基于临时名称标识符的在移动网络上的可达性维持

摘要

用于运行移动网络的方法，所述移动网络提供用于将移动网络的可移动节点经由至少一个移动路由器连接到至少一个外部固定网络上的可达性业务，其中临时名称标识符被分配给所述可移动节点并且由至少一个代理名称服务器将临时名称标识符映射到可移动节点的当前可这地址。

说明书

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于运行移动网络的方法和一种适合于该方法的移动网络配置。

在遍及日常生活所有领域加速地并且普遍地使用基于网络的业务的过程中，当乘坐公共交通工具时这样的业务的可用性对于用户来说已变得越来越重要。因此，工业国家中的运输公司努力提供技术基础、即研发和建立针对商业用途的适当的移动网络解决方案。最近，已证明这些研发的主要焦点是提供移动网络和处于交通工具之外的固定网络之间的可靠连接。

如果移动网络改变其到如同因特网的外部网络的连接点，则必须对与之连接的节点采取特殊措施。如果不采取行动，则移动网络内的节点将失去连通性。

通过独立地以相似速度移动到相似方向的移动节点或者作为单个单元行进的一组节点来描述这种情况。构成这种移动网络的重要属性可以通过参考系统内的各个节点的共同的移动特性和在所考虑的时间间隔内各个节点的相对邻接来描述。

一个重要的实施例是所管理的车载网络，其中网络位于车辆内部并且提供到例如火车中的旅客的接入，“所管理的”在这上下文中指的是以下情形，即公共乘客运输工具中的网络基础设施由管理组织所拥有和运行，该管理组织识别用于向其顾客提供电子通信、信息和娱乐服务的价值链。

在图1中示出了这种具有与外部网络的连通性的、网络的可能的网络拓扑。多个可移动节点PN1…PN3向车载网络VN鉴权。存在移动节点想通过车载网络获得接入来代替直接与地面网络相连接的多个可能的原因。代表网关节点的移动路由器MR经由一个或多个无线电接入网络维持与地面的连通性。移动网络可以通过多于一个的MR连接到外部网络，但是在下面的描述中出于简明的原因而假定只有单个MR。当所述网络移动时，移动路由器MR可能不得不与新的候选接入路由器以及甚至新的候选接入网重新建立连接。一些可移动节点可能与移动网络之外的通信节点建立通信，并且特别想维持与本地网络的连续的连通性和可达性。因此，从通信节点到可移动节点的新的连接需要被适当地路由到所述移动网络的当前位置。可能位置更新对于相当多的移动节点来说是必要的，这取决于每个可移动节点对维持可达性的特有需求。

这种移动网络的另一种可能的实现是个人区域网络(PAN)，其中多个可移动节点形成自发协作的自组织(ad hoc)网络，其中这些节点中的一些节点可以担当通向外部网络的网关节点。

用于重新建立到外部网络的连接的机制可以被设想为具有两个阶段。第一阶段(称为“连通性”)使得移动网络内的节点能够触及到外部网络以启动通信。第二阶段(称为“可达性”)应使外部节点能够启动与移动网络内的节点的通信。

本发明的目的是提供一种方法，该方法用于通过将临时主机名分配给连接到这些移动网络上的节点来解决移动网络中的节点的节点可达性问题。

这个目的一方面通过包括权利要求1的特征的方法来解决，另一方面通过包括权利要求13的特征的移动网络配置来解决。

因此，本发明的一个基本特征是包括像例如基于NAT(网络地址翻译)的寻址模型那样的模型，这些模型不能够采用现有的可达性方案来支持。这通过以下方式来实现，即如果移动网络在运行不同网络协议(诸如IPv4和IPv6)的网络之间漫游，则可达性仍能被维持。

以这种方式，所提出的发明减少通信无效。在图3中示出用于可达性支持的可能的消息流。

在静态接入网络的情况下，通过使用命名业务来提供用于支持可达性的一种选择。网络实体(节点和用户)具有用于标识他们自己的名称。在与这些实体进行通信之前有一个阶段，在该阶段中找到与该名称相关的可路由的地址。DNS是最常用的用于将名称映射到地址的系统。在这个系统中，假定从不或极少变化的名称被映射到可偶尔变化的IP地址。

用于在基于IP的多媒体会话中启动呼叫控制的SIP(会话初始协议)也可以被考虑作为命名系统。SIP会话中的各方通过使用SIP URI来寻址。如果被叫方将进来的呼叫重新定向到不同的SIP方，则SIP服务器可以重新定位会话请求。这类似于DNS概念，但是SIP不将名称解析为任何SIP客户的地址。

可被考虑用于处理单个移动装置的可达性的不同方法是：

1)直接更新命名地址映射-例如动态DNS解决方案：当移动节点的IP地址变化时，DNS系统将名称映射到新的地址。尽管动态DNS未被提议作为移动网络的解决方案，但是容易将该概念扩展到这种情况。

2)创建在命名系统中所注册的地址与由节点所使用的新地址之间的映射。该映射由代理持有，所述代理截取打算发送给移动终端的分组并将分组隧穿到新的地址。在这种情况下，名称到地址的映射保持不变。这是基于移动IP的解决方案的基础。多个基于MIP的解决方案已被提议用于移动网络。

解决方案的实际细节取决于用于寻址移动网络和该网络内的节点的方法。我们将使用以下定义：

MR＝移动路由器，即实际上移动的并将移动网络连接到外部网络上的装置。

PN＝可移动节点，即通过移动路由器连接到外部网络上的节点。可以存在多个可与一个MR相连接的PN。

CN＝通信节点，即因特网内的与PN通信的节点。

CoA＝转交地址(Care of Address)，即由被访网络分配给加入它的节点的地址。

MIP＝移动IP。这是一种通过以下方式保证可移动节点保持可达性的方法，即允许它们使CoA与它们的众所周知的(例如DNS注册的)本地地址相关联。基本的MIP假定网络是固定的并且只有终端移动。

GN＝地面网络，地面网络在移动网络与外部IP/因特网网络之间递送分组。它提供通向MR的无线连通性。

NAT＝网络地址翻译，一种用于在可在外部IP网络、即因特网中被路由的IP地址和可在本地网络(子)域内使用的IP地址的私有表示之间进行翻译的机制。

下面解释，针对不同的寻址模型，动态DNS和MIP解决方案如何能够有时被用于解决可达性问题。

由MR本地网络分配地址

这是当前在IETF NEMO WG(网络移动性工作组)内正被执行的方案。移动路由器在使用标准机制的情况下从地面网络获得可路由的地址、即其CoA。该移动路由器与本地网络相关联，所述本地网络不是移动的。移动IP代理位于该本地网络内，该移动IP代理确保被寻址以通过移动路由器路由的消息被隧穿到当前的全局可路由的、移动路由器的CoA。地址的子网(或其他组)由移动路由器的本地网络分配给移动网络。然后，这些地址被分配给连接到移动路由器上的PN。这确保PN能够启动到因特网的通信。

为了获得以可达性为特征的MIP解决方案，假定PN也是MIP激活的。PN向其本地代理注册从移动路由器接收的地址。从移动路由器接收的地址从不变化，同时PN连接到相同的移动网络上，因此一旦已经实施这种到该本地代理的初始绑定更新，PN的可达性就不是问题。

可以使用动态DNS来提供用于维持可达性的相似方案，其中当无线连接点变化时PN用从MR接收的IP地址来更新其DNS服务器。这种解决方案具有比基于MIP的解决方案更高效的路由，但是它仍然不是很高效，因为所有到PN的通信仍然被引导通过MR本地网络，并且被隧穿到MR本地网络之外。

上述两种解决方案的缺点是，经由PN的本地网络或移动路由器的本地网络和移动路由器自身之间的隧道将通信间接路由到移动网络。在前一种情况中，在PN的本地代理和PN之间需要额外的隧道，这导致具有高通信开销的双隧道。在图2中示出了这种配置。

由被访网络分配地址

在这种情况中，代替从被访网络获得简单的CoA，移动路由器从被访网络获得地址的子网(或一些其他的组)。然后，MR将这些地址分配给PN。这确保PN能够启动到因特网的通信。由于MR改变被访网络，例如移动网络在两个不同的网络域之间切换，所以分配给PN的IP地址必须被改变。

对于包括在这种情况下的可达性的、基于MIP的解决方案来说，假定PN也是MIP激活的。PN向其本地代理注册从移动路由器接收的地址。对于用于可达性的动态DNS解决方案来说，当发生移动网络切换时，PN用从MR接收的地址来更新其DNS服务器。

在两种情况下，从可达性的观点看，该方案的主要缺点是，每当网络移动时都在PN和PN MIP本地代理或PN DNS服务器之间产生信令脉冲串，以更新IP寻址信息，这是由于以下事实，即每个PN不得不单独地发送移动性更新通知。

用于寻址的MR MIP外部代理解决方案

在该情况中，移动路由器允许PN保持其本地地址。MR为每个注册的PN保持经由主机(per-host)入口。MR担当MIP外部代理，因而它告诉PN什么是MR的当前网络地址，这是PN应向PN本地代理注册以实现可达性的CoA。

该解决方案要求PN具有运行的MIP协议栈，以便正确地解释两个地址、即本地地址和CoA的概念。

从可达性的观点看，该方案的缺点是，每当网络移动时所产生的PN和PN MIP本地代理之间的信令脉冲串。此外，该解决方案是低效的，因为使用间接的路由和从本地代理隧穿。

基于NAT的寻址

另一种用于管理网络移动性的方法是，使MR是NAT激活的。MR分配私有地址给PN。

NAT可以是无界的(stateless)，也就是说，寻址配置是基于像链路检测和路由器广告那样的机制。在这种情况下，MR从地面网络获得一组地址，并提供这些地址和所使用的私有地址之间的1∶1映射。这种寻址模型具有优于上述选择的益处，在上述选择中来自被访网络的地址被直接分配给PN，因为对PN隐瞒移动性事件。

如果NAT是有界的，也就是说，存在一些像DHCP(动态主机配置协议)那样的机制，则MR从地面网络仅仅获得一个地址(其CoA)，并且管理必要的地址翻译。该方案是有用的，因为地面网络当前仅分配单个地址给节点。

该寻址模型可能是最重要的，因为它将可能利用现有技术来实现。不同于其他选择，PN不知道地面网络的详细情况，因而例如IPv4终端将不知道支持移动性的地面网络实际上是IPv6。这很可能是一个重要问题，因为当前装置都是IPv4，但未来的移动网络很可能是最早的使用IPv6来运行的网络之一。

基于动态DNS和基于MIP的可达性解决方案在该情况下都不起作用，因为PN不知道它们的正确的可路由的地址，并因此不能正确地更新任一系统。向DNS或MIP本地代理注册所分配的私有IP地址将阻碍可达性的维持。可能可以基于应用层网关(ALQ)来设计用于克服这些问题的解决方案，其中应用层网关为应用层上的地址相关信息提供翻译功能。但是任何一种这样的解决方案将充满安全性问题。RFC2694提供了解决方案的一部分、即DNS到NAT的扩展。在该情况中，向位于私有网络内的名称服务器功能注册PN的私有地址。当私有网络接收到DNS请求时，DNS回复(其包含私有地址)被专门的用于操作DNS消息的应用层网关(DNS-ALG)截取。该ALG(应用层网关)请求NAT功能建立所请求的私有主机地址和公共地址之间的临时绑定。然后，ALG能够用所返回的公共地址来替换私有地址。维持地址映射的临时状态，给予CN一些时间以在名称解析请求已被应答之后建立通向PN的连接。如果没有连接被建立，则状态将超时，并且公共地址被返回给NAT地址池以备将来使用。

本发明指定利用临时名称的使用来加强名称业务的系统，以便有效地维持连接到移动网络上的可移动节点的可达性。该解决方案的细节适当地取决于上述的地址分配方案，这对于现有技术方案、即上述的MIP和动态DNS解决方案来说也是真的。但是，该解决方案也适用于一些未应用DNS和MIP解决方案的NAT寻址解决方案。

本发明包括针对以下寻址情况对分配临时名称和对连接到移动网络上的可移动节点的可达性支持的建议：

-由MR本地网络分配地址

-由被访网络分配地址

-静态配置的无界NAT(网络地址翻译)

-动态配置的无界NAT

-有界NAT

下面针对多种应用情形并且参考附图来说明本发明的另外的方面和实施例。

图1示出现有技术的移动网络配置的示意图，

图2示出移动网络配置，其中通信被间接地路由，

图3示出根据本发明第一方面的用于可达性支持的示范性的消息流，

图4示出根据本发明第二方面的用于可达性支持的示范性的消息流，

图5示出根据本发明第三方面的用于可达性支持的示范性的消息流，

图6示出根据本发明第四方面的用于可达性支持的示范性的消息流，

图7示出根据本发明第五方面的用于可达性支持的示范性的消息流。

对于所有情形来说共同的是以下事实，即PN在连接到移动网络上时可以获得临时名称以供使用。这可以容易地被设想作为共同执行的用户鉴权和授权过程的一部分，其中用户尝试连接到公共接入网上。在本发明所描述的特定情况下，可移动节点物理地连接到移动网络上并且可以请求对与外部网络的可达性的支持。然后，不依赖于所使用的实际寻址模式，PN从MR例如通过利用DHCP的动态配置接收IP地址。作为新的DHCP选项的一部分，它也接收适合于(例如作为基于DNS的命名业务的DNS“CNAME”身份)使用的临时名称标识符。在这个例子中，它使用DNS更新(UPDATE)程序来将其标准名称映射为其本地DNS服务器中的新的CNAME。然后，移动路由器需要用新的名称地址记录来更新代理DNS服务器，所述代理DNS服务器位于固定网络基础设施内的业务域中。此外，移动路由器需要代表所有注册的可移动节点来管理临时名称-地址配置。这样做的精确的细节将依赖于用于支持移动网络的寻址模式。DNS被用作主要名称服务器实例，仅仅因为它是在因特网中所使用的最普通的名称解析系统。但是，在有界(state-full)NAT情况下它也突出一些技术上的挑战性问题，因为它支持多种名称解析方法。

由MR本地网络分配地址

在这种情况下，移动路由器给PN分配如从MR本地网络获得的地址。为了使用该针对可达性的名称，需要发生两个事件：

-MR向一个或多个代理名称服务器注册PN的临时名称-地址映射。

-PN通过明确地向其名称服务器注册代理名称服务器的地址或者在诸如DNS的系统中通过将其临时的新名称映射为其众所周知的名称来确保其在本地网络域中的名称服务器能够找到代理服务器。

在图3中示出了所述过程。

然后，CN可以使用PN永久名称和用于名称到地址的解析的标准过程来接触PN。当网络移动时，只有MR和其本地代理之间的映射需要被更新，也就是说，不必为该事件向代理名称服务器发送消息。但是，这种方案仍然遭受隧穿低效。

由被访网络分配地址

在这种情况中，PN从地面网络(GN)获得拓扑上正确的地址。GN可以分配一组地址给移动路由器(MR)，并且该组中的地址可以被分配给PN。(替代地，GN可以将单个地址直接分配给PN，MR仅仅将相应的消息中继给PN)。

在图4中示出了用于可达性支持的示范性的消息流。

如前面那样，PN获得其IP配置和临时名称。为了使用该针对可达性的名称，需要发生两个事件：

-MR向一个或多个代理名称服务器注册PN的临时名称-地址映射。

-PN通过明确地向其在本地网络域中的名称服务器注册代理名称服务器的地址或者在诸如DNS的系统中通过将其临时的新名称映射为其众所周知的名称来确保本地网络域中的名称服务器能够找到代理服务器。

-CN接着可以使用PN永久名称和用于名称到地址的解析的标准过程来接触PN。

当网络移动时可以看到特别的优点，因为每个PN不必用信号通知其名称服务器。替代地，直接由MR发送单个消息给代理名称服务器。在使用多个代理名称服务器的情况下，MR需要维持PN和相关的代理名称服务器之间的绑定。

在使用无界NAT来管理地址时的可达性支持

在图5中示出了该过程。在该寻址模型中，移动路由器从被访网络获得可路由的地址的子网。它使一个节点与该子网池中的一个地址相关联，但是实际上给该节点分配私有地址。这种方案使每次移动网络遭受地址变化时可移动节点需要进行的重新配置的数量最小化。

在移动路由器中网络地址翻译(NAT)对于所有通过移动网络的网络边界的IP数据报来说是必要的。可达性支持以与前面所述的相同的方式工作，其中PN更新其在本地网络域中的名称服务器，而MR更新一个或多个代理名称服务器。这种方案通过减少由移动性事件所引起的信令脉冲串来使移动路由器与固定网络之间的无线连接的信令开销最小化。它也通过减少传输通过无线接口的DNS查询的数量来使信令开销最小化。尽管可移动节点不知道其真正的IP地址的这一事实，该方案也保证可达性。

由有界NAT所分配的地址的可达性支持

在该寻址模型中，移动路由器仅仅从固定网络获得一个或很少(有限的一组)公共地址。然后，MR将一组私有地址中的地址分配给每个可移动节点。接着，NAT被用于确保实现连通性。该NAT可以包括特定的TCP/UDP端口号和特定的私有地址，或者如果已经获得有限的一组公共地址，则可以使用公共地址与私有地址之间的动态的(必要时)一对一映射。这提供NAT管理的连通性，该连通性使PN能够如以前那样用其临时名称标识符来更新其名称服务器。

然而，MR不再能够代表PN用临时名称-可路由地址映射来更新MR代理名称服务器，因为不存在这种简单的映射。例如，当PN因为只想使用本地业务而连接到移动网络上时，PN仅被分配一个私有IP地址。然而，CN可能想与该PN建立连接，亦即PN的名称需要被解析为公共IP地址，所述公共IP地址迄今为止未被分配。在基于单个公共地址的DNS和NAT系统的情况下，DNS系统不能返回TCP或UDP端口号给CN，因此MR将不能够识别进来的通信打算发送给哪个PN。在可路由的地址动态地按照需要被设置的情况下，代理名称服务器不可能知道进行什么动态关联(因为MR可以为了向外的连通性目的而使用一些地址)。对于这些情况的解决方案要求在代理名称服务器的结构中的甚至更新的处理。

将基于临时绑定的解决方案(如在RFC2964中所描述的)也直接应用于移动网络情形也将失败，因为假定名称服务器在私有网络内，以致在离开私有网络之前ALG能够截取来自服务器的消息。但是，在移动网络情况下，这将意味着名称服务器以及其移动网络具有变化的IP地址，并因此不可能是名称系统的一部分。

在图6中示出了该问题的解决方案。该图示出这样的情形，该情形要求代理名称服务器的一部分(它的入口)被静态地保持在固定网络内，同时大多数的名称服务器功能被保持在移动网络内。代理服务器入口从外部节点接收名称解析请求，并返回适当的回复。名称解析本身在移动网络内被处理。

第二种情况是仅有一个可路由的IP地址与可能大量的可移动节点相关联。为了提供PN与外部网络、例如因特网之间的连通性，移动路由器于是提供NAT功能。这里，通过将诸如UDP或TCP端口号的附加信息包括到翻译过程中，可以实现一个公共地址到许多私有地址的映射。但是，这种端口信息不是更重要的因特网命名系统-DNS的共同部分。该问题比前面的情况更复杂，因为DNS系统只能针对每个CN查询返回单个相同地址，因此需要不同的机制来使MR NAT能够将进来的连接映射到PN。

因为DNS系统允许递归的DNS查询，所以该问题在一般情况下是不可解决的，但只有当进行非递归查询时才可解决。对于这些种类的查询，最初的名称解析请求者、亦即CN可以在最终处理该请求的名称服务器上被识别出。这里所描述的解决方案是基于以下假定，即DNS功能在固定网络内的入口和与NAT以及MR紧密相关的处理单元之间进行划分。

在图7中示出非递归的DNS查询的示范性的消息流。在这种情况下，处理DNS的应用层网关(DNS-ALG系统)记得进行DNS查询的CN的IP地址和所请求的PN名称。然后，在CN的连接请求进入MR时查询该绑定信息，以使NAT能够识别相似的PN。可以从给予PN的临时名称中推导出私有地址。该解决方案再次需要两个名称服务器元件：位于固定网络内的代理名称服务器和与NAT装置协同定位的本地名称服务器，更特别地网络地址端口翻译器，因为它包括TCP/UDP端口信息以在许多私有地址和一个公共IP地址之间进行映射。

本发明通过比当前解决方案更宽范围的寻址模型来支持移动网络中的可移动节点的可达性。它可以被用作对移动IP(MIP)或动态DNS的代替，以及适合于包括基于NAT的寻址的不同寻址解决方案的可达性。网络地址翻译器中的附加绑定信息使得能够清楚地解析复杂的绑定请求。

当与网络地址翻译一起使用时，该解决方案导致更有效的网络使用。实现了到可移动节点的直接路由，并避免了IP隧道中的IP。

当与网络地址翻译、一些拓扑正确寻址形式和MR本地网络地址分配一起使用时，该解决方案避免通过移动路由器所访问的网络链路的、从PN到本地网络域中的可达性代理的信令脉冲串。因为这通常是无线链路的瓶颈，所以该信令减少是非常重要的。

不要求可移动节点支持附加MIP软件和具有MIP本地代理。可移动节点通过定义知道，它是可移动的，亦即它能够连接到位于本地网络域之外的网络上并获得临时地址以及可能获得临时名称。尽管假定需要一些用于维持现有会话的连通性的工具-诸如SIP的会话管理协议，或者可以假定诸如DCCP的移动性了解传输协议(mobility awaretransport protocol)，但它不需要知道，它是移动的或者是移动网络的一部分。

该解决方案是IP版本不可知的，具有IPv4或IPv6协议栈的可移动节点可以利用基于临时名称的可达性业务来支持。

由移动路由器代表多个连接到移动网络上的可移动节点所执行的组名称注册可以显著地减少要经由无线电链路发送的注册信息的数量。但是，组名称注册仅仅在这样的情形中才可以实现，在该情形中一组可移动节点或多或少同时在相同的本地网络域上注册临时名称。

本发明并不限于上述特定方面和实施例，而是也能够以其多种修改和组合方案来实施。