移動IPv6及其在3G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

2019-11-03 08:58:46

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供稿：網(wǎng)友

徐貴寶　肖延敏　王燕

　　摘要：快速增長的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求推動著ipv6（尤其是移動IPv6）和３Ｇ不斷向前發(fā)展。對移動IPv6的通信原理以及３Ｇ數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)與協(xié)議棧進(jìn)行了描述，并在此基礎(chǔ)上對移動IPv6在３Ｇ網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)進(jìn)行了探討。

　　關(guān)鍵詞：IPv6，３Ｇ，移動數(shù)據(jù)

一、移動數(shù)據(jù)需求強(qiáng)烈

　　據(jù)ＣＮＮＩＣ統(tǒng)計，截至２００４年６月３０日，我國的上網(wǎng)用戶總數(shù)為８７００萬，與２００３年底的調(diào)查結(jié)果相比增加了７５０萬戶，增長率為９．４％，與２００３年同期相比增長了２７．９％，與１９９７年１０月的第一次調(diào)查結(jié)果（６２萬戶）相比，現(xiàn)在的上網(wǎng)用戶數(shù)已是當(dāng)初的１４０．３倍。可以看出，在今天這樣一個信息社會，人們的數(shù)據(jù)需求越來越強(qiáng)烈。人們不但對數(shù)據(jù)通信的需求量越來越大，同時也對數(shù)據(jù)通信的便利性提出了新的需求，要求可以在任何時間、任何地點獲得任何所需的數(shù)據(jù)，這樣就自然而然地提出了數(shù)據(jù)終端的移動性要求。為了使數(shù)據(jù)終端能夠在移動的過程中進(jìn)行通信，移動ＩＰ技術(shù)應(yīng)運而生。從ＣＮＮＩＣ近十次的調(diào)查數(shù)據(jù)來看，在使用計算機(jī)上網(wǎng)的同時使用移動終端、信息家電等設(shè)備上網(wǎng)的用戶在逐漸增多，已從２０００年１月調(diào)查的２０萬戶增加到現(xiàn)在的２６０萬戶；與半年前相比增加了４６萬戶，增長率為２１．５％；與２００３年同期相比增加了８０萬人，增長率為４４．４％。由此可以看出，移動數(shù)據(jù)用戶的增長速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通數(shù)據(jù)用戶的增長速度。

　　隨著數(shù)據(jù)應(yīng)用的發(fā)展速度越來越快，ＩＰｖ４協(xié)議逐漸暴露出了諸多弊端，具體表現(xiàn)為地址數(shù)量太少、路由表迅速膨脹、配置過于復(fù)雜、缺乏安全性保障、ＱｏＳ和性能保障不足、對移動性支持不夠等。因此，ＩＰｖ４基本已經(jīng)不能再滿足人們對數(shù)據(jù)應(yīng)用的需求。IPv6的出現(xiàn)給數(shù)據(jù)應(yīng)用帶來了福音，同時也為ＩＰｖ４所暴露出來的各種弊端提供了良好的解決方案，尤其是其地址數(shù)量幾乎無限，使得移動終端海量的地址需求得以滿足，并且其移動性也比ＩＰｖ４增強(qiáng)了許多。

　　人們對移動數(shù)據(jù)的需求如此強(qiáng)烈，目前的移動通信網(wǎng)絡(luò)是否能夠承受如此之大的數(shù)據(jù)通信任務(wù)？沒問題，第三代移動通信（３Ｇ）技術(shù)已經(jīng)誕生。與現(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)相比，３Ｇ網(wǎng)絡(luò)在核心網(wǎng)上全面采用ＩＰ包交換及控制技術(shù)，具有頻譜利用率更高、通信容量更大、通信質(zhì)量更好、數(shù)據(jù)傳輸速率更高和全球漫游等特點，能夠提供許多全新的服務(wù)，包括網(wǎng)上購物、位置查詢、銀行業(yè)務(wù)、電子新聞等互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，視像消息、電視新聞、電視會議、可視電話等無線視像服務(wù)，以及同時傳輸多媒體服務(wù)等。國際上現(xiàn)有三種３Ｇ標(biāo)準(zhǔn)：ＷＣＤＭＡ、ｃｄｍａ２０００和ＴＤ－ＳＣＤＭＡ，其中采用ＴＤＤ技術(shù)的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ由于具有頻譜利用率高、頻譜靈活性高、接收靈敏度高、特別適合非對稱移動應(yīng)用等特點，尤其適合在我國這種城市用戶數(shù)量、用戶密度和用戶數(shù)據(jù)通信量超大的環(huán)境中使用。

二、移動IPv6的通信原理

　　移動IPv6節(jié)點通過因特網(wǎng)控制消息協(xié)議（ＩＣＭＰ）路由器搜索消息（該消息在ＩＣＭＰｖ６中進(jìn)行了規(guī)定）來確定自己的位置。IPv6的路由器搜索包括兩條報文：路由器請求和路由器廣播。路由器廣播由家鄉(xiāng)代理和路由器在他們所連接的鏈路上周期性地進(jìn)行廣播，路由器請求則是由那些沒有足夠耐心等待下一個送到的路由器廣播報文的移動節(jié)點發(fā)出的。路由器搜索報文不需要認(rèn)證。

　　在ＩＣＭＰｖ６路由器廣播報文中，如果路由器的生存時間域非零，那么發(fā)送這個廣播的路由器就可被移動節(jié)點當(dāng)作缺省路由。移動節(jié)點檢查接收到的廣播中的網(wǎng)絡(luò)前綴，如果其中的一個前綴與移動節(jié)點的家鄉(xiāng)地址相匹配，移動節(jié)點就連接到它的家鄉(xiāng)鏈路，此時移動節(jié)點直接向家鄉(xiāng)代理進(jìn)行注冊。如果沒有與移動節(jié)點的家鄉(xiāng)地址相匹配的前綴，移動節(jié)點就連接到一個外地鏈路，此時移動節(jié)點向該路由器所在鏈路上的一個服務(wù)器申請一個地址作為自己的轉(zhuǎn)交地址，將這個地址通知給自己的家鄉(xiāng)代理并進(jìn)行注冊。

　　當(dāng)移動節(jié)點采用移動IPv6進(jìn)行通信時，如果它連接在家鄉(xiāng)鏈路上，便與固定主機(jī)和路由器一樣工作。如果移動節(jié)點連接在外地鏈路上，其通信過程如下：

　　·移動節(jié)點采用路由器搜索的方法，通過無狀態(tài)自動配置、有狀態(tài)自動配置或手工方式得到外地鏈路上的轉(zhuǎn)交地址。

　　· 移動節(jié)點將其轉(zhuǎn)交地址通知給家鄉(xiāng)代理和幾個通信伙伴（如果可以保證操作安全的話）。

　　·不知道移動節(jié)點轉(zhuǎn)交地址的通信伙伴送出的數(shù)據(jù)包先被路由到移動節(jié)點的本地網(wǎng)絡(luò)，從家鄉(xiāng)代理那里再將這些數(shù)據(jù)包經(jīng)過隧道送到移動節(jié)點的轉(zhuǎn)交地址；知道移動節(jié)點轉(zhuǎn)交地址的通信伙伴送出的數(shù)據(jù)包可以利用IPv6選路報頭直接送到移動節(jié)點，選路報頭將移動節(jié)點的轉(zhuǎn)交地址作為一個中間目的地址。

　　·移動節(jié)點送出的數(shù)據(jù)包采用特殊的機(jī)制被直接路由到目的地。然而，當(dāng)存在入口方向的過濾時，移動節(jié)點可以將數(shù)據(jù)包通過隧道送給家鄉(xiāng)代理，隧道的源地址為移動節(jié)點的轉(zhuǎn)交地址。

　　經(jīng)過以上過程，移動節(jié)點就在轉(zhuǎn)交地址和家鄉(xiāng)代理的幫助下，將數(shù)據(jù)發(fā)送到了目的地，完成數(shù)據(jù)發(fā)送的全部過程。

　　與移動ＩＰｖ４相比，移動IPv6做了許多改變。其中，最大的改變是消除了“三角路由”問題，集成了路由優(yōu)化，允許任何通信節(jié)點和移動節(jié)點之間直接路由數(shù)據(jù)包。另外，原來移動節(jié)點的家鄉(xiāng)地址被全球可路由的家鄉(xiāng)地址和鏈路本地地址所代替；外地代理也被外地鏈路上的一個純IPv6路由器所取代，并且所有地址都通過自動或手工方式配置了轉(zhuǎn)交地址；向家鄉(xiāng)代理的經(jīng)過認(rèn)證的注冊被向家鄉(xiāng)代理和其他通信伙伴的帶認(rèn)證的通知所取代；數(shù)據(jù)傳送方式也在原來的隧道方式基礎(chǔ)上增加了源路由的方式。這些變化都極大地提高了移動IPv6的性能和效率。

三、3G數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)與協(xié)議棧

　　圖１是一個簡化的ＧＰＲＳ網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它描述了３ＧＰＰ給出的典型的包交換３Ｇ網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　ＧＰＲＳ網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)元包括用戶設(shè)備（ＵＥ）、ＵＭＴＳ陸地?zé)o線接入網(wǎng)（ＵＴＲＡＮ）、ＧＰＲＳ服務(wù)支撐節(jié)點（ＳＧＳＮ）、ＧＰＲＳ網(wǎng)關(guān)支撐節(jié)點（ＧＧＳＮ）。ＵＴＲＡＮ由無線網(wǎng)絡(luò)控制器（ＲＮＣ）和ＵＴＲＡＮ基站組成。

　　ＧＧＳＮ是一個專門的路由器，在ＧＰＲＳ網(wǎng)絡(luò)與外界網(wǎng)絡(luò)（也就是因特網(wǎng)）之間扮演網(wǎng)關(guān)的角色。在許多情況下，ＧＧＳＮ都與網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)器（ＮＡＳ）類似。ＳＧＳＮ的主要功能包括認(rèn)證、鑒權(quán)、移動性管理以及計費信息的收集等。ＳＧＳＮ與七號信令系統(tǒng)相連，并通過它與家鄉(xiāng)位置注冊器（ＨＬＲ）相連，因此可以執(zhí)行用戶信息的處理、認(rèn)證和鑒權(quán)等工作。移動終端與ＧＧＳＮ之間建立了基于ＩＰｖ４或IPv6的分組數(shù)據(jù)協(xié)議（ＰＤＰ）上下文請求（ｃｏｎｔｅｘｔ），而從移動終端發(fā)出的ＩＰ數(shù)據(jù)包由ＧＧＳＮ路由，經(jīng)由ＧＧＳＮ上的一個接入點（該接入點的名稱（ＡＰＮ）是由用戶在ＧＧＳＮ上的接入點列表中指定的）訪問目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。圖２為ＧＰＲＳ網(wǎng)絡(luò)各個環(huán)節(jié)之間通信所需的協(xié)議棧。

圖2 GPRS協(xié)議棧

　　ＧＴＰ＿Ｕ是運行在用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議／因特網(wǎng)協(xié)議（ＵＤＰ／ＩＰ）之上的一個簡單隧道協(xié)議，用來在同一個ＵＭＴＳ骨干網(wǎng)之內(nèi)或不同的ＵＭＴＳ骨干網(wǎng)之間為ＲＮＣ、ＳＧＳＮ和ＧＧＳＮ之間的包提供路由。ＧＴＰ＿Ｕ隧道在隧道兩端以隧道端點標(biāo)識符（ＴＥＩＤ）來標(biāo)識。

　　用戶設(shè)備和ＧＧＳＮ之間連接的建立和數(shù)據(jù)包的傳送都是通過ＰＤＰ上下文請求來進(jìn)行的。在一個ＰＤＰ上下文請求上可以執(zhí)行以下三種基本操作：

　　·激活ＰＤＰ上下文請求：打開一個到ＧＧＳＮ的新的ＰＤＰ上下文請求；

　　·修改ＰＤＰ上下文請求：改變一個ＰＤＰ上下文請求的特征，如ＱｏＳ屬性等；

　　·關(guān)閉ＰＤＰ上下文請求：關(guān)閉一個ＰＤＰ上下文請求。

　　ＰＤＰ上下文請求分為主要ＰＤＰ上下文請求和次要ＰＤＰ上下文請求兩種。如果激活一個新的主要ＰＤＰ上下文請求，就會在用戶設(shè)備和ＧＧＳＮ之間創(chuàng)建一條新的鏈路。用戶設(shè)備可以打開到一個或多個ＧＧＳＮ的主要ＰＤＰ上下文請求。如果與一條鏈路有關(guān)聯(lián)的主要ＰＤＰ上下文請求和所有次要ＰＤＰ上下文請求都已關(guān)閉，則該鏈路被刪除。

　　ＡＰＮ可以標(biāo)識出一種業(yè)務(wù)或一個外部網(wǎng)絡(luò)，其表示方法與一個不受限域名相當(dāng)。在“激活ＰＤＰ上下文請求”的操作中，ＳＧＳＮ通過執(zhí)行一個域名服務(wù)器（ＤＮＳ）查詢來找到終端所請求的一個或多個為該ＡＰＮ服務(wù)的ＧＧＳＮ。ＤＮＳ的應(yīng)答包含一個ＧＧＳＮ地址列表，ＳＧＳＮ通過循環(huán)的方式從中選擇一個地址使用。

四、移動IPv6在3G網(wǎng)絡(luò)中的實現(xiàn)

　　３Ｇ網(wǎng)絡(luò)中的移動終端要想獲得IPv6數(shù)據(jù)服務(wù)，首先需要獲得一個合法的IPv6地址。由于３Ｇ網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點沒有惟一標(biāo)識，所以其地址的自動分配與撥號網(wǎng)絡(luò)類似，是基于ＰＰＰｖ６（參見ＲＦＣ２４７２）的。與一般IPv6節(jié)點的地址配置一樣，在３Ｇ網(wǎng)絡(luò)中，移動節(jié)點的地址配置也有兩種方式：有狀態(tài)地址自動配置和無狀態(tài)地址自動配置。有狀態(tài)地址自動配置使用外部協(xié)議（如ＤＨＣＰｖ６）連接到分配地址的服務(wù)器上，而無狀態(tài)地址配置則與在以太網(wǎng)中的配置方式有所不同。在３Ｇ網(wǎng)絡(luò)中，ＧＧＳＮ的每一個ＡＰＮ都可以單獨指定地址配置方式，其中無狀態(tài)的地址自動配置方式與一般的IPv6節(jié)點不同。地址配置的協(xié)議過程如下：

　　·移動終端向ＳＧＳＮ發(fā)起“激活ＰＤＰ上下文請求”的消息，并在消息中將相關(guān)參數(shù)傳給ＳＧＳＮ（其中參數(shù)“ＰＤＰ類型”指定為IPv6）；

　　·ＳＧＳＮ接收到請求后，向ＧＧＳＮ發(fā)送帶有上述參數(shù)的“創(chuàng)建ＰＤＰ上下文請求”消息；

　　·ＧＧＳＮ收到請求后，為移動終端分配接口標(biāo)識并創(chuàng)建一個鏈路本地地址，然后將相關(guān)信息封裝在“創(chuàng)建ＰＤＰ上下文請求”的應(yīng)答消息中，發(fā)回給ＳＧＳＮ；

　　·ＳＧＳＮ收到應(yīng)答消息后，將相關(guān)信息封裝在“激活ＰＤＰ上下文請求”接收消息中，發(fā)回給移動終端；

　　·移動終端得到地址信息后進(jìn)行相應(yīng)的配置，并將接口標(biāo)識解析出來，然后按照配置發(fā)送一個“路由請求”消息給ＧＧＳＮ（第一跳路由器）；

　　·ＧＧＳＮ執(zhí)行完“激活ＰＤＰ上下文請求”操作后，向移動終端發(fā)送一個“路由通告”。

　　經(jīng)過以上過程，移動終端利用路由器廣播信息，與先前收到的接口標(biāo)識組成IPv6地址。由移動終端發(fā)出的IPv6數(shù)據(jù)包則被３Ｇ網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點直接轉(zhuǎn)發(fā)到ＧＧＳＮ，再由ＧＧＳＮ路由到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。

　　每一個連在網(wǎng)上的手持機(jī)或移動電腦都會創(chuàng)建一個主要ＰＤＰ上下文請求用來與因特網(wǎng)通信。手持機(jī)在與ＧＧＳＮ連接的整個生命周期內(nèi)，可以創(chuàng)建許多主要和／或次要ＰＤＰ上下文請求。

　　在３ＧＰＰ中，ＧＧＳＮ為每個主要ＰＤＰ上下文請求分配一個單獨的６４ｂｉｔ標(biāo)識。ＧＧＳＮ也把一個單獨的６４ｂｉｔ前綴公布給手持機(jī)，這兩個部分組合成一個IPv6地址。隨后，ＧＧＳＮ對ＳＧＳＮ中的ＰＤＰ上下文請求入口進(jìn)行修改，使之包含整個IPv6地址。這樣，ＳＧＳＮ就能知道每個３ＧＰＰ節(jié)點的單個IPv6地址了（比如說是為了計費的需要）。該地址也用在ＧＧＳＮ中標(biāo)識與每個包相關(guān)聯(lián)的ＰＤＰ上下文請求，它假設(shè)３ＧＰＰ節(jié)點不產(chǎn)生任何地址（除了由ＧＧＳＮ分配的單個標(biāo)識／前綴組合之外）。

五、結(jié) 語

　　移動網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向是“全ＩＰ移動網(wǎng)”。IPv6已經(jīng)被３ＧＰＰ組織確定為構(gòu)筑下一代移動網(wǎng)的基礎(chǔ)和３Ｇ必須遵循的標(biāo)準(zhǔn)，成為支持３ＧＰＰＲ５標(biāo)準(zhǔn)的ＩＰ多媒體業(yè)務(wù)中不可或缺的技術(shù)。人們普遍認(rèn)為，IPv6（尤其是移動IPv6）技術(shù)必將為３Ｇ的發(fā)展乃至整個電信業(yè)的發(fā)展帶來明媚的春光。

摘自　泰爾網(wǎng)

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