移動IPv6及其在3G網絡中的應用

2019-11-03 08:58:46

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供稿：網友

徐貴寶　肖延敏　王燕

　　摘要：快速增長的移動數據業務需求推動著ipv6（尤其是移動IPv6）和３Ｇ不斷向前發展。對移動IPv6的通信原理以及３Ｇ數據網絡的基本結構與協議棧進行了描述，并在此基礎上對移動IPv6在３Ｇ網絡中的實現進行了探討。

　　關鍵詞：IPv6，３Ｇ，移動數據

一、移動數據需求強烈

　　據ＣＮＮＩＣ統計，截至２００４年６月３０日，我國的上網用戶總數為８７００萬，與２００３年底的調查結果相比增加了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月的第一次調查結果（６２萬戶）相比，現在的上網用戶數已是當初的１４０．３倍。可以看出，在今天這樣一個信息社會，人們的數據需求越來越強烈。人們不但對數據通信的需求量越來越大，同時也對數據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據，這樣就自然而然地提出了數據終端的移動性要求。為了使數據終端能夠在移動的過程中進行通信，移動ＩＰ技術應運而生。從ＣＮＮＩＣ近十次的調查數據來看，在使用計算機上網的同時使用移動終端、信息家電等設備上網的用戶在逐漸增多，已從２０００年１月調查的２０萬戶增加到現在的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，移動數據用戶的增長速度要遠遠高于普通數據用戶的增長速度。

　　隨著數據應用的發展速度越來越快，ＩＰｖ４協議逐漸暴露出了諸多弊端，具體表現為地址數量太少、路由表迅速膨脹、配置過于復雜、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基本已經不能再滿足人們對數據應用的需求。IPv6的出現給數據應用帶來了福音，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增強了許多。

　　人們對移動數據的需求如此強烈，目前的移動通信網絡是否能夠承受如此之大的數據通信任務？沒問題，第三代移動通信（３Ｇ）技術已經誕生。與現有的移動通信系統相比，３Ｇ網絡在核心網上全面采用ＩＰ包交換及控制技術，具有頻譜利用率更高、通信容量更大、通信質量更好、數據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，包括網上購物、位置查詢、銀行業務、電子新聞等互聯網服務，視像消息、電視新聞、電視會議、可視電話等無線視像服務，以及同時傳輸多媒體服務等。國際上現有三種３Ｇ標準：ＷＣＤＭＡ、ｃｄｍａ２０００和ＴＤ－ＳＣＤＭＡ，其中采用ＴＤＤ技術的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用等特點，尤其適合在我國這種城市用戶數量、用戶密度和用戶數據通信量超大的環境中使用。

二、移動IPv6的通信原理

　　移動IPv6節點通過因特網控制消息協議（ＩＣＭＰ）路由器搜索消息（該消息在ＩＣＭＰｖ６中進行了規定）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。路由器廣播由家鄉代理和路由器在他們所連接的鏈路上周期性地進行廣播，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點發出的。路由器搜索報文不需要認證。

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

　　當移動節點采用移動IPv6進行通信時，如果它連接在家鄉鏈路上，便與固定主機和路由器一樣工作。如果移動節點連接在外地鏈路上，其通信過程如下：

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

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

　　·不知道移動節點轉交地址的通信伙伴送出的數據包先被路由到移動節點的本地網絡，從家鄉代理那里再將這些數據包經過隧道送到移動節點的轉交地址；知道移動節點轉交地址的通信伙伴送出的數據包可以利用IPv6選路報頭直接送到移動節點，選路報頭將移動節點的轉交地址作為一個中間目的地址。

　　·移動節點送出的數據包采用特殊的機制被直接路由到目的地。然而，當存在入口方向的過濾時，移動節點可以將數據包通過隧道送給家鄉代理，隧道的源地址為移動節點的轉交地址。

　　經過以上過程，移動節點就在轉交地址和家鄉代理的幫助下，將數據發送到了目的地，完成數據發送的全部過程。

　　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，集成了路由優化，允許任何通信節點和移動節點之間直接路由數據包。另外，原來移動節點的家鄉地址被全球可路由的家鄉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交地址；向家鄉代理的經過認證的注冊被向家鄉代理和其他通信伙伴的帶認證的通知所取代；數據傳送方式也在原來的隧道方式基礎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數據網絡的基本結構與協議棧

　　圖１是一個簡化的ＧＰＲＳ網絡結構，它描述了３ＧＰＰ給出的典型的包交換３Ｇ網絡結構。

圖1 GPRS網絡結構

　?。牵校遥泳W絡的核心網元包括用戶設備（ＵＥ）、ＵＭＴＳ陸地無線接入網（ＵＴＲＡＮ）、ＧＰＲＳ服務支撐節點（ＳＧＳＮ）、ＧＰＲＳ網關支撐節點（ＧＧＳＮ）。ＵＴＲＡＮ由無線網絡控制器（ＲＮＣ）和ＵＴＲＡＮ基站組成。

　　ＧＧＳＮ是一個專門的路由器，在ＧＰＲＳ網絡與外界網絡（也就是因特網）之間扮演網關的角色。在許多情況下，ＧＧＳＮ都與網絡接入服務器（ＮＡＳ）類似。ＳＧＳＮ的主要功能包括認證、鑒權、移動性管理以及計費信息的收集等。ＳＧＳＮ與七號信令系統相連，并通過它與家鄉位置注冊器（ＨＬＲ）相連，因此可以執行用戶信息的處理、認證和鑒權等工作。移動終端與ＧＧＳＮ之間建立了基于ＩＰｖ４或IPv6的分組數據協議（ＰＤＰ）上下文請求（ｃｏｎｔｅｘｔ），而從移動終端發出的ＩＰ數據包由ＧＧＳＮ路由，經由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）訪問目標網絡。圖２為ＧＰＲＳ網絡各個環節之間通信所需的協議棧。

圖2 GPRS協議棧

　?。牵裕校撸帐沁\行在用戶數據報協議／因特網協議（ＵＤＰ／ＩＰ）之上的一個簡單隧道協議，用來在同一個ＵＭＴＳ骨干網之內或不同的ＵＭＴＳ骨干網之間為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識符（ＴＥＩＤ）來標識。

　　用戶設備和ＧＧＳＮ之間連接的建立和數據包的傳送都是通過ＰＤＰ上下文請求來進行的。在一個ＰＤＰ上下文請求上可以執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；

　　·關閉ＰＤＰ上下文請求：關閉一個ＰＤＰ上下文請求。

　?。校模猩舷挛恼埱蠓譃橹饕校模猩舷挛恼埱蠛痛我校模猩舷挛恼埱髢煞N。如果激活一個新的主要ＰＤＰ上下文請求，就會在用戶設備和ＧＧＳＮ之間創建一條新的鏈路。用戶設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聯的主要ＰＤＰ上下文請求和所有次要ＰＤＰ上下文請求都已關閉，則該鏈路被刪除。

　?。粒校慰梢詷俗R出一種業務或一個外部網絡，其表示方法與一個不受限域名相當。在“激活ＰＤＰ上下文請求”的操作中，ＳＧＳＮ通過執行一個域名服務器（ＤＮＳ）查詢來找到終端所請求的一個或多個為該ＡＰＮ服務的ＧＧＳＮ。ＤＮＳ的應答包含一個ＧＧＳＮ地址列表，ＳＧＳＮ通過循環的方式從中選擇一個地址使用。

四、移動IPv6在3G網絡中的實現

　?。常蔷W絡中的移動終端要想獲得IPv6數據服務，首先需要獲得一個合法的IPv6地址。由于３Ｇ網絡中的終端節點沒有惟一標識，所以其地址的自動分配與撥號網絡類似，是基于ＰＰＰｖ６（參見ＲＦＣ２４７２）的。與一般IPv6節點的地址配置一樣，在３Ｇ網絡中，移動節點的地址配置也有兩種方式：有狀態地址自動配置和無狀態地址自動配置。有狀態地址自動配置使用外部協議（如ＤＨＣＰｖ６）連接到分配地址的服務器上，而無狀態地址配置則與在以太網中的配置方式有所不同。在３Ｇ網絡中，ＧＧＳＮ的每一個ＡＰＮ都可以單獨指定地址配置方式，其中無狀態的地址自動配置方式與一般的IPv6節點不同。地址配置的協議過程如下：

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

　　·ＳＧＳＮ接收到請求后，向ＧＧＳＮ發送帶有上述參數的“創建ＰＤＰ上下文請求”消息；

　　·ＧＧＳＮ收到請求后，為移動終端分配接口標識并創建一個鏈路本地地址，然后將相關信息封裝在“創建ＰＤＰ上下文請求”的應答消息中，發回給ＳＧＳＮ；

　　·ＳＧＳＮ收到應答消息后，將相關信息封裝在“激活ＰＤＰ上下文請求”接收消息中，發回給移動終端；

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

　　·ＧＧＳＮ執行完“激活ＰＤＰ上下文請求”操作后，向移動終端發送一個“路由通告”。

　　經過以上過程，移動終端利用路由器廣播信息，與先前收到的接口標識組成IPv6地址。由移動終端發出的IPv6數據包則被３Ｇ網絡中的節點直接轉發到ＧＧＳＮ，再由ＧＧＳＮ路由到目標網絡。

　　每一個連在網上的手持機或移動電腦都會創建一個主要ＰＤＰ上下文請求用來與因特網通信。手持機在與ＧＧＳＮ連接的整個生命周期內，可以創建許多主要和／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標識。ＧＧＳＮ也把一個單獨的６４ｂｉｔ前綴公布給手持機，這兩個部分組合成一個IPv6地址。隨后，ＧＧＳＮ對ＳＧＳＮ中的ＰＤＰ上下文請求入口進行修改，使之包含整個IPv6地址。這樣，ＳＧＳＮ就能知道每個３ＧＰＰ節點的單個IPv6地址了（比如說是為了計費的需要）。該地址也用在ＧＧＳＮ中標識與每個包相關聯的ＰＤＰ上下文請求，它假設３ＧＰＰ節點不產生任何地址（除了由ＧＧＳＮ分配的單個標識／前綴組合之外）。

五、結語

　　移動網絡的發展方向是“全ＩＰ移動網”。IPv6已經被３ＧＰＰ組織確定為構筑下一代移動網的基礎和３Ｇ必須遵循的標準，成為支持３ＧＰＰＲ５標準的ＩＰ多媒體業務中不可或缺的技術。人們普遍認為，IPv6（尤其是移動IPv6）技術必將為３Ｇ的發展乃至整個電信業的發展帶來明媚的春光。

摘自　泰爾網

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