嵌入式環(huán)境下關(guān)于移動(dòng)性的研究

1 概述

　　支持移動(dòng)性對(duì)于嵌入式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的小型設(shè)備來(lái)說(shuō)是很關(guān)鍵的課題。近年來(lái)，有很多關(guān)于移動(dòng)性方面問(wèn)題的研究，尤其是嵌入式技術(shù)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，給移動(dòng)性帶來(lái)更多的應(yīng)用。移動(dòng)性包括四種模式：終端移動(dòng)性、會(huì)話(huà)移動(dòng)性、個(gè)人移動(dòng)性和服務(wù)移動(dòng)性。

　　終端移動(dòng)性是指當(dāng)一臺(tái)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(tái)主機(jī)的嵌入式小型設(shè)備，在IP子網(wǎng)中移動(dòng)時(shí)，仍然希望能夠接收到發(fā)送給自己的請(qǐng)求和維持原有的會(huì)話(huà)。

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

　　個(gè)人移動(dòng)性是指終端用戶(hù)能夠在任何地點(diǎn)、任何終端發(fā)起和接收已簽署的電話(huà)通信業(yè)務(wù)，以及當(dāng)終端用戶(hù)移動(dòng)時(shí)也能被網(wǎng)絡(luò)識(shí)別。一個(gè)用戶(hù)可以通過(guò)使用同一個(gè)邏輯地址定位在各種不同的終端上。例如尋找用戶(hù)Tom，可同時(shí)呼叫Tom傳統(tǒng)的PSTN電話(huà)、PC機(jī)和無(wú)線(xiàn)設(shè)備。

　　服務(wù)移動(dòng)性是指允許用戶(hù)在移動(dòng)或改變?cè)O(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商時(shí)仍然能夠獲得服務(wù)。例如在VOIP環(huán)境中，用戶(hù)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(jiǎn)單服務(wù)。 　　移動(dòng)性不僅在于移動(dòng)的多樣性，而且要求移動(dòng)的快速性。對(duì)于很多要求實(shí)時(shí)傳輸?shù)膽?yīng)用，如VOIP，移動(dòng)過(guò)程中快速切換、低響應(yīng)時(shí)間以及高帶寬利用率等問(wèn)題受到更多的關(guān)注。

　　本文主要探討的是移動(dòng)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(dòng)性的方案是Mobile IP(在IP層增加移動(dòng)性)和Mobile SIP(在應(yīng)用層增加移動(dòng)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(dòng)性而提出的標(biāo)準(zhǔn)，主要為了達(dá)到當(dāng)移動(dòng)主機(jī)在IP子網(wǎng)之間移動(dòng)時(shí)隱藏IP地址改變的目的。當(dāng)支持Mobile IP的主機(jī)移動(dòng)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(dòng)主機(jī)的路由問(wèn)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(lái)了“三邊路由”的問(wèn)題，發(fā)往移動(dòng)主機(jī)的報(bào)文需要通過(guò)家鄉(xiāng)代理轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)，移動(dòng)主機(jī)發(fā)出的報(bào)文可以直接到達(dá)目的地。為了減少“三邊路由”帶來(lái)的響應(yīng)延時(shí)，Mobile IP標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展了路由優(yōu)化協(xié)議，通過(guò)發(fā)送更新綁定來(lái)告訴發(fā)送方移動(dòng)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(huì)話(huà)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(lái)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(lèi)的對(duì)話(huà)，可以初始、管理和終止分組網(wǎng)絡(luò)中的不同種類(lèi)的會(huì)話(huà)。這些會(huì)話(huà)可以是多方會(huì)話(huà)，也可以是承載多種媒體的會(huì)話(huà)（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(gè)輕量級(jí)的TCP/IP協(xié)議棧（Lightweight TCP/IP Stack），最初是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院Adam Dunkels編寫(xiě)的一個(gè)應(yīng)用于無(wú)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(gè)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(chǔ)器，4 MB的DRAM用來(lái)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(guò)在移動(dòng)主機(jī)和家鄉(xiāng)代理間的隧道機(jī)制提供了一個(gè)對(duì)其他主機(jī)透明的路由機(jī)制，使移動(dòng)主機(jī)和其他主機(jī)通信時(shí)，其他主機(jī)感覺(jué)不到移動(dòng)主機(jī)的位置變化。圖1是Mobile IP的一個(gè)示例。假設(shè)客戶(hù)機(jī)CH與移動(dòng)主機(jī)MH正在相互發(fā)送報(bào)文，而且移動(dòng)主機(jī)能夠通過(guò)DHCP獲得IP地址和解析收到的報(bào)文。當(dāng)MH在自己的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，CH和MH通過(guò)家鄉(xiāng)代理HA發(fā)送報(bào)文；當(dāng)MH移動(dòng)到外部網(wǎng)絡(luò)192.168.143.208時(shí)，將尋找外部代理（FA），通過(guò)DHCP獲得新的地址19216814366，同時(shí)將FA的地址通過(guò)向HA注冊(cè)的方式通知HA,當(dāng)HA收到MH的注冊(cè)報(bào)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(bào)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(xiàn)表示CH發(fā)往MH新地址的路由，虛線(xiàn)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(dòng)性的功能，但仍然有以下弊端：

① 從圖1中可以看出，通過(guò)HA轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文增加了報(bào)文的傳輸延時(shí)。計(jì)算延時(shí)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(shí)。這個(gè)延時(shí)值的計(jì)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(huì)有所不同。但在實(shí)時(shí)傳輸?shù)膽?yīng)用中，延時(shí)對(duì)性能的影響較大。

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

　　為了減小延時(shí)，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(guò)發(fā)送更新綁定來(lái)告訴CH移動(dòng)主機(jī)真正的地址，這樣，CH就可以繞過(guò)HA直接將報(bào)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(wèn)題：

① 要實(shí)現(xiàn)Mobile IP的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議棧進(jìn)行修改，這對(duì)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(gè)進(jìn)程一直在監(jiān)聽(tīng)434端口接收更新綁定報(bào)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(bào)文，所以CH在找到MH真正的位置之前有一段額外的延時(shí);

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