Micro-Mobilidade IP

1. 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 Micro-Mobilidade IP IST TagusPark, 13/12/07 Pedro Vale Estrela pedro.estrela@gmail.com

2. 1 - Introdução à Micro-Mobilidade IP

3. 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 FA beacons HA Update MIP clássico

4. 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 Fundamentos da Micro-mobilidade

5. 2 - Soluções clássicas deMicro-Mobilidade IP CIP (Cellular IP)

6. 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

7. 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)

8. 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

9. 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 ?)

10. 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

11. 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

12. 3 - Processo de Normalização (IETF)

13. 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 Micro-mobilidade IETF: Fast vs Local

14. 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)

15. 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 - Príncipios

16. 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 | |

17. 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 | |

18. 4 - eTIMIP – “Enhanced Terminal Independent Mobility for IP”

19. sMIP tunnel HA 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

20. 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

21. 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 Handover Power-Up

22. 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

23. 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

24. 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 Throughput UDP Delay

25. 5 - Full eTIMIP Extensions

26. 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

27. 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

28. MIP 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

29. 5) first pkt 3) flush 1) buffer 1) flush 3) last pkt 5) last pkt In-flight triangulated data Seamless handovers de-triangulationexample • 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 Cross-over New AR Old AR

30. Seamless Handovers results • All scenarios, even without agent tree: • No out-of-order packets, no drops • Full throughput handover • No delay increase TCP Throughput UDP Out-of-order + Drops

31. Extensions cost • Extensions cost: • Increase in short control packets (at backbone links only) • Slightly handover latency increase (same magnitude order) Handover Latency Control Load

32. 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 ?

33. Slides Originais HAWAII

34. 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 HAWAII - Arquitectura

35. 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

36. 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

37. 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)

38. Slides Originais eTIMIP

39. 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)

40. 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.

41. 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

42. 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.

43. 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 Handover Power-Up

44. 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