IP技术及其移动IP的实现

2019-11-03 09:09:25

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供稿：网友

[摘要]：本文讨论了ip over ATM，IP over SDH和IP over ATM技术。同时讨论了移动IP技术以及其实现的几种方案。

[关键字]：数据通信网络技术 IP网络移动IP

一、IP网络技术及其发展

　　TCP/IP是70年代作为网间互联协议提出来的，在将近二十年的时间内，IP技术几乎是在默默无闻的状态工作着，除了在美国局域网互联中起到作用外，一直没引起外部世界的重视。ITU-T（其前身CCITT）在很长一个时期内没有接纳这个标准。直到90年代初Web的出现从根本上改变了这种状态，IP网获得了急速的发展，相应的IP技术也获得了急速的发展。目前，Internet的规模和业务都是以每月增长10%，每七八个月翻一番的速度在发展，TCP/IP已经是广泛接受的通信协议，90%的公司桌面系统使用Web浏览器，Web站点数每57天增长一倍，1998年7月网上主机数已达4500万台，用户数已达1亿。据预测，在下世纪初网上主机将增至1.2亿台。

　　客户—服务器的应用方式在迅速扩展，从办公室、校园扩展到城镇，进而扩展到国家甚至到全球。这一全球性的现象使过去网络业务量80%是本地，20%是广域的情况发生了根本的改变，现在这一比例已变为50%和50%，将来这个比例会变成20%和80%，这意味着对骨干网的压力将越来越大。另一方面随着IP网上应用的多样化，特别是多媒体业务的引入，对IP网又提出了一系列新的技术要求，从而导致网络结构发生巨大的变化。

1．IP over ATM

　　IP网传统上是由路由器和专线组成的，用专线将地域上分离的路由器连接起来，构成IP网，这样的组网模式曾经使用了很长一段时间，随着IP业务的爆炸性发展，显然是不能满足高速发展的IP业务的要求，低速的（2～4.5Mbit/s）专线和为普通业务设计的路由器，它在很多性能上无法满足新业务的需要，网络技术的变化和演进是必然的。网络技术演进的首选技术将是IP over ATM，尽管ATM是IP之后发展起来的一种分组交换技术，它的确是克服了IP原来设计的不足，其性能大大优于IP，曾经被看作是B-ISDN的核心，是通信发展过程中的一颗新星，但由于它考虑得过于复杂，过于求全、求完善、求完美，从而大大增加了系统的复杂度，加大了设备的价格。另外在设计ATM时，对业务需求过于乐观，对业务需求的预测大大超过其需求，另外，在网络发展的同时相应业务开发没有跟上，在网络建成后再去寻求它的主导业务，使得ATM最终没有找到它的主导（killer app1ication）业务（像Web对于IP那样的主导业务），从而导致它举步维艰。

　　ATM信元到桌面业务要发展已经相当困难了。但是随着IP网的爆炸性发展，ATM作为IP业务的承载网将具有特殊的好处，与路由器加专线相比，至少它可以提供高速点对点连接，从而大大提高IP网的带宽性能。当ATM以网络形式来承载IP业务时，还可以提供十分优良的网络整体性能，因此IP over ATM成为近年来的研究热点。用ATM来支持IP业务有2个必须解决的问题：其一是ATM的通信方式是面向连接的，而IP是不面向连接的，要在一个面向连接的网上承载一个不面向连接的业务，有很多问题需要解决，如呼叫建立时间、连接持续期等等；其二是ATM是以ATM地址寻址的，IP通信是以IP地址来寻址的，在IP网上端到端是以IP寻址的，而传送IP包的承载网（ATM网）是以ATM地址来寻址的，IP地址和ATM地址之间的映射是一个很大的难题。

　　另一方面用ATM来承载IP业务，从目前来看又有相当的前景，因而在这方面提出了许多解决方案，从大类来说，可以分为两类：一类为迭加模式，另一类为集成模式。

　　（1）迭加模式指的是IP网的寻址是迭加在ATM寻址的基础上的，通俗一点说在迭加模式中ATM的寻址方式是不变的，IP地址在边缘设备中映射成ATM地址，IP包据此传向另一端边缘设备。迭加模式的最大特点是在ATM网中不论是用户网络信令还是网络网络问信令均不变，对ATM网来说IP业务只是它承载的业务之一，ATM的其它功能照样存在不受影响。迭加模式最典型的有局域网仿真（LANE）、经典的在ATM上传送IP（CIP0A—classical IP over ATM）和ATM上的多协议（MPOA—multiPRotocol over ATM）等。

　　（2）集成模式指的是IP网设备和ATM网设备已集成在一起了。在集成模式中，ATM网的寻址已不再是独立的，ATM网中的寻址将要受到IP网设备的干预。在集成模式下，IP网的设备和ATM网设备是集成在一起的，IP网的控制设备一般可称为IPC，它具有传统路由器的功能，能完成IP网的路由功能，并具有控制建立ATM虚通路的能力，IPC是一个逻辑功能块，它可以是一个独立的物理设备，也可以不是一个独立的物理设备，而是ATM交换机中的一个功能模块，但它是必不可少的。ATM交换设备一般仍为普通ATM交换机，但它也有十分重大的改变，最大的变化在信令（UNI和NNI），它们之间的信令已不再是ATM Forum或ITU-T的信令，而是一套特别的控制方式。其目的在于能快速建立连接，以满足无连接IP业务快速切换的要求。

　　迭加模式和集成模式的分类法是按ATM信令来分类的。不能反映网络的整体性能。从网络整体的性能角度出发来考虑，ATM可以有两种方法来支持IP over ATM。

　　（1） ATM作为链路。使用ATM的永久性虚通路将地域上分离的路由器连接起来，在这里ATM的永久性虚通路取代了传统的专线，这种工作方式即为ATM作为链路来承载IP业务。在这种工作方式中，ATM只是作为链路将若干路由器连起来，它不参与IP网的寻径功能。因而这种IP网其本质上仍是一个路由器网，它不改变IP网的整体性能只是提高了某些部分的传输速率而已。

　　（2） ATM作为网络。另一种方法是ATM网以网络形式来支持IP over ATM。在这种场合， ATM参与了IP网的寻径功能，由于ATM的寻径及其它指标均要大大优于普通路由器，因而以网络形式来支持IP网（IP over ATM），可以在网络性能方面大大提高IP网的性能，不仅提高了传输速率也大大缩短了传输时延，以网络形式来支持IP网（IP over ATM）的最合理算法是MPLS。 MPLS是一种拓扑驱动的算法，它和无连接的IP传输非常适应。基于MPLS算法的ATM上的IP网是一种很好的IP网的组织形式，可构成一个主于物理通信平台多业务同时应用的一种十分理想的格局，并且能从整体上提高IP的性能。

　　尽管IP over ATM，特别是ATM以网络形式来支持能获得很好的网络整体性能。但IP over ATM的技术进展比较慢，特别是MPLS的标准化工作尚需时日，使得ATM仍不能满足业务高速发展对带宽的要求，从而导致IP over SDH技术的出现。应当特别注意IP over ATM和IP over SDH具有各自的适应面。

2．IP over SDH

　　IP over SDH是把IP数据包先封装在PPP协议帧中，然后再把PPP帧放入SDH的净荷中。IP over SDH的实质是以SDH网络作为IP数据包的物理传输网络，

　　SDH是基于时分复用的，在网管的配置下完成半永久性连接的网，在IP over SDH中， SDH只可能有一种工作方式，即SDH只可能以链路方式来支持IP网。SDH作为链路来支持IP网，由于它不能参与IP网的寻址，它的作用只是将路由器以点到点的方式连接起来，提高点到点之间的传送速率，它不可能从总体上提高IP网的性能。这种IP网其本质上仍是一个路由器网。 IP网整体性能的提高将取决于路由器技术是否有突破性进展。千兆路由器在技术上是有突破的，但是技术的突破带来了设备复杂度大大的提高，由于这种突破性技术目前并不能广泛用于普通路由器中，除非全网全部路由器都采用千兆路由器（IP over SDH），否则就不可能从整体上提高IP网的水平。另外SDH是依靠网管来完成端到端的半永久性连接的配置的，一个大网完全依靠网管来配置是不可想象的。所以千兆比路由器（IP over SDH）只可能在于线上用，用以疏导高速率数据流。IP over SDH的优点在于效率较高。

3．IP over WDM

　　目前最新的技术是IP over WDM（波分复用），IP直接放在光纤上进行传输，现在可以进行实地运行的系统还是采用SDH帧结构，只是在入光纤时采用波分复用技术，将多个波长的信息放在一根光纤上传送，基于这种工作方式的IP over WDM，其本质仍是IP over SDH。目前也有人指出SDH帧结构过于复杂，很多用于管理和维护等功能的比特对IP网是无用的或用处不大，另外SDH的帧结构是基于电路交换时分复用的，而IP是包交换，它的帧结构对IP包将不是最佳的，需要对SDH的帧结构进行简化和改进，以适应IP包的特定要求。更有人提出来，IP网中以大网入网的比重十分大，如果直接采用以大网的帧结构，将会更合理，它在包传递过程中不必进行多次转换，使效率大大提高。当然在这方面争议是很大的，因为那样做的话，网络的管理和维护方面能力将会有所下降。 ——IP网的高速发展，导致网络技术的变化眼花绦乱，目前这方面技术推出极为迅速，当然由于其技术的不成熟，新技术的淘汰率也很高。上述诸项技术目前都正在发展之中，谁优谁劣，尚无定论。

二、几种移动IP的实现方案

　　随着网络技术与便携式终端的不断发展，在IP网络中实现对移动性的支持变得越来越重要。对数据业务而言，有两种形式的移动性：一种是基于大区的慢速移动，即跨子网的移动；另一种是基于小区的高速移动，即在蜂窝系统中移动。这两者对移动性管理的要求是有所区别的。另外IP网的移动多媒体通信与纯粹的移动数据通信也不尽相同。

　　移动 IP面临一系列由于移动性而带来的技术问题，例如空中接口技术、移动终端登记与定位、最佳路由、安全性问题等等。本文侧重讨论路由技术，避免“兜圈子”问题。

　　IP地址是与地点相关的，当终端移动时，要根据子网的变更修改IP地址。这将会带来两个问题：一是DNS的入口，因为所有与移动生机相关的信息都指向原先的IP地址；二是已建立的TCP连接将会中断，因为TCP连接是以IP地址加端口号来标识的。移动IP的目标就是透明地支持移动性，始终用一个地址即归属地址来与之通信。

1．Mobile IP

　　在IETF的RFC2002建议中，提出了MobileIP方案。在该方案中定义了移动主机（MH）、对端主机（CH）、归属代理（HA）、外部代理（FA）等实体。当MH移动到新的子网，进入FA管辖区域，它将向HA发登记消息并告之FA的地址。当HA收到CH需发往MH的分组后，HA采取包封技术并建立与FA的隧道，FA从隧道中取出分组并进入MH。

2．路由优化的Mobile IP

　　在上述Mobile IP中，所有发往MH的分组都需经过HA，这往往不一定是最佳路由。假如FA处的主机呼叫漫游到FA的MH，经过HA“兜圈子”是非常低效的，而且附加的时延会降低语音、多媒体等实时业务的服务质量。所以需要对Mobile IP进行路由优化。当HA收到CH发往MH的分组后，它通知CH关于MH的捆绑信息（即MH目前的FA的地址）；CH对分组封装并建立与FA之间的隧道，分组在隧道中透明传输。捆绑信息的传送通过一个明确的端口号完成。假如MH又移动了，新的FA将把更新的捆绑信息传送给老的FA，这样能保证分组传送到新FA。而且HA随后也得到更新的捆绑信息，以后的分组传送直接由CH发往新的FA。路由优化的Mobile IP对CH的要求较高，它必须具备获取捆绑信息及包封与建立隧道的能力，对CH协议栈要作较大的修改。

3．SIP对移动IP的支持

　　SIP（会话初始协议）是IETF提出的在IP网络上进行多媒体通信的通信协议，在Voice over IP中有重要的应用，目前与占主导地位的H.323协议斗争激烈。由于SIP协议简单明了高效，VolP标准不断修订过程也在吸取SIP的优点。无论如何SIP协议有其一定的影响力，特别是SIP协议中已经支持了个人移动性，很容易支持终端的移动性。

　　SIP协议使用类似Email的地址格式user@host，这里user是用户名或用户号码，host是域名或地址。SIP定义了多种消息，如INVITE、ACK、BYE、OPTIONS、CANCLE、REGISTER等。对消息的响应用状态码表示：lxx（100－199）表示进程更新，2XX表示成功，3XX表示重走向，更高的数字表示失败。SIP消息通常建立在UDP之上，也可以建立在TCP之上。

　　JPTCB主机将INVITE消息发向MH所登记的重定向服务器（在NJUPT.EDU.CN）；重定向服务器查询位置服务器，位置服务器返回MH的当前地址BUPT.EDU.CN，并经重走向服务器反回JPTCB；JPTCB根据新地址重新路由到BUPT.EDU.CN。这种工作过程与GSM很相似，位置服务类似于HLR，重走向服务器类似关口 MSC，只不过这里采用的通信协议是SIP，而不是MAP。

　　如果在会话过程中MH又进入了另一个子网，那么它向CH发INVITE消息，其呼叫标保持不变，新的IP地址包含在INVITE消息内。CH得到新的IP地址后，继续保护与MH的通信。

4．RTP对移动性的支持

　　RTP（实时传送协议）提针对IP上的实时业务传输而制定的，它往往与RTCP（实时控制协议）配合使用。RTCP分组周期性地传送，用于质量反馈及信息交互。与RTP媒体流相关的有SSRC和CNAME。SSRC是32位的整数，是实时流的源标志、在一个RTP会话过程中保持唯一性，每个RTP分组均包含SSRC。不同媒体流的SSRC不同。CNAME是RTCP协议中使用的传输层标志，用于标志用户，一个用户可对应多个RTP流。在RTCP分组中，包含CNAME及SSRC。每个主机随机选择SSRC，SSRC重复的概率很小。另外冲突检测和环路检测机制确保在会话过程中每个流的SSRC具有唯一性及无环路发生。当两个RTCP分组具备相同的SSRC、但是IP地址相异，CNAME也相异，那么就发生了冲突。RTP可以利用无冲突SSRC及CNAME实现对移动性的支持。

　　每个RTP及RTCP分组均包含了发送方地址和SSRC。如果发送方在RTP分组传送过程中改变IP地址，则因发往接收方的分组中携带了新的发送方IP地址、接收方将看到新的IP地址，而SSRC维持不变。值得注意的是，在此过程中，CNAME也维持不变，所以与SSRC冲突不同。CH知道MH有了新的地址，以后将重新路由到该地址。使用RTP协议支持移动性简单而有效，但是前提是通信的双方都必须使用RTP协议。

　　移动IP技术还处于发展阶段，而网上的语音业务和多媒体业务越来越重要，如何支持实时的移动多媒体业务是一个复杂的课题。因为网上多媒体业务对网络传输时延、抖动的要求较高，而引入移动性后由于子网间的切换，这个问题更加突出。在这种情况下利用RTP实现移动性管理较为合适，因为这种机制实现IP地址转换较快，造成的抖动较小。

　　Mobile IP更适合于慢速、大区制的移动性。隧道技术的应用是因捆绑的是FA地址，假如捆绑的是FA下的MH地址，那么就直接将数据包路由到MH。对于实时语音业务，包的长度较小，采用隧道包封技术开销较大，所以从这下角度Mobile IP也不适合，而采用SIP及RTP就比较合理。SIP较为完善地解决了移动IP问题，而RTP的优点在于及时的传递更新的IP地址。当承载传统数据业务时，Mobile IP可采用，但路由优化问题还是要考虑的。

　　最后强调一点，所有上面方案讨论的都是跨子网的移动，至于实现子网内的移动，必须采用蜂窝技术，已经有一些关于蜂窝IP的解决方案。移动IP网络的成熟还有漫长的道路要走。

摘自《移动通信在线》