1.1 移动互联网体系架构

移动互联网是移动通信与互联网融合的产物，移动互联网继承了移动通信随时随地的特点及互联网分享、开放、互动的优势。4G时代的开启以及移动终端设备的凸显必将为移动互联网的发展注入巨大的能量，移动互联网的演进分为以下4个阶段。

① 移动增值网：是为移动通信系统提供增值业务的网络，能够提供移动的各种增值业务，属于业务网络。

② 独立WAP（Wireless Application Protocol，无线应用协议）网站：是独立于移动网络体系的移动互联网站点，网站独立于运营商，直接面向消费者。

③ 移动互联网：是以互联网技术（如 HTTP/HTML 等）为基础，以移动网络为承载，以获取信息、进行娱乐和商务等服务的公共互联网。

④ 宽带无线互联网：是移动互联网的高级阶段，可以采用多种无线接入方式，如3G、4G、WiMAX（World Interoperability for Microwave Access，全球微波互联接入）等。

开放系统互连（Open System Interconnect，OSI）[2]参考模型是ISO组织在1985年研究的网络互联模型，该模型定义了网络互连的7层框架：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。OSI模型如图1-1所示，其中，第1～3层属于OSI参考模型的低3层，负责创建网络通信连接的链路；第4～7层为OSI参考模型的高4层，具体负责端到端的数据通信。

移动互联网因为是互联网和移动通信的结合，分层与互联网稍有不同，移动互联网可分为3个层次，即移动终端和移动子网、接入网、核心网，如图1-2所示[3]。

移动互联网的总体架构如图1-3所示[3]，移动终端通过3种方式（Wi-Fi、通信网及卫星）接入到相应的通信网络中，并通过互联网来访问移动互联网业务。

1.1.1 通信技术的演进

移动互联网从概念的提出到实现经历了很短的时间，目前正以一种前所未有的速度向全球推进。从第一代的 WAP 手机到第二代 GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务），再到现在的3G、4G技术，以及正在研发的5G技术，人类通信在互联网技术的推动下创造了一个又一个的应用新境界[4]。具体见表1-1。

（1）第一代移动通信技术

第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟、仅限话音的蜂窝电话标准，制定于 20 世纪 80 年代，第一代移动通信主要采用的是模拟技术和频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）技术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是全入网通信系统（Total Access Communications System，TACS）。第一代移动通信有很多不足之处，如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不能提供自动漫游等。

（2）第二代移动通信技术

第二代移动通信技术（2G）主要采用的是数字时分多址技术（Time Division Multiple Access，TDMA）技术和码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）技术，主要提供数字化的话音业务及低速数据业务。第二代为数字蜂窝移动通信系统，以GSM（Global System for Mobile communication，全球移动通信系统）、CDMA、PDC等系统为代表的。它克服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到很大的提高。第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成了模拟技术向数字技术的转变，但由于采用的是不同的制式，导致移动通信的标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因为无法进行全球漫游。而且，第二代数字移动通信系统带宽有限，从而限制了数据业务的应用，也无法实现高速率的业务。

（3）第三代移动通信技术

第三代移动通信技术（3G）是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术[5]。3G服务能够同时传送话音及数据信息，速率一般在几百kbit/s以上。目前3G存在4种标准：CDMA2000、WCDMA（Wideband CDMA，宽频码分多址复用）、TD-SCDMA（Time Division Synchronous CDMA，时分同步码分多址接入）、WiMAX。其中TD-SCDMA属于时分双工（Time Division Duplexing，TDD）模式，是由中国提出的 3G 技术标准；而 WCDMA 和 CDMA2000 属于频分双工（Frequency Division Duplexing，FDD）模式，WCDMA技术标准由欧洲和日本提出，CDMA2000技术标准由美国提出。中国国内支持国际电联确定3个无线接口标准，分别是中国电信的 CDMA2000、中国联通的 WCDMA、中国移动的TD-SCDMA。与前两代移动通信技术相比，第三代移动通信能够实现高速数据传输和带宽多媒体服务。第三代移动通信网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频率利用率，提供包括卫星在内的全球覆盖，并实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接；满足多媒体业务的要求，从而为用户提供更经济、内容更丰富的无线通信服务。

（4）第四代移动通信技术

第四代移动通信技术（4G）的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2 Mbit/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信标准比第三代标准具有更多的功能，第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方以高带宽接入互联网，能够提供全球定位、数据采集、远程控制等综合功能。此外，第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。第四代移动通信技术将数据速率从2 Mbit/s提高到100 Mbit/s，并且满足高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。

1.1.2 移动互联网的关键技术

1．蜂窝移动通信网络发展

基站[6]是指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。基站的建设是我国移动通信运营商投资的重要部分，随着移动通信网络业务向数据化、分组化方向发展，基站的发展趋势也必然是宽带化、大覆盖面建设及IP化。

在不同的网络系统中，基站结构也不尽相同，但相互没有本质差异。以GSM网络[6]为例，包括基站收发台（Base Transceiver Station，BTS）和基站控制器（Base Station Controller，BSC）。一个基站控制器可以控制十几以至数十个基站收发信机。而在WCDMA等系统中，类似的概念有NodeB和RNC（Radio Network Controller，无线网络控制器）。

一般情况下在某个区域内，多个基站相互组成一个蜂窝状的网络，通过控制收发台与收发台之间的信号相互传送和接收来达到移动通信信号的传送，这个范围内的地区也就是我们常说的网络覆盖区。如果没有了收发台，那就不可能完成手机信号的发送和接收。基站收发台不能覆盖的地区也就是手机信号的盲区。所以基站收发台发射和接收信号的范围直接关系到网络信号的好坏以及手机是否能在这个区域内正常使用。

GSM系统越区时采用切换方式，即当用户到达小区边界时，手机会先与原来的基站切断联系，然后再与新的服务小区的基站建立联系。当新的服务小区繁忙时，不能提供通话信道，这时就会发生掉线现象。

3G网络相对于2G网络有一个不同，就是3G网络使用了频率复用技术，虽然增加了频谱利用率，但也给它本身的网络带来了同频复用的自干扰[7]。

在整个蜂窝移动通信系统中，基站子系统是移动台与移动中心连接的桥梁，其地位极其重要。整个覆盖区中基站的数量、基站在蜂窝小区中的位置、基站子系统中相关组件的工作性能等因素决定了整个蜂窝系统的通信质量。基站的选型与建设，已成为组建现代移动通信网络的重要一环。

2．移动网络接入技术

移动互联网的网络接入技术主要包括：移动通信网络、无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）、无线Mesh网络（Wireless Mesh Network，WMN）、其他接入网络技术、异构无线网络融合技术等[4]。

一是移动通信网络。移动通信网络经历了1G、2G、3G时代，目前正在大力部署4G网络，并在加快研发5G技术。4G能够以100 Mbit/s的速率下载数据， 20 Mbit/s的速率上传数据。5G的目标是，到2020年，相对于当前而言，实现数据流量增长1 000倍，用户数据速率提升100倍，速率提升至10 Gbit/s以上，入网设备数量增加100倍，电池续航时间增加10倍，端到端时延缩短5倍。

二是无线局域网。目前正在发展AC-AP架构的WLAN解决技术，即无线控制器负责管理无线网络的接入和无线接入点的配置与监测、漫游管理及安全控制等，无线接入点只负责 802.11报文的加解密。另外，802.11ad标准提出了利用60 GHz频段进行无线通信的技术，传输速率达到6.76 Gbit/s，并降低了天线的尺寸，提高了抗干扰能力。电气与电子工程师协会（IEEE）制定的无线局域网标准见表1-2。

三是无线 Mesh 网络。WMN 是一种自组织、自配置的多跳无线网络技术， Mesh路由器通过无线方式构成无线骨干网，少数作为网关的Mesh路由器以有线方式连接到互联网。

四是其他接入网络。小范围的无线个域网有NFC、蓝牙、UWB、ZigBee、IrDA等技术。

五是异构无线网络融合技术。针对多种无线接入技术，正在发展异构无线网络融合技术。异构无线网络架构分为紧耦合技术和松耦合技术两类。紧耦合技术的网络架构是指无线接入系统之间存在主从关系，松耦合技术网络架构是指无线接入系统之间不存在主从关系。

（1）Wi-Fi技术

Wi-Fi 技术应用灵活，能灵活胜任只有几个用户的小型网络，也能胜任使用者达到数千人的大型网络。组网成本也相对低廉，但是数据传输速率有限和无线电波之间的相互影响是制约其发展的两个原因。

（2）3G之WCDMA

WCDMA 是 CDMA 演变而来，由欧洲提出，技术成熟。这个标准在全球应用是最广泛的。

（3）3G之CDMA2000

CDMA2000 是窄带 CDMA 发展而来，由美国提出。这个标准在亚太地区应用比较广泛，主要集中在中国、日本和韩国。

（4）3G之TD-SCDMA

这个标准由我国提出，主要优点是频谱利用率高。从理论上来说，这是中国第一次在全球通信领域内的有力尝试，也是自主知识产权的代表成就之一。

3．移动IP技术

IP 协议（Internet Protocol）[8]要求所有参加互联网的网络节点要有一个统一规定格式的地址，简称IP地址。在互联网上，每个网络和每一台移动终端都被分配有一个IP地址，这个IP地址在整个互联网网络中是唯一的。IP地址是供全球识别的通信地址。在互联网上通信必须采用这种32位的通用地址格式，才能保证互联网成为向全球的开放互联数据通信统。它是全球认可的计算机网络标识方法。IP地址可采用二进制格式或十进制格式。

互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force，IETF）[2]将IP地址分为成3个普通类（加上2个特殊类）。IP地址由4个8位组的二进制组成，也可以使用4个带点的十进制数字表示。不同类之间的区别在于当寻址网络与主机对立时，分配给寻址网络的8位组的方式不同。这种分配方式称作第一个8位组规则。世界上的任何一个路由器都能够阅读IP地址的第一个8位组，并且知道哪些位能翻译成网络地址的一部分，哪些能翻译成主机地址的一部分。如果路由器不能进行这样的区分，那么互联网将不能正常工作。大部分网络使用B类或C类地址，每一个类的第一个8位组的范围如图1-4所示。

移动IP[9]是移动通信和IP的深层融合，也是对现有移动通信方式的深刻变革，它将真正实现话音和数据的业务融合，它的目标是将无线话音和无线数据综合到一个技术平台上传输，这一平台就是IP协议。

我们在连接互联网时，需要使用固定的IP地址和TCP端口号进行相互通信，在通信期间它们的IP地址和TCP端口号必须保持不变，否则IP主机之间的通信将无法继续。而移动IP的基本问题是IP主机在通信期间可能需要移动，它的IP地址也许经常会发生变化，最终导致通信中断[9]。

如何解决因节点移动，即IP地址的变化而导致通信中断的问题[9]？蜂窝移动电话提供了一个非常好的解决问题先例。因此，解决移动IP问题的基本思路与处理蜂窝移动电话呼叫相似，它将使用漫游、位置登记、隧道技术、鉴权等技术，从而使移动节点使用固定不变的IP地址，一次登录即可实现在任意位置上保持与IP主机的单一链路层连接，使通信持续进行。

（1）归属代理（Home Agent，HA）

一个在移动节点（Mobile Node，MN）归属网上的路由器，它至少有一个接口在归属网上，当移动节点离开归属网时，它通过IP通道把数据分组传给移动节点，并且负责维护移动节点的当前位置信息。

（2）外区代理（Foreign Agent，FA）

移动节点当前所在网络上的路由器，它向已登记的移动节点提供选路服务。当使用外区代理转交地址时，外区代理负责解除原始数据分组的隧道封装，取出原始数据分组，并将其转发到该移动节点。对于那些由移动节点发出的数据分组而言，外区代理可作为已登记的移动节点的缺省路由器使用。

（3）归属地址（Home Address，HA）

这是用来识别端到端连接的静态地址，也是移动节点与归属网连接时使用的地址。不管移动节点连至网络何处，其归属地址保持不变。

（4）转交地址（Care Of Address，COA）

转交地址即隧道终点地址。它可能是外区代理转交地址，也可能是驻留本地的转交地址。如果当移动终端移动到外地子网时，就需要配置一个具有外地网络前缀的转交地址，通过转交地址提供移动终端当前所在的位置信息。

（5）移动IP技术的工作原理

① 归属代理和外区代理不停地向网上发送代理通告（Agent Advertisement）消息，以声明自己的存在。

② 移动节点接到这些消息，确定自己是在归属网还是在外区网上。

③ 如果移动节点发现自己仍在归属网上，即收到的是归属代理发来的消息，则不启动移动功能；如果是从外区重新返回的，则向归属代理发出注册取消的功能消息，声明自己已回到归属网中。

④ 当移动节点检测到它移到外区网，它则获得一个关联地址，这个地址有两种类型：一种即是外区代理的IP地址；另一种是通过某种机制与移动节点暂时对应起来的网络地址，也即是移动节点在外区暂时获得的新的IP地址。

⑤ 然后移动节点向归属代理注册，表明自己已离开归属网，把所获的关联地址通知归属代理。

⑥ 注册完毕后，所有通向移动节点的数据分组将归属代理经由IP通道发往外区代理（如使用第一类关联地址）或移动节点本身（如使用第二类关联地址），外区代理收到后，再把数据分组转给移动节点，这样即使移动节点已由一个子网移到另一个子网，移动节点的数据传输仍能继续进行。

⑦ 移动IP技术工作原理如图1-5所示。移动节点发往外地的数据分组按一般的IP寻径方法送出，不必通过归属代理。

在GSM网络中引入IP分组数据业务GPRS。GPRS是移动通信网络向分组化发展的一个里程碑。GPRS 的分组化实质，使空中接口频谱利用率与地面接入网带宽利用效率都得到极大的提高。同时诞生了“按流量计费”这种更加合理的资费政策，使运营商可以宣称：让用户24小时在线，只有点击的时候才计费。GPRS扫除了阻碍无线互联网应用的普及在技术和成本两方面的障碍，加快了移动互联网应用的普及和推广。GPRS的骨干网将借助于IP网络和互联网络实现无缝互联互通。对用户来说，移动终端使原先需要庞大昂贵的 PC 才能使用的互联网以一种更为简单便捷、亲切易用和廉价实用的方式出现，也更加易于为广大普通百姓所接受，移动性极大地促进了互联网应用的普及[2]。

4．IPv4、IPv6协议

全球Internet所采用的是TCP/IP协议簇，IP作为TCP/IP协议簇中网络层协议，是协议簇的核心协议。

IPv4是第一个被广泛使用并构成现今互联网技术的基石的协议[10]。该协议的核心技术属于美国，现在正逐渐被IPv6取代。IPv4最大问题在于网络地址资源有限，尤其是采用A、B、C这3类编址方式后，可用的网络地址和主机地址的数目大打折扣，以至IP地址实际上已经分配完毕。这一现状严重制约了中国及其他国家互联网的应用和发展。

IPv6是IETF设计的用于替代现行版本IP协议（IPv4）的下一代IP协议。IPv6简化了报文头部格式，只有 8 B，加快了报文转发，提高了吞吐量；其身份认证和隐私保护是IPv6的关键特性，IPv6允许协议继续演变，增加新的功能，使之适应未来技术的发展。

与IPv4相比，IPv6具有更大的地址空间。IPv4中规定IP地址长度为32位，约有43亿地址；而IPv6中IP地址的长度为128位，即最大地址个数为2128，比IPv4 增大了 296倍长度，具有足够的地址资源，地球上每一粒沙子都可以有一个IPv6 地址。IPv6 具有更高的安全性。在 IPv6 网络中用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验，同时通过加密与鉴别选项增强了分组的保密性与完整性，极大地增强了网络的安全性。如果新技术或应用需要，IPv6允许对协议进行扩充。

5．智能终端技术

移动智能终端搭载各种操作系统，同时拥有接入互联网能力，可以根据用户的需求定制各种功能。常见的智能终端包括移动智能终端、车载智能终端、智能电视及可穿戴设备。智能终端技术的兴起为移动互联网的普及起到了重要作用。

智能手机：像计算机一样拥有独立的操作系统，用户可根据需求按照软件、游戏等第三方服务商提供的应用程序（APP）。这些APP不断丰富了手机的功能，同时智能手机可通过移动通信网络来实现无线网络接入。手机已从简单的通信终端发展为丰富功能的智能手机，从而可以在较大范围内使用便携式移动智能终端。

PDA智能终端：PDA智能终端分为工业级PDA和消费级PDA。工业级PDA主要应用在工业领域，如条码扫描器、RFD读写器、POS机等。消费级PDA内置高性能进口激光扫描引擎、高速CPU处理器、WINCE5.0/Android操作系统，具备超级防水、防摔及抗压能力。它广泛用于鞋服、快消、速递、零售连锁、仓储、移动医疗等多个行业的数据采集，支持BT/GPRS/3G/Wi-Fi等无线网络通信。

平板电脑：是一种小型、方便携带的个人电脑，以触摸屏作为基本的输入设备。它拥有的触摸屏允许用户通过触控笔或数字笔来进行作业而不是传统的键盘或鼠标。用户可以通过内建的手写识别、屏幕上的软键盘、语音识别或者一个真正的键盘输入信息。

车载智能终端：具备GPS定位、车辆导航、采集和诊断故障信息等功能，在新一代汽车行业中得到了大量应用，能对车辆进行现代化管理，车载智能终端将在智能交通中发挥更大的作用。

可穿戴设备：越来越多的科技公司开始大力开发智能眼镜、智能手表、智能手环、智能戒指等可穿戴设备产品。智能终端开始与时尚挂钩，人们的需求不再局限于可携带，更追求可穿戴，你的手表、戒指、眼镜都有可能成为智能终端。