移动IPv6及其在3G网络中的应用

2019-11-03 08:58:46

字体：大中小

来源：转载

供稿：网友

徐贵宝　肖延敏　王燕

　　摘要：快速增长的移动数据业务需求推动着ipv6（尤其是移动IPv6）和３Ｇ不断向前发展。对移动IPv6的通信原理以及３Ｇ数据网络的基本结构与协议栈进行了描述，并在此基础上对移动IPv6在３Ｇ网络中的实现进行了探讨。

　　关键词：IPv6，３Ｇ，移动数据

一、移动数据需求强烈

　　据ＣＮＮＩＣ统计，截至２００４年６月３０日，我国的上网用户总数为８７００万，与２００３年底的调查结果相比增加了７５０万户，增长率为９．４％，与２００３年同期相比增长了２７．９％，与１９９７年１０月的第一次调查结果（６２万户）相比，现在的上网用户数已是当初的１４０．３倍。可以看出，在今天这样一个信息社会，人们的数据需求越来越强烈。人们不但对数据通信的需求量越来越大，同时也对数据通信的便利性提出了新的需求，要求可以在任何时间、任何地点获得任何所需的数据，这样就自然而然地提出了数据终端的移动性要求。为了使数据终端能够在移动的过程中进行通信，移动ＩＰ技术应运而生。从ＣＮＮＩＣ近十次的调查数据来看，在使用计算机上网的同时使用移动终端、信息家电等设备上网的用户在逐渐增多，已从２０００年１月调查的２０万户增加到现在的２６０万户；与半年前相比增加了４６万户，增长率为２１．５％；与２００３年同期相比增加了８０万人，增长率为４４．４％。由此可以看出，移动数据用户的增长速度要远远高于普通数据用户的增长速度。

　　随着数据应用的发展速度越来越快，ＩＰｖ４协议逐渐暴露出了诸多弊端，具体表现为地址数量太少、路由表迅速膨胀、配置过于复杂、缺乏安全性保障、ＱｏＳ和性能保障不足、对移动性支持不够等。因此，ＩＰｖ４基本已经不能再满足人们对数据应用的需求。IPv6的出现给数据应用带来了福音，同时也为ＩＰｖ４所暴露出来的各种弊端提供了良好的解决方案，尤其是其地址数量几乎无限，使得移动终端海量的地址需求得以满足，并且其移动性也比ＩＰｖ４增强了许多。

　　人们对移动数据的需求如此强烈，目前的移动通信网络是否能够承受如此之大的数据通信任务？没问题，第三代移动通信（３Ｇ）技术已经诞生。与现有的移动通信系统相比，３Ｇ网络在核心网上全面采用ＩＰ包交换及控制技术，具有频谱利用率更高、通信容量更大、通信质量更好、数据传输速率更高和全球漫游等特点，能够提供许多全新的服务，包括网上购物、位置查询、银行业务、电子新闻等互联网服务，视像消息、电视新闻、电视会议、可视电话等无线视像服务，以及同时传输多媒体服务等。国际上现有三种３Ｇ标准：ＷＣＤＭＡ、ｃｄｍａ２０００和ＴＤ－ＳＣＤＭＡ，其中采用ＴＤＤ技术的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ由于具有频谱利用率高、频谱灵活性高、接收灵敏度高、特别适合非对称移动应用等特点，尤其适合在我国这种城市用户数量、用户密度和用户数据通信量超大的环境中使用。

二、移动IPv6的通信原理

　　移动IPv6节点通过因特网控制消息协议（ＩＣＭＰ）路由器搜索消息（该消息在ＩＣＭＰｖ６中进行了规定）来确定自己的位置。IPv6的路由器搜索包括两条报文：路由器请求和路由器广播。路由器广播由家乡代理和路由器在他们所连接的链路上周期性地进行广播，路由器请求则是由那些没有足够耐心等待下一个送到的路由器广播报文的移动节点发出的。路由器搜索报文不需要认证。

　　在ＩＣＭＰｖ６路由器广播报文中，如果路由器的生存时间域非零，那么发送这个广播的路由器就可被移动节点当作缺省路由。移动节点检查接收到的广播中的网络前缀，如果其中的一个前缀与移动节点的家乡地址相匹配，移动节点就连接到它的家乡链路，此时移动节点直接向家乡代理进行注册。如果没有与移动节点的家乡地址相匹配的前缀，移动节点就连接到一个外地链路，此时移动节点向该路由器所在链路上的一个服务器申请一个地址作为自己的转交地址，将这个地址通知给自己的家乡代理并进行注册。

　　当移动节点采用移动IPv6进行通信时，如果它连接在家乡链路上，便与固定主机和路由器一样工作。如果移动节点连接在外地链路上，其通信过程如下：

　　·移动节点采用路由器搜索的方法，通过无状态自动配置、有状态自动配置或手工方式得到外地链路上的转交地址。

　　· 移动节点将其转交地址通知给家乡代理和几个通信伙伴（如果可以保证操作安全的话）。

　　·不知道移动节点转交地址的通信伙伴送出的数据包先被路由到移动节点的本地网络，从家乡代理那里再将这些数据包经过隧道送到移动节点的转交地址；知道移动节点转交地址的通信伙伴送出的数据包可以利用IPv6选路报头直接送到移动节点，选路报头将移动节点的转交地址作为一个中间目的地址。

　　·移动节点送出的数据包采用特殊的机制被直接路由到目的地。然而，当存在入口方向的过滤时，移动节点可以将数据包通过隧道送给家乡代理，隧道的源地址为移动节点的转交地址。

　　经过以上过程，移动节点就在转交地址和家乡代理的帮助下，将数据发送到了目的地，完成数据发送的全部过程。

　　与移动ＩＰｖ４相比，移动IPv6做了许多改变。其中，最大的改变是消除了“三角路由”问题，集成了路由优化，允许任何通信节点和移动节点之间直接路由数据包。另外，原来移动节点的家乡地址被全球可路由的家乡地址和链路本地地址所代替；外地代理也被外地链路上的一个纯IPv6路由器所取代，并且所有地址都通过自动或手工方式配置了转交地址；向家乡代理的经过认证的注册被向家乡代理和其他通信伙伴的带认证的通知所取代；数据传送方式也在原来的隧道方式基础上增加了源路由的方式。这些变化都极大地提高了移动IPv6的性能和效率。

三、3G数据网络的基本结构与协议栈

　　图１是一个简化的ＧＰＲＳ网络结构，它描述了３ＧＰＰ给出的典型的包交换３Ｇ网络结构。

图1 GPRS网络结构

　　ＧＰＲＳ网络的核心网元包括用户设备（ＵＥ）、ＵＭＴＳ陆地无线接入网（ＵＴＲＡＮ）、ＧＰＲＳ服务支撑节点（ＳＧＳＮ）、ＧＰＲＳ网关支撑节点（ＧＧＳＮ）。ＵＴＲＡＮ由无线网络控制器（ＲＮＣ）和ＵＴＲＡＮ基站组成。

　　ＧＧＳＮ是一个专门的路由器，在ＧＰＲＳ网络与外界网络（也就是因特网）之间扮演网关的角色。在许多情况下，ＧＧＳＮ都与网络接入服务器（ＮＡＳ）类似。ＳＧＳＮ的主要功能包括认证、鉴权、移动性管理以及计费信息的收集等。ＳＧＳＮ与七号信令系统相连，并通过它与家乡位置注册器（ＨＬＲ）相连，因此可以执行用户信息的处理、认证和鉴权等工作。移动终端与ＧＧＳＮ之间建立了基于ＩＰｖ４或IPv6的分组数据协议（ＰＤＰ）上下文请求（ｃｏｎｔｅｘｔ），而从移动终端发出的ＩＰ数据包由ＧＧＳＮ路由，经由ＧＧＳＮ上的一个接入点（该接入点的名称（ＡＰＮ）是由用户在ＧＧＳＮ上的接入点列表中指定的）访问目标网络。图２为ＧＰＲＳ网络各个环节之间通信所需的协议栈。

图2 GPRS协议栈

　　ＧＴＰ＿Ｕ是运行在用户数据报协议／因特网协议（ＵＤＰ／ＩＰ）之上的一个简单隧道协议，用来在同一个ＵＭＴＳ骨干网之内或不同的ＵＭＴＳ骨干网之间为ＲＮＣ、ＳＧＳＮ和ＧＧＳＮ之间的包提供路由。ＧＴＰ＿Ｕ隧道在隧道两端以隧道端点标识符（ＴＥＩＤ）来标识。

　　用户设备和ＧＧＳＮ之间连接的建立和数据包的传送都是通过ＰＤＰ上下文请求来进行的。在一个ＰＤＰ上下文请求上可以执行以下三种基本操作：

　　·激活ＰＤＰ上下文请求：打开一个到ＧＧＳＮ的新的ＰＤＰ上下文请求；

　　·修改ＰＤＰ上下文请求：改变一个ＰＤＰ上下文请求的特征，如ＱｏＳ属性等；

　　·关闭ＰＤＰ上下文请求：关闭一个ＰＤＰ上下文请求。

　　ＰＤＰ上下文请求分为主要ＰＤＰ上下文请求和次要ＰＤＰ上下文请求两种。如果激活一个新的主要ＰＤＰ上下文请求，就会在用户设备和ＧＧＳＮ之间创建一条新的链路。用户设备可以打开到一个或多个ＧＧＳＮ的主要ＰＤＰ上下文请求。如果与一条链路有关联的主要ＰＤＰ上下文请求和所有次要ＰＤＰ上下文请求都已关闭，则该链路被删除。

　　ＡＰＮ可以标识出一种业务或一个外部网络，其表示方法与一个不受限域名相当。在“激活ＰＤＰ上下文请求”的操作中，ＳＧＳＮ通过执行一个域名服务器（ＤＮＳ）查询来找到终端所请求的一个或多个为该ＡＰＮ服务的ＧＧＳＮ。ＤＮＳ的应答包含一个ＧＧＳＮ地址列表，ＳＧＳＮ通过循环的方式从中选择一个地址使用。

四、移动IPv6在3G网络中的实现

　　３Ｇ网络中的移动终端要想获得IPv6数据服务，首先需要获得一个合法的IPv6地址。由于３Ｇ网络中的终端节点没有惟一标识，所以其地址的自动分配与拨号网络类似，是基于ＰＰＰｖ６（参见ＲＦＣ２４７２）的。与一般IPv6节点的地址配置一样，在３Ｇ网络中，移动节点的地址配置也有两种方式：有状态地址自动配置和无状态地址自动配置。有状态地址自动配置使用外部协议（如ＤＨＣＰｖ６）连接到分配地址的服务器上，而无状态地址配置则与在以太网中的配置方式有所不同。在３Ｇ网络中，ＧＧＳＮ的每一个ＡＰＮ都可以单独指定地址配置方式，其中无状态的地址自动配置方式与一般的IPv6节点不同。地址配置的协议过程如下：

　　·移动终端向ＳＧＳＮ发起“激活ＰＤＰ上下文请求”的消息，并在消息中将相关参数传给ＳＧＳＮ（其中参数“ＰＤＰ类型”指定为IPv6）；

　　·ＳＧＳＮ接收到请求后，向ＧＧＳＮ发送带有上述参数的“创建ＰＤＰ上下文请求”消息；

　　·ＧＧＳＮ收到请求后，为移动终端分配接口标识并创建一个链路本地地址，然后将相关信息封装在“创建ＰＤＰ上下文请求”的应答消息中，发回给ＳＧＳＮ；

　　·ＳＧＳＮ收到应答消息后，将相关信息封装在“激活ＰＤＰ上下文请求”接收消息中，发回给移动终端；

　　·移动终端得到地址信息后进行相应的配置，并将接口标识解析出来，然后按照配置发送一个“路由请求”消息给ＧＧＳＮ（第一跳路由器）；

　　·ＧＧＳＮ执行完“激活ＰＤＰ上下文请求”操作后，向移动终端发送一个“路由通告”。

　　经过以上过程，移动终端利用路由器广播信息，与先前收到的接口标识组成IPv6地址。由移动终端发出的IPv6数据包则被３Ｇ网络中的节点直接转发到ＧＧＳＮ，再由ＧＧＳＮ路由到目标网络。

　　每一个连在网上的手持机或移动电脑都会创建一个主要ＰＤＰ上下文请求用来与因特网通信。手持机在与ＧＧＳＮ连接的整个生命周期内，可以创建许多主要和／或次要ＰＤＰ上下文请求。

　　在３ＧＰＰ中，ＧＧＳＮ为每个主要ＰＤＰ上下文请求分配一个单独的６４ｂｉｔ标识。ＧＧＳＮ也把一个单独的６４ｂｉｔ前缀公布给手持机，这两个部分组合成一个IPv6地址。随后，ＧＧＳＮ对ＳＧＳＮ中的ＰＤＰ上下文请求入口进行修改，使之包含整个IPv6地址。这样，ＳＧＳＮ就能知道每个３ＧＰＰ节点的单个IPv6地址了（比如说是为了计费的需要）。该地址也用在ＧＧＳＮ中标识与每个包相关联的ＰＤＰ上下文请求，它假设３ＧＰＰ节点不产生任何地址（除了由ＧＧＳＮ分配的单个标识／前缀组合之外）。

五、结语

　　移动网络的发展方向是“全ＩＰ移动网”。IPv6已经被３ＧＰＰ组织确定为构筑下一代移动网的基础和３Ｇ必须遵循的标准，成为支持３ＧＰＰＲ５标准的ＩＰ多媒体业务中不可或缺的技术。人们普遍认为，IPv6（尤其是移动IPv6）技术必将为３Ｇ的发展乃至整个电信业的发展带来明媚的春光。

摘自　泰尔网

上一篇：IP网QoS与安全性分析

下一篇：浅谈IP语音和传统网络的融合