ay: block;">
移動(dòng)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)間移動(dòng)時(shí),其IP地址必須適應(yīng)移動(dòng)性的要求；另一方面,由于應(yīng)用系統(tǒng)需要恒定的IP地址,移動(dòng)IP也必須滿足其對(duì)地址固定性的要求。兩者之間的矛盾可以通過為每個(gè)設(shè)備分配本地地址和轉(zhuǎn)發(fā)地址加以解決,本文從移動(dòng)性問題、移動(dòng)IP的工作原理以及DHCP等方面闡述了移動(dòng)IP面臨的問題及其解決方案。
互聯(lián)網(wǎng)分級(jí)路由數(shù)據(jù)包的特性阻礙了漫游設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng),而移動(dòng)IP協(xié)議正是直接解決這個(gè)難題的有效方法。網(wǎng)絡(luò)連接對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要,包含互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在內(nèi)的常用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須在連接之前確定其不同的適用規(guī)模,這些要求也迫使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員尋求一套新的設(shè)計(jì)技巧。此外,還必須迅速滿足網(wǎng)絡(luò)協(xié)議要求。
嵌入式系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)的常規(guī)方式與其他設(shè)備(從大型計(jì)算機(jī)到PC機(jī))接入網(wǎng)絡(luò)的方式完全相同。目前接入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)目可能已超過互聯(lián)網(wǎng)的最初地址容量,但由網(wǎng)絡(luò)地址翻譯(NAT)實(shí)現(xiàn)的地址空間局域化和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議版本6(IPv6)提供的更多編址已使得上述問題迎刃而解。類似地,像動(dòng)態(tài)主機(jī)控制協(xié)議(DHCP)這樣的協(xié)議也極大地簡化了設(shè)備配置。目前嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)支持正在順利地建設(shè)。
只要所有的節(jié)點(diǎn)靜止不動(dòng),TCP/IP系列協(xié)議就能很好地工作。IP的分級(jí)尋址方案依賴于下述假設(shè):一旦網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)指定點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包,數(shù)據(jù)包就停留在該處。這個(gè)假設(shè)不僅適用于服務(wù)器,還適用于PC機(jī),甚至包括筆記本電腦,因?yàn)楣P記本電腦在移動(dòng)時(shí)通常需要斷電。到達(dá)新目的地后,這些設(shè)備即可通過新的初始化過程(最好由DHCP自動(dòng)執(zhí)行)獲得新的地址。
無線通信帶來了新的挑戰(zhàn)。如果聯(lián)網(wǎng)的嵌入式設(shè)備可以移動(dòng)并且必須保持連接狀態(tài),那么又該如何處理呢？本文將分析移動(dòng)系統(tǒng)特殊尋址的TCP/IP擴(kuò)展。移動(dòng)IP的設(shè)計(jì)基于這樣的思想:在尋址分級(jí)結(jié)構(gòu)固定位置處的固定虛擬網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施應(yīng)用,盡管現(xiàn)實(shí)中用戶可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)地游離于該地理位置之外。移動(dòng)IP可使地鐵上甚至起居室中的用戶看來好像工作在辦公室中央。這些設(shè)置之間的轉(zhuǎn)換對(duì)用戶而言應(yīng)當(dāng)是透明的。
移動(dòng)性問題
TCP/IP的尋址方案能有效的分配信息傳輸,IP地址由網(wǎng)絡(luò)地址和節(jié)點(diǎn)地址組成。這樣骨干網(wǎng)可將信息傳送至適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò),而局域路由則能負(fù)責(zé)“最后一公里”處理,將數(shù)據(jù)包傳送至接收終端。
尋址載荷的發(fā)送是雙重的,網(wǎng)絡(luò)地址通常作為一類可由骨干網(wǎng)指定的路由實(shí)體加以管理的網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行處理,這類地址通常可作為分配給指定ISP的子網(wǎng)。這樣互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)上的路由表就可以在指定ISP的范圍內(nèi)大批量傳輸帶有網(wǎng)絡(luò)地址的數(shù)據(jù)包。
ISP完全可以對(duì)地址進(jìn)行更為詳盡的分析,經(jīng)過這一級(jí)路由,數(shù)據(jù)包通常至少發(fā)送至確實(shí)接收該數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)。ISP經(jīng)營的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都具有一個(gè)說明如何到達(dá)該網(wǎng)絡(luò)的路由入口。由于ISP只關(guān)心所管理的網(wǎng)絡(luò),因此這些路由表比骨干網(wǎng)服務(wù)器管理的路由表要小得多。
一旦數(shù)據(jù)包到達(dá)網(wǎng)絡(luò),通常被直接發(fā)送至接收該數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)。這項(xiàng)工作需要另一級(jí)路由表完成,這級(jí)路由表具有符合網(wǎng)絡(luò)地址要求的所有節(jié)點(diǎn)的列表。
只要用戶不移動(dòng)或者移動(dòng)的范圍不是很大,那么該方案還是行之有效的。只要一個(gè)節(jié)點(diǎn)停留在某個(gè)指定的網(wǎng)絡(luò)地址,那么只有局域網(wǎng)關(guān)才能找到該地址。如果網(wǎng)關(guān)處理的是無線網(wǎng)絡(luò),那么用戶就可在半徑約為300英尺的范圍內(nèi)移動(dòng)。這能解決許多公司的辦公室通信問題,但必須在規(guī)定的范圍以內(nèi)。如果用戶突然切換至不同的無線網(wǎng)絡(luò)集線器或者甚至不同的無線協(xié)議(例如GPRS),那么移動(dòng)設(shè)備就將處于不同的網(wǎng)絡(luò),而其節(jié)點(diǎn)地址則不再有效。
筆記本電腦通常要求用戶重新啟動(dòng)來解決上述問題。但這并非筆記本電腦所需解決的主要問題,因?yàn)橛脩粼谝苿?dòng)時(shí)很少運(yùn)行筆記本電腦。一旦筆記本電腦到達(dá)目的地,即可重新啟動(dòng),并從該位置處的網(wǎng)絡(luò)獲得新分配的節(jié)點(diǎn)地址。
這畢竟還會(huì)帶來些許麻煩。筆記本電腦需要接入公司的本地資源,由于發(fā)現(xiàn)是從外地進(jìn)行訪問,因而無法接入這些資源。正是上述問題導(dǎo)致了虛擬專用網(wǎng)(VPN)的出現(xiàn),VPN允許設(shè)備從外地接入網(wǎng)絡(luò),就好像該設(shè)備直接駐留在指定網(wǎng)絡(luò)上。上述描述可以參見圖1。
只要強(qiáng)制設(shè)備進(jìn)行初始化循環(huán),就能很好地完成上述操作。分層結(jié)構(gòu)中的新位置在初始化循環(huán)中建立,而設(shè)備應(yīng)用系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換不穩(wěn)定狀態(tài)。
漫游設(shè)備則要復(fù)雜得多,人們通常期望移動(dòng)設(shè)備要么總是保持連接,要么具有最小的啟動(dòng)時(shí)間,這些期望都使得擴(kuò)展初始化序列的驗(yàn)證變得復(fù)雜。如果設(shè)備還支持?jǐn)U展功能,那么必須能動(dòng)態(tài)協(xié)商連接的變化,使得應(yīng)用系統(tǒng)呈現(xiàn)出恒定連接和一致連接。這就是移動(dòng)IP所做的工作。
移動(dòng)IP的工作原理
移動(dòng)IP的基本概念非常簡單。由于移動(dòng)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)間移動(dòng)時(shí),其IP地址肯定會(huì)發(fā)生變化,因此移動(dòng)IP必須適應(yīng)這項(xiàng)要求。另外由于應(yīng)用系統(tǒng)需要恒定的IP地址,移動(dòng)IP也必須滿足這項(xiàng)要求。兩者間明顯的矛盾可以通過為每個(gè)設(shè)備分配兩個(gè)分離的地址加以解決。
首先是本地地址,這是設(shè)備的物理地址,駐留在本地網(wǎng)絡(luò)的地址空間中。本地地址由本地網(wǎng)絡(luò)本身分配(通過DHCP或其他一些機(jī)制)并在設(shè)備中長期存在。對(duì)于應(yīng)用系統(tǒng),本地地址即為設(shè)備的IP地址。
其次是轉(zhuǎn)發(fā)地址,隨著用戶穿越數(shù)個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連接范圍,轉(zhuǎn)發(fā)地址可能不時(shí)地發(fā)生變化。對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議,轉(zhuǎn)發(fā)地址即為設(shè)備的目的地址。
最后,還有一點(diǎn)值得進(jìn)一步研究。互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該怎樣才能跟上在不同網(wǎng)絡(luò)間飛速穿越的移動(dòng)設(shè)備？關(guān)鍵在于骨干網(wǎng)的路由協(xié)議只關(guān)注IP地址的網(wǎng)絡(luò)地址部分,而節(jié)點(diǎn)地址只適用于本地網(wǎng)絡(luò)。新的轉(zhuǎn)發(fā)地址在分配給移動(dòng)設(shè)備的同時(shí),也分配給新網(wǎng)絡(luò),而該網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)跟蹤移動(dòng)設(shè)備。
使上述機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)的新部件源自本地網(wǎng)絡(luò)。任何發(fā)送至移動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)包將首先路由至本地網(wǎng)絡(luò),因?yàn)檫@是網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備本地地址的規(guī)定。一種稱為本地代理的新實(shí)體將出現(xiàn)在支持移動(dòng)IP的網(wǎng)絡(luò)中。
本地代理負(fù)責(zé)截取發(fā)送至當(dāng)前不在本地網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)設(shè)備的任何數(shù)據(jù)包,之后再將這些數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至設(shè)備的當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)地址。本地代理將收到的數(shù)據(jù)包打包在另一個(gè)帶有轉(zhuǎn)發(fā)地址的數(shù)據(jù)包中,該數(shù)據(jù)包再發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng),路由協(xié)議將確保數(shù)據(jù)包抵達(dá)臨時(shí)為該移動(dòng)設(shè)備服務(wù)的網(wǎng)絡(luò),這個(gè)網(wǎng)絡(luò)稱為外地網(wǎng)絡(luò)。
一旦數(shù)據(jù)包抵達(dá)外地網(wǎng)絡(luò),該數(shù)據(jù)包仍必須到達(dá)移動(dòng)設(shè)備。路由的最后一大難題可由一種稱為外地代理的新實(shí)體加以解決。外地代理拆封數(shù)據(jù)包,并經(jīng)由本地地址發(fā)送至實(shí)際設(shè)備,本地地址與無線設(shè)備的硬件目的地址關(guān)聯(lián)。當(dāng)數(shù)據(jù)包抵達(dá)設(shè)備,將被作為尋址正確的數(shù)據(jù)包加以接收；然后經(jīng)由TCP/IP協(xié)議棧傳送至相關(guān)的應(yīng)用軟件。
圖2描述了數(shù)據(jù)包路由至移動(dòng)設(shè)備的工作原理,該移動(dòng)設(shè)備正連接在一個(gè)并非本地網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)上。
進(jìn)一步的闡述
下面的描述忽略了手工設(shè)置操作技巧的細(xì)節(jié),數(shù)據(jù)包路由過程包括的事件序列為:1. 移動(dòng)設(shè)備進(jìn)入新的無線網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)設(shè)備通過任何適當(dāng)?shù)膮f(xié)議與網(wǎng)絡(luò)協(xié)商物理連接。2. 移動(dòng)設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)上的外地代理。移動(dòng)設(shè)備向外地代理發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)包,該數(shù)據(jù)包中指示了移動(dòng)設(shè)備的本地地址和正確的本地代理地址。3. 外地代理與本地代理的通信。如果請(qǐng)求被認(rèn)定為有效,本地代理記錄移動(dòng)設(shè)備的新轉(zhuǎn)發(fā)地址,并向外地代理發(fā)送一個(gè)接收確認(rèn)信號(hào)。4. 外地代理協(xié)調(diào)新分配的轉(zhuǎn)發(fā)地址和用于通過路由表到達(dá)移動(dòng)設(shè)備的物理地址。
上述步驟允許數(shù)據(jù)包抵達(dá)移動(dòng)設(shè)備,但來自移動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)包又該如何處理呢？顯然最簡單的處理方法是反向執(zhí)行上述步驟,將數(shù)據(jù)包從設(shè)備傳送至外地代理,再傳送至本地代理,再傳送至最終目的地。但通常并不需要這樣,因?yàn)門CP/IP的路由算法并不真正關(guān)心數(shù)據(jù)包的來源,而只關(guān)心數(shù)據(jù)包的發(fā)送方向。因此在大多數(shù)情形中,移動(dòng)設(shè)備可簡單地將數(shù)據(jù)包直接發(fā)送至目的地,并帶有本地地址的返回地址。
該解決方法最吸引人之處在于大部分互聯(lián)網(wǎng)部件不需要改變。與移動(dòng)設(shè)備通信的服務(wù)器不需要進(jìn)行任何特殊處理,也不需要通知移動(dòng)設(shè)備上的大部分協(xié)議棧,除了與外地代理協(xié)商建立轉(zhuǎn)發(fā)地址的那部分協(xié)議棧。
該方案在主流IP尋址中工作良好,但對(duì)于許多已被互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)常使用的其他協(xié)議而言則可能有一些麻煩。下面幾節(jié)將研究其中的一些難題以及移動(dòng)IP的處理方法。
DHCP
DHCP使系統(tǒng)管理員的任務(wù)變得更為簡單,以前需要在網(wǎng)絡(luò)中管理所有的計(jì)算機(jī)并為每臺(tái)計(jì)算機(jī)預(yù)分配唯一的IP地址,這種手工配置進(jìn)程不可避免地會(huì)出現(xiàn)多臺(tái)計(jì)算機(jī)共用同一IP地址的情形。毫無疑問,地址復(fù)用并不是一件好事情。
移動(dòng)計(jì)算的出現(xiàn)進(jìn)一步強(qiáng)化了這一點(diǎn)。維護(hù)一組相對(duì)不能移動(dòng)的桌面電腦已經(jīng)夠困難了,而為計(jì)算機(jī)設(shè)備更新地址空間則更為復(fù)雜,因?yàn)檫@些設(shè)備可能在一小時(shí)以內(nèi)反復(fù)進(jìn)出同一網(wǎng)絡(luò)。
因此,DHCP(或其它的自動(dòng)地址分配形式)對(duì)于移動(dòng)IP的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。顯然外地代理可實(shí)現(xiàn)這種功能,因?yàn)橥獾卮碜罱K具有為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分配轉(zhuǎn)發(fā)地址的功能。盡管還存在另一問題,即與DHCP服務(wù)器相反,外地代理需要將許多可被這個(gè)實(shí)體處理的地址進(jìn)行分割。這樣的地址分割會(huì)在指定的網(wǎng)絡(luò)中降低地址使用的靈活性。總之,由單個(gè)中央DHCP服務(wù)器處理地址分配是完全可取的。
這樣的話,問題又在何處呢？顯然DHCP應(yīng)具備為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分配地址的能力,就像為固定節(jié)點(diǎn)分配地址一樣。一般說來,移動(dòng)IP對(duì)DHCP的地址分配操作是透明的。
總體而言這是正確的。但又有另一問題浮出水面,即通常與地址相關(guān)聯(lián)的租用時(shí)間。如果DHCP為每個(gè)地址分配的租用時(shí)間為一天或更多,那么公共位置的DHCP服務(wù)器就像一個(gè)迅速耗盡的地址池(pool of address)的塊區(qū)。遺憾地是,適用于典型移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的租用時(shí)間對(duì)于固定系統(tǒng)實(shí)在是太短了。
解決這個(gè)問題的方法是為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)建立分離的DHCP服務(wù)器。這允許在適合于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間間隔內(nèi)建立移動(dòng)租用,而處理固定節(jié)點(diǎn)的DHCP服務(wù)器可使用更長的時(shí)間間隔值。這樣,塊區(qū)中的公共服務(wù)器在極端情況下也能工作良好,但必須對(duì)地址空間進(jìn)行分段,因而有可能導(dǎo)致商業(yè)設(shè)置出錯(cuò)。
DHCP在處理復(fù)雜事務(wù)時(shí),可使移動(dòng)IP受益非淺。目前DHCP客戶可獲取IP地址、與DNS服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)地址相關(guān)的信息以及局域網(wǎng)絡(luò)資源。該項(xiàng)功能也可輕易地?cái)U(kuò)展至支持有效本地代理的動(dòng)態(tài)搜索中,但對(duì)于外地代理,則必須通過不同的協(xié)議進(jìn)行搜索,因?yàn)閭魉驮O(shè)備沒有完全連接到本地網(wǎng)絡(luò)。
實(shí)際上DHCP的新選項(xiàng)正好可以完成這項(xiàng)功能,盡管新選項(xiàng)尚未在DHCP軟件中得到充分的傳播。這也是移動(dòng)IP受益于互聯(lián)網(wǎng)其他協(xié)議的幾個(gè)情形之一。
防火墻
防火墻已是目前互聯(lián)網(wǎng)必不可少的配置,它能對(duì)多種網(wǎng)絡(luò)攻擊提供良好的安全防護(hù),因此大多數(shù)商業(yè)網(wǎng)絡(luò)(以及持續(xù)增長的家用系統(tǒng))都帶有防火墻。只要防火墻配置正確,就能使大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)的常規(guī)操作變得相對(duì)透明。但遺憾的是,移動(dòng)IP包含一個(gè)不在常規(guī)之列的操作。
問題在于數(shù)據(jù)包從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的獨(dú)特三角路徑。只要涉及到路由,那么從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包直接發(fā)送至目的地的工作機(jī)制就能很好的實(shí)現(xiàn),但防火墻將認(rèn)為從網(wǎng)絡(luò)中發(fā)出的帶有返回地址的數(shù)據(jù)包是可疑的。實(shí)際上許多防火墻和邊界路由器都實(shí)現(xiàn)了一種稱為入口過濾的特性,入口過濾可阻塞任何呈現(xiàn)可疑特征的數(shù)據(jù)包。
解決方案是回避對(duì)返回至移動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)包所做的多余處理,而只是將其直接發(fā)送至目的地址。經(jīng)過修正,通訊數(shù)據(jù)將被打包并返回至本地代理,代理拆封數(shù)據(jù)包并將其發(fā)送至最終目的地。這個(gè)過程增加了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷,并且顯著增加了本地代理的計(jì)算量,但有助于移動(dòng)IP回避由防火墻干擾引發(fā)的問題。
IPv6
IPv6是IPv4體系結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要修訂,升級(jí)的動(dòng)力與其說源自IP地址的不足,不如說源自地址空間的分片。IPv6的設(shè)計(jì)人員也利用這次升級(jí)機(jī)會(huì)解決了許多困擾IPv4的問題,因此這是一次重大的升級(jí),其中的幾項(xiàng)升級(jí)與移動(dòng)IP相關(guān)聯(lián)。
幾項(xiàng)增強(qiáng)的功能也與移動(dòng)IP協(xié)調(diào)良好。在啟動(dòng)器中,IPv6新增的安全選項(xiàng)對(duì)于本地代理驗(yàn)證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)非常有效。IPv6支持加密的數(shù)據(jù)包,允許本地代理完全信賴來自位于遠(yuǎn)程位置并被本地代理支持的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。
但I(xiàn)Pv6對(duì)外地代理的影響更大一些。實(shí)際上,IPv6完全消除了外地代理,轉(zhuǎn)而支持能取代網(wǎng)絡(luò)搜索協(xié)議的鄰節(jié)點(diǎn)搜索協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)搜索協(xié)議可被移動(dòng)節(jié)點(diǎn)用來連接外地網(wǎng)絡(luò)。另外源節(jié)點(diǎn)路由選項(xiàng)允許本地代理將轉(zhuǎn)發(fā)地址直接指定為任意數(shù)據(jù)包的中間節(jié)點(diǎn)。上述因素以源節(jié)點(diǎn)路由信息的形式,很好地結(jié)合了將更新信息直接傳送至內(nèi)部代理的功能,這樣就不需要外地代理了。
當(dāng)然上述因素的適當(dāng)組合并非偶然。IPv6本身就構(gòu)建在盡可能支持移動(dòng)IP協(xié)議的基礎(chǔ)上,反過來移動(dòng)IP也能順利地升級(jí)至IPv6。因此,移動(dòng)IP將隨其不斷的推廣而獲得更多的應(yīng)用。
過去與未來
今天的互聯(lián)網(wǎng)已迥異于5年前,數(shù)百萬移動(dòng)設(shè)備的加入又將使5年后的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)生翻天覆地的變化?；ヂ?lián)網(wǎng)協(xié)議的技術(shù)設(shè)計(jì)以及根據(jù)需要進(jìn)行修正的請(qǐng)求說明(RFC)過程都已證明這是正確無誤的,這也是IP在完全不同的要求條件下仍然有效的原因所在。
移動(dòng)IP是IP適應(yīng)各時(shí)期需要的一個(gè)典型示例。移動(dòng)IP使專為臺(tái)式電腦所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)了便攜式移動(dòng)設(shè)備的需要,并將在不遠(yuǎn)的將來滿足更小更輕移動(dòng)設(shè)備的需要。隨著這些網(wǎng)絡(luò)需要得到更充分地滿足,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)也將獲得更多的應(yīng)用。
Larry Mittag是無線系統(tǒng)集成商Stellcom公司的首席技術(shù)專家。他在擔(dān)任嵌入式系統(tǒng)編程(Embedded Systems Programming)雜志的編輯時(shí),為該雜志的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。他的聯(lián)系方式是:lmittag@。
