网络层(八)：移动IP协议

1、移动IP协议的基本概念

　　Internet中每台主机都被分配唯一的IP的地址，或者被动态分配一个IP地址。IP地址是由网络号与主机号组成，IP地址标识一台主机连接网络的网络号，标识出自己的主机号，明确的标识出他所在的地址位置。

　　Internet主机之间数据分组传输的路由都通过网络号来决定。路由器根据分组目的IP地址，通过查找路由表来决定转发端口。

　　移动主机是指从一个链路移动到另一个链路或者一个网络移动到另一个网络的主机或路由器。

　　移动IP主机也简称为移动主机，当移动主机在不同的网络或在不同的传输介质之间移动时，随着接入位置的变化，接入点会不断改变。最初分配给它的IP地址已不能表示它目前所在的网络位置，若用原来的IP地址，路由选择算法已不能为移动主机提供正确的路由服务。

　　在不改变现有IPv4协议的条件下，解决这个问题只有两种可能：一是每次改变接入点时也随着改变它的IP地址；而是改变接入点时不改变IP地址，而是整个Internet中加入该主机的特定主机路由。基于这种考虑，提出两种基本的方案：第一种方案是在移动主机每次每次变换位置时，不断改变它的IP地址；第二种方案是根据特定的主机地址进行路由选择。

　　比较两种基本方案时，可以发现二者都有重大的缺陷。第一种方案的主要缺点是不能保持通信的连续性，特别是当移动主机在两个子网之间漫游时，由于它的地址不断在变化，将导致移动主机无法与其他主机通信。第二种方案的主要缺点是路由器将对移动主机发送的每个数据分组都要进行路由选择，路由表将急剧膨胀，路由器处理特定路由的负荷加重，不能满足大型网络的要求。

2、移动IP协议的设计目标与主要特征

2.1、移动IP的设计目标

　　移动IP的设计目标是：移动主机在改变接入点时，无论是在不同的网络之间，或者是在不同的物理传输介质之间移动时，都不必改变其IP地址，可以在移动过程中保持已有通信的连续性。

　　移动IP的研究是要解决支持移动主机IP分组转发的网络层协议问题。

移动IP的研究主要解决以下问题：

　　1、移动主机可以通过一个永久的IP地址，连接到任何链路上；

　　2、移动主机在切换到新的链路上时，仍然能够保持与通信对端主机的正常通信。

2.2、移动IP协议的基本特征

作为网络层的一种协议，移动IP协议应该具备以下特征：

　　1、移动IP协议要与现有的Internet协议兼容；

　　2、移动IP协议与底层所采用的物理传输介质类型无关；

　　3、移动IP协议对传输层及以上的高层协议是透明的；

　　4、移动IP协议应该具有良好的拓展性、可靠性和安全性。

3、移动IP协议的结构与基本术语

3.1、移动IP的结构

　　移动IP4个功能实体：移动主机、家乡代理、外地代理与通信对端。

3.1.1、移动结点(mobile node)

　　移动结点是指从一个链路移动到另一个链路的主机或路由器。移动结点在改变网络接入点之后，可以不改变其IP地址，继续与其他结点通信。

3.1.2、家乡代理(home agent)

　　家乡代理是指移动节点的家乡网络连接到Internet的路由器，当移动主节点机离开家乡网络时，它负责把发送到移动结点的分组通过隧道，转发到移动结点，并且维护移动结点当前的位置信息。

3.1.3、外地代理(foreign agen)

　　外地代理是指移动结点所访问的外地网络连接到Internet的路由器。它接收移动结点的家乡代理通过隧道发送给移动结点的分组，为移动结点发送的分组提供路由服务。家乡代理与外地代理统称为移动代理。

3.1.4、通信对端

　　通信对端是指移动结点在移动过程中与之通信的结点，可以是一个固定结点，也可以是一个移动结点。

3.2、移动IP的基本术语

　　常用基本术语有：家乡地址、转交地址、家乡网络、外地链路、移动绑定等。

3.2.1、家乡地址(home address)

　　家乡地址是指家乡网络为每个移动结点分配的一个长期有效的IP地址。

3.2.2、转交地址(care-of address)

　　转交地址是指当移动结点接入一个外地网络时，被分配的一个临时的IP地址。

3.2.3、家乡网络(home network)

　　家乡网络是指为移动结点分配长期有效的IP地址的网络。目的地址为家乡地址的IP分组，将会以标准的IP路由机制发送到家乡网络。

3.2.4、家乡链路(home link)

　　家乡链路是指移动结点在家乡网络时接入的本地链路。

3.2.5、外地链路(foreign link)

　　外地链路是指移动结点在访问外地网络时接入的链路。

　　家乡链路与外地链路比家乡网络与外地网络更精确的表示出移动结点所接入的位置。

3.2.6、移动绑定(mobility binding)

　　移动绑定是指家乡网络维护移动结点的家乡地址与转发地址的关联。

3.2.7、隧道(tunnel)

　　家乡代理通过隧道将发送给移动结点的IP分组转发到移动结点，隧道的一端是家乡代理，另一端通常是外地代理，也有可能是移动结点。

隧道传输移动结点的IP分组示意图：

　　

　　原始IP数据分组是从家乡代理准备转发到移动结点，它的源IP地址为该IP分组的主机结点，目的IP地址为移动结点的IP地址。家乡代理路由器在转发之前需要加上外层报头。

　　外层报头的源IP地址为隧道入口的家乡代理的地址，目的IP地址为隧道出口的外地代理的地址。

　　在隧道传输过程中，中间的路由器看不到移动结点的家乡地址。

4、移动IPv4协议的基本工作原理

　　移动IPv4的工作过程大致可分为4个阶段：代理发现、注册、分组路由与注销。

4.1、代理发现

　　代理发现(agent discovery)是通过拓展ICMP路由发现机制来实现。定义"代理通告"和"代理请求"两种报文。

移动IP代理的发现机制如下：

　　

　　移动代理周期性发送代理通知报文，或未响应移动结点的代理请求而发送代理通告报文。移动结点在接收到代理通告报文后，判断它是否从一个网络切换到另一个网络，是在家乡网络还是在外地网络。在切换到外地网络时，可以选择使用外地代理提供的转交地址。

4.2、注册

4.2.1、注册的概念

　　移动结点到达新的网络之后，通过注册过程将自己的可达信息通知家乡代理。注册过程涉及移动结点、外地代理和家乡代理。通过交换注册报文，在家乡代理上创建或修改"移动绑定"，使家乡代理在规定的生存期内保持移动结点的家乡地址与转发地址的关联。

通过注册过程可以达到以下目的：

　　·使移动结点获得外地代理的转发服务；

　　·使家乡代理直到移动结点当前的转发地址；

　　·家乡代理更新迹象过期的移动结点的注册，或注销回到家乡的移动结点。

　　注册过程可以使移动结点在未配置家乡地址的时候，发现一个可用的家乡地址；维护多个注册，使数据分组能通过隧道，被复制、转发到每个活动的转发地址；在维护其他移动绑定的同时，注销某个特定的转发地址；当它不知道家乡代理地址的时候，通过注册过程找到家乡地址。

4.2.2、注册过程

　　移动IPv4为移动结点到家乡代理的注册定义两个过程：一种过程是通过外地代理转发移动主机注册请求，另一种过程是移动结点直接到家乡代理上注册。

通过家乡代理转发注册请求的过程示意图：

　　

通过外地代理注册需要经过以下步骤：

　　1、移动结点发送注册请求报文到外地代理，开始注册过程；

　　2、外地代理处理注册请求报文，然后将它转发到家乡代理；

　　3、家乡代理给外地代理发送注册应答报文，同意(或拒绝)请求；

　　4、外地代理接收注册应答报文，并将处理结果告知移动结点。

移动结点直接到家乡代理注册过程的示意图：

　　

移动主机直接到家乡代理注册需要经过以下两步：

　　1、移动结点给家乡代理发送注册请求报文；

　　2、家乡代理向移动结点发送一个注册应答，同意(或拒绝)请求；

具体采用哪种方法注册，需要按照以下规则来决定：

　　1、若移动结点使用外地代理转发地址，则它必须通过外地代理进行注册；

　　2、若移动结点使用配置转交地址，并从当前使用转发地址的链路上收到外地代理的代理通报报文，该报文的"标志位-R(需要注册)"被置位，则它必须通过外地代理进行注册；

　　3、若移动结点转发时使用配置转交地址，则它必须到家乡代理进行注册。

4.3、分组路由

移动IP的分组路由可以分为单播、广播与多播三种情况来讨论。

4.3.1、单薄分组路由

1.1、移动结点接收单播分组

　　

　　在移动IPv4中，与移动结点通信的节点使用移动结点的IP地址所发送的数据分组，首先会被传送到家乡代理。家乡代理判断目的主机已经在外地网络访问，它会利用隧道，将数据分组发送到外地代理；由外地代理最后发送给移动主机。

1.2、移动发送单播分组

　　移动结点发送单播分组由两种方法：一种方法是通过外地代理路由到目的结点；另一种方法是通过家乡代理转发。

通过外地代理路由到目的结点：

　　

　　通过家乡代理转发到目的结点：

　　

4.3.2、广播分组路由

　　一般情况下，家乡代理不将广播数据分组转发到移动绑定列表中的每个移动结点。如果移动结点已请求转发广播数据分组，则家乡将采取"IP封装"的方法实现转发。

4.3.3、多播分组路由

3.1、移动结点接收多播分组

　　移动结点接收多播分组由两种方法：

　　

　　一种方法是移动结点通过多播路由器加入多播组。

　　

　　另一种方法是通过和家乡代理之间建立双向隧道加入多播组，移动结点将IMGP报文通过反向隧道发送到家乡代理，家乡代理通过隧道将多播分组发送到移动结点。

3.2、移动主机发送多播分组

　　移动结点发送多播分组有两种方法：

　　

　　一种方法是移动结点通过多播路由器发送多播组。

　　

　　另一种方法是先将多播分组发送到家乡代理，家乡代理再将多播分组转发出去。

4.4、注销

　　若移动已经回到家乡网络，则它需要到家乡代理进行注销(deregistration)。

4.5、移动IPv4协议中移动结点和结点主机的基本操作

　　移动IPv4中移动结点与通信结点的基本操作示意图：

　　

在移动IPv4中，移动结点和通信结点的基本操作，可以分为以下几步：

　　1、移动结点可以向当前访问的外地网络发送"代理请求"报文，以获得外地代理返回的"代理通告"报文；外地代理(或家乡代理)也可以通过"代理通告"报文，通知它所访问的当前网络的外地代理信息。移动结点在接收到"代理通告"报文后，确定它是在外地网络上。

　　2、移动结点将获得一个"转交地址"。如果它是通过"代理通告"报文获得"转交地址"，则这个地址称为"外地代理转交地址"(foreign agent card-of address)；如果它是通过主机配置协议DHCP获得"转交地址"，则这个地址称为"配置转交地址"(co-located care-of address)。

　　3、移动结点向家乡代理发送"注册请求"报文，接收"注册应答报文"，注册它获得的"转交地址"。

　　4、家乡代理截获发送到移动结点家乡地址的数据分组。

　　5、家乡代理通过隧道，将截获的数据分组按照"转交地址"发送给移动结点。

　　6、隧道的输出端将收到的数据分组拆包后，转交给移动结点。

　　7、在完成以上步骤后，移动结点已直到通信对端的地址。可以将通信对端的地址作为目的地址、转交地址作为源地址，与对方按正常的IP路由机制进行通信。