Mobilkommunikationsnetze. - Mobility Management -

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1 - Mobility Management - Markus Brückner 1

2 Überblick IP Aufgabe: Vermittlung von Paketen über Netzsegmente hinweg (Ende zu Ende) Internet Protocol (IP) v4 & v6 verbindungsloses, paketorientiertes Protokoll ohne Auslieferungsgarantie Paketverluste, -vertauschungen, -verdopplungen möglich Hop-by-Hop-Routing mittels verteilter Routingtabellen Fragmentierung bei Überschreiten der MTU (abschaltbar) 2

3 IP Paketaufbau IPv4 Version Header Length Type of Service Gesamtlänge (in Bytes) Laufzeitbegrenzung (in Hops) Paket-ID Flags Fragment Offset TTL Protokoll Header-Prüfsumme Protokollnummer des Datenblocks (bspw. 6 = TCP, 17 = UDP) Quelladresse Zieladresse Optionen (optional) Daten Zielangabe für Routingprozess Fragmentierung/ Reassemblierung 3

4 IP Paketaufbau IPv6 Version Traffic Class Flow Label Länge des Datenbereichs Next Header Hop Limit Ermöglicht Auffinden des nächsten Headers/Datenbereichs Quelladresse Zieladresse Art des nächsten Headers (Art der Extension oder Transportprotokoll) Next Header Länge Extension Header Inhalt Inhalt ggf. weitere Inhalte Datenbereich 4

5 IP Routing Forwarding-Entscheidung auf jedem Knoten anhand Routingtabelle Zielnetz Next Hop Interface Metric 2003:db8:0100::/48 fe80::1234 eth :db8:0200::/48 fe80::5678 eth :db8:0100:1234::/64 fe80::1 eth :db8:0100::/48 fe80::5678 eth1 200 ::/0 fe80::1 eth0 100 Auswahl via longest match Konfiguration der Routingtabellen statisch oder via Routingprotokollen (OSPF, BGP) 5

6 Motivation Mobility Management Problem: IP-Adresse dient Identifikation und Lokalisierung 2003:db8:2:1::/ :db8:1:1::1 2003:db8::/ :db8:2::/ :db8:1::/ :db8:1:1::/64? 2003:db8:1:1::1 6

7 Motivation Mobility Management Implizite Lokalisierung in IP-Adressen Änderung der Adresse bei Bewegung aber: Nutzung der Adresse als Identifikation (bspw. Sockets) Änderung unmöglich Ansätze Änderung der Lokalisierung (per-host forwarding) Multicast Adressänderung in beteiligten Systemen (bspw. SCTP Multihoming) Tunneling 7

8 Einführung Änderung der Lokalisierung (per-host forwarding) 2003:db8:1:1::1/ :db8:2:1::/ :db8:1:1::1 2003:db8 ::/ :db8:1:1::1/ :db8:2::/ :db8:1::/ :db8:1:1::/ :db8:1:1::1 Änderung der Routeninformationen im gesamten Netz skaliert nicht für große Netze Sicherheitsprobleme (Verteilung von Routenupdates) 8

9 Einführung Multicast 2003:db8:2:1::/ :db8:2::/48 ff01::db8:0:0 ff01::db8:0:0 2003:db8::/32 ff01::db8:0:0 2003:db8:1::/ :db8:1:1::/64 Sicherheitsproblem (Vertraulichkeit) Overhead 9

10 Einführung Adressänderung 2003:db8:2:1::1 2003:db8:2:1::/ :db8:2::/ :db8:1:1::1 2003:db8:1:1::1 2003:db8:2:1::1 2003:db8::/ :db8:1::/ :db8:1:1::/64 Auffinden von Hosts ohne konstante Adresse geänderte Identifikation Applikationsprobleme Sicherheitsprobleme (Verteilung Änderungen) 10

11 Einführung Tunneling 2003:db8:2:1::/ :db8:2::/ :db8:1:1::1 2003:db8:1:1::1 2003:db8::/ :db8:1::/ :db8:1:1::/64 Trennung von Identifikation und Lokalisierung Sicherheitsprobleme (Update der Tunnelinformationen) 11

12 Einführung Aufgaben Auffinden und Adressierung eines mobilen Endgerätes außerhalb des Heimatnetzes unterbrechungsfreie Kommunikation bei Bewegung Sicherheit: unbefugte Benutzung der Systeme verhindern Vertraulichkeit: Aufenthaltsort eines Mobilgerätes vor dem Kommunikationspartner verbergen 12

13 Einführung - Leistungskriterien Handover (HO) Performance Verzögerung beim Routenupdate Paketverluste während Handover Overhead: zusätzlich notwendige Netzwerkressourcen Skalierbarkeit: Overhead in Abhängigkeit der Netzgröße Robustheit: Anpassung an schlechte Netzbedingungen oder Netzausfälle Komplexität des Betriebs in verschiedenen Netzszenarien 13

14 Ansätze Mobilität kann auf verschiedenen Protokollebenen unterstützt werden Layer 1 (Hinzufügen/Entfernen von Funklinks) UMTS/GSM: HO zwischen Zellen einer Basisstation Layer 2 (Switching, Mobilität für L3 unsichtbar, Mikromobilität) UMTS/GSM: HO im Kernnetz (SGSN) oder Funkzugangsnetz (RNC) WLAN: Wechsel zwischen Accesspoints des gleichen Subnetzes 14

15 Ansätze Layer 3 (über Subnetzgrenzen, Makromobilität) Ziel: keine Änderung an höheren Protokollen, Änderungen an Netzwerkarchitektur erlaubt Mobile IP und verwandte Protokolle Layer 4 (Transport) Ziel: Infrastruktur unverändert lassen, Endsysteme sind für Mobilitätsunterstützung verantwortlich UMTS/GPRS: Routing anhand von QoS-Spezifikationen, Tunnel-IDs (GTP-U) 15

16 Anwendung Layer 7 (Anwendung) Ziel: keine Änderungen der bestehenden Netze dynamisches DNS, Änderung Mapping Name IP Hybride Ansätze Ziel: Optimierung der Mobilitätsentscheidung eines Layers unter Einbeziehung der Informationen anderer Layer automatischer Wiederaufbau einer Verbindung nach Adressänderung (Applikation nutzt Informationen aus Transport- & Vermittlungsschicht) 16

17 Layer-2-Mobilität (Mikromobilität) unsichtbar für Netzwerkschicht Realisierungsansätze: Per-host-fowarding: Update der MAC-Adress-Tabellen in Switches Tunneling: Nutzung der MAC-Adresse als Lokator (bspw. Proxy-ARP) Beispiele mit geswitchtem Backendnetz (bspw. Uni-WLAN) Update der Adresstabellen der Switche UMTS/GPRS Per-host-forwarding zwischen Kernnetzelementen Tunnel um IP-Router zwischen Netzelementen zu überbrücken 17

18 Mikromobilität in IEEE Phasen Erkennung des Verbindungsverlustes Suche eines neuen Accesspoints Re-/Authentifizierung am neuen AP Re-/Assoziierung mit neuem AP Erkennung durch zu schwaches Signal oder fehlgeschlagene Übertragungen Suche nach neuem AP durch aktive und passive Standardmethoden (Scanning) 18

19 Mikromobilität in IEEE Scanning macht 90% der Handover-Latenz aus Starke Unterschiede trotz gleicher Hardware Verbesserungen: Periodisches Scanning Selektives Scanning STA verschiedene APs neuer AP 19

20 Layer-2-Mobilität in UMTS Terminierung des IP-Tunnels des Endgeräts Per-host-Forwarding Tunnel über IP-Netz 20

21 Mobile IP (Layer 3, Makromobilität) Grundproblem: Verbindung von Identifikation und Lokalisierung in IP-Adresse Anforderungen an Mobile IP Transparenz Endknoten behalten ihre Adresse (stabile Identität) Fortsetzen der Kommunikation nach Linkunterbrechung Ort der Anbindung ans Netz variabel Kompatibilität Nutzung der gleichen L2-Protokolle wie IP keine Änderungen an Endsystemen und Routern Kommunikation zwischen mobilen und statischen Systemen möglich 21

22 Mobile IP (Layer 3, Makromobilität) Anforderungen an Mobile IP (Fortsetzung) Sicherheit Authentisierung aller Nachrichten Effizienz/Skalierbarkeit typischerweise Nutzung über schmale Funkverbindungen geringer Overhead Unterstützung einer großen Anzahl weltweit verteilter Systeme 22

23 Mobile IP Heimatnetz Home Agent (HA) Internet Foreign Network Foreign Agent (FA) Mobile Node Correspondent Node (CN) 23

24 Mobile IP Begriffe Mobile Node (MN) Mobiles Endsystem mit gleichbleibender IP-Adresse Home Agent (HA) System im Heimatnetz des MN (typisch: Router) verantwortlich für Registrierung von Tunneln und Weiterleitung von Paketen zu MN Foreign Agent (FA) System im aktuellen Netz des MN (typisch: Router) leitet Pakete an MN weiter, typischerweise Defaultgateway für MN überflüssig in IPv6 24

25 Mobile IP Begriffe (Fortsetzung) Care-of-Address (CoA) Adresse des aktuellen Tunnelendpunktes des MN (entweder FA oder MN) aktuelle Position des MN aus Sicht von IP Sonderfall Co-located CoA: CoA wird vom MN selbst gehalten (bspw. Netze ohne FA) Correspondent Node Kommunikationspartner sieht nur Heimatadresse des MN 25

26 Mobile IP Datentransfer zum MN Heimatnetz Home Agent (HA) Internet Foreign Network Foreign Agent (FA) Mobile Node Correspondent Node (CN) CN sendet an MN wird von HA abgefangen HA tunnelt Paket zu CoA (im Beispiel FA) FA leitet Paket an MN weiter 26

27 Mobile IP Datentransfern vom MN Heimatnetz Home Agent (HA) Internet Foreign Network Foreign Agent (FA) Mobile Node MN sendet direkt von Heimatadresse an CN FA fungiert als Defaultrouter Correspondent Node (CN) 27

28 Mobile IP Agent Discovery und Registration Heimatnetz 4 1. FA bietet Service via Broadcast an 2. MN sendet Registration Request 3. FA sendet Binding Update an HA 4. HA verwaltet Verbindung zwischen Heimatadresse, aktueller CoA und Lebenszeit (Binding) 5. HA akzeptiert oder verweigert Binding Update 6. FA informiert MN über Status 3 5 Foreign Network

29 Mobile IP: Agent Discovery und Registration Agent Advertisement HA & FA senden periodisch oder auf Anforderung durch den MN Broadcastnachrichten in ihre Subnetze MN ermittelt anhand dieser Nachricht, ob er in einem Fremdnetz ist MN ermittelt CoA aus Advertisement Registrierung MN signalisiert CoA and HA mittels FA, HA antwortet auf selbem Weg Nachrichten grundsätzlich authentifiziert 29

30 Mobile IP Datentransfer zum MN Heimatnetz /16 HA Foreign Network MN: Internet /16 FA: Heimatadresse FA-CoA : Mögliche Betriebsart bei IPv4 Correspondent Node (CN) 30

31 Mobile IP Datentransfer zum MN Heimatnetz 2001:db8:1::/64 HA Foreign Network MN: 2001:db8:1::2 Internet 2001:db8:2::/64 FA: 2001:db8:2::1 Correspondent Node (CN) Heimatadresse 2001:db8:1::2 Co-located-CoA : 2001:db8:2:x:y Mögliche Betriebsart bei IPv4 Standardbetriebsart für IPv6 31

32 Mobile IP Tunneling Einpacken eines Packets in ein anderes IP-in-IP (RFC 2003) für IPv4, Generic Packet Tunneling in IPv6 (RFC 2473) Tunnel zwischen HA und CoA Allg. Header-Informationen NH = 0x41 IP-Adresse des HA CoA Allg. Header-Informationen NH = L4-Proto IP-Adresse des CN IP-Adresse des MN Daten MIP-Header getunneltes Paket 32

33 Mobile IP Routenoptimierung Problem: Triangular Routing alle Pakete für MN müssen erst durch HA erhöhte Latenz & Netzlast Lösungsansatz HA informiert CN über Position von MN CN baut direkten Tunnel zu MN auf Vorteile Verringerte Last auf HA, verringerte Latenz Nachteil Mobile IP nicht mehr transparent für CN ggf. Sicherheitsprobleme mit Binding Updates 33

34 Mobile IP Routenoptimierung (IPv4) HA 2 Foreign Network FA MN Correspondent Node (CN) 5 1. CN sendet Daten an MN (via HA) 2. HA tunnelt Daten zu FA 3. FA entpackt Daten und sendet sie an MN 4. HA informiert CN über neue Position von MN 5. CN baut Tunnel zu FA (CoA) auf und sendet folgende Daten direkt 34

35 Mobile IP Routenoptimierung (IPv4) Problem: Wechsel des FA Pakete können während Wechsel verloren gehen Lösungsansatz neuer FA benachrichtigt alten FA alter FA leitet ggf. noch eintreffende Pakete an neuen FA weiter zusätzlich: alter FA kann ggf. Ressourcen freigeben 35

36 Mobile IP Routenoptimierung (IPv4) HA 4 FA MN 3 CN 6 FA MN informiert alten FA 2. CN versucht MN über FA1 zu erreichen 3. FA1 tunnelt Daten via FA2 zu MN 4. FA1 sendet Binding Warning an HA 5. HA sendet Binding Update an CN 6. CN sendete weitere Daten via neuem Tunnel zu FA2 36

37 Mobile IP Routenoptimierung (IPv6) HA 2 Neues Netz nach Umzug 1 3 MN CN 4 1. CN sendet Daten an MN (via HA) 2. HA tunnelt Daten zu FA 3. MN detektiert Umleitung über HA Binding Update an CN 4. CN tunnelt Daten direkt zu MN 37

38 Mobile IP Routenoptimierung (IPv6) HA 1 Neues Netz nach Umzug MN 2 CN 3 1. MN sendet Binding Update an HA 2. MN sendet Binding Update zusätzlich an (alle ihm bekannten) CN 3. CN tunnelt Daten zu neuer CoA 38

39 Mobile IP Reverse Tuneling Problem: Router verifizieren ggf. Absenderadresse von Paketen (you wish ) direkte Kommunikation zwischen MN und CN mit falscher Absenderadresse unmöglich Lösung: Datenverkehr des MN auch über HA routen Reverse Tunneling Vorteile löst Problem mit topologisch falschen Adressen TTL- und Multicastprobleme für MN gelöst Nachteile Doppeltes Triangular Routing Effizienz! Sicherheitsprobleme (Umgehung von Firewalls) 39

40 Mobile IP Reverse Tunneling Heimatnetz HA Foreign Network MN Internet FA MN sendet in Richtung CN via FA FA tunnelt Pakete zu HA HA routet Pakete ins Netz transparent für Außenstehende Correspondent Node (CN) 40

41 Mobile IP Neuerungen IPv6 MIPv6 vereinfacht Protokollanwendung IPSec als Sicherheitsarchitektur ist verpflichtend Verwendung von AH zur Sicherung der Binding Updates jeder Router sendet Advertisements, jeder Node unterstützt Autoconfig CoA ist immer co-located, kein gesonderter FA notwendig MN kann CoA direkt an CN signalisieren automatische Routenoptimierung ohne HA Handover ohne Paketverlust durch Signalisierung von MN an alten Router, Weiterleitung von Daten via Tunnel Tunneling durch Routing-Header möglich 41

42 Mobile IP Probleme Sicherheit und Vertraulichkeit Keine einheitliche Authentifizierungsinfrastruktur zwischen verschiedenen Organisationen IPSec bildet nur technische Basis Schlüsselverteilung nicht standardisiert (Turnschuhmanagement) Vertraulichkeit des Verbindungspunktes durch Routenoptimierung gefährdet Quality-of-Service Pfadänderungen beeinflussen QoS-System ggf. massiv (invalidieren Reservierungen, ändern ggf. ausgehandelte SLAs) Sicherheitsprobleme Umgehung von Firewalls möglich (bei unsicheren MNs) 42

43 Kontakt Technische Universität Ilmenau Dipl.-Inf. Markus Brückner fon: +49 (0) fax: +49 (0) Besucheradresse: Technische Universität Ilmenau Helmholtzplatz 5 Zusebau, Raum 1034 D Ilmenau 43

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