Protocolos de Micro-Mobilidade IP

1. Protocolos de Micro-Mobilidade IP Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

2. Tópicos • Gerenciamento de mobilidade • Mobile IP: solução para macro-mobilidade • Problemas do Mobile IP • Protocolos de micro-mobilidade • Hierarchical Mobile IP • Cellular IP • HAWAII • Multicast-based

3. Gerenciamento de mobilidade • Avanço das comunicações móveis tem permitido o acesso a serviços e aplicações em qualquer instante, em qualquer lugar, com liberdade de movimentação • Necessidade de infraestrutura de HW e SW • Endereço IP = identificação da máquina + localização (ponto de acesso na rede) • Problema: mudança do ponto de acesso => mudança do endereço IP

4. Gerenciamento de mobilidade • Conexões TCP são identificadas pelo par: <no. da porta, endereço IP> • Quando uma UM migra e muda seu ponto de acesso, conexões TCP são perdidas, além disso, pacotes são encaminhados incorretamente (antigo endereço IP) • Desafio: prover migração transparente • Gerenciamento de mobilidade: trata o problema de como oferecer acesso transparente a serviços durante migrações, mantendo conexões ativas

5. Gerenciamento de mobilidade Mantém atualizada a localização de uma UM Gerenciamento de localização Gerenciamento de mobilidade Mantém a conexão com a UM enquanto esta se move e muda o ponto de acesso Gerenciamento de handover

6. Gerenciamento de localização • Tarefas: • Endereçamento de unidades móveis (UM) • Manter atualizada a localização das UMs • Localização (Paging) • Desafio: executar as tarefas com mínima carga de sinais na rede

7. Gerenciamento de handover UM Detecção e início Rede Alocação/liberação de recursos Gerenciamento de handover Nova conexão Atualização de rotas Fluxo de dados Buffer /Forwarding Multicast Desafio: baixa latência e com mínima perda de dados (Handover Suave)

8. Mobile IP: Uma solução para macro- mobilidade • Mobile IP [1] é uma extensão do protocolo IP para dar suporte à mobilidade, preservando conexões existentes • UM é identificada/localizada através de seu endereço IP que se mantém fixo (home address) • Também é associada a um endereço IP provisório (Care-of-Address – CoA) relativo à rede /ponto de acesso para onde a UM migrar • Localização e handover são tratadas por dois elementos:HA (Home Agent) e FA (Foreign Agent)

9. Agent Advertisement Registro Agent Advertisement Mobile IP Nó correspondente Home Network CN Home Agent Internet Foreign Network Foreign Agent UM

10. (4) (3) CoA (2) CoA (1) UM Agent Advertisement Binding Update Tunneling Mobile IP Home Network CN UM Internet Home Agent Foreign Network Foreign Agent

11. Mobile IP: Roteamento Triangular Home Network CN Internet Home Agent Foreign Network Foreign Agent Solução: Otimização de rota [2] CNs mantém caches e recebem msgs de atualização de CoA, enviando pacotes diretamente ao CoA UM

12. Mobile IP: Smooth handoff • Durante o handover, até que a msg de atualização chegue no HA ou CN, pacotes destinados à UM são perdidos • Solução: Smooth Handoff [2] O atual FA notifica o antigo FA o novo CoA da UM, fazendo com que este envie os pacotes diretamente para a UM

13. Mobile IP: Problemas • Alta taxa de perda de pacotes devido ao longo processo de registro de localização • Latência • Alta carga de mensagens, qdo há muitas migrações (atualização a cada handover) • Problemas no suporte a QoS (mudança constante do CoA)

14. CN Internet HA Gateway Gateway Domínio 1 Domínio 2 Micro-mobilidade Macro-mobilidade

15. Protocolos de micro-mobilidade IP • Protocolos de micro-mobilidade: tratam mobilidade regionalmente, dentro de um domínio • Endereço do GW é usado como CoA para toda UM no domínio e esse endereço é registrado no HA • Dentro do domínio UMs usam seu endereço IP (home address) • Pacotes para UM no domínio são tunelados ao GW pelo HA e enviados à UM através de um protocolo de roteamento específico ou tunelamento • Toda migração e mudança de ponto de acesso dentro do domínio não é notificado ao HA • Macro-mobilidade (inter-domínio) geralmente é tratada pelo Mobile IP sem modificações

16. <UM, FA2> <UM, FA3> Registro Agent Advertisement [FA3, FA2, FA1] Hierarchical Mobile IP (HMIP) CN - Ericsson e Nokia [3, 4] - hierarquia de FAs para tratar migrações locais - raiz: Gateway FA (GFA) - Agent Advertisement inclui um vetor de CoA (de todos FAs no caminho até GFA) - registro: UM envia uma msg e cada FA armazena um registro da forma: <UM_IPAddr, next_FA> Internet HA FA1 GFA FA2 FA5 FA3 FA4 FA6 FA7 UM

17. <UM, FA2> <UM, FA4> ACP Agent Adv. [FA4, FA2, FA1] UM Hierarchical Mobile IP: handover - UM recebe AA de um novo FA e compara os vetores de CoA - UM identifica o Ancestral Comum mais Próximo (ACP) - atualização de localização é feita somente até o ACP, no pior caso, ACP é o GFA (-) podem haver perdas e latência (-) requer tunelamento Internet HA CN FA1 GFA FA2 FA5 FA3 FA4 FA6 FA7 UM

18. Cellular IP (CIP) • Columbia University e Ericsson [5] • Incorpora alguns princípios de redes celulares como conectividade passiva e Paging (active / idle user) • Implementado sobre o IP • Gerenciamento de localização e handover estão incorporados no protocolo de roteamento • UMs são identificadas pelo seu endereço IP dentro do domínio

19. Cellular IP - nós na rede CIP: Base Stations (mantém caches de roteamento soft-state) - BSs enviam beacons periodicamente - duas formas de atualização dos caches: - Data Packets da UM - Route Update Packets - msgs da UM para a rede são aproveitadas para atualizar os caches CN Internet HA R BS Gateway BS BS BS BS BS UM

20. (4) (3) (1) (2) RouteUpdate Cellular IP: Hard handover - handover simples e rápido - reduz msg de atualização mas pode haver perdas de pacotes - buffer nas EBs pode reduzir perdas - não requer a passagem de vetor de endereços GW Crossover Router (CR) ...

21. (4) (3) (1) (2) (5) Cellular IP: Semi-soft handover - caminho até a nova EB é configurado antes de a UM conectar-se na nova EB - pacotes são replicados para as duas estações base - UM inicia handover após um certo intervalo de tempo (+) reduz latência e perdas (-) UM deve ter capacidade para acessar mais de uma EB ao mesmo tempo (-) qual é o intervalo ideal GW CR ...

22. CCoA PowerUp HAWAII: Handoff-Aware Wireless Internet Infrastructure - Lucent Technologies [6] - hierarquia de domínios - gateway de domínio: Domain Root Router (DRR) - roteadores IP com caches soft-state - registro da UM: msg PowerUp - ao passar de um domínio para outro, a UM obtém um novo endereço CCoA (Co-located CoA) e pacotes para UM são tunelados pelo HA Internet CN R Foreign Domain Home Domain DRR HA DRR R R R R EB EB EB EB UM

23. (5) (6) (4) (3) Path setup (1) (2) Path setup HAWAII: Handover - Forwarding Path Scheme - pacotes na antiga EB são direcionados para a nova EB - CR começa a desviar pacotes para nova EB depois de (5) (+) reduz as perdas (-) pacotes fora de ordem DRR Crossover router ...

24. (4) (5) (6) (3) (7) (8) (1) (2) Path setup HAWAII: Handover - Non-Forwarding path scheme - pacotes são replicados para as duas EBs durante um intervalo de tempo (+) reduz latência e perdas (-) UM deve ter capacidade para acessar mais de uma EB ao mesmo tempo DRR Crossover router ...

25. Multicast-based Mobility (M&M) [7] - idéia: antecipar o handover, replicando os pacotes de uma UM para todas as células vizinhas da atual célula da UM - roteadores específicos, com funcionalidade multicast - UM é associada a um endereço multicast - envio de pacotes independente da localização - handover se baseia em operações Join e Leave no grupo multicast CN Internet HA R Gateway R R EB EB EB EB UM

26. - reduz latência e perdas - duplicação de pacotes - sobrecarga na rede Handover EB_resp Join Leave EB Multicast-based handover 8 2 9 7 3 10 1 6 4 Mensagens: 5

27. Multicast-based handover 8 • reduz latência e • perdas • duplicação de • pacotes • sobrecarga na rede 2 9 7 3 10 1 6 4 5 EB_resp EB

28. Comparação entre os protocolos

29. Conclusão • Mobile IP oferece uma solução global para macro-mobilidade • Possui problemas de latência, perda de pacotes, carga de msgs qdo há muita migração • Protocolos de micro-mobilidade complementam o Mobile IP, tratando localmente os handovers • Podem reduzir a latência e perda de pacotes para alguns casos • Diversos fatores influenciam o desempenho: topologia da rede, características do usuário, requerimentos da aplicação

30. Conclusão • Framework para composição, teste e simulação de protocolos de handover suave • Permitir a seleção e composição de técnicas a partir dos requisitos de QoSda aplicação, o perfil de mobilidade do usuário e características da rede para gerar protocolos de handover suave • Simulações e resultados no próximo seminário!

31. 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 Multicast-based Mechanism (M&M)", ACM SIGCOMM Computer Communications Review, 2002.