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網際網路的行動性問題及解決方案

上網時間: 2004年05月30日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:無線網路  ISP  傳輸控制協議  TCP  AOL 

隨著人們生活的行動性以及對網際網路依賴程度的增加,網際網路的行動性需求越來越大。然而目前的IPv4並不支援行動應用,如何基於現有網際網路實現行動性具有很大的挑戰。本文從行動性問題的引出,到從應用層、網路層以及鏈路層行動性的實現方案詳細分析了目前網際網路行動性問題及解決方案。

無線網路在過去十年中主要用於提供語音服務,這些網路實現了電話的行動應用,行動用戶數量在今後的1-2年內將可望超過有線電話用戶。在90年代,與無線蜂巢式網路和行動用戶同時快速成長的網路是網際網路。網際網路服務供應商(ISP)和用戶快速成長,網際網路提供服務的類型和應用也有奇蹟般地成長。然而,與無線網路相較,網際網路主要支援數據應用和服務,且不具有行動性。而第二代無線網路也支援數據服務,但相較於語音應用只佔很小的比例。

隨著人們在任何時間、任何地點獲取資訊的需求增加,人們期望網際網路能支援行動應用。然而,網際網路協定(IP)自身並不支援行動性,因此當設備在相同或不同網路之間行動時就產生了保持通話和應用連續性的問題。目前已經出現了許多基於標準或專利方案來解決這個問題的方法,這些方法都有其優缺點。

行動性問題的產生圖1:解決IP會話和應用連續性的幾種方案。

支援基於IP應用的行動性有何困難?歸根結底,IP是一個基於封包的協議並且是無連接的,不像基於連接的電路交換網路。工作於網路層的IP是一個無連接的協議,這表示它可以透過重新路由封包來迴避在中間網路中的故障。然而,大多數應用的傳輸層是使用傳輸控制協議(TCP),而該協議是基於連接的。當然,在傳輸層也有通用數據報協議和流控制傳輸協定,前者是一種無連接協議,而後者是一種基於連接的協議。然而,TCP在過去和將來都是網際網路傳輸層的主要協議。

一個會話或應用的兩個端點使用IP地址和每一個端點的TCP埠號作為一個元組(tuple),並形成一個連接。這些標識符的任何改變都會斷開連接和打斷會話的連續性。當像筆記型電腦、PDA或行動電話這樣的行動節點從一個連接點(有線或無線)到另一個連接點時,網路可以為節點指定一個新的IP地址,這種IP地址的改變通常會打斷正進行的會話。在無線網路中,節點可能會在不同接取點之間頻繁轉換。因此,需要IP的行動性來支援無縫會話連續性,即使節點地址(相連接的一個或兩個元組,取決於兩個端點都是行動的還是一個靜止)本身的改變。

無縫行動性

目前的網際網路具有一定程度的行動性,使用像AOLEarthlink這類主要ISP服務的用戶能從一個城市到另一個城市,每一個地方都能提供同樣的服務。這通常稱為‘流動性’,在這種情況下用戶在連接新的連接點時必需關閉一個應用或一個會話,並重新啟動。對於很多網際網路用戶來講,這種行動性已經足夠了,但無線數據網路為增強行動體驗帶來了發展潛力。

即使在行動設備改變它的連接點或介面類型時仍能保持會話的連續性,這就實現了無縫行動。一個行動節點的行動可以來自一個固定的乙太網路802.3連接,或連接到IEEE 802.11無線LAN(WLAN)介面,甚至連接到像GPRS/W-CDMA/cdma2000這樣的廣域蜂巢式介面。常用到的無縫連接的一個很好的例子就是在蜂巢式網路,在該網路中速度達75mph的汽車中還可以支援語音通訊。

多種行動解決方案

目前有各種各樣解決無縫行動問題的方案,可按這些方案在開放系統互連模型中所屬的層來進行分類(圖1)。實現的方法可以不同,但最終結果通常是相同的,即保證應用或會話的無縫連續性。這些解決方案可以在鏈路層、網路層或應用層中實現。

應用層:應用層行動性本質上是將管理會話和IP層改變的任務轉交到應用層協議上。例如文件傳輸協定(FTP)一般是用於下載文件、音樂或視訊,需要進行加強以支援行動性。如果FTP擴展了,會對其它應用產生什麼影響呢?實際上,其它應用的行動性問題依然存在。因此,行動性必需添加到簡單管理傳輸協定、網際網路消息存取協議、會話啟動協議、超文本傳輸協定和每個用到的應用層協議中去。然而這樣的方法並不可取,因為這樣的解決辦法產生的影響太大,而且還存在向後相容問題。為解決這個問題,可以尋求開發一個位於應用層和傳輸層之間的中間體,用來執行行動性任務。

網路層:行動IP在網路層中解決行動性問題。網路層行動性將IP地址和網路連接的改變對上層隱藏起來,而每個應用並不知道行動性的增強。它也提供行動性給所有的應用,而不是分別處理每個應用。行動IP計畫源於網際網路工程任務組(IETF)所作的工作,它定義網際網路協定和標準,是目前開發和應用最多的模型。

鏈路層:鏈路層的驅動程式可以用來處理IP行動性。另一個考慮鏈路層行動性的方法是用接取技術來處理所有行動問題,而IP/網路層並不知道連接點的變化。目前的GPRS和UMTS網路就提供採用接取技術的IP行動性解決方案,當行動設備在GPRS/UMTS網路範圍內時就可以使用這樣一個模型。IEEE 802.11無線區域網路也提供鏈路層的行動性,當設備跨越同一分配系統中802.11接取點時,能夠保持會話不被打斷。跨越不同接取介質的鏈路無縫行動的解決方案非常複雜,所以通常考慮用較容易的方案來替代網路層方案。

行動IP:IETF路由

IETF的‘無線/行動主設備IP路由’工作組開發的方案是一個網路層方案,一般稱之為行動IP。此方法將節點的IP地址改變對上層隱藏,因而無縫的保持了會話的連續性。圖2:3GPP已定義的封包數據網路組成結構。

行動IP使用一個原地地址(home address)和一個轉交(care-of)地址。原地地址是由它最初所屬網路分配的行動節點IP地址。這是通訊節點用來達到一個行動節點的地址,也是在兩個節點連接中形成元組部份的地址。轉交地址是當設備行動到其原網路之外時,由接取點分配的地址。原地代理(home agent)是一個駐留在子網中的一個路由器,它將封包發送到(或發回)行動節點的目前接取點。由於會話的端點使用了不會改變的原地地址,因此即使轉交地址改變了,會話的連續性還是能保持。用於IPv4和IPv6的行動IP有一些不同之處,下面進行一些簡單介紹。

用於IPv4的行動IP

在RFC3344中規定了用於IPv4的行動IP,支援IPv4的行動IP是在IPv4之後設計並應用的。由於已安裝的IPv4節點數量龐大,所以Mobile IPv4的實施受到限制。用於IPv4的行動IP不是IP堆疊的固有部份,而是一個附加的並建構在需要它的節點中。因此,支援IPv4行動性的網路並不普遍。Mobile IPv4使用一個原地代理和一個外地代理(foreign agent)這樣的基本概念,但由於IPv4的地址空間有限,許多節點分享一個轉交地址,這個轉交地址由外地代理發佈廣告。正如其名稱所表述的一樣,原地代理是一個在原地行動子網中的路由器,而外地代理駐留於行動設備所存取的鏈路中。在大多數場合下,轉交地址由外地代理指定。有時行動節點也會得到一個用於其介面的轉交地址,稱之為共定位轉交地址,但這並不是一個通用模型。

行動節點向它的原地代理登記轉交地址,此後原地代理將所有發送給該行動節點的封包透過IP-in-IP隧道轉發到轉交地址處。透過隧道發送的封包將去掉外部份組頭,而將內部的封包傳送到行動節點。因為應用/會話使用原地地址,會話的連續性得到保持。當行動節點運動時,它將獲得一個新的轉交地址,並向它的原地代理再次登記,以告知其新的轉交地址,隧道的端點就改變為新的轉交地址。

用於Ipv6的行動IP

用於Ipv6的行動IP是一項仍在進行中的工作。然而,IPv6將支援行動特性作為其整體的一部份來考慮並設計,而不是在Ipv6完成後再考慮,這相較於IPv4已經具有一些先天優勢。從頭開始設計主要優點是使封包路由最佳化,這表示行動設備和通訊節點相互之間的通訊沒有原地代理的支援,因此會話端點之間封包的路由是最佳化的。因為行動支援是IPv6的標準特性,每個IPv6節點將都能支援IP行動性,所以只有當IPv6網路已廣泛鋪設並開始替代目前IPv4網際網路時,才能實現真正的IP行動性。Mobile IPv6相較於Mobile IPv4的變化有以下兩點:


1. 它沒有外地代理的概念。


2. 對於隧道端點至關重要的轉交地址在行動節點上。

但是,原地代理的概念依然存在,行動節點透過一個固定的更新消息來向原地代理指示它的目前接取點/轉交地址。

跨區轉接延遲減少

當行動節點運動並連接到一個新的子網,獲得一個新的轉交地址時會產生等待時間,IETF最近正做工作來最佳化這個等待時間。跨區轉接技術減少了延遲,保正了會話,特別是即時會話的品質,而不會受到網路接取和介面IP地址改變所影響。這種無縫行動性的增強使它有可能支援音/視訊流以及VoIP應用。

3GPP/3GPP2方法圖3:cdma2000網路結構的封包數據網路組成單元。

2G蜂巢式網路向3G的演變得到了3GPP和3GPP2兩個組織的推進,他們分別定義了UMTS和cdma2000網路架構。3G網路除了支援語音服務外,還支援高速封包數據服務。這些網路結構已定義了一個能以各種方法支援IP行動性的封包-數據接取網路。

3GPP已定義了一個封包數據網路,該網路由網路閘道GPRS支援節點(GGSN)和服務GPRS支援節點(SGSN)組成。一個GPRS隧道協議(GTP)可用來支援IP行動性(見圖2)。在圖2中,包含GSN的封包核心網透過一個稱為Iu封包交換(IuPS)的介面連接到無線網路上,SGSN透過IuPS介面連到無線網路控制器上。一個支援IP的行動站連接到UMTS網路上,因而設立起一個封包數據協議(PDP)環境。

這一過程使行動設備被指定一個IP地址,並被固定在GGSN上。從ISP模型的角度看來,GGSN可以被看成是網路接取伺服器。只要行動設備是在由RNC控制的基地台之間,或節點Bs(在UMTS結構中有定義)之間運動,無線網路就能管理行動性,而跨越RNC的行動性由RNC和SGSN來管理。有兩個GTP隧道用來載運IP數據報到行動設備,或從行動設備發出。其中一個在GGSN和SGSN之間,另一個GTP隧道存在於SGSN和RNC之間。改變RNC會使從SGSN到RNC的隧道重新定向到新的RNC。當SGSN有變化時,GGSN和SGSN之間的GTP隧道將從老的SGSN行動到新的SGSN。指向行動設備的IP數據報路由至GGSN,然後經GTP隧道發送至RNC。RNC傳遞IP數據報完整於Iub介面上的節點B,而節點B透過無線介面轉發到行動設備。

由於應用和會話使用在PDP環境設立時指定的IP地址,並且從IP角度來看行動設備仍固定在GGSN上,這樣就實現了IP應用的會話行動性。行動設備的IP地址不會變化,即使它行動跨過節點B、RNC和SGSN。這樣就保持了會話連續性。

3GPP2行動模型

由3GPP2定義的cdma2000網路結構同樣也具有封包數據網路,但這裡的封包數據網路是由封包數據服務結點(PDSN)、行動IP原地代理和外地代理,以及基於半徑的認證、授權和計費(AAA)單元組成,如圖3所示。

3GPP2網路對IP行動性的支援是基於Mobile IPv4的。PDSN支援外地代理,行動設備透過點對點協議連接到PDSN上,並從外地代理處得到一個轉交地址。行動設備被分配一個原地代理所屬原地子網的原地地址。

如前面所述,網際網路透過Mobile IPv4獲得行動性,PDSN透過A10/A11介面與無線網路相連,無線網路中的行動性由基地台控制器(等同於RNC)來進行管理。當由於行動設備運動到一個不同PDSN時,行動設備將連接到一個不同的無線網路,它就獲得一個新的轉交地址,並在它的原地代理處進行記錄,就像Mobile IPv4一樣。隧道端點從以前的轉交地址改變,保持了通話的行動性。

作者:Basavaraj Patil


高級系統工程師


Email: Basavaraj.Patil@nokia.com


Nokia Networks公司




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