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Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta [email protected]

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Page 1: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Simulando Protocolos de Handover Suave

Vera [email protected]

Page 2: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Tópicos

O problema do handover em redes sem fio

Handover no Mobile IP: problemas e melhorias propostas

HOPF – HandOver Protocol Framework Arquitetura Módulos canônicos Composição de protocolos

Simulação de protocolos de handover Protocolo básico, Cellular IP, Muticast-based

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O problema do handover

Handover ou handoff é o procedimento empregado em redes sem fio para tratar a transição de uma unidade móvel (UM) de uma célula para outra

Objetivo: manter a conexão com uma UM permitindo a continuidade dos serviços e aplicações em execução

Desafios: rápido e sem perdas de dados = handover suave (seamless) = migração transparente

Page 4: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Handover em rede celular

Rede fixa Rede fixa

Estação Base (EB)

Célula

BD de localizações

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Etapas do handover

Detecção do handover: quando e como a necessidade de handover é detectada

Decisão /Início: escolha da nova estação base (EB), geração da nova conexão: autenticação /autorização, alocação de canais

Atualização de contexto: notificação da nova localização, reconfiguração do caminho de roteamento de pacotes

Page 6: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Problemas do handover

Detecção e início do handover devem ser feitos antes da perda da conexão

Como selecionar a “melhor” EB Handover pode não se completar pela

falta de recursos na nova EB Tempo requerido pelo handover pode

causar atrasos na entrega de pacotes e afetar o desempenho do TCP e aplicações de tempo real

Page 7: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Handover no Mobile IP

Mobile IP [1] trata mobilidade na camada de rede, é independente do meio físico => Solução global para mobilidade

Mantém conexões ativas durante migrações

Objetivo primordial: encaminhar pacotes a nós móveis

Page 8: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Handover no Mobile IP

Home Agent

Internet

Internet

Foreign Agent

Foreign Network

Home NetworkCN

UM

(1)UM

(2) CoA

Agent Advertisement

(3) CoA

Binding Update

(4)

Tunneling

Page 9: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Problemas do handover no Mobile IP

Solução na camada de rede: detecção do handover e identificação da nova EB através de Agent Advertisements

Migrações freqüentes em pequenas áreas => atrasos na entrega de pacotes e perdas (HA distante) => handover não-suave

Roteamento triangular Otimizações propostas para reduzir

latência e perdas (Routing Optimization [2], Smooth Handoff [3])

Page 10: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Melhorias propostas ao Mobile IP

Estratégia Solução

Redirecionar pacotes Mecanismo de buffer

Hierarquias de FAs Mobile IP Hierárquico [4]

Soft-handover Cellular IP [5]

Multicasting Multicast-based [7]

Reconfiguração de caminhos

HAWAII [6]

Antecipação do handover

Fast Handover [8]

Link layer handover POLIMAND [9]

Page 11: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Gateway Internet Internet

CN HA

Domínio 1

Domínio 1 Domínio 2 Domínio 2

Micro-mobilidade

Macro-mobilidade

Gateway

Page 12: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

HOPF – HandOver Protocol Framework

Arcabouço para composição, teste e simulação de protocolos de handover

Aplicações possuem diferentes requisitos de QoS

Um conjunto de técnicas pode ser empregado em uma tarefa de handover para melhor satisfazer os requisitos da aplicação

Padrão de mobilidade e características da rede também influenciam na escolha das técnicas

Módulos canônicos: elementos estruturais básicos para a composição de protocolos

Page 13: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

CanonicalModules

CanonicalModules

HOPF

Requisitos de QoS

Requisitos de QoS

Perfil de MobilidadePerfil de

Mobilidade

Característicasda rede

Característicasda rede

Module SelectorModule Selector

MobiCSMobiCS

Componente de Configuração

Parametrização /Composição

SH Protocol

Event HandlerEvent Handler

CompComp CompComp CompComp

Controle de execução

Simulação /Testes

Page 14: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Módulos Canônicos Gerenc. de handover: módulos para detecção

de handover, estabelecimento da nova conexão, atualização de contexto, otimizações

Gerenc. de localização: como a localização da UM é mantida e como é atualizada

Roteamento de pacotes: como os pacotes são encaminhados para Ums (Unicast, Multicast)

Suporte à mobilidade: elementos de rede, estruturas de dados específicos (caches específicos, BD de localizações)

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Page 16: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Framework de Controle de Execução

HOCtrlComp

EventHandler

HOCtrlComp

EventHandler

Protocol Simulation Tool (MobiCS)Protocol Simulation Tool (MobiCS)

LocMangComp

EventHandler

LocMangComp

EventHandler

RoutMangComp

EventHandler

RoutMangComp

EventHandler

QoSMangComp

EventHandler

QoSMangComp

EventHandler

Controller

EventHandler

Controller

EventHandler

Eventos externos

Eventos internos

Page 17: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Componentes de protocolo HOCtrlComp: possui 4 sub-componentes

(HODetectSComp, HOInitSComp, CxtUpdSComp, DataFlowSComp), tratam as tarefas do handover

LocManagComp: mantém a localização da UM atualizada

RoutingComp: trata o encaminhamento de pacotes em alguma forma de transmissão

QoSComp: tarefas de reserva de recursos e monitoramento

Page 18: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Fluxo de execução A seqüência de operações para cada tipo

de evento depende do conjunto de módulos canônicos selecionados para cada componente de protocolo

Podemos ter mais de um módulo para tratar uma mesma tarefa, queremos evitar modificações no Controller e componentes qdo trocamos de módulos

Solução: Padrão Chain of Responsability

Page 19: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Padrão Chain of Responsability

Permite invocação uniforme de objetos na ocorrência de um evento

Idéia básica: desacoplar o remetente de uma requisição de seu receptor, permitindo que mais de um objeto possa tratá-la

Uma requisição é passada por uma corrente de objetos

Vantagens: permite que um evento seja tratado por um ou mais módulos e evita modificações no Controller e componentes na troca de módulos

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Page 21: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Composição de protocolos Suporte à mobilidade: elementos de rede,

caches específicos (LocMangComp) Forma de transmissão de pacotes (RoutComp) Detecção do handover (HODetectionComp) Tipo de handover: hard, soft, semi-soft

(HOCtrlComp) Atualização de localização, caminho de

roteamento (LocMangComp) Otimizações: buffer, atecipação do handover,

replicação de pacotes (DataFlowComp, HOTecComp)

Page 22: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Protocolos simulados Protocolo básico

Gerenciamento centralizado de localização no GW

Roteamento de pacotes por tunelamento Cellular IP (hard handoff)

Gerenciamento distribuído de localização (roteadores específicos com caches soft-state)

Multicast-based Micromobility (M&M) Gerenciamento distribuído de localização

(grupo Multicast) Replicação de pacotes a todas Ebs vizinhas

Page 23: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Protocolo básico

GW

..

.

- msg Update é enviada para GW e ao recebê-la este atualiza a localização da UM- msg Dereg notifica a antiga BS sobre a saída da UM e os recursos são liberados- pacotes para UM são enviadas para antiga EB até que GW receba Update => são perdidos

(1) (2) Greet

(4) Dereg

(5) DeregAck

LocationDB

(3) Update

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Cellular IP Hard Handover

GW

..

.

(3)

(4)

Crossover Router (CR)

- handover simples e rápido- reduz perda de pacotes pois msg RouteUpdate precisa chegar somente até CrossoverRouter (roteador na intersecção dos dois caminhos)- não requer msg Dereg

(1) (2) RouteUpdate

Page 25: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Multicast-based handover

EB_resp

EB

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Handover

Mensagens:

LeaveJoin

- reduz latência e perdas- duplicação de pacotes- sobrecarga na rede

Page 26: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Otimizações Foram implementadas duas otimizações

para tratar o fluxo de pacotes durante o handover: Modo Semi-reliable: implementa um

mecanismo de buffer nas EBs (BufferModule) para permitir o redirecionamento de msgs

Modo Reliable: além do buffer, faz o controle de msgs recebidas (AckModule) e permite que a UM requisite os pacotes não recebidos (RetransmissionModule)

Page 27: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Simulações Simulações usando MobiCS (estocástico) Objetivos: comparar o desempenho dos

protocolos de handover com respeito ao número de mensagens perdidas e duplicadas variando-se o número de handovers e a taxa de envio de mensagens

Prob. de migração: Pmig={0.3, 0.5, 0.7} Prob. de envio de msg: Psend={0.3, 0.5,

0.7} Taxa de geração de eventos: 1 /70 UTS

(Unidade de Tempo Simulado)

Page 28: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Simulações – Topologia da rede

GWSource

BS1

BS2

BS3BS4

R3

R4

R1

R2

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Resultados (msg perdidas) Psend = 0.5 – Modo Unreliable

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Resultados (msg perdidas) Psend = 0.5 – Modo Semi-reliable

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Comparação

Modo Unreliable Modo Semi-reliable

Page 32: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Resultados (msg perdidas)Psend=0.7

Modo Unreliable Modo Semi-reliable

Page 33: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Resultados (msg duplicadas) Psend=0.5 – Modo Semi-reliable

Page 34: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Resultados (msg duplicadas) Psend=0.5 – Modo Reliable

Page 35: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Comparação

Modo Semi-reliable Modo Reliable

Page 36: Simulando Protocolos de Handover Suave Vera Nagamuta nagamuta@ime.usp.br

Resultados (msg duplicadas) Psend=0.7

Modo Semi-Reliable Modo Reliable

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Carga de mensagens Modo Reliable

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Carga de mensagens

Psend=0.1 Psend=0.7

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Conclusão Protocolos de micro-mobilidade oferecem

soluções específicas, não oferecem suporte a QoS O desempenho do procedimento de handover

depende de vários fatores, p.ex., gerenciam. de localização, roteamento de pacotes, características da rede, etc.

HOPF permite composição de handover a partir de módulos canônicos para melhor se adaptar aos requisistos das aplicações e condições da rede

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Conclusão

Próximas tarefas: Implementar e testar composição

com outros módulos canônicos Identificar relações de dependência

entre módulos canônicos Definir regras para seleção de

módulos a partir de resultados de simulações

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Referências[1] RFC 3220: IP Mobility Support for IPv4, IETF, Jan. 2002.[2] C. Perkins et al., “Route Optmization in Mobile IP” Internet Draft,

2000.[3] E. Gustafsson et al., “Mobile IP Regional Registration”, Internet

Draft, 2001. [4] H. Soliman et al., “Hierarchical Mobile IPv6 Mobility

Management”, Internet Draft, 2002.[5] A. Campbell et al., "Design, implementation, and evaluation of

Cellular IP", IEEE Personal Commun. Mag., 2000.[6] R. Ramjee et al, "HAWAII: A Domain-based Approach for

Supporting Mobility in Wide-area Wireless Networks",Proc. International Conf. Network Protocols.

[7] A. Helmy et al., "Efficient Micro-Mobility using Intra-domain Multicast-based Mechanism (M&M)", ACM SIGCOMM Computer Communications Review, 2002.

[8] G. Dommety et al., “Fast Handovers for IPv6”, Internet Draft, IETF, 2002.

[9] S. Aust et al., “Policy-based Mobile IPv6 Handover Decision (POLIMAND)”, Internet Draft, IETF, 2005.