无线接入网关终端保持接入设计与实现

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。[!--empirenews.page--]
   (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：    (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。[!--empirenews.page--]
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。

    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。
参考文献
[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.