网络对移动性的支持及其研究

杨 鑫 陈俊亮

　　（北京邮电大学交换技术与通信网国家重点实验室 北京100876）

　　摘 要 传统的移动性指的就是终端移动性，而移动性实际上具有多重含义，还包括个人移动性，会话移动性等等。本文分析总结了Mobile IP, SIP等技术在内的现有网络对各种移动性的支持和研究，包括从OSI的不同层次对终端移动性支持的各种方案，然后分析了下一代网络中对移动性的要求，提出个人环境移动性，研究了对下一代网络尤其是移动网络中支持移动性的虚拟归属环境。

　　关键词 移动性 Mobile IP SIP 下一代网络 VHE

　　一、介绍

　　技术的不断发展，用户的不同需求，使得移动性具有多重含义，移动性支持是人们对现代通信系统的一个重要要求。

　　目前移动通信网络支持的移动性主要是指支持终端移动性，而用户真正对移动性的要求还包括个人移动性、会话移动性、业务移动性等，移动性也不限于只在移动通信网中。本文首先分析了目前网络对各种移动性特别是终端移动性、个人移动性和会话移动性的支持和研究，讨论了相关的Mobile IP,Mobile IPv6, SIP等技术。然后分析了下一代网络对移动性的要求，提出个人环境移动性这一下一代网络中需要加强研究的新移动性，在此基础上研究了下一代网络尤其是移动网络中对移动性支持的虚拟归属环境。

　　二、目前网络对移动性的支持和研究

　　1. 终端移动性

　　传统的移动性指的就是终端移动性，也就是用户可以在移动中使用某一终端，用户访问业务的接入点不是固定的，网络具有标识和定位终端的能力。从OSI角度来看，终端移动性解决方案一般区分为物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、应用层这六个层次。

　　移动通信网主要解决的是终端移动性问题，2G/2.5G移动通信网对移动性支持主要体现在物理层和链路层上，包括位置管理，切换管理，漫游支持等。而无线技术与Internet的发展，用户在异构的网络之间的移动与对数据业务的需求，这些都使得需要网络层参与支持移动性，而IP网将是未来的骨干网，所以IP移动性是网络层移动的主要解决问题。Mobile IP以及衍生的其他协议，Mobile IPv6等是解决IP移动性问题的主要方案。一般讨论终端移动性的解决方案较多的是从物理层，链路层和网络层这三层出发。

　　Mobile IP的基本原理是让移动主机（MH，Mobile Host）使用一对IP地址实现移动的功能，引入了本地代理（HA，Home Agent）和外地代理（FA，Foreign Agent）这两个网络实体。当MH在本地网络时，它使用正常的IP协议通信。当MH进入外地网络，它通过外部代理或者DHCP获得转交地址（COA，Care Of Address），并向HA发送消息注册其COA。对端通信主机（CH，Correspondent Host）发送给移动节点的数据包通过正常的IP路由到达MH的本地网络，HA截获这些数据包，通过隧道技术将他们转发到MH的当前FA或者MH本身，从MH到CH的数据包则采用正常的IP路由。Mobile IP主要存在以下问题，1）“三角路由”问题。CH发往MH的分组必须经过HA，而从MH发往CH的分组直接发送，这在MH远离HA，CH与MH相邻的情况下尤其的效率低下；2）切换问题。在切换过程中，MH远离HA时，那么HA与MH的隧道建立于过时的位置信息将引发严重的包丢失；3）域内移动问题：在小范围内MH的频繁移动，导致频繁的切换，导致网络中大量的注册报文的传输从而严重影响网络性能。针对上述问题，从Mobile IP衍生了许多新的方案，如解决三角路由问题的路由优化Mobile IP方案，优化切换性能的层次Mobile IP方案以及更多的方案。而Mobile IP应用到无线蜂窝网中，还需要根据网络和终端的情况做改动，这方面的解决方案有同时继承蜂窝系统中移动管理和Mobile IP的Cellular IP。

　　Mobile IPv6支持主机的思想和Mobile IP基本一致，MH在它的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COA，MH将它的COA通知HA与CH，不知道MH的COA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COA，MH将向CH发送一个绑定更新消息，通知CH它当前的COA，CH收到绑定更新消息后就可以直接把数据包发送给MH了。在相反方向, MH送出的数据包直接路由到CH。

　　Mobile IPv6相对Mobile IP有下列特点：

　　（1）取消了FA。Mobile IP中，可能会有多个MH共享一个FA的IP地址，即FA的COA，以缓解IPv4地址资源紧张的问题。在这种情况下，经HA转发的数据报还要再经过FA才转交给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COA，因此不再需要FA，从而可以减少一次转发。

　　（2）路由优化方面。Mobile 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报发给MH，使路由优化成为移动IPv6的一部分。

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

　　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，主要是基于Mobile IP和SIP的网络层和应用层复合解决方案，以及利用所有层都有贡献的复合解决方案的思路。

　　2. 个人移动性与会话移动性

　　个人移动性指的是用户通过个人标识可以使用任何终端访问同一业务，用户访问业务与终端无关，网络具有标识和定位用户的能力，目前已经实用的对个人移动性的支持主要是作为一种网络的业务实现的。通用个人通信（UPT，Universal Personal Telecommunication）就是这样一种支持个人移动性的业务，UPT用户使用一个唯一的个人通信号码,可以接入任何一个网络并能跨越多个网络发起和接受任意类型的呼叫，个人通信号码能按用户的要求，翻译成相应的通信号码并进行路由选择，将来话接到使用者所指定的地方。UPT实现方案一般是基于智能网的，UPT也是智能网支持的主要业务之一。由于智能网本身的特点和缺陷，UPT功能有限，对个人移动性的支持主要体现在电话呼叫类业务上，另外电子邮件等业务实际上也是一种支持个人移动性的业务。

　　会话移动性指的是用户在使用业务过程中可以在不同终端之间悬挂恢复业务会话，用户使用业务过程中可以在终端之间移动。会话移动性其实在N-ISDN中就有所体现, 作为一项补充业务实现的N-ISDN终端可携带业务允许在呼叫运行状态时，在一个给定的接入口内将一个呼叫从一个终端移动到另一个终端。当然这个会话移动性无论是功能还是适用范围也都是很有限的。

　　会话初始化协议（SIP，Session Initiation Protocol）是由IETF提出的一个应用层多媒体信令协议，SIP支持的会话可以是Internet多媒体会议、电话呼叫或多媒体信息流分配，可以是单播，也可以是组播。SIP定义了会话的建立、终止和修改过程，而媒体控制部分由会话描述协议（SDP，Session Description Protocol）负责。SIP本身具有支持移动性的能力，除了扩展SIP用于实现终端移动性，SIP可以作为支持个人移动性，会话移动性的重要方法。

　　SIP对个人移动性的支持可以用下面的例子来说明：

　　用户B在公司和住宅之间移动，他对外发布了他的个人地址为UserB@Corporation.com。而当他在家中时，他发送REGISTER消息至他公司的SIP服务器(1)，将他的住宅地址UserB@Home.com作为前转地址。并且在住宅处的SIP服务器登记(2)。有一用户UserA@a.com向UserB@Corporation.com发起呼叫，通过DNS，呼叫方解析Corporation.com得到用户B的公司的SIP服务器IP地址，从而向呼叫路由至SIP服务器Corporation.com(3)。SIP服务器Corporation.com检查用户注册信息，将呼叫请求前转至SIP服务器Home.com(4)。SIP服务器Home.com检查用户注册信息，将呼叫请求前转至用户B的SIP用户代理(5)。用户B接受呼叫请求，SIP用户代理向SIP服务器Home.com返回呼叫接受响应(6)，SIP服务器Home.com向SIP服务器Corporation.com返回呼叫接受响应(7)，SIP服务器Corporation.com向呼叫方UserA@a.com返回呼叫响应(8)。以后可以建立用户A和用户B之间的直接会话。这里的SIP服务器包含了注册服务器和代理服务器。

　　SIP对会话移动性的支持在于SIP的会话属性调整和灵活的消息功能。通过SIP协议，会话移动性的发起者可以从现有的终端将对端通信主机的地址等信息通知给要切换过去的目标终端。同时通知对端通信主机他将要使用的新的终端地址等信息。这样就可以完成会话的切换，而且会话的属性如媒体的编码类型和格式，会话占用带宽等等将作调整和修改，保证会话的平滑过渡。

　　3. 其他移动性

　　除了上面提到的终端移动性、个人移动性、会话移动性之外还有业务移动性、模式移动性、Ad Hoc移动性等。业务移动性指的是用户无论接入的是哪个网络业务提供商都可以使用业务。Ad Hoc移动性指的是Ad Hoc网络中的节点移动性，因为Ad Hoc网络不通过任何固定的基础网络设施而实现节点之间的通信，所以Ad Hoc网络的节点移动性有其特殊之处。模式移动性指的是终端可以在多种通信模式之间切换接入网络进行通信，例如在GPRS和WLAN之间进行切换。

　　三、下一代网络中对移动性的支持和研究

　　下一代网络并不是一个新的网络，而是基于现有的多种网络演进融合而来的，正是由于下一代网络是融合的多种网络，所以全方位的移动性支持在下一代网络中成为可能而且也是必要的。我们认为在当前对移动性的研究基础上，下一代网络中移动性的研究将集中在两个方向。1）对各种移动性如终端移动性、个人移动性、会话移动性等的支持将进一步加强并且各种移动性将集成在一起给用户提供真正的无缝服务。2）移动性的含义进一步突破，下一代网络中将会出现由网络运营商和增值业务提供商（VASP，Value Added Service Provider）提供的众多语音，数据，多媒体等丰富多彩的业务。业务形式多样化，终端多样化，用户对业务使用的个性化等导致产生个人业务环境这个概念，3GPP将个人业务环境定义为用户的业务订购和业务使用的个性化信息，个人业务环境可以用一个或者多个User Profiles来定义。个人业务环境随着终端移动和个人移动也需要相应的移动，这种移动性可以称之为个人业务环境移动性，对个人环境移动性的支持使得用户业务环境的改变仅限于终端和网络的能力，而不是因为移动。个人业务环境移动性是下一代网络中面临的需要支持的新的移动性。

　　虚拟归属环境（VHE，Virtual Home Environment）是下一代移动通信网业务提供研究中提出的一个概念。ITU/IMT2000,UMTS Forum等组织都给出了VHE的定义，3GPP将其定义为：“通过VHE用户不论在哪个网络中，不论使用哪个终端，不论处于何地，都可以始终如一的感受到相同的个人化特征、用户界面及业务”，并提出VHE作为下一代移动通信系统UMTS上的业务提供方式。VHE支持个人业务环境移动性，将实现个人业务环境在网络和终端间的移动，同时VHE也包含了终端移动性、个人移动性、会话移动性等，所以VHE是下一代网络中特别是移动通信网络中移动性支持的研究重点。目前国际上和VHE相关的主要研究项目包括：1）欧盟资助的IST（Information Society Technology）计划项目VESPER（Virtual home Environment for Service PErsonalization and Roaming users）；2）欧盟资助的ACTS（Advanced Communications Technologies and Services）计划项目CAMELEON（Communication Agents for Mobility Enhancements in a Logical Environment of Open Networks）；3）欧洲电信战略规划与研究协会（EURESCOM）支持的项目P920“UMTS Network Aspects”。

　　通过对VHE的研究，我们认为实现VHE的关键在于终端业务执行环境的标准化、User Profiles的分布式存储管理、媒体的适配这三个方面。VHE对个人业务环境移动性的支持也体现在这三方面。终端业务执行环境的标准化使得用户的个人移动性得到进一步增强，为个人业务环境在不同终端可以移植提供基础。User Profiles就是个人业务环境的信息定义，主要包括用户基本信息（姓名、性别、用户ID等），用户界面相关信息（终端屏幕字体和大小、语言设置等），业务相关信息（用户最喜欢的业务列表、业务状态），网络相关信息（网络配置和网络能力等），用户终端能力（屏幕大小、屏幕分辩率等）。User Profiles分布式存贮在网络、终端、VASP，无论用户使用什么网络和什么终端，保证用户可以访问User Profiles并且维护User Profiles的同步。媒体的适配就是保证业务的媒体流可以适应用户在网络和终端间的移动，业务环境可以平滑过渡而不至于中断。VHE的实现还没有被标准化，可能应用到的关键技术包括CAMEL，MExE，SAT/USAT，Parlay/OSA等。CAMEL（Customized Application for Mobile Network Enhanced Logic）是解决移动通信网与智能网互联问题的建议，CAMEL为移动用户实现漫游的同时享受与归属网络同样的GSM业务提供了一种机制。MExE（Mobile Execution Environment）是为用户终端上提供标准的执行环境的一项技术。SAT/USAT是为储存在SIM或USIM上的业务逻辑提供标准的执行环境的一项技术。通过MExE/SAT/USAT技术，与具体终端无关的业务逻辑可以被下载到终端上并在那里得以执行。Parlay/OSA 是用于开放网络资源和能力的API规范，允许上层应用通过该API对网络资源和能力进行安全可控的接入，基于Parlay/OSA API开发的业务与具体承载网络无关。

　　四、结束语

　　无线技术的发展，网络的不断融合，用户移动办公和娱乐的需求，这些都促使移动性的研究向更广更深的方向发展。目前的业界研究重点是在终端移动性上面，而全方位的对各种含义的移动性研究将更有利于满足用户的需求，给用户带来更多的便利，也为网络运营商带来新的收益。

　　杨 鑫，北京邮电大学交换技术与通信网国家重点实验室博士研究生。

　　陈俊亮，北京邮电大学教授，博士生导师，中国科学院院士、中国工程院院士，北京邮电大学交换技术与通信网国家重点实验室学术委员会主任。

----《中国数据通信》