第6章 移动通信与计算机网络通信的融合

第6章移动通信与计算机网络通信的融合6.1计算机网络通信介绍6.1.1概述所谓计算机网络，就是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互连成—个大规模、功能强的网络系统，从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享硬件、软件和数据信息等资源。这种以计算机互联形式进行的通信方式称为计算机网络通信，它是现代通信技术和计算机技术的综合体。构成通信的计算机网络有多种分类方式，按网络规模大小可分为个域网（PAN）、局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN）；按网络拓扑结构可分为网状网、格式网、星型网、树型网、环型网和总线网；按传输介质可分为有线网、光纤网和无线网；按通信方式可分为点对点传输网络和广播式传输网络。

计算机通信网络经历了4个发展阶段，即联机系统的数据通信、面向终端的计算机通信网、多机互联系统、全球计算机通信网络（互联网）。通信业务也从资源共源、数据传输等简单业务阶段发展多媒体通信阶段，传输带宽和传输速率得到了极大的提高。国际标准化组织（ISO）为实现开放式系统，提出了开放系统互联（OSI）模型。OSI模型从下至上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，共7层。计算机通信网络通常采用比OSI模型简单的TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）模型，共分为4层。6.1.2Internet的形成与发展Internet（互联网）是全球最大的、开放的、由众多网络互联而成的计算机网络，也是全球最大的广域计算机网络。它是由美国的ARPANET发展和演变而来的。ARPANET是美国国防部高级研究计划署于1969年资助建立的的一个军用网络，其目的是为了验证远程分组交换网的可行性，最初只有4个节点，连接美国的4个大学。上世纪70年代末至80年代初，计算机网络蓬勃发展，各种各样的计算机网络应运而生，如MILNET、USENET、BITNET、CSNET等，在网络的规模和数量上都得到了很大的发展。一系列网络的建设，产生了不同网络之间互联的需求，并最终导致了TCP/IP协议的诞生（1980年研制成功），解决了终端使用不同操作系统、网络使用不同传输介质的计算机网络之间的互联问题。1986年美国国家科学基金委员会（NSF）资助建成了基于TCP/IP技术的主干网NSFNET，连接了ARPANET和其他网络，形成了Internet网。此后在90年代，随着WEB技术和相应浏览器的出现，互联网得到了进一步的发展和应用，更多的网络连接到了Internet网上。到1995年，Internet正式开始商用。6.1.3TCP/IP参考模型1、TCP/IP参考模型的协议结构SMTPDNSNSPFTPTELNETUDPTCPICMPARPRARPEthernetARPANETPDN其他应用层传输层IP网络层主机至网络IPHTTP图6-1TCP/IP参考模型⑴、主机至网络有以下几个协议：Ethernet、ARPANET、PDN和ATM等，它们是实现TCP/IP的基础，是通信网络与TCP/IP之间的接口。⑵、IP网络层的主要功能是负责将数据报送到目的主机，它包含4个协议。IP是互联网协议，它在主机间提供数据报服务。ICMP是Internet控制报文协议，它主要用于路由器或主机向其他路由器或主机发送出错报文和控制信息。ARP是地址解析协议，每一个网络接口卡有一个惟一的硬件地址，每个主机中有一个ARP表用于映射主机的IP地址和网络接口卡的硬件地址。RARP是逆向地址解析协议，ARP基于一个给定的IP地址寻找硬件地址，RARP则逆向工作，它根据硬件地址寻找IP地址。⑶、传输层的主要功能是负责应用进程之间的端至端通信，它包含2个协议。TCP协议是传输控制协议，它是面向连接的运输层协议，用于动态适配互联网络的变化特性，在不可靠的网络上提供一条可靠的端到端的传输通道。UDP是用户数据报协议，它提供无连接的运输层服务，是一种不可靠传送。⑷、应用层TCP/IP协议结构中的最高层，它规定了应用程序怎样使用互联网，包括多个协议。SMTP是简单邮件协议，它用于客户机与服务器传输电子邮件。DNS是域名服务系统，用于处理主机名与IP地址之间的映射。NSP是名字服务协议。FTP是文件传输协议，用来在计算机之间传送文件。TELNET是远程终端访问协议，它用于本地计算机登录到远程系统，以便实现资源的共享。HTTP是超文本传输协议，它用于传输WWW（万维网）方式数据。2、IP协议IP协议是IP网络层的重要协议，它将要传送的报文分割为块，每一块独立地传向目标，然后在目的地按发送顺序重新组合。一个IP数据报由一个报头和一个正文部分组成，报头包括源目标IP地址、目的IP地址、报头长度、服务类型、报头校验等数据。IP协议不保证服务的可靠性，在主机资源不足的情况下，它可能丢弃某些数据报，同时IP协议也不检查被数据链路层丢失或遗失的报文。数据报在传输过程中可能需经过不同的网络，IP协议提供了寻找路由的功能。⑴、IP地址及其表示方法A类B类C类D类E类32bit0Net-idHost-id10Net-idHost-id110Net-idHost-id1110组播地址11110保留为今后使用Net-id：网络号；Host-id：主机号图6-2IP地址的5种类型（IPV4）常将32bit地址中每8bit用其等效十进制数字表示，并且在这些数字之间加上一个点，这就是点分十进制记法。例如，有下面的IP地址：10000000000010000000101100001011这是一个B类IP地址。如用十进制表示，则为128，8，11，11。⑵、IP地址与物理地址首部应用层数据首部首部尾部TCP报文IP数据报MAC帧网络层及以上使用IP地址链路层及以下使用硬件地址IP地址硬件地址图6-3IP地址与物理地址的区别⑶、子网的划分本地分配B类地址子网号主机号增加了子网号字段子网掩码图6-4子网掩码的意义⑷、地址转换存在两类地址转换，一类是IP地址与硬件地址之间的转换（IP地址不能用来直接通信），由ARP和RARP完成；另一类是主机名字与IP地址之间的转换，由DNS完成。⑸、IPv6技术IPv4技术取得了巨大成功，但随着Internet的发展，它出现了地址枯竭、网络号码匮乏和路由表急剧膨胀3大问题，与此同时，它也不适于传输语音和视频等实时性业务（分组转发速率慢，时延大）。为了解决上述问题，IETF（Internet工程任务组）提出了IPv6（IP协议第6版）这样一个下一代互联网协议。它的主要变化是，IPv6使用了128bit的地址空间，并使用了全新的数据报格式，简化了协议，加快了分组的转发，允许对网络资源的预分配和允许协议继续演变，并增加了新的功能。3、TCP协议TCP协议是提供主机间高可靠性的端到端的包交换传输协议。TCP提供面向连接的可靠传输，为确保这一点，采用了检错、引错、滑动窗口、流量控制、拥塞控制、慢启动和快速重发等措施。4、UDP协议传输层的另外一个协议——UDP提供了一种发送封装的原始IP数据报的机制。每个UDP报文中除了包含有要发送的数据外，还包含数据的源端口号和目的地端口号，从而使报文可以被正确地送到目的地，接收者收到数据后返回一个应答。使用UDP传送数据时需要先建立连接。UDP不对报文排序，也不进行流量控制，是不可靠服务。6.1.4Internet的应用1、客户机/服务器模式Internet上的应用基本都采用客户机/服务器模式。服务器是指在网络上可供服务的任何程序；客户机是一个向客户发出请求并等待响应的程序。网络采用客户机—服务器方式进行通信。一个服务器应用进程被动等待请求，一个客户机应用进程主动发起通信。服务器应用进程必须在远方的客户机进程尝试进行通信之前与协议软件进行交互，通知本地协议软件其所等待信息的特定类型，然后等待信息的到来。2、Internet的具体应用方式Internet有许多具体应用方式。其中，WWW在Internet上使用最多、最广泛，是世界上最大的信息服务系统。它通过连接在Internet上的计算机将位于全世界不同地点的数据信息有机地组织在一起，为世界各地数以百万计的用户提供应用、数据库和多媒体功能。WWW是基于客户机/服务器模式的系统。客户端有一个浏览器程序，它把从服务器取回的文档以适当的格式在屏幕上显示出来，这些文档都是超文本结构。所谓超文本，是指信息不是按传统的线性和顺序的方式组织，而是按其内部固有的独立性和相关性被划分为一个个基本的信息块，每个信息块用链连接起来。从屏幕上显示的文档中选定一个链后，就可以通过这个链得到另外一个文档。这个链就是一个超链接。将超文本系统与多媒体技术结合起来就成为超多媒体。这时浏览器显示的不仅是静态的文本、图形，还包括声音、动画和图像等多媒体信息。电子邮件（E-mail）是Internet上另一个被广泛使用的功能，它是一种利用网络交换信息的非交互式服务，它同样是一种基于客户机/服务器模式的系统。它把发送电子邮件的主机当作客户机，接受邮件的主机作为服务器，客户机与服务器之间传输电子邮件的协议是SMTP协议。电子邮件由两部分组成：信头和信体。信头包括发送者、接收者、日期、时间和主题；信体则是信件的具体内容。信头用于建立发送者和接收者的连接，如连接成功，就发送信件具体内容。其他Internet应用还包括电子新闻、文件传输、远程登录、Archie（档案检索系统，相当于一个图书管理员）和Gopher（一种资源检索工具）等。6.2移动通信与计算机网络通信融合方式6.2.1概述通信是实体之间的交互，计算是对于实体的某种方式的处理。交互和处理都含有实体的生成、变换、传送、存储、呈现、消解等过程的全部或部分。所以，通信和计算的内在联系和共同基础是自然的、广泛的。但是，通信和计算机一直被分成两个独立的学科，也被认为是两个独立的工业，各自走过了自己的发展道路。计算机技术及工业的形成晚于通信，但很快发展为一种通用的技术，形成强大的工业群体。但就计算的本质来说，计算资源的共享，计算实体之间的交互作用，都离不开通信的参与，而移动计算的发展将更多地依靠移动通信来支持。同样，现代通信技术的发展也离不开计算机技术，电信网中的程控交换、管理、计费等都是采用计算机技术来完成；移动通信系统核心网的运行有赖于计算机技术的支持，其很多网元其实就是特定功能的计算机。电话InternetWLANWiFiWiMAX模拟移动电话1G数字移动电话2G宽带移动通信3G数据移动通信2.5G3G、B3G、WiMAX终端：手机手机手机+PC手机+PC固定窄带固定无线移动宽带窄带小范围PC中宽带中范围PC大范围终端PC+手机终端：融合智能终端第1阶段第2阶段第3阶段图6-5移动通信与计算机网络通信的融合示意图6.2.2技术融合移动通信和计算机网络通信都是处理信息的学科，信号样式也相同（计算机网络通信从一开始就是处理数字信号，移动通信也早已进入到数字通信阶段），因此，两者具有许多相同的学科理论，实践中也用到大量相同的技术。比如信息度量方法是两者共同的理论基础；共性技术有：信息编码技术、纠错技术、中间件技术、开放系统模型技术、Agent（代理）技术、路由技术、信息安全技术等。在两者融合阶段，原先一些不能共用的技术开始共用，或者经过改进之后共用。比如IP的网络架构在移动通信中逐步得到使用，但移动通信中的IP技术是需要改进的，因为要考虑终端移动性和子网移动性。目前，移动IPv4（MIPv4）技术在3G和移动WiMAX中得到了广泛应用，同固定互联网的发展趋势一样，移动互联通信中的移动IPv4也要向移动IPv6（MIPv6）过渡，以提供更多的IP地址空间。从无线接入技术看，从3G到B3G，不可能再沿用以扩频为主要技术手段的CDMA技术，因为它不能在给定带宽基础上再大规模地提高信息传输速率，所以在B3G中，要采用OFDM、智能天线及MIMO等技术。而这正是WiMAX采用的技术，可见移动通信和计算机网络通信在技术发展上是“志同道合”。由于二者在覆盖热点，提供服务内容上的互补性，使人们认识到，二者在未来融合到一个统一的下一代网络（NGN）的核心网中是必然的和可能的。

6.2.3业务融合1、业务融合的必要性“业务融合”意味着什么？“业务融合”意味着不管身在何处，不管使用哪种设备，运营商都将提供无缝链接的、直观的、合适的接入方式，实现各种不同的应用和实时、方便的沟通。对用户来说，既扩大了用户的活动空间，又节省用户的费用。对运营商来说，业务融合结合了固定和移动的优势，使运营商可以在基本语音业务的基础上开发出丰富多彩的增值业务，如可视电话、增强型信息业务以及数据业务等。2、业务融合的可行性目前，业务融合所需要的技术已经基本到位，如多模的终端设备、数字化的内容、技术的成熟和广泛部署，相互补充的多种接入网络，统一的核心网络和业务平台技术逐渐成熟等。从图6-5中可看到，移动网和互联网在现阶段（第2阶段）实现了互连和互通。国家相关政策（世界管制政策相同）鼓励电信网、互联网和广播电视网实现3网合一，因此允许移动网和互联网运营商进入对方领域提供服务，为业务融合提供了便利条件。3、实现的融合业务通过融合方案，普通的手机可接入移动通信网，实现通话、短信及其它增值业务，电脑软终端、WiMAX手机、SIP电话机也可通过互联网，连接到NCG（网络融合网关）系统，实现与普通手机接入移动通信网完全一样的功能。通过Wi-Fi（无线保真）或WiMAX双模手机，用户可以自动选择互联网或者移动网络，并实现在两个网络间自动切换和无缝漫游。现阶段，具体实现的融合业务如下：⑴、不同制式的终端接入相应的网络，实现接听、拨打电话，收发短信功能。⑵、无缝切换⑶、数据业务融合⑷、增值业务融合6.2.4网络融合1、下一代网络NGN是真正实现3网融合的载体，自然是移动通信网和计算机通信网的最终融合体。NGN的核心思想是采用IP协议及相关技术，电信网的商业模式、运行模式，电信业务的设计理念，即集传统电信网（包括移动网）和Internet之长，产生新一代网络技术。NGN是大量采用创新技术，支持语音、数据和多媒体业务的融合网络。NGN目前还没有统一的标准，还处于探索阶段，但它是我们努力的方向。2、现阶段网络融合融合网关移动通信网互联网软交换系统固定网HLRMSCSMSC手机WLAN/WMAN接入点WiFi/WiMAX手机SIP电话普通电话机图6-6移动通信网和互联网业务融合组网方案6.3WAP技术WAP是“无线应用协议”的简称。它是一个开放的、全球性的标准。由多家厂商共同组成的WAP论坛制定了WAP协议（它已有1.0和2.0版本，其3.0可能由OMA来制定），用来标准化无线通信设备（例如蜂窝电话、PDA等）及有关的网络设备（如网关等），使用户使用轻便的移动终端就可获得互联网上的各种信息服务和应用，包括收发电子邮件、访问WWW页面等。移动网络和Internet以及局域网以WAP为桥梁紧密联系在一起，向用户提供一种与承载网络无关的、不受地域限制的移动增值业务。6.3.1WAP的网络结构图6-7WAP系统的网络结构6.3.2WAP协议栈WAP定义了一个如图6-8所示的分层体系结构，它为移动通信设备上的应用开发提供了一个可伸缩和可扩充的环境。在协议栈中，每一层都为其上一层提供服务，另外也可以为其他服务与应用提供接口。无线应用环境（WAE）无线会话协议（WSP）无线事务协议（WTP）无线传输安全协议（WTLS）无线数据报协议（WDP）GSM/GPRSBluetoothIS-95CDMA3GPASiDEN……承载层其他服务应用图6-8WAP协议结构6.3.3WAP的应用WAP的应用模式采用客户机/服务器模式，和WWW的应用模式结构极为相似。在WAP应用模型中，WWW应用模型中的标准命名模型、内容类型、标准内容格式和标准通信协议等几项机制均有所保留。和固定互联网相比，移动互联网提供的应用具有自身的特点。由于WAP协议是通过移动网络入网，移动用户不需要和商家建立新的认证体系（沿用移动网络原有安全机制），使得其服务更有安全保障；终端更简便，能提供方便的移动服务；用户可更高效获取信息。目前，网上提供的WAP业务主要有3类：公众信息服务、个人信息服务和商业应用。公众信息服务包括为用户实时提供最新的天气、新闻、体育、娱乐、交通、旅游、教育、股市行情和其他公告信息；个人信息服务包括电子邮件的收发、传真、上传信息、移动博客、电话增值业务等；商业应用包括网上办公和移动电子商务等，其中，移动电子商务包括移动银行、网上购物、网上书店、股票交易、博彩、移动拍卖、机票及酒店预定、WAP广告等。现阶段，我国的WAP业务提供模式有两种：收费模式和免费模式。收费模式是主流模式，由运营商为主导，其典型代表是中国移动的“移动梦网”和中国联通的“UNI-互动视界”；免费模式是由免费的WAP站点提供内容。6.4IMS技术随着IP技术的发展，移动网络和固定网络都有向全IP网络发展的趋势，最终形成具备可互操作的融合网络结构。其中，3G中的3大标准的核心网在向全IP网络迈进的过程中，ITU就在考虑它们的融合方式，即将3GPP提出的IMS和3GPP2提出的MMD两大核心网络结构率先融合，形成统一的3G系统全IP核心网，最后形成通用平台，支持固定和移动的多种接入方式，实现固定网和移动网的融合。IMS和MMD两种网络结构是极其相似的，MMD可划分为PDS（分组数据子系统）和IMS两部分，但3GPP2的IMS和3GPP的IMS略有不同，比如，3GPP2的IMS支持IPv4和IPv6（初始关注IPv4），而3GPP的IMS只支持IPv6，因此在这里重点介绍3GPP的IMS网络。6.4.1概述IMS以IP核心网标准为基础，最大限度地重用Internet技术和协议。它在会话控制层选用了技术简单而又易于扩展的SIP（会话初始化协议）；在网络层采用具有足够地址空间和性能改进的IPv6，并重用DNS协议进行地址解析；终端用户接入沿用计算机网络中的AAA客户—服务器结构，采用在RADIUS协议基础上开发的Diameter协议；在运营管理层采用支持策略控制的COPS（公共开放政策服务）协议；在网络安全方面采用IPsec技术和TLS协议。IMS不但支持3G用户之间基于IP网络的多媒体通信，也能支持3G用户与互联网用户之间的通信。IMS首先由3GPP（IMS经过了3GPP、3GPP2、ITU-T、IETF、OMA和ETSI等多个标准化组织的定义和完善）在R5中提出，该版本主要定义了IMS的核心结构、网元功能、接口和流程等内容；R6增加了部分IMS业务特性、IMS与其他网络的互通规范和WLAN接入等特性；R7加强了对固定、移动融合的标准化制定，要求IMS支持xDSL（数字用户线路）电缆等固定接入方式。IMS越来越受到业界的关注，它与现有CS域和PS核心网络相比具有巨大优势。IMS以移动分组网等IP网络为承载，为IP多媒体业务提供了一套完整的解决方案，可满足IP多媒体业务在安全、计费、漫游和QoS上的需求。6.4.2IMS的网络架构图6-9为3GPP定义的IMS网络结构。图中，所有的功能在各个逻辑节点中完成；如果在同物理设备中实现两个逻辑节点，相关的接口就成为该设备的内部接口。IMS网络包括Cx、Gm、Mc、Mr、Mp、Mw、Mi等近20个接口。IMS中主要的功能实体有：会话控制功能（CSCF）、归属用户服务器（HSS）、媒体网关控制功能（MGCF）、IP多媒体—媒体网关功能（IM-MGW）、多媒体资源功能控制器（MRFC）、多媒体资源功能处理器（MRFP）、签约定位器功能（SLF）、出口网关控制功能（BGCF）、信令网关（SGW）、应用服务器（AS）、多媒体业务交换功能（IM-SSF）、OSA业务能力服务器（OSA-SCS），其中，CSCF是IMS的核心设备。图6-9IMS网络结构示意图6.4.3IMS的关键技术1、端到端QoSIMS在QoS方面有较全面和完善的规范定义和指导，允许在不同运营商间进行IMS网络路由的拓扑隐藏，支持完善的IPQoS控制机制。IMS沿用了3GPP提出的从上到下、逐层影射、分段网络来提供QoS。在承载层QoS

的基础上，IMS通过利用资源预留、差分业务等技术以及QoS

协商、授权等功能实现终端到业务的QoS交互以提供端到端的QoS服务。除此之外，IMS还在会话中引入了SBLP（基于服务的本地策略），即基于SDP（会话描述协议）参数协商的IMS承载传输的授权和控制机制，通过采用运营商预先定义的策略对网络的资源进行合理的管理和分配。2、IP连接IP连接可以通过归属网络或拜访网络获得。用户漫游时的IP连接示意图如图6-10所示。图6-10中的（a）部分表示用户设备通过拜访网络获得一个IP地址的情况。在UMTS网络中，这意味着用户漫游到拜访网络时所使用的RAN、SGSN和GGSN都位于拜访网络。图6-10中的（b）部分表示终端从归属网络获得一个IP地址的情况。在UMTS网络中，这意味着用户漫游到拜访网络时，RAN和SGSN位于拜访网络。显