专利名称：移动终端的切换网络的控制方法、移动终端和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及网络通信系统，特别涉及多网卡的移动终端的切换网络的控制方法、移动终端和网络通信系统。
背景技术：
随着多种无线访问技术例如GSM、CDMA2000、802.11(WiFi)、802.15(Bluetooth、UWB)、802.16(WiMax)等技术的发展，及WiFi，UWB等免费频谱无线访问技术的应用，使得用户提对连接互联网的方式有了多种选择。用户希望有一种多网络接口的移动终端。这种移动终端能够根据探测到的网络环境，自动切换到更好的网络，且这种切换不会干扰正在执行的应用程序。同时网络运营商也在寻找一种多网络集成的解决方案，去满足这种市场需求。
目前，已经有一些在不中断应用程序的前提下实现网络切换的解决方案被提出。一般的说，这些解决方案包括2部分网络侧和终端侧。网络侧需要标识移动终端在网络中的位置，如移动IP方案1US PatentApplication US2004/0077341 A1，“Multi-interface mobilityclient”和虚拟IP/实际IP转换方案2US Patent Application20050013280，“Method and system for mobility acrossheterogeneous address spaces”，并为路由器提供到移动终端的路径信息。在终端侧需要(1)根据探测到的环境选择最合适的网络；(2)表明移动终端当前所处的网络以及将要切换的网络；(3)把包传输到被选择的网络；(4)为了保持应用程序的连续性，为应用程序提供一种网络没有变化的假相。
然而，早期的工作并没有对切换性能给予足够的重视。其中，切换性能包括切换数据包丢失、数据包切换延迟和切换可靠性。切换数据包丢失指在切换过程中，与移动终端始终停留在一个网络中相比，包丢失的数量。数据包切换延迟指切换过程中对数据包产生的额外延迟。切换可靠性指当移动终端移动到一个没法授权该节点访问的网络或没法与移动终端的家乡网络建立移动性协议的网络时，移动终端保持数据包传输的能力。
切换数据包丢失和切换延迟是由移动探测、认证、IP地址分配和网络位置更新等操作中的同步性问题产生的。在切换过程中，路由器不能精确的知道移动终端何时连接到新的网络，何时断开旧的网络；同样，移动终端也不能精确的知道路由器何时会把包切换到新的网络。因此，当移动终端断开旧的网络但还没在新网络中更新位置信息时，网络路由器会把下行数据包发到已经过时的网络中。同样，新网络的防火墙和网关在MN还没有被新网络授权访问以前会丢弃或缓存从MN发来的上行数据包。
为了解决网络切换过程中存在的上述问题，现有的移动IP方案通过虚拟IP和实际IP间的转换来实现网络的路由，通过使用在网络层和链路层之间的中间层驱动程序，网络层使用一个唯一的虚拟IP地址，链路层使用其他的实际IP地址，来标识移动终端在网络中的位置。当移动终端从第一个子网切换到第二个子网时，第二个子网将配置移动终端的实际IP地址，但自动节点的虚拟IP地址仍然保持不变。因此，移动终端的网络层将不会被网络间的切换影响。
然而，现有的移动IP方案不能完全的满足用户对性能的要求。首先，当移动终端从第一个子网向第二个子网切换时，核心网并不知道移动终端的位置，直到移动终端完成对第二个子网的认证并在核心网和第二个子网中更新自己的位置信息。因此，由于移动终端需要时间去向第二个子网注册并更新位置信息，数据将会丢失，数据传输将会延迟。其次，以前的解决方案不能够判断新出现的子网是否符合切换的要求。到移动终端发现一个具有更好无线信号的子网时，移动终端并不知道该子网是否与家乡网络建立支持移动性的协议。如果移动终端贸然的切换到没有支持移动性的协议的子网中，数据传输将会中断。
具体来说，在专利1中的切换流程会造成数据包丢失，会有切换延迟，且不能提供可靠的切换。专利1不能够主动的在核心网络和新选中的接入网络中更新移动终端的位置信息。因此，在移动终端还没来得及在新选中的接入网络以及核心网络中更新自己的位置信息以前，数据将丢失。同样道理，仅仅在移动终端和新选中的网络接口间建立连接，不能给移动终端提供足够的信息去保证新选中的网络能够支持移动性。
发明内容
本发明的目的是提出了一种用于在不同网络间进行切换的多网卡移动终端及其切换方法，来消除多网卡移动终端在不同网络间切换时产生的数据包丢失和切换延迟的问题。
本发明的多网卡移动终端包括一个切换控制器、移动IP(MobileIP)协议栈、TCP/UDP协议栈、IP协议栈和一个由包分类器及包调度器构成的切换驱动、以及一组网卡(包括但不限于802.3、802.11、802.15、802.16、无线调制解调器)。在从当前网络到目标网络的无缝切换的过程中，包分类器将把上行包流量中区分为用于标识移动终端在网络中位置的网络层消息、用于控制无线信道访问的MAC层消息、数据包。包调度器将发送/接收这些切换相关的消息发到与目标网络相连的网卡，但把数据包保留在当前网络中。仅当切换相关的消息成功以后，包调度器把包括数据和消息在内的所有的数据包发送到目标网络。本本发明的切换流程消除了在目标网络中由移动探测、认证、新IP地址配置和位置更新组成的临界切换延迟。因此，在本发明的多网卡移动终端里，移动终端在子网间的切换不会产生丢包现象以及数据包传输的切换延迟。此外，该切换流程能够防止移动终端意外切换到不可用的子网时中断数据包的传输。
本专利的移动终端的装置和对应的方法，在把数据切换到目标网络以前，更新在目标网络以及核心网络中的路由配置。本发明利用时间同步方法去达到上述目标。
本发明具有的效果是1)移动终端在向目标网络的切换过程不会影响到数据传输的性能；2)即使向目标网络的切换出现意外，在当前网络的数据传输也不会受到影响。3)提供了一种有QoS保障的切换的框架。
本发明利用多接口的移动终端实现基于移动IP的在多个子网间切换的装置及方法。该终端包括一系列的包括对应设备驱动程序在内网络接口、一个网络层、一个能与各个网络接口通行的多接口驱动程序该多接口驱动程序能够把网络层与自动的通信从第一个网络接口切换到第二个网络接口，并对网络层隐藏切换过程。
图1是本发明的移动通信系统的结构图。
图2是本发明的移动终端的功能模块图。
图3是使用移动IPv4为例展示无缝切换过程的消息顺序图。
图4是网络切换时移动终端的状态转移图。
图5是移动终端的硬件配置图。
图6是移动终端启动的流程图。
图7是移动终端进行网络切换的流程图。
图8是家乡代理处理移动终端切换的流程图具体实施方式
本发明的利用多网络接口移动终端实现异构网络间切换的方法。与图1是本发明的移动通信系统的结构图。如图1所示，系统包括移动终端100、外地网络30和40、家乡网络20，和通信对端50。外地网络30、40、家乡网络20和通信对端50连接在互联网10上。
移动终端可以是任意类型的移动无线设备。例如，移动终端可以是蜂窝电话、个人数字助理、或者是膝上电脑。
外地网络30、40可以是无线蜂窝通信网络或者是无线局域网。外地网络可以包括多个用来和移动终端通信的接入点32或42、外地代理服务器31、41、和外地AAA服务器33、43，用于进行认证、鉴权和计费的服务。
家乡网络20包括家乡代理服务器21、家乡AAA服务器22、连接家乡代理服务器20和家乡AAA服务器21的路由器11。
移动终端100可以连接到任意外地网络。例如，移动终端100可以通过接入点32连接到外地网络30，或通过接入点42连接到外地网络40。
图2示例了移动终端100的功能模块图。这里的移动终端可以是上述提到的任意类型的移动无线设备。
移动终端100具有切换单元120，用户利用切换单元120选择他喜欢的一个网络，或者根据测量结果自动切换到选择的网络。
移动终端还包括根据IETF标准来实现的所述协议栈包括负责更新移动终端位置的移动IP模块130，和负责数据传输的TCP/UDP模块140和及负责IP层数据处理的IP模块150。
此外，移动终端还包括进行网络切换的切换控制单元160。在切换控制单元160中，包括包分类器161、包调度器162。包分类器161把和切换相关的信令从所有上行数据中分离出来。即把所有包区分为支持应用程序的服务的数据；管理在移动终端和访问节点间链路状态的链路层(L2)消息；表示移动终端在网络中位置的网络层(L3)消息；包调度器162把包发送到所选择的网络接口。在切换过程中，包分类器161把和切换相关的信令识别出来，并丢弃从当前使用网络接口上接收到的信令，以保持协议的一致性；包调度器162把和切换相关的信令转交到目标网络接口，但是仍然把余下的包数据转交到当前使用的网络接口。
网络接口170具有各种网卡，例如802.3(Ethernet)网卡171，802.11(WiFi，WLAN)网卡172，802.15(Bluetooth，UWB)网卡173，802.16(WiMax)网卡174、CDMA调制解调器175、GSM调制解调器176(在图2中用cellular表示)等，但不限于这些网卡。
图3使用移动IPv4为例，显示了本发明的从当前外地网络30的外地代理服务器1(FA1)31移动到目标网络40的外地代理服务器2(FA2)41无缝切换过程的消息顺序图。为了表达清晰，我们把所有包流量分别表示在消息时序图301、下行数据图302和上行数据图303上。消息时序图301描述了无缝切换过程中的消息顺序。下行数据图302表示了从通信对端50发到移动终端100的下行数据311的路由。上行数据图303表示了从移动终端100发到通信对端50的上行数据312的路由。切换过程在这三个子图里通过时间戳t0，t1，t2，t3，t4，t5同步。
在t0以前，移动终端100连接到当前使用的外地网络30上。此时，包调度器161把从IP层收到的所有包发送到与外地网络30相连的网卡上。上行的数据包312从移动终端100发到外地代理服务器31，然后通过在外地代理服务器31和家乡代理服务器21间建立的IPinIP隧道传送到家乡代理服务器21，最终到达通信对端50。而从通信对端50产生的下行数据包311，首先发送给家乡代理服务器21，然后通过外地代理服务器31和家乡代理服务器21间的IPinIP隧道发送给外地代理服务器31，最后在由外地代理服务器31转交给移动终端100。
在t0时刻，当切换单元120触发切换开始信号319，把连接从当前使用的网络30切换到目标网络40，切换控制单元160中的包分类器161和包调度器162开始工作。在t0和t1之间的时间中，包分类器161识别出发给目标网络40的认证消息315，认证消息由网卡发出。包调度器162把认证消息315分发给目标网络40，但保持上行数据包312和下行数据包311在当前网络30中。
如果收到表示移动终端100被授权使用目标网络40的认证消息Auth.OK 316，则状态t1启动；否则，切换控制单元160将返回到t0以前的状态。因此，对目标网络40的认证失败不会影响到在当前外地网络30运行的应用程序110。此外，上述认证是指链路层的认证。
从t1开始，移动终端100的移动IPv4协议栈130产生一个RRQ-2(注册请求Registration Request)消息317，发给切换控制单元160。该注册请求包括请求在家乡代理服务器的路由表中更新关于移动终端100位置及对网络层的认证识别。包分类器161把RRQ-2 317从上行包流量312中识别出来。包调度器162把RRQ-2 317发给与目标网络40相连的网卡1701，把上行数据包312发给与当前使用的网络30相连的网卡1702。外地代理服务器41把RRQ-2 317转发给家乡代理服务器21。
在t3时刻，如果家乡代理服务器21接受了RRQ-2 317，家乡代理服务器21的路由表中关于移动终端100位置的信息将从外地代理服务器31更新到外地代理41；并且家乡代理服务器21通过外地代理41将RRP-2(注册回复Registration RePly)消息318答复给移动终端100。在家乡代理服务器21上的路由表更新为，将发给移动终端100的下行数据包311的路由从通过外地代理服务器31改为通过外地代理服务器41。
在t4时刻，当移动终端100的移动IP模块130所具有的移动IP协议栈收到RRP-2 318，移动终端100知道移动IP对目标网络40注册成功。此时，移动IP模块130向切换控制单元160通知接受切换事件320。当切换控制单元160收到接受切换事件320后，包调度器162把所有的包切换到与目标网络40相连的网卡1702上。
在t5时刻，无缝切换的流程完成。
为了保证移动终端100的移动IP协议栈的状态一致性，在时刻t1到t5的时间段中，包分类器161丢弃从当前使用网络30收到的移动IP消息。但是，所有的数据包都被接受，无论是从当前网络30收到的还是目标网络40收到的。
从外地网络40到外地网络30的无缝切换流程与图3所示的流程相似。
以上以移动IPv4为例说明了网络切换的流程，但本发明对于移动Ipv6及其它的通信协议也同样适用。例如，在移动Ipv6的情况下，只是RRQ和RRP进行了相应的替换。
图4是切换控制单元160从与第一个网络相连的网卡NIC1 1702(网络接口卡Network Interface Card)切换到与第二个网络相连的网卡NIC2 1701的状态转移图。在移动终端100的模块图中，NIC11702与第一个网络的外地代理服务器31相连，NIC2 1701与第二个网络的外地代理服务器41相连。
初始化401状态是无缝切换状态机的启动状态。在该状态下，切换控制单元160不执行任何特殊的功能。包调度器162像切换驱动没有被安装时那样控制着包的传输路径。
在FA1域402状态，移动终端100完全工作在当前网络30中，没有对目标网络40有任何依赖。包括数据和切换相关消息在内的所有的上行包发送给NIC1 1702。所有的下行数据从NIC1 1702和NIC2 1701同时接收，并提交给IP层150。
在FA2域404状态，移动终端100完全工作在目标网络40中，没有对当前网络30有任何依赖。包括数据和切换相关消息在内的所有的上行包发送给NIC2 1701。所有的下行数据从NIC1 1702和NIC2 1701同时接收，并提交给IP层150。
从FA1向FA2注册403状态是移动终端100由FA1域402状态向FA2域404状态转换的一个过渡状态。包分类器161把包分为数据包和切换相关的消息包两部份。上行的数据包312被发给NIC1 1702；下行的数据包311由NIC1 1702和NIC2 1701接收并提交给IP层150。但是，切换相关的消息包发给NIC2 1701，去建立在外地代理服务器41和家乡代理服务器21之间的新的IPinIP隧道。
从FA2向FA1注册405状态是移动终端100由FA2域404状态向FA1域402状态转换的一个过渡状态。包分类器161把包分为数据包和切换相关的消息包两部份。上行的数据包312被发给NIC2 1701；下行的数据包311由NIC1 1702和NIC2 1701接收并提交给IP层150。但是，切换相关的消息包发给NIC1 1702，去建立在外地代理服务器31和家乡代理服务器21之间的新的IPinIP隧道。
图5描述了本发明的多网络接口移动终端100的硬件结构。该终端包括处理器500、存储设备510、内存芯片520、显示设备530、用户接口540、至少属于一组网卡170中一个的网卡。这些网卡包括但不限于802.3网卡171、802.11网卡172、802.15网卡173、802.16网卡174、CDMA调制解调器175、GSM调制解调器176。这些网络接口170拥有独立的天线562、563、564、565、566，或共用一个天线。
图6表示本发明的移动终端启动过程的流程图。当一个多网络接口的移动终端100启动时601，它首先探测周围可用的接入网络602。如果周围有可用的接入网络603，移动终端100将根据预定的切换策略610连接最合适的网络604，并向该网络注册路由605。该预定的切换策略例如可以是最佳的通信质量、或最便宜的通信费等。如果移动终端100成功地在选中的接入网络中注册路由606，则启动过程完成609，数据传输开始，控制流进入图7的700操作。如果移动终端100在操作603中没有探测到可用的接入网络，它将自检网络服务是否被用户关闭607如果是，移动终端将关闭611；如果否，移动终端将休息一段时间以后608重新探测可用网络602。
图7表示本发明的无缝切换的流程图。当移动终端100完成操作609以后，它就准备好了所希望的无缝切换700。首先，移动终端100等待一段时间701去避免过于频繁的操作；然后检查网络服务是否被用户关闭702如果是，移动终端100将结束运行715；如果否，移动终端将检查自己的切换模式703。如果是自动切换模式，移动终端将探测周围可用的网络704，并根据定义好的切换策略610决定是否发现了一个更合适的网络705。如果没有更合适的网络出现，移动终端将回到701等待下一次探测循环；否则移动终端将开始向新选中的接入网络的可靠无缝切换706。如果在703时是手动切换模式，移动终端100将检查用户是否选择了一个不同的接入网络714如果否，移动终端将回到701；如果是，移动终端将开始向选中的网络进行可靠无缝切换706。
当移动终端100开始向选中的网络进行无缝切换706时，其触发图3中的切换开始信号319。首先，移动终端把所有的数据保持在当前使用的网络中707，然后尝试着去连接选中的目标网络708。如果移动终端没有成功的连接目标网络709，由于认证、计费和QoS可用性等问题，它将回到701。如果移动终端成功的连接目标网络709，它将向目标网络发送一个网络层的消息去在目标网络和核心网络中，把自己的位置从旧的接入网络更新到目标网络710。
如果移动终端成功的更新自己的位置711，它将接受由706产生的切换到目标网络的请求712，并产生图3中的接受切换事件320。如果移动终端没有成功地更新到目标网络中的位置710，它将回到701并等待下一次循环。
当切换请求被接受712，移动终端将把所有的上行数据从旧的网络接口切换到与新网络相连的网络接口713，然后等待由804发出的位置更新完成消息716。当716完成后，移动终端断掉与旧网络的连接717，并返回701。由于网络传输的顺序性，收到从804发出的位置更新完成消息就意味着移动终端已经有足够时间去接受所有发往旧网络的下行数据，此时再断掉与旧网络的连接不会造成丢失数据。
根据图7的可靠无缝切换的流程图，因为由操作708-713的协商产生的延迟不会影响到移动终端100的数据传输，切换性能被极大的改善。此外，在操作708-713中产生的任何异常也不能干扰移动终端100的数据传输。
图8是家乡代理服务器21在移动终端切换时的流程图。当家乡代理服务器21开始运行800以后，它将等待移动终端100发来的位置更新请求801；如果它接受移动终端的位置更新请求802，家乡代理将把发给移动终端的下行数据311从旧的网络切换到新的网络803，然后通过旧的网络向移动终端发一个确认位置更新请求被接受的消息804，并返回801等待新的位置更新请求。如果家乡代理不接受移动终端的位置更新请求802，它将返回801。
权利要求
1.一种移动网络中的移动终端，包括多个网络接口，与多个不同的网络连接；切换单元，对上述多个网络接口进行切换，以选择与不同的网络进行通信连接；切换控制单元，当切换网络时，把所有发往网络的包分为数据包和与切换相关的消息包，向当前使用的网络即当前网络发送所述数据包，并向作为将要连接的网络即目标网络发送与切换相关的消息包，在收到允许切换网络的消息后，把上述所有发往网络的包发给目标网络，然后断开与当前网络的连接。
2.根据权利要求1所述的移动终端，其特征在于，所述移动终端是蜂窝电话、个人数字助理或膝上电脑。
3.根据权利要求1所述的移动终端，其特征在于，所述向目标网络发送与切换相关的消息包的过程包括，所述切换控制单元经由目标网络向家乡代理服务器发出认证请求，在得到认证后，发出包括移动终端注册消息的链路层消息和移动终端位置更新请求的网络层消息的注册请求。
4.根据权利要求1所述的移动终端，其特征在于，所述收到允许切换网络的消息是收到家乡代理服务器的注册回复消息。
5.如权利要求1所述的移动终端设备，其特征在于，所述移动终端是基于IP网络的移动终端。
6.如权利要求1所述的移动终端，其特征在于，还包括协议栈，所述协议栈包括负责更新移动终端位置的移动IP模块、TCP/UDP模块和IP模块。
7.如权利要求1至6的任一项所述的移动终端，还包括，所述切换控制单元包括包分类器和包调度器；所述包分类器把所有发往上述网络的包分为数据包和与切换相关的消息包，所述包调度器把数据包和与切换相关的消息包分发到指定的网络接口。
8.如权利要求7所述的移动终端，其特征在于，在上述网络切换过程中，包分类器把下行数据中和切换相关的消息识别出来，并丢弃从当前使用网络接口上接收到的信令，来保持协议的一致性。
9.如权利要求5所述的移动终端，其特征在于，所述IP网络是基于IPV4协议的IP网络。
10.如权利要求5所述的移动终端，其特征在于，所述IP网络是基于IPV6协议的IP网络。
11.一种移动终端的网络切换的控制方法，所述移动终端包括多个网络接口，与多个不同的网络连接；切换单元，对上述多个网络接口进行切换，以选择与不同的网络进行通信连接；切换控制单元，控制网络的切换，所述控制方法包括所述切换单元切换网络接口，从当前网络切换到目标网络；当切换网络时，所述切换控制单元把所有发往网络的包分为数据包和与切换相关的消息包，向当前使用的网络即当前网络发送所述数据包，并向作为将要连接的网络即目标网络发送与切换相关的消息包，在收到允许切换网络的消息后，把上述所有发往网络的包发给目标网络，然后断开与当前网络的连接。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述向目标网络发送与切换相关的消息包包括，所述切换控制单元经由目标网络向家乡代理服务器发出认证请求，在得到认证后，发出包括移动终端注册消息的链路层消息和移动终端位置更新请求的网络层消息的注册请求。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述收到允许切换网络的消息是收到家乡代理服务器的注册回复消息。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述移动终端是基于IP网络的移动终端。
15.如权利要求11所述的移动终端，其特征在于，在上述网络切换过程中，把下行数据中和切换相关的消息识别出来，并丢弃从当前使用网络接口上接收到的信令，来保持协议的一致性。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述IP网络是基于IPV4协议的IP网络。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述IP网络是基于IPV6协议的IP网络。
18.一种移动网络通信系统，包括移动终端、多个外地网络、家乡网络、因特网、，所述移动终端经由所述外地网络、因特网与对端网络通信，所述家乡网络与所述因特网连接，所述外地网络包括外地代理服务器、外地AAA服务器，所述家乡网络包括家乡代理服务器、家乡AAA服务器，其特征在于，移动终端，包括多个网络接口，与多个不同的网络连接；切换单元，对上述多个网络接口进行切换，以选择与不同的网络进行通信连接；切换控制单元，当切换网络时，把所有发往网络的包分为数据包和与切换相关的消息包，向当前使用的外地网络即当前网络发送所述数据包，并向作为将要连接的外地网络即目标网络发送与切换相关的消息包，在从所述家乡代理服务器收到允许切换网络的消息后，把上述所有发往网络的包发给目标网络，然后断开与当前网络的连接。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述向目标网络发送与切换相关的消息包的过程包括，所述切换控制单元经由目标网络向所述家乡代理服务器发出认证请求，在得到认证后，所述切换控制单元向所述家乡AAA服务器发出包括移动终端位置更新请求的网络层消息的注册请求，所述家乡代理服务器中有关移动终端的位置信息被更新。
20.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述收到允许切换网络的消息是收到所述家乡代理服务器的注册回复消息。
全文摘要
本发明提出了一种用于在不同网络间进行切换的多网卡移动终端及其切换方法，消除多网卡移动终端在不同网络间切换时产生的数据包丢失和切换延迟的问题。包括多个网络接口，与多个不同的网络连接；切换单元，对多个网络接口进行切换，以选择与不同的网络进行通信连接；切换控制单元，当切换网络时，把所有发往网络的包分为数据包和与切换相关的消息包，向当前网络发送所述数据包，并向作为将要连接的网络发送与切换相关的消息包，在收到允许切换网络的消息后，把上述所有发往网络的包发给目标网络，然后断开与当前网络的连接。
文档编号H04W36/14GK101080089SQ20061008992
公开日2007年11月28日 申请日期2006年5月26日 优先权日2006年5月26日
发明者矢野正, 陈量, 黄振安, 杨鹏, 邓辉 申请人:株式会社日立制作所