UMTS核心网中Mobile IP技术的研究

王权平　钟章队
　　摘要：本文重点分析了UMTS核心网中引入Mobile IP协议的演进过程和采用Mobile IP协议进行移动性管理的流程。

　　关键词：UMTS核心网　Mobile IP　移动性管理

　　1　UMTS核心网的现状与演进

　　3G（第三代移动通信系统）的网络结构包括用户SIM卡、移动终端、接入网和核心网四大部分。无线接入标准中存在五种技术：WCDMA技术、cdma2000技术、TD-SCDMA技术、UWC-136技术和DECT技术，宽带CDMA技术已经成为3G技术的主流。3GPP和3GPP2两大组织现在主要致力于核心网部分的标准化工作。3G的核心网GSM/MAP、窄带CDMA的核心网IS-41开始演进。

　　GSM网络是世界上最大的第二代移动通信网络，中国拥有世界上最大的GSM网络，而且正在启动GPRS网络的建设。3GPP组织提出的UMTS的3G标准，可以确保GSM核心网平滑过渡到3G核心网。因此跟踪和分析研究UMTS核心网的演进有着十分重要的意义。

　　UMTS核心网可以支持URTAN（采用WCDMA的接入技术）、ERAN（支持EDGE技术，从GSM的接入网演进而来）等多种接入网络，分成电路交换域和分组交换域两大部分。电路交换域从GSM的电路交换网络开始演进，分组交换域从GPRS网络开始发展。在3GPP的Rel99标准中，核心网采用ATM技术作为用户数据和信令的传输技术。在Rel00的制定过程中，3GPP明确提出未来的核心网基于分组技术和IP话音，支持实时和非实时业务，具有以下一些技术特征：

　　*基于GPRS的演进

　　*对于各种不同的无线接入技术，核心网的网络单元相同。

　　*数据包的传输基于IP技术

　　*支持数据、话音和实时多媒体业务

　　*尽可能多地引用现有的成熟的IP协议。

　　*尽可能减少对于接入网无线资源的消耗。

　　*由于同时支持IPv4和IPv6协议，而IPv4的地址不足，因此要最大程度减少占用的IP地址。

　　*减小对现有GSM和GPRS网络结构的影响。

　　2　Mobile IP协议

　　2.1 Mobile IP协议的基本工作原理

　　Mobile IP协议通过引入了归属代理（Home Agent,HA，又译为家乡代理）、漫游地代理（Foreign Agent,FA又译为外地代理）两个新的功能实体和隧道（tunnel）技术，不改变因特网路由规则的前提下，解决了移动主机漫游时的路由问题，无需改变移动节点的IP地址，同时保持上层的通信连接。也就是解决了主机在移动时与整个因特网如何保持无缝通信的问题。

　　网络中存在移动节点、归属代理和漫游地代理三种功能实体。Mobile IP的基本工作原理是：归属代理和漫游地代理通过广播的方式进行代理通告（Agent Advertisement,AA）；移动节点判断处于归属局范围内还是在漫游人，如果在外地网络上，移动节点通过代理通告程获取漫游代理转交IP地址，或者通过DHCP协议获取同转交地址；移动节点通过漫游地代理进行鉴权，并且于归属代理注册，从而绑定移动节点的永久IP地址和在外地网络中获取的转交地址，在归属代理和漫游地代理或者移动节点之间建立隧道；归属代理吸引网络内发给移动节点的数据包，并且用隧道传到转交地址处；在转交地址处，解隧道封装，转给移动节点；移动节点发出去的数据包用漫游地代理作为默认路由器。Mobile IP有三个主要的过程：代理发现、注册和路由数据包。

　　在Mobile IP协议提出以后，人们针对其一些固有的缺点和在实际网络中使用时面临的实际问题，提出了一系列的草案，以完善Mobile IP协议。3GPP把改进后的Mobile IP协议叫做MIP+协议。本文正是从MIP+开始分析的，考虑到IPv6协议还没有开始广泛使用，本文的分析主要针对IPv4协议，其主要原理同样适用于IPv6协议。
　　2.2　Mobile IP协议在3G演进过程中的作用分析

　　Mobile IP是一种网络层移动性管理的方案，与链路层和物理层传输技术无关，实现了移动主机跨区域、跨网络的漫游。这些网络既包括固定的有线和无线网络，也包括移动网络。可以用于不同运营商但是采用相同技术的移动通信网络之间，也可以用于2G、2.5G和3G的混合网络中。因此在向全IP核心网的演进过程中，Mobile IP协议有助于综合各种网络的优势，具有很重要的作用。

　　在向UMTS的演进过程中，各个运营商的步伐会很不一致的。处于过渡阶段中3G运营商不但面临着多种3G网络互通的问题，而且2G、2.5G和3G系统将会在很长的一段时间内共存。如何解决好不同网络技术之间的融合，对于移动运营商是一个相当重要的问题。Mobile IP有助于移动运营商迅速开展3G业务，吸引用户加入3G网络。
　　在IP网络中，Mobile IP作为基本的IP层移动性解决方案，在IP核心网络中扮演着重要的角色。３Ｇ网络作为未来IP业务的主要接入手段之一，应该支持Mobile IP协议和业务。

　　现有的GSM网络中已经通过注册过程，越区切换过程和VLR/HLR等实体提供了GSM网络内部的移动性支持。GPRS网络中又引入了GTP协议建立了GPRS网络内部的隧道机制，确保越区切换时IP数据包不被丢失。UMTS核心网在继承了这些功能的同时，需要引入归属代理和漫游地理来支持Mobile IP协议，以发挥Mobile IP作用。

　　3　UMTS核心网中引入MIP+协议的演进过程的分析

　　3.1　概述

　　GPRS网络向着全IP网络的演进过程中，将分成三步引入MIP+协议：

　　*第一步，现有GPRS网络结构不变，负责处理移动网络内部的移动性管理。通过引入一个归属代理和漫游地代理，MIP+使得用户可以在不同种类的网络之间漫游，同时保持IP层以上的通信。这一步已经包含在3GPP R99的标准中。

　　*第二步，网络中引入了多个GGSN/FA实体后，在发生SGSN切换时，改变提供服务的GGSN/FA，使得移动节点尽可能接近漫游地代理来优化IP包的路由。这一步将包括在3GPP R00的标准中。

　　*第三步，SGSN和GGSN合并为一个网元IGSN，MIP+将处理IGSN间的切换，也就是由MIP+负责处理UMTS核心网内部和不同种类网络之间的移动性管理。

　　根据前述的演进原则，在这个过程中技术上MIP+将做一些特殊的考虑，包括：

　　*由于IPv4地址资源和UMTS网络中无线资源的缺乏，移动节点主要采用漫游地代理转交地址，也就是从漫游地代理的代理通告中获取的地址作为在外地网络中的转交地址。

　　*移动节点向SGSN提交业务接入点名称，规定了移动节点需要的服务类型。

　　*所有MIP+的消息在UMTS的用户平面传送。

　　*移动节点本身需要支持MIP+协议。

　　*UMTS的安全能力和IP安全协议的结合。UMTS的安全能力只是保证了移动通信网络内部的安全性，端到端的安全性应该由IP安全协议处理。

　　3.2演进的第一步：开始提供MIP+业务

　　原有的GPRS的网络结构保持不变。整个GPRS网络内有一个GGSN升级为GGSN/FA，即提供漫游地代理的功能，就可以开展MIP+业务。移动节点向SGSN提交业务接入点名称和分组数据协议信息，业务接入点名称指明了移动节点连接的网络标识，分组数据协议信息指明了数据包的类型，SGSN通过这两条信息寻找合适的GGSN作为漫游地代理。通过漫游地代理向归属代理注册后，移动节点就可以开始通信。

　　根据外地网络是否提供MIP+业务，需要区分两种漫游方式：GPRS漫游和MIP漫游。GPRS漫游是指对于通过Gp接口漫游到外地网络的移动用户，如果外地网络中没有漫游地代理的功能，则通过GPRS隧道协议，仍使用家乡网络中的漫游地代理。如果外地网络中有漫游地代理的功能实体，则使用外地网络中的功能实体，这种情况叫做MIP漫游。这样无论外地网络运营商是否提供MIP+业务，移动节点依旧可以使用MIP+业务，确保了网络运营商可以平滑过渡。

　　3.3　演进的第二步：移动路由的优化

　　在这个阶段，GPRS网络内存在多个可选的GGSN/FA，理想的情况是SGSN与GGSN/FA之间一一对应。

　　移动节点在移动过程中，SGSN切换后，新的SGSN将选择一个更合适的GGSN/FA供移动节点使用，以优化移动路由。移动节点将获得一个新的漫游地代理转交地址，移动节点必须重新在归属代理处注册。在切换过程中，新的SGSN将保持两条隧道与新旧两个GGSN/FA相连，以确保数据包不被丢失。

　　GPRS的接口Gp和Gn需要有能力做GPRS漫游，以确保和没有漫游地代理的GPRS网络的互联。

　　3.4演进的第三步：使用MIP+处理UMTS内的移动性

　　这个阶段最大的变化在于SGSN和GGSN的功能集成到IGSN中。IGSN/FA的主要功能有：支持原有的SGSN的功能；支持ＭＡＰ信令和相关的处理；支持与HLR之间的通信和通过漫游地代理与AAA设备间的通信；计费信息的统计和处理；支持MIP+和GTP两种跨IGSN的切换。　　由于IGSN与路由区之间的一一对应关系，而每个路由区相当于是一个IP子网，所以在网络中将利用MIP+处理IGSN间的越区切换。从而MIP+可以处理分组交换域内的不同种类通信网络，不同运营商的移动通信网络、不同区域的移动通信网络和不同IGSN区域之间的移动节点漫游。而UMTS/GPRS网络原有的移动性管理功能将主要用于管理电路交换域内移动电话的漫游和分组交换域中IGSN管理范围内的移动终端的通信。

　　在过渡时期考虑到和不同演进速度的UMTS/GPRS网络之间的互通，IGSN应该可以作为SGSN或者GGSN单独使用。

　　4　UMTS核心网中MIP+移动性管理流程的分析

　　分析UMTS核心网中采用MIP+协议进行移动性管理的信令流程。UMTS的网络环境和有线网络相比有很大的不同，从而导致了UMTS的核心网中MIP+协议的处理过程有着自己鲜明的特点。笔者将从MIP+通信会话的建立和传送数据两个方面展开分析。

　　4.1　MIP+会话的建立流程

　　移动节点从结构上可以分成移动终端（Mobile Termination ,MT）和终端设备（Termination Equipment,TE）两部分，移动终端负责与无线通信相关的处理，终端设备包含端到端的应用。

　　MIP+通信会话的建立过程主要包括两个步骤，即分组数据协议环境的激活和MIP+注册。

　　详细过程如下：1）终端设备向移动终端发AT命令，携带了移动终端激活分组数据协议环境需要的参数。其中最重要的参数是业务接入点名称，指明了需要启动MIPv4业务。随后将在移动终端和终端设备之间建立PPP连接。2）移动终端向IGSN/FA发送激活分组数据协议环境请求。IGSN收到该消息以后，将根据移动终端提交的业务接入点名称参数激MIP+业务。3）IGSN发送激活分组数据协议环境确认消息给移动终端。4）IGSN/FA在UMTS的用户平面向终端设备发送代理通告消息。由于IGSN知道请求MIP+业务的移动节点的IMSI，这个消息是在IGSN和终端设备之间以点到点的方式发送的，而不是通常的广播方式。5）移动终端收到代理通告后，将通过UMTS用户平面发送MIP+注册请求给IGSN/FA，进而转发给归属代理，由归属代理负责鉴权并作应答。6）IGSN/FA收到归属代理发送的注册应答，从中提取并保存所需的信息后，转发给移动终端，完成了Mobile IP会话的建立过程。
　　4.2收发数据的流程

　　发送数据的时候，可以用IGSN/FA作为默认的路由器直接把数据包发送给目标主机；如果在IGSN/FA中有路由源地址的限制时，由于移动节点和漫游地代理的IP子网掩码不同，可以首先建立从漫游地代理到归属代理的反向隧道把数据包首先发送给归属代理，再由归属代理转发给目标主机。

　　接收数据的过程类似于标准的Mobile IP的方式，区别在于IGSN/FA在转发数据给移动节点之间前，需要根据UMTS/GPRS的标准建立连接IGSN与移动节点的数据链路。

　　5　结论

　　通过在UMTS核心网中逐步引入MIP+协议，可以把UMTS和MIP两种移动性管理方案结合起来，UMTS将负责管理UTRAN内终端的移动性，而MIP+将主要处理大范围、跨网络的移动性的管理。从而保证了在向3G过渡的过程中各种网络间的兼容性，保护了运营商的投资和用户的利益，加速了GSM网络向3G网络的发展。

　　由于IPv4地址空间较小，未来的研究课题将主要集中在UMTS中如何引入IPv6协议。MIPv6与MIPv4有很大的区别，如何从Mobile IPv4过渡到Mobile IPv6将是运营商面临的一个重大的问题。另外，本文的讨论中很少涉及到安全和计费的问题，如何引入因特网成熟的AAA体系和IP安全协议也将是重要的研究方向之一。

摘自《中国数据通信》2001.8