Simulando Protocolos de
Handover Suave
Vera Nagamuta
[email protected]
Tópicos
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O problema do handover em redes sem fio
Handover no Mobile IP: problemas e
melhorias propostas
HOPF – HandOver Protocol Framework
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Arquitetura
Módulos canônicos
Composição de protocolos
Simulação de protocolos de handover

Protocolo básico, Cellular IP, Muticast-based
O problema do handover
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

Handover ou handoff é o procedimento
empregado em redes sem fio para tratar a
transição de uma unidade móvel (UM) de uma
célula para outra
Objetivo: manter a conexão com uma UM
permitindo a continuidade dos serviços e
aplicações em execução
Desafios: rápido e sem perdas de dados =
handover suave (seamless) = migração
transparente
Handover em rede celular
Rede fixa
BD de localizações
Estação Base (EB)
Célula
Etapas do handover



Detecção do handover: quando e como a
necessidade de handover é detectada
Decisão /Início: escolha da nova estação
base (EB), geração da nova conexão:
autenticação /autorização, alocação de canais
Atualização de contexto: notificação da
nova localização, reconfiguração do caminho de
roteamento de pacotes
Problemas do handover
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


Detecção e início do handover devem ser
feitos antes da perda da conexão
Como selecionar a “melhor” EB
Handover pode não se completar pela falta
de recursos na nova EB
Tempo requerido pelo handover pode causar
atrasos na entrega de pacotes e afetar o
desempenho do TCP e aplicações de tempo
real
Handover no Mobile IP



Mobile IP [1] trata mobilidade na camada de
rede, é independente do meio físico =>
Solução global para mobilidade
Mantém conexões ativas durante migrações
Objetivo primordial: encaminhar pacotes a
nós móveis
Handover no Mobile IP
Home Network
CN
UM
Home Agent
Internet
Foreign Network
Foreign Agent
(4)
(3) CoA
(2) CoA
UM
(1)
Agent Advertisement
Binding Update
Tunneling
Problemas do handover no Mobile
IP
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


Solução na camada de rede: detecção do
handover e identificação da nova EB através de
Agent Advertisements
Migrações freqüentes em pequenas áreas =>
atrasos na entrega de pacotes e perdas (HA
distante) => handover não-suave
Roteamento triangular
Otimizações propostas para reduzir latência e
perdas (Routing Optimization [2], Smooth
Handoff [3])
Melhorias propostas ao Mobile IP
Estratégia
Redirecionar pacotes
Hierarquias de FAs
Soft-handover
Multicasting
Reconfiguração de
caminhos
Antecipação do handover
Link layer handover
Solução
Mecanismo de buffer
Mobile IP Hierárquico [4]
Cellular IP [5]
Multicast-based [7]
HAWAII [6]
Fast Handover [8]
POLIMAND [9]
CN
HA
Internet
Gateway
Domínio
Gateway
Domínio 2
1
Micro-mobilidade
Macro-mobilidade
HOPF – HandOver Protocol
Framework
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



Arcabouço para composição, teste e simulação de
protocolos de handover
Aplicações possuem diferentes requisitos de QoS
Um conjunto de técnicas pode ser empregado em
uma tarefa de handover para melhor satisfazer os
requisitos da aplicação
Padrão de mobilidade e características da rede
também influenciam na escolha das técnicas
Módulos canônicos: elementos estruturais básicos
para a composição de protocolos
HOPF
Simulação /Testes
Parametrização /Composição
Requisitos
de QoS
Comp Comp Comp
Module Selector
Perfil de
Mobilidade
Características
da rede
SH
Protocol
Event Handler
Canonical
Modules
Componente de Configuração
MobiCS
Controle de execução
Módulos Canônicos




Gerenc. de handover: módulos para detecção de
handover, estabelecimento da nova conexão,
atualização de contexto, otimizações
Gerenc. de localização: como a localização da UM
é mantida e como é atualizada
Roteamento de pacotes: como os pacotes são
encaminhados para Ums (Unicast, Multicast)
Suporte à mobilidade: elementos de rede,
estruturas de dados específicos (caches
específicos, BD de localizações)
Framework de Controle de
Execução
HOCtrlComp
LocMangComp
RoutMangComp
QoSMangComp
EventHandler
EventHandler
EventHandler
EventHandler
Controller
Eventos internos
EventHandler
Eventos externos
Protocol Simulation Tool (MobiCS)
Componentes de protocolo




HOCtrlComp: possui 4 sub-componentes
(HODetectSComp, HOInitSComp, CxtUpdSComp,
DataFlowSComp), tratam as tarefas do handover
LocManagComp: mantém a localização da UM
atualizada
RoutingComp: trata o encaminhamento de
pacotes em alguma forma de transmissão
QoSComp: tarefas de reserva de recursos e
monitoramento
Fluxo de execução



A seqüência de operações para cada tipo de
evento depende do conjunto de módulos
canônicos selecionados para cada componente
de protocolo
Podemos ter mais de um módulo para tratar uma
mesma tarefa, queremos evitar modificações no
Controller e componentes qdo trocamos de
módulos
Solução: Padrão Chain of Responsability
Padrão Chain of Responsability




Permite invocação uniforme de objetos na
ocorrência de um evento
Idéia básica: desacoplar o remetente de uma
requisição de seu receptor, permitindo que mais
de um objeto possa tratá-la
Uma requisição é passada por uma corrente de
objetos
Vantagens: permite que um evento seja tratado
por um ou mais módulos e evita modificações no
Controller e componentes na troca de módulos
Composição de protocolos






Suporte à mobilidade: elementos de rede,
caches específicos (LocMangComp)
Forma de transmissão de pacotes (RoutComp)
Detecção do handover (HODetectionComp)
Tipo de handover: hard, soft, semi-soft
(HOCtrlComp)
Atualização de localização, caminho de
roteamento (LocMangComp)
Otimizações: buffer, atecipação do handover,
replicação de pacotes (DataFlowComp,
HOTecComp)
Protocolos simulados

Protocolo básico



Cellular IP (hard handoff)


Gerenciamento centralizado de localização no GW
Roteamento de pacotes por tunelamento
Gerenciamento distribuído de localização
(roteadores específicos com caches soft-state)
Multicast-based Micromobility (M&M)


Gerenciamento distribuído de localização (grupo
Multicast)
Replicação de pacotes a todas Ebs vizinhas
Protocolo básico
LocationDB
(4) Dereg
(5) DeregAck
(1)
- msg Update é enviada para
GW e ao recebê-la este
GW
atualiza a localização da UM
- msg Dereg notifica a antiga
(3) Update BS sobre a saída da UM e os
recursos são liberados
- pacotes para UM são
enviadas para antiga EB até
que GW receba Update =>
são perdidos
(2) Greet
Cellular IP Hard Handover
GW
Crossover Router
(CR)
(4)
(1)
- handover simples e rápido
- reduz perda de pacotes pois
msg RouteUpdate precisa
chegar somente até
CrossoverRouter (roteador na
intersecção dos dois
caminhos)
(3) - não requer msg Dereg
(2) RouteUpdate
Multicast-based handover
8
2
7
9
3
10
1
6
- reduz latência e
perdas
- duplicação de
pacotes
- sobrecarga na rede
4
5
EB_resp
EB
Mensagens:
Handover
Join
Leave
Otimizações

Foram implementadas duas otimizações
para tratar o fluxo de pacotes durante o
handover:


Modo Semi-reliable: implementa um
mecanismo de buffer nas EBs (BufferModule)
para permitir o redirecionamento de msgs
Modo Reliable: além do buffer, faz o
controle de msgs recebidas (AckModule) e
permite que a UM requisite os pacotes não
recebidos (RetransmissionModule)
Simulações





Simulações usando MobiCS (estocástico)
Objetivos: comparar o desempenho dos
protocolos de handover com respeito ao número
de mensagens perdidas e duplicadas variando-se
o número de handovers e a taxa de envio de
mensagens
Prob. de migração: Pmig={0.3, 0.5, 0.7}
Prob. de envio de msg: Psend={0.3, 0.5, 0.7}
Taxa de geração de eventos: 1 /70 UTS
(Unidade de Tempo Simulado)
Simulações – Topologia da rede
GW
R3
Source
R1
R2
R4
BS1
BS2
BS3
BS4
Resultados (msg perdidas)
Psend = 0.5 – Modo Unreliable
Resultados (msg perdidas)
Psend = 0.5 – Modo Semi-reliable
Comparação
Modo Unreliable
Modo Semi-reliable
Resultados (msg perdidas)
Psend=0.7
Modo Unreliable
Modo Semi-reliable
Resultados (msg duplicadas)
Psend=0.5 – Modo Semi-reliable
Resultados (msg duplicadas)
Psend=0.5 – Modo Reliable
Comparação
Modo Semi-reliable
Modo Reliable
Resultados (msg duplicadas)
Psend=0.7
Modo Semi-Reliable
Modo Reliable
Carga de mensagens
Modo Reliable
Carga de mensagens
Psend=0.1
Psend=0.7
Conclusão



Protocolos de micro-mobilidade oferecem soluções
específicas, não oferecem suporte a QoS
O desempenho do procedimento de handover
depende de vários fatores, p.ex., gerenciam. de
localização, roteamento de pacotes, características
da rede, etc.
HOPF permite composição de handover a partir de
módulos canônicos para melhor se adaptar aos
requisistos das aplicações e condições da rede
Conclusão

Próximas tarefas:



Implementar e testar composição com
outros módulos canônicos
Identificar relações de dependência entre
módulos canônicos
Definir regras para seleção de módulos a
partir de resultados de simulações
Referências
[1] RFC 3220: IP Mobility Support for IPv4, IETF, Jan. 2002.
[2] C. Perkins et al., “Route Optmization in Mobile IP” Internet Draft, 2000.
[3] E. Gustafsson et al., “Mobile IP Regional Registration”, Internet Draft,
2001.
[4] H. Soliman et al., “Hierarchical Mobile IPv6 Mobility Management”,
Internet Draft, 2002.
[5] A. Campbell et al., "Design, implementation, and evaluation of Cellular IP",
IEEE Personal Commun. Mag., 2000.
[6] R. Ramjee et al, "HAWAII: A Domain-based Approach for Supporting
Mobility in Wide-area Wireless Networks",Proc. International Conf.
Network Protocols.
[7] A. Helmy et al., "Efficient Micro-Mobility using Intra-domain Multicastbased Mechanism (M&M)", ACM SIGCOMM Computer Communications
Review, 2002.
[8] G. Dommety et al., “Fast Handovers for IPv6”, Internet Draft, IETF, 2002.
[9] S. Aust et al., “Policy-based Mobile IPv6 Handover Decision (POLIMAND)”,
Internet Draft, IETF, 2005.