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基于Mobile IP的WLAN/GPRS融合网络
发布时间：2006-10-14 8:01:39		收集提供：gaoqian


解觯徐国鑫强平　　摘要：首先比较了ＷＬＡＮ和ＧＰＲＳ两种技术的特点；接着提出了一种基于ＭｏｂｉｌｅＩＰ的支持ＷＬＡＮ／ＧＰＲＳ网络无缝漫游的融合方案它利用ＷＬＡＮ网络与ＧＰＲＳ网络在技术上的互补性可快速为用户提供支持无缝漫游的数据业务。此方案基于如下基本思想：尽量不对ＧＰＲＳ网络做任何修改，而主要通过对ＷＬＡＮ网络结构进行调整来实现两者的融合。在描述此方案的主要工作流程时，包括以下方面的内容：移动接点接入／附着、ＷＬＡＮ到ＧＰＲＳ的漫游，ＧＰＲＳ到ＷＬＡＮ的漫游、ＷＬＡＮ网络可用性的判断、计费等。　　主题词：无线局域网ＧＰＲＳＭｏｂｉｌｅＩＰ无缝漫游移动接点计费　　ＷＬＡＮ与ＧＰＲＳ提供数据业务的特点具有很大的互补性，如果能以一种机制融合二者的优点，就可以为用户提供广覆盖、保证一定数据速率且在热点地区可无缝切换至高速率的统一移动数据业务。相关技术１．ＷＬＡＮ　　ＷＬＡＮ技术既可作为对有线网络的补充，也可独立组网，从而在一定程度上解决移动接入网络的问题。ＷＬＡＮ主流的物理层技术标准有蓝牙、ＩＥＥＥ８０２．１１系列、ＨｉｐｅｒＬＡＮ几种。但现在大多数的ＷＬＡＮ产品遵循ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ标准。当用于提供热点地区的公共接入服务时，ＷＬＡＮ网络结构见图１。　　图１中，ＷＬＡＮ用户终端是支持８０２．１１系列标准的无线网卡；访问接入点（ＡＰ）为终端用户提供物理接入信道并提供接入认证和计费服务；接入控制器（ＡＣ）为终端用户分配临时ＩＰ地址并提供Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入，也可以在ＡＣ提供接入认证和计费服务；认证服务器（ＡＳ）与运营商的归属位置寄存器（ＨＬＲ）交互，完成认证和计费功能。２．ＧＰＲＳ　　在需要引入移动数据业务时，ＧＳＭ这一传统的交换方式已经显得力不从心了，主要表现在对带宽资源的利用率不高。因此，出现了基于动态分配无线资源的ＧＰＲＳ，其特点是用户始终保持与网络的连接，但只有传递数据的时候才占用无线资源，即根据用户的需要动态地分配物理信道，从而提高了数据传送率和带宽利用率。ＧＰＲＳ采用分组交换机制，实现了按流量计费。但采用ＧＰＲＳ提供数据业务并没有真正增加物理信道，另外还存在着与话音业务争抢信道资源的问题。理论上ＧＰＲＳ最多可以同时捆绑８个物理信道，提供速率为１１５．２ｋｂｉｔ／ｓ的移动数据业务。但实际运营中运营商为保证话音用户的使用，一般只允许一个ＧＰＲＳ用户同时捆绑３个物理信道，最高数据速率只能达到４３．２ｋｂｉｔ／ｓ。而且在热点地区，运营商会采用话音业务优先的方式。在ＧＳＭ系统上实现的ＧＰＲＳ系统的网络结构见图２。　　图２中，基站子系统（ＢＳＳ）即ＧＳＭ移动接入网络；ＧＰＲＳ业务支持节点（ＳＧＳＮ）完成接入控制功能，并对用户提供认证和鉴权服务；ＧＰＲＳ网关支持节点（ＧＧＳＮ）提供与分组数据网ＰＤＮ的接口。ＳＧＳＮ，ＧＧＳＮ和ＨＬＲ组成了ＧＰＲＳ网络的交换系统，承担用户的移动性和路由管理。３．ＭｏｂｉｌｅＩＰ　　ＩＰ协议并不能有效支持跨子网的主机移动，这是因为ＩＰ地址与特定网段相关联，终端的移动破坏了这种关联使得通信无法正常进行。制定ＭｏｂｉｌｅＩＰ协议的主要目的是提供一种允许把ＩＰ数据报透明地发送到移动节点的机制，它由ＩＥＴＦ的ＲＦＣ２００２所定义。与特定主机路由技术和数据链路层方案不同，ＭｏｂｉｌｅＩＰ还解决了安全性和可靠性问题，并与传输媒介无关。ＭｏｂｉｌｅＩＰ的可扩展性使其可以在多个异构网络间应用。　　为实现以上的目标，ＭｏｂｉｌｅＩＰ引入了新的网络实体：　　·移动节点ＭｏｂｉｌｅＮｏｄｅ　：其接入点从一个网络或子网变化到另一个网络或子网的主机；　　·归属代理（ＨＡ：ＨｏｍｅＡｇｅｎｔ）：位于移动节点家乡网络上的一个路由器，该路由器在移动节点不在家乡时为数据报创建隧道以把数据报传送到移动节点，并负责维护移动节点当前位置信息；　　·外部代理（ＦＡ：ＦｏｒｅｉｇｎＡｇｅｎｔ）：位于被移动节点访问网络上的一个路由器，该路由器为注册移动节点提供路由服务。　　当移动节点离开自己所属的ＩＰ子网段之后，它就必须将自己目前所在的ＩＰ子网为其提供的隧道服务的转交地址（ｃａｒｅ－ｏｆａｄｄｒｅｓｓ）进行注册登记。这个转交地址如果是ＦＡ分配给移动节点的地址，就称为联合转交地址；如果是ＦＡ的地址，则称为外部代理转交地址。当ＨＡ知道移动节点当前的转交地址后，即可以隧道的方式将ＨＡ收到的数据包转发给转交地址，在转交地址处，原始数据包从隧道中被取出并传送到移动节点。当移动节点发出数据包时，如果使用三角路由（ＴｒｉａｎｇｌｅＲｏｕｔｉｎｇ）方式，ＦＡ就提供路由功能，数据包直接发送给目的节点，源地址是ＨＡ的ＩＰ地址；如果使用反向隧道（ＲｅｖｅｒｓｅＴｕｎｎｅｌ）方式，则数据包仍以隧道方式发送给ＨＡ，再由ＨＡ对外转发。　　ＭｏｂｉｌｅＩＰ的认证与鉴权由注册（Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）消息支持，注册消息又包括注册请求与注册应答。在ＭｏｂｉｌｅＩＰ的整体结构中，只定义了用于认证的消息的基础格式和扩充的基本功能要求，但是并没有定义认证与鉴权的处理方式与架构。因此，每一个ＭｏｂｉｌｅＩＰ产品都可以有自己的认证与鉴权方式。对于移动运营商，可以在此基础上采用远程拨号用户协议（ＲＡＤＩＵＳ）提供认证与鉴权服务。在ＭｏｂｉｌｅＩＰ协议中，并没有针对有关计费信息处理的设计，但是从ＨＡ和ＦＡ均可以收集到关于隧道使用流量、使用时间、漫游经过的ＩＰ子网等信息，可以把这些信息经过一定的处理之后以ＲＡＤＩＵＳＡｃｃｏｕｎｔｉｎｇ消息报告给远程拨号用户服务器。基于ＭｏｂｉｌｅＩＰ的ＷＬＡＮ／ＧＰＲＳ融合网络　　ＧＰＲＳ和ＷＬＡＮ的优点与缺点具有很大的互补性。目前，ＧＰＲＳ和ＷＬＡＮ的技术都已经成熟。如果能开发出使两者兼容的设备，充分发挥ＧＰＲＳ具有的网络广覆盖性和成熟的运营经验、能够真正支持用户移动与漫游、拥有可靠的安全机制和计费模式等优势，同时发挥ＷＬＡＮ具有的相对较高的接入速率、快速灵活的接入方式以及低廉的组网成本等优点，那么，运营商将可以通过该项技术有效地抓住对数据业务需求较高的高端用户，同时迅速扩大移动数据业务的市场。　　由于相对于ＷＬＡＮ网络来说，运营商的ＧＰＲＳ网络是一个更为复杂而成熟的公共移动通信网。因此，本文提出的方案基于尽量不对ＧＰＲＳ网络做任何修改的基本思想，主要通过对ＷＬＡＮ网络结构的调整来实现两者的融合。网络结构见图３。　　当移动节点即用户漫游到ＧＰＲＳ网络时，ＧＰＲＳ系统会为每个移动节点分配一个动态指定ＩＰ地址，这个地址在移动节点使用ＧＰＲＳ期间是确定不变的，因此ＨＡ正好可以将这个由ＧＰＲＳ指定的ＩＰ地址当作其联合转交地址。而这些地址，通常都是私有ＩＰ地址，并不会受到ＩＰ地址不足的影响。此时移动节点即可以采取联合转交地址方式来进行ＭｏｂｉｌｅＩＰ协议的通信，移动节点作为隧道的终点直接与ＨＡ交换数据，并不需要额外增加外部代理设备，因而消除了对ＧＰＲＳ现网在结构上进行改动的风险。　　在ＷＬＡＮ的组网方式中，常用的是采用认证点位于ＡＰ的方案，此时ＡＣ只提供数据透传和动态ＩＰ地址分配功能，而且一个ＡＣ加若干个ＡＰ一般可提供对一个热点地区的覆盖。因此，更换ＡＣ设备或仅对其进行软件的升级即能具有提供外部代理的功能，从而完成在移动节点和ＨＡ之间基于ＭｏｂｉｌｅＩＰ协议的通信。由于在不同的热点地区，移动节点被分配的ＩＰ地址可以属于不同的子网段，所以此时ＭｏｂｉｌｅＩＰ的转交地址采用的是外部代理转交地址方式，即以ＦＡ的地址作为转交地址。ＦＡ与移动节点之间是以链路层的方式直接传递ＩＰ数据包。当然，如果热点地区的规模较大，那么可以设置多个外部代理完成组网。　　ＨＡ记录移动节点当前的转交地址，将发送给移动节点的ＩＰ包以隧道的方式转发给移动节点。ＨＡ的设置主要为移动节点提供基于ＭｏｂｉｌｅＩＰ漫游时的数据隧道服务，在业务上给移动节点提供漫游服务，对于漫游用户而言是否真的回到家乡网络并不重要。因此，ＨＡ并不适合随意设置于任何与特定漫游用户有关的地点，最好的地点应该是距离漫游用户都最有效率的地方，一般可选择省、市的中心机房。方案主要工作流程１．移动节点接入／附着　　ＭｏｂｉｌｅＩＰ是一个建立在ＩＰ层之上的另一层协议，其使用前提假设底层的ＩＰ层与链路层已经可以使用。因此在接入流程的描述中，主要针对ＭｏｂｉｌｅＩＰ层的接入处理。相对于仅在热点地区提供服务的ＷＬＡＮ，ＧＰＲＳ的服务对用户来说几乎随处可得，所以接入流程的设计思想就是首先接入ＧＰＲＳ网络，然后再寻找能提供更高业务能力的ＷＬＡＮ网络。主要步骤如下： ① 移动节点进行ＧＰＲＳ附着； ②移动节点向ＨＡ请求鉴权和认证，ＨＡ根据当前用户的状态和用户签约信息来决定是否为其提供ＭｏｂｉｌｅＩＰ服务； ③如用户通过认证，则将ＧＰＲＳ网络分配的ＩＰ地址报告给ＨＡ，作为联合转交地址，此时ＨＡ即可为用户提供ＧＰＲＳ上的隧道服务； ④移动节点寻找可接入的ＷＬＡＮ网络，如没有则继续使用ＧＰＲＳ网络； ⑤如找到可用的ＷＬＡＮ网络则申请接入； ⑥接入ＷＬＡＮ网络后，利用ＭｏｂｉｌｅＩＰ扩展的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ控制信息协议（ＩＣＭＰ）中的ＩＣＭＰ代理广告（ＩＣＭＰＡｇｅｎｔＡｄｖｅｒｔｉｓｅｍｅｎｔ），查询当前可用的ＦＡ，如没有则继续使用ＧＰＲＳ网络； ⑦如存在可用的ＦＡ，用户则向ＦＡ请求鉴权和认证，申请使用ＭｏｂｉｌｅＩＰ服务； ⑧如用户通过认证，则ＦＡ通知ＨＡ，当前用户可以使用ＷＬＡＮ上的隧道服务，此时ＧＰＲＳ所提供ＩＰ层转为备用状态。在以上所涉及的认证中，ＨＡ或ＦＡ只是为用户提供认证消息的接口，真正的认证处理均由运营商的ＲＡＤＩＵＳ服务器完成。２．ＷＬＡＮ到ＧＰＲＳ的漫游　　使用的过程中，一旦ＷＬＡＮ的服务停止，移动节点会马上使用已经处于备用状态的由ＧＰＲＳ所提供的ＩＰ层服务，此时移动节点使用ＧＰＲＳ分配的ＩＰ地址作为联合转交地址，并以ＭｏｂｉｌｅＩＰ的注册消息通知ＨＡ。此时的注册消息并不中断原有的隧道服务，而是向ＨＡ通知移动节点最新的位置，让ＨＡ可以迅速地把隧道的终点位置改换成目前在ＧＰＲＳ上面的联合转交地址。３．ＧＰＲＳ到ＷＬＡＮ的漫游　　如果ＷＬＡＮ又恢复服务，移动节点就同样会再回到ＷＬＡＮ。如果是回到原先接入的ＷＬＡＮ网络，则发送注册消息，通知ＨＡ立刻再度更新隧道终点为ＷＬＡＮ所提供的外部代理转交地址。如果到达新的ＷＬＡＮ网络或是第一次接入ＷＬＡＮ网络，则还需进行接入认证。４．ＷＬＡＮ网络可用性判断　　ＷＬＡＮ网络是否可用的判断由移动节点上的用户端软件完成，物理上的实现是由ＧＰＲＳ／ＷＬＡＮ双模网卡支持的，判断主要依据于ＦＡ是否提供服务，而不是链路层的状态。ＭｏｂｉｌｅＩＰ协议中，ＦＡ必须以ＩＣＭＰ的方式定期地广播ＡｇｅｎｔＡｄｖｅｒｔｉｓｅｍｅｎｔ消息，标准时间为１／３ｓ，而ＭｏｂｉｌｅＩＰ协议中规定，移动网点漫游切换的每秒频率不得超过一次，依据ＦＡ已经停止服务或是发现新的ＦＡ提供服务。５．计费　　从ＭｏｂｉｌｅＩＰ结构来看，能够搜集到的计费信息包括用户开始与结束漫游服务的时间、漫游过程子网记录、漫游过程中ＨＡ和ＦＡ所提供的隧道流量等重要信息。通过这些信息，可以进行对客户端的计时或者计流量的收费，同时也可以知道在用户于子网漫游的过程中，每一个子网的使用时间以及流量。ＭｏｂｉｌｅＩＰ架构协议中，并没有针对有关计费信息处理的模型设计，ＨＡ和ＦＡ的设备制造商必须根据运营商对计费消息的定义，基于以上信息提供ＲＡＤＩＵＳ计费消息上报的功能。最终在ＲＡＤＩＵＳ服务器将所有的计费信息合并，用户将会得到一张统一的话单。结语　　以上提出了一种基于ＭｏｂｉｌｅＩＰ的支持ＧＰＲＳ／ＷＬＡＮ网络无缝漫游的融合方案，它利用了ＧＰＲＳ网络和ＷＬＡＮ网络在技术上的互补性，在现有移动网络上附加较少的设备即可快速提供支持无缝漫游的数据业务。与原来单一的ＧＰＲＳ或ＷＬＡＮ网络相比，基于ＭｏｂｉｌｅＩＰ的ＧＰＲＳ／ＷＬＡＮ网络具有以下优点： ·可以同时利用ＧＰＲＳ具有的广域覆盖优势，以及ＷＬＡＮ提供的在热点地区的可与有线接入相比的高速接入优点； ·不需用户干预的无缝漫游； ·降低为用户提供数据业务的成本； ·缓解ＧＰＲＳ业务与话音业务争抢信道资源的情况，特别是在热点地区，可以显著改善运营商的话音／数据业务的服务质量。 ·能支持各种计费策略，有助于运营商针对细分市场提供差异化服务。　　当然，ＭｏｂｉｌｅＩＰ由于是在原有的ＩＰ层之上附加的一层协议，因此会对效率和吞吐量产生一定影响，但总体来说，基于ＭｏｂｉｌｅＩＰ的ＷＬＡＮ／ＧＰＲＳ融合网络仍是一种基于现有移动网络的更好、更有效、更可行的提供数据业务解决方案。摘自　世界电信

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