Studio e simulazione di una metodologia efficiente di routing in una rete cellulare IP

Capitolo 1 - Introduzione 
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Internet e telefonia mobile hanno finora rappresentato due mondi a parte, 
basati su tecnologie distinte e destinati ad usi diversi. Internet è stata concepita 
principalmente per lo scambio dati su reti fisse basate sulla tecnica a commutazione 
di pacchetto; sebbene sia possibile spedire dati in tempo reale mediante il protocollo 
UDP, non si ha nessuna garanzia sui tempi di consegna e sull’ordine d’arrivo dei 
pacchetti e pertanto non è possibile ottenere la stessa qualità di servizio delle reti a 
commutazione di circuito. Le reti PLMN di prima e seconda generazione sono state 
progettate per offrire un servizio di telefonia mobile e si basano sulla tecnica circuit 
switching; è possibile effettuare spedizioni di dati attraverso queste reti, ma la 
limitata banda disponibile e l’assegnazione statica delle risorse fanno lievitare i costi 
delle connessioni e sconsigliano questo tipo di impiego. Nel 1996 solo il 2% del 
traffico totale delle reti cellulari era rappresentato da dati, contro il 98% di traffico 
vocale, ma il recente boom di Internet e la crescente offerta di servizi sono destinati a 
modificare radicalmente questo scenario; si prevede che già nel 2005 il traffico dati 
rappresenterà il 70% del traffico complessivo nelle reti wireless, superando di gran 
lunga quello vocale. Questi risultati saranno raggiunti grazie all’introduzione di una 
serie di servizi completamente nuovi ed al diffondersi del cosiddetto ubiquitous 
computing: i terminali wireless del futuro non saranno solo telefoni o computer 
palmtop, ma si assisterà alla progressiva introduzione di funzionalità di 
comunicazione wireless all’interno di dispositivi fino a ieri impensabili, come 
elettrodomestici, automobili ecc.  
Così come il settore delle reti mobili, anche Internet sarà soggetta, nel giro di 
pochi anni, a notevoli cambiamenti. Già oggi si registra un interesse sempre 
crescente verso l’utilizzo della tecnologia IP, finora sfruttata prevalentemente per la 
Capitolo 1 - Introduzione 
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trasmissione dati, ai fini del trasporto di flussi multimediali in tempo reale, come 
video e voce. Applicazioni come la telefonia su Internet sono già una realtà (sebbene 
ancora in via di sviluppo), altre verranno sviluppate man mano che l’introduzione di 
nuove tecnologie consentirà di aumentare la banda e la qualità del servizio 
disponibili. Accanto a questa tendenza si va delineando la necessità di rendere 
disponibili per gli utenti mobili i servizi già diffusi ed affermati nella rete fissa. In 
questa direzione, l’introduzione del Mobile IP ha consentito di dotare Internet di 
funzioni per il supporto della mobilità. 
Gli sforzi progettuali degli ultimi anni sono stati concentrati nello sviluppo di 
sistemi per la trasmissione dati a commutazione di pacchetto sulle reti wireless; essi 
hanno dato vita al sistema GPRS (di imminente introduzione sul mercato) ed alle reti 
mobili di terza generazione (UMTS). La principale innovazione tecnica apportata dai 
sistemi 3G sarà l’incremento della banda radio a disposizione degli utenti, che potrà 
variare da un minimo di 144 Kbps se si viaggia in automobile fino ad un massimo di 
2 Mbps se il terminale wireless è fermo sulla scrivania dell’ufficio.  
La breve panoramica che abbiamo tracciato mette in risalto la progressiva 
tendenza all’avvicinamento di due tecnologie di comunicazione che fino a poco 
tempo fa erano completamente separate. Nel giro di pochi anni, la convergenza tra 
Internet e reti wireless darà vita ad un’unica architettura di rete basata su IP, 
utilizzabile da utenti fissi e mobili, sia per la trasmissione dati, sia per le 
comunicazioni vocali e multimediali. L’adozione generalizzata della tecnologia IP 
consentirà inoltre una progressiva riduzione dei costi di installazione e gestione delle 
reti.  
Capitolo 1 - Introduzione 
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L’evoluzione delle reti wireless verso un’architettura completamente basata 
su IP sarà comunque molto lenta e graduale. Il primo passo sarà rappresentato 
dall’introduzione del sistema GPRS, che consentirà per la prima volta di accedere ad 
Internet attraverso una rete wireless a commutazione di pacchetto. La fase successiva 
vedrà, con l’avvento dei sistemi di terza generazione, un consistente ampliamento 
della banda radio disponibile e l’introduzione di una serie di nuovi servizi 
multimediali in grado di sfruttare le potenzialità. Solo dopo che i sistemi di terza 
generazione avranno concluso il loro ciclo di vita si assisterà al completo abbandono 
delle architetture di rete attuali in favore di quelle totalmente basate su IP. Questi 
sistemi, detti di quarta generazione, avranno capacità trasmissive superiori a quelle 
dei sistemi 3G e saranno pienamente compatibili ed integrati con le reti IP. Una serie 
di motivi tecnici ed economici rendono l’introduzione delle reti wireless basate su IP 
ancora lontana (si parla approssimativamente del 2010). 
Le tecnologie alla base di queste reti sono tuttora oggetto di ricerca ed una 
considerevole quantità di problemi è ancora in attesa di soluzione. Superati in gran 
parte gli ostacoli legati alla natura del canale radio, rimane una serie di questioni 
irrisolte che riguardano i protocolli di livello di rete ed in particolare le difficoltà 
legate all’instradamento verso terminali che cambiano continuamente il punto di 
collegamento fisico alla rete. Il Mobile IP rappresenta una valida soluzione per la 
consegna dei pacchetti agli host mobili ma, per una serie di ragioni che verranno 
ampiamente esaminate, non si rivela adatto alla gestione della mobilità in ambienti 
wireless. Ingenti sforzi sono stati profusi allo scopo di trovare valide soluzioni a 
questi problemi; i risultati sono stati considerevoli e si è assistito ad un fiorire di 
nuove proposte. Un’altra categoria di problemi è legata all’introduzione del supporto 
Capitolo 1 - Introduzione 
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per la qualità del servizio nelle reti wireless, non solo per via della natura aleatoria 
della banda disponibile, ma anche per problemi di interoperabilità con i meccanismi 
di QoS già sviluppati per le reti fisse. Tutte queste problematiche saranno trattate nei 
capitoli 2 e 3 assieme ad un’esaustiva descrizione delle soluzioni proposte. 
Ammesso che si riesca entro breve tempo a superare gli ostacoli tecnici, 
motivazioni di natura economica ritarderanno l’introduzione sul mercato dei sistemi 
4G. Il settore della telefonia mobile è stato, negli ultimi 15 anni, oggetto di forti 
investimenti per la realizzazione delle costose infrastrutture di rete; è quindi interesse 
dei fornitori di servizio prolungare il più possibile il periodo di utilizzo 
dell’architettura di base delle reti attuali, prima di abbandonarla definitivamente in 
favore delle nuove tecnologie IP.  
Nei primi capitoli della tesi verrà tracciata un’ampia panoramica dei 
protocolli per la gestione della mobilità. Il capitolo 2 inizierà con la descrizione delle 
soluzioni già disponibili o di imminente introduzione nelle reti telefoniche cellulari 
di seconda generazione, in particolare il sistema GPRS. Si passerà quindi ad 
esaminare il settore delle reti mobili IP, presentando i protocolli Mobile IP (compresa 
l’estensione per l’ottimizzazione del routing) e Mobile IPv6.  
Nel capitolo 3 concentreremo la nostra attenzione sui protocolli per la 
gestione della mobilità nelle reti wireless basate su IP. Molte delle proposte 
esaminate suggeriscono miglioramenti di vario genere per il Mobile IP: alcune 
puntano sulla riduzione dei tempi di latenza dell’handoff, altre sull’aggiunta di 
funzioni di paging, altre ancora, pur essendo basate su IP, sono state concepite ex 
novo. Dopo aver presentato una visione d’insieme, saranno fatte delle considerazioni 
di carattere generale allo scopo di individuare i problemi legati alla gestione di utenti 
Capitolo 1 - Introduzione 
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mobili; verranno quindi esaminate le soluzioni presentate, analizzandone pregi e 
difetti. Nell’ambito delle numerose proposte passate in rassegna, la nostra attenzione 
si è concentrata sul Cellular IP, un protocollo per la gestione della micro-mobilità in 
reti cellulari, concepito nell’ambito di un progetto della Columbia University.  
Nel Capitolo 4 è presentata un’analisi dettagliata dei parametri che 
influenzano maggiormente le prestazioni del Cellular IP; vengono quindi suggeriti 
alcuni criteri di dimensionamento. L’attento studio delle caratteristiche del protocollo 
ci ha portato ad individuare alcune possibilità di miglioramento nell’area del routing. 
Sono state quindi proposte delle lievi modifiche allo scopo di ottimizzare gli 
instradamenti interni alle reti Cellular IP. Per valutare l’entità dei vantaggi apportati 
dalla nostra proposta è stato implementato un simulatore e sono state effettuate 
numerose prove. Il Capitolo 5 contiene la descrizione del simulatore e dei risultati 
ottenuti. 
La tesi si conclude con il capitolo 6, che riporta alcune considerazioni 
conclusive sul lavoro svolto e su eventuali sviluppi futuri. 
Capitolo 2  
 
 
 
 
 
 
 
In questo capitolo verrà tracciato un quadro completo della situazione attuale 
nel campo delle reti mobili per la trasmissione dati. Inizieremo con il descrivere i 
sistemi già disponibili o di imminente introduzione nelle reti telefoniche cellulari di 
seconda generazione ed in particolare il sistema GPRS; passeremo quindi ad 
esaminare il settore delle reti mobili IP, descrivendo i protocolli Mobile IP (compresa 
l’estensione per l’ottimizzazione del routing) e Mobile IPv6. Il capitolo si concluderà 
con un elenco dei principali requisiti che deve soddisfare un protocollo per la 
gestione della mobilità nelle reti wireless basate su IP. 
 
Capitolo 2 - Dalle PLMN alle reti IP wireless 
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2.1 Servizi di trasmissione dati a commutazione di pacchetto nelle 
attuali Public Land Mobile Networks 
I servizi di trasmissione dati su reti radiomobili disponibili al giorno d’oggi 
(con particolare riferimento al sistema adottato sulla rete GSM, basato sulla tecnica a 
commutazione di circuito) non soddisfano le esigenze degli utenti per via della bassa 
bit rate, dei lunghi tempi necessari per instaurare una connessione e dei prezzi 
elevati; né quelle dei gestori delle reti, per via dell’inefficienza di utilizzo delle 
limitate risorse radio disponibili (si pensi che per ogni utente viene allocato un canale 
per tutta la durata della connessione, nonostante la presenza di lunghi periodi di 
inattività). Dal punto di vista tecnico sarebbe quindi più indicato l’uso della tecnica a 
commutazione di pacchetto con multiplazione statistica, in modo da utilizzare il 
mezzo trasmissivo solo quando necessario e condividere un canale fisico tra più 
utenti. Questo approccio offre molteplici benefici anche all’utente, tra i quali una 
tariffazione proporzionale al traffico generato e alla qualità del servizio richiesta, 
indipendentemente dal tempo di connessione. 
Negli ultimi anni si è assistito allo sviluppo di due diversi sistemi per la 
trasmissione dati su reti cellulari basati sulla tecnica a commutazione di pacchetto. Il 
primo a vedere la luce è stato il sistema CDPD, sviluppato per aggiungere 
funzionalità di trasporto dati alle reti telefoniche cellulari statunitensi AMPS, IS-95 e 
IS-136. Il secondo sistema sviluppato in ordine di tempo è il GPRS per le reti GSM. 
Sebbene quest’ultimo sia partito in ritardo rispetto al primo (la commercializzazione 
dei primi terminali GPRS è prevista nel corso dell’anno 2000), è destinato ad 
Capitolo 2 - Dalle PLMN alle reti IP wireless 
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incontrare una grande diffusione a livello globale (esiste anche una variante del 
GPRS sviluppata per il sistema IS-136) per via dei molteplici vantaggi offerti. 
Di seguito daremo solo alcuni cenni sul sistema CDPD, mentre tratteremo 
con maggior dettaglio il funzionamento del GPRS, soffermandoci in particolar modo 
sui livelli più alti dell’architettura protocollare. 
 
2.1.1 Il sistema CDPD 
Il Cellular Digital Packet Data (CDPD) è stato inizialmente sviluppato come 
sistema per la trasmissione dati sulla rete telefonica radiomobile analogica AMPS; in 
seguito è stato adattato alle reti IS-95 ed IS-136. Il CDPD consente una bit rate di 
19.2 kbps, che si riduce a 9.6 kbps effettivi causa del notevole overhead. I nodi di 
rete sono detti Mobile Data Intermediate Systems (MD-ISs) e si distinguono in home 
e serving MD-ISs. Si hanno inoltre le Mobile Data Base Stations (MDBS), che si 
occupano della gestione dell’interfaccia aerea. I MD-ISs sono dei routers con 
funzionalità IP e costituiscono l’ossatura della rete CDPD; si occupano 
principalmente dell’instradamento e della consegna dei dati, ma hanno anche compiti 
di gestione della rete e della mobilità. L’home MD-IS immagazzina il profilo del 
Mobile End System (M-ES) e autentica il M-ES; inoltre rappresenta il punto 
d’ingresso per i datagrammi IP destinati a un M-ES, che sono incapsulati e instradati 
al serving MD-IS competente. Nella rete CDPD si hanno due livelli di gestione della 
mobilità: l’home MD-IS si occupa di gestire la macro-mobilità tenendo traccia del 
serving MD-IS, mentre quest’ultimo gestisce la micro-mobilità immagazzinando 
informazioni sulla cella in cui si trova il terminale mobile. 
Capitolo 2 - Dalle PLMN alle reti IP wireless 
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Ogni cella CDPD ha a disposizione una sola coppia di canali per i dati 
(discesa/salita). La tecnica di accesso utilizzata è la Digital Sense Multiple Access 
con rilevamento delle collisioni (DSMA/CD). Osservando un bit di controllo, 
l’utente mobile è in grado di stabilire se può trasmettere o se deve aspettare uno slot 
successivo. 
I databases della rete CDPD sono indipendenti da quelli della rete telefonica 
radiomobile (AMPS o altre). 
 
2.1.2 Il sistema General Packet Radio Service (GPRS) 
Il General Packet Radio Service (GPRS) è un nuovo servizio per il sistema 
GSM, concepito per migliorare e semplificare l’accesso alle reti dati a commutazione 
di pacchetto (Internet in particolare). Contrariamente all’attuale servizio dati GSM a 
commutazione di circuito, che consente bit rates non superiori a 9.6 kbps, il nuovo 
sistema permette velocità di trasmissione fino a 170 kbps, gestibili in modo flessibile 
secondo le reali necessità dell’utente.  
Le possibili applicazioni del sistema GPRS spaziano dallo scambio dati in 
ambiente Internet (WWW, posta elettronica, FTP) alla videoconferenza, fino alla 
distribuzione di brevi messaggi di testo, senza considerare nuove aree d’interesse 
come le applicazioni RTTI (Road Traffic and Transport Informatics) e le transazioni 
finanziarie. Il GPRS opera quindi in un ambiente eterogeneo, dove le caratteristiche 
del traffico variano tra quelle dei servizi in tempo reale (non solo punto a punto, ma 
anche punto a multipunto) e quelle di applicazioni che prevedono lo scambio di 
modeste quantità di dati.  
Capitolo 2 - Dalle PLMN alle reti IP wireless 
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Un requisito di progetto fondamentale, che ha guidato lo sviluppo del sistema 
GPRS, è che tutte le nuove funzionalità introdotte siano integrabili senza eccessivi 
costi all’interno delle attuali reti telefoniche cellulari (GSM e IS-136); questo implica 
che le modifiche da apportare alle infrastrutture già esistenti debbano essere ridotte al 
minimo.  
Di seguito esporremo l’architettura del sistema, le funzionalità del protocollo, 
i servizi offerti; esamineremo i meccanismi di gestione della mobilità e del routing ed 
accenneremo infine all’architettura protocollare, rimandando alla bibliografia per i 
dettagli riguardanti l’interfaccia aerea (livello data link). Per il momento basti sapere 
che, per ovvi motivi di compatibilità, il GPRS fa uso delle stesse bande di frequenza, 
tecniche di modulazione e struttura delle trame TDMA del GSM. 
Architettura 
Per consentire l’integrazione del GPRS all’interno dell’architettura GSM 
esistente, sono stati definiti dei nuovi nodi di rete, denominati GPRS Support Nodes 
(GSNs), che gestiscono l’instradamento e la consegna dei pacchetti. 
Capitolo 2 - Dalle PLMN alle reti IP wireless 
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Figura 2-1: architettura del sistema GPRS 
Sono stati definiti due tipi di GSN: i Serving GSN (SGSN) ed i Gateway GSN 
(GGSN). I primi agiscono a livello locale, all’interno di ben definite aree 
comprendenti un certo numero di stazioni radio base; i compiti di un SGSN sono 
principalmente quelli di instradamento e trasferimento di pacchetti, gestione della 
mobilità, autenticazione e tariffazione. I GGSN rappresentano l’interfaccia tra la 
dorsale GPRS e le reti dati a pacchetto (Packet Data Network, d’ora in avanti per 
brevità PDN) esterne: essi convertono i pacchetti GPRS provenienti dai SGSN nel 
formato appropriato (IP o X.25) e li rilanciano sulla rete esterna; la procedura inversa 
viene seguita per i pacchetti provenienti dall’esterno, che verranno indirizzati al 
SGSN opportuno. Il GGSN tiene traccia del SGSN correntemente associato a un dato 
utente; gestisce quindi la mobilità ad un livello più elevato rispetto al SGSN. La 
relazione tra i SGSN e i GGSN è di tipo molti a molti: un GGSN è l’interfaccia con 
Capitolo 2 - Dalle PLMN alle reti IP wireless 
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la rete esterna utilizzata da molti SGSN; ogni SGSN può scegliere di instradare i 
pacchetti tra diversi GGSN, in funzione della rete esterna da raggiungere. 
L’ETSI (European Telecommunications Standards Institute) ha definito 
anche le interfacce tra i nuovi nodi di rete e la rete GSM: Gb è l’interfaccia tra i GSN 
e il BSC (Base Station Controller: controlla un gruppo di stazioni radio base); Gn è 
l’interfaccia tra due GSN che si trovano all’interno della stessa PLMN; Gp tra due 
utenti posti in diverse PLMN; Gi è l’interfaccia tra un GGSN e la rete dati a 
pacchetto esterna (attualmente sono supportate Internet e le reti X.25). 
I GSN sono connessi tra loro mediante una backbone GPRS, che si appoggia 
sul protocollo IP; la trasmissione di pacchetti al suo interno avviene attraverso il 
GPRS Tunneling Protocol (GTP). Si hanno due tipi di backbone GPRS: intra-PLMN 
per connettere GSN appartenenti alla stessa rete mobile terrestre pubblica, inter-
PLMN per GSN che fanno capo a reti diverse.  
Servizi 
Il servizio base offerto dal GPRS è il trasferimento dati end-to-end mediante 
la tecnica a commutazione di pacchetto. Inizialmente sarà disponibile solo il servizio 
punto a punto (PTP) per il trasferimento dati tra due utenti, nelle varianti 
connectionless (per Internet) e connection-oriented (per reti X.25). In un secondo 
tempo sarà anche possibile realizzare due diversi tipi di trasferimento dati punto a 
multipunto (PTM): multicast (PTM-M), per utenti localizzati all’interno di una ben 
precisa area geografica; chiamata di gruppo (group call, PTM-G), per utenti 
posizionati in modo arbitrario. Un altro servizio offerto dal sistema GPRS è l’invio di 
messaggi SMS. 
Capitolo 2 - Dalle PLMN alle reti IP wireless 
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Come è stato accennato prima, la rete GPRS è caratterizzata da un traffico 
assai eterogeneo; si rende quindi indispensabile un meccanismo per il supporto della 
qualità del servizio. Il sistema GPRS prevede, per ogni sessione, la possibilità di 
definire dei profili personalizzati di QoS, basandosi sui seguenti parametri: 1) 
precedenza del servizio, ossia la classe di priorità, che può essere alta, media o bassa; 
2) affidabilità: sono state definite tre classi, basandosi sui massimi valori di 
probabilità tollerati rispettivamente per i pacchetti persi, duplicati, fuori sequenza e 
corrotti; 3) ritardo: si hanno diverse classi, dalla 1 (per traffico real-time) fino alla 4 
(best-effort); 4) throughput: viene specificata la bit rate massima e quella media.  
La tariffazione terrà conto, oltre che del volume di dati trasmesso, anche del 
tipo di servizio e del profilo di QoS. 
Nella rete GSM/GPRS è prevista la possibilità dell’uso contemporaneo di 
servizi a commutazione di circuito e a commutazione di pacchetto. Sono state quindi 
definite tre classi di terminali: A, B e C. I terminali di classe A consentono l’utilizzo 
simultaneo di servizi GSM e GPRS; quelli di classe B consentono la registrazione 
simultanea (ma non l’uso); i terminali di classe C, infine, permettono solo la 
registrazione e l’utilizzo di un servizio per volta. 
Session management 
Affinché una stazione mobile possa usufruire dei servizi della rete GPRS, 
deve registrarsi presso un SGSN attraverso la procedura di GPRS attach. Se la 
registrazione è avvenuta correttamente, può avere inizio la sessione attiva, durante la 
quale si ha lo scambio di dati tra l’host mobile e una o più reti esterne. La 
Capitolo 2 - Dalle PLMN alle reti IP wireless 
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disconnessione dalla rete GPRS avviene mediante il GPRS detach, che può essere 
iniziato dalla MS o dalla stessa rete. 
Ad ogni sessione è associato un contesto PDP (Packet Data Protocol context) 
che ne descrive le caratteristiche; in particolare, esso contiene informazioni sul tipo 
di protocollo in uso (ad es. IPv4), sull’indirizzo PDP (per es. un indirizzo IP) 
assegnato alla stazione mobile, sulla QoS richiesta e sull’indirizzo di un GGSN che 
funga da punto di accesso alla PDN esterna. L’allocazione dell’indirizzo PDP può 
essere statica o dinamica. Con l’attivazione del contesto PDP, la MS diviene visibile 
alla rete dati esterna ed è così in grado di spedire e ricevere pacchetti; un terminale 
mobile può avere più contesti attivi contemporaneamente. La procedura di 
attivazione del contesto PDP prevede uno scambio di messaggi di segnalazione tra 
MS, SGSN e GGSN; per i dettagli si rimanda a [1]. 
Routing 
Descriveremo adesso, tramite un esempio, i meccanismi d’instradamento 
all’interno della rete GPRS; si assume che la rete dati a pacchetto sia una rete IP.