Wireless Data Network Integration

近來的趨勢顯示基於 IEEE 802.11 標準的無線區域網路(Wireless Local Area Network, WLAN) 與 2.5 代整合封包無線電服務(General Packet Radio Service, GPRS)甚至是第 3 代全球行動電話 系統(Universal Mobile Telephone System, UMTS) [20][21]或兩千兆赫的分碼多工存取(Code Division Multiple Access 2000)之廣域無線網路(Wireless Wide Area Network, WWAN)將會共存 為使用者提供網際網路的存取。 這兩項技術所提供的特性完美地互補了彼此。 802.11 的標準 [19]

使得在視距離基地台(通常稱為存取點，Access Point)的遠近獲取支援從 1Mbps 到 54Mbps 不等 速度的便宜無線區域網路。 然而 802.11 存取點能覆蓋的範圍僅僅只有方圓數百公尺，使得它們 適合於企業網路以及所謂的熱點(Hot-spot)，例如旅館與機場等。 相反的，使用 2.5 代或第 3 代行 動通訊標準所建立的無線網路，需要十分龐大的資金投資。 而所支援有限的尖峰速度從 32Kbps 到最大值幾近 2Mbps，但是卻提供較廣域的覆蓋範圍，使得連線可到處存在。 能讓使用者無縫式 地切換於這兩種網路型態間的架構部署將可替服務提供者及使用者帶來多項的好處。 藉由提供整 合的 802.11/2.5(3)G 服務、2.5(3)G 營運者與無線網際網路服務提供者(Wireless Internet Service Provider, WISP)能善用他們的資金，吸引更廣大的用戶群並最終促進無所不在的高速無線數據資 料之引進。 使用者便能享受到整合服務效能的提升與整體花費的下降。

在本節中將根據歐洲電信標準協會(European Telecommunications Standards Institute, ETSI) 所提出的兩種基礎整合架構在 3.1.1 中介紹，並在 3.1.2 探討現有的整合軟體。

3.1.1 Interworking Architectures

在整合異質無線網路上，歐洲電信標準協會制訂了兩種基礎的整合方式，稱為緊密連結(Tight coupling)與鬆散連結(Loose coupling) [24]。 以下將就這兩種架構做基本的介紹：

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緊密連結整合架構 (Tight Coupling Interworking Architecture)

在緊密連結整合架構之下，可將無線區域網路視為行動電信網路所支援的某一種無線接取網 路(Radio Access Network, RAN)。 也就是說無線區域網路將會模擬專屬於行動電信網路才有的功 能，以 WLAN 與 GPRS 整合的架構為例，如圖 3-1 所示，圖中的 GIF 便是具備這樣功能的元件。

它對行動電信核心的網路隱藏了無線區域網路協定詳細的運作情況，並實作了所有行動電信網路 中無線接取網路部分所需要的協定。 而行動端在此架構下需要在標準的無線區域網路卡上實作相 對應的行動電信網路協定堆疊，並在需要的時候在實體層做切換。 因此，行動端在無線區域網路 下產生的所有封包將會透過行動電信網路協定進入行動電信網路核心再進入網際網路。 換句話 說，不論在無線介面卡上所使用的實體層協定為何，這兩種不同的網路將共享相同的認證、通 訊、傳輸與計費之基礎建設。 除此之外，採用這樣架構的系統，主要的優點還包括系統可以提供

不斷線的資料傳輸，不需要額外靠 Mobile IP 或其他相關技術才能提供不斷線的資料傳輸。 另外 當使用者在行動電信網路與無線區域網路之間切換時，整體程序所需要花費的時間會是最少的。

然 而 ， 這 個 架 構 存 在 幾 項 缺 點 。 首 先 是 行 動 電 信 網 路 必 須 在 SGSN(GPRS/UMTS) 或 PCF(CDMA2000)上提供新的網路介面來銜接無線區域網路，而開發這個新的網路介面技術並非 易事，尤其是要在無線區域網路內模擬或者是轉換行動電信網路中無線接取網路的部分功能，會 將原本具有簡單特性的無線區域網路複雜化。 在現實基於資料安全性及保密性的考量以及設定管 理的問題下意味著，必須同時營運行動電信網路與無線區域網路的業者才較有機會實現這項架 構。 也就是說，獨立營運的無線區域網路除非獲得行動電信網路完整的支援，否則將無法與行動 電信網路進行整合。 此外，先前所提到無線區域網路卡必須實作行動電信網路的協定堆疊，這表 示在無線區域網路的認證上將採用行動電信網路所特有的通用用戶辨識模組(Universal Subscriber Identity Module, USIM)或可拆卸式用戶辨識模組(Removable User Identity Module) [22] 之認證機 制。 這表示無線區域網路卡需有內建的該模組插槽以供放入行動電信網路所提供的晶片卡。

基於上述的原因，由於重新設定行動電信網路核心的複雜度與高成本將會致使選擇緊密連結 整合架構的系統商無法與只營運無線區域網路的 WISP 業者競爭。

Figure 3 - 1: WLAN/GPRS Integration with Tight Coupling

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鬆散連結整合架構 (Loose Coupling Interworking Architecture)

與先前的架構相比較，在鬆散連結整合架構下無線區域網路的資料路徑不會穿過行動電信的 核心網路而是直接經過 WISP 本身的 IP 網路或是直接連上網際網路，如圖 3-2 所示。 在此架構 下，不同的機制與協定可在各自的網路下用來處理認證，計費與行動管理。 然而，如果要達到不 斷線的話，它們必須交互運作。 以 CDMA2000 的狀況來說，在無線區域網路這邊需要 Mobile IP 功能的支援來處理跨網路的行動管理，同時也要有認證授權與計費(Authentication Authorization Accounting, AAA)的服務 [14] 來與 3G 家網路的 AAA 伺服器互動。 而在 UMTS 方面，由於 UMTS 標準尚未支援如 AAA 與 Mobile IP 等的 IETF 協定，所以需要更多的修改來整合 UMTS 網 路。 Mobile IP 的服務將必須加入 GGSN 來達成在無線區域網路與 UMTS 網路間的不斷線切換。

還有一致的用戶資料庫介面必須被開發使在 UMTS 網路端的 HLR 可以認證與計費，同時也必須讓 當用戶漫遊到無線區域網路下時 AAA 伺服器也能執行相同的運作。

採用這種架構的好處是封包不需要經過行動電信網路，路徑簡單快速，也因此所需要行動電 信業者的支援程度較輕，比較不受其限制。 對於 WISP 業者來說，擴充性高，系統開發亦較不複 雜。 對行動電信業者來說它們能從其他提供無線區域網路佈建者獲取利益而無須擴展其資金設 備。 更進一步，當與許多合作伙伴達成漫遊協定所帶來的是更廣大的覆蓋範圍，用戶所受益的是 只有一家服務提供者但可享受所有的網路存取。 然而鬆散連結整合架構比起緊密連結整合架構唯 一的不足點只在於其行動管理方面。

Figure 3 - 2: WLAN/GPRS Integration with Loose Coupling

由以上的分析可知，兩種整合方案各有其優缺點。 但是回頭思索，整合無線區域網路與行動 電信網路主要目的之一就是希望利用無線區域網路高速傳輸的優點。 如果像緊密連結整合架構這 樣封包都必須經過行動電信的核心網路才能再連上網際網路，這樣便失去整合無線區域網路的意 義了。 再加上採行緊密連結整合架構必須大幅受限行動電信業者的態度支持與否，因此現今大部 分的系統整合都偏向採用鬆散連結之整合架構。

3.1.2 Currently Implementations

目前針對異質無線網路的整合軟硬體在學界與業界皆有不少的成果發表，本小節內將概略地 介紹其中的一些實作。

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NetSwap - University of Portsmouth

NetSwap 為 英 國 普 茲 茅 斯 大 學 名 為 「 無 線 網 路 下 的 不 斷 線 漫 遊 」 (Seamless Roaming Between Wireless Networks)計畫下的產物 [27][28]。 從該系統架構圖(圖 3-3)不難看出這是屬於 鬆散連結式的整合架構。 在此架構下主要有兩個元件： NetSwap 驅動程式與 NetSwap 閘道器。

在實作方面，NetSwap 的觀念與元件等都是在著名的網路模擬器 ns2 [32] 上實現，並無實際可運 作的軟體呈現。 皆下來就針對這主要的兩個元件做介紹：

Figure 3 - 3: NetSwap System Architecture

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NetSwap 驅動程式 (NetSwap Driver)

NetSwap 驅動程式是在行動端上呈現出一張虛擬網路介面卡的軟體。 該驅動程式是 在所有其它的網路裝置驅動程式之上。 如圖 3-4 所示，其作用是欺騙任何的網際網路應 用程式讓它們以為行動端只有一個永遠皆有連線的網路裝置。 NetSwap 驅動程式的運作

就有點像是代理伺服器(Proxy)，視其他不同網路裝置(例如 GPRS 或 WiFi)的存在與否來 使用它們。 以第二章所提及的 NDIS 架構來說，NetSwap 驅動程式事實上就是一個中間 層驅動程式。

Figure 3 - 4: NDIS NetSwap Driver

NetSwap 驅動程式負責監控所有的連線。 它將來自應用程式的封包根據目前可用與 其優先順序每次繞送到一張實體的網路卡 優先順序可以根據花費、路由公制、頻寬或是 使用者自訂來決定。 舉例來說，WiFi 的優先權可能比 GPRS 高，因為它的連線速度較 快。

要讓任何驅動程式優先使用這張虛擬網路介面卡其中一個作法就是強迫提高系統內 其他網路卡的路由公制值，也就是使得虛擬網路介面卡擁有最低的公制。 舉例來說，

NetSwap 驅動程式可以給自己的公制為 10，然後更動乙太網路卡的公制值到 11，無線 區域網路到 31 以及 GPRS 的值到 51。 如此一來，網際網路應用程式在傳送網路封包時 將會透過路由公制值較低的 NetSwap 驅動程式。

接下來，NetSwap 驅動程式必須強迫所有的封包藉由封裝加入第二個 IP 標頭傳送經 過一個特殊的路由器(NetSwap Gateway)。 該驅動程式必須要與這特殊的路由器溝通讓 它知道目前行動端所使用的介面卡為何。 這樣的通訊在介面卡切換時會以正規的間隔時 間被進行。

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NetSwap 閘道器 (NetSwap Gateway)

NetSwap 閘道器是座落於網際網路上的一台路由器，扮演著中繼傳輸所有封包中心 點。 它必須擁有一個固定的 IP 位址作為一個大家都知道的點而且該位址不能更動。 而 它的工作是遞送所有來自與目的為行動端目前位置的封包。 對於執行在行動端與通訊端 上的應用程式來說這是一個永遠存在(Always On)的連線，而且封包通過 NetSwap 閘道 器這件事對於兩個端點來說應該要是透明的。

Figure 3 - 5: UML Sequence Diagram for NetSwap

從 3-5 的系統運作流程圖可以更清楚的瞭解 NetSwap 閘道器所扮演的角色與作用。

當 NetSwap 驅動程式選定所使用的介面卡，它會利用 NetSwapAddressUpdate()訊息告 知 NetSwap 閘道器其決定。 在閘道器確認之後會回送 NetSwapAddressUpdateOK()訊 息作為確認，此後當應用程式送出封包時都會經過 NetSwap 驅動程式作適當的封裝後送

當 NetSwap 驅動程式選定所使用的介面卡，它會利用 NetSwapAddressUpdate()訊息告 知 NetSwap 閘道器其決定。 在閘道器確認之後會回送 NetSwapAddressUpdateOK()訊 息作為確認，此後當應用程式送出封包時都會經過 NetSwap 驅動程式作適當的封裝後送

在文檔中 異質網路漫遊系統整合平台之設計與實作 (頁 49-58)