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计算机移动互联技术及应用的发展状况 字越多越好 最好3000

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  随着信息网络技术快速发展,尤其是一些新型网络技术的不断出现,人们对信息的需求在内容和获取方式上也出现了变化,不再满足于使用固定终端或单个移动终端连接到互联网络上,而是希望运动子网络(如运动中的军队、航天中的飞行器、航行中的轮船、移动中的汽车和火车等运动主体上的网络)或移动终端,以一种相对稳定和可靠的形式,从Internet上运动地获取信息,故而对移动IP、移动网络和移动/无线路由器的研究成为了当前的一个热点。另一方面,IPv6作为下一代互联网的标准,取代现有的IPv4已成为一种可能的趋势。在这种形势下,对下一代IPv6移动/无线网络、路由器和移动IPv6技术的研究显得尤为必要和紧迫。

  后来,IBM的C.Perkins和Y.Rekhter利用现有IP协议的松散源路径也设计了一种移动节点协议。 1994年A.Myles和C.Perkins综合了上述三种移动节点协议,设计出一种新的协议MIP,并由IETF组织发展为现在的Mobile IP 的RFC3344协议。1996年IETF相继公布IPv4的主机移动支持协议规范,包括RFC2002(IP移动性支持)、RFC2003(IP分组到 IP分组的封装)、RFC2004(最小封装协议)、RFC2005(移动IP的应用)和RFC2006(IP移动性支持管理对象的定义)等,初步总结了移动IP的一些前期研究成果,奠定了相关研究的基础。2003年,IETF颁布了移动IPv4的新规范RFC3344,取代了RFC2002。

  与此同时,IETF于2003年针对IP网络移动路由的研究趋势专门设立了四个工作组负责相关的理论研究和协议标准化工作,分别是IPv4移动工作组、IPv6移动工作组、移动IPv6信令和切换优化工作组(MIPv6 signaling and handoff optimization,MIPSHOP)以及网络规模移动工作组(network mobility,NEMO),大大促进了该领域的发展。

  随着IPv6被选为下一代IP网络协议,将移动IPv4的研究成果应用到移动IPv6的协议设计以及IPv6协议的性能改进与完善成为了一个重要研究方面。1996年IETF公布了第一个移动IPv6草案,到2004年初IPv6主机移动协议草案已经发展到了第24号版本,并于2004年6月发布为RFC3775成为第一个移动IPv6的标准。移动IPv6利用了IPv6自动配置、优化的报头和扩展选项,简化了主机移动协议的设计,解决了移动 IPv4人口过滤、三角路由等问题,并降低了网络开销,提高了工作性能。

  (1)现有固定互联网络拓扑结构的理论与协议根本不能满足新型移动互联网络需要

  传统互联网络最初是为数据通信设计的,而网络理论与协议仅仅适应于网络拓扑结构相对固定的互联网络。移动互联网络对路由理论与协议在适应变化性、健壮性、可靠性、服务质量等方面提出了更高的要求,将承载数据、语音、视频等多种业务,这是传统路由理论与协议所不能胜任的。

  这是因为,首先传统互联网络中的关键设备路由器所执行的路由协议主要是基于最长前缀匹配原则路由IP包,在运动主体改变了位置后,这种路由转发方式将导致IP包的错误投递,当移动到新位置时,如果不使用当前网络拓扑许可范围的地址作为源地址,运动主体发送的IP包将由于源地址过滤等因素而无法在网络中传送,即使运动主体通过使用新访问网络上的地址解决了源地址过滤问题,由于网络借助IP地址和端口号识别通信连接,还可能造成通信连接的阻断。其次,尽管目前广泛使用的RIP、 OSPF、BGP等动态路由协议可以适应网络拓扑的局部变化,但由此产生的管理开销以及路由汇聚延迟等问题,对于网络拓扑大规模频繁高速变化、无线连接广泛存在、运动主体处理资源等受限,是移动互联网络根本不能够接受的,乃至无法使用。

  (2)目前移动互联网理论和协议基本上是针对移动终端的,缺乏对运动网络(移动路由器)动态连接的支持,更没有考虑网络拓扑频繁高速改变的问题

  为了提供互联网络的移动性支持,IETF给出了基于IPv4网络的移动IP建议RFC3344,为了克服移动IPv4在地址资源、安全性和路由效率等方面的缺陷,IETF又基于IPv6协议设计了移动IPv6,并相继提出了一系列的草案与标准。这两个版本的移动IP协议都是采用代理和隧道技术,通过设置IP终端当前位置地址与家乡地址的绑定条目来提供移动时收发IP分组的功能,是一个比较典型的面向终端运动的解决方案,显然不适应整个网络动态变化的需求。

  对运动子网中的各个主机分别通过移动IP建立路由,忽视了运动主体是一个相对稳定的集合,不但因分发大量的位置管理消息和为每个终端分别建立独立无线链路造成了资源的浪费,而且在某些通信安全和电磁兼容要求比较苛刻的场合也根本不允许这样做。另外,移动IP仅仅是对传统互联网络的扩展,网络拓扑环境也是相对稳定的,不会影响到目前广泛使用的RIP、OSPF、BGP等路由协议,然而移动互联网实质是动态变化的网络,由于子网或终端集合动态地改变到网络的连接,势必要对上述路由理论与协议进行重大变革,这是现有移动IP根本不能做到的。此外,Ad hoc是在没有无线基础设施的环境中支持单机移动,也不能满足动态变化网络的路由需要。

  移动互联网络是一种新颖的网络理论与技术,链路形式、接入方式、拓扑结构、通信和应用模式与固定网络存在很大的区别,具有不稳定的变化的拓扑结构、承载多媒体业务及大量的无线链路等特点,运动主体既可以是某些网络前缀意义上的子网,也可以是受诸如物理范围等因素约束而形成的在一段时间内相对稳定的终端集合。

  因此不能照搬现有的理论和研究成果,需要针对其网络结构和应用特点做调整甚至是寻找新的替代理论和协议。动态变化网络的路由理论与协议研究将不再局限于寻址转发IP报的概念上,还需要对这种全新的网络做深层次的研究,尤其需要给出有效的体系结构描述理论与方法,解决编址和路由问题,并针对无线链路带宽紧张、性能不稳定以及流量在网络上的分布变化强度大等特点开展可靠性、健壮性、兼容性以及工作效率的研究,要求新路由协议能为动态变化网络提供无缝的、不引入明显延迟和丢包的、低开销的路由支持,不因新协议的运行导致处理瓶颈等。这是一个非常有意义、前瞻性的体系性工作,将形成一套原创性的理论与协议,绝对不是对现有路由协议的简单扩展,对于带动学科发展具有重要意义。

  在设计移动互联网络时,一般需要考虑以下三个基本因素:应用主机集合或运动子网的无线和有线传输技术,连接主机集合和运动子网到互联网的无线技术,用于在主机集合或运动子网与互联网间的分组路由理论与机制等。实际上,以IEEE802.11x系列及蓝牙为代表的无线局域网小范围无线传输技术可以解决第一要素,新一代蜂窝移动无线x以及规划中的IEEE802.20等无线广域网络技术完全可以解决第二要素。而第三要素将有很大的研究空间,并具有相关的技术基础。

  近年来,随着网络技术的发展,新的网络应用层出不穷,例如可视化IP电话会议、网络音/视频广播、多媒体远程教育、运动用户的IP接入和转发等,一对多和多对多的通信方式显得越来越重要,而IP组播正是实现这种通信方式的技术,这意味着IP组播将有巨大的市场需求。寻求和产生新的运动组播理论、协议与技术将是一个新的研究领域。而目前固定网络的组播理论与协议显然无法满足这些新型变化网络的要求。如何适应变化网络的需求,通过运动设备提供 Internet的新服务成为当今国际上互联网研究领域的热点和难点课题之一。

  在大规模、异构、分布、拓扑频繁高速变化的动态变化网络环境下,针对运动主体组成方式复杂、运动行为方式复杂的特点,研究运动主体运动行为模型、地址管理和分配策略以及系统结构组成,是移动互联网络技术发展的基础。

  移动互联网络拓扑体系结构的理论与方法至少应满足以下要求:第一,能体现动态变化网络拓扑频繁改变的特点,适应运动主体复杂的拓扑变化关系。第二,考虑到动态变化网络的特点,具有针对动态变化网络路由协议的启发式或按需建立拓扑关系的支持能力。第三,新理论对于传统网络前缀的拓扑描述方式具有一定兼容性,既对动态变化网络域外呈现一个相对稳定有效的拓扑结构,又有利于域外到域内的路由寻址。第四,鉴于IPv6庞大的地址资源以及结构化、功能化等地址策略,需要重点研究Internet新协议版本下的地址分配和管理理论。

  在研究移动互联网络运动主体组成方式及运动行为方式复杂性和网络可扩展性对路由协议的要求,改善网络性能的路由理论与技术,以及有/无基础支撑网环境下的动态变化网络的基础上,建立和健全移动互联网络的高性能路由协议理论与算法

  动态变化网络所研究的运动主体不仅是主机,还包括由众多位置相对稳定的主机构成的集合或某个前缀限定的子网。拓扑关系大量频繁高速的变化将显著地影响网络流量分布和路由策略的实施,消耗服务器大量的处理和存储资源。运动主体组成方式和运动行为方式的复杂性也要求动态变化网络路由协议的处理能力具有多样性,除要解决子网意义上的动态拓扑路由管理外,还要处理子网内部主机的运动,以及主机在子网间运动时的路由问题等。因此,为了设计出一套有效的路由协议,有必要针对动态变化网络的新特点,归纳当前路由协议理论与技术应用于新环境的不足,并在研究运动主体组成与运动行为模型的基础上,给出动态变化网络环境下路由理论与协议的设计需求。

  应研究既适用于现有IP网络,又能应用于未来动态变化网络的组播理论、算法和技术。研究适应于变化网络的组播动态路由协议理论,从而解决现有固定网络组播技术和移动IP网络组播技术的严重不足和存在的问题,如研究一个动态的变化网络组播分层机制,通过分层机制使变化网络组播路由的管理与维护能够适应运动节点资源有限的特点,并结合变化网络组播代理间的协作机制,提供有可靠性保证的IP组播。在研究优化分层机制的基础上,提出组播组、组播树和组播地址管理问题的解决方法,特别针对变化节点设计快速切换机制、组播路由、组播树的结构与管理协议。组播路由协议的作用在于实现从组播源子网到组播目的子网的有效组播数据报的传单。组播路由结构通常为树的型式,当前存在两种类型的组播树:基于源的最短路径树和共享树。该研究方向的一个重要内容就在于通过分层的移动管理,把节点的运动性与主要的组播转发树分离,从而减少节点的运动对组播树带来的更新,使组播管理机制能够在变化网络中实现。

  由于传统的IP互联网络在最初设计时,仅仅是为静态(或固定)网络设计的,而路由/交换等技术与协议也仅仅适用于静态(或固定)的网络,故此,新一代网络技术,迫切需要研究基于变化(移动或动态)网络的新型网络理论技术与协议。即在IPv6(或更新协议标准)的基础上,进一步研究适用于变化(移动或动态)网络的新路由器(如特定信息元、波长或光路由等)与交换机(如特定信息元、波长交换等)理论与协议规范等。

  考虑到将来“高速大规模无线和移动通信”(如航空、航天和军事方面等)的发展,特别是目前无线(或移动)IP网络,如IP无线x(国内外正在高速发展)、IP无线x(国外正在高速发展,预计产品明年可问世)、IP宽带移动网 IEEE802.20x(近年来,国外刚刚开始学术研究,预计几年后理论初步成熟后,能有产品问世),以及适合于新型的动态(或移动IP)、智能网络等技术的快速发展,很有可能冲击或取代现有的移动(或无线G移动通信等)网络。为此,可适当考虑发展基于IPv6的高/低速无线路由器/交换机设备(国外已有IPv4无线路由器产品),并在此基础上研究更新的(如基于特定信息元、波长等)适合于新型动态(移动)智能网络的高速大规模无线和移动通信理论、系统与设备。

  本文在分析了移动互联网络的研究现状的基础上,对该领域当前存在的问题进行了探讨,并给出了未来技术的发展方向和需要进一步深入研究的领域。针对现有互联网络的理论与协议只能够满足固定网络拓扑结构的特点和当前从终端移动到网络移动等网络拓扑需要频繁改变的需求,提出应研究新的互联网路由理论与协议、研究变化网络的结构特点、研究移动互联网络环境下的组播理论以及研究基于IPv6的无线IP网络理论等观点。

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