Mobilitáskezelés
1
Tartalom • • • • • •
A mobilitás fogalma Mobilitáskezelés Mikro-, makromobilitás „Location Area” tervezés Mobilitáskezelés különböző rétegekben Vertikális és horizontális hálózatváltás
2
Kihívások • A jövő kommunikációs hálózatainak legfontosabb képességei: – Átjárhatóság a különböző hálózatok között – Szélessávú multimédia szolgáltatások – Mobilitás!
3
Átjárhatóság • Cél: világméretű infokommunikációs hálózat kialakítása, amely biztosítja a különböző hálózatok közti barangolás képességét, anélkül, hogy a felhasználó ennek a hatásait bármilyen módon érzékelné: a felhasználó szemszögéből a kommunikáció transzparens legyen. 4
Mobilitáskezelés • Mozgó terminálok száma az utóbbi években ugrásszerűen megnőtt: a mozgékonyság hatékony kezelése (mobility management) fontossá vált • 1990-ben 10 millió analóg FM cellás mobil felhasználó volt a világon • Ma a mobil felhasználók száma meghaladja a kétmilliárdot! 5
A legnagyobb kihívás • Ubiquitous communications (mindenütt jelenlevőség): új típusú mobil eszközök milliárdjai (szenzorok)+szélessávú multimédia • Megoldás: hatékony mobilitáskezelés, skálázható rendszerek
6
A mobilitás fogalma • Mobilitás: az a képesség, hogy bárhol, bármikor tudjunk kommunikálni • A küldő és a fogadó készülékek, az alkalmazások és a felhasználók is függetlenítik magukat a helyzetüktől
7
A mobilitás kiterjesztése • Mobilitás alatt azonban nem csupán mobil állomásokat, hanem egész mobil hálózatokat is érthetünk • Pl: a kábelezés csökkentése érdekében a járművek elektronikus mérő- és szabályzórendszereinek összekötése LAN-nal • Így egy kis mozgó hálózat lesz, ami kapcsolódhat egy külső forgalomirányító rendszerhez • Nagyban: egy óceánjáró hálózata mozoghatna például műholdak alatt, egy ilyen hálózat azonban már számos router-t is kell tartalmazzon, mozgó topológiájú hálózatot eredményezve. 8
Konvergencia: All IP • A konvergencia kulcsa az IP-protokoll • Összekapcsolja a különböző célokra, különböző technológiákkal és protokollokkal megvalósított hálózatokat • Az IP-cím a fizikai objektumtól független, logikailag mégis kötődik hozzá, egy másik hálózatban már nem érvényes • Így az IP-cím egyszerre azonosító és helymeghatározó (lokátor) is • Ennek történeti okai vannak: az IP-t időben és térben állandó struktúrához tervezték, és a végpont – vagy akár egész hálózati részek dinamizmusából adódó 9 követelményeknek már nehezen tud megfelelni.
Kihívások • Hálózati topológia <-> földrajzi viszonyok – A hálózati cím azonosítja a mobil terminál topológiai kapcsolódását, de a földrajzi helyzetét nem – Pl. ha változik is a mobil földrajzi helye, a hálózati címe ettől még változatlan maradhat (csak a topológiai kapcsolódástól függ az utóbbi) – Mivel a mobilitás alapelve, hogy bárhol kommunikálhatunk, de a csomagok célba juttatása a hálózati címen keresztül történik, ezért össze kell rendelni a kettőt – Ezt az összerendelést biztosíthatja a rendszer vagy a résztvevő entitásoknak maguknak kell megoldaniuk: ez a lényege a mobilitáskezelésnek!10
Kihívások • Másik kihívás: a mobil csak az idő egy részében kapcsolódik a hálózathoz • Olyan mobil hálózatokban, ahol felhasználók milliói vannak, komoly gond lehet, nem kérdezhetik le kapcsolódás után a szolgáltatásszerverereiket skálázhatósági okok miatt • Ilyen környezetben hatékony adattárolásra és továbbításra van szükség 11
Kihívások • A harmadik kihívás: az adatot eljuttatni a mozgó címzetthez • Ha adott a földrajzi-topológiai cím összerendelés és a tárolás/továbbítás, ez mellett szükség van még hatékony routingra, vagyis a routing táblák gyakori frissítésére (gyakrabban, mint ahogy a mobil cellát vált)
12
Kihívások • Fontos szempont még: • Biztonság – Minden alkalommal, amikor új kapcsolódási pontot létesít a mobil, hitelesítenie kell magát – Titkosítás és biztonsági megoldások: többletterhelés és költségek
• Skálázhatóság – Több routinginformáció gyakrabban – Több számítás a routerekben – Több jelzésüzenet 13
Problémák mobil rádiós hálózatokban • A mobil technológia alkalmazása számos következménnyel jár: – korlátozott a rendelkezésre álló sávszélesség – a megszokott vonalakhoz képest igen nagy a bithibaarány – kapcsolat kimaradhat rövidebb időkre (például cellaváltáskor) – az összeköttetés minősége ugrásszerűen ingadozhat, az újraküldésekkel együtt a rendelkezésre álló effektív sávszélesség is széles skálán mozoghat
14
Mobilitástámogatás • A mobilitás kezeléséhez szükség van: – Egy helyfüggetlen címre a mobil termináloknak – Kompatibilitásra az IP-routing-al – Hatékony mobilitás kezelési protokollokra
15
Mobilitáskezelés • A mobilitás kezelése alapvetően két feladat: – hívásátadás-kezelés(Handover Management) – helyzetnyilvántartás (Location Management)
16
Helyzetnyilvántartás (Location Management) • Két feladata van: – Helyzetfrissítés (Location Update): mobil terminálok követése – Paging: mobil terminálok megkeresése
• Fontos tervezési feladat a kettő közötti kompromisszum megtalálása (a későbbiekben lesz róla szó)
17
Paging • A mobil terminál megtalálása egy broadcast (üzenetszórás) üzenet kiküldésével lehetséges • Szinte alig, vagy egyáltalán nem terheli a hálózatot jelzésüzenetekkel, amikor nincs adatforgalom, viszont nagyméretű - broadcast keresést igényel az adatátvitel kezdetekor
18
Hívásátadás (handover) • Két típusa: – cellán belüli handover: • felhasználó nem hagyja el egy adott cella lefedettségi területét • de megváltoztatja az eddig használt rádiós csatornát • csökkentve a csatornák közötti interferenciát • a 2. rétegben kezelik
– cellák közötti handover • a mobil terminál cellák között vándorol • szükség van felsőbb réteg támogatására is 19
Handover-kérdések • A 3G és 4G rendszerekben már az “anytime and anywhere” kommunikációt akarják megvalósítani • Ehhez egyrészt csomagkapcsolást és mikro-, illetve pikocellás hálózatokat használnak • A mások fontos jelszó az “always on”, mely akkor is cellaváltást eredményez, ha a mobil host „idle” (tétlen) állapotú • Minden handover jelzésátvitelt igényel a host és az otthoni ügynöke között, ami időigényes • Ez az overhead arányos a felhasználók számával és mobilitásuk fokával, az igényelt sávszélesség ugyanakkor nem játszik szerepet 20
Handover-kérdések • A nagy körülfordulási idő és a vezérlési overhead miatt néhány másodpercre megszakad a kapcsolat minden IP csatlakozási pont váltáskor • Ez komoly gondot jelent pl. a valós idejű alkalmazásoknál
21
Cellák közötti handover • Megoldás: a hálózat domainekre történő felosztása • A cellákat adminisztratív egységekbe vonjuk össze (Location Area), ezen belüli cellaváltás nem halad fel a hálózati hierarchia csúcsáig • Így a domain-en belül történő cellaváltás nem minősül cellaváltásnak
22
Domainek alkalmazása • Így kétféle handover: – intra-domain (mikromobilitási domainen belüli): mikromobilitási protokollok kezelik – inter-domain: két domain között mozog a mobil, makromobilitási protokollok felelősek érte
23
Mikromobilitás • A mikromobilitási protokollok szerepe előtérbe került az “ALL IP” megközelítés előretörésével a jövő mobil rendszereiben (adat, jelzés, vonalkapcsolt szolgáltatások, stb. mind IP-csomagokban halad) • Jelenleg a GPRS-rendszerben saját protokoll gondoskodik a mikromobilitás kezeléséről, de a harmadik generációs rendszerekben a mobilitás kezelése már teljes egészében az IP feladata, ezért a mikromobilitás kezelésére alkalmas protokollok nélkülözhetetlenek
24
Mikromobilitási protokollok • A cellaváltásokat lokálisan kezelik • Így felhasználók domain-en belüli mozgását elfedik a makromobilitási protokoll elől • A regisztrációs és a jelzési üzenetek legfeljebb a domain gyökér-routeréig jutnak el • Hátrányuk: általában nem skálázható megoldások, így csak korlátozott számú felhasználó kezelésére képesek • Ezért a mobilitás kezelését olyan hierarchikus módszerekkel oldják meg, melyekben együtt alkalmazzák a makro- és a mikromobilitást kezelő protokollokat 25
Mikromobilitási protokollok felosztása • Proxy Agent Architectures (PAA): Hierarchikus szervezésű, ügynökalapú gyorsítás pl. Hierarchical Mobile IPv6 (HMIPv6), Regional Registration (RegRegv6) • Locally Enhanced Routing Schemes (LERS): a domainen belül egy módosított routing algoritmust használnak és tipikusan a hálózati rétegben, az IP-protokollt kiegészítve működnek – Per Host Forwarding: speciális útvonal-nyilvántartási protokollt használnak, adott idő után elévülő (soft-state) bejegyzések az útvonalválasztók routing tábláiban pl. Cellular IP, HAWAII – Mobile Ad-hoc Network: ad-hoc routing protokollt használnak a mikromobilitás kezelésére – Multicast alapú 26
További felosztások • Proaktív vagy reaktív: mindig ismeri a mobil terminál tartózkodási helyét vagy meg kell keresni (paging alkalmazása) mikor adatot szeretnénk hozzá eljuttatni (broadcast, multicast) • Gateway centrikus vagy hop-by-hop: a gateway router pontosan tudja, hol helyezkedik el a mobil, ezzel szemben mindig csak azt tudják a routerek, hogy a velük kapcsolatban lévő routerek közül melyiknek kell küldeni egy adott mobilnak címzett csomagot 27
Mikromobilitási domain tervezése • A lecsökkent méretű rádiós cellák (növelve a cellaváltások számát) jelentősen megnövelik majd a jelzésforgalmat • Location Area: cellák csoportosítása adminisztratív egységekbe • Így a LA egységen belül történő cellaváltás nem minősül cellaváltásnak
28
A Location Area optimális mérete • Felmerül a kérdés: mekkora méretű legyen a LA? • Ha minél több cellát egyesítünk egy LA-ban, akkor lecsökken a regisztrációs üzenetek száma (kevesebb cellaváltás) • Viszont bejövő hívás esetén a mobil felhasználó megtalálása okoz majd gondot (több paging üzenet)!! • Kompromisszum a 2 szempont között 29
Melyik rétegben kezeljük a mobilitást? • A mobilitás kezelése a TCP/IP stack különböző rétegeiben lehetséges • Alapvető feltétel egy, az adatkapcsolati rétegben működő megoldás, de ez nem segít sem a felsőbb rétegek kapcsolatainak fenntartásában, sem a helyzet-nyilvántartásban
30
Mobilitáskezelés az OSI rétegekben • • • •
Adatkapcsolati réteg (802.11, GPRS) Hálózati réteg (Mobile IP) 3.5. réteg: Host Identity Protocol (HIP) Transzportréteg: Stream Control Transmission Protocol (SCTP) • Alkalmazási réteg (SIP)
31
IP - Mobil IP
32
Mobil IP - áttekintés • Mi az a mobil IP? – Módosítás az IP-rétegben, amikor is a csomópontok attól függetlenül képesek folyamatosan adatok fogadására/küldésére, hogy éppen hol kapcsolódnak a hálózatra • Mobilitás? – A mobil IP-t olyan mozgó csomópontoknak találták ki, amelyek legfeljebb kb. másodpercenként változtatják hozzáférési pontjukat, vagyis a protokoll jól működik, amíg a mozgás sebessége nem éri el a mobil IP vezérlő üzeneteinek oda-vissza idejét – Mobilitáson azonban nem csupán mobil állomásokat, hanem egész mobil hálózatokat is érthetünk
33
Mobilitás kezelése IPv4-ben • Hierarchikus címzés: egyszerre globális azonosító és hely meghatározó • Megoldás: az otthontól távol lévő mobil állomás két címmel rendelkezik – home address (HA) – care of address (CoA)
• Két új hálózati funkcionalitás bevezetése – home agent (HA) (otthoni ügynök) – foreign agent (FA) (idegen ügynök) 34
Terminológia • Mobile node: kapcsolódási pontját változató (mobil) eszköz • Home agent (otthoni ügynök): a mobil csomópont otthoni hálózatában lévő router, amely „tunnelezi” a csomagokat, így juttatva el azokat a távolban lévő mobil csomóponthoz • Foreign agent (idegen ügynök): egy router a csomópont jelenlegi hálózatában, amely felelős az adatok továbbításáért a csomópont felé, amíg az a meglátogatott hálózatban tartózkodik • Home address: a mobil csomópont otthoni IP címe (~permanens IP cím) • Care-of address: az idegen hálózatban kapott cím 35
Regisztráció • Ha a mobil csomópont távol van, regisztráltatnia kell „care-of address”-ét a „home agent”-nél – történhet közvetlenül, vagy a foreign agent igénybevételével is – regisztrációs kérelem: HA címe, saját cím, igényelt CoA, ennek élettartama
• FA a HA-nak továbbítja, ez – elfogadja, ekkor frissíti a CoA-node – IP-cím összerendelést, vagy – visszautasítja: túl hosszú igényelt időtartam, elérhetetlen otthoni hálózat, elérhetetlen honos ügynök port, túl sok összeköttetés, stb. 36
Mi lesz a care-of address? Kétféle módon lehet „care-of address”-t szerezni:
• care-of address = a foreign agent címével, ekkor a tunnel vége a foreign agent – Előnyös, mert kevés címet használ fel a szűkös címtartományból – Ekkor a FA saját listán tárolja a csatlakozott idegen mobilok IP címét
• egy helyi IP címet utalunk ki a mobil csomópontnak (co-located care-of address), dinamikusan (DHCP), ekkor a tunnel vége a mobil csomópont 37
Mobil IPv4 alapműveletek 1. • A mobil (idegen és otthoni) ügynökök hirdetik magukat • Mobil csomópont veszi a hirdetéseket és eldönti, hogy otthoni vagy idegen hálózatban tartózkodik • Amennyiben hazatért: kiregisztrálja magát az otthoni ügynökénél • Ha idegen hálózatban van, care-of címet igényel: – Idegen ügynök care-of cím – Co-located care-of cím
38
Mobil IPv4 alapműveletek 2. • A mobil csomópont regisztrálja az új care-of címét az otthoni ügynöknél (lehetőleg idegen ügynökön keresztül) • Otthoni ügynök fogadja a neki címzett üzeneteket és a regisztrált care-of címére „alagutazza” (tunneling) őket • Megjön a csomag – az idegen ügynökön keresztül – közvetlenül (co-located)
• A mobil csomagjai visszafelé mehetnek közvetlenül is 39
A Mobil IPv4 működési elve IPv4-es számítógép
Mobil állomás
4
1
3 Idegen ügynök
Otthoni ügynök Internet
Idegen hálózat Otthoni hálózat
2
40
Gond a Mobil IPv4-el • Háromszög probléma • Érdekes eset: – A mobil csomópont és a vele kommunikáló csomópont egy hálózatban vannak, de nem a mobil otthoni hálózatában – Minden alkalommal az otthoni ügynökön keresztül kell kommunikálni: jelentős késleltetés!
• Megoldás: Route Optimization 41
Útvonal optimalizálás (Route Optimization) • A mobillal kommunikáló csomópont egy ún. Binding Cache-t (kötéstárat) tart fenn, az a mobil otthoni és CoA címének összerendeléséről – Így közvetlenül neki küldheti a csomagot a HA kikerülésével – Minden ilyen bejegyzésnek élettartama van
• Amennyiben nincs ilyen bejegyzés, a HA-nek küldi, majd az értesíti egy Binding Update (BU) üzenettel a mobil CoA címéről
42
Mobil IPv6 • Az útvonal optimalizálás az IPv6-ban nem opcionális kiegészítés (nem minden csomópont támogatja IPv4-ben), hanem alapvetővé lépett elő • A háromszög probléma leküzdése – Fix állomás: Kötéstároló (Binding Cache) – Mobil állomás: Kötéslista (Binding List)
• Kötések (Binding) létrehozása – Kötésfrissítés (Binding Update) – Kötésnyugta (Binding Acknowledgement) – Kötéskérés (Binding Request) 43
Mobil IPv6 alapvető működése IPv6-os számítógép
Mobil állomás
4
2
1
Otthoni ügynök Internet Idegen hálózat Otthoni hálózat
3
44
A Mobil IPv6 egyéb előnyei • Nem kell idegen ügynök: a szomszéd felderítés és a címautokonfiguráció kiváltja • Mobil IPv4-ben a mobil csomópont amikor másik csomóponttal kommunikál, az otthoni címét rakja be a csomag forráscímének – Egyes routerek kiszűrik az olyan csomagokat ahol a forráscím másik hálózatból származik, mint ahonnan küldik (ingress filtering) – Mobil IPv6-ban a mobil csomópont a care-of címét használja, mint forrás címet az általa küldött csomagok IP fejlécében – A mobil csomópont otthoni címe egy Otthoni Cím cél opcióban kerül továbbításra
45
Biztonság Mobil IPv6-ban • Eltérően az IPv4-től a Mobil IPv6 az IPsec-et alkalmazza valamennyi biztonsági követelményhez Binding Update esetén: – küldő hitelesítés (sender authentication) – adatintegritás-védelem (data integrity protection)
• A Mobil IPv4-nél saját biztonsági mechanizmus: statikusan konfigurált ”mobilitás biztonsági összerendelések (mobility security associations)” 46
Problémák a mobil IP-vel Hozzáférési pontok közötti váltások miatt nagy jelzésforgalom (BU üzenetek), adminisztráció A jelzési üzenetek késleltetése nem megfelelő realtime (késleltetés-kritikus) alkalmazásokhoz Magas csomagvesztési arány (QoS) Felesleges hálózati többletterhelés
47
Megoldási lehetőségek Jelzésforgalom csökkentése (hálózati terhelés), a címváltozások kezelése „helyben” Handover gyorsítása (QoS növelés) Helyzetinformáció titkossága • Makro – mikro mobilitás (CIPv6) • Handoverek javítása (FMIPv6) • Hierarchikus mobilitáskezelési megoldások (HMIPv6)
48
Mobil IP pillanatnyi alkalmazása • Vezetéknélküli LAN-ok közötti váltásnál (WLAN, WiMAX) • 3G mobil rendszerekben nem használják cellaváltásnál (adatkapcsolati megoldások vannak), de különböző domainek közötti váltásnál igen • A 4G-ben is számolnak vele – Pl. az LTE első demonstrációján HDTV streaming (>30 Mbit/s) Mobile IP alapú váltás LTE és HSDPA hálózat között (Siemens) 49
