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Micro-Mobilidade IP

Micro-Mobilidade IP

Soluções CIP, HAWAII, TIMIP, hMIP e fast MIP

Pedro Vale Estrela

IST TagusPark, 28 Novembro 2005

pedro.estrela@tagus.ist.utl.pt

2

Sumário

Introdução à micro-mobilidade IP IP clássico MIP clássico Micro-Mobilidade

Protocolos de micro-mobilidade IP CIP HAWAII TIMIP

Processo de normalização IETF hMIP Fast Handovers

Novas direcções Transparência e Nova Arquitectura TIMIP

3

Introdução à micro-mobilidade

Introdução à Micro-Mobilidade IP

4

IP clássico

A Internet é dividida em domínios, redes e subredes

O encaminhamento IP clássico só permite a movimentação dos terminais no interior das suas subredes IP de origem Movimentos do tipo 0 – dentro

da subrede IP de origem

Internet

Domínio Origem Domínio Visitado

MT

MT

0

Subredes IP

X

5

MIP clássico

Internet

Domínio Origem Domínio Visitado

CN

MT

MT

MT

MT 3

2

1

MIP – Mobile IP Definido pelo IETF como o

mecanismo standard de mobilidade em IP, para todos os tipos de movimentação IP: 1 – Dentro do domínio de origem 2 – Entre domínios 3 – Dentro de domínios visitados

Arquitectura Rede: introdução de agentes de

mobilidade (HA e FA) Terminais Móveis: Clientes MIP

Processo dividido em 3 fases: 1 – Detecção 2 – Registo 3 – Execução

HAFA

6

MIP clássico

MIP - caracterização Desempenho da mobilidade - Lento

Fase de Detecção: só utiliza métodos independentes das tecnologias Fase de Registo: transição envolve sempre o HA Fase de Execução: fenómenos de triangulação e de encapsulamento

Aplicabilidade da Macro-Mobilidade (MM) Aceitável para mudanças que não implicam transições rápidas ( seg)

Entre domínios administrativos diferentes (movimentos tipo 2) Locais fisicamente distantes Mudança de tecnologia de acesso e/ou Conectividade física descontínua

Inaceitável para mudanças que implicam transições rápidas ( mseg) Entre redes do mesmo domínios administrativos (movimentos tipo 1 e 3) Locais fisicamente próximos Com conectividade fisica assegurada (Ex: pontos de acesso numa WLAN)

7

Fundamentos da Micro-mobilidade

Internet

Domínio Origem Domínio Visitado

MT

MT

MT

MT

MT

0

3

2

1

Subredes IP

MIP

mM

mM mM

Os protocolos de micro-mobilidade (mM) oferecem mecanismos eficientes de mobilidade não-global

Transições mais rápidas Maior eficiência Podem substituir mobilidade nível 2,

com vantagens de uma solução “all-IP” Limitados a domínios IP inteiros

Para suportar a Mobilidade Global, a mM é integrada com o MIP: mMmM oferece suporte de mobilidade

para a maioria das transições Movimentos dos tipos 1 e 3 Adicionalmente, tipo 0

MIPMIP oferece suporte de mobilidade para as restantes transições (raras)

Movimentos do tipo 2

8

2 - Soluções de Micro-mobilidade

Soluções deMicro-Mobilidade IP

9

mM - Características Comuns Estrutura do Domínio Hierárquica:

Gateway (GW) Nós Intermédios Pontos de Acesso (APs)

Boa relação entre Eficiência e Escalabilidade Aumento do Desempenho das Movimentações

Fase de Detecção: Possibilidade de utilização de métodos dependentes da tecnologia Fase de Registo: Notificação é efectuada apenas aos nós do domínio actual Fase de Execução: Encaminhamento sem encapsulamento nem triangulação

…

…

…

… …

…

MT

MT

MT

AP

AP

Nó

Nó

Nó

GW

…

GW

Rede Core

…

Domínio 1 Domínio 2

10

mM - Características Comuns Outros Conceitos

Power-Up – Chegada inicial a um Domínio Handover – Movimentações subsequentes no Domínio Paging – Mecanismo associado à de poupança de energia, que permite movimentações

dos terminais sem sinalização Manutenção do Estado – Processo de manutenção das entradas de encaminhamento

soft-state Garantia de entrega de sinalização – Protecção contra perda/erros da sinalização

…

…

…

… …

…

MT

MT

MT

AP

AP

Nó

Nó

Nó

GW

…

GW

Rede Core

…

Domínio 1 Domínio 2

11

CIP - Arquitectura

CIP – Cellular IP Solução de micro-mobilidade complementar para o MIP

Todos os Processos são Independentes do MIP

Arquitectura Rede: Domínios estruturados em árvore de nós Terminais Móveis: Clientes executam CIP + MIP

Características Garantia de Entrega: sem ACK, por retransmissão (soft-state) Detecção da localização actual e tipo de movimento: beacons CIP

genéricos de nível 3 Paging: suportado nativamente Integração com o MIP: nós da rede têm suporte mínimo para beacons

MIP; GW está co-locada com o (único) FA do domínio

Já actualizado para IPv6, mas sem introduzir mudanças ao nivel dos algoritmos

12

CIP - PowerUp Power-Up independente dos mecanismos MIP:

Passo 1 Detecção do movimento pelo terminal Geração da mensagem de Update no terminal

Passos 2, 3, 4 Alteração da tabela de encaminhamento com informação referente à localização

actual do terminal Entrega da mensagem para nó ascendente (até à GW)

…

…

…

… …

…

MT

AP

AP

Nó

Nó

Nó

GW Rede Core

2 4

1 3

13

CIP - Handover

Handover independente dos mecanismos MIP: 1, 2 – Semelhante ao PowerUp 3 – Recepção do registo pelo nó crosshover é suficiente para a

entrega correcta de pacotes de dados na nova localização 4 – Refrescamento das entradas de encaminhamento anteriores

…

…

…

… …

…

MT

AP

AP

CrossHover

Nó

Nó

GW Rede Core

2

4

1

3

MT

14

CIP - Encaminhamento Encaminhamento:

1 a 4 – Uplink – Pacote entregue sempre ao cada nó antecessor, desde o AP até à GW 5 a 8 – Downlink – Encaminhamento descendente nó-a-nó, utilizando as entradas de

encaminhamento

Características Manutenção do estado derivada da transferência de dados (Optimização) Ineficiência para o encaminhamento do tráfego interno ao Domínio Não utiliza links adicionais fora da àrvore, caso existam GW é única, e fulcral no funcionamento do protocolo (múltiplas GW, Tolerância a falhas ?)

…

…

…

… …

…

MT2

AP

AP

CrossHover

Nó

Nó

GW Rede Core

2

4

1 3 MT1

6 5 8 7

15

CIP - Paging Paging

Terminais Activos – recebem e/ou emitem dados. Actualizam sempre a sua localização

Terminais Inactivos – Modo de poupança de energia: só recebem os beacons CIP Domínio dividido em áreas de paging com identificadores O Paging permite que os terminais inactivos apenas avisem a rede quando mudam

de àrea Entrega de pacotes pela rede a terminal inactivo: Difusão na Área de Paging

…

…

…

…

…

AP

AP

Nó

Nó

Nó

GW Rede Core

2

1

MT

MT

MT

X

AP

16

CIP – Semi-Soft Handover Objectivo: Paralelizar o processo de registo com a recepção de

pacotes na localização anterior, minimizando a perda de pacotes 1 – Mudança para a frequência do novo AP 2 – Início do Handover Semi-soft 3 – Retorno à frequência do AP anterior 4 a 6 - Processamento do registo semi-soft na rede, Bicasting 7 – Hard Handoff final

…

…

…

… …

…

MT

AP

AP

CrossHover

Nó

Nó

GW Rede Core

4

6

2

5

MT

3 7 1

17

HAWAII - Arquitectura

HAWAII – Handoff Aware Wireless Access Internet Infrastructure Solução de micro-mobilidade transparente para o MIP:

Suporta Clientes MIP (com extensões) APs do Domínio fazem conversão MIP -> HAWAII

Arquitectura Rede: Domínios estruturados em Árvore + Meshes + Uplinks Terminais Móveis: Clientes correm MIP clássico + extensões

Características Garantia de Entrega: ACK Global no interior do domínio Detecção da Localização / Movimento: Beacons MIP + NAI + Prev. FA Dois tipos de registo: Forwarding, Non-Forwarding Paging: Suportado como extensão Permite utilização de links adicionais para além da àrvore base

Reduz tempo de handover mas pode conduzir a encaminhamento não-óptimo depois de vários handovers

Integração com o MIP: Cada AP da rede contêm interface de FA

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HAWAII - PowerUp Power-Up dependente e derivado dos mecanismos MIP

Passo 1 – Acções MIP clássicas (detecção MIP do FA) Passo 2 – BS/FA encaminha registo para HA Passo 3 – HA responde OK, BS/FA deriva sinalização HAWAII Passos 4, 5, 6 – Propagação registo HAWAII na rede, alteração tabelas de

routing Passo 7 – HDRR confirma power-up ao BS/FA do cliente Passo 8 – BS/FA gera resposta MIP ao cliente

…

…

…

…

…

MT

Nó

Nó

HDRR Rede Core

4 6

1 5

HA

…

8

3 2 Nó

BS/FA

BS/FA

7

19

HAWAII – Forwarding Handover Handover derivado dos mecanismos MIP, de utilização incremental

1 – Cliente gera registo MIP com uma extensão que indica o FA anterior (PFANE) 2 – Nova BS deriva sinalização HAWAII, entrega ao FA anterior, pelo caminho mais

curto Pode utilizar links extra na árvore para melhorar o tempo do handover

3 – Cada nó, desde a BS anterior: Altera tabela encaminhamento com informação da nova localização do Terminal (BS actual) Entrega registo ao próximo nó (até à nova BS)

Passo 4 – BS gera resposta MIP ao cliente

…

…

…

… …

…

MT

Nó

Nó

Nó

HDRR Rede Core

1 MT

3 2

4

BS/FA (Cross- Hover)

BS/FA

20

HAWAII - Encaminhamento Encaminhamento:

Pacotes de dados seguem sempre as entradas de routing existentes, ou pela árvore por omissão.

Eficiência variável. Dependendo da topologia e das movimentações dos terminais, o refego pode seguir por caminhos mais longos que o necessário. Tráfego intra-domain segue quase sempre pelo caminho mais curto na mesh Tráfego inter-domain pode ser não óptimo Pode criar reordenação dos pacotes no momento do handover

Manutenção do Estado – Igual ao MIP (Soft state)

…

…

…

… …

…

MT2

Nó

Nó

Nó

HDRR Rede Core

5

6

2

MT1

3 4 4

BS/FA

BS/FA

1

21

TIMIP – Arquitectura

TIMIPv0 – Terminal Independent Mobility for IP Objectivos:

Suporte de mobilidade para qualquer terminal IP Detecção das movimentações por parte da rede, em nome do terminal Geração da sinalização necessária por parte da rede, em nome do terminal

Eficiência Características semelhantes às melhores das propostas anteriores (nível 3) Utilização de mecanismos derivados de informação do nível 2 para Detecção

Arquitectura Rede: Domínios estruturados em árvore de nós Terminais Móveis: Clientes IP inalterados

Características Garantia de Entrega: Nó-a-nó + Timeout Detecção da localização actual e tipo de movimento:

Mecanismos N2 ou Mecanismos Genéricos N3 É complementado pela extensão de Macro-Mobilidade Surrogate MIP

(sMIP) para movimentação entre Domínios

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TIMIP - PowerUp Power-Up independente dos mecanismos MIP:

1 – AP detecta a movimentação dos terminais por nível 2, ou genérica por nível 3, e gera mensagem Update TIMIP

2 a 4 – Cada nó altera a tabela de encaminhamento com informação referente ao próximo nó do terminal; encaminha a mensagem para localização anterior (para o nó ascendente até à GW)

Handover sMIP: derivado do PowerUp TIMIP GW/sFA gera sinalização MIP destinada ao HA em nome do LT (passo 5) HA processa registo transparentemente

…

…

…

… …

…

LT

AP

AP

Nó

Nó

Nó

GW Rede Core

2 4

1

3 5

…

23

TIMIP – Handover

Handover independente dos mecanismos MIP 1 a 3 – Semelhantes ao Power-Up TIMIP 4 e 5 – Cada Nó remove a entrada de encaminhamento, e passa a

mensagem em direcção ao AP anterior 6 – Transferencia de informação de contexto existente no AP anterior

para o novo AP: Dados de QoS / Segurança / Multicast

…

…

…

… …

…

LT

AP

AP

CrossHover

Nó

Nó

GW Rede Core

2

4

3 LT

5

1 6

24

TIMIP - Encaminhamento Encaminhamento:

Pacotes de dados seguem sempre as entradas de routing existentes, ou pela árvore por omissão.

Eficiência constante, seguindo os caminhos mais curtos na Árvore

Características semelhantes aos protocolos anteriores Eficiente – pacotes seguem sempre pelo caminho mais curto na árvore (HAWAII) Manutenção do estado optimizada pela utilização da transferência de dados (CIP)

…

…

…

… …

…

LT2

AP

AP

CrossHover

Nó

Nó

GW Rede Core

2 1 3 LT1

4 6 5

25

Exemplos de Simulação (1)

HMIP CIP

Trafego Intra-Domain

26

Exemplos de Simulação (2)

HAWAII TIMIP

Trafego Intra-Domain

27

3 - IETF

Processo de Normalização (IETF)

28

Micro-mobilidade IETF: Fast vs Local

Evolução recente do MIP relativamente à Micro-Mobilidade MIP tem tido uma maturação lenta

Introdução de novas funcionalidades como extensões a um standard facilita o consenso

Extensões com grande aceitação ficam logo standard no MIPv6 Exemplo: MIP route optimization

Micro-mobilidade IETF = LOCAL + FAST Mobilidade LOCAL

diminui tempo de registo na rede e updates por cada movimentação Cadeia de endereços locais ao dominio, HA local

Mobilidade FAST diminui tempo de detecção e registo por cada movimentação “triggers” L2, proxy advertisements, túnel local

29

Mobilidade local: hMIP hMIP – Hierarquical Mobile IP

Suporte de “média-mobilidade” para o MIP, diminui latência do registo Clientes MIP + extensões HMIP Registo MIP só sobe até ao gFA

necessário, e não ao HA Estrutura hierárquica de Agentes FA

generalizados, sugerida de apenas 2 níveis

Em MIPv6: noção de agentes HA locais, 2 niveis

Encapsulamento dos Dados exclusivamente por túneis -> suporta qualquer topologia

Não tão perto do terminal quanto as soluções de mM anteriores (i.e., sem movimentos tipo 0 ao nivel IP)

Limita updates nas redes de core, por ter um endereço IP local ao dominio

HA ...

MT

MT MT

MT

Internet

FA FA FA

gFA

FA

gFA

MIP hMIP hMIP

30

Fast MIP - Príncipios

Fast MIPv6 / Low Latency Handovers v4: Optimizações de Detecção: Utilização de mecanismos dependentes

da tecnologia, com recurso a primitivas genéricas PRE-Registration – Modelo preditivo, antes do handover acontecer

(semelhante ao CIP Semi-Soft Handover) POST-Registration – Modelo reactivo, imediatamente depois do

Handover acontecer (semelhante ao TIMIP Handover)

Optimizações de Registo Redirecção temporária do tráfego desde o FA anterior para o novo FA

(semelhante ao HAWAII Forwarding Handover) Não optimiza updates; estes têm que ser propagados posteriormente ao

HA e CNs

31

Fast MIP - preditivo Fast MIP preditivo

“make before break” - “Triggers” L2 Proxy advertisements Túnel local Prepara endereço IP para MN no NAR

Operações a) L2 trigger avisa cliente que se vai

mover b) Proxy Router Solicitation: MN pede

endereços de novos ARs; (pode indicar L2)

c) Fast Binding Update: ARs acordam entre si tunel temporário, PAR faz buffer/foward pac.

d) Movimento Fisico e) Fast Neighbor Advertisement: MN

assinala chegada ao NAR, e pede os seus pacotes

f) (depois) faz handover MIP normal, já fora da altura critica

MN PAR NAR | | | |------RtSolPr------->| | |<-----PrRtAdv--------| | | | | |------FBU----------->|--------HI--------->| | |<------HAck---------| | <--FBack---|--FBack---> | | | | disconnect forward | | packets===============>| | | | | | | connect | | | | | |--------- FNA --------------------------->| |<========================== deliver packets | |

32

Fast MIP - Reactivo

Fast MIP reactivo “break then make” - Mais simples Proxy advertisements Adquire endereço IP para MN no NAR Túnel local simples

Operações a) Proxy Router Solicitation: MN pede

endereços de novos ARs; b) Movimento Fisico c) Fast Binding Update: NARs pede ao

PAR para reencaminhar pacotes do MN

e) (depois) faz handover MIP normal, já fora da altura critica

MN PAR NAR| | ||------RtSolPr------->| ||<-----PrRtAdv--------| || | |disconnect | || | || | |connect | | |------FNA[FBU]-------|------------------->|| |<-----FBU-----------|| |------FBack-------->|| forward || packets===============>|| | ||<========================== deliver packets| |

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TIMIP – Novas Direcções Motivação

Soluções de mobilidade IP existem há já alguns anos, mas a sua implementação tem sido muito lenta

Situação semelhante ao IPv6; das várias soluções de expansão da Internet, a única com sucesso de facto é o NAT, que não muda terminais nem a rede

Assim, muito recentemente, questão da transparência dos protocolos de mobilidade passou a ter tanto peso quanto a questão da eficiência!

Nova Arquitectura TIMIP Transparência

Suporte de quaisquer redes, topologias e routers e APs, para upgrades “suaves” Suporte de quaisquer terminais (TIMIPv0) Suporte de redes IPv4 e IPv6

Eficiência Nova optimização de routing “optimal”, separa dados de controlo da árvore Routing básico baseado em Arvore, permite escalabilidade (TIMIPv0)

Arquitectura Suporte de múltiplos pontos de acesso ao exterior Melhorias de Detecção (Suporte APs L2)

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Referências

Mais Informações: MobileIP IETF: http://www.ietf.org/html.charters/mipshop-charter.html TIMIP: http://inesc-0.tagus.ist.utl.pt/~pmsrve/timip/

Referências MIP: http://www.ietf.org/rfc/rfc3220.txt TIMIP: http://inesc-0.tagus.ist.utl.pt/~pmsrve/timip/draft-estrela-timip-01.txt CIPv4: http://www.comet.columbia.edu/cellularip/pub/pcs2000.pdf CIPv6: http://cipv6.intranet.gr/public/draft-shelby-seamoby-cellularipv6-00.txt HAWAII: http://www.ietf.org/proceedings/00jul/I-D/mobileip-hawaii-01.txt hMIPv6: http://www.ietf.org/rfc/rfc4140.txt Fast Handovers v6: http://www.ietf.org/rfc/rfc4068.txt

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