移动互联网中的网络技术

田野 王文东

从移动性管理、轻量级IP协议适配、多接口异构网络接入等方面入手，对传统IP网络的发展策略进行了探讨。针对造成移动通信网“信令风暴”的原因，提出了从移动终端、无线接入网、核心网等层面共同解决“信令风暴”的对策。

移动互联网；IP网络；移动通信网；业务

This paper discusses the development strategy for traditional IP networking in terms of mobility management， lightweight IP protocol adaptation， and multiple interface access. It discusses the reasons for signaling storm and proposes solutions at the mobile terminal， radio access network， and packet core network levels.

mobile Internet； IP network； mobile communication network； service

移动互联网是互联网技术与移动通信技术融合的产物，移动终端的迅速普及以及移动应用广泛流行促进了移动互联网产业的发展、壮大和繁荣。据统计中国国家工业和信息化部2013年6月发布的统计数据，2012年全国智能手机出货量累积达到2.58亿，同比增长166.8%[1]。移动互联网的用户规模也在急速扩张。截至2012年6月，中国国内的移动互联网用户数达到3.88亿之多，甚至超过了传统PC互联网用户数[2]。与此同时，移动互联网应用的数量与下载量也呈现增长的势头，以苹果公司的App Store为例，目前已有77.5万应用，下载量达到了400多亿次[3]。而移动互联网的业务形态也从短信息、数据上网等拓展到移动即时通信、微信、微博等具有社交元素的业务类别。移动终端与移动应用的增长直接拉动了移动互联网流量的爆发式增长，据爱立信2013年6月发布的流量与市场数据报告显示，从2012年第一季度到2013年第一季度，数据流量增加了一倍，而语音增长率仅4%[4]，如图1所示。该报告据预测，受视频类应用和移动社交类应用的推动，在2012年到2018年期间，移动数据流量仍将以50%的复合年增长率增长，而到2018年底，数据流量将增加大约12倍。

移动互联网在用户规模和接入终端数量的增长态势以及业务形态的多样化趋势，给现有的网络基础设施，包括以第二代、第三代移动通信制式为主的蜂窝网络以及传统的IP网络都带来了新的挑战。本文分别从移动互联网的发展对IP网络以及移动通信网络带来的影响出发，分析了在两种网络体系中为了应对移动互联网的冲击应运而生的新技术、新架构。

1 移动互联网对IP网络的

影响及其技术特征

在移动互联网飞速发展的浪潮中，传统IP网络的体系架构及移动性管理方案随之发生着丰富而深刻的变化。接入网络的多样性、终端设备的异构性是移动互联网发展中IP网络所面临的重要挑战。接入网络的多样性表现在网络体系结构、网络接口协议、对移动性的支持能力等方面存在差异。而终端设备的异构性反映在终端的传输效率、对IP协议的支持能力以及多网络接入能力等方面的差异。在传统IP网络所面临的众多挑战中，移动性管理、面向终端的IP协议适配、异构网络的多接口接入问题是影响移动互联网业务性能及用户体验的重要方面，本文将针对上述3个方面进行阐述。

1.1 移动性管理

移动性是移动互联网最重要的特征，而移动性管理对确保网络运行效率以及上层业务的连续性具有全面的影响。Mesh网络、PMIPv6等网络体系架构及异构移动终端的涌现对移动性管理在性能、鲁棒性、可拓展性以及针对不同应用的灵活性上提出了新的要求。移动性管理包含两个方面的内容：位置管理和切换控制。位置管理旨在实现对移动终端位置信息的跟踪、存储、查找及更新。其执行策略会直接影响系统容量、服务质量及移动终端的功耗。移动互联网对位置管理带来的新问题表现在两个方面：首先，种类繁多的终端对位置管理策略存在迥异的要求。其次，移动互联网中终端设备“永远在线”的工作模式以及基于推送（Push）的信息方式在很大程度上加剧了对位置管理效率的压力，也对传统位置管理方案的有效性产生了无法回避的挑战。切换控制旨在提供合理的机制保证当某个移动终端移动到一个新的位置区域时仍然能够保持与网络的连接，这一点对确保数据的无缝不间断传输至关重要。在移动互联网的应用场景下，保证业务不会因为网络连接的切换而中断是衡量用户体验好坏的重要标准。除了位置管理和切换控制，移动性管理还对移动服务质量、资源管理以及安全性等提出了要求。

目前，包括国际电信联盟（ITU）、第三代移动通信合作伙伴计划（3GPP）以及因特网工程任务组（IETF）等国际标准化组织均对移动性管理进行了分析研究，并从不同的侧面发布了一系列的建议和草案。ITU从IP地址分配、用户信息管理、用户环境管理、身份认证、接入控制及鉴权等方面定义了NGN中的位置管理问题。而3GPP也将移动性管理作为LTE/SAE系统的技术需求以支持不同接入系统的无缝移动性和业务连续性。在其规范中明确规定了对通用分组无线业务隧道协议（GTP）、MIPv4、DSMIPv6和PMIPv6协议的支持。IETF对移动性管理的研究最为全面，提出了MIPv4、MIPv6、PMIPv6以及HIP等主流技术。下面是其中的代表性协议：

（1）移动IPv6协议

移动IP是在网络层解决终端移动性问题的方案，具有高扩展性、高可靠性以及高安全性的特点，同时该协议与底层的传输介质无关，并对上层应用透明，能够保证移动终端携带某个固定IP地址跨越不同网段时实现数据的无缝不间断传输，对业务的连续性有较高保障。

移动IPv6协议（MIPv6）是基于IPv6协议，对MIPv4协议的升级。MIPv6定义了3类功能实体：移动节点（MN）、对端节点（CN）以及家乡代理（HA），如图2所示。MIPv6通过提供快速切换和平滑切换提供对移动性的支持。快速切换能够减小移动节点建立新的通信路径时的延迟时间。目前，有多种关于快速切换的建议，比如通过预测移动节点移动，提前发送数据包的多个副本到移动节点可能的移动目的地。也有基于分层MIPv6的移动管理模型，这种模型对移动IP的切换进行了改善，提供了移动锚点（MAP）功能。此外，一些比较新的切换方法采用了小组广播（SGM）的明确组播技术（Xcast），利用基站将接受到的控制/用户数据报以组播的形式发送到基站和移动节点之间的无线链路上[5]。平滑切换则旨在减小切换过程中的丢包率，MIPv6提供了缓存机制，移动节点能够要求当前子网的路由器缓存其数据包，直到完成其向新子网内路由器的注册过程。

（2）代理移动IPv6协议（PMIPv6）

代理移动IPv6协议（PMIPv6）旨在优化移动节点在移动过程中的网络开销，它不需要移动节点参与移动性管理[6]。PMIPv6协议引入了移动接入网关（MAG）和本地移动锚点（LMA）两个功能实体，为移动节点提供基于网络的区域性移动性支持。MAG代表所有附着在其上的移动节点向本地移动锚点发送绑定更新，而跨MAG的移动节点的移动性则由LMA管理，其网络结构如图3所示。

（3）HIP协议

为了增强对移动性的支持，解决IP地址既被用作主机标识，又被用于提供路由信息的困境，IETF为网络层IP协议关联了新的HIP子层，该子层介于IP层之上，传输控制协议/数据报协议（TCP/UDP）层之下，在和上层的通信过程中可替代IP地址的作用，而IP地址则可专注于路由寻址[7]。HIP协议的使用能够在主机间提供快速的身份交换，一旦两个主机间完成身份交换，则建立起一对安全连接，大幅提高数据交互的安全性。此外，由于IP地址的主机标识与位置标识功能实现了分离，多家乡、IP地址动态分配以及不同网络区域之间的互访问题均得到较好的支持。

1.2 轻量级IP协议适配

移动应用的快速普及，尤其是移动互联网向物联网的延伸和拓展使得大量移动终端设备需要通过IP数据通道与网络和应用进行信息交互。未来的移动互联网不仅仅需要支持人与人的通信，还需要支持人与机器、机器与机器之间的通信需求。然而，移动终端普遍计算能力受限，并且不同类型的终端所具备的计算能力参差不齐，它们对IP协议栈的支持程度各不相同，现有的终端设备往往都对IP协议栈进行了不同方式的剪裁，这就给不同类型的终端设备互联互通带来了困难，亟需统一的轻量级协议来规范设备间的互通问题。

轻量级IP协议描述的是传输控制协议/网间协议（TCP/IP）簇的轻量级实现，其标准主要在IETF完成，然后在IPSO、ZigBee、ISA等标准组织中应用。目前，轻量级IP技术协议需要解决3个层面的问题。首先是协议栈方面，IPv6协议如何适配到移动互联网接入终端的链路层和物理层，其次是路由问题，如何针对轻量级IPv6节点设计路由协议，最后是应用层问题，即如何设计一个能在能力受限节点上运行的应用层协议，承载各种不同的业务。IETF的4个工作组共同承担了上述任务：

（1）LWIG工作组

该工作组目标是收集在受限设备中IP协议栈实现经验，以输出一份描述降低复杂性、内存占用以及耗电量的轻量级IP协议实现技术相关的指导文档。

（2）CoRE工作组

受限IP网络上的数据包大小有限，且容易出现高丢包率，网络中的移动设备会在任何时间点关机，也会在短暂的时间内定期“苏醒”。这种严重受限于吞吐量、可用功率以及节点的有限内存的网络被称为“受限网络”。CoRE[8]正是致力于为受限IP网络上运行面向资源的应用提供统一的框架。作为构建应用程序的框架的一部分，CoRE定义了一个受限应用协议——轻量级应用层协议（CoAP），用以操作设备中的资源。

（3）6LowPan工作组

该工作组的任务在于定义如何利用IEEE 802.15.4链路支持基于IP的通信，同时遵守开放标准以及保证与其他IP设备的互操作性。目前，IETF 6loWPAN[9]工作组正计划将IEEE 802.15.4完善为支持IP通信连接，使其成为一类真正开放的标准，最终完全实现与其他IP设备之间的互操作。

（4）ROLL工作组

该工作组的目标是使得公共的、可互操作的第三层路由能够穿越任何数量的基本链路层协议和物理媒体。为了满足低功耗松散网络中的路由机制的需求，在路由需求、链路选择定量指标等工作的基础上，ROLL[10]工作组研究制订了低功耗有损网络路由协议（RPL）协议。这个协议提供了一种新的路由机制，这种机制支持低功耗松散网络中的内部设备和中心控制节点之间的多点到点的通信，同时也支持中心控制节点和低功耗松散网络中的内部设备之间的点到多点的通信。

1.3 异构网络的多接口接入

网络技术的发展为用户提供了多种不同的无线接入方式，包括以太网、通用分组无线业务（GPRS）网络、3G网络、LTE网络、Wi-Fi以及WiMax等。而芯片技术的进步使得一个移动终端同时具备多种无线网络的接入能力成为现实，具备这种多网络接入能力的终端即多接口终端，例如内置了无线网卡、以太网卡以及3G数据卡槽的笔记本电脑，具备连接多种制式移动网络及支持Wi-Fi连接功能的智能手机。在需要获得多种网络特性支持的移动应用场景下，终端多连接能够为不同的应用所产生的数据包寻求最适合的网络，也可以在离开某个服务网络的覆盖区域时，通过其他接入方式继续保持网络连接，实现永远“IP在线”。

异构网络的多接口接入，需要消除多种网络接入方式带来的潜在冲突，利用多个接口的传输能力、可接入性、安全性等能力实现接口信息及控制流的融合，对上层应用屏蔽多接口带来的操作复杂性，将终端的多接口特性转换为综合优势。目前，多个国际标准化组织在地址选择机制、流重定向、负载均衡以及带宽聚合等方面开展了部分研究。

IETF提出了多接口主机和多家乡主机的概念[11]。使用不同的接口同时连接到不同类型的接入网络，每个接口对应一个连接，这样的主机称为多接口主机。IETF主要关注于多接口主机中多个接口的使用问题。而拥有多个IP地址的节点被IETF定义为多家乡节点，这些节点可以同时使用多个IP地址，并且每个IP地址对应一个连接。3GPP将PDN连接定义为由IPv4或IPv6地址表示的UE和有APN表示的PDN之间的关联[12]。在3GPP的体系架构中，基于PMIP和基于GTP的接口上支持多个PDN连接，3GPP分别定义了不同组合场景的多PDN连接问题。

目前，关于多接口连接的研究集中在以下方面：

（1）地址选择

对拥有多个地址的多家乡节点而言，在建立通信连接是需要根据用户喜好、出口过滤、链路特征、接口类型等指定合适的地址选择策略。

（2）负载均衡/流分配

在有多个接入点时，选择负载较小的连接进行流传输，或者根据流与端口的映射规则选择合适的流传输接口。

（3）聚合带宽

将连接到不同链路或网络的多个接口所提供的带宽进行合并，为应用提供更多的带宽。

2 移动互联网对通信网络

带来的影响及其技术特征

移动智能终端的迅速普及以及微博、微信、移动QQ、移动视频等OTT业务的流行，对移动通信网络基础设施的服务能力以及传统的以运营商为主导的商业模式带来了巨大的冲击。首先，“永远在线”和“快速休眠”的移动互联网应用模式造成了信令流量对网络控制的巨大冲击，“信令风暴”的风险严重威胁着网络的正常运转；其次，大量用户同时在线的移动互联网应用吞噬了大量的无线资源，对网络服务质量造成了不小的冲击，而话音通话所必需的无线带宽被占用的情况越来越普遍；再次，移动运营商占主导地位的传统利益分配格局在移动互联网时代被打破，数据流量的增长并没有提升运营商的数据业务盈利能力，相反“剪刀差”效应愈加明显，而移动终端制造商和互联网企业则凭借强大的创新能力和资源整合能力，在移动互联网的产业链中占尽先机。移动互联网的繁荣，一方面对传统的通信网络带来了挑战，另一方面在客观上也促进了通信网的基础设施和网络体系架构的演进升级以及商业应用模式的创新。

2.1 移动互联网应用对网络资源的

抢占

虽然移动通信和互联网在各自领域都取得了巨大的成功，但是他们在终端形态、网络架构、应用类型和用户行为等方面都存在很大差异性。当以数据通信为基础的移动互联网业务承载在主要为语音业务设计的移动通信网上时，对网络的资源效率、容量和信令等都产生了巨大的冲击。

移动互联网的主流业务类型和特征与传统的互联网存在着很大的不同，网页浏览，流媒体以及社交网络服务（SNS）类业务是当前的主要业务类型。用户喜好通过文字、语音甚至视频进行实时通信，而网络访问行为因此更加频繁和短暂。这些应用每次所产生的数据量并不大，数据流在时间分布上呈现出一定的周期性和突发性，通常把这类应用所对应的业务定义为小包业务，SNS、IM、VoIP是其主要业务形式。小包业务发送的信息具有总流量少、IP数据包少、数据传输持续时间短、交互频繁的特点。这就导致了无线连接状态频繁迁移（RRC状态从IDLE/PCH迁移至FACH/DCH），网络连接频繁建立和释放（Service Request和IU Release），对网络设备（RAN和PS）造成了巨大的信令冲击。

造成“信令风暴”的另一个原因在于移动终端需要“永远在线”，但是为了节电，终端厂家普遍采用了“快速休眠”机制，一旦屏幕关闭，终端则会在3～5 s内强行拆除终端与基站之间建立的无线数据链路。这就导致了在一个业务过程中，移动智能终端会不断地进行“休眠-激活”，在业务激活失败的情况下，移动终端会持续尝试激活。而激活失败多数情况是由终端配置错误、没有业务签约或者话费不足等非网络故障原因造成的。重复激活信令在网络中大量长期存在将对网络产生各种无谓的信令负担。

此外，大量的推送类移动应用带来的寻呼信令也是造成网络信令压力的重要原因。寻呼是在一个较大的区域内完成的，由于涉及到数十个甚至上百个基站，这些寻呼信令给无线网络带来了严重的负担。

“信令风暴”本质上是有限的无线资源与应用程序之间的大量信令交互之间的矛盾。因此，需要智能终端厂商、网络设备厂商和网络运营商多方协作，共同解决这一难题。智能终端厂商应该从芯片、智能终端操作系统级别提供对“网络友好”的信令协议的支持，尽量减少不必要的信令开销。移动应用开发者在开发程序时需要优化合理的“心跳机制”，减少频繁的“心跳”。网络设备商应该提高网络设备的信令面容量，增强设备的稳定性，并且通过软硬件升级降低信令负载。而网络运营商，则需要对网络运行状态和网络容量进行评估及预测，根据移动互联网的话务模型调整网络规划和运营策略。

从技术层面来分析，信令风暴问题需要从移动终端、无线接入网、核心网多个层面来协同解决。针对移动互联网应用大量采用心跳机制以维持和服务器之间的连接，以及快速休眠特性对网络带来巨大信令负担这一状况，可以通过PCH状态控制及快速休眠（Fast Dormancy）机制来减少大量的RRC接入信令。使用Fast Dormancy机制后，RNC在接收到移动终端发送的SCRI信令后，不必释放RRC连接，只需将移动终端的状态驻留在CELL_FACH/PCH态，从而最大限度减少RRC信令。此外，为了提升CELL_FACH状态下数据传输的效率，3GPP R7和R8提出了增强型公共信道（HS_FACH/HS_RACH以及CELL_FACH_DRX）。基于此种技术，移动互联网应用所产生的大量小数据包能够在CELL_FACH上传输，移动终端无需在RRC态和下行链路空闲（IDLE）态之间切换，节省了由于状态切换引入的信令资源浪费。

对于重复激活信令现象，移动终端厂商应该规范终端行为，对网络下发的拒绝原因做出合理的处理。而3GPP R10引入的T3446定时器可以作为退避计时器（Backoff Timer），进一步规范网络对终端的控制策略，一旦探测到终端的重复激活行为，网络侧可以启动Backoff Timer定时器控制移动终端的等待时间。在现网尚不支持3GPP R10的情况下，核心网可以通过构造虚假激活避免大量重复激活信令对网络造成的冲击。

通过引入智能寻呼，缩小寻呼范围以及空口寻呼量。在UMTS网络中，寻呼信令对无线接入网络（RAN）造成了严重的负荷。若用户处于IDLE/URA_PCH状态之下，寻呼信令会下发到整个LA/RA/URA区中的所有用户。为此，在UMTS网络中需要引入分级寻呼机制，根据用户的移动规律，先在用户经常活动的小区范围内寻呼，寻呼失败再在整个LA/RA/URA区内进行寻呼。

LTE提供了更有效的智能寻呼解决方案，能够根据移动终端的移动性选择不同范围的寻呼控制，对于低速移动的移动终端，启用单一基站（eNodeB）寻呼，而对于移动性较高的终端，则可以进行基于跟踪区（TA）或者跟踪区列表（TA List）的寻呼控制，以此达到寻呼开销与寻呼效率之间的平衡。

2.2 推进网络体系架构向LTE演进

和升级

LTE以正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MIMO）无线接入技术为基础，采用扁平化的全IP架构，相对于2G/3G网络，LTE能够为移动互联网提供更强大的业务支撑能力。其技术优势体现在：

（1）OFDM、MIMO技术的使用能够大大提升频谱效率，为用户提供更高的无线接入速率。在4×4 MIMO及64QAM的条件下，其上行速率可达170 Mb/s，下行速率高达300 Mb/s，分别为3GPP R8 HSPA的8～9倍和3～4倍。具有高速率、高频谱利用率、高吞吐率特点的LTE网络完全能够承载移动电视高清视频类移动互联网应用。

（2）LTE支持对称及非对称的带宽分配策略，运营商能够灵活设置载频。视频电话、UGC等对上行带宽有较高要求的移动应用能够从中获益。

（3）更短的网络时延，控制平面的时延不超过100 ms，而用户平面单向时延不到5ms。交互式应用，尤其是互动类网络游戏能够获得与有线网络相当的高质量用户体验。

（4）LTE各基站之间建立的X2接口支持高速移动条件下的无缝切换。上述特性保证了LTE网络对移动互联网业务具有更强的适配性。

目前，3GPP组织在其LTE计划中提出了演进的分组系统（EPS）系统，以构建一个简单通用，能够集成现有业务和应用的网络系统，为用户提供丰富、高质、无缝业务体验及灵活可靠的业务体验，为运营商提供可管、可控的运营能力[13-14]。EPS系统架构包括演进的分组核心网（EPC）和演进的通用移动通信系统陆地无线接入网（E-UTRAN），如图4所示。

在接入网E-UTRAN一侧，eNodeB节点包含了UMTS网络中NodeB节点的所有功能，并部分集成了RNC的功能，网络结构更趋扁平化。由于信令处理流程大幅简化，呼叫建立时延及数据传输时延缩短，提升了移动互联网应用的用户体验。此外，由于eNodeB节点之间通过X2接口相连，并且采用IP技术传输，终端设备在移动过程中能够保持无缝切换，从而有效提升业务的移动性。eNodeB节点与EPC中的多个移动性管理实体（MME）和信令网关（S-GW）通过S1-MME和S1-U接口建立连接，这样终端在移动过程中能够始终与驻留在相同的MME/S-GW上，由此减少了接口间的信令交互。

EPC是LTE的核心网，在EPC中网络控制平面与用户数据平面分离，同时其用户平面更趋向与扁平化，能够应对网络流量的迅速增长。EPC系统采用全IP化的传输技术，移动终端即使在不同的接入技术之间进行切换也能保持业务的连续性。在EPC系统中，移动终端一旦接入系统，便会被分配一个IP地址以建立默认承载，该承载在移动终端接入网络的整个过程永久存在，通过这种方式用户在任何时刻均IP可达，移动应用能够真正实现“永久在线”。S-GW和公用数据网网关（P-GW）是用户平面的主要网关设备，而信令处理功能则从3G网络中的服务通用分组无线业务支持节点（SGSN）节点分离出来，单独构成一个新的功能实体MME，这种控制平面与用户平面相分离的结构使得MME只需要负责用户及会话管理的相关控制，如NAS信令、移动性管理、切换控制、核心网节点选择，而S-GW则专注于用户数据传输与路由切换。

2.3 异构接入网络的融合

多种移动网络趋向融合是移动互联网发展的必然要求，EPC架构既支持3GPP标准的UMTS、LTE接入方式，同时也支持CDMA、WLAN、WiMax等非3GPP标准的接入能力，能够实现对2G/3G/LTE/WLAN等异构网络的融合。构建融合分组域是提供数据业务的关键，为此可以分阶段实施融合。前期可以采用独立建设方案，后期随着用户及业务量的增长，完成对不同分组域的融合。在实施融合的过程中，可以优先完成2G/3G与EPC的融合，后续实施无线局域网（WLAN）等非3GPP标准与蜂窝网间的融合，提升WLAN业务访问体验，分流运营商自有数据业务和提供更高的接入带宽，最终实现2G/3G/LTE/WLAN的共核心网建设。

3 结束语

移动智能终端的快速普及，使得移动互联网正以更加神奇的速度渗透进人们生活的方方面面。作为移动应用的基础承载网络，移动互联网对传统的IP网络在移动性管理、轻量级IP协议适配、异构网络多接口接入等方面提出了一系列新的要求。而基于移动智能终端的应用在继承传统互联网开放创新特性的同时，也产生了不同于传统互联网应用和话音业务的话务模型，这对按照长连接/峰值吞吐量设计的移动通信网体系结构提出了严峻的挑战。

以IPv6为基础的移动性管理方案对移动互联网的可用性、效率和可扩展性具有重要价值。而随着移动互联网向纵深的发展，未来的移动互联网会出现更多能力受限的终端节点存在IP通信的需求，为存在能力差异的终端节点设计规范的轻量级IP协议是保证移动互联网与物联网逐步融合的基础要求。网络技术的发展为用户提供了多种可供选择的无线接入方式，通过多接口实现异构网络技术的融合，能够为移动应用提供更多的带宽资源和更可靠的网络传输保障。

小包比例、短连接以及信令/流量比显著增加是移动互联网话务模型的典型特点，这给移动通信网络造成了严重的威胁，并影响着网络进一步的流量承载和长期盈利能力。对于“信令风暴”给网络带来的巨大冲击，需要终端厂商、设备商、网络运营商共同努力，从设备，网络两个方面协同解决。而LTE作为第四代移动通信网络的主要标准，采用全IP、扁平化的体系架构，并且支持2G/3G/LTE/WLAN等异构网络的融合，能够为移动互联网提供强大的业务支撑。

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