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Micro-Mobilidade IP
IST TagusPark, 13/12/07Pedro Vale Estrela
Sumário 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
2
1 - Introdução à Micro-Mobilidade IP
4
MIP clássico
Internet
Domínio Origem Domínio Visitado
CN
MT
MT
MT
MT 3
2
1
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
HAFA
data packets
Update
beacons
6
Fundamentos da Micro-mobilidade
Internet
Domínio Origem Domínio Visitado
MT
MT
MT
MT
MT
0
3
2
1
Subredes IP
MIP
mM
mM mM
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: mMmM oferece suporte de mobilidade
para a maioria das transições Movimentos dos tipos 1 e 3 Adicionalmente, tipo 0
MIPMIP oferece suporte de mobilidade para as restantes transições (raras)
Movimentos do tipo 2
7
2 - Soluções clássicas deMicro-Mobilidade IP
CIP (Cellular IP)
8
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
…
…
…
… …
…
MT
MT
MT
AP
AP
Nó
Nó
Nó
GW
…
GW
Rede Core
…
Domínio 1 Domínio 2
11
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)
…
…
…
… …
…
MT
AP
AP
Nó
Nó
Nó
GW Rede Core
2 4
1 3
12
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
…
…
…
… …
…
MT
AP
AP
CrossHover
Nó
Nó
GW Rede Core
2
4
1
3
MT
13
CIP - Encaminhamento Encaminhamento:
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 ?)
…
…
…
… …
…
MT2
AP
AP
CrossHover
Nó
Nó
GW Rede Core
2
4
1 3 MT1
6 5 8 7
14
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
…
…
…
…
…
AP
AP
Nó
Nó
Nó
GW Rede Core
2
1
MT
MT
MT
X
AP
15
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
…
…
…
… …
…
MT
AP
AP
CrossHover
Nó
Nó
GW Rede Core
4
6
2
5
MT
3 7 1
16
3 - Processo de Normalização (IETF)
17
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
18
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)
HA ...
MT
MT MT
MT
Internet
FA FA FA
gFA
FA
gFA
MIP hMIP hMIP
19
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
20
Fast MIP - preditivo Fast MIP preditivo
“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 | |
21
Fast MIP - Reactivo
Fast MIP reactivo “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| |
22
4 - eTIMIP – “Enhanced Terminal
Independent Mobility for IP”
23
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
Wireless InterfaceL2 Access Point
L2 SwitchIP SubNet
Legacy Mobile Node
TR TIMIP Agent
Legacy Router
Mobility-aware router
N1
N3
Physical Network Domain
N2
1
2 3PDA
eTIMIP Overlay Network
A
AA GW
A
A
A
sMIP tunnel HA
24
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
25
Detecção e Registo Básicos
Detecção 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
Power-Up Handover
12
LMN1
Control packetsData packets
ANG2
AR1
LMN1 ITF- TR1
AR2
GW
ANG1
AR3
TR1
- TR1
LMN1 AR1- GW
- GW
LMN1 TR
- GW
- GW1
2
LMN1
Control packetsData packets
ANG2
AR1
AR2
GW
ANG1
AR3
TR1
LMN1 ITF- TR1
LMN1 AR2- GW
- GW
LMN1 TR1
- GW
- GW
- TR1LMN1 ITF
26
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”).
Intra-Domain forwarding Inter-domain Forwarding
1
LMN1
AR1
AR2
GW
AR3
TR1
LMN1 ITF- TR1
LMN1 TR1- GW
- GW
LMN1 TR1
4
5
3
- TR1LMN1 ITF
...
CN
1 2
LMN1
AR1
AR2
GW
AR3
TR1
LMN1 ITF- TR1
LMN1 TR1- GW
- GW
LMN1 TR1
3
4
CN
- TR1LMN1 ITF
27
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
Mobile Receiver
Inter-Domain source
40ms delay Access Network Gateways
Access Routers
Intra-Domain source
All internal links: 5ms delay
20ms delay Gateway
28
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!
TCP ThroughputUDP Delay
29
5 - Full eTIMIP Extensions
30
Full eTIMIP extensions
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
31
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
AR1
AR2
GW
ANG1TR1
LMN1 AR2
...
CN_Inter1
...
LMN1
2
3
LMN1 AR2
Direct RO entry
32
Route Optimization results All scenarios, even without agent tree:
Optimal routing delay No data packets forwarded at single GW
Data Load (at GW)UDP Delay
MIP
33
Seamless handovers 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
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 flushed2) start buffer packets
de-triangulationexample
In-flight triangulated data
34
Seamless Handovers results
UDP Out-of-order + Drops TCP Throughput
All scenarios, even without agent tree: No out-of-order packets, no drops Full throughput handover No delay increase
35
Extensions cost
Control Load Handover Latency
Extensions cost: Increase in short control packets (at backbone links only)
Slightly handover latency increase (same magnitude order)
36
Obrigado / Referências
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 eTIMIP: http://tagus.inesc-id.pt/~pestrela/timip/ 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
Questões ?
37
Slides Originais HAWAII
38
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
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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
…
…
…
…
…
MT
Nó
Nó
HDRR Rede Core
4 6
1 5
HA
…
8
3 2 Nó
BS/FA
BS/FA
7
40
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
…
…
…
… …
…
MT
Nó
Nó
Nó
HDRR Rede Core
1 MT
3 2
4
BS/FA (Cross- Hover)
BS/FA
41
HAWAII - Encaminhamento 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)
…
…
…
… …
…
MT2
Nó
Nó
Nó
HDRR Rede Core
5
6
2
MT1
3 4 4
BS/FA
BS/FA
1
42
Slides Originais eTIMIP
44
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)
TR TIMIP Agent
Upgradeable Router
Legacy Router
New Router
Wireless InterfaceL2 Access Point
L2 SwitchIP SubNet
Legacy Mobile Node
N1
N3
N2
1
2
3
Physical Network Domain
PDA
N1
N3
Physical Network Domain
N2
1
2
3
PDA
45
Arquitectura eTIMIP (1)
Introdução de Rede Rede OverlayOverlay 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.
46
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
47
Fases e Operações Fases 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.
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Detecção e Registo Básicos
Detecção 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
Power-Up Handover
12
LMN1
Control packetsData packets
ANG2
AR1
LMN1 ITF- TR1
AR2
GW
ANG1
AR3
TR1
- TR1
LMN1 AR1- GW
- GW
LMN1 TR
- GW
- GW1
2
LMN1
Control packetsData packets
ANG2
AR1
AR2
GW
ANG1
AR3
TR1
LMN1 ITF- TR1
LMN1 AR2- GW
- GW
LMN1 TR1
- GW
- GW
- TR1LMN1 ITF
49
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”).
Intra-Domain forwarding Inter-domain Forwarding
1
LMN1
AR1
AR2
GW
AR3
TR1
LMN1 ITF- TR1
LMN1 TR1- GW
- GW
LMN1 TR1
4
5
3
- TR1LMN1 ITF
...
CN
1 2
LMN1
AR1
AR2
GW
AR3
TR1
LMN1 ITF- TR1
LMN1 TR1- GW
- GW
LMN1 TR1
3
4
CN
- TR1LMN1 ITF
