原创 互联网的移动性问题及解决方案

随着人们生活的移动性以及对互联网依赖程度的增加，互联网的移动性需求越来越大。然而当前的IPv4并不支持移动应用，如何基于现有互联网实现移动性具有很大的挑战。本文从移动性问题的引出，到从应用层、网络层以及链路层移动性的实现方案详细分析了当前互联网移动性问题及解决方案。

无线网络在过去十年中主要用于提供语音服务，这些网络实现了电话的移动应用，移动用户数量在今后的1-2年内将有望超过有线电话用户。在上世纪90年代，与无线蜂窝网络和移动用户同时快速增长的网络是互联网。互联网服务供应商(ISP)和用户飞速增长，互联网提供服务的类型和应用也有奇迹般地增长。然而，与无线网络相比，互联网主要支持数据应用和服务，且不具有移动性。而第二代无线网络也支持数据服务，但相比于语音应用只占很小的比例。

随着人们在任何时间、任何地点获取信息的需求增加 人们期望互联网能支持移动应用。然而，互联网协议(IP)自身并不支持移动性，因此当设备在相同或不同网络之间移动时，就产生了保持会话和应用连续性的问题。目前已经出现了许多基于标准或专利方案来解决这个问题的方法，这些方法都有其优缺点。

移动性问题的产生ALT="图1：解决IP会话和应用连续性的几种方案。">

支持基于IP应用的移动性有何困难？归根结底，IP是一个基于分组的协议并且是无连接的，不像基于连接的电路交换网络。工作于网络层的IP是一个无连接的协议， 这表示它可以通过重新路由分组来回避在中间网络中的故障。 然而，大多数应用的传输层是使用传输控制协议(TCP)，而该协议是基于连接的。当然，在传输层也有通用数据报协议和流控制传输协议，前者是一种无连接协议，而后者是一种基于连接的协议。然而，TCP在过去和将来都是互联网传输层的主要协议。

一个会话或应用的两个端点使用IP地址和每一个端点的TCP端口号作为一个元组(tuple)，并形成一个连接。这些标识符的任何改变都会断开连接和打断会话的连续性。当像笔记本电脑、PDA或移动电话这样的移动节点从一个连接点(有线或无线)到另一个连接点时，网络可以为节点指定一个新的IP地址，这种IP地址的改变通常会打断正在进行的会话。在无线网络中，节点可能会在不同接入点之间频繁转换。因此，需要IP的移动性来支持无缝会话连续性，即使节点地址(相连接的一个或两个元组，取决于两个端点都是移动的还是一个静止)本身的改变。

无缝移动性

目前的互联网具有一定程度的移动性，使用像AOL或Earthlink这类主要ISP服务的用户能从一个城市到另一个城市，每一个地方都能提供同样的服务。这通常称为“流动性”，在这种情况下用户在连接新的连接点时必需关闭一个应用或一个会话，并重新启动。对于很多互联网用户来讲，这种移动性已经足够了，但无线数据网络为增强移动体验带来了发展潜力。

即使在移动设备改变它的连接点或接口类型时仍能保持会话的连续性，这就实现了无缝移动。一个移动节点的移动可以来自一个固定的以太网802.3连接，或连接到IEEE 802.11无线LAN(WLAN)接口，甚至连接到像GPRS/W-CDMA/cdma2000这样的广域蜂窝接口。常用到的无缝连接的一个很好的例子就是在蜂窝网络，在该网络中速度达75mph的汽车中还可以支持语音通信。

多种移动解决方案

目前有各种各样解决无缝移动问题的方案，可按这些方案在开放系统互连模型中所属的层来进行分类(图1)。实现的方法可以不同，但最终结果通常是相同的，即保证应用或会话的无缝连续性。这些解决方案可以在链路层、网络层或应用层中实现。ALT="图2：3GPP已定义的分组数据网络组成结构。">

应用层：应用层移动性本质上是将管理会话和IP层改变的任务转交到应用层协议上。例如文件传输协议(FTP)一般是用于下载文件、音乐或视频，需要进行加强以支持移动性。如果FTP扩展了，会对其它应用产生什么影响呢？实际上，其它应用的移动性问题依然存在。因此，移动性必需添加到简单管理传输协议、互联网消息访问协议、会话启动协议、超文本传输协议和每个用到的应用层协议中去。然而这样的方法并不可取，因为这样的解决办法产生的影响太大，而且还存在向后兼容问题。为解决这个问题，可以寻求开发一个位于应用层和传输层之间的中间体，用来执行移动性任务。

网络层：移动IP在网络层中解决移动性问题。网络层移动性将IP地址和网络连接的改变对上层隐藏起来，而每个应用并不知道移动性的增强。它也提供移动性给所有的应用，而不是分别处理每个应用。移动IP计划源于互联网工程任务组(IETF)所作的工作，它定义互联网协议和标准，是目前开发和应用最多的模型。

链路层：链路层的驱动程序可以用来处理IP移动性。另一个考虑链路层移动性的方法是用接入技术来处理所有移动问题，而IP/网络层并不知道连接点的变化。当前的GPRS和UMTS网络就提供采用接入技术的IP移动性解决方案，当移动设备在GPRS/UMTS网络范围内时就可以使用这样一个模型。IEEE 802.11无线局域网也提供链路层的移动性，当设备跨越同一分配系统中802.11接入点时，能够保持会话不被打断。跨越不同接入介质的链路无缝移动的解决方案非常复杂，所以通常考虑用较容易的方案来替代网络层方案。

移动IP：IETF路由

IETF的“无线/移动主设备IP路由”工作组开发的方案是一个网络层方案，一般称之为移动IP。此方法将节点的IP地址改变对上层隐藏，因而无缝的保持了会话的连续性。

移动IP使用一个原地地址(home address)和一个转交(care-of)地址。原地地址是由它最初所属网络分配的移动节点IP地址。这是通信节点用来达到一个移动节点的地址，也是在两个节点连接中形成元组部分的地址。转交地址是当设备移动到其原网络之外时，由接入点分配的地址。原地代理(home agent)是一个驻留在子网中的一个路由器，它将分组发送到(或发回)移动节点的当前接入点。由于会话的端点使用了不会改变的原地地址，因此即使转交地址改变了，会话的连续性还是能保持。用于IPv4和IPv6的移动IP有一些不同之处，下面进行一些简单介绍。

用于IPv4的移动IP

在RFC3344中规定了用于IPv4的移动IP，支持IPv4的移动IP是在IPv4之后设计并应用的。由于已安装的IPv4节点数量庞大，所以Mobile IPv4的实施受到限制。用于IPv4的移动IP不是IP堆栈的固有部分，而是一个附加的并构建在需要它的节点中。因此，支持IPv4移动性的网络并不普遍。Mobile IPv4使用一个原地代理和一个外地代理(foreign agent)这样的基本概念，但由于IPv4的地址空间有限，许多节点分享一个转交地址，这个转交地址由外地代理发布广告。正 如其名称所表述的一样，原地代理是一个在原地移动子网中的路由器，而外地代理驻留于移动设备所访问的链路中。在大多数场合下，转交地址由外地代理指定。有时移动节点也会得到一个用于其接口的转交地址，称之为共定位转交地址，但这并不是一个通用模型。

移动节点向它的原地代理登记转交地址，此后原地代理将所有发送给该移动节点的分组通过IP-in-IP隧道转发到转交地址处。经过隧道发送的分组将去掉外部分组头，而将内部的分组传送到移动节点。因为应用/会话使用原地地址，会话的连续性得到保持。当移动节点运动时， 它将获得一个新的转交地址，并向它的原地代理再次登记，以告知其新的转交地址，隧道的端点就改变为新的转交地址。

用于Ipv6的移动IP

用于Ipv6的移动IP是一项仍在进行中的工作。然而，IPv6将支持移动特性作为其整体的一部分来考虑并设计，而不是在Ipv6完成后再考虑，这相比于IPv4已经具有一些先天优势。从头开始设计的主要优点是使分组路由最优化，这表示移动设备和通信节点相互之间的通信没有原地代理的支持，因此会话端点之间分组的路由是最优化的。 因为移动支持是IPv6的标准特性，每个IPv6节点将都能支持IP移动性，所以只有当IPv6网络已广泛铺设并开始替代当前IPv4互联网时，才能实现真正的IP移动性。Mobile IPv6相比于Mobile IPv4的变化有以下两点：

1. 它没有外地代理的概念。

2. 对于隧道端点至关重要的转交地址在移动节点上。

但是，原地代理的概念依然存在，移动节点通过一个绑定的更新消息来向原地代理指示它的当前接入点/转交地址。

跨区转接延时减少

当移动节点运动并连接到一个新的子网，获得一个新的转交地址时会产生等待时间，IETF最近正在做工作来最优化这个等待时间。跨区转接技术减少了延迟，保正了会话，特别是实时会话的质量，而不会受到网络接入和接口IP地址改变所影响。这种无缝移动性的增强使它有可能支持音/视频流以及VoIP应用。

3GPP/3GPP2方法

2G蜂窝网络向3G的演变得到了3GPP和3GPP2两个组织的推进，他们分别定义了UMTS和cdma2000网络架构。3G网络除了支持语音服务外，还支持高速分组数据服务。这些网络结构已定义了一个能以各种方法支持IP移动性的分组-数据接入网络。

3GPP已定义了一个分组数据网络，该网络由网关GPRS支持节点(GGSN)和服务GPRS支持节点(SGSN)组成。一个GPRS隧道协议(GTP)可用来支持IP移动性(见图2)。在图2中，包含GSN的分组核心网通过一个称为Iu分组交换(IuPS)的接口连接到无线网络上，SGSN通过IuPS接口连到无线网络控制器上。一个支持IP的移动站连接到UMTS网络上，从而建立起一个分组数据协议(PDP)环境。ALT="图4：">

这一过程使移动设备被指定一个IP地址，并被固定在GGSN上。从ISP模型的角度看来，GGSN可以被看成是网络接入服务器。只要移动设备是在由RNC控制的基站之间，或节点Bs(在UMTS结构中有定义)之间运动，无线网络就能管理移动性，而跨越RNC的移动性由RNC和SGSN来管理。有两个GTP隧道用来载运IP数据报到移动设备，或从移动设备发出。其中一个在GGSN和SGSN 之间，另一个GTP隧道存在于SGSN和RNC之间。改变RNC会使从SGSN 到 RNC的隧道重新定向到新的RNC。当SGSN有变化时，GGSN和SGSN之间的GTP隧道将从老的SGSN移动到新的SGSN。指向移动设备的IP数据报路由至GGSN，然后经GTP隧道发送至RNC。RNC传递IP数据报到位于Iub接口上的节点B，而节点B通过无线接口转发到移动设备。

由于应用和会话使用在PDP环境建立时指定的IP地址，并且从IP角度来看移动设备仍固定在GGSN上，这样就实现了IP应用的会话移动性。移动设备的IP地址不会变化，即使它移动跨过节点B、RNC和SGSN。这样就保持了会话连续性。

3GPP2移动模型

由3GPP2定义的cdma2000网络结构同样也具有分组数据网络，但这里的分组数据网络是由分组数据服务结点(PDSN)、移动IP原地代理和外地代理，以及基于半径的认证、授权和计费(AAA)单元组成，如图3所示。

3GPP2网络对IP移动性的支持是基于Mobile IPv4的。PDSN支持外地代理，移动设备通过点对点协议连接到PDSN上，并从外地代理处得到一个转交地址。移动设备被分配一个原地代理所属原地子网的原地地址。

如前面所述，互联网通过Mobile IPv4获得移动性，PDSN通过A10/A11接口与无线网络相连，无线网络中的移动性由基站控制器(等同于RNC)来进行管理。当由于移动设备运动到一个不同PDSN时，移动设备将连接到一个不同的无线网络，它就获得一个新的转交地址，并在它的原地代理处进行记录，就像Mobile IPv4一样。 隧道端点从以前的转交地址改变，保持了会话的移动性。

作者：Basavaraj Patil     高级系统工程师    Email: Basavaraj.Patil@nokia.com     Nokia Networks公司