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1 Micro-Mobilidade IP IST TagusPark, 13/12/07 Pedro Vale Estrela nSumário äIntrodução à micro-mobilidade IP - MIP äProtocolos clássicos.

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1 1 Micro-Mobilidade IP IST TagusPark, 13/12/07 Pedro Vale Estrela nSumário äIntrodução à micro-mobilidade IP - MIP äProtocolos clássicos de micro-mobilidade IP – CIP äProcesso de normalização IETF – hierarchical MIP / fast MIP äeTIMIP – Micro mobilidade com suporte de eficiência e transparência nExtra slides äprotocolo clássico HAWAII äSlides originais eTIMIP

2 2 1 - Introdução à Micro- Mobilidade IP

3 3 IP clássico nA Internet é dividida em domínios, redes e subredes nO encaminhamento IP clássico só permite a movimentação dos terminais no interior das suas subredes IP de origem äMovimentos do tipo 0 – dentro da subrede IP de origem

4 4 MIP clássico nMIP – Mobile IP äDefinido 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 äArquitectura Rede: introdução de agentes de mobilidade (HA e FA) Terminais Móveis: Clientes MIP äProcesso dividido em 3 fases: 1 – Detecção 2 – Registo 3 – Execução HA FA data packets Update beacons

5 5 MIP clássico nMIP - caracterização äDesempenho da mobilidade - Lento nFase de Detecção: só utiliza métodos independentes das tecnologias nFase de Registo: transição envolve sempre o HA nFase de Execução: fenómenos de triangulação e de encapsulamento äAplicabilidade da Macro-Mobilidade (MM) Aceitável para mudanças que não implicam transições rápidas ( seg) nEntre domínios administrativos diferentes (movimentos tipo 2) nLocais fisicamente distantes nMudança de tecnologia de acesso e/ou Conectividade física descontínua Inaceitável para mudanças que implicam transições rápidas ( mseg) nEntre redes do mesmo domínios administrativos (movimentos tipo 1 e 3) nLocais fisicamente próximos nCom conectividade fisica assegurada (Ex: pontos de acesso numa WLAN)

6 6 Fundamentos da Micro-mobilidade nOs 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 nPara suportar a Mobilidade Global, a mM é integrada com o MIP: ämM ämM oferece suporte de mobilidade para a maioria das transições nMovimentos dos tipos 1 e 3 nAdicionalmente, tipo 0 äMIP äMIP oferece suporte de mobilidade para as restantes transições (raras) nMovimentos do tipo 2

7 7 2 - Soluções clássicas de Micro-Mobilidade IP CIP (Cellular IP)

8 8 mM - Características Comuns äEstrutura do Domínio Hierárquica: nGateway (GW) nNós Intermédios nPontos de Acesso (APs) äBoa relação entre Eficiência e Escalabilidade äAumento do Desempenho das Movimentações nDetecção: Possibilidade de utilização de métodos dependentes da tecnologia nRegisto: Notificação é efectuada apenas aos nós do domínio actual nPacotes de Dados: Encaminhamento sem encapsulamento nem triangulação

9 9 mM - Características Comuns äOutros 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

10 10 CIP - Arquitectura nCIP – Cellular IP äSolução de micro-mobilidade complementar para o MIP Todos os Processos são Independentes do MIP äArquitectura Rede: Domínios estruturados em árvore de nós Terminais Móveis: Clientes executam CIP + MIP äCaracterísticas 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 äJá actualizado para IPv6, mas não introduz mudanças ao nível dos algoritmos

11 11 CIP - PowerUp nPower-Up independente dos mecanismos MIP: äPasso 1 Detecção do movimento pelo terminal Geração da mensagem de Update no terminal äPassos 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)

12 12 CIP - Handover nHandover independente dos mecanismos MIP: ä1, 2 – Semelhante ao PowerUp ä3 – Recepção do registo pelo nó crosshover é suficiente para a entrega correcta de pacotes de dados na nova localização ä4 – Refrescamento das entradas de encaminhamento anteriores

13 13 CIP - Encaminhamento nEncaminhamento: ä1 a 4 – Uplink – Pacote entregue sempre ao cada nó antecessor, desde o AP até à GW ä5 a 8 – Downlink – Encaminhamento descendente nó-a-nó, utilizando as entradas de encaminhamento nCaracterísticas äManutenção do estado derivada da transferência de dados (Optimização) äIneficiência para o encaminhamento do tráfego interno ao Domínio äNão utiliza links adicionais fora da àrvore, caso existam äGW é única, e fulcral no funcionamento do protocolo (múltiplas GW, Tolerância a falhas ?)

14 14 CIP - Paging nPaging äTerminais Activos – recebem e/ou emitem dados. Actualizam sempre a sua localização äTerminais Inactivos – Modo de poupança de energia: só recebem os beacons CIP äDomínio dividido em áreas de paging com identificadores äO Paging permite que os terminais inactivos apenas avisem a rede quando mudam de àrea äEntrega de pacotes pela rede a terminal inactivo: Difusão na Área de Paging

15 15 CIP – Semi-Soft Handover nObjectivo: Paralelizar o processo de registo com a recepção de pacotes na localização anterior, minimizando a perda de pacotes ä1 – Mudança para a frequência do novo AP ä2 – Início do Handover Semi-soft ä3 – Retorno à frequência do AP anterior ä4 a 6 - Processamento do registo semi-soft na rede, Bicasting ä7 – Hard Handoff final

16 Processo de Normalização (IETF)

17 17 Micro-mobilidade IETF: Fast vs Local nEvolução recente do MIP relativamente à Micro-Mobilidade äMIP tem tido uma maturação lenta äIntrodução de novas funcionalidades como extensões a um standard facilita o consenso äExtensões com grande aceitação ficam logo standard no MIPv6 Exemplo: MIP route optimization nMicro-mobilidade IETF = LOCAL + FAST äMobilidade LOCAL diminui tempo de registo na rede e updates por cada movimentação Cadeia de endereços locais ao dominio, HA local äMobilidade FAST diminui tempo de detecção e registo por cada movimentação triggers L2, proxy advertisements, túnel local

18 18 Mobilidade local: hMIP nhMIP – Hierarquical Mobile IP äEstrutura hierárquica de Agentes FA generalizados, com um care-of address por cada nivel äSuporte 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 äEm MIPv6: Agentes HA local => 2 níveis Careo-of Address deste dominio (constante) Careo-of Address da subrede no interior do domínio (variável) äEncapsulamento dos Dados exclusivamente por túneis -> suporta qualquer topologia äNão tão perto do terminal quanto as soluções de mM anteriores (i.e., sem movimentos tipo 0 ao nivel IP / N care-of addresses) äLimita updates nas redes de core, por ter um endereço IP local ao dominio que se mantem constante (care-of address associado ao HA local)

19 19 Fast MIP - Príncipios nFast MIPv6 / Low Latency Handovers v4: äOptimizações 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) äOptimizações 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

20 20 Fast MIP - preditivo nFast MIP preditivo ämake before break - Triggers L2 äProxy advertisements äTúnel local äPrepara endereço IP para MN no NAR nOperações äa) L2 trigger avisa cliente que se vai mover äb) Proxy Router Solicitation: MN pede endereços de novos ARs; (pode indicar L2) äc) Fast Binding Update: ARs acordam entre si tunel temporário, PAR faz buffer/foward pac. äd) Movimento Fisico äe) Fast Neighbor Advertisement: MN assinala chegada ao NAR, e pede os seus pacotes äf) (depois) faz handover MIP normal, já fora da altura critica MN PAR NAR | | | |------RtSolPr >| | |<-----PrRtAdv | | | | | |------FBU >| HI >| | |<------HAck | | | | | | disconnect forward | | packets===============>| | | | connect | | | | | | FNA >| |<========================== deliver packets | |

21 21 Fast MIP - Reactivo nFast MIP reactivo äbreak then make - Mais simples äProxy advertisements äAdquire endereço IP para MN no NAR äTúnel local simples nOperações äa) Proxy Router Solicitation: MN pede endereços de novos ARs; äb) Movimento Fisico äc) Fast Binding Update: NARs pede ao PAR para reencaminhar pacotes do MN äe) (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 |

22 eTIMIP – Enhanced Terminal Independent Mobility for IP

23 23 Basic eTIMIP - Overlay Network nFor existing domains, only some routers must be mobility- aware nThese routers establish an Overlay network, to support all legacy terminals and routers sMIP tunnel HA

24 24 Arquitectura eTIMIP (2) nTerminal Transparency: using ARs adjacent to Legacy Mobile Nodes (LMN), and a mobile subnet nNetwork Transparency: using data tunnels to support Legacy Routers (LR) nGlobal Mobility: using the previous surrogate MIP protocol, constant sMIP tunnel

25 25 Detecção e Registo Básicos nDetecção äPrimeiro pacote de dados emitido pelo terminal gera detecção; äSegurança confirma a identidade do terminal; nRegisto äSinalização gerada pelos ARs, percorre a árvore em direcção à localização anterior do LMN (AR anterior ou GW) äNos agentes que se situam entre dois ARs, são criadas / alteradas / eliminadas as entradas de encaminhamento do tipo next-agent, conforme a localização do terminal Power-Up Handover

26 26 Execução Básica nExecução äEntradas Básicas são sempre utilizadas em cada agente (Tree optimal) äPacotes de dados são transmitidos Agente-a-Agente, usando o routing fixo, com encapsulamento para saltar routers legados. äPacotes entram na rede Overlay, para beneficiar de mobilidade, em: ARs adjacentes aos terminais. ANGs à entrada do domínio. GW (no pior caso, com a mobile subnet). Intra-Domain forwarding Inter-domain Forwarding

27 27 Simulation Scenario nNS2 v2.31 simulation: äDomain with single GW, 2 edge routers, multiple ARs äBoth redundant links and pure tree ä wireless access with hard handoffs äInter & Intra domain traffic äCompared to CIP, HAWAII, hMIP and MIP äContributed N2 mobility software publicly available

28 28 Basic eTIMIP - results nMain results of the multiple scenarios, variations & metrics äeTIMIP always similar to CIP & HAWAII äWithout agent tree / link failures: similar to hMIP nGood efficiency, but can be improved! TCP Throughput UDP Delay

29 Full eTIMIP Extensions

30 30 Full eTIMIP extensions neTIMIP Extensions äRoute optimization: direct routing between the edges äSeamless handover: zero loss / low latency handover äIdle Support: MN state removal in routing tables äOperator support: Improves reliability and control

31 31 Route Optimization nRoute Optimization Extension ä0) Basic handover additionally creates local tunnel between ARs ä1) Previous AR forwards a triangulated data packet ä2) Previous AR generates RO update control packet ä3) ANG creates direct entry to MN's AR -> GW Bypassed! Direct RO entry

32 32 Route Optimization results nAll scenarios, even without agent tree: äOptimal routing delay äNo data packets forwarded at single GW Data Load (at GW) UDP Delay MIP

33 33 Seamless handovers nFast handovers: äCan use L2 triggers (802.11, ) to start handover äNew AR notifies geographic neighbours to guess previous AR, creates local tunnel nSmooth handovers: äIn-flight packets buffered in previous AR until update arrives äPackets are buffered in crossover node for optimal time Triangulation removed without flow reorder or delay increase Cross- over Old AR New AR 1) buffer 1) flush 3) flush 3) last pkt 5) first pkt 5) last pkt 4) Buffered packets are flushed 2) start buffer packets de-triangulation example In-flight triangulated data

34 34 Seamless Handovers results UDP Out-of-order + Drops TCP Throughput nAll scenarios, even without agent tree: äNo out-of-order packets, no drops äFull throughput handover äNo delay increase

35 35 Extensions cost Control Load Handover Latency nExtensions cost: äIncrease in short control packets (at backbone links only) äSlightly handover latency increase (same magnitude order)

36 36 Obrigado / Referências nMais Informações: äGrupo IETF: äeTIMIP: nReferências äMIP: äeTIMIP: äCIPv4: äCIPv6: äHAWAII: ähMIPv6: äFast Handovers v6: änetLMM: Questões ?

37 37 Slides Originais HAWAII

38 38 HAWAII - Arquitectura nHAWAII – Handoff Aware Wireless Access Internet Infrastructure äSolução de micro-mobilidade transparente para o MIP: Suporta Clientes MIP (com extensões) APs do Domínio fazem conversão MIP -> HAWAII äArquitectura Rede: Domínios estruturados em Árvore + Meshes + Uplinks Terminais Móveis: Clientes correm MIP clássico + extensões äCaracterísticas 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 nReduz 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

39 39 HAWAII - PowerUp nPower-Up dependente e derivado dos mecanismos MIP äPasso 1 – Acções MIP clássicas (detecção MIP do FA) äPasso 2 – BS/FA encaminha registo para HA äPasso 3 – HA responde OK, BS/FA deriva sinalização HAWAII äPassos 4, 5, 6 – Propagação registo HAWAII na rede, alteração tabelas de routing äPasso 7 – HDRR confirma power-up ao BS/FA do cliente äPasso 8 – BS/FA gera resposta MIP ao cliente

40 40 HAWAII – Forwarding Handover nHandover derivado dos mecanismos MIP, de utilização incremental ä1 – Cliente gera registo MIP com uma extensão que indica o FA anterior (PFANE) ä2 – 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 ä3 – 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) äPasso 4 – BS gera resposta MIP ao cliente

41 41 HAWAII - Encaminhamento nEncaminhamento: äPacotes de dados seguem sempre as entradas de routing existentes, ou pela árvore por omissão. äEficiência 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 äManutenção do Estado – Igual ao MIP (Soft state)

42 42 Slides Originais eTIMIP

43 43 eTIMIP - Objectivos nMotivação Arquitectura eTIMIP äSoluções de mobilidade IP existem há já alguns anos, mas implementação lenta äSituação 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 äAssim, muito recentemente, questão da transparência dos protocolos de mobilidade passou a ter tanto peso quanto a questão da eficiência! (e.g. netLMM) nTransparência Suporte de quaisquer terminais – Detecção e Sinalização pela rede Suporte de quaisquer redes, topologias e routers e APs, para upgrades suaves – Túneis IPv6 e mobile subnet Suporte de redes IPv4 e IPv6 nEficiência: äSeamless handovers Low latency – Detecção L2 + Árvore de nós + Entradas Encaminhamento next-hop Low Losses – Detecção L2 + buffering de Pacotes + de-triangulação suave äResource Utilisation Implicit refresh – Tráfego emitido pelo terminal refresca as entradas soft-state Optimal routing – Entradas de Encaminhamento do tipo final hop

44 44 Introdução do Serviço de Mobilidade nTipos de subredes existentes: ä1: único AP de nível 3 ä2: APs de nível 2, switch Ethernet <<< caso normal ä3: AP de nível 2 ligado directamente a router L3 (ex: Wireless Mesh Networks)

45 45 Arquitectura eTIMIP (1) Rede Overlay äIntrodução de Rede Overlay com Agentes TIMIP organizados em árvore. äSeparação de Encaminhamento Móvel e Encaminhamento Fixo. äAgentes TIMIP introduzidos em routers modificáveis ou em novos routers (Ex. Cinza / Vermelho). äTerminais Móveis pertencem a uma subrede móvel gerida pelos Access Routers (ARs) e Gateway (GW). äARs fisicamente adjacentes aos terminais, de forma análoga aos agentes MIP äSuporte de múltiplas ligações ao exterior (Access Network Gateways - ANGs) e de APs L2. äEntradas de encaminhamento básicas e optimizadas do tipo soft-state.

46 46 Arquitectura eTIMIP (2) nTransparência äSuporte de qualquer tipo de rede: topologias, diversidade de elementos de rede legados. äSinalização gerada pela rede: Suporte de quaisquer terminais, CNs, e redes IPv4 e IPv6. äIntrodução do Serviço de Mobilidade sem disrupção na operação da rede nEficiência äRouting básico: transmissão de dados e controlo através da rede Overlay äRouting optimizado: transmissão de dados na rede física e transmissão de controlo na rede overlay. äIn-Band state-maitenance, Handovers localizados, Detecção Reactiva, buffering pacotes, de- triangulação suave

47 47 Fases e Operações nFases da Mobilidade: äDetecção: Os ARs da rede: detectam os movimentos dos terminais; confirmam a autenticação; decidem qual o AR actual para o terminal; äRegisto: O AR notifica os outros agentes na árvore usando mensagens de controlo. Cada Agente envolvido altera a sua tabela de routing äExecução: Cada Agente encaminha (forwarding) os pacotes para o terminal, conforme a informação da tabela de routing (usa túneis quando necessário) Terminal desconhecido -> Tráfego enviado para topo da árvore por default O AR confirma periodicamente que o terminal ainda está cá, com backoff nOperações da Mobilidade: äPower-UP: chegada inicial ao domínio de um novo terminal äHandover: movimentação entre dois ARs, tipicamente adjacentes äPower-Down: Saída do terminal do domínio äIdle entry: terminais sem tráfego mas que respondem sempre aos refreshes são retirados das tabelas de routing... äPaging:...sendo procurados pela rede quando aparecer tráfego para eles.

48 48 Detecção e Registo Básicos nDetecção äPrimeiro pacote de dados emitido pelo terminal gera detecção; äSegurança confirma a identidade do terminal; nRegisto äSinalização gerada pelos ARs, percorre a árvore em direcção à localização anterior do LMN (AR anterior ou GW) äNos agentes que se situam entre dois ARs, são criadas / alteradas / eliminadas as entradas de encaminhamento do tipo next-agent, conforme a localização do terminal Power-Up Handover

49 49 Execução Básica nExecução äEntradas Básicas são sempre utilizadas em cada agente (Tree optimal) äPacotes de dados são transmitidos Agente-a-Agente, usando o routing fixo, com encapsulamento para saltar routers legados. äPacotes entram na rede Overlay, para beneficiar de mobilidade, em: ARs adjacentes aos terminais. ANGs à entrada do domínio. GW (no pior caso, com a mobile subnet). Intra-Domain forwarding Inter-domain Forwarding


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