嵌入式環(huán)境下關(guān)于移動性的研究

1 概述

　　支持移動性對于嵌入式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的小型設(shè)備來說是很關(guān)鍵的課題。近年來，有很多關(guān)于移動性方面問題的研究，尤其是嵌入式技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，給移動性帶來更多的應(yīng)用。移動性包括四種模式：終端移動性、會話移動性、個人移動性和服務(wù)移動性。

　　終端移動性是指當(dāng)一臺具有網(wǎng)絡(luò)功能，在路由器、網(wǎng)橋等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中作為一臺主機(jī)的嵌入式小型設(shè)備，在IP子網(wǎng)中移動時，仍然希望能夠接收到發(fā)送給自己的請求和維持原有的會話。

　　會話移動性是指用戶更換終端仍然能夠維持一種媒體會話。例如：用戶可能希望在進(jìn)入辦公室之后將移動手機(jī)正在進(jìn)行的會話轉(zhuǎn)移到PC機(jī)上；或者將一部分會話轉(zhuǎn)移到像放映機(jī)或話筒等視頻和音頻的專有設(shè)備上。

　　個人移動性是指終端用戶能夠在任何地點(diǎn)、任何終端發(fā)起和接收已簽署的電話通信業(yè)務(wù)，以及當(dāng)終端用戶移動時也能被網(wǎng)絡(luò)識別。一個用戶可以通過使用同一個邏輯地址定位在各種不同的終端上。例如尋找用戶Tom，可同時呼叫Tom傳統(tǒng)的PSTN電話、PC機(jī)和無線設(shè)備。

　　服務(wù)移動性是指允許用戶在移動或改變設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商時仍然能夠獲得服務(wù)。例如在VOIP環(huán)境中，用戶可能需要獲得像地址簿、呼叫日志、好友列表、快速呼叫列表等簡單服務(wù)。 　　移動性不僅在于移動的多樣性，而且要求移動的快速性。對于很多要求實(shí)時傳輸?shù)膽?yīng)用，如VOIP，移動過程中快速切換、低響應(yīng)時間以及高帶寬利用率等問題受到更多的關(guān)注。

　　本文主要探討的是移動性在嵌入式環(huán)境下的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。目前在IP網(wǎng)絡(luò)中常用的兩種解決移動性的方案是Mobile IP(在IP層增加移動性)和Mobile SIP(在應(yīng)用層增加移動性)。Mobile IP是IETF標(biāo)準(zhǔn)化組織(Internet Engineering Task Force)為了達(dá)到透明移動性而提出的標(biāo)準(zhǔn)，主要為了達(dá)到當(dāng)移動主機(jī)在IP子網(wǎng)之間移動時隱藏IP地址改變的目的。當(dāng)支持Mobile IP的主機(jī)移動到外地子網(wǎng)后仍然保持原有的家鄉(xiāng)地址，利用家鄉(xiāng)代理建立一條從家鄉(xiāng)子網(wǎng)到移動主機(jī)的路由問題，這樣保持了傳輸層連接的完整性。然而，Mobile IP的這種機(jī)制帶來了“三邊路由”的問題，發(fā)往移動主機(jī)的報文需要通過家鄉(xiāng)代理轉(zhuǎn)發(fā)，同時，移動主機(jī)發(fā)出的報文可以直接到達(dá)目的地。為了減少“三邊路由”帶來的響應(yīng)延時，Mobile IP標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展了路由優(yōu)化協(xié)議，通過發(fā)送更新綁定來告訴發(fā)送方移動主機(jī)真正的地址。但這種方法存在一些限制，在后面的內(nèi)容中將具體分析。

　　SIP（會話初始協(xié)議）也是IETF標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的一套信令協(xié)議。它是應(yīng)用層的信令控制協(xié)議，被用來在通信設(shè)備、媒體網(wǎng)關(guān)、媒體服務(wù)器之間建立不同種類的對話，可以初始、管理和終止分組網(wǎng)絡(luò)中的不同種類的會話。這些會話可以是多方會話，也可以是承載多種媒體的會話（特別是音頻和視頻等）。

2 Mobile IP

2.1實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

　　實(shí)驗(yàn)的軟件基礎(chǔ)是lwip協(xié)議棧。lwip是一個輕量級的TCP/IP協(xié)議棧（Lightweight TCP/IP Stack），最初是瑞士計算機(jī)科學(xué)學(xué)院Adam Dunkels編寫的一個應(yīng)用于無操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中的TCP/IP協(xié)議棧。

　　實(shí)驗(yàn)的硬件基礎(chǔ)是一個基于三星S3C4510芯片的單板系統(tǒng)，配備了512 KB的閃存作為程序存儲器，4 MB的DRAM用來存放數(shù)據(jù)。S3C4510芯片內(nèi)部集成了以太網(wǎng)絡(luò)接口的MAC功能，外接了1片DM9131作為PHY控制芯片。

2.2實(shí)現(xiàn)示例

　　Mobile IP協(xié)議通過在移動主機(jī)和家鄉(xiāng)代理間的隧道機(jī)制提供了一個對其他主機(jī)透明的路由機(jī)制，使移動主機(jī)和其他主機(jī)通信時，其他主機(jī)感覺不到移動主機(jī)的位置變化。圖1是Mobile IP的一個示例。假設(shè)客戶機(jī)CH與移動主機(jī)MH正在相互發(fā)送報文，而且移動主機(jī)能夠通過DHCP獲得IP地址和解析收到的報文。當(dāng)MH在自己的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)時，CH和MH通過家鄉(xiāng)代理HA發(fā)送報文；當(dāng)MH移動到外部網(wǎng)絡(luò)192.168.143.208時，將尋找外部代理（FA），通過DHCP獲得新的地址19216814366，同時將FA的地址通過向HA注冊的方式通知HA,當(dāng)HA收到MH的注冊報文后，在MH和HA之間將建立隧道，所有CH發(fā)向原MH位置的報文將被HA封裝發(fā)往FA，進(jìn)而解封發(fā)給MH的新地址。圖1中，實(shí)線表示CH發(fā)往MH新地址的路由，虛線表示MH發(fā)向CH的路由。

2.3實(shí)驗(yàn)分析

　　Mobile IP的隧道機(jī)制雖然實(shí)現(xiàn)了透明移動性的功能，但仍然有以下弊端：

① 從圖1中可以看出，通過HA轉(zhuǎn)發(fā)的報文增加了報文的傳輸延時。計算延時的公式為Δt=tCH-HA+tencapsulation+tHA-FA+tdecapsulation-tCH-FA有研究[1]表明，假定在校園距離范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)，使用Mobile IP可能增加45%的響應(yīng)延時。這個延時值的計算根據(jù)Mobile IP的實(shí)現(xiàn)不同，HA和FA的性能以及不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和實(shí)體間的不同距離值會有所不同。但在實(shí)時傳輸?shù)膽?yīng)用中，延時對性能的影響較大。

② 隧道機(jī)制增加了報文頭部的負(fù)荷，IPinIP的封裝方式使得一個IP報頭需要20字節(jié)。

　　為了減小延時，Mobile IP標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展了路由優(yōu)化協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[2]，通過發(fā)送更新綁定來告訴CH移動主機(jī)真正的地址，這樣，CH就可以繞過HA直接將報文發(fā)到MH所在的外部網(wǎng)絡(luò)。但這種方案同樣存在如下問題：

① 要實(shí)現(xiàn)Mobile IP的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，需要對標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議棧進(jìn)行修改，這對于標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性提出了更高的要求；

② 發(fā)送方必須有個進(jìn)程一直在監(jiān)聽434端口接收更新綁定報文；

③ 擴(kuò)展優(yōu)化協(xié)議規(guī)定只有HA才能發(fā)送更新綁定報文，所以CH在找到MH真正的位置之前有一段額外的延時;

④ 擴(kuò)展優(yōu)化協(xié)議定義了綁定警告和更新等，來幫助完成更新綁定的過程，但這不是強(qiáng)制的，也就是說，很多主機(jī)可能并不支持這樣的功能。