第三章 移动IP和无线应用协议
无线网络技术
胡洁
如何与一位喜欢旅行的朋友保持联系
假设你有一位喜欢旅行的朋友，他经常变更地址，那么你该如何找到他？
可能的途径：
翻遍电话号码本？
询问他的父母？
希望他随时告知当时的位置？
他在哪里？
为什么需要移动IP技术？
移动IP技术可以满足在移动过程中不间断地接入Internet，并满足被叫的需求！
C
Internet
A
B
Send to
移
动
移动后，接入点改变了，相应的网络前缀就变化了！
丢失
移动IP
解决移动路由的基本方法与问题
为每一次改变接入点改变一次IP地址
— 传统的路由算法不能保持通信的连续性
路由表将急剧膨胀
接入点改变,IP地址不变
— 传统的路由算法处理特定的地址的负荷将大大增加路由器的负载
移动IP
移动IP的设计目标
移动结点在改变接入点时，无论是在不同的网络之间，或者是在不同的链路之间移动时，都不必改变其IP地址，可以在移动过程中保持已有通信的连续性
— 移动结点在不同网络间移动的过程中仍然能
够保持通信
移动IP
移动IP协议应能满足的基本要求
移动结点在改变网络接入点之后仍然能够与Internet上的其他结点的通信；
移动结点无论连接到任何接入点，能够使用原来的IP地址进行通信；
移动结点应该能够与Internet上的其他不具备移动IP功能的结点通信，而不需要修改协议；
考虑到移动结点通常是使用无线方式接入，涉及无线信道带宽、误码率与电池供电等因素，应尽量简化协议，减少协议开销，提高协议效率；
移动结点不应该比Internet上的其他结点受到更大的安全威胁。
移动IP
移动IP协议的基本特征
移动IP要与现有的Internet协议兼容；
移动IP协议与底层所采用的物理层协议类型无关；
移动IP协议对传输层及以上的高层协议是透明的；
移动IP协议应该具有良好的可扩展性、可靠性和安全性。
移动IP
移动IP的机制
采用注册登记、三边路由、隧道技术，实现移动节点实时不间断接入Internet。
C
Internet
A
B
(1) Send to
服务器
转交地址=
外地代理
(2) 隧道，转发给
(3) 解隧道，转发给
本地代理
存储节点的移动绑定记录
本地地址 转交地址
... ...
通过隧道转发数据给外地代理
移动节点
归属地址=
(4)
(5)
移动IP
移动IP基本术语
移动节点（Mobile node）
本地网络（home network）
本地代理（home agent）
本地地址（home address）
外地网络（foreign network）
外地代理（foreign agent）
转交地址（care-of address）
隧 道（tunnel）
移动IP
移动IP中的实体：MN
移动节点－－ MN （Mobile Node）
一个能将IP接入点从一个网络或子网变成另一个网络的主机或路由器
在某个本地代理HA中开户，HA为其分配归属IP地址（Home Address）。
随时从网络接入点获取当地网络标识，判断是否漫游（离开归属网络），并周期性向HA登记，报告当前漫游地代理的转交地址。
移动IP
本地/家乡网络和外地网络
移动IP
本地代理HA和外地代理FA
本地代理－－HA（Home Agent）
一个在移动节点MN本地网络的路由器。负责处理MN的注册消息，登记MN的归属IP地址与转交地址之间的移动绑定关系。
构造隧道，将发给MN的数据包转发给FA，由FA转发给MN。
外地代理－－FA（Foreign Agent）
MN的漫游地代理，负责转发MN的注册消息，配合完成移动IP注册。
转发MN发出的数据包到目的主机。
通过隧道方式，和HA一起完成发给MN数据包的转发和处理。
移动IP
隧道
Host 1
Router 1
Router 2
host 2
IP header1
host1－>host2
data
IP header2
router1－>router2
IP header1
host1－>host2
data
IP header
host1－>host2
data
当一个数据包被封装在另一个数据包的净荷中进行传送时，所经过的路径称为隧道。
隧道技术按照不同的层次分为二层隧道和三层隧道，以下为三层隧道的IP in IP示意：
移动IP
转交地址COA的两种方式
COA(转交地址)：所有移动节点的数据报通过隧道投递给
COA，COA是隧道的出口。
FA COA（外部代理转交地址）：地址属于FA，很多用户共
用一个或者多个COA，FA负责解隧道和把数据包发送到用户。
CL COA（配置转交地址）：地址属于MN，归一个用户所拥
有的COA，MN负责解隧道。
移动IP
FA-COA方式的业务流程
C
Internet
A
B
(1) Send to
Host
COA=
FA
(2) 隧道，转发给
(3) 解隧道，转发给MN
HA
MN：
归属地址=
存储MN的移动绑定记录
Home Address COA
... ...
通过隧道转发数据给FA
移动IP
CL-COA方式的业务流程
MN：
归属地址=
Internet
A
Host A
DHCP server
HA
FA
(1) Send to
(2) 隧道，转发给
移动IP
配置转交地址必须通过一个配置规程得到，比如用 DHCP 、PPP的IPCP或手工配置。
移动IP基本工作过程
代理发现（agent discovery）
注 册（registration）
隧 道（tunnel）转发数据报
移动IP
第一步：代理发现（Agent Discovery）
MN通过接收的代理广播（agent advertisement）报文确定它的接入点或IP地址
确定连接的链路
移动检测：使用生存期域或网络前缀进行检测是否改变了接入点。
如果连接到了一个外地网络则获得一个转交地址COA。
允许向代理发送代理请求（agent solicitation）
移动IP
第一步：代理发现（Agent Discovery）续
外地代理的广播报文包括
外地代理地址
转交地址
生存期等等
移动节点通过判断广播报文的IP源地址网络前缀是否等于本地代理网络前缀来判断是否在本地网络
如何检测移动？
在生存期内没有接收到外地代理广播报文
网络前缀已改变。
移动IP
第二步：注册（ Registration）
移动IP
第二步：注册（ Registration）续
MN请求FA为其服务，并向HA报告新转交地址。注册消息由UDP报文承担
MN将注册请求中转到本地代理
外部代理将请求中转到MN的本地代理。
本地代理接收或拒绝请求，并向外部代理发送注册回应。
外部代理将回应中转到移动节点。
移动IP
注册的目的
使移动节点获得外部代理的转发服务。
使本地代理知道移动节点当前的转交地址。
本地代理注销返回本地网络的移动节点。
移动IP
第三步：隧道转发
本地代理将发给移动节点的数据报通过隧道转发
在隧道的入口HA进行封装。
在隧道的出口FA/MN进行拆封。
本地代理和外地代理都必须支持通过隧道发送的IP-in-IP封装的数据报
任何使用配置转交地址（CL-COA）的移动节点必须能够接收IP-in-IP封装的数据报
“最小封装”和“通用路由封装”是移动节点和外地代理可选择支持的替代封装方法
移动IP
IP-in-IP封装
协议强制执行的封装
将整个IP分组放在另一个IP分组的有效负载部分
TTL减1
移动IP
最小封装
需移动节点、本地代理和外地代理都同意使用
新的IP首部被插入到初始的IP首部和初始的IP净负荷之间
修改初始的IP首部中的下列域：
总长度：加上最小转发首部的大小
协议号：最小IP封装的协议号55
首部校验和
修改源地址为本地代理
修改目的地址为转交地址
移动IP
移动结点在外地网络上发送分组
移动IP
移动IP的三角路由问题
移动节点具有两个地址
永久地址（标志移动节点）：对等通信节点使用的地址。
转交地址（定位移动节点）：被本地代理用来转发分组给移动节点。
外地代理的功能可由移动节点自己完成
三角路由
对等节点-本地代理-移动节点：当对等节点和移动节点在同一个网络时效率太低
移动IP
从物理层与数据链路层角度看，无线链路容易遭受窃听、重放或其他攻击；
从网络层移动IP协议角度看，代理发现机制很容易遭到一个恶意结点攻击，移动注册机制很容易受到拒绝服务攻击与假冒攻击；
本地代理、外地代理与通信对端，以及代理发现、注册与隧道机制都可能成为攻击的目标。
移动IP协议的安全问题
移动IP
本节小结
移动IP的优点
隧道技术的用途
HA，FA、MN的功能
转交地址
WAP简介
WAP（Wireless Application Protocol）无线应用协议是一个开放式标准协议，利用它可以把网络上的信息传送到移动电话或其他无线通讯终端上。
WAP是由爱立信（Ericsson）、诺基亚（Nokia）、摩托罗拉（Motorola）等通信业巨头在1997年成立的无线应用协议论坛（WAP Forum）上所制定的。
无线应用协议WAP
WAP汇集了无线数据传输技术以及Internet技术。与台式计算机相比，手持无线设备具有以下特点：
1 CPU功能较弱；
2 存储器更小；
3 功耗受到限制；
4 显示窗口较小；
5 不同的输入设备。
同时，无线数据网络也存在以下问题：
1 带宽较窄；
2 时延较大；
3 连续稳定性差；
4 利用率难以预测。
无线应用协议WAP
针对以上提到的问题，WAP必须做到以下几点：
1 兼容性好：来自不同制造商的终端可以在一个移动网络中接受服务；
2 便于升级：移动网络运营商可以根据用户的需求对业务进行升级；
3 效率高：能够提供与移动网络的行为特征相适应的服务质量；
4 可靠性高：为了开发业务，能够提供一个稳定的、可预测的平台；
5 安全性好：在保证用户数据完整的前提下，能够把业务扩展到潜在的、未受保护的移动网络，使设备和业务远离安全问题的困扰。
无线应用协议WAP
手机WAP上网的两种模式
GPRS模式：是Gerneral Packer Radio Service的英文缩写，中文译为通用无线分组业务，即以分组的“形式”把数据传送到用户手上。通过这种方式上网运营商要收取一定的流量费用，而且速度较慢。
WIFI模式：是Wireless Fidelity的缩写，手机通过接入点接入到Internet。这种上网模式的优势就是速度快，但受到接入点覆盖的限制。
无线应用协议WAP
WAP协议结构
承载( GSM, CDMA etc )
无线数据报协议 ( WDP )
无线传输层安全 ( WTLS )
无线事务协议 ( WTP )
无线会话协议 ( WSP )
无线应用环境( WAE )
Other Services
Other Services
无线应用协议WAP
WAE是在WWW和移动电话技术结合基础之上的一个通用目标应用环境，以允许运营商和业务提供商建立应用和业务。
WAE包括微浏览器，具有以下功能：
WML ：一种轻量标记语言，类似HTML，但为能在保持移动终端上使用而进行过了优化；
WMLScript ： 脚本语言，类似JavaScript；
WTA ： 无线电话应用体系
Content Formats ：内容格式（wml, wmlscript, wbmp…），定义完好的数据格式，包括图像、记事簿、日历信息等；
vCard, vCalendar ：卡片、日历
无线应用环境（WAE）简介
无线应用协议WAP
WML简介
WML：Wireless Mark up Language（无线标记语言）
基于编辑的无线浏览语言:
屏幕管理 (文本, 图片的显示)
数据输入 (文本, 选项列表, 等等.)
超链结以及导航功能
WML主要特征：
支持文本和图像
隐含卡片组
支持在卡片和卡片组件浏览
无线应用协议WAP
卡片和卡片组。
WML页面称为卡片 。
一组卡片构成了卡片组 。
在卡片显示之前，完整的卡片组被下载到WAP设备。
卡片元素可包含文本、链接、输入字段、任务及图象 。
WML中所有标签都是大小写敏感的 。
WML结构
无线应用协议WAP
在带有有线处理能力和内存的用户设备中定义的脚本型程序，类似JavaScript。
WMLScript 的关键特征：
基于JavaScript
程序逻辑
基于事件
编译实现
与WAE集成
有效扩展库支持
WMLScript
无线应用协议WAP
无线会话协议（WSP）是WAP协议的应用层，带有用于两个接口；第一个是面向连接的，第二个是无连接的。
面向连接的模式下使用无线事务协议层WTP提供的服务(见图)；
面向无连接的模式下使用无线数据报协议层WDP提供的服务(见图) ；
相当于OSI中的会话层；
HTTP/功能和简洁空中编码方式的语法；
Wireless Session Protocol（无线会话协议WSP）
无线应用协议WAP
WSP服务
在用户与服务器之间建立可靠的会话；
在服务器与用户之间进行能力协商；
通过压缩编码在客户与服务器之间进行内容交互；
根据需要来挂起或继续会话；
从服务器主动向用户提供PUSH服务。
无线应用协议WAP
Wireless Transction Protocol（无线事务协议WTP）
无线事务处理协议(WTP)提供了一个面向事务处理的轻量级协议，特别适合于小容量客户(移动站)，WTP可有效地运行于加密或非加密的无线数据报网络之上，提供以下功能：
3类事务处理服务
可选的用户到用户的可靠性——WTP用户的确认功能。
可选的带外数据确认。
协议数据单元(PDU)的级联和延迟确认，用于减少信令信息的发送量。
异步事务处理。
无线应用协议WAP
WTP的特性
WTP提供可能被高层协议请求的的三个事务级：
0级 : 无结果报文的不可靠传输报文调用
1级 : 无结果报文的可靠传输报文调用
2级 : 有结果报文的可靠传输报文调用
可靠性的获取是通过事务ID（TID）以及重传机制来实现的；
是一种轻量级的协议 – 没有连接建立过程 ；
可在一个业务数据传输单元里面放多个协议数据单元；
无线应用协议WAP
WTP事务级别（0级）
发起者向接收者发送一个消息；
接收者没有回应；
没有重传以及事务结束标志；
Responder
Initiator
Invoke Pdu ( TID )
无线应用协议WAP
WTP事务级别（1级）
发起者向接收者发送一个消息；
接收者向发送者发送一个确认消息。
Responder
Initiator
Invoke Pdu ( TID )
Ack Pdu ( TID )
无线应用协议WAP
WTP事务级别（2级）
发送者向接收者发送带有TID的消息；
接收者等待事务调用被处理并送回带结果的确认；
接受者对该回应消息进行确认。
Ack Pdu ( TID )
Responder
Initiator
Invoke Pdu ( TID )
Result Pdu ( TID )
无线应用协议WAP
WAP会应用在诸如银行之类非常注意安全的场所；
GSM网络的安全措施仅仅适用于保障空中接口的安全；从基站到WAP 网关之间的通道安全性小，采用WTLS可以解决这个问题。
WTLS是基于工业标准传输层保护（TLS）协议的安全协议，它是安全套接层协议（SSL）的细化。
Wireless Transport Layer Security（无线传输层安全WTLS）
无线应用协议WAP
WTLS有下列特征：
数据完整性：WTLS包含的工具保证在终端和应用服务器之间的数据发送不被改变和中断。
专用：WTLS包含的工具要确保终端和应用服务器之间的数据传输是专用的，不能被第三方读取。
认证：能够在终端和应用服务器之间建立认证。
业务保护和拒绝：能够对重发或未被成功验证的报文完成检测和拒绝。
无线应用协议WAP
WTLS和TLS使用范围
无线应用协议WAP
提供面向无连接的，不可靠的数据报服务；
WAP中的WDP相当于IP承载网络中的UDP的位置；
如果利用IP网络承载，WDP/IP体系就是 UDP/IP。
Wireless DataGram Protocol（无线数据报协议WDP）
无线应用协议WAP
WDP承载类型
GSM SMS, USSD, C-S Data, GPRS
IS-136 R-Data, C-S Data, Packet
CDMA SMS, C-S Data
PDC C-S Data, Packet
PHS C-S Data
CDPD
iDEN SMS, C-S Data, Packet
FLEX and ReFLEX
DataTAC
无线应用协议WAP
WAP通信模型
WAP client
WAP网关的功能：
协议网关：协议网关把来自WAP协议栈（WSP、WTP、WTLS、WDP）的请求转化成WWW协议栈（HTTP、TCP/IP）的请求；
内容编译码器：内容编译码器把WAP内容转化成紧缩的编码格式，以减少在网络上传输的数据量。
无线应用协议WAP
协议结构
无线应用协议WAP
主要作用时间：1998~2003；
技术发展状况： 1、基础网络：处于2G的无线传输技术，无线数据传送系统带宽很窄（GSM CSD ）； 2、由于切换等原因，数据传输也不稳定； 3、移动终端屏幕小、显示色彩及能力都有限，缺乏吸引力； 鉴于这些特点，WAP论坛编写了WML、WSP、WTP、WDP等一系列协议，以适应无线上网的要求；
市场发展状况： 1、在CDMA上，成为主要的无线互联网应用协议； 2、一直未得到真正的广泛应用； 3、数据业务价值链不成熟。
WAP概念介绍阶段
无线应用协议WAP
主要作用时间2002~2005年
技术发展情况： 1、无线数据传输技术得到了有效发展，传输的速率及可靠性得到比较好保证； 2、WAP论坛在协议栈取消了WSP、WTP、WDP（这是的核心技术之一）等针对无线传输所做的协议，代以internet的相关协议及技术（HTTP、TCP等）； 3、标记语言发生变化，WML也在向XHTML靠拢； 4、在业务上增加了MMS等功能，并且加强了PUSH等能力。
市场发展状况： 被主流微浏览器提供商所支持，并且与3GPP2互相支持，成为CDMA的主流无线互联网应用协议。但该阶段的发展会受WML、HTML不兼容、以及应用不成熟的制约。
WAP概念介绍阶段
无线应用协议WAP
主要作用时间：2004年~以后
发展预期： 1、该阶段主要以发展网络功能及应用为主，如PUSH、个性化定制、终端适配、自动配置、内容播放等； 2、XHTML成为唯一采用的标记语言，网站成为有线、无线internet业务的统一体； 3、WAP原来的WML、WSP、WTP、WTLS、WDP全部消失，取代以internet相关协议；
由于该阶段无线数据传输技术的发展，对上层应用来讲无线传输与有线传输基本无差别，互联网在无线和有线通信系统上得到空前融合。在这一阶段，移动数据及增殖业务得到极大丰富,各种类型的移动终端也得到充分的应用和验证。
WAP概念介绍-开放移动联盟(OMA)阶段
无线应用协议WAP
WAP概念介绍协议介绍
协议主要优点：
增加对诸如TCP和HTTP等标准因特网通信协议的支持，使得无线设备能够利用现有因特网资源
增加了与现有因特网的融合
允许手机直接访问WEB服务器，而不必进行WSP到HTTP的协议转换
无线应用协议WAP
网关功能-业务支持
支持MMS彩信业务功能
支持下载类业务功能
支持基于J2ME的KJAVA业务下载功能
在线下载
离线下载
支持基于HTTP协议下载功能
大文件下载
大图片下载
铃声下载
无线应用协议WAP
网关功能-终端适配
页面格式转化功能
HTML->WML
XHTML->WML
字符集转化功能
GB2312->UTF-8
BIG5->UTF-8
GB13000->UTF-8
图象格式转化功能
GIF、JPEG、BMP、PNG->WBMP
GIF、JPEG、BMP->PNG
彩色图片转换为黑白图片
内容压缩功能
支持XHTML页面压缩功能
无线应用协议WAP
网关功能-鉴权计费
与Platform(Radius服务器)接口，完成终端用户鉴权，查询WAP终端的IP地址与IMSI/MSISDN对应关系。
与DSMP数据业务管理平台接口，完成用户的认证与计费
无线应用协议WAP
WAP常用业务
PULL操作： E-mail, account status, stock quotes, airline check-ins, ...
PUSH操作：Instant messaging, advertisements, schedules reminders,
sports updates, ...
无线应用协议WAP
WAP组网方案——GPRS组网
无线应用协议WAP
WAP组网方案—GPRS组网
IP地址分配，地址分配有两种方式：
1）MS的地址由GPRS运营者提供，使用一段公共的IP地址空间，可以是静态地址（协商确定）或动态地址（PDP激活时分配的）。这个地址用于GGSN和Internet之间的数据传送和在GGSN内部使用。
2）由外部DHCP服务器为MS分配动态IP地址
无线应用协议WAP
WAP组网——GSM系统结构
手机
短信中心
WAP GW
PPG
短信网关
WEB Server
彩信中心
AAA
WEB Server
Internet
无线环境
网关
BTS
BSC
MSC
SGSN
GGSN
HLR
RADIUS
TCP/IP
SMPP
SMPA
TCP/IP
TCP/IP
TCP/IP
无线应用协议WAP
手机如何发彩信？？
MMSC
WAP GW
SMSC
GGSN
SGSN
SGSN
BTS
BSC
BTS
BSC
发送MM
发送MMS
消息通知
(通过短消息)
消息通知
取消息
取MMS
Email
Server
SP/ICP
其他MMSC
SMTP
HTTP
SMTP
GPRS骨干网
IP 网
无线应用协议WAP—案例1
WAP浏览网页
WAP server
BTS
BSC
GGSN
SGSN
GPRS骨干网
WAP网关
CMNET
1
2
3
PDP激活
RADIUS 鉴权消息
RADIUS 计费消息
手机向网关发起WAP请求
网关向网站发起HTTP GET 请求
RADIUS：远端用拨入验证服务
DNS
DNS 查询
无线应用协议WAP—案例2
发送流程：
1) MN发送数据包给FA，目的IP为Host A主机地址，源IP为MN归属IP地址。
2) FA直接转发数据包给目的主机。
接收流程：
1) 通过MN注册登记，HA建立维护MN归属IP与FA-COA的移动绑定关系。
2) HA广播MN归属IP地址的可达性。
3) 主机A发送目的IP为的数据包，目的MAC地址为HA的MAC。
4) HA收到该数据包，发现目的IP地址为某MN的归属IP，检查移动IP绑定记录，获得其FA-COA地址。
5) HA通过隧道将原数据包发送给FA。
6) FA解隧道，将还原的数据包转发给MN。
普通方式：
1) MN发送数据包给FA，目的IP为Host A主机地址，源IP为MN归属IP地址。
2) FA直接转发数据包给目的主机。
隧道方式：
1) MN欲发送数据包给FA，采用隧道方式。隧道源IP为CL-COA，目的IP为HA地址；隧道内部数据包源IP为MN归属IP地址，目的IP地址为目的主机A的IP。
2) HA解隧道，将还原的数据包转发给目的主机A。
发送方式：
1) MN同DHCP或者其它方式，从网络接入点获得CL COA地址。
接收方式：
2) 通过MN注册登记，HA建立维护MN归属IP与CL-COA的移动绑定关系。
3) HA广播MN归属IP地址的可达性。
4) 主机A发送目的IP为的数据包，目的MAC地址为HA的MAC。
5) HA收到该数据包，发现目的IP地址为某MN的归属IP，检查移动IP绑定记录，获得CL-COA地址。
6) HA通过隧道将原数据包发送给MN。
7) MN解隧道，获得还原的数据包。
（1）介绍OSI模型的七层协议，自下而上：物理、数据链路、网络、传输、会话、表示、应用层，其中WAP1X协议主要指IP层以上的内容，其中WDP层就相当于OSI的传输层。
（2）重点介绍一下WAP1X协议栈在OSI模型七层中的位置，明确WAP1X协议重点定义了4－7层的内容，物理、数据链路、网络层和OSI定义的一样。
（3）下面这张图主要说明WAP网关协议转换的过程
（1）WAP1X协议是WAP协议的代表
（2）特点是UDP传输
（3）这三张胶片重点关注协议栈发展和内容支持方面没有必然关系。
针对这三个阶段而言，WAP1X,,OMA阶段，协议不断丰富和完善，内容支持方面也越来越完善，但是协议本身和支持的内容方面没有明确的对应关系，比如MMS业务在阶段产生，实际很多WAP1X的手机也是支持的。
（1）协议栈和TCP/IP协议栈基本相同。
（2）wap网关在处理过程中重点在终端适配、内容压缩和转换方面。
（1）简单介绍彩信的三个流程，其中收、发的流程和手机上网的过程是一样的。
（2）重点强调第二个PUSH流程，目前彩信中心可以配置直接通过短信方式push，也可以通过WAPGW进行push。
（1）现网没有AAA的情况下，wapgw的plat模块可以完成简单的鉴权功能。
