移動IP在3G通信系統CDMA2000中的應用

2019-11-04 20:45:32

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供稿：網友

　　一、引言
　　隨著科技的進步，通信技術已經成為推動社會發展的重要因素，而其中移動通信技術和ip技術的發展尤為引人關注。3G移動通信的發展方向正是希望將這兩種技術進行完美地結合，從而使人們實現在任何時間、任何地點、用任何一種媒體與任何一個人進行通信的夢想。由此形成的移動互聯網是對傳統互聯網和傳統移動通信網的一次革命。它的出現必將對傳統互聯網和移動通信網產生巨大的影響。在作為3G系統之一的cdma2000系統中也充分體現了這樣的發展方向，它不僅能夠向用戶提供基于傳統的所謂簡單IP的數據接入方式，更引入了本文中將要介紹的移動IP技術。
　　
　　二、移動IP技術
　　眾所周知，在IPv4中規定了一個節點的IP地址在互聯網中是惟一的，網絡正是通過節點的IP地址來進行彼此間的通信。全球互聯網的可擴展性依靠于網絡前綴路由，而不是特定的主機路由，所以當節點到達外地時，它可能就不能用以前的IP地址進行網絡通信了，而移動IP誕生的目的就是為了解決這個問題。
　　
　　移動IP是一種全球互聯網上提供移動功能的方案，它提供了一種IP路由機制，使移動節點可以以一個永久的IP地址連接到任何鏈路上。在cdma2000系統中，移動IP業務是一種移動分組數據業務的解決方法，是網絡提供的核心業務之一。確切地說，是指基于RFC2002系列標準的一種業務，即由業務提供者網絡為用戶提供到公共IP網絡或預先定義的專用IP網絡的IP路由服務的業務。在RFC2002系列標準中，定義了實現移動IP必須的三種功能實體：
　　
　　1　移動節點
　　
　　移動節點是可以將接入因特網的位置從一條鏈路切換到另一條鏈路上，而仍然保持所有正在進行的通信，并且只使用它的歸屬地址(Home Address)的節點(在cdma2000系統中為用戶的移動終端)。
　　
　　2　歸屬代理
　　
　　歸屬代理(Home Agent)是由一個端口與移動節點歸屬網絡中的鏈路相連的路由器，它能夠維護移動節點的位置信息。當移動節點離開注冊網絡后，需要向HA進行登記，HA在收到發往該移動節點的數據包時，將通過HA與FA之間的隧道(Tunnel)將數據包送往移動節點，完成移動IP功能。只有當移動節點使用移動IP服務時才需要使用HA。它所要完成的功能包括以下幾方面：
　　
　　(1)當移動節點切換鏈路時，歸屬代理一直通知移動節點它的當前位置，這個信息由移動節點保存在它的轉交地址中。
　　
　　(2)在某些時候，歸屬代理會廣播對移動節點歸屬地址網絡前綴的可達性，從而吸引那些送往移動節點歸屬地址的IP包。
　　
　　(3)解析送往移動節點歸屬地址的數據包，并將這些包通過隧道技術傳送到移動節點的轉交地址上。
　　
　　3　外地代理
　　
　　外地代理(Foreign Agent)是在移動節點的外地鏈路上的路由器。在cdma2000網絡中，由PDSN來實現外地代理的功能，主要包括：
　　
　　(1)幫助移動節點通知它的歸屬代理和它所獲得的轉交地址。
　　
　　(2)在某些時候，將轉交地址提供給移動節點，并為已被歸屬代理設置了隧道的移動節點發送拆封后的包。
　　
　　(3)作為連接在外地鏈路上的移動節點的缺省路由器。
　　
　　上述三個功能實體僅僅是實現移動IP必備的實體，缺一不可。但是，由于RFC2002在制定時主要是考慮在固定因特網上實現移動節點的可移動性，而像cdma2000這樣的移動通信系統有著其自身的特點。因此，對于各功能實體的要求也會有所不同。圖1為cdma2000系統中基于移動IP的網絡結構模型。
　　　移動IP在3G通信系統CDMA2000中的應用（圖一）

　　圖1　基于移動IP的網絡結構模型
　　
　　在cdma2000系統中，基于移動IP的分組數據核心網絡除了包括PDSN和RADIUS服務器之外還應包括HA(歸屬代理)。HA負責向用戶分配IP地址，將分組數據通過隧道技術發送給移動用戶，并實現PDSN之間的宏移動治理。同時，PDSN還應增加FA(拜訪代理)的功能，負責提供隧道出口，并將數據解封裝后發往移動終端。
　　
　　移動終端使用由其歸屬口網絡的HA分配的IP地址，該地址可以是非零的靜態IP地址，也可以是動態分配的IP地址。無論使用靜態還是動態歸屬IP地址，移動終端都應配置一個非零的靜態歸屬代理地址。
　　
　　移動用戶在不同的PDSN所屬的無線網絡之間進行切換時，可以保持IP地址不變，使業務不發生中斷。移動IP的協議結構分為控制平面和用戶數據平面，分別如圖2和圖3所示。
　　　移動IP在3G通信系統CDMA2000中的應用（圖二）

　　圖2　移動IP控制平面協議結構
　　移動IP在3G通信系統CDMA2000中的應用（圖三）

　　圖3　移動IP用戶數據平面協議結構
　　
　　三、移動IP的工作原理
　　一般情況下，外地代理或歸屬代理都會通過周期地組播或廣播一個稱為代理布告(Agent Advertisements)的消息來宣告它們與鏈路的連接關系。移動節點收到這些代理廣播消息后，會檢查其中的內容以確定自己是連在歸屬網絡中的鏈路上還是在外地鏈路上。當它連在歸屬網絡的鏈路上時，移動節點就可像固定節點一樣工作，即它不再利用移動IP的其他功能。但假如移動節點發現它正連接在一條外地鏈路上，它就需要獲得一個轉交地址。轉交地址可以從外地代理廣播的代理布告消息中找到。
　　
　　獲得轉交地址之后，移動節點需要向歸屬代理注冊它得到的轉交地址，這個過程可以通過移動IP中定義的消息交互來完成。在注冊過程中，假如鏈路上有一個外地代理，移動節點就向它請求服務。為阻止拒絕服務攻擊，注冊消息必須進行認證。
　　
　　移動節點完成注冊后，歸屬代理或者是在歸屬網絡鏈路上的其他一些路由器會廣播對移動節點歸屬地址的網絡前綴的可達性，從而吸引發往移動節點歸屬地址的數據包。當有發往移動節點的數據包到達時，歸屬代理會截取這個包，并根據移動節點注冊的轉交地址通過隧道將數據包傳送給移動節點。這里的轉交地址可能是外地代理也可能是移動節點的一個端口。作為隧道的出口，當數據包到達這里后，原始數據包被從隧道中提取出來并傳送給移動節點。
　　
　　從上述過程可以看出，當移動節點在外地鏈路上時，發往移動節點的數據包必須通過歸屬代理使用隧道技術發給移動節點，但由移動節點發出的數據包卻可以直接被選路到目的節點上，無需隧道技術。對所有來訪的移動節點發出的數據包來說，外地代理完成的是路由器的功能。
　　
　　以上是固定網絡上移動IP的實現機制，cdma2000系統的移動IP和基于固定網絡的移動IP在實現原理上是基本一致的，但在許多細節上略有不同，這是由cdma2000系統的特性所決定的。由于移動終端需要首先與PDSN建立PPP連接才能夠接入到分組網絡，因此對于cdma2000系統中的移動終端存在“永不在家”的情況，即無論用戶移動到哪里，都需要與外地代理(PDSN)建立連接，這是與固定網絡的移動IP的一個很大的不同點。
　　
　　為了獲得分組數據服務，移動終端首先向無線服務網中的BS發送一個IS-2000 Origination Message，該消息中附帶一個分組數據服務選項。緊接著假如正常的語音服務認證通過的話，BS將為移動終端分配空中信道，之后PCF和PDSN之間會建立A10連接，移動終端和PDSN之間需要建立PPP連接，當這些操作完成后，移動終端就可以開始通過PDSN向它的HA執行移動IP注冊。在移動IP注冊過程中，移動終端可以獲得動態分配的歸屬IP地址，也可以使用靜態配置的歸屬IP地址。
　　
　　當移動IP的注冊成功后，用戶的分組數據就可以通過PPP連接傳輸了，其中在PCF和PDSN之間的鏈路部分是通過GRE封裝的。移動終端的注冊生存時間失效前，移動終端會再次通過FA向HA進行重注冊。另外，為了維護PCF和PDSN之間的A10連接，PCF也會在A10鏈路失效前定時向PDSN重注冊。在用戶歸屬網絡中，當有分組數據需要傳輸到某個移動終端時，HA可以通過向外界發布代理ARP消息的辦法來截取需要發送到該移動終端的分組數據。然后，HA通過隧道把數據先傳輸到PDSN，再由PDSN將數據通過PPP鏈路傳輸給該移動終端。當移動終端有數據需要向外發送時，它需要先把數據通過PPP鏈路傳送到PDSN。假如移動終端需要支持私有網絡，那么該移動終端在進行移動IP注冊時就需要申請支持反向隧道。在這種情況下，PDSN會先把數據通過反向隧道傳輸給HA，然后再由HA解封裝數據后轉發到對應的目的地。假如移動終端不需要反向隧道的支持，那么當PDSN收到MS發來的數據后就會直接路由出去，然后再由其他路由器將數據路由到目標地址。
　　
　　四、移動IP與簡單IP的比較
　　作為cdma2000系統所提供的分組數據業務的兩種基本形式，簡單IP和移動IP具有各自不同的特點。
　　
　　在無線通信系統中，用戶終端是隨時都在移動的，這也就是人們習慣將無線環境下的終端稱為移動終端的原因。正因為如此，必須要考慮移動性治理的問題。
　　
　　就分組數據業務來說涉及到三個層次的移動性治理問題。第一個層次是指在無線網絡(RN)內部的移動性，主要是通過無線接入網絡內部的機制來進行保證的，例如同一BSC下的不同基站之間的切換或同一基站下不同扇區之間的切換等。第二個層次是指R-P會話的移動性。由于R-P會話是與PCF綁定的，因此這一層次的移動性治理可以理解為發生PCF之間的切換，但仍然在同一PDSN管轄范圍內，此時移動終端應保持相同的PPP連接和同樣的IP地址，這是簡單IP需要解決的問題。而第三個層次就是IP層的移動性治理。當用戶發生PDSN間切換后，由于需要重新建立PPP連接，對于簡單IP來說已無法保證用戶的IP地址不發生變化，此時就需要移動IP來保證這一層次的移動性。實際上這是移動IP與簡單IP最根本的差別。在具體實現時，移動IP和簡單IP也有著很多的不同。
　　
　　1　無縫漫游能力
　　
　　(1)簡單IP能夠提供給用戶在同一PDSN下

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