嵌入式環(huán)境下關于移動性的研究

1 概述

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

　　終端移動性是指當一臺具有網絡功能，在路由器、網橋等標準設備構成的網絡中作為一臺主機的嵌入式小型設備，在IP子網中移動時，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：用戶可能希望在進入辦公室之后將移動手機正在進行的會話轉移到PC機上；或者將一部分會話轉移到像放映機或話筒等視頻和音頻的專有設備上。

　　個人移動性是指終端用戶能夠在任何地點、任何終端發(fā)起和接收已簽署的電話通信業(yè)務，以及當終端用戶移動時也能被網絡識別。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傳統的PSTN電話、PC機和無線設備。

　　服務移動性是指允許用戶在移動或改變設備和網絡服務提供商時仍然能夠獲得服務。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。 　　移動性不僅在于移動的多樣性，而且要求移動的快速性。對于很多要求實時傳輸的應用，如VOIP，移動過程中快速切換、低響應時間以及高帶寬利用率等問題受到更多的關注。

　　本文主要探討的是移動性在嵌入式環(huán)境下的應用和實現。目前在IP網絡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(在應用層增加移動性)。Mobile IP是IETF標準化組織(Internet Engineering Task Force)為了達到透明移動性而提出的標準，主要為了達到當移動主機在IP子網之間移動時隱藏IP地址改變的目的。當支持Mobile IP的主機移動到外地子網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)子網到移動主機的路由問題，這樣保持了傳輸層連接的完整性。然而，Mobile IP的這種機制帶來了“三邊路由”的問題，發(fā)往移動主機的報文需要通過家鄉(xiāng)代理轉發(fā)，同時，移動主機發(fā)出的報文可以直接到達目的地。為了減少“三邊路由”帶來的響應延時，Mobile IP標準擴展了路由優(yōu)化協議，通過發(fā)送更新綁定來告訴發(fā)送方移動主機真正的地址。但這種方法存在一些限制，在后面的內容中將具體分析。

　　SIP（會話初始協議）也是IETF標準化組織提出的一套信令協議。它是應用層的信令控制協議，被用來在通信設備、媒體網關、媒體服務器之間建立不同種類的對話，可以初始、管理和終止分組網絡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實驗基礎

　　實驗的軟件基礎是lwip協議棧。lwip是一個輕量級的TCP/IP協議棧（Lightweight TCP/IP Stack），最初是瑞士計算機科學學院Adam Dunkels編寫的一個應用于無操作系統的嵌入式系統中的TCP/IP協議棧。

　　實驗的硬件基礎是一個基于三星S3C4510芯片的單板系統，配備了512 KB的閃存作為程序存儲器，4 MB的DRAM用來存放數據。S3C4510芯片內部集成了以太網絡接口的MAC功能，外接了1片DM9131作為PHY控制芯片。

2.2實現示例

　　Mobile IP協議通過在移動主機和家鄉(xiāng)代理間的隧道機制提供了一個對其他主機透明的路由機制，使移動主機和其他主機通信時，其他主機感覺不到移動主機的位置變化。圖1是Mobile IP的一個示例。假設客戶機CH與移動主機MH正在相互發(fā)送報文，而且移動主機能夠通過DHCP獲得IP地址和解析收到的報文。當MH在自己的家鄉(xiāng)網絡時，CH和MH通過家鄉(xiāng)代理HA發(fā)送報文；當MH移動到外部網絡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，進而解封發(fā)給MH的新地址。圖1中，實線表示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實驗分析

　　Mobile IP的隧道機制雖然實現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的網絡，使用Mobile IP可能增加45%的響應延時。這個延時值的計算根據Mobile IP的實現不同，HA和FA的性能以及不同的網絡環(huán)境和實體間的不同距離值會有所不同。但在實時傳輸的應用中，延時對性能的影響較大。

② 隧道機制增加了報文頭部的負荷，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標準擴展了路由優(yōu)化協議標準[2]，通過發(fā)送更新綁定來告訴CH移動主機真正的地址，這樣，CH就可以繞過HA直接將報文發(fā)到MH所在的外部網絡。但這種方案同樣存在如下問題：

① 要實現Mobile IP的擴展標準，需要對標準IP協議棧進行修改，這對于標準化和兼容性提出了更高的要求；

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

③ 擴展優(yōu)化協議規(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 擴展優(yōu)化協議定義了綁定警告和更新等，來幫助完成更新綁定的過程，但這不是強制的，也就是說，很多主機可能并不支持這樣的功能。