2-通信网原理与技术-移动性管理剖析

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1、2019/10/17,1,现 代 通 信 网 络,张 冬 梅 (zhangdm) 北京邮电大学计算机学院,2019/10/17,2,第二章 通信网原理与技术,2019/10/17,3,主要内容,2.1 通信网传输规程 2.2 交换技术 2.3 路由技术 2.4 多路访问控制技术 2.5 差错控制技术 2.6 拥塞控制技术 2.7 服务质量管理 2.8 移动性管理,4,移动互联网,移动互联网概述 移动性管理 网络层移动管理 概述 MIPv4协议 MIPv6协议 移动子网技术 其他移动相关技术,5,移动互联网概述(1/6),移动互联网定义 互联网技术、无线通信和移动技术相结合产生了移动互联网 百度

2、百科：移动互联网，就是将移动通信和互联网二者结合起来，成为一体。 互联网发展的三个阶段 固定/有线互联网络 无线互联网 移动互联网,6,移动互联网概述(2/6),移动互联网目标 无论移动终端还是移动子网，都可以在任意地方以任意方式接入到互联网，同时保持通信不间断。 移动互联网移动性依次为： 终端或单机移动 子网移动 节点、子网等混合移动,简单,复杂,7,移动互联网概述(3/6),移动互联网络中存在的挑战 无线信道 用户移动性(移动互联网需要解决的关键问题) 移动互联网需要解决的问题 如何保证终端和子网在移动过程中通信的连续性 如何解决终端和子网移动对网络各方面的影响 路由协议、路由最佳化 快速

3、切换 网络安全 网络服务质量 ,8,移动互联网概述(4/6),移动互联体系结构 移动终端和移动子网：移动主体，接入网的外延 接入网：为异质异构的移动终端和子网提供统一的接入服务，并对核心网屏蔽移动终端和子网的介质特性 核心网：负责维护互联网主干网络的拓扑结构和路由信息，为接入网的各种数据提供统一的交换路由,9,移动互联网概述(5/6),10,移动互联网概述(6/6),移动互联网技术发展过程 第一阶段：1991-1996：MIPv4 第二阶段：1996-2004：MIPv6 第三阶段：2004-今：子网移动、MIP优化,11,移动互联网,移动互联网概述 移动性管理 网络层移动管理 概述 MIPv

4、4协议 MIPv6协议 移动子网技术 其他移动相关技术 移动互连网业务,2019/10/17,12,移动性管理概述(1/3),移动性管理指通信网中用户或者终端的位置发生改变时能够继续通信，并实现位置信息的更新及管理的能力，也即，用户的通信和对业务的访问不受移动目标网络接入点变化的影响。 移动网络中建立呼叫需要解决的问题 用户所在的位置 用户识别 用户所需提供的业务,13,移动性管理概述(2/3),移动性管理涉及的方面 移动性场景分析 移动性管理方法理论、控制技术 相关协议、机制以及性能分析 核心内容 位置管理：用来使网络发现移动节点的接入点，并向其发起呼叫 切换管理：当移动节点在移动通信过程中

5、改变了其网络接入点时，网络利用切换管理保证其连接不间断,2019/10/17,14,移动性管理概述(3/3),移动性管理的分类 根据移动性支持的等级 游牧移动性(nomadic mobility):不支持切换 无缝移动性(seamless mobility): 支持切换 根据移动性的类型 终端移动性 个人移动性 会话移动性 业务移动性,2019/10/17,15,位置管理(1/2),功能：实现跟踪、存储、查找和更新移动目标的位置信息。 包括两个主要任务 位置更新 (位置注册):移动目标向系统报告其位置的变更 移动检测 鉴权与认证 位置查找（寻呼）:系统查找移动目标所在位置的过程 确定为被叫MT

6、服务的数据库 定位被叫MT当前所在的访问小区子网(paging),16,位置管理(2/2),移动台位置更新过程 移动台的位置登记 移动台从一个小区进入另一个小区时所进行的位置更新 特定时间内网络与移动台未发生联系时，移动台自动、周期地与网络联系，核对数据 目的：使移动台与网络保持联系，以便移动台在网络覆盖的任何一个地方都能接入到网络内 方法：使用各种位置数据库维系移动台与网络之间的联系，位置数据库采用层次型、树形和中心数据库结构,位置管理的性能评价参数 更新消息开销、更新时延、寻呼信令开销、寻呼时延、系统效率等。 位置更新与位置查找在占用系统资源方面是矛盾的，同时优化两者是一个NP问题，各种位

7、置管理方案就是在两者的开销之间寻找平衡，以降低总的位置管理开销。,17,2019/10/17,18,切换管理(1/3),切换管理：接入点变化时保持通信的连续性 移动用户处于通话状态； 移动台从一个小区移动到另一个小区； 保证通话继续进行 功能：切换准则、控制方式、资源分配策略 切换控制的性能评价参数： 切换成功率、掉话率、新呼叫阻塞率、平均切换次数、切换时延、强制中断率等,19,切换管理(2/3),切换管理过程 初始化 建立新连接 数据流控制 切换的种类 根据网络类型：水平切换(系统内切换)和垂直切换(系统间切换) 根据管理范围：网内切换和网间切换 根据切换性能：快速切换、平滑切换和无缝切换,

8、移动性管理模型(1/3),移动性管理模型,20,2019/10/17,21,移动性管理模型(2/3),相关功能实体 移动性管理服务器 注册认证服务器：负责管理用户的接入鉴权信息和业务属性信息等 位置管理服务器：负责记录、更新、查找、注销用户当前位置信息 接入点 负责提供用户通信需要的接入连接、号码/地址适配及相关的切换控制功能，如蜂窝网中的基站子系统、WALN的接入点（AP）、WiMAX的基站等。 当用户移动引起接入点服务区域的变化时，就发生切换控制,2019/10/17,22,移动性管理模型(3/3),域移动控制器 切换控制：如域内(同一拜访网络)接入点间的切换和域间(不同拜访网络)的切换控

9、制； 域间网关功能：如拜访网络和归属网络间有关移动性的注册管理信息和位置信息的通信 移动性管理协议 实现功能实体间的相互通信，以实现认证、信息交换（如用户信息和位置信息等）、控制等功能 协议分为四类：注册管理协议、位置管理协议、切换控制协议和互操作控制协议。,23,不同层的移动性管理,按工作的层次 应用层移动性管理协议：SIP 传输层移动性管理协议：MSCTP 网络层移动性管理协议：MIPv4, MIPv6 链路层移动性管理协议：WiMAX, WIFI等,24,链路层移动性管理(1/2),按链路覆盖范围 WPAN：有限范围的移动(10m)，无复杂的移动性管理 WLAN：有限范围的移动(300m

10、)，无复杂的移动性管理 WMAN IEEE802.16d：在城域范围内(150km)提供区域覆盖、游牧接入的移动通信，是一种功能简单、成本低廉的移动性管理技术 IEEE802.16e：即移动WiMAX，实质上是一种移动通信系统技术,25,链路层移动性管理(2/2),WWAN：电信网的移动接入技术，典型是蜂窝移动通信系统。 能提供广域范围内（如几个城市、一个国家、甚至全球）的移动通信 强调无缝覆盖和用户高速移动下的连续通信能力，是功能比较强大且复杂的移动性管理技术。,2019/10/17,26,网络层移动性管理,MIPv4/v6,2019/10/17,27,传输层移动性管理,MSCTP SCTP

11、是一种数据分组通用输协议，继承了TCP的拥塞控制和流量控制机制，并具有多家乡性、多流性、面向消息传输、选择性确认等新特性，为上层提供可靠的传输服务 MSCTP是带有DAR(dynamic address reconfiguration)扩展的SCTP协议，具有多家乡性和动态地址重配置扩展能力，是传输层移动性管理协议。 MSCTP的移动性支持完全体现端到端的概念，其中的移动性功能实体只有通信端点，不需要任何网络基础设施和服务器的支持,2019/10/17,28,应用层移动性管理,SIP SIP能够建立用户的公共身份标识（SIP URI）与当前IP地址之间的绑定关系，用户可以通过支持SIP的任何终

12、端（如个人电脑、手机、PDA等）进行注册，这样SIP就能支持用户的移动性和发现功能。当移动目标到一个新网络后，通过SIP注册消息向注册服务器更新其位置信息，继而注册服务器会向位置服务器更新。位置服务器存储并且向用户返回可能的位置信息。当移动目标发起呼叫时，代理服务器使用更新后的位置信息 SIP通过扩展后，可以在一定程度上实现个人移动性、会话移动性和业务移动性等，使其成为应用层移动性管理协议的典型代表。,29,不同层的移动性管理,按工作的层次分类 应用层解决方案：对上层协议不透明，且有较大的延迟和开销 传输层解决方案:不能适用于非TCP的协议 网络层解决方案:独立于各种无线接入技术及具体业务，具

13、有良好的可扩展性，是支持用户移动的有效解决方案。因为其与下层协议无关、对上层协议透明的特性成为应用范围最广、应用效果最好的移动管理解决方案 链路层解决方案:与特殊的无线技术紧耦合,使用范围有限。,30,移动IP,概述 相关技术 MIPv4协议 MIPv6协议 快速切换技术 安全技术,31,网络层移动性管理概述,目标：在Internet上提供移动功能的网络层方案，它可以使移动节点用一个永久的地址与互联网中的任何主机通信，并且在切换子网时不中断正在进行的通信。,网络层移动性管理效果示意图,32,网络层移动性管理概述,功能：Internet上移动节点位置变化时，不改变其原有地址，也不必采用特定主机路

14、由，仍然能够保持和其他节点之间的连续通信。 移动IP需要满足的要求 MN应能与不具备移动IP功能的计算机通信 无论MN连接在哪个数据链路层接入点，它仍能用原来IP地址通信 MN改变链路层接入点后，高层连接不中断 MN具有较好的安全性,33,网络层移动性管理协议,协议分类 基于主机的移动性管理协议 原理：终端支持相应的协议栈，对终端要求高，终端设计复杂、成本高 典型协议：MIPv4、MIPv6 基于网络的移动性管理协议 原理：移动终端不需要有特殊功能，全部移动性管理功能，如：MN的移动性检测、注册、路由等功能全部由网络完成。 典型协议：PMIPv6,网络层移动性管理相关技术,代理ARP技术 隧道

15、技术,34,35,代理ARP技术,代理ARP(Proxy ARP): ARP协议的一个变种 功能：通过使用一个主机(通常为路由器)，来作为指定的设备对另一个设备的ARP请求进行应答。 优点：子网的变化对主机是透明的 缺点 增加了ARP流量 安全问题：ARP欺骗,举例,36,无故ARP 主机使用自己的IP地址为目标发送ARP请求 作用 检查地址重复 更新ARP缓存,37,38,隧道技术,IP in IP 最小封装 GRE封装,39,IP in IP,是支持Mobile IP的移动节点必须支持的IP协议隧道封装技术 IETF的RFC2003定义 内容 将一个IP数据包做为另一个IP数据包的净荷，形

16、成具有两个IP报头的新的数据包，作为净荷的原始IP包不做任何改动,40,IPv4数据报格式,IP头标,净荷,IP头标(外部),IP头标,净荷,原始分组,隧道分组,41,Src:CN Dst:MNs Home,IP Payload,IP Header,Src:CN Dst:MNs Home,IP Payload,IP Header,Src:HA Dst:MNs CoA,IP Header,MIP中的隧道技术,附加IP头,42,最小封装,是支持Mobile IP的移动节点可选的IP协议隧道封装技术 IETF的RFC2004定义 设计思想：对IP in IP封装进行压缩，压缩掉原始IP报头和新的IP报头共有的冗余部分来提高封装的效率 实现方法 在原始IP包的净荷和报头之间加入最小转发报头 对原始IP报头做最适当的改动,43,Src:CN Dst:MNs Home,IP Payload,IP Header,Src:CN Dst:MNs CoA,IP Payload,IP Header,隧道技术-(2)最小封装,MNs Home Addre