Mobilidade Elena Balachova R.A. 047798 Márcia M. de O. Valença R.A. 010523 Setembro/2005 Universidade Estadual de Campinas Instituto de Computação Programa.

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1 Mobilidade Elena Balachova R.A. 047798 Márcia M. de O. Valença R.A. 010523 Setembro/2005 Universidade Estadual de Campinas Instituto de Computação Programa de Pós-Graduação MO 818 - Tópicos em Redes de Computadores Profº. Edmundo Madeira

2 Motivação Para estarmos conectados devemos estar à frente de um desktop em uma sala fechada? É possível conectar outros dispositivos à rede? Qual é o limite de dispositivos? Limitação física ou lógica? É possível se deslocar entre redes diferentes sem perder conexão? MOBILIDADE

3 Definição Mobilidade IP possibilita que um móvel passe de uma rede para outra sem que as conexões/sessões estabelecidas sejam interrompidas e permitindo que outras novas sejam estabelecidas. O grande desafio da Mobilidade IP é evitar que conexões, sejam perdidas no evento de uma movimentação.

4 Micro e Macro Mobilidades Micro Mobilidade Mobilidade dentro de uma organização, entre pontos de acesso Ex., entre pontos de acesso WLAN Movimentos do tipo 1 e 3 Macro Mobilidade Movimentos do tipo 2 Mobilidade entre organizações ou tecnologias Ex., de GPRS para WLAN

5 IPv4 Cada host e cada roteador tem um endereço IP que codifica seu número de rede e número de host 2 máquinas nunca têm IP igual Todos os endereços IP Têm 32 bits (4 campos, 8 bits por campo) Colocados nos campos “Source address” e “Destination address” IP mais baixo – 0.0.0.0 IP mais alto – 255.255.255.255 O encaminhamento IP clássico só permite a movimentação dos terminais no interior das suas sub-redes IP de origem. Roteamento baseado em prefixo, que depende da localização do host Mudança de rede mudança de endereço IP

6 IPv4 - problema Removendo a máquina com o endereço (160.80.40.20) para outro lugar – é viável fornecer um novo IP para essa máquina? Não Muitos destinatários teriam que ser informados sobre o novo IP Outra solução Usar endereço IP completo no lugar de número da rede Inviável – cada roteador teria que ter tabelas com milhões de entradas -> custo MUITO alto

7 Solução IP Móvel (MIPv4 e MIPv6) Início do desenvolvimento por volta de 1995 Adaptação do IPv4

8 IP Móvel – definições iniciais Nós móveis tem de ser capazes de se comunicar com qualquer outro nó na rede após mudança no ponto de conexão sem alterar seu endereço de IP Um nó móvel tem de ser capaz de se comunicar com um nó que não implementa nenhuma das funções de mobilidade. Ou seja, nenhuma mudança será feita nos hosts e roteadores que agem sem nenhum sistema móvel. IP Móvel deve gerar pouco overhead (economia de largura de banda e energia)

9 IP Móvel – comunicação Comunicação Dentro do domínio de origem (1) Entre domínios (2) Dentro de domínios visitados (3) Fases Detecção Registro Execução

10 IP Móvel – definições iniciais – cont. - O link que conecta o nó móvel à Internet será geralmente uma conexão sem fio. Esta conexão, portanto, deve ter uma banda de transmissão menor e maior taxa de erro do que links a fio. - Nós móveis são, geralmente, movidos a bateria, portanto minimizar o consumo de energia deve ser um fator importante. Consequentemente, o número e tamanho das mensagens de administração do sistema entre o nó móvel e seu ponto de conexão à Internet devem ser minorizados.

11 IP Móvel - Nomenclatura Nó Móvel - Um host ou roteador que muda seu ponto de conexão de um rede ou sub-rede para outra. Um nó móvel pode mudar sua posição sem mudar seu endereço de IP. Agente de Origem (HÁ) - Um roteador em um nó na rede de origem, que redireciona datagramas para o nó móvel, quando este está fora do alcance da rede, e retém a informação atual sobre a posição do nó móvel. Agente Externo (FA) - Um roteador em uma rede "visitada" pelo nó móvel, que fornece serviços de roteamento para o nó móvel quando este está registrado.

12 IP Móvel Conexão do Nó Móvel à internet Agente de origem (HA) Nenhuma funcionalidade móvel é necessária Agente externo (FA) Necessário implementar funcionalidade móvel

13 IP Móvel – O Protocolo Nó Móvel X Agente Externo Conexão com o Agente Externo Aviso de Agente – indica a presença do Agente Externo Enviada pelo agente externo ou solicitada pelo nó móvel Identifica com qual agente o Nó Móvel irá se relacionar Agente Externo Identificado

14 IP Móvel – O Protocolo Nó Móvel X Agente Externo – cont. Obter endereço de tratamento (care-of address) Fornecido pelo Agente Externo. É o endereço IP do Agente Externo. Agente Externo desencapsula os dados Processamento no Agente Externo Co-localizado. Fornecido pela fonte que não seja o Agente Externo Temporário através do DHCP ou fixo Grande demanda de espaços de endereços

15 IP Móvel – O Protocolo Nó Móvel X Agente Externo – cont. Registrar o endereço de tratamento no Agente de Origem Nó Móvel manda a mensagem de “Requerimento de Registro” para Agente de Origem através do Agente Externo Agente de Origem manda “Resposta ao Requerimento”

16 Imagem retirada do site http://www.gta.ufrj.br/grad/00_1/bruno/ Roteamento Triangular: um nó correspondente conhecendo apenas o Home Address do nó móvel, enviará os pacotes para a rede original do nó móvel. Porém,como o nó móvel se moveu, o Agente de Origem intercepta os pacotes e “tunela” para o nó móvel em seu care-of-address, ou seja, envia o pacote para a rede em que o nó móvel está momentaneamente

17 IP Móvel – O Protocolo Broadcast Agente de Origem recebe pacote broadcast Não manda o pacote para os nós fora da rede local a não ser que o Nó Móvel tenha requerido O agente de Origem encapsula em um datagrama unicast O agente Externo desencapsula e mandará para o Nó Móvel O Nó Móvel desencapsula o datagrama em um datagrama broadcast e o processa

18 IP Móvel – O Protocolo Multicast 2 maneiras Nó móvel se juntar a um grupo multicast num roteador de multicast da rede local do Agente Externo, se existir. Nó móvel se juntar a um grupo multicast num roteador de multicast da rede do Agente de Origem. Datagramas são mandados pelo túnel numa maneira similar à mostrada no broadcast

19 IP Móvel – Roteadores Móveis Redes móveis com nós móveis Nó Móvel em relação a um roteador Roteador móvel em relação à uma rede Endereço de tratamento para roteador móvel Endereço de tratamento para nó móvel

20 Imagem retirada do site http://www.gta.ufrj.br/grad/00_1/bruno/

21 MIP – desempenho Desempenho da mobilidade - Lento Fase de Detecção: só utiliza métodos independentes das tecnologias Fase de Registro: transição envolve sempre o HA (Home Agent) Fase de Execução: fenômenos de triangulação e de encapsulamento

22 MIP – Macro Mobilidade Aceitável para mudanças que não implicam transições rápidas (ordem de 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 (ordem de mseg) Entre redes do mesmo domínios administrativos (movimentos tipo 1 e 3) Locais fisicamente próximos Com conectividade física assegurada (Ex: pontos de acesso numa WLAN)

23 Micro Mobilidade Os protocolos de micro- mobilidade oferecem mecanismos eficientes de mobilidade não- global Transições mais rápidas Limitados a domínios Sub-redes inteiras

24 Micro Mobilidade – cont. Para suportar a Mobilidade Global, a micro mobilidade é integrada com o MIP: mM mM oferece suporte de mobilidade para a maioria das transições  Movimentos dos tipos 1 e 3  Adicionalmente, tipo 0 MIP MIP oferece suporte de mobilidade para as restantes transições (raras)  Movimentos do tipo 2

25 Soluções de micro mobilidade Estrutura do Domínio Hierárquica: Gateway (GW) Nós Intermédios Pontos de Acesso (APs) Terminais móveis (MTs) Aumento do Desempenho das Movimentações Fase de Detecção: Possibilidade de utilização de métodos dependentes da tecnologia Fase de Registro: Notificação é efetuada apenas aos nós do domínio atual Fase de Execução: Encaminhamento sem encapsulamento nem triangulação

26 Conceitos Power-Up – Chegada inicial a um Domínio Handover – Movimentações subseqüentes no Domínio Paging – Mecanismo associado à economia 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 – Proteção contra perda/erros da sinalização

27 Soluções de micro mobilidade – figura

28 Soluções de micro mobilidade CIP – Celular IP Solução de micro-mobilidade complementar para o MIP Todos os Processos são Independentes do MIP Arquitetura 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 atual 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

29 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 atual do terminal Entrega da mensagem para nó ascendente (até à GW)

30 CIP - Handover Handover independente dos mecanismos MIP: Passos 1, 2 – Semelhante ao Power-Up Passo 3 – Recepção do registro pelo nó crossover é suficiente para a entrega correta de pacotes de dados na nova localização Passo 4 – Refresh das entradas de encaminhamento anteriores

31 CIP – Encaminhamento Encaminhamento: Transferência de Dados: MT1 -> MT2 Passos 1 a 4 – Routing Up-link – Pacote entregue sempre a cada nó antecessor, desde o AP até à GW Passos 5 a 8 – Routing Down-link – Encaminhamento descendente nó-a-nó, utilizando as entradas de encaminhamento geradas pela fase de registro, até ao AP do terminal

32 CIP – Encaminhamento Características Manutenção do estado derivada da transferência de dados (Otimização) Ineficiência para o encaminhamento do tráfego interno ao Domínio Não utiliza links adicionais fora da árvore, caso existam (desperdício)

33 CIP - Paging Distinção dos terminais: Ativos– Transmitem normalmente dados, atualizam sempre a sua localização Inativos– Em modo de poupança de energia: só recebem os beacons CIP Domínio dividido em áreas de paging com identificadores Movimentos possíveis para terminais inativos: Dentro da área paging atual: não informa a rede da sua localização Entre áreas de paging: força ativação do terminal para atualizar a sua localização Entrega de pacotes pela rede a terminal inativo  Difusão do pacote em toda a área de paging, forçando a sua ativação

34 CIP – Semi Soft Handover Objetivo: Paralelizar o processo de registro com a recepção de pacotes na localização anterior, minimizando a perda de pacotes Passo 1 – Mudança para a freqüência do novo AP Passo 2 – Início do Handover Semi-soft Passo 3 – Retorno à freqüência do AP anterior Passos 4, 5, 6 Processamento do registro semi-soft na rede O nó crossover envia pacotes para ambos os APs (bicasting) Passo 7 – Mudança final para o novo AP, com um registro ativo normal

35 Soluções de micro mobilidade HAWAII Handoff Aware Wireless Access Internet Infrastructure Solução de micro-mobilidade transparente para o MIP: Suporta Clientes MIP (com extensões) AP’s do Domínio fazem conversão MIP -> HAWAII Arquitetura Rede: Domínios estruturados em Árvore + Meshes + Up-links Terminais Móveis: Clientes correm MIP clássico + extensões Características Garantia de Entrega: ACK Global no interior do domínio Dois tipos de registro: Forwarding, Non-Forwarding Paging: Suportado como extensão Permite utilização de links adicionais para além da árvore base  Reduz tempo de handover  Pode conduzir a encaminhamento não-ótimo dependendo da topologia e do ponto inicial de entrada dos terminais na rede Integração com o MIP: Cada AP da rede contêm interface de FA

36 HAWAII - PowerUp Power-Up dependente e derivado dos mecanismos MIP Passo 1 – Ações MIP clássicas Cliente detecta FA / Entrega registro ao FA para o entregar posteriormente ao HA Passo 2 – BS/FA encaminha registro para HA Passo 3 – HA responde OK, BS/FA deriva sinalização HAWAII Passos 4, 5, 6 Alteração da tabela de encaminhamento com informação referente à localização atual do terminal Entrega da mensagem para nó ascendente (até ao HDRR) Passo 7 – HDRR confirma power-up ao BS/FA do cliente Passo 8 – BS/FA gera resposta MIP ao cliente

37 HAWAII – PowerUp – visualização

38 HAWAII - Handover Handover derivado dos mecanismos MIP, de utilização incremental Passo 1 – Cliente gera registro MIP com uma extensão que indica o FA anterior (PFANE) Passo 2 – Nova BS deriva sinalização HAWAII, entrega ao FA anterior, pelo caminho mais curto Pode utilizar links extra na árvore – pode melhorar tempo de handover Passos Intermédios – Cada nó, desde a BS anterior: Altera tabela encaminhamento com informação da nova localização do Terminal (BS atual) Entrega registro ao próximo nó (até à nova BS) Passo 4 – BS gera resposta MIP ao cliente

39 HAWAII – Handover - visualização

40 HAWAII – Encaminhamento Transferência de Dados destinada a MT1: Encaminhamento descendente nó-a-nó, utilizando sempre as entradas de encaminhamento, caso existam Encaminhamento ascendente no caso contrário Eficiência variável. Em certos casos, dependendo da topologia e do ponto inicial de entrada dos terminais na rede pode conduzir a caminhos otimizados, ou mais longos. Tráfego intra-domain segue quase sempre pelo caminho mais curto na mesh Tráfego inter-domain pode ser não ótimo Pode criar reordenação dos pacotes no momento do handover Manutenção do Estado – Baseado em Soft state

41 HAWAII – Encaminhamento – visualização

42 Soluções de micro mobilidade TIMIP Terminal Independent Mobility for IP Objetivos: Suporte de mobilidade para qualquer terminal IP  Detecção das movimentações por parte da rede, em nome do terminal  Geração da sinalização necessária por parte da rede, em nome do terminal Eficiência  Características semelhantes às melhores das propostas anteriores (nível 3)  Utilização de mecanismos derivados de informação do nível 2 para Detecção Arquitetura Rede: Domínios estruturados em árvore de nós Terminais Móveis: Clientes IP inalterados Características Garantia de Entrega: Nó-a-nó + Time Out Detecção da localização atual e tipo de movimento:  Mecanismos N2 ou Mecanismos Genéricos N3

43 TIMIP - PowerUp Power-Up independente dos mecanismos MIP: Passo 1 – AP: Detecção do movimento pelo AP do terminal (derivada de nível 2, ou genérica de nível 3) Geração da mensagem de Update pelo AP do terminal em nome deste Passos 2, 3, 4 – Para cada nó: Alteração da tabela de encaminhamento com informação referente ao próximo nó do terminal Entrega da mensagem para localização anterior do terminal (sempre nó ascendente até à GW) Update confirmado nó-a-nó Handover sMIP: derivado do PowerUp TIMIP GW/sFA gera sinalização MIP destinada ao HA em nome do LT (passo 5) HA processa registro transparentemente

44 TIMIP – PowerUp – visualização

45 TIMIP – Handover Handover independente dos mecanismos MIP Passos 1, 2, 3 – Semelhantes ao Power-Up TIMIP Passos 4, 5 – Para cada nó, desde o Crossover até ao AP anterior Remoção da entrada de encaminhamento referente ao terminal Entrega da mensagem para a localização anterior do terminal (em direção ao AP anterior) Up-date confirmado nó-a-nó Passo 6 – opcionalmente, é transferido informação de contexto existente no AP anterior: Dados de QoS / Segurança / Multicast

46 TIMIP – Handover – visualização

47 TIMIP – Encaminhamento Transferência de Dados: LT1 -> LT2 Passo 1 – Entrega do pacote ao AP do terminal (configuração especial do terminal) Passos 2, 3 – Routing Uplink – Entregue por omissão ao nó antecessor, enquanto não existirem entradas específicas (até ao crossover) Passos 4, 5 – Routing Downlink – Encaminhamento descendente nó-a-nó, utilizando as entradas de encaminhamento mantidas consistentes pela fase de registro Passo 6 – Entrega do pacote ao terminal destino, pelo seu AP atual Características Eficiente – pacotes seguem sempre pelo caminho mais curto na árvore (HAWAII) Manutenção do estado otimizada pela utilização da transferência de dados (CIP)

48 TIMIP – Encaminhamento – visualização

49 Low Latency Handovers 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 consenso generalizado já ficam logo standard no MIPv6

50 Low Latency Handovers – cont. Low Latency Handovers: Otimizações 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 reativo, imediatamente depois do Handover acontecer (semelhante ao TIMIP Handover) Otimizações de Registro Redireção temporária do tráfego desde o FA anterior para o novo FA (semelhante ao HAWAII Forwarding Handover)

51 hMIP Hierarquical Mobile IP Suporte de “média-mobilidade” para o MIP, diminui latência do registro Clientes MIP + extensões HMIP Registro MIP só sobe até ao FA necessário, e não ao HA Estrutura hierárquica de Agentes FA generalizados, tipicamente de apenas 2 níveis 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 nível IP)

52 hMip – visualização

53 IPv6 Novo formato do endereço Endereço passa a ser 128 bits (32 bits no IPv4) X:X:X:X:X:X:X:X X é um número hexadecimal 8 partes de 16 bits Ausência de 0s -> :: Uma vez em cada endereço ::1 -> 0:0:0:0:0:0:0:1 -> loopback 3ffe:3102:0:0:8:800:200C:417A -> 3ffe:3102::800:200C:417A

54 IPv6 – cont. IPv4 -> IPv6 Últimos 32 bits representam endereço IPv4 X:X:X:X:X:X:Y.Y.Y.Y X – 16 bits Y – 8 bits – IPv4 16*6 + 8*4 = 128 bits IPv4 -> 192.168.1.1 0:0:0:0:0:0:192.168.1.1 :192.168.1.1

55 IPv6 IETF começa (1991) a desenvolver nova versão do IP o IPv6 Implica mudança do cabeçalho Roteamento melhorado Em particular no suporte de terminais móveis Sem classes Prefixo do endereço indica tipo de utilização unicast, multicast, anycast Anycast: envio dos pacotes para o membro do grupo mais próximo

56 MIPv6 – Visão Geral Binding – Associação entre o home address e o care - of- address feita pelo nó móvel, no Home Agent (HA).

57 MIPv6 - Visão Geral Mensagens de Binding Binding Update MN informa HA/CN do seu Care Of Address Binding Acknowledgement Recebido por MN. Confirma BindingUpdate Binding Refresh Request Enviado por HA/CN. Pede ao MN para refrescar a relação de binding

58 MIPv6 - Funcionamento O home address é constituído de um prefixo válido no link de sua rede original. Quando o nó movel muda de rede, ele mantém o home address e recebe outro endereço, o care-of-address, constituído de um prefixo válido na rede estrangeira. Para que seja possível saber onde o nó móvel se encontra é feita uma associação entre o home address e care-of-address deve ser realizada (binding). Esta associação é feita pelo nó móvel no HA Esta associação é realizada através de binding registration, onde o nó móvel envia mensagens chamadas Binding Updates para o HA, que responde com uma mensagem Binding Acknowlegement.

59 MIPv6 - Funcionamento Nota-se que o Foreing Agent (FA), presente no MIPv4, não existe mais. A comunicação entre NM e CN pode acontecer de dois modos:  Tunelamento Bidirecional:não requer que o CN tenha suporte ao IPV6  Otimização de Rota: o CN deve ter suporte ao MIPv6

60 MIPv6 - Funcionamento Os nós correspondentes no MIPv6 possuem “inteligência” para a otimização da rota, ou seja podem armazenar bindings. Assim um nó móvel pode fornecer informações sobre sua localização para CN´s, através do correspondent binding procedure. Neste procedimento, um mecanismo de autorização de estabelecimento debinding é realizado, chamado de return routability procedure.

61 MIPv6 - Funcionamento A comuniação entre MN e CN pode acontecer de dois modos: Tunelamento bidirecional: não requer que o CN tenha suporte ao MIPv6 e que o MN tenha se registrado com o CN. Os pacotes são roteados do CN para o HA e do HA é tunelado para o MN. Depois, o MN responde para o HA por túnel que, por sua vez, responde para o CN. Cada pacote interceptado é tunelado para o care-of address do MN; Otimização de rota: o CN deve ter suporte ao MIPv6 ("inteligência" para binding) e o MN deve se registrar com o CN. Neste caso, o CN, antes de enviar o pacote, busca em uma cache uma associação entre home address e care-of address do MN. Se existir associação, o pacote será roteado para o care-of address do nó móvel diretamente. Isto elimina congestionamento no home link e no HA.

62 MIPv6 – Pontos positivos em relação ao MIPv4 Resolve o problema de escassez de endereços IP´s Elimina o problema de sobrecarga de processamento do Home Agent Eliminação do problema de roteamento triangular do MIPv4 Permite que binding updates sejam entregues diretamente aos nós correspondentes. Ponto de falha único (Home Agent) deixa de existir, devido a soluções de otimizações de rota. Eliminação do Foreign Agent Característica de descoberta de vizinhos Introdução de sinalização de binding Em relação a segurança o MIPv6 elimina o uso do NAT e o IPSEC é mandatório.

63 Bibliografia Redes de Computadores – Tanenbaum, S. A – Terceira edição http://www.juliobattisti.com.br/artigos/windows/tcpip_p4.asp http://www.gta.ufrj.br/grad/00_1/bruno/ http://www.clubedasredes.eti.br/rede0019.htm http://www.rnp.br/newsgen/0301/mip.html http://www.rnp.br/newsgen/0303/redes_celular.html TIMIP: http://inesc-0.tagus.ist.utl.pt/~pmsrve/timip/http://inesc-0.tagus.ist.utl.pt/~pmsrve/timip/ MIP: http://www.ietf.org/rfc/rfc3220.txthttp://www.ietf.org/rfc/rfc3220.txt MIP:http://www.faqs.org/rfcs/rfc3344.html CIP: http://www.comet.columbia.edu/cellularip/pub/pcs2000.pdfhttp://www.comet.columbia.edu/cellularip/pub/pcs2000.pdf HAWAII: http://www.ietf.org/proceedings/00jul/I-D/mobileip-hawaii-01.txthttp://www.ietf.org/proceedings/00jul/I-D/mobileip-hawaii-01.txt TIMIP: http://inesc-0.tagus.ist.utl.pt/~pmsrve/timip/draft-estrela-timip-01.txthttp://inesc-0.tagus.ist.utl.pt/~pmsrve/timip/draft-estrela-timip-01.txt Fast Handovers: http://www1.ietf.org/proceedings/02mar/I-D/draft-ietf-mobileip- lowlatency-handoffs-v4-03.txt

64 Contatos elena.balachova@gmail.com marciavalenca@valenca.eti.br