IP技術(shù)及其移動IP的實(shí)現(xiàn)

[摘要]： 本文討論了IP over ATM，IP over SDH和IP over ATM技術(shù)。同時討論了移動IP技術(shù)以及其實(shí)現(xiàn)的幾種方案。

[關(guān)鍵字]： 數(shù)據(jù)通信 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) IP網(wǎng)絡(luò) 移動IP

一、IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其發(fā)展

　　TCP/IP是70年代作為網(wǎng)間互聯(lián)協(xié)議提出來的，在將近二十年的時間內(nèi)，IP技術(shù)幾乎是在默默無聞的狀態(tài)工作著，除了在美國局域網(wǎng)互聯(lián)中起到作用外，一直沒引起外部世界的重視。ITU-T（其前身CCITT）在很長一個時期內(nèi)沒有接納這個標(biāo)準(zhǔn)。直到90年代初Web的出現(xiàn)從根本上改變了這種狀態(tài)，IP網(wǎng)獲得了急速的發(fā)展，相應(yīng)的IP技術(shù)也獲得了急速的發(fā)展。目前，Internet的規(guī)模和業(yè)務(wù)都是以每月增長10%，每七八個月翻一番的速度在發(fā)展，TCP/IP已經(jīng)是廣泛接受的通信協(xié)議，90%的公司桌面系統(tǒng)使用Web瀏覽器，Web站點(diǎn)數(shù)每57天增長一倍，1998年7月網(wǎng)上主機(jī)數(shù)已達(dá)4500萬臺，用戶數(shù)已達(dá)1億。據(jù)預(yù)測，在下世紀(jì)初網(wǎng)上主機(jī)將增至1.2億臺。

　　客戶—服務(wù)器的應(yīng)用方式在迅速擴(kuò)展，從辦公室、校園擴(kuò)展到城鎮(zhèn)，進(jìn)而擴(kuò)展到國家甚至到全球。這一全球性的現(xiàn)象使過去網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量80%是本地，20%是廣域的情況發(fā)生了根本的改變，現(xiàn)在這一比例已變?yōu)?0%和50%，將來這個比例會變成20%和80%，這意味著對骨干網(wǎng)的壓力將越來越大。另一方面隨著IP網(wǎng)上應(yīng)用的多樣化，特別是多媒體業(yè)務(wù)的引入，對IP網(wǎng)又提出了一系列新的技術(shù)要求，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大的變化。

1．IP over ATM

　　IP網(wǎng)傳統(tǒng)上是由路由器和專線組成的，用專線將地域上分離的路由器連接起來，構(gòu)成IP網(wǎng)，這樣的組網(wǎng)模式曾經(jīng)使用了很長一段時間，隨著IP業(yè)務(wù)的爆炸性發(fā)展，顯然是不能滿足高速發(fā)展的IP業(yè)務(wù)的要求，低速的（2～4.5Mbit/s）專線和為普通業(yè)務(wù)設(shè)計的路由器，它在很多性能上無法滿足新業(yè)務(wù)的需要，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的變化和演進(jìn)是必然的。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)的首選技術(shù)將是IP over ATM，盡管ATM是IP之后發(fā)展起來的一種分組交換技術(shù)，它的確是克服了IP原來設(shè)計的不足，其性能大大優(yōu)于IP，曾經(jīng)被看作是B-ISDN的核心，是通信發(fā)展過程中的一顆新星，但由于它考慮得過于復(fù)雜，過于求全、求完善、求完美，從而大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，加大了設(shè)備的價格。另外在設(shè)計ATM時，對業(yè)務(wù)需求過于樂觀，對業(yè)務(wù)需求的預(yù)測大大超過其需求，另外，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的同時相應(yīng)業(yè)務(wù)開發(fā)沒有跟上，在網(wǎng)絡(luò)建成后再去尋求它的主導(dǎo)業(yè)務(wù)，使得ATM最終沒有找到它的主導(dǎo)（killer app1ication）業(yè)務(wù)（像Web對于IP那樣的主導(dǎo)業(yè)務(wù)），從而導(dǎo)致它舉步維艱。

　　ATM信元到桌面業(yè)務(wù)要發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)困難了。但是隨著IP網(wǎng)的爆炸性發(fā)展，ATM作為IP業(yè)務(wù)的承載網(wǎng)將具有特殊的好處，與路由器加專線相比，至少它可以提供高速點(diǎn)對點(diǎn)連接，從而大大提高IP網(wǎng)的帶寬性能。當(dāng)ATM以網(wǎng)絡(luò)形式來承載IP業(yè)務(wù)時，還可以提供十分優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)整體性能，因此IP over ATM成為近年來的研究熱點(diǎn)。用ATM來支持IP業(yè)務(wù)有2個必須解決的問題：其一是ATM的通信方式是面向連接的，而IP是不面向連接的，要在一個面向連接的網(wǎng)上承載一個不面向連接的業(yè)務(wù)，有很多問題需要解決，如呼叫建立時間、連接持續(xù)期等等；其二是ATM是以ATM地址尋址的，IP通信是以IP地址來尋址的，在IP網(wǎng)上端到端是以IP尋址的，而傳送IP包的承載網(wǎng)（ATM網(wǎng)）是以ATM地址來尋址的，IP地址和ATM地址之間的映射是一個很大的難題。

　　另一方面用ATM來承載IP業(yè)務(wù)，從目前來看又有相當(dāng)?shù)那熬埃�因而在這方面提出了許多解決方案，從大類來說，可以分為兩類：一類為迭加模式，另一類為集成模式。

　�。�1）迭加模式指的是IP網(wǎng)的尋址是迭加在ATM尋址的基礎(chǔ)上的，通俗一點(diǎn)說在迭加模式中ATM的尋址方式是不變的，IP地址在邊緣設(shè)備中映射成ATM地址，IP包據(jù)此傳向另一端邊緣設(shè)備。迭加模式的最大特點(diǎn)是在ATM網(wǎng)中不論是用戶網(wǎng)絡(luò)信令還是網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)問信令均不變，對ATM網(wǎng)來說IP業(yè)務(wù)只是它承載的業(yè)務(wù)之一，ATM的其它功能照樣存在不受影響。迭加模式最典型的有局域網(wǎng)仿真（LANE）、經(jīng)典的在ATM上傳送IP（CIP0A—classical IP over ATM）和ATM上的多協(xié)議（MPOA—multiprotocol over ATM）等。

　　（2）集成模式指的是IP網(wǎng)設(shè)備和ATM網(wǎng)設(shè)備已集成在一起了。在集成模式中，ATM網(wǎng)的尋址已不再是獨(dú)立的，ATM網(wǎng)中的尋址將要受到IP網(wǎng)設(shè)備的干預(yù)。在集成模式下，IP網(wǎng)的設(shè)備和ATM網(wǎng)設(shè)備是集成在一起的，IP網(wǎng)的控制設(shè)備一般可稱為IPC，它具有傳統(tǒng)路由器的功能，能完成IP網(wǎng)的路由功能，并具有控制建立ATM虛通路的能力，IPC是一個邏輯功能塊，它可以是一個獨(dú)立的物理設(shè)備，也可以不是一個獨(dú)立的物理設(shè)備，而是ATM交換機(jī)中的一個功能模塊，但它是必不可少的。ATM交換設(shè)備一般仍為普通ATM交換機(jī)，但它也有十分重大的改變，最大的變化在信令（UNI和NNI），它們之間的信令已不再是ATM Forum或ITU-T的信令，而是一套特別的控制方式。其目的在于能快速建立連接，以滿足無連接IP業(yè)務(wù)快速切換的要求。

　　迭加模式和集成模式的分類法是按ATM信令來分類的。不能反映網(wǎng)絡(luò)的整體性能。從網(wǎng)絡(luò)整體的性能角度出發(fā)來考慮，ATM可以有兩種方法來支持IP over ATM。

　�。�1） ATM作為鏈路。使用ATM的永久性虛通路將地域上分離的路由器連接起來，在這里ATM的永久性虛通路取代了傳統(tǒng)的專線，這種工作方式即為ATM作為鏈路來承載IP業(yè)務(wù)。在這種工作方式中，ATM只是作為鏈路將若干路由器連起來，它不參與IP網(wǎng)的尋徑功能。因而這種IP網(wǎng)其本質(zhì)上仍是一個路由器網(wǎng)，它不改變IP網(wǎng)的整體性能只是提高了某些部分的傳輸速率而已。

　�。�2） ATM作為網(wǎng)絡(luò)。另一種方法是ATM網(wǎng)以網(wǎng)絡(luò)形式來支持IP over ATM。在這種場合， ATM參與了IP網(wǎng)的尋徑功能，由于ATM的尋徑及其它指標(biāo)均要大大優(yōu)于普通路由器，因而以網(wǎng)絡(luò)形式來支持IP網(wǎng)（IP over ATM），可以在網(wǎng)絡(luò)性能方面大大提高IP網(wǎng)的性能，不僅提高了傳輸速率也大大縮短了傳輸時延，以網(wǎng)絡(luò)形式來支持IP網(wǎng)（IP over ATM）的最合理算法是MPLS。 MPLS是一種拓?fù)潋?qū)動的算法，它和無連接的IP傳輸非常適應(yīng)�；�于MPLS算法的ATM上的IP網(wǎng)是一種很好的IP網(wǎng)的組織形式，可構(gòu)成一個主于物理通信平臺多業(yè)務(wù)同時應(yīng)用的一種十分理想的格局，并且能從整體上提高IP的性能。

　　盡管IP over ATM，特別是ATM以網(wǎng)絡(luò)形式來支持能獲得很好的網(wǎng)絡(luò)整體性能。但I(xiàn)P over ATM的技術(shù)進(jìn)展比較慢，特別是MPLS的標(biāo)準(zhǔn)化工作尚需時日，使得ATM仍不能滿足業(yè)務(wù)高速發(fā)展對帶寬的要求，從而導(dǎo)致IP over SDH技術(shù)的出現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)特別注意IP over ATM和IP over SDH具有各自的適應(yīng)面。

2．IP over SDH

　　IP over SDH是把IP數(shù)據(jù)包先封裝在PPP協(xié)議幀中，然后再把PPP幀放入SDH的凈荷中。IP over SDH的實(shí)質(zhì)是以SDH網(wǎng)絡(luò)作為IP數(shù)據(jù)包的物理傳輸網(wǎng)絡(luò)，

　　SDH是基于時分復(fù)用的，在網(wǎng)管的配置下完成半永久性連接的網(wǎng)，在IP over SDH中， SDH只可能有一種工作方式，即SDH只可能以鏈路方式來支持IP網(wǎng)。SDH作為鏈路來支持IP網(wǎng)，由于它不能參與IP網(wǎng)的尋址，它的作用只是將路由器以點(diǎn)到點(diǎn)的方式連接起來，提高點(diǎn)到點(diǎn)之間的傳送速率，它不可能從總體上提高IP網(wǎng)的性能。這種IP網(wǎng)其本質(zhì)上仍是一個路由器網(wǎng)。 IP網(wǎng)整體性能的提高將取決于路由器技術(shù)是否有突破性進(jìn)展。千兆路由器在技術(shù)上是有突破的，但是技術(shù)的突破帶來了設(shè)備復(fù)雜度大大的提高，由于這種突破性技術(shù)目前并不能廣泛用于普通路由器中，除非全網(wǎng)全部路由器都采用千兆路由器（IP over SDH），否則就不可能從整體上提高IP網(wǎng)的水平。另外SDH是依靠網(wǎng)管來完成端到端的半永久性連接的配置的，一個大網(wǎng)完全依靠網(wǎng)管來配置是不可想象的。所以千兆比路由器（IP over SDH）只可能在于線上用，用以疏導(dǎo)高速率數(shù)據(jù)流。IP over SDH的優(yōu)點(diǎn)在于效率較高。

3．IP over WDM

　　目前最新的技術(shù)是IP over WDM（波分復(fù)用），IP直接放在光纖上進(jìn)行傳輸，現(xiàn)在可以進(jìn)行實(shí)地運(yùn)行的系統(tǒng)還是采用SDH幀結(jié)構(gòu)，只是在入光纖時采用波分復(fù)用技術(shù)，將多個波長的信息放在一根光纖上傳送，基于這種工作方式的IP over WDM，其本質(zhì)仍是IP over SDH。目前也有人指出SDH幀結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，很多用于管理和維護(hù)等功能的比特對IP網(wǎng)是無用的或用處不大，另外SDH的幀結(jié)構(gòu)是基于電路交換時分復(fù)用的，而IP是包交換，它的幀結(jié)構(gòu)對IP包將不是最佳的，需要對SDH的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化和改進(jìn)，以適應(yīng)IP包的特定要求。更有人提出來，IP網(wǎng)中以大網(wǎng)入網(wǎng)的比重十分大，如果直接采用以大網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)，將會更合理，它在包傳遞過程中不必進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，使效率大大提高。當(dāng)然在這方面爭議是很大的，因?yàn)槟菢幼龅脑�，網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)方面能力將會有所下降。 ——IP網(wǎng)的高速發(fā)展，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的變化眼花絳亂，目前這方面技術(shù)推出極為迅速，當(dāng)然由于其技術(shù)的不成熟，新技術(shù)的淘汰率也很高。上述諸項(xiàng)技術(shù)目前都正在發(fā)展之中，誰優(yōu)誰劣，尚無定論。

二、幾種移動IP的實(shí)現(xiàn)方案

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與便攜式終端的不斷發(fā)展，在IP網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)對移動性的支持變得越來越重要。對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而言，有兩種形式的移動性：一種是基于大區(qū)的慢速移動，即跨子網(wǎng)的移動；另一種是基于小區(qū)的高速移動，即在蜂窩系統(tǒng)中移動。這兩者對移動性管理的要求是有所區(qū)別的。另外IP網(wǎng)的移動多媒體通信與純粹的移動數(shù)據(jù)通信也不盡相同。

　　移動 IP面臨一系列由于移動性而帶來的技術(shù)問題，例如空中接口技術(shù)、移動終端登記與定位、最佳路由、安全性問題等等。本文側(cè)重討論路由技術(shù)，避免“兜圈子”問題。

　　IP地址是與地點(diǎn)相關(guān)的，當(dāng)終端移動時，要根據(jù)子網(wǎng)的變更修改IP地址。這將會帶來兩個問題：一是DNS的入口，因?yàn)樗�有與移動生機(jī)相關(guān)的信息都指向原先的IP地址；二是已建立的TCP連接將會中斷，因?yàn)門CP連接是以IP地址加端口號來標(biāo)識的。移動IP的目標(biāo)就是透明地支持移動性，始終用一個地址即歸屬地址來與之通信。

1．Mobile IP

　　在IETF的RFC2002建議中，提出了MobileIP方案。在該方案中定義了移動主機(jī)（MH）、對端主機(jī)（CH）、歸屬代理（HA）、外部代理（FA）等實(shí)體。當(dāng)MH移動到新的子網(wǎng)，進(jìn)入FA管轄區(qū)域，它將向HA發(fā)登記消息并告之FA的地址。當(dāng)HA收到CH需發(fā)往MH的分組后，HA采取包封技術(shù)并建立與FA的隧道，F(xiàn)A從隧道中取出分組并進(jìn)入MH。

2．路由優(yōu)化的Mobile IP

　　在上述Mobile IP中，所有發(fā)往MH的分組都需經(jīng)過HA，這往往不一定是最佳路由。假如FA處的主機(jī)呼叫漫游到FA的MH，經(jīng)過HA“兜圈子”是非常低效的，而且附加的時延會降低語音、多媒體等實(shí)時業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。所以需要對Mobile IP進(jìn)行路由優(yōu)化。當(dāng)HA收到CH發(fā)往MH的分組后，它通知CH關(guān)于MH的捆綁信息（即MH目前的FA的地址）；CH對分組封裝并建立與FA之間的隧道，分組在隧道中透明傳輸。捆綁信息的傳送通過一個明確的端口號完成。假如MH又移動了，新的FA將把更新的捆綁信息傳送給老的FA，這樣能保證分組傳送到新FA。而且HA隨后也得到更新的捆綁信息，以后的分組傳送直接由CH發(fā)往新的FA。路由優(yōu)化的Mobile IP對CH的要求較高，它必須具備獲取捆綁信息及包封與建立隧道的能力，對CH協(xié)議棧要作較大的修改。

3．SIP對移動IP的支持

　　SIP（會話初始協(xié)議）是IETF提出的在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行多媒體通信的通信協(xié)議，在Voice over IP中有重要的應(yīng)用，目前與占主導(dǎo)地位的H.323協(xié)議斗爭激烈。由于SIP協(xié)議簡單明了高效，VolP標(biāo)準(zhǔn)不斷修訂過程也在吸取SIP的優(yōu)點(diǎn)。無論如何SIP協(xié)議有其一定的影響力，特別是SIP協(xié)議中已經(jīng)支持了個人移動性，很容易支持終端的移動性。

　　SIP協(xié)議使用類似Email的地址格式user@host，這里user是用戶名或用戶號碼，host是域名或地址。SIP定義了多種消息，如INVITE、ACK、BYE、OPTIONS、CANCLE、REGISTER等。對消息的響應(yīng)用狀態(tài)碼表示：lxx（100－199）表示進(jìn)程更新，2XX表示成功，3XX表示重走向，更高的數(shù)字表示失敗。SIP消息通常建立在UDP之上，也可以建立在TCP之上。

　　JPTCB主機(jī)將INVITE消息發(fā)向MH所登記的重定向服務(wù)器（在NJUPT.EDU.CN）；重定向服務(wù)器查詢位置服務(wù)器，位置服務(wù)器返回MH的當(dāng)前地址BUPT.EDU.CN，并經(jīng)重走向服務(wù)器反回JPTCB；JPTCB根據(jù)新地址重新路由到BUPT.EDU.CN。這種工作過程與GSM很相似，位置服務(wù)類似于HLR，重走向服務(wù)器類似關(guān)口 MSC，只不過這里采用的通信協(xié)議是SIP，而不是MAP。

　　如果在會話過程中MH又進(jìn)入了另一個子網(wǎng)，那么它向CH發(fā)INVITE消息，其呼叫標(biāo)保持不變，新的IP地址包含在INVITE消息內(nèi)。CH得到新的IP地址后，繼續(xù)保護(hù)與MH的通信。

4．RTP對移動性的支持

　　RTP（實(shí)時傳送協(xié)議）提針對IP上的實(shí)時業(yè)務(wù)傳輸而制定的，它往往與RTCP（實(shí)時控制協(xié)議）配合使用。RTCP分組周期性地傳送，用于質(zhì)量反饋及信息交互。與RTP媒體流相關(guān)的有SSRC和CNAME。SSRC是32位的整數(shù)，是實(shí)時流的源標(biāo)志、在一個RTP會話過程中保持唯一性，每個RTP分組均包含SSRC。不同媒體流的SSRC不同。CNAME是RTCP協(xié)議中使用的傳輸層標(biāo)志，用于標(biāo)志用戶，一個用戶可對應(yīng)多個RTP流。在RTCP分組中，包含CNAME及SSRC。每個主機(jī)隨機(jī)選擇SSRC，SSRC重復(fù)的概率很小。另外沖突檢測和環(huán)路檢測機(jī)制確保在會話過程中每個流的SSRC具有唯一性及無環(huán)路發(fā)生。當(dāng)兩個RTCP分組具備相同的SSRC、但是IP地址相異，CNAME也相異，那么就發(fā)生了沖突。RTP可以利用無沖突SSRC及CNAME實(shí)現(xiàn)對移動性的支持。

　　每個RTP及RTCP分組均包含了發(fā)送方地址和SSRC。如果發(fā)送方在RTP分組傳送過程中改變IP地址，則因發(fā)往接收方的分組中攜帶了新的發(fā)送方IP地址、接收方將看到新的IP地址，而SSRC維持不變。值得注意的是，在此過程中，CNAME也維持不變，所以與SSRC沖突不同。CH知道MH有了新的地址，以后將重新路由到該地址。使用RTP協(xié)議支持移動性簡單而有效，但是前提是通信的雙方都必須使用RTP協(xié)議。

　　移動IP技術(shù)還處于發(fā)展階段，而網(wǎng)上的語音業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)越來越重要，如何支持實(shí)時的移動多媒體業(yè)務(wù)是一個復(fù)雜的課題。因?yàn)榫W(wǎng)上多媒體業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)傳輸時延、抖動的要求較高，而引入移動性后由于子網(wǎng)間的切換，這個問題更加突出。在這種情況下利用RTP實(shí)現(xiàn)移動性管理較為合適，因?yàn)檫@種機(jī)制實(shí)現(xiàn)IP地址轉(zhuǎn)換較快，造成的抖動較小。

　　Mobile IP更適合于慢速、大區(qū)制的移動性。隧道技術(shù)的應(yīng)用是因捆綁的是FA地址，假如捆綁的是FA下的MH地址，那么就直接將數(shù)據(jù)包路由到MH。對于實(shí)時語音業(yè)務(wù)，包的長度較小，采用隧道包封技術(shù)開銷較大，所以從這下角度Mobile IP也不適合，而采用SIP及RTP就比較合理。SIP較為完善地解決了移動IP問題，而RTP的優(yōu)點(diǎn)在于及時的傳遞更新的IP地址。當(dāng)承載傳統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時，Mobile IP可采用，但路由優(yōu)化問題還是要考慮的。

　　最后強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，所有上面方案討論的都是跨子網(wǎng)的移動，至于實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)的移動，必須采用蜂窩技術(shù)，已經(jīng)有一些關(guān)于蜂窩IP的解決方案。移動IP網(wǎng)絡(luò)的成熟還有漫長的道路要走。

摘自《移動通信在線》