基于IP無線網(wǎng)絡(luò)中的移動性

摘要　基于IP的無線網(wǎng)絡(luò)將成為下一代移動網(wǎng)絡(luò)的核心。在全I(xiàn)P無線網(wǎng)絡(luò)中，移動性對多媒體應(yīng)用起著十分重要的作用。文中探討了基于IP的無線網(wǎng)絡(luò)中的一些重要問題，包括移動IP、移動IPv6和其它相關(guān)的一些技術(shù)。還討論了無線局域網(wǎng)（WLAN）、無線廣域網(wǎng)（WWAN）、2G以及3G蜂窩網(wǎng)和下一代混合移動網(wǎng)絡(luò)中關(guān)于移動性支持等問題。

0、引言

隨著因特網(wǎng)應(yīng)用的不斷發(fā)展和便攜、掌上電腦的廣泛使用，人們對于移動性支持的要求也在不斷提高。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，移動無線網(wǎng)絡(luò)將逐步演進(jìn)到一個全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以支持多媒體業(yè)務(wù)，在該架構(gòu)下，移動性支持將成為其中一個重要問題。本文首先介紹了不同IP網(wǎng)絡(luò)（移動IPv6、WLAN、WWAN）中的移動性支持問題，還討論了目前蜂窩網(wǎng)絡(luò)和下一代基于IP的混合蜂窩網(wǎng)絡(luò)中關(guān)于移動性支持的最新進(jìn)展情況。

1、移動IP

因特網(wǎng)中最初的IP版本是不支持主機(jī)移動性的，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的IP中，附著在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是不發(fā)生移動的，其IP地址可以標(biāo)識一個特定的網(wǎng)絡(luò)位置。移動IP（如移動IPv4）就是為了提供主機(jī)的移動性而提出的。由因特網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）提出的移動IPv4標(biāo)準(zhǔn)包括以下功能實(shí)體：

a）移動節(jié)點(diǎn)（MN）：一臺可以在因特網(wǎng)上移動的主機(jī)或者路由器，且在移動過程中可以保持正在進(jìn)行的通信會話。文中移動節(jié)點(diǎn)和移動主機(jī)（MH）可以互換。
　　b）歸屬代理（HA）：一臺維持注冊MN列表的路由器。當(dāng)MN離開歸屬網(wǎng)絡(luò)時，該路由器可以將發(fā)送給該MN的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)給MN的拜訪網(wǎng)絡(luò)。
　　c）外地代理（FA）：一臺與MN拜訪網(wǎng)絡(luò)有接口的路由器，它可以向MN的HA發(fā)送該MN當(dāng)前的轉(zhuǎn)交地址（care-of address）。
　　d）轉(zhuǎn)交地址（CoA）：用于標(biāo)識MN當(dāng)前位置的本地IP地址。
　　e）配置轉(zhuǎn)交地址（Collocated CoA）：通過外部獲得的臨時分配給MN的一個本地IP地址。
　　f）對應(yīng)節(jié)點(diǎn)（CN）：與MN進(jìn)行通信的對等主機(jī)。
　　g）歸屬地址：分配給MN的一個永久性IP地址。
　　h）隧道：一條從HA到FA傳送數(shù)據(jù)包的路徑，是通過封裝數(shù)據(jù)包的形式來實(shí)現(xiàn)的。

移動IP使用兩個IP地址：a）固定的（永久的）歸屬地址；b）用于MN移動性的轉(zhuǎn)交地址。移動IP主要通過代理發(fā)現(xiàn)、注冊和隧道3個主要協(xié)作過程實(shí)現(xiàn)。

1）代理發(fā)現(xiàn)

當(dāng)MN移動到外地IP網(wǎng)絡(luò)時，它通過該過程來進(jìn)行附著。當(dāng)MN連接在它的歸屬網(wǎng)絡(luò)時，其工作方式與傳統(tǒng)的具有固定位置的節(jié)點(diǎn)相同。當(dāng)MN檢測到它移動到了一個外部網(wǎng)絡(luò)后，從與之相關(guān)的FA上，通過代理廣播，它可以直接獲得一個轉(zhuǎn)交地址，或在本地網(wǎng)絡(luò)上通過動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）獲得一個配置轉(zhuǎn)交地址。

2）注冊

當(dāng)MN進(jìn)入并保留在外地網(wǎng)絡(luò)時，通過該過程MN向相關(guān)的FA請求服務(wù)，并向相關(guān)HA通知它的新CoA。如果MN獲得了一個新的配置CoA，那么它可以直接通知HA。注冊包括HA與MN之間的注冊請求和注冊應(yīng)答兩種消息的交換。通過該過程HA便可以將新的CoA和MN的歸屬地址聯(lián)系在一起。該過程也被稱作綁定更新。

3）隧道

在隧道過程中，HA對數(shù)據(jù)包的封裝采用了將IP數(shù)據(jù)包封裝在另一個IP數(shù)據(jù)包的方法，也就是說HA將具有歸屬網(wǎng)絡(luò)地址的IP數(shù)據(jù)包的頭部插入一個新的IP頭，即MN的轉(zhuǎn)交地址。當(dāng)使用FA CoA時，F(xiàn)A接收到封裝的數(shù)據(jù)包后，只要去掉隧道的頭部并將剩余部門傳遞給MN即可。如果使用的是配置CoA，那么HA將把封裝后的數(shù)據(jù)包直接發(fā)送給MN，由MN對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解封。

移動IP中的路由如圖1所示。

圖1　移動IP中的三角路由

在移動IP中使用三角路由。在該路由中，由固定主機(jī)（CN）發(fā)送給MN的數(shù)據(jù)包首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的IP協(xié)議發(fā)送給MN的HA，HA將數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，通過隧道將數(shù)據(jù)包發(fā)送給MN的轉(zhuǎn)交地址，F(xiàn)A將收到的數(shù)據(jù)包解封并傳送給MN。盡管三角路由簡單易用，但是由于它的路由是從CN到HA，然后再到MN，因此其效率較低。由于HA有大量的數(shù)據(jù)包通過，因此其開銷將成為系統(tǒng)性能的瓶頸。
　　為了解決移動IP中的三角路由問題，人們對路由進(jìn)行了優(yōu)化。在路由優(yōu)化中，MN將它的轉(zhuǎn)交地址通知CN，這樣CN就可以不再通過HA而直接與MN進(jìn)行通信。優(yōu)化的移動IP路由允許每個CN都要緩存HA和MN的綁定。利用這個綁定CN就能直接與MN進(jìn)行通信。盡管看起來優(yōu)化路由的QoS會得到改善，但是路由優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜，緩存的開銷也會非常大。而且對于優(yōu)化路由而言，安全管理是一個主要的難點(diǎn)，因?yàn)樵谠摥h(huán)境下如果MN的轉(zhuǎn)交地址是已知的，那么惡意節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送虛假注冊信息就可以很容易地將所有與該MN的通信切斷。目前對優(yōu)化路由而言，授權(quán)和安全性依然是個有待研究的問題。

2、移動IPv6

IPv4地址大小僅有32bit，它的尋址能力越來越不能滿足因特網(wǎng)日益發(fā)展的要求。從1994年開始，IETF就開始研究IPv6，解決IPv4中固有的局限性，包括尋址能力、路由、移動性支持和QoS保證。在IPv6中，其地址大小是128bit，使因特網(wǎng)具備支持多級尋址、更多的可尋址節(jié)點(diǎn)和更簡單的地址自動配置功能。IPv6被看作是下一代IP網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議。

在IPv6中，對移動性支持的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體與IPv4很類似，只不過沒有了FA的概念。在IPv6中，它使用一個可擴(kuò)展的分組頭（包括歸屬地址、轉(zhuǎn)交地址以及授權(quán)包頭）簡化到MN的路由，并以安全的方式進(jìn)行路由優(yōu)化。當(dāng)然，轉(zhuǎn)交地址的發(fā)現(xiàn)仍然是需要的，在IPv6中，MN使用自動配置和臨節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)功能，從外地網(wǎng)絡(luò)中獲取配置轉(zhuǎn)交地址。移動IPv6中仍然使用與IPv4相同的封裝方式向MN傳送數(shù)據(jù)包。如果CN已知MN的轉(zhuǎn)交地址，CN利用IPv6路由包頭就可以直接向MN發(fā)送數(shù)據(jù)包。否則，數(shù)據(jù)包將首先被送到相關(guān)的HA中，然后由它通過隧道將數(shù)據(jù)包送達(dá)MN的轉(zhuǎn)交地址。
　　IPv6在安全管理上與IPv4有很大差別。在移動IPv6中，所有節(jié)點(diǎn)都希望進(jìn)行嚴(yán)格的授權(quán)和加密。IPv6既可以使用隧道也可以使用源路由向MN傳送數(shù)據(jù)包，在IPv4中只能通過隧道方式。通過精細(xì)的安全管理，在移動IPv6中進(jìn)行路由優(yōu)化是可以解決的。移動IPv6的路由如圖2所示。

圖2　移動IPv6的路由

2.1　分級的移動IPv6

在移動網(wǎng)絡(luò)中，MN的快速移動會導(dǎo)致大量綁定更新的發(fā)送。由于對移動性的支持，當(dāng)MN數(shù)量增加時，其信令業(yè)務(wù)也會增加。為了提高移動管理效率，人們提出了分級的移動IPv6機(jī)制，其基本思想就是利用區(qū)域性注冊減小全部注冊開銷，改善移動通信在切換時的QoS。

　　具有分級結(jié)構(gòu)的移動IPv6如圖3所示。

圖3　具有分級結(jié)構(gòu)的移動IPv6

在分級的移動IPv6引入了移動錨點(diǎn)（MAP）的概念。MAP在網(wǎng)絡(luò)域中對MN的移動性管理進(jìn)行處理，包括注冊和切換。MAP的功能類似于本地HA，它代表MN接收數(shù)據(jù)包，并通過隧道將數(shù)據(jù)包傳送給MN的轉(zhuǎn)交地址。一個MN分配兩個轉(zhuǎn)交地址，一個是區(qū)域性的，另一個是本地的。區(qū)域性的轉(zhuǎn)交地址是對MAP的覆蓋區(qū)域而言，本地轉(zhuǎn)交地址與MN的移動IPv6轉(zhuǎn)交地址相同。MN與CN通過它的區(qū)域性轉(zhuǎn)交地址進(jìn)行通信。當(dāng)MN移動出MAP區(qū)域后，它僅向CN發(fā)送綁定更新，否則它僅向MAP發(fā)送綁定更新以更新它的本地轉(zhuǎn)交地址。CN接收到的所有數(shù)據(jù)包都將MN的區(qū)域轉(zhuǎn)交地址作為源地址。MAP檢測發(fā)向該轉(zhuǎn)交地址的數(shù)據(jù)包，封裝后利用MN的本地轉(zhuǎn)交地址將數(shù)據(jù)包發(fā)送給MN。

由于移動IPv6具有更多地址、分級擴(kuò)展和安全管理，因此，它能保證MN之間的對等業(yè)務(wù)（P2P），因?yàn)橐苿覫Pv6允許MN在運(yùn)動中仍然保持它的靜態(tài)地址。如果沒有靜態(tài)地址，MN就必須通過一個服務(wù)器進(jìn)行通信，這樣就違背了P2P的技術(shù)要求。

2.2　安全要求

在移動IP和移動IPv6中，CoA的注冊過程需要鑒權(quán)，防止其它惡意節(jié)點(diǎn)假借MN進(jìn)行注冊。為了提高注冊過程的安全性，對于移動IP和移動IPv6，所有的HA、MN、FA都必須進(jìn)行鑒權(quán)。此鑒權(quán)算法為MD5（keyed message digest 5）算法。通常，MN的移動性是由動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和位置管理支持的，因此，由于移動性的原因，網(wǎng)絡(luò)安全就顯得尤為重要。

IETF利用鑒權(quán)、授權(quán)、計費(fèi)（AAA）支持MN在無線因特網(wǎng)中的漫游安全。

3、WLAN對IP移動性的支持

3.1　Wi-Fi技術(shù)

Wi-Fi（Wireless fidelity）技術(shù)可以認(rèn)為是任何類型的802.11網(wǎng)絡(luò)，即802.11a、802.11b、802.11g等。任何得到Wi-Fi聯(lián)盟認(rèn)證的產(chǎn)品都可以互通，不管它們是不是同一個廠家的產(chǎn)品。Wi-Fi的這個特性可以更好地支持移動性。通常Wi-Fi產(chǎn)品均使用同樣的無線頻率（如802.11b和802.11g采用2.4GHz，802.11a采用5GHz）。
　　最初該網(wǎng)絡(luò)是為擴(kuò)張的企業(yè)網(wǎng)而設(shè)計的，目前，Wi-Fi已經(jīng)用作寬帶接入到很多公眾區(qū)域，如學(xué)校、賓館及會議中心。移動IP可以為Wi-Fi提供很好的漫游服務(wù)，這時，Wi-Fi被看作是一個拜訪網(wǎng)絡(luò)。

3.2　WLAN中基于DHCP的移動性支持

傳統(tǒng)IP將整個WLAN看作是一個子網(wǎng)，其中所有的主機(jī)都有同樣的地址前綴。目前，WLAN的移動性支持通過使用DHCP實(shí)現(xiàn)。當(dāng)MN在一個外部WLAN時，它便請求分配一個IP地址（即轉(zhuǎn)交地址），此時服務(wù)器便會從地址池中返回一個有效的IP地址。如果地址配置成功，那么MN便可以在WLAN內(nèi)進(jìn)行通信�；�于DHCP的移動性支持比較容易實(shí)現(xiàn)，但它無法支持MN在不同WLAN之間的漫游。

具有多個子網(wǎng)的MN必須能從一個子網(wǎng)無縫地漫游到另一個子網(wǎng)。WLAN的接入點(diǎn)可以在數(shù)據(jù)鏈路層提供對漫游的支持。當(dāng)MN在網(wǎng)內(nèi)移動時，它必須自動與不同的接入點(diǎn)聯(lián)系。同時，當(dāng)MN在子網(wǎng)間漫游時，也需要網(wǎng)絡(luò)層有機(jī)制來保證MN能得到一個特定的IP地址，從而保證其連續(xù)通信。

3.3　移動IP解決方案

IPv4和IPv6通過將WLAN看作是一個子網(wǎng)且具有多個接入點(diǎn)來解決移動性問題。為了實(shí)現(xiàn)移動IPv4和移動IPv6，移動IP服務(wù)器和移動IP代理軟件這兩個主要的組件是必需的。移動IP服務(wù)器可以完全實(shí)現(xiàn)移動IP中HA的功能，為MN提供移動性管理。當(dāng)MN在通信過程中移動到另一個子網(wǎng)的邊界時，移動IP網(wǎng)絡(luò)層的切換過程便開始了。它首先在媒體接入控制層（MAC）使HA與新FA進(jìn)行握手，在完成切換后，發(fā)給MN的數(shù)據(jù)包由HA通過隧道發(fā)送到新的子網(wǎng)，然后發(fā)送給MN。

4、無線WAN對IP移動性的支持

目前，WLAN的思想已擴(kuò)展到了無線WAN，在目前的無線寬帶WAN技術(shù)中，WiMax是最受人關(guān)注的技術(shù)。WiMax技術(shù)基于成熟的IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了無線WAN的無線技術(shù)和點(diǎn)到多點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)。IEEE 802.16將它的MAC層分為子層，用于支持不同傳輸技術(shù)，包括IPv4、IPv6、以太網(wǎng)、異步傳輸模式（ATM），從而使WiMax技術(shù)可用于多種不同的傳輸技術(shù)。

WiMax擴(kuò)展了Wi-Fi的覆蓋范圍，它可以提供固定的和移動的無線寬帶接入而無需視距傳播，典型的小區(qū)半徑是3km-10km，WiMax系統(tǒng)希望可以達(dá)到每信道40Mbit/s的傳輸速率。這個帶寬是非常高的，下一代移動通信中的高速下行分組接入（HS-DPA）技術(shù)的理論速率只有14.4Mbit/s。

與Wi-Fi相比，WiMax的小區(qū)相對大些，因而可以支持更多的MN。盡管早期版本的IEEE802.16a和IEEE 802.16d都不支持域間移動性，然而IEEE 802.16e可以在步速下支持該移動性。WiMax目前已開始在IP層增加對移動性的支持。

5、蜂窩網(wǎng)和混合移動網(wǎng)絡(luò)對移動性的支持

蜂窩網(wǎng)傳統(tǒng)上是通過電路交換技術(shù)提供語音業(yè)務(wù)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜。目前我國的蜂窩網(wǎng)絡(luò)正從2G向3G過渡，其目標(biāo)就是通過全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供高速多媒體業(yè)務(wù)。全I(xiàn)P的蜂窩網(wǎng)可以看作是基于IP的無線接入網(wǎng)（RAN）、全I(xiàn)P核心網(wǎng)和IP終端的組合�；�于IP的RAN主要提供無線承載和無線資源管理。IP核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括分組核心網(wǎng)和新的IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）。

3G蜂窩技術(shù)主要包括統(tǒng)一移動通信系統(tǒng)（UMTS）和CDMA2000系統(tǒng)。UMTS是從GSM演進(jìn)而來的，而CDMA2000是從CDMAOne演進(jìn)而來的。這兩種技術(shù)都把移動和IP技術(shù)結(jié)合在一起，提供個人通信。UMTS和CDMA2000都通過隧道支持用戶移動性。目前二者僅在鏈路層解決其移動性，還尚未在IP層解決該問題。可以看出在同一個區(qū)域可能存在幾個不同無線網(wǎng)絡(luò)的疊加，包括2G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)、WLAN、無線WAN等。移動IPv6和它的分級移動性管理擴(kuò)展將為網(wǎng)絡(luò)間移動性和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部移動性提供很好的解決方案。在具有分級結(jié)構(gòu)的移動IPv6技術(shù)下，移動IPv6將管理全球的移動性問題，而MAP則管理本地移動性問題。安全性和QoS在移動性上都有保證。

6、結(jié)束語

可以看出移動IP和移動IPv6是無線因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)移動性的關(guān)鍵技術(shù)。為了更好地改善移動IPv6的性能，人們提出了分級的IPv6技術(shù)。由于基于IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的原因，加密和鑒權(quán)都是必需的。基于IP的無線網(wǎng)絡(luò)將是未來蜂窩網(wǎng)絡(luò)的核心。在具有多個無線網(wǎng)絡(luò)重疊的區(qū)域，移動IPv6和它的分級移動性管理擴(kuò)展將提供網(wǎng)絡(luò)問移動性和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的移動性。但目前如何更加有效、安全地實(shí)現(xiàn)移動性仍然是有待進(jìn)一步研究的問題。