CN1133350C - 使用主动arp实现移动终端跨ip网际漫游的方法 - Google Patents

使用主动arp实现移动终端跨ip网际漫游的方法 Download PDF

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Abstract

本发明采用主动地址解析协议实现一种无须修改移动终端的路由表项即能保证移动终端跨IP子网漫游，为传统TCP/IP协议提供了移动性支持的使用主动ARP实现移动终端跨IP网际漫游的方法。当移动终端在外网时，通过接收外代理的公告，判断自己是否漫游到新的IP子网；是，则执行AARP协议，移动终端在修改ARP Cache时其属性为静态；否则，不执行AARP操作。当移动终端从外网回到家网时，先清空ARP Cache，然后按正常的ARP操作建立ARP Cache表，将ARP cache的属性恢复为动态，进行正常的IP数据报收发。

Description

使用主动ARP实现移动终端跨IP网际漫游的方法
技术领域
本发明涉及一种移动终端在不同因特网协议IP(Internet Protocol)网际中进行数据通信的方法，特别涉及一种利用主动地址解析协议AARP(ActiveAddress Resolution Protocol，简称主动ARP)协议实现移动终端在IP网际间无缝漫游的方法。
背景技术
因特网协议IP随着因特网Internet的飞速发展已成为数据通信领域最重要的标准之一。除因特网外，还广泛应用于企业网、校园网等多种网络环境。目前，因特网已是世界上最大的信息库，为人们提供万维网WWW(World WideWeb)浏览、文件传输协议FTP、电子邮件等服务；同时，许多新的网络服务如IP语音VoIP、网上视频点播VOD等也在不断涌现。另外，无线通信技术的发展，如802.11、蓝牙技术等，以及提供IP连接高性能、低成本的移动终端设备的普及，如笔记本电脑、掌上电脑PocketPC、个人数字助理PDA等，将人们从以往的网线束缚中解放了出来，这极大地改变了人们生活、工作的形态，人们希望能随时、随地访问网络。然而，现有的TCP/IP协议并不提供对终端移动性的支持，这是由编址方式和路由算法决定的。在TCP/IP协议中，所有网络设备都必须有一个IP地址用于数据交互，而事实上IP地址是指向网络连接而不是指向网络设备的。因此，当一个终端从一个IP子网移动到另一个IP子网时，它必须改变IP地址才能访问网络。而上层的协议如TCP是利用端口号和IP地址来标识网络连接的，当终端设备的IP地址改变了，其TCP连接也就中断。同样用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)协议也存在类似的问题。当前，因特网上超过95％的应用服务是基于TCP协议的，因此要保持终端在IP子网间无缝漫游，其IP地址一定要保持不变，这要求针对现有的TCP/IP协议提出新的解决方案。
移动IP协议请求评价RFC2002(Request For Comment 2002)提出了一种支持终端的移动性的方法。在原有网络拓扑的基础上引入了家代理(Home Agent)、外地代理(Foreign Agent)和移动终端(Mobile Terminal)三个漫游实体。其网络结构参见图1。每一个IP子网1、6、11都通过路由器2、7、13与因特网10相连。将移动终端5所属的IP子网称为家网1，除家网1以外的其他IP子网称为外地网。家网1有终端4、家代理3、移动终端5以及与因特网10相连的路由器2，家代理3主要完成对移动终端5的身份认证、位置管理，截获发往移动终端5的数据报，并利用隧道技术RFC2003将数据报转发到对应的外地代理8。外地代理8作为移动终端5在外地网6的默认路由器，协助移动终端5向家代理3转发身份认证信息和转交地址，同时将家代理3通过隧道转发给移动终端5的数据报解包，发送给移动终端5；移动终端5指可以在不同IP子网间无缝漫游，且漫游过程中保持其IP地址不变的终端设备。
RFC2002协议的工作过程如下：
1].移动终端5利用代理搜寻功能检测自己所处状态，即本身位置是在家网1还是在外地网6。如在家网1，则执行步骤5]；如在外地网6，则获得转交地址，其通常为外地代理8的IP地址；
2].移动终端5通过外地代理8向家代理3进行身份认证，并通知转交地址；
3].家代理3截获发往移动终端5的IP数据报，并利用隧道发往外地代理8；
4].外地代理8从隧道中取出发往移动终端5的IP数据报，转发给移动终端5；
5].移动终端5按IPv4协议收发IP数据报。
由上可知，移动终端5通过接收代理公告来判断自己目前的位置和状态，并采取相应的动作与家代理3、外地代理8配合实现跨IP子网的漫游：
[1].如果移动终端5在家网1，且没有移动，则与其他终端一样正常收发数据报；[2].如果移动终端5在外地网6，则要根据外地代理8的代理公告，将本节点的默认路由表项设为当前外地代理8的IP地址，同时删除原来默认路由表项和指向家网1的直达路由表项，再通过外地代理8向家代理3注册，通告自已当前的位置；[3].如果移动终端5从外地网6回到家网1，相应地也要将默认路由器2设回为家网1的默认网关，添加指向家网1的直达路由表项。因此，移动终端5动态修改路由表是实现移动IP协议的关键步骤之一。而Windows95/98/Me等操作系统不支持对路由表的动态修改，对路由表的修改要在系统重新启动之后才起作用，这必然会导致移动终端5在不同IP子网间移动过程中各种网络应用中断，无法实现对IP移动性的支持。如移动终端5在IP子网间漫游时，万维网WWW浏览、文件传输协议FTP、电子邮件等网络应用都将中断，许多实时的网络应用，如视频点播VOD、IP语音VoIP、网络会议等也无法实现，造成时间和经济上的损失。鉴于Windows在终端操作系统上占有绝对的市场份额，这实际上已严重阻碍了移动IP技术的应用和推广。如果要使Windows等操作系统支持移动IP协议，必须重写TCP/IP协议栈，而TCP/IP协议栈在整个操作系统中占有很大的比重，许多商用操作系统不提供TCP/IP协议栈的源代码，因此，对TCP/IP协议栈的修改难度和工作量都很大，且对普通用户来说，其使用和安装也都很繁琐。
发明内容
本发明解决了背景技术中移动终端必须动态修改路由表的技术问题。提供一种主动地址解析协议，并利用它实现一种无须修改移动终端的路由表项即能保证移动终端跨IP子网漫游，为传统TCP/IP协议提供了移动性支持的使用主动ARP实现移动终端跨IP网际漫游的方法
本发明的技术解决方案是：
一种使用主动ARP实现移动终端跨IP网际漫游的方法，其特殊之处在于：该方法的实现包括
1].当移动终端5在外地网6漫游时，通过接收外地代理8的代理公告，判断自己是否漫游到新的因特网协议子网；①.若是，移动终端5则执行主动地址解析协议，将外地代理8的媒体访问控制地址和移动终端5的默认网关的因特网协议地址在地址解析协议的缓存中绑定，将家网1中各终端的因特网协议地址与外地代理8的媒体访问控制地址绑定，移动终端5在修改地址解析协议缓存时，将地址解析协议缓存的属性设为静态。②.否则，移动终端5不执行主动地址解析协议操作；
2].当移动终端5从外地网6回到家网1时，先清空移动终端5的地址解析协议缓存，然后按正常的地址解析协议操作建立地址解析协议缓存表，将地址解析协议缓存的属性恢复为动态，进行正常的因特网协议数据报收发。
上述执行主动地址解析协议协议是将默认网关的因特网协议地址和外地代理8的媒体访问控制地址在移动终端5的地址解析协议缓存中进行主动地绑定，并且利用家网1的因特网协议地址的网络掩码推算出家网1中其他网络设备的因特网协议地址的范围，将各个因特网协议地址和外地代理8的媒体访问控制地址进行绑定。
上述移动终端5回到家网1是指移动终端5从外地网6刚返回家网1，还未完成切换；所述的移动终端5回到家网1后，通过家代理3的代理公告中的信息判断自己已在家网1时，移动终端5清空其地址解析协议缓存表中的绑定项，可通过正常的地址解析协议操作，重建地址解析协议缓存表并发送数据报。
上述移动终端5在外地网6是指移动终端5在不同外地网间漫游或刚从家网1移动到外地网；所述的移动终端5从家网1移动到外地网6，其通过接收外地代理8的代理公告判断本身移动到了外地网6时，移动终端5先获取外代理服务器的媒体访问控制地址MAC_FA，并主动将默认网关的因特网协议地址IP_GW和外地代理8的媒体访问控制地址在地址解析协议缓存中进行主动地绑定，利用家网1的因特网协议地址的网络掩码推算出家网1中其他网络设备的因特网协议地址范围，将各个因特网协议地址和外地代理8的媒体访问控制地址进行绑定。
本发明具有如下优点：
移动终端在不同IP子网间移动过程中，各种网络的应用不会中断，可实现对IP移动性的支持，经济而又节省时间；Windows等操作系统支持移动IP协议时，无须重写TCP/IP协议栈，因此，大大节省了工作量，使用和安装均简便。主动ARP协议的移动终端是根据代理公告中的内容判断自己当前的状态和位置，然后主动对ARP缓存表进行操作，不用修改路由表即能在不同IP子网间漫游。本发明可适用于目前市场上包括Windows在内的绝大多数操作系统，可移植性强。大大提高了移动IP技术的应用范围，实用性强。
附图图面说明：
图1为移动IP网络拓扑结构原理示意图；
图2为图1中部分网络设备的IP地址和MAC地址对应表；
图3为图1中移动终端在家网时的ARP缓存表；
图4为图1中移动终端在外网时的ARP缓存表。
具体实施方式
发明采用主动ARP协议，而不是根据ARP请求或响应数据报中的内容来被动的修改自己的ARP缓存，其移动终端是根据代理公告中的内容来判断自己当前的状态和位置，然后主动对ARP缓存表进行操作，从而可不修改路由表就能在不同IP子网间漫游的功能。其主要特点如下：
1].当移动终端在家网，没有漫游，它于其他终端一样按标准IPv4协议收发数据报。
2].当移动终端在外网漫游时，通过接收外地代理的代理公告，判断自己是否漫游到新的IP子网；①.如果是，则执行主动ARP协议，将外地代理的媒体访问控制MAC地址和移动终端的默认网关的IP地址在ARP缓存中绑定，将家网中各终端的IP地址与外地代理的MAC地址绑定，移动终端在修改ARP缓存时将其属性设为静态(static)；②.否则，不执行主动ARP操作。
3].当移动终端从外地网回到家网时，它要清空ARP缓存，随后可按正常的ARP操作建立ARP缓存表，进行正常的IP数据报收发。
本发明中的对各漫游实体的定义与RFC2002相同，涉及家代理、外地代理和移动终端。RFC2002中所定义的代理公告、隧道技术、移动终端向家代理进行身份认证、位置管理等方法也适用与本发明。
参见图1，本发明的具体实现方法如下：1.移动终端在家网
移动终端5在家网1指的是移动终端5初始通信时就在家网1和移动终端5从外地网6回到家网1，且已完成切换的情形。这时移动终端5和其他终端一样进行符合IPv4协议的数据报收发。假设它正在和本网的终端4和其他IP网11中的终端12通信，通过正常的ARP操作，它的ARP缓存表应包含路由器2和终端4的IP地址和MAC地址的绑定，参见图3。2.移动终端在外地网
移动终端5在外地网6指移动终端5在不同外地网6间漫游或刚从家网1移动到外地网6的情形。当移动终端5通过接收外地代理8的代理公告判断出它本身移动到了外地网6时，则执行主动ARP协议：将默认网关的IP地址和外地代理8的MAC地址在ARP缓存中进行主动地绑定，并且利用家网1的IP地址的网络掩码推算出家网1中其他网络设备的IP地址的范围，将各个IP地址和外地代理8的MAC地址进行绑定，这时它的ARP缓存表如附图4。
移动终端5要和终端12通信时，由于终端12不属于其家网1，故发往终端12的数据报应通过默认网关转发，通过查询ARP缓存表，移动节点将利用外地代理8的MAC地址发送数据报，这样，该数据报就会直接发往外地代理8，而外地代理8都具有路由功能，它会根据数据报中的目的IP地址进行相应的转发。当移动终端5与终端4通信时，它也会根据ARP缓存表中的对应表项发送数据报，由于终端4的IP地址所对应的MAC地址也已被改为外地代理8的MAC地址，因此，发往终端4的数据报也会直接发往外地代理8，再由外地代理8转发。这样在不改变路由表的情况下，移动节点在跨IP子网的漫游时发往家网1和外地网节点的数据报都可通过外地代理8的转发实现。上述对ARP缓存表的操作不同于标准的ARP操作要根据ARP应答报文来被动改变，而是移动节点主动进行IP地址和MAC地址的绑定，故称该协议为主动ARP协议。考虑到在许多操作系统中会定时或不定时地自动清除ARP缓存，移动终端5在外地网6改变ARP缓存的绑定时应将其属性设为静态(static)，保证其不会被系统更新；3.移动终端回到家网
移动终端5回到家网1指移动终端5从外地网6刚返回家网1，还未完成切换的情形。移动节点可从家代理3的代理公告和当前状态判断出自己已在家网1，这时，它应清除ARP缓存表同时并将ARP缓存的属性则应恢复为动态(dynamic)，以响应本子网的网络变化，随后它就可以通过正常的ARP操作，重建ARP缓存表并发送数据报。
本发明的具体工作过程：
参见图1，移动终端5在家网1使用正常的ARP操作实现同本网固定主机的通信工作过程如下：
移动终端5在家网时若要与处于同一子网的终端4通信，首先移动终端5要查询自己的路由表，以便通过路由表判断所要通信的终端4在网络中所处的位置，移动终端5通过判断终端4的IP地址IP_T4与子网掩码发现终端4和移动终端设备处于同一网段，于是移动终端5开始查询自己的ARP缓存表，如果ARP缓存表中没有相应的终端4的IP地址IP_T4与其MAC地址MAC_T4的绑定，移动终端5将通过ARP请求广播在本网中请求IP地址为IP_T4的MAC地址。此广播将会被本网内的所有终端设备获得，于是本网内的所有终端设备都将检查自己的IP地址是否与被请求的IP_T4地址相同，因此只有终端4会对移动终端5的ARP请求进行响应，将本机的MAC地址MAC_T4连同本机IP地址发回给移动终端5，并将移动终端5的MAC地址MAC_T5添加到本机的ARP缓存表中，移动终端5在收到ARP响应后同样会将终端4的MAC地址MAC_T4添加到本机的ARP缓存表中，于是移动终端5与终端4的连接就形成了，它们之间可以进行正常的符合Ipv4协议的数据报收发。
在图1中，移动终端5在家网1时，若要与另一子网的终端12通信，首先移动终端5要查询自己的路由表，以便通过路由表判断所要通信的终端设备在网络中所处的位置，移动终端5通过判断终端12的IP地址IP_T12与子网掩码发现终端12和移动终端5处于不同的网段，移动终端5会直接请求其路由器2(IP_GW)的MAC地址，路由器2会将本机的MAC地址MAC_GW连同本机IP地址IP_GW发回给移动终端5，并将移动终端5的MAC地址MAC_T5添加到本机的ARP缓存表中，移动终端5在收到ARP响应后同样会将路由器2的MAC地址MAC_GW添加到本机的ARP缓存表中，接下来路由器2通过其路由功能使移动终端5与终端12的连接形成，它们之间可以进行正常的符合Ipv4协议的数据报收发。
下面按通信对端为家网中的终端和通信对端不是家网中的终端这两种情况来详细介绍移动终端在漫游时对网络设备的访问：
在图1中，移动终端5从家网1移动到外地网6，当移动终端5通过接收外地代理8的代理公告判断出它本身移动到了外地网6时，这时移动终端5先获取外代理服务器的MAC地址MAC_FA，并主动将默认网关的IP地址IP_GW和外地代理8的MAC地址在ARP缓存中进行主动地绑定，并且利用家网IP地址的网络掩码推算出家网1中其他网络设备的IP地址的范围，将各个IP地址和外地代理8的MAC地址进行绑定。移动终端5要和终端12通信时，移动终端5通过判断终端12的IP地址IP_T12与子网掩码发现终端12和移动终端设备处于不同的网段，移动终端5不会在全网段发送ARP请求广播，而是直接请求其路由器2(IP_GW)的MAC地址，故发往终端12的数据报应通过默认网关转发，查询ARP缓存表，此时ARP缓存表中默认网关的IP地址IP_GW和外地代理8的MAC地址已经进行了主动绑定。该数据报就会直接根据绑定的MAC地址MAC_FA发往外地代理8，而外地代理8会在其路由表中添加移动终端5路由直达项，同时由于外地代理8都具有路由功能，它会根据数据报中的目的IP地址进行相应的转发。于是就可以实现移动终端5在其外地网6中与终端12的正常通信。
在图1中移动终端5从家网1移动到外地网6，并与外地网6的终端设备9通信，方式是：首先移动终端5要查询自己的路由表，以便通过路由表判断所要通信的终端设备在网络中所处的位置，移动终端5通过判断终端9的IP地址IP_T9与子网掩码发现终端9和移动终端设备处于不同的网段，移动终端5不会在全网段发送ARP请求广播，而是直接请求其路由器2(IP_GW)的MAC地址，又由于其ARP缓存表中默认网关的IP地址IP_GW和外地代理的MAC地址已经进行了主动绑定，数据包会被直接发送到外地代理8上，由外地代理8判断终端9与其处于同一网段，于是可以通过正常的ARP协议将数据报转发给终端9，以实现移动终端5移动到外地网6后与外地网6的终端9的正常通信。
在附图1中移动终端5从家网1移动到外地网6，并与其家网1的终端4通信方式如下，首先移动终端5要查询自己的路由表，以便通过路由表判断所要通信的终端设备在网络中所处的位置，移动终端5通过判断终端4的IP地址IP_T4与子网掩码发现终端4和移动终端设备处于同一网段，于是查询自己的ARP缓存表，由上面可知在其ARP缓存表中已经存在终端4与外地代理8的MAC的绑定项，于是移动终端5会将其直接转发到外地代理8，并由外地代理8根据其路由功能将数据报转发至终端4，以实现移动终端5移动到外地网6后与其家网1的终端4的正常通信。
移动终端5回到家网1后通过家代理3的代理公告中信息可以判断出自己已在家网1，这时，移动终端5会自动清空其ARP缓存表中的绑定项，随后它就可以通过正常的ARP操作，重建ARP缓存表并发送数据报。

Claims (4)

1.一种使用主动地址解析协议实现移动终端跨因特网协议网际漫游的方法，其特征在于：该方法的实现包括
1].当移动终端(5)在外地网(6)漫游时，通过接收外地代理(8)的代理公告，判断自己是否漫游到新的因特网协议子网；①.若是，移动终端(5)则执行主动地址解析协议，将外地代理(8)的媒体访问控制地址和移动终端(5)的默认网关的因特网协议地址在地址解析协议缓存中绑定，将家网(1)中各终端的因特网协议地址与外地代理(8)的媒体访问控制地址绑定，移动终端(5)在修改地址解析协议缓存时，将地址解析协议缓存的属性设为静态。②.否则，移动终端(5)不执行主动地址解析协议操作；
2].当移动终端(5)从外地网(6)回到家网(1)时，先清空移动终端(5)的地址解析协议缓存，然后按正常的地址解析协议操作建立地址解析协议缓存，将地址解析协议缓存的属性恢复为动态，进行正常的因特网协议数据报收发。
2.如权利要求1所述的使用主动地址解析协议实现移动终端跨因特网协议网际漫游的方法，其特征在于：所述的执行主动地址解析协议协议是将默认网关的因特网协议地址和外地代理(8)的媒体访问控制地址在移动终端(5)的地址解析协议缓存中进行主动地绑定，并且利用家网(1)的因特网协议地址的网络掩码推算出家网(1)中其他网络设备的因特网协议地址的范围，将各个因特网协议地址和外地代理(8)的媒体访问控制地址进行绑定。
3.如权利要求1或2所述的使用主动地址解析协议实现移动终端跨因特网协议网际漫游的方法，其特征在于：所述的移动终端(5)回到家网(1)是指移动终端(5)从外地网(6)刚返回家网(1)，还未完成切换；所述的移动终端(5)回到家网(1)后，通过家代理(3)的代理公告中的信息判断自己已在家网(1)时，移动终端(5)清空其地址解析协议缓存中的绑定项，可通过正常的地址解析协议操作，重建地址解析协议缓存并发送数据报。
4.如权利要求3所述的使用主动地址解析协议实现移动终端跨因特网协议网际漫游的方法，其特征在于：所述的移动终端(5)在外地网(6)是指移动终端(5)在不同外地网间漫游或刚从家网(1)移动到外地网；所述的移动终端(5)从家网(1)移动到外地网(6)，其通过接收外地代理(8)的代理公告判断本身移动到了外地网(6)时，移动终端(5)先获取外代理服务器的媒体访问控制地址(MAC_FA)，并主动将默认网关的因特网协议地址(IP_GW)和外地代理(8)的媒体访问控制地址在地址解析协议缓存中进行主动地绑定，利用家网(1)的因特网协议地址的网络掩码推算出家网(1)中其他网络设备的因特网协议地址范围，将各个因特网协议地址和外地代理(8)的媒体访问控制地址进行绑定。
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