Micro-Mobilidade IP Sumário Extra slides Introdução à micro-mobilidade IP - MIP Protocolos clássicos de micro-mobilidade IP – CIP Processo de normalização IETF – hierarchical MIP / fast MIP eTIMIP – Micro mobilidade com suporte de eficiência e transparência Extra slides protocolo clássico HAWAII Slides originais eTIMIP IST TagusPark, 13/12/07 Pedro Vale Estrela pedro.estrela@gmail.com

1 - Introdução à Micro-Mobilidade IP

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

MIP clássico 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 data packets HA FA beacons Update

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)

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

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

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

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

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 não introduz mudanças ao nível dos algoritmos

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)

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

CIP - Encaminhamento Encaminhamento: Características 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 ?) Entradas directas de encaminhamento que indicam o próximo nó

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

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 problema: latencia L2 pode tornar-se muito grande usa bicasting

3 - Processo de Normalização (IETF)

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

Mobilidade local: hMIP hMIP – Hierarquical Mobile IP Estrutura hierárquica de Agentes FA generalizados, com um care-of address por cada nivel 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 Em MIPv6: Agentes HA local => 2 níveis Careo-of Address deste dominio (constante) Careo-of Address da subrede no interior do domínio (variável) 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 / N care-of addresses) Limita updates nas redes de core, por ter um endereço IP local ao dominio que se mantem constante (care-of address associado ao HA local)

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

Fast MIP - preditivo Fast MIP preditivo Operações “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 | | RFC não define qual o formato dos triggers Draft para IPv4 sugere formato de triggers dependentes da tecnologia

Fast MIP - Reactivo Fast MIP reactivo Operações “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 | |

4 - eTIMIP – “Enhanced Terminal Independent Mobility for IP”

Basic eTIMIP - Overlay Network For existing domains, only some routers must be mobility-aware These routers establish an Overlay network, to support all legacy terminals and routers new routers are added to the network, or upgraded from existing ones -tree features a Gateway at the root. -other agents may be special depending on its location sMIP tunnel HA

Arquitectura eTIMIP (2) Terminal Transparency: using ARs adjacent to Legacy Mobile Nodes (LMN), and a mobile subnet Network Transparency: using data tunnels to support Legacy Routers (LR) Global Mobility: using the previous surrogate MIP protocol, constant sMIP tunnel Explicação da entrada de dados na rede overlay (jusante/rede de acesso e montante/rede de core): AR1 – trivial AR2 e AR3 – mecanismos ARP, ao estarem adjacentes aos terminais (tipo MIP HA) GW – associado à subrede mobilidade, usado como fallback (trafego de N2) ANG1 e ANG2 – trivial

Detecção e Registo Básicos Primeiro pacote de dados emitido pelo terminal gera detecção; Segurança confirma a identidade do terminal; Registo Sinalização gerada pelos ARs, percorre a árvore em direcção à localização anterior do LMN (AR anterior ou GW) Nos agentes que se situam entre dois ARs, são criadas / alteradas / eliminadas as entradas de encaminhamento do tipo “next-agent”, conforme a localização do terminal Quando um terminal chega, é a rede que detecta o terminal e que se configura automaticamente para estabelecer a conectividade do terminal. Dar exemplo detalhado da tabela de routing do agente AR1 aquando a sinalização. (seta; default entry; entrada apagada) Power-Up Handover

Execução Básica Execução Entradas Básicas são sempre utilizadas em cada agente (“Tree optimal”) Pacotes de dados são transmitidos Agente-a-Agente, usando o routing fixo, com encapsulamento para saltar routers legados. Pacotes 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”). Quando um terminal chega, é a rede que detecta o terminal e que se configura automaticamente para estabelecer a conectividade do terminal. Intra-Domain forwarding Inter-domain Forwarding

Simulation Scenario NS2 v2.31 simulation: Domain with single GW, 2 edge routers, multiple ARs Both redundant links and pure tree 802.11 wireless access with hard handoffs Inter & Intra domain traffic Compared to CIP, HAWAII, hMIP and MIP Contributed N2 mobility software publicly available variations: TCP/UDP, mobile speed, traffic amount, failures, background traffic, metrics: loss, packets out of order, throughput, control load, data load, one way delay, handover delay TIMIP implementation – also a contribution – publicly available

Basic eTIMIP - results Main results of the multiple scenarios, variations & metrics eTIMIP always similar to CIP & HAWAII Without agent tree / link failures: similar to hMIP Good efficiency, but can be improved! UDP Delay TCP Throughput finding: basic eTIMIP improves transparency, while having similar efficiency than alternatives

5 - Full eTIMIP Extensions

Full eTIMIP extensions Route optimization: direct routing between the edges Seamless handover: zero loss / low latency handover Idle Support: MN state removal in routing tables Operator support: Improves reliability and control IDLE: improves scalability of the service via the removal of MN state in the network Operator Centric support: improves reliability and control of the mobility service with network-controlled handovers and departure confirmation options

Route Optimization Route Optimization Extension 0) Basic handover additionally creates local tunnel between ARs 1) Previous AR forwards a triangulated data packet 2) Previous AR generates RO update control packet 3) ANG creates direct entry to MN's AR -> GW Bypassed! Direct RO entry Direct RO entry Route Optimization Extension: enables lower data overhead, local handover tunnels. improves scalability by decoupling data from control paths 4 - If a MN already moved, base guaranteed handover ensures consistency. Incremental operation

Route Optimization results All scenarios, even without agent tree: Optimal routing delay No data packets forwarded at single GW UDP Delay Data Load (at GW) MIP finding: full eTIMIP has best efficiency and transparency than alternatives

de-triangulation example Seamless handovers de-triangulation example Fast handovers: Can use L2 triggers (802.11, 802.21) to start handover New AR notifies geographic neighbours to guess previous AR, creates local tunnel Smooth handovers: In-flight packets buffered in previous AR until update arrives Packets are buffered in crossover node for optimal time Triangulation removed without flow reorder or delay increase 2) start buffer packets 4) Buffered packets are flushed In-flight triangulated data Cross- over 5) first pkt 3) flush 1) buffer 3) last pkt - ETIMIP fast: chris blondia. Por referencia. ICOIN: normal usar flush + buffer. Requer tuneis. Mesmo control load Old AR 5) last pkt New AR 1) flush

Seamless Handovers results All scenarios, even without agent tree: No out-of-order packets, no drops Full throughput handover No delay increase UDP Out-of-order + Drops TCP Throughput finding: full eTIMIP has best efficiency and transparency than alternatives

Extensions cost Extensions cost: Increase in short control packets (at backbone links only) Slightly handover latency increase (same magnitude order) Control Load Handover Latency finding: full eTIMIP has best efficiency and transparency than alternatives

Obrigado / Referências Questões ? Mais Informações: Grupo IETF: http://www.ietf.org/html.charters/mipshop-charter.html eTIMIP: http://tagus.inesc-id.pt/~pestrela/timip/ Referências MIP: http://www.ietf.org/rfc/rfc3220.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 netLMM: http://www.ietf.org/html.charters/netlmm-charter.html

Slides Originais HAWAII

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 NAI = Network Address Identifier (user@domain) HDRR = Home Domain Root Router

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

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 Modelo Incremental, útil quando FAs podem falar entre si directamente

HAWAII - 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)

Slides Originais eTIMIP

eTIMIP - Objectivos Motivação Arquitectura eTIMIP Transparência Soluções de mobilidade IP existem há já alguns anos, mas implementação 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! (e.g. netLMM) Transparência 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 Eficiência: Seamless handovers Low latency – Detecção L2 + Árvore de nós + Entradas Encaminhamento “next-hop” Low Losses – Detecção L2 + buffering de Pacotes + de-triangulação suave Resource Utilisation Implicit refresh – Tráfego emitido pelo terminal refresca as entradas soft-state Optimal routing – Entradas de Encaminhamento do tipo “final hop”

Introdução do Serviço de Mobilidade Tipos de subredes existentes: 1: único AP de nível 3 2: APs de nível 2, switch Ethernet <<< caso normal 3: AP de nível 2 ligado directamente a router L3 (ex: Wireless Mesh Networks)

Arquitectura eTIMIP (1) Introdução de Rede Overlay com Agentes TIMIP organizados em árvore. Separação de Encaminhamento Móvel e Encaminhamento Fixo. Agentes TIMIP introduzidos em routers modificáveis ou em novos routers (Ex. Cinza / Vermelho). Terminais Móveis pertencem a uma subrede móvel gerida pelos Access Routers (ARs) e Gateway (GW). ARs fisicamente adjacentes aos terminais, de forma análoga aos agentes MIP Suporte de múltiplas ligações ao exterior (Access Network Gateways - ANGs) e de APs L2. Entradas de encaminhamento básicas e optimizadas do tipo soft-state. Explicar onde se têm de introduzir os elementos TIMIP (periferia da rede a montante/core e jusante/acesso, e locais intermédios onde se colocam os agentes) Ilustrar cada uma das situações: AR1 – OK, (router upgradeable e adjacente aos LMNs) AR2 – NOVO router, ligado ao switch, adjacente aos LMNs (análoga ao MIPv6 HA/FA) AR3 – NOVO router, ligado por wireless, adjacente aos LMNs (análoga ao MIPv6 HA/FA) TR1 – Novo router, algures, para fazer um nível na Árvore GW – Novo router, algures, para fazer um nível na Árvore, e associado à subrede de mobilidade (routing fixo) ANG1 – OK, router upgradeable ANG2 – OK, router upgradeable Rede2 – fallback para GW Funções de rede podem ser partilhadas (GW + AR + ANG)

Arquitectura eTIMIP (2) Transparência Suporte de qualquer tipo de rede: topologias, diversidade de elementos de rede legados. Sinalização gerada pela rede: Suporte de quaisquer terminais, CNs, e redes IPv4 e IPv6. Introdução do Serviço de Mobilidade sem disrupção na operação da rede Eficiência Routing básico: transmissão de dados e controlo através da rede Overlay Routing optimizado: transmissão de dados na rede física e transmissão de controlo na rede overlay. In-Band state-maitenance, Handovers localizados, Detecção Reactiva, buffering pacotes, de-triangulação suave Explicação da entrada de dados na rede overlay (jusante/rede de acesso e montante/rede de core): AR1 – trivial AR2 e AR3 – mecanismos ARP, ao estarem adjacentes aos terminais (tipo MIP HA) GW – associado à subrede mobilidade, usado como fallback (trafego de N2) ANG1 e ANG2 – trivial

Fases e Operações Fases da Mobilidade: Operações da Mobilidade: Detecção: Os ARs da rede: detectam os movimentos dos terminais; confirmam a autenticação; decidem qual o AR actual para o terminal; Registo: O AR notifica os outros agentes na árvore usando mensagens de controlo. Cada Agente envolvido altera a sua tabela de routing Execução: 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 Operações da Mobilidade: Power-UP: chegada inicial ao domínio de um novo terminal Handover: movimentação entre dois ARs, tipicamente adjacentes Power-Down: Saída do terminal do domínio Idle entry: terminais sem tráfego mas que respondem sempre aos refreshes são retirados das tabelas de routing... Paging: ...sendo procurados pela rede quando aparecer tráfego para eles. Quando um terminal chega, é a rede que detecta o terminal e que se configura automaticamente para estabelecer a conectividade do terminal. Dar exemplo detalhado da tabela de routing do agente AR1 aquando a sinalização. (seta; default entry; entrada apagada)

Detecção e Registo Básicos Primeiro pacote de dados emitido pelo terminal gera detecção; Segurança confirma a identidade do terminal; Registo Sinalização gerada pelos ARs, percorre a árvore em direcção à localização anterior do LMN (AR anterior ou GW) Nos agentes que se situam entre dois ARs, são criadas / alteradas / eliminadas as entradas de encaminhamento do tipo “next-agent”, conforme a localização do terminal Quando um terminal chega, é a rede que detecta o terminal e que se configura automaticamente para estabelecer a conectividade do terminal. Dar exemplo detalhado da tabela de routing do agente AR1 aquando a sinalização. (seta; default entry; entrada apagada) Power-Up Handover

Execução Básica Execução Entradas Básicas são sempre utilizadas em cada agente (“Tree optimal”) Pacotes de dados são transmitidos Agente-a-Agente, usando o routing fixo, com encapsulamento para saltar routers legados. Pacotes 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”). Quando um terminal chega, é a rede que detecta o terminal e que se configura automaticamente para estabelecer a conectividade do terminal. Intra-Domain forwarding Inter-domain Forwarding