WCDMA无线数据网络IPV4地址释放的技术策略研究

　　一、引言
　　在WCDMA的3GPP标准文档中，针对IPv4地址释放的阐述强调本地隐式释放，这一点不符合无线数据网络的应用环境，并在真实商用网络与大量UE/MS的实现中遇到了问题。根据WCDMA无线数据网络的应用环境，本文提出，在释放PDN网络连接的同时，应当显式释放分配给UE/MS的IPv4地址。显式IP释放也就意味着当需要从PDN网络断开连接时，UE/MS将显式地发送DHCP RELEASE消息。如果UE/MS不在PDN连接释放时显式地发送DHCPv4释放消息去释放已分配的IPv4地址，那么，由于UE/MS会在本地缓存上次分配的IPv4地址，因此，当建立PDN连接时，就会在UE-RAN-CN-PDN之间产生不必要的DHCPv4 REQUEST/NAK信令往返，从而导致在建立PDN连接时会引发额外的延迟；同时，当大量的UE/MS频繁地断开或重连PDN时，在一定程度上会给网络带来大量不必要的信令负载。
　　二、DHCP工作机制
　　DHCP（动态主机配置协议）在TCP/IP网络中自动配置新的和现有设备，包括分配一个网络地址和传输其他参数，如子网掩码、默认路由器的地址和域名服务器。DHCP是由IETF RFC 2131和RFC 2132。定义的，它基于BOOTP（RFC 951），且保持向后兼容BOOTP'保留了BOOTP的基本消息格式和BOOTP传发代理的操作，它共享最初分配给BOOTP的UDP端口（67和68）。
　　DHCP遵循客户机/服务器模型，客户端从服务器获得IP地址和配置信息。DHCP在客户端和服务器之间的消息可归纳以下几个方面，如表1所示。
　　RFC 2131定义了一个状态转换图来描述DHCP客户机行为。客户机状态转换见图2所示。
　　由图l可以清楚的看出，客户机共有六个状态：
　　INIT-REBOOT：一个已经具有有效租用的客户机掉电后启动或重启时，它是从此状态开始，而不是INIT状态。
　　1NIT：这是初始状态，客户机从这个状态开始获得租用过程，当租用结束或租用协商失败时也回到此状态。
　　SELECTING：客户机等待接收来自一个或多个DHCP服务器的DHCPOFFER报文，以便从中选择一个服务器。
　　BOUND：客户机具有一个有效的租用，处于正常运行状态。
　　REBINDING：客户机不能从原先批准租用的服务器更新租用，现在试图从任何一个可以听到它的服务器得到租用延期。它定期发送未指定服务器的DHCPREQUEST报文，直到得到回复或租用结束。
　　RENEWING：客户机试图更新租用。它向为它提供当前租用的服务器定期发送DHCPREQUEST报文，并等待回答。
　　三、在3GPP无线分组网络中关于IP地址释放的问题
　　1.问题的由来
　　在3GPP定义的WCDMA分组网络里，在访问PDN IP网络时，MS一旦建立了PDP上下文，就能够通过基于IETF定义的IP地址分配机制获取一个IPv4地址，即通过DHCPv4完成IPv4地址的分配和IPv4参数的配置。在这篇论文中，我们将分析WCDMA无线数据网络中IPv4地址释放存在的问题。下面是3GPP标准文档对IPv4地址释放的相关描述。
　　3GPP TS 24.008标准文档中叙述“当一个PDN连接的默认承载失效时，UE将本地释放相应PDN连接分配的IPv4地址或IPv6前缀。（”Upon deactivation of the default bearer of a PDN UEshall locally release any IPv4 address or IPv6 prefix allocated to the UE forthe corresponding PDN connectionI’）”另外，在3GPP Ts 24.301标准文档中又叙述“当默认的PDP上下文失效时，MS将本地释放相应PDN连接分配的IPv4地址或IPv6前缀。（“Upon deactivation of a default PDPcontext，the MS shall locally release any IPv4 address or IPv6 prefixallocated t0 the MS for the corresponding PDN connection”）”在DHCP场景里，“本地释放”这个词针是含糊不清和不准确的，DHCP实际上没有任何方法对IP地址进行本地释放，除非IP地址自动租赁期满。
　　3GPP TS23.401标准文档中叙述“PDN连接释放时，如果没有DHCPv4释放信令，那么UE和PDN GW将隐式地释放IPv4地址。（“Ifthe PDN connection is released without any DHCPv4 release signallingwith the UE，the UE and the PDN GW shall release the IPv4 addressimplicitlv，as soon as the PDN connection is released”）”这就意味着当PDN连接释放时，UE/MS不会通过显式地发送DHCPv4释放消息去释放IPv4地址。
　　3GPP TS29.061标准文档中没有任何条款/子条款表明：在PDN连接释放时，分配给UE/MS的IPv4地址应该从UE/MS一端被显式地释放。
　　2.影响分析
　　其一，网络方面。由于UE/MS会在本地缓存上次分配的IPv4地址，当UE/MS连接到PDN时，在UE/MS一端的DHCP客户机将会尝试使用以前分配的IPv4地址，那么，不必要的DHCPv4REQUEST/NAK信令总会发生，见图2中的第6步和第7步。通过笔者的观察，这个现象已经在不同的UE供应商的大量产品实现中存在，比如：Novatel、SonyEricsson、Qualcomm等等，智能手机也存在同样的现象，如Android，数据包捕获如图3所示。
　　这个问题将导致UE-RAN-CN-PDN之间产生不必要的信令往返。当大量的UE/MS频繁地断开或重新连接PDN时，将可能会导致某种程度的信令过载。此外，还占用大量宝贵的无线带宽。
　　其二，终端设备方面。这个问题可能会使UE到PDN的连接建立时间增加，严重情况下甚至以秒计。有时，UE/MS连接PDN时可能会产生怪异的应用程序行为，如网络连接失败或网络不可用的虚假报告。
　　四、解决方案
　　本文提出了一个显式IP地址释放的方案，也就是说，在PDP上下文失效之前，UE/MS将显式地发送DHCPv4释放消息去释放已分配的IPv4地址，见图4中的第14步所示。
　　尽管DHCP RELEASE消息在IETF RFC规范中是可选的，并且DHCP的正确操作也不取决于DHCPRELEASE消息的传送；然而在WCDMA无线移动环境中，强制进行显式IP地址释放是合理的。每次当MS从网络中断开连接时，它的IP租期对下一次与网络连接就没有任何意义。这就意味着客户机需要显式地放弃它的租期，也就是客户机将发送一个DHCP RELEASE消息。
　　在WCDMA网络中包括下面两种场景：
　　1.一种情况就是UE和网络都能彼此通信。
　　（1）从MS侧发起的PDP上下文失效
　　（2）从网络侧发起的PDP上下文失效，见图5。
　　 2.另一种情况就是UE和网络不能相互通信，例如由于无线链路恶化的原因，见图6。
　　这种情况，UE可以自行决定采取哪一种动作，比如保持PDP上下文多少时间为有效，什么时间去释放IP和删除PDP上下文等。
　　即使在这样的情况下，DHCP显式释放仍能应用，因为DHCPRELEASE消息是一个单向的消息（这就意味着它并不介意释放消息最终是否能够到达网络），它将清除UE端DHCP客户机分配到的IP地址的所有DHCP相关信息，如此一来，它将确保不再试图重用上次分配的IP。
　　五、实现措施
　　下面我们将针对不同UE类型，讨论显式IP释放的实现方法。这里的UE类型可以划分为功能手机、PC数据卡、智能手机。
　　我们先讨论PC通过UE来访问IP网络这种情况，以功能手机和PC数据卡为例，而智能手机是属另一种情况将在后面再说明。大家都知道，通常需要两部分软件相互配合才能起作用，一部分是属于UE的固件部分，另一部分是属于PC的主机软件部分（我们把这部分称为连接管理程序，它包含驱动程序），这两部分软件都是由UE供应商提供的。在这种情况下，UE固件可能无法直接控制由PC操作系统提供的DHCP客户机。然而，驻留在PC上的UE连接管理程序肯定能通过PC操作系统的DHCP客户机发送DHCP RELEASE消息，而且这在技术上是可行的，因为操作系统（如，Unix，微软Windows等）都会为应用程序提供DHCPAPI接口。
　　即使UE处于WCDMA网络无线信号覆盖之外，位于主机的连接管理程序仍然有机会在它拆除PC操作系统网络接口之前去发送DHCPRELEASE消息（例如，UE通常在微软Windows上提供一个模拟的NDIS以太网接口）。虽然DHCP RELEASE消息可能永远不能到达网络，但它确实会在UE/PC操作系统端释放IP，这正是我们所期望的。
　　现在，我们再考虑智能手机的情况。智能手机有两个独立的处理器（基带处理器和应用处理器）以及两个操作系统在运行。DHCP客户机位于应用处理器及其操作系统上（如Linux、Mac或者其他操作系统），因此整个事情仍在智能手机供应商的控制下，也就是说，显式释放IP地址是可行的。
　　基于以上几点，显式释放IP地址的建议对UE供应商的影响是有限的和受控的。这个新建议的实现对于UE供应商来说并不是很困难的事，因为供应商只需去修改他们的软件部分，并在需要的情况下针对现有产品进行软件升级就可以了。
　　六、结论
　　就WCDMA的3GPP标准文档而言，本文的建议是修改相关叙述，使其更加清晰和准确，也就是IP地址应该显式地释放，因为移动数据网络的广泛应用在不久的将来是一种非常平常的事。随着移动宽带在各个领域的渗透，越来越多基于IP的UE设备被用于接人数据网络，特别是Intemet的接入，这是一种趋势。因此，这一修改显得越发必要。