??? 摘 要: 以切換時延" title="時延">時延作為評估指標，對移動IP和UMTS GTP的性能進行比較。比較結果表明：采用代理移動IPv4可以獲得與UMTS GTP相當的切換性能；移動IPv6考慮路由優(yōu)化和安全選項" title="安全選項">安全選項時，MN將經歷難以忍受的切換時延。研究結論為移動IP在UMTS核心網" title="核心網">核心網中實現提供了理論依據。
??? 關鍵詞: 全IP? 移動IP? UMTS GTP? 切換? 時延

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??? 全IP移動通信網^[1]是Internet和移動通信技術迅速發(fā)展及結合的產物，體現了異構網絡集成和融合的思想。移動IP和UMTS GTP是兩種來自不同網絡環(huán)境的數據傳輸和控制協(xié)議，在全IP移動通信網絡中各自扮演著重要的角色。移動IP^[2]是由IETF（Internet Engineering Task Force）制訂的網絡層路由機制，主要目的是為Internet提供移動計算的功能，使主機在移動過程中保持通信的連續(xù)性，實現異種網絡間移動性管理的功能。GTP（GPRS Tunnel Protocol）^[3]是UMTS核心網中負責GSN（GPRS支持節(jié)點）之間分組路由管理和傳輸的專用協(xié)議，在UMTS網絡內部支持分組數據終端的移動性。當終端離開UMTS網絡時，GTP只能在數據鏈路層實現終端的移動性。UMTS的目標就是建立能與Internet實現無縫連接的全IP核心網，而移動IP被公認為解決異構網絡融合最具競爭力的技術方案，在整個UMTS核心網中實現移動IP是必然趨勢^[4]，因此有必要對移動IP的性能和業(yè)務支持能力進行分析，作為是否能在UMTS核心網中實現的理論依據。本文主要以切換時延作為評估指標，對移動IP和UMTS GTP的性能進行分析和比較。
1 移動IP切換性能分析
??? 移動IP是Internet上基于網絡層提供移動管理的解決方案，用于在網絡層支持終端移動性。在移動IPv4[5]基本機制中，移動節(jié)點(MN)擁有一個固定的IP地址，當它從本地網絡移動到外地網絡時，由外地代理（FA）臨時賦予轉交地址(COA)，MN將該COA注冊到位于歸屬網絡的家鄉(xiāng)歸屬代理1(HA)。當對端通信節(jié)點（CN）向它發(fā)送數據時，分組被HA截取、封裝并使用MN注冊的COA地址轉發(fā)分組到MN。MN發(fā)送的分組直接路由到CN。當MN位置移動，從一個子網移動到另外一個子網就產生了切換，整個過程包括鏈路層切換和網絡層切換，如圖1所示。

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??? 切換過程最基本的性能指標是切換延時，它反映了切換的快慢，其他性能指標，如切換時的分組丟失和切換時應用吞吐量的下降都與切換時延密切相關。本文主要以切換時延作為評估移動IP切換性能的指標。
??? 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

_{??????????????????????????????}

_{??????????????????????????????????}
??? 在移動IPv4切換過程中，MN的轉交地址就是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MN接收到路由通告消息后，便獲得子網的網絡前綴，從而配置轉交地址，此時轉交地址的配置時延可以忽略不計，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)點的基礎上，利用IPv6中增加的許多新特點而進行設計的。當MN移動到外地鏈路時，通過IPv6鄰居發(fā)現機制，以無狀態(tài)的地址自動配置方式獲得一個或多個轉交地址，轉交地址子網前綴是移動節(jié)點訪問的外地鏈路的子網前綴。移動節(jié)點在獲得轉交地址后，把地址注冊到家鄉(xiāng)代理上，并且由節(jié)點給通信對端發(fā)送綁定更新，使通信對端緩存移動節(jié)點當前使用的地址。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切換時延進行計算：
??? (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
????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??
????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MN收到AR的代理廣播消息后，進行IPv6地址自動配置獲取轉交地址的時延很短，可以忽略不計。當采用路由優(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在MN、CN、HA的處理時間。
2?UMTS GTP切換性能分析
??? 在UMTS核心網中，GTP（GPRS Tunnel Protocol）是負責GSN（GPRS支持節(jié)點，主要是指SGSN和GGSN）之間的數據傳輸和信令控制的專用協(xié)議，由處于兩個GSN中相互關聯(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、網絡請求的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的數據分組轉發(fā)給新SGSN(SGSNn)；SGSNn與GGSN建立聯(lián)系。當SGSNn收到MS的路由區(qū)更新請求后,根據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不再將用戶數據分組發(fā)送給MS,將原SGSN中保存的MS的MM上下文和與MS相關的所有激活態(tài)的PDP上下文發(fā)給新SGSN。新SGSN確認后,根據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的數據分組轉發(fā)給新SGSN。新原SGSN之間轉發(fā)完畢,新SGSN應向正在為MS服務的GGSN請求重新建立用戶隧道,傳送MS與外部數據網的用戶數據^[3]。

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??? 為了簡化計算過程，認為每條路徑與相反路徑的傳輸時延（T_t）相等，每個網絡節(jié)點處理時延（T_pro）相等。以下分兩種情況對GTP切換時延進行計算。
??? (1)SGSN擁有數據緩沖區(qū)時
??? T_GTP-handoff=T_t(MN-SGSNn)+5T_{t(SGSNo-SGSNn)}+6T_{pro??????????????????????} (5)
????(2)SGSN沒有數據緩沖區(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切換時延的比較結果如表1所示。在移動IP切換性能分析過程中，當MN的COA地址變化時，MN和HA之間的認證過程在性能比較過程被簡單忽略。

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??? 結合表中計算公式，以下分別對切換時延的各個部分進行分析。
??? (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MN移動到外地網絡中時，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交地址，因此轉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MS在兩個相鄰網絡中頻繁切換的時候，相鄰SGSN之間的切換傳輸時延T_{t(SGSNo-SGSNn)}被認為足夠小。在移動IP中，當MN位置移動出家鄉(xiāng)網絡時，時延T_t(MN-HA)可達1毫秒至數十毫秒。特別地，移動IPv6中為了數據包路由優(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）和轉交測試消息（CoT/CoTI）安全選項，這些信令消息的交互增加了傳輸時延Tt。
??? (4)節(jié)點處理時延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)化和安全選項之外，很少有節(jié)點涉及切換信令處理。
??? 通過對移動IP和UMTS GTP切換時延進行定量分析發(fā)現，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相當的切換性能。相比移動IPv4，移動IPv6功能逐步完善，協(xié)議復雜性隨之增加，特別是當移動IPv6考慮路由優(yōu)化和安全選項時，MN將經歷難以忍受的切換時延，大大降低了性能指標，難以滿足實時業(yè)務的需求，進一步研究切換優(yōu)化的技術措施十分必要。研究結果為移動IP在核心網中的實現提供了理論依據。
參考文獻
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