Híradástechnikai Tanszék Mobil Internet Mobilitás kezelés a következő generációs mobil hálózatokban 4.előadás Simon Vilmos svilmos@hit.bme.hu Híradástechnikai Tanszék 2008/2009 II. félév

Mobil Internet előadás Kivonat Mobilitás fogalma Mobilitás kezelés Mikro-, Makromobilitás Location Area tervezés Mobilitás kezelés különböző rétegekben Vertikális és horizontális hálózatváltás Mobil Internet előadás BME-HIT 2007.12.20

Mobil Internet előadás Kihívások A jövő kommunikációs hálózatainak legfontosabb elemei Átjárhatóság a különböző hálózatok között Mobilitás !! Szélessávú multimédia szolgáltatások Mobil Internet előadás BME-HIT 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

Mobil Internet előadás Legnagyobb kihívás Ubiquitos (mindenütt jelenlevőség): új típusú mobil eszközök milliárdjai (szenzorok)+szélessávú multimédia Megoldás: hatékony mobilitáskezelés, skálázható rendszerek Mobil Internet előadás BME-HIT 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

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 2007.12.20

Példa: routing és mobilitás Mobil Internet előadás BME-HIT 2007.12.20

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 2007.12.20

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 2007.12.20

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 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

Mobil Internet előadás Mobilitás kezelés A mobilitás kezelése alapvetően két feladat: hívásátadás-kezelés(Handover Management) helyzet-nyilvántartás (Location Management) Mobil Internet előadás BME-HIT 2007.12.20

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 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

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 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

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 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

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 2007.12.20

Mikromobilitási protokollok felosztása Proxy Agent Architectures (PAA): Hierarchikus szervezésű, ügynök alapú 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 Mobil Internet előadás BME-HIT 2007.12.20

Mobil Internet előadás További felosztások Proaktív vagy reaktív: mindig ismeri a mobil terminál tartózkodási helyét vs. 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 2007.12.20

Mikro mobilitási protokollok csoportosítása Mobil Internet előadás BME-HIT 2007.12.20

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 2007.12.20

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 2007.12.20

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 2007.12.20

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 2007.12.20

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 2007.12.20

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 2007.12.20

Technológiák együttélése Mobil Internet előadás BME-HIT 2007.12.20

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 2007.12.20

Mobil Internet előadás Vertikális handover Mobil Internet előadás BME-HIT 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

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 2007.12.20

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 2007.12.20

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 2007.12.20

Mobil Internet előadás 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 2007.12.20

Mobil Internet előadás Kérdések? Mobil Internet előadás BME-HIT 2007.12.20