专利名称：一种演进分组系统中PMIPv6的实现方法
技术领域：
本发明属于移动互联网技术扩展领域，特别涉及一种演进分组系统中PMIPve的实现方法。
背景技术：
移动互联网的兴起使得移动用户对通信网络的带宽需求变得比以前任何时候都迫切。3GPP在启动LTE计划以制定支持更高速率的无线接入网络，并随后成立了系统构架演进(SAE)项目以对现有的网络构架进行重新设计。项目的最终成果是推出了演进分组系统(EPS)。EPS是一个开放的系统，其核心网关和移动性管理实体能够支持其他各种非3GPP接入网络。EPS采用了包括双栈移动IPv6、移动IPv4以及代理移动IPv6 (PMIPv6)在内的网络层移动性管理协议来支持终端在不同网络中的移动性。许多标准化组织以及研究人员都在对PMIPv6进行研究，其中主要的标准化组织包括IETF、3GPP以及3GPP2等。本发明通过对IETF所定义的PMIPv6标准进行深入研究，并参考了 EPS中对标准PMIPv6做的扩展，在移动IPv6开源软件UMIP (USAG1-patched MobileIPv6 for Linux)的基础上，开发了 PMIPv6协议。所开发的协议支持PMIPv6信令流程及路由机制，支持部分3GPP扩展。
发明内容
本发明的目的是提出一种演进分组系统中PMIPv6的实现方法，其特征在于，包括:第一部分为EPS中通过对IETF所定义的PMIPv6标准进行深入研究，对PMIPv6的网络层移动性管理协议的研究；第二部分为基本的PMIPv6协议的实现；I) EPS与PMIPv6的关键技术EPS由演进分组核心(EPC)网络和各种无线接入网络两大部分构成，其中演进分组核心网络提供通向包括互联网在内的外部数据网络和运营商业务(MS网络)的通道，负责执行鉴权功能，密钥协商，追踪节能模式的非激活终端的移动情况，并且支持多种不同接入技术之间的移动切换。无线接入网络负责包括传送数据在内的所有激活终端与无线相关的功能；EPS中基于主机的网络层移动性管理协议，3GPP在EPC网络中采用了 IETF定义的两种类型的网络层移动性管理协议:基于主机的移动性管理协议和基于网络的代理移动IPv6协议，其中，主机的移动性管理协议为X2栈移动IPv6和移动IPv4 ;使得终端能够在不同接入技术间移动的同时保持业务的连续性；2) PMIPv6协议的设计和实现是基于UMIP (mipv6-daemon-umip-0.4)软件实现的，(I) UMIP的实现机制分析UMIP主要分为移动节点(MN)，家乡代理(HA)和通信对端(CN)三个部分，通过读取配置文件或者输入不同参数来加载不同部分的代码，实现不同功能，MIPv6中主要的数据结构绑定更新列表(BUL)与绑定缓存(BCE)通过哈希的方式进行存放与读取；(2) PMIPv6的模块设计由于PMIPv6是基于网络的移动性管理协议，对丽不需要进行任何修改，PMIPv6中MAG的实现虽然重用了一些MN中的模块，如BUL的数据结构，移动头部的处理，但是大部分都作了修改和扩充；舍弃丽和CN的功能；而对于LMA的实现，重用了 HA的一些功能，并依据RFC5213对HA做了相应改动和扩展。所述主机的移动性管理协议I)移动 IPv4(MIPv4)移动IPv4协议是IETF制定的移动性标准，可以让移动节点在现有的网络架构下随时地连接上网络并且可以实现在不同子网中漫游。移动IPv4协议不需要更改现有的网络协议，可以使节点使用同一个IP地址连接在任何子网上，在移动过程中保持现有通信；2)移动 IPv6移动IPv6中的移动节点、家乡代理、家乡地址和转交地址的概念与移动IPv4相同或类似，不过，移动IPv6又吸收了许多IPv6的优点，对移动IPv4做了许多改进，提高路由优化功能和动态家乡代理发现的能力，提供了管理IPv6网络移动性的功能，因此移动IPv6协议比移动IPv4协议具有更多优势:a)移动IPv6协议为每个移动节点分配了全球的IP地址，无论它们在何处连接到互联网上，为移动节点服务的链路要预留足够多的IP地址来给移动节点分配一套(至少一个)转交地址，在IPv4地址短缺的情况下，要预留足够多的全球IPv4地址是不太可能的；b)使用IPv6的任播地址使得某个节点能够发送数据包给有该任播地址的几个系统中的某一个，移动IPv6协议有效利用这一原理实现动态家乡代理发现机制，通过发送绑定更新给家乡代理的任播地址来从几个家乡代理中获得最合适一个的响应，IPv4无法提供类似的方法；c)使用无状态地址自动配置和邻居发现机制之后，移动IPv6协议既不需要DHCP也不需要外区链路上的外区代理来配置移动节点的转交地址；d)移动IPv6协议可以为所有安全的要求使用IPSec，如授权、数据完整性保护和重发保护；e)为了避免由于三角路由造成的带宽的浪费，移动IPv6协议指定了路由优化的机制，路由优化是移动IPv4的一个附加功能，却是移动IPv6协议的完整组成部分之一；f)在互联网中有个别路由器会对他们转发的数据包实行入口过滤，他们检查该源地址来的数据包是否应该送到接收该数据包的接口处，移动IPv6协议能够与这种入口过滤方式毫无问题地并存，一个在外区链路上的移动节点使用其转交地址作为数据包的源地址，并将其家乡地址包含在其家乡地址目标选项中，由于在外区链路中转交地址是一个有效地址，所以数据包将顺利通过入口过滤。本发明的有益效果是在对演进分组系统(EPS)进行了广泛调研的基础上，得出PMIPv6在EPS下更具有优势的结论，在此研究的基础上，深入研究了 PMIPv6的关键技术，并基于开源软件UMIP实现了 PMIPv6协议，实现的PMIPv6基本符合IETF RFC5213标准，并支持部分3GPP扩展。
图1是非漫游情况下EPS网络架构图；图2是移动IPv4图；图3是移动IPv6的工作过程图；图4是PMIPv6的基本网络结构图；图5是移动节点附着及去附着时的信令流程图；图6是PMIPv6的模块设计图；图7是收到PBU时LMA的处理流程具体实施例方式本发明提出一种演进分组系统中PMIPv6的实现方法，包括:第一部分为EPS中通过对IETF所定义的PMIPv6标准进行深入研究，对PMIPv6的网络层移动性管理协议的研究；第二部分为基本的PMIPv6协议的实现；下面结合附图予以说明。1、EPS与PMIPv6的关键技术(I) EPS 构架图1给出了非漫游情况下的EPS架构，图中，EPS由演进分组核心但(EPC)网络和各种无线接入网络两大部分构成。其中演进分组核心网络提供通向外部数据网络(如互联网等)和运营商业务(IMS网络)的通道，负责执行鉴权功能，密钥协商，追踪非激活终端(例如节能模式的终端)的移动情况，并且支持多种不同接入技术之间的移动切换。无线接入网络负责所有激活终端(例如传送数据的终端)与无线相关的功能。终端直接接入无线网络的接入点，然后通过核心网获得相应的服务，EPS架构中演进分组核心(EPC)网相关的几个主要功能实体:移动性管理实体(MME)、服务网关(S-GW)、分组数据网网关(PDN GW)、接入网关(A-GW)、演进分组数据网关(ePDG)。(2) EPS中基于主机的网络层移动性管理协议为了使得终端能够在不同接入技术问移动的同时保持业务的连续性，3GPP在演进分组核心(EPC)网络中采用了 IETF定义的两种类型的网络层移动性管理协议:基于主机的移动性管理协议(X2栈移动IPv6、移动IPv4)和基于网络的移动性协议(代理移动IPv6)。I)移动 IPv4 (MIPv4)图2所示为移动IPv4的架构和工作过程图，移动IPv4协议是IETF制定的移动性标准，可以让移动节点在现有的网络架构下随时地连接上网络并且可以实现在不同子网中漫游。移动IPv4协议不需要更改现有的网络协议，可以使节点使用同一个IP地址连接在任何子网上，在移动过程中保持现有通信。2)移动 IPv6(MIPv6)图3所示为移动IPv6的工作过程图；移动IPv6(MIPv6)中的许多概念与移动IPv4相同或类似，如移动节点、家乡代理、家乡地址和转交地址等。不过，移动IPv6又吸收了许多IPv6的优点，对移动IPv4做了许多改进，例如路由优化功能和动态家乡代理发现的能力，提供了管理IPv6网络移动性的功能。移动IPv6协议比移动IPv4协议具有更多优势:
a)移动IPv6协议为每个移动节点分配了全球的IP地址，无论它们在何处连接到互联网上，为移动节点服务的链路要预留足够多的IP地址来给移动节点分配一套(至少一个)转交地址，在IPv4地址短缺的情况下，要预留足够多的全球IPv4地址是不太可能的；b)使用IPv6的任播地址使得某个节点能够发送数据包给有该任播地址的几个系统中的某一个，移动IPv6协议有效利用这一原理实现动态家乡代理发现机制，通过发送绑定更新给家乡代理的任播地址来从几个家乡代理中获得最合适一个的响应，IPv4无法提供类似的方法；c)使用无状态地址自动配置和邻居发现机制之后，移动IPv6协议既不需要DHCP也不需要外区链路上的外区代理来配置移动节点的转交地址；d)移动IPv6协议可以为所有安全的要求使用IPSec，如授权、数据完整性保护和重发保护；e)为了避免由于三角路由造成的带宽的浪费，移动IPv6协议指定了路由优化的机制，路由优化是移动IPv4的一个附加功能，却是移动IPv6协议的完整组成部分之一；f)在互联网中有个别路由器会对他们转发的数据包实行入口过滤，他们检查该源地址来的数据包是否应该送到接收该数据包的接口处，移动IPv6协议能够与这种入口过滤方式毫无问题地并存，一个在外区链路上的移动节点使用其转交地址作为数据包的源地址，并将其家乡地址包含在其家乡地址目标选项中，由于在外区链路中转交地址是一个有效地址，所以数据包将顺利通过入口过滤。(3) EPS中基于主机的网络层移动性管理协议EPS还采用了一种基于网络的网络层移动性管理协议:代理移动IPv6 (PMIPV6)。PMIPv6不需要终端进行任何改变，其目标是当移动节点在多个接入路由器间移动时，IP地址不会发生改变，即移动节点本身并不知道其位置发生了改变，从而在网络层隐藏了移动性。图4是PMIPv6定义的基本网络结构。一个PMIPv6域中主要包括两种新的功能实体:本地移动锚点(LMA)和移动接入网关(MAG)。PMIPv6的信令过程主要包括移动节点附着、切换以及去附着。给出附着及去附着信令流程，如图5所示。当移动节点(MN)附着到MAGl时(初始附着或切换)，将会发送路由请求消息给MAGI。MAGl为MN创建一个相应的绑定更新列表(BUL)，同时为了让相应LMA更新或者创建此移动节点的位置信息，MAGI将发送一个代理绑定更新(PBU)消息给此移动节点的LMA。LMA收到这个消息后，将负责为移动节点分配家乡网络前缀，并回送代理绑定应答(PBA)消息。同时LMA更新移动节点的绑定缓存(BCE)或者为此移动节点创建一个BCE并建立一个与MAG之间的双向隧道。MAGl收到PBA之后同样会建立和LMA之间的双向隧道。至此，MAGl获得了足够的信息来模拟移动节点的家乡链路，以让移动节点察觉不到自己的移动性。最后MAGl发送一个路由通告给移动节点，移动节点收到此路由通告后将利用其中的地址前缀配置IPv6地址，从而完成PMIPv6信令的附着过程。当丽从MAGl移动到MAG2时，MAG2将同样检测到丽的附着，从而重复上述的附着过程。而MAGI将检测到丽的去附着后，进行去附着流程:MAGI发送生存时间为O的PBU给LMA，表明此消息为解注册消息，LMA收到解注册消息后将删除相关隧道、路由等信息，并回送PBA给MAGl。
与移动口相比，PMIPv6具有占用空口资源少，终端不用做任何修改，切换时延及丢包率都比较小等优点，可以预计，未来EPS中将主要采用PMIPv6作为其网络层移动性管理协议。2、PMIPv6协议的设计和实现基于mipv6-daemon-umip-0.4(UMIP)软件实现了 PMIPv6协议。本章首先介绍了UMIP的实现机制，然后给出了代理移动IPv6的模块设计，最后详细介绍了 PMIPv6的主要数据结构、信令过程以及各模块的具体实现。(I) UMIP的实现机制分析UMIP主要分为三个部分:移动节点(MN)，家乡代理(HA)，通信对端(CN)，通过读取配置文件或者输入不同参数来加载不同部分的代码，实现不同功能。MIPv6中主要的数据结构绑定更新列表(BUL)与绑定缓存(BCE)通过哈希的方式进行存放与读取。(2 ) PMIPv6的模块设计由于PMIPv6是基于网络的移动性管理协议，对丽不需要进行任何修改，故UMIP中丽和CN的功能对PMIPv6的实现没有太大的参考价值。PMIPv6中MAG的实现虽然重用了一些MN中的模块，如BUL的数据结构，移动头部的处理。但是大部分都作了修改和扩充。由于PMIPv6不支持动态主机地址发现以及路由优化，所以MN，CN中的这些功能将被舍弃。而对于LMA的实现，重用了 HA的一些功能，并依据RFC5213对HA做了相应改动和扩展，本文实现的功能实体及模块如图6所示。设计的模块进行介绍:I) ICMP6监听处理线程:此模块为一个独立的线程，主要用于通过对ICMPv6消息如路由请求(RS)的监听来检测节点附着，帮助MAG实现移动节点的家乡网络模拟功能。2)移动节点检测模块:主要负责移动节点的移动性检测,包括移动节点附着检测以及去附着检测。这个模块由ICMP6处理线程触发。3)移动节点认证模块:当移动节点检测模块检测到移动节点附着后，将告知移动节点认证模块，对移动节点进行认证，此模块基于本地策略文件。4)绑定消息监听线程及处理模块:MAG和LMA都启动这个单独的线程，线程中开启一个移动头部套接字，监听绑定消息。对收到的消息利用回调机制，不同类型的消息调用相应函数进行处理，触发消息处理模块。MAG中此模块包括代理绑定更新(PBU)的构建发送、代理绑定更新应答(PBA)的处理、绑定更新列表(BUL)的维护等。LMA中此模块包括代理绑定更新(PBU)的处理、代理绑定应答(PBA)的构建发送、绑定缓存条目(BCE)的维护等。此模块在处理过程中将调用其它如隧道管理模块，路由管理模块来进行用户数据面的设置，同时与任务队列线程进行交互，从而对超时任务进行相应处理。5)任务队列线程:对于有超时要求的任务如(PBU)的发送，BUL的维护，都保存在一个任务队列中，任务队列线程专门负责维护这个队列，当有任务超时时，则调用相应的超时处理函数。6)隧道管理模块:隧道管理模块负责MAG与LMA间双向隧道的管理，包括双向隧道的建立，隧道的维护(统计隧道用户数，当用户数为O时，删除隧道)。7)路由管理模块:路由管理模块主要包括路由的创建删除，路由规则的修改，从而使得MAG下移动节点的数据都能经过相应的隧道，而发往此移动节点的数据也都能被其LMA所截获，通过隧道最终送达移动节点。(3)PMIPv6 的实现从两个方面来论述PMIPv6的具体实现:I)以PMIPv6协议中的功能实体为基础，分别讲述MAG和LMA的重要数据结构及软件处理流程。MAG中主要包括三种事件下的处理流程，这三个事件分别为MAG检测到终端附着、检测到终端去附着以及MAG收到PBA。MAG检测到丽的附着后，将获得的丽ID并对丽进行认证，若此丽被允许享受PMIPv6服务，则进行PBU的触发。MAG收到PBA后，将对LMA进行认证授权，然后提取消息的移动头部，并检查其中的移动选项。当状态域选项的值为128 (请求被接受)并且其他都正常时，MAG利用家乡网络地址前缀选项中的IPv6地址前缀构造路由通告消息，发送给相应MN。MAG中检测到移动节点离开后的处理流程及实现，MAG检测到移动节点的离开后，将触发解注册过程。MAG通过移动节点标识和APN来确认此MN之前是否已经附着，如果是，则构建生存时间为O的PBU发往LMA进行解注册。LMA中主要的数据结构为绑定缓存(BCE)，此结构是在MIPv6的BCE的基础上扩展而来，主要的内容是记录移动节点及其所附着的MAG的相关信息。2) LMA的处理流程LMA的处理流程只包括对PBU事件进行处理这一种情况:LMA收到PBU后，首先将对MAG进行认证，然后处理PBU消息头部并检查移动选项，如果一切正常的话，LMA将在BCE中为此移动节点创建或更新相应数据并与创建IP隧道与路由，最后发送代理绑定确认(PBA)。图7是收到PBU时LMA的处理流程图；处理流程具体描述如下:I) MAG认证:通过收到的PBU消息得到MAG地址，将此MAG地址与LMA中的授权MAG地址列表匹配，通过匹配结果来进行认证。方法与上述的LMA认证相似。2)PBA消息的处理:LMA通过监听的原始套接字得到MAG发送的PBU后，提取出移动头部并对相应移动选项进行检查。如果有错误，则给状态移动选项赋上相应的错误码。3)对BCE的操作:收到的PBU有可能是解注册消息，因此必须检查生存时间来判定，以采取相应动作。当生存时问为O时，说明此消息为解注册消息，应该在BCE中查找相应信息进行删除，而当生存时间不为O时，则此消息为绑定注册消息，则在BCE中建立相应信息条目。4)隧道及路由管理:当PBU消息为绑定注册时，则创建相应隧道和路由。而当PBU消息为解注册消息时，则删除相应隧道和路由。5)构建并发送PBA消息:PBA消息的移动报头和PBU的一样。其中移动选项和PBU消息中的移动选项一样，其定义可参见PBU中移动选项的定义。当PBA构造好之后，通过原始套接字发送给MAG。
权利要求
1.一种演进分组系统中PMIPV6的实现方法，其特征在于，包括:第一部分为EPS中通过对IETF所定义的PMIPv6标准进行深入研究，对PMIPv6的网络层移动性管理协议的研究；第二部分为基本的PMIPv6协议的实现； 1)EPS与PMIPv6的关键技术 EPS由演进分组核心EPC网络和各种无线接入网络两大部分构成，其中演进分组核心网络提供通向包括互联网在内的外部数据网络和运营商业务MS网络的通道，负责执行鉴权功能，密钥协商，追踪节能模式的非激活终端的移动情况，并且支持多种不同接入技术之间的移动切换。无线接入网络负责包括传送数据在内的所有激活终端与无线相关的功能； EPS中基于主机的网络层移动性管理协议，3GPP在EPC网络中采用了 IETF定义的两种类型的网络层移动性管理协议:基于主机的移动性管理协议和基于网络的代理移动IPv6协议，其中，主机的移动性管理协议为X2栈移动IPv6和移动IPv4 ;使得终端能够在不同接入技术间移动的同时保持业务的连续性； 2)PMIPv6协议的设计和实现是基于UMIP (mipv6-daemon-umip-0.4)软件实现的， (1)UMIP的实现机制分析 UMIP主要分为移动节点MN，家乡代理HA和通信对端CN三个部分，通过读取配置文件或者输入不同参数来加载不同部分的代码，实现不同功能，MIPv6中主要的数据结构绑定更新列表BUL与绑定缓存BCE通过哈希的方式进行存放与读取； (2)PMIPv6的模块设计 由于PMIPv6是基于网络的移动性管理协议，对MN不需要进行任何修改，PMIPv6中MAG的实现虽然重用了一些MN中的模块，如BUL的数据结构，移动头部的处理，但是大部分都作了修改和扩充；舍弃丽和CN的功能；而对于LMA的实现，重用了 HA的一些功能，并依据RFC5213对HA做了相应改动和扩展。
2.根据权利要求1所述一种演进分组系统中PMIPv6的实现方法，其特征在于，所述主机的移动性管理协议 1)移动IPv4 移动IPv4协议是IETF制定的移动性标准，可以让移动节点在现有的网络架构下随时地连接上网络并且可以实现在不同子网中漫游，移动IPv4协议不需要更改现有的网络协议，可以使节点使用同一个IP地址连接在任何子网上，在移动过程中保持现有通信； 2)移动IPv6 移动IPv6中的移动节点、家乡代理、家乡地址和转交地址的概念与移动IPv4相同或类似，不过，移动IPv6又吸收了许多IPv6的优点，对移动IPv4做了许多改进，提高路由优化功能和动态家乡代理发现的能力，提供了管理IPv6网络移动性的功能，因此移动IPv6协议比移动IPv4协议具有更多优势: a)移动IPv6协议为每个移动节点分配了全球的IP地址，无论它们在何处连接到互联网上，为移动节点服务的链路要预留足够多的IP地址来给移动节点分配一套(至少一个)转交地址，在IPv4地址短缺的情况下，要预留足够多的全球IPv4地址是不太可能的； b)使用IPv6的任播地址使得某个节点能够发送数据包给有该任播地址的几个系统中的某一个，移动IPv6协议有效利用这一原理实现动态家乡代理发现机制，通过发送绑定更新给家乡代理的任播地址来从几个家乡代理中获得最合适一个的响应，IPv4无法提供类似的方法； c)使用无状态地址自动配置和邻居发现机制之后，移动IPv6协议既不需要DHCP也不需要外区链路上的外区代理来配置移动节点的转交地址； d)移动IPv6协议可以为所有安全的要求使用IPSec，如授权、数据完整性保护和重发保护； e)为了避免由于三角路由造成的带宽的浪费，移动IPv6协议指定了路由优化的机制，路由优化是移动IPv4的一个附加功能，却是移动IPv6协议的完整组成部分之一； f)在互联网中有个别路由器会对他们转发的数据包实行入口过滤，他们检查该源地址来的数据包是否应该送到接收该数据包的接口处，移动IPv6协议能够与这种入口过滤方式毫无问题地并存，一个在外区链路上的移动节点使用其转交地址作为数据包的源地址，并将其家乡地址包含在其家乡地址目标选项中，由于在外区链路中转交地址是一个有效地址，所以数据包将顺利通过入口过滤。
全文摘要
本发明公开了属于移动互联网技术扩展领域的一种演进分组系统中PMIPv6的实现方法。包括第一部分为EPS中通过对IETF所定义的PMIPv6标准进行深入研究，对PMIPv6的网络层移动性管理协议的研究；第二部分为基于开源软件UMIP实现了PMIPv6协议；在对PMIPv6进行实现的过程中，首先结合PMIPv6 标准和UMIP的现有模块，重新设计了PMIPv6的软件模块。然后完成了PMIPv6中重要数据结构的定义，设计了PMIPv6两个功能实体MAG 和LMA的事件处理流程。最后实现各个功能模块；使PMIPv6基本符合IETF RFC5213标准，并支持部分3GPP扩展。
文档编号H04L29/12GK103152440SQ20131003687
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月30日 优先权日2013年1月30日
发明者程远, 冯刚, 常宁 申请人:北京天地互连信息技术有限公司