（通信与信息系统专业论文）分布多移动性管理体系结构与关键算法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 未来网络正向着多网融合和全口方向发展，作为其重要功能的移动性管理被赋 予了更高的要求：独立于接入技术，基于p ，支持q o s 和 安全，支持移动性。移动 性管理是指移动通信网中用户移动所涉及到的问题，由于用户的移动性，要求网络 对此特性给以支持及管理。在未来网络中，除传统的终端移动管理之外，移动性管 理还将包括个人移动性、会话移动性和业务移动性等多种移动性的管理。 目前成熟的移动性管理的特点是：协议比较完整，能实现运营级管理要求；采 用以网络为中心的集中式管理方法，不需要或很少需要移动终端的参与，因此对移 动终端的智能要求较低；还未能很好的支持网络融合。 本论文对现有的移动性管理方案进行了介绍和分析之后，提出一个基于a g e n t 的移动性管理方案。该方案模拟现实社会中的工厂管理，把a g e n t 分为两层：管理层 和工作层，两层协同完成移动性管理。管理a g e n t 负责任务的控制、管理以及与外部 网络的管理a g e n t 进行联系，工作a g e n t 负责具体实施任务。这样就将移动性管理中 的若干移动计算问题分散在网络中各个工作a g e n t 进行处理，解决终端、个人、服务 和会话移动性问题；并扩展了基于x m l 规范的代理通信语言k q m l ，极大地提高 a g e n t 通信和协作的灵活性。 由于单个a g e n t 的能力有限，不能完成移动性管理中的复杂任务，就需要多个 a g e n t 结成联盟来共同完成任务，因此本文分析了多代理系统中的代理联盟求解问 题。经过对目前几种算法优缺点的分析，在基于蚁群算法求解代理联盟的基础上， 提出了改进的方案，并利用改进的蚁群算法求解单任务代理联盟，通过实验证明， 改进的蚁群算法不仅保持了蚁群算法并行性、正反馈、鲁棒性强等优点，在求解最 大联盟值以及避免陷入局部最优解问题上也有较大的改进。 关键词：移动性管理，分布式计算，代理，代理联盟，蚁群算法 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t t h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r kd e v e l o p st o w a r d sm u l t i - n e t w o r kc o n v e r g e n c ea n d a 1 1 i pd i r e c t i o n i no r d e rt os u p p o r tu s e r sw e l li nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s , m o b i l i t y m a n a g e m e mw h i c hi sak e yp o i n ti nr a d i oc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb e c o m e so n e0 ft h e m o s ti m p o r t a n ti s s u e s m o b i l i t ym a n a g e m e n ti se n d o w e dw i t hr i g i dr e q u i r e m e n t s ： i n d e p e n d e n to f a c c e s st e c h n o l o g y ，b a s e do n i p ，s u p p o r t i n gq o s ，s e c u r i t ya n dm o b i l i t y m o b i l i t ym a n a g e m e n tr e a r s t ot h ep r o b l e m sw h e nu s e rm o v e sa r o u n d f r e e l y n e t w o r ks h o u l dm a n a g ea n ds u p p o r tt h eu s e r sm o v e m e n t i nt h ef u t u r e ，m o b i l i t y m a n a g e m e n ti n c l u d e st e r m i n a lm o b i l i t y , p e r s o n a lm o b i l i t y ，s e r v i c em o b i l i t ya n ds e s s i o n m o b i l i t y a tp r e s e n t ，m o b i l i t ym a n a g e m e n t sc h a r a c t e r i s t i c sa r ec o n c l u d e da sb e l o w ：f i r s t l y ， p r o t o c o l sa r ei n t e g r a t e dt om e e tr e q u i r e m e n t su n d e rm o s tc i r c u m s t a n c e s ；s e c o n d l y ，i t s c e n t r a l i z e db a s e do nn e t w o r k , n e e ds e l d o mm o b i l et e r m i n a l ss u p p o r t ；l a s t l y ，i tc a n ts o l v e t h en e t w o r k sc o n v e r g e n c e p a p e rw a n t st oi n t r o d u c ean e w m o b i l i t ym a n a g e m e n tm e t h o d t os o l v et h o s ep r o b l e m sb a s e do na g e m s t h i sm e t h o ds i m u l a t ef a c t o r ym a n a g e m e n ti n c u r r e n ts i t u a t i o n , a n dd i v i d et h ea g e n t si n t ot w ol a y e r s ：m a n a g el a y e ra n dw o r kl a y e r m a n a g ea g e n tt a k ec h a r g ec o n t r o l l i n g ，m a n a g i n gt a s k sa n dc o m m u n i c a t i n gw i t ho t h e r m a n a g ea g e n ti nv i s i t e dn e t w o r k ；w o r ka g e n ta l er e s p o n s i b l ef o rc o m p l e t i n gm i s s i o n w ec a nm a k eu s eo fw o r ka g e m st oh a n d l em o b i l ec o m p u t i n g , a c h i e v i n gs e s s i o n m o b i l i t y , p e r s o n a lm o b i l i t y ，t e r m i n a lm o b i l i t ya n ds e r v i c em o b i l i t y t h e np a p e re x t e n d s k q m lb a s e do nx m l ，i m p r o v i n gt h ef l e x i b i l i t yi nc o m m u n i c a t i o nb e t w e e na g e n t s i nt h en e x tc h a p t e r , p a p e ra n a l y s e st h ea l g o r i t h m sf o ra g e n tc o a l i t i o nf o r m a t i o ni n m u l t i a g e n ts y s t e m b e c a u s es i n g l ea g e n tu s u a l l yc a n tp e r f o r mt a s k i n m o b i l i t y m a n a g e m e n t , s om a n ya g e n t sn e e dt of o r ma g e n tc o a l i t i o n a f t e ri n t r o d u c i n gs e v e r a l p r i m a r ya l g o r i t h m st os o l v i n ga g e n tc o a l i t i o nf o r m a t i o n ，s u c ha sa c a ( a n tc o l o n y a l g o r i t h m ) ，g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) ，p s o ( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ) a n do r e e d y a l g o r i t h m , p a p e rp u tf o r w a r da ni m p r o v e da l g o r i t h mb a s e do nb a s i ca c a i t sb e t t e rt h a n b a s i ca c af r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t k e yw o r d s ：m o b i l i t ym a n a g e m e n t ，d i s t r i b u t e dc o m p m i n g ，a g e n t ，a g e n tc o a l i t i o n ， a c a 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 移动性管理技术最初起源于蜂窝移动通信网络。随着通信技术、计算机技术和 集成电路技术的进步，以及人类对信息通信需求的扩张，用户对移动性的要求越来 越高。在未来的信息通信社会中，移动性的目标就是实现“5 w 通信，即任何人 ( w h o e v e r ) 在任何地方( w h e r e v e r ) 使用任何终端( w h a t e v e r ) 都可以向任何对象 ( w h o m e v e r ) 进行包括实时语音、实时图像在内的任何形式的信息通信，真正达到 终端移动、个人移动、服务移动的全方位的便捷的移动，实现移动信息社会。这样 的移动性目标要靠移动性管理技术来实现。移动性管理技术是未来无线移动通信和 移动计算中最重要也是最具挑战性的问题之一。很多国际标准化组织都将移动性管 理作为非常重要的一个研究方向。 1 1 1 移动性管理技术的研究背景 相应地，移动性管理技术的研究背景也在不断的发生变化， 如图1 1 所示。 业务 网络 终端 电视节目 语音业务数据业务标准业垒 义夕 义 夕qb 夕 广电网通信网因特网 卜 n g n 、 q臣 太。奠 义夕 弋 电视电话计算机标准终i 独立 融合 图1 1移动性管理技术的研究背景 在技术发展过程中，如何基于网络提供业务、用户如何通过终端使用业务的方 式发生了很大的变化，业务、网络和终端三者之间的关系变化经历了独立、融合和 协同三个阶段。 最初，各种异构网络之间是独立的，特定网络只能部署特定的业务，用户只能 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 使用特定终端访问这些业务。之后，随着融合思想的提出和应用，业务、网络和终 端领域都出现了广泛的融合，采用以软件换i m s 为核心的下一代网络，通过软件换 i m s 实现p s t n 、移动通信网络和口网络等各种网络之间的融合和互通。并在此网 络上，基于开放的接口提供独立于底层网络的标准业务，用户通过标准终端对这些 业务进行访问。 然后，网络异构性、业务灵活性以及终端多样性的特征日益明显，融合的思想 即将被基于泛在网络的协同思想所取代。无处不在的各种有线和无线网络，包括无 线射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 、具有环境感知能力的无线传感器 网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ) 等，共同构成了泛在网络，协同为用户提供服务， 用户可在此网络基础上享受个性化的业务，同时，使用可重构的终端系统，根据当 前的业务环境进行相应的重构和适配。 1 1 2 标准化组织对移动性管理的研究 许多国际标准组织都在关注移动性管理技术的发展和演进，包括电信领域中治 理于n g n 研究的丌u t 和e s t i 、致力于3 g 研究的3 g p p 和3 g p p 2 ，以及因特网 领域中的疋t f 和l v l w i f 。这里，对以上组织和主要研究工作进行简要的介绍。 i t u - t 是u 的电信标准部门( t e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d i z a t i o ns e c t o r ) ，其 前身是国际电报和电话咨询委员会( c c i t t ) ，n u - t 研究和制定除无线电以外的所 有电信领域标准。目前，在i t u - t 【l 】有s g l 3 何s g l 9 两个研究组进行与移动性管理 有关的研究工作。s g l 3 的研究立足于固定网络，将n g n 的移动性和固定移动融合 作为重要的研究内容之一，包括n g n 与移动网络融合的基本框架、业务的融合、 网络间的互操作及跨网络的漫游与移动性支持等，并与u - t 的其他相关工作组及 i e t f 和3 g p p 等国际标准组织密切合作。s g l 9 主要负责移动通信网络及固定移动 融合的研究，目的是依靠蜂窝移动通信系统现有的机制和因特网，推进整个融合电 信和计算机环境中处理移动性的一致性。 第三代移动通信合作伙伴计划( 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，3 g p p ) 是于 1 9 9 8 年制定的一个合作计划，目标是将众多研究3 g 的电信标准组织联合起来。它 研究了3 g p p 2 】系统向全理网络( a i p n ) 演进的可行性。其中，在讨论a i p n 中的 移动性管理时，3 g p p 认为，a i p n 能支持的移动性应该是多维的，包括终端移动性、 用户移动性，还需要指出无缝业务和移动网络等。 因特网工程任务组( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i e t f ) 是一个开放性国际 组织，由运营商、服务提供商、研究人员和网络工程师组成，致力于因特网架构的 发展和顺利操作。i e t f 的工作组在r f c 3 7 5 3 t a l 中，定义了与口移动性相关的各种 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 术语。这些术语定义了支持移动性不同侧面的各种不同角度和方案，可以从范围、 重叠区域、性能特征、多样性特征、状态迁移、移动性类型和切换技术的控制模式 等方面进行比较。 m w i f ( m o b i l ew i r e l e s si n t e m e tf o r u m ) 是一个非盈利性的行业协会。旨在促 进一个统一、开放、独立于接入技术的移动无线因特网体系结构的产生与采纳。 m w i f 在其技术报告中【4 】中详细定义了包括核心网和接入网在内的m w i f 网络参考 结构中的功能需求。该技术报告认为，移动性管理应该是分等级的，并且独立于其 他功能，应该支持的各种移动性包括终端移动性、会话移动性和个人移动性等，并 定义了相关术语。 基于这样的研究背景，移动性管理的需求、含义、目标、关键技术以及支持协 议都具有了新的特征，并与无线接入控制、无线资源管理和会话管理等技术密切相 关，成为未来泛在、异构、协同网络环境的移动通信系统中的重要组成部分。 1 1 3 “分布式 方案 目前，利用分布计算的概念，将移动性管理的这种移动计算问题分散在网络中 各个部分进行，虽然这些只是在- - 4 , 部分领域里实施，但是这个发展趋势己十分明 显。 ( 1 ) 移动p 中h o m ea g e n t 的分布化【5 j ：在这类研究中，处理移动性管理的网 络设备归属代理采用了分布式技术处理，动态的选择归属代理来改善路由性能，以 此来解决网络处理问题的瓶颈问题。 ( 2 ) 分布式网络系统的移动性管理 6 1 ：无线a dh o e 网络是一种没有网络核心 的全分布式网络，该网络中的每个节点既是用户终端，也具有路由器的功能参与路 由构建和转发其他终端的数据包。相比于传统的机制( 比如h l r 固定在某位置) ， 此类方案更适合于移动自组织网络，因为在此网络结构下，节点同网络其它部分的 连接是间断的，零星的，数据库也相对不稳定。对这种网络的终端移动性管理因为 没有中心，只能采用分布式方案。 ( 3 ) 基于移动代理( m o b i l ea g e n t ) 【刀m o b i l ea g e n t 作为对分布式技术的发 展，在继承了分布式技术优点的同时又拥有自身的特点，如移动性、自治性、主动 性、反映性、合作性等，对它的应用研究多见于网络监测、路由等各个方面。它在 移动性管理方面的应用研究虽不多见，但也有一些有特色的研究。m o b i l ea g e n t 技 术由于自身分布式技术特点，它在移动性管理方面的应用实质上就是一种分布式移 动性管理技术。 ( 4 ) 无线传感器网络的移动性管理：无线传感器网络是由大量无处不在的、具 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 有通信和计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够 根据环境自主完成指定任务的自治测控网络系统。这些节点通过自组织方式构成无 线网络，以协作的的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，将整个区 域内的信息传送到远程控制管理中心。无线传感器网络是一种无中心节点的全分布 系统。它与a dh o e 网络类似，具有无中心、自组织性、动态变化的网络拓扑特性。 1 2 研究目标和意义 移动性管理f 8 j 被认为是无缝访问无线网络和移动业务所面临的最大难题。目前 成熟的移动性管理的特点是：( 1 ) 协议比较完整，能实现运营级管理要求；( 2 ) 采用以 网络为中心的集中式管理方法，不需要或很少需要移动终端的参与，因此对移动终 端的智能要求较低；( 3 ) 目前还未能很好的支持网络融合。 这种集中式移动性管理的缺点是：用于移动性管理的网络结构复杂，设备开销 大，网络核心设备执行移动性管理的处理负荷重，数据集中处理使象h l r 这样的 网元成为数据处理的瓶颈，并使系统可靠性降低；缺乏足够的灵活性和业开放性， 部署周期长，适应新业务的变化能力较差，不利于新业务的管理。基于未来的移动 通信与应用场景，未来的移动性管理技术应能支持泛在、异构、协同的网络环境， 并具有自组织、自适应的特性，移动性管理中的安全机制、位置管理、切换控制和 互操作控制等关键技术也都面临着挑战。 本文基于重庆市教委科学技术研究项目，提出一种基于代理的分布式移动性管 理结构，采用分层的一种代理结构，利用代理的一些特性，将移动性管理的这种移 动计算问题分散在网络中的各个代理来解决。 通过引入新的移动性管理方法，解决未来网络移动性管理的巨大复杂性，为下 一代网络移动性管理提供必要的技术支撑，对确定未来网络的移动性管理有着重要 意义。 1 3 论文结构 根据目前的移动性管理发展状况，本文主要使用代理技术，针对未来网络中的 移动性管理问题，做了以下工作： 全文共分五章。 第一章为绪论，介绍了本课题的研究背景和论文的研究意义。 第二章简要的介绍移动性管理理论以及分布式计算相关概念。 第三章根据前面所述，提出种基于代理技术的分布式移动性管理体系结构， 4 重瘗! ! 皇奎兰堡主堡銮 一 第一章绪论 一一一 ：= ：= 并对其进行描述。 第四章分析多代理协作中代理联盟的求解算法，并提出一种改进的蚁群算法来 求解最优的代理联盟值。 第五章结束语，对本文所做的工作进行总结并提出未来的工作。 重庆邮电大学硕士论文第二章移动性管理及分布式计算 第二章移动性管理及分布式计算 移动性管理是指移动通信网中用户移动所涉及到的问题，由于用户的移动性， 要求网络对此特性给以支持及管理。移动性是指一定目标( 用户或终端) 在网络覆 盖范围内的移动过程中，网络能迅速提供通信服务能力。同时，用户的通信和业务 访问不受位置变化和接入技术变化的影响，即独立于网络服务接入点的变化。 2 1 移动性管理的分类 根据不同的原则，移动性【9 】可以有很多不同的分类方法，如表2 1 所示。以下 部分分别介绍各种不同的分类方法。 表2 1 移动性的分类 分类依据分类 无缝移动性 根据不同的移动性支持程度 游牧移动性 终端移动性 个人移动性 根据移动性支持的目标 会话移动性 移动性 业务移动性 口因特网 宏观移动性 根据移动性涉 微观移动性 及的范围 接入网内移动性 电信网接入网间移动性 网络间移动性 2 1 1 根据移动性支持程度的分类 按支持程度，可分为：无缝移动性和游牧移动性。无缝移动性是指当用户移动 导致接入点改变时，不会中断当前的通信，即在移动过程中，需要与网络保持连接。 而在游牧移动性中，当接入点改变时，用户的业务会话将被完全终止，然后再重新 开始，即在移动过程中，不需要与网络保持连接。由此可知，二者的本质区别在于 网络接入点的变化是否影响当前会话的连续性，也即是否支持切换。二者的比较如 6 重庆邮电大学硕士论文第二章移动性管理及分布式计算 表2 2 所示。 表2 2 无缝移动性与游牧移动性的比较 类别移动过程中会话切换实时业务丢包敏感地带 无缝移动性保持通信连续支持必须适合适合 游牧移动性不通信 中断 不支持不必要不适合不适合 2 1 2 根据移动性支持目标的分类 根据移动性支持的目标，可分为业务移动性、会话移动性、个人移动性和终端 移动性。这几个移动性反映了与用户相关的移动性的不同侧面和需求目标。 1 ) s e r v i c em o b i l i t y ：业务移动性允许用户在任何位置发起和接收网络服务。为 了实现业务移动性，网络的基本要求是能提供接入机制使用户能获得业务，该业务 已列入用户可用业务清单，并可以从其他网络订购的。这里的业务可以是i s d n 业 务、数据业务比如交换式多兆位数据业务( s w i t c h e dm u l t i m e g a b i td a t as e r v i c e ) 和 帧中继等。这些业务被分为两大类：a c c e s s a s s o c i a t e d 和n o n a c c e s s - a s s o c i a t e 。前者 必须与处理业务的网络节点进行交互，比如呼叫等待；后者能由远端网络节点提供 而不需要直接同物理接入联系，比如电视会议。业务移动性必须要能处理这两类业 务。 2 ) s e s s i o nm o b i l i t y ：会话移动性意味着继续前面会话没有完成的又不需要重复 的一些工作。它能识别移动节点上的各种通信会话，并且当节点改变它的网络附着 点或者会话被转移到其他的接口或节点的时候，仍能保持会话的连续性。 3 ) p e r s o n n a lm o b i l i t y ：个人移动性关注用户而不是通信设备。用户在移动的时 候，能通过唯一的用户个人标识符在任何时间从任何地点通过接入任何授权的终端 访问电信业务；网络也能根据用户的个人资料来提供相应的业务。 4 ) t e r m i n a lm o b i l i t y ：同样的终端设备在移动中或在不同位置使用的场景中的 移动性，是终端从不同位置或在移动中访问电信业务的能力，以及网络识别和定位 该终端的能力。 2 1 3 根据移动性涉及范围的分类 根据移动性涉及的范围大小，p 领域将移动性分为宏移动性和微移动性；电信 领域将移动性分为接入网内移动性、接入网间移动性和网络间移动性。 宏移动性是指大范围区域上的移动性，通常指跨越p 域移动时的移动性。微移 动性也称局部移动性，是指小范围区域上的移动性，通常指同个d 域内的移动性。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章移动性管理及分布式计算 宏移动性管理方案主要就是利用移动i p ( m i p ) ；微移动性管理方案可以归为两大 类：基于路由的方案和基于隧道的方案。 1 ) 在移动p 中定义了以下功能实体：家乡代理( h o m ea g e n t ) 、外地代理( f o r e i 虮 a g e n t ) 和移动节点( m o b i l en o d e ) 。家乡代理：发送代理广播消息，当移动节点切 换链路时，家乡代理解析送往移动节点家乡地址的包，并将这些包通过隧道技术 ( t u n n e l ) 传输到移动节点的转交地址( c o a ) ；家乡代理还负责接收移动节点的注 册请求，移动节点在拜访网络获得的地址以转交地址的形式在家乡代理注册。外 地代理：发送代理广播消息，是移动节点获得转交地址；协助移动节点完成到家乡 代理的注册过程。移动节点：可将接入网络的位置从一条链路切换到另一条链路， 而仍保持所有正在进行的通信。 移动口的工作机制如下图2 1 所示。家乡代理和外地代理周期性广播代理广播 消息，移动节点收到代理广播消息后，确定自己是在家乡链路还是在外地链路。当 移动节点在外地链路时，从外地代理的代理广播消息中得到外地代理转交地址，而 配置转交地址可通过d h c p 或者手工配置获得。移动节点获得转交地址后就可通过 外地代理向家乡代理注册转交地址。注册完毕后，家乡代理就可以接收发往节点的 数据包，并通过隧道将数据包发送到它的转交地址。外地代理从隧道取出原始数据 报，并通过外地链路发送给移动节点。 h o m en g t w t 3 l r k f 0 r c i 印n e t w o r k 图2 1 使用移动d 的移动性管理 2 ) 基于路由的方案基本思想是，充分利用传统p 技术转发机制的健壮性。这 种方案的典型实现主要有蜂窝p 方案、h a w a i i 方案。两者的区别在于，域内节点 的功能和路由查找表的构建方法。 蜂窝p 支持寻呼和切换技术。位置管理和切换支持在蜂窝口接入网络中整合起 来。m h 定时发送数据包，刷新主机位置信息，使控制信息最少。蜂窝p 将p 网 r p豁 籁 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动性管理及分布式计算 络扩展至无线电话应用，它将蜂窝网与口网结合起来，通过寻呼和切换技术，达到 低时延切换和有效管理。动态传输过程中改变接入点时，需要进行切换。蜂窝p 支 持两种类型的切换机制。蜂窝d 切换应通过一种切换算法，以一些包丢失的损失来 达到减少切换信令的目的，而非试图达到零包丢失率。蜂窝d 半软切换试图在实际 切换前预先通知新接入点。半软切换减少了包丢失，同时又提供了比硬切换更高的 t c p u d p 服务质量。在h a w a i i 方法中，它通过一个单独的路由协议来处理本地移 动。特定路径建立机制用来将主机路由条目安装到路由器的路由表或移动终端与根 区域路由器间前转代理中，从而支持本地移动。 基于隧道的方案是以局部或分层的方式引入了登记和封装的概念，这样形成了 一系列功能灵活的局部隧道，层次移动口( 帅) 方案就是很好的例子。h m i p 采 用分级隧道手段，网络中f a 以分布式方式保持位置信息。只有在登记消息到达网 关f a 时，协议才更新路由。当移动台到达一个新接入点，它向网关f a 发送一条 控制消息，并产生按照新路径的下行路由信息。由于h m i p 采用单一层次的路由点 分层来减少网络中移动性管理节点的数目，相比其他专为移动性路由设计的移动协 议而言，产生更高的切换时延。 随着网络大小的增加，域间的移动性管理越来越显得重要，与之相联系的快速 切换和最小数据丢失的问题也日益突出。宏移动性管理是当前的研究热点。提供宏 移动性支持主要是以移动p 为基础。当移动用户在不同的网络漫游时，m i p 能隐 藏p 地址的变化，因而对用户漫游到他们的家乡网络之外能提供很好的支持。 3 ) 接入网内移动性、接入网间移动性和网络间移动性分别指同一个接入网内、 同一个网络内的不同接入网间，以及不同网络之间的移动性。这种分类方法基于图 2 2 所示的网络互通框架。网络由一个核心网( c o r en e t w o r k ，c n ) 及其所连接的 一个或多个接入网( a c c e s sn e t w o r k ，a n ) 组成，多个a n 可以通过c n 进行互通。 图2 2 接入网内移动性、接入网间移动性和网络间移动性 其中l 代表核心网间的移动性，2 代表同类接入网间的移动性，3 代表不同接入 9 重庆邮电大学硕士论文第二章移动性管理及分布式计算 网间的移动性。 2 2 移动性管理相关术语介绍 除了上述的各种移动性分类及其相关定义外，移动性管理1 1 0 】还涉及其他的一些 定义。这里分别论述。 2 2 1 位置管理 位置管理分两阶段通过发现移动用户当前的附着点来完成呼叫转移。第一阶段 是位置注册( 或位置更新) ，在这个阶段，移动终端周期性的报告网络有关它的接入 点信息，允许网络验证用户以及更改用户位置信息。第二阶段叫做呼叫转移，在这 阶段，网络要查询用户的相关信息以及移动终端的位置，如下图2 3 所示： a p a g i n g 图2 3 位置管理 位置管理的技术涉及到数据库结构设计以及网络上不同节点之间信令消息的传 输。随着移动用户的增加，需要设计新的和改进的位置管理策略。当前的研究的问 题如下表2 3 所示： 表2 3 位置管理研究问题 位置管理的阶段需要研究的问题 认证安全 数据库更新数据库结构、动态数据库更新、更新时延 数据库查询数据库结构、查询时延 终端寻呼终端寻呼策略、寻呼时延( 基于时间、距离) 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章移动性管理及分布式计算 位置管理主要进行数据库操作和处理信令数据，许多需要研究的问题都是与协 议无关的。因此位置管理策略可以应用到不同的网络中，如：基于p l m n 的网络、 p s t n 、i s d n 、帧中继以及a t m 网络等。 2 2 2 切换管理 切换管理是指当移动终端移动到新的网络接入点时，维持用户与网络的连接。 分为三阶段：第一阶段是初始化，证实有切换的需要；第二阶段是新连接的建立， 网络应当找到切换链接的新资源来实现任何额外的路由操作( 网络控制切换或移动 终端控制切换) ；第三阶段是数据流控制，即从旧的连接路径到新的连接路径传输的 数据要达到业务的需求。如下图2 4 所示： 图2 4 切换管理 目前移动切换研究的重点问题有：( 1 ) 提高数据包处理的效率；( 2 ) 降低网络 上信令消息的负载；( 3 ) 优化每个链路的路由；( 4 ) 高效率的带宽再分配；( 5 ) 无 线链接的服务保证( q o s ) 。 2 2 3 服务接入点 服务接入点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 是指负责为用户终端通信提供所需的接入 连接、号码地址适配及相关控制功能的第一个网络实体。比如蜂窝网中的基站子系 统( b a s es t a t i o ns u b s y s t e m ，b s s ) 和w l a n 中的接入点( a c c e s sp o i n t ) 等。 接入点的变化可能由用户终端网络移动导致的物理位置变化引起，也可能由 接入技术和无线信号的变化引起。并且，接入点的变化通常会触发移动性管理中的 位置更新和切换控制等过程。 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动性管理及分布式计算 2 2 4 移动节点、移动主机、移动终端和移动台 移动节点( m o b i l en o d e ，) 、移动主机( m o b i l eh o s t ，) 、移动终端( m o b i l e t e r m i n a l ) 和移动台( m o b i l es t a t i o n ，m s ) 是各种移动性管理相关标准和文献中常 用的术语。一般是指移动性场景中的p c 、手机、p d a 和笔记本电脑等可以移动的 物理终端设备。 2 3 移动性管理网络参考模型 根据前面的论述，经过抽象，提出了移动性管理的网络参考模型及其功能实体， 如图2 5 所示。 躺稚耥 鬈 切竺： 盗 壁二羚 糯融勰 百切竺=鼍 拜访用尸 奉地崩尸 图2 5 移动性管理网络参考模型与功能实体 根据移动目标的归属不同，通信网分成了一个家乡网络和多个拜访网络。不同 的移动性管理技术还可能将归属网络和拜访网络进一步划分为不同的域。涉及移动 性管理的功能实体可以抽象为以下几类：接入服务点、移动性管理服务器、域移动 控制器和移动性管理协议。现分别对几个功能实体进行阐述。 ( 1 ) 接入服务点：负责提供用户通信需要的接入连接、号码地址适配及其相 关的切换控制功能和位置管理功能。当用户移动引起接入点服务区域的变化时，就 可能触发切换控制功能。 ( 2 ) 移动性管理服务器：提供相应的移动性管理功能，包括注册认证服务器和 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章移动性管理及分布式计算 位置管理服务器。前者负责管理用户的接入鉴权信息和业务属性信息，后者负责记 录、更新、查找和注销用户当前位置信息。 ( 3 ) 域移动控制器：当通信网络被划分为不同的域，域移动控制器就负责完成 域间的移动性管理功能。 ( 4 ) 移动性管理协议：它实现功能实体间的相互通信，以实现认证授权、信息 交换和控制功能。它包括的一些协议如位置管理协议、切换管理协议以及操作控制 协议等等。具体的协议根据使用不同的移动性管理技术而有所不同。 2 4 分布式计算 分布式计算是近年提出的一种新的计算方式。所谓分布式计算就是在两个或多 个软件互相共享信息，这些软件既可以在同一台计算机上运行，也可以在通过网络 连接起来的多台计算机上运行。 分布式计算概念中的分布性主要指数据分布和计算分布，数据分布是指数据可 分散存储在网络的不同计算机中；计算分布则是把操作计算分散给不同的机器进行 处理。分布式计算将计算工作分摊到多部计算机中，降低集中在单一计算机上运算 的负载及可能的风险，提供高度的可伸缩性、可靠性、可管理性和灵活性。它为用 户提供了一种有效的资源共享手段。 分布式计算比起其它计算方法具有以下几个优点：稀有资源可以共享；通过分 布式计算可以在多台计算机上平衡计算负载；可以把程序放在最适合运行它的计算 机上。其中，共享稀有资源和平衡负载是计算机分布式计算的核心思想之一。 2 4 1 分布式计算模式 分布式计算模式主要有以下几种： 1 ) 消息传递模式( m e s s a g ep a s s i n g ) ：这种模式是早期的进程间的通信手段， 是进程间通信的基础。消息传递的模式提供两条通信原语：将消息发送到目标进程 的s e n d 原语和接收到达消息的r e c e i v e 原语。在基于消息传递的客户机服务器计算 中，客户端先发送请求消息给服务器；服务器在接到请求后，处理这一请求，然后 将带有结果的应答消息发回给客户端，如图2 6 所示： 重庆邮电大学硕士论文第二章移动性管理及分布式计算 图2 6 消息传递模式 2 ) 远程过程调用模式( r e m o t ep r o c e d u r ec a l lp r o t o c 0 1 ) ：是一种通过网络从远 程计算机程序上请求服务，而不需要了解底层网络技术的协议。r p c 支持客户端的 程序通过标准过程调用机制调用服务器端的过程。它的目的是为了能将分布式程序 当作集中式系统中的常规程序，以同样的形式书写。 主机主棚 图2 7 主机间的r p c 调用 3 ) 移动代理模式( m o b i l ea g e n t ) ：在移动代理计算模型中，计算过程及其相 应状态在接收方中完全代表了发送方的所有请求，这就降低了网络可靠性的影响： 因为移动代理无需消耗过多的网络带宽，它只在移动时使用带宽；它在移动后将继 续执行，即使此时已失去了与创建者之间的网络连接。由于移动代理可以在异构的 软、硬件网络环境中自由移动，因此这种新的计算模式能有效地降低分布式计算中 的网络负载、提高通信效率、动态适应变化了的网络环境，并具有很好的安全性和 容错能力。 采用移动代理技术能较大减轻网络负载，目前的分布式系统通常过多地依赖于 网络通信协议，这些协议在完成任务中要进行多次交互，从而容易导致网络拥塞。 如图2 8 所示 图2 8 传统的计算模型 移动代理可以封装完整的会话过程，然后自主的移动到目的主机上进行本地交 互。当远程主机需要进行数据处理时，采用移动代理技术可以避免数据在网络上的 传输，根据就是将计算移到数据上，不把数据移到计算中( m o v ec o m p u t i n gt od a t a ) 。 当客户需要与网络上特定服务器进行大量通信时，采用移动代理方式，让移动代理 1 4 重庆邮电大学硕士论文第二章移动性管理及分布式计算 自行移动到远程服务器上，执行计算任务并返回，减少网络拥塞，而在计算过程中 客户也没有必要在网络中，只在移动代理返回时，客户端才需连接到网上。如下图 2 9 所示( 移动代理是在移动代理平台上运行) 。 移动代理携带结果返回 客户端连接网络 图2 9 移动代理计算模型 4 ) 对等计算模式( p 2 p ：p e e r - t o - p e e r ) ：是将计算机串联，采用p 2 p 技术的对 等计算，把网络中的众多计算机暂时不用的计算能力连接起来，执行超级计算机的 任务。对等计算可简单定义为通过直接交换共享计算机资源和服务，它的理念是在 节点之间直接交换和共享文件和资源。 随着计算机软硬件，特别是网络技术的发展，整个计算环境发生了深刻的变革， 网络计算开辟了计算机应用的新天地。传统的客户服务器( c s ) 模型因其灵活性差等 原因，已经不能很好地满足大而复杂的分布式计算要求。尤其是近几年来，更多大 量的移动设备接入互联网，用户的个性化需求越来越强以及应用日益复杂多变的趋 势，这些因素都促使一种新的计算模型一代3 里( a g e n t ) 产生和快速发展。 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动性管理及分布式计算 2 4 2 代理 一一一 代理( a g e n t ) 可以是一个人，一台机器，一段代码或者其他东西。它是一种具 有控制功能的实体，它接收信息，依据自己的知识、规则和控制逻辑对信息进行处 理，然后把信息转发出去。a g e n t 可是硬件或软件系统，能自主运行并提供相应的 服务，模拟人类的行为和关心，代表用户完成特定功能。目前研究和应用较多的是 移动代理。 移动代理( m o b i l ea g e n t ) 是一个能在异构网络中自主地从一台主机迁移到另 一台主机，并可与其他a g e n t 或资源交互的程序。它是一类特殊的软件a g e n t ，它除 了具有软件a g e n t 的基本特性自治性、响应性、主动性外，还具有移动性【1 2 1 ， 即它可以在网络上从一台主机自主地移动到另一台主机，代表用户完成指定的任务。 实际上它是a g e n t 技术和分布式计算的结合。 移动代理不同于远程过程调用，这是因为移动代理能够不断地从网络中的一个 节点移动到另一个节点，而且这种移动是可以根据自身需要进行选择的。移动代理 也不同于一般的进程迁移，因为一般来说进程迁移系统不允许进程自己选择什么时 候迁移以及迁移到哪里，而移动代理却可以在任意时刻进行移动，并且可以移动到 它想去的任何地方。 采用a g e n t 技术有如下的几个优势： 1 ) 采用a g e n t 技术，可以减少无线通信网络上的通信流量。 2 ) a g e n t 驻留在固定网络中，代替移动客户端处理一部分事务。 3 ) a g e n t 支持移动客户端的断连操作。 4 ) 允许移动客户端透明地访问异构的信息服务器，不必预先了解该服务器的能 力和访问方式。 5 ) 移动用户可以定制相应的a g e n t ，使之为自己提供个性化服务。 一个代理的作用相当有限，因此代理通信显得尤为重要。在一些负责的异构系 统里，代理通信能有效的降低代理之间互操作性的难度，代理通信语言( a c l ) 的重 要性不言而喻。 代理之间的通信语言是代理之间交换信息和知识的手段。a c l 根据消息传递表 示的语义描述代理的期望状态，并且有机处理代理的行动，规则及其声明；而不是 简单机械的调用方法和程序。a c l 运行代理在不同的硬件平台、操作系统、结构、 编程语言同其他代理进行通信及其知识的交流f 1 3 】。 目前常用的a c l 是k q m l 和f i p a - a c l ( f o u n d a t i o no fi n t e l l i g e n tp h y s i c a l a g e n t ) k q m l ，是知识查询和操作语言的简写( k n o w l e d g eq u c r ya n dm a n i p u l a t i o n 1 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动性管理及分布式计算 l a n g u a g e ) ，它是基于消息的通信协议，本身也是一种独立的消息交换和协议语言 【1 4 1 。它支持涉及基于知识的系统或智能代理的进程间通信的网络编程。它的目的是 让代理间的通信不仅可行而且简单。它允许代理共享一个共同的语法。它是基于