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《移动协议与切换优化：设计、评估与应用》是来自国际知名专家阿舒托什•杜塔（Ashutosh Dutta）和亨宁•舒茨莱宁（Henning Schulzrinne）的心血力作，两位专家都有着丰富的实践经验，同时也是很多通信标准和协议的起草人。阿舒托什•杜塔（Ashutosh Dutta）在业内成果卓著，而阿舒托什•杜塔（Ashutosh Dutta）更是被业内称为“互联网电话之父”。《移动协议与切换优化：设计、评估与应用》作为两位大牌专家倾力合作的作品，代表了目前业界在移动协议和切换优化方面的高水平！

内容简介

《移动协议与切换优化：设计、评估与应用》介绍了不同层的移动协议，给出了移动事件的一种系统性分析，并深入考察了不同层中每项切换操作关联的优化技术；讨论了包括无线服务提供商、企业网络、自组织网络和车辆网等各种移动部署场景，并给出了支持单播和组播流量的情形，同时提供了移动事件的一种形式化分析；另外，还给出了由移动测试床和理论模型得到的结果和性能分析。《移动协议与切换优化：设计、评估与应用》适合商用3G/4G、LTE、IMS和军事（自组织）环境设计无线网络的专业人员和系统架构师阅读，也可作为研究生、业界和学术界的研究人员和系统工程师的参考书。

作者简介

Ashutosh Dutta博士从哥伦比亚大学获得电子工程博士，从美国NJIT获得计算机科学硕士，从印度Rourkela的NIT获得BSEE。作为一名正当年的移动和安全架构师及具有20多年经验的成绩卓著的网络和计算机科学专家，Ashutosh指导了多项IT运营，领导了领先全球技术公司和知名大学的研究和开发，并在研究、分析和设计倡议的开发和实现方面具有深入的专家知识。    他的职业生涯跨越25个年头，包括作为新泽西AT&T的LMTS（技术部领导人），新泽西NIKSUN的无线CTO，新泽西Telcordia技术公司的老资格科学家，纽约哥伦比亚大学中心研究部主任，以及印度TATA Motors的计算机工程师。Ashutosh的研究兴趣包括无线互联网、多媒体信令、移动管理、4G网络、IMS（IP多媒体子系统）、VoIP和会话控制协议。他发表了80篇以上的会议和期刊论文以及互联网草案，还有相关书籍中的三章内容，并在不同会议上做过有关移动管理的讲座（tutorial）。Ashutosh有21项授权的安全和移动相关的美国专利。Ashutosh是网络安全和移动期刊的主编，该期刊由River出版社出版。    Ashutosh是IEEE和ACM的高级会员，在部门、区域、分会、社团、MGA和EAB等级别上曾作为一名IEEE志愿者和领导人。Ashutosh获得过2009 IEEE区域1、IEEE MGA和2010 IEEE美国领导者奖项。    Henning Schulzrinne教授是哥伦比亚大学计算机科学Levi教授，从马萨诸塞州的Amherst马萨诸塞大学获得博士。在加入哥伦比亚大学计算机科学和电子工程系之前，他是AT&T贝尔实验室的MTS和柏林GMD-Fokus的副系主任。他曾作为2004~2009年间计算机科学系的主任以及2010年和2011年美国联邦通信委员会（FCC）的工程会士（Fellow），并自2012年起是FCC的首席技术官员。    他发表了250篇以上的期刊和会议论文，70项以上的互联网RFC。由他共同开发的一些协议（如RTP、RTSP和SIP），现在是互联网标准，用于几乎所有互联网电话和多媒体应用中。他的研究兴趣包括互联网多媒体系统、泛在计算和移动系统。    他是IEEE会士；获得过纽约市市长科学和技术卓越奖、VON先导奖（VON Pioneer Award）、TCCC服务奖和IEEE终身卓越服务的IEEE区域1 William Terry奖以及马萨诸塞大学计算机科学突出校友荣誉（Alumni recognition）；是互联网名人堂的一名成员。

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目　　录

目录译者序作者简介原书序原书前言缩略语列表第1章导言11.1移动类型21.1.1终端移动性21.1.2个人移动性51.1.3会话移动性61.1.4服务移动性61.2性能需求71.3写作动机81.4主要贡献小结9第2章用于多媒体的移动协议分析122.1主要贡献和标志性结果概述122.2引言122.3蜂窝1G移动性142.3.1系统架构142.3.2切换规程152.4蜂窝2G移动性162.4.1GSM162.4.2IS-95192.5蜂窝3G移动性212.5.1WCDMA222.5.2CDMA2000242.64G网络262.6.1演进的分组系统262.6.2WiMAX移动性292.7基于IP的移动性322.7.1网络层宏移动性33ⅩⅨ2.7.2网络层微移动性402.7.3网络移动性452.7.4传输层移动性482.7.5应用层移动性482.7.6主机身份协议492.7.7MOBIKE502.7.8IAPP522.8异构切换532.8.1UMTS-WLAN切换542.8.2LTE-WLAN切换572.9组播安全性632.10结语69第3章移动事件的系统分析713.1主要贡献和标志性结果概述723.2引言733.3切换组件的分析753.3.1网络发现和选择773.3.2网络附接773.3.3配置783.3.4安全关联783.3.5绑定更新793.3.6媒体重路由803.4层间切换的影响803.4.1层2时延813.4.2层3时延813.4.3应用层时延823.4.4层间的切换操作823.5结语86第4章对移动性建模884.1主要贡献和标志性结果概述884.2引言894.3相关工作894.4将移动性建模为一个离散事件动态系统904.5Petri网原语（基础）914.6基于Petri网的建模方法论934.7切换期间的资源利用率944.8切换过程的数据依赖分析96ⅩⅩ4.8.1基于Petri网的数据依赖974.8.2切换过程期间数据依赖分析984.9切换的Petri网模型1024.10切换事件的基于Petri网的分析1164.10.1切换中死锁的分析1164.10.2可达性分析1184.10.3矩阵方程1204.11使用Petri网的系统性能评估1214.11.1基于周期时间的方法1214.11.2基于Floyd算法的方法1224.11.3资源-时间乘积方法1234.12优化的机会1254.12.1切换操作中并行性分析1264.12.2提前操作的机会1274.13结语127第5章层2优化1285.1引言1285.2相关工作1285.3IEEE 802.11标准1295.3.1IEEE 802.11无线LAN架构1305.3.2IEEE 802.11管理帧1315.4采用主动扫描的切换规程1325.5快速切换算法1345.5.1选择性扫描1345.5.2缓存1365.6实现1385.7测量1395.7.1试验设置1395.7.2环境1395.7.3试验1395.8测量结果1405.8.1切换时间1405.8.2分组丢失1405.9结论和未来工作142第6章移动优化技术144ⅩⅪ6.1主要贡献和标志性结果概述1446.1.1发现1446.1.2认证1456.1.3层3配置1456.1.4层3安全关联1466.1.5绑定更新1476.1.6媒体重路由1476.1.7路由优化1486.1.8媒体无关的跨层触发器1496.2引言1506.3发现1506.3.1主要原则1516.3.2相关工作1516.3.3应用层发现1526.3.4试验结果和分析1556.4认证1586.4.1主要原则1606.4.2相关工作1606.4.3网络层辅助的预认证1636.4.4试验结果和分析1676.5层3配置1706.5.1主要原则1736.5.2相关工作1736.5.3路由器辅助的重复地址检测1746.5.4提前IP地址配置1756.5.5试验结果和分析1766.6层3安全关联1776.6.1主要原则1776.6.2相关工作1776.6.3锚点辅助的安全关联1786.6.4试验结果和分析1816.7绑定更新1846.7.1主要原则1846.7.2相关工作1856.7.3层次化绑定更新1856.7.4试验结果和分析1896.7.5提前式绑定更新1916.8媒体重路由192ⅩⅫ6.8.1主要原则1926.8.2相关工作1936.8.3使用转发代理的数据重定向1936.8.4移动中介辅助的时间约束下的数据重定向1956.8.5时间约束的局部化组播1986.9媒体缓冲2026.9.1主要原则2036.9.2相关工作2046.9.3用于边缘缓冲的协议2046.9.4试验结果和分析2086.9.5缓冲时延和分组丢失之间折中的分析2126.10路由优化2136.10.1主要原则2136.10.2相关工作2146.10.3采用应用层移动维护一条直接路径2146.10.4在端点处截获器辅助的分组修改器2156.10.5截获中介辅助的路由优化2176.10.6代价分析和试验分析2196.10.7基于绑定缓存的路由优化2226.11媒体无关的跨层触发器2256.11.1主要原则2256.11.2相关工作2256.11.3媒体无关切换功能2266.11.4比较快速的链路下线检测方案2316.12结语234第7章对多层移动协议的优化2367.1主要贡献和标志性结果概述2367.2引言2377.3主要原则2377.4相关工作2387.5多层移动方法2397.5.1基于策略的移动协议：SIP和MIP-LR2397.5.2采用MMP集成SIP和MIP-LR2407.5.3集成全局移动协议和微移动协议2437.5.4多层移动协议的实现2447.5.5实现和性能问题2457.6结语247ⅩⅩⅢ第8章对同时移动的优化2498.1主要贡献和标志性结果概述2498.2引言2498.3同时移动问题图示2518.4相关工作2538.5主要优化技术2548.6分析框架2548.6.1基础概念2548.6.2切换序列2548.6.3绑定更新2568.6.4位置中介和绑定更新中介2578.7分析同时移动问题2598.8同时移动的概率2628.9解决方案2648.9.1软切换2648.9.2接收方侧的机制2658.9.3发送方侧的机制2668.10应用各种解决方案机制2688.10.1移动IPv62688.10.2MIP-LR2708.10.3基于SIP的移动性2708.11结语272第9章对组播流化的切换优化2749.1主要贡献和标志性结果概述2749.2引言2759.3主要原则2789.4相关工作2799.5一个层次结构式组播架构中的移动性2809.5.1信道宣告2829.5.2信道管理2829.5.3信道调谐2839.5.4本地广告插入2839.5.5信道监测器2849.5.6安全284ⅩⅩⅣ9.6针对组播媒体交付的优化技术2859.6.1反应式触发2869.6.2提前式触发2879.6.3在一个移动节点配置期间触发2889.7试验结果和性能分析2889.7.1试验结果2889.7.2性能分析2929.8结语294第10章协作漫游29610.1引言29610.2相关工作29810.3IP组播寻址30010.4协作式漫游30010.4.1概述30010.4.2L2协作协议30110.4.3L3协作协议30210.5协作认证30310.5.1IEEE 802.1x概述30310.5.2认证过程中的协作30410.5.3中继过程30510.6安全30710.6.1漫游中的安全问题30710.6.2协作认证和安全30810.7流化媒体支持30910.8带宽和能量使用31010.9试验31110.9.1环境31110.9.2实现细节31110.9.3试验设置31210.9.4结果31310.10应用层移动31710.11负载均衡31910.12组播和扩展性32010.13组播的一种替代方法32010.14结论和未来工作321ⅩⅩⅤ第11章系统评估32311.1主要贡献和标志性结果概述32311.2引言32411.3试验验证32411.3.1媒体无关预认证框架32411.3.2技术内切换32711.3.3技术间切换33011.3.4跨层触发器辅助的预认证33111.3.5采用802.21触发器的移动节点发起的切换33311.3.6采用802.21触发器的网络发起的切换33511.3.7切换准备时间33611.4IP多媒体子系统中的切换优化33911.4.1非优化的切换模式33911.4.2对反应式语境传递的优化34011.4.3带有提前安全语境传递的优化34111.4.4性能结果34211.5使用基于Petri网模型的系统验证34411.5.1切换功能的基于MATLAB的建模34411.5.2基于Petri网的优化安全关联模型34711.5.3基于Petri网的层次结构绑定更新模型34911.5.4基于Petri网的在途数据媒体重定向模型35011.5.5基于Petri网的优化配置模型35011.5.6基于Petri网的组播移动模型35211.6调度切换操作35311.6.1顺序调度35411.6.2并发调度35511.6.3提前调度355ⅩⅩⅥ11.7系统性能的验证35611.7.1基于周期时间的方法35711.7.2使用Floyd算法35711.8基于Petri网的多接口移动性建模35911.8.1多穴连接场景35911.8.2连接前中断场景35911.8.3中断前连接场景35911.8.4基于MATLAB的多接口移动的Petri网络建模35911.9切换调度中的死锁36211.9.1带有死锁的切换调度36311.9.2切换调度中的死锁预防和避免36411.10并发性等级和资源的分析36711.11提前切换的折中分析37311.12结语376第12章结论37712.1移动优化的通用原则37712.2贡献概述37812.3未来工作379附录381附录A用于应用层发现的RDF方案381附录B移动相关术语的定义383参考文献391

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前　　言

原 书 前 言    在不到30年的时间跨度上，蜂窝电话成为无处不在的，无线话音和数据成为如今最常见的通信方法之一。无线网络也已经演进到支持高得多的带宽和较低的端到端时延，支持诸如交互式话音和视频等时延敏感的应用。例如，在20世纪80年代后期和90年代初期部署的1G和2G网络，除了话音通信外，仅可支持每秒数十kbit的数据速率，但在新世纪伊始，它们就演进到3G网络，支持高达2Mbit/s的数据速率。目前，4G网络，主要基于LTE、HSPA+，而在一个较弱的程度上也是WiMAX，都正在部署，支持多媒体通信，并提供高达100Mbit/s的数据传递速率，同时将访问报文时延降低到50ms。随着这些网络不断地得到改进，在移动设备的使用和带宽密集应用方面也有急剧增长，这主要是在娱乐和交互式视频方面。由于不同蜂窝站点和网络之间的切换，所有这些应用对中断都是敏感的。受到增加数据需求的驱动和频谱可用性的限制，蜂窝尺寸正在不断缩小，导致切换频率方面的进一步增加。    最近，使用用途的增加和廉价Wi-Fi访问点的商用性，刺激了人们对异构网络的兴趣，将使用有许可证的白空间（white space）和无许可证的频谱的基站与多个运营商组合使用，使漫游成为常见现象。这些所谓的hotnet（热点网）被认为是未来所谓5G网络的突出特征之一。    不仅网络而且终端系统也正变得日渐多样化。嵌入式移动设备（如用于车辆应用的，范围涉及从交通安全到物流）都将移动网络扩展到超出以人类为中心的应用，扩展到物联网。除了诸如蜂窝网络的商用移动无线电服务外，其他移动网络（如自组织和网状网络、企业网络和公共安全网络），在规模、复杂性和异构性方面也在增长。    跨越所有这些网络，移动性作为一个中心的和常见的挑战出现了。虽然许多文章都讲到特定网络或特定协议层的移动性和切换问题，但本书提供了该专题的一个统一的、系统性的和严格的讨论，识别出带有移动或游牧端系统的所有无线网络的常见事件：发现、网络选择、配置、认证、安全关联、加密、绑定更新和媒体重定向。    本书介绍了不同层的移动协议，提供了移动事件的一种系统性分析，并深入考察了不同层中每项切换操作关联的优化技术。本书考虑了各种移动部署场景，包括无线服务提供商、企业网络、自组织网络和车辆网，支持单播和组播流量，并提供移动事件的一种形式化分析。本书中提出的框架和抽象模型可被用来理解和分析各种优化方法论的有用性。本书给出来自移动测试床和理论模型的结果和性能分析，其中理论模型验证这些优化技术对各种场景是适用的。本书结构    本书结构如下。第1章介绍本书的主题，强调在移动管理中系统优化的重要性，并突出后续每章的主要技术贡献。第2章介绍在蜂窝和基于IP网络中的移动管理，并讨论当前存在的相关移动协议。第3章给出移动事件的系统分析和相关联的切换组件。第4章介绍一种形式化系统模型，使用Petri网分析一次移动事件的行为性质和相关联的优化技术。第5章讨论80211环境中层2切换的优化技术。第6章描述基于IP的移动协议的一些关键移动优化技术（这是针对切换事件的不同组件开发的），并通过实际试验展示了其有效性。第7章讨论与多层移动协议相关联的优化技术。第8章介绍同时移动性，分析了发生的概率，并为层3和应用层移动协议提出优化技术。第9章描述在一个基于层次结构范围的组播架构中组播流交付的优化技术。第10章突出了采用协作漫游技术的移动优化。第11章评估了一些切换系统，这是采用试验和Petri网模型的方式使用在前面各种所述一些优化技术做出的原型，本章深入考察了诸如死锁的切换操作的行为特征，并分析了用于切换的不同调度和系统资源之间的折中考虑。第12章是全书的结论，对移动优化的最佳当前实践和基础原理做了讨论，给出书中所述工作的贡献小结以及一些可能的未来研究方向。还给出了书中所用缩略语的一个字母顺序列表。也包括两个附录。在附录A中定义了应用层发现的RDF（资源描述框架）纲要，而在附录B中定义了许多移动相关的术语。预期读者    专注于如下领域的网络专业人员将从本书受益：    1）无线服务提供商的架构师。许多无线服务提供商都正在建设基于3GPP规范的LTE网络。一般来说，在切换和漫游过程中，这些系统遇到优化问题。设计LTE网络的系统架构师将学习到可用于一个异构接入网络中优化不同切换功能的方法。架构师负责设计一个完备的系统，其中移动和安全协议是相互作用的；理解它们的相互依赖关系是非常重要的。本书给出移动优化如何受到与安全、配置和认证相关其他协议影响的概述。    2）研究人员。本书涵盖移动优化的理论和实践方面，并解决一些相关的研究问题，其中包括建模和跨层优化。研究人员将能够使用移动模型和试验来分析他们的结果，并提高他们自己的研究工作。    3）系统工程师。系统工程师负责集成一个系统的不同部分，并确保对运营是准备就绪的。因为本书涵盖来自测试床（包括诸如CDMA和802.11等的异构无线接入技术）的许多鲜活试验结果，它将提供在一个真实部署场景中移动优化运营方面的一些真实的深邃理解。    4）协议设计人员。因为本书涵盖移动管理和相关优化技术的基础知识，所以协议设计人员将得到机会了解优化的基本原理。这将帮助他们设计新协议或增强现有协议，使这些协议适合于一个特定的移动部署。    5）IT专业人员。设计一个优化的企业网络，在资源约束的条件下，向终端用户提供期望的服务质量，在这个过程中企业网络的IT专业人员总是受到挑战。例如，他们也许不得不确定为支持切换他们需要提供层2还是层3移动性管理，或者在切换过程中他们是否需要任何跨层反馈。本书提供不同类型移动协议的分析和比较，这对移动协议的高效部署会是有用的。    6）标准专业人员。本书给出由IETF开发的许多重要的移动性和安全性相关协议的概述，还有这些协议应用到移动网络（由3GPP定义）的概述。标准撰写人将从本书关于移动优化的基本原理、方法论和最佳当前实践的描述中受益。这将帮助他们设计新的移动优化的协议和移动性框架。    7）首席技术官。无线服务提供商的CTO们将得到移动性管理和优化技术（可应用到许多不同的部署场景）的一个鸟瞰图。因为这些技术考虑到诸如安全和服务质量以及漫游的其他运营方面，所以当他们与其组织内的其他组（如CSO、网络规划和网络开发组）相互作用和研究他们的相互关系时，他们将能够使用本书作为一本参考书。

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