Kihívások. A jövő kommunikációs hálózatainak legfontosabb képességei:

Átírás

1 Mobilitáskezelés 1

2 Tartalom A mobilitás fogalma Mobilitáskezelés Mikro-, makromobilitás Location Area tervezés Mobilitáskezelés különböző rétegekben Vertikális és horizontális hálózatváltás 2

3 Kihívások A jövő kommunikációs hálózatainak legfontosabb képességei: Átjárhatóság a különböző hálózatok között Szélessávú multimédia szolgáltatások Mobilitás! 3

4 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

5 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

6 A legnagyobb kihívás Ubiquitous communications (mindenütt jelenlevőség): új típusú mobil eszközök milliárdjai (szenzorok)+szélessávú multimédia Megoldás: hatékony mobilitáskezelés, skálázható rendszerek 6

7 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

8 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

9 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 követelményeknek már nehezen tud megfelelni. 9

10 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

11 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

12 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

13 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

14 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

15 Mobilitástámogatás A mobilitás kezeléséhez szükség van: Egy helyfüggetlen címre a mobil termináloknak Kompatibilitásra az IP-routing-al Hatékony mobilitás kezelési protokollokra 15

16 Mobilitáskezelés A mobilitás kezelése alapvetően két feladat: hívásátadás-kezelés(handover Management) helyzetnyilvántartás (Location Management) 16

17 Helyzetnyilvántartás (Location Két feladata van: Management) Helyzetfrissítés (Location Update): mobil terminálok követése Paging: mobil terminálok megkeresése Fontos tervezési feladat a kettő közötti kompromisszum megtalálása (a későbbiekben lesz róla szó) 17

18 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

19 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

20 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

21 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

22 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

23 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

24 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

25 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

26 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

27 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

28 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

29 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

30 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

31 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

32 IP - Mobil IP 32

33 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

34 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

35 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

36 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

37 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

38 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

39 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

40 A Mobil IPv4 működési elve IPv4-es számítógép Mobil állomás 4 Otthoni ügynök 1 Idegen ügynök 3 Otthoni hálózat Internet Idegen hálózat 2 40

41 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

42 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

43 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

44 Mobil IPv6 alapvető működése IPv6-os számítógép 4 Mobil állomás 2 1 Otthoni hálózat Otthoni ügynök Internet Idegen hálózat 3 44

45 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

46 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

47 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

48 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

49 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