移动IPv6中的实时业务与QoS

摘要：IPv6提供了对于移动性的支持，移动通信中的实时应用如IP电话、视频会议等对于服务质量提出了要求。介绍了移动IPv6 的基本原理与RSVP的工作特点，讨论了RSVP在移动环境中应用出现的问题，分析了几种解决方案的优点和不足。

关键词：移动IP；服务质量；资源预留协议

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21554-02

The Qos of Real Time Application in Mobile IPv6

WANG Lei,BAO Guang-Chang

(College of Mathematics & Information Science, Northwest Normal University,Lanzhou 730070,China)

Abstract:IPv6 provids the mobility support,Real time applications like IP telephony ,video conferencing, ect,require QoS guarantees on the mobil communication. Introduces basic principle of mobile IPv6 and the feature of RSVP mechanism，discusses the problems that the RSVP is employed in mobile networks,analyses the advantages and insufficiency of solutions for these problems .

Key words:MIPv6;QoS;RSVP

1 引言

互联网的飞速发展给人们的生活、工作方式都带来了深刻的影响，另一方面随着便携式终端的逐渐普及以及通信技术的发展，越来越多的用户不再满足在固定地点从Internet 检索、传输信息的现状，而希望能够以更加灵活的方式接人到Internet 中去，不受到时空的限制，移动IP[1]正是在这种需求下产生的。在获得移动性的同时，移动用户对实时业务的需求(如IP电话、视频会议等业务)也引发了在移动IPv6环境下服务质量(QoS)保证等方面的研究。

2 移动IPv6 的基本原理

移动节点在通信过程中经常需要改变接入的链路。在现有路由机制下，因特网上的一个节点在改变了其在网络上的接入点以后，如果不重新配置其IP地址，那么路由器就不能识别此节点，它就不能继续与网上的其它节点进行通信。而在TCP/IP网络环境中，TCP至少在目前还没有机制能允许在连接中改变IP地址，如果一个节点收到的TCP段中的源IP地址与此TCP连接在建立时协商的地址不同，该节点将认为这个TCP段是属于另一个连接的。IP地址的变化最终会导致通信的中断。移动IP提供了一种IP路由机制，使移动节点可以以一个永久的I P地址连接到任何链路上。

在移动IPv6 中定义了3 个操作实体：移动节点(MN ，Mobile Node)，对端通信节点(CN ，Correspondent Nod)，家乡(HA ，HomeAgent)。为了在MN移动的时候仍然保持传输层的连接， MN必须始终保持一个固定IP地址，这个地址就是家乡地址(Home Address)。由于MN的移动性， 要使通信顺利进行， MN还必须绑定另一个IP 地址， 即转交地址(Care-of Address) ， 转交地址符合MN当前所处网络的逻辑拓扑，发往MN的数据包用转交地址作为路由定向。当MN发生漫游时，它检测到自己已经移动到了外地， 就利用IPv6的自动地址配置功能[2]采取主动地或者被动的地址配置，获得一个转交地址。MN通过绑定更新(BU)、绑定应答(BA)等一系列布告过程向其HA和CN交换转交地址信息。CN如果不知道MN转交地址，则像同其他任何固定节点发送数据包那样向MN发送数据包。数据包被路由到家乡链路后，HA截获这个数据包，将它通过隧道送往MN的转交地址。MN发往CN的数据包是直接发往它的，不用经过HA。形成CN和MN之间通过HA的三角路由。CN如果知道了转交地址，则采用IPv6 数据包中包含家乡地址的路由扩展包头，直接把数据包发给转交地址。为了通过入口过滤和被上层协议所识别，由MN所发的有效负荷的数据包的源地址被设为其转交地址，同时家乡地址在了目的地可选扩展包头中的源地址选项中。

3 RSVP的工作特点

随着Internet的高速增长，实时业务量也在不断增长，由于实时业务对网络传输的延时、抖动等特性较为敏感，现有的Internet所提供的是“尽力而为”（Best-effort）的服务已经不能满足许多新的应用需求。因此，需要在Internet中支持QoS保证技术。为了解决IP QoS的问题，IETF建议了几种服务模型和机制，主要有：综合服务（IntServ，Integrated Service），区分服务（DiffServ，Differentiated Service），多协议标记交换（MPLS，MuItiProtocol Lable Switch）等。

图1 RSVP的信令交换

RSVP是一种提供预留设置和控制以实现综合服务的协议， 它通过端对端的资源预留来实现QoS，并支持多播通信。从高层来看，其在实时业务中包括两个阶段，第一阶段，应用程序采用RSVP在发送者到接收者之间交换PATH与RESV信令在某条路径上的路由器中保留一定的资源，如图1所示。第二阶段，应用程序利用这些保留的资源通过同样的路径发送实时业务流量。它具有如下特点[3]：

资源预留由接收方发起：由发送方发送PATH消息收集链路状况信息，接收方收到PATH消息后返回RESV消息，在链路上进行资源预留。

单向性： 一个RSVP资源预留是单向的，双向实时数据流可申请两个方向的资源预留，分别由各个方向的接受者发起。

软状态协议：预留状态信息被缓存在每中间节点中，预留状态是有时间限制的，如果时间到期了，预留状态就会被删除。RSVP必须周期性地发送PATH和RESV消息，刷新、维持预留路径上的路径状态与预留状态。

4 RSVP在移动IP中的环境中的应用

在移动IP网中，MN总是在不断地改变它们的位置，这是移动IP给实时业务带来的最大挑战。由于RSVP只在一条特定路径上预留资源，那么从发送方到MN的路径经常发生变化也就意味着MN每次切换链路时都要重新进行资源预留。切换链路后，MN的数据流在网络中经过的传输路径可能发生变化，这种变化可能出现在端到端路径中靠近终端的一小部分路径上，也有可能对整个路径产生影响。并且由于切换(Handoff)而转交地址发生变化，中间路径上预留资源的路由器就找不到前一节点。

RSVP的一个显著的缺点就是它执行的高复杂性以及端到端进行资源预留所花费时间也比较长，在移动主机中不是太合适，故有人提出一种扩展RSVP以支持移动性的方案MRSVP。在MRSVP[4]中，移动主机可以在它将来到达的子网提前预留资源，从而保证移动主机的服务质量。移动主机未来访问的子网的集合称为Mspec，Mspec可根据主机的移动动态变化。为了提前预留资源，Mspec中的每个子网有一个移动，与移动主机处于同一子网的称为本地，在其他子网中的称作远程。远程将代替移动主机在未来可能访问的子网执行被动资源预留。在MRSVP中引入了主动和被动资源预留的概念，主动资源预留发起于移动主机的当前子网，被动资源预留发起于在Mspec中列出得子网。为了提高资源的利用率，被动预留的资源可以被该子网中对于服务质量有较低要求的其他业务流使用。然而当被动预留资源转变为主动预留资源(即移动主机移动到该子网时)，使用被动预留资源的业务流需要立刻释放它所占有的带宽。

由于MRSVP在移动主机可能到达的位置提前预留资源，使得移动主机可以在新的位置获得所需的带宽从而保证了移动主机的服务质量。 MRSVP的缺陷在于它在RSVP的基础上增加了新的消息以及扩展其功能来支持高级的资源预留更大地增加了RSVP原有的复杂性，并且，由于此协议需要在移动主机可能访问的位置预留资源的前提是假设移动主机能够准确决定其Mspec，但是在许多移动应用中可能很难实行。此外，MRSVP没有解决RSVP信令开销大的问题。

针对RSVP的信令复杂和开销大，有人提出了在移动应用中简化RSVP的方案，比如Simple RSVP[5]，它将预先RSVP隧道与移动IP结合在一起。它尽力对RSVP的作最小改变来最小化由于切换所带来的服务中断。这些方案都对RSVP信令作了简化和改进，配合预先配置隧道，减少了在切换工程中进行资源预留的延迟。但是没有解决由于提前过多预留资源而导致的网络资源利用率低的问题。

在移动Ipv6中引入了一个新的节点名，即移动锚点(MAP ，Mobility Anchor Point)[6]，并对MN的操作进行了简单扩展，将分层的概念引入到移动IP中，把移动性分为宏观移动(域间移动) 与微移动(域内移动) 2 种。域内(intra-domain) 移动采用微移动IP协议，比如HMIPv6[7] 等.其结构如图2所示。MAP可以使移动Ipv6的绑定消息（绑定更新、绑定确认消息）处理限制在本地区域内，减少消息处理的开销。

经统计MN大多数情况的移动都是在一个MAP域内。MN拥有本地转交地址(LCoA) 与在线转交地址(RCoA)地址对，其中LCoA是MAP所在子网的地址，RCoA是MN对外通信使用的地址。MN在域内移动时，RCoA保持不变，仅LCoA发生改变，MN仅仅需要向MAP发送本地的绑定更新所绑定新的(RCoA，LCoA)地址对。这样，MN可采用三元组(RCoA，CNaddr，流标记)来标识一个流。MN发生链路切换时，在MN到通信对端的路径上可能多个路由器发生改变，采用层次化模型以后，所涉及的变化的路由器到MAP一般就截止了。对于CN来说不发生改变，切换前后仍然被认为是同一个流，从而大大的减少了重新预留的开销。当每次MN切换时，MAP到通信对端这段主干路径上重用切换之前所作的预留，只要对到MAP这段较短的路径上进行局部预留即可。

图2 分级移动Ipv6域

当MN进行域间切换时，MN切换后的转交地址的变化也会引起传输路径上的某些节点无法正确识别、转发带有与IP 地址有关的QoS 参数的数据流，并且切换可能在不同管理域的子网间进行，不同域之间可能采用不同的QoS 机制。有人提出通过对移动IPv6 现有协议进行扩展和修改将移动IPv6与RSVP结合起来，得到适合于QoS 协商的信令集。移动管理和服务协商可以同时完成，能够减轻网络负担，容易实现。

当MN切换到新链路后，它要发送绑定更新到MA进行注册，对绑定更新进行扩展，在绑定更新与绑定应答消息中加入新的QoS选项，它是IPv6的hop-by-hop扩展报头，这样使MN在家乡注册的同时也能够把QoS请求带到中间的各路由器，使得MN在布告其转交地址的同时完成了资源预留。一定程度上缩短了切换后建立资源预留的时间，减少了在切换切换过程中失去QoS保障的报文数，提高了服务质量。

5 结束语

IPv6对移动性提供了内在的支持，被认为是新一代Internet和构建移动信息平台的重要基石，但移动环境中的实时业务也对QoS提出了更高得要求。本文对移动IP中QoS的几种解决方案作了比较，分析了几种改进方案。目前，许多研究机构都致力于这些关键技术的研究。相信不久的将来，移动IPv6 将为移动互联网开拓一个全新的领域，成就网络明天。

参考文献：

[1]James D.solomon.裘晓峰.等.译.移动IP[M].机械工业出版社,2000.

[2]silvia Hagen.技桥.译.IPv6精髓[M].清华大学出版社,2004.

[3]Martin Karsten.Experimental Extension to RSVP-Remote Client an One-Pass Signalling.IWQoS,2001.

[4]Talukdar,B Badrinath,et al.MRSVP:A resource reservation protocol for an integrated services network with mobile hosts . Wireless Networks,2001,7(1):5-19.

[5]A.Terzis,M.Srivastava,L.Zhang,A Simple QoS Signaling Protocol for Mobile Hosts in the Integrated Services Internet, INFOCOMM,May 1999.

[6]蒋亮,郭健.下一代网络移动IPv6技术[M].机械工业出版社,2005.

[7]IETF Draft-2002. HMIPv6 Mobility Management.

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