移动IP存在的问题及解决方案

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移动IP存在的问题及解决方案



    移动通信技术和IP网相融合的结晶——移动IP(mobile IP)技术，是在传统网络中实现下一代网络应用的核心技术。移动IP支持网络移动性、访问的双向性，支持多媒体业务的实时性[1]。


    移动IP是一个因特网建议标准，是解决IP网络中移动性管理的最早方案。因特网工程任务组(IETF)在RFC2002中对移动IP有完整的描述。随着当前IPv4发展为IPv6，移动IP也发展为移动IPv6[2]。


    移动IP技术的产生和发展是通信发展的客观必然。巨大的市场需求是移动IP技术发展的动力[3]。技术上GPRS、WLAN、CDMA2000 1x得到不断发展与完善，推动着移动IP技术的发展，并为移动IP业务的技术实现提供了平台[3，4]。


1 移动IP存在的问题
    虽然移动IP得到了快速发展，但移动IP还存在很多问题，主要有：


(1)“三角路由”问题
    通信主机(CH)发往移动主机(MH)的分组必须经过本地代理(HA)，而从MH发往CH的分组是直接发送的，两个方向的通信不是同一路径，产生“三角路由”问题，这在MH远离HA，CH与MH相邻的情况下效率尤其低下。


(2)切换问题
    切换问题指从MH离开原先的外地网络开始，到HA接收到MH的新的注册请求为止的这段时间内，由于HA不知道MH的最新的转交地址(COA)，所以它仍然将属于MH的IP包通过隧道发送到原先的外地网络，导致这些IP包被丢弃，使得MH与CH间的通信受到影响(特别是在切换频繁或者MH到HA的距离很远时)。


(3)域内移动问题
    在小范围内MH的域内频繁移动会导致频繁切换，从而导致网络中产生大量的注册报文，严重影响网络的性能[5]。


(4)QoS问题
    在移动环境下，由于无线网络拓扑和资源是动态变化和不可预测的，并且由于资源有限、有效带宽不可预测、差错率高，从而在移动IP上提供QoS保证是一个非常棘手的问题。


2 存在问题的解决方案

2.1 “三角路由”问题的解决方案
    在移动IP中，所有发往MH的分组都需经过HA，但由于不一定是最佳路由，所以需要对移动IP进行路由优化。当HA收到CH发往MH的分组后，HA通知CH关于MH的捆绑信息(即MH目前的FA地址)，CH对分组封装并建立与外地代理(FA)之间的隧道，分组在隧道中透明传输。捆绑信息的传送通过一个明确的端口号完成。假如MH又移动了，新的FA将把更新的捆绑信息传送给老的FA，保证分组传送到新FA，而且HA随后也得到更新的捆绑信息，以后的分组传送将直接由CH发往新的FA。路由优化的移动IP对CH的要求较高，CH必须具备获取捆绑信息、包封以及建立隧道的能力，因此要对CH协议栈进行较大的修改。

2.2 切换问题的解决方案
    切换过程分两个阶段：
(1)移动检测阶段
    在移动检测阶段MH进行移动检测以判断自己是否已更换了接入的子网。


(2)重新注册阶段
    重新注册阶段为MH判断出发生移动之后，从MH向HA发送注册请求，到HA收到请求为止的这段时间，其长短取决于MH到HA的距离。


    完成上述两个阶段后，MH可以与CH继续通信，但是在这段时间内的丢包可能会与高层协议相互作用，进一步恶化通信性能。最典型的是和TCP协议的相互作用。在移动IP环境下，由切换导致的丢包会使得TCP连接的中断时间更长，使TCP性能恶化(移动IP切换引起的TCP连接中断时间最严重的可以达到12 s左右，其间还有多次的超时重传)。总之，移动检测、重新注册以及与上层协议的相互作用这3个因素共同决定了MH进行切换时的通信性能[6]。


    针对这些问题，文献[7]提出通过分层的移动IP实现本地注册，即只有当MH移出该区域时，MH才需要重新向HA注册。这种方案降低了MH重新注册的时延，因此改进了移动IP的切换性能。


    文献[6]提出了一种“原FA通知”方案，该方案通过一定的缓存有效地减少了数据包的丢失，但是，如何设置FA中的缓存容量是一个难题，而且新旧FA之间的通信需要定义新的协议来支持。

2.3 域内移动问题的解决方案
    对于域内这种微移动的问题，采用改进的协议，可以解决频繁的切换问题，减小切换延迟、丢包率，减少向HA的注册信息。可采用的协议有：Cellular IP、HAWAII和TeleMIP。具体方案可参考文献[8]。

2.4 QoS问题的解决方案
    资源预留协议(RSVP)和区分服务(DiffServ)在移动IP上提供QoS时，各有优点和局限。可以将RSVP和DiffServ结合起来解决端到端QoS问题(如图1所示)，在骨干路由器采用DiffServ，接入部分采用RSVP。当主机发起RSVP请求到达骨干接入点的边界路由器时，边界路由器根据RSVP请求携带的内容(如带宽、时延等)，按照预先定义把请求分成一定的QoS级别，并映射到DS字段上，在骨干DiffServ域上传输通过DS字段来保证QoS需求，在骨干网输出点的边界路由器再复原为RSVP请求并送至最终目标[9]。






3 移动IPv6
    在3G发展背景下，移动IP技术对推动3G和IPv6尽可能快地部署具有重要意义。相对于链路层移动管理机制，移动IPv6在网络层面上实现移动性管理。


    移动IPv6支持主机的思想和移动IP基本一致。MH在本地网络时与任何固定的主机和路由器一样工作。当MH进入外地网络时，采用IPv6定义的地址自动配置方法获得新的转交地址。MH将它的转交地址通知HA与CH，不知道MH转交地址的CH送出的数据包先被路由到MH的本地网络，HA通过隧道将这些数据包送到MH；当MH收到HA转发过来的隧道分组后，它知道数据包的原始发送者没有MH的转交地址，MH将向CH发送一个绑定更新消息，通知CH当前的转交地址，CH收到绑定更新消息后就可以直接把数据包发送给MH。在相反方向，MH送出的数据包直接路由到CH[5]。


    移动IPv6相对移动IP具有如下一些特点：


(1)取消了FA
    移动IP中，可能会有多个MH共享一个FA的IP地址，即FA的转交地址，以缓解IPv4地址资源紧张的问题。在这种情况下，经HA转发的数据包还要再经过FA才能转交给MH。在IPv6中，MH在外地网络中可以找到一台默认路由器为其提供路由服务。丰富的地址资源和IPv6的地址自动配置功能，使MH可以方便地获得转交地址，因此不再需要FA，从而可以减少一次转发。


(2)路由优化
    移动IPv6对路由报头的定义使得CH可以直接利用路由报头将数据包发给MH，使路由优化成为移动IPv6的一部分。


(3)安全功能
    安全功能的增强是IPv6对IPv4的重大改进，移动IPv6直接利用了IPv6中的IPsec提供的功能，而移动IP必须自己负责安全问题。


    虽然IPv6协议对移动的支持远远强于IPv4，但是在IPv6中仍然需要移动IP实现移动的管理，对应用层或高层协议提供移动的透明性[4]。为此，IPv6在以下方面作了改变：


(1)邻居发现协议
    邻居发现协议增强了移动管理能力，如移动节点转交地址自动配置，移动节点和移动代理间相互发现，通过网络地址前缀发现简化移动检测过程。


(2)提供端到端的可选消息
    在IPv6中提供端到端的可选消息，减小对路径中间节点路由器性能的影响。


(3)安全性
    IPv6协议中安全性是基本要求，必须提供必要的安全协议(如IPsec)为安全认证和数据传输实现安全方面的保证。


(4)转交地址
    IPv6无需外部代理和相应的外部代理的转交地址方式，避免类似于IPv4中网络地址转换(NAT)所引起的问题，增强了端到端的通信能力。


(5)路由优化
    在IPv6中，路由优化作为必然的通信方式得到了支持。
上面提到的都是单层的终端移动性解决方案，多层的复合的移动性解决方案主要有移动IP和会话启动协议(SIP)的网络层、应用层复合解决方案，以及所有层都有贡献的复合解决方案。


4 移动IP的应用
    移动IP主要有三方面的应用：公众服务、个人信息服务和商业应用。
公众服务可为用户实时提供最新的天气、新闻、体育、娱乐、交通及股票信息；个人信息服务包括：浏览网页信息，收发短消息、电子邮件，统一传信，提供电话增值业务等；商业应用除了办公应用，移动商务是最有潜力的应用。股票交易、开展银行业务、购物、拍卖、机票及酒店预订、旅游行程和路线安排、产品订购可能是移动商务中最先开展的应用。所有这些应用中，近期内短消息是最有普及性的应用。市场调查公司Yankee Group Europe的统计资料显示：真正具备3G功能的手机将推迟到2004年底才能上市，2005年以前，短消息服务(SMS)将比移动上网、浏览网页服务更重要[10]。
在商业应用中，金融行业移动IP的应用——“永不间断主机远程即时迁移”指：在IP网络上运行的主机(如各类前置机、各类服务器等)由于不可预测等因素导致系统停止工作时，为了不中断与该主机相关的所有客户机的业务连接，启动在远程预先设置的备份机(与主机的网络设置完全一致)移动IP客户端软件，通过移动IP代理服务器使得备份机即时接替主机工作。迁移对主机所有相关的客户机完全透明。


    移动IP的另一个动向是开创话音门户和话音使能网站，在因特网上提供话音应用，即任何人可以通过电话从因特网上获取话音信息，让电话获得新的应用。预计到2005年大约会有1 800万用户使用这种话音应用，到2006年其设备和业务市场将能达到1 200亿美元。有的公司(如美国的Audio point公司)已经利用先进的交互式话音响应(IVR)技术来为媒体、银行、金融和旅游业开辟各种应用，让用户不用同话务员讲话就能获得他们所要的信息。Dialogic公司创建了一个话音门户平台，用户可以通过电话立即接入因特网。还有不少公司都在开发更好的话音识别、合成软件和话音引擎。


5 移动IP技术的未来展望
    移动IP技术是在传统网络中实现下一代网络应用的核心技术，移动IP技术是IP技术发展的新领域，是无线通信技术和IP技术的融合。


    移动通信技术正由第二代向第三代平滑过渡，目前处于2.5G时期。在这一时期，移动IP技术将的应用尚属起步阶段。移动IP技术首先在企业网中得到应用，但目前IP网络带宽有限，限制了移动IP接入速度和功能的发挥。


    进入3G后，随着制约因素的逐步消除，移动IP的应用会越来越广泛，移动IP的功能将得到充分发挥。移动互联网和移动IP技术将在3G时代充分融合，互相促进。将极大地改变人们的工作方式和生活方式。在未来信息无所不在的时代，网络将依靠其无法比拟的灵活性、可移动性和极强的可扩容性，以及建网迅速、维护方便等优势，使人们真正享受到简单、方便、快捷的连接。移动IP使网络具有灵活的移动性，将以独特的优势、强大的功能显示其独特的魅力。


    4G时代，移动IP将作为主流技术得到普及应用，因为4G系统的无线连接速率在初期就可达到拨号调制器的90倍，是目前移动上网速率的300倍，下载速率可达5～10 Mb/s。4G技术将促进移动通信和IP的进一步融合，使移动IP和移动互联网实现统一。在将来从宽带的CDMA向全IP演进的网络中，在未来的全IP的移动通信系统中，运营商提供给用户的内容将更加丰富，费用也更加低廉。首先，在全IP网络中，语音、短信和其他一些通信业务基于IP包交换技术，无疑将导致通信成本的降低，用户可以支付更少的费用来享受同等质量的服务；其次，通过IP，用户可以非常容易地把新型通信业务和传统的语音业务结合在一起，这样就可以通过IP网络来同时传输各种信息，满足通信双方多方面的需要，让用户交流起来更加方便和生动。可以展望，将来移动用户的高速接入、网络用户的灵活移动将成为通信的最主要最普遍的业务途径，移动IP将发展成为通信产业应用最为普及的主流技术。


    移动多媒体离我们还有一段距离，移动多媒体市场只有经过2.5代系统的培育才会趋于成熟，才可能搞清3G最主要的业务特征和最具吸引力的应用。还有一点要强调的是，即便到了3G时代，功能更强和功率更有效的微机、容量更大的存储器以及更好的显示器使手机具有如今台式计算机才有的功能特点，用户也不会像使用计算机一样使用移动电话。因为使用手机不可能像使用计算机那样方便，文字输入难，屏幕小，电池寿命短，不支持像计算机那样长的运算周期等因素都对3G手机的使用造成限制。移动电话只能成为人类的网络伴侣，帮助人们移动上网，通过浏览器获取信息。


6 结束语
    不断增加的移动办公人数、对网络计算和Internet不断增加的依赖性、手提电脑不断提高的便携性和计算能力都是推动移动IP技术发展的动力。自从1996年出现移动IP标准以来，已经出现了大量的免费或商用的移动IP应用，移动IP技术也将在现代移动通信网中占有重要的地位。然而，移动IP技术的广泛商业应用依然存在的一些困难，还有一些问题没有得到完美解决，如安全、认证加密、入口过滤、节点切换、域内移动、QoS等问题。当然，随着这些问题的逐步解决，未来的移动IP技术将在移动通信中发挥重要作用，为各种新业务的开展、人们自由地交流提供前所未有的可能性和方便性，并开创通信产业发展的新纪元。