（计算机应用技术专业论文）wlan和umts漫游切换机制的研究和仿真实现.pdf

w l a n 和u m t s 漫游切换机制的研究和仿真实现 摘要 随着互联网技术的不断进步，h n e m e t 已经成为人们日常生活不 可缺少的部分。同时由于移动技术的迅猛发展，手机、掌上电脑、 笔记本电脑等便携式或移动设备大量应用，越来越多的人希望通过 移动方式接入互联网，越来越多的人迫切需要在运动中随时随地完 成接入，这使得i n t e m c t 移动接入成为当前i n t 锄e t 技术研究的热点 之一。 移动i p 作为在3 g 标准i m - t 2 0 0 0 中明确规定必须支持的技术， 主要设计目标是移动节点在改变网络接入点时，不必改变d 地址， 能够在移动过程中保持通信的连续性。本文以移动i p 技术为理论基 础，研究适用于实际的合理的融合模式，根据网络的演进趋势，设 计核心网结构，选取相应的接入技术构成完整的网络体系，并且在 通过仿真验证系统性能的同时逐步实现结构的完善。 本文以基于分层机制的m 心压m ( 分层网络的移动性管理) 平台为 载体，将w c d m a 和w l a n 两种接入技术集成到仿真平台，采用 e t s i 松耦合结构完成两种接入技术的融合互通，并且建立了完整的 信令体系和工作机制；为了体现实用性，针对分层和非分层的结构 分别进行了理论建模和仿真实验，深入细致地分析了切换性能。 关键词：m i p 、删、w l a n 、u m t s 、切换 r e s e a r c h a n ds i m i p 汀i o n0 n t h er o a m i n g a n dh a n d o v e rm e c h a n i s m s0 f l a na n du m t s a b s 。l 。l t a c 。l 。 w i t ht b eu n c e a s i n 酉yd e v e l o p m e n to fi n t 锄e tt c c h l l 0 1 0 9 i e s ，i n t c m e t h a da l r e a d yb e c o m ea ne s s 即t i a lp a no f p e o p l e sd a i l yl i f e a tt h es 锄e t i m e ，w i t ht h er a p i dd e v d o p m c n to fm o b i l i t yt e c h n o l o g i e s ，a sw d la st l l e l a r g ea m o u n t 印p l i 训o no fm o b i l ep h o n e s ，h a n d h o l dc o m p u t e r sa l l d l a p i t o p s ，m o r e 蛆dm o r ep e o p l e 、u l dl m et oc o m l e c t t oi n t e m e tt l l l o u 曲 m o b i l en c t ，a n dc o n n e c tt oi n t e m e ta ta n ym o m e n ta r l da n ”h e r e ，s ot h e m o b i l ea c c e s st e c l l n o l o g yb e c o m eo n eh o tr e s e a r c hp o i mo fi m e m e t t e c h n o l o g i e s m i p ，w h i c hi ss u p p o r t e db yi m t 2 0 0 0 ，m em a i nt a r g e ti s 胁t ，w h e n 也em o b i l ee q u i p m e n tc h a i l g e si t sa c c e s sp o i n t ，i td o e s n th a v et o c h a n g ei t si pa d d r e s sb u ts t i l lc a i lk e e pc o l n i n u n i c a t i o n st h r o u 曲i m e m e t 1 1 1 i s p a p e rb a s e d o nm em o b i l ei p t e c h n 0 1 0 9 弘 r e s 黜ho nt h c i m e g r a t i o nm o d em a ti sa p p l i c a b l e a n dr e a s o n a b l e ，c o n s i d e r e dm e n e 艄，o r ke v 0 1 u t i o n 协。n d d e s i g n e dt h ec o r en e ta r c h i t e c t u r e ，s e l e c t e d a c c e s sn e t w o f kt of o mt h ew 1 1 0 1 en e t w o f ka r c h i t e c t l l r e ia l s ov a l i d a t e t h es y s t e mp e r f 0 珊a 1 1 c e sm r o u 曲s i n m l a t i o n t h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti s d e s i g n e d b a s e do nh n m m ( h i e m c h i c a ln e 时o r km o b i l i t ) rm a n a g e m e n t ) ，i n t e g r a t ew l a na n d u m t si n t oo n es i m u l a t i o np l a t f o mb a s e do nm 刀p t h ei m e r w o r k n g s 协l c t l l r ea d o p t se t s il o o s ec o u p l e 蛐m c t l i r e ，s e tu ps i g n a l i n gs ) r s t e ma n d w o r k j n gm e c h n i s m t os h o wm ep r a c 吐c a b i l i 魄im a d et w op l a t f o m l ，o n e i i l b 就e r o g e o u sa n do n es i m p l e t h et w op l a 毫f o ma r ed 懿i g 虢da n d c a r e m l l yt c s t e di nm e s i m u l a t i o n 翩丽n m e n t k e yw o r d s ：m i p ，h l 心似，w l a n ，u m t s ，h 柚d o v e f 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名： 王新蹲 本人承担一切相关责任。 日期：励7 j 、土 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 2 优彳，3 ，土 日期：m 7 。哆r 碑 新 王 第一章绪论 网络无所不在是很多人的梦想，比如在家里、在办公室、在路上，用p c 、 电话、手机、d a 等不同的终端都能方便快捷地接入网络，通过共同的用户接 口一次登陆就可享受语音、数据、视频等丰富的多媒体融合业务。 可以看出，不论新的接入方式和终端、业务和网络多么层出不穷，用户都 希望简单、易于处理的通信方式，这就是未来通信的发展趋势“网络融 合”。 网络融合是大势所趋：各种无线技术与移动通信网要融合，固网与移动网 要融合，互联网与移动网也要融合无论是哪种融合，移动通信网络都是唱 主角的。 1 1w l a n 和洲t s 网络融合的意义和全i p 思想 世界范围内w u 蝌s ( 啪r e l 鹤sl o c a la an 咖唧_ k s ) 在最近的演化和成功展 开产生了要把它们与3 g 移动网络，如g s m g p r s ，u m r s ，c d m a 2 0 0 0 ，等 融合在一起的需求。这种融合的主要目的是发展出在热点地区能以非常高数据 速率支持普遍存在的数据业务的不同种类的移动数据网络。 w l a n 与3 g 融合的另一原因还有原来基于其之上的通信终端需要更多地 获得和分享当今移动通信技术发展所带来的好处。也就是说，除了w l a n 移动 台( m s ，m o b i l es t a t i o n ) 外，还有w l n 手机想和3 g 手机一样。w l a n 手机具 有可行动、易配黄及部署成本相对较低的特点。今天，w l a n 手机主要部署在 一些垂直细分市场，如医院、大型商场及校园等。w ia n 手机( 又称w i f i 手机) 市场发展前景还是很看好的。据h 卜s t a tm d r 预计，全球w i f i 手机的出货量将 从2 0 0 3 年的6 万部成长到2 0 0 7 年的3 5 0 万部，到2 0 0 8 年将达5 5 0 万部。 w l a n 技术开发融合至蜂窝数据网中并解决w l a n 网与蜂窝数据网之间 的互操作己成为无线数据环境中一个关键课题。 1 1 1l i l 州和哪t s 融合的优点 i m t s 的特点是覆盖面积较大，支持用户的全球漫游和快速移动。u m t s 在无线技术上采用了c d m a 技术，提高了无线接口的传输速率，但是其理论上 最高传输速率也只能达到2 m b i 怕，由于部署的成本非常高，提供用户理论上的 数据速率是不现实的。 第l 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 表1 1 ：i m r r s 和w l a n 特点的简单比较 u m t sw l a n 覆盖范围移动性支持广域高速 局域低速或静止 连接方式 点对点 点对多点 使用频段许可频段公共i s m 频段 组网成本昂贵且复杂便宜且容易 5 4 m b i 魄( 正e e8 0 2 1 l a ) 最高平均数据速率 2 m b i t ，s3 8 4 k b i t ，s 3 5 m b i t “e e8 0 2 1 1 b ) 接入技术w c d m at d m a 、c d m a 、0 f d m h l t 锄m 业务 业务支持语音和窄带数据 ( h r r p 胛p s m l l p 眦c t ) 表1 1 是u m t s 和w l a n 特点的简单比较。从表中可以看出w l a n 为代 表的短距离无线技术，可以达到很高的传输速度( 8 0 2 1 l b 可以达到1 1 m b i 以) 。 w l a n 还具有组网方式灵活、使用开放频段以及网络设备价格低廉等优点，使 得它越来越受移动运营商的青睐。但w l a n 的缺点是覆盖面积比较小，缺乏漫 游和移动性支持，所以一般只能在人口密集的热点地区使用。由此看出，这两 种无线技术具有很强的互补性。将w ia n 作为u m r s 的补充对于运营商提供 多层次的移动业务来说是一个很好的捷径，u m t s 和、7 l r ia n 的融合可以实现两 种无线接入技术的优势互补。 1 1 2 基于全i p 的融合 图1 1 ：全移动网络结构示意图 异构接入网络，在协议栈的各个层次都存在网络间差异，网络融合必须在 各个层次解决网络差异性问题。m 层移动性管理可以屏蔽物理层和链路层差异， 第2 页 a e 塞墅皇盔兰堡主塑塑笙兰丝丝塞蔓= 童缝堡 在口层提供统一的移动性管理手段。在多种接入网共存的环境下，通过统一的 口承载协议，完成各种接入网间的信息共享，无线资源协商，终端漫游的联合 管理，从而使用户享受异网环境下的高速率，高q 0 s 和高稳定性的服务。 由于m 业务和其相关的标准、技术和基础设施等等已经相当成熟而且非常 普及，所以融合的移动通信网络将以口作为统一的接口标准和连接手段，即成 为全球移动通信网( 如图1 1 ) 。 1 2 课题内容与论文工作 本论文课题是和中国移动研究院的合作项目“移动m 建模及性能研究” 的内容之一，目的是实现w l a n 和u m t s 融合的网络结构和仿真平台。 1 ，2 1 论文背景 平台的基础是n e t g o 项目前期已经在n s 仿真平台上实现以w l a n ( 8 0 2 1 1 b ) 分层结构网络为例的移动性管理框架h n m m ( h i e r a r c l l i c a l n e 帆o r km o b i l 蚵m 锄a g c f n e m ) 。我们的工作就是集中于u m t s 网络模块的引进 和完善，以及w l a n 和ir h 仃s 模块的基于移动m 的融合。 1 2 2 课题内容 本课题主要内容是进行w l a n 和i ，m t s 网络融合的研究。研究内容有如 下几点：u m t s 网络基于m i p v 6 的完善方案、w l a n 和ir m ，r s 的异构网间融 合和切换。重点研究异构网络的基于m 口的融合方案和仿真机制。 论文有如下成果： 1 论文针对异构网问移动性特性，提出了相应的融合管理机制，设计异构 网络的整体结构，并且设计实现了以统一的移动m v 6 做为承载的u m t s 的仿 真平台，针对该仿真平台定制了相应的信令流程并实现了网络结构中对应的逻 辑实体及其功能，同时针对移动i p v 6 原有的工作机制进行了一定的改善。 2 论文设计实现了n s 上基于移动口v 6 的w l a n 与i m 仃s 异种网络互通 的环境并研究与实验，针对该仿真平台定制了相应的信令流程并实现了网络结 构中对应的逻辑实体及其功能，实现了分层的结构，包括域内和域问的切换， 实验并比较了分层与不分层结构的性能，证明分层结构对于性能的明显提高。 第3 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 3 研究方法与工具 研究中，我的主要方法是：分析问题、提出方法、编写程序、仿真验证。 仿真采取的是n s 工具，下面将对具体内容做介绍。 1 3 1 研究方法 论文工作采用如下研究思路：分析特征，发现问题，寻找解决方案，通过 实验对比来检验效果。 首先，引入w l a n 和u m t s 网络互通的环境进行仿真实现。 然后，通过在该环境上进行仿真实验，将分层情况与不分层情况进行对比 来检验效果。 1 3 2 研究工具 研究中常用的网络级仿真软件有n s ，o p n e t ，m 棚a b 以及c o s s a p 等。 经过比较，基于以下几个特点，本论文工作采用n s 仿真工具： n s 是一款免费的工具，易于获得，不会涉及到版权问题，而且便于论文工 作成果的发布。 n s 的源代码全部公开，提供开放的用户接口，可以根据需要自己添加相应 的协议和处理模块代码，为研究提供了很大的自由度。 n s 采用c + + 语言书写内核，c + + 和面向对象伽d 语言相结合的方式来编 写外部模块，较好地平衡了运行性能与用户易用性。 n s 具有强大的网络仿真性能，其协议库很丰富，能够广泛支持各种网络协 议和业务，经过修改能够模拟异种网络互通的场景。 n s 2 是由位于美国加州的l n b “l a w 咖c cb e f l ( c l e y n a t i a li 曲o r a 呻) 网 络研究组于1 9 8 9 年开始研究开发的，是一种可扩展的、易配置的和可编程的 事件驱动网络仿真引擎( s i l l l u l a t i 吼g i n c ) 。通过对所研究的目标网络进行抽象， 找出其拓扑模型，并利用a r c l 语言及其类库对网络进行描述，链接编译后就 成为虚拟的仿真网络。通过设置脚本模拟业务情况、用户行为等来对该仿真网 络加以激励，可以观察到相应情况下网络响应行为，最终得到仿真结果。 论文工作中采用的源代码版本是n s 2 1 b 9 a ( 璐2 a 1 1 i n o n e 2 1 b 9 a g t 旺孕，可 以在n s 2 官方站点h t i p ：f n w ri s i 。d l l n 跚砌厂f 载) ，运行在ij 枷r 硝h d 7 3 操作系统之上。采用的w i a n 网络模块来自本项目组的h n m m 代码。 第4 页 a e 重坚皇盔兰堡主婴塞圭芏丝丝塞墨= 雯丝堡 采用的i n 汀r s 网络模块来自经o l i v i 盯h y n d c f i c k 与s v 髓r a 髂改进过的 p a b l om a m n 和p 羽】l ab a l l e s t 盯开发的u m r s 模块。( 下载地址：i ，m t s 模块在 h t i p ：伪哪w 印c m 韶c o m ，叩a h o s t i l ，改进的p 砌在h t l p ：，w w w i n f o f l m d p a c b e ， l 瓜鹤r c l 妇s 2u m t s ) 1 4 论文的组织结构 论文的章节结构如下：第二章讲述了移动m 的工作机制，主要针对现有的 口移动管理技术和机制进行了分析，此外对本论文的实验平台m 心n l 进行了 比较详尽的说明；第三章主要分析了在h n m m 平台上移植i ，m r s 网络所进行 的具体工作，包括信令流程的设计分析，和逻辑实体功能的设计实现：第四章 详细描述了w l a n 和u m t s 融合的网络结构，并针对分层和不分层两种情况 进行了具体的说明：第五章根据第四章的网络结构设计了各种仿真的场景对设 计方案的性能进行了分析，并且验证了研究结果的实用价值；第六章对现有的 工作进行了总结并提出了下一步工作计划。 第5 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章基于m m 的w l 删和u m l 苫融合平台研究 第二章基于m 口的w i ，a n 和u m t s 融合平台研究 早在1 9 9 6 年l o 月，唧r f 就提出了移动m 协议标准( 草案) ，主要包括 r f c 2 0 0 2 、刚p c 2 0 0 3 、r f c 2 0 0 4 、i 谭c 2 0 0 5 和r f c 2 0 0 6 等r f c 文档。r f c 2 0 0 2 定义了移动p 协议；r _ f c 2 0 0 3 、2 0 0 4 和1 7 0 l 定义了移动m 中用到的三种隧道 技术；r f c 2 0 0 5 叙述了移动口的应用；r f c 2 0 0 6 定义了移动口的管理信息库 m m 。该草案文档一经发表，立刻引发了全球范围研究移动球技术的高潮。美 国哥伦比亚大学、纽约大学、卡耐基梅隆大学、新加坡国立大学、日本科学 与技术研究所、瑞典皇家学院以及f t ps o t t w a m 、m m 、m o t o r o l a 、n o 虹a 、s m 、 t e l x 0 i l 等公司都成立了相应的工作组，针对移动口进行研究。 2 1 移动i p 的研究现状 目前在移动m 方面进行研究的国际组织主要有i f r f ，3 g p p ，3 g p p 2 ， w w r f 等。 i e t f 是把移动口作为移动互联网的移动性管理技术的主要倡导者，最早 提出了移动口的基本协议r f c 2 0 0 2 ，并成立了专门的工作组对口移动性进行 研究。i e t f 主要解决i n t e r n e t 上移动主机的路由等问题，比较活跃的工作 组包括原来盼移动mw g 和s 黜o b yw g 和现在的i l l i p 4 ，m i p 6 ，嘶s h 印， m 咖i 6 工作组，针对移动口相继完成了封装协议：r f c 2 0 0 3 、r f c 2 0 0 4 、m m 定义、防火墙协议、移动mn a t 、网络接入标识扩展、a a a 需求、反向隧道 协议、口p 哂n g 、m v 6 的移动性支持标准( c 3 7 7 5 ) 、使用口s 来保护移动 节点和家乡代理之问的信号( r f c 3 7 7 6 ) 、分级移动口v 6 斛c 4 1 4 0 ) 、快速切换 移动脚6 ( r f c 4 0 6 8 ) 、和一些替代版本r f c 3 2 2 0 、r f c 3 3 4 4 等。另外m t f 也 提出了一些比较成熟的草案，如移动口路由优化、移动m 4 区域注册、移动m v 4 低时延切换、移动脚4 动态注册、移动m v 6 的m m ，移动m v 6 的认证协议、 i i l v 6 解封的解决方式、候选接入路由器发现协议( c a r l ) ) 、微移动性协议、移动 m 、，6 在m p l s 网络中的支持以及移动口与m p l s 的结合、a 从c 等等。对于 分级移动m v 6 和快速切换脚6 ，许多研究者还提出了进一步的改进策略，比如 将h m m v 6 与f m v 6 结合，提出f 蹦口v 6 的改进方案；在丢包率优化方面， 主要是通过对接入路由器进行多播( b i c a s t i n g ) 、在接入路由器进行数据包缓冲、 接入路由器之间为m n 建立隧道等方法。t f 目前关注的热点包括移动m 对 m n ：2 0 0 0 的支持、移动口的m m 结构问题、移动口的安全问题和q o s 问题、 2 层信号触发辅助的切换、移动肌6 信号和切换的最优化、移动口v 6 节点的多 第6 页 j e 室坚皇盔堂堡圭盟塞生堂丝造塞蔓三童薹王丛堡笪! 坠型塑型墅墼盒鱼塑塞 重c o a 等问题。t f 在将移动p 应用于移动互联网过程中发挥非常重要的作 用。 3 g p p 和3 g p p 2 主要致力于利用t f 的m 移动协议，结合3 g 和4 g 移动 通信网，解决无线蜂窝网络向a 1 1 口网络演化中所遇到的各种问题。其中，3 g p p 将逐步引入无线移动m 技术，主要研究解决口路由，移动性管理及切换，资 源分配，安全认证，计费等问题。3 g p p 认为，电信网络，无论是固网还是蜂窝 网络都向基于坤的网络发展演变。g s m 提供低速数据，3 g 提供t e l e t 的连接，这些系统使用第二层的方法解决移动管理。p 路由技术正逐步移到网 络边缘，可以有效支持不同的二层移动管理。面向未来移动管理应当从特定链 路层属性解脱出来，切换应当在m 层进行。从目前看移动i p 的实现仍需要 u m t s g p r s 移动性管理和会话管理信令的支持，为了尽可能减少对 u m t s g p r s 信令的修改，移动i p 的信令和数据均在u m t s 用户面传送。 3 g p p 2 发布了由3 g p p 2t s g p 工作组开发的标准p s o 0 0 1 bv 1 o ，“无线 m 网络”。该标准定义了基于c d m a 2 0 0 0 的第三代无线系统上的无线分组数据 网络能力的支持要求。该标准为接入到公共网络( 因特网) 和专用网络( 内部 网) 提供了两种方法：简单口和移动i p 。并描述了支持这两种方法所需的业务 质量，安全性，移动性管理和结算能力等。3 g p p 2 致力于在c d m a 2 0 0 0 中完全 采用移动m 作为网间漫游和切换协议，在归属网络中放置h a 和归属a a a ， f a 功能由拜访网络中的p d s n 承担，使用g r e 隧道协议进行数据包的重定向， 并且为了节省无线资源，代理公告的发送周期很长或在收到m s ( m o b i l e s t a t i o n ) 的代理请求信息才发送。p s d n 完成r a d i u s 的操作，不只支持m s 的静止归 属地址，也提供m s 的动态归属地址，并使用反相隧道支持私有归属网络。 w 、7 l ，r f 等研究组织目前在口移动性问题上的研究重点主要还是集中在改 善移动m 的切换性能、端到端q o s 和安全问题。研究项目m o b yd i c k 是由来 自欧洲和其它国家的十几家电信运营商和研究机构发起的，志在对未来全口网 络中的移动性和q o s 提供解决方案，并且以w c d m a 、w l a n 和以太网为主 要的接入方式搭建了横跨欧洲的试验网。m o b yd i c k 基于i p v 6 ，以移动i p v 6 作 为主要的移动性管理协议，支持a a a c ，并提供端到端的q o s 保障机制。严格 地讲，m 0 b yd i c k 计划目的在于研究下一代统一口网络的框架性协议和性能测 试，是在本领域内非常有影响的研究和应用解决方案。在移动性支持方面，主 要采用已有的f m 口v 6 、h m 口v 6 和mp a g i n g 等机制来提供m 层移动性支持， 在关键技术创新上没有投入更多的力量，更注重于提供一个异构m 网络组成的 移动互联网的解决方案，目前该计划处于最后的测试和评测阶段。 第7 页 2 2 移动i p 机制本身存在的问题 移动口作为h i 嘧n e t 网络层的移动性管理协议，同正常的m 路由机制比较， 为了解决主机移动问题，路由机制本身的设计附带了许多额外开销，如隧道开 销、三角路由开销和分片开销，以及切换延迟等固有的不足，所有这些综合在 一起，影响了移动妒的实际应用。 ( 1 ) 切换时延和丢包 移动i p 是为了解决移动节点在不同子网之间连续移动的问题，因而必然带 来切换问题。时延和丢包问题直接影响移动i p 的实时业务支持能力。针对这个 问题，目前提出很多的性能增强解决方法如快速切换技术、平滑切换技术、以 及分层管理技术，但是这些方法在实际应用时都具有一定的局限性。 ( 2 ) 三角路由开销 三角路由开销是指i p 报文不是直接发向移动主机，而是先发送到家乡代理 然后再转交给外地代理，于是也引入了分片开销。在移动m v 6 中解决了三角路 由问题，但移动主机和通信对端直接通信也引入额外的安全问题和开销。 ( 3 ) 信令开销 移动节点在子网间移动时，必须按照移动m 的协议，改变转交地址并向 姒进行注册。对于微蜂窝下移动节点频繁移动的情况，必须进行h a 的频繁 注册过程，造成很大的信令开销。 ( 4 ) q o s 移动碑中数据包重定向主要是依靠隧道，这使得报文经过的路由器必须解 开隧道才能获得资源需求信息，从而妨碍了原有r s v p 等q o s 保障机制的实施。 ( 5 ) 隧道开销 所谓隧道开销是指在移动口运作过程中，引入了家乡代理进行隧道封装和 外地代理解封装的额外开销。 ( 6 ) 安全问题 尽管口s 已经与v 6 一起提供了一个非常好的h l 妇n e t 安全保障机制， 移动环境对口s 提出了新的要求。在移动节点和家乡代理之间可以使用手动 增加的密钥，但对于移动节点和其它任意节点之问，安全的关联和密钥管理则 会更复杂，因为移动节点无法大量存储关联信息，所以如何在移动节点之间进 行动态密钥管理也是一个亟待解决的问题。 第8 页 j 竺塞堡皇丕堂塑主塑塞笙兰丝堡塞蔓三至董王丛里盟! 坠塑塑型望墼鱼兰鱼丛塞 ir m 陌s 的目标就是建立与n 咖e t 能实现无缝连接的全口核心网，而移动 m 被公认为解决异构网络融合最具竞争力的技术方案，因此虽然移动口在具体 应用方面还存在各种各样的问题，但在i m f r s 核心网中引入移动i p 符合全讲 移动通信网的发展趋势，不过有必要对移动m 的性能进行分析和改进，并通过 仿真验证的方式设计合理的工作机制。 2 3 移动l p 应用过程中的问题 ( 1 ) 现有固定互联网络拓扑结构的理论与协议根本不能满足新型移动互联 网络需要。 传统互联网络最初是为数据通信设计的，而网络理论与协议仅仅适应于网 络拓扑结构相对固定的互联网络。移动互联网络对路由理论与协议在适应变化 性、健壮性、可靠性、服务质量等方面提出了更高的要求，将承载数据、语音、 视频等多种业务，这是传统路由理论与协议所不能胜任的。这是因为，首先传 统互联网络中的关键设备路由器所执行的路由协议主要是基于最长前缀匹配原 则路由碑包，在运动主体改变了位置后，这种路由转发方式将导致口包的错 误投递，当移动到新位置时，如果不使用当前网络拓扑许可范围的地址作为源 地址，运动主体发送的i p 包将由于源地址过滤等因素而无法在网络中传送，即 使运动主体通过使用新访问网络上的地址解决了源地址过滤问题，由于网络借 助口地址和端口号识别通信连接，还可能造成通信连接的阻断。其次，尽管目 前广泛使用的r 口、o s p f 、b g p 等动态路由协议可以适应网络拓扑的局部变 化，但由此产生的管理开销以及路由汇聚延迟等问题，对于网络拓扑大规模频 繁高速变化、无线连接广泛存在、运动主体处理资源等受限，是移动互联网络 根本不能够接受的，乃至无法使用。 ( 2 ) 目前移动互联网理论和协议基本上是针对移动终端的，缺乏对运动网 络( 移动路由器) 动态连接的支持，更没有考虑网络拓扑频繁高速改变的问题。 为了提供互联网络的移动性支持，i e t f 给出了基于口v 4 网络的移动p 建 议r f c 3 3 4 4 ，为了克服移动i p v 4 在地址资源、安全性和路由效率等方面的缺陷， i e t f 又基于i p v 6 协议设计了移动i p v 6 ，并相继提出了一系列的草案与标准。 这两个版本的移动口协议都是采用代理和隧道技术，通过设置m 终端当前位 置地址与家乡地址的绑定条目来提供移动时收发口分组的功能，是一个比较典 型的面向终端运动的解决方案，显然不适应整个网络动态变化的需求。对运动 子网中的各个主机分别通过移动职建立路由，忽视了运动主体是一个相对稳定 的集合，不但因分发大量的位置管理消息和为每个终端分别建立独立无线链路 第9 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章基于m 舻的w l a n 和u m t s 融合平台研究 造成了资源的浪费，而且在某些通信安全和电磁兼容要求比较苛刻的场合也根 本不允许这样做。另外，移动m 仅仅是对传统互联网络的扩展，网络拓扑环境 也是相对稳定的，不会影响到目前广泛使用的r 口、o s p f 、b g p 等路由协议， 然而移动互联网实质是动态变化的网络，由于子网或终端集合动态地改变到网 络的连接，势必要对上述路由理论与协议进行重大变革，这是现有移动坤根本 不能做到的。此外，a d l l o c 是在没有无线基础设施的环境中支持单机移动，也 不能满足动态变化网络的路由需要。 ( 3 ) 移动互联网络的自身特点要求研究全新的路由理论与协议。 移动互联网络是一种新颖的网络理论与技术，链路形式、接入方式、拓扑 结构、通信和应用模式与固定网络存在很大的区别，具有不稳定的变化的拓扑 结构、承载多媒体业务及大量的无线链路等特点，运动主体既可以是某些网络 前缀意义上的子网，也可以是受诸如物理范围等因素约束而形成的在一段时间 内相对稳定的终端集合。因此不能照搬现有的理论和研究成果，需要针对其网 络结构和应用特点做调整甚至是寻找新的替代理论和协议。动态变化网络的路 由理论与协议研究将不再局限于寻址转发i p 报的概念上，还需要对这种全新的 网络做深层次的研究，尤其需要给出有效的体系结构描述理论与方法，解决编 址和路由问题，并针对无线链路带宽紧张、性能不稳定以及流量在网络上的分 布变化强度大等特点开展可靠性、健壮性、兼容性以及工作效率的研究，要求 新路由协议能为动态变化网络提供无缝的、不引入明显延迟和丢包的、低开销 的路由支持，不因新协议的运行导致处理瓶颈等。这是一个非常有意义、前瞻 性的体系性工作，将形成一套原创性的理论与协议，绝对不是对现有路由协议 的简单扩展，对于带动学科发展具有重要意义。 ( 4 ) 互联网技术的不断进步使得研究移动互联网络理论与协议成为可能。 在设计移动互联网络时，一般需要考虑以下三个基本因素：应用主机集合或 运动子网的无线和有线传输技术，连接主机集合和运动子网到互联网的无线技 术，用于在主机集合或运动子网与互联网间的分组路由理论与机制等。实际上， 以也e e 8 0 2 1 l x 系列及蓝牙为代表的无线局域网小范围无线传输技术可以解决 第一要素，新一代蜂窝移动无线传输技术、m e e 8 0 2 1 6 x 以及规划中的 m e e 8 0 2 2 0 等无线广域网络技术完全可以解决第二要素。而第三要素将有很大 的研究空间，并具有相关的技术基础。 第1 0 页 2 4 移动i p 的技术优势 通用移动通信系统( u m t s ) 网络是通用分组无线业务( g p r s ) 网络的升级，其 核心网由g p r s 核心网演进而来。i m r r s 第l 阶段主要参照i ，m 陌s9 9 版本。在 投入运营初期，核心网和g p r s 核心网差别不是很大。在i f r s 第2 阶段，核 心网发生革命性更替，将对g p r s 核心网进行较大革新，实现全口核心网。 分组路由功能为分组数据在无线分组数据网( 如g p r s 、聊小s ) 的无线接入 网、核心网和骨干网中传送提供有效的选路机制。目前，g p r s 核心网和骨干 网中的分组路由功能是通过g p r s 隧道协议( a r p ) 实现的。u m r s 的目标是建立 与h l t 锄c t 能实现无缝连接的全口核心网，必然要求整个核心网中实现移动m ， 其分组路由功能完全遵循移动口的规定。为了维持商用网络的正常运行，由 “g t p 移动性”向“移动i p 移动性”的演进将是一个平滑过渡过程。 2 5 移动l p 和g t p 协议比较 ( 1 ) 分组传输的效率和路由的优化 目前u m t s g p r s 核心网的无线m 选路机制通过g t p 隧道协议实现，存 在隧道技术三重封装( 口) l 2 5o 憎g ，r po v c r t c po v 盯i p ) 。开销大、效率低的缺 点明显，这对第3 代移动通信的移动多媒体通信服务质量( q o s ) 极为不利，也不 便于移动终端在各种不同类型无线网络和固定i p 网络之间的漫游。移动p 是 t c p m 协议族中的标准协议，和固定i n t 锄e t 网的口协议完全兼容，除了h a 及f a 之间的隧道之外，m 分组的传输无需任何其他封装。传送p 数据分组时， 移动m 的开销很小，效率大大提高，有利于保障i p 多媒体业务的q o s 。g t p 协议对分组路由的优化是很有限的，只有当m t 使用v p l m n 动态p d p 地址时 才能对g g s n 的选择做一些优化。无论收发数据，分组必须经过g g s n 转发， 不能从s g s n 直接通过最佳路由发送。在移动i p 中，m t 发送的分组一般都可 以直按经f a 沿最佳路由到达目的主机。 ( 2 ) 协议的应用范围 g r r p 协议是g p r s 网络的专用协议，只支持终端在g p r s 网络内部的漫游， 当终端离开g p r s 网络的覆盖范围或者进入另一个网络( 比如公司无线l a n ) 时， 当前的t c p 佃会话必须中断。g ，r p 协议只是在数据链路层实现了终端的移动 性，不提供网络层的移动性。移动口协议是i n t 锄e t 的通用协议，与接入网无 关，可以使用户在i n t 锄e t 的不同子网间漫游，能提供在固定网和移动网之间、 第1 1 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章基于m i p 的w l a n 和u m t s 融合平台研究 公共网和专用网间、以及不同公共网络问的无缝漫游，例如从g p r s 网络移动 到公司的无线l n ，不必中止当前的1 m p 会话。移动m 在网络层实现了终 端移动性，终端可在整个咖e t 漫游( 只要访问的网络提供移动琅功能) 。 ( 3 ) 协议的兼容性 g t p 协议只支持数据链路层移动性，因此可以支持不同的上层网络层协议 ( 如m 、x 2 5 ) 。移动i p 支持坤网络层移动性，不直接支持其他网络层协议( 如 x 2 5 ) ，但可以由数据链路层协议( 即不同的子网络) 支持。根据r f c1 7 0 l 和1 7 0 2 ， 可以通过通用路由封装( g r e ) 协议封装在移动m 隧道上支持其他网络层协议。 ( 4 ) 对移动终端的要求 u m t s g p r s 网络属于传统的电信网，对终端的智能要求很低，而对网络 的安全性和智能性要求很高。g ，r p 协议的实现完全无需移动终端的参与，对移 动终端透明。h l t 踟l e t 是一个不安全的尽力而为型的计算机网络，网络基本上只 负责数据分组的传送，而口层以上的协议实体一般只驻留在通信收发双方，与 网络无关，因此对移动终端智能要求较高，移动i p 协议的客户端部分必须在终 端上实现，此外保障端到端安全性要求的协议也要在终端上实现。 从以上几方面比较来看，移动口在传输效率、路由优化、应用范围和兼容 性等各方面的性能都优于g t p ，只是对终端的要求高一些。要实现和h l t 咖e t 无缝连接的全m 核心网，必须在u m 丌s g p r s 网络中实现移动m 。 2 6l p 层移动性管理技术 本小节研究了口层的移动性管理技术，尤其是m 惦n d 方案，通过该方案， 可以提供异种网络间的无缝切换。 2 6 ，l p 与h - i p 在未来的全p 移动通信网中，任何支持p 的移动终端都可以通过一个能 通达全球的核心网结点与全球任何一个移动终端进行通信。在移动m v 4 协议 中，引入了本地代理( h a ) 外地代理( f a ) 和转发地址( c o a ) 等概念。当移 动终端离开本地网漫游时，会获得由被访问地区移动网络分配的一个临时的可 路由的转发地址，这个地址一般是由被称作外地代理的路由器分配的，因此也 称作外地代理转发地址。移动终端通过位置登记，把转发地址报告给本地代理， 本地代理由此获得了移动终端当前的外地代理信息。随后，本地代理就会把接 第1 2 页 韭塞堡垒丕差塑主堕塑圭兰堡堡塞堡三至董士丛堡箜曼坠婪塑望哇墅壁盒! 鱼塑塞 收到的发往正在漫游的移动终端的分组数据通过隧道传送到该移动终端。这种 移动管理机制正是异构网络的主要承载机制。 m m v 6 中没有定义外地代理，所以为了支持微移动性需要引入一个能处理 越区切换的本地节点。该节点作为一个局部本地代理，提供对相关移动终端的 登记服务。为此，在m i p 、，6 中引入了一个移动锚接点( m a p ) ，形成分层式移 动m v 6 方案。当一个移动终端漫游到一个被访网络，就可以通过路由器的广播 信息发送移动锚接点的位置和彼此的相对距离。随后，自动为移动终端配置了 两个转发地址：本地转发地址( k a ) 和地区性转发地址( r a ) 。本地转发 地址( l o o a ) 是由移动终端的缺省路由器广播的一个基于地址前缀的路由地址。 而地区性转发地址或者是一个移动锚接点子网上的地址( 在基本运行模式下) ， 或者是一个移动锚接点的接口( 扩充模式) 。然后，移动终端在其本地代理处登 记，将本地地址和地区性的转发地址绑定。移动终端也向移动锚接点( m a p ) 发出绑定更新信息，登记地区性转发地址和本地转发地址的绑定信息。在基本 运行模式下，移动锚接点仅仅作为一个局部性本地代理，截获发往地区性转发 地址的分组，封装后通过隧道发向本地转发地址。一般情况下，由移动终端对 分组进行解封和处理。在扩展模式下，移动锚接点对到达的分组解封，并且基 于内部报文的信息做出转发判定。如果封装分组内部的目的地址是一个已经注 册的移动终端的地址，移动锚接点就通过隧道将分组转发到本地转发地址。 2 6 2h h 嘲结构 总的来说，h n m m 要在m 层面上完成对移动终端的移动性管理功能。 首先，h n m m 是一个分层结构，这与m m v 6 是不同的。尽管管理逻辑结 构分层与枷蹦僦的“p e 叮t 0 p 鲥”原则不太统一，但h n m m 的目的是利用现 有的协议和网络结构在移动互联网和下一代移动通信网络中提供电信级质量的 移动性管理，网络的平面结构虽然能保证网络节点之间的对等关系，但也导致 了网络控制信息的无序和由此带来的质量下降，由于节点和节点之间的n n 关系，质量会由于信息的增加而更快速增加。而分层网络使得网络中的控制信 息可以使控制信息可以在网络中经过汇聚和分流，从而可以使无序信息在系统 的控制下变得有序，从而可以更好的利用网络资源获得更好的质量。分层结构 相对与平面结构所带来的优点在许多文献都经过了证明，因此分层是h n m m 的基本特点。而且根据m 网络的一般规划原则，h n m m 也分为三层。 其次，m 心n i 的目的是在口层上提供电信级的移动性管理，因此h n m m 中每一个实体的设计都将本着电信级质量的基本要求来确定。根据电信级定义 和移动性管理的功能要求，可以得到下面1 0 个h n m m 的质量和性能要求： 第1 3 页 些塞坚皇盔兰鲤主堕塞生堂垡堡塞箜三童董王丛堡鲍坠垒型塑型堡墅盒! 鱼受塞 切换时延：为保证实时语音业务的要求，根据口 】的对终端和系统 的时延要求，由于无线系统切换所带来的时延应不大于5 0 l l 姆。 切换次数最小化； 接入控制与切换损失率最小化； 丢包率：对于不同的业务对丢包率的要求不同，对没有重发机制的数 据业务来说理论上需要系统提供o 丢包率。 吞吐量最大化 位置区规划与信令开销； 寻