Introduzione
ii
hanno bisogno di avere una qualità garantita. Il modello a datagrammi, sul
quale è basata internet, non offre la possibilità di riservare risorse all’interno
della rete e quindi di garantire una assegnata qualità del servizio per ogni
utente. Un altro problema è dato dalla differenziazione dei flussi di traffico
presenti nella rete. Poiché le reti IP trattano tutti i pacchetti allo stesso modo,
esse sono in grado di fornire un solo tipo di servizio. Invece le applicazioni
multimediali sono di tipo real time e quindi richiedono un certo ammontare di
banda per garantire il bit-rate adeguato ad ogni stream dati e piccole variazioni
del ritardo dei pacchetti per evitare il buffer underflow
1
del ricevente. Oltre ai
requisiti imposti dalle applicazioni multimediali ci sono anche altri problemi
dovuti alla natura del mezzo fisico wireless di trasmissione. Infatti il mezzo
wireless ha delle caratteristiche uniche che non si riscontrano in quello wired,
come la banda limitata e l’alto tasso di errore. Inoltre il fatto che un nodo
mobile possa potenzialmente cambiare molte volte il suo punto di attacco alla
rete durante una stessa sessione rende le applicazioni multimediali su reti
wireless più complesse.
Appare quindi evidente come, per utilizzare applicazioni multimediali
su reti wireless, sia necessario un meccanismo in grado di offrire garanzie di
qualità del servizio tenendo presente le peculiarità del mezzo trasmissivo. Per
questo scopo è stato creato lo standard Wi-Fi Multimedia IEEE 802.11e.
Questo standard consente di etichettare alcuni flussi di traffico in transito su
una rete wireless come prioritari e quindi di garantire loro deteminate
prestazioni in termini di qualità del servizio. Tuttavia questo standard è stato
creato per la gestione delle risorse di comunicazione all’interno di una singola
cella wireless e quindi non si preoccupa delle problematiche di gestione della
1
i pacchetti arrivano troppo tardi per essere mandati in playout (la loro posizione nel buffer non
è più disponibile).
Introduzione
iii
qualità di servizio durante gli handoff ovvero durante la migrazione di un
utente mobile da una cella all’altra di una stessa rete. Limitatamente agli aspetti
di mantenimento della connettività e di riduzione della perdita di pacchetti dati,
si sono occupati della gestione degli handoff gli sviluppatori dei protocolli di
micromobilità, tra i quali si colloca Cellular IP, che è stato utilizzato in questa
tesi. Il passo successivo da affrontare è dunque quello di integrare le tecniche
di gestione della qualità del servizio con i protocolli di micromobilità, in modo
tale da poter fornire agli utenti wireless, in corrispondenza degli handoff, delle
garanzie che non siano limitate alla continuità della connessione, ma che
comprendano anche garanzie sulle risorse rese disponibili a specifici flussi dati.
Il presente lavoro di tesi indaga appunto su questa integrazione in uno scenario
multicella con l’ausilio di dati ottenuti con il simulatore NS2.
Nel Capitolo 1 sono presentate le principali proposte sui protocolli di
micromobilità, con un’analisi più dettagliata di Cellular IP. Nel Capitolo 2 si
elencano i principali meccanismi per offrire qualità del servizio in reti wireless,
tra cui ACKS, la tecnica di differenziazione del traffico scelta per le
simulazioni a motivo della sua semplicità. Il Capitolo 3 contiene una
descrizione degli strumenti utilizzati nelle simulazioni e di una prima fase di
simulazioni in scenari statici, che ha permesso di determinare i parametri di
configurazione di ACKS. Il Capitolo 4 contiene i risultati ottenuti utilizzando
scenari dinamici e cioè introducendo il movimento degli host mobili all’interno
della rete.
Capitolo 1 Protocolli di micromobilità
1
Capitolo 1
Protocolli di micromobilità
1.1 Macromobilità e Micromobilità
La fine del ventesimo secolo ha visto lo sviluppo di due grandi invenzioni:
Internet e le telecomunicazioni mobili. Entrambe queste realtà sono ormai
integrate nella nostra vita di tutti i giorni. Il prossimo passo sarà evidentemente
combinare i vantaggi di Internet e delle telecomunicazioni mobili per offrire
agli utenti servizi mobili multimediali e roaming seamless
1
tra differenti
sistemi di comunicazione.
Il problema fondamentale che è stato affrontato in questi anni dai working
group per garantire un accesso globale ad Internet via wireless è la gestione
della mobilità degli utenti all’interno di uno stesso dominio e tra domini
diversi. Lo standard Mobile IP [1] è stato sviluppato con l’obiettivo di risolvere
problemi legati alla “macro” mobilità (o mobilità globale) degli host e non è
quindi ottimizzato per gestire la mobilità all’interno delle singole sottoreti che
1
Transizione da un operatore ad un altro o da un sistema di comunicazione ad un altro senza
perdita di dati.
Capitolo 1 Protocolli di micromobilità
2
forniscono l’accesso ad Internet (denominata “micro” mobilità o mobilità
locale). Il motivo per cui si evidenzia una differenza fra i due tipi di mobilità è
legato al fatto che nella “micro-mobility” la frequenza con la quale si
manifestano gli “handoff” dei Mobile Node (variazioni del punto d’accesso
caratterizzate dal mantenimento delle eventuali connessioni) può essere molto
elevata. Da ciò deriva il limite di Mobile IP: in corrispondenza di ciascun
handoff, esso richiede l’invio di messaggi di aggiornamento all’Home Agent
2
(presumibilmente collocato in una zona distante dall’attuale posizione del
Mobile Node) provocando così un ritardo nella gestione dell’handoff e la
conseguente perdita di pacchetti. Per questo scopo è stato creato Cellular IP [2]
[3], un protocollo per la gestione della mobilità degli host, ottimizzato per reti
di accesso di tipo wireless ed in grado di controllare adeguatamente i frequenti
spostamenti del Mobile Node. Nella figura seguente è mostrata l’interazione tra
Mobile IP e Cellular IP per una rete wireless:
Figura I-1: Interazione tra Mobile IP e Cellular IP in una rete wireless.
2
Tutti i termini relativi a Mobile IP saranno spiegati più avanti.
Capitolo 1 Protocolli di micromobilità
3
Come si evince dalla Figura I-1 all’interno di ciascuna Wireless Access
Network la micromobilità degli host è gestita tramite il protocollo Cellular IP,
il quale dovrà cooperare con Mobile IP per consentire al Mobile Node di
muoversi tra le diverse reti d’accesso. Il vantaggio di aver separato la gestione
della mobilità locale da quella globale risiede nel fatto che non sarà necessario
informare l’Home Agent degli spostamenti compiuti dall’host all’interno di una
rete d’accesso, ma solamente di quelli compiuti muovendosi da una rete
all’altra. Prima di descrivere il protocollo Cellular IP, è quindi necessario
introdurre brevemente il protocollo Mobile IP.
1.1.1 Funzionamento del protocollo Mobile IP (MIP)
Le entità architetturali fondamentali presenti nel protocollo Mobile IP sono:
Mobile Node: Un dispositivo che usufruisce di prestazioni di mobilità. Un
Mobile Node è in grado di comunicare con un qualsiasi host (fisso o mobile)
mantenendo la propria identità ed avendo un suo indirizzo IP stabile,
indipendentemente dal proprio point of attachment
3
ad Internet.
Home Agent: Un’entità logica residente in un router della rete d’appartenenza
del Mobile Node (Home Network). La sua funzione è mantenere delle
informazioni circa la posizione attuale del Mobile Node. In particolare, quando
il Mobile Node non è connesso alla Home Network, è compito dell’Home Agent
intercettare i datagrammi destinati al Mobile Node e di inoltrarli allo stesso.
Foreign Agent: Un’entità logica residente in un router della rete “visitata” dal
Mobile Node (Foreign Network). Esso coopera con l’Home Agent per
3
Punto di accesso
Capitolo 1 Protocolli di micromobilità
4
completare la consegna dei datagrammi IP destinati al Mobile Node ricevendo i
pacchetti inviati dall’Home Agent e consegnandoli al Mobile Node.
Ogni Mobile Node è caratterizzato attraverso due indirizzi IP: il primo, detto
home address, è permanente e viene assegnato dall’amministratore della Home
Network. Non ci sono differenze tra un indirizzo assegnato ad un host fisso ed
un home address assegnato ad un Mobile Node. In altre parole ad eccezione di
alcuni messaggi di controllo, il Mobile Node utilizzerà l’home address come
source address di tutti i datagrammi inviati. Il secondo, detto care-of address,
è temporaneo e rispecchia la posizione corrente del Mobile Node.
Sostanzialmente il care-of address viene fornito al Mobile Node quando accede
ad Internet attraverso una Foreign Network.
Se il Mobile Node si trova nella propria Home Network, opera senza alcun
supporto di Mobile IP. Viceversa se il Mobile Node arriva in una Foreign
Network, si procura un care-of address; che può essere ottenuto attraverso il
Foreign Agent o tramite altri meccanismi (ad esempio attraverso il protocollo
DHCP
4
). Quindi i datagrammi a lui inviati (attraverso il relativo home address)
da un qualsiasi altro dispositivo della rete Internet, sono intercettati dall’Home
Agent, inoltrati (tunneling
5
) verso il care-of address e ricevuti al punto di uscita
del tunnel (che può essere il Mobile Node stesso o il Foreign Agent). Nel caso
in cui sia il Foreign Agent a ricevere i datagrammi destinati al Mobile Node, li
estrae dal tunnel e li consegna al Mobile Node. In figura è schematizzato
l’incapsulamento del datagramma intercettato dall’Home Agent ed inviato al
Foreign Agent:
4
Il DHCP (Dinamic Host Configuration Protocol) è un protocollo di rete che permette ai
dispositivi che ne facciano richiesta di essere automaticamente configurati per entrare a far
parte della LAN.
5
Il percorso seguito da un datagramma incapsulato è detto tunnel.
Capitolo 1 Protocolli di micromobilità
5
Figura I-2: Incapsulamento del datagramma dall’Home Agent al Foreign Agent
Le tecniche di gestione della macromobilità di host mobili che sono state
descritte sono quelle di Mobile IP versione 4. Tuttavia per garantire
l’applicabilità di Mobile IP in previsione di ciò che costituirà l’ossatura della
futura rete Internet, cioè di IP versione 6, è stata creata una versione
successiva, ovvero Mobile IP versione 6. Esso potrà essere considerato, in un
certo senso, come parte integrante di IP versione 6, in quanto interagirà con
esso per sfruttarne le potenzialità e migliorare così le proprie funzionalità. Alla
base di Mobile IP versione 6 vi sono gli stessi concetti che hanno condotto allo
sviluppo della versione 4: è mantenuta l’idea di una Home Network, di un
Home Agent e dell’uso di un tunnel per consegnare i datagrammi dalla Home
Network alla posizione corrente del Mobile Node. Non è più necessaria la
presenza del Foreign Agent e quindi il Mobile Node dovrà acquisire
autonomamente il care-of address (ad esempio, attraverso la procedura
denominata Neighbor Discovery). La caratteristica principale della versione 6
consiste nell’integrazione delle procedure d’ottimizzazione del routing con le
caratteristiche funzionali dello stesso protocollo; in altre parole mentre una
migliore efficienza di Mobile IP versione 4 può essere ottenuta modificando
opportunamente il protocollo [4], in Mobile IP versione 6 l’applicabilità delle
tecniche d’ottimizzazione è un requisito obbligatorio.
Capitolo 1 Protocolli di micromobilità
6
1.2 Obiettivi dei protocolli di micromobilità
I protocolli di micromobilità, tra cui Cellular IP che si illustrerà più in
dettaglio, sono stati introdotti, come già detto, per gestire la micromobilità. In
particolare gli sviluppatori hanno tenuto presente i seguenti aspetti [5] [6] [7]:
1. Handoff veloce: Il supporto per un handoff veloce, che riduca il ritardo
e la perdita di pacchetti, è un attributo importante dei protocolli di
micromobilità.
2. Paging: Tipicamente gli utenti che si collegano ad Internet attraverso
una rete fissa rimangono on-line per molto tempo, ma per gran parte di
questo tempo essi non comunicano. Essere “always connected” permette
di raggiungere istantaneamente le risorse di cui si ha bisogno. Gli utenti
mobili collegati ad Internet wireless si aspettano lo stesso tipo di servizio.
Mantenere informazioni aggiornate sulla posizione degli utenti mobili,
che non stanno attivamente trasmettendo o ricevendo, richiederebbe
frequenti messaggi di update che consumerebbero banda preziosa e la
potenza delle battere degli utenti. Questo carico di segnalazione può
essere ridotto con l'introduzione del paging, una tecnica mutuata dalle
reti telefoniche cellulari. Il concetto alla base del paging è che utenti idle
non devono registrarsi se si muovono all'interno della stessa area di
paging, ma devono farlo solo se essi escono da quell'area.
3. Fast security/AAA: Uno degli scopi dei protocolli di micromobilità è
rendere veloce l'handoff, per cui tutti i servizi della rete che
contribuiscono alla latenza di handoff (come la sicurezza e la
fatturazione) dovrebbero essere progettati per rendere questa operazione
real-time. Quindi è necessario estendere i protocolli di micromobilità con
supporti per la sicurezza e funzioni AAA (Authentication, Authorization
Capitolo 1 Protocolli di micromobilità
7
and Account) per garantire la loro applicabilità pratica. I meccanismi di
sicurezza adottati dai protocolli di micromobilità hanno un forte impatto
sulle performance della rete e dei dispositivi, sulla qualità del servizio
(QoS), sulla gestibilità e l'interoperabilità con altri sistemi AAA. Infatti,
visto che gli host mobili hanno bisogno di essere autenticati durante
l'handoff, i meccanismi di sicurezza comportano un allungamento del
tempo necessario per l'operazione. In particolare i tradizionali modelli
AAA non riescono a supportare handoff veloci.
4. Micromobilità e QoS (Quality of Service): I protocolli di micromobilità
dovrebbero saper gestire una ampia varietà di traffico, da quello best
effort a quello real time. Si rende quindi necessario estendere i modelli di
QoS per garantire la loro integrazione con la micromobilità. Lo scopo di
questa tesi è appunto indagare gli effetti di tale integrazione e i vantaggi
in termini di prestazioni che essa comporterebbe.
1.3 Protocolli
Le principali proposte per la micromobilità al vaglio di gruppi di ricerca sono
state:
1 Hawaii
2 Hierarchical Mobile IP
3 Cellular IP
1.3.1 Hawaii
Il protocollo Hawaii [8], proposto dalla Lucent Tecnologies, adotta un
protocollo di routing separato per garantire la mobilità intradominio e si basa
su Mobile IP per fornire mobilità interdominio. Un host mobile che entra nel
Capitolo 1 Protocolli di micromobilità
8
dominio di un nuovo Foreign Agent ottiene un indirizzo care-off, che conserva
finchè si muove all'interno di quel dominio. In questo modo l’Home Agent non
viene più coinvolto nella comunicazione finchè l’host mobile rimane nel nuovo
dominio. Questa scelta comporta una riduzione del traffico di pacchetti di
aggiornamento verso l’Home Agent, visto che quest’ultimo non deve essere
informato dei movimenti dell’host mobile all’interno del nuovo dominio. I nodi
nelle reti Hawaii eseguono un generico algoritmo di routing IP e mantengono
le informazioni necessarie per il routing mobile nelle tabelle di routing. In
questo senso i nodi Hawaii possono essere considerati dei router IP estesi. Le
informazioni sulla posizione dell'host mobile sono create, aggiornate e
modificate attraverso messaggi di controllo mandati dagli stessi host mobili.
Hawaii definisce tre schemi di gestione dell'handoff tra Access Point.
L’operatore può scegliere uno di questi schemi in base alle sue esigenze. E'
infatti possibile impedire la perdita di pacchetti, minimizzare il ritardo di
handoff oppure mantenere l'ordine dei pacchetti. Inoltre Hawaii usa il
multicast
6
IP per instradare i pacchetti, laddove non siano disponibili
informazioni recenti sull'indirizzo della destinazione.
1.3.2 Hierarchical Mobile IP
Il protocollo Hierarchical Mobile IP (HMIP) [9], proposto da Ericsson e
Nokia, utilizza una gerarchia di Foreign Agent per trattare localmente la
registrazione Mobile IP. In questa proposta gli host mobili mandano messaggi
di registrazione Mobile IP (con opportune estensioni) per aggiornare le
informazioni sulla loro posizione. Questi messaggi stabiliscono dei tunnel tra
host mobile e Foreign Agent lungo il cammino dall'host mobile al gateway
7
. I
6
Diffusione selettiva, tipo di broadcast limitato a un sottoinsieme di host collegati a una rete.
7
Passaggio o punto di accesso progettato per consentire il passaggio dei dati tra le reti.
Capitolo 1 Protocolli di micromobilità
9
pacchetti indirizzati all'host mobile viaggiano in questa rete di tunnel fino alla
destinazione. L'uso dei tunnel rende possibile impiegare il protocollo in una
rete IP che trasporta anche traffico proveniente da host non mobili.
Tipicamente il primo livello della gerarchia è costituito dai Foreign Agent che
sono connessi al gateway e l’ultimo dai Foreign Agent che sono connessi
direttamente con gli Access Point. Recenti estensioni di questo protocollo
prevedono, inoltre, la possibilità di gestire il paging. La posizione degli host
mobili idle è nota all'Home Agent ed è memorizzata nella cache di paging.
Queste informazioni vengono aggiornate dall'host in istanti di tempo predefiniti
e, quando arriva un pacchetto destinato ad uno di questi host, l'Home Agent
interpella l'host per ristabilire il tunnel.
1.3.3 Cellular IP
In questo paragrafo e nei seguenti si introdurrà il protocollo Cellular IP (CIP)
[2], dedicandogli una maggiore attenzione, visto che è il protocollo di
micromobilità scelto per le simulazioni. CIP è un protocollo che consente di
instradare datagrammi IP verso un utente mobile, fornendo mobilità locale e
supporto per l'handoff. Esso, come già detto, deve cooperare con Mobile IP per
garantire la mobilità in aree più ampie. Alla base del protocollo ci sono quattro
concetti fondamentali:
1. L'informazione relativa alla posizione dell'host mobile è memorizzata in
database distribuiti.
2. L'informazione relativa alla posizione dell'host mobile è creata e
aggiornata attraverso regolari datagrammi IP inviati dallo stesso host
mobile.
Capitolo 1 Protocolli di micromobilità
10
3. L'informazione sulla posizione è memorizzata come uno stato soft
8
.
4. Il management location per host mobili non attivi è separato da quello
per host mobili che stanno trasmettendo e ricevendo dati.
1.3.3.1 Nuove entità architetturali e terminologia
Il protocollo Cellular IP introduce alcune nuove entità architetturali. Esse
sono:
Nodo Cellular IP: una rete CIP consiste nell'interconnessione tra nodi Cellular
IP. Il ruolo del nodo è duplice: essi instradano i pacchetti all'interno della rete
CIP e comunicano con gli host mobili attraverso l'interfaccia wireless. In base a
quest'ultima caratteristica, i nodi CIP che hanno una interfaccia wireless
vengono anche chiamati Base Station.
CIP Gateway: un nodo CIP che è connesso ad una normale rete IP attraverso
una delle sue interfacce.
CIP host: un host mobile che implementa il protocollo CIP.
La terminologia utilizzata comprende i seguenti termini:
Host Mobile attivo: un host mobile è nello stato attivo se sta trasmettendo o
ricevendo pacchetti
CIP Network Identifier: un unico identificatore assegnato alle reti CIP.
8
Mantenuto solo per un tempo predeterminato.
Capitolo 1 Protocolli di micromobilità
11
Pacchetti di controllo: i pacchetti di paging-update, paging-teardown e route-
update.
Pacchetti di dati: ogni pacchetto che non è di controllo è un pacchetto dati.
Downlink neighbor: tutti i vicini di un nodo CIP tranne i suoi uplink neighbor
sono chiamati downlink neighbor. Nella Figura I-3 viene evidenziata la
differenza tra uplink e downlink neighbor.
Figura I-3: Differenza tra uplink e downlink neighbor.
Idle Mobile Host: un host mobile è nello stato idle se non ha recentemente
inviato o ricevuto pacchetti.
Internet: Una rete CellularIP fornisce accesso ad una regolare rete IP. Questa
rete IP, nella trattazione seguente è identificata con Internet, ma può essere
parimenti, ad esempio, una rete Intranet incorporata.
Capitolo 1 Protocolli di micromobilità
12
Neighbor (Vicino): ogni nodo CIP è un vicino di un altro se c'è una
connettività diretta tra i due. I vicini in una rete CIP sono identificati attraverso
l'interfaccia e l'indirizzo MAC.
Area di Paging: area formata da un insieme di BS. Gli host mobili nello stato
idle che attraversano i confini della cella all'interno dell'area di paging non
hanno bisogno di trasmettere pacchetti di controllo per aggiornare la loro
posizione.
Paging Cache: una cache mantenuta in ogni nodo CIP e usata per instradare i
pacchetti verso gli host mobili.
Paging timeout: tempo di validità della mappa nella Paging Cache.
Paging-update packet: pacchetto di controllo trasmesso dagli host mobili per
aggiornare la Paging Cache.
Paging-update-time: tempo tra due successivi paging-update packet.
Paging-teardown packet: pacchetto di controllo trasmesso dagli host mobili per
rendere nota la loro disconnessione dalla rete CIP.
Route-timeout: tempo di validità della mappa nella Route Cache.
Route-update packet: pacchetto di controllo trasmesso dall'host mobile per
aggiornare la Route Cache.
Route-update-time: tempo tra due successivi route-update packet.
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