Micro-Mobilidade IP
Micro-Mobilidade IP
Soluções CIP, HAWAII, TIMIP,
hMIP e fast MIP
IST TagusPark, 28 Novembro 2005
Pedro Vale Estrela
[email protected]
1
Sumário

Introdução à micro-mobilidade IP




Protocolos de micro-mobilidade IP




CIP
HAWAII
TIMIP
Processo de normalização IETF



IP clássico
MIP clássico
Micro-Mobilidade
hMIP
Fast Handovers
Novas direcções

Transparência e Nova Arquitectura TIMIP
2
Introdução à micro-mobilidade
Introdução à MicroMobilidade IP
3
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
4
MIP clássico

MIP – Mobile IP

Definido pelo IETF como o
mecanismo standard de mobilidade
em IP, para todos os tipos de
movimentação IP:




Arquitectura



1 – Dentro do domínio de origem
2 – Entre domínios
3 – Dentro de domínios visitados
HA
FA
Rede: introdução de agentes de
mobilidade (HA e FA)
Terminais Móveis: Clientes MIP
Processo dividido em 3 fases:



1 – Detecção
2 – Registo
3 – Execução
5
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)
6
Fundamentos da Micro-mobilidade

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:

mM oferece suporte de mobilidade
para a maioria das transições



Movimentos dos tipos 1 e 3
Adicionalmente, tipo 0
MIP oferece suporte de mobilidade
para as restantes transições (raras)

Movimentos do tipo 2
7
2 - Soluções de Micro-mobilidade
Soluções de
Micro-Mobilidade IP
8
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
Nó
GW
…
AP
Rede Core
…
MT
Nó
MT
AP
…
GW
Nó
…
Domínio 1
…
Domínio 2
9
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
Nó
GW
…
AP
Rede Core
…
MT
Nó
MT
AP
…
GW
Nó
…
Domínio 1
…
Domínio 2
10
CIP - Arquitectura

CIP – Cellular IP

Solução de micro-mobilidade complementar para o MIP


Arquitectura



Rede: Domínios estruturados em árvore de nós
Terminais Móveis: Clientes executam CIP + MIP
Características





Todos os Processos são Independentes do MIP
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
11
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)
…
…
3
Nó
1
GW
…
MT
AP
…
2
Rede Core
4
Nó
AP
…
Nó
…
12
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
Nó
GW
…
AP
…
Rede Core
4
CrossHover
3
AP
…
MT
1
2
Nó
…
13
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
7
8
…
Nó
6
5
…
AP
…
GW
Rede Core
4
CrossHover
AP
…
MT1
1
2
Nó
3
…
14
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
15
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
Nó
GW
…
AP
1
3
…
7
Rede Core
6
CrossHover
5
AP
…
MT
2
4
Nó
…
16
HAWAII - Arquitectura

HAWAII – Handoff Aware Wireless Access Internet
Infrastructure

Solução de micro-mobilidade transparente para o MIP:



Arquitectura



Suporta Clientes MIP (com extensões)
APs do Domínio fazem conversão MIP -> HAWAII
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
17
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
…
7
HA
2 3
Nó
1
…
5
HDRR
…
MT
BS/FA
8
…
4
Rede Core
6
Nó
BS/FA
…
Nó
…
18
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


3 – Cada nó, desde a BS anterior:



Pode utilizar links extra na árvore para melhorar o tempo do handover
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
…
BS/FA
(CrossHover)
2
Nó
BS/FA
…
MT
4
Rede Core
…
3
1
HDRR
Nó
…
19
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
4
4
…
Nó
1
2
3
HDRR
…
BS/FA
Rede Core
…
5
Nó
BS/FA
…
MT1
Nó
6
…
20
TIMIP – Arquitectura

TIMIPv0 – Terminal Independent Mobility for IP

Objectivos:

Suporte de mobilidade para qualquer terminal IP



Eficiência



Características semelhantes às melhores das propostas anteriores (nível 3)
Utilização de mecanismos derivados de informação do nível 2 para Detecção
Arquitectura



Detecção das movimentações por parte da rede, em nome do terminal
Geração da sinalização necessária por parte da rede, em nome do terminal
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
21
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
…
…
…
5
3
Nó
LT
GW
…
1
AP
…
2
Rede Core
4
Nó
AP
…
Nó
…
22
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
5
…
4
Nó
GW
…
AP
Rede Core
…
6
CrossHover
1
AP
…
LT
2
Nó
3
…
23
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
5
6
…
Nó
4
GW
…
AP
Rede Core
…
CrossHover
AP
…
LT1
1
2
Nó
3
…
24
Exemplos de Simulação (1)
Trafego Intra-Domain
HMIP
CIP
25
Exemplos de Simulação (2)
Trafego Intra-Domain
HAWAII
TIMIP
26
3 - IETF
Processo de
Normalização (IETF)
27
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
28
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
29
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
30
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
MN
PAR
NAR
|
|
|
|------RtSolPr------->|
|
|<-----PrRtAdv--------|
|
|
|
|
|------FBU----------->|--------HI--------->|
|
|<------HAck---------|
|
<--FBack---|--FBack--->
|
|
|
|
disconnect
forward
|
|
packets===============>|
|
|
|
|
|
|
connect
|
|
|
|
|
|--------- FNA --------------------------->|
|<========================== deliver packets
|
|
f) (depois) faz handover MIP normal, já
fora da altura critica
31
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
|
|
32
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




Eficiência



Suporte de quaisquer redes, topologias e routers e APs, para upgrades “suaves”
Suporte de quaisquer terminais (TIMIPv0)
Suporte de redes IPv4 e IPv6
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)
33
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
34
Obrigado
Questões ?
Obrigado
35