田荣明,李方伟
重庆邮电学院 移动通信工程研究中心
摘 要：介绍了一种简单易行的移动IP的扩展方案，它通过对基本的移动IP协议进行简单的扩展，使其支持寻呼功能，减少大量的信令开销，使MIP能够支持大量移动用户。
关键词：移动IP；寻呼；移动性管理
一、 引言
移动IP（MIP）是一种简单可扩展的全球Internet移动解决方案，使节点在切换链路时仍可保持正在进行的通信。在MIP广泛应用的情况下，大量移动节点的移动将引起大量的位置更新信息和位置更新信息传输时带来的时延，使MIP在切换性能和支持大量移动用户方面面临巨大的挑战。针对这个问题，提出了许多MIP的扩展技术,P-MIP（Paging Extension for MIP）即是一种。它通过对MIP进行寻呼扩展，使MIP能够支持大量移动用户。P-MIP是一种简单可行的方案，它通过对基本的MIP协议进行简单的扩展，使其支持寻呼功能，它对MIP具有很好的兼容性。
二、P-MIP的工作原理
象蜂窝用户一样， MIP用户大多数时候并未进行通信，而是处于空闲状态。实际上对空闲用户，MIP只需了解它的大致位置，这样就不用频繁地注册，减少核心网信令负荷。当有IP包发给空闲的移动节点时，就采用寻呼技术精确定位。
蜂窝网络是面向连接的，而MIP是基于在无连接业务模式，自带寻址消息的数据报的处理是完全独立的。如果移动节点接收每一个数据包都通过寻呼进行，那么必然带来极大的开销。在P-MIP中，引入了移动节点状态和数据会话的概念。移动节点的状态包含2个要素（工作模式，激活状态定时器），移动节点的工作模式可以是激活状态或空闲状态。如果一个移动节点刚接收或发送了IP数据，那么该节点就处于激活状态。每当移动节点接收或发送数据时，移动节点或正在服务的外地代理中的定时器都会重置。当激活状态定时器定时结束，移动节点就进入空闲状态。一旦空闲移动节点发送或接收数据，其工作模式就会变为激活模式，同时定时器开始记时。如果一个包序列中的包足够接近，那么在该包序列传送过程中，移动节点始终保持激活状态，在P-MIP中，把这称为数据会话。数据会话的“持续时间”就相当于以连接为导向的网络的通话持续时间。一般来说，P-MIP仅在传送数据会话的第一个包时，对移动节点进行寻呼。
在P-MIP中定义了几个术语，服务于移动节点正在访问的网络的外地代理，称为当前外地代理；移动节点注册所在的外地代理，称为注册外地代理，它可能与移动节点属于同一网络，也可能属于不同的网络；发出寻呼请求的外地代理称为呼叫外地代理；被呼叫的移动节点称为被呼移动节点。
在P-MIP中，将MIP的代理广播消息扩展成包含一个“P位”的消息。P-MIP假设使用外地代理，且移动节点通过外地代理注册。这些支持寻呼功能的外地代理在代理广播中设置“P位”，但默认值为不设置“P位”。当移动节点首次接收到代理广播消息，它可通过检查“P位”来了解是否支持寻呼。本文假设外地代理支持寻呼。在注册请求消息中也包含“P位”消息，用来标识移动节点是否支持寻呼。
对处于激活状态的移动节点而言，其工作方式与在MIP中的方式完全相同。当移动节点改变它的网络接入点，或一个空闲移动节点进入一个新的寻呼区域，它就注册。而当空闲移动节点仅在一个寻呼区域内移动，它就不用注册。
当有包需要发送至移动节点时，本地代理会把包转发到注册外地代理。外地代理首先确定它是否有该移动节点的记录。如果有，则进一步检查该移动节点是否支持寻呼。如果该移动节点支持寻呼，则继续检查该移动节点的工作状态。如果移动节点处于激活状态，则注册外地代理就象在MIP中一样把数据转发给移动节点。如果该移动节点处于空闲状态，则注册外地代理将寻呼请求发送至该寻呼区域内所有外地代理，并在自己的网络中广播该寻呼请求。
当移动节点收到寻呼请求消息，它通过所访问网络中的外地代理注册到本地代理。收到注册应答消息后，移动节点通过当前外地代理将寻呼应答消息发送到注册外地代理，告知移动节点当前位置。注册外地代理收到寻呼应答消息，它就通过移动节点的当前外地代理向移动节点发送缓存的包。如果在上次注册后，移动接点并未离开该网络，那么该移动节点的当前外地代理和注册外地代理为同一代理。
图1是一个简单寻呼模式示意图，由外地代理FA1、FA2和FA3组成一个寻呼区。一个空闲移动节点(M)从蜂窝小区FA1未经注册进入FA3，保留在移动节点（Mobile Host）本地代理中的转交地址仍然指向外地代理FA1。在这个模式中还存在一个通信节点correspondent node (N)，通过N将消息①发送给移动节点M。本地代理(HA)封装包①，并将其发送到外地代理FA1。FA1接收到发送给移动节点M的消息后，检查是否有M的记录。如果FA1有M的记录，则进一步检查M是否支持寻呼。若得到肯定答复，FA1开始检查M的状态。在图1中，由于移动节点M处于空闲状态，呼叫外地代理FA1缓存包，并发出寻呼请求消息②。该寻呼请求消息在FA1蜂窝小区中广播，并对FA2和FA3单向发送该消息。随后FA2和FA3开始在各自的蜂窝小区中发送广播消息③。移动节点在FA3蜂窝中收到寻呼请求（包含其本地地址），并向其本地代理注册它的位置，见图1中④。一旦注册完成，本地代理向外地代理FA3和移动节点M发送数据，见图1中⑤。除路径④以外，移动节点还向FA3发送寻呼回答⑥。FA3将该寻呼应答消息发送至呼叫外地代理FA1。FA1将所有缓存包发送至FA3（见图1中⑦），并删除移动节点M的记录，然后FA3将包⑧传送给移动节点。
三、寻呼区的构造
在P-MIP中，寻呼区是由2个或多个网络前缀相同的网络组成，有自己的寻呼区ID(Paging Area ID,简称PAI)。配置寻呼区域需要考虑许多因素（例如：节点移动性、业务模式、移动密度等），应使大多数移动节点只在一个寻呼区域中移动。P-MIP中寻呼区域的建立方式主要有2种：非重叠寻呼区和重叠寻呼区。在非重叠寻呼区方式中，一个网络只对应一个寻呼区，例如图2中的寻呼区PA1、PA2和PA3。
在非重叠方式中，每个寻呼区有它独特的PAI。PAI的分配可遵循IP地址分配原则，由授权机构负责分配和设定。寻呼表格由各自的外地代理负责维护，由寻呼服务器或管理员进行配置。P-MIP中的代理广播消息往往被扩展用来携带PAI，这样PAI随代理广播定期发送。非重叠方式的寻呼表格见表1。
重叠寻呼区方式的PAI由寻呼区域中的外地代理IP地址全部列表组成。其PAI无需定期发送，而是以扩展注册应答消息方式发送至移动节点。重叠寻呼区方式中每一个外地代理保持一个寻呼表格。重叠方式的寻呼表格可按照表2进行人工配置。表1和表2的区别在于，重叠方式中的PAI无特定值。
只有当每个外地代理都位于寻呼区域的中心时，重叠寻呼区方式的优势才会最大限度地体现出来。如图3所示，外地代理FA1位于寻呼区域PA1的中心，FA2位于PA2的中心，以此类推。所谓中心，是指使一个移动节点离开当前寻呼区域可能性最小时，外地代理在该寻呼区域的最佳位置。这样才能尽可能减少由越区产生的信令。一旦移动节点注册，它就会收到一个新的PAI（即寻呼区域内外地代理IP地址列表），这就保证了移动节点在注册后可位于新寻呼区域的中心。由于注册量的均衡分配，这样可减少由跨越寻呼区域边界引起的注册。这种方式还可以进一步减少在非重叠寻呼区方式中可能存在的移动节点在区域边缘频繁移动产生的信令。
两种寻呼区方式有各自的优缺点。非重叠寻呼区的PAI比重叠方式短得多，所以管理PAI所需的带宽损耗和耗电量少于后者。然而，非重叠方式在寻呼区域边界就会产生不均衡的注册量。若采用重叠寻呼区域方式，若寻呼区域内有大量外地代理，PAI就会相当大。在这种情况下，每个移动节点都必须知道寻呼区域内所有的外地代理的IP地址。每个移动节点都必须能够保存状态消息，只有这样才能检测它们是否进入了新的寻呼区域。重叠寻呼区域消息不是定时传输的，所以对无线电资源和移动节点资源的影响很小。
四、移动检测
P-MIP和MIP采用相同的算法来检测移动节点是否进入到另一网络。如果移动节点在移动时处于活动状态，那么切换将触发注册过程。相反，如果一个处于空闲状态的移动节点进入同一寻呼区域的另一网络，则不会引发注册。对于不同的寻呼区建立模式，用来检测不同寻呼区间移动的算法也不同。
若采用非重叠寻呼区模式，移动节点从代理广播消息中获得广播生存期。如果在特定生存期内，移动节点没有从同一代理处获得另一广播，则认为该移动节点与注册外地代理失去联系。如果移动节点以前收到来自另一个生存期未满的外地代理的代理广播，则认为该移动节点应检查来自新代理的PAI是否与当前寻呼ID相同。如果两者相同，该移动节点只能追踪根据代理广播消息确定了身份的外地代理。如果两者不同，则空闲移动节点应该立刻注册到新的外地代理。如果移动节点与任何外地代理都没有联系，则该移动节点会发送代理请求消息。一旦接收到代理广播消息，移动节点就会检查这个新的PAI与旧的ID是否相同。移动节点就是利用这种测试来测定它是否进入了新的寻呼区域。
如果采用重叠寻呼区模式，仍然由移动节点记录来自代理广播消息的广播生存期。如果在特定生存期内，移动节点没有从同一代理处获得另一广播，则认为该移动节点与注册外地代理失去联系。如果移动节点以前收到来自另一个生存期未满的外地代理的代理广播，则移动节点就会检查由新的外地代理发送出的代理广播的来源IP地址是否包括于该外地代理的当前寻呼ID列表中，而这个列表又来源于注册应答消息。如果新的外地代理的IP地址不在当前外地代理列表中，则这个空闲移动节点就会注册到新的外地代理。如果该移动节点没有与外地代理建立连接，那么它应该发送代理请求消息。一旦收到广播消息，移动节点开始检查这个新的外地代理的IP地址是否包含于当前外地代理列表。在重叠寻呼区域模式中，移动节点就是通过这种测试来确定它是否进入了新的寻呼区域。
五、寻呼
如果一个外地代理要对一个空闲移动节点进行定位，这个外地代理就会在自身网络中广播寻呼请求，并向所在寻呼区域内所有外地代理发送该请求，再由各外地代理在各自网络中广播该寻呼请求。P-MIP系统将所有寻呼请求集中于一条寻呼消息，因此它能够支持外地代理随时可能发送的大量寻呼请求。这有助于减少随被呼叫移动节点数量增加而增加的寻呼开销。寻呼请求消息中包括了所有被呼叫的移动节点的本地地址。
当一个外地代理收到来自呼叫外地代理的寻呼请求，它首先会确认该呼叫外地代理是否和它属于同一移动安全联合。如果确认成功，该外地代理开始在自身网络中广播该寻呼消息。如果移动节点在该寻呼消息中发现了它的本地地址，而这条消息又来自它的注册外地代理，那么这个注册外地代理与该移动节点的当前外地代理为同一个代理。因此，移动节点可推测出它仍然位于它注册的外地代理的网络中。这样，移动节点无需注册即可向呼叫外地代理发送寻呼应答消息，并将工作模式设为激活状态，同时重启定时器。否则，移动节点就会开始注册，以更新它的转交地址，然后将节点的转交地址插入到寻呼应答中，并发送该寻呼应答以回应寻呼请求。
当外地代理收到来自本地代理的注册应答，外地代理将移动节点的工作模式设为激活状态，然后将注册应答转发给移动节点。如果该移动节点未收到注册应答，那么在它的记录上的工作模式仍然保持为空闲。注册应答消息的丢失会导致外地代理和移动节点记录中节点状态的不一致。但是这种不一致只是暂时的。当外地代理收到注册应答消息，它就会向移动节点转发数据。如果移动节点在空闲模式下收到数据包，它就会检查该外地代理是否是它提出注册请求的那个外地代理。如果是，则该移动节点将它的切换地址设置为与该外地代理关联的地址，同时改变工作模式为激活状态，并启动激活定时器。
如果外地代理和移动节点属于同一个移动安全联合，则该外地代理会对来自被呼叫移动节点的寻呼应答消息进行确认检查。如果该外地代理并没有发出呼叫，那么它会将外地代理到外地代理的认证扩展加到寻呼应答消息中，然后把该寻呼应答消息转发给呼叫外地代理。如果呼叫外地代理收到直接来自被呼叫移动节点的呼叫应答消息，它就将移动节点的工作模式设置为激活状态，并启动激活定时器。由呼叫外地代理根据呼叫应答消息确定哪些是目前没有位于它的网络中的被呼叫移动节点，并去掉它们的记录。呼叫外地代理之所以要进行上述操作，是因为位于其他寻呼区域的被呼叫移动节点已经通过新的网络中的外地代理进行了注册。
如果呼叫外地代理在“寻呼期”内没有收到对呼叫请求的回应，它就将重发该呼叫请求。如果一个移动节点的注册生存期在寻呼过程中就已经到期，呼叫外地代理将停止寻呼。后一个寻呼期一般至少是前一个寻呼期的2倍。如果发出多个连续的寻呼请求都没有收到回应，外地代理也会停止寻呼。但在生存期内，呼叫外地代理会保持被呼叫移动节点的记录。
假设一个移动节点从一个网络进入到另一个网络，这个过程中如果有寻呼应答消息丢失，不会明显影响移动节点的操作。这是因为移动节点在发出寻呼应答消息前会注册到一个新的外地代理。因此，由本地代理保存的记录是指向当前外地代理的。但这样可能引起在同一网络中移动节点的数据丢失。例如，一个移动节点发出一个寻呼应答并将工作模式设定为激活状态，如果寻呼应答消息丢失，在注册外地代理的记录中，该移动节点仍处于空闲状态，这个外地代理会继续寻呼该移动节点。在多次寻呼后，呼叫外地代理会停止寻呼，并丢失一些缓存数据。在这种情况，可以用下面的方法来解决这个问题。一个移动节点发出寻呼应答消息后，等待从外地代理获得数据。如果在一定时间内没有接收到数据，该移动节点则认为寻呼应答消息已丢失并再次发出寻呼应答。如果多次发送后仍未收到数据，该移动节点将工作模式重新设置为空闲状态。一旦寻呼外地代理收到寻呼应答，将把所有缓冲数据转发至该移动节点。
六、结束语
本文介绍了P-MIP的基本工作原理、两种寻呼区的构造、移动检测技术，以及寻呼技术。P-MIP是一种对MIP协议进行寻呼扩展的简单方法，虽然P-MIP扩展了基本的MIP协议，却能够与MIP很好地兼容。因特网服务提供商可以很方便地在基本协议中添加P-MIP寻呼功能，而不会影响以MIP为基础的因特网的操作。
参考文献
［１］Xiaowei Zhang, Javier Gomez Castellanos, Andrew T Campbell. P-MIP: Paging Extensions for Mobile IP［Ｊ］.Mobile Networks and Applications, 2002,（7）:127～141.
［2］
［３］RFC2002,IP Mobility Support for IPv4［S］．
摘自 电讯技术
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