相关专题：
摘要 基于IP的无线网络将成为下一代移动网络的核心。在全IP无线网络中，移动性对多媒体应用起着十分重要的作用。文中探讨了基于IP的无线网络中的一些重要问题，包括移动IP、移动IPv6和其它相关的一些技术。还讨论了无线局域网（WLAN）、无线广域网（WWAN）、2G以及3G蜂窝网和下一代混合移动网络中关于移动性支持等问题。
0、引言
随着因特网应用的不断发展和便携、掌上电脑的广泛使用，人们对于移动性支持的要求也在不断提高。随着技术的不断发展，移动无线网络将逐步演进到一个全IP的网络架构以支持多媒体业务，在该架构下，移动性支持将成为其中一个重要问题。本文首先介绍了不同IP网络（移动IPv6、WLAN、WWAN）中的移动性支持问题，还讨论了目前蜂窝网络和下一代基于IP的混合蜂窝网络中关于移动性支持的最新进展情况。
1、移动IP
因特网中最初的IP版本是不支持主机移动性的，因为在传统的IP中，附着在网络中的节点是不发生移动的，其IP地址可以标识一个特定的网络位置。移动IP（如移动IPv4）就是为了提供主机的移动性而提出的。由因特网工程任务组（IETF）提出的移动IPv4标准包括以下功能实体：
a）移动节点（MN）：一台可以在因特网上移动的主机或者路由器，且在移动过程中可以保持正在进行的通信会话。文中移动节点和移动主机（MH）可以互换。
b）归属代理（HA）：一台维持注册MN列表的路由器。当MN离开归属网络时，该路由器可以将发送给该MN的数据包转给MN的拜访网络。
c）外地代理（FA）：一台与MN拜访网络有接口的路由器，它可以向MN的HA发送该MN当前的转交地址（care-of address）。
d）转交地址（CoA）：用于标识MN当前位置的本地IP地址。
e）配置转交地址（Collocated CoA）：通过外部获得的临时分配给MN的一个本地IP地址。
f）对应节点（CN）：与MN进行通信的对等主机。
g）归属地址：分配给MN的一个永久性IP地址。
h）隧道：一条从HA到FA传送数据包的路径，是通过封装数据包的形式来实现的。
移动IP使用两个IP地址：a）固定的（永久的）归属地址；b）用于MN移动性的转交地址。移动IP主要通过代理发现、注册和隧道3个主要协作过程实现。
1）代理发现
当MN移动到外地IP网络时，它通过该过程来进行附着。当MN连接在它的归属网络时，其工作方式与传统的具有固定位置的节点相同。当MN检测到它移动到了一个外部网络后，从与之相关的FA上，通过代理广播，它可以直接获得一个转交地址，或在本地网络上通过动态主机配置协议（DHCP）获得一个配置转交地址。
2）注册
当MN进入并保留在外地网络时，通过该过程MN向相关的FA请求服务，并向相关HA通知它的新CoA。如果MN获得了一个新的配置CoA，那么它可以直接通知HA。注册包括HA与MN之间的注册请求和注册应答两种消息的交换。通过该过程HA便可以将新的CoA和MN的归属地址联系在一起。该过程也被称作绑定更新。
3）隧道
在隧道过程中，HA对数据包的封装采用了将IP数据包封装在另一个IP数据包的方法，也就是说HA将具有归属网络地址的IP数据包的头部插入一个新的IP头，即MN的转交地址。当使用FA CoA时，FA接收到封装的数据包后，只要去掉隧道的头部并将剩余部门传递给MN即可。如果使用的是配置CoA，那么HA将把封装后的数据包直接发送给MN，由MN对接收到的数据包进行解封。
移动IP中的路由如图1所示。
图1 移动IP中的三角路由
在移动IP中使用三角路由。在该路由中，由固定主机（CN）发送给MN的数据包首先根据标准的IP协议发送给MN的HA，HA将数据包进行封装，通过隧道将数据包发送给MN的转交地址，FA将收到的数据包解封并传送给MN。尽管三角路由简单易用，但是由于它的路由是从CN到HA，然后再到MN，因此其效率较低。由于HA有大量的数据包通过，因此其开销将成为系统性能的瓶颈。
为了解决移动IP中的三角路由问题，人们对路由进行了优化。在路由优化中，MN将它的转交地址通知CN，这样CN就可以不再通过HA而直接与MN进行通信。优化的移动IP路由允许每个CN都要缓存HA和MN的绑定。利用这个绑定CN就能直接与MN进行通信。尽管看起来优化路由的QoS会得到改善，但是路由优化的实现非常复杂，缓存的开销也会非常大。而且对于优化路由而言，安全管理是一个主要的难点，因为在该环境下如果MN的转交地址是已知的，那么恶意节点通过发送虚假注册信息就可以很容易地将所有与该MN的通信切断。目前对优化路由而言，授权和安全性依然是个有待研究的问题。
2、移动IPv6
IPv4地址大小仅有32bit，它的寻址能力越来越不能满足因特网日益发展的要求。从1994年开始，IETF就开始研究IPv6，解决IPv4中固有的局限性，包括寻址能力、路由、移动性支持和QoS保证。在IPv6中，其地址大小是128bit，使因特网具备支持多级寻址、更多的可寻址节点和更简单的地址自动配置功能。IPv6被看作是下一代IP网络的核心协议。
在IPv6中，对移动性支持的网络实体与IPv4很类似，只不过没有了FA的概念。在IPv6中，它使用一个可扩展的分组头（包括归属地址、转交地址以及授权包头）简化到MN的路由，并以安全的方式进行路由优化。当然，转交地址的发现仍然是需要的，在IPv6中，MN使用自动配置和临节点发现功能，从外地网络中获取配置转交地址。移动IPv6中仍然使用与IPv4相同的封装方式向MN传送数据包。如果CN已知MN的转交地址，CN利用IPv6路由包头就可以直接向MN发送数据包。否则，数据包将首先被送到相关的HA中，然后由它通过隧道将数据包送达MN的转交地址。
IPv6在安全管理上与IPv4有很大差别。在移动IPv6中，所有节点都希望进行严格的授权和加密。IPv6既可以使用隧道也可以使用源路由向MN传送数据包，在IPv4中只能通过隧道方式。通过精细的安全管理，在移动IPv6中进行路由优化是可以解决的。移动IPv6的路由如图2所示。
图2 移动IPv6的路由
2.1 分级的移动IPv6
在移动网络中，MN的快速移动会导致大量绑定更新的发送。由于对移动性的支持，当MN数量增加时，其信令业务也会增加。为了提高移动管理效率，人们提出了分级的移动IPv6机制，其基本思想就是利用区域性注册减小全部注册开销，改善移动通信在切换时的QoS。
具有分级结构的移动IPv6如图3所示。
图3 具有分级结构的移动IPv6
在分级的移动IPv6引入了移动锚点（MAP）的概念。MAP在网络域中对MN的移动性管理进行处理，包括注册和切换。MAP的功能类似于本地HA，它代表MN接收数据包，并通过隧道将数据包传送给MN的转交地址。一个MN分配两个转交地址，一个是区域性的，另一个是本地的。区域性的转交地址是对MAP的覆盖区域而言，本地转交地址与MN的移动IPv6转交地址相同。MN与CN通过它的区域性转交地址进行通信。当MN移动出MAP区域后，它仅向CN发送绑定更新，否则它仅向MAP发送绑定更新以更新它的本地转交地址。CN接收到的所有数据包都将MN的区域转交地址作为源地址。MAP检测发向该转交地址的数据包，封装后利用MN的本地转交地址将数据包发送给MN。
由于移动IPv6具有更多地址、分级扩展和安全管理，因此，它能保证MN之间的对等业务（P2P），因为移动IPv6允许MN在运动中仍然保持它的静态地址。如果没有静态地址，MN就必须通过一个服务器进行通信，这样就违背了P2P的技术要求。
2.2 安全要求
在移动IP和移动IPv6中，CoA的注册过程需要鉴权，防止其它恶意节点假借MN进行注册。为了提高注册过程的安全性，对于移动IP和移动IPv6，所有的HA、MN、FA都必须进行鉴权。此鉴权算法为MD5（keyed message digest 5）算法。通常，MN的移动性是由动态的网络结构和位置管理支持的，因此，由于移动性的原因，网络安全就显得尤为重要。
IETF利用鉴权、授权、计费（AAA）支持MN在无线因特网中的漫游安全。
3、WLAN对IP移动性的支持
3.1 Wi-Fi技术
Wi-Fi（Wireless fidelity）技术可以认为是任何类型的802.11网络，即802.11a、802.11b、802.11g等。任何得到Wi-Fi联盟认证的产品都可以互通，不管它们是不是同一个厂家的产品。Wi-Fi的这个特性可以更好地支持移动性。通常Wi-Fi产品均使用同样的无线频率（如802.11b和802.11g采用2.4GHz，802.11a采用5GHz）。
最初该网络是为扩张的企业网而设计的，目前，Wi-Fi已经用作宽带接入到很多公众区域，如学校、宾馆及会议中心。移动IP可以为Wi-Fi提供很好的漫游服务，这时，Wi-Fi被看作是一个拜访网络。
3.2 WLAN中基于DHCP的移动性支持
传统IP将整个WLAN看作是一个子网，其中所有的主机都有同样的地址前缀。目前，WLAN的移动性支持通过使用DHCP实现。当MN在一个外部WLAN时，它便请求分配一个IP地址（即转交地址），此时服务器便会从地址池中返回一个有效的IP地址。如果地址配置成功，那么MN便可以在WLAN内进行通信。基于DHCP的移动性支持比较容易实现，但它无法支持MN在不同WLAN之间的漫游。
具有多个子网的MN必须能从一个子网无缝地漫游到另一个子网。WLAN的接入点可以在数据链路层提供对漫游的支持。当MN在网内移动时，它必须自动与不同的接入点联系。同时，当MN在子网间漫游时，也需要网络层有机制来保证MN能得到一个特定的IP地址，从而保证其连续通信。
3.3 移动IP解决方案
IPv4和IPv6通过将WLAN看作是一个子网且具有多个接入点来解决移动性问题。为了实现移动IPv4和移动IPv6，移动IP服务器和移动IP代理软件这两个主要的组件是必需的。移动IP服务器可以完全实现移动IP中HA的功能，为MN提供移动性管理。当MN在通信过程中移动到另一个子网的边界时，移动IP网络层的切换过程便开始了。它首先在媒体接入控制层（MAC）使HA与新FA进行握手，在完成切换后，发给MN的数据包由HA通过隧道发送到新的子网，然后发送给MN。
4、无线WAN对IP移动性的支持
目前，WLAN的思想已扩展到了无线WAN，在目前的无线宽带WAN技术中，WiMax是最受人关注的技术。WiMax技术基于成熟的IEEE 802.16标准，该标准规范了无线WAN的无线技术和点到多点的无线网络。IEEE 802.16将它的MAC层分为子层，用于支持不同传输技术，包括IPv4、IPv6、以太网、异步传输模式（ATM），从而使WiMax技术可用于多种不同的传输技术。
WiMax扩展了Wi-Fi的覆盖范围，它可以提供固定的和移动的无线宽带接入而无需视距传播，典型的小区半径是3km-10km，WiMax系统希望可以达到每信道40Mbit/s的传输速率。这个带宽是非常高的，下一代移动通信中的高速下行分组接入（HS-DPA）技术的理论速率只有14.4Mbit/s。
与Wi-Fi相比，WiMax的小区相对大些，因而可以支持更多的MN。尽管早期版本的IEEE802.16a和IEEE 802.16d都不支持域间移动性，然而IEEE 802.16e可以在步速下支持该移动性。WiMax目前已开始在IP层增加对移动性的支持。
5、蜂窝网和混合移动网络对移动性的支持
蜂窝网传统上是通过电路交换技术提供语音业务，蜂窝网络比较复杂。目前我国的蜂窝网络正从2G向3G过渡，其目标就是通过全IP网络架构提供高速多媒体业务。全IP的蜂窝网可以看作是基于IP的无线接入网（RAN）、全IP核心网和IP终端的组合。基于IP的RAN主要提供无线承载和无线资源管理。IP核心网结构包括分组核心网和新的IP多媒体子系统（IMS）。
3G蜂窝技术主要包括统一移动通信系统（UMTS）和CDMA2000系统。UMTS是从GSM演进而来的，而CDMA2000是从CDMAOne演进而来的。这两种技术都把移动和IP技术结合在一起，提供个人通信。UMTS和CDMA2000都通过隧道支持用户移动性。目前二者仅在链路层解决其移动性，还尚未在IP层解决该问题。可以看出在同一个区域可能存在几个不同无线网络的叠加，包括2G网络、3G网络、WLAN、无线WAN等。移动IPv6和它的分级移动性管理扩展将为网络间移动性和网络内部移动性提供很好的解决方案。在具有分级结构的移动IPv6技术下，移动IPv6将管理全球的移动性问题，而MAP则管理本地移动性问题。安全性和QoS在移动性上都有保证。
6、结束语
可以看出移动IP和移动IPv6是无线因特网实现移动性的关键技术。为了更好地改善移动IPv6的性能，人们提出了分级的IPv6技术。由于基于IP网络结构的原因，加密和鉴权都是必需的。基于IP的无线网络将是未来蜂窝网络的核心。在具有多个无线网络重叠的区域，移动IPv6和它的分级移动性管理扩展将提供网络问移动性和网络内部的移动性。但目前如何更加有效、安全地实现移动性仍然是有待进一步研究的问题。
