??? 摘 要: 以切換時延" title="時延">時延作為評估指標(biāo)，對移動IP和UMTS GTP的性能進(jìn)行比較。比較結(jié)果表明：采用代理移動IPv4可以獲得與UMTS GTP相當(dāng)?shù)那袚Q性能；移動IPv6考慮路由優(yōu)化和安全選項(xiàng)" title="安全選項(xiàng)">安全選項(xiàng)時，MN將經(jīng)歷難以忍受的切換時延。研究結(jié)論為移動IP在UMTS核心網(wǎng)" title="核心網(wǎng)">核心網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。
??? 關(guān)鍵詞: 全I(xiàn)P? 移動IP? UMTS GTP? 切換? 時延

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??? 全I(xiàn)P移動通信網(wǎng)^[1]是Internet和移動通信技術(shù)迅速發(fā)展及結(jié)合的產(chǎn)物，體現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成和融合的思想。移動IP和UMTS GTP是兩種來自不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的數(shù)據(jù)傳輸和控制協(xié)議，在全I(xiàn)P移動通信網(wǎng)絡(luò)中各自扮演著重要的角色。移動IP^[2]是由IETF（Internet Engineering Task Force）制訂的網(wǎng)絡(luò)層路由機(jī)制，主要目的是為Internet提供移動計(jì)算的功能，使主機(jī)在移動過程中保持通信的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)異種網(wǎng)絡(luò)間移動性管理的功能。GTP（GPRS Tunnel Protocol）^[3]是UMTS核心網(wǎng)中負(fù)責(zé)GSN（GPRS支持節(jié)點(diǎn)）之間分組路由管理和傳輸?shù)膶Ｓ脜f(xié)議，在UMTS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部支持分組數(shù)據(jù)終端的移動性。當(dāng)終端離開UMTS網(wǎng)絡(luò)時，GTP只能在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)終端的移動性。UMTS的目標(biāo)就是建立能與Internet實(shí)現(xiàn)無縫連接的全I(xiàn)P核心網(wǎng)，而移動IP被公認(rèn)為解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合最具競爭力的技術(shù)方案，在整個UMTS核心網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)移動IP是必然趨勢^[4]，因此有必要對移動IP的性能和業(yè)務(wù)支持能力進(jìn)行分析，作為是否能在UMTS核心網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)的理論依據(jù)。本文主要以切換時延作為評估指標(biāo)，對移動IP和UMTS GTP的性能進(jìn)行分析和比較。
1 移動IP切換性能分析
??? 移動IP是Internet上基于網(wǎng)絡(luò)層提供移動管理的解決方案，用于在網(wǎng)絡(luò)層支持終端移動性。在移動IPv4[5]基本機(jī)制中，移動節(jié)點(diǎn)(MN)擁有一個固定的IP地址，當(dāng)它從本地網(wǎng)絡(luò)移動到外地網(wǎng)絡(luò)時，由外地代理（FA）臨時賦予轉(zhuǎn)交地址(COA)，MN將該COA注冊到位于歸屬網(wǎng)絡(luò)的家鄉(xiāng)歸屬代理1(HA)。當(dāng)對端通信節(jié)點(diǎn)（CN）向它發(fā)送數(shù)據(jù)時，分組被HA截取、封裝并使用MN注冊的COA地址轉(zhuǎn)發(fā)分組到MN。MN發(fā)送的分組直接路由到CN。當(dāng)MN位置移動，從一個子網(wǎng)移動到另外一個子網(wǎng)就產(chǎn)生了切換，整個過程包括鏈路層切換和網(wǎng)絡(luò)層切換，如圖1所示。

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??? 切換過程最基本的性能指標(biāo)是切換延時，它反映了切換的快慢，其他性能指標(biāo)，如切換時的分組丟失和切換時應(yīng)用吞吐量的下降都與切換時延密切相關(guān)。本文主要以切換時延作為評估移動IP切換性能的指標(biāo)。
??? 移動IP的切換時延主要包括以下幾個部分：鏈路層切換時延（T_link）、等待路由通告(RA)時延（移動檢測）（T_RA）、轉(zhuǎn)交地址配置時延(T_COA)、傳輸時延" title="傳輸時延">傳輸時延（綁定" title="綁定">綁定更新時延）(T_t)和節(jié)點(diǎn)處理時延(T_pro)。
1.1 移動IPv4切換
??? 移動IPv4的切換過程如圖2所示，切換時延的計(jì)算公式為：
??? T_{MIPv4-handoff}=T_RA+T_COA+2T_t(MN-HA)+3T_{pro????????????????????????} (1)
??????????????? =T_RA+2T_t(MN-HA)+3T_pro

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_{??????????????????????????????????}
??? 在移動IPv4切換過程中，MN的轉(zhuǎn)交地址就是FA的地址，可以直接從代理通告的ICMP(Internet Control Message Protocol)報文中獲得。當(dāng)MN接收到路由通告消息后，便獲得子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)前綴，從而配置轉(zhuǎn)交地址，此時轉(zhuǎn)交地址的配置時延可以忽略不計(jì)，它由路由通告的廣播周期決定。切換時延還包括注冊過程中注冊信令在FA和HA的處理時間。
1.2 移動IPv6切換
??? 移動IPv6^[6]是在繼承移動IPv4諸多優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用IPv6中增加的許多新特點(diǎn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。當(dāng)MN移動到外地鏈路時，通過IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制，以無狀態(tài)的地址自動配置方式獲得一個或多個轉(zhuǎn)交地址，轉(zhuǎn)交地址子網(wǎng)前綴是移動節(jié)點(diǎn)訪問的外地鏈路的子網(wǎng)前綴。移動節(jié)點(diǎn)在獲得轉(zhuǎn)交地址后，把地址注冊到家鄉(xiāng)代理上，并且由節(jié)點(diǎn)給通信對端發(fā)送綁定更新，使通信對端緩存移動節(jié)點(diǎn)當(dāng)前使用的地址。移動IPv6具體切換過程如圖3所示。

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??? 下面分三種情況對移動IPv6切換時延進(jìn)行計(jì)算：
??? (1)未路由優(yōu)化
????T_{MIPv6-handoff}=T_RA+T_COA+2T_t(MN-HA)+T_{pro??????????????????????} (2)
????????????????? ?=T_RA+2T_t(MN-HA)+T_pro??????
??? (2)路由優(yōu)化但未考慮安全選項(xiàng)
????T_{MIPv6-handoff}=T_RA+T_COA+2T_t(MN-HA)+2T_t(MN-CA)+3T_{pro??????????}(3)
??????????????? =T_RA+2T_t(MN-HA)+2T_t(MN-CN)+3T_pro
?? ???????????? =T_RA+2T_t(MN-CN)+2T_pro
??? (3)路由優(yōu)化并考慮安全選項(xiàng)??
????T_{MIPv6-handoff}?=T_RA+T_COA+_2Tt(MN-HA)+6T_t(MN-CN)+6T_pro???????? (4)
???????????????? =T_RA+2T_t(MN-HA)+6T_t(MN-CN)+6T_pro
?? ????????????? =T_RA+6T_t(MN-CN)+5T_pro
??? 在移動IPv6切換過程中，當(dāng)MN收到AR的代理廣播消息后，進(jìn)行IPv6地址自動配置獲取轉(zhuǎn)交地址的時延很短，可以忽略不計(jì)。當(dāng)采用路由優(yōu)化MIPv6時，MN向HA和CN同時發(fā)出綁定更新的消息，由HA綁定更新產(chǎn)生的傳輸時延和處理時延也可以忽略。由路由通告的廣播周期決定。切換時延還包括綁定更新和安全選項(xiàng)在MN、CN、HA的處理時間。
2?UMTS GTP切換性能分析
??? 在UMTS核心網(wǎng)中，GTP（GPRS Tunnel Protocol）是負(fù)責(zé)GSN（GPRS支持節(jié)點(diǎn)，主要是指SGSN和GGSN）之間的數(shù)據(jù)傳輸和信令控制的專用協(xié)議，由處于兩個GSN中相互關(guān)聯(lián)的PDP（Packet Data Protocol）上下文定義。創(chuàng)建GTP隧道的過程就是激活這對PDP上下文的過程，涉及GTP創(chuàng)建的規(guī)程有三個: PDP 上下文激活規(guī)程、網(wǎng)絡(luò)請求的PDP上下文激活規(guī)程以及跨SGSN路由區(qū)更新規(guī)程^[7]。
??? 本文研究重點(diǎn)集中在移動用戶(MS)發(fā)生跨SGSN路由區(qū)更新切換過程以及性能分析。具體GTP跨SGSN切換過程如圖4所示，主要包括兩個步驟:保存在原SGSN(SGSNo)中的MS的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給新SGSN(SGSNn)；SGSNn與GGSN建立聯(lián)系。當(dāng)SGSNn收到MS的路由區(qū)更新請求后,根據(jù)MS的國際移動臺識別號（IMSI）向原SGSN獲取MS的上下文，包括MM(mobility management)上下文和PDP上下文。SGSNo不再將用戶數(shù)據(jù)分組發(fā)送給MS,將原SGSN中保存的MS的MM上下文和與MS相關(guān)的所有激活態(tài)的PDP上下文發(fā)給新SGSN。新SGSN確認(rèn)后,根據(jù)MS的所有動態(tài)的PDP上下文,在原SGSN與新SGSN之間創(chuàng)建了一個或多個隧道，原SGSN就可將存儲在原SGSN中MS的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給新SGSN。新原SGSN之間轉(zhuǎn)發(fā)完畢,新SGSN應(yīng)向正在為MS服務(wù)的GGSN請求重新建立用戶隧道,傳送MS與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的用戶數(shù)據(jù)^[3]。

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??? 為了簡化計(jì)算過程，認(rèn)為每條路徑與相反路徑的傳輸時延（T_t）相等，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理時延（T_pro）相等。以下分兩種情況對GTP切換時延進(jìn)行計(jì)算。
??? (1)SGSN擁有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)時
??? T_GTP-handoff=T_t(MN-SGSNn)+5T_{t(SGSNo-SGSNn)}+6T_{pro??????????????????????} (5)
????(2)SGSN沒有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)時
??? T_GTP-handoff=T_t(MN-SGSNn)+5T_{t(SGSNo-SGSNn)}+2T_{t(SGSNo-GGSNo)}+8T_pro???? (6)
3 移動IP和UMTS GTP切換性能的比較
??? UMTS GTP、移動IPv4和移動IPv6切換時延的比較結(jié)果如表1所示。在移動IP切換性能分析過程中，當(dāng)MN的COA地址變化時，MN和HA之間的認(rèn)證過程在性能比較過程被簡單忽略。

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??? 結(jié)合表中計(jì)算公式，以下分別對切換時延的各個部分進(jìn)行分析。
??? (1)鏈路層(二層)切換時延
鏈路層切換時延對GTP、MIPv4和MIPv6切換的影響是相同的，在切換時延比較過程中可以忽略。
??? (2)等待路由通告時延TRA和轉(zhuǎn)交地址配置時延TCOA
??? 在移動IP中存在TRA和TCOA時延，而在GTP中沒有包含這部分時延。當(dāng)MN移動到外地網(wǎng)絡(luò)中時，MN會主動發(fā)出路由器請求(RS)廣播報文，因此等待路由通告時延可以忽略。在移動IPv4中可采用外地代理的IP地址作為MN的轉(zhuǎn)交地址，在移動IPv6中可以采用IPv6的無狀態(tài)地址自動配置獲取轉(zhuǎn)交地址，因此轉(zhuǎn)交地址配置時延也可以忽略。
??? (3)傳輸時延T_t
??? 在移動IP切換過程中，平均傳輸時延比GTP稍長。在GTP中，當(dāng)MS在兩個相鄰網(wǎng)絡(luò)中頻繁切換的時候，相鄰SGSN之間的切換傳輸時延T_{t(SGSNo-SGSNn)}被認(rèn)為足夠小。在移動IP中，當(dāng)MN位置移動出家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)時，時延T_t(MN-HA)可達(dá)1毫秒至數(shù)十毫秒。特別地，移動IPv6中為了數(shù)據(jù)包路由優(yōu)化目的而增加了CN綁定更新過程、協(xié)議的安全性、家鄉(xiāng)測試消息（HoT/HoTI）和轉(zhuǎn)交測試消息（CoT/CoTI）安全選項(xiàng)，這些信令消息的交互增加了傳輸時延Tt。
??? (4)節(jié)點(diǎn)處理時延T_pro
??? 從表1中可以看出，在UMTS GTP切換過程中節(jié)點(diǎn)處理時延大于移動IP。而在移動IP中，除移動IPv6考慮路由優(yōu)化和安全選項(xiàng)之外，很少有節(jié)點(diǎn)涉及切換信令處理。
??? 通過對移動IP和UMTS GTP切換時延進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn)，在大部分情況下，特別是對采用代理的移動IPv4，可以獲得與UMTS GTP相當(dāng)?shù)那袚Q性能。相比移動IPv4，移動IPv6功能逐步完善，協(xié)議復(fù)雜性隨之增加，特別是當(dāng)移動IPv6考慮路由優(yōu)化和安全選項(xiàng)時，MN將經(jīng)歷難以忍受的切換時延，大大降低了性能指標(biāo)，難以滿足實(shí)時業(yè)務(wù)的需求，進(jìn)一步研究切換優(yōu)化的技術(shù)措施十分必要。研究結(jié)果為移動IP在核心網(wǎng)中的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
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