移动化管理概述

6.1　移动化管理概述

使任何人可在任何时候、任何地方、与任何人以及相关的物进行任何形式的通信，即未来信息社会中的“5W”通信移动性目标，这需要移动化管理技术来实现。而最早的移动化管理技术来源于20世纪60年代贝尔实验室提出的蜂窝移动通信系统。随着通信和计算机技术的发展，用户的移动性要求越来越高，目前正处于从个人电脑向移动设备(如笔记本电脑、PDA、智能手机等)和网络嵌入式设备(如无线传感器、无线远程遥控和遥测设备等)转型的进程中。截至2010年，全球移动通信用户数目为54.2亿，与之对应，全球互联网用户总数为20.8亿人。2011年全球新生产的手机中，85%可以接入移动互联网。国际电联(国际电信联盟，International Telecommuications Union，ITU)预计到2015年，全球使用移动互联网的人数将超过桌面互联网(Desktop Internet)，因此，移动化管理技术是未来无线移动通信和移动计算中最重要也最具有挑战性的问题之一。ITU-T、IETF、3GPP、ETSI、MWIF、IST等诸多国际标准化组织都将移动化管理作为非常重要的一个方面进行研究。

6.1.1　移动化管理的定义

移动化管理是指用户(或终端)在网络覆盖范围内移动时，仍然可以使其持续接受网络通信服务的管理过程。也就是说，移动化管理的目标就是使用户的通信不受移动目标位置和接入技术的变化的影响。

移动化管理技术源自蜂窝移动通信网。未来无线个域网(WPAN)，如IEEE 802.15;无线局域网(WLAN)，如HiperLAN、IEEE 802.11;无线城域网(WMAN)，如IEEE 802.16;无线广域网(WWAN)，如2G、3G等多种异构接入网络的并存，AdHoc网络以及以此为基础的无线Mesh网络、无线传感器网络的出现及其与蜂窝网、因特网的结合，新业务与应用需求的出现以及数量庞大的移动终端的接入，都给移动化管理带来了全新的挑战，而现有技术都不能满足未来需求，尤其是个人移动性和会话移动性的需求。移动化管理已经不再是特定网络技术的一个侧面，而是跨越各种异构接入网络，同时涵盖网络、业务、终端各个层面的综合技术。因此，有必要将移动化管理技术作为一门单独的技术来研究。

6.1.2　移动化管理的分类

移动化管理的分类是参照有关移动性分类的方式进行的。

ITU-T、IETF、3GPP、ETSI、MWIF等诸多国际标准化组织都基于各自的领域、从不同角度定义了移动性相关的术语和需求。

移动性是指移动目标(用户或终端)在网络覆盖范围内的移动过程中，网络能持续提供通信服务能力，指用户的通信和业务访问不受位置变化和接入技术变化的影响，即独立于网络服务接入点(简称接入点)的变化。

根据不同原则，移动性可以有多种不同分类。

(1)根据支持程度，可分为:无缝移动性和游牧移动性。

无缝移动性指当用户移动导致接入点改变时，不会中断当前的通信，仍能与网络保持连接。而在游牧移动性中，当改变接入点时，不需要与网络保持连接，用户的业务会话将被完全终止，然后重新开始。可见，二者本质区别在于网络接入点的变化是否影响当前通信与会话的连续性，即是否支持切换。

还有一个与游牧接近的概念——漫游，指用户在移出了其归属网络之后，仍然可以根据其用户和业务属性，使用拜访网络提供的接入和通信能力。游牧与漫游在很大程度上是相同的，但定义的角度、关注点不同，游牧从技术角度侧重研究移动引起的接入点变化对会话的影响，漫游则从业务运营角度侧重研究移动引起的网络和业务环境的变化对通信和业务的影响。

(2)根据移动性支持的目标，可分为:终端移动性、个人移动性、会话移动性、业务移动性和网络移动性。

终端移动性、个人移动性、会话移动性和业务移动性反映了与用户相关的移动性的不同侧面和需求目标。

终端移动性是指同样的终端设备在移动中或在不同位置使用的场景中的移动性，是终端从不同位置或在移动中访问电信业务的能力，以及网络识别和定位该终端的能力。而根据实现中移动性的主要支持方，终端移动性又可分为:边缘移动性(Edge Mobility)和主机移动性(Host Mobility)。边缘移动性是指当移动节点发生移动时，由网络负责将数据流路由至移动节点的当前接入点。主机移动性则是指当移动节点发生移动时，由移动节点自己负责将数据流路由至当前位置，而不需要网络的协助。蜂窝移动通信网络简称“蜂窝网”中的域内移动化管理和NetLMM(Network-based Localized Mobility Management)是边缘移动性的典型技术，移动IP和HIP(Host Identity Protocol)是主机移动性的典型技术。

个人移动性是指同一用户在不同的位置、改变接入网络或使用不同终端仍能实现信息通信的能力，即用户基于个人标识，用任何终端访问电信业务的能力，以及网络系统在用户相关属性中提供这些业务描述的能力。个人移动性包含通信可达性与业务个性化。实现通信可达性的关键是将用户，而不是终端作为通信的端点，为每个用户设立惟一标识，并与通信过程中特定域或特定终端的标识进行动态映射。实现业务个性化使得用户信息、用户偏好、业务属性等信息能够跟随用户移动，从而获得始终如一、个性化业务环境，一般采用代理技术。

会话移动性是指用户或终端在移动过程中改变网络接入点时仍保持正在进行的会话的能力，即不中断的持续信息通信能力。会话移动性重点研究垂直切换(即异构网络环境中切换)以及针对多接口终端的连接管理。业务移动性可以看作个人移动性研究中业务个性化的部分。

业务移动性是指应用于特定业务的移动性，也就是说，无论用户在什么位置，使用何种终端，都可以使用与归属地相同体验的业务的能力，即具有跨域、跨运营商、跨终端的业务可携带性、业务环境可携带性及业务个性定制可携带性。

网络移动性是指一组互相联网的固定或移动节点作为一个整体改变其接点仍能与网络其他节点通信，如航行中的轮船、汽车和火车等上的网络。

(3)根据移动性涉及的范围大小，可分为:接入网内移动性、接入网间移动性和网络间移动性。这三类移动性分别指同一接入网内、同一网内不同接入网间、不同接入网间的移动性。与此类似的分类是:微移动性、宏移动性和全局移动性，分别指子网内、同一管理域内的子网间及穿越不同管理域的移动性。

(4)根据无线移动网络类型的不同，可分为:有基础设施的无线移动网络中的移动化管理和无基础设施的无线移动网络中的移动化管理。有基础设施无线移动网络的典型代表是蜂窝移动通信网络及WLAN，具有相对成熟的移动化管理技术。无基础设施的无线移动网络以Ad Hoc网络(移动自组织网络)为典型代表和基础，其移动化管理往往与拓扑管理、路由管理等技术密不可分，目前还没有很成熟的移动化管理技术。

6.1.3　与移动化管理有关的技术术语

(1)移动IP:移动IP是IETF(Internet Engineering Task Force)制定的扩展IP网络移动性的系列标准，是在网络层解决主机移动性问题的可行解决方案。该标准是使连接到任何网络上的移动终端使用一个固定的IP地址并能够持续接收IP包的技术。RFC2002 IP Mobility Support是移动IP的主要标准，其中详细描述了移动IP的构架和工作机制。而与其相关的其他一些规范则可在RFC2003-2006中查到。

在移动IP系统中，移动终端始终使用固定的IP地址进行通信，这样在移动过程中可保证已经建立的TCP连接不会中断。由于使用固定IP地址，所以移动IP中位置的移动对用户来说是透明的。与底层的链路特性无关是IP协议的设计宗旨。因此采用移动IP的节点可以从一种媒介移动到另一种媒介上，而不会丢失现有连接。由于移动IP和网络介质无关，因此可以实现异质网络间的无缝漫游。

使用移动IP技术可以突破无线局域网(WLAN)的地域范围限制，并且克服了跨网段时使用动态主机配置协议(DHCP)方式所造成的通信中断等问题。

(2)移动节点(Mobile Node):与网络相连并时常移动的网络实体，即移动机(Mobile Host)或路由器。移动节点有一个固定的IP地址。

(3)通信节点(Communication Node):与移动节点MN进行通信的对等通信节点可以是固定的，也可以是移动的。

(4)家乡地址(Homo Address):分配给移动节点MN的永久IP地址，属于家乡网络。是用来识别端到端连接的静态地址。不论移动节点在何地与Internet相连，它都保持不变。

(5)转交地址(Care of Address):转交地址即通向MN的隧道终点地址。指移动节点访问外地链路时获得的IP地址。这个IP地址的子网前缀是外地网前缀。它要么是有一个端口在外地链路上的外地代理的IP地址，即外代理转交地址;要么就是暂时分配给移动节点的一个地址，即配置转交地址。当移动节点MN与通信节点CN通信时，家乡代理HA利用这个地址向移节点传送数据包。

(6)家乡网络(Homo Network):网络前缀与移动节点的家乡地址相匹配的子网络，被称为该节点的家乡网络。

(7)外地网络(Foreign Network):除了家乡网络之外的所有网络，都是该节点的外地网络。

(8)移动代理(Mobility Agency):家乡代理和外地代理的统称。

(9)移动绑定(Mobility Binding):一个信息集合，包含有移动节点的家乡地址，转交地址以及该集合的有效生存时间等信息。

(10)mSCTP协议:mSCTP协议是传输层支持移动性的典型技术。mSCTP能够提供传输层的端到端的、对上层应用透明的移动性支持，并且不需要额外的网络设备支持，逐渐被认为是实现移动化管理的最佳方案之一，也成为移动化管理领域的研究新热点。

mSCTP是带有动态地址重配置扩展的SCTP协议(Stream Control Transmission Protocol，流控制传输协议)。因其多家乡性和动态地址重配置扩展而具有对端到端的移动性支持能力。

(11)位置管理: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。整个过程可分为两个阶段:第一阶段完成位置注册(或称为位置更新)，第二阶段完成呼叫建立。在第一阶段中，移动节点周期性地向网络通告它当前的接入点，网络对移动节点进行鉴权和认证，并更新移动节点的位置信息。在第二阶段中，网络在移动节点位置库中查找被叫节点的位置信息，并向被叫移动节点发起呼叫。

当移动节点在移动通信过程中改变了其网络接入点，网络可以利用切换管理功能保证其连接不间断。切换管理过程可分为三个阶段，第一阶段初始化，第二阶段建立新连接，第三阶段数据流控制。在初始化阶段，用户或网络根据变化的网络条件判定是否要进行切换。在第二阶段，网络必须为切换分配新的网络资源，并执行相关的寻径操作。最后，网络根据服务协议将数据从旧连接转到新的连接上。

(12)位置注册:当移动节点离开其家乡链路时，就必须有一个家乡代理。移动节点向家乡代理进行注册，外地代理以便使网络知道移动节点当前的IP地址。每个移动节点有两个IP地址，一个用于定位，另一个用于标识。当移动节点移动到一条外地链路上时，它就获得一个新的IP地址，称为转交地址。转交地址与家乡地址的关系通过一个移动性绑定来维护，这样发往移动节点的数据就可以根据移动节点的家乡地址进行转发，而不必管其当前的位置。每一个绑定都有一个经协商的有效期，当有效期过后，绑定信息就被删除。所以移动节点必须在有效期到期前重新进行注册，以便使网络可以继续使用这个转交地址。移动节点根据接入方式的不同，可以直接向家乡代理发送注册信息，也可以通过外地代理向家乡代理转发注册信息。

(13)移动性检测:在移动IP中，移动代理通过发送代理广播消息来声明自己的存在。在移动IPv6中主要通过IPv6的邻居发现机制来实现移动性检测。移动节点通过两种方法发现自己发生移动，一种是广播有效期，另一种是网络前缀。广播有效期方法是根据代理广播消息中有效期字段来进行移动性检测。具体来说就是，移动节点记录下其接收到的代理广播中所带的有效期信息，直到其超期为止。如果移动节点不再与其原有外地代理有联系，就要主动寻找新的代理。网络前缀方法是根据网络地址前缀来进行移动性检测。当移动节点接收到的代理广播消息中的网络地址前缀发生变化，它就会认为其移动到了一个新的子网中。

(14)寻径与隧道:通过移动节点的家乡代理向移动节点传送数据所经过的路径明显比经过优化的路径要长。移动IP的路由优化技术采用隧道来减少无效的路径。比如，当家乡代理通过隧道将数据包传给移动节点时，移动节点的家乡地址对家乡代理和移动节点之间的路由器是不可见的。直到数据包被传送到外地代理后，原数据包才被重新恢复，并转发给移动节点。当前，有两种协议用于路由优化和隧道的建立，一种是移动IP的路由优化协议，另一种是隧道建立协议。

路由优化技术对基本移动IP协议进行了扩展，以获得更优的转发路由。其主要思想是通信接点直接将数据包传送给移动接点，而不经过移动节点的家乡代理。这个技术除了提供通信节点缓存移动节点的绑定信息，并根据这一信息将数据包通过隧道直接传给移动节点，而不经过家乡代理外，还考虑到了在下述情况下如何向移动节点直接转发数据，一种情况是当移动节点移动时，数据包正在发送途中，另一种情况是数据包根据过期的绑定信息传送。为了使用隧道协议，必须对移动IP进行修改，以便在任意两个节点之间都可以进行隧道传送。当建立好一条隧道后，数据封装代理(家乡代理)按照一组参数将协议数据单元传送给隧道终点(外地代理)。产生和更新隧道参数的过程称为隧道的建立。一般来说，隧道建立的参数包括移动节点的网络地址。为了使用隧道传送数据，家乡代理必须决定移动节点的隧道终点。这可以通过移动节点的IP地址查询注册表得到。每张表都包含隧道终点的地址和其他一些必要的隧道参数。外地代理收到数据后，经过处理将解封装的数据传给移动节点。如果移动节点就注册在这个外地代理，就不再需要别的网络操作。

(15)服务接入点:服务接入点(Service Access Point)是指负责为用户/终端通信提供所需的接入连接、号码/地址适配及相关控制功能的第一个网络实体。例如，蜂窝网中的基站子系统(Base Station Subsystem，BSS)和WLAN中的接入点(Access Point AP)等。

接入点的变化可能由用户/终端/网络移动导致的物理位置变化引起，也可能由接入技术或无线信号的变化引起。并且，接入点的变化通常会触发移动化管理中的位置更新和切换控制等过程。

(16)隧道(Tunnel):被封装的数据包所走的整条路径。被封装的数据包通过隧道到达指定转交地址，然后在此被解封装并被传送到最终目的地。

(17)代理发现(Agent Discovery):为了随时随地与其他节点进行通信，移动节点必须首先找到一个移动代理。移动IP定义了两种方法:一是被动发现，即移动节点等待移动代理周期性地广播代理通告报文;二是主动发现，即移动节点广播一条请求代理的报文。移动IP使用扩展的“ICMP Router Discovery”机制作为代理发现的主要机制。

(18)家乡代理(Home Agent):一个移动节点本地网上的路由器，它是移动节点本地IP所属网络(家乡网络)的代理，其任务是当移动节点离开家乡网接入某一外地网时，截住发往移动节点的数据包，并通过“IP隧道(IP Tunnel)”把数据包传给移动节点。家乡代理还负责维护移动节点的当前位置信息。

(19)外地代理(Foreign Agent):移动节点当前所在网络的路由器，可为移动节点在向本地代理注册时提供路由信息，向已登记的移动节点提供选路服务，并负责把家乡代理送来的数据包转发给移动节点。当使用外地代理转交地址时，外地代理负责解除数据包的隧道封装，取出原始数据包，并将其转发到该移动节点。对于那些由移动节点发出的数据包而言，外地代理可作为已登记的移动节点的缺省路由器使用。