1 Micro-Mobilidade IP Soluções CIP, HAWAII, TIMIP, hMIP e fast MIP Pedro Vale Estrela IST TagusPark, 28 Novembro 2005

2 Sumário n Introdução à micro-mobilidade IP ä IP clássico ä MIP clássico ä Micro-Mobilidade n Protocolos de micro-mobilidade IP ä CIP ä HAWAII ä TIMIP n Processo de normalização IETF ä hMIP ä Fast Handovers n Novas direcções ä Transparência e Nova Arquitectura TIMIP

3 Introdução à micro-mobilidade Introdução à Micro- Mobilidade IP

4 IP clássico n A Internet é dividida em domínios, redes e subredes n O encaminhamento IP clássico só permite a movimentação dos terminais no interior das suas subredes IP de origem ä Movimentos do tipo 0 – dentro da subrede IP de origem

5 MIP clássico n MIP – Mobile IP ä 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 ä Arquitectura Rede: introdução de agentes de mobilidade (HA e FA) Terminais Móveis: Clientes MIP ä Processo dividido em 3 fases: 1 – Detecção 2 – Registo 3 – Execução HA FA

6 MIP clássico n MIP - caracterização ä Desempenho da mobilidade - Lento n Fase de Detecção: só utiliza métodos independentes das tecnologias n Fase de Registo: transição envolve sempre o HA n Fase de Execução: fenómenos de triangulação e de encapsulamento ä Aplicabilidade da Macro-Mobilidade (MM) Aceitável para mudanças que não implicam transições rápidas ( seg) n Entre domínios administrativos diferentes (movimentos tipo 2) n Locais fisicamente distantes n Mudança de tecnologia de acesso e/ou Conectividade física descontínua Inaceitável para mudanças que implicam transições rápidas ( mseg) n Entre redes do mesmo domínios administrativos (movimentos tipo 1 e 3) n Locais fisicamente próximos n Com conectividade fisica assegurada (Ex: pontos de acesso numa WLAN)

7 Fundamentos da Micro-mobilidade n 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 n Para suportar a Mobilidade Global, a mM é integrada com o MIP: ä mM ä mM oferece suporte de mobilidade para a maioria das transições n Movimentos dos tipos 1 e 3 n Adicionalmente, tipo 0 ä MIP ä MIP oferece suporte de mobilidade para as restantes transições (raras) n Movimentos do tipo 2

8 2 - Soluções de Micro-mobilidade Soluções de Micro-Mobilidade IP

9 mM - Características Comuns ä Estrutura do Domínio Hierárquica: n Gateway (GW) n Nós Intermédios n Pontos de Acesso (APs) ä Boa relação entre Eficiência e Escalabilidade ä Aumento do Desempenho das Movimentações n Fase de Detecção: Possibilidade de utilização de métodos dependentes da tecnologia n Fase de Registo: Notificação é efectuada apenas aos nós do domínio actual n Fase de Execução: Encaminhamento sem encapsulamento nem triangulação

10 mM - Características Comuns ä 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

11 CIP - Arquitectura n CIP – Cellular IP ä Solução de micro-mobilidade complementar para o MIP Todos os Processos são Independentes do MIP ä Arquitectura Rede: Domínios estruturados em árvore de nós Terminais Móveis: Clientes executam CIP + MIP ä 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 ä Já actualizado para IPv6, mas sem introduzir mudanças ao nivel dos algoritmos

12 CIP - PowerUp n Power-Up independente dos mecanismos MIP: ä Passo 1 Detecção do movimento pelo terminal Geração da mensagem de Update no terminal ä 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)

13 CIP - Handover n Handover independente dos mecanismos MIP: ä 1, 2 – Semelhante ao PowerUp ä 3 – Recepção do registo pelo nó crosshover é suficiente para a entrega correcta de pacotes de dados na nova localização ä 4 – Refrescamento das entradas de encaminhamento anteriores

14 CIP - Encaminhamento n Encaminhamento: ä 1 a 4 – Uplink – Pacote entregue sempre ao cada nó antecessor, desde o AP até à GW ä 5 a 8 – Downlink – Encaminhamento descendente nó-a-nó, utilizando as entradas de encaminhamento n Características ä Manutenção do estado derivada da transferência de dados (Optimização) ä Ineficiência para o encaminhamento do tráfego interno ao Domínio ä Não utiliza links adicionais fora da àrvore, caso existam ä GW é única, e fulcral no funcionamento do protocolo (múltiplas GW, Tolerância a falhas ?)

15 CIP - Paging n Paging ä Terminais Activos – recebem e/ou emitem dados. Actualizam sempre a sua localização ä Terminais Inactivos – Modo de poupança de energia: só recebem os beacons CIP ä Domínio dividido em áreas de paging com identificadores ä O Paging permite que os terminais inactivos apenas avisem a rede quando mudam de àrea ä Entrega de pacotes pela rede a terminal inactivo: Difusão na Área de Paging

16 CIP – Semi-Soft Handover n Objectivo: Paralelizar o processo de registo com a recepção de pacotes na localização anterior, minimizando a perda de pacotes ä 1 – Mudança para a frequência do novo AP ä 2 – Início do Handover Semi-soft ä 3 – Retorno à frequência do AP anterior ä 4 a 6 - Processamento do registo semi-soft na rede, Bicasting ä 7 – Hard Handoff final

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

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

19 HAWAII – Forwarding Handover n Handover derivado dos mecanismos MIP, de utilização incremental ä 1 – Cliente gera registo MIP com uma extensão que indica o FA anterior (PFANE) ä 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 ä 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) ä Passo 4 – BS gera resposta MIP ao cliente

20 HAWAII - Encaminhamento n Encaminhamento: ä Pacotes de dados seguem sempre as entradas de routing existentes, ou pela árvore por omissão. ä 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 ä Manutenção do Estado – Igual ao MIP (Soft state)

21 TIMIP – Arquitectura n TIMIPv0 – Terminal Independent Mobility for IP ä Objectivos: Suporte de mobilidade para qualquer terminal IP n Detecção das movimentações por parte da rede, em nome do terminal n Geração da sinalização necessária por parte da rede, em nome do terminal Eficiência n Características semelhantes às melhores das propostas anteriores (nível 3) n Utilização de mecanismos derivados de informação do nível 2 para Detecção ä Arquitectura Rede: Domínios estruturados em árvore de nós Terminais Móveis: Clientes IP inalterados ä Características Garantia de Entrega: Nó-a-nó + Timeout Detecção da localização actual e tipo de movimento: n Mecanismos N2 ou Mecanismos Genéricos N3 É complementado pela extensão de Macro-Mobilidade Surrogate MIP (sMIP) para movimentação entre Domínios

22 TIMIP - PowerUp n Power-Up independente dos mecanismos MIP: ä 1 – AP detecta a movimentação dos terminais por nível 2, ou genérica por nível 3, e gera mensagem Update TIMIP ä 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) n Handover sMIP: derivado do PowerUp TIMIP ä GW/sFA gera sinalização MIP destinada ao HA em nome do LT (passo 5) ä HA processa registo transparentemente

23 TIMIP – Handover n Handover independente dos mecanismos MIP ä 1 a 3 – Semelhantes ao Power-Up TIMIP ä 4 e 5 – Cada Nó remove a entrada de encaminhamento, e passa a mensagem em direcção ao AP anterior ä 6 – Transferencia de informação de contexto existente no AP anterior para o novo AP: Dados de QoS / Segurança / Multicast 6

24 TIMIP - Encaminhamento n Encaminhamento: ä Pacotes de dados seguem sempre as entradas de routing existentes, ou pela árvore por omissão. ä Eficiência constante, seguindo os caminhos mais curtos na Árvore n Características semelhantes aos protocolos anteriores ä Eficiente – pacotes seguem sempre pelo caminho mais curto na árvore (HAWAII) ä Manutenção do estado optimizada pela utilização da transferência de dados (CIP)

25 Exemplos de Simulação (1) HMIP CIP Trafego Intra-Domain

26 Exemplos de Simulação (2) HAWAII TIMIP Trafego Intra-Domain

IETF Processo de Normalização (IETF)

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

29 Mobilidade local: hMIP n hMIP – Hierarquical Mobile IP ä 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 ä Estrutura hierárquica de Agentes FA generalizados, sugerida de apenas 2 níveis ä Em MIPv6: noção de agentes HA locais, 2 niveis ä Encapsulamento dos Dados exclusivamente por túneis -> suporta qualquer topologia ä Não tão perto do terminal quanto as soluções de mM anteriores (i.e., sem movimentos tipo 0 ao nivel IP) ä Limita updates nas redes de core, por ter um endereço IP local ao dominio

30 Fast MIP - Príncipios n Fast MIPv6 / Low Latency Handovers v4: ä 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) ä 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 n Fast MIP preditivo ä make before break - Triggers L2 ä Proxy advertisements ä Túnel local ä Prepara endereço IP para MN no NAR n Operações ä a) L2 trigger avisa cliente que se vai mover ä b) Proxy Router Solicitation: MN pede endereços de novos ARs; (pode indicar L2) ä c) Fast Binding Update: ARs acordam entre si tunel temporário, PAR faz buffer/foward pac. ä d) Movimento Fisico ä e) Fast Neighbor Advertisement: MN assinala chegada ao NAR, e pede os seus pacotes ä f) (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 | |

32 Fast MIP - Reactivo n Fast MIP reactivo ä break then make - Mais simples ä Proxy advertisements ä Adquire endereço IP para MN no NAR ä Túnel local simples n Operações ä a) Proxy Router Solicitation: MN pede endereços de novos ARs; ä b) Movimento Fisico ä c) Fast Binding Update: NARs pede ao PAR para reencaminhar pacotes do MN ä 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 |

33 TIMIP – Novas Direcções n Motivação ä Soluções de mobilidade IP existem há já alguns anos, mas a sua implementação tem sido muito lenta ä 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 ä Assim, muito recentemente, questão da transparência dos protocolos de mobilidade passou a ter tanto peso quanto a questão da eficiência! n Nova Arquitectura TIMIP ä Transparência Suporte de quaisquer redes, topologias e routers e APs, para upgrades suaves Suporte de quaisquer terminais (TIMIPv0) Suporte de redes IPv4 e IPv6 ä Eficiência Nova optimização de routing optimal, separa dados de controlo da árvore Routing básico baseado em Arvore, permite escalabilidade (TIMIPv0) ä Arquitectura Suporte de múltiplos pontos de acesso ao exterior Melhorias de Detecção (Suporte APs L2)

34 Referências n Mais Informações: ä MobileIP IETF: ä TIMIP: n Referências ä MIP: ä TIMIP: ä CIPv4: ä CIPv6: ä HAWAII: ä hMIPv6: ä Fast Handovers v6:

35 Obrigado Questões ? Obrigado