移动IP原理和三角路由

移动IP原理和三角路由

摘要：为了满足移动节点在移动中保持其连接性，移动IP技术随之产生。这里主要介绍移动IP的概况极其关键技术及其工作原理。根据现行状况分析移动IP技术中存在的“三角路由”问题及其基本解决方案,还提出了现有移动IP存在的问题以及今后可能的研究方向。

关键词：移动IP; 移动节点; 外地代理; 归属代理; 路由优化

前言： 近几年,随着通信技术和计算机技术的高速发展,越来越多的高性能通信设施日益成为人们生活中的必需品。这些高性能设施的优势在于任何时间、任何地点均可以成功接入因特网,因此,如何保证用户在进行网际移动的同时保持IP网络的完整性、保持用户通信的连续性是目前研究的一个重要课题。因此移动IP(Mobile IP，MIP)技术的出现正迎合了这种需求， 它能够在不间断当前通信状态的情况下无缝地漫游于Internet。移动IP 是一种在全球因特网上提供移动功能的技术，它提供了一种IP 路由机制, 使移动节点可以以一个永久的IP地址连接到任何链路上。

一、移动IP的体系结构

移动IP技术是移动节点(计算机/服务器/网段等)以固定的网络IP地址，实现跨越不同网段的漫游功能，并保证了基于网络IP的网络权限在漫游过程中不发生任何改变，实现数据的无缝和不间断的传输。简单地讲，就是能让网络节点在移动的同时不断开连接，并且还能正确收发数据包。

移动IP网络中包括三个网络实体:移动节点MN（Mobile Nost）、归属代理HA（Home Agent）、和外部代理FA（Foreign Agent）,

（1）移动节点：该节点可以把对Internet的连接从一条链路改变到另一条链路，同时保持正在进行的任何通信，并且仅使用它的永久归属IP地址。

（2）归属代理：该代理是跟移动节点的归属链路有一个接口的路由器，它当移动节点改变其连接的链路时，保持被告知移动节点的当前位置，即关照地址；在一些情况下，还要通告对移动节点的归属地址的网络前缀的可达性，从而引来发给移动节点归属地址的IP分组； 截获发给移动节点的归属地址的IP分组，并把它们隧道传送到移动节点的当前位置，即转交地址。

（3）外部代理：该代理是在移动节点的外部链路上的一个路由器，它辅助移动节点通知归属代理它当前的转交地址；提供一个转交地址，解封由归属代理隧道传输给移动节点的分组，并递交给移动节点；为连接到这条外部链路的移动节点发送的分组担当缺省路由器的角色。

下图示出了这些实体以及它们之间的关系。

MN具有俩个IP地址：一个是归属地址（Home Address），用来识别主机的地址，也是用来识别TCP连接的永久地址；另外一个是转交地址（Care of Address）,其标识了MN在网络拓扑中的位置。MN处于其归属网络时，移动IP运行机制与普通IP相同。当MN漫游到外地网络时，从外地代理获得转交地址，并向HA发送注册请求信息，此消息中含有MN的转交地址信息，HA更新其绑定缓存（bangding cache）,使MN的归属地址和转交地址相关联。与MN通信的通信CH(Correspondent Host）发往MN的分组一MN的归属地址作为分组的目的地址，所以分组按网络前缀路由方式路由到HA，HA截获分组并将其封装、发送到MN。从MN发往CH的分组按普通的路由方式进行，此分组的IP源地址设为MN的归属地址。此方向的分组路由途中如有入口过滤功能的路由器，则分组不能路由到MN。MN与CH之间的通信在MN移动时，可以不改变其IP地址而使其与网络中节点的通信保持不中断，并且主机的移动对网络层以上的协议和应用是透明的。

二、移动IP的工作原理以及关键机制

在移动IP协议中，每个移动节点都有一个唯一的本地地址，当移动节点移动时，它的本地地址是不变的，在本地网络链路上每一个本地节点还有一个本地代理来维护当前的位置信息，即转交地址。当移动节点连接到外地网络链路上时，转交地址就用来标示移动节点现在所在的位置，以便进行路由选择。移动节点的本地地址与当前转交地址的联合称为移动绑定或绑定。当移动节点得到一个新的转交地址时，通过绑定向本地代理进行注册，以便让本地代理即时了解节点的当前位置。

当移动节点连接在外地网络链路上时，移动节点使用一个称作“代理发现”的规程在外地链路上发现一个外地代理，并向这个外地代理进行注册，把这个外地代理的IP地址作为自己的转交地址，移动节点获得转交地址后，再通过注册规程把自己的转交地址告诉本地代理。这样当有发往移动节点本地地址的数据包时，本地代理便截取该数据包，并根据注册的转交地址，通过隧道将数据报传给移动节点。

代理发现(Agent Discovery)：该机制能够使移动节点检测出它是在本地网络链路还是在外地网络链路上，并且当移动节点移动到一个新的网络链路上时，代理发现机制还能为它找到一个合适的外地代理。代理有两种消息：一是代理发送的周期性的代理广告消息，二是移动节点发送的代理请求消息。

注册(Registeration)：一旦移动节点发现它的网络接入点从一条链路切换到另一条链路，就要注册，完成的任务主要有：移动节点通过注册可以得到外地链路上外地代理的路由服务；把它的转交地址通知本地代理；动态得到本地代理的地址；本地代理把发往移动节点本地地址的数据包通过隧道发往移动节点的转交地址。注册包括注册请求和注册应答两种注册消息。

隧道技术(Tunneling)：是移动IP中重要内容，有三种：IP的IP封装、IP的最小封装和通用路由封装。IP的IP封装用于将整个原始的IPv4数据包放在另一个IPv4数据报净荷部分中，它在原始IPv4数据包的现有报头前插了一个外层IP报头，外层报头的源地址和目的地址分别标示隧道中的两个边界节点；内层IP报头中源地址和目的地址分别标示原始数据包的发送节点和接受节点。移动IP要求本地代理和外地代理实现IP的IP封装，以实现从本地代理至转交地

址的隧道。IP的最小封装是通过将IP的IP封装中内层IP报头和外层IP报头的冗余部分去掉，以减少实现隧道所需的额外字节数。但使用这种封装技术有一个前提，就是原始的数据包不能已经被分片，因为IP的最小封装技术在新的IP报头和净荷之间插入了一个最小转发报头，它不保存有关分片的情况。通用路由封装是除了IP协议，它可以支持其它网络层协议，允许一种协议的数据包封装在另一种协议数据包的净荷中。

因此，粗略地讲，移动IP的工作情况如下：

（1）归属代理和外部代理在它们所连接的链路上定期地组播或广播称作代理通告的移动IP报文。

（2）移动节点倾听这些代理通告，并检查它们的内容以确定当前是连接在归属链路还是外部链路上。当连接到归属链路时，移动节点的操作跟固定节点相同，不使用其它移动IP的功能。下面的步骤假定移动节点发现自己是连接在外部链路上。

（3）连接到外部链路的移动节点得到一个关照地址。实际上，从外部代理的代理通告报文的某个域就可以读取外部代理关照地址。

（4）移动节点使用移动IP定义的一个报文交换过程向家乡代理报告和登记关照地址。在这个登记过程中，移动节点需要请求外部代理提供服务。为了防止远程的拒绝服务类攻击，登记报文需要身份验证。

（5）归属代理或者在归属链路上的其它路由器通告移动节点的归属地址的网络前缀的可达性，从而可以引入发给移动节点的归属地址的那些IP分组。归属代理采用诸如代理ARP这样的机制截获这些IP分组，然后把它们隧道传送给移动节点的关照地址。

（6）外部代理从隧道中抽出原先的IP分组，然后投递给移动节点。 （７）在相反的方向上，由移动节点发送的分组直接路由到目的地址，不需要使用隧道。外部代理为移动节点产生的所有IP分组担当路由器的角色。

三、标准移动IP路由及三角路由

上面所述的移动IP工作过程有效地解决了移动主机在子网间漫游通信,但是却在路由上存在着问题。当移动主机发送数据时,不管是在本地网络还是外地

网络,它都始终保留了本地网络的地址,当它发送数据包时,可以用通常的IP 协议发送。反之,当一般IP 主机给移动主机发送数据包时,首先到达移动主机的归属代理(HA) ,HA 再根据接收到的移动主机当前的转交地址CoA(假定第1 种地址) ,将数据包发往外地网络,由外地代理最终将数据包发给移动主机,因此出现了路由的”三角问题”。最差的情况是当发送数据包的一般IP 主机靠近移动主机所在的外地网络,或移动主机已经漫游到发送数据包的通信主机所在的网络时,数据包却仍要先到达移动主机的归属代理,再由归属代理发送到外地代理,最后到达移动主机。这种路由增大了传输延迟,对一些延迟敏感的业务如音频、视频业务等将造成极大的损害。同时,数据包在网络中传输时间过长,还浪费了网络资源,增加了网络负担。另一方面,移动主机跨越不同的网络时,等待归属代理处理注册请求期间,先前的外部代理将接收许多发向移动主机的数据包。由于移动主机位置移动,该外地代理将丢弃这些数据包,这样将严重影响通信质量。因此,有必要对移动IP 的路由机制进行优化。

下边的图形实例更形象化的说明问题：即当MH通过从外地代理（FA：Foreign Agency）处获得的临时转交地址（CoA：Care of Address）向本地代理（HA: Home Agency）成功注册后， 如图1 所示， 通信节点（CN：Corresponding Node）便可以与MH 进行通信了。由CN 发出的数据包将首先到达HA，然后由HA 对其进行IP 封装并通过隧道发往FA，当FA收到由HA 发送的数据包后，对该数据包进行解封，最后将数据包发往MH。但是当MH向CN 发送数据包时则不需要使用隧道技术，而是采用一般路由直接将数据包发往CN。从中可以看出，移动IP 存在“三角路由”问题，即从CN 到MN 的数据包需要经过HA 的转发，由此可以看出其经过的路径不是最佳路由，显然路由效率低下。

图1

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