GPRS网络地址及路由策略应用研究

■ 屈毅

随着我国铁路GSM-R通信网的建设和逐步投入使用，铁路专用通信技术取得了巨大进步，承载了越来越多的业务。其中，铁路通用分组无线服务业务（GPRS）网络承载的多种专用通信业务是我国铁路的创新点，将移动通信、IP通信、移动IP等通信领域内的发展方向与铁路专用通信紧密结合，并针对铁路业务进行优化，为铁路运营提供了更好的技术保证。

在GPRS网络中，IP地址分配方式、路由策略、接入点（APN）策略等分组数据协议（PDP）激活过程中的基本方式和传输中的路由选择对承载的GPRS业务的部署、使用方式产生影响。

1 移动终端IP地址分配方式

移动终端获得IP地址是移动终端进行IP通信的基础。在GPRS通信流程中，终端用户获得IP地址的方式对业务的运用模式、性能等有影响。

1.1 固定IP地址分配方式

固定IP地址分配方式指每个终端用户始终使用固定的IP地址。终端用户的身份通常使用终端设备标识（IM EI）和终端用户标识（IM SI），IM SI有更完善的鉴权系统和设备支持，通常将终端用户的IM SI值作为用户的唯一标识。这种方式可通过在归属位置寄存器（HLR）中对用户进行IP地址分配。终端IP地址分配流程（PDP激活过程）见图1。

1.2 随机动态IP地址分配方式

随机动态IP地址分配方式指终端用户每次做PDP激活时，请求不同IP地址。动态主机配置协议（DHCP）最终实现IP地址随机分配。随机动态IP地址分配通信流程见图2。

1.3 动态IP地址固定分配方式

动态IP地址固定分配方式指使用动态申请方式获取IP地址，增加了用户名认证。RADIUS设备是实现按用户名/密码认证实现IP地址分配的设备。当终端用户使用同样的用户名/密码仍可每次获得相同的IP地址。动态IP地址固定分配通信流程见图3。

图1 终端IP地址分配流程示意图

图2 随机动态IP地址分配通信流程示意图

1.4 增强型动态IP固定分配方式

在上述动态IP固定分配方式基础上，可引入身份认证功能。在使用用户名/密码认证请求IP地址时，增加用户的M SISDN号认证，用以保证用户名/密码不会被冒用。

1.5 IP分配方式比较

上述4种IP地址分配方式中，使用HLR实现固定IP方式对HLR和业务支持节点（SGSN）有一定要求，其灵活性差，铁路GPRS网络很少使用。随机动态IP地址分配方式简单、灵活性好，便于分散布置，使用本地网关业务支持节点（GGSN）完成PDP激活的APN策略，必须使用随机动态IP地址分配方式。由于寻址困难，随机动态IP地址分配很难实现由网络侧发起的通信流程。动态IP地址固定分配方式由于固定了IP地址与用户的对应关系，易于实现网络侧发起的通信流程。增强型动态IP固定分配方式增加了IP地址分配时的安全性，但降低了配置的灵活性。

2 APN的使用策略

在IP地址分配方式流程中可以看到，PDP激活过程中有一个步骤是SGSN通过APN识别对应的GGSN。使用不同的APN策略，决定了终端用户完成激活以后的通信路由。

2.1 使用归属GGSN

在使用归属GGSN的策略时，终端用户使用特定的APN，用以标示归属的GGSN。用户移动到SGSN下的任何地点时，均要在归属局的GGSN上完成PDP激活。数据配置是在域名服务器（DNS）中将该APN的解析地址指向对应的GGSN。使用归属GGSN的APN策略通信流程见图4。

2.2 优先使用本地GGSN

使用本地（或最近）GGSN的APN策略指终端使用的APN全部一样，接入无线网后SGSN将该终端的PDP激活请求指向本地（或最近）GGSN。终端用户移动到一地时，是在当地的网络设备中完成PDP激活，不与终端设备的归属地网络发生通信。这种策略下，相同的APN对应不同的GGSN地址，不能由统一的DNS进行地址解析。需要由SGSN自行实现解析，将APN解析到指定的GGSN地址，通常使用本地（或最近）的GGSN。

2.3 使用唯一GGSN

使用唯一GGSN的APN策略是指无论用户在什么位置，均会回到一个唯一的GGSN中完成PDP激活。终端用户的APN配置完全一样，网络中也只有一个GGSN进行对应的APN配置。在DNS中只需对这个APN做一条解析数据即可。使用唯一GGSN的APN策略通信流程见图5。

2.4 不同APN策略的比较

不同的APN策略对终端的通信路由影响很大。APN策略的选择受终端IP地址分配方式和业务需求影响。对使用归属GGSN属性的APN策略，终端用户无论移动到什么位置，都要使用原归属地的GGSN。这就形成了从当前位置的SGSN到原GGSN的长途传输需求，如果此时终端用户还要与当前位置的其他用户进行通信，则必须通过远端的GGSN路由，效率上不是最优选择。在铁路实际运用中，这种通信需求大量存在。使用归属GGSN的通信路由见图6。

图3 动态IP地址固定分配通信流程示意图

图4 使用归属GGSN的APN策略通信流程示意图

图5 使用唯一GGSN的APN策略通信流程示意图

图6 使用归属GGSN的通信路由示意图

图6中原归属网络1的终端用户M S1，在移动到网络2时，PDP激活的GGSN仍然为原归属的GGSN1，此时终端M S1和本地其他的移动终端M S2的通信节点必须经过M S1—SGSN2—长途数据网—GGSN1—长途数据网—GGSN2—SGSN2—M S2。M S1与本地地面服务器SERVER2的通信节点必须经过M S1—SGSN2—长途数据网—GGSN1—长途数据网—SERVER2。这种本地通信经过长途电路绕行的方式必然带来通信效率下降。使用全网唯一GGSN方式与使用归属GGSN的问题相同。由于终端用户在本地的GGSN上激活，使用本地GGSN的APN策略可很大程度上提高转发效率。但使用本地激活方式得到的IP地址不同，与随机动态IP地址分配存在的问题相同，终端用户的路由寻址困难。

3 终端用户的路由方式比较

铁路专用通信与公众移动通信网不同，其显著的特点是大量的通信需求由网络侧发起。由于铁路各专业的特点，很多情况下终端通信不是对IP地址访问，而是对终端用户域名访问。对铁路GPRS来说，从网络侧发起通信是必须解决的问题。

3.1 DNS域名解析方式

当终端用户的IP地址分配方式采用固定或动态固定方式时，由于使用同样的IP地址，可在DNS中制作该终端用户域名与对应IP地址的解析数据。其他业务系统发起对终端用户通信时，由DNS设备提供地址解析。

3.2 终端地址注册方式

当终端用户完成PDP激活过程，获取IP地址后，先向对应的业务系统进行注册登记，将自身当前的IP地址告知业务系统的服务器。终端必须先向网络侧发起通信，网络不能先向终端发起通信。与DNS域名解析方式相比，终端注册方式省略了DNS网元，同时可使用随机动态IP地址分配方式。

3.3 动态域名注册方式

动态域名注册方式结合了随机动态IP地址分配方式和DNS终端域名解析方式的灵活性。终端用户完成PDP激活，得到随机动态分配的IP地址后，由DHCP设备向DNS设备发送一条动态域名添加数据，将设备域名和终端当前的IP关联起来。无论终端用户在任何地方使用任何IP地址，业务系统都可以使用域名对该终端发起通信。动态域名注册方式使用灵活，但增加了由DNS注册失败带来的风险，目前不宜在与安全相关的业务上采用。

4 不同业务的策略优化

铁路数据通信网的特点是轻载高冗余，长途传输原则上不会产生流量拥塞，对时延和丢包影响较小。为此，业务采用的地址和路由策略不将这一点作为最重要因素考虑。

（1）与行车指挥相关的铁路业务。由于机车全国运行，同时又归当地的运输管理部门指挥，而运输管理部门的业务系统是以机车号为目标。对此类业务需求，使用动态IP地址固定分配方式、归属GGSN的APN策略、DNS域名解析的方式进行系统配置，忽略长途传输带来的影响，保证通信系统配置的安全可靠。

（2）与行车相关的监控系统。机车为全国运行，但监控中心可能是全国统一设置，也可能是铁路局设置。当监控中心是全国统一设置时，适合采用动态IP地址固定分配方式、唯一GGSN的APN策略、终端地址注册方式。当监控中心是铁路局设置时，适合采用动态IP地址固定分配方式、带不同GGSM属性的APN策略、终端地址注册方式。

（3）与行车无关的业务系统。由于此类业务多为固定终端，只与本局的业务系统发生通信，适合随机动态IP地址分配方式、本地GGSN的APN策略、终端地址注册方式。

（4）同一列车上不同设备或不同列车间通信的业务系统应尽量减少传输绕行，适合随机动态IP地址分配方式、本地GGSN的APN策略、动态域名注册方式。