移動通信IP節(jié)點技術(shù)研究

胡 川，陳 勇

（中國電信重慶公司云網(wǎng)運營部，重慶 400000）

0 引 言

在移動通信發(fā)展過程中，通過對IP節(jié)點技術(shù)的合理應(yīng)用，不僅可以避免發(fā)生移動終端信號中斷問題，而且還可以提高移動通信效率。移動IP節(jié)點技術(shù)應(yīng)用的主要目的是在移動通信中確保移動節(jié)點的連接性與連續(xù)性，進而更好地發(fā)揮IP節(jié)點技術(shù)的作用。在傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）網(wǎng)絡(luò)中，IP節(jié)點技術(shù)可以擺脫地域的限制，為廣大用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

1 移動通信概述

這里所提及到的移動通信一般是指移動一方在移動狀態(tài)下借助無線方式來完成通信，并實現(xiàn)與世界各國、各地區(qū)、各類人的有效通信。從某種程度上講，移動通信實現(xiàn)了有線通信和無線通信的有效結(jié)合，并先后經(jīng)歷了1G到5G時代，下面對其進行簡單介紹。

1.1 1G時代

20世紀(jì)90年代，美國摩托羅拉公司推出的大哥大最能代表1G時代特征。1G通信技術(shù)選擇借助模擬信號進行傳輸，通過對電磁波按照一定的方式進行頻率調(diào)制后就能夠?qū)⒄Z音信號傳輸?shù)捷d波電磁波上，這樣就可以將電磁波傳輸至接收設(shè)備，最終還原成語音信息，即所謂一次完整的通話過程。然而不同國家所制定的1G通信標(biāo)準(zhǔn)不同，從而導(dǎo)致1G無法實現(xiàn)“全球漫游”，在一定程度上限制了其發(fā)展。同時，1G所選擇的模擬信號傳輸容量有限，只可以對語音信號進行傳輸，且存在信號不穩(wěn)定、涵蓋范圍有限以及語音品質(zhì)低等問題，進而出現(xiàn)易受外界因素干擾、安全性能差等問題。

1.2 2G時代

1994年，吳基傳借助諾基亞2110撥通了第一個全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communication，GSM）電話，由此說明我國開始步入2G時代。與1G不同的是，2G通信技術(shù)選擇了數(shù)字調(diào)制技術(shù)。隨著系統(tǒng)容量的不斷增加，2G時代背景下的手機能夠進行上網(wǎng)，雖然具有比較慢的數(shù)據(jù)傳輸速度，但是第一次實現(xiàn)了文字信息的傳輸，為推動移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。從2G時代開始，世界各國開始爭奪移動通信標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)權(quán)，且隨著GSM歐洲標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用，諾基亞開始在移動手機市場占領(lǐng)霸主地位。

1.3 3G時代

雖然2G時代下的手機可以打電話，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對簡單文字信息的傳輸，然而隨著視頻和圖片傳輸需求的不斷增加，2G時代的網(wǎng)速已經(jīng)無法滿足上述要求，在此基礎(chǔ)上研發(fā)出了蜂窩移動通信技術(shù)（3G），其可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。與2G時代相比，3G時代選擇了數(shù)字化數(shù)據(jù)傳輸，而且根據(jù)需求開辟了全新的電磁波頻譜，制定了與之相匹配的通信標(biāo)準(zhǔn)，以確保3G傳輸速度達到了384 kb/s，甚至達到了2 Mb/s，基本上是2G時代的140倍。3G時代采用了更寬的頻帶，不僅提高了信息傳播速度，而且還提高了通信傳輸?shù)姆€(wěn)定性，這就使得3G時代成為移動通信發(fā)展過程中比較關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。2008年，在3G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上發(fā)布了iphone 3G，通過手機人們能夠?qū)崿F(xiàn)電腦網(wǎng)頁登錄、視頻通話、收發(fā)郵件以及收看直播等，代表了移動多媒體時代的到來。

1.4 4G時代

工信部于2013年12月在其官網(wǎng)上公布正式將“LTE/第四代數(shù)字蜂窩移動通信業(yè)務(wù)”經(jīng)營許可頒發(fā)給中國移動、中國聯(lián)通、中國電信，即所謂的4G牌照，代表了移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來。在3G基礎(chǔ)上發(fā)展而來的4G選擇了更先進的通信協(xié)議，與2G、3G相比，4G具有更快的傳輸速度，用戶可以觀看高清電影。如今，基于4G時代背景下，微博、微信、視頻等手機應(yīng)用在人們的日常生活中得到廣泛應(yīng)用，極大地提高了人們的生活質(zhì)量。

1.5 5G時代

隨著移動通信帶寬的不斷增加，有效提高了移動網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率，從2G時代的10 kb/s提高至4G時代的1 Gb/s。與1G、2G、3G、4G相比，5G不再通過某項業(yè)務(wù)或某個典型特征來進行定義，既屬于具備更高速率、更強能力、更大帶寬的一項技術(shù)，而且還實現(xiàn)了多技術(shù)、多業(yè)務(wù)的有效融合，可以為用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)并提高通信效率。

2 移動IP的原理

在移動通信技術(shù)快速發(fā)展的過程中，每一個移動節(jié)點均能夠與IP核心網(wǎng)實現(xiàn)無縫連接，由此便可以形成無線網(wǎng)絡(luò)。通常情況下，數(shù)據(jù)連接方法具有多元化的特點，最常見的是無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）、GSM以及藍牙等。在移動無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程中，移動IP是一項關(guān)鍵技術(shù)，其涵蓋了移動節(jié)點、外埠代理和歸屬代理。其中外埠代理和歸屬代理又分別被稱為外地代理與本地代理，統(tǒng)稱為移動代理。外埠代理一般是指分布在外部鏈路上的代理路由器；歸屬代理一般是指分布在本地鏈路上的代理路由器。

實際上，移動IP的原理如下。（1）在移動通信中，外埠代理屬于信息的出口，而歸屬代理屬于信息的入口，通過對歸屬代理進行數(shù)據(jù)包封裝后向外埠代理進行傳輸，待數(shù)據(jù)包傳輸至外埠代理后，將進行數(shù)據(jù)解封操作，并將其向移動節(jié)點傳輸。（2）在隧道內(nèi)時，路由環(huán)會將數(shù)據(jù)包重新轉(zhuǎn)移至隧道的入口位置，這樣就需要將IP報頭加封在數(shù)據(jù)包上，如果歸屬代理要想將廣播包向移動節(jié)點傳輸，則需要對其進行重新封裝。（3）作為歸屬代理，在向移動節(jié)點傳輸時，所對應(yīng)的本地地址屬于里層隧道，反之屬于外層隧道。數(shù)據(jù)傳輸至解封的IP報頭時，將會向移動節(jié)點報告，即所謂的節(jié)點向移動節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的整個過程[1]。

在移動IP節(jié)點技術(shù)中，如果數(shù)據(jù)和隧道不能實現(xiàn)連接，那么在數(shù)據(jù)未達到出口之前，將會有路由環(huán)發(fā)生，且被迫重回入口。這樣一來，隧道會為其配備IP報頭，且每一個報頭均擁有獨特的生存時間（Time To Live，TTL）值，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的有效擴張。實際上，為了降低上述現(xiàn)象的發(fā)生，則需要細化和完善以下措施。（1）預(yù)封裝數(shù)據(jù)包所對應(yīng)的源地址一般屬于隧道入口地址，此時最好假定存在遞歸封裝。（2）預(yù)封裝所采用的數(shù)據(jù)包源地址與隧道入口位置路由表顯示的隧道出口地址一致時，同樣需要假定存在遞歸封裝。通常情況下，如果隧道入口希望將移動節(jié)點上的廣播包進行傳輸時，最好給予多樣化的處理，以此來提高移動通信傳輸效率[2]。

3 在移動通信過程中IP節(jié)點實現(xiàn)流程

通過對移動IP工作原理進行分析后得知，外部鏈路上所采用的移動節(jié)點無法與另一端實現(xiàn)快速、精準(zhǔn)匹配，亟需對轉(zhuǎn)交地址進行合理分配，并通過中間介質(zhì)隧道實現(xiàn)對IP數(shù)據(jù)包的再次封裝。通常情況下，要按照要求對IP數(shù)據(jù)包進行相應(yīng)加工后才可以完成再封裝，此時借助外部鏈路上所對應(yīng)的IP地址可以達到承載目標(biāo)IP地址的目的，以確保該數(shù)據(jù)包能夠?qū)崿F(xiàn)從本地代理開始向外部鏈路進行傳輸，其優(yōu)勢在于擺脫了外部代理與本地代理間所需路由的限制，且無需做任何改動[3]。

3.1 移動節(jié)點關(guān)鍵技術(shù)

在移動通信IP節(jié)點技術(shù)中，隧道技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，其涉及到IP封裝、最小封裝以及通用路由封裝。IP的最小封裝一般是由RFC204定義，且屬于可選隧道，需要降低隧道所需額外字節(jié)數(shù)，此時在IP封裝過程中可以去除內(nèi)層IP報頭和外層IP報頭中所存在的冗余部分。通用路由封裝既包括了IP協(xié)議，還需要支持其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。

3.2 移動節(jié)點工作方式

在移動通信中，為了更好地發(fā)揮IP節(jié)點的技術(shù)優(yōu)勢，則需要明確移動節(jié)點的工作方式，具體包括以下幾個方面的內(nèi)容。

（1）代理搜索。在移動IP節(jié)點運行過程中，代理搜索發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用，其屬于各個環(huán)節(jié)的開端，需要在維持正常通信方面投入更多的時間和精力，以期更好地發(fā)揮代理搜索的功能優(yōu)勢。

（2）注冊。作為移動IP節(jié)點，要結(jié)合整個移動通信特點來確定自己在外地的鏈路。在整個循環(huán)系統(tǒng)中，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）包屬于關(guān)鍵性的傳輸介質(zhì)，在家鄉(xiāng)鏈路中發(fā)揮著不可替代的作用。在移動通信中，需要明確當(dāng)前自己的IP地址，并配備與之相對應(yīng)的轉(zhuǎn)交地址，且在獲取代理服務(wù)器應(yīng)答消息后結(jié)束工作。

（3）注銷。移動IP節(jié)點借助相匹配的流通通道可以重新回到家鄉(xiāng)鏈路，并憑借UDP包形式來轉(zhuǎn)交給家鄉(xiāng)代理，同樣在獲得家鄉(xiāng)代理應(yīng)答消息后就可以完成該環(huán)節(jié)操作。

（4）數(shù)據(jù)包接收、發(fā)送。如果在家鄉(xiāng)鏈路上明確了所選擇的移動節(jié)點屬于傳輸端點時，需要選擇TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)勢在于未將數(shù)據(jù)包看成包袱，而且借助正常的傳輸渠道將其進行發(fā)送。但是也存在相反的情況，此時需要以另一種方式來完成轉(zhuǎn)化操作，進而實現(xiàn)信息的有效發(fā)送[4]。

3.3 注冊、注銷機制

完成代理搜索后就開始進入移動IP注冊環(huán)節(jié)，在該環(huán)節(jié)中要對移動IP節(jié)點開展相關(guān)計算，根據(jù)計算結(jié)果來確定自己所處的位置。實際上，對到底是外地鏈路還是家鄉(xiāng)鏈路需要結(jié)合具體情況進行取舍，并作出相應(yīng)的選擇。如果所采用鏈路存在差異，則說明下一步會產(chǎn)生有效的改變。對于移動IP節(jié)點而言，在網(wǎng)絡(luò)接入點選擇時要做好鏈路切換工作，該階段涉及到注冊環(huán)節(jié)，當(dāng)注冊超過一定時限時，將會導(dǎo)致生存時間無法保證。同時，在該過程中，移動節(jié)點位置并未發(fā)生移動，從而確保注銷和重新注冊工作的順利完成[5]。

3.4 傳遞數(shù)據(jù)包的選路

對于移動IP節(jié)點技術(shù)來說，在分析過移動節(jié)點所處的位置后開展傳遞數(shù)據(jù)包的選路工作，該過程中需要考慮如下兩種情況，即移動節(jié)點與外地鏈路連接、移動節(jié)點與家鄉(xiāng)鏈路連接。前一種情況下，移動節(jié)點涉及到代理轉(zhuǎn)交地址和配置轉(zhuǎn)交地址兩個方面的選擇工作?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展過程中，IPv6屬于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，且未出現(xiàn)地址空間問題，這就使得在IPv6下移動IP階段不具備外地代理權(quán)限。

3.5 代理搜索

在移動IP節(jié)點中，代理搜索具備3個方面的功能，具體如下。（1）準(zhǔn)確判定自身當(dāng)前所處的位置，并在此基礎(chǔ)上做出相應(yīng)的判斷，確定是選擇外地鏈路還是家鄉(xiāng)鏈路；（2）在鏈路選擇后，后續(xù)的重要任務(wù)是切換；（3）當(dāng)處于外地鏈路狀態(tài)時，可以選擇相關(guān)措施來進行交替，從而獲取與外地鏈路上相匹配的轉(zhuǎn)交地址。

通常情況下，代理搜索主要由代理廣播消息和代理請求消息兩條簡單的消息構(gòu)成，具體涉及到的內(nèi)容如下。（1）代理廣播消息。在移動IP節(jié)點中，對于家鄉(xiāng)代理功能主要是借助代理廣播消息來向移動IP節(jié)點進行宣傳。在鏈路上，按照要求對移動IP節(jié)點進行合理配置，并且不同的IP節(jié)點需要為其配置相匹配的角色，承擔(dān)不同的責(zé)任。如果該節(jié)點屬于家鄉(xiāng)代理服務(wù)器，則需要做出相應(yīng)的調(diào)整和準(zhǔn)確的判斷，從而明確該鏈路上是否存在代理。當(dāng)存在代理時，需要從代理廣播消息中來對IP地址的獲得方式進行探索，該過程需要通過代理來完成。實際上，在移動IP節(jié)點中，要依靠相關(guān)專家來對其代理功能進行準(zhǔn)確判定，以實現(xiàn)對IP地址的快速有效捕捉。（2）代理請求消息。在移動通信中，如果移動IP節(jié)點未按照要求開展工作，將會不得不在下一個周期來發(fā)送代理廣播消息，該信息一般具備唯一性的特點，保證所有鏈路上的代理在進行代理廣播消息發(fā)送時不附帶任何附加條件。

3.6 快速切換

在移動通信中，快速切換在與第二層完成協(xié)調(diào)耦合后就可以對MH的移動情況進行準(zhǔn)確預(yù)測，并且可以將相關(guān)信息移動至潛在的節(jié)點中，完成對發(fā)送消息的有效備份，這樣就可以更好地滿足低時延效果。

4 結(jié) 論

在移動通信發(fā)展過程中，移動IP節(jié)點可以為移動主機的正常運行提供不間斷的通信，而在移動IP節(jié)點技術(shù)中，隧道技術(shù)屬于一項關(guān)鍵性技術(shù)，其能夠確保通信節(jié)點向移動節(jié)點進行相關(guān)數(shù)據(jù)信息的發(fā)送。在移動通信中，為了更好地發(fā)揮IP節(jié)點技術(shù)優(yōu)勢，則需要完善移動節(jié)點關(guān)鍵技術(shù)、移動節(jié)點工作方式、注冊與注銷機制、傳遞數(shù)據(jù)包的選路、代理搜索以及快速切換等工作，以此來促進移動通信的快速發(fā)展。