??? 摘 要： 通過移動無線網(wǎng)絡(luò)接入Internet的主機(jī)可能會經(jīng)常變換接入點" title="接入點">接入點,，本文在構(gòu)建一個完整IPv6網(wǎng)絡(luò)模型,，同時通過引入軟切換，有效解決了移動主機(jī)" title="移動主機(jī)">移動主機(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,； 移動網(wǎng)絡(luò)
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1 系統(tǒng)介紹
??? 通過移動無線網(wǎng)絡(luò)連接到Internet的主機(jī)可能會經(jīng)常變換接入點,，這就需要提供一個有效機(jī)制用以保證數(shù)據(jù)包到移動主機(jī)的有效尋址。在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中,，接入點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,。因為切換正變得越來越頻繁,，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),，同時也可以與使用于廣域的通用的移動IPv6（MIPv6：Mobile IPv6）有效協(xié)同[1]，從而共同構(gòu)成廣域的移動IPv6網(wǎng)絡(luò),。
1.1 模型實體
??? (1)CIPv6節(jié)點：構(gòu)成CIPv6網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)元素,，主要功能有兩個：①CIPv6節(jié)點可以在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,。
??? (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,，每個基站周期性地發(fā)射Beacon信號，移動主機(jī)通過這些信號尋找最近的基站,。通常,，所有移動主機(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">最短路徑的方式實現(xiàn)路由，并不考慮目標(biāo)IP,。CIPv6節(jié)點負(fù)責(zé)維護(hù)一個路由緩沖區(qū),，移動主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包在每個節(jié)點的路由緩沖區(qū)中創(chuàng)建并更新一個記錄，每個記錄在映射移動主機(jī)IP的同時還記錄數(shù)據(jù)包來源節(jié)點的IP,。在每個CIPv6節(jié)點緩沖區(qū)中形成的記錄鏈總是對應(yīng)一個特定的移動主機(jī)，下行數(shù)據(jù)也通過這個記錄鏈到達(dá)移動主機(jī),。這個記錄鏈總是對應(yīng)主機(jī)的最新位置,，因為當(dāng)主機(jī)移動時，通過上行數(shù)據(jù)包,，記錄鏈也會隨時被更新,。此外，下行數(shù)據(jù)到移動主機(jī)的路由也由記錄鏈負(fù)責(zé),。為防止記錄鏈超時,，移動主機(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)移動主機(jī)未處于發(fā)送數(shù)據(jù)的激活狀態(tài)時，仍可以接收數(shù)據(jù),，這時CIPv6節(jié)點會維護(hù)一個分頁緩沖區(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)有更長的超時時間,。
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1.3 位置管理和路由
??? CIPv6使用兩個并行的緩沖區(qū)來維護(hù)移動主機(jī)的位置信息,，兩個緩沖區(qū)的操作方式基本相同。當(dāng)移動主機(jī)處于活動狀態(tài),，CIPv6網(wǎng)絡(luò)必須可以管理移動主機(jī)在基站間的移動,，以保證數(shù)據(jù)到達(dá)主機(jī)，所以移動主機(jī)必須隨時向網(wǎng)絡(luò)通報每次切換,。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CIPv6緩沖區(qū)分別對應(yīng)活動主機(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)用以存儲所有移動主機(jī)的位置信息時,，下行數(shù)據(jù)就需要在整個緩沖區(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，每個分頁區(qū)擁有CIPv6網(wǎng)絡(luò)中唯一的ID,。每個基站通過Beacon信號周期性地發(fā)送分頁區(qū)的ID,，從而使移動主機(jī)在跨分頁區(qū)時得到必要的數(shù)據(jù)包。睡眠移動主機(jī)在跨越分頁區(qū)時必須發(fā)送一個分頁更新數(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)點形成分頁緩沖區(qū),，分頁緩沖區(qū)中形成一個記錄對應(yīng)每個睡眠移動主機(jī),。當(dāng)數(shù)據(jù)包下行到CIPv6節(jié)點時，由分頁緩沖負(fù)責(zé)其路由,。如果所到節(jié)點沒有分頁緩沖區(qū),，則數(shù)據(jù)包會繼續(xù)下行到相鄰節(jié)點；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)移動主機(jī)的記錄,，則數(shù)據(jù)包被丟棄,。在整個下行路徑上的節(jié)點可能有分頁緩沖區(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主機(jī)完成。當(dāng)活動主機(jī)靠近一個新的基站時,，它會發(fā)送一個路由更新數(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)時才會發(fā)送分頁更新數(shù)據(jù)包,；當(dāng)在同一個分頁區(qū)中切換基站時,，睡眠主機(jī)不發(fā)送數(shù)據(jù)，因為在一個分頁區(qū)中的分頁緩沖區(qū)都相同,。
2.4 漫游
??? 當(dāng)移動主機(jī)在不同的CIPv6網(wǎng)絡(luò)間漫游時,，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,，使得移動主機(jī)總可以有一個可用基站。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),，每個節(jié)點都將數(shù)據(jù)包發(fā)往與其連接到IPv6網(wǎng)關(guān)的相鄰節(jié)點，相鄰節(jié)點的上行選擇由網(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，通過計算后的手工設(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)一個節(jié)點后,，該數(shù)據(jù)包首先被用以更新到達(dá)節(jié)點的路由緩沖區(qū)和分頁緩沖區(qū),，然后被發(fā)送到上行相鄰節(jié)點。為了更新緩沖區(qū),，節(jié)點會讀取數(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),。兩個緩沖區(qū)都包含IPv6地址、接口,、MAC地址,、呼出時間和時間戳。接口和MAC地址用作下行數(shù)據(jù)的路由,，時間戳用于存放控制數(shù)據(jù)包發(fā)來的時間,，以便明確映射時間。
??? 當(dāng)一個數(shù)據(jù)包由下行連接相鄰節(jié)點發(fā)來時,，節(jié)點首先在路由緩沖區(qū)中查找源IP,，如果路由沒有變化就刷新記錄：呼出時間被刷新為當(dāng)前時間＋路由超時，如果該節(jié)點有分頁緩沖區(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)一個節(jié)點時,，節(jié)點首先檢驗數(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,、呼出時間（當(dāng)前時間＋路由超時）,、時間戳。如果緩沖區(qū)中對應(yīng)IP已經(jīng)存在,，根據(jù)時間戳進(jìn)行判斷,，到來數(shù)據(jù)包時間戳更新時，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)一個節(jié)點從其上行連接節(jié)點收到一個數(shù)據(jù)包時,，節(jié)點首先檢驗路由緩沖區(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)點發(fā)送。如果該節(jié)點有分頁緩沖區(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,，移動主機(jī)會與兩個基站同時通信，這樣下行數(shù)據(jù)仍然可以同時到達(dá)兩個基站,，從而防止數(shù)據(jù)通信的中斷,。為了實現(xiàn)軟切換，移動主機(jī)需要在新基站建立對應(yīng)的路由記錄,，同時繼續(xù)監(jiān)聽舊主機(jī)的下行數(shù)據(jù),。移動主機(jī)通過設(shè)置S標(biāo)志來實現(xiàn)軟切換，節(jié)點通過識別S標(biāo)志,，在數(shù)據(jù)下行時會同時向新基站和舊基站發(fā)送數(shù)據(jù)包,，直到移動主機(jī)向新基站發(fā)送路由更新數(shù)據(jù)包。一旦移動主機(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)移動主機(jī),。為了防止類似問題,，在軟切換時到達(dá)新基站的數(shù)據(jù)包會有一定的延時，這可能導(dǎo)致移動主機(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)備無法實現(xiàn)在監(jiān)聽舊基站的同時向新基站發(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，主機(jī)不向新基站發(fā)送路由更新數(shù)據(jù)包（因為設(shè)備無法實現(xiàn)）,，路由更新數(shù)據(jù)包仍被發(fā)送到當(dāng)前基站,，但這個數(shù)據(jù)包的目標(biāo)IP（下行時的目標(biāo)IP）就是新基站的IP,，這時將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)只有一個網(wǎng)關(guān)時,，這個網(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,，但移動主機(jī)和相關(guān)節(jié)點必須可以判斷使用哪個網(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，不僅可以實現(xiàn)基于移動網(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.