無線接入網(wǎng)關終端保持接入設計與實現(xiàn)

WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access)是基于802.16標準[1]的全球微波接入技術。由于WiMax支持較高的寬帶無線接入速率和移動速度，通信運營商用其為用戶提供寬帶無線移動數(shù)據(jù)接入服務。在移動性管理方面，WiMax網(wǎng)絡使用移動IP(MIP)技術[2]。根據(jù)MIP的客戶端在終端還是在網(wǎng)絡側實現(xiàn)，可分為終端移動IP(CMIP)和代理移動IP(PMIP)。
　WiMax網(wǎng)絡架構標準中現(xiàn)有的終端接入方案(PMIP模式或CMIP模式)，僅適合正常的“第一次接入”，當終端出現(xiàn)異常發(fā)生瞬斷等情況時，相應的數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸中斷，此時終端需再次重新注冊，重新建立數(shù)據(jù)業(yè)務通道。由此增加了時延，難以保證業(yè)務的連續(xù)性。本文設計的方案中，接入網(wǎng)關在正在進行數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸?shù)挠脩艚K端斷開連接時,保持其斷開連接前的IP地址和網(wǎng)絡配置信息等；用戶再次接入時，網(wǎng)關將存儲信息發(fā)給終端，用戶采用接收到的信息，繼續(xù)進行所需業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸，減少了接入時延，保證了上層業(yè)務的連續(xù)性。
1 WiMax體系架構和MIP協(xié)議
1.1 WiMax體系架構
　現(xiàn)有的WiMax的網(wǎng)絡架構體系[3]包括MS(Mobile Station)、接入服務網(wǎng)絡ASN(Access Service Network)和連接服務網(wǎng)絡CSN(Connectivity Service Network)。其中，MS為移動臺，用戶使用該設備接入WiMax 網(wǎng)絡；ASN 包括基站BS(Base Station)和接入服務網(wǎng)絡網(wǎng)關ASN-GW(Access Service Network Gateway)等用于為WiMax終端設備提供無線接入服務的網(wǎng)絡功能集合。ASN主要完成WiMax終端的二層連接、傳遞AAA消息、為WiMax終端的三層連接提供中繼、無線資源管理、ASN與CSN間隧道維護等；CSN用于為WiMax終端提供網(wǎng)際協(xié)議連接服務。CSN可以由認證、授權和計費即AAA(Authenticator Authorization and Accounting)服務器、歸屬代理設備HA(Home Agent)、動態(tài)主機配置協(xié)議DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)服務器等組成。用戶的認證和授權通過用戶的歸屬CSN中的認證、授權和計費服務器完成。WiMax網(wǎng)絡架構如圖1所示。

1.2 MIP協(xié)議
    移動網(wǎng)際協(xié)議MIP(Mobile Internet Protocol)，它為移動用戶提供了一種IP路由機制，使得支持MIP的終端可以通過自身標識連接到任何鏈路上,支持MIP的終端可以在不中斷鏈路信息傳送的情況下改變其地理位置，而保持IP不改變?，F(xiàn)階段WiMax網(wǎng)絡中的Mobile IPv4終端移動注冊模式有兩種:客戶端MIP(Client Mobile IPv4)和代理MIP(Proxy Mobile IPv4)，在客戶端MIP中，移動站自身實現(xiàn)MIP客戶端功能進行MIP注冊和取消注冊；在代理MIP中，MIP客戶端功能通過WiMax接入網(wǎng)絡中稱為代理移動節(jié)點PMN(Proxy Mobile Node)或PMIP 客戶端的功能實體(PMIP client)來實現(xiàn)MIP的注冊和取消注冊。
2 CMIP/PMIP技術下用戶接入
    移動IP接入時，AGW可以為MS提供PMIP接入或者CMIP接入兩種方式。在PMIP模式下，若MS采用DHCP proxy 的方式獲得地址,則AGW代表MS發(fā)起MIP注冊請求給家鄉(xiāng)代理HA,HA為MS分配IP地址;若采用DHCP relay 的方式獲得地址,則AGW再代表MS發(fā)起MIP注冊請求給HA，HA確認DHCP server為MS分配的IP地址;在CMIP模式下,MS在業(yè)務流建立后，主動發(fā)起MIP的注冊請求，AGW執(zhí)行外地代理FA的功能與家鄉(xiāng)代理HA交互實現(xiàn)MS的MIP注冊，此時HA為MS獲得IP地址[4]。
2.1 CMIP模式
    如圖2所示，在最新的WiMax stage2中定義的CMIPv4模式下終端連接建立流程如下：

    (1)接入認證階段：用戶所屬的家鄉(xiāng)AAA服務器會在接入認證消息中下發(fā)家鄉(xiāng)代理地址、認證授權和計費相關密鑰。
　(2)當接入業(yè)務網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)鏈路與終端或者終端的業(yè)務流進行綁定后，觸發(fā)CMIP模式終端開始注冊。
　(3)當新的接入業(yè)務網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路建立后，外地代理向網(wǎng)絡內的終端廣播其轉交地址。
　(4)終端收到外地代理廣播的轉交地址后，發(fā)送移動IPv4注冊消息至外地代理FA，并由外地代理FA轉發(fā)至家鄉(xiāng)代理HA。
　如果終端此時支持移動IPv4協(xié)議棧,則不發(fā)送DHCP請求，只發(fā)送移動IP信令去獲取其家鄉(xiāng)地址。
　(5)~(6)對于既支持PMIPv4模式又支持CMIPv4模式的接入業(yè)務網(wǎng)絡，此時外地代理需要通過一個R3_Mobility_Context消息通知網(wǎng)絡特定的相關功能實體終端的R3移動模式為外地代理選定的R3移動模式[5]。對于僅支持CMIPv4模式的接入業(yè)務網(wǎng)絡，此步驟可以省略。
   (7)~(9)當終端歸屬AAA服務器收到由家鄉(xiāng)代理發(fā)送的攜帶MN-HA屬性的接入請求消息時，AAA服務器需應答一個通過接入消息，其中包含加密的MN-HA共享密鑰。如果接入請求消息中包含了動態(tài)獲取家鄉(xiāng)代理及IP配置信息的信元，AAA服務器還需要返回家鄉(xiāng)代理的地址以及終端相關的IP配置信息。
   (10)家鄉(xiāng)代理轉發(fā)移動IPv4注冊響應消息給外地代理。
   (11)移動IPv4注冊響應消息被轉發(fā)至終端。
   至此終端注冊完成。
2.2 PMIP模式
   如圖3所示,在最新的WiMax Stage2中定義的Proxy Mobile IPv4模式下的終端連接建立流程如下：

　(1)接入初始階段：包括用戶預附著、接入認證、附著、數(shù)據(jù)通道的建立和初始業(yè)務流的建立。此階段完成用戶的認證策略協(xié)商、用戶的初始認證鑒權以及用戶注冊信息的協(xié)商存儲。
    終端所屬的家鄉(xiāng)AAA服務器會通過接入認證消息下發(fā)家鄉(xiāng)代理地址、認證授權相關密鑰、Proxy Mobile IPv4連接建立相關密鑰以及DHCP服務器地址。
    圖3中：
    (2)~(12)為IP地址分配以及移動IP注冊階段：在成功鑒權和授權以及BS與ASN之間建立數(shù)據(jù)鏈路之后，終端會通新建立的數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送一個DHCP discover消息。在Stage 2/3中提供了兩種PMIP4模式:DHCP Proxy和DHCP Relay。如果是DHCP Relay模式,則DHCP代理服務器根據(jù)終端的標識符將其DHCP discover消息轉發(fā)至相應的DHCP服務器；如果是DHCP Proxy模式,則DHCP代理服務器將會直接給終端返回家鄉(xiāng)地址及相關IP配置信息。
    對于既支持PMIP4模式又支持CMIP4模式的接入業(yè)務網(wǎng)絡，其中的DHCP代理服務器需要通過一個R3_Mobility_Context消息通知網(wǎng)絡特定的相關功能實體(例如專門存放終端相關信息的服務器)終端的R3移動模式為DHCP代理服務器選定的R3移動模式。對于僅僅支持PMIP4模式的接入業(yè)務網(wǎng)絡，此步驟可以省略。
    當PMIP代理客戶端收到終端的家鄉(xiāng)地址后，PMIP代理客戶端會向外地代理發(fā)送一個移動IPv4注冊消息并且在最后的DHCP消息交互之前完成移動IPv4注冊。移動IPv4注冊消息包含以下信息：
    ①終端的家鄉(xiāng)地址：該家鄉(xiāng)地址可能由前面步驟所獲取DHCP服務器分配，也可能在接入認證完成后由AAA服務器下發(fā)。
    ②轉交地址：一般為外地代理的IP地址。
　③安全相關信息。
　在連接建立流程的最后階段，終端最終獲取了其家鄉(xiāng)地址并且在家鄉(xiāng)代理上進行了移動IPv4注冊。
　(13)~(15)為DHCP應答階段：當移動IPv4注冊完成之后，PMIP Client把 MIP注冊的結果通知給DHCP relay,DHCP relay把MIP 注冊的結果封裝到request中發(fā)送給DHCP server。選定的DHCP server回復DHCP Ack消息。DHCP relay中繼DHCP Ack消息給BS。BS發(fā)送DHCP Ack消息給MS,DHCP Ack消息才會伴隨著家鄉(xiāng)地址發(fā)送給終端。
　綜上所述，MS接入時，可采用以下幾種方式獲得IP地址：(1)AGW承擔DHCP proxy,為MS分配IP地址；(2)AGW承擔DHCP relay 的功能，通過DHCP server為MS獲得IP地址。在MS下線后，AGW釋放該MS所占用的資源,此時與MS相關的連接信息及資源已經(jīng)被釋放。此時若該MS再次接入時，就有可能獲得與斷開連接前不同的IP地址。若為AGW承擔DHCP proxy為MS動態(tài)分配IP地址的情況，AGW每次為MS分配一個動態(tài)的IP地址，這樣終端MS 在兩次接入過程中，得到的IP地址也是不同的。這種情況對MS所進行的相關業(yè)務，會因為IP地址的改變造成業(yè)務中斷。例如：①在MS瞬斷的情況下，會選擇重新接入，此時若分配到一個與斷開連接前不同的IP地址，MS的業(yè)務也將中斷;②BS錯誤診斷MS掉網(wǎng)時，BS發(fā)起MS退網(wǎng)通知給AGW，此時AGW刪除了與MS相關的資源，MS需重新注冊、重新開始數(shù)據(jù)業(yè)務。
3 設計與實現(xiàn)
   針對以上情況，本文提出了一種減少接入時延的方案,接入網(wǎng)關AGW的MS_STATE模塊在終端入網(wǎng)時負責存儲終端MS所獲得的IP地址和相關的配置信息,當MS掉網(wǎng)時，在適當?shù)臅r間內對此信息繼續(xù)保存不予刪除。當用戶在短時間內再次接入時，AGW則將保存的IP地址和配置信息一同發(fā)給終端MS,終端接收到此信息后使用相同的IP地址和相關信息繼續(xù)進行數(shù)據(jù)業(yè)務流傳輸。若超出時限，MS_STATE刪除相關信息資源并通知其他功能實體MS退網(wǎng)。
3.1 系統(tǒng)組成
   此方案是基于WiMax無線接入網(wǎng)關實現(xiàn)的。整個網(wǎng)關系統(tǒng)設計架構可以分為控制平面(信令處理部分)和數(shù)據(jù)平面(業(yè)務數(shù)據(jù)處理部分)。系統(tǒng)功能結構如圖4所示?？刂破矫娓鶕?jù)WiMax定義的信令類型可以分為：MS_STATE模塊、數(shù)據(jù)通道模塊、PMIP Client模塊、FA模塊、認證密鑰模塊。數(shù)據(jù)平面可以分為WiMax數(shù)據(jù)通道模塊、用戶過濾和數(shù)據(jù)采集模塊(內核空間)。數(shù)據(jù)平面中，WiMax數(shù)據(jù)通道以內核模塊的方式加載，針對每個終端都有一條隧道。圖中各實體功能及外部接口描述如下：    (1)MS_STATE模塊：維護MS狀態(tài)信息表。負責終端的狀態(tài)消息處理，主要包括終端在進入網(wǎng)絡時的預附著、附著、終端授權策略的協(xié)商等；終端切換時，負責終端相關信息的更新；網(wǎng)絡退出時根據(jù)接入網(wǎng)關所處的角色，判斷是否執(zhí)行退網(wǎng)，并提供網(wǎng)絡退出函數(shù)接口或者調用相關函數(shù)接口釋放資源。

    (2)MS狀態(tài)信息表：記錄終端相關信息，如認證策略、配置信息等。
    (3)PMIP Client模塊：負責代替不支持移動IP終端進行移動IP注冊（PMIP模式下使用）。
    (4)FA模塊：移動IP外地代理模塊。
    (5)DP(Data Path)：負責數(shù)據(jù)通道的建立和刪除。
    (6)認證和密鑰模塊：負責終端的認證、密鑰協(xié)商、密鑰下發(fā)和輔助移動等功能。
3.2 流程設計
    本設計的退網(wǎng)方案中,其終端接入流程如圖5所示。用戶保持接入流程如下：

    (1)MS請求接入到WiMax系統(tǒng)，完成終端的初始入網(wǎng)，WiMax系統(tǒng)為MS分配一個IP地址并注冊成功，開始數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸。
    (2)AGW檢測到MS斷開連接，此時網(wǎng)關中MS_STATE短時間內繼續(xù)保存MS的IP地址信息及連接信息不予刪除。連接信息包括：接入方式、地址分配方式以及網(wǎng)絡配置信息。
    (3)短時間內MS以相同的接入方式申請重新接入本網(wǎng)關AGW。
    (4)BS與MS_STATE完成MS預附著過程，協(xié)商認證鑒權策略，并將其保存在終端狀態(tài)信息表中。
    (5)MS與AAA服務器進行鑒權協(xié)商，鑒權成功后，進行業(yè)務流的授權。
    (6)BS與本AGW完成數(shù)據(jù)通道的建立和初始業(yè)務流的建立。
    (7)MS發(fā)起DHCP discover 消息給AGW，請求IP地址及網(wǎng)絡配置信息(主要為MS斷開連接前已建立的一些連接信息)。
    (8)AGW中的MS_STATE直接響應DHCP offer信息給MS,為其提供斷開連接前使用的IP地址及網(wǎng)絡配置信息，其中網(wǎng)絡配置信息中的DHCP地址刷新時長為斷開連接前的DHCP地址刷新時長的剩余時間,作為DHCP地址續(xù)約的有限期限信息。
    (9)MS發(fā)起攜帶有接收到的IP地址的DHCP request 消息給AGW，請求AGW確認此IP地址。
    (10)MS_STATE確認后響應DHCP Ack消息給MS。
    (11)MS繼續(xù)以前次接入的IP地址進行數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸。
    從以上步驟可以看出,對于PMIP模式，AGW在MS再次接入過程中，并沒有再次發(fā)起PMIP請求消息給HA，請求HA為MS確認IP地址，而是直接為MS提供了保存的IP地址。而對于CMIP,終端再次發(fā)起IP注冊時,AGW直接返回IP地址給MS,而不需要再次通過AAA服務器認證。
    實際中，MS在進入盲區(qū)時,經(jīng)常會出現(xiàn)瞬斷的情況，此時MS自身認為連接已經(jīng)中斷，需要重新接入。本文通過在設定的時間內保存MS的接入信息,即AGW在設定時間內不中斷MS 的三層連接，此時若MS申請重新接入,則AGW僅需要與MS重新建立二層連接，不再重建三層連接。這樣不僅加快了MS接入速度,而且對保持MS 數(shù)據(jù)業(yè)務的連接性有相當大的益處。
3.3 設計實現(xiàn)
    各功能實體之間的通信如圖6所示。

    終端初始入網(wǎng)階段，MS_STATE與FA、Authenticator、DP之間通過本地通信完成終端的認證策略的協(xié)商、注冊IP存儲、數(shù)據(jù)通道、業(yè)務流及網(wǎng)絡信息記錄；與BS進行網(wǎng)絡通信實現(xiàn)終端的預附著、附著和輔助認證。整個階段MS_STATE時刻記錄終端的狀態(tài)信息。
    本地通信和網(wǎng)絡通信可創(chuàng)建以下套接口：
    (1) 網(wǎng)絡套接口
    wimax_msg_sock=socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    (2) 本地套接口
     local_msg_sock=socket(AF_LOCAL, SOCK_DGRAM, 0);
     終端出現(xiàn)異常情況并再次申請入網(wǎng)時，MS_STATE進行時限判斷，把與終端對應的存儲信息發(fā)送給終端。采用SDL描述的處理流程如圖7所示。
    本文針對終端短時間的異常退網(wǎng)提出了一種保持接入的實現(xiàn)方案。此方案既適用于CMIP模式也適合于PMIP模式，大大減少了終端再次接入時的時延。
參考文獻
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