1、本科毕业论文（20 届）基于 MobilityFirst 的移动性管理研究所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘 要互联网的发展正处于历史的转折点，随着越来越多的移动和无线设备的出现以及移动应用使用量的逐年大幅增长，在不久的将来，移动设备将代替固定的主机客户端占据互联网的主导地位。当前的 TCP/IP 网络协议并没有从根本上去考虑移动性，IP 地址既作为身份标识又作为位置标识，容易造成逻辑概念上的混乱。针对此问题，MobilityFirst 的架构应运而生。MobilityFirst 是美国国家自然科学基金会的未来互联网体系结构计划支持的一个项目，
2、由美国罗格斯新泽西州立大学联合美国其他 8 所大学提出。该架构通过对身份与位置的分离很好的支持了设备的移动性。本文主要通过理论分析和平台搭建两方面对 MobilityFirst 的移动性管理进行了研究。首先介绍了 MobilityFirst 的大体架构，包括设计目标，分散式命名服务以及 MobilityFirst 协议栈。然后详细的阐述了 MobilityFirst 的基本通信过程以及典型应用场景，接着通过分析相关实现机制，对 MobilityFirst 进行了进一步深入的研究。为了给更进一步的研究奠定基础，本课题对国外 MobilityFirst 的试验平台ORBIT 进行了深入的理解与分析
3、。考虑到 ORBIT 账户不容易获取与操作的不方便，本课题通过官网提供的源码自主设计了试验平台搭建方案，并通过在多台虚拟机上对相关模块的安装、配置及运行，最终成功实现了试验平台的搭建。然后运行 mfping 应用程序测试了主机之间在 MobilityFirst 协议下基于身份标识的基本通信，并且通过对路由器的配置与相关程序的修改，实现了两台MobilityFirst 路由器之间的逐跳文件传输，这些对后续的研究工作有着重要的作用与意义。关键词：MobilityFirst；身份与位置分离 ；全局唯一标识符；路由；试验平台IIAbstractThe Internet is at a historic
4、 inflection point where with a mass of mobile and wireless devices emerging as well as the mobile applications are more widely used year by year, which implies the trend that mobile devices will substitute for fixed host to dominate the Internet in the near future. However, in current network archit
5、ecture, TCP/IP protocol doesnt take mobility into consideration essentially, IP address is both set for host identification and its location in the network, which may lead to logic confusion as devices move. To address this issue, MobilityFirst network architecture emerges as the times require. Mobi
6、lityFirst is a clean-slate project being conducted as part of the NSF Future Internet Architecture (FIA) program and it is proposed by Rutgers, The State University of NewJersey in conjunction with eight other ones. The architecture is good enough to support the mobility of devices through the separ
7、ation of identity and location. In this paper, a research oriented to mobility management is made through theoretical analysis and platform construction of MobilityFirst. General framework of MobilityFirst, including design objective, distributed naming service and the protocol stack of MobilityFirs
8、t, is introduced first. Then, basic communication process and typical application scenarios of MobilityFirst are elaborated in detail. And a further research is made through analyzing related implementation mechanisms. Besides, this paper takes a deep analysis and understanding on MobilityFirst test
9、 platform abroad to lay a foundation for further research. Considering Orbit account is not accessible and operation is not convenient, with the source code provided on the official website, this paper designs a constructing method of the test platform. The construction of the test platform is manag
10、ed through installation, configuration and operation of related modules on/into several virtual machines. With running mfping application on two hosts respectively to test the basic communication based on unique identifier. Also, with router configuration and related programs modification the file t
11、ransfer hop by hop between two MobilityFirst routers is realized. All of these above would play a unique and important role in succeeding-research. IIIKeywords: MobilityFirst; separation of identifiers from locations; global unique identifier; routing; test platform目 录第 1 章 绪论 .11.1 研究来源及背景 .11.2 研究
12、目的及意义 .21.3 国内外研究现状 .21.4 本文主要研究内容 .3第 2 章 MobilityFirst 协议分析与典型应用场景 .42.1 MobilityFirst 协议分析 .42.1.1 MobilityFirst 设计目标 .42.1.2 分散的命名服务 .42.1.3 MobilityFirst 协议栈 .62.2 MobilityFirst 协议典型应用场景 .82.2.1 GNRS 对移动性的支持 .82.2.2 广义存储感知路由 .92.2.3 多归属 .102.2.4 内容传输 .102.3 本章小结 .11第 3 章 MobilityFirst 实现机制 .123
13、.1 混合路由实现机制 .123.2 广义存储感知路由实现机制 .133.3 逐跳分段路由实现机制 .153.3.1 逐跳传输机制 .163.3.2 直通式处理 .183.4 多归属实现机制 .193.5 本章小结 .19第 4 章 试验平台设计方案及实现 .204.1 ORBIT 试验平台理解与分析 .204.1.1 ORBIT 平台介绍 .204.1.2 ORBIT 平台上的 MF 网络部署 .214.1.3 ORBIT 平台上 MF 协议测试 .244.2 平台搭建工具介绍 .25IV4.2.1 LINUX 系统 .254.2.2 CLICK 路由器 .254.3 试验平台搭建方案 .2
14、64.4 平台实际搭建 .274.4.1 模块安装 .284.4.2 模块配置 .294.4.3 模块运行 .334.5 平台测试 .354.5.1 运行 mfping 应用程序 .354.5.2 路由器间文件传输 .364.6 本章小结 .40结论 .41参考文献 .42致谢 .44基于 MobilityFirst 的移动性管理研究1基于 MobilityFirst 的移动性管理研究第 1 章 绪论1.1 研究来源及背景在过去的 40 多年里，互联网对我们的经济、社会等都产生了巨大的影响。从 1980 年代到现在，在信息、交流和商业三个方面，互联网已经完全从理论化的网络，发展成真正的世界范围
15、性的开放构架，它以各种方式存在于我们生活中。虽然计算模式从之前的单机模式、点对点模式发展到现在的云计算模式，通信技术、计算机技术与应用模式在不断地进步，然而作为互联网最重要基础的 TCP/IP 体系结构却并没有多少改变 1。当前互联网的发展正处在历史性的转折点，移动平台和应用正在逐渐超越固定的客户端/ 服务器模式，据思科网络预测报告，预计到 2017 年全球 IP 流量将达到每年 1.4 泽字节（1ZB = 240TB） ，其中移动设备将使用近半 IP 流量 2。据英国独立报 网站报道，全球移动通信系统协会(GSMA)信息组织的数字分析师提供的数据显示，2014 年 10 月 7 日世界上移动
16、设备的数量首次超过人口总数 3。这些数字明显的说明了移动互联网的必然性，并会在商业模式和技术标准方面对蜂窝网络与互联网进行合并。放眼未来，移动互联网将不仅仅局限于蜂窝形式，还将包括各种机器对机器、无线传感器、智能电网和车辆等等，通过互联网实现对物理世界的认识和控制，希望建成一个到处都是网络接口的世界 4。随着全球化的趋势，人们使用移动设备调用资源也越来越普遍。这种可预见的，根本性的变化为设计和发展下一代互联网提供了机会，其中移动设备、移动应用的大量出现和随之带来的服务和管理的变化是下一代互联网的主要驱动力。基于这个前提，研究人员提出了以移动为中心的未来互联网体系结构，即 MobilityFir
17、st。MobilityFirst 项目是美国国家自然科学基金会的未来互联网体系结构计划支持的一个项目，MobilityFirst 致力于对无缝的移动场景提供支持，不再把支持移动性当做互联网连接中的特殊情况，而是把移动节点之间的通信放在首位 5。 MobilityFirst 架构使用广义延迟容忍网络来提供鲁棒性支持，关注于可扩展性与移动性的平衡，以及充分利用网络资源实现移动端点间的有效通信。该架构的目标是能够处理未来蜂窝网内移动终端的需求，同时对每个终端都能提供 P2P 和延时容忍（ DTN）服务，主要技术包括延迟容忍路由和传输以及分布式命名服务等。基于 MobilityFirst 的移动性管理
18、研究21.2 研究目的及意义在当前的网络中，IP 地址既被用来标识设备身份同时也被用来标识设备在网络中的位置。当设备在网络中移动时，作为设备在网络中的位置标识，IP 地址应该改变，而作为设备在网络中的身份标识，IP 地址不应该改变，这样容易带来逻辑上的混乱 6。其实，在移动互联网时代到来之前，已经提出了移动 IP的思路来解决移动性带来的各种问题，为此就有了移动 IP 协议，后来又发展了移动 IPv6 协议，可以把这些技术统称为移动 IP 技术。设计移动 IP 技术的主要目标是在移动节点的接入点发生改变时，无论是在不同的物理传输介质之间、或者是在不同的网络之间移动时，都不需要改变其 IP 地址，
19、能够在移动过程中保持已有通信的连续性，为此引入了外地代理和家乡代理在节点移动时完成数据转发和移动管理的工作 7。移动 IP 技术并没有真正意识到未来移动的主流性，因此并没有打算从体系结构根本上解决移动性的问题。而 MobilityFirst 意识到解决移动性是未来互联网的主要驱动力，因此采用位置标识与身份标识分离的思想重新设计网络体系结构，以从根本上解决移动性的问题 8。研究未来网理论能更好的把握接下来的研究方向，并能够为 MobilityFirst 试验平台的搭建与测试分析、以及为后续项目研究做良好的铺垫作用。1.3 国内外研究现状目前无论是在国内还是国际上，各个研究机构及标准组织都开始了对
20、未来互联网的研究及标准化工作。国内对未来互联网技术研发的重点在于 IPv6，代表项目有中国教育和科研计算机网 CNGI-CERNET9，该项目当前的进展是设计且构建成功大型纯 IPv6互联网主干网 CNGI-CERNET2，解决了大规模 IPv6 主干网地址和域名规划、拓扑结构和路由设计、网络管理和网络调试测量等技术难题。具体来说，各个研究机构对未来互联网演进方式的看法可大致分为两种思路：“渐进式”和“革命式” 。渐进式的研究思路从当前互联网的协议和体系出发，试图以在原IP 协议的基础上修补和完善来解决目前互联网中出现的移动性、安全性、QoS等问题。欧盟所支持的关于未来互联网研究的项目 Net
21、!Works10提出 One-Network的概念将现有 IP 网络、电信网络等多种异构网络组成一个集成网络，采用云计算的结构使得业务提供商根据他们动态的需求共享云资源，在此基础上向用户提供多元化服务。革命式的思路认为，未来网络基础设施将会超出目前的互联网体系能够承担的范围，因此需要设计全新的互联网体系。FIA 提出了基于 MobilityFirst 的移动性管理研究3MobilityFirst 项目。它呈现出了下一代互联网的基本架构，在这种架构下，移动设备、应用以及它带来的服务、信用与管理的变化，将成为未来网络架构的主要驱动力。1.4 本文主要研究内容网络正逐步接近一个历史性的转折点，它将用
22、移动平台和应用来代替固定的主机/服务器模型移动，这种可预见的，根本性的变化为设计和发展下一代互联网提供了机会 11。而 MobilityFirst 架构通过采用位置与身份分离等方法对移动性提供了可靠的支持。本文主要针对 MobilityFirst 的移动性管理进行了研究。首先介绍了MobilityFirst 协议的大体架构，包括设计目标、分散式命名服务以及MobilityFirst 协议栈。接着详细的描述了 MobilityFirst 协议的基本通信过程以及典型应用场景。同时通过对相关的调研与对源码的分析，阐述了支持MobilityFirst 协议几个重要实现机制。再通过对 MobilityF
23、irst 的大型试验平台Oribt12的理解与分析，利用官网所提供的源码 13与文档进行了试验平台的搭建。平台搭建成功之后，运行 mfping 应用程序进行基于 GUID 通信的测试。最后通过对 MF 路由器的相关配置，实现两台路由器之间的逐跳分段文件传输。第 1 章首先介绍了课题背景及研究目的，特别是 MobilityFirst 研究的意义；然后介绍了国内外的研究现状，最后介绍了本文的主要研究内容和全文结构安排。第 2 章首先对 MobilityFirst 协议进行分析，提出了 MobilityFirst 协议的设计目标，分散的命名服务以及协议栈桥的体系结构。随后详细介绍了几种典型的 Mob
24、ilityFirst 应用场景。第 3 章介绍了 MobilityFirst 协议中的各种实现机制。协议中的混合GUID/NA 包头实现了“慢速路径”和“快速路径”两种查询方式。域内图表和DTN 图表支持了广义存储感知路由。数据传输过程中路由器通过对数据的分段与聚合实现逐跳分段传输路由，另外提出了直通式的处理方法来优化逐跳传输方式。最后对通过对源码的分析简单阐述了多归属的实现机制。第 4 章本章介绍了 ORBIT 试验平台以及 MobilityFirst 协议在该实验平台上的部署与试验。接着着重介绍了在虚拟机上搭建 MobilityFirst 试验平台的方案、部署及实现。通过分别在多台虚拟机上
25、进行模块的安装、配置、运行，成功实现了试验平台的搭建。随后对试验平台进行了相关的测试，mfping 应用程序的成功运行说明两台主机实现了基于 GUID 的基本通信。路由器之间文件的正确传输与运行结果显示了 MF 路由器的逐跳传输机制的实现过程。基于 MobilityFirst 的移动性管理研究4最后给出了本课题的结论。总结了已经完成的主要工作以及该课题存在的不足和下一步应当开展的后续工作等。第 2 章 MobilityFirst 协议分析与典型应用场景MobilityFirst 项目是由拉特格斯大学和其他几个大学领导的，美国未来互联网资助项目名称，项目是以移动为中心的未来网络体系结构。Mobi
26、lityFirst 认为当前网络是为固定终端设计的，无法应对越来越多的移动终端需求。对网络和需求的改变，就必须在网络架构中提供移动性设计。2.1 MobilityFirst 协议分析2.1.1 MobilityFirst 设计目标在未来网络架构中，定义了 MobilityFirst 的设计目标。与当前网络不同，它主要从移动性和可靠性两方面出发。实现这两个方面也是相辅相成的，在很多情况下，支持移动性的机制同样也加强了可靠性。设计目标如下：a) 支持主机和网络的移动性MobilityFirst 应该无缝的支持大规模移动网络和移动设备。存在两种情况： 端主机和网络频繁移动；不存在端到端的路径。要求即
27、使网络出现这两种情况，端到端通信也必须能够保持连续。b) 不存在一个单一的信任根正确的网络行为不应该取决于单一的信任基准。然而当前的网络设有一个单一的可靠机构，在把每一个名称映射到 IP 地址时都要使用。c) 定向接收数据 14只有在传输符合接收准则的情况下，端主机才会接收发送端的数据。当前互联网的接收方很大程度上都是被动方，对传输的数据几乎无控制权。d) 结构鲁棒性在当前网络中，单一的路由故障可能会导致整个网络瘫痪，而在MobilityFirst 中，要求少数故障节点不应该对其他节点的性能造成过大影响。e) 内容可寻址 15网络能够实现对内容的寻址，而不仅仅是对存储内容的主机/位置寻址。f)
28、 网络具有可扩展性在 MobilityFirst 架构中，网络可允许新的网络服务的存在，同时也允许不同网络服务的快速生成，从而使网络结构具有可扩展性。基于 MobilityFirst 的移动性管理研究52.1.2 分散的命名服务MobilityFirst 中清楚地将可读名称、唯一身份标识以及动态网络地址三者分开。MobilityFirst 通过不同的名称认证服务(Name Certification Service, NCS)来将可读名称映射到对应的全局唯一标识符(Globally Unique Identifier, GUID)上，此过程不需要唯一的信任根。另外由于 GUID 空间很大，碰撞
29、的概率可忽略，因此不同的认证服务之间也不需要协调。分配的 GUID 随后被全局名称解析服务(Global Name Resolution Services, GNRS)映射到一个网络地址(Network Addresses, NAs)上。这两种映射都必须保证安全性。其中，GUID 是公共密钥的加密哈希，能够做到自我证明 1617，这保证了 MobilityFirst 网络的认证和安全。而身份标识与网络位置的分离，则保证了 MobilityFirst 结构的无缝移动。a) 名称认证服务(NCS)NCS 可把可识别的名称，如 ，映射到一个全球统一标识符GUID 上，与互联网名称与数字地址分配机构(
30、Internet Corporation for Assigned Names and Numbers, ICANN)不同，NCS 拥有分散的信任模型。b) 全局唯一标识符(GUID)GUID，是一种由算法生成的二进制长度为 128 位的数字标识符。 GUID 主要在拥有多个节点、多台计算机的网络或系统中使用。它的两个特点分别是：GUID 拥有固定的长度，且相对而言较短小，非常适合于标识、排序和存储可以完全由算法自动生成 GUID，不需要一个权威机构来管理， 。在 MobilityFirst 中，基于名字的服务层使用扁平、不分层的 GUID 来标示网络上连接的各种对象 11。GUID 是公共密
31、钥的加密哈希，由专门的认证单位分发给具体的网络对象，具有自我证明的能力，可以作为网络对象持久的网络级标识符。从如智能手机的简单设备到单一抽象概念设备、接口、服务、内容、甚至上下文，都可以有自己的 GUID。自我认证的 GUID 是对公钥的单向哈希值，所以 GUID 可以由一个简单的，双边的挑战-响应程序认证而不要求外部的认证授权。双边挑战-响应程序工作过程如下。假设一个主体 X（例如路由器）想认证另一个主体（例如目的终端） ，X 想核实 Y 确实是 GUIDY 合法所有者。X 通过发送一个随机数 m 到 Y 以发起一个挑战。Y 被期望用K +,K-(m)响应，其中 K+是一个公钥而 K-（m）是对随机数使用相关私钥的编码。一旦接收到响应，X首先检查 H(K+)=Y,其中 H(.)是一个已知的单向哈希函数，之后再检查 K+(K-(m)= m。如果两次检查都通过，则 X 认证了 Y。c) 全局名称解析服务(GNRS)
