移动IP的跨区路由技术研究

王刚

(江西财经大学，江西 南昌 330013)

0 引言

随着时代的发展和进步，移动智能终端数量突飞猛进已经成为了主流的网络终端设备。移动智能终端是指具备开放的操作系统平台（应用程序的灵活开发、安装与运行）、接近PC的处理能力、高速接入能力和丰富的人机交互界面的移动终端，包括智能手机、平板电脑等。随着全球范围内第三代移动通信技术（3G）与第四代移动通信技术（4G）的快速普及，世界整体步入移动互联网时代，网络的应用范围变得更加广泛，人们日常的工作、生活与网络越来越紧密，移动智能终端成为移动互联网内容和应用的主要载体。伴随着移动智能终端数量的快速增长，相配套的无线互联网的发展显得日益滞后，现代移动网络主要还是依赖GPRS网络传输，速度虽然不断提高，但不是对等的互联网访问方式，而是采用一种基于移动代理的“三角路由”模式，当前普及的无线局域网（WIFI），可以在小范围内移动，但无法实现跨区漫游[1]。

1 传统移动IP体系及路由技术

移动智能终端在互联网上被看做一个移动节点（Mobile Node）。在WIFI网络环境下，移动节点从一个子网进入到另外一个子网时，网关发生了变化，需要断开原有的网络连接后重新获取新子网的IP地址后，才可以继续通信，切换过程会产生了明显的网络中断，这在移动互联网上叫移动节点的跨区漫游。如何断开旧的连接和建立新的连接以及如何减少二者切换时产生的通信延时是移动网络通信要解决的基本问题。传统的移动IP技术(基于IEFT RFC2002)主要通过移动代理来实现移动节点的跨区漫游[2]。实现原理如图1所示。

Mobile IP的路由可以由图1来描述：左侧的移动节点MN在HA的区域和节点CN建立了一对通信连接，当节点MN离开区域HA的范围进入到另外一个区域FA的范围时（见图1虚线所示），它首先通过路由发现机制向FA申请一个新的IP地址来标识自己，这个地址叫COA转交地址，然后再把这个COA地址发送给HA家乡代理路由器进行登记，申告自己的位置已经发生了改变，到了COA。之后的通信过程为：CN并不知道MN位置已经改变而继续基于原有的目标IP发送数据包，数据包到了HA，由HA采用隧道技术对数据包进行封装和转发，最终数据包经过FA发送到了COA地址，由MN完成接收。反正MN则可以直接向CN发送数据包进行通信，但数据包必须采用旧的源地址进行发送，否则CN无法识别数据来源。

图1 传统Mobile lP 工作原理Fig.1 Working principle of traditional mobile lP

通过分析移动后数据包的转发链路可以发现，CNHA-FA三点构成了一个三角形，这就是传统Mobile IP路由方案出现的“三角路由”的问题。当节点每次发生区域改变时，都需要向最初的HA家乡代理申告新的转交地址COA，来自CN的数据包都必须经过再次封装才能转交给MN[3]。这种路由方式存在几个弊端：（1）家乡代理路由器HA增加了不必要的转交和封装负担。（2）路由路径不是最优，是拐弯转发。（3）数据包必须通过隧道技术再次封装，降低了传输速率[4]。

2 改进的移动IP方案

通过对传统Mobile IP路由方案的分析，可以发现问题根源出在现有的IPv4的编址方式。1981年Jon Postel在RFC791中定义了IPv4，设计之初是为了为数不多的大学以及研究机构的固定主机进行科研数据通信提供服务的，没有充分考虑到未来海量的移动智能终端将成为主流的通信节点[5]。IPv4本质上是一种只标识位置，不标识身份信息的地址系统，主要是用来解决固定主机间网络路由问题。在移动互联网成为主流通信方式之后，节点一旦从一个区域进入到另外一个区域，采用传统的IPv4地址方案将会丢失自己的身份信息，从而要重新建立信任关系，只能采用第三方进行代理转发才能继续保持原有会话连接。为了消除这个弊端，有必要对现有的IPv4体系进行前瞻性改造，以适应未来移动计算高速发展的社会需求。

本文的改进思路是让IP地址结构不仅具有位置属性，同时还具备身份属性。传统的IPv4地址的长度为32位，分为4段，每段8位，它由两部分组成，前部为网络地址，后部分为主机号，由子网掩码进行区分。我们考虑把IP地址的前三段固定下来，用来标识子网信息，把第四段8位地址拓展为48位，正好放下现有的网卡MAC地址。新的IP地址用这个48位MAC地址标识网络主机的身份信息，总长度由32位变成了72位。新的IP地址的基本特征是：（1）数量众多，达到万亿级别；（2）同时具备网络属性和身份属性，稍微修改便可沿用原有路由算法，节点接入网络便可实现实名访问[6]。新IP结构如图2所示：

图2 新方案lP地址Fig.2 lP address of new scheme

新方案的IP地址的无线拓扑可采用蜂窝IP的网络架构，当移动节点进行跨区漫游时，我们采用基于滞后余量的相对信号强度准则的软切换方式[7]。允许移动节点在当前区域的无线链路的信号比较弱，且新区域链路的信号强于本地信号过阀值，可以启动跨区切换进程，在切换过程中，保持原有的网络连接，同时着手建立新连接，直到切换顺利完成。

图3 跨区切换Fig.3 Cross- area handover

α边界：当AP2信号强度—AP1信号强度=λ1，（λ＞0）

β边界：当AP2信号强度—AP1信号强度=λ2，（λ＞0）

λ：为信号切换门限值

移动节点MN可以根据域间无线信号的强弱进行通信IP切换。在图3中无线网关AP1的IP地址为10.0.0.A，无线网关AP2的IP地址为10.0.1.B，移动节点MN的网卡地址为C，则在AP1的链路区域内，MN的IP地址为10.0.0.C。当移动节点MN由AP1链路区域跨入AP2区域时，首先穿越α边界，信号强度差过阀值λ1，MN的IP地址保持不变，仍然是10.0.0.C，同时采用网络发现机制获取AP2的网络信息完成新地址的注册，此时还是采用旧的地址和外界通信。当MN继续跨越中间区域，进入到β边界时，信号强度差过阈值λ2时，切换成新区域的IP地址10.0.1.C向远程通信主机发送数据包，远程主机接到数据包后，根据数据包源地址的第四段信息C做出判断是移动节点MN发生了位置改变，可以接收改数据包，并且把IP地址10.0.1.C作为新目标地址继续之前的通信，双方维持原有会话连接直到通信结束释放连接[8]。

3 结论

本文提出的新的IP方案是针对移动互联网环境下创新设计，解决了传统IP体系下移动互联网访问存在的诸多问题，是一种更为科学的IP体系架构。新方案实现了IP地址的无限扩充和IP身份识别功能，这既解决了IP地址资源枯竭的问题，又可以解决了移动节点跨区切换丢失身份信息，需要由第三方中转连接的“三角路由”难题[9]。新的IP方案实现跨区无缝切换，后续通信也无需借助隧道直接访问。这样既提高了网络数据的传输效率，又可以支持移动节点之间的互联互通，从而可以为移动终端提供点到点的多样化的通信服务[10]。