移动IPv6的切换技术

范玉宇

随着移动网络的迅速发展和IPv6技术的部署实施，各项基于移动网络上新的数据应用层出不穷。当移动节点在不同的子网间随意移动时，移动IPv6技术如何保障其正在通信的业务不中断，在网络层上完成平滑快速无缝切换，成为移动IP的关键技术之一。

一、标准MIPv6切换工作原理

1.1 MIPv6中的基本概念

在标准移动IPv6技术术语中，常用到以下几个专有名词：（1）移动节点（Mobile Node）：物理上能够从一个链路接入点移动到另一个接入点的移动主机节点。（2）家乡链路（Home Link）：对应于移动节点家乡子网前缀的子网链路。（3）家乡地址（Home Address）：在家乡链路上分给移动节点的唯一可路由单播地址。当移动节点有多个家乡链路网络前缀时，一个移动节点可以使用多个家乡地址。（4）家乡代理（Home Agent）：移动节点家乡链路上的某台指定路由器。当移动节点离开家乡时，负责截获家乡链路上发往移动节点家乡地址的数据包，封装后再通过隧道转发到移动节点的转交地址。（5）外地链路（Foreign Link）：除了其家乡链路之外的任何链路。（6）通信节点（Correspondent Node）：所有与移动节点通信的对端节点。（7）绑定（Binding）：移动节点家乡地址和转交地址的关联以及关联相应的生存时间。（8）注册（Register）：移动节点向家乡代理或者通信节点注册移动节点的绑定，通过绑定更新和绑定应答实现。进一步分为家乡代理注册和通信节点注册。

1.2 MIPv6的标准切换过程

如果移动节点处于家乡链路中，配置方式与位置固定的主机相同。当移动节进入外地网络时，切换的过程主要包括两个阶段：首先是通过底层协议进行L2链路层切换；之后是网络层即IP层的切换，由于IP层切换技术相对复杂，这个过程也是MIPv6的主要研究对象，包括以下步骤：（1）移动节点通过路由通告消息中的子网前缀获得一个或多个转交地址，并进行重复地址检测（DAD）。（2） 如果测得转交地址可用，移动节点向家乡代理申请注册，建立绑定。家乡代理此后用邻居通告消息，截获所有发往移动节点家乡地址的数据包，通过隧道发往移动节点。（3）移动节点直接发送分组给通信对端。当通信节点也支持MIPv6时，使用路由优化方法，移动节点与通信节点直接注册自己的转交地址，此后移动节点和通信节点直接相互通信，不需要经过家乡代理转发，解决了MIPv4中三角路由的问题。（4）对端通信节点给移动节点发送数据包时，先根据目的IP地址查询绑定缓存，如存在绑定匹配，则直接发给移动节点。如果没有绑定匹配，则发给移动节点的家乡地址，仍然将数据送到移动节点的家乡链路上，经其家乡代理通过隧道方式转发给移动节点。（5）移动节点通过收到家乡代理转发来的数据包，判断通信节点没有自己转交地址的绑定缓存，进而可以向通信节点发送绑定更新。

二、F-MIPv6切换技术

为了解决MIPv6中切换延时过长的问题，IETF工作组在RFC4068中提出了F-MIPv6协议即快速切换技术。包括预先注册快速切换方法和过后注册快速切换方法。

在标准MIPv6的设计中，链路层与网络层分割明确，只有在完成二层切换后才能进行三层切换工作，导致了移动IP的固有时延。预先注册快速切换方法允许移动节点在还没有完成L2层的切换时就可以启用L3层切换的部分操作，可以由移动节点或先前接入路由器（PAR）发起。

以移动节点发起切换为例，切换流程如下：（1）移动节点向先前接入路由器（PAR）发起路由器代理请求消息。（2）PAR返回路由器代理通告消息，在消息中含带了新的接入路由器（NAR）的消息，包括网络地址、前缀、链路层地址等信息。（3）移动节点生成新的转交地址，向PAR发出快速绑定更新消息。（4）PAR收到该消息后在新、旧转交地址间建立隧道，向NAR发切换发起消息。（5）NAR对新的转交地址进行重复地址检测（DAD），若重复则重新分配新转交地址并在切换确认消息中将结果告知PAR。（6）PAR向NAR和移动节点回复快速绑定确认消息，然后通过隧道把发往原转交地址的数据送到NAR，NAR将这些数据暂存。（7）移动节点到达新的子网，向NAR发送快速邻居通告消息，从NAR接受缓存和新来的数据。

在L2的切换完成之前，预先注册快速切换方法不一定保证能够完成，此时可以采用过后注册快速切换方法。该机制允许PAR和NAR之间通过二层信息，建立双向隧道，移动节点在新的子网中仍然使用旧的转交地址建立连接，减少对实时应用的影响。过后注册快速切换方法是对预先注册快速切换方法的备份和必要补充。

三、H- MIPv6切换技术

H-MIPv6即层次型移动IPv6，它的主要思想是将区域划分，在每个区域中由一个指定的“移动锚点”（MAP）进行管理。MAP是移动节点在外地链路中的路由器，它可以位于移动网络的任意层次中。

支持H-MIPv6的移动节点以无状态自动配置方式获取链路转交地址（LCoA）和区域转交地址（RCoA）。LCoA是基于当前接入路由器默认的路由器通告产生的移动节点地址，RCoA是基于锚点的网络前缀配置形成的地址。移动节点在同一MAP域的不同接入路由器链路下，具有相同的RCoA和不同的LCoA。

只有当移动节点在不同的MAP域间进行切换时，才需要更换RCoA，向MAP、家乡代理、通信节点进行绑定更新。

应用H- MIPv6技术，当移动节点进行MAP域内切换时，网络上总开销减少，数据传输的延迟和丢包率都有所减小。但由于增加了网络逻辑结构的复杂度，当移动节点进行MAP域间切换时，总开销、延时和丢包率反而高于标准MIPv6。在部署了多MAP的H-MIPv6网络中，如果MAP点设计得不合理，将使MAP成为数据传输的瓶颈。因此，人们又提出了基于自适应算法的MAP自动选择机制。

四、F-H-MIPv6切换技术

以上两种技术各有优缺点，F-MIPv6比标准MIPv6减少切换的时间，但注册过程仍产生较多额外开销。H-MIPv6虽然减少了部分切换的开销，但增大了网络逻辑结构和路由算法复杂度，甚至增加了切换时间。人们将两者优点相结合，提出了F-H-MIPv6技术，既在结构上分层，又在切换时采取预判注册及缓存隧道机制，将F-MIPv6的预注册方法应用于H-MIPv6的结构之上。F-H-MIPv6技术在不同的MAP区域之间进行切换时，与F-MIPv6的区别是：在建立快速存贮转发隧道时，是在MAP与新的接入路由器（NAR）之间建立隧道，即原MAP起到PAR的作用。

五、小结与展望

以MIPv6为基础的下一代移动互联网技术，吸取了IPv4移动技术的经验，通过改进和拓展，满足大规模移动用户发展的需求，解决有关网络和访问技术的移动性问题，支持异构网络环境下固网和移动接入网络之间的随时切换。

随着移动IP技术研究的不断深入，不仅切换过程中的时延和丢包率会趋近于固网水平，切换过程中信令交互带来的的额外负载开销也将尽量减少，对移动IP的管理水平也将精细化，为各项移动通信业务的QOS保障提供更加合理均衡的服务。