移动IP在蓝牙中的应用

上海大学通信与信息工程学院　　吴瑞　汪敏　陈慧
　　摘要：当前，如何实现移动用户的因特网无缝接入成为通信领域研究的一大热点，该文首先分别介绍了移动IP技术和蓝牙技术，在此基础上讨论了移动IP在蓝牙中的应用，并且针对移动IP在蓝牙妆入网中存在的几个问题提出了解决方案。

　　关键字　蓝牙　无线接入　移动IP　蜂窝IP

　　1　概述

　　随着笔记本电脑和个人数字助理（PDA）的逐渐普及，人们对通信技术的期望越来越高，希望随时都能够接入因特网，实现移动互联，这就需要无线接入技术。目前，无线接入主要有三种技术：IEEE802.11、蓝牙技术和HomeRF。

　　无线接入的关键是不受限于某个固定区域，当移动用户从一个地方到另一地方时，可以很方便地断开原来的链接，建立新的链接。移动IP正是满足上述需要而产生的，它可以使得移动用户在网络上的无线接入成为可能，具有极大的经济实用性。本文主要探讨移动IP在蓝牙中的应用。

　　2　移动IP简介

　　传统IP技术的主机使用固定的IP地址和TCP端口号进行相互通信，在通信期间必须保持IP地址和TCP端口号不变，否则IP主机之间的通信将无法继续。移动IP主机在通信期间可能需要在网络上移动，它的IP地址会经常发生变化，若采用传统方式，IP地址的变化会导致通信中断。为了解决这一问题，移动IP技术引用了处理蜂窝移动电话呼叫的原理，使移动用户采用固定不变的IP地址，一次登录即可实现在任意位置上保持与IP主机的单一链路层连接，使通信持续进行。

　　移动IP以IETF所制定的RFC2002作为标准，它实际上只是在移动用户改变了它在网络上的连接点时对发往该用户的数据包的路径作相应的改变，是基于IP/ICMP的一种服务。移动IP协议中移动主机至少有两个IP地址，一个称本地地址（Home Address），它对于移动主机来说是固定不变的，用来唯一标志移动用户，另一个称为转交地址（Care-of Address），它是当移动主机离开本地网络后为进行数据包转发而获得的临时地址，用于路由策略。采用移动IP协议需要有两个服务器：本地代理和外地代理、典型的本地代理是移动用户本地网络中的路由器，它维持着本地地址与转交地址的映射，外地代理是移动用户正在访问的网络中的路由器，它将数据包转发给移动用户。

　　3　移动IP在蓝牙中的应用

　　3.1　基于蓝牙技术的无线接入技术

　　利用蓝牙技术可以实现移动用户的无线接入技术，众多的蓝牙用户（以下简称BT用户）也可以组成一个无线局域网。基于蓝牙技术的无线接入简称为BLUEPAC（Bluetooth Public Access），蓝牙技术主要用于BLUEPAC网内数据的无线传输。

　　目前，移动蓝牙用户接入因特网可采用两种方式：蜂窝IP技术和移动IP技术。蜂窝IP主要应用于BT用户地点相对固定的场合，比如火车站、医院等，它可以通过蓝牙技术与固定网络节点（公共电话网的节点）技术相结合来实现。这种技术的应用也可以很方便地实现一个家庭中的几台电脑的无线连接，并且能同时通过一个节点上网。移动IP主要应用于BT用户移动区域较大的场合，比如火车、飞机等，它可以通过蓝牙技术与移动网络节点（带WAP功能的手机）技术相结合来实现。由此可以看出蓝牙的无线接入网方案是与其它技术相结合的产物，它可以最大限度地利用现有设备，节省成本的开支，为蓝牙技术的普及打下基础。

　　3.2　蜂窝IP应用于蓝牙系统的工作原理

　　蜂窝IP技术主要是利用蓝牙独特的组网方式，使得同时可以有7个BT用户通过一个固定网络节点与因特网相连。在蓝牙技术下应用蜂窝IP的工作原理如下：

　　移动蓝牙用户（以下简称BT用户）需要无线接入时，它将发出查询命令，当基站能够接受新用户时，连接就建立起来了。这时BT用户将通过基站向蓝牙代理发送登记请求，蓝牙代理经过验证返回一个包含分配给BT用户的临时的IP地址、代理服务器端口地址、以及DNS地址的分组，BT用户收到这个分组后，就可以采用该IP地址向因特网收发数据，也可以与本局域网内其它的BT用户通信。

　　当BT用户移动位置时，如果BT用户的接收信号强度（RSSI）小于某个门限值时，它将发出查询命令，查找是否有更近的基站存在，如果有，将与新的基站建立连接，这时BT用户将通过新的基站向蓝牙代理发送登记请求，蓝牙代理驼回一个新的包含临时IP地址、代理服务器端口地址、以及DNS地址的分组，BT用户通过该IP地址向因特网收发数据。

　　从上面的分析可以看出：蜂窝IP并不能实现BT用户随时随地都能接入因特网的愿望，因为并不是随时都有可供接入的固定节点。利用蜂窝IP的接入实际上是无线接入与有线接入的结合，要实现真正意义上的无线接入必定用到移动IP技术。

　　3.3移动IP应用于蓝牙系统的工作原理

　　与蜂窝IP的工作机理不同，在移动IP技术下，移动用户可以使用一个固定的IP地址在任何地点采用任何方式连接到因特网上，当移动用户移动到另外一个网络或者子网时，移动用户可以在不改变IP地址的情况下仍保持通信，移动IP正是当前移动通信的研究热点。在蓝牙技术下应用移动IP的工作原理如下：

　　*本地代理（BT用户所在的本地网上的路由器）和外地代理（BT用户当前所在网络上的路由器）不停地向网上发送代理消息，以证明自己的存在。

　　*BT用户接收到这些消息后，确定自己是在本地网还是在外地网。

　　*如果BT用户发现自己是在本地网，并且收到的是本地代理发来的消息，则不启动移动功能；如果仍然收到外地代理发来的消息，则向本地代理发送注消原位置（外地网）命令，声明自己已经回到本地网。

　　*当一个BT用户检测到它已移动到外地网，它将获得一个转交地址，该地址包含两方面的信息：一个是外地代理的IP地址，一个是外地代理通过某种机制与BT用户暂时对应起来的网络地址。

　　*然后BT用户向本地代理注册，表明自己已经离开本地网，并把所获得的转交地址通知本地代理。

　　*注册完毕后，所有通向BT用户的数据包将被本地代理截获，并由本地代理通过以IP隧道（tunnel）发往外地代理，外地代理接收到后，再把数据包转发给BT用户，这样即使BT用户已经从一个子网移动到另一个子网，BT用户的数据通信仍然能够继续。

　　*BT用户发往外地的数据包一般按IP寻径方法送出，不必通过本地代理。

　　4　移动IP应用于蓝牙系统中的几个技术问题以及解决方案

　　4.1　路由优化问题

　　由于采用隧道技术，使得移动IP的路由问题显得尤其重要，传统移动IP采用三角路由技术。

　　BT用户向通信对端发送信息时，直接通过外地代理传送，但是从通信对端发往BT用户的数据却由本地代理截收，再根据转交地址中的地址信息，采用隧道技术发送给外地代理，外地代理再传送给BT用户。这种方案的缺点在于它增加了本地代理的负担，并且路由的选择不是最佳的，增加了路由的延时。IETF建立的一种改进方案如下：通信对端在向BT用户发送数据之前首先向本地代理注册，从而获得BT用户的转交地址，再根据其中的地址信息，直接传送给BT用户。这种路由方案的缺点是，在BT用户频繁越区移动时，若本地代理来不及刷新转交地址信息，将容易造成数据包的丢失，下面我们给出一种简单的解决越区切换问题的方法。

　　4.2　越区切换问题

　　要实现BT用户的无缝接入，最关键的问题就是越区切换，为了提高切换性能，可以采用在外地代理加缓冲区的办法减少包的丢失率，这种方案的具体实现如下：当BT用户移动位置时，如果BT用户的接收信号强度（RSSI）小于某个门限值时，它将发出查询命令，查找是否有更近的外地代理存在，同时它也向原无的外地代理发出声明，告之它将切换到新的外地代理。BT用户移动到新的外地代理的登记请求没有被本地代理确认前，原先的外地代理将通信对端发送来的数据包存储在缓冲区里。在登记请求确认后，本地代理通过新的外地代理给BT用户发出确认消息，同时刷新通信对端的转交地址，使通信对端获得BT用户的新的转交地址，将以后的数据包发送到新的外地代理，再转发给BT用户。BT用户收到登记确认消息后，解除其在旧的外地代理的登记，并且通知它新的转交地址，使它释放缓冲区的数据包到新的外地代理，再转发给BT用户，这样就避免了切换时的数据丢失。

　　4.3　注册优化问题

　　当BT用户频繁更换外地链路时，注册次数增多，加重了整个网络的负荷，特别是BT用户离本地代理较远时，将占用不少的带宽。另外，当一个本地代理负责的BT用户数目过多时，注册带来的信息量将成为本地代理的一大负担。由此引出了如何进行注册优化的问题。下面半给出通过注册消息局部化来减小注册的开销方案。
　　该方案的实质就是对网络按照分层代理的原则进行分区管理，本地代理只存储BT用户的大概位置即它在哪个区域。BT用户在区域内的位置变化不用向本地代理报告，只有跨区域移动时才通知本地代理。发往BT用户的报文先被本地代理转交给所在的区域的服务器，区域内的服务器负责将报文交给BT用户。BT用户在区域内移动时，位置变化只在区域内传播，不会增加区域外网络的负荷。

　　在这种方案下，外地代理按照树状的分组方式组织。本地代理只存储当前根外地代理的地址，每个外地代理存储BT用户所在的下一级代理的地址，每个叶外地代理广播从根到叶的路径上代理组成的向量。BT用户越区切换后，比较收到的老向量和新向量，向新老外地代理的最低共同祖先注册新位置，只有BT用户切换出根外地代理的范围时，才会向本地代理发起注册。

　　4.4　安全策略问题

　　在移动IP被广泛采用之前，还有一些障碍，其中最重要的是网络安全问题。这里介绍两种安全策略：

　　（1）“坏家伙”向本地代理发送一个伪造的注册请求消息，本地代理将它的IP地址当作BT用户的转交地址，所有发送给BT用户的报文都被送给“坏家伙”，这使得“坏家伙”可以在任意地点进行攻击。一种有效的解决方案是：移动IP使用IPSec机制，要求BT用户和本地代理之间建立安全协定，对所有的注册消息都进行有效的认证。

　　（2）“坏家伙”将一个有效的注册请求消息存起来，等BT用户离开后再用这个有效的消息进行攻击，本地代理会认为它是合法的。解决方案如下：在移动IP中，注册消息都有一个标志域，要求BT用户为每个注册消息产生一个唯一的值，并且本地代理不处理已经过时的注册消息。

　　另外，某些防火墙也可能会阻断IP隧道，因为它们会检验每个数据包的源地址域，而BT用户的数据包本地地址和外部网的网络地址不一样，从而导致防火墙阻截IP隧道数据包。为此，IETF要与防火墙的供应商达成协议，允许有使用权的用户使用移动IP的临时IP地址，而且防火墙供应商还需生产专门的软件和硬件以支持移动IP。

　　5　小结

　　蓝牙以其成本低廉，组网灵活而取代了电缆，成为下一代个人区域网（PAN）的理想实现技术，基于蓝牙技术的蜂窝IP和移动IP中的基站可以是任一具有蓝牙内核的PC机、笔记本电脑、甚至手机，增加的只是上层软件的复杂度，与日前提得较多的IEEE802.11无线接入技术相比，我们认为蓝牙在小区域组网中将更具有优势。但是要使基于蓝牙技术的无线接入技术趋于成熟，还亟需提高系统的干扰能力，减小系统功耗，并且提高传输效率。

摘自《无线电工程》2001.11