移動管理

移動管理的核心包括位置管理和切換管理這兩個相互聯繫的部分，還涉及一些其他方面的內容。位置管理和切換管理是相輔相成、互相影響的，甚至在某些階段有一定的重疊，不能進行嚴格的區分。

1．位置管理

2．切換管理

切換管理中的關鍵問題包括如何減少信令流量、優化連接，如何有效分配資源、進行移動預測等。切換管理往往採用跨層的模式，利用鏈路層的信息如信號強度等，來減小建立新連接的時延。切換管理對資源管理等具有較大的依賴性，切換管理演演算法往往與鏈路層技術密切關聯。

移動管理的目的主要有兩個：

(1)使網路能夠記錄用戶位置，從而正確轉髮針對用戶的數據或呼叫，同時使用戶在進入新的位置區域時能夠保持連接。

(2)使用戶在移動過程中能夠保持業務的連續性。

移動管理是移動網路中管理控制的一個核心問題。根據移動管理解決方案所屬層次的不同，可以分為鏈路層移動管理、網路層移動管理、傳輸層移動管理和應用層移動管理。針對不同層次的移動管理，分別有多種移動管理策略被提出，包括鏈路層移動策略、網路層移動策略MIPv4、會話層移動策略、傳輸層移動策略TCP-Migratec、應用層移動策略SIP等。

1．鏈路層移動管理

在鏈路層移動管理方案中，移動節點在新的鏈路使用新的IP地址，這樣就必須中斷傳輸層的通信連接，使得鏈路層移動管理對TCP、UDP不透明。

鏈路層移動管理能夠使得移動節點在一個路由區域內改變接入位置而無需改變IP地址，實現通信連接的不中斷；在跨路由區域的範圍內移動時，需要額外的代理網關支持，並通過無線鏈路傳遞無線信令消息，鏈路層移動管理是與特殊的無線技術緊耦合的。

2．傳榆層移動管理

在傳輸層移動管理方案中，一個TCP通信端可以掛起一個打開的連接並使用另一個IP地址重新激活它，TCP連接的這種重激活方式使得應用層能夠繼續使用原來建立的連接，且只有通信的端點參與移動管理的過程。

為實現可靠數據傳輸，傳輸層移動管理可以在需要的時候請求重傳數據，從而使在移動過程中丟失的數據包得到恢復，實現零丟包的移動切換。

傳輸層連接在改變接入位置后重新激活，對於應用層來說這個過程是透明的。因為不需要第三方實體的支持，傳輸層移動管理簡化了信任關係，僅僅需要移動主機和通信對端之間存在信任關係即可。

3．應用層移動管理

SIP稱為會話初始化協議，是IETF於1999年提出的一個在IP網路中實現會話的一種信令協議，已被3GPP2用作網際網路會話管理的基礎協議。

可以基於SIP協議在應用層實現移動管理，在基於SIP的移動管理中使用了SIP代理和SIP重定向伺服器。基於SIP的移動管理過程延遲較大並且會產生較多的丟包。SIP不支持TCP連接，基於SIP的移動管理方案對TCP不透明。

4．網路層移動管理

網路層移動管理技術也稱為移動IP技術，其通過IP-in-IP的隧道方式將發往移動節點家鄉網路的數據包轉發到移動節點的當前位置。移動IP技術向上層應用屏蔽了地址改變的相關信息，可以實現上層通信連接的持續性。

5．移動管理方案的比較及結論

不同層次的移動管理方案各有優劣。

鏈路層移動管理協議與無線接入技術的緊耦合特性限制了其可使用範圍。

傳輸層移動管理不能適用於非TCP的協議。

應用層移動管理對上層協議不透明，且有較大的延遲和開銷。

移動IP技術因為其與下層協議無關、對上層協議透明的特性成為應用範圍最廣、應用效果最好的移動管理解決方案。移動IP技術在網路層解決移動問題，獨立於各種無線接入技術及具體業務，具有良好的可擴展性，是支持用戶移動的有效解決方案。

當前移動通信網正在向著支持IP、綜合業務、分組交換的方向發展，同時網際網路正在向著支持無線寬頻接入、支持高速移動的方向發展，這兩者相互影響。移動通信網和網際網路各自提供了移動管理解決方案，它們之間的差別在於：移動通信網的信令有專門的傳輸網路和空中通道，信令傳輸與業務傳輸相互獨立；在以TCP/IP為基礎的網際網路中，控制信令和業務數據都由IP承載。第三代移動通信網已決定將其核心網路從基於7號信令系統的電路交換環境向基於IP的分組交換網路發展演化，並且明確規定第三代移動通信網路必須支持移動IP。

分層的蜂窩網路是移動性管理可以部署在集中式結構中。與此同時，移動用戶數據量迅速增長，服務或網路提供商需要選擇性地降低在不同接入網之間切換時產生的數據流量。

大部分已有的移動IP解決方案源自於移動網際網路協議（Mobile Internet Protocol，MIP）標準，適合IPv6的是MIPv6。一個給定的移動錨點維護移動節點（Mobile Node，MN）的綁定，如MIP中的家鄉代理HA或者代理移動IPv6（Proxy Internet Protocol version 6，PMIPv6）中的本地移動錨點(Local Mobility Anchor,LMA)。數據報封裝后在MN和接入路由（Access Router，AR）之間交換（PMIP中則在的MAG和LMA之間）。這些方法已經在集中式結構中實施，中心網路實體就是移動錨點（HA或LMA），以下統稱為MA。

這些移動管理的集中式實施方案可將數據報路由到MN所在位置和在MN切換過程中保持IP會話的持續性。但由於中心網路實體處理能力有限，集中式方案具有的一定的性能問題和擴展局限性，這需要昂貴的費用去擴大的網路規模和工程，將成為移動用戶規模擴展的瓶頸。

與集中式方法不同，在網路層級結構分散移動管理功能更適合扁平化的網路結構。這種使移動管理功能更接近各移動用戶的方案，成為分散式移動管理。移動管理功能的分佈可在不同層進行，也可以將部分功能進行分佈也可以全部功能分佈。分散式移動管理結構可以避免不必要的長路徑路由、能容納更多的移動終端、更利於動態移動管理（即當使用者需要服務支持時才提供相關的移動服務）。動態移動管理可以避免資源浪費、減少信令超載和網路費用。

1．集中式移動管理方案介紹與局限

1.1 MIPv6

MIPv6是一種需要移動節點MN參與移動管理的移動網路協議，使用該協議的節點無論是否發生移動都能通過IPv6地址被訪問。MIP與它眾多的改進版本都將會話標識分離成兩部分：家鄉地址（HoA）和路由地址（CoA）。移動節點MN從家鄉網路獲得一個HoA作為會話標識，從接入的拜訪網路獲得一個CoA作為路由的實際地址。當MN接入一個新的IP網路，其路由地址CoA將會改變。MIP允許MN通過路由經過家鄉網路的移動錨點來保持會話標識，使正在進行的會話避開路由地址的改變。

1.2 PMIPv6

為了減輕移動節點的工作量，IETF的NETLMM工作組(Network—based Localized Mobility Management Work Group）提出了一種基於網路管理的區域性移動方案：PMIPv6，該方案通過引進新的功能實體，代替移動節點進行移動管理。在PMIPv6中，通行對端節點（Correspondent Node ,CN）和MN只需要具備普通IP協議棧，都使用HoA進行通信。在MIP中MN需要具備的移動管理功能移植到一個稱為移動接入網關(MobileAccess Gatway ,MAG)的網路實體上。MN通過MAG連接到拜訪網路，MAG提供代理CoA使MN繼續使用原有的HoA與CN通信。CN僅知道MN的HoA因此它發送給MN的數據報將先路由到MA。MAG和MA管理HoA和CoA的綁定關係、執行封裝和解封裝，建立隧道轉發MN和CN的通信數據。在MA和MAG之間，數據報以代理CoA作為外層封裝地址在隧道中路由，內層數據報的目的地址仍是HoA但是在隧道中不可見。

1.3 集中式移動管理的局限性

1）路由路徑長

通過集中的錨點進行路由通常會導致路由路徑過長。如當MN和CN彼此距離相近但屬於兩個不同的相距較遠的兩個家鄉移動錨點時，發往MN的數據報需要經由家鄉移動錨點進行路由，這樣的路由路徑較長。即是可以優化路由路徑使MN和CN直接通信，但是在初始通信建立時和MN每移動到一個新的拜訪網路，首發數據包始終要經由家鄉移動錨點。當用戶在移動過程中使用如視頻播放等佔據較大網路流量的應用時，長路徑的轉包會造成通信的不流暢，且容易導致網路阻塞。服務提供商需要將這些內容資源以緩存等方式，放置在更靠近用戶接入網路的位置以減少中心網路流量。分散式移動管理可以實現將資源部署在更靠近用戶接入網路的位置。

2）不適合網路長遠發展

集中式移動管理最近已經部署以支持已有的層次移動數據網路。這有利於層次結構體系。但大量的無線數據流量以指數速度增長，整個層次結構體系需要昂貴的升級費用。可以預言，數據流量的增長將很快使集中資料的移動錨點節點如MIP中的HA、PMIP中的LMA、3GPP EPS中的P-GW超載。

為了解決這個問題，移動網路的改進版本趨向於分散部署網路實體功能，使之更靠近接入網路。移動網路已得到多種改進以適應從層次結構到扁平結構的演進。如3GPP標準中，GRPS網路擁有GGSN–SGSN–RNC–NB (Node B)的多層結構. 在3GPP EPS網路中，網路層次結構已減少為P-GW–S-GW–eNB (Evolved NB)。在一些部署方案中，P-GW和S-GW整合在一起以減少層次結構。以減少網路中物理網路元素的方式減少層次數，可以使系統更簡潔和保持低開銷。由於移動網路越來越趨於扁平化，集中式移動性管理已成為非最佳方式。

3）集中式路由和移動上下文保存的低擴展性

當切換髮生時，需要建立特殊的路由保證會話的持續性。CN發出的數據報在MIP中需要通過HA和FA之間建立的隧道傳輸、在PMIP中則通過LMA和MAG之間的隧道。但是，這些在隧道兩端的網路功能實體依然需要為非移動性的節點的普通數據報實現普通路由。這些普通的數據報需要被根據路由表直接路由，而不通過隧道方式。因此，網路需要辨認需要隧道路由的數據報和普通的數據報。其中需要經過隧道路由的數據報屬於移動節點，網路需要用一個合適的IP報頭封裝原數據報。因此網路需要保持和管理每個MN的移動信息的上下文，這些上下文能標明MN的移動狀態和讓網路從普通的數據報中區分出需要通過隧道路由的移動性數據報。

為每個MN建立這樣的路由和保持移動信息上下文使集中式的設計在擴大MN數量規模時存在很大的難度。將路由保存功能和移動信息上下文保持功能在不同網路上分散部署具有更強的可擴展性。

4）多種擴展的MIP致使部署過程複雜化

以集中式方式主要部署在層次移動網路上的MIP已有大量的改進和擴展版本，其中包括PMIP、FMIP、PFMIP、HMIP、DSMIP，或許陸續還有更多版本的出現。這些版本在提出之後的若干年內發現有新的不同需求。部署因此變得很複雜，特別是不同部署方案之間的互操作性問題。

當MIP的改編版提出為了適應扁平化的網路而用分散式方式部署，這要求對不同的網路和策略和不同的MIP擴展版本進行全盤的考慮，最終可以根據使不同的方案啟用或者關閉某個版本功能，並讓此更容易理解。移動性管理必須的一個特點是可以在層次結構和扁平結構的網路上運行，因此移動性管理協議需要足夠靈活地支持不同的網路。此外，動態性移動管理的一個目標是可選擇性的開啟或者關閉移動性支持和不同的移動信令。在設計的時候應兼容這一目標來整合不同的移動方案，將各種移動方案作為可選擇的項。另外一些對於基本協議的擴展應在整合時考慮到。

5）點對點通信的移動信令超載

在點對點通信過程中，終端使用者通過直接以對端地址作為目的地址發送數據報來通信。但是對端都需要事前在網路上通過相關信令獲得對方IP地址，為此有多種解決方案。MIPv6路由優化模式提供了一種比雙向隧道模式更有效的數據交換方式，除非MN不願意想CN公開自己的拓撲位置（如CoA）或一些網路自身有限制，路由優化方式將會被使用。但是在MIPv6的路由優化模式中，需要交換大量的信令消息以建立和定期更新MN和CN之間的雙向安全聯盟。當通信對端都是移動節點時，移動信令消息總量會增加。

6）單點故障和攻擊

集中式移動錨點較脆弱，容易發送單點故障和單點攻擊。這需要通過冗餘和備份功能來解決。另一方面，分散式移動管理結構可以在通過在本地小範圍的網路上部署，根本上緩和這個安全問題。

2．分散式移動管理方案

2.1 在移動中心網路層分佈部署

2.2 在接入路由器層分佈部署

2.3 在接入網路分佈部署

接入網路的數量比HA的數量要大的多，這導致更頻繁的切換將會發生。因此，擴展性和信令過載是主要的設計問題，需要仔細考慮。

2.4 在主機層完成分佈部署