UMTS分组路由的演进

通用移动通信系统(UMTS)网络是通用分组无线业务(GPRS)网络的升级，其核心网由GPRS核心网演进而来。UMTS第1阶段的实现主要参照UMTS 99版本。在投入运营初期，核心网和GPRS核心网差别不是很大。在UMTS第2阶段，核心网发生革命性更替，将对GPRS的核心网进行较大革新，实现全IP核心网。

　　分组路由功能为分组数据在无线分组数据网(如GPRS、UMTS)的无线接入网、核心网和骨干网中传送提供有效的选路机制。目前，GPRS核心网和骨干网中的分组路由功能是通过GPRS隧道协议(GTP)实现的。UMTS的目标是建立与Internet能实现无缝连接的全IP核心网，必然要求整个核心网中实现移动IP，其分组路由功能完全遵循移动IP的规定。为了维持商用网络的正常运行，由“GTP移动性”向“移动IP移动性”的演进将是一个平滑过渡过程。

　　1 GPRS分组路由功能

　　目前，2.5代蜂窝无线网(即GPRS网)及第3代UMTS的核心网的分组路由协议(即GTP)是一种专用的无线IP(可移动性管理和分组路由)。GTP的选路机制类似于移动IP，是一种基于IP的选路机制。固定IP网络的选路机制是采用IP选路协议和移动IP协议。无线蜂窝网核心网通过外部接口与固定IP网络互连。网关节点及外部接口协调两种选路机制，将两种选路机制的网络结合在一起形成无线Internet。

　　GPRS的核心网采用IP协议来传输分组数据，但GPRS的核心网和外部Internet是独立的，它只是GPRS网络中的内部网，不能直接和外部Internet互通，其分组路由功能是通过GTP协议实现。GTP协议是GPRS网络的专用分组路由管理和传输协议，它可以在GPRS网络内部支持分组数据终端的移动性。GTP协议在GPRS网络内部实现了与移动IP类似的功能。GTP协议中，网关GPRS支持节点(GGSN)起着类似移动IP协议中家区代理(HA)的功能，网关GPRS服务节点(SGSN)起着类似外地代理(FA)的功能。

　　当一次数据通信由网络侧发起时，只能选择移动终端(MT)家区网络的GGSN。当一次数据通信由移动终端发起时，如果MT使用静态PDP(分组数据协议，如IP或X.25)地址和动态HPLMN(家区公众陆地移动网)PDP地址，只能选择MT家区网络的GGSN；当MT使用动态VPLMN(访问区公众陆地移动网)PDP地址时，可用接入点名（APN）选择家区GGSN或者访问区GGSN。选择访问区GGSN可以在一定程度上实现路由优化。在一次分组数据通信过程中，在分组数据协议(PDP)上下文被激活后，GGSN一旦选定就不再变换，除非PDP上下文被去激活。

　　发送数据时，数据分组必须从当前SGSN通过GTP隧道传送到GGSN，再由GGSN转发到目的终端(可以是外部网络主机，也可以是GPRS网络内部的其他MT)。接收数据时，外部数据网或者GPRS网络内的其他MT发给MT的分组数据首先发送到GGSN，GGSN再通过GTP隧道转发给当前SGSN，最后到达MT。

　　2 移动IP和GTP协议比较

　　2.1 分组传输的效率和路由的优化

　　目前UMTS/GPRS核心网的无线IP选路机制通过GTP隧道协议实现，存在隧道技术三重封装(IP/X.25 over GTP over TCP over IP)。开销大、效率低的缺点明显，这对第3代移动通信的移动多媒体通信服务质量(QoS)极为不利，也不便于移动终端在各种不同类型无线网络和固定IP网络之间的漫游。移动IP是TCP/IP协议族中的标准协议，和固定Internet网的IP协议完全兼容，除了HA及FA之间的隧道之外，IP分组的传输无需任何其他封装。传送IP数据分组时，移动IP的开销很小，效率大大提高，有利于保障IP多媒体业务的QoS。GTP协议对分组路由的优化是很有限的，只有当MT使用VPLMN动态PDP地址时才能对GGSN的选择做一些优化。无论收发数据，分组必须经过GGSN转发，不能从SGSN直接通过最佳路由发送。在移动IP中，MT发送的分组一般都可以直接经FA沿最佳路由到达目的主机。

　　2.2 协议的应用范围　

　　GTP协议是GPRS网络的专用协议，只支持终端在GPRS网络内部的漫游，当终端离开GPRS网络的覆盖范围或者进入另一个网络(比如公司无线LAN)时，当前的TCP/IP会话必须中断。GTP协议只是在数据链路层实现了终端的移动性，不提供网络层的移动性。移动IP协议是Internet的通用协议，与接入网无关，可以使用户在Internet的不同子网间漫游，能提供在固定网和移动网之间、公共网和专用网间、以及不同公共网络之间的无缝漫游，例如从GPRS网络移动到公司的无线LAN，不必中止当前的TCP/IP会话。移动IP协议在网络层实现了终端的移动性，终端可在整个Internet漫游(只要访问的网络提供移动IP功能)。

　　2.3 协议的兼容性

　　GTP协议只支持数据链路层移动性，因此可以支持不同的上层网络层协议(如IP、X.25)。移动IP支持IP网络层移动性，不直接支持其他网络层协议(如X.25)，但可以由数据链路层协议(即不同的子网络)支持。根据RFC 1701和1702，可以通过通用路由封装(GRE)协议封装在移动IP隧道上支持其他网络层协议。

　　2.4 对移动终端的要求

　　UMTS/GPRS网络属于传统的电信网，对终端的智能要求很低，而对网络的安全性和智能性要求很高。GTP协议的实现完全无需移动终端的参与，对移动终端透明。Internet是一个不安全的尽力而为型的计算机网络，网络基本上只负责数据分组的传送，而IP层以上的协议实体一般只驻留在通信收发双方，与网络无关，因此对移动终端智能要求较高，移动IP协议的客户端部分必须在终端上实现，此外保障端到端安全性要求的协议也要在终端上实现。

　　从以上几方面比较来看，移动IP在传输效率、路由优化、应用范围和兼容性等各方面的性能都优于GTP，只是对终端的要求高一些。要实现和Internet无缝连接的全IP核心网，必须在UMTS/GPRS网络中实现移动IP。

　　3 从GTP到移动IP的演进

　　虽然移动IP相对于GTP协议有较大的优势，但在几年前移动IP还不够成熟和安全，对移动终端的要求比较高，因此目前的UMTS/GPRS核心网并未采用移动IP，而是采用传统移动通信网络为了支持IP分组所采用的无线IP技术，对应具体的协议就是UMTS/GPRS网络专用的GTP协议。目前移动IP日趋成熟，而无线数据业务，尤其是IP业务增长迅速，在第3代移动通信网络中实现移动IP的条件逐渐成熟，移动IP开始成为一个被关注的焦点。

　　在UMTS/GPRS核心网中完全由移动IP取代GTP涉及很多复杂的技术问题和不小的投资。3GPP制定了分3阶段引入移动IP的步骤。实现移动IP的具体细节目前仍在讨论之中，尤其是第2阶段和第3阶段，还有很多细节没有定稿，这里讨论的是主体框架。移动IP的实现仍需要UMTS/GPRS移动性管理和会话管理信令的支持，为了尽可能减少对UMTS/GPRS信令的修改，移动IP的信令和数据均在UMTS用户面传送。

　　3.1 核心网内的移动IP协议栈

　　在实现移动IP的第1、2阶段，在核心网中只是部分地实现了移动IP协议，还需要GTP协议支持，移动IP协议叠加在GTP协议栈之上。在第3阶段，即目标结构中，在核心网中完全实现了移动IP协议，分组路由完全遵循移动IP，核心网成为Internet的一部分，GTP基本上不被使用。

　　3.2 核心网节点和MT间的移动IP协议栈

　　目前移动IP在UMTS系统的无线接入网(UTRAN)中的实现还没有明确的方案，只是规定移动IP信令全部在UMTS/GPRS网络用户面传送，用户数据的传输必须依靠网络的信令协议支持，特别是网络的移动性管理(UMM)和会话管理(SM)信令。

　　UMTS系统的无线接入网UTRAN采用ATM作为传输网，数据分组通过GTP协议封装在底层IP传输网中传送，底层IP协议分组再通过AAL5封装在ATM传输网中传送。这一过程比较复杂，是和目前采用GTP协议的UMTS核心网相适配的，核心网采用移动IP协议后，无线接入网中的移动IP协议栈必将大大简化。

　　3.3 第1阶段：提供Mobile IP业务

　　这一阶段已在UMTS Release 99中规定。在第1阶段中，UMTS/GPRS网络的分组路由功能仍由GTP实现，网络变化不大，只是在GTP协议上叠加了移动 IP协议。这一阶段中，核心网中至少有一个GGSN能实现FA功能，供移动终端进行移动 IP注册。和GTP协议类似，在PDP上下文激活后，在GPRS网络内部，终端不能切换GGSN/FA，不能实现移动IP规定的FA漫游功能，分组路由效率比较低。GGSN在Internet中实现FA功能，但在GTP协议的路由管理中，GGSN起的是类似HA的作用。虽然在第1阶段，核心网中的分组路由功能基本没有变化，但终端通过向FA进行Mobile IP注册，可以在不同网络之间漫游，为终端提供网络层的移动性。第1阶段，核心网中的Mobile IP业务是由GTP协议支持的。Mobile IP协议架构在GTP协议栈之上。

　　图1是一个第1阶段的典型网络，核心网在GPRS PLMN内部及PLMN之间提供GPRS移动管理性（MM）漫游功能，在不同系统间提供Mobile IP MM漫游功能。

图1 第1阶段的典型网络示例

　　3.4 第2阶段：过渡系统

　　一个MT可能会在一次很长的会话过程中进行几次SGSN切换。离新SGSN最近的GGSN/FA和离旧SGSN最近的GGSN/FA不同时，如果切换GGSN/FA，分组路由将得到优化。在第2阶段，仍保留了UMTS/GPRS核心网，并在此基础上进一步优化，实现了移动IP协议规定的FA切换功能。当MT进行SGSN切换时，在UMTS/ GPRS网中可以进行基于移动IP的FA切换，更换附着的GGSN/FA，以优化分组路由。当PLMN中有几个GGSN/FA时，这种路由优化能提高传输的效率。在GGSN/FA切换后，MT将得到一个新的FA转交地址。对应GTP协议，相当于原来实现类似家区功能的GGSN被切换，此时对GTP协议进行了重大修改，以适应路由优化的要求。在第2阶段，分组路由功能是由移动IP和GTP协议共同实现的，当然移动IP协议只是被部分实现，GTP协议作了较大修改。第2阶段，核心网中的移动IP业务也是由GTP协议支持的，协议栈结构和第1阶段相同，只是GTP协议作了较大修改。

　　3.5 第3阶段：实现核心网的目标结构

　　在第3阶段，UMTS核心网的目标结构实现了完全的移动IP，核心网中的分组路由功能完全遵循移动IP。此时GPRS支持节点(GSN)不再有SGSN和GGSN之分，每一个GSN都被命名为IGSN(Internet GSN)，实现以前SGSN和GGSN实现的功能，并作为移动IP FA直接和Internet相连。GPRS核心网完全成为Internet的一部分，用户在IGSN/FA之间的漫游遵循移动IP协议，分组路由的优化也将完全遵循移动IP协议，解决了第1、第2阶段GTP和移动IP并存时分组路由不够优化的问题，GTP协议不再被使用。

　　实现目标结构后，终端在IGSN间切换时，在用户面，可以使用GTP协议在新旧IGSN间建立(为保证分组不丢失)临时隧道；在信令面，可以使用GTP协议传送PDP上下文等信令分组。GTP协议是否采用是可选的，因为信令传输和移动IP的隧道不是必须采用GTP协议作为底层协议。
第3阶段，核心网成为Internet的一部分，移动IP直接架构在数据链路层协议之上。

　　一个第3阶段的典型网络如图2所示，MT在GPRS核心网内以及在不同网络之间的漫游全部通过移动IP实现。

图2 第3阶段的典型网络示例

　　4 由GTP平滑过渡到移动IP的技术问题

　　4.1 对非移动IP终端和传统电信业务的支持

　　在UMTS/GPRS网络中实现移动IP不能影响现在的电信业务，必须保持向下的兼容性。核心网升级后，在一段时间内还要维持对非移动IP终端的支持。移动IP中，MT上要实现移动IP协议客户端部分，移动性管理信令需MT和家区网络的互通，而在GPRS网络中，GPRS终端只需和访问区SGSN互通信令，与家区网络互通由SGSN完成。为了向下兼容GPRS终端，一个解决办法是IGSN代替MT注册一个HA，执行移动IP客户端功能，使移动IP对终端透明。

　　4.2 家区代理　

　　家区网络是MT注册其Mobile IP业务的网络。家区网络可以是一个PLMN，也可以是一个公司网络、一个ISP等。MT的家区代理(HA)位于家区网络。如果MT没有向某一网络注册移动IP业务，UMTS网络将自动将自己设为移动终端的家区网络。

　　4.3 移动IP的安全问题

　　移动IPv4协议规定了HA和移动终端之间的注册数据分组的认证过程。UMTS/GPRS网络是一个安全性很高的网络，FA及MT之间的分组是经过认证的(从整个Internet看，认证处于数据链路级)。FA一般是一个标准的中介路由器，路由器在Internet中无需被认证，所以协议没有规定FA及HA或者FA及MT之间的分组认证。HA和FA之间传送的信令信息非常重要，必须保证其安全性，目前相应协议还没有确定，IPsec协议是重要的候选协议，将来HA和FA之间的安全协议可能采用IPsec协议的修订版。

　　Internet是一个不安全的网络，安全功能是在IP协议栈中的IP层以上实现的，一般需要终端用户参与完成安全功能。UMTS/GPRS网络的安全功能保护MT到IGSN的网络，不能保证端到端的安全，MT上必须有相应的协议和应用程序满足端到端的安全。目前一些IP层上可选的安全性协议包括IPsec、S/MIME等，当然协议的选用和具体外部环境及应用有关，不可能完全一样。

　　5 结束语

　　移动IP协议是Internet的通用协议，使用移动IP作为蜂窝通信网核心网的分组路由协议，将大大提高分组传输的效率并优化分组路由，而且移动IP独立于底层接入网，用户可以在Internet的不同子网间漫游。在UMTS核心网引入移动IP是蜂窝通信网的一次革命，第一次将蜂窝通信系统核心网完全融入Internet。

　　参考文献

1 3GPP . 3GPP TS 23.221 V5.1.0 . Architectural Requirements (Release 5)
2 3GPP . 3GPP TS23.121 V3.5.1. Architectural Requirements for Release 1999
3 3GPP . 3GPP TS 23.923 V3.3.0. Combined GSM and Mobile IP Mobility Handling in UMTS IP CN

[摘要] 文章比较了移动IP协议和GTP协议，分析了从GTP向移动IP演进的3个阶段，并讨论了家区代理、移动IP的安全及移动IP协议对非移动IP终端的支持等相关技术问题。

[关键词] 移动IP；GPRS隧道协议；分组路由；通用移动通信系统；通用分组无线业务

[Abstract] The differences between the mobile IP and GTP are summarized, and three stages in the evolution of GTP to mobile IP are analyzed. Technical problems related to home agent, security of mobile IP, and support of mobile IP to immobile IP terminals are also discussed.

[Keywords] Mobile IP; GTP; Packet routing; UMTS; GPRS