第七章 第3节

第七章第三节：移动性管理笔记

主线：

5G 云化补充 → 什么是移动性 → 归属网络 / 被访网络 → 注册 → 间接路由 → 直接路由 → 4G/LTE 中的移动性实现 → 切换 BS → Mobile IP → 对高层协议的影响

一、5G 概述：NFV、SDN、切片、MEC

1. NFV：网络功能虚拟化

NFV 的意思是：

以前很多网络功能要专用硬件设备完成 现在尽量用通用服务器 + 软件/虚拟机/容器完成

比如以前可能需要专门设备做：

防火墙 负载均衡 网关 核心网功能

现在可以变成软件服务跑在云上。

NFV 是把“网络盒子”变成“软件程序”。

2. SDN：控制更灵活

SDN 负责：

集中控制 资源分配 路径优化 网络切片调度

前面第五章讲过：

控制平面负责决定怎么走 数据平面负责真的转发

在 5G 里，SDN 可以帮助实现：

给不同业务分配不同网络资源 动态调整路径 快速部署新业务

3. 网络切片

5G 不是所有业务都用同一套固定网络，而是把一张物理网络切成多个逻辑网络。

比如：

eMBB 切片：高清视频、大流量下载 URLLC 切片：低延迟、高可靠，工业控制/自动驾驶 mMTC 切片：大量物联网设备

同一条高速公路，划出普通车道、救护车道、货运车道。 物理道路是一套，但规则和优先级不同。

4. MEC：移动边缘计算

MEC 是：Multi-access / Mobile Edge Computing

意思是把计算资源放到离用户更近的地方，比如：

基站附近 本地数据中心 运营商边缘机房

目的：

降低时延 减少核心网压力 提高实时应用体验

比如自动驾驶、AR/VR、工业控制，不适合所有数据都绕到远端云中心处理。

二、什么是移动性？

从网络角度看，移动性不是单纯“人拿着手机走”。

它关心的是：

设备移动后，网络还能不能找到它？ 设备移动后，通信会不会断？ 设备移动后，IP 地址、路由路径怎么处理？

移动性可以分几个层次：

1. 设备不移动 2. 设备在同一个 AP 范围内移动 3. 设备在同一个运营商网络的不同 AP / BS 间移动 4. 设备跨不同运营商网络移动，还要保持通信连续

我们真正关心的是后两种。

三、为什么不能让全网路由器都处理移动性？

一种直觉想法是：设备移动到哪里，全网路由器都更新路由表

但是这样不现实。

原因：

移动设备太多 移动位置变化太频繁 全网路由表不能频繁修改 互联网路由靠最长前缀匹配，不适合给每个手机单独记录位置

比如手机号码一样：不可能全球每个路由器都知道你手机现在在哪个基站下

所以说：让网络中所有路由器直接处理移动性：不扩展

四、让端系统/边缘系统处理移动性

更合理的做法是：

不要让全网路由器都知道移动节点的位置 而是在网络边缘设置一些“代理”或“管理实体”

典型思路有两个：

间接路由 直接路由

五、归属网络和被访网络

1. 归属网络 Home Network

归属网络就是你的“老家”。

比如：

你的手机号属于中国移动 你的 SIM 卡信息存在中国移动系统里

那么中国移动就是你的归属网络。

归属网络保存：

用户身份 订阅服务 认证信息 当前大概位置

HSS 就是归属网络里的用户数据库。

2. 被访网络 Visited Network

被访网络就是你当前所在的网络。

比如：

你带着国内 SIM 卡去了日本 手机接入日本某运营商基站

日本这个运营商网络就是被访网络。

被访网络负责：

给你提供当前接入 帮你和归属网络确认身份 把你的当前位置告诉归属网络

3. 生活类比

归属网络像你父母或者户籍地：别人想找你，先问你家里人你去哪了

被访网络像现在住的酒店：现在人不在家，但酒店知道你当前在哪里

六、注册：归属网络需要知道你在哪

移动设备到达被访网络以后，要做注册。

过程大概是：

1. 移动设备接入被访网络 2. 被访网络的管理实体发现这个设备 3. 被访网络联系归属网络 4. 归属网络验证身份 5. 归属网络记录：这个用户现在在某个被访网络中

结果：

被访网络知道你是谁 归属网络知道你现在在哪

七、间接路由：先找老家，再转给本人

间接路由的核心是：

通信者不知道移动节点现在在哪 通信者只知道移动节点的永久地址 所以先把数据发到移动节点的归属网络 再由归属网络转发给移动节点当前所在的被访网络

1. 过程

假设通信者 C 要找移动节点 M。

M 原来属于 Home Network，现在移动到了 Visited Network。

间接路由过程：

1. C 把数据发给 M 的永久地址 2. 数据先到 M 的归属网络 3. 归属网络知道 M 当前在被访网络 4. 归属网关把数据通过隧道转发到被访网络 5. 被访网络再交给 M

路径类似：

C → Home Network → Visited Network → M

2. 优点

间接路由的优点是：

对通信者透明 通信者不需要知道 M 当前在哪 M 换了被访网络，C 可以不知道 正在进行的 TCP 连接比较容易保持

因为通信者一直认为：就是在和 M 的永久地址通信

3. 缺点：三角路由

缺点是路径可能绕远。

比如 C 和 M 明明离得很近，但是数据还要先绕回 M 的归属网络。

所以叫：三角路由

路径像三角形：C → Home → M

不是最短路。

八、直接路由：先问位置，再直接发

直接路由的核心是：

通信者先去归属网络询问移动节点当前的外部地址 然后直接把数据发到移动节点所在的被访网络

1. 过程

1. C 想联系 M 2. C 向 M 的归属网络查询 M 当前在哪 3. 归属网络告诉 C：M 当前在某个被访网络，有一个临时地址 care-of address 4. C 直接发给这个临时地址 5. 被访网络交给 M

路径变成：

C → Visited Network → M

2. 优点

避免三角路由 路径更短 效率更高

3. 缺点

移动节点位置对通信者不透明 通信者需要知道 M 当前的临时地址 如果 M 再次移动，C 可能还要重新查询 保持已有 TCP 连接更麻烦

间接路由：简单透明，但绕路 直接路由：路径高效，但管理复杂

九、4G 网络中的移动性任务

4G/LTE 中移动性主要分四件事。

1. 基站关联 2. 控制平面配置 3. 数据平面隧道配置 4. 移动节点切换 BS

1. 基站关联

手机进入一个区域后，需要选择一个基站。

过程大概是：

1. 基站广播同步信号 2. 手机扫描频段 3. 手机发现可用基站 4. 手机用 IMSI 或临时标识说明自己是谁 5. 手机选择合适基站接入

基站还会给手机配置无线信道参数。

2. 控制平面配置

控制平面要解决：

这个用户是谁？ 能不能接入？ 属于哪个归属网络？ 当前在哪个被访网络？

涉及：

UE / 手机 BS / eNodeB MME HSS

MME 会和 HSS 通信，确认用户身份和服务权限。

3. 数据平面隧道配置

真正的数据转发不是简单裸 IP 转发，而是通过隧道。

大致路径：UE → BS → S-GW → P-GW → Internet

其中：

S-GW 到 BS 有隧道 S-GW 到 P-GW 也有隧道

用的协议是：GTP-U

也就是：

原始用户 IP 包 外面封装 GTP 再封装 UDP 再封装 IP

十、为什么 4G 要用隧道？

因为手机会移动。如果手机从一个基站切到另一个基站，理想情况是：

手机 IP 不变 上层连接不断 只改运营商内部隧道的出口

所以隧道的好处是：

移动节点位置变化时，不一定要改外部互联网路由 只需要改核心网内部的隧道终点

比如原来：

S-GW → 旧 BS → 手机

切换后变成：

S-GW → 新 BS → 手机

外部服务器不需要知道手机换基站了。

十一、同一运营商网络内切换 BS

这部分就是 handover。

假设手机原来连 source BS，现在要切到 target BS。

1. 切换前

数据路径：

P-GW → S-GW → source BS → 手机

2. 切换过程

大概步骤：

1. source BS 发现手机信号变弱，选择 target BS 2. source BS 向 target BS 发送切换请求 3. target BS 预留无线资源，并回复 ACK 4. source BS 通知手机切换到 target BS 5. 手机连接 target BS 6. target BS 通知 MME：手机现在由我服务 7. MME 指示 S-GW 修改隧道终点 8. 数据路径改成 S-GW → target BS 9. source BS 释放旧资源

3. 核心变化

切换本质上是：隧道出口从旧 BS 改到新 BS

改变隧道的第二段另一端： 旧 BS → 新 BS

十二、Mobile IP

Mobile IP 是一个更早的通用移动性方案。

大约 20 年前标准化 早于智能手机普及 现在没有大规模部署 更多是理解移动性原理用

1. Mobile IP 的基本角色

移动节点 Mobile Node 归属代理 Home Agent 外部代理 Foreign Agent 通信者 Correspondent

归属代理类似：

4G 里的 HSS + P-GW 的部分作用

外部代理类似：

4G 里的 MME + S-GW 的部分作用

2. Mobile IP 的基本思想

移动节点有一个永久归属地址 移动到外部网络后获得一个临时地址 归属代理知道它当前在哪里 数据通过隧道转发给它

所以本质还是：

永久地址 + 当前临时位置 + 隧道

十三、无线和移动性对高层协议的冲击

这部分是第七章总结里的重点。

按分层模型看：

IP 网络尽力而为的服务模型没变 TCP/UDP 仍然可以跑在无线和移动节点上

但是性能会变差。

1. 对传输层的影响

无线链路容易出现：

高误码率 分组丢失 分组延迟 分组乱序 切换时短暂中断

TCP 看到丢包后，可能会误判为：

网络拥塞

于是 TCP 会：

减小拥塞窗口 降低发送速率

但实际上丢包可能只是无线信号差或者基站切换导致的。

所以：

无线丢包 ≠ 一定是拥塞 但 TCP 可能会当成拥塞处理

这就是冲击。

2. 对应用层的影响

不好的影响：

延迟变大 实时应用体验变差 视频会议卡顿 游戏延迟增加 网页加载变慢

好的影响：

可以利用位置感知 比如地图、外卖、打车、附近设备服务

十四、对比

间接路由 vs 直接路由

项目 ｜ 间接路由 ｜ 直接路由 路径 ｜ 通信者 → 归属网络 → 被访网络 → 移动节点 ｜ 通信者 → 被访网络 → 移动节点 是否绕路 ｜ 可能绕路，三角路由 ｜ 更直接 对通信者是否透明 ｜ 透明 ｜ 不透明 移动后维护连接 ｜ 相对容易 ｜ 更复杂 代表思想 ｜ 归属代理转发 ｜ 获取 care-of address 后直接发

WiFi 移动 vs 4G/5G 移动

项目 ｜ WiFi ｜ 4G/5G 接入点 ｜ AP ｜ 基站 BS / eNodeB / gNB 身份 ｜ 账号、密码、MAC 等 ｜ SIM、IMSI、运营商认证 移动范围 ｜ 局部 LAN ｜ 大范围、跨城市、跨运营商 移动管理 ｜ 比较简单 ｜ 核心网参与 数据路径 ｜ AP → 路由器 ｜ BS → S-GW → P-GW 关键机制 ｜ 关联、重关联、交换机学习 ｜ 注册、隧道、切换、认证

十五、第七章总节

第七章其实可以分成两大块：

无线：信道不好，大家怎么抢信道、怎么传得稳 移动：设备会跑，网络怎么持续找到它

无线链路： 信号会衰减、会干扰、会碰撞，所以要 CSMA/CA、RTS/CTS、速率自适应。 WiFi： 用 AP 连接无线主机和有线网络，802.11 帧有多个地址。 蜂窝网络： 用基站和核心网管理大范围移动，靠 HSS/MME 认证定位，靠 S-GW/P-GW 和 GTP 隧道转发数据。 移动性管理： 移动设备离开原网络后，归属网络记录它的位置，被访网络提供接入，通过间接路由或直接路由找到它。 对高层影响： IP/TCP/UDP 还能用，但无线丢包、延迟、切换会影响 TCP 和应用体验。