移动IP中的低时延切换技术

　　一 引 言

　　近年来，移动通信与互联网是通信业发展最为迅猛的两个领域。作为两者的结合，移动IP技术也成为人们研究的热点。同正常的IP路由机制相比较，移动IP的路由机制带来了许多额外的开销，如隧道开销、三角路由开销、分片开销等。此外，移动IP 还存在切换时延的问题，当移动节点在两个外地代理之间移动时，为了保证正常通信，必须进行切换，随着用户移动性的增强，切换将是影响性能的一个关键因素。为了满足移动IP中实时传播业务的需要，IETF提出了几种低时延切换技术，本文就针对这几种技术进行了详细的介绍。

　　二 移动IP技术

　　移动IP是一种在全球因特网上提供移动功能的方案，它具有可扩展性、可靠性和安全性，并使节点在切换链路时仍可保持在进行的通信。移动IP提供了一种IP路由机制，是移动节点可以以一个永久的IP地址连接到任何链路上。目前的移动IP协议主要有移动IP、蜂窝IP协议、夏威夷协议(Hawaii)、EMA、TeleMIP等几种。

　　由于在固定网中，当节点在切换链路时不改变它的IP地址就无法在新链路上接收数据包，而当节点在移动时改变它的IP地址，就不得不每次都中断和重启正在进行的通信，而引入移动IP技术则很好的解决了这个问题。移动IP协议在增加了对移动节点移动接入的同时，对Internet的其他部分包括域名服务器都不必改动，使移动节点在Internet中移动接入成为现实。移动IP通过定义了3个新的功能实体：移动节点、本地代理、外地代理，完成代理搜索、注册、分组传送这三个基本的功能来实现IP数据分组的路由。

　　不过，目前移动IP协议还存在不少问题，尤其当移动节点远离家乡代理的时候，移动IP会暴露更多的不足之处，这些我们都在进一步改进之中。

　　三 移动IP中的低时延切换技术

　　在移动IP中，当移动节点连续三次未收到注册代理的代理公告后，就会与新的代理发起网络层的切换，为了减少这个切换时延，最简单的方法就是提高代理公告的频率，但提高代理公告的频率后又会使更多的网络资源被代理公告所占用，而减少了带宽的利用率。因此，IETF工作组提出了L2 Trigger，即提前通知三层即将发生三层切换，使三层提前做好准备，以减少额外开销，降低时延。并在此基础上提出了三种低时延切换技术，以更好的满足在移动IP中传播实时业务。下面分别对这三种切换技术进行介绍：

　　3.1 切换中的术语介绍

　　切换：指当前正在进行的移动节点与通信节点之间的通信链路从当前AR转移到新的AR 的过程。

　　L2 trigger：是来自2层的信息，这些信息在2层切换前后通知3层特定的事件。

　　2层切换：当移动节点由一个网络接入点改接到另一个接入点(可能同属一个子网，也可能分属不同子网)时，首先需要进行数据链路层的切换。这一层的切换过程是由各个子网所使用的底层通信技术决定的。

　　3层切换：当移动节点判断出自己已经移动到新的外地子网时，首先从外地子网获得转交地址，并发送注册请求向HA注册新的转交地址。HA收到注册请求后给移动节点发送注册应答，这样就完成了一次新的注册过程。之后，HA开始将目的地址为移动节点的IP包通过隧道发送到移动节点的当前位置，隧道的出口即为新的转交地址，从而完成了一次完整的切换。

　　3.2 提前注册切换法

　　提前注册切换法允许移动节点发起一个提前切换，移动节点在网络的辅助之下可以在一个L2切换完成之前执行一个L3切换。这个L3切换既可以由网络发起也可以由移动节点发起,相应地，移动节点和外地代理利用L2 triggers触发特定的L3切换事件,两种情况都允许移动节点选择外地代理进行注册。提前注册既支持常规的移动IP注册模型又支持区域性注册模型，在常规的移动IP注册模型中，移动节点从家乡代理接收数据包，在区域性注册模型中，移动节点从一个外地代理网关接收数据包。下面详细介绍一下它的操作过程：(操作图如下)

　　(1) 报文1a是一个从旧外地代理到新外地代理的路由请求(RtSol)，报文1b是一个从新外地代理到旧外地代理的路由广播(RtAdv)。为了不延迟切换，这两个报文一般应该在提前注册切换之前产生。

　　(2)报文2a是一个代理路由请求(ProxyRtSol)，它和常规的路由请求不同，因为它实际上是在向一个不同于接收这个报文的路由器的路由器请求一个广播。如果切换由移动节点发起，它首先向旧外地代理发送一个代理路由请求报文(ProxyRtSol)，旧外地代理在收到这个请求后，必须返回一个包含代理路由广播的2b报文。如果切换由网络发起，旧外地代理直接向移动节点发送这个2b报文。不管什么情况，2b报文仅仅是新外地代理的代理广播。

　　(3)移动节点在进行移动性检测接收到一个请求的或非请求的代理广播后，它就向新外地代理发送一个报文3(注册请求报文RegReq或者区域性注册请求报文RegRegReq)。因为在二层切换之前移动节点和新外地代理并不是直接连接的，所以报文3通过旧外地代理确定路由。

　　(4)报文4和5完成标准的移动IP注册或区域性注册。如果注册成功，移动节点的数据包将通过隧道从家乡代理(或外地代理网关)发送到移动节点已经移动到的新外地代理。提前注册切换法不依赖区域注册扩展，然而如果家乡代理距离新外地代理很远的位置，那么本地外地代理网关的使用将减少切换过程完成所需要的时间。

　　3.3 过后注册切换法

　　过后注册切换法建议对MIP协议做出扩展以使新旧外地代理可以利用L2 triggers在新旧外地代理之间建立一条双向隧道，从而使移动节点在新外地代理的子网上时仍然可以继续使用外地代理。其操作过程如下：

　　(1)当移动节点和旧外地代理之间进行一个成功的移动IP注册后，旧外地代理就变成了移动节点的移动性锚点，我们称之为锚外地代理(aFA)。当移动节点从旧外地代理向新外地代理移动的时候，移动节点能够推迟三层切换并继续利用它的锚外地代理，而不是在无线链路上发送信号向新外地代理注册。

　　(2)如果移动节点在向新外地代理注册之前向第三个外地代理移动，第三个外地代理就向锚外地代理发送信号通知锚外地代理把双向边缘隧道的无线链路末端从新外地代理移向它。双向边缘隧道的网络方末端仍然保持锚接在锚外地代理直到移动节点进行完移动IP注册。

　　(3)在L2同新的外地代理之间的连接建立之后，移动节点最终必须进行一个正式的移动IP注册，但是它可以按移动节点或外地代理的需要被推迟。直到移动节点进行注册时，外地代理才按需建立和迁移双向隧道以使移动节点具有连续的连通性。

　　3.4 联合切换法

　　联合切换法可以同时运行一个提前注册法和一个过后注册法。如果提前注册切换可以在L2切换完成之前进行，联合切换法实际上就是一个提前注册切换。然而，如果不能在L2切换完成之前进行，旧外地代理就会为移动节点到外地代理启动一个转发通信，就像过后注册切换法中规定的那样。当一个提前注册切换不能保证在L2切换完成之前完成时，这种方法就提供了一种有用的备用机制。

　　3.5 几种切换技术的比较

　　提前注册切换法必须要求L2触发有足够的时间让提前注册切换在二层切换完成之前完成。它要求外地代理或者移动节点能在一个未决的二层切换之前获得L2触发信息。

　　过后注册切换法主要是支持相同无线接入技术的外地代理之间的切换。它允许外地代理与临近的未决定切换的外地代理之间直接通信，所以它不需要发送任何IP层报文或来自MN的L2触发事件。过后注册切换法一般适合用在此种情况下：在网络上可利用二层触发机制来表明oFA和nFA之间的切换未决定。

　　提前注册切换法要求在二层切换完成之前完成注册过程，而过后注册切换法则是在二层切换完成之后再进行一个注册过程。联合切换法是综合考虑两种情况。

　　以上几种切换技术主要是为了满足移动IP中传播实时业务的需要，它对减少数据报的丢失也起到了很好的作用。但是，如果移动节点在几个外地代理之间频繁移动，而每次切换都要向家乡代理注册，由家乡代理来维护移动节点的移动绑定，这样势必在网络中引发大量的注册报文的传输，从而严重影响了网络的性能。并且造成了较大的切换延迟，尤其是移动节点离家乡代理较远的时候，问题更严重，还会引起数据报的丢失，从而降低了通信吞吐量。这些问题都值得我们进一步去研究。

　　4 小结

　　移动网络和无线网络的发展使得移动IP成为近两年IETF最重要的研究协议之一。而切换是移动IP中最为关键的技术之一，也是IETF工作组研究的重点内容，同时还有很多个人和单位都在进行这方面的研究。目前，移动IP的切换还存在很多问题，如何尽量减少数据报的丢失，尽量减小切换延迟是我们努力的目标。