移动IP技术的原理现状和发展

移动IP技术的原理，现状和发展 [摘要]：随着移动和互联网技术的发展，移动数据通信作为二者的结合也变得越来越重要。本文主要介绍了移动IP技术的原理，现状和发展。围绕什么是IP移动性问题，以及它的基本解决方案展开。另外探讨了具有较大应用规模的移动通信网络的移动性问题。最后展望了移动性解决方案的发展方向。 [关键词]：移动IP；移动性管理；IPv4；IPv6Theprinciples,statusanddevelopmentofMobileIP[abstract]:WiththedevelopmentofmobileandInternettechnology,mobiledatacommunications,ascombinationofthetwohasbecomeincreasinglyimportant.Thispaperdescribestheprinciples,statusanddevelopmentofMobileIPtechnology.ThenatureofIPmobilityanditsbasicsolutionsarediscussed.Alsolargescaleapplicationofmobilecommunicationnetworkmobilityproblemarediscussed.Finally,lookformobilesolutionsdevelopment. [keywords]:MobileIP;mobilitymanagement;IPv4;IPv61移动IP技术的简介1.1移动IP技术发展背景随着移动和互联网技术的发展，移动数据通信作为二者的结合也越来越得到大家的关注。移动IP技术通过保持移动节点的IP地址的不变，维持移动过程中传输层以及更高层的通信连接。在现有协议基础上叠加移动功能方式，优点是最大限度利用现有网络资源和研发方面的经验，较快实现解决方案；缺点是在网络层协议本身是针对固定网络而设计的基础上实现的移动方案，可能并不是最佳，需要增补相应的协议内容完善在移动环境中的通信能力，例如CoA地址获得、反转隧道技术和路由优化技术等；在下一代IP中，在协议的体系结构中移动功能已经是其中的一个重要方面，所以可以说移动技术是IPv6协议的一个固有的部分，区别于通常的叠加方式的实现方案(IPv4,WirelessATM等)，提供更优化的移动性支持。1.2移动IP技术基本原理移动IP主要涉及三个方面的内容：代理发现，注册和隧道传输。下面我们围绕这三个协议过程展开分析，同时针对各种实现技术所适用的特定环境作一个分析比较。1.2.1代理发现移动代理，包括归属代理和外部代理，通过定期发送“代理通告”消息，在相连接链路上通告移动代理业务；移动节点侦听“代理通告”，检查通告内容，检测是否发生移动：①位于归属地网络：不需要移动功能支持；②位于外部网络：发生移动，继续移动IP进程；③返回归属地网络：注销移动节点的注册，结束移动IP进程。移动节点获得它在外部链路上的转交地址，有两类转交地址：①外部代理的转交地址，是通过代理通告获得的；②collocated转交地址，是通过DHCP或其他方式临时分配给移动节点的地址。如果移动节点在一段时间内没有收到“代理通告”，或者移动节点使用其他方式获得转移地址，移动节点可以强制发送“请求代理通告”，现有移动代理应答请求，并且提供相应的转交地址。移动检测功能的实现[3]：①通过生命期判定：在每一个“代理通告”中，移动节点获得了相应通告的生命期，在生命期过期之前应该接收到下一条“代理通告”；如果在生命期内从相应外部代理未接受到新的通告，就有两种可能，其一移动节点漫游到了新的子网，其二移动节点向新的外部代理申请了注册。②通过网络地址前缀：通过比较现有外部代理和接受到的新的外部代理的网络地址前缀来判断移动节点是否移动到了一个新的子网。1.2.2注册移动节点侦测到网络接入点发生改变或者上一个注册有效期将要过期时，移动节点实施注册过程，通过注册过程完成以下任务：(1)通知归属代理当前转交地址；在归属代理中生成移动节点的绑定信息，三元组，包括转交地址，归属地地址和注册生命期；(2)发送注册消息给外部代理，请求外部代理提供路由业务(特别是在路由优化中，通过扩充注册选项实现平滑切换)；(3)对于将要过期的注册项，重新注册；(4)当判断返回归属地网络时，注销原注册项。注册请求中涉及以下这些信息：(1)移动节点的归属地地址；(2)移动节点转交地址；(3)归属代理的地址；(4)注册生命有效期；(5)封装信息；(6)防窃取安全认证信息。1.2.3隧道传输代理节点拦截发送到移动节点归属地址的数据报文以隧道方式封装后转发到移动节点注册的转发地址。对于发送到移动节点的数据报文，归属代理完成隧道封装，由外部代理完成解封装，然后转发给移动节点；或者直接由移动节点完成解封装和数据接收过程；对于移动节点发送出去的数据报文，以外部代理作为缺省路由器，通过常规路由技术，传送到目的地。2IP移动问题的基本解决方案[2]2.1IPv4与IPv6的简介2.1.1IPv4目前的全球因特网所采用的协议族是TCP/IP协议族。IP是TCP/IP协议族中网络层的协议，是TCP/IP协议族的核心协议。目前IP协议的版本号是4(简称为IPv4)，发展至今已经使用了30多年。IPv4的地址位数为32位，也就是最多有2的32次方的电脑可以联到Internet上。近十年来由于互联网的蓬勃发展，IP位址的需求量愈来愈大，使得IP位址的发放愈趋严格，各项资料显示全球IPv4位址可能在2005至2008年间全部发完。2.1.2IPv6IPv6是下一版本的互联网协议，也可以说是下一代互联网的协议，它的提出最初是因为随着互联网的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间。IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球的每平方米面积上仍可分配1000多个地址。在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其它问题，主要有端到端IP连接、服务质量、安全性、多播、移动性、即插即用等。2.2IPv6与IPv4相比有什么特点和优点[1]第一，更大的地址空间。IPv4中规定IP地址长度为32，即有2^32-1个地址；而IPv6中IP地址的长度为128，即有2^128-1个地址。第二，更小的路由表。IPv6的地址分配一开始就遵循聚类的原则，这使得路由器能在路由表中用一条记录表示一片子网，大大减小了路由器中路由表的长度，提高了路由器转发数据包的速度。第三，增强的组播支持以及对流的支持。这使得网络上的多媒体应用有了长足发展的机会，为服务质量控制提供了良好的网络平台。第四，加入了对自动配置的支持。这是对DHCP协议的改进和扩展，使得网络(尤其是局域网)的管理更加方便和快捷。第五，更高的安全性。在使用IPv6网络中用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验，这极大的增强了网络安全。3基于IP的移动通信网络的移动性问题3.1WCDMA移动性问题移动性类指标，主要是切换性能指标。对于WCDMA系统，切换种类较多，包括软切换、频间硬切换及系统间硬切换[5]。工程优化期间，主要考虑软切换和系统间切换。通常，3G网络运营初期，核心覆盖区域相对GSM的成熟覆盖要小些，此时需要借助系统间的互操作，实现业务的连续覆盖，为用户提供良好的使用感受。此时2G/3G网络之间的切换是需要关注的优化重点之一。 软切换成功率=软切换成功次数/软切换请求次数。切换失败的问题一般在于切换区的长度和切换区里各个信号的强弱变化情况。影响软切换成功率的主要因素有切换区过小、邻区漏配、切换参数设置不当、RF优化、邻区优化等。 系统间切换性能优化的思路和方法与软切换基本相同，主要也是从切换区、邻区、无线参数几个方面着手。不过对于系统间切换来说，由于可能涉及不同的设备供应商之间的协调，以及不同版本、不同网元之间的对接，其优化考虑的因素相对来说会多一些。3.2LTE/SAE网的移动性管理[4]移动性管理的功能主要实现用户当前位置的跟踪，用于在UE在空闲模式或连接模式下的移动性管理(如切换、跟踪区域更新等)，同时还用于网络侧向UE注册跟踪区域内的全部小区寻呼消息的下发。3.2.1跟踪区的概念跟踪区是LTE系统为进行UE位置管理而引入的新概念。跟踪区的功能与UMTS系统中的位置区和路由区类似，都是不同网络下的区域划分。由于LTE系统是纯分组域系统，因此跟踪区非常接近路由区的概念。LTE系统中的跟踪区域划分应满足如下要求：①对LTE系统的无线接入网和核心网保持相同的位置区域概念。②当UE处于空闲状态时，核心网应该知道UE所在的跟踪区。③当需要对处于空闲状态的UE进行寻呼时，必须在UE所在的注册追踪区域内的所有小区进行寻呼。④应尽量减少UE移动时因位置改变而引起的追踪区更新信令。3.2.2TAI列表管理为了避免UE在TA的边界移动时产生大量的跟踪区更新信令，因此在UE注册时，网络就为UE指配多个跟踪区，构成一个TAI列表。对于UE所注册的跟踪区，若处于同一个TAI列表中，则由同一个MME为其提供服务，以减少位置更新信令。合理的TAI列表管理可以有效地减少TAU的发生概率，提高资源利用率。例如，MME可以根据UE最后访问的跟踪区来预测UE可能的运动轨迹，给UE分配新的TAI列表；当UE去附着时，UE最后访问的跟踪区将会在UE中保存，以便下次附着时使用。从流程上讲，LTE系统的TA列表可以在附着、TAU或GUTI重分配过程中由MME分配给UE。需要注意的是，对运营商来讲，TAI列表的设置至关重要。这是因为寻呼区的大小与跟踪区的大小是一对矛盾，分配过大的跟踪区会使寻呼的区域过大，将增加网络部必要的信令负荷；而寻呼区域过小又会导致跟踪区之间的频繁更新。因此，运营商必须根据实际网络情况对TA列表的大小进行限制，以避免耗费过多的系统资源。3.2.3移动性约束功能移动性约束功能主要用于在某些场景下，限制UE接入某些特定的区域，该功能由UE、E-UTRAN无线接入网和EPC核心网提供。对处于空闲状态下的UE，移动性约束功能由UE基于从核心网接收到的信息实现，限制接入某些区域。对处于连接状态下的UE，移动性约束功能由无线接入网和核心网实现，在该状态下，核心网将为无线接入网提供一个切换限制列表，该切换限制列表规定了漫游限制、区域限制和接入限制信息。3.3WIMAX移动性管理[9]移动性管理是为了在整个服务网络内有效地支持用户终端的移动，主要指切换管理[7]。不考虑WiMAX系统和其它不同系统间的切换，切换场景主要存在以下两种不同情况：①ASN内切换，MS在同一个ASN内移动过程中产生的切换，涉及R6mobility和R8mobility；②ASN间切换，MS在不同ASN间移动导致的切换，涉及R4mobility和R3mobility。3.3.1ASN内切换[10]ASN内切换是MS在同一个ASN-GW下的切换，一般指层2切换。对于层2的移动性管理，802.16e协议中规定了详细的MAC层切换流程。其中涉及的一般步骤包括小区重选择、切换判决和初始化、目标BS扫描、网络重进入和业务终止。触发MS发起邻区扫描进行小区重选择并切换的原因可能是MS的移动使接收信号低于切换门限，或者MS可从另一BS获得更高的QoS。图3.1为一个由MS发起请求的切换过程。在对邻近BS进行扫描后，MS向当前服务BS发送MOB_MSHO_REQ消息，并在消息中推荐邻近基站BS#1和BS#2。服务BS收到MS的切换请求后，通过主干网向BS#1和BS#2发送切换通知消息，消息中包括MS的标识、连接参数、需求带宽和QoS等信息BS#1和BS#2向服务BS发送回复消息，其中BS#2更有可能支持MS的切换请求。因此服务BS向MS发送MOB_BSHO_RSP消息，推荐MS切换到BS#2。MS回应MOB_HO_IND消息。之后服务BS释放与MS的连接，同时MS收到来自BS#2的UL_MAP消息，完成与BS#2间的RNG_REQ/RSP消息交互，建立正常操作状态后切换完成。图3.1MS发起请求的切换过程示例由BS发起的切换与由MS发起的切换过程大致相同，不同之处在于BS发起切换前先通过主干网与邻近BS交换信息，确定MS适合的目标BS，然后在MOB_BSHO_REQ消息中包含推荐BS，MS则据此进行扫描和切换。上述原语的具体含义可参考NWG的定义。图3.1所示是硬切换（HHO）的情况。在802.16e中，切换分为三类，除HHO外，还有宏分集切换（MDHO）和快速基站切换（FBSS）。HHO采取先断后连，即先断开与原BS的连接再建立与新BS的连接。MDHO和FBSS是可选项，采取先连后断，即先与目标BS建立连接再与当前BS断开连接[8]，这种方式可以减少切换时延。对于支持MDHO或FBSS的MS和BS而言，需要维护一个称为活动集的列表[6]，存放切换中涉及的相关BS信息，活动集内的BS信息是动态更新的。MDHO方式下，MS要与整个活动集中的所有BS通信；FBSS方式下，MS在活动集中选取一个锚定基站(AnchorBS)，只与锚定基站进行上下行链路的通信，并动态更新锚定基站的信息，在需要进行切换时，MS可快速转移到锚定基站上。3.3.2ASN间切换当MS从一个ASN-GW管辖范围移动到另一个ASN-GW管辖范围内时，将导致跨ASN-GW切换的发生。为减少ASN间切换中R3接口的变更，保证用户会话的连续性，WiMAX引入了锚定ASN-GW的概念[9]。AnchorASN-GW的主要作用在于保证R3接口的稳定性，避免因为跨ASN-GW的移动而频繁地拆连R3接口，从而减小系统开销。AnchorASN-GW通常为切换前的ServingASN-GW，但也可以是ServingASN-GW与TargetASN-GW之外的某个ASN-GW。ASN间切换的大致过程为：首先，MS通过ServingBS发起切换请求，可以接受请求的邻近BS予以响应，MS确定某个BS成为TargetBS；然后，MS向TargetBS发送重新接入请求，这时需要建立MS通过TargetASN-GW连接到CSN的链路；之后，为尽量避免R3接口的改变，TargetASN-GW需与AnchorASN-GW建立数据通道。TargetASN-GW向AnchorASN-GW发起建立R4接口的请求消息，根据AnchorASN-GW能否接受请求分为以下两种情况：（1）如AnchorASN-GW能够接受请求，则它将建立R4接口数据链路，并向TargetASN-GW返回响应消息，其中包含R4接口数据链路的相关信息；TargetASN-GW收到响应消息后在本地建立R4接口数据链路，同时原ServingASN-GW与AnchorASN-GW的数据通道拆除。这样MS就可以通过TargetASN-GW与AnchorASN-GW之间新建立的R4接口数据链路以及AnchorASN-GW与CSN间原来的R3接口数据链路建立同CSN的连接。（2）如AnchorASN-GW不能接受来自TargetASN-GW建立R4接口数据链路的请求，则会返回响应指示TargetASN-GW迁移R3接口链路；TargetASN-GW收到响应后回复一个确认消息；AnchorASN-GW收到该确认消息后，将当前R3链路的相关信息，包括家乡代理（HomeAgent，HA）地址、AAA服务器地址及当前的服务信息等发送给TargetASN-GW；然后TargetASN-GW向HA发送注册请求，HA接受请求将R3接口链路从AnchorASN-GW迁移到TargetASN-GW上，并返回注册响应消息；TargetASN-GW收到HA的响应消息后在本地建立R3接口数据链路，然后通知AnchorASN-GWR3接口已迁移成功；随后AnchorASN-GW释放原来的R3接口。上述两种情况，第一种只需在ASN侧就可以完成切换，第二种涉及到CSN侧的转移。相比较而言，第一种方式时延较小，对网络的影响也较小。图3.2为第二种情况的示意图。图3.2R3链路迁移流程在上述第二种方式需要进行R3接口迁移的切换时，根据所使用MIP协议的不同，存在代理MIP和客户端MIP两种方式：（1）基于PMIP向HA注册。PMIP是由ASN-GW承担代理MIP的功能，MIP客户端驻留在ASN-GW上，完成数据报的封装和解封装。这种方式下，ASN间切换的全过程对MS而言是透明的[7]。切换开始时，ServingASN-GW通知TargetASN-GW建立一个新的MIP会话，TargetASN-GW向HA发送MIP注册请求，其中转交地址（CoA）是TargetASN-GW的地址；新MIP会话建立后，HA将MS的后续报文发往TargetASN-GW；TargetASN-GW建立与TargetBS间新的IntraASN隧道，将报文转发给MS，从而完成了ASN间的切换。（2）基于CMIP向HA注册。CMIP不同于PMIP之处在于MIP协议栈在MS上实现，即MIP客户端驻留在MS上，而ASN-GW实现FA的功能。切换发生时，TargetASN-GW向接入其中的MS发送带有新CoA的FA代理公告；MS收到代理公告后，通过TargetASN-GW向HA发送MIP注册消息以更新原来的绑定信息，确定新的路由；HA收到注册请求后，经过TargetASN-GW向MS返回MIP注册应答，R3接口建立完成。4移动IP技术的发展4.1在电路交换的移动通信网络中引入IP电话业务IP电话是一种新的电话业务，是在IP网络承载话音技术创新的产物。它把话音进行压缩编码，打包分组，路由分配，存储交换，解包解压缩等变换处理，在IP网络上实现话音通信。因为它的分组特性有效地利用了网络资源，降低了话音传输的成本，所以与传统电话相比有成本价格上的优势。在固定网中，IP电话业务正在崛起。基于成本上的考虑，在移动网络中引入IP电话业务也是颇有发展前景的新业务。在我国，GSM移动网络中引入IP电话是用户关注的新业务，也是运营商需要解决的技术问题。4.2在GSM网络中引入IP分组数据业务：GPRSGPRS是移动通信网络向分组化发展的一个里程碑。GPRS是一个从空中接口到地面接入网再到核心网络部分都分组化的数据通信网络。GPRS的分组化实质，使得空中接口频谱利用率与地面接入网带宽利用效率都得到极大地提高。同时诞生了“按流量计费”这种更加合理的资费政策，使得运营商可以宣称：让用户24小时在线，只有点击的时候才计费。GPRS扫除了阻碍无线互联网应用得到普及在技术和成本两方面的障碍，必将加快移动互联网应用的普及和推广。GPRS的骨干网将借助于IP网络和互联网络能够无缝互通互联。对用户来说，移动终端使得原先需要庞大昂贵的PC才能使用的互联网以一种更为简单便捷、亲切易用和廉价实用的方式出现，也更加易于为广大普通百姓所接受。移动性将大大促进互联网应用的普及。可以大胆地预言，互联网和移动通信的结合，会使得以前曲高和寡的数据业务以廉价实用的方式进入寻常百姓家。4.3第三代移动通信网络的发展方向将是一个全IP的分组网络第三代移动通信的发展是在固定网络向宽带电信级IP网络发展的大背景下进行的。第三代移动通信的核心网络将采用宽带IP网络。在此IP网上，承载着从实时话音、视频到Web浏览、电子商务等多种业务，是电信级的多业务统一网络。宽带的IP网络将是分层的：物理承载可以是IPoverDWDM、IPoverSDH、IPoverATM等多种方式，IP协议是主导的网络路由与寻址协议，网络控制由CallServer服务器实现，而网上的业务则由众多的第三方智能业务提供商提供。实现了传输网络、网络控制、业务提供的分离。相对与传统网络、网络安全性、业务质量保证、新业务提供的便利性、业务种类的丰富性