移動IP

移動IP

Mobile IP是為了滿足移動節點在移動中保持其連線性而設計的。Mobile IP現在有兩個版本,分別為Mobile IPv4(RFC 3344,取代了RFC 3220,RFC 2002)和Mobile IPv6(RFC 3775)。目前廣泛使用的仍然是Mobile IPv4...

  • 中文名稱
    移動IP
  • 外文名稱
    Mobile IP
  • 分類
    Mobile IPv4和Mobile IPv6
  • 數版本
    兩個

定義

最簡單的說,移動IP技術就是讓電腦網際網路區域網路中不受任何限製的即時漫遊,也稱移動電腦技術。

專業一點的解釋,移動IP技術是移動節點(電腦/伺服器/網段等)以固定的網路IP地址,實現跨越不同網段的漫遊功能,並保證了基于網路IP的網路許可權在漫遊過程中不發生任何改變。

實現漫遊

移動IP套用于所有基于TCP/IP網路環境中,它為人們提供了無限廣闊的網路漫遊服務。譬如:在使用者離開北京總公司,出差到上海分公司時,隻要簡單地將移動節點(例如:筆電、PDA設備)連線至上海分公司網路上,那麽使用者就可以享受到跟在北京總公司裏一樣的所有操作。使用者依舊能使用北京總公司的共享印表機,或者可以依舊訪問北京總公司同事電腦裏的share檔案及相關資料庫資源;諸如此類的種種操作,讓使用者感覺不到自己身在外地,同事也感覺不到你已經出差到外地了。換句話說:移動IP的套用讓使用者網路隨處可以安"家",不再忍受移動節點因"出差"帶來的所有不便之苦等等。

技術

代理搜尋:是計算節點用來判斷自己是否處于漫遊狀態。

轉交地址:是移動節點移動到外網時從外代理處得到的臨時地址。

登錄:是移動節點到達外網時進行一系列識別、註冊、建立隧道的過程。

隧道:是家代理與外代理之間臨時建立的雙向資料通道。

​流程

基于IPv4的移動IP定義三種功能實體:移動節點(mobile node)、歸屬代理(home agent)和外部代理(foreign agent)。歸屬代理和外部代理又統稱為移動代理。移動IP技術的基本通信流程如下:

(1)遠程通信實體通過標準IP路由機製,向移動結點發出一個IP封包;

(2)移動結點的歸屬代理截獲該封包,將該包的目標地址與自己移動綁定表中移動結點的歸屬地址比較,若與其中任一地址相同,繼續下一步,否則丟棄;

(3)歸屬代理用封裝機製將該封包封裝,採用隧道操作發給移動結點的轉發地址;

(4)移動結點的拜訪地代理收到該包後,去其包封裝,採用空中信道發給移動結點;

(5)移動結點收到資料後,用標準IP路由機製與遠程通信實體建立連線。

在移動IP協定中,每個移動節點在"歸屬鏈路"上都有一個唯一的"歸屬地址"。與移動節點通信的節點稱為"通信節點",通信節點可以是移動的,也可以是靜止的。與移動節點通信時,通信節點總是把封包傳送到移動節點的歸屬地址,而不考慮移動節點的當前位置情況。

在歸屬鏈路上,每個移動節點必須有一個"歸屬代理",用于維護自己的當前位置信息。這個位置由"轉交地址"確定,移動節點的歸屬地址與當前轉交地址的聯合稱為"移動綁定"(簡稱"綁定")。每當移動節點得到新的轉交地址時,必須生成新的綁定,向歸屬代理註冊,以使歸屬代理及時了解移動節點的當前位置信息。一個歸屬代理可同時為多個移動節點提供服務。

當移動節點連線在歸屬鏈路上(即鏈路的網路首碼與移動節點位置地址的網路首碼相等)時,移動節點就和固定節點或路由器一樣工作,不必運用任何其它移動IP功能;當移動節點連線在外埠鏈路上時,通常使用"代理發現"協定發現一個"外埠代理",然後將此外埠代理的IP地址作為自己的轉交地址,並通過註冊規程通知歸屬代理。當有發往移動節點歸屬地址的封包時,歸屬代理便截取該包,並根據註冊的轉交地址,通過隧道將封包傳送給移動節點;由移動節點發出的封包則可直接選路到目的節點上,無需隧道技術

為了支持移動分組資料業務,移動IP應解決代理發現、註冊和隧道封裝三項技術。

代理

移動IP通過擴展現有的"ICMP路由器發現"機製來實現代理發現。代理發現機製檢測移動節點是否從一個網路移動到另一個網路,並檢測它是否返回歸屬鏈路。當移動節點移動到一個新的外埠鏈路時,代理發現機製也能幫助它發現合適的外埠代理。

(1)代理布告(agent advertisement)

在所連線的網路上,歸屬代理和外埠代理定期廣播"代理布告"訊息,以宣告自己的存在。代理布告訊息是ICMP路由器布告訊息的擴展,它包含路由器IP地址和代理布告擴展信息。移動節點時刻監聽代理布告訊息,以判斷自己是否漫遊出在地網路。若移動節點從自己的歸屬代理接收到一個代理布告訊息,它就能推斷已返回歸屬,並直接向歸屬代理註冊,否則移動節點將選擇是保留當前的註冊,還是向新的外埠代理進行註冊。

(2)代理請求(agent solicitation)

拜訪地代理周期性地傳送代理布告訊息,若移動節點隻需獲得代理信息,它可傳送一個ICMP"代理請求"訊息。任何代理收到代理請求訊息後,應立即傳送。代理請求與ICMP路由器請求訊息格式相同,隻是它要求將IP的TTL域置為1。

註冊

移動節點發現自己的網路接入點從一條鏈路切換到另一鏈路時,就要進行註冊。另外,由于註冊信息有一定的生存時間,所以移動節點在沒有發生移動時也要註冊。移動IP的註冊功能是:移動節點可得到外埠鏈路上外埠代理的路由服務;可將其轉交地址通知歸屬代理;可使要過期的註冊重新生效。另外,移動節點在回到歸屬鏈路時,需要進行反註冊。

註冊的其它功能是:可同時註冊多個轉交地址,此時歸屬代理通過隧道,將發往移動節點歸屬地址的封包發往移動節點的每個轉交地址;可在登出一個轉交地址的同時保留其它轉交地址;在不知道歸屬代理的情況下,移動節點可通過註冊,動態獲得歸屬代理地址。

移動IP的註冊過程一般在代理發現機製完成之後進行。當移動節點發現已返回歸屬鏈路時,就向歸屬代理註冊,並開始象固定節點或路由器那樣通信,當移動節點位于外埠鏈路時,能得到一個轉交地址,並通過外埠代理向歸屬代理註冊這個地址。

移動IP的註冊操作使用UDP資料報文,包括註冊請求和註冊應答兩種訊息。移動結點通過這兩種註冊訊息,向歸屬網路註冊新的轉發地址。

隧道技術

隧道技術在移動IP中非常重要。移動IP使用IP的IP封裝、最小封裝和通用路由封裝(GRE)三種隧道技術

(1)IP的IP封裝

由RFC2003定義,用于將IPv4包放在另一個IPv4包的凈荷部分。其過程非常簡單,隻需把一個IP包放在一個新的IP包的凈荷中。採用IP的IP封裝的隧道對穿過的封包來說,猶如一條虛擬鏈路。移動IP要求歸屬代理和外埠代理實現IP的IP封裝,以實現從歸屬代理到轉交地址的隧道。

(2)IP的最小封裝

由RFC2004定義,是移動IP中的一種可選隧道方式。目的是減少實現隧道所需的額外位元組數,通過去掉IP的IP封裝中內層IP報頭和外層IP的報頭的冗餘部分完成。與IP的IP封裝相比,它可節省位元組(一般8byte)。但當原始封包已經過分片時,最小封裝就無能為力了。在隧道內的每台路由器上,由于原始包的生存時間域值都會減小,以使歸屬代理在採用最小封裝時,移動節點不可到達的概率增大。

(3)由RFC1701定義,是移動IP採用的最後一種隧道技術。除了IP協定外,GRE還支持其它網路層協定,它允許一種協定的封包封裝在另一種協定封包的凈荷中。在某些套用中,GRE防止遞歸封裝的機製也非常有吸引力。

套用

在3G移動通信中,cdma2000核心網可向移動使用者提供基于簡單IP的公網/專網接入業務和基于移動IP的公網/專網接入業務。

當使用者採用簡單IP方式接入時,將會從業務接入提供商那裏分配到一個動態的IP地址。該使用者可在一定地理範圍內的網路中,保持所分配的IP地址;當使用者移動出上述地理範圍時,則不再保持該IP地址。

當使用者採用移動IP方式接入時,可使用靜態IP地址,也可使用動態IP地址,這主要取決于其歸屬IP網路。在cdma2000網路範圍內或其它網路範圍內,使用者可任意移動,並能保持同一IP地址。在cdma2000系統中,移動IP套用的關鍵在于要引入一個支持移動IP外埠代理(FA)功能的分組資料服務節點(PDSN)。

2.1基于移動IP的網路參考模型

基于移動IP的cdma2000分組核心網路包括分組控製功能(PCF)、分組資料服務節點(PDSN)、識別受權和計費(AAA)以及歸屬代理(HA)。其中,PCF主要用于建立、維護和終止鏈路層到PDSN的連線,與無線資源控製(RRC)共同請求和管理無線資源,以便在移動台之間轉發封包。PDSN主要用于建立、維護和終止鏈路層與移動台的PPP會話,執行對移動使用者分組資料會話的識別、授權和計費,將移動台的IP地址對應成唯一的鏈路層連線或標識,按照QoS要求標記並處理封包。PDSN還增加FA(外埠代理)功能,負責提供隧道出口,並將資料解封裝,發往移動台。AAA負責管理使用者,包括使用者許可權、開通業務等信息。RADIUS伺服器。HA負責將分組資料通過隧道技術傳送給移動使用者,並實現PDSN之間的宏

移動管理。PDSN通過R-P接口連至無線網路(RN)。移動終端與PDSN之間的鏈路層協定採用PPP協定,網路層協定則採用IP。

2.2cdma2000中的移動IP技術

移動台通過空中接口連至具有PCF的基站。移動台經由PPP連至cdma網路後,它與PDSN之間的鏈路層連線宣告建立。PPP連線初始化後,PDSN傳送一條代理廣播訊息到移動台,移動台產生移動IP註冊請求;PDSN採用AAA協定,將該請求訊息發往HA,從歸屬代理返還的訊息中,提取移動IP註冊應答訊息,並將它發至移動台。

在同一PDSN內,RN之間的切換通過將先存的R-P鏈路轉移到新的RN,並終止與原RN的連線實現,,在不同PDSN之間切換時,業務信道將被轉移到新的RN,並在新RN與新PDSN之間,建立一個新的分組業務會話標識,關閉舊的PDSN連線。通過會話標識,新PDSN識別出這是一個新的R-P鏈路,而不是原鏈路。若系統支持移動IP的路由最佳化,則附帶的更新訊息將被發往相關主機,主機便開始向新的PDSN傳輸封包

發展

隨著人們對移動通信業務的需求日益迫切,使用者的入網註冊、路由選擇、安全防護以及對移動使用者的支持,已使IPv4協定的局限性暴露出來,並成為IPv6產生和發展的必要趨勢。

移動IPv6技術是在IPv4的基礎上發展起來的。它定義了移動節點,通信節點和歸屬代理三種操作實體。由于IPv6地址空間巨大,而且每台路由器都要求實現路由器搜尋,所以不再有外埠代理的概念。四種新的IPv6目的地選項包括綁定更新、綁定認可、綁定請求和歸屬地址。為了實現"動態歸屬代理地址發現"機製,IPv6定義了兩種ICMP訊息類型:歸屬代理地址發現請求訊息和歸屬代理地址發現應答訊息。另外還定義了兩種"鄰居發現"選項:宣告訊息間隔和歸屬代理信息選項。

在移動IPv6技術中,在與外埠鏈路連線的移動節點上,可同時採用隧道和源路由技術傳送封包。另外,移動IPv6的高層功能也包括代理搜尋、註冊和選路。

移動IPv6通過ICMPv6路由器搜尋,確定它的轉交地址。移動節點不僅將轉交地址告訴歸屬代理,而且還告訴各通信伙伴,以使它們發出的封包可也移動IPv6中一樣路由,實現路由最佳化,而不全是三邊路由。移動IPv6選路報頭以及AH、ESP等基于SKIP和基于ISAKMP/Oakley的穿越放火牆方案,不但簡化到移動節點路由選擇,還保證路由最佳化的安全性。

結束語

因特網的迅猛發展遠遠超出人們的最初預想,快速地影響著人們的日常生活。到2004年,每10人中會有4人使用行動電話上網沖浪。分組型的GPRS、EDGE和cdma2000-1X都僅僅是通向全移動多媒體的第一步,WCDMA和cdma2000-3X的3G移動網路將使資料傳輸速率提高到2Mb/s甚至更高。移動世界正大步向全IP網路演進,因特網將被裝入每個人的口袋之中。

原理

移動IP與有線手段實現接入的IP技術有什麽不同?我們先看看移動IP技術需要以固定的網路IP地址,實現電腦跨越不同網段的漫遊功能,並保證基于網路IP的網路許可權在漫遊過程中不發生任何改變。就像現在使用的行動電話。

在移動網際網路中如何實現移動IP?首先每個網路中都需要部署代理路由器,每一部在地的終端設備都會在這個代理路由器上註冊(如同每個手機號碼都在歸屬地註冊),終端設備會獲得一個歸屬于此網路的IP地址,所有封包都可以以終端IP地址作為目的地址到達這個終端設備。這個代理路由器稱為家鄉代理(Home Agent,HA)。

其次需要部署外地代理伺服器。當終端設備漫遊到外地網路時,終端設備需通知家鄉代理以及所在網路的代理路由器,這個代理路由器稱為外地代理(Foreign Agent,FA)。家鄉代理和外地代理之間將建立一個隧道。(如同手機在漫遊地註冊,然後漫遊地網路通知手機號碼的歸屬地網路)。

再次需要使用隧道技術。在通信的過程中,封包仍然將終端設備的原地址作為目的地址,首先到達家鄉代理。家鄉代理根據終端設備的記錄,通過隧道,將這個封包轉發給外地代理。外地代理再轉發給處于外地網路中的終端設備。(如同電話先達到被呼叫號碼的歸屬地網路中,歸屬地網路根據被呼叫號碼的漫遊記錄,把電話轉到漫遊地,再由漫遊地網路互通手機。)移動IP的原理如圖1所示。

問題

雖然移動IP得到了快速發展,但移動IP還存在很多問題,主要問題有:

(1)"三角路由"問題

通信主機(CH)發往移動主機(MH)的分組必須經過在地代理(HA),而從MH發往CH的分組是直接傳送的,兩個方向的通信不是同一路徑,產生"三角路由"問題,這在MH遠離HA,CH與MH相鄰的情況下效率尤其低下。

(2)切換問題

切換問題指從MH離開原先的外地網路開始,到HA接收到MH的新的註冊請求為止的這段時間內,由于HA不知道MH的最新的轉交地址(COA),所以它仍然將屬于MH的IP包通過隧道傳送到原先的外地網路,導致這些IP包被丟棄,使得MH與CH間的通信受到影響(特別是在切換頻繁或者MH到HA的距離很遠時)。

(3)域內移動問題

在小範圍內MH的域內頻繁移動會導致頻繁切換,從而導致網路中產生大量的註冊報文,嚴重影響網路的性能[5]。

(4)QoS問題

在移動環境下,由于無線網路拓撲和資源是動態變化和不可預測的,並且由于資源有限、有效頻寬不可預測、差錯率高,從而在移動IP上提供QoS保證是一個非常棘手的問題。

套用

移動IP主要有三方面的套用:公眾服務、個人信息服務和商業套用。

公眾服務可為使用者即時提供最新的天氣、新聞、體育、娛樂、交通及股票信息等;個人信息服務包括:流覽網頁信息,收發短訊息、電子郵件,統一傳信,提供電話增值業務等;商業套用除了辦公套用,移動商務是最有潛力的套用。股票交易、開展銀行業務、購物、拍賣、機票及酒店預訂、旅遊行程和路線安排、產品訂購可能是移動商務中最先開展的套用。所有這些套用中,短訊息是最有普及性的套用。市場調查公司Yankee Group Europe的統計資料顯示:真正具備3G功能的手機將延後到2004年底才能上市,2005年以前,短訊息服務(SMS)將比移動上網、流覽網頁服務更重要[10]。

在商業套用中,金融行業移動IP的套用--"永不間斷主機遠程即時遷移"指:在IP網路上運行的主機(如各類前置機、各類伺服器等)由于不可預測等因素導致系統停止工作時,為了不中斷與該主機相關的所有客戶機的業務連線,啓動在遠程預先設定的備份機(與主機的網路設定完全一致)移動IP客戶端軟體,通過移動IP代理伺服器使得備份機即時接替主機工作。遷移對主機所有相關的客戶機完全透明。

移動IP的另一個動向是開創話音門戶和話音使能網站,在因特網上提供話音套用,即任何人可以通過電話從因特網上獲取話音信息,讓電話獲得新的套用。預計到2005年大約會有1 800萬使用者使用這種話音套用,到2006年其設備和業務市場將能達到1 200億美元。有的公司(如美國的Audio point公司)已經利用先進的互動式話音回響(IVR)技術來為媒體、銀行、金融和旅遊業開闢各種套用,讓使用者不用同話務員講話就能獲得他們所要的信息。Dialogic公司建立了一個話音門戶平台,使用者可以通過電話立即接入因特網。還有不少公司都在開發更好的話音識別、合成軟體和話音引擎。

展望

移動IP技術是在傳統網路中實現下一代網路套用的核心技術,移動IP技術是IP技術發展的新領域,是無線通信技術和IP技術的融合。

移動通信技術正由第二代向第三代平滑過渡,目前處于2.5G時期。在這一時期,移動IP技術將的套用尚屬起步階段。移動IP技術首先在企業網中得到套用,但IP網路頻寬有限,限製了移動IP接入速度和功能的發揮。

進入3G後,隨著製約因素的逐步消除,移動IP的套用會越來越廣泛,移動IP的功能將得到充分發揮。移動網際網路和移動IP技術將在3G時代充分融合,互相促進。將極大地改變人們的工作方式和生活方式。在未來信息無所不在的時代,網路將依靠其無法比擬的彈性、可移動性和極強的可擴容性,以及建網迅速、維護方便等優勢,使人們真正享受到簡單、方便、快捷的連線。移動IP使網路具有靈活的移動性,將以獨特的優勢、強大的功能顯示其獨特的魅力。

4G時代,移動IP將作為主流技術得到普及套用,因為4G系統的無線連線速率在初期就可達到撥號調製器的90倍,是移動上網速率的300倍,下載速率可達5~10 Mb/s。4G技術將促進移動通信和IP的進一步融合,使移動IP和移動網際網路實現統一。在將來從寬頻的CDMA向全IP演進的網路中,在未來的全IP的移動通信系統中,運營商提供給使用者的內容將更加豐富,費用也更加低廉。首先,在全IP網路中,語音、簡訊和其他一些通信業務基于IP包交換技術,無疑將導致通信成本的降低,使用者可以支付更少的費用來享受同等質量的服務;其次,通過IP,使用者可以非常容易地把新型通信業務和傳統的語音業務結合在一起,這樣就可以通過IP網路來同時傳輸各種信息,滿足通信雙方多方面的需要,讓使用者交流起來更加方便和生動。可以展望,將來移動使用者的高速接入、網路使用者的靈活移動將成為通信的最主要最普遍的業務途徑,移動IP將發展成為通信產業套用最為普及的主流技術。

移動多媒體離我們還有一段距離,移動多媒體市場隻有經過2.5代系統的培育才會趨于成熟,才可能搞清3G最主要的業務特征和最具吸引力的套用。還有一點要強調的是,即便到了3G時代,功能更強和功率更有效的微機、容量更大的存儲器以及更好的顯示器使手機具有如今台式電腦才有的功能特點,使用者也不會像使用電腦一樣使用行動電話。因為使用手機不可能像使用電腦那樣方便,文字輸入難,螢幕小,電池壽命短,不支持像電腦那樣長的運算周期等因素都對3G手機的使用造成限製。行動電話隻能成為人類的網路伴侶,幫助人們移動上網,通過流覽器獲取信息。

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