地鐵環(huán)境下支持移動(dòng)IP無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)的研究與設計

　　0引言

　　隨著(zhù)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(lái)越趨向于無(wú)線(xiàn)技術(shù)，WIAN(無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng))由于其開(kāi)放的標準、良好的接入、具有足夠的固有容量，以及在不影響列車(chē)控制應用性能的同時(shí)還可以提供軌道與列車(chē)間的額外應用如視頻、語(yǔ)音等，目前正越來(lái)越受到各大廠(chǎng)商的關(guān)注，包括西門(mén)子、阿爾斯通等。作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的重要組成之一的無(wú)線(xiàn)AP(接入點(diǎn))，開(kāi)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(dòng)管理的功能，目前市場(chǎng)上成熟的產(chǎn)品大部分是實(shí)現了網(wǎng)橋的功能，并不上升到網(wǎng)絡(luò )層，因此，移動(dòng)主機的散步只能在同一個(gè)ESS(擴展服務(wù)集)內。而地鐵長(cháng)度從十幾公里到幾十公里不等，列車(chē)作為一個(gè)移動(dòng)節點(diǎn)與各AP的通信不可能只是在一個(gè)ESS內，因此，移動(dòng)中的通信依靠現有的AP是無(wú)法充分滿(mǎn)足要求的，同時(shí)，列車(chē)的高速移動(dòng)以及無(wú)線(xiàn)接人的頻繁切換，也將是無(wú)線(xiàn)接入設計的制約因素之一。

　　1移動(dòng)IP協(xié)議簡(jiǎn)述

　　移動(dòng)IP協(xié)議定義了MN(移動(dòng)節點(diǎn))、HA(家鄉代理)和FA(外區代理)3個(gè)實(shí)體。HA是MN家鄉網(wǎng)絡(luò )中的路由器，維持MN家鄉地址到轉交地址的映射；FA是MN訪(fǎng)問(wèn)的外區網(wǎng)絡(luò )中的路由器，它將數據包轉發(fā)給MN點(diǎn)；MN采用一個(gè)固定不變的IP地址為家鄉地址(Home Address)來(lái)標識自己，一次登錄后就可實(shí)現在任何位置上保持與主機的通信，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )漫游。當MN離開(kāi)家鄉網(wǎng)絡(luò )后，為了進(jìn)行數據包的轉發(fā)，它會(huì )獲得一個(gè)臨時(shí)地址，稱(chēng)為CoA(轉交地址)，用來(lái)作為路由。

　　當MN在網(wǎng)絡(luò )中移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)IP實(shí)現的基本過(guò)程是：

　　a)代理發(fā)現：判定MN當前是連在家鄉網(wǎng)絡(luò )上還是外地網(wǎng)絡(luò )上，檢測它是否切換了鏈路。當連在外地網(wǎng)絡(luò )上時(shí)，MN會(huì )得到一個(gè)CoA。

　　b)注冊：MN根據當前所在的位置，如果它當前在外地網(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(gè)注冊生效。當它回到家鄉網(wǎng)絡(luò )時(shí)要進(jìn)行注銷(xiāo)。

　　c)移動(dòng)時(shí)的通信：當MN完成注冊后，就可以利用自己的家鄉地址在外區網(wǎng)絡(luò )上通信，這種通信對MN和與之通信的對方主機來(lái)說(shuō)是透明的，發(fā)往MN的數據報經(jīng)由HA用隧道方式發(fā)送到MN的CoA。

　　2移動(dòng)漫游的設計

　　在設計的方案中，繼承了移動(dòng)IP的原理，不僅要求移動(dòng)的STA(站適配器)以及AP本身對移動(dòng)性進(jìn)行支持，也就是要延伸到網(wǎng)絡(luò )層，提供基于IP的轉發(fā)，而且要求在網(wǎng)絡(luò )中引入移動(dòng)代理這樣的實(shí)體。結合實(shí)際的硬件平臺情況，在網(wǎng)絡(luò )層借鑒移動(dòng)IP協(xié)議的設計思想，設計了特定于地鐵環(huán)境下網(wǎng)絡(luò )層移動(dòng)漫游方式，將移動(dòng)代理功能與AP進(jìn)行分離，由PC機來(lái)實(shí)現，網(wǎng)絡(luò )結構的設計如圖1所示，其中A網(wǎng)段為家鄉網(wǎng)絡(luò )，B、C網(wǎng)段為外地網(wǎng)絡(luò )。

　　2.1移動(dòng)與代理的設計

　　HA和FA的代理功能是由PC機實(shí)現。AP和MNSTA功能及性能由專(zhuān)用ARM嵌入式芯片、無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片以及Linuxdrv.o驅動(dòng)程序提供保障。其中，驅動(dòng)程序Linuxdrv.o工作在各個(gè)開(kāi)發(fā)板AP和STA的底層。

　　在實(shí)際工程中，同一外地子網(wǎng)內一般存在多個(gè)AP，若移動(dòng)代理由AP實(shí)現，也就是存在多個(gè)FA，由于移動(dòng)節點(diǎn)STA的高速移動(dòng)，將導致與之連接的AP頻繁切換，FA頻繁變更，對于系統而言開(kāi)銷(xiāo)會(huì )很大，有效的通信時(shí)間非常短。同時(shí)，受硬件性能的影響，如果在上面承載移動(dòng)代理的管理功能，增加了AP的處理負荷，對AP自身的性能也有影響。因此，考慮移動(dòng)代理功能由PC機提供，在一個(gè)子網(wǎng)中只存在一個(gè)移動(dòng)代理。同時(shí)，AP需要與MN STA建立連接，建立到STA的路由信息，并且經(jīng)過(guò)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(kāi)，網(wǎng)絡(luò )的組建需要付出一定的代價(jià)，層次比較多，路由器的負擔和網(wǎng)絡(luò )的復雜度有一定的增加，但是保證了注冊過(guò)程和隧道技術(shù)的實(shí)現，而AP的功能也就較為單純可靠。

　　對于移動(dòng)性問(wèn)題的解決，我們基于Linux的Redhat9.0操作系統的開(kāi)放內核，使用標準C語(yǔ)言，編寫(xiě)完成移動(dòng)IP通信程序，所有程序經(jīng)過(guò)Linux內置gcc編譯器編譯通過(guò)，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在家鄉區域和外地區域的網(wǎng)內網(wǎng)間切換的正常性。在Linux平臺上實(shí)現了代理協(xié)議功能，該協(xié)議采用socket編程實(shí)現，以進(jìn)程方式運行在后臺，隨時(shí)接收或截獲數據，并完成相應的功能。

　　2.2代理發(fā)現

　　STA移動(dòng)過(guò)程中，首先要了解自己現在的位置，即它當前正在與哪一個(gè)AP連接，正處在哪個(gè)網(wǎng)絡(luò )中。在移動(dòng)過(guò)程中要實(shí)現這個(gè)功能，STA必須實(shí)時(shí)地監控移動(dòng)途中的AP，并且能夠找到所在范圍內信號最強的AP。所以，在STA運行后，開(kāi)啟了一個(gè)守護進(jìn)程Dae-mon，實(shí)時(shí)掃描所移動(dòng)的范圍內的AP信號強度，并且能與合適的AP建立連接，通過(guò)監測MN STA與AP的連接狀態(tài)，提供相應信息給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(shí)間得到該STA的信息，在STA上開(kāi)發(fā)了進(jìn)程模塊stabc和stagw，在A(yíng)P上開(kāi)發(fā)了進(jìn)程模塊apconn。STA系統啟動(dòng)，在無(wú)線(xiàn)驅動(dòng)加載之后就啟動(dòng)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(dòng)進(jìn)程模塊apconn，分析廣播包的內容，確定該廣播包是STA發(fā)送的廣播包后，會(huì )給STA上的另一個(gè)進(jìn)程stagw發(fā)送應答數據包消息，然后STA無(wú)線(xiàn)口要通過(guò)這個(gè)進(jìn)程stagw經(jīng)過(guò)一些判斷后，知道自己在哪個(gè)網(wǎng)絡(luò )中，決定設置網(wǎng)關(guān)，或者不設置，或者刪除原有網(wǎng)關(guān)、設置新網(wǎng)關(guān)。同時(shí)，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(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送通知給MN STA目前所在區域的FA或HA，代理將設置到STA的特定主機路由。此外，如果STA是在外區，HA上的進(jìn)程將收到來(lái)自FA上進(jìn)程發(fā)來(lái)的注冊信息，由HA上的進(jìn)程建立隧道，實(shí)現到STA的通信鏈路的建立。注冊與隧道流程如圖2所示。

        
 
　　FA通過(guò)運行agent和toproxy這2個(gè)進(jìn)程來(lái)完成自身的功能，其中agent進(jìn)程接收AP上進(jìn)程apconn發(fā)來(lái)的注冊信息，判斷注冊信息的內容，設置到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(guò)開(kāi)啟proxy和mobileip這2個(gè)進(jìn)程來(lái)完成自身的功能。其中：proxy進(jìn)程用來(lái)接收STA在家鄉網(wǎng)絡(luò )時(shí)，家鄉網(wǎng)絡(luò )的AP發(fā)來(lái)的注冊信息，設置到STA特定主機路由；mobileip進(jìn)程主要用來(lái)接收從外區網(wǎng)絡(luò )的FA發(fā)來(lái)的注冊請求，收到注冊請求后，建立到相應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MN漫游在外區網(wǎng)絡(luò )時(shí)，HA代替它在家鄉網(wǎng)絡(luò )上接收發(fā)往MN的數據包，然后通過(guò)隧道進(jìn)行轉發(fā)，使得通信不會(huì )因為MN的移動(dòng)而中斷。

　　2.4移動(dòng)的工作過(guò)程

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

　　如果MN只在家鄉網(wǎng)絡(luò )中移動(dòng)，則不用建立隧道，只要進(jìn)行正常通信的方式實(shí)現通信對端與移動(dòng)主機的通信。在家鄉網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行切換時(shí)，如STA由AP1切換到AP2，STA更新自己的網(wǎng)關(guān)指向AP2，AP2通過(guò)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(dòng)到外區網(wǎng)絡(luò )中去，就要啟動(dòng)FA的功能，如從AP2切換到AP3時(shí)，STA通過(guò)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(shí)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(shí)，刪除原來(lái)指向STA的特定主機路由。

　　如果STA是從外區網(wǎng)絡(luò )回到家鄉網(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的FA，FA通過(guò)進(jìn)程agent來(lái)刪除舊的指向STA的特定主機路由。

　　3結果與結論

　　采用以下兩種方法對此移動(dòng)漫游方案的性能進(jìn)行測試：

　　1)使用IxChariot軟件

　　IxChariot軟件能夠統計漫游過(guò)程中數據傳輸的各種參數，如最高速率、最低速率、平均速率和速率分布等，并能直觀(guān)觀(guān)察傳輸速率的實(shí)時(shí)變化情況。其參數設置為UDP(用戶(hù)數據報協(xié)議)的窗口為1 200字節，重傳超時(shí)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 )內進(jìn)行移動(dòng)測試，如圖1中在A(yíng)P1與AP2間來(lái)回移動(dòng)，STA的移動(dòng)速度分別為10 km／h、30 km／h和50 km／h，觀(guān)察近10 min，結果記錄如表1所示。

        
 
　　在不同網(wǎng)絡(luò )間進(jìn)行移動(dòng)測試，如在圖1中的家鄉網(wǎng)絡(luò )和外區網(wǎng)絡(luò )間來(lái)回移動(dòng)，用同樣的方法測試，記錄結果如表2所示。
 
           

　　2)使用ping方式

　　通過(guò)從通信對端ping MN的家鄉地址來(lái)驗證隧道路由，以及MN是否能夠用家鄉地址與通信對端進(jìn)行通信。發(fā)送100個(gè)數據包，測丟包率。MN的移動(dòng)速度分別為10 km／h、30 km／h和50 km／h，結果如表3～表6所示。

        
 
　　實(shí)驗測試結果驗證了所開(kāi)發(fā)的移動(dòng)漫游軟件的功能，能夠完成控制MN STA在無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)AP之間快速正確的切換，在不同的網(wǎng)段中移動(dòng)時(shí)實(shí)現了漫游功能，并且保持與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的連接暢通。

　　本設計利用Linux內核的開(kāi)放性，利用軟件在網(wǎng)絡(luò )層上實(shí)現了移動(dòng)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 )底層設備無(wú)關(guān)。它繼承了移動(dòng)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(kāi)發(fā)板系統配置的參數條件下，軟件系統運行是穩定可靠的。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。