??? 摘 要： 通過移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)接入Internet的主機(jī)可能會經(jīng)常變換接入點(diǎn)" title="接入點(diǎn)">接入點(diǎn)，本文在構(gòu)建一個(gè)完整IPv6網(wǎng)絡(luò)模型，同時(shí)通過引入軟切換，有效解決了移動(dòng)主機(jī)" title="移動(dòng)主機(jī)">移動(dòng)主機(jī)在切換過程中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟失。
??? 關(guān)鍵詞： IPv6； 切換； 軟切換； 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)
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1 系統(tǒng)介紹
??? 通過移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)連接到Internet的主機(jī)可能會經(jīng)常變換接入點(diǎn)，這就需要提供一個(gè)有效機(jī)制用以保證數(shù)據(jù)包到移動(dòng)主機(jī)的有效尋址。在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中，接入點(diǎn)的變換通常稱為切換（handoff），在切換過程中或者切換后的極短時(shí)間內(nèi)，由于主機(jī)位置信息" title="位置信息">位置信息的延遲數(shù)據(jù)包可能會丟失。因?yàn)榍袚Q正變得越來越頻繁，有效地降低丟包是確保QoS的前提。蜂窩式IPv6（CIPv6：Cellular IP for IPv6）是一個(gè)支持主機(jī)頻繁切換的協(xié)議，該協(xié)議主要用于本地網(wǎng)，同時(shí)也可以與使用于廣域的通用的移動(dòng)IPv6（MIPv6：Mobile IPv6）有效協(xié)同[1]，從而共同構(gòu)成廣域的移動(dòng)IPv6網(wǎng)絡(luò)。
1.1 模型實(shí)體
??? (1)CIPv6節(jié)點(diǎn)：構(gòu)成CIPv6網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)元素，主要功能有兩個(gè)：①CIPv6節(jié)點(diǎn)可以在CIPv6網(wǎng)絡(luò)中為數(shù)據(jù)包提供無線訪問路由；②為無線訪問提供接入，所以也稱為基站。
??? (2)CIPv6基站：同CIPv6節(jié)點(diǎn)。
??? (3)CIPv6網(wǎng)關(guān)：提供CIPv6網(wǎng)絡(luò)和Internet的互聯(lián)接口。
??? (4)CIPv6主機(jī)：應(yīng)用CIPv6協(xié)議的移動(dòng)主機(jī)。
1.2 模型構(gòu)成
??? 圖1是CIPv6網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流向，每個(gè)基站周期性地發(fā)射Beacon信號，移動(dòng)主機(jī)通過這些信號尋找最近的基站。通常，所有移動(dòng)主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)包在基站間通過最短路徑" title="最短路徑">最短路徑的方式實(shí)現(xiàn)路由，并不考慮目標(biāo)IP。CIPv6節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)維護(hù)一個(gè)路由緩沖區(qū)，移動(dòng)主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由緩沖區(qū)中創(chuàng)建并更新一個(gè)記錄，每個(gè)記錄在映射移動(dòng)主機(jī)IP的同時(shí)還記錄數(shù)據(jù)包來源節(jié)點(diǎn)的IP。在每個(gè)CIPv6節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)中形成的記錄鏈總是對應(yīng)一個(gè)特定的移動(dòng)主機(jī)，下行數(shù)據(jù)也通過這個(gè)記錄鏈到達(dá)移動(dòng)主機(jī)。這個(gè)記錄鏈總是對應(yīng)主機(jī)的最新位置，因?yàn)楫?dāng)主機(jī)移動(dòng)時(shí)，通過上行數(shù)據(jù)包，記錄鏈也會隨時(shí)被更新。此外，下行數(shù)據(jù)到移動(dòng)主機(jī)的路由也由記錄鏈負(fù)責(zé)。為防止記錄鏈超時(shí)，移動(dòng)主機(jī)會周期地發(fā)送控制數(shù)據(jù)包，控制數(shù)據(jù)包是IPv6協(xié)議的擴(kuò)展，協(xié)議頭實(shí)現(xiàn)了適應(yīng)CIPv6網(wǎng)絡(luò)的最短路徑方式和CIPv6控制信息。當(dāng)移動(dòng)主機(jī)未處于發(fā)送數(shù)據(jù)的激活狀態(tài)時(shí)，仍可以接收數(shù)據(jù)，這時(shí)CIPv6節(jié)點(diǎn)會維護(hù)一個(gè)分頁緩沖區(qū)，所有的下行數(shù)據(jù)由分頁緩沖區(qū)負(fù)責(zé)提供路由，分頁緩沖區(qū)比路由緩沖區(qū)有更長的超時(shí)時(shí)間。
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1.3 位置管理和路由
??? CIPv6使用兩個(gè)并行的緩沖區(qū)來維護(hù)移動(dòng)主機(jī)的位置信息，兩個(gè)緩沖區(qū)的操作方式基本相同。當(dāng)移動(dòng)主機(jī)處于活動(dòng)狀態(tài)，CIPv6網(wǎng)絡(luò)必須可以管理移動(dòng)主機(jī)在基站間的移動(dòng)，以保證數(shù)據(jù)到達(dá)主機(jī)，所以移動(dòng)主機(jī)必須隨時(shí)向網(wǎng)絡(luò)通報(bào)每次切換。對于睡眠狀態(tài)的主機(jī)，位置信息是相對次要的，最小化通信量以保證電量的節(jié)省具有更高的優(yōu)先級。所以，兩個(gè)CIPv6緩沖區(qū)分別對應(yīng)活動(dòng)主機(jī)和睡眠主機(jī)。雙緩沖區(qū)還有性能方面的優(yōu)勢，單緩沖區(qū)用以存儲所有移動(dòng)主機(jī)的位置信息時(shí)，下行數(shù)據(jù)就需要在整個(gè)緩沖區(qū)中遍歷一次，這對于睡眠主機(jī)沒意義。
2? CIPv6的功能
2.1位置管理
??? CIPv6允許睡眠模式的移動(dòng)主機(jī)在不進(jìn)行位置信息更新的情況下跨基站邊界漫游，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以將基站集群組織成分頁區(qū)，分頁區(qū)可以由任意數(shù)量的基站構(gòu)成，每個(gè)分頁區(qū)擁有CIPv6網(wǎng)絡(luò)中唯一的ID。每個(gè)基站通過Beacon信號周期性地發(fā)送分頁區(qū)的ID，從而使移動(dòng)主機(jī)在跨分頁區(qū)時(shí)得到必要的數(shù)據(jù)包。睡眠移動(dòng)主機(jī)在跨越分頁區(qū)時(shí)必須發(fā)送一個(gè)分頁更新數(shù)據(jù)包，分頁更新數(shù)據(jù)包會采用最短路徑方式上行，最終到達(dá)CIPv6網(wǎng)關(guān)。其間經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)形成分頁緩沖區(qū)，分頁緩沖區(qū)中形成一個(gè)記錄對應(yīng)每個(gè)睡眠移動(dòng)主機(jī)。當(dāng)數(shù)據(jù)包下行到CIPv6節(jié)點(diǎn)時(shí)，由分頁緩沖負(fù)責(zé)其路由。如果所到節(jié)點(diǎn)沒有分頁緩沖區(qū)，則數(shù)據(jù)包會繼續(xù)下行到相鄰節(jié)點(diǎn)；如果仍然沒有分頁緩沖區(qū)或者分頁緩沖區(qū)沒有對應(yīng)移動(dòng)主機(jī)的記錄，則數(shù)據(jù)包被丟棄。在整個(gè)下行路徑上的節(jié)點(diǎn)可能有分頁緩沖區(qū)，也可能沒有，這取決于最后一次分頁更新數(shù)據(jù)包的上行路徑。當(dāng)移動(dòng)主機(jī)接收到下行數(shù)據(jù)包后，便由睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為激活狀態(tài)，同時(shí)通過發(fā)送路由更新數(shù)據(jù)包建立其路由緩沖區(qū)，后續(xù)的下行數(shù)據(jù)由路由緩沖區(qū)負(fù)責(zé)其路由。
2.2 路由
??? 分頁緩沖區(qū)和路由緩沖區(qū)都可以為CIPv6網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包提供路由，表1列出了兩者的差異。
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2.3 切換
??? 切換的初始化由移動(dòng)主機(jī)完成。當(dāng)活動(dòng)主機(jī)靠近一個(gè)新的基站時(shí)，它會發(fā)送一個(gè)路由更新數(shù)據(jù)包，并將后續(xù)的數(shù)據(jù)包指向新的基站。路由更新數(shù)據(jù)包會更新對應(yīng)的整個(gè)路由緩沖記錄鏈。睡眠主機(jī)僅當(dāng)進(jìn)入新的分頁區(qū)時(shí)才會發(fā)送分頁更新數(shù)據(jù)包；當(dāng)在同一個(gè)分頁區(qū)中切換基站時(shí)，睡眠主機(jī)不發(fā)送數(shù)據(jù)，因?yàn)樵谝粋€(gè)分頁區(qū)中的分頁緩沖區(qū)都相同。
2.4 漫游
??? 當(dāng)移動(dòng)主機(jī)在不同的CIPv6網(wǎng)絡(luò)間漫游時(shí)，主機(jī)將根據(jù)基站周期發(fā)送的Beacon信號判斷已經(jīng)進(jìn)入新的CIPv6網(wǎng)絡(luò)，Beacon信號同時(shí)包含新CIPv6網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)IP。主機(jī)一旦作出判斷，就自動(dòng)啟用無地址狀態(tài)模式[2]，無地址狀態(tài)模式會自行配置新的IP，并檢驗(yàn)新IP是否與新的CIPv6網(wǎng)絡(luò)IP沖突，如不沖突就以此IP作為在新CIPv6網(wǎng)絡(luò)中的臨時(shí)IP。
3 協(xié)議
3.1協(xié)議參數(shù)
??? 表2為CIPv6網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議參數(shù)。
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3.2 Beacon 結(jié)構(gòu)
??? CIPv6基站必須周期性地發(fā)送Beacon 信號，使得移動(dòng)主機(jī)總可以有一個(gè)可用基站。Beacon 信號是基于IPv6的廣播，基本形式為：FF02:0:0:0:0:0:0:1，具體結(jié)構(gòu)如表3。
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3.3包格式
3.3.1路由更新數(shù)據(jù)包
??? 路由更新數(shù)據(jù)包是一個(gè)基于IPv6的包含最短路徑擴(kuò)充的協(xié)議。具體結(jié)構(gòu)如表4。
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??? S標(biāo)志含義：1為軟切換，默認(rèn)值為0，不支持軟切換的基站忽略此標(biāo)志。I標(biāo)志的含義為：指示間接軟切換。
3.3.2 分頁更新數(shù)據(jù)包
??? 與路由更新數(shù)據(jù)包類似，分頁更新數(shù)據(jù)包也是一個(gè)基于IPv6的包含最短路徑擴(kuò)充的協(xié)議。源地址為IPv6主機(jī)IP，目標(biāo)地址為IPv6網(wǎng)關(guān)IP，S標(biāo)志和I標(biāo)志均為0。
3.4 路由
??? IPv6網(wǎng)絡(luò)的路由算法具有特殊性，它并不需要通常IP網(wǎng)絡(luò)的路由能力，IP網(wǎng)絡(luò)的路由能力完全由CIPv6網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。
3.4.1 路由器的拓補(bǔ)
??? 在上行方向，數(shù)據(jù)包基于最短路徑方式到達(dá)CIPv6網(wǎng)關(guān)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將數(shù)據(jù)包發(fā)往與其連接到IPv6網(wǎng)關(guān)的相鄰節(jié)點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)的上行選擇由網(wǎng)絡(luò)管理員事先設(shè)定，或者通過簡單的最短路徑算法選擇最短路徑從而替代手工設(shè)定。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度較高時(shí)，通過計(jì)算后的手工設(shè)定會有更高的效率。
3.4.2 上行路由
??? 當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)一個(gè)節(jié)點(diǎn)后，該數(shù)據(jù)包首先被用以更新到達(dá)節(jié)點(diǎn)的路由緩沖區(qū)和分頁緩沖區(qū)，然后被發(fā)送到上行相鄰節(jié)點(diǎn)。為了更新緩沖區(qū)，節(jié)點(diǎn)會讀取數(shù)據(jù)包類型、端口號、源IP地址。分頁更新數(shù)據(jù)包更新分頁緩沖區(qū)，路由更新數(shù)據(jù)包同時(shí)更新分頁緩沖區(qū)和路由緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)包則會刷新所有緩沖區(qū)的狀態(tài)，但不會改變分頁緩沖區(qū)和路由緩沖區(qū)。兩個(gè)緩沖區(qū)都包含IPv6地址、接口、MAC地址、呼出時(shí)間和時(shí)間戳。接口和MAC地址用作下行數(shù)據(jù)的路由，時(shí)間戳用于存放控制數(shù)據(jù)包發(fā)來的時(shí)間，以便明確映射時(shí)間。
??? 當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包由下行連接相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)來時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先在路由緩沖區(qū)中查找源IP，如果路由沒有變化就刷新記錄：呼出時(shí)間被刷新為當(dāng)前時(shí)間＋路由超時(shí)，如果該節(jié)點(diǎn)有分頁緩沖區(qū)，分頁緩沖區(qū)也作相同處理。如果路由發(fā)生變化，數(shù)據(jù)包就被丟棄。當(dāng)更新數(shù)據(jù)包到達(dá)一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包的合法性，如果不能通過合法性檢測，則更新數(shù)據(jù)包就被丟棄[3]，并在系統(tǒng)日志中記錄該事件。如果數(shù)據(jù)包合法，節(jié)點(diǎn)就在緩沖區(qū)中建立新的路由記錄" title="路由記錄">路由記錄：新數(shù)據(jù)包IPv6地址、接口、MAC地址、呼出時(shí)間（當(dāng)前時(shí)間＋路由超時(shí)）、時(shí)間戳。如果緩沖區(qū)中對應(yīng)IP已經(jīng)存在，根據(jù)時(shí)間戳進(jìn)行判斷，到來數(shù)據(jù)包時(shí)間戳更新時(shí)，則更新對應(yīng)記錄，否則丟棄數(shù)據(jù)包。
3.4.3 下行路由
??? 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)從其上行連接節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先檢驗(yàn)路由緩沖區(qū)中是否包含該目標(biāo)IP，如果存在則繼續(xù)向下行方向發(fā)送。如果不存在對應(yīng)記錄，該數(shù)據(jù)包將以廣播的形式向所有相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送。如果該節(jié)點(diǎn)有分頁緩沖區(qū)，且分頁緩沖區(qū)中包含對應(yīng)IP的記錄，數(shù)據(jù)包會繼續(xù)下行，如果分頁緩沖區(qū)中沒有對應(yīng)記錄，數(shù)據(jù)包就被丟棄。
4 CIPv6的擴(kuò)充
4.1 切換擴(kuò)充
4.1.1 軟切換
??? 為了防止敏感數(shù)據(jù)的丟失，可以采用軟切換方式。在軟切換時(shí)，移動(dòng)主機(jī)會與兩個(gè)基站同時(shí)通信，這樣下行數(shù)據(jù)仍然可以同時(shí)到達(dá)兩個(gè)基站，從而防止數(shù)據(jù)通信的中斷。為了實(shí)現(xiàn)軟切換，移動(dòng)主機(jī)需要在新基站建立對應(yīng)的路由記錄，同時(shí)繼續(xù)監(jiān)聽舊主機(jī)的下行數(shù)據(jù)。移動(dòng)主機(jī)通過設(shè)置S標(biāo)志來實(shí)現(xiàn)軟切換，節(jié)點(diǎn)通過識別S標(biāo)志，在數(shù)據(jù)下行時(shí)會同時(shí)向新基站和舊基站發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到移動(dòng)主機(jī)向新基站發(fā)送路由更新數(shù)據(jù)包。一旦移動(dòng)主機(jī)向新基站發(fā)送路由更新數(shù)據(jù)包，S標(biāo)志將被清除，舊主機(jī)路由緩沖區(qū)中的對應(yīng)記錄也會被清除，從而完成整個(gè)軟切換過程。
??? 如果新基站的訪問路徑大于舊基站，下行數(shù)據(jù)可能無法到達(dá)移動(dòng)主機(jī)。為了防止類似問題，在軟切換時(shí)到達(dá)新基站的數(shù)據(jù)包會有一定的延時(shí)，這可能導(dǎo)致移動(dòng)主機(jī)收到兩次相同數(shù)據(jù)包，但不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失。
4.1.2? 間接軟切換
??? 不是所有無線技術(shù)都支持同步多連接，如：有些設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)在監(jiān)聽舊基站的同時(shí)向新基站發(fā)送路由更新數(shù)據(jù)包，在這種情況下可以采用間接軟切換。當(dāng)需要切換時(shí)，主機(jī)不向新基站發(fā)送路由更新數(shù)據(jù)包（因?yàn)樵O(shè)備無法實(shí)現(xiàn)），路由更新數(shù)據(jù)包仍被發(fā)送到當(dāng)前基站，但這個(gè)數(shù)據(jù)包的目標(biāo)IP（下行時(shí)的目標(biāo)IP）就是新基站的IP，這時(shí)將I標(biāo)志設(shè)定為1，表示開始間接軟切換過程。這樣，下行的數(shù)據(jù)就會根據(jù)新的基站地址到達(dá)新基站，當(dāng)基站收到該數(shù)據(jù)包時(shí)即可建立新的主機(jī)路由記錄鏈。
4.2 多網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)
??? 當(dāng)CIPv6網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)網(wǎng)關(guān)時(shí)，這個(gè)網(wǎng)關(guān)必須負(fù)責(zé)上行和下行數(shù)據(jù)。IPv6網(wǎng)絡(luò)可以采用多網(wǎng)關(guān)，這樣可以提高網(wǎng)絡(luò)的效率，但移動(dòng)主機(jī)和相關(guān)節(jié)點(diǎn)必須可以判斷使用哪個(gè)網(wǎng)關(guān)，例如：通過地理位置或IP空間進(jìn)行網(wǎng)關(guān)分配。
??? 蜂窩式IPv6是一個(gè)支持主機(jī)頻繁切換的協(xié)議，通過對該協(xié)議的擴(kuò)充引入軟切換后，不僅可以實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的IPv6網(wǎng)絡(luò)，還可以很好地解決切換過程中的數(shù)據(jù)丟失。軟切換根據(jù)設(shè)備的功能性，可以通過直接軟切換和間接軟切換兩種方式實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
[1] ?Internet Protocol version 6(IPv6) specification. IETF RFC 2460, December 1998.
[2] ?THOMSON S, NARTEN T. IPv6 stateless address autoconfiguration. IETF RFC 2462, December 1998.
[3] ?METZGER P, SIMPSON W. IP authentication using keyed ?MD5. IETF RFC 1828, August 1995.