浅析主机移动技术的现状及开发思路

浅析主机移动技术的现状及开发思路

　通信技术的进步使得各种无线传输网络（如蜂窝网络和卫星网络）甚为流行，出现了PCS、PCN、UPT和UMTS等设备和服务。移动无线环境和移动应用具有不同于固定有线环境和固定应用的一些特性，如：无线媒体面临路径丢失（path loss）、衰弱（fading）、干扰（interference）等问题，会增加通信的延时和链路的误码率（甚至暂时的断链）；资源的不对称性，包括移动主机与固定主机的功率和计算能力的不对称和无线链路与有线链路的带宽资源的不对称；无线网络资源是位置敏（location-sensitive）的，由个人移动和终端移动引起服务移动、资源移动、数据移动以及计算环境移动等。
　　传统的网络体系结构和分层协议功能和性能面临挑战。如在数据链路层，由于无线链路的高误码率、低可用带宽和易于遭受安全攻击而需要新的差错控制技术、压缩技术和链路加密技术；又如传统的网络层协议（如Internet上的IP协议）假设主机的位置是固定的，不支持主机的移动，若要支持主机的移动必须增加新的功能和协议；再如在应用层，主机的移动产生了一些新的中间件服务的需求，需要新的协议支持，如自动配置、服务发现、链路感知和环境感知等。
　　
　　一、目前技术状况
　　
　　国外近年来对移动计算和无线网络环境下协议的研究比较活跃，典型的项目有Monarch（美国Carnegie Mellon大学），Daedalus/BARWAN（美国加州大学伯克利分校），Shoshin（加拿大Waterloo大学），EXODUS（欧盟）等；国际电信联盟（ITU-R和ITU-T）提出了第三代移动通信系统IMT-2000/FPLMTS；Internet工程工作组（IETF）也成立了移动IP和Manet工作组研究和标准化移动/无线网络中的路由问题。
　　在传统的网络协议中，主机地址既是端系统的标识又是路由的依据，如Internet中IP地址分为网络标识和主机标识两部分，路由协议根据分组中目的IP地址的网络标识将该分组转发到相应的子网，当主机移动到另外的子网时，其IP地址与子网标识不再对应，因此如何把分组路由到移动主机（特别是当主机边移动边通信时）是网络协议首先要解决的问题。为了解决在Internet中支持主机移动的问题，IETF提出了移动IP协议，通过在移动主机的本地子网上设立代理来中转发往移动主机的分组，移动主机移动到新的子网时必须向其本地代理注册以通知其当前位置，这种中转方式增加了本地代理及其邻近网络的负担和分组传输的时延；于是卡内基·梅隆大学的Johnson等人提出了移动IP的路径优化扩展，在可能的情况下将分组直接发送到移动主机;为了在主机移动时维护其网络连接的完整性，减少移交（主机移动时路由的改变过程称为移交）的时延和分组的丢失，提出了一些快速移交方案，它们充分利用了移动行为的本地特性从而减少移交时与远程结点的控制信息交互，如层次移交方案和基于多点投递的移交方案。与支持主机移动不同的另一种情况是支持基站（路由器）的移动，这种情况下，随机移动的路由器（和相关主机）通过无线链路连接起来形成一个自治系统，传统的“距离－向量”和“链路－状态”路由算法在这种低网络带宽，高度动态的环境下效率不高，因此提出了一些新的路由算法，如保证无环路的逐跳“距离－向量”算法DSDV，基于“链路倒转”的分布式算法TORA，缓存路由信息的动态源路由算法DSR，以及将DSR和DSDV相结合的AODV算法等，然而这些算法都基于它们各自的假设，在不同的情况下有不同的性能

移动计算和无线网络环境对运输层协议的最大影响是协议的“端－端”性能，如在固定有线网络中分组丢失的主要原因是网络拥挤，当TCP检测到分组丢失时执行拥挤控制和避免算法，减少拥挤控制窗口大小，限制重传；而在移动计算和无线网络环境下，分组丢失的主要原因是链路的高误码率和移交过程，TCP检测到分组丢失时还执行类似的过程，因此降低了网络的吞吐量，影响了“端－端”性能。针对此的改进有：“端－端”方案，如使用选择应答（SACK）来加快重传，或通过显式丢失通知（ELN）来通知发送方分组丢失的原因；“分裂连接”方案，如间接TCP法将一个TCP连接分裂为从发送方到基站和从基站到接收方两个连接；可靠的链路层方案，通过纠错方法来屏蔽无线链路的低质量，如AIRMAIL。
　　
　　二、对策
　　
　　经分析认为，在移动无线网络情况下，主机的移动模式和特征起着很重要的作用，若能根据主机的移动历史预测其未来位置，做到服务预连接和资源预分配，则会显著提高系统的效率。例如在主机移动的情况下，若能预测主机的下一移动位置，则移交的效率将会得到显著的提高；又如在基站移动的情况下，如果移动频率非常快，唯一可行的路由算法就是“泛洪”（flooding）；如果移动频率相当慢，则现有的协议也能满足需要。
　　对于运输层协议的性能问题，上述方案存在两个问题，一是只考虑到分组丢失原因的转移对协议性能的影响，没有考虑其他因素如连接RTT的剧烈变化、链路的带宽和时延不对称对协议性能的影响；二是当用户移动时网络环境变化，影响协议性能的因素也不断变化，因此单一的改进并不能满足所有情况的需要。由XTP协议机制和控制策略相分离认为：移动计算和无线网络环境下的运输层协议也应该采用协议机制和控制策略相分离的方法，协议机制给出完成特定协议过程所需的协议支撑，控制策略关心如何利用协议机制完成满足特定需要的协议过程，当主机在网络中移动时，动态调整控制策略以满足协议性能的需要