摘 要: 以切换时延" title="时延">时延作为评估指标，对移动IP和UMTS GTP的性能进行比较。比较结果表明：采用代理移动IPv4可以获得与UMTS GTP相当的切换性能；移动IPv6考虑路由优化和安全选项" title="安全选项">安全选项时，MN将经历难以忍受的切换时延。研究结论为移动IP在UMTS核心网" title="核心网">核心网中实现提供了理论依据。
    关键词: 全IP  移动IP  UMTS GTP  切换  时延

    全IP移动通信网^[1]是Internet和移动通信技术迅速发展及结合的产物，体现了异构网络集成和融合的思想。移动IP和UMTS GTP是两种来自不同网络环境的数据传输和控制协议，在全IP移动通信网络中各自扮演着重要的角色。移动IP^[2]是由IETF（Internet Engineering Task Force）制订的网络层路由机制，主要目的是为Internet提供移动计算的功能，使主机在移动过程中保持通信的连续性，实现异种网络间移动性管理的功能。GTP（GPRS Tunnel Protocol）^[3]是UMTS核心网中负责GSN（GPRS支持节点）之间分组路由管理和传输的专用协议，在UMTS网络内部支持分组数据终端的移动性。当终端离开UMTS网络时，GTP只能在数据链路层实现终端的移动性。UMTS的目标就是建立能与Internet实现无缝连接的全IP核心网，而移动IP被公认为解决异构网络融合最具竞争力的技术方案，在整个UMTS核心网中实现移动IP是必然趋势^[4]，因此有必要对移动IP的性能和业务支持能力进行分析，作为是否能在UMTS核心网中实现的理论依据。本文主要以切换时延作为评估指标，对移动IP和UMTS GTP的性能进行分析和比较。
1 移动IP切换性能分析
    移动IP是Internet上基于网络层提供移动管理的解决方案，用于在网络层支持终端移动性。在移动IPv4[5]基本机制中，移动节点(MN)拥有一个固定的IP地址，当它从本地网络移动到外地网络时，由外地代理（FA）临时赋予转交地址(COA)，MN将该COA注册到位于归属网络的家乡归属代理1(HA)。当对端通信节点（CN）向它发送数据时，分组被HA截取、封装并使用MN注册的COA地址转发分组到MN。MN发送的分组直接路由到CN。当MN位置移动，从一个子网移动到另外一个子网就产生了切换，整个过程包括链路层切换和网络层切换，如图1所示。

                       
    切换过程最基本的性能指标是切换延时，它反映了切换的快慢，其他性能指标，如切换时的分组丢失和切换时应用吞吐量的下降都与切换时延密切相关。本文主要以切换时延作为评估移动IP切换性能的指标。
    移动IP的切换时延主要包括以下几个部分：链路层切换时延（T_link）、等待路由通告(RA)时延（移动检测）（T_RA）、转交地址配置时延(T_COA)、传输时延" title="传输时延">传输时延（绑定" title="绑定">绑定更新时延）(T_t)和节点处理时延(T_pro)。
1.1 移动IPv4切换
    移动IPv4的切换过程如图2所示，切换时延的计算公式为：
    T_{MIPv4-handoff}=T_RA+T_COA+2T_t(MN-HA)+3T_pro                         (1)
                =T_RA+2T_t(MN-HA)+3T_pro

                                  
    在移动IPv4切换过程中，MN的转交地址就是FA的地址，可以直接从代理通告的ICMP(Internet Control Message Protocol)报文中获得。当MN接收到路由通告消息后，便获得子网的网络前缀，从而配置转交地址，此时转交地址的配置时延可以忽略不计，它由路由通告的广播周期决定。切换时延还包括注册过程中注册信令在FA和HA的处理时间。
1.2 移动IPv6切换
    移动IPv6^[6]是在继承移动IPv4诸多优点的基础上，利用IPv6中增加的许多新特点而进行设计的。当MN移动到外地链路时，通过IPv6邻居发现机制，以无状态的地址自动配置方式获得一个或多个转交地址，转交地址子网前缀是移动节点访问的外地链路的子网前缀。移动节点在获得转交地址后，把地址注册到家乡代理上，并且由节点给通信对端发送绑定更新，使通信对端缓存移动节点当前使用的地址。移动IPv6具体切换过程如图3所示。

                             
    下面分三种情况对移动IPv6切换时延进行计算：
    (1)未路由优化
    T_{MIPv6-handoff}=T_RA+T_COA+2T_t(MN-HA)+T_pro                       (2)
                   =T_RA+2T_t(MN-HA)+T_pro      
    (2)路由优化但未考虑安全选项
    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)路由优化并考虑安全选项  
    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
    在移动IPv6切换过程中，当MN收到AR的代理广播消息后，进行IPv6地址自动配置获取转交地址的时延很短，可以忽略不计。当采用路由优化MIPv6时，MN向HA和CN同时发出绑定更新的消息，由HA绑定更新产生的传输时延和处理时延也可以忽略。由路由通告的广播周期决定。切换时延还包括绑定更新和安全选项在MN、CN、HA的处理时间。
2 UMTS GTP切换性能分析
    在UMTS核心网中，GTP（GPRS Tunnel Protocol）是负责GSN（GPRS支持节点，主要是指SGSN和GGSN）之间的数据传输和信令控制的专用协议，由处于两个GSN中相互关联的PDP（Packet Data Protocol）上下文定义。创建GTP隧道的过程就是激活这对PDP上下文的过程，涉及GTP创建的规程有三个: PDP 上下文激活规程、网络请求的PDP上下文激活规程以及跨SGSN路由区更新规程^[7]。
    本文研究重点集中在移动用户(MS)发生跨SGSN路由区更新切换过程以及性能分析。具体GTP跨SGSN切换过程如图4所示，主要包括两个步骤:保存在原SGSN(SGSNo)中的MS的数据分组转发给新SGSN(SGSNn)；SGSNn与GGSN建立联系。当SGSNn收到MS的路由区更新请求后,根据MS的国际移动台识别号（IMSI）向原SGSN获取MS的上下文，包括MM(mobility management)上下文和PDP上下文。SGSNo不再将用户数据分组发送给MS,将原SGSN中保存的MS的MM上下文和与MS相关的所有激活态的PDP上下文发给新SGSN。新SGSN确认后,根据MS的所有动态的PDP上下文,在原SGSN与新SGSN之间创建了一个或多个隧道，原SGSN就可将存储在原SGSN中MS的数据分组转发给新SGSN。新原SGSN之间转发完毕,新SGSN应向正在为MS服务的GGSN请求重新建立用户隧道,传送MS与外部数据网的用户数据^[3]。

                             
    为了简化计算过程，认为每条路径与相反路径的传输时延（T_t）相等，每个网络节点处理时延（T_pro）相等。以下分两种情况对GTP切换时延进行计算。
    (1)SGSN拥有数据缓冲区时
    T_GTP-handoff=T_t(MN-SGSNn)+5T_{t(SGSNo-SGSNn)}+6T_pro                       (5)
    (2)SGSN没有数据缓冲区时
    T_GTP-handoff=T_t(MN-SGSNn)+5T_{t(SGSNo-SGSNn)}+2T_{t(SGSNo-GGSNo)}+8T_pro     (6)
3 移动IP和UMTS GTP切换性能的比较
    UMTS GTP、移动IPv4和移动IPv6切换时延的比较结果如表1所示。在移动IP切换性能分析过程中，当MN的COA地址变化时，MN和HA之间的认证过程在性能比较过程被简单忽略。

                           
    结合表中计算公式，以下分别对切换时延的各个部分进行分析。
    (1)链路层(二层)切换时延
链路层切换时延对GTP、MIPv4和MIPv6切换的影响是相同的，在切换时延比较过程中可以忽略。
    (2)等待路由通告时延TRA和转交地址配置时延TCOA
    在移动IP中存在TRA和TCOA时延，而在GTP中没有包含这部分时延。当MN移动到外地网络中时，MN会主动发出路由器请求(RS)广播报文，因此等待路由通告时延可以忽略。在移动IPv4中可采用外地代理的IP地址作为MN的转交地址，在移动IPv6中可以采用IPv6的无状态地址自动配置获取转交地址，因此转交地址配置时延也可以忽略。
    (3)传输时延T_t
    在移动IP切换过程中，平均传输时延比GTP稍长。在GTP中，当MS在两个相邻网络中频繁切换的时候，相邻SGSN之间的切换传输时延T_{t(SGSNo-SGSNn)}被认为足够小。在移动IP中，当MN位置移动出家乡网络时，时延T_t(MN-HA)可达1毫秒至数十毫秒。特别地，移动IPv6中为了数据包路由优化目的而增加了CN绑定更新过程、协议的安全性、家乡测试消息（HoT/HoTI）和转交测试消息（CoT/CoTI）安全选项，这些信令消息的交互增加了传输时延Tt。
    (4)节点处理时延T_pro
    从表1中可以看出，在UMTS GTP切换过程中节点处理时延大于移动IP。而在移动IP中，除移动IPv6考虑路由优化和安全选项之外，很少有节点涉及切换信令处理。
    通过对移动IP和UMTS GTP切换时延进行定量分析发现，在大部分情况下，特别是对采用代理的移动IPv4，可以获得与UMTS GTP相当的切换性能。相比移动IPv4，移动IPv6功能逐步完善，协议复杂性随之增加，特别是当移动IPv6考虑路由优化和安全选项时，MN将经历难以忍受的切换时延，大大降低了性能指标，难以满足实时业务的需求，进一步研究切换优化的技术措施十分必要。研究结果为移动IP在核心网中的实现提供了理论依据。
参考文献
[1] 3GPP TS 23.922 Architecture for an All IP Nework.Oct.1999.
[2] 孙利民，阚志刚，郑健平等. 移动IP技术［M］.北京:电子工业出版社,2003.
[3] 徐彬辉, 张力军. GPRS 网络的关键传输技术-隧道技术[J]. 江苏通信技术, 2002,18(4):25-29.
[4] 单方骥, 何雪云, 张力军. UMTS分组路由的演进[J]. 中兴通信技术, 2002,18(5):40-43.
[5] PERKINS C E. IP mobility support[S]. IETF, RFC 2002,1996.
[6] 蒋亮，郭健. 下一代网络移动IPv6技术[M].北京:机械工业出版社,2005.
[7] 彭木根,王文博. TD-SCDMA移动通信系统[M]. 北京:机械工业出版社,2005.