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王传令
北京邮电大学22信箱Y002班
摘要
下一代无线网络标准现在正在被制订，尽管各种不同的无线网络提供的服务非常相似，但已经有一部分接入网的体系结构根据它们各自的无线链路技术制订出来。在本文中，我们介绍了一种基于IP的网络作为不同的无线技术的通用接入网。基于IP的接入网使用Internet标准和移动IP来支持移动主机的宏移动，使用HAWAII来支持当前无线网络中的微移动和呼叫功能。我们还说明了这种基于IP的解决方法如何与当前存在的基础设施互联互通的问题，因为只有这样才能使这种方案能逐渐的被采用。
简介
目前，由于用户和新应用的增长，Internet上的业务呈现了指数增长的趋势。无线网络也由于用户的增长而呈现快速增长的势头，现在很多人开始努力研究如何在无线接入网上提供数据服务的问题。
Internet协议（IP）是现在正在运行的占主导地位的网间互联协议。在理论上选择IP作为无线数据网的联网协议有几个方面的原因：第一，如果使用基于IP的网络，为有线数据网编写的应用系统还可以运行在无线网络上。第二，出于所需成本的考虑，可以建立和管理综合无线和有线的网络。第三，IP技术的优势，比如IP电话和服务质量（QoS）等，都可以直接的应用到无线网络上。这将使基于IP的无线网络不仅可以提供数据服务还可以提供语音服务，因此也使它们可以接入巨大基数的蜂窝语音消费者用户。
我们认为，所有的与移动有关的功能都应该在IP层处理。这就使得独立于各种无线接口的无线接入网可以得以部署。仅特殊的无线链路处理与基站有关，这一点我们通过扩展运行在接入网中的路由器和基站上的IP层软件来实现。
我们采用IP移动性协议的基于域的划分思想。采用基于域方法的原因在于考虑到大部分移动是在一个域中进行的，特别是大多数用户的移动是发生在网络的同一个行政管理域内，由于行政管理域是在一个管理局的控制下，这就使得将各种对移动的支持合并在基础设施上成为可能。基于域的管理方法与当前的路由选择协议的划分相类似，现在的路由选择协议划分为域内的路由选择协议RIP或OSPF和域间路由选择协议如BGP。当前对移动管理的另一个解决方法是蜂窝IP，它也是采用了基于域的方法。然而，蜂窝IP域中的网络元素是专门面向移动管理的，而我们的解决方法是增强常规的IP路由器使其带有对移动的支持，这样就使得这些路由器也可以被用来为其他的有线IP业务进行路由选择。
在本文中，我们介绍了基于IP的接入网基础设施，它主要是面向下一代无线网络的。在接入网中，我们使用了Internet标准和移动IP作为域间协议来支持宏移动，同时，我们使用被称为HAWAII的移动IP的扩展协议作为域内协议来支持微移动和呼叫功能。在切换期间，HAWAII引起的对用户业务的中断比移动IP要小的多，并且它对归属代理的更新也比移动IP要少。HAWAII的呼叫支持可以大大提高移动主机电能的消耗。此外，因为HAWAII允许移动主机在域内移动时保持他们的网络地址，这样就简化了QoS的支持。最后，我们还说明了我们提议的基于IP的解决方法如何与当前的无线基础设施互通，只有这样才能得到广泛的实施。
文章的其他部分是这么组织的：我们首先概述了新兴的广域无线数据网的体系结构，说明了来自欧洲和北美的两个标准的体系结构。接着，我们还介绍了一种基于IP的无线接入网络体系结构，它使用的是移动IP和HAWAII，其中HAWAII是对移动IP 的增强。我们还说明了我们的基于IP 的体系结构如何成为下一代广域无线数据网络体系结构的一部分。最后，我们介绍了我们的结论。
新兴的无线数据网体系结构
这里我们将概述两种无线数据网络体系结构，它们现在都正在被研究和开发。
·GPRS
通用分组无线业务（GPRS）是由欧洲电信标准协会（ETSI）制订的标准，它主要是通过使用全球移动通信系统（GSM）蜂窝网来提供分组数据业务。图1示出了GPRS网络的高层示意图。GPRS为移动管理使用了链路层和新定义的高层技术的结合。
图1 GPRS网络体系结构
在空中接口上，GPRS支持注册、身份验证、无线寻呼和切换，还有面向信道访问的过程来发送数据分组。GPRS允许移动主机运行在两个截然不同的状态：一种是活动状态，在这种情况下，网络知道移动主机的当前的基站位置。另一种是等待状态，在这种情况下，网络仅仅知道用户的大概位置比如移动主机所处的基站组被称作寻呼区域（paging area）。定义等待状态的目的是减少主机的电池消耗，这主要是通过当移动主机离开寻呼区域时它才通知网络来实现的。如果去往等待状态移动主机的数据包到达无线接入网，GPRS业务支持节点（SGSN）在移动主机的呼叫域内呼叫移动主机，这样做是在转发数据包之前确定移动主机当前的基站。
在骨干网中，GPRS定义了一种新的隧道协议，它是建立在IP网络之上的，被称为通用隧道协议（GTP），它主要是处理设备移动，同时它还支持注册和身份认证。通过隧道传播的数据分组在其外面被封装了一个GTP/UPG/IP头，这就为每个数据分组增加了48字节的头开销。GPRS也为每个用户定义了QoS轮廓，它主要包括优先级、时延、可靠性和峰值和均值吞吐量类型。然而，定义的GPRS规范的QoS机制的缺点是在IP QoS的优势如综合业务和有区别的业务不能直接的应用了。
在图1中，来自移动设备的空中接口协议终止在BTS/BSCs上。GTP隧道在两个GPRS网关路由器之间：SGSN终止了隧道的一端，并且使用链路层协议将数据分组直接打包送入正确的BTS/BSC；网关GSN（GGSN）终止了GPRS隧道的另一端，它对于Internet来说是一个网关，当设备在SGSNs间移动时，将建立新的GTP隧道来管理移动。当设备在同一SGSN的不同BTSs/BSCs之间移动时，要在链路层完成切换。
GPRS在支持签证、注册和漫游时重新使用了GSM网的基础设施。每个SGSN都被连接到一个访问位置寄存器（VLR）上，VLR保存着当前连接到它上面的用户的临时数据库。已注册用户的永久数据库被保留在归属位置寄存器（HLR）上，并且有一个指针指向它们当前的VLRs。无论何时当一个新的用户必须被认证时，VLR与用户的HLR相联系，HLR使用认证信息来响应VLR，这个认证信息是由一组随机的询问和它们相应的应答组成的，通过HLR与用户共享的密码关键字来获得这些信息。通过向用户发送询问并把它的应答与从HLR得到的应答相比较，VLR就完成了用户认证。对于SGSN和用户之间的加密也一样，HLR可以向VLR发送一个加密密钥，这个加密密钥仅仅由用户和HLR知道，它是从同样的密码关键字中获得的。
CDMA
CDMA网络使用链路层和IP层技术的结合来管理移动性。图2示出了CDMA网络的简图。CDMA网络定义了一个空中接口，它与GPRS网络中的空中接口执行相同的功能：注册、认证、呼叫、切换和隧道访问等。为CDMA数据网定义的网络协议也是基于IP的。
图2 CDMA网络体系结构
GPRS和CDMA网络一个直接的最重要的不同是在CDMA网络中，在软切换期间移动设备可以与多个基站通信，因此就发送了多个副本数据帧，这样就增加了用户数据正确接收的概率。象图2中示出的一样，复制数据帧被一个专门的叫做帧选择器的网络元素接收到，然后，它就把数据帧以最大不受损坏的概率转发出去，并且丢弃所有的其他帧。这些帧被一个互联功能（IWF）单元接收到，然后它把数据帧重组进IP分组中发送到Internet上。对于漫游，IWF起到象移动IP外区代理一样的作用。
对于基站之间的移动，就由链路层技术来管理了。对于帧选择器之间的移动，可以由移动IP来管理，这一点将在后面讨论到。还要注意的是在这种情况下，归属代理和外区代理之间的数据分组使用IP-in-IP隧道进行了封装，这样就为每个数据分组增加了20字节的头开销。
CDMA网络使用与GPRS相同的HLR/VLR机制来支持用户认证、注册和漫游。另外，CDMA网络使用为移动IP定义的认证程序。
基于IP的无线数据网
前面已经说明，IP在每个体系结构中成了骨干网的基础，同时，还有几个专门的组件和程序在接入网中为提供移动性支持服务。我们预想下一代无线接入网是一个纯IP网络，在这种情况下，基站将是可寻址的实体。在本章的其他部分，我们在描述我们的基于IP的体系结构时都是在基站可寻址的假设下进行的。我们将在后面看到，当把这种体系结构映射到当前的无线接入网时，一种可取代基站的替代品怎样通过合适的移动主机的下一跳实体来替代基站。
·移动IP
移动IP是当前在IP网络中支持宏移动的标准。移动IP定义了两种实体来提供移动支持：归属代理和外区代理。归属代理静态的分配给移动主机，它是基于移动主机的永久归属IP地址来分配的。外区代理是基于移动主机当前的位置来分配给移动主机的。与外区代理相关联的IP地址叫做转交地址。去往移动主机的数据包首先被归属代理截获，然后可能使用IP-in-IP技术通过隧道将它转发给外区代理，这里使用了转交地址。外区代理解封装数据包，然后将它们直接转发给移动主机。因此，外区代理是与移动主机最靠近的IP实体，在无线网络中可能是基站或者直接连接到基站上的路由器象CDMA网络中的IWF一样。
移动IP要求对每个信令消息认证来防止恶意用户建立未授权的隧道。为了达到认证目的，在用户和他们的归属代理之间、归属代理和外区代理之间还有用户和外区代理之间存在安全性联合。这种安全性联合可以被静态的设置，主要是通过向感兴趣的组件发布永久密钥来完成的。然而，每个安全性联合的静态设置都可能导致很严重的问题，特别是在广域网上更是如此。为了避免这个问题，IETF正在对协议和体系结构进行标准化，以允许认证、授权和计费（AAA）服务器向移动IP节点发布短时认证密钥。在这种情况下，安全性联合由AAA服务器动态的设置，并且仅仅持续一个会话周期。
移动IP提供了一种比较好的结构框架，它允许用户在他们的归属网络外漫游，同时还不中断他们的应用。然而，它不是专门为宽带无线网络或者管理微移动而设计的，并且在下一代无线网络中，基站间的切换将在IP层处理，因此它在用到下一代无线网络体系中时具有很多局限性：
第一，移动IP统一处理所有形式的移动；因此，当一个用户仅移动一个短距离时，尽管他可能只在两个基站之间移动，也使用与另一个从远程域注册的用户相同的机制。这需要改变移动主机的IP地址并且通知归属代理自己的移动。因为这样的移动可能频繁发生，所以这些通知的开销是应该考虑的问题。这也可能在切换发生时引起对用户业务重大的损坏（丢失或延时）。此外，数据通过隧道处理可能导致非最佳路由和头开销。
第二，移动IP不支持呼叫。呼叫功能不要求主机频繁的更新网络，这样主机只提供给网络大概的位置信息，以这种代价来提高移动主机上的能量管理。在移动IP中，移动主机被需要在每一次移动时都更新网络。这样导致移动主机过多的电池能量的消耗，这一点对于广域无线设备来说是无法接受的。
最后，当前在Internet中通过使用不同的和综合的服务来提供QoS还具有巨大的利润。使用移动IP的移动主机每一次从一个基站切换到另一个基站时都需要一个新的转交地址。这可能就会触发新的从归属代理到移动主机间的QoS预约，甚至在移动主机和归属代理之间的大部分路径都没改变时也需要新的预约，这种情况在一个域内进行局域移动时也会发生。
总之，当移动IP作为广域无线数据网中的移动性协议的基础时，它还有几个方面的局限性。因此，我们就扩展了移动IP的这些限制。我们的基于IP的无线接入网将在下面讨论到。
HAWAII
我们现在就通过一个例子来说明一下我们提议的基于IP的移动解决方法，这个例子分为四个部分：上电，微移动，呼叫和宏移动功能。我们最后讨论HAWAII中的安全性问题。
上电－我们的基于IP的接入网被分割为域的层次，与Internet中的独立系统层次相类似。进入每个域的网关被称为域根路由器，每个主机被认为具有一个IP地址和一个归属域，尽管这个地址分配可以是静态的，我们还是宁愿移动主机在上电期间通过DHCP来分配一个动态地址，这样做的目的是能在无线接入网中更加有效的使用IP地址。在这种情况下，假如移动主机上电时所在的域属于移动主机的服务提供者，域就变成了主机的归属域。因为移动主机一般起到客户的作用，当它们激活它们的应用时，它们的服务器将学习它们的IP地址，同时，目录服务器也学习主机动态分配的地址。
移动主机动态地址的使用与Internet服务提供商为固定主机提供的拨号模式的服务相类似，不同点在于无线网络中的用户是移动的，并且归属域是由主机上电的位置来确定，而不是由哪一个MODEM访问号码被拨叫来确定。除了比静态分配IP地址需要更少的IP地址外，下面我们将看到这样做同时也导致只要用户在上电期间不移出域，就会有最佳的路由选择而不带有隧道。
在我们的体系结构中，当在一个域中运转时，移动主机保持着分配给它的IP地址而不管它的位置在哪里。为了维护域根路由器和移动主机间的IP路由，HAWAII在移动主机移动时建立了一个专门的路径。这个为建立和维护与移动主机的连接而更新所选择的路由器的算法被称为路径建立方案，上电的路径建立方案参见图3说明。
图3 上电
图3示出了两个HAWAII域，域中有边界路由器、域根路由器1和域根路由器2，两个基站BS1和BS2被认为是多播组239.0.0.1的一部分；这关系到呼叫，在下面将讨论到。图中还示出HAWAII的转发记录都与路由器相毗邻，这些记录都用一个消息来指明哪个消息负责建立这个条目（零消息数字表明的是先前存在的记录）。记录是由一个IP地址和一个多播地址组成，此IP地址带有一个输出接口数字，它是用来转发去往这个IP地址的数据包，IP地址还带有一个多播地址，它对应于用户当前连接上的基站组。
移动主机首先向它的当前的基站发送一个移动IP注册消息（1）。基站BS1根据注册消息的参数确认移动主机是在它的归属域上电后，就为移动主机增加一个转发记录并且触发一个HAWAII上电消息（2）发向路由器3。路由器3同样也为移动主机增加一个向基站BS1转发记录，并且同时向域根路由器发送一个消息（3），路由器R1增加一个向路由器R3的转发记录，并向基站回发一个确认消息（4），然后基站就向移动主机发送一个移动IP注册应答（5）。
当去往移动主机IP地址1.1.1.100的数据包根据IP地址的子网部分（1.1.1.0）到达域根路由器时，它根据HAWAII建立的基于主机的转发记录，经过R1、R3和基站传送到移动主机。应当注意的是，在这种情况下没有使用隧道，数据包通过一个最佳路由到达移动主机。
微移动－现在让我们考虑一下当移动主机从BS1切换到BS2时会发生什么情况。交换的消息序列如图4所示，应当注意移动主机一直维持着它的IP地址（1.1.1.100），这是因为这个移动是在同一个HAWA11域内进行的。
图4 域内切换
与前面一样，移动主机向它的新基站BS2发送一个移动IP注册消息（1）用来通知BS2它的前基站是BS1。BS2 向BS1发送一个HAWAII切换消息（2）。BS1为移动主机增加一个记录，这样后来的数据包就被通过它转发到BS2，然后，它就向R3发送一个HAWAII消息（3），R3把它的转发记录从端口3变成端口4，这样去往移动主机的数据包现在就被送往BS2，然后，R3就向BS2发送一个HAWAII消息（4），这个消息更新了它的转发表并且向移动主机发送一个移动IP注册应答。
这个更新路由器和基站的方法在HAWAII中称为转发路径建立方案。这在时分多路存取（TDMA）之类的网中很有用，这种情况下移动主机不能同时侦听两个基站。在如CDMA网络的情况下，移动主机可以同时侦听多个基站，这样就有可能直接从R3转移业务而不是转发业务，这就产生一个更新路由器的不同的算法，这种算法在HAWAII中叫做非转发路径建立方案。这些为不同无线网络进行定制的路径建立算法的优势是对用户业务的损坏达到了最小化，这在下一代无线数据网中要求的很严格，因为在下一代无线网中将可能运载IP上的语音和其他的多媒体业务。这些路径建立方案与现在的CDMA网络中的软切换相似。
HAWAII和它的路径建立方案的另一个重要的方面是它们运行在本地。在图4中，仅仅R3和两个基站来处理更新。R1由于它的转发条目指向R3没有改变，所以，它在移动主机的移动中没有受影响。
最后，当在同一域内移动时保持移动主机的IP地址不变这种特征可以对QoS进行直接的支持。在使用预约协议如RSVP的情况下，在切换期间仅仅需要将预约保存在本地，先前在其他路由器比如R1和骨干路由器上的预约可以保持不变，这主要是因为用来区别数据流的移动主机IP地址保持不变的缘故。
呼叫－回顾一下GPRS中的呼叫，呼叫功能是由SGSN以集中的方式执行的，并且，呼叫可以被认为是一种链路层功能。在我们的体系结构中，我们用HAWAII以一种分布的、可伸缩的和灵活的方式来支持IP层的呼叫。
假设图4示出的移动主机是空闲的并且正在进入待机状态，随后，网络仅知道移动主机在它的呼叫域的某一个基站中，在本例中用BS1和BS2来表示。在我们的体系结构中，我们使用一种IP多播组地址（239.0.0.1）来识别属于同一个呼叫域的基站组。当去往移动主机的IP数据包到达域根路由器时，网络需要呼叫BS1和BS2来确定移动主机的确切位置，在这种情况下，将数据发送到移动主机的整个过程见图5。
图5 呼叫
数据包首先到达R1，根据它的转发记录，R1知道移动主机处于待机状态。然而，R1确定它不属于移动主机239.0.0.1呼叫域的多播树（这里我们假定连接BS1和BS2的多播树的根在R3），因此，R1就通过端口4将数据包转发给R3，R3执行同样的处理同时分辨出它是移动主机呼叫域多播树的一部分，然后，它就缓存数据包同时向组播地址发起一个HAWAII呼叫请求（1），BS1和BS2都属于这个多播组，它们接收到这个呼叫消息后，就用基本的链路层技术各自通过自己的无线接口广播一个呼叫消息（2），移动主机在本例中在BS2的下面，当它收到链路层呼叫消息后（通过周期的扫描广播呼叫信道），它向BS2发送一个移动IP注册消息（3），这就触发了一个从BS2到呼叫发起者BS3的HAWAII路径建立消息（4）。更新的转发条目也被建立在BS2和R3上。缓存的数据包（还有到达的其他数据包）随后通过BS2转发到移动主机。
这个呼叫过程算法的目的是将呼叫的负担转移到基站和低层路由器上，同时让它们远离开域根路由器，这样做就使得扩展缩性就增强了。
在IP层执行呼叫的一个好处就是它的灵活性。例如，在当前蜂窝网中使用的以及上面的例子介绍的固定呼叫方法只能向属于一个呼叫域的固定基站组呼叫，在基于IP的方法中，呼叫域是由多播组的成分决定的，这就使得其他的方法比如分层等得到使用。
宏移动－最后，我们说明一下当移动主机在连接到不同HAWAII域的两个基站之间移动的情况。在这种情况下，移动主机获得第二个地址也就是转交地址。我们采用了移动主机的联合转交地址（CCOA）方式，这主要是因为CCOA都够独一无二的识别移动主机从而支持QoS。然而，如果需要的话，基于网络的转交地址模型也可以结合使用。在这个例子中，移动主机从新域获得一个2.2.2.200的CCOA。域内切换的消息序列交换如图6。
图6 域间切换
移动主机向BS3发送一个移动IP注册消息（1），根据消息的参数，基站检测到这是一个域间切换。BS3首先在域中（2－4消息中标示的域）初始化HAWAII上电进程，这主要是为2.2.2.200分配的地址建立基于主机的记录，然后，它就向移动主机R1的归属代理发送一个移动IP注册消息（5），归属代理是与域根路由器相关联的。这样，R1的归属代理建立一个隧道记录，它将把去往IP地址为1.1.1.100的移动主机的消息通过隧道转发到主机新配置的地址。根据从归属代理来的对移动IP注册消息（6）的回应，BS3向移动主机发送一个确认消息（7）。
在这时候，去往移动主机地址为1.1.1.100的数据包到达R1，然后，它们通过隧道到达2.2.2.200地址。带有2.2.2.200地址的通过隧道的数据包根据地址的子网部分到达R4，然后根据建立的HAWAII前向转发条目通过R5和BS3到达移动主机。随后的移动主机在新域的切换将象前面在微移动部分介绍的那样由HAWAII局部的处理。因此，归属代理仅仅当移动主机穿过域的界限时发生。
安全性－HAWAII面临着与其他任何对IP移动分区化管理方法同样的安全性问题。由于HAWAII网络是分级组织的，并且它们在基本移动IP上面的性能优越性是通过切换程序只包括本地节点来实现的。因此，如果不包括归属代理，基站必须能够：
·验证来自移动主机移动IP消息的可靠性
·产生一个移动主机是可信的回应
为了实现这个目的，三个独立的安全联合必须到位：第一个是在基站和移动主机之间，第二是在基站和归属代理之间，第三个实在归属代理和移动主机之间。为了这个目的，AAA基础设施能够分配三组验证密钥到移动主机、基站和归属代理。基本的移动IP验证方案必须是可修改的，特别是在不包括归属代理的切换的情况下，移动主机必须准备着接受注册信息回复，此回复信息仅仅包括基站产生的验证信息。同时，归属代理必须准备着接收代理注册请求，这是由基站代表移动节点产生的。这种请求将不包含任何由主机产生的验证信息，仅包括基站提供的验证数据。
基于HAWAII的下一代无线数据网
由于无线接入网络已经有一个很大的基础，我们的体系结构在开始部署的时候必须与现在的接入网互通。在这种情况下，基于GPRS的接入网BSC或者基于CDMA接入网的帧选择器都将有可能是移动主机的下一跳IP节点。这里，我们描述了两种方法，HAWAII在这两种方法中都被使用到，并且都用来增强基于IP的网络的微移动。
一种纯基于HAWAII网络
图7在示出了一种纯HAWAII网的高层图。HAWAII协议运行在网络中用来连接移动设备和域路由器。在GPRS网络中，BSC/BTS对于空中接口起到第二层桥的作用。在这种情况下，连接到同一个BSC的BTSs之间的移动就被链路层的技术处理，在BSC之间的移动是由HAWAII处理的。在CDMA网络中，帧选择器与BS一样的方式对于空中接口起到桥的作用。
图7 基于HAWAII的体系机构
为了支持验证和漫游，可以使用HLR/VLR基础设施来验证空中接口的接入，而基于AAA的基础设施可以用来支持移动IP和HAWAII事务的验证。也就是说，HLR能被AAA接口增强，为GPRS/CDMA和移动IP/HAWAII提供综合的支持。
一种部分基于HAWAII网络
图8示出了另外一种情况，其中，HAWAII被用来在移动网络中进行移动管理，同时使用不同的技术保持连接到骨干网上。认证基础设施保持与前面纯HAWAII网络中使用的一样。
图8 HAWAII在接入网中
对于GSM，骨干网可能是GPRS网。HAWAII域路由器被连接到SGSN上。GPRS协议比如GTP可能被用于注册、验证和高层移动。HAWAII可能被用于微移动和呼叫支持。在这种情况下，HAWAII的微移动管理的好处体现在传输用户数据上，同时，GPRS协议被用来访问数据库，允许GRPS基础设施和管理被重新使用。
在CDMA网络中，骨干网可能是基本的移动IP。外区代理可能被放置在域根路由器上。在这种方式下，再次的微移动可能被HAWAII处理而漫游被移动IP处理。
结论
在本文中，我们介绍了一种基于IP的无线接入网络体系结构，它支持不同的广域无线技术。这个基于IP的网络使用Internet标准和移动IP来支持移动主机的宏移动，使用HAWAII来支持当前无线网络的微移动和呼叫功能。我们还说明了所介绍的基于IP的解决办法如何与其他现存的基础设施互联，这样才可以实现这种网络的不断的扩展。
由CHINA通信网组稿
