Internet移动计算原理及性能

发布: 2010-10-20 00:52 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

相关专题：无线诺基亚

Internet移动计算原理及性能（裴珂、董海霞）
    摘要：随着移动终端的普及，以及用户需求的提高，在Internet上提供移动性支持成
为移动ISP提供商的候选方案。这里给出了在这一领域的研究情况和Mobile IP的基本机制，
讨论了Mobile IP所带来的各种问题，如三角路由开销、隧道开销、分片开销及其网络层切
换在TCP性能方面的影响。
    关键词：Internet  移动计算  移动IP
    随着便携式计算机的普及和无线局域网技术、蜂窝网的不断成熟，用户的需求也逐步
提高。无线局域网用户要求网络提供全球移动性支持，而蜂窝网用户要求网络提供高速数
据业务（如在GSM网上将提供GPRS空中接口）。由于Internet的兴起，人们可以通过它获
得各种信息，收发电子邮件，下载文件等，一些移动用户迫切希望能够随时随地地接入
Internet。但由于现今Internet上的网络层协议IPv4的路由算法不支持主机的漫游，在现
有的IP地址分层体系结构下，主机在Internet注的位置是由其IP地址确定的，主机必须在
网中处于由其IP地址标示的地方，才可以接收到发给它的数据。所以就有必要另外设计一
种基于现有IP协议的、支持主机无缝漫游的网络层协议。
    一、 Mobile IP的研究情况
    移动主机如何高效地访问Internet，以及如何向移动用户提供透明的Internet信息服
务仍是一个在广泛讨论的问题，目前，已提出了几种解决方案。
    第一个移动主机协议称作Mobile IP，由哥伦比亚大学的John Ioannidis设计。它使
用了虚拟移动子网和IPIP（IP in IP），打包。与此同时，Sony公司的 Fumio Terqoka设
计了另一种移动主机协议——虚拟IP（VIP）。VIP协议使用了特殊的路由器来记忆移动主
机的位置，并定义了新的IP头选项来传递数据。随后，IBM的C．Perking和Y．Reckter也
设计了一种移动主机协议，这种协议利用现有IP协议中的可选功能——松散源选径（Loose
 Source Routing）来支持主机的移动。
    1994年A．Myles和C．Perking分析了前三种移动主机协议的优缺点，重新设计了一种
协议： MIP，并将它提交给IETF。MIP后来发展成了MobileIP协议。同年，卡耐基·梅隆
大学（CMU）的D．B．Johnson设计了MHRP协议。它与松散源选径类似，不同之处是松散源
选径是利用IP头的选项，而MHRP重新定义了一种打包协议来代替松散源选径。
    不管是MHRP还是MIP在安全性上都存在严重的问题。因此，A．Mnles，C．Perkinn和
D．B．Johnson共同制定了IMHP。IMHP引入了一种新的安全机制并提出了简单认证的概念，
后来这一概念被IPv6所借鉴。
    主机漫游软件的研发在国际上也是个热点课题，CMU、纽约大学、瑞典皇家学院、FTP
 Software，IBM，摩托罗拉。诺基亚，SUN，Telxon等的研究机构都在进行这方面的研究，
其中最具影响力的当属IETF的网间漫游工作组。
    IETF的网间漫游工作小组一直致力于在Internet上提供主机可移动性的标准。该工作
组已提出了在现存的IP协议之上实现网间漫游的许多工作，并于1996年11月公布为建议标
准（Proposed Standard）。该标准包括下面的RFC文件：
    RFC 2002：定义了Mobile IP协议；
    RFC 2003，2004和1701：定义了Mobile IP中用到的三种隧道技术；
    RFC 2005：叙述了Mobile IP的应用；
    RFC 2006：定义了MobileIP的管理信息库MIB。MobileIP的MIB库是实现Mobile IP的节
点的变量集合，管理平台可以通过网络管理协议SNMPV2对这些变量进行检查和配置。除了
以上工作，还提出许多性能优化草案，以及IPv6的移动性草案，等等。
    二、 Mobd6IP基本机制
    Mobile IP是一种在全球Internet上提供移动功能的方案，使节点在切换链路时仍可保
持正在进行的通信。它提供了一种IP路由机制，使移动节点以一个永久的IP地址连接到任
何链路上。与特定主机路由技术和数据链路层方案不同，Mobile IP还要解决安全性和可靠
性问题，并与传输媒介无关。Mobile IP的可扩展性使其可以在整个Internet上应用。
    三个子网分别是不同的IP子网， MH1是归属于子网1的移动主机， HA1与FA1，HA2与
FA2分别是子网1与子网2的家代理与外地代理。当MH1由子网1漫游到子网2时，称子网1是
MH1的家网，称子网2是MH1的访问网或外地网。对MH1的漫游管理将由FA2与HA1协作完成。
当MH检测出它已经漫游至外地网时，它将通过外地网的AP从FA处获得一个转变地址。转交
地址有两种类型：FA转交地址和配置转交地址。MH把这个转交地址通过Internet通知它的
HA。此后，其它子网发给该MH的IP数据报仍将发给其家网，在家网由HA通过代理ARP吸引
发向MH的报文，把发至MH的IP数据报进行重新装配，装配时只把IP数据报的宿IP地址域作
为MH的转交地址（隧道技术），然后再发送出去。如果转交地址是FA转交地址，则隧道的
接收端是FA。FA把重新装配的IP数据报恢复成原来的格式再转交给MH。如果转交地址是配
置转交地址，则隧道的接收端是该MH，由它自己完成拆包工作。当MH在外地网发送IP数据
报时，使用正常的IP协议发送，无需HA与FA的介入。子网C中的固定主机SH发向MH的报文
先到达子网A，然后再通过隧道发向子网B。这样使得一个移动用户在从A网移动到B网的过
程中，不需要重新配置、重起主机，更值得注意的是，用户也不需要重起应用。例如，用
户在从A网移动到B网的过程中进行FTP文件下载，该程序不会因为切换到不同的子网而中
断连接，从而实现了操作透明性。
    三、移动IP的TCP性能
    同正常的IP路由机制比较，移动IP路由机制带来了许多额外开销（Overhead）（如隧
道开销、三角路由开销和分片开销），以及切换延迟问题，它们在一起将大大降低吞吐性
能。
    所谓隧道开销是指在Mobile IP运作过程中，引人了家代理打包和外地代理解包的额
外开销；三角路由开销是指IP报文不是直接发向移动主机而是先发给家代理然后再转交给
外地代理，于是也引入了开销；分片开销是指任何一条路径可能包含多条链路，而每一条
链路并不一定都采用相同的最大帧长，一条键路上的报文如果大于另一条链路上的最大帧
长，就不得不被分为两个或更多的报文，从而引入分片开销。
    新加坡国立大学的FOO等人为此做实验进行测试。在这种网络拓扑的情况下对各种开
销进行测试，得到以下结果：当移动主机从家网移动到外地网以后，Mobile IP路由机制
带来的总开销为正常路由机制的90％，也就是说外地移动主机下载同一个文件所用的时间
将是本地移动主机在相同情况下的1.9倍。其中隧道开销占6.6％，分片开销占6.3%，三角
路由开销占76.5％。当然以上实验是在特定情况下的测试结果。不同的网络拓扑或多或少
会有些改变，但可以肯定，三角路由开销是占很大比例的。
    因此，IETF移动工作组下一步工作重点之一就是解决三角路由开销及优化路由的问题。
最简单的方法就是将移动主机的转交地址通过某种机制通知对端的通信主机，使得对瑞主
机发给移动主机的报文直接发给移动主机，而不用先发给HA。但这样做会带来许多问题，
如IPV4存在兼容性不好的问题，而在IPV6中存在密钥分配问题。
    除了以上的开销，还存在切换时延问题。MobileIP是解决移动节点在不同子网之间连
续移动的问题，因而必然带来切换问题。在Mobile IP机制下，当移动节点连续三次未收
到注册代理的代理公告时，才同新的代理发起网络层切换。由此可见，当发生网络切换时，
必然在大约等于三次代理公告的时间段内没有连续的网络连接，即使移动生机可以收到新
代理的公告。在RFC 2002中，代理公告的最小间隙为1s，于是，每一次切换将至少导致
2.5s的连接丢失。这就是MIP带来的切换时延。在下一个公告到达之前，当前代理的链路
连接随机断开，服从均匀分布，这使得网络连接丢失了为平均时间2.5倍的代理公告间隙。
值得注意的是，网络连接的丢失会大大影响TCP性能，这主要是TCP的慢启动特性决定的。
    简单地提高代理公告的频率就可以减少切换时延，但这种方法使得更多的网络资源用
于代理公告，减少了带宽利用率。一个代理公告至少50个字节，如果公告间隙为10ms，那
么MIP切换时延就为25ms，公告速率为40 kbit／s，为2MHz带宽无线链路的2％，这种方式
适合带宽富裕的情况。
    另一种减少切换时延的方式是TCP。该方式采用快启动方式，移动节点上的TCP应在新
链路上注册后立即进入快速重发，而不是等待超时。这种方法关系到Mobile  IP软件和
TCP软件的配合，在移动节点和对端节点TCP和Mobile IP协议栈不得不被修改。
    四、结语
    综上所述，Mobile IP解决了网络层移动性问题是Internet移动性支持的必经之路，它
实现了移动用户网络层的操作透明性，但是，Mobile IP还存在许多问题，如何提供移动网
络的性能透明性是今后的主攻方向。



摘自《现代电信科技》