下一代網(wǎng)絡(luò)終端移動(dòng)性解決方案分析

摘要　移動(dòng)管理是下一代網(wǎng)絡(luò)NGN中的一個(gè)重要內(nèi)容，文章對(duì)無(wú)線環(huán)境中為節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性提供支持的SIP和MIP協(xié)議作了介紹分析，并提出了如何結(jié)合兩種方案實(shí)現(xiàn)通信優(yōu)化的解決方案。

1、簡(jiǎn)介

下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）是建立在IP技術(shù)基礎(chǔ)上的新型公共電信網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)目前的發(fā)展趨勢(shì)。下一代網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)是統(tǒng)一協(xié)議的、分組的、開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)體系，同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)和終端趨于IP化。一方面，下一代網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)、公共服務(wù)電話網(wǎng)（PSTN）和有線電視網(wǎng)三網(wǎng)合一，形成語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像三種傳統(tǒng)意義上完全不同的業(yè)務(wù)模式的全面融合；另一方面，在下一代網(wǎng)絡(luò)中，通信網(wǎng)絡(luò)將在傳統(tǒng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上為用戶提供內(nèi)容更豐富的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，全I(xiàn)P移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將成為下一代網(wǎng)絡(luò)不可或缺的組成部分[1]。

對(duì)移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，終端的移動(dòng)必然導(dǎo)致終端IP地址隨著無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的不同而發(fā)生改變。對(duì)于端點(diǎn)的IP地址發(fā)生改變，傳統(tǒng)的針對(duì)固定IP的各種Internet服務(wù)連接協(xié)議無(wú)法保證移動(dòng)終端的通信質(zhì)量。針對(duì)終端設(shè)備的移動(dòng)管理問(wèn)題，目前比較成熟的解決方案有基于應(yīng)用層的SIP協(xié)議和基于網(wǎng)絡(luò)層的MIP協(xié)議。

2、SIP和MIP移動(dòng)解決方案

2.1　SIP簡(jiǎn)介[2]

SIP（Session Initiation Protocol）會(huì)話發(fā)起協(xié)議，是由IETF（Internet Engineering Task Force）制定的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信應(yīng)用的一種應(yīng)用層控制協(xié)議，用來(lái)生成、修改和終結(jié)一個(gè)或多個(gè)用戶之間的會(huì)話。所謂的會(huì)話（Session）是指用戶之間的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)可以是普通的文本數(shù)據(jù)，也可是經(jīng)過(guò)處理的音頻和視頻數(shù)據(jù)。

SIP協(xié)議包含四種邏輯實(shí)體：用戶代理（User Agent），代理服務(wù)器（Proxy Server），重定向服務(wù)器（Redirect Server）和注冊(cè)服務(wù)器（Registrar）。除了上述四種實(shí)體，SIP體系中還存在位置服務(wù)器，但位置服務(wù)器與SIP服務(wù)器之間不使用SIP協(xié)議，位置服務(wù)器用于存儲(chǔ)并向用戶返回可能的位置信息。

SIP協(xié)議采用基于文本格式的客戶——服務(wù)器工作方式，客戶機(jī)發(fā)起請(qǐng)求，服務(wù)器進(jìn)行響應(yīng)。SIP是一個(gè)信令協(xié)議，獨(dú)立于底層協(xié)議——TCP、UDP或SCTP，采用應(yīng)用層可靠性機(jī)制保證信令的可靠傳遞。SIP一般與SDP（Session Description Protocol）會(huì)話描述協(xié)議結(jié)合使用，前者負(fù)責(zé)建立一個(gè)會(huì)話消息機(jī)制，后者提供結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)言描述這些會(huì)話。

SIP系統(tǒng)如圖1所示，SIP用戶代理A向用戶代理B發(fā)起會(huì)話請(qǐng)求，請(qǐng)求經(jīng)過(guò)代理服務(wù)器中轉(zhuǎn)最終到達(dá)被叫方，其中，重定向服務(wù)器和位置服務(wù)器為請(qǐng)求提供正確的路由信息，使用三次握手機(jī)制，最終建立一個(gè)會(huì)話。

圖1　SIP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2　SIP移動(dòng)性支持

SIP協(xié)議在本質(zhì)上支持用戶通信的移動(dòng)性，因?yàn)镾IP協(xié)議通過(guò)類似E-mail形式的全球唯一的用戶標(biāo)識(shí)（SIP URL）來(lái)確定用戶，通常由一個(gè)帶有SIP前綴的用戶名和一個(gè)域名組成，例如SIP：User@company.com。SIP用戶可以在不同終端、不同接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)起注冊(cè)請(qǐng)求，只要將自己的SIP URL和IP地址告訴注冊(cè)服務(wù)器，注冊(cè)成功后就會(huì)獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

同時(shí)，SIP協(xié)議也支持進(jìn)行中的移動(dòng)（終端設(shè)備IP地址改變）會(huì)話。SIP用戶通過(guò)“Invite”請(qǐng)求成功建立一個(gè)會(huì)話后，因?yàn)橛脩粢苿?dòng)導(dǎo)致終端設(shè)備的IP地址發(fā)生變化，SIP用戶在原有會(huì)話未終止的情況下直接向通信對(duì)端發(fā)送一個(gè)新的“Invite”請(qǐng)求（也稱為“Re-invite”請(qǐng)求），其中，會(huì)話標(biāo)志仍為原有會(huì)話的標(biāo)志，只是會(huì)話連接地址更改為新的IP設(shè)備地址，通信對(duì)端接受該請(qǐng)求后，即可繼續(xù)原來(lái)的會(huì)話[3]。

2.3　MIP簡(jiǎn)介[4][5]

MIP（Mobile IP）移動(dòng)IP協(xié)議是IETF提出的支持主機(jī)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)層解決方案，主要是為了實(shí)現(xiàn)通信對(duì)端和移動(dòng)主機(jī)間IP分組的可靠發(fā)送，當(dāng)終端設(shè)備在不同子網(wǎng)間移動(dòng)時(shí)，保持其與Internet的連接，避免被中斷。目前，有MIPv4（RFC 3344）和MIPv6（RFC3775）兩個(gè)版本。在MIP的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)中都有一個(gè)長(zhǎng)期的家鄉(xiāng)地址（HoA）用來(lái)識(shí)別MIP的每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，另外，在外地接入網(wǎng)絡(luò)中還有一個(gè)臨時(shí)的轉(zhuǎn)交地址（CoA）用來(lái)路由數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)的每次切換都需要用新獲取的CoA向家鄉(xiāng)代理注冊(cè)，以實(shí)現(xiàn)HoA與CoA的綁定。對(duì)上層協(xié)議（如TCP）而言，所看到的會(huì)是一直不變的HoA，若需要路由，則通過(guò)綁定信息就能找到節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性的支持。

3、兩種方案的比較及存在的問(wèn)題

兩種方案的核心思想都是一致的，即通過(guò)建立一種映射保證節(jié)點(diǎn)通信不受移動(dòng)影響。SIP是通過(guò)用戶標(biāo)志（SIP URL）與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前IP地址綁定的，MIP則是通過(guò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)家鄉(xiāng)地址（HoA）和轉(zhuǎn)交地址（CoA）綁定。在外地網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)及時(shí)向服務(wù)器注冊(cè)其位置信息（新的鏈路上的轉(zhuǎn)交地址）實(shí)現(xiàn)用戶——地址綁定更新，保證通信對(duì)端能夠通過(guò)服務(wù)器直接或者間接與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信。對(duì)一個(gè)具體的Internet會(huì)話應(yīng)用來(lái)說(shuō)，兩種方案都可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支持。

3.1　SIP的不足

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)離開(kāi)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入新的網(wǎng)絡(luò)，其IP地址會(huì)發(fā)生改變，這一過(guò)程稱為切換。先斷開(kāi)再連接稱為硬切換，而先連接再斷開(kāi)稱為軟切換。而SIP是基于應(yīng)用層的一種輕量級(jí)協(xié)議，其針對(duì)終端移動(dòng)的具體解決方案只是在切換完成后及時(shí)把移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的最新IP地址通知給對(duì)端節(jié)點(diǎn)。對(duì)硬切換來(lái)說(shuō)，只是通過(guò)告知對(duì)端節(jié)點(diǎn)連接地址的變化無(wú)法解決切換過(guò)程中的數(shù)據(jù)可靠傳輸問(wèn)題。而且，對(duì)基于TCP協(xié)議且對(duì)連接可靠性要求較高的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，SIP也無(wú)法保證一個(gè)固定的IP連接。另外，對(duì)通信雙方都是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的快速移動(dòng)，SIP協(xié)議更難保證可靠服務(wù)。如圖2所示，兩個(gè)SIP用戶因?yàn)橐苿?dòng)過(guò)快，導(dǎo)致Re-invite信令難以傳遞到通信對(duì)端節(jié)點(diǎn)最新的位置，從而導(dǎo)致原有的會(huì)話丟失。

圖2　SIP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2　MIP的不足

因?yàn)椴捎昧怂淼罊C(jī)制，MIP存在路由冗長(zhǎng)的缺陷。MIPv4固有的問(wèn)題就是三角路由問(wèn)題，如圖3（a）所示，即通信對(duì)端發(fā)給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)必須經(jīng)由家鄉(xiāng)代理傳遞給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，而移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)給通信對(duì)端的數(shù)據(jù)包可以通過(guò)外地代理直接傳遞給通信對(duì)端。此外，隨著下一代網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全性要求的提高，存在入口過(guò)濾的外地網(wǎng)絡(luò)不允許外地代理直接轉(zhuǎn)發(fā)源地址為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)家鄉(xiāng)地址的數(shù)據(jù)包到通信對(duì)端，導(dǎo)致出現(xiàn)比三角路由更耗費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源的雙向隧道路由。而現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)對(duì)MIPv6路由優(yōu)化的支持還不充分，導(dǎo)致部分MIPv6節(jié)點(diǎn)也得采用雙向隧道路由傳輸機(jī)制，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞必須經(jīng)過(guò)家鄉(xiāng)代理中轉(zhuǎn)，如圖3（b）所示。

圖3　MIP三角路由與雙向隧道數(shù)據(jù)傳輸方式

4、SIP與Mobile IP結(jié)合使用

4.1　SIP和MIP互補(bǔ)性分析

SIP與MIP在通信節(jié)點(diǎn)的IP移動(dòng)性支持上具有較明顯的互補(bǔ)性。在MIP應(yīng)用中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以HoA進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)包通常是先路由到家鄉(xiāng)代理，再以隧道方式傳遞到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。因?yàn)镠oA是固定的，因此，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳遞可靠性能夠保證。而SIP提供的是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前IP地址，不存在路由優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的、基于UDP的應(yīng)用來(lái)說(shuō)十分合適。另一方面，SIP作為一種應(yīng)用層協(xié)議，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信支持的方式較多。例如，第三方會(huì)話控制“Third Party Call Control（3pcc）”，呼叫轉(zhuǎn)移“REFER”方法豐富了網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性服務(wù)[6]。而且，SIP協(xié)議能夠利用不斷豐富的擴(kuò)展，不斷改善移動(dòng)性支持的性能。例如，“Re-invite”基本方法結(jié)合新的SIP標(biāo)記頭“Join”，很好地實(shí)現(xiàn)了通信的軟切換[7]。

4.2　SIP和MIP結(jié)合使用機(jī)制分析

目前的SIP是基于Simple IP機(jī)制的，會(huì)話節(jié)點(diǎn)只提交一個(gè)通信地址，若直接與MIP簡(jiǎn)單結(jié)合而不做擴(kuò)展是無(wú)法發(fā)揮SIP協(xié)議性能優(yōu)勢(shì)的。因?yàn)镸IP機(jī)制提交家鄉(xiāng)地址，對(duì)上層屏蔽了移動(dòng)細(xì)節(jié)，若家鄉(xiāng)地址“永久”不變，SIP固有的移動(dòng)支持功能自然無(wú)法激活，而且網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)支持的種種局限無(wú)法消除，那么將無(wú)法發(fā)揮出SIP解決方案的優(yōu)勢(shì)。另一方面，目前SIP和MIP具有兩套注冊(cè)機(jī)制，終端移動(dòng)會(huì)分別向SIP注冊(cè)服務(wù)器和MIP家鄉(xiāng)代理進(jìn)行注冊(cè)，一次移動(dòng)導(dǎo)致雙重注冊(cè)顯然也不利于節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。

（1）家鄉(xiāng)代理作為SIP中重定向服務(wù)器

考慮到利用現(xiàn)有體系，并且在不作大變動(dòng)的情況下，家鄉(xiāng)代理很適合作為SIP系統(tǒng)中的重定向服務(wù)器。同時(shí)，通過(guò)合適的協(xié)商機(jī)制，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向家鄉(xiāng)代理進(jìn)行位置更新后，由家鄉(xiāng)代理向SIP注冊(cè)服務(wù)器注冊(cè)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)除了在初始注冊(cè)時(shí)需要進(jìn)行兩次注冊(cè)外，在以后的切換中，只需要向家鄉(xiāng)代理注冊(cè)一次就可以完成SIP系統(tǒng)中的重定向注冊(cè)任務(wù)，能夠節(jié)省一半的信令開(kāi)銷。

（2）SIP優(yōu)先的UDP會(huì)話機(jī)制

對(duì)于MIPv4來(lái)說(shuō)，由于擴(kuò)展能力有限，難以實(shí)現(xiàn)路由優(yōu)化，而目前對(duì)MIPv6節(jié)點(diǎn)的路由優(yōu)化支持還很不夠，因此只能保證MIPv6節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)路由優(yōu)化。而SIP作為應(yīng)用層協(xié)議，只要移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提交CoA就可以避免路由冗余。因此，有必要對(duì)SIP作一些擴(kuò)展。應(yīng)用層關(guān)注MIP中的CoA變化，在基于UDP協(xié)議的應(yīng)用中提交CoA而不是HoA，因而默認(rèn)通過(guò)SIP協(xié)議處理移動(dòng)性問(wèn)題，但是當(dāng)基于SIP協(xié)議的會(huì)話出現(xiàn)較大的丟包率時(shí)，還是要考慮由網(wǎng)絡(luò)層解決節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性問(wèn)題。

（3）MIP的強(qiáng)制使用

許多上層協(xié)議要求網(wǎng)絡(luò)層提供唯一的IP地址來(lái)識(shí)別移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，即對(duì)上層來(lái)說(shuō)不希望看到節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特性，在這種情況下，必須由網(wǎng)絡(luò)層解決節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性問(wèn)題。

5、結(jié)論

盡管SIP應(yīng)用層協(xié)議和移動(dòng)IP可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶通信的移動(dòng)性支持，但是目前單獨(dú)依靠網(wǎng)絡(luò)層或應(yīng)用層的移動(dòng)管理方案還是難以滿足下一代網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性要求�？紤]到不同的應(yīng)用場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層對(duì)移動(dòng)性的解決方案各具優(yōu)缺點(diǎn)，因此應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用情況采用不同的機(jī)制提供對(duì)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性支持。

參考文獻(xiàn)

[1]　蔣亮，郭建等.下一代網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)IPv6技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]　張智江，張?jiān)朴�，劉韻�?SIP協(xié)議及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3]　RFC3665.Session Initiation Protocol（SIP）Basic Call Flow Example[S].2003.

[4]　RFC3344.IP Mobility Support for IPv4[S].2002.

[5]　RF3775.Mobility Support in IPv6[S].2004.

[6]　Henning Schulzrinne，ElinWedlund.Application-Layer Mobility Using SIP[J].Mobile Computing and Communications Review，Vol 1，No 2.

[7]　Nilanjan Banerjee，Arup Acharya，Sajal K Das.Seamless SIP-Based Mobility for Multimedia Applications [J].IEEE Network，Mar/Apr 2006.