Mobil Internet Mobilitás kezelés a következő generációs mobil hálózatokban 4.előadás

1. Mobil InternetMobilitás kezelés a következő generációs mobil hálózatokban4.előadás Simon Vilmos svilmos@hit.bme.hu Híradástechnikai Tanszék 2008/2009 II. félév

2. Kivonat • Mobilitás fogalma • Mobilitás kezelés • Mikro-, Makromobilitás • Location Area tervezés • Mobilitás kezelés különböző rétegekben • Vertikális és horizontális hálózatváltás Mobil Internet előadás BME-HIT

3. Kihívások • A jövő kommunikációs hálózatainak legfontosabb elemei • Átjárhatóság a különböző hálózatok között • Mobilitás !! • Szélessávú multimédia szolgáltatások Mobil Internet előadás BME-HIT

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 Mobil Internet előadás BME-HIT

5. Mobilitás kezelés • Mozgó terminálok száma az utóbbi években ugrásszerűen megnőtt: mozgékonyság hatékony kezelése (mobility management) • 1990-ben 10 millió analóg FM cellás mobil felhasználó volt a világon • Ma a mobil felhasználók száma meghaladja a két milliárdot Mobil Internet előadás BME-HIT

6. Legnagyobb kihívás • Ubiquitos (mindenütt jelenlevőség): új típusú mobil eszközök milliárdjai (szenzorok)+szélessávú multimédia • Megoldás: hatékony mobilitáskezelés, skálázható rendszerek Mobil Internet előadás BME-HIT

7. 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. Mobil Internet előadás BME-HIT

8. Mobilitás fogalma • Mobilitás fogalma: az a képesség hogy bárhol bármikor tudjunk kommunikálni • A küldő és a fogadó készülékek, az alkalmazások és a felhasználók is függetlenítik magukat a lokációjuktól Mobil Internet előadás BME-HIT

9. Mobilitás • 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-al • 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. Mobil Internet előadás BME-HIT

10. Kihívások • Hálózati topológia vs Földrajzi viszonyok • A hálózati cím azonosítja a mobil terminál topológiai kapcsolódását, de nem a földrajzi helyzetét is • 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 célbajuttatása 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 mobilitás kezelésnek! Mobil Internet előadás BME-HIT

11. Kihívások • Másik kihívás: a mobil csak az idő egy részében kapcsolódik a hálózathoz • Mobil hálózatokban, ahol felhasználók milliói vannak komoly gond lehet, nem kérdezhetik le kapcsolódás után a szolgáltatás szerverereiket skálázhatósági okok miatt • Ilyen környezetben hatásos adattárolásra és továbbításra van szükség Mobil Internet előadás BME-HIT

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) Mobil Internet előadás BME-HIT

13. Példa: routing és mobilitás • Routing IP hálózatban: egy több hálózati interfésszel rendelkező host eldönti, hogy a kapott IP csomagokat merre továbbítsa • A routing az Interneten helyfüggő: a globális Interneten az IP cím hálózati prefixe alapján történik, míg az Internet domainen belül az alhálózati prefix alapján Mobil Internet előadás BME-HIT

14. Példa: routing és mobilitás Mobil Internet előadás BME-HIT

15. Példa: routing és mobilitás • A hálózati cím terminálhoz való rendelése a hálózat topológiájától függ • A routing információ egy elosztott adatbázis, minden router tartalmazza a hálózati topológia információ egy szeletét • Ez alapján minden router-nak képesnek kell lennie kiválasztani a csomag következő állomását (next hop) a csomag hálózati célcíme alapján Mobil Internet előadás BME-HIT

16. Példa: routing és mobilitás • Az elosztott routing adatbázisnak tartalmaznia kell a linkek változását: frissíteni kell a routing táblákat • A frissítés lehet manuális (statikus routing) illetve automatikus (router protokollok végzik pl OSPF) Mobil Internet előadás BME-HIT

17. Példa: routing és mobilitás • Mobil környezetben komoly problémát jelent: a terminálok mozgása linkeket hoz létre és szüntet meg dinamikusan, gyakrabban mint pl. a meghibásodások okozta változások • A routing információt gyorsan kell megosztani, hogy a routing táblák és a tényleges fizikai hálózati topológia konzisztens legyen Mobil Internet előadás BME-HIT

18. Kihívások • Fontos szempont még: • Biztonság • Minden alkalommal amikor új kapcsolodási pontot létesít a mobil, hitelesítenie kell magát • Titkosítás és biztonsági megoldások: többletterhelés és költségek • Skálázhatóság • Több routing információ gyakrabban • Több számítás a routerekben • Több jelzési üzenet Mobil Internet előadás BME-HIT

19. Mobilitási problémák • A mobil technológia alkalmazása számos következménnyel jár: • korlátozott a rendelkezésre álló sávszélesség • a megszokott vonalakhoz képest igen nagy a bithiba arány • kapcsolat kimaradhat rövidebb időkre (például cellaváltáskor) • az összeköttetés minősége ugrásszerűen ingadozhat, az újraküldésekkel együtt a rendelkezésre álló effektív sávszélesség is széles skálán mozoghat Mobil Internet előadás BME-HIT

20. Mobilitás támogatás • A mobilitás kezeléséhez szükség van: • Egy hely-független címre a mobil termináloknak • Kompatibilitás az IP routing-al • Hatékony mobilitás kezelési protokollokra Mobil Internet előadás BME-HIT

21. Mobilitás kezelés • A mobilitás kezelése alapvetően két feladat: • hívásátadás-kezelés(Handover Management) • helyzet-nyilvántartás (Location Management) Mobil Internet előadás BME-HIT

22. Helyzet-nyilvántartás(Location Management) • Két feladata van: • Helyzet-frissítés (Location Update): mobil terminálok követése • Paging: mobil terminálok megkeresése • Fontos tervezési feladat a kettő közötti kompromisszum megtalálása (későbbiekben lesz róla szó) Mobil Internet előadás BME-HIT

23. Paging • A mobil terminál megtalálása egy broadcast (üzenetszórást ) üzenet kiküldésével lehetséges • Szinte alig, vagy egyáltalán nem terheli a hálózatot jelzés üzenetekkel amikor nincs adatforgalom, viszont nagyméretű - broadcast - keresést igényel az adatátvitel kezdetekor Mobil Internet előadás BME-HIT

24. 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 interferenciá • 2.rétegben kezelik • cellák közötti handover • mobil terminál cellák között vándorol • szükség van felsőbb réteg támogatására is Mobil Internet előadás BME-HIT

25. Handover gondok • 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 hoszt idle (tétlen) állapotú • Minden handover jelzésátvitelt igényel a hoszt és az otthoni ügynöke között, ami időigényes • Ez az overhead arányos a felhasználók számával és mobilitásuk fokával, az igényelt sávszélesség ugyanakkor nem játszik szerepet Mobil Internet előadás BME-HIT

26. Handover gondok • 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 Mobil Internet előadás BME-HIT

27. Cellák közötti handover • Megoldás: a hálózat domainekre történő felosztása • A cellákat adminisztratív egységekbe vonjuk össze (Location Area), ezen belüli cellaváltás nem halad fel a struktúra csúcsáig • Így a domainen belül történő cellaváltás nem minősül cellaváltásnak Mobil Internet előadás BME-HIT

28. Domainek alkalmazása • Így két handover: • intra-domain (makromobilitási domainen belüli): mikromobilitási protokollok kezelik • inter-domain: két domain között mozog a mobil, makromobilitási protokollok felelősek érte Mobil Internet előadás BME-HIT

29. Mikromobilitás • A mikro mobilitás 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 mikro mobilitás kezeléséről, de a harmadik generációs rendszerekben a mobilitás kezelése már teljes egészében az IP feladata, ezért a mikro mobilitás kezelésére alkalmas protokollok nélkülözhetetlenek Mobil Internet előadás BME-HIT

30. Mikromobilitási protokollok • A cellaváltásokat lokálisan kezelik • Így felhasználók domainen 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 mikromobilitás kezelő protokollokat Mobil Internet előadás BME-HIT

31. Mikromobilitási protokollok felosztása • Proxy Agent Architectures (PAA): Hierarchikus szervezésű, ügynök alapú gyorsításpl. 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 Mobil Internet előadás BME-HIT

32. További felosztások • Proaktív vagy reaktív: mindig ismeri a mobil terminál tartózkodási helyétvs. 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 vs. mindig csak azt tudják a routerek, hogy a velük kapcsolatban lévő routerek közül melyiknek kell küldeni egy adott mobilnak címzett csomagot Mobil Internet előadás BME-HIT

33. Mikro mobilitási protokollok csoportosítása Mobil Internet előadás BME-HIT

34. 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 Mobil Internet előadás BME-HIT

35. 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) • De viszont bejövő hívás esetén a mobil felhasználó megtalálása okoz majd gondot (több paging üzenet)!! • Kompromisszum a 2 szempont között Mobil Internet előadás BME-HIT

36. 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 Mobil Internet előadás BME-HIT

37. Mobilitás kezelés az OSI rétegekben • Adatkapcsolati réteg (802.11, GPRS) • Hálózati réteg (Mobile IP) • 3.5. réteg: Host Identity Protocol (HIP) • Transzport réteg: Stream Control Transmission Protocol (SCTP) • Alkalmazási réteg (SIP) Mobil Internet előadás BME-HIT

38. Hálózatváltás típusai • Két típusa: vertikális és horizontális • Vertikális: hozzáférési hálózatok közötti váltás (pl. WLAN-GSM) • Horizontális: a mobil hálózat cellái között váltás Mobil Internet előadás BME-HIT

39. Mozgás hálózati hozzáférések között? • A 3G szolgáltatások sokáig együtt fognak élni korábbi technikákkal (2G, WLAN), és újakkal (WiMAX), a 3G nem fogja azokat kiváltani • A felhasználó igényli/igényelni fogja a többféle hozzáférést (támogassa a készüléke és a hálózatok) • Amelyek között automatikusan vagy saját döntése alapján tudjon váltani Mobil Internet előadás BME-HIT

40. Technológiák együttélése Mobil Internet előadás BME-HIT

41. Mozgás hálózati hozzáférések között? Példa • Otthon: • ADSL, plusz WLAN • Útközben: • 2.5G (GPRS vagy EDGE) e-mail-ek letöltésére • 3G (UMTS) pl. videokonferenciára • A munkahelyre érkezést követően: • ADSL, WLAN • Igény a sima hálózatváltásra: • video nézése: váltás a lefedési területek határán, vagy a felhasználó választása szerint • képesség-egyeztetéssel, a video streaming paramétereinek adaptálásával, számlázás adaptálásával együtt • Vertical handover Mobil Internet előadás BME-HIT

42. Vertikális handover Mobil Internet előadás BME-HIT

43. Vertikális handover • Vertical handover – hozzáférési hálózatok közötti hívásátadás (és a kapcsolódó tevékenységek) • Nem pontos definíció, mert: • pl. a 802.11b-ről 802.11g-re történő átmenetet lehet azonos hálózaton belüli handover-nek tekinteni, de lehet különböző technológiák közöttinek is • Vertikális handover néhány esete: • ADSL – 3G között • WLAN – 3G között • EDGE és 3G között • A fő megoldandó feladat: a hálózatváltáskor megváltozik az IP-cím (statikusra vagy dinamikus címkiosztással), az alkalmazás azonban ezt nem tudja kezelni • Az IP-cím kettős funkciója Mobil Internet előadás BME-HIT

44. Követelmények a vertikális váltással szemben • Átlátszó átvitel: • A hálózatok közötti váltás ne okozzon nagy adatvesztést • a váltás ne tartson sokáig • a hosszú távú kapcsolat orientált protokollokat használó programok zavartalanul futhassanak tovább. • Location management: • A végkészülék legyen mindvégig elérhető egy állandó azonosító segítségével függetlenül attól, hogy az éppen melyik hálózatban tartózkodik. • „Infrastruktúra-mentesség”: • Minél jobban a hálózat szélén van a mobilitás megvalósítva, annál kevesebb változtatásra van szükség a jelenlegi hálózatokban. Mobil Internet előadás BME-HIT

45. Vertikális váltás a különböző rétegekben • a hálózati réteg alatt • csak regionális megoldás, hiszen csak adott alhálózaton belüli mozgást kezel • a hálózati rétegben • a hálózati és a transzport réteg határán • HIP – Host Identity Protocol • a transzport rétegben • mSCTP • a session rétegben • SLM – Session Layer Mobility management • az alkalmazási rétegben • SIP, ezzel is foglalkozunk részletesen később Mobil Internet előadás BME-HIT

46. Horizontális váltás: handoverek összehasonlítása • Cellaváltások összehasonlítása: • Hálózat által kezdeményezett handover: mérések alapján a hálózat dönti el, 1G • Mobil által segített handover: a mobilok mérései alapján a hálózat dönti el: 2G • Mobil által kezdeményezett handover: teljes mértékben a mobil dönt, mobil méri a környező bázisállomások jeleit és az interferenciát, ha alacsonyabb a BÁ jele a másiknál egy küszöbértéknél, handover következik be: 2,5G-3G • Utóbbi nagyon rövid reakcióidővel rendelkezik Mobil Internet előadás BME-HIT

47. Másik csoportosítás • Hard handover: megszűnik a kapcsolat a régi BÁ-al, mielőtt kiépülne az újjal: 1G, 2G • Előnye: egy hívás egy időben csak egy csatornát használ • Hátránya: ha nem sikerül a handover, megszakadhat a kapcsolat • Soft handover:még létezik a kapcsolat az előzővel, amikor kezd kialakulni az újjal: 3G • Előnye: sokkal kisebb a valószínűsége, hogy megszakad egy hívás • Hátránya: komplexebb HW, egy hívásnál több csatorna használata: kisebb kapacitás Mobil Internet előadás BME-HIT

48. Kérdések? Mobil Internet előadás BME-HIT