地鐵環(huán)境下支持移動IP無線接入點的研究與設(shè)計

　　0引言

　　隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，地鐵運行環(huán)境中的控制信息、通信信息將越來越趨向于無線技術(shù)，WIAN(無線局域網(wǎng))由于其開放的標(biāo)準(zhǔn)、良好的接入、具有足夠的固有容量，以及在不影響列車控制應(yīng)用性能的同時還可以提供軌道與列車間的額外應(yīng)用如視頻、語音等，目前正越來越受到各大廠商的關(guān)注，包括西門子、阿爾斯通等。作為無線網(wǎng)絡(luò)中的重要組成之一的無線AP(接入點)，開發(fā)遵守IEEE 802.11、IEEE 802.1d以及IEEE 802.3等協(xié)議，主要包含橋接與移動管理的功能，目前市場上成熟的產(chǎn)品大部分是實現(xiàn)了網(wǎng)橋的功能，并不上升到網(wǎng)絡(luò)層，因此，移動主機的散步只能在同一個ESS(擴展服務(wù)集)內(nèi)。而地鐵長度從十幾公里到幾十公里不等，列車作為一個移動節(jié)點與各AP的通信不可能只是在一個ESS內(nèi)，因此，移動中的通信依靠現(xiàn)有的AP是無法充分滿足要求的，同時，列車的高速移動以及無線接人的頻繁切換，也將是無線接入設(shè)計的制約因素之一。

　　1移動IP協(xié)議簡述

　　移動IP協(xié)議定義了MN(移動節(jié)點)、HA(家鄉(xiāng)代理)和FA(外區(qū)代理)3個實體。HA是MN家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)中的路由器，維持MN家鄉(xiāng)地址到轉(zhuǎn)交地址的映射；FA是MN訪問的外區(qū)網(wǎng)絡(luò)中的路由器，它將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給MN點；MN采用一個固定不變的IP地址為家鄉(xiāng)地址(Home Address)來標(biāo)識自己，一次登錄后就可實現(xiàn)在任何位置上保持與主機的通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)漫游。當(dāng)MN離開家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)后，為了進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，它會獲得一個臨時地址，稱為CoA(轉(zhuǎn)交地址)，用來作為路由。

　　當(dāng)MN在網(wǎng)絡(luò)中移動時，移動IP實現(xiàn)的基本過程是：

　　a)代理發(fā)現(xiàn)：判定MN當(dāng)前是連在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)上還是外地網(wǎng)絡(luò)上，檢測它是否切換了鏈路。當(dāng)連在外地網(wǎng)絡(luò)上時，MN會得到一個CoA。

　　b)注冊：MN根據(jù)當(dāng)前所在的位置，如果它當(dāng)前在外地網(wǎng)絡(luò)，它要得到外地代理的路由服務(wù)，將得到的CoA通知HA，可以使一個注冊生效。當(dāng)它回到家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)時要進(jìn)行注銷。

　　c)移動時的通信：當(dāng)MN完成注冊后，就可以利用自己的家鄉(xiāng)地址在外區(qū)網(wǎng)絡(luò)上通信，這種通信對MN和與之通信的對方主機來說是透明的，發(fā)往MN的數(shù)據(jù)報經(jīng)由HA用隧道方式發(fā)送到MN的CoA。

　　2移動漫游的設(shè)計

　　在設(shè)計的方案中，繼承了移動IP的原理，不僅要求移動的STA(站適配器)以及AP本身對移動性進(jìn)行支持，也就是要延伸到網(wǎng)絡(luò)層，提供基于IP的轉(zhuǎn)發(fā)，而且要求在網(wǎng)絡(luò)中引入移動代理這樣的實體。結(jié)合實際的硬件平臺情況，在網(wǎng)絡(luò)層借鑒移動IP協(xié)議的設(shè)計思想，設(shè)計了特定于地鐵環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)層移動漫游方式，將移動代理功能與AP進(jìn)行分離，由PC機來實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計如圖1所示，其中A網(wǎng)段為家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)，B、C網(wǎng)段為外地網(wǎng)絡(luò)。

　　2.1移動與代理的設(shè)計

　　HA和FA的代理功能是由PC機實現(xiàn)。AP和MNSTA功能及性能由專用ARM嵌入式芯片、無線收發(fā)芯片以及Linuxdrv.o驅(qū)動程序提供保障。其中，驅(qū)動程序Linuxdrv.o工作在各個開發(fā)板AP和STA的底層。

　　在實際工程中，同一外地子網(wǎng)內(nèi)一般存在多個AP，若移動代理由AP實現(xiàn)，也就是存在多個FA，由于移動節(jié)點STA的高速移動，將導(dǎo)致與之連接的AP頻繁切換，F(xiàn)A頻繁變更，對于系統(tǒng)而言開銷會很大，有效的通信時間非常短。同時，受硬件性能的影響，如果在上面承載移動代理的管理功能，增加了AP的處理負(fù)荷，對AP自身的性能也有影響。因此，考慮移動代理功能由PC機提供，在一個子網(wǎng)中只存在一個移動代理。同時，AP需要與MN STA建立連接，建立到STA的路由信息，并且經(jīng)過一定的判斷，然后發(fā)送注冊請求給其所在網(wǎng)絡(luò)的代理。

　　由于代理功能與AP分開，網(wǎng)絡(luò)的組建需要付出一定的代價，層次比較多，路由器的負(fù)擔(dān)和網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度有一定的增加，但是保證了注冊過程和隧道技術(shù)的實現(xiàn)，而AP的功能也就較為單純可靠。

　　對于移動性問題的解決，我們基于Linux的Redhat9.0操作系統(tǒng)的開放內(nèi)核，使用標(biāo)準(zhǔn)C語言，編寫完成移動IP通信程序，所有程序經(jīng)過Linux內(nèi)置gcc編譯器編譯通過，然后移植到AP、STA和代理服務(wù)器(包含HA和FA)上，可以保證STA在家鄉(xiāng)區(qū)域和外地區(qū)域的網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)間切換的正常性。在Linux平臺上實現(xiàn)了代理協(xié)議功能，該協(xié)議采用socket編程實現(xiàn)，以進(jìn)程方式運行在后臺，隨時接收或截獲數(shù)據(jù)，并完成相應(yīng)的功能。

　　2.2代理發(fā)現(xiàn)

　　STA移動過程中，首先要了解自己現(xiàn)在的位置，即它當(dāng)前正在與哪一個AP連接，正處在哪個網(wǎng)絡(luò)中。在移動過程中要實現(xiàn)這個功能，STA必須實時地監(jiān)控移動途中的AP，并且能夠找到所在范圍內(nèi)信號最強的AP。所以，在STA運行后，開啟了一個守護(hù)進(jìn)程Dae-mon，實時掃描所移動的范圍內(nèi)的AP信號強度，并且能與合適的AP建立連接，通過監(jiān)測MN STA與AP的連接狀態(tài)，提供相應(yīng)信息給STA上的進(jìn)程，確定自身的位置。

　　為了在STA與AP建立連接后AP第一時間得到該STA的信息，在STA上開發(fā)了進(jìn)程模塊stabc和stagw，在AP上開發(fā)了進(jìn)程模塊apconn。STA系統(tǒng)啟動，在無線驅(qū)動加載之后就啟動進(jìn)程stabc，不停地發(fā)送廣播包，AP在收到STA發(fā)送的廣播包后，啟動進(jìn)程模塊apconn，分析廣播包的內(nèi)容，確定該廣播包是STA發(fā)送的廣播包后，會給STA上的另一個進(jìn)程stagw發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)包消息，然后STA無線口要通過這個進(jìn)程stagw經(jīng)過一些判斷后，知道自己在哪個網(wǎng)絡(luò)中，決定設(shè)置網(wǎng)關(guān)，或者不設(shè)置，或者刪除原有網(wǎng)關(guān)、設(shè)置新網(wǎng)關(guān)。同時，AP上的apconn進(jìn)程還要建立到STA的路由信息，并把所得到的STA相關(guān)情況告知本網(wǎng)絡(luò)的代理PC機。

　　2.3注冊與隧道建立

　　AP上的進(jìn)程apconn收到STA的連接請求后通過有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送通知給MN STA目前所在區(qū)域的FA或HA，代理將設(shè)置到STA的特定主機路由。此外，如果STA是在外區(qū)，HA上的進(jìn)程將收到來自FA上進(jìn)程發(fā)來的注冊信息，由HA上的進(jìn)程建立隧道，實現(xiàn)到STA的通信鏈路的建立。注冊與隧道流程如圖2所示。

        
 
　　FA通過運行agent和toproxy這2個進(jìn)程來完成自身的功能，其中agent進(jìn)程接收AP上進(jìn)程apconn發(fā)來的注冊信息，判斷注冊信息的內(nèi)容，設(shè)置到STA特定主機路由，然后激發(fā)toproxy進(jìn)程，由此進(jìn)程將注冊請求信息發(fā)送給HA。 

　　HA通過開啟proxy和mobileip這2個進(jìn)程來完成自身的功能。其中：proxy進(jìn)程用來接收STA在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)時，家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)的AP發(fā)來的注冊信息，設(shè)置到STA特定主機路由；mobileip進(jìn)程主要用來接收從外區(qū)網(wǎng)絡(luò)的FA發(fā)來的注冊請求，收到注冊請求后，建立到相應(yīng)FA的隧道，隧道技術(shù)采用的是由RFC2003定義的IP in IP封裝技術(shù)。這樣，當(dāng)MN漫游在外區(qū)網(wǎng)絡(luò)時，HA代替它在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)上接收發(fā)往MN的數(shù)據(jù)包，然后通過隧道進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，使得通信不會因為MN的移動而中斷。

　　2.4移動的工作過程

　　因為在組網(wǎng)上的層次設(shè)計上有一定的特殊性，所以進(jìn)程的設(shè)計不僅要考慮完成傳統(tǒng)移動IP方案中的注冊和隧道建立過程，還要考慮路由的建立、更新或刪除等問題，工作過程也就有一定的特殊性。

　　如果MN只在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)中移動，則不用建立隧道，只要進(jìn)行正常通信的方式實現(xiàn)通信對端與移動主機的通信。在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行切換時，如STA由AP1切換到AP2，STA更新自己的網(wǎng)關(guān)指向AP2，AP2通過進(jìn)程apconn通知HA上的進(jìn)程proxy，proxy收到控制信息后，更新指向STA的特定主機路由。

　　如果MN STA移動到外區(qū)網(wǎng)絡(luò)中去，就要啟動FA的功能，如從AP2切換到AP3時，STA通過進(jìn)程stagw更新自己的新網(wǎng)關(guān)為AP3，AP3上的apconn進(jìn)程模塊觸發(fā)FA模塊中的agent進(jìn)程，由它更新指向STA的特定主機路由，然后觸發(fā)toproxy進(jìn)程向HA發(fā)送注冊請求消息，HA收到后由mobile IP進(jìn)程處理，先搜索舊隧道，如果存在時刪除舊隧道，建立HA到FA的隧道，如果不存在舊隧道就直接建立隧道，同時，刪除原來指向STA的特定主機路由。

　　如果STA是從外區(qū)網(wǎng)絡(luò)回到家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)，如從AP3切換到AP2，在proxy得到這一信息后，在更新完STA的特定主機路由后要觸發(fā)HA進(jìn)程mobile IP，由它搜索與外區(qū)網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器之間的舊隧道，找到后刪除舊隧道，并發(fā)送刪除隧道的信息給對應(yīng)的FA，F(xiàn)A通過進(jìn)程agent來刪除舊的指向STA的特定主機路由。

　　3結(jié)果與結(jié)論

　　采用以下兩種方法對此移動漫游方案的性能進(jìn)行測試：

　　1)使用IxChariot軟件

　　IxChariot軟件能夠統(tǒng)計漫游過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N參數(shù)，如最高速率、最低速率、平均速率和速率分布等，并能直觀觀察傳輸速率的實時變化情況。其參數(shù)設(shè)置為UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)的窗口為1 200字節(jié)，重傳超時為500 ms，重傳嘗試50次。測試腳本中file_size=4096，packet size=1024。

　　先在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行移動測試，如圖1中在AP1與AP2間來回移動，STA的移動速度分別為10 km／h、30 km／h和50 km／h，觀察近10 min，結(jié)果記錄如表1所示。

        
 
　　在不同網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行移動測試，如在圖1中的家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)和外區(qū)網(wǎng)絡(luò)間來回移動，用同樣的方法測試，記錄結(jié)果如表2所示。
 
           

　　2)使用ping方式

　　通過從通信對端ping MN的家鄉(xiāng)地址來驗證隧道路由，以及MN是否能夠用家鄉(xiāng)地址與通信對端進(jìn)行通信。發(fā)送100個數(shù)據(jù)包，測丟包率。MN的移動速度分別為10 km／h、30 km／h和50 km／h，結(jié)果如表3～表6所示。

        
 
　　實驗測試結(jié)果驗證了所開發(fā)的移動漫游軟件的功能，能夠完成控制MN STA在無線接入點AP之間快速正確的切換，在不同的網(wǎng)段中移動時實現(xiàn)了漫游功能，并且保持與有線網(wǎng)絡(luò)的連接暢通。

　　本設(shè)計利用Linux內(nèi)核的開放性，利用軟件在網(wǎng)絡(luò)層上實現(xiàn)了移動漫游功能，使得這種漫游相對于網(wǎng)絡(luò)層以下的層次是透明的，與網(wǎng)絡(luò)底層設(shè)備無關(guān)。它繼承了移動IP的思想，但又進(jìn)行了一定的修改，使得代理的主要工作與AP分離，保證了漫游通信的性能。在符合嵌入式開發(fā)板系統(tǒng)配置的參數(shù)條件下，軟件系統(tǒng)運行是穩(wěn)定可靠的。由于受到硬件條件與資源配置的限制，在傳輸速率及切換的高速性方面仍然有許多工作要完善。