移动管理
移动管理(Mobility Management)
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什么是移动管理[1]
移动管理是指在移动网络中针对用户移动所涉及的管理问题，是移动网络支持用户移动性的关键技术，是支持用户移动的网络不同于固定网络的一个重要方面。
移动管理的内容[1]
移动管理的核心包括位置管理和切换管理这两个相互联系的部分，还涉及一些其他方面的内容。位置管理和切换管理是相辅相成、互相影响的，甚至在某些阶段有一定的重叠，不能进行严格的区分。
1．位置管理
位置管理(location management)为移动过程中的节点提供寻址能力，使得网络能够确定移动终端的当前位置从而实现呼叫或数据的递交。位置管理的目的是使网络定位和跟踪可能随时移动的终端的当前位置，然后将数据或呼叫准确地递交至目的移动终端。位置管理通常包括位置注册和数据递交两个子过程。
2．切换管理
切换管理(handoff management)是在终端移动过程中所涉及的管理，是终端移动时仍能够保持业务连续性的一种能力。切换管理使得移动终端在改变位置的过程中，仍能保持正在进行的业务，使当前业务连接在不同的接入域间进行切换，从而实现用户数据的连续性。切换管理分为初始化、重建连接和数据流控制等三个子过程。初始化指移动终端或网络代理通过检测网络的状态，如信号强度、信号质量、带宽资源等，确定并启动切换过程；重建连接指网络为新连接分配资源，建立连接并更新相应的路由信息；数据流控制指把尚未发出的数据通过新连接直接发送到移动终端的新位置，把已经发到旧位置的数据通过缓存转发到新位置或者丢弃。
切换管理中的关键问题包括如何减少信令流量、优化连接，如何有效分配资源、进行移动预测等。切换管理往往采用跨层的模式，利用链路层的信息如信号强度等，来减小建立新连接的时延。切换管理对资源管理等具有较大的依赖性，切换管理算法往往与链路层技术密切关联。
移动管理的目的[1]
移动管理的目的主要有两个：
(1)使网络能够记录用户位置，从而正确转发针对用户的数据或呼叫，同时使用户在进入新的位置区域时能够保持连接。
(2)使用户在移动过程中能够保持业务的连续性。
移动管理的分类[1]
移动管理是移动网络中管理控制的一个核心问题。根据移动管理解决方案所属层次的不同，可以分为链路层移动管理、网络层移动管理、传输层移动管理和应用层移动管理。针对不同层次的移动管理，分别有多种移动管理策略被提出，包括链路层移动策略、网络层移动策略MIPv4、会话层移动策略、传输层移动策略TCP-Migratec、应用层移动策略SIP等。
1．链路层移动管理
在链路层移动管理方案中，移动节点在新的链路使用新的IP地址，这样就必须中断传输层的通信连接，使得链路层移动管理对TCP、UDP不透明。
链路层移动管理能够使得移动节点在一个路由区域内改变接入位置而无需改变IP地址，实现通信连接的不中断；在跨路由区域的范围内移动时，需要额外的代理网关支持，并通过无线链路传递无线信令消息，链路层移动管理是与特殊的无线技术紧耦合的。
2．传榆层移动管理
在传输层移动管理方案中，一个TCP通信端可以挂起一个打开的连接并使用另一个IP地址重新激活它，TCP连接的这种重激活方式使得应用层能够继续使用原来建立的连接，且只有通信的端点参与移动管理的过程。
为实现可靠数据传输，传输层移动管理可以在需要的时候请求重传数据，从而使在移动过程中丢失的数据包得到恢复，实现零丢包的移动切换。
传输层连接在改变接入位置后重新激活，对于应用层来说这个过程是透明的。因为不需要第三方实体的支持，传输层移动管理简化了信任关系，仅仅需要移动主机和通信对端之间存在信任关系即可。
3．应用层移动管理
SIP称为会话初始化协议，是IETF于1999年提出的一个在IP网络中实现会话的一种信令协议，已被3GPP2用作互联网会话管理的基础协议。
可以基于SIP协议在应用层实现移动管理，在基于SIP的移动管理中使用了SIP代理和SIP重定向服务器。基于SIP的移动管理过程延迟较大并且会产生较多的丢包。SIP不支持TCP连接，基于SIP的移动管理方案对TCP不透明。
4．网络层移动管理
网络层移动管理技术也称为移动IP技术，其通过IP-in-IP的隧道方式将发往移动节点家乡网络的数据包转发到移动节点的当前位置。移动IP技术向上层应用屏蔽了地址改变的相关信息，可以实现上层通信连接的持续性。
5．移动管理方案的比较及结论
不同层次的移动管理方案各有优劣。
链路层移动管理协议与无线接入技术的紧耦合特性限制了其可使用范围。
传输层移动管理不能适用于非TCP的协议。
应用层移动管理对上层协议不透明，且有较大的延迟和开销。
移动IP技术因为其与下层协议无关、对上层协议透明的特性成为应用范围最广、应用效果最好的移动管理解决方案。移动IP技术在网络层解决移动问题，独立于各种无线接入技术及具体业务，具有良好的可扩展性，是支持用户移动的有效解决方案。
当前移动通信网正在向着支持IP、综合业务、分组交换的方向发展，同时互联网正在向着支持无线宽带接入、支持高速移动的方向发展，这两者相互影响。移动通信网和互联网各自提供了移动管理解决方案，它们之间的差别在于：移动通信网的信令有专门的传输网络和空中信道，信令传输与业务传输相互独立；在以TCP／IP为基础的互联网中，控制信令和业务数据都由IP承载。第三代移动通信网已决定将其核心网络从基于7号信令系统的电路交换环境向基于IP的分组交换网络发展演化，并且明确规定第三代移动通信网络必须支持移动IP。
移动管理分布式部署[2]
分层的蜂窝网络是移动性管理可以部署在集中式结构中。与此同时，移动用户数据量迅速增长，服务或网络提供商需要选择性地降低在不同接入网之间切换时产生的数据流量。
大部分已有的移动IP解决方案源自于移动因特网协议（Mobile Internet Protocol，MIP）标准，适合IPv6的是MIPv6。一个给定的移动锚点维护移动节点（Mobile Node，MN）的绑定，如MIP中的家乡代理HA或者代理移动IPv6（Proxy Internet Protocol version 6，PMIPv6）中的本地移动锚点(Local Mobility Anchor,LMA)。数据报封装后在MN和接入路由（Access Router，AR）之间交换（PMIP中则在的MAG和LMA之间）。这些方法已经在集中式结构中实施，中心网络实体就是移动锚点（HA或LMA），以下统称为MA。
这些移动管理的集中式实施方案可将数据报路由到MN所在位置和在MN切换过程中保持IP会话的持续性。但由于中心网络实体处理能力有限，集中式方案具有的一定的性能问题和扩展局限性，这需要昂贵的费用去扩大的网络规模和工程，将成为移动用户规模扩展的瓶颈。
与集中式方法不同，在网络层级结构分散移动管理功能更适合扁平化的网络结构。这种使移动管理功能更接近各移动用户的方案，成为分布式移动管理。移动管理功能的分布可在不同层进行，也可以将部分功能进行分布也可以全部功能分布。分布式移动管理结构可以避免不必要的长路径路由、能容纳更多的移动终端、更利于动态移动管理（即当使用者需要服务支持时才提供相关的移动服务）。动态移动管理可以避免资源浪费、减少信令超载和网络费用。
1．集中式移动管理方案介绍与局限
1.1 MIPv6
MIPv6是一种需要移动节点MN参与移动管理的移动网路协议，使用该协议的节点无论是否发生移动都能通过IPv6地址被访问。MIP与它众多的改进版本都将会话标识分离成两部分：家乡地址（HoA）和路由地址（CoA）。移动节点MN从家乡网络获得一个HoA作为会话标识，从接入的拜访网络获得一个CoA作为路由的实际地址。当MN接入一个新的IP网络，其路由地址CoA将会改变。MIP允许MN通过路由经过家乡网络的移动锚点来保持会话标识，使正在进行的会话避开路由地址的改变。
1.2 PMIPv6
为了减轻移动节点的工作量，IETF的NETLMM工作组(Network—based Localized Mobility Management Work Group）提出了一种基于网络管理的区域性移动方案：PMIPv6，该方案通过引进新的功能实体，代替移动节点进行移动管理。在PMIPv6中，通行对端节点（Correspondent Node ,CN）和MN只需要具备普通IP协议栈，都使用HoA进行通信。在MIP中MN需要具备的移动管理功能移植到一个称为移动接入网关(MobileAccess Gatway ,MAG)的网络实体上。MN通过MAG连接到拜访网络，MAG提供代理CoA使MN继续使用原有的HoA与CN通信。CN仅知道MN的HoA因此它发送给MN的数据报将先路由到MA。MAG和MA管理HoA和CoA的绑定关系、执行封装和解封装，建立隧道转发MN和CN的通信数据。在MA和MAG之间，数据报以代理CoA作为外层封装地址在隧道中路由，内层数据报的目的地址仍是HoA但是在隧道中不可见。
1.3 集中式移动管理的局限性
1）路由路径长
通过集中的锚点进行路由通常会导致路由路径过长。如当MN和CN彼此距离相近但属于两个不同的相距较远的两个家乡移动锚点时，发往MN的数据报需要经由家乡移动锚点进行路由，这样的路由路径较长。即是可以优化路由路径使MN和CN直接通信，但是在初始通信建立时和MN每移动到一个新的拜访网络，首发数据包始终要经由家乡移动锚点。当用户在移动过程中使用如视频播放等占据较大网络流量的应用时，长路径的转包会造成通信的不流畅，且容易导致网络阻塞。服务提供商需要将这些内容资源以缓存等方式，放置在更靠近用户接入网络的位置以减少中心网络流量。分布式移动管理可以实现将资源部署在更靠近用户接入网络的位置。
2）不适合网络长远发展
集中式移动管理最近已经部署以支持已有的层次移动数据网络。这有利于层次结构体系。但大量的无线数据流量以指数速度增长，整个层次结构体系需要昂贵的升级费用。可以预言，数据流量的增长将很快使集中资料的移动锚点节点如MIP中的HA、PMIP中的LMA、3GPP EPS中的P-GW超载。
为了解决这个问题，移动网络的改进版本趋向于分散部署网络实体功能，使之更靠近接入网络。移动网络已得到多种改进以适应从层次结构到扁平结构的演进。如3GPP标准中，GRPS网络拥有GGSN–SGSN–RNC–NB (Node B)的多层结构. 在3GPP EPS网络中，网络层次结构已减少为P-GW–S-GW–eNB (Evolved NB)。在一些部署方案中，P-GW和S-GW整合在一起以减少层次结构。以减少网络中物理网络元素的方式减少层次数，可以使系统更简洁和保持低开销。由于移动网络越来越趋于扁平化，集中式移动性管理已成为非最佳方式。
3）集中式路由和移动上下文保存的低扩展性
当切换发生时，需要建立特殊的路由保证会话的持续性。CN发出的数据报在MIP中需要通过HA和FA之间建立的隧道传输、在PMIP中则通过LMA和MAG之间的隧道。但是，这些在隧道两端的网络功能实体依然需要为非移动性的节点的普通数据报实现普通路由。这些普通的数据报需要被根据路由表直接路由，而不通过隧道方式。因此，网络需要辨认需要隧道路由的数据报和普通的数据报。其中需要经过隧道路由的数据报属于移动节点，网络需要用一个合适的IP报头封装原数据报。因此网络需要保持和管理每个MN的移动信息的上下文，这些上下文能标明MN的移动状态和让网络从普通的数据报中区分出需要通过隧道路由的移动性数据报。
为每个MN建立这样的路由和保持移动信息上下文使集中式的设计在扩大MN数量规模时存在很大的难度。将路由保存功能和移动信息上下文保持功能在不同网络上分散部署具有更强的可扩展性。
4）多种扩展的MIP致使部署过程复杂化
以集中式方式主要部署在层次移动网络上的MIP已有大量的改进和扩展版本，其中包括PMIP、FMIP、PFMIP、HMIP、DSMIP，或许陆续还有更多版本的出现。这些版本在提出之后的若干年内发现有新的不同需求。部署因此变得很复杂，特别是不同部署方案之间的互操作性问题。
当MIP的改编版提出为了适应扁平化的网络而用分布式方式部署，这要求对不同的网络和策略和不同的MIP扩展版本进行全盘的考虑，最终可以根据使不同的方案启用或者关闭某个版本功能，并让此更容易理解。移动性管理必须的一个特点是可以在层次结构和扁平结构的网络上运行，因此移动性管理协议需要足够灵活地支持不同的网络。此外，动态性移动管理的一个目标是可选择性的开启或者关闭移动性支持和不同的移动信令。在设计的时候应兼容这一目标来整合不同的移动方案，将各种移动方案作为可选择的项。另外一些对于基本协议的扩展应在整合时考虑到。
5）点对点通信的移动信令超载
在点对点通信过程中，终端使用者通过直接以对端地址作为目的地址发送数据报来通信。但是对端都需要事前在网络上通过相关信令获得对方IP地址，为此有多种解决方案。MIPv6路由优化模式提供了一种比双向隧道模式更有效的数据交换方式，除非MN不愿意想CN公开自己的拓扑位置（如CoA）或一些网络自身有限制，路由优化方式将会被使用。但是在MIPv6的路由优化模式中，需要交换大量的信令消息以建立和定期更新MN和CN之间的双向安全联盟。当通信对端都是移动节点时，移动信令消息总量会增加。
6）单点故障和攻击
集中式移动锚点较脆弱，容易发送单点故障和单点攻击。这需要通过冗余和备份功能来解决。另一方面，分布式移动管理结构可以在通过在本地小范围的网络上部署，根本上缓和这个安全问题。
2．分布式移动管理方案
在网络层级结构分散移动管理功能更适合扁平化的网络结构。移动管理功能的分布可以将控制信息平面和数据信息平面都分散布置也可以部分功能进行分布。可在不同层进行：中心层、接入路由层、接入层和主机层，如图3所示。下面将介绍如何在不同层次进行分布式部署。
2.1 在移动中心网络层分布部署
将移动锚点HA/MA分散布置，MN和移动数据流量可以分散管理，即图4所示的中心层面分布方式。如果每个移动锚点负责管理特殊的地理域，当MN穿过这些与边界时，更改当前接入的移动锚点，切换过程必须将MN绑定信息恰当地传输到新的移动锚点上。当不同的移动锚点管理不同的IP地址块，发往MN或者由MN发出的数据报必须在切换后保证正确达到性。
2.2 在接入路由器层分布部署
在AR层分布移动功能有多种不同的可能性，图5所示。移动锚点MA可以作为最靠近MN的路由，即AR。这将使与其他节点和网络互通的移动接入网络形成只有ARs一层的扁平化移动结构。也可以拥有一个MA和多个ARs，这就形成一个次扁平化的在ARs上还有MA层的结构。
2.3 在接入网络分布部署
信息文本的位置将分散布置和更靠近用户：构建在靠近主干网络的CDN，开始将缓存技术分散布置在靠近接入网络的位置，使用户更有效地利用网络资源。WiFi作为一种无线接入方法越来越流行，其接入点AP开始在越来越多的住宅区和公共地区安装。同样，蜂窝系统中的微小区、毫微小区因更有效的范围利用和数据流量的卸载获得越来越多的关注，如3GPP LIPA和SIPTO[46]。基于接入网络层的分布图6。
接入网络的数量比HA的数量要大的多，这导致更频繁的切换将会发生。因此，扩展性和信令过载是主要的设计问题，需要仔细考虑。
2.4 在主机层完成分布部署
若采用一旦发现响应节点则对端节点之间直接通信的点对点方法，则可以在主机层进行分布布置，如图7所示。为了发现节点，网络需要如DNS的信息服务器，这些服务器可以集中布置也可以分散布置。虽然MIPv6不是点对点通信协议，但它的路由优化机制可以作为主机到主机直接通信的一种情况。