UMTS核心網中Mobile IP技術的研究

2019-11-03 09:33:55

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供稿：網友

王權平　鐘章隊　　摘要：本文重點分析了UMTS核心網中引入Mobile ip協議的演進過程和采用Mobile IP協議進行移動性管理的流程。

　　關鍵詞：UMTS核心網　Mobile IP　移動性管理

　　1　UMTS核心網的現狀與演進

　　3G（第三代移動通信系統）的網絡結構包括用戶SIM卡、移動終端、接入網和核心網四大部分。無線接入標準中存在五種技術：WCDMA技術、cdma2000技術、TD-SCDMA技術、UWC-136技術和DECT技術，寬帶CDMA技術已經成為3G技術的主流。3GPP和3GPP2兩大組織現在主要致力于核心網部分的標準化工作。3G的核心網GSM/MAP、窄帶CDMA的核心網IS-41開始演進。

　　GSM網絡是世界上最大的第二代移動通信網絡，中國擁有世界上最大的GSM網絡，而且正在啟動GPRS網絡的建設。3GPP組織提出的UMTS的3G標準，可以確保GSM核心網平滑過渡到3G核心網。因此跟蹤和分析研究UMTS核心網的演進有著十分重要的意義。

　　UMTS核心網可以支持URTAN（采用WCDMA的接入技術）、ERAN（支持EDGE技術，從GSM的接入網演進而來）等多種接入網絡，分成電路交換域和分組交換域兩大部分。電路交換域從GSM的電路交換網絡開始演進，分組交換域從GPRS網絡開始發展。在3GPP的Rel99標準中，核心網采用ATM技術作為用戶數據和信令的傳輸技術。在Rel00的制定過程中，3GPP明確提出未來的核心網基于分組技術和IP話音，支持實時和非實時業務，具有以下一些技術特征：

　　*基于GPRS的演進

　　*對于各種不同的無線接入技術，核心網的網絡單元相同。

　　*數據包的傳輸基于IP技術

　　*支持數據、話音和實時多媒體業務

　　*盡可能多地引用現有的成熟的IP協議。

　　*盡可能減少對于接入網無線資源的消耗。

　　*由于同時支持IPv4和IPv6協議，而IPv4的地址不足，因此要最大程度減少占用的IP地址。

　　*減小對現有GSM和GPRS網絡結構的影響。

　　2　Mobile IP協議

　　2.1 Mobile IP協議的基本工作原理

　　Mobile IP協議通過引入了歸屬代理（Home Agent,HA，又譯為家鄉代理）、漫游地代理（Foreign Agent,FA又譯為外地代理）兩個新的功能實體和隧道（tunnel）技術，不改變因特網路由規則的前提下，解決了移動主機漫游時的路由問題，無需改變移動節點的IP地址，同時保持上層的通信連接。也就是解決了主機在移動時與整個因特網如何保持無縫通信的問題。

　　網絡中存在移動節點、歸屬代理和漫游地代理三種功能實體。Mobile IP的基本工作原理是：歸屬代理和漫游地代理通過廣播的方式進行代理通告（Agent Advertisement,AA）；移動節點判斷處于歸屬局范圍內還是在漫游人，如果在外地網絡上，移動節點通過代理通告程獲取漫游代理轉交IP地址，或者通過DHCP協議獲取同轉交地址；移動節點通過漫游地代理進行鑒權，并且于歸屬代理注冊，從而綁定移動節點的永久IP地址和在外地網絡中獲取的轉交地址，在歸屬代理和漫游地代理或者移動節點之間建立隧道；歸屬代理吸引網絡內發給移動節點的數據包，并且用隧道傳到轉交地址處；在轉交地址處，解隧道封裝，轉給移動節點；移動節點發出去的數據包用漫游地代理作為默認路由器。Mobile IP有三個主要的過程：代理發現、注冊和路由數據包。

　　在Mobile IP協議提出以后，人們針對其一些固有的缺點和在實際網絡中使用時面臨的實際問題，提出了一系列的草案，以完善Mobile IP協議。3GPP把改進后的Mobile IP協議叫做MIP+協議。本文正是從MIP+開始分析的，考慮到IPv6協議還沒有開始廣泛使用，本文的分析主要針對IPv4協議，其主要原理同樣適用于IPv6協議。　　2.2　Mobile IP協議在3G演進過程中的作用分析

　　Mobile IP是一種網絡層移動性管理的方案，與鏈路層和物理層傳輸技術無關，實現了移動主機跨區域、跨網絡的漫游。這些網絡既包括固定的有線和無線網絡，也包括移動網絡。可以用于不同運營商但是采用相同技術的移動通信網絡之間，也可以用于2G、2.5G和3G的混合網絡中。因此在向全IP核心網的演進過程中，Mobile IP協議有助于綜合各種網絡的優勢，具有很重要的作用。

　　在向UMTS的演進過程中，各個運營商的步伐會很不一致的。處于過渡階段中3G運營商不但面臨著多種3G網絡互通的問題，而且2G、2.5G和3G系統將會在很長的一段時間內共存。如何解決好不同網絡技術之間的融合，對于移動運營商是一個相當重要的問題。Mobile IP有助于移動運營商迅速開展3G業務，吸引用戶加入3G網絡。　　在IP網絡中，Mobile IP作為基本的IP層移動性解決方案，在IP核心網絡中扮演著重要的角色。３Ｇ網絡作為未來IP業務的主要接入手段之一，應該支持Mobile IP協議和業務。

　　現有的GSM網絡中已經通過注冊過程，越區切換過程和VLR/HLR等實體提供了GSM網絡內部的移動性支持。GPRS網絡中又引入了GTP協議建立了GPRS網絡內部的隧道機制，確保越區切換時IP數據包不被丟失。UMTS核心網在繼承了這些功能的同時，需要引入歸屬代理和漫游地理來支持Mobile IP協議，以發揮Mobile IP作用。

　　3　UMTS核心網中引入MIP+協議的演進過程的分析

　　3.1　概述

　　GPRS網絡向著全IP網絡的演進過程中，將分成三步引入MIP+協議：

　　*第一步，現有GPRS網絡結構不變，負責處理移動網絡內部的移動性管理。通過引入一個歸屬代理和漫游地代理，MIP+使得用戶可以在不同種類的網絡之間漫游，同時保持IP層以上的通信。這一步已經包含在3GPP R99的標準中。

　　*第二步，網絡中引入了多個GGSN/FA實體后，在發生SGSN切換時，改變提供服務的GGSN/FA，使得移動節點盡可能接近漫游地代理來優化IP包的路由。這一步將包括在3GPP R00的標準中。

　　*第三步，SGSN和GGSN合并為一個網元IGSN，MIP+將處理IGSN間的切換，也就是由MIP+負責處理UMTS核心網內部和不同種類網絡之間的移動性管理。

　　根據前述的演進原則，在這個過程中技術上MIP+將做一些特殊的考慮，包括：

　　*由于IPv4地址資源和UMTS網絡中無線資源的缺乏，移動節點主要采用漫游地代理轉交地址，也就是從漫游地代理的代理通告中獲取的地址作為在外地網絡中的轉交地址。

　　*移動節點向SGSN提交業務接入點名稱，規定了移動節點需要的服務類型。

　　*所有MIP+的消息在UMTS的用戶平面傳送。

　　*移動節點本身需要支持MIP+協議。

　　*UMTS的安全能力和IP安全協議的結合。UMTS的安全能力只是保證了移動通信網絡內部的安全性，端到端的安全性應該由IP安全協議處理。

　　3.2演進的第一步：開始提供MIP+業務

　　原有的GPRS的網絡結構保持不變。整個GPRS網絡內有一個GGSN升級為GGSN/FA，即提供漫游地代理的功能，就可以開展MIP+業務。移動節點向SGSN提交業務接入點名稱和分組數據協議信息，業務接入點名稱指明了移動節點連接的網絡標識，分組數據協議信息指明了數據包的類型，SGSN通過這兩條信息尋找合適的GGSN作為漫游地代理。通過漫游地代理向歸屬代理注冊后，移動節點就可以開始通信。

　　根據外地網絡是否提供MIP+業務，需要區分兩種漫游方式：GPRS漫游和MIP漫游。GPRS漫游是指對于通過Gp接口漫游到外地網絡的移動用戶，如果外地網絡中沒有漫游地代理的功能，則通過GPRS隧道協議，仍使用家鄉網絡中的漫游地代理。如果外地網絡中有漫游地代理的功能實體，則使用外地網絡中的功能實體，這種情況叫做MIP漫游。這樣無論外地網絡運營商是否提供MIP+業務，移動節點依舊可以使用MIP+業務，確保了網絡運營商可以平滑過渡。

　　3.3　演進的第二步：移動路由的優化

　　在這個階段，GPRS網絡內存在多個可選的GGSN/FA，理想的情況是SGSN與GGSN/FA之間一一對應。

　　移動節點在移動過程中，SGSN切換后，新的SGSN將選擇一個更合適的GGSN/FA供移動節點使用，以優化移動路由。移動節點將獲得一個新的漫游地代理轉交地址，移動節點必須重新在歸屬代理處注冊。在切換過程中，新的SGSN將保持兩條隧道與新舊兩個GGSN/FA相連，以確保數據包不被丟失。

　　GPRS的接口Gp和Gn需要有能力做GPRS漫游，以確保和沒有漫游地代理的GPRS網絡的互聯。

　　3.4演進的第三步：使用MIP+處理UMTS內的移動性

　　這個階段最大的變化在于SGSN和GGSN的功能集成到IGSN中。IGSN/FA的主要功能有：支持原有的SGSN的功能；支持ＭＡＰ信令和相關的處理；支持與HLR之間的通信和通過漫游地代理與AAA設備間的通信；計費信息的統計和處理；支持MIP+和GTP兩種跨IGSN的切換。　　由于IGSN與路由區之間的一一對應關系，而每個路由區相當于是一個IP子網，所以在網絡中將利用MIP+處理IGSN間的越區切換。從而MIP+可以處理分組交換域內的不同種類通信網絡，不同運營商的移動通信網絡、不同區域的移動通信網絡和不同IGSN區域之間的移動節點漫游。而UMTS/GPRS網絡原有的移動性管理功能將主要用于管理電路交換域內移動電話的漫游和分組交換域中IGSN管理范圍內的移動終端的通信。

　　在過渡時期考慮到和不同演進速度的UMTS/GPRS網絡之間的互通，IGSN應該可以作為SGSN或者GGSN單獨使用。

　　4　UMTS核心網中MIP+移動性管理流程的分析

　　分析UMTS核心網中采用MIP+協議進行移動性管理的信令流程。UMTS的網絡環境和有線網絡相比有很大的不同，從而導致了UMTS的核心網中MIP+協議的處理過程有著自己鮮明的特點。筆者將從MIP+通信會話的建立和傳送數據兩個方面展開分析。

　　4.1　MIP+會話的建立流程

　　移動節點從結構上可以分成移動終端（Mobile Termination ,MT）和終端設備（Termination Equipment,TE）兩部分，移動終端負責與無線通信相關的處理，終端設備包含端到端的應用。

　　MIP+通信會話的建立過程主要包括兩個步驟，即分組數據協議環境的激活和MIP+注冊。

　　詳細過程如下：1）終端設備向移動終端發AT命令，攜帶了移動終端激活分組數據協議環境需要的參數。其中最重要的參數是業務接入點名稱，指明了需要啟動MIPv4業務。隨后將在移動終端和終端設備之間建立PPP連接。2）移動終端向IGSN/FA發送激活分組數據協議環境請求。IGSN收到該消息以后，將根據移動終端提交的業務接入點名稱參數激MIP+業務。3）IGSN發送激活分組數據協議環境確認消息給移動終端。4）IGSN/FA在UMTS的用戶平面向終端設備發送代理通告消息。由于IGSN知道請求MIP+業務的移動節點的IMSI，這個消息是在IGSN和終端設備之間以點到點的方式發送的，而不是通常的廣播方式。5）移動終端收到代理通告后，將通過UMTS用戶平面發送MIP+注冊請求給IGSN/FA，進而轉發給歸屬代理，由歸屬代理負責鑒權并作應答。6）IGSN/FA收到歸屬代理發送的注冊應答，從中提取并保存所需的信息后，轉發給移動終端，完成了Mobile IP會話的建立過程。　　4.2收發數據的流程

　　發送數據的時候，可以用IGSN/FA作為默認的路由器直接把數據包發送給目標主機；如果在IGSN/FA中有路由源地址的限制時，由于移動節點和漫游地代理的IP子網掩碼不同，可以首先建立從漫游地代理到歸屬代理的反向隧道把數據包首先發送給歸屬代理，再由歸屬代理轉發給目標主機。

　　接收數據的過程類似于標準的Mobile IP的方式，區別在于IGSN/FA在轉發數據給移動節點之間前，需要根據UMTS/GPRS的標準建立連接IGSN與移動節點的數據鏈路。

　　5　結論

　　通過在UMTS核心網中逐步引入MIP+協議，可以把UMTS和MIP兩種移動性管理方案結合起來，UMTS將負責管理UTRAN內終端的移動性，而MIP+將主要處理大范圍、跨網絡的移動性的管理。從而保證了在向3G過渡的過程中各種網絡間的兼容性，保護了運營商的投資和用戶的利益，加速了GSM網絡向3G網絡的發展。

　　由于IPv4地址空間較小，未來的研究課題將主要集中在UMTS中如何引入IPv6協議。MIPv6與MIPv4有很大的區別，如何從Mobile IPv4過渡到Mobile IPv6將是運營商面臨的一個重大的問題。另外，本文的討論中很少涉及到安全和計費的問題，如何引入因特網成熟的AAA體系和IP安全協議也將是重要的研究方向之一。

摘自《中國數據通信》2001.8

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