是說當(dāng)本地代理收到IP主機(jī)發(fā)往移動主機(jī)的數(shù)據(jù)后，向IP主機(jī)發(fā)出綁定請求，通知IP主機(jī)關(guān)于移動主機(jī)的捆綁信息（包括本地代理地址、CoA和注冊生存時間），隨后，IP主機(jī)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，并建立與CoA處的隧道，數(shù)據(jù)包在隧道中透明傳輸，到達(dá)隧道終點后，解除封裝，傳給移動主機(jī)。如果移動主機(jī)又移動了，新的CoA實體會把更新的捆綁信息傳給老的CoA實體，而且本地代理也隨后得到更新的捆綁信息，它再通知IP主機(jī)新的捆綁信息，之后傳送的數(shù)據(jù)包直接由IP主機(jī)發(fā)往新的CoA處。這樣保證了數(shù)據(jù)包的網(wǎng)間通信，同時，減少了轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)，消除了路由三角形，實現(xiàn)了路由的優(yōu)化。
這一思想是優(yōu)化路由的基本思想，但如果在實踐中應(yīng)用會遇到許多問題，如對IP主機(jī)要求條件太高，它必須具有能夠獲取捆綁信息、能夠封裝數(shù)據(jù)及能夠建立隧道的能力，對現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)用戶而言，實現(xiàn)難度太大。另外，外地代理的平滑切換、網(wǎng)絡(luò)安全等也都是亟待解決的問題。
另一種路由優(yōu)化的思想是引入一個新的通信代理CA（CommunicateAgent），專門負(fù)責(zé)管理IP主機(jī)與移動主機(jī)通信時的尋址、隧道建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ�。它大大縮短了傳輸路徑，減小了傳輸延遲，減輕了IP主機(jī)的負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)起來簡單，對現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)用戶而言，不必進(jìn)行太大的改動，就可以實現(xiàn)移動IP的功能，應(yīng)用前景廣闊。
人民郵電報 2002/03/15