無線接入網(wǎng)關(guān)終端保持接入設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access)是基于802.16標(biāo)準(zhǔn)[1]的全球微波接入技術(shù)。由于WiMax支持較高的寬帶無線接入速率和移動(dòng)速度，通信運(yùn)營商用其為用戶提供寬帶無線移動(dòng)數(shù)據(jù)接入服務(wù)。在移動(dòng)性管理方面，WiMax網(wǎng)絡(luò)使用移動(dòng)IP(MIP)技術(shù)[2]。根據(jù)MIP的客戶端在終端還是在網(wǎng)絡(luò)側(cè)實(shí)現(xiàn)，可分為終端移動(dòng)IP(CMIP)和代理移動(dòng)IP(PMIP)。
　WiMax網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)終端出現(xiàn)異常發(fā)生瞬斷等情況時(shí)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸中斷，此時(shí)終端需再次重新注冊(cè)，重新建立數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通道。由此增加了時(shí)延，難以保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性。本文設(shè)計(jì)的方案中，接入網(wǎng)關(guān)在正在進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)挠脩艚K端斷開連接時(shí),保持其斷開連接前的IP地址和網(wǎng)絡(luò)配置信息等；用戶再次接入時(shí)，網(wǎng)關(guān)將存儲(chǔ)信息發(fā)給終端，用戶采用接收到的信息，繼續(xù)進(jìn)行所需業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸，減少了接入時(shí)延，保證了上層業(yè)務(wù)的連續(xù)性。
1 WiMax體系架構(gòu)和MIP協(xié)議
1.1 WiMax體系架構(gòu)
　現(xiàn)有的WiMax的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系[3]包括MS(Mobile Station)、接入服務(wù)網(wǎng)絡(luò)ASN(Access Service Network)和連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò)CSN(Connectivity Service Network)。其中，MS為移動(dòng)臺(tái)，用戶使用該設(shè)備接入WiMax 網(wǎng)絡(luò)；ASN 包括基站BS(Base Station)和接入服務(wù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)ASN-GW(Access Service Network Gateway)等用于為WiMax終端設(shè)備提供無線接入服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)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(hù)等；CSN用于為WiMax終端提供網(wǎng)際協(xié)議連接服務(wù)。CSN可以由認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)即AAA(Authenticator Authorization and Accounting)服務(wù)器、歸屬代理設(shè)備HA(Home Agent)、動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)服務(wù)器等組成。用戶的認(rèn)證和授權(quán)通過用戶的歸屬CSN中的認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)服務(wù)器完成。WiMax網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 MIP協(xié)議
    移動(dòng)網(wǎng)際協(xié)議MIP(Mobile Internet Protocol)，它為移動(dòng)用戶提供了一種IP路由機(jī)制，使得支持MIP的終端可以通過自身標(biāo)識(shí)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。現(xiàn)階段WiMax網(wǎng)絡(luò)中的Mobile IPv4終端移動(dòng)注冊(cè)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(dòng)站自身實(shí)現(xiàn)MIP客戶端功能進(jìn)行MIP注冊(cè)和取消注冊(cè)；在代理MIP中，MIP客戶端功能通過WiMax接入網(wǎng)絡(luò)中稱為代理移動(dòng)節(jié)點(diǎn)PMN(Proxy Mobile Node)或PMIP 客戶端的功能實(shí)體(PMIP client)來實(shí)現(xiàn)MIP的注冊(cè)和取消注冊(cè)。
2 CMIP/PMIP技術(shù)下用戶接入
    移動(dòng)IP接入時(shí)，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(cè)請(qǐng)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(cè)請(qǐng)求給HA，HA確認(rèn)DHCP server為MS分配的IP地址;在CMIP模式下,MS在業(yè)務(wù)流建立后，主動(dòng)發(fā)起MIP的注冊(cè)請(qǐng)求，AGW執(zhí)行外地代理FA的功能與家鄉(xiāng)代理HA交互實(shí)現(xiàn)MS的MIP注冊(cè)，此時(shí)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(rèn)證階段：用戶所屬的家鄉(xiāng)AAA服務(wù)器會(huì)在接入認(rèn)證消息中下發(fā)家鄉(xiāng)代理地址、認(rèn)證授權(quán)和計(jì)費(fèi)相關(guān)密鑰。
　(2)當(dāng)接入業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)鏈路與終端或者終端的業(yè)務(wù)流進(jìn)行綁定后，觸發(fā)CMIP模式終端開始注冊(cè)。
　(3)當(dāng)新的接入業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路建立后，外地代理向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的終端廣播其轉(zhuǎn)交地址。
　(4)終端收到外地代理廣播的轉(zhuǎn)交地址后，發(fā)送移動(dòng)IPv4注冊(cè)消息至外地代理FA，并由外地代理FA轉(zhuǎn)發(fā)至家鄉(xiāng)代理HA。
　如果終端此時(shí)支持移動(dòng)IPv4協(xié)議棧,則不發(fā)送DHCP請(qǐng)求，只發(fā)送移動(dòng)IP信令去獲取其家鄉(xiāng)地址。
　(5)~(6)對(duì)于既支持PMIPv4模式又支持CMIPv4模式的接入業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)外地代理需要通過一個(gè)R3_Mobility_Context消息通知網(wǎng)絡(luò)特定的相關(guān)功能實(shí)體終端的R3移動(dòng)模式為外地代理選定的R3移動(dòng)模式[5]。對(duì)于僅支持CMIPv4模式的接入業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，此步驟可以省略。
   (7)~(9)當(dāng)終端歸屬AAA服務(wù)器收到由家鄉(xiāng)代理發(fā)送的攜帶MN-HA屬性的接入請(qǐng)求消息時(shí)，AAA服務(wù)器需應(yīng)答一個(gè)通過接入消息，其中包含加密的MN-HA共享密鑰。如果接入請(qǐng)求消息中包含了動(dòng)態(tài)獲取家鄉(xiāng)代理及IP配置信息的信元，AAA服務(wù)器還需要返回家鄉(xiāng)代理的地址以及終端相關(guān)的IP配置信息。
   (10)家鄉(xiāng)代理轉(zhuǎn)發(fā)移動(dòng)IPv4注冊(cè)響應(yīng)消息給外地代理。
   (11)移動(dòng)IPv4注冊(cè)響應(yīng)消息被轉(zhuǎn)發(fā)至終端。
   至此終端注冊(cè)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(yù)附著、接入認(rèn)證、附著、數(shù)據(jù)通道的建立和初始業(yè)務(wù)流的建立。此階段完成用戶的認(rèn)證策略協(xié)商、用戶的初始認(rèn)證鑒權(quán)以及用戶注冊(cè)信息的協(xié)商存儲(chǔ)。
    終端所屬的家鄉(xiāng)AAA服務(wù)器會(huì)通過接入認(rèn)證消息下發(fā)家鄉(xiāng)代理地址、認(rèn)證授權(quán)相關(guān)密鑰、Proxy Mobile IPv4連接建立相關(guān)密鑰以及DHCP服務(wù)器地址。
    圖3中：
    (2)~(12)為IP地址分配以及移動(dòng)IP注冊(cè)階段：在成功鑒權(quán)和授權(quán)以及BS與ASN之間建立數(shù)據(jù)鏈路之后，終端會(huì)通新建立的數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送一個(gè)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(wù)器根據(jù)終端的標(biāo)識(shí)符將其DHCP discover消息轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的DHCP服務(wù)器；如果是DHCP Proxy模式,則DHCP代理服務(wù)器將會(huì)直接給終端返回家鄉(xiāng)地址及相關(guān)IP配置信息。
    對(duì)于既支持PMIP4模式又支持CMIP4模式的接入業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，其中的DHCP代理服務(wù)器需要通過一個(gè)R3_Mobility_Context消息通知網(wǎng)絡(luò)特定的相關(guān)功能實(shí)體(例如專門存放終端相關(guān)信息的服務(wù)器)終端的R3移動(dòng)模式為DHCP代理服務(wù)器選定的R3移動(dòng)模式。對(duì)于僅僅支持PMIP4模式的接入業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，此步驟可以省略。
    當(dāng)PMIP代理客戶端收到終端的家鄉(xiāng)地址后，PMIP代理客戶端會(huì)向外地代理發(fā)送一個(gè)移動(dòng)IPv4注冊(cè)消息并且在最后的DHCP消息交互之前完成移動(dòng)IPv4注冊(cè)。移動(dòng)IPv4注冊(cè)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(wù)器分配，也可能在接入認(rèn)證完成后由AAA服務(wù)器下發(fā)。
    ②轉(zhuǎn)交地址：一般為外地代理的IP地址。
　③安全相關(guān)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(jìn)行了移動(dòng)IPv4注冊(cè)。
　(13)~(15)為DHCP應(yīng)答階段：當(dāng)移動(dòng)IPv4注冊(cè)完成之后，PMIP Client把 MIP注冊(cè)的結(jié)果通知給DHCP relay,DHCP relay把MIP 注冊(cè)的結(jié)果封裝到request中發(fā)送給DHCP server。選定的DHCP server回復(fù)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(huì)伴隨著家鄉(xiāng)地址發(fā)送給終端。
　綜上所述，MS接入時(shí)，可采用以下幾種方式獲得IP地址：(1)AGW承擔(dān)DHCP proxy,為MS分配IP地址；(2)AGW承擔(dān)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(shí)與MS相關(guān)的連接信息及資源已經(jīng)被釋放。此時(shí)若該MS再次接入時(shí)，就有可能獲得與斷開連接前不同的IP地址。若為AGW承擔(dān)DHCP proxy為MS動(dòng)態(tài)分配IP地址的情況，AGW每次為MS分配一個(gè)動(dòng)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(duì)MS所進(jìn)行的相關(guān)業(yè)務(wù)，會(huì)因?yàn)镮P地址的改變?cè)斐蓸I(yè)務(wù)中斷。例如：①在MS瞬斷的情況下，會(huì)選擇重新接入，此時(shí)若分配到一個(gè)與斷開連接前不同的IP地址，MS的業(yè)務(wù)也將中斷;②BS錯(cuò)誤診斷MS掉網(wǎng)時(shí)，BS發(fā)起MS退網(wǎng)通知給AGW，此時(shí)AGW刪除了與MS相關(guān)的資源，MS需重新注冊(cè)、重新開始數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
   針對(duì)以上情況，本文提出了一種減少接入時(shí)延的方案,接入網(wǎng)關(guān)AGW的MS_STATE模塊在終端入網(wǎng)時(shí)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)終端MS所獲得的IP地址和相關(guān)的配置信息,當(dāng)MS掉網(wǎng)時(shí)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)對(duì)此信息繼續(xù)保存不予刪除。當(dāng)用戶在短時(shí)間內(nèi)再次接入時(shí)，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(guān)信息繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流傳輸。若超出時(shí)限，MS_STATE刪除相關(guān)信息資源并通知其他功能實(shí)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(guān)實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)可以分為控制平面(信令處理部分)和數(shù)據(jù)平面(業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理部分)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)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(rèn)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(nèi)核空間)。數(shù)據(jù)平面中，WiMax數(shù)據(jù)通道以內(nèi)核模塊的方式加載，針對(duì)每個(gè)終端都有一條隧道。圖中各實(shí)體功能及外部接口描述如下：    (1)MS_STATE模塊：維護(hù)MS狀態(tài)信息表。負(fù)責(zé)終端的狀態(tài)消息處理，主要包括終端在進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)的預(yù)附著、附著、終端授權(quán)策略的協(xié)商等；終端切換時(shí)，負(fù)責(zé)終端相關(guān)信息的更新；網(wǎng)絡(luò)退出時(shí)根據(jù)接入網(wǎng)關(guān)所處的角色，判斷是否執(zhí)行退網(wǎng)，并提供網(wǎng)絡(luò)退出函數(shù)接口或者調(diào)用相關(guān)函數(shù)接口釋放資源。

    (2)MS狀態(tài)信息表：記錄終端相關(guān)信息，如認(rèn)證策略、配置信息等。
    (3)PMIP Client模塊：負(fù)責(zé)代替不支持移動(dòng)IP終端進(jìn)行移動(dòng)IP注冊(cè)（PMIP模式下使用）。
    (4)FA模塊：移動(dòng)IP外地代理模塊。
    (5)DP(Data Path)：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通道的建立和刪除。
    (6)認(rèn)證和密鑰模塊：負(fù)責(zé)終端的認(rèn)證、密鑰協(xié)商、密鑰下發(fā)和輔助移動(dòng)等功能。
3.2 流程設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)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(qǐng)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(gè)IP地址并注冊(cè)成功，開始數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸。
    (2)AGW檢測到MS斷開連接，此時(shí)網(wǎng)關(guān)中MS_STATE短時(shí)間內(nèi)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(luò)配置信息。
    (3)短時(shí)間內(nèi)MS以相同的接入方式申請(qǐng)重新接入本網(wǎng)關(guān)AGW。
    (4)BS與MS_STATE完成MS預(yù)附著過程，協(xié)商認(rèn)證鑒權(quán)策略，并將其保存在終端狀態(tài)信息表中。
    (5)MS與AAA服務(wù)器進(jìn)行鑒權(quán)協(xié)商，鑒權(quán)成功后，進(jìn)行業(yè)務(wù)流的授權(quán)。
    (6)BS與本AGW完成數(shù)據(jù)通道的建立和初始業(yè)務(wù)流的建立。
    (7)MS發(fā)起DHCP discover 消息給AGW，請(qǐng)求IP地址及網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(luò)配置信息，其中網(wǎng)絡(luò)配置信息中的DHCP地址刷新時(shí)長為斷開連接前的DHCP地址刷新時(shí)長的剩余時(shí)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(qǐng)求AGW確認(rèn)此IP地址。
    (10)MS_STATE確認(rèn)后響應(yīng)DHCP Ack消息給MS。
    (11)MS繼續(xù)以前次接入的IP地址進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。
    從以上步驟可以看出,對(duì)于PMIP模式，AGW在MS再次接入過程中，并沒有再次發(fā)起PMIP請(qǐng)求消息給HA，請(qǐng)求HA為MS確認(rèn)IP地址，而是直接為MS提供了保存的IP地址。而對(duì)于CMIP,終端再次發(fā)起IP注冊(cè)時(shí),AGW直接返回IP地址給MS,而不需要再次通過AAA服務(wù)器認(rèn)證。
    實(shí)際中，MS在進(jìn)入盲區(qū)時(shí),經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)瞬斷的情況，此時(shí)MS自身認(rèn)為連接已經(jīng)中斷，需要重新接入。本文通過在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)保存MS的接入信息,即AGW在設(shè)定時(shí)間內(nèi)不中斷MS 的三層連接，此時(shí)若MS申請(qǐng)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(duì)保持MS 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的連接性有相當(dāng)大的益處。
3.3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    各功能實(shí)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(rèn)證策略的協(xié)商、注冊(cè)IP存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通道、業(yè)務(wù)流及網(wǎng)絡(luò)信息記錄；與BS進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)終端的預(yù)附著、附著和輔助認(rèn)證。整個(gè)階段MS_STATE時(shí)刻記錄終端的狀態(tài)信息。
    本地通信和網(wǎng)絡(luò)通信可創(chuàng)建以下套接口：
    (1) 網(wǎng)絡(luò)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(qǐng)入網(wǎng)時(shí)，MS_STATE進(jìn)行時(shí)限判斷，把與終端對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)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(duì)終端短時(shí)間的異常退網(wǎng)提出了一種保持接入的實(shí)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(shí)的時(shí)延。
參考文獻(xiàn)
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