Simulando Protocolos de Handover Suave
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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
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
Handover em rede celular
Rede fixa Rede fixa
Estação Base (EB)
Célula
BD de localizações
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
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
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
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
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])
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]
Gateway Internet Internet
CN HA
Domínio 1
Domínio 1 Domínio 2 Domínio 2
Micro-mobilidade
Macro-mobilidade
Gateway
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
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
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)
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
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
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
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
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)
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
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
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
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
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)
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)
Simulações – Topologia da rede
GWSource
BS1
BS2
BS3BS4
R3
R4
R1
R2
Resultados (msg perdidas) Psend = 0.5 – Modo Unreliable
Resultados (msg perdidas) Psend = 0.5 – Modo Semi-reliable
Comparação
Modo Unreliable Modo Semi-reliable
Resultados (msg perdidas)Psend=0.7
Modo Unreliable Modo Semi-reliable
Resultados (msg duplicadas) Psend=0.5 – Modo Semi-reliable
Resultados (msg duplicadas) Psend=0.5 – Modo Reliable
Comparação
Modo Semi-reliable Modo Reliable
Resultados (msg duplicadas) Psend=0.7
Modo Semi-Reliable Modo Reliable
Carga de mensagens Modo Reliable
Carga de mensagens
Psend=0.1 Psend=0.7
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
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
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.