GPRS網絡地址及路由策略應用研究

■ 屈毅

隨著我國鐵路GSM-R通信網的建設和逐步投入使用，鐵路專用通信技術取得了巨大進步，承載了越來越多的業務。其中，鐵路通用分組無線服務業務（GPRS）網絡承載的多種專用通信業務是我國鐵路的創新點，將移動通信、IP通信、移動IP等通信領域內的發展方向與鐵路專用通信緊密結合，并針對鐵路業務進行優化，為鐵路運營提供了更好的技術保證。

在GPRS網絡中，IP地址分配方式、路由策略、接入點（APN）策略等分組數據協議（PDP）激活過程中的基本方式和傳輸中的路由選擇對承載的GPRS業務的部署、使用方式產生影響。

1 移動終端IP地址分配方式

移動終端獲得IP地址是移動終端進行IP通信的基礎。在GPRS通信流程中，終端用戶獲得IP地址的方式對業務的運用模式、性能等有影響。

1.1 固定IP地址分配方式

固定IP地址分配方式指每個終端用戶始終使用固定的IP地址。終端用戶的身份通常使用終端設備標識（IM EI）和終端用戶標識（IM SI），IM SI有更完善的鑒權系統和設備支持，通常將終端用戶的IM SI值作為用戶的唯一標識。這種方式可通過在歸屬位置寄存器（HLR）中對用戶進行IP地址分配。終端IP地址分配流程（PDP激活過程）見圖1。

1.2 隨機動態IP地址分配方式

隨機動態IP地址分配方式指終端用戶每次做PDP激活時，請求不同IP地址。動態主機配置協議（DHCP）最終實現IP地址隨機分配。隨機動態IP地址分配通信流程見圖2。

1.3 動態IP地址固定分配方式

動態IP地址固定分配方式指使用動態申請方式獲取IP地址，增加了用戶名認證。RADIUS設備是實現按用戶名/密碼認證實現IP地址分配的設備。當終端用戶使用同樣的用戶名/密碼仍可每次獲得相同的IP地址。動態IP地址固定分配通信流程見圖3。

圖1 終端IP地址分配流程示意圖

圖2 隨機動態IP地址分配通信流程示意圖

1.4 增強型動態IP固定分配方式

在上述動態IP固定分配方式基礎上，可引入身份認證功能。在使用用戶名/密碼認證請求IP地址時，增加用戶的M SISDN號認證，用以保證用戶名/密碼不會被冒用。

1.5 IP分配方式比較

上述4種IP地址分配方式中，使用HLR實現固定IP方式對HLR和業務支持節點（SGSN）有一定要求，其靈活性差，鐵路GPRS網絡很少使用。隨機動態IP地址分配方式簡單、靈活性好，便于分散布置，使用本地網關業務支持節點（GGSN）完成PDP激活的APN策略，必須使用隨機動態IP地址分配方式。由于尋址困難，隨機動態IP地址分配很難實現由網絡側發起的通信流程。動態IP地址固定分配方式由于固定了IP地址與用戶的對應關系，易于實現網絡側發起的通信流程。增強型動態IP固定分配方式增加了IP地址分配時的安全性，但降低了配置的靈活性。

2 APN的使用策略

在IP地址分配方式流程中可以看到，PDP激活過程中有一個步驟是SGSN通過APN識別對應的GGSN。使用不同的APN策略，決定了終端用戶完成激活以后的通信路由。

2.1 使用歸屬GGSN

在使用歸屬GGSN的策略時，終端用戶使用特定的APN，用以標示歸屬的GGSN。用戶移動到SGSN下的任何地點時，均要在歸屬局的GGSN上完成PDP激活。數據配置是在域名服務器（DNS）中將該APN的解析地址指向對應的GGSN。使用歸屬GGSN的APN策略通信流程見圖4。

2.2 優先使用本地GGSN

使用本地（或最近）GGSN的APN策略指終端使用的APN全部一樣，接入無線網后SGSN將該終端的PDP激活請求指向本地（或最近）GGSN。終端用戶移動到一地時，是在當地的網絡設備中完成PDP激活，不與終端設備的歸屬地網絡發生通信。這種策略下，相同的APN對應不同的GGSN地址，不能由統一的DNS進行地址解析。需要由SGSN自行實現解析，將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策略是指無論用戶在什么位置，均會回到一個唯一的GGSN中完成PDP激活。終端用戶的APN配置完全一樣，網絡中也只有一個GGSN進行對應的APN配置。在DNS中只需對這個APN做一條解析數據即可。使用唯一GGSN的APN策略通信流程見圖5。

2.4 不同APN策略的比較

不同的APN策略對終端的通信路由影響很大。APN策略的選擇受終端IP地址分配方式和業務需求影響。對使用歸屬GGSN屬性的APN策略，終端用戶無論移動到什么位置，都要使用原歸屬地的GGSN。這就形成了從當前位置的SGSN到原GGSN的長途傳輸需求，如果此時終端用戶還要與當前位置的其他用戶進行通信，則必須通過遠端的GGSN路由，效率上不是最優選擇。在鐵路實際運用中，這種通信需求大量存在。使用歸屬GGSN的通信路由見圖6。

圖3 動態IP地址固定分配通信流程示意圖

圖4 使用歸屬GGSN的APN策略通信流程示意圖

圖5 使用唯一GGSN的APN策略通信流程示意圖

圖6 使用歸屬GGSN的通信路由示意圖

圖6中原歸屬網絡1的終端用戶M S1，在移動到網絡2時，PDP激活的GGSN仍然為原歸屬的GGSN1，此時終端M S1和本地其他的移動終端M S2的通信節點必須經過M S1—SGSN2—長途數據網—GGSN1—長途數據網—GGSN2—SGSN2—M S2。M S1與本地地面服務器SERVER2的通信節點必須經過M S1—SGSN2—長途數據網—GGSN1—長途數據網—SERVER2。這種本地通信經過長途電路繞行的方式必然帶來通信效率下降。使用全網唯一GGSN方式與使用歸屬GGSN的問題相同。由于終端用戶在本地的GGSN上激活，使用本地GGSN的APN策略可很大程度上提高轉發效率。但使用本地激活方式得到的IP地址不同，與隨機動態IP地址分配存在的問題相同，終端用戶的路由尋址困難。

3 終端用戶的路由方式比較

鐵路專用通信與公眾移動通信網不同，其顯著的特點是大量的通信需求由網絡側發起。由于鐵路各專業的特點，很多情況下終端通信不是對IP地址訪問，而是對終端用戶域名訪問。對鐵路GPRS來說，從網絡側發起通信是必須解決的問題。

3.1 DNS域名解析方式

當終端用戶的IP地址分配方式采用固定或動態固定方式時，由于使用同樣的IP地址，可在DNS中制作該終端用戶域名與對應IP地址的解析數據。其他業務系統發起對終端用戶通信時，由DNS設備提供地址解析。

3.2 終端地址注冊方式

當終端用戶完成PDP激活過程，獲取IP地址后，先向對應的業務系統進行注冊登記，將自身當前的IP地址告知業務系統的服務器。終端必須先向網絡側發起通信，網絡不能先向終端發起通信。與DNS域名解析方式相比，終端注冊方式省略了DNS網元，同時可使用隨機動態IP地址分配方式。

3.3 動態域名注冊方式

動態域名注冊方式結合了隨機動態IP地址分配方式和DNS終端域名解析方式的靈活性。終端用戶完成PDP激活，得到隨機動態分配的IP地址后，由DHCP設備向DNS設備發送一條動態域名添加數據，將設備域名和終端當前的IP關聯起來。無論終端用戶在任何地方使用任何IP地址，業務系統都可以使用域名對該終端發起通信。動態域名注冊方式使用靈活，但增加了由DNS注冊失敗帶來的風險，目前不宜在與安全相關的業務上采用。

4 不同業務的策略優化

鐵路數據通信網的特點是輕載高冗余，長途傳輸原則上不會產生流量擁塞，對時延和丟包影響較小。為此，業務采用的地址和路由策略不將這一點作為最重要因素考慮。

（1）與行車指揮相關的鐵路業務。由于機車全國運行，同時又歸當地的運輸管理部門指揮，而運輸管理部門的業務系統是以機車號為目標。對此類業務需求，使用動態IP地址固定分配方式、歸屬GGSN的APN策略、DNS域名解析的方式進行系統配置，忽略長途傳輸帶來的影響，保證通信系統配置的安全可靠。

（2）與行車相關的監控系統。機車為全國運行，但監控中心可能是全國統一設置，也可能是鐵路局設置。當監控中心是全國統一設置時，適合采用動態IP地址固定分配方式、唯一GGSN的APN策略、終端地址注冊方式。當監控中心是鐵路局設置時，適合采用動態IP地址固定分配方式、帶不同GGSM屬性的APN策略、終端地址注冊方式。

（3）與行車無關的業務系統。由于此類業務多為固定終端，只與本局的業務系統發生通信，適合隨機動態IP地址分配方式、本地GGSN的APN策略、終端地址注冊方式。

（4）同一列車上不同設備或不同列車間通信的業務系統應盡量減少傳輸繞行，適合隨機動態IP地址分配方式、本地GGSN的APN策略、動態域名注冊方式。