摘要：

文章比較了移動IP協(xié)議和GTP協(xié)議，分析了從GTP向移動IP演進的3個階段，并討論了家區(qū)代理、移動IP的安全及移動IP協(xié)議對非移動IP終端的支持等相關技術問題。

關鍵詞：

移動IP；GPRS隧道協(xié)議；分組路由；通用移動通信系統(tǒng)；通用分組無線業(yè)務

ABSTRACT:

The differences between the mobile IP and GTP are summarized， and three stages in the evolution of GTP to mobile IP are analyzed. Technical problems related to home agent， security of mobile IP， and support of mobile IP to immobile IP terminals are also discussed.

KEY WORDS:

Mobile IP; GTP; Packet routing; UMTS; GPRS

通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)網絡是通用分組無線業(yè)務(GPRS)網絡的升級，其核心網由GPRS核心網演進而來。UMTS第1階段的實現主要參照UMTS 99版本。在投入運營初期，核心網和GPRS核心網差別不是很大。在UMTS第2階段，核心網發(fā)生革命性更替，將對GPRS的核心網進行較大革新，實現全IP核心網。

分組路由功能為分組數據在無線分組數據網(如GPRS、UMTS)的無線接入網、核心網和骨干網中傳送提供有效的選路機制。目前，GPRS核心網和骨干網中的分組路由功能是通過GPRS隧道協(xié)議(GTP)實現的。UMTS的目標是建立與Internet能實現無縫連接的全IP核心網，必然要求整個核心網中實現移動IP，其分組路由功能完全遵循移動IP的規(guī)定。為了維持商用網絡的正常運行，由“GTP移動性”向“移動IP移動性”的演進將是一個平滑過渡過程。

1 GPRS分組路由功能

目前，2.5代蜂窩無線網(即GPRS網)及第3代UMTS的核心網的分組路由協(xié)議(即GTP)是一種專用的無線IP(可移動性管理和分組路由)。GTP的選路機制類似于移動IP，是一種基于IP的選路機制。固定IP網絡的選路機制是采用IP選路協(xié)議和移動IP協(xié)議。無線蜂窩網核心網通過外部接口與固定IP網絡互連。網關節(jié)點及外部接口協(xié)調兩種選路機制，將兩種選路機制的網絡結合在一起形成無線Internet。

GPRS的核心網采用IP協(xié)議來傳輸分組數據，但GPRS的核心網和外部Internet是獨立的，它只是GPRS網絡中的內部網，不能直接和外部Internet互通，其分組路由功能是通過GTP協(xié)議實現。GTP協(xié)議是GPRS網絡的專用分組路由管理和傳輸協(xié)議，它可以在GPRS網絡內部支持分組數據終端的移動性。GTP協(xié)議在GPRS網絡內部實現了與移動IP類似的功能。GTP協(xié)議中，網關GPRS支持節(jié)點(GGSN)起著類似移動IP協(xié)議中家區(qū)代理(HA)的功能，網關GPRS服務節(jié)點(SGSN)起著類似外地代理(FA)的功能。

當一次數據通信由網絡側發(fā)起時，只能選擇移動終端(MT)家區(qū)網絡的GGSN。當一次數據通信由移動終端發(fā)起時，如果MT使用靜態(tài)PDP(分組數據協(xié)議，如IP或X.25)地址和動態(tài)HPLMN(家區(qū)公眾陸地移動網)PDP地址，只能選擇MT家區(qū)網絡的GGSN；當MT使用動態(tài)VPLMN(訪問區(qū)公眾陸地移動網)PDP地址時，可用接入點名（APN）選擇家區(qū)GGSN或者訪問區(qū)GGSN。選擇訪問區(qū)GGSN可以在一定程度上實現路由優(yōu)化。在一次分組數據通信過程中，在分組數據協(xié)議(PDP)上下文被激活后，GGSN一旦選定就不再變換，除非PDP上下文被去激活。

發(fā)送數據時，數據分組必須從當前SGSN通過GTP隧道傳送到GGSN，再由GGSN轉發(fā)到目的終端(可以是外部網絡主機，也可以是GPRS網絡內部的其他MT)。接收數據時，外部數據網或者GPRS網絡內的其他MT發(fā)給MT的分組數據首先發(fā)送到GGSN，GGSN再通過GTP隧道轉發(fā)給當前SGSN，最后到達MT。

2 移動IP和GTP協(xié)議比較

2.1 分組傳輸的效率和路由的優(yōu)化

目前UMTS/GPRS核心網的無線IP選路機制通過GTP隧道協(xié)議實現，存在隧道技術三重封裝(IP/X.25 over GTP over TCP over IP)。開銷大、效率低的缺點明顯，這對第3代移動通信的移動多媒體通信服務質量(QoS)極為不利，也不便于移動終端在各種不同類型無線網絡和固定IP網絡之間的漫游。移動IP是TCP/IP協(xié)議族中的標準協(xié)議，和固定Internet網的IP協(xié)議完全兼容，除了HA及FA之間的隧道之外，IP分組的傳輸無需任何其他封裝。傳送IP數據分組時，移動IP的開銷很小，效率大大提高，有利于保障IP多媒體業(yè)務的QoS。GTP協(xié)議對分組路由的優(yōu)化是很有限的，只有當MT使用VPLMN動態(tài)PDP地址時才能對GGSN的選擇做一些優(yōu)化。無論收發(fā)數據，分組必須經過GGSN轉發(fā)，不能從SGSN直接通過最佳路由發(fā)送。在移動IP中，MT發(fā)送的分組一般都可以直接經FA沿最佳路由到達目的主機。

2.2 協(xié)議的應用范圍

GTP協(xié)議是GPRS網絡的專用協(xié)議，只支持終端在GPRS網絡內部的漫游，當終端離開GPRS網絡的覆蓋范圍或者進入另一個網絡(比如公司無線LAN)時，當前的TCP/IP會話必須中斷。GTP協(xié)議只是在數據鏈路層實現了終端的移動性，不提供網絡層的移動性。移動IP協(xié)議是Internet的通用協(xié)議，與接入網無關，可以使用戶在Internet的不同子網間漫游，能提供在固定網和移動網之間、公共網和專用網間、以及不同公共網絡之間的無縫漫游，例如從GPRS網絡移動到公司的無線LAN，不必中止當前的TCP/IP會話。移動IP協(xié)議在網絡層實現了終端的移動性，終端可在整個Internet漫游(只要訪問的網絡提供移動IP功能)。

2.3 協(xié)議的兼容性

GTP協(xié)議只支持數據鏈路層移動性，因此可以支持不同的上層網絡層協(xié)議(如IP、X.25)。移動IP支持IP網絡層移動性，不直接支持其他網絡層協(xié)議(如X.25)，但可以由數據鏈路層協(xié)議(即不同的子網絡)支持。根據RFC 1701和1702，可以通過通用路由封裝(GRE)協(xié)議封裝在移動IP隧道上支持其他網絡層協(xié)議。

2.4 對移動終端的要求

UMTS/GPRS網絡屬于傳統(tǒng)的電信網，對終端的智能要求很低，而對網絡的安全性和智能性要求很高。GTP協(xié)議的實現完全無需移動終端的參與，對移動終端透明。Internet是一個不安全的盡力而為型的計算機網絡，網絡基本上只負責數據分組的傳送，而IP層以上的協(xié)議實體一般只駐留在通信收發(fā)雙方，與網絡無關，因此對移動終端智能要求較高，移動IP協(xié)議的客戶端部分必須在終端上實現，此外保障端到端安全性要求的協(xié)議也要在終端上實現。

從以上幾方面比較來看，移動IP在傳輸效率、路由優(yōu)化、應用范圍和兼容性等各方面的性能都優(yōu)于GTP，只是對終端的要求高一些。要實現和Internet無縫連接的全IP核心網，必須在UMTS/GPRS網絡中實現移動IP。

3 從GTP到移動IP的演進

雖然移動IP相對于GTP協(xié)議有較大的優(yōu)勢，但在幾年前移動IP還不夠成熟和安全，對移動終端的要求比較高，因此目前的UMTS/GPRS核心網并未采用移動IP，而是采用傳統(tǒng)移動通信網絡為了支持IP分組所采用的無線IP技術，對應具體的協(xié)議就是UMTS/GPRS網絡專用的GTP協(xié)議。目前移動IP日趨成熟，而無線數據業(yè)務，尤其是IP業(yè)務增長迅速，在第3代移動通信網絡中實現移動IP的條件逐漸成熟，移動IP開始成為一個被關注的焦點。

在UMTS/GPRS核心網中完全由移動IP取代GTP涉及很多復雜的技術問題和不小的投資。3GPP制定了分3階段引入移動IP的步驟。實現移動IP的具體細節(jié)目前仍在討論之中，尤其是第2階段和第3階段，還有很多細節(jié)沒有定稿，這里討論的是主體框架。移動IP的實現仍需要UMTS/GPRS移動性管理和會話管理信令的支持，為了盡可能減少對UMTS/GPRS信令的修改，移動IP的信令和數據均在UMTS用戶面?zhèn)魉汀?/p>

3.1 核心網內的移動IP協(xié)議棧

在實現移動IP的第1、2階段，在核心網中只是部分地實現了移動IP協(xié)議，還需要GTP協(xié)議支持，移動IP協(xié)議疊加在GTP協(xié)議棧之上。在第3階段，即目標結構中，在核心網中完全實現了移動IP協(xié)議，分組路由完全遵循移動IP，核心網成為Internet的一部分，GTP基本上不被使用。

3.2 核心網節(jié)點和MT間的移動IP協(xié)議棧

目前移動IP在UMTS系統(tǒng)的無線接入網(UTRAN)中的實現還沒有明確的方案，只是規(guī)定移動IP信令全部在UMTS/GPRS網絡用戶面?zhèn)魉停脩魯祿膫鬏敱仨氁揽烤W絡的信令協(xié)議支持，特別是網絡的移動性管理(UMM)和會話管理(SM)信令。

UMTS系統(tǒng)的無線接入網UTRAN采用ATM作為傳輸網，數據分組通過GTP協(xié)議封裝在底層IP傳輸網中傳送，底層IP協(xié)議分組再通過AAL5封裝在ATM傳輸網中傳送。這一過程比較復雜，是和目前采用GTP協(xié)議的UMTS核心網相適配的，核心網采用移動IP協(xié)議后，無線接入網中的移動IP協(xié)議棧必將大大簡化。

3.3 第1階段：提供Mobile IP業(yè)務

這一階段已在UMTS Release 99中規(guī)定。在第1階段中，UMTS/GPRS網絡的分組路由功能仍由GTP實現，網絡變化不大，只是在GTP協(xié)議上疊加了移動 IP協(xié)議。這一階段中，核心網中至少有一個GGSN能實現FA功能，供移動終端進行移動 IP注冊。和GTP協(xié)議類似，在PDP上下文激活后，在GPRS網絡內部，終端不能切換GGSN/FA，不能實現移動IP規(guī)定的FA漫游功能，分組路由效率比較低。GGSN在Internet中實現FA功能，但在GTP協(xié)議的路由管理中，GGSN起的是類似HA的作用。雖然在第1階段，核心網中的分組路由功能基本沒有變化，但終端通過向FA進行Mobile IP注冊，可以在不同網絡之間漫游，為終端提供網絡層的移動性。第1階段，核心網中的Mobile IP業(yè)務是由GTP協(xié)議支持的。Mobile IP協(xié)議架構在GTP協(xié)議棧之上。

圖1是一個第1階段的典型網絡，核心網在GPRS PLMN內部及PLMN之間提供GPRS移動管理性（MM）漫游功能，在不同系統(tǒng)間提供Mobile IP MM漫游功能。

3.4 第2階段：過渡系統(tǒng)

一個MT可能會在一次很長的會話過程中進行幾次SGSN切換。離新SGSN最近的GGSN/FA和離舊SGSN最近的GGSN/FA不同時，如果切換GGSN/FA，分組路由將得到優(yōu)化。在第2階段，仍保留了UMTS/GPRS核心網，并在此基礎上進一步優(yōu)化，實現了移動IP協(xié)議規(guī)定的FA切換功能。當MT進行SGSN切換時，在UMTS/ GPRS網中可以進行基于移動IP的FA切換，更換附著的GGSN/FA，以優(yōu)化分組路由。當PLMN中有幾個GGSN/FA時，這種路由優(yōu)化能提高傳輸的效率。在GGSN/FA切換后，MT將得到一個新的FA轉交地址。對應GTP協(xié)議，相當于原來實現類似家區(qū)功能的GGSN被切換，此時對GTP協(xié)議進行了重大修改，以適應路由優(yōu)化的要求。在第2階段，分組路由功能是由移動IP和GTP協(xié)議共同實現的，當然移動IP協(xié)議只是被部分實現，GTP協(xié)議作了較大修改。第2階段，核心網中的移動IP業(yè)務也是由GTP協(xié)議支持的，協(xié)議棧結構和第1階段相同，只是GTP協(xié)議作了較大修改。

3.5 第3階段：實現核心網的目標結構

在第3階段，UMTS核心網的目標結構實現了完全的移動IP，核心網中的分組路由功能完全遵循移動IP。此時GPRS支持節(jié)點(GSN)不再有SGSN和GGSN之分，每一個GSN都被命名為IGSN(Internet GSN)，實現以前SGSN和GGSN實現的功能，并作為移動IP FA直接和Internet相連。GPRS核心網完全成為Internet的一部分，用戶在IGSN/FA之間的漫游遵循移動IP協(xié)議，分組路由的優(yōu)化也將完全遵循移動IP協(xié)議，解決了第1、第2階段GTP和移動IP并存時分組路由不夠優(yōu)化的問題，GTP協(xié)議不再被使用。

實現目標結構后，終端在IGSN間切換時，在用戶面，可以使用GTP協(xié)議在新舊IGSN間建立(為保證分組不丟失)臨時隧道；在信令面，可以使用GTP協(xié)議傳送PDP上下文等信令分組。GTP協(xié)議是否采用是可選的，因為信令傳輸和移動IP的隧道不是必須采用GTP協(xié)議作為底層協(xié)議。

第3階段，核心網成為Internet的一部分，移動IP直接架構在數據鏈路層協(xié)議之上。

一個第3階段的典型網絡如圖2所示，MT在GPRS核心網內以及在不同網絡之間的漫游全部通過移動IP實現。

4 由GTP平滑過渡到移動IP的技術問題

4.1 對非移動IP終端和傳統(tǒng)電信業(yè)務的支持

在UMTS/GPRS網絡中實現移動IP不能影響現在的電信業(yè)務，必須保持向下的兼容性。核心網升級后，在一段時間內還要維持對非移動IP終端的支持。移動IP中，MT上要實現移動IP協(xié)議客戶端部分，移動性管理信令需MT和家區(qū)網絡的互通，而在GPRS網絡中，GPRS終端只需和訪問區(qū)SGSN互通信令，與家區(qū)網絡互通由SGSN完成。為了向下兼容GPRS終端，一個解決辦法是IGSN代替MT注冊一個HA，執(zhí)行移動IP客戶端功能，使移動IP對終端透明。

4.2 家區(qū)代理

家區(qū)網絡是MT注冊其Mobile IP業(yè)務的網絡。家區(qū)網絡可以是一個PLMN，也可以是一個公司網絡、一個ISP等。MT的家區(qū)代理(HA)位于家區(qū)網絡。如果MT沒有向某一網絡注冊移動IP業(yè)務，UMTS網絡將自動將自己設為移動終端的家區(qū)網絡。

4.3 移動IP的安全問題

移動IPv4協(xié)議規(guī)定了HA和移動終端之間的注冊數據分組的認證過程。UMTS/GPRS網絡是一個安全性很高的網絡，FA及MT之間的分組是經過認證的(從整個Internet看，認證處于數據鏈路級)。FA一般是一個標準的中介路由器，路由器在Internet中無需被認證，所以協(xié)議沒有規(guī)定FA及HA或者FA及MT之間的分組認證。HA和FA之間傳送的信令信息非常重要，必須保證其安全性，目前相應協(xié)議還沒有確定，IPsec協(xié)議是重要的候選協(xié)議，將來HA和FA之間的安全協(xié)議可能采用IPsec協(xié)議的修訂版。

Internet是一個不安全的網絡，安全功能是在IP協(xié)議棧中的IP層以上實現的，一般需要終端用戶參與完成安全功能。UMTS/GPRS網絡的安全功能保護MT到IGSN的網絡，不能保證端到端的安全，MT上必須有相應的協(xié)議和應用程序滿足端到端的安全。目前一些IP層上可選的安全性協(xié)議包括IPsec、S/MIME等，當然協(xié)議的選用和具體外部環(huán)境及應用有關，不可能完全一樣。

5 結束語

移動IP協(xié)議是Internet的通用協(xié)議，使用移動IP作為蜂窩通信網核心網的分組路由協(xié)議，將大大提高分組傳輸的效率并優(yōu)化分組路由，而且移動IP獨立于底層接入網，用戶可以在Internet的不同子網間漫游。在UMTS核心網引入移動IP是蜂窩通信網的一次革命，第一次將蜂窩通信系統(tǒng)核心網完全融入Internet?！?/p>

參考文獻

1 3GPP . 3GPP TS 23.221 V5.1.0 . Architectural Requirements (Release 5)

2 3GPP . 3GPP TS23.121 V3.5.1. Architectural Requirements for Release 1999

3 3GPP . 3GPP TS 23.923 V3.3.0. Combined GSM and Mobile IP Mobility Handling in UMTS IP CN

(收稿日期：2002-03-12)

作者簡介

單方驥，生前為南京郵電學院通信工程系在讀碩士研究生。

何雪云，南京郵電學院通信工程系在讀碩士研究生。目前主要從事UMTS/GPRS、移動 IP、Bluetooth等方面的研究，研究方向為無線數據與移動計算網絡。

張力軍，南京郵電學院教授，博士生導師，無線數據與移動計算研究室主任，國家“863”項目“無線數據接入技術和設備”課題負責人。從事無線數據、無線IP接入、移動計算網絡、移動多媒體通信等方面的研究。