余旭涛徐平平毕光国东南大学移动通信国家重点实验室
[摘要] 为了解决互联网内节点的移动问题而提出传统的移动IP 协议具有切换延时大分组丢失严重造成连接中断等缺点微观移动IP 协议的提出将分层的概念引入到移动IP协议中减少了小范围类移动的切换时间改进了系统的性能把传统移动IP 协议作为宏观移动IP 协议将微观与宏观移动IP 协议相结合将是构造切实可用的无线互联网的必然自从移动IP(Mobile IP)协议提出以来关于采用何种方式将不同的无线接入网接入Internet 实现用户无线终端在不同系统间自由移动切换成为人们研究的一个重点传统的移动IP 协议方法具有一些很难克服的缺点。
移动IP 协议采用的三边间接路由虽然实现了移动节点与其他节点的通信但同时也增加了端到端的延时使其很难达到有严格延时限制的业务如实时多媒体业务的要求也增加了网络的传输量特别是在移动节点远离家乡代理而与通信对端距离较近时，问题更为突出。
为了增加用户容量无线接入网一般采用的是蜂窝结构而且蜂窝的范围趋向于微蜂窝甚至微微蜂窝如果对整个网络采用移动IP 协议移动节点在小范围的移动就可能引起频繁的切换产生大量的注册更新信息如果移动节点远离家乡代理更会增加网络的信令开销同时切换延时加大使得切换引起的分组丢失更加严重造成业务中断。
在家乡代理处对IP 数据包的再次封装会增加延时且会带来一些报头信息的重复产生冗余如果由此带来分组长度加大需要进行分片就将花费更多的数据报处理时间 如果采用改进的路径优化方法虽然可以克服三边路由引起的问题但是同时带来了新的问题主要是安全问题即移动节点和通信对端之间的认证与鉴别。
移动IP 协议没有对水平切换以及垂直切换进行区分也没有对移动终端的空闲等待状态以及激活状态分别处理造成了不必要的流量针对移动IP 的这些缺点已提出了微观移动IP 的观点。
所谓微观移动IP 协议就是在移动IP 协议中引入层次的概念将移动节点的切换限制在小范围内通过层次的划分将网络分成不同的域从而将移动性的问题分成了宏观移动域间移动与微观移动域内移动微观移动IP 协议充分考虑了接入网的特点与宏观移动IP 协议相结合从而在IP 层实现无线互联一般在域内采用微观移动IP 协议而在域间采用IETF 移动IP 协议采用该方法对移动节点家乡代理而言隐藏了节点在域内的移动减少了信令流量其结构如图1 所示
图1 采用宏观和微观移动IP 协议实现无线互联
目前有许多微观移动IP 协议典型的有Bell 实验室提出的HAWII Handoff Aware Wireless Access Internet Infrastructure 协议Columbia 大学提出的Cellular IP 协议Maryland大学提出的EMA Edge obility Architecture 协议以及分层移动协议等这些协议的共同特点是传统的移动IP 路由技术不再推广到接入网与移动节点相交的边缘而是在接入网与IP 核心网的交界处在域内采用统一的方案采用相同的IP 层路由协议相应的切换机制和移动管理机制这里以HAWAII 协议为重点对目前的几种常见的微观移动IP 协议进行介绍
2.1 HAWAII 协议
HAWAII 协议的目标是提供标准的微移动特性如快速切换被动连接寻呼以及QoS保证其域由扩展功能的路由器以及基站组成其中将HAWAII 域与Internet 核心网相连的路由器称为域根路由器DRR, Domain root rooter 移动节点在域内获得一个共同定位转交地址Co-located Care-of-address , 且节点在域内移动时该地址不会改变因此在HAWAII方案中隧道的终端是移动节点本身在HAWAII 系统中移动节点可以用三种状态来描述分别是激活状态Active 待机状态Standby ,空状态(Null) 在不同的状态对移动节点的定位要求不同当处于空状态时移动节点什么也不发送这样即降低了能量消耗又减少了信令开销HAWII 保留了蜂窝网中的被动连接和寻呼特性每一个HAWAII 域内又划分为一些寻呼区间移动节点可以通过自己发送的特定请求以及基站发送的信标检测到自己所在的寻呼域基站以及路由器中有一个软状态的寻呼表如同路由更新信息一样移动节点也会周期性的发送寻呼更新信息但寻呼更新周期更长HAWAII 协议以逐跳hop by hop 的方式管理主机的移动性在每个基站以及路由器中有一个软状态表用以确定如何对接收到的分组数据进行处理该表通过路径建立机制进行管理所谓软状态路由表是指经过一定的时间后路由表中的路径信息将不再有效因此移动节点需要周期性的发送路由更新信息。
HAWAII 方案中采用了两种切换方法来建立新的路径分别是转发路径建立方案和非转发路径建立方案转发方案适用于移动节点只能与一个接收机通信的情况如TDMA 系统而非转发方案适用于移动节点可以同时与多个接收机通信的情况如CDMA 系统转发路径建立方案Forwarding Path Setup Scheme 过程如图2 所示分为以下几步：
1 移动主机发送包含了旧基站地址的移动IP 注册请求信息给新的基站
2 随后新基站发送一个HAWAII 路径建立更新信息至旧基站
3 旧基站收到该信息后搜索路由表并为移动节点增加一个新的转发入口forwarding entry 随后再以逐跳的方式转发该消息在到达新基站路径上的每一个路由器的路由表中为移动节点再增加或更新转发入口值得注意的是相交基站crossover station 更新转发入口后发往移动节点的分组将被送到新基站4 新基站收到该信息后在路由表中增加转发入口并向移动节点发送注册响应信息。
非转发路径建立方案与转发路径建立方案相比主要的不同在于新基站收到移动节点发来的注册请求后直接在路由表中增加一个移动节点的转发入口再以逐跳的方式发送路径建立信息在通往旧基站的每一个基站及路由器上添加新的转发入口当相交路由器路由表中移动节点信息更新后发往节点的分组就将沿着新的路径发送从而减少了分组损耗
2.2 Cellular IP 协议
与HAWAII 协议相似Cellular IP 协议中也支持快速切换被动连接寻呼等CellularIP 网络由支持该协议的一个网关路由器以及基站和移动节点组成网关路由器将Cellular IP接入网与Internet 相连网关的IP 地址将作为接入网中移动节点的转交地址因此与HAWAII系统不同通过隧道到达移动节点的IP 包将在网关处进行拆封然后再按照Cellular IP 协议中的规定的路由方法将数据包发送至节点在Cellular IP 网络中也定义了寻呼区间和寻呼表Cellular IP 网络中移动节点具有两种状态空闲状态idle 和激活状态active 移动节点在激活状态超时后仍然不收发数据则进入空闲状态在空闲状态节点在一个寻呼区内移动时不需要发送位置更新信息这样即可以减少能量消耗也可以减少信道负荷同时转发分组时减少了查表时间同样这里也采用了软状态方式在基站中保存了两种类型的软状态信息分别是与该基站相邻的到达网关路径上的第一个基站的信息以及通过该基站向移动节点转发数据的路由信息路由表中由移动节点的IP 地址以及对应的转发基站组成Cellular IP 协议中定义了两种切换机制分别是用于移动节点只能与一个接收机通信的硬切换Hard handoff 以及移动节点可以与多个接收机同时通信的半软切换Semi-soft handoff 硬切换中节点移动至新基站时发送路径更新信息该路由更新信息以逐跳的方式发送至网关路由器路径上的移动路径。
图2 HAWAII 系统转发路径建立过程
Cellular IP 节点将对其路由表进行相应修改采用硬切换方式路径更新信息从新基站到达相交节点期间内的分组将会丢失而半软切换方式可以使分组损丢失减少为零采用半软切换方式移动节点可以同时接收两个基站发来的分组当检测到切换将要发生后将向新基站发送一个半软路由更新分组Semi-softroute-update packets 同时仍然接收旧基站发来的分组在相交节点处增加一个到新基站的路由映射使得发往移动节点的分组同时被转发至新旧两个基站半软切换是在一个固定的半软延时Semi-soft delay 期间内完成的,该期间结束后在进行一次常规的切换。
2.3 分层移动IP 协议
目前有多种不同的分层移动IP 协议如区域隧道管理协议Regional tunnel management protocol ,HUT(Helsinki University of Technology)移动IP 协议RAFA(Regional Aware Foreign Agent)协议其共同的特点是移动节点在接入网域内移动时位置的改变不用通知家乡节点外地代理采用了分层树状结构且分组在外地代理之间逐层转发时也采用了隧道技术以区域隧道管理协议为例接入网中定义了一个专用的外地代理称为网关外地代理GFA 其IP 地址为移动节点的转交地址在域内移动时该转交地址不变与HAWAII类似移动节点只需要在旧外地代理至新代理最短路径上的各节点更新位置信息切换时采用了平滑切换方法移动节点移动到新的外地代理时新的外地代理将通知旧的外地代理将发往移动节点的分组进行转发从而减少了切换造成的分组丢失。
2.4 EMA 协议
EMA 协议所定义的网络结构与其他微移动协议类似接入网由接入路由器以及所属的基站构成其路由协议采用了自适应TORA(Temporally-Ordered Routing Algorithm)算法可以在网络的拓扑结构发生改变时快速的建立最佳路由协议定义了BBM(Break before Make)以及MBB(Make before Break)两种切换方式切换发生前移动节点可以检测到即将发生的切换切换时在新旧接入路由器之间建立了一个暂时隧道旧接入路由通过重定向可以将发
往移动节点的分组转发到新的接入路由器因此使得分组丢失降至0。
3 协议比较
可以从以下几个方面对微观移动IP 协议性能进行分析比较
1 切换延时微观移动协议由于在域内移动时不需要对家乡代理进行注册因此大大减少了切换延时HAWAII 协议分层移动IP 协议以及EMA 协议将切换所涉及的节点限于新旧路由器之间Cellular IP 协议中更新从新的基站逐跳至网关由于EMA 算法中采用了TORA 路由协议因此其切换中还包含了计算时间相比较而言HAWAII 算法延时更小
2 信道负载采用微观移动协议切换发生在域内时不需要网关与家乡代理之间交换注册信息减少了核心网和家乡网络的负荷在Cellular IP 以及HAWAII 协议中均引入了被动连接和寻呼寻呼表的更新频率小于路由表的更新频率且移动节点有不同的状态对不同状态有不同的定位要求减少了网络的信令流量相对而言其余的移动IP 协议还未引入这两种机制分层移动IP 协议在外地代理之间转发分组时采用了隧道封装会增加信道数据量同时也会造成封装延时
3 分组丢失在Cellular IP 协议的半软切换方式以及EMA 协议中切换造成的分组丢失为0 其余协议造成的分组丢失也小于只采用传统移动IP 协议造成的分组丢失。
4 系统的鲁棒性EMA 协议由于采用了TORA 路由算法因此可以适用于各种不同的环境鲁棒性强而上述的另外几种算法采用树状接入网络结构对于Cellular IP协议每次切换都要通过网关因此会造成网关的负荷过大在HAWAII,以及分层移动IP 协议中采用了分布式结构且节点为IP 结构可以利用现有的IP 路由回复机制因此较之Cellular IP 其鲁棒性更强
4 系统分析
为了使整个无线互联网系统能够协调运行移动节点能够在采用不同移动协议的网络仍能正常收发数据面对各种微观移动IP 协议种类需要考虑以下两个问题
1 不同的接入网采用统一的一个微观移动IP 协议
2 不同接入网采用不同协议各协议协调共存
从前面的分析介绍可以看出单纯的一种微观IP 协议显然不能适应于现在的各种无线接入网且上述的协议都存在各自的缺陷如Cellular IP 协议和HAWAII 协议网络结构中都假设接入网与IP 核心网通过一个网关相连即会造成网关的负荷过大成为网络的一个瓶颈而EMA 协议采用了用于自组织网络Ad hoc 的TORA 路由方案该方案适用于接入网为拓扑变化较快的无线的分布式环境而现有的无线接入网的基站和路由器一般是通过有线方式相连除了移动节点外网络的其余部分不会发生拓扑变化并且该方案为每一个目的节点提供了不止一个路由会造成路由器的负荷过大造成很多不必要的浪费在这里考虑到一般对移动节点而言无论是其软件还是硬件都需要尽量简单如果移动设备为在不同的接入网中漫游需要安装不同的协议软件显然适用性会受到限制因此可将移动节点与接入网内和网间具体采用的宏观及微观移动IP 协议相独立使得移动节点与接入网间采用同一个注册请求接入协议在接入网内部可以采用不同的微观移动IP 协议以管理移动节点在域内移动切换宏观移动IP 协议则用于移动节点在接入网域间以及不同的接入网间的切换采用这样的方法将网络划分为了3 个不同的层次考虑到未来的无线网络将是全IP 的无线网络并且3GPP 计划在未来的无线蜂窝网络中采用IPV6 协议上述的微移动协议并不完全适用在这里我们计划结合上述的协议进行一些改进无线接入网域内采用微移动协议域间采用移动IP 协议对于基于IPV6 的网络采用路径优化机制与微移动协议相结合的方法由于IPV6 中采用了一种密钥管理体系因此解决了路径优化中移动节点与通信对端之间的认证问题而微移动协议则解决了在一定范围接入网中移动所产生的切换问题减少了切换损失此外在网络中引入自适应监测通过监测信号的强弱以及信令信道对移动节点的运动方向进行估计预测即将发生的切换预先做好切换准备使得切换发生时减少分组丢失
5 结论
传统移动IP 协议存在许多问题微移动IP 协议的提出从减少切换延时降低切换引起的分组损耗节约信令开销减少信道负荷等方面对传统移动IP 协议进行了改进提高了系统性能从大的发展趋势看在无线接入网之间采用宏观移动IP 协议在接入网域内采用微观移动协议是一种趋势但现有的微观IP 协议都有其局限性针对未来的全IP 无线接入网对微移动协议进行研究改进使宏观与微观移动IP 协议更好相结合以及各种协议的共存是目前移动IP 领域研究的重点。
----《移动通信在线》
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