无线接入网关终端保持接入设计与实现*

唐朝伟，郭春旺，唐鼎，唐晖

（1.重庆大学 通信工程学院，重庆 400030；2.中国科学院声学所 高性能网络实验室，北京100190）

无线接入网关终端保持接入设计与实现*

唐朝伟1，郭春旺1，唐鼎2，唐晖2

（1.重庆大学 通信工程学院，重庆 400030；2.中国科学院声学所 高性能网络实验室，北京100190）

分析了WiMax网络架构标准中现有的终端接入方案的缺陷，提出并实现了一种在终端保持的接入方案，即终端出现异常并在短时间内重新接入时，接入网关保留其断开连接前的相关信息，保留网络层连接,仅需与终端重建链路层连接，从而大大减少了接入时延，保证了上层业务的连续性。

终端接入；网络层；链路层；接入时延

WiMax（Worldwide Interoperability for Microwave Access）是基于 802.16标准[1]的全球微波接入技术。由于WiMax支持较高的宽带无线接入速率和移动速度，通信运营商用其为用户提供宽带无线移动数据接入服务。在移动性管理方面，WiMax网络使用移动 IP（MIP）技术[2]。根据MIP的客户端在终端还是在网络侧实现，可分为终端移动IP（CMIP）和代理移动IP（PMIP）。

WiMax网络架构标准中现有的终端接入方案（PMIP模式或 CMIP模式），仅适合正常的“第一次接入”，当终端出现异常发生瞬断等情况时，相应的数据业务传输中断，此时终端需再次重新注册，重新建立数据业务通道。由此增加了时延，难以保证业务的连续性。本文设计的方案中，接入网关在正在进行数据业务传输的用户终端断开连接时,保持其断开连接前的IP地址和网络配置信息等；用户再次接入时，网关将存储信息发给终端，用户采用接收到的信息，继续进行所需业务的数据传输，减少了接入时延，保证了上层业务的连续性。

1 WiMax体系架构和MIP协议

1.1 WiMax体系架构

现有的WiMax的网络架构体系[3]包括MS（Mobile Station）、接入服务网络 ASN（Access Service Network）和连接服务网络CSN（Connectivity Service Network）。其中，MS为移动台，用户使用该设备接入WiMax网络；ASN包括基站BS（Base Station）和接入服务网络网关ASN-GW（Access Service Network Gateway）等用于为WiMax终端设备提供无线接入服务的网络功能集合。ASN主要完成WiMax终端的二层连接、传递AAA消息、为WiMax终端的三层连接提供中继、无线资源管理、ASN与CSN间隧道维护等；CSN用于为WiMax终端提供网际协议连接服务。CSN可以由认证、授权和计费即AAA（Authenticator Authorization and Accounting）服务器、归属代理设备 HA （Home Agent）、动态主机配置协议 DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）服务器等组成。用户的认证和授权通过用户的归属CSN中的认证、授权和计费服务器完成。WiMax网络架构如图1所示。

1.2 MIP协议

移动网际协议 MIP（Mobile Internet Protocol），它为移动用户提供了一种IP路由机制，使得支持MIP的终端可以通过自身标识连接到任何链路上,支持MIP的终端可以在不中断链路信息传送的情况下改变其地理位置，而保持IP不改变。现阶段WiMax网络中的Mobile IPv4终端移动注册模式有两种:客户端 MIP（Client Mobile IPv4）和代理 MIP（Proxy Mobile IPv4），在客户端 MIP中，移动站自身实现MIP客户端功能进行MIP注册和取消注册；在代理MIP中，MIP客户端功能通过WiMax接入网络中称为代理移动节点 PMN（Proxy Mobile Node）或PMIP客户端的功能实体（PMIP client）来实现 MIP的注册和取消注册。

2 CMIP/PMIP技术下用户接入

移动IP接入时，AGW可以为MS提供PMIP接入或者CMIP接入两种方式。在PMIP模式下，若MS采用 DHCP proxy的方式获得地址,则AGW代表 MS发起MIP注册请求给家乡代理HA,HA为MS分配IP地址;若采用DHCP relay的方式获得地址,则 AGW再代表 MS发起MIP注册请求给HA，HA确认DHCP server为MS分配的IP地址;在CMIP模式下, MS在业务流建立后，主动发起MIP的注册请求，AGW执行外地代理FA的功能与家乡代理HA交互实现MS的MIP注册，此时HA为 MS获得 IP地址[4]。

2.1 CMIP模式

如图2所示，在最新的 WiMax stage2中定义的CMIPv4模式下终端连接建立流程如下：

（1）接入认证阶段：用户所属的家乡AAA服务器会在接入认证消息中下发家乡代理地址、认证授权和计费相关密钥。

（2）当接入业务网络中的数据链路与终端或者终端的业务流进行绑定后，触发CMIP模式终端开始注册。

（3）当新的接入业务网络数据链路建立后，外地代理向网络内的终端广播其转交地址。

（4）终端收到外地代理广播的转交地址后，发送移动IPv4注册消息至外地代理FA，并由外地代理 FA转发至家乡代理HA。

如果终端此时支持移动IPv4协议栈,则不发送DHCP请求，只发送移动IP信令去获取其家乡地址。

（5）～（6）对于既支持 PMIPv4模式又支持 CMIPv4模式的接入业务网络，此时外地代理需要通过一个R3_Mobility_Context消息通知网络特定的相关功能实体终端的 R3移动模式为外地代理选定的 R3移动模式[5]。对于仅支持CMIPv4模式的接入业务网络，此步骤可以省略。

（7）～（9）当终端归属AAA服务器收到由家乡代理发送的携带MN-HA属性的接入请求消息时，AAA服务器需应答一个通过接入消息，其中包含加密的MN-HA共享密钥。如果接入请求消息中包含了动态获取家乡代理及IP配置信息的信元，AAA服务器还需要返回家乡代理的地址以及终端相关的IP配置信息。

（10）家乡代理转发移动IPv4注册响应消息给外地代理。

（11）移动IPv4注册响应消息被转发至终端。

至此终端注册完成。

2.2 PMIP模式

如图3所示,在最新的 WiMax Stage2中定义的Proxy Mobile IPv4模式下的终端连接建立流程如下：

（1）接入初始阶段：包括用户预附着、接入认证、附着、数据通道的建立和初始业务流的建立。此阶段完成用户的认证策略协商、用户的初始认证鉴权以及用户注册信息的协商存储。

终端所属的家乡AAA服务器会通过接入认证消息下发家乡代理地址、认证授权相关密钥、Proxy Mobile IPv4连接建立相关密钥以及DHCP服务器地址。

图3中：

（2）～（12）为IP地址分配以及移动IP注册阶段：在成功鉴权和授权以及BS与ASN之间建立数据链路之后，终端会通新建立的数据链路发送一个 DHCP discover消息。在 Stage 2/3中提供了两种 PMIP4模式:DHCP Proxy和DHCP Relay。如果是DHCP Relay模式,则DHCP代理服务器根据终端的标识符将其 DHCP discover消息转发至相应的 DHCP服务器；如果是 DHCP Proxy模式,则DHCP代理服务器将会直接给终端返回家乡地址及相关IP配置信息。

对于既支持PMIP4模式又支持CMIP4模式的接入业务网络，其中的DHCP代理服务器需要通过一个R3_Mobility_Context消息通知网络特定的相关功能实体（例如专门存放终端相关信息的服务器）终端的R3移动模式为DHCP代理服务器选定的R3移动模式。对于仅仅支持PMIP4模式的接入业务网络，此步骤可以省略。

当PMIP代理客户端收到终端的家乡地址后，PMIP代理客户端会向外地代理发送一个移动IPv4注册消息并且在最后的DHCP消息交互之前完成移动 IPv4注册。移动IPv4注册消息包含以下信息：

①终端的家乡地址：该家乡地址可能由前面步骤所获取DHCP服务器分配，也可能在接入认证完成后由AAA服务器下发。

②转交地址：一般为外地代理的IP地址。

③安全相关信息。

在连接建立流程的最后阶段，终端最终获取了其家乡地址并且在家乡代理上进行了移动IPv4注册。（13）～（15）为 DHCP应答阶段：当移动IPv4注册完成之后，PMIP Client把 MIP注册的结果通知给 DHCP relay,DHCP relay把MIP注册的结果封装到 request中发送给DHCP server。 选 定 的 DHCP server回 复DHCP Ack消息。DHCP relay中继DHCP Ack消息给BS。BS发送DHCP Ack消息给MS, DHCP Ack消息才会伴随着家乡地址发送给终端。

综上所述，MS接入时，可采用以下几种方式获得IP地址：（1）AGW承担DHCP proxy,为 MS分配 IP地址；（2）AGW承担 DHCP relay的功能，通过 DHCP server为MS获得IP地址。在MS下线后，AGW释放该MS所占用的资源,此时与MS相关的连接信息及资源已经被释放。此时若该MS再次接入时，就有可能获得与断开连接前不同的IP地址。若为AGW承担 DHCP proxy为MS动态分配 IP地址的情况，AGW每次为 MS分配一个动态的IP地址，这样终端MS在两次接入过程中，得到的IP地址也是不同的。这种情况对MS所进行的相关业务，会因为IP地址的改变造成业务中断。例如：①在MS瞬断的情况下，会选择重新接入，此时若分配到一个与断开连接前不同的 IP地址，MS的业务也将中断;②BS错误诊断MS掉网时，BS发起MS退网通知给AGW，此时AGW删除了与MS相关的资源，MS需重新注册、重新开始数据业务。

3 设计与实现

针对以上情况，本文提出了一种减少接入时延的方案,接入网关AGW的MS_STATE模块在终端入网时负责存储终端MS所获得的IP地址和相关的配置信息,当MS掉网时，在适当的时间内对此信息继续保存不予删除。当用户在短时间内再次接入时，AGW则将保存的IP地址和配置信息一同发给终端MS,终端接收到此信息后使用相同的IP地址和相关信息继续进行数据业务流传输。若超出时限，MS_STATE删除相关信息资源并通知其他功能实体MS退网。

3.1 系统组成

此方案是基于WiMax无线接入网关实现的。整个网关系统设计架构可以分为控制平面（信令处理部分）和数据平面 （业务数据处理部分）。系统功能结构如图4所示。控制平面根据WiMax定义的信令类型可以分为：MS_STATE模块、数据通道模块、PMIP Client模块、FA模块、认证密钥模块。数据平面可以分为WiMax数据通道模块、用户过滤和数据采集模块（内核空间）。数据平面中，WiMax数据通道以内核模块的方式加载，针对每个终端都有一条隧道。图中各实体功能及外部接口描述如下：

图4 系统功能结构图

（1）MS_STATE模块：维护MS状态信息表。负责终端的状态消息处理，主要包括终端在进入网络时的预附着、附着、终端授权策略的协商等；终端切换时，负责终端相关信息的更新；网络退出时根据接入网关所处的角色，判断是否执行退网，并提供网络退出函数接口或者调用相关函数接口释放资源。

（2）MS状态信息表：记录终端相关信息，如认证策略、配置信息等。

（3）PMIP Client模块：负责代替不支持移动 IP终端进行移动IP注册（PMIP模式下使用）。

（4）FA模块：移动IP外地代理模块。

（5）DP（Data Path）：负责数据通道的建立和删除。

（6）认证和密钥模块：负责终端的认证、密钥协商、密钥下发和辅助移动等功能。

3.2 流程设计

本设计的退网方案中,其终端接入流程如图5所示。用户保持接入流程如下：

（1）MS请求接入到 WiMax系统，完成终端的初始入网，WiMax系统为MS分配一个IP地址并注册成功，开始数据业务传输。

（2）AGW检测到MS断开连接，此时网关中MS_STATE短时间内继续保存MS的IP地址信息及连接信息不予删除。连接信息包括：接入方式、地址分配方式以及网络配置信息。

（3）短时间内MS以相同的接入方式申请重新接入本网关AGW。

（4）BS与 MS_STATE完成 MS预附着过程，协商认证鉴权策略，并将其保存在终端状态信息表中。

（5）MS与AAA服务器进行鉴权协商，鉴权成功后，进行业务流的授权。

（6）BS与本AGW完成数据通道的建立和初始业务流的建立。

（7）MS发起DHCP discover消息给AGW，请求IP地址及网络配置信息 （主要为MS断开连接前已建立的一些连接信息）。

（8）AGW中的MS_STATE直接响应DHCP offer信息给MS,为其提供断开连接前使用的IP地址及网络配置信息，其中网络配置信息中的DHCP地址刷新时长为断开连接前的DHCP地址刷新时长的剩余时间,作为DHCP地址续约的有限期限信息。

（9）MS发起携带有接收到的IP地址的 DHCP request消息给AGW，请求AGW确认此IP地址。

（10）MS_STATE确认后响应DHCP Ack消息给MS。（11）MS继续以前次接入的 IP地址进行数据业务的传输。

从以上步骤可以看出,对于PMIP模式，AGW在MS再次接入过程中，并没有再次发起PMIP请求消息给HA，请求HA为MS确认IP地址，而是直接为MS提供了保存的IP地址。而对于CMIP,终端再次发起 IP注册时,AGW直接返回 IP地址给MS,而不需要再次通过AAA服务器认证。

实际中，MS在进入盲区时,经常会出现瞬断的情况，此时MS自身认为连接已经中断，需要重新接入。本文通过在设定的时间内保存MS的接入信息,即AGW在设定时间内不中断MS的三层连接，此时若MS申请重新接入,则AGW仅需要与MS重新建立二层连接，不再重建三层连接。这样不仅加快了MS接入速度,而且对保持MS数据业务的连接性有相当大的益处。

3.3 设计实现

各功能实体之间的通信如图6所示。

图6 模块间交互示意图

终端初始入网阶段，MS_STATE与 FA、Authenticator、DP之间通过本地通信完成终端的认证策略的协商、注册 IP存储、数据通道、业务流及网络信息记录；与 BS进行网络通信实现终端的预附着、附着和辅助认证。整个阶段MS_STATE时刻记录终端的状态信息。

本地通信和网络通信可创建以下套接口：

（1）网络套接口

wimax_msg_sock=socket（AF_INET,SOCK_DGRAM,0）;

（2）本地套接口

local_msg_sock=socket（AF_LOCAL,SOCK_DGRAM,0）;

终端出现异常情况并再次申请入网时，MS_STATE进行时限判断，把与终端对应的存储信息发送给终端。采用SDL描述的处理流程如图7所示。

本文针对终端短时间的异常退网提出了一种保持接入的实现方案。此方案既适用于CMIP模式也适合于PMIP模式，大大减少了终端再次接入时的时延。

图7 MS_STATE信息处理流程

[1]IEEE Standard for local and metropolitan area networks Part 16:air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems amendment 2:Physical and medium access control layers for combined fixed and mobile operation in licensed bands and corrigendum 1, IEEE Std 802.16e-2005 and IEEE Std 802.16-2004[S]. January 11,2006.

[2]PERKINS C.IP Mobility Support for IPv4[S].IETF RFC-3344,August 2002.

[3]WiMax forum network architecture-stage 2-architecture tenets,reference model and reference points-release 1[S]. Version 1.2,January 11,2008.

[4]WiMax forum network architecture-stage 3-detailed protocols and procedures-Release 1[S].Version 1.2, January 11,2008.

[5]IEEE 802.16-2004 Part16.Air interface for fixed broadband wireless access system[S].March 17,2004.

Design and implementation of terminal maintain-accessing in wireless access gateway

TANG Chao Wei1,GUO Chun Wang1,TANG Ding2,TANG Hui2
（1.College of Communication Engineering，Chongqing University，Chongqing 400030，China；2.High Performance Network Lab（HPNL）,Institute of Acoustics,China Academy of Sciences,Beijing 100190,China）

：This paper analyzes the defect of existing terminal-access mechanisms,proposes a new way of maintain-accessing which the access gateway keeps the pre-disconnect information and retains the network-layer connection of the terminal.When the terminal re-access in a short time,the gateway only do with the reconstruction of link-layer so as to greatly reduce the access latency and ensure the service continuity of the network-layer.

terminal-access;network-layer;link-layer;access latency

TP915

A

0258-7998（2010）09-0149-05

中国科学院“十一五”知识创新工程重大专项（KGCX1-YW-19）

2010-01-28）

唐朝伟，男，1966年生，博士，主要研究方向：移动通信，宽带无线接入技术。

郭春旺，男，1984年生,硕士研究生,主要研究方向：宽带接入。

唐鼎，男，1977年生,博士,助理研究员,主要研究方向：计算机网络和网络安全。