Quản lý di động trong mạng IP

Chương này sẽ tìm hiểu về các vấn đề sau: Quản lý di động mobility management: là các chức năng được sử dụng để quản lý thuê bao di động đang truy nhập vào mạng địa phương mạng khách mà

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ NGỌC GIAO

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Hữu Trung

Phản biện 2: TS Nguyễn Quốc Tuấn

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: 11h ngày 11 tháng 05 năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Thông tin di động đang là hình thức thông tin phổ biến nhất hiện nay Với việc các mạng di động đang dần chuyển lên 3G làm việc trong miền IP, các dịch vụ trong mạng di động càng trở nên phong phú và đa dạng đáp ứng được những đòi hỏi ngày càng cao của khách hàng Trong việc phát triển mạng di động và các dịch vụ trên mạng di động một vấn

đề luôn được các nhà cung cấp hạ tầng mạng và dịch vụ quan tâm đó là vấn đề quản lý di động

Thuật ngữ quản lý di động (Mobility management) mang một nội dung tương đối rộng liên quan đến các dữ liệu của thuê bao trong suốt quá trình di chuyển Hiển nhiên, nếu quy mô của mạng càng lớn, số lượng thuê bao càng nhiều, dữ liệu thuê bao càng phong phú thì nhiệm vụ quản lý di động càng phức tạp

Trong phạm vi của luận văn đã đưa ra những nhận xét tổng quan về quản lý di động, phân loại các phương thức quản lý, các yêu cầu cơ bản trong quản lý di động Nội dung chính của luận văn là phân tích, so sánh một số giao thức quản lý di động cơ bản Trên cơ sở

đó đề xuất những ứng dụng cho các giao thức này

Phạm vi nghiên cứu của luận văn là mạng di động trên nền IP và vấn đề liên quan đến nó là quản lý di động

Đối tượng nghiên cứu: các giao thức quản lý di động

Phương pháp nghiên cứu: tìm hiểu lý thuyết kết hợp với các ứng dụng cụ thể các giao thức quản lý di động đang được áp dụng trên mạng di động của nhiều nước

Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo TS Lê Ngọc Giao đã tận tình hướng dẫn và cung cấp cho em nhiều tài liệu phục vụ việc hoàn thiện luận văn này

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ DI ĐỘNG

1.1 Giới thiệu chương

Nhu cầu quản lý di động xuất phát từ nhu cầu hội tụ vào mạng cố định và sự phát triển liên tục của mạng Do vậy cần xác định yêu cầu về quản lý di động để cung cấp khả năng di động cho người dùng sử dụng dịch vụ suôn sẻ nhất Chương này sẽ tìm hiểu về các vấn đề sau:

Quản lý di động (mobility management): là các chức năng được sử dụng để quản lý

thuê bao di động đang truy nhập vào mạng địa phương (mạng khách) mà không phải mạng nhà của thuê bao đó Các chức năng này bao gồm việc giao tiếp với mạng nhà để thực hiện nhận thực, cấp quyền, cập nhật vị trí và tải thông tin về người dùng

1.3 Các vấn đề cần quan tâm đối với quản lý di động

1.3.1 Môi trường mạng

Trong mạng NGN có rất nhiều công nghệ truy nhập hữu tuyến/vô tuyến mới và đang tồn tại được hỗ trợ như WLAN, xDSL và các mạng 2G/3G Mỗi kiểu mạng truy nhập được kết nối tới mạng lõi NGN để cung cấp cùng các loại dịch vụ như nhau cho người dùng,

không phụ thuộc vào kiểu mạng truy nhập

1.3.2 Các đặc điểm chung về quản lý di động

1.3.2.1 Các dạng di động

Quản lý di động có thể phân loại theo tính di động như sau:

 Di động của thiết bị đầu cuối

 Di động của mạng

 Di động cá nhân

 Di động dịch vụ

1.3.2.2 Các đặc điểm của tính liên tục dịch vụ

Tính di động có thể được phân loại theo tính liên tục của dịch vụ như sau:

Hình 1.2 Phân loại tính di động theo chất lượng dịch vụ

1.3.2.3 Lớp di động

Khái niệm lớp được sử dụng để phân loại phương thức quản lý di động

 Di động theo chiều ngang: Đây là dạng di động nhưng vẫn sử dụng cùng công nghệ truy nhập

 Di động theo chiều dọc: Đây là dạng di động giữa các lớp khác nhau, và là dạng di động có sự thay đổi về công nghệ truy nhập

1.3.3 Các chức năng quản lý di động

1.3.3.1 Quản lý vị trí

Quản lý vị trí bao gồm hai chức năng cơ bản: đăng kí vị trí và phân phối cuộc gọi/tìm gọi Đăng kí ví trí là thủ tục đăng kí vị trí hiện thời khi thiết bị đầu cuối di động thay đổi điểm gắn kết vào mạng Chức năng phân phối cuộc gọi được thực hiện để phân phối các gói tin tới di động đích và chức năng tìm gọi được sử dụng để tìm di động trong chế độ chờ

1.3.3.2 Quản lý chuyển giao

Quản lý chuyển giao được sử dụng để cung cấp cho thiết bị đầu cuối di động phiên liên tục mỗi khi thiết bị đầu cuối di động di chuyển sang các vùng mạng khác và thay đổi điểm gắn kết vào mạng trong quá trình một phiên Mục tiêu chính của chuyển giao suôn sẻ

là giảm thiểu sự gián đoạn dịch vụ do mất dữ liệu và trễ trong quá trình chuyển giao Hầu hết các giao thức quản lý di động thực hiện quản lý chuyển giao cùng với cơ chế quản lý vị trí thích hợp Tùy theo vùng chuyển giao như đã được đề cập, các dạng chuyển giao có thể được phân loại thành “chuyển giao trong một mạng truy nhập”, trong đó di động di chuyển trong vùng phủ của cùng một mạng truy nhập trong mạng NGN, và “chuyển giao giữa các mạng truy nhập hoặc các mạng lõi khác nhau”, trong đó di động thay đổi hệ thống truy nhập cho các phiên đang thực hiện

1.4 Kết luận chương

Chương này đã tìm hiểu khái niệm về quản lý di động cũng như các vấn đề cơ bản cần quan tâm đối với quản lý di động như môi trường mạng, các dạng di động, các đặc điểm của tính liên tục dịch vụ, lớp di động, các chức năng quản lý di động như: quản lý vị trí, quản lý chuyển giao

CHƯƠNG II: PHÂN LOẠI, YÊU CẦU VÀ CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG QUẢN LÝ DI ĐỘNG

2.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ tìm hiểu về các vấn đề phân loại quản lý di động gồm có quản lý di động trong cùng mạng lõi và giữa các mạng lõi Các yêu cầu chung về quản lý di động, các vấn đề cơ bản của quản lý di động như đánh tên, địa chỉ, quản lý vị trí, tìm gọi, chuyển giao, chuyển vùng…Đây là những vấn đề rất quan trọng giúp cho các nhà cung cấp dịch vụ chọn lựa các chiến lược quản lý một cách hiệu quả cả về mặt kỹ thuật và kinh tế để mang lại dịch

vụ tốt nhất cho người sử dụng

2.2 Phân loại quản lý di động

2.2.1 Quản lý di động trong cùng mạng lõi (Intra-CN)

 Quản lý di động “Intra-AN”

 Quản lý di động “Inter-AN”

- Quản lý di động giữa các mạng truy nhập cùng loại

- Quản lý di động giữa các mạng truy nhập khác loại

2.2.2 Quản lý di động giữa các mạng lõi (Inter-CN)

2.3 Các yêu cầu đối với quản lý di động

2.3.1 Các yêu cầu chung

2.3.1.1 Phối hợp với các mạng dựa trên IP

2.3.1.2 Phân biệt giữa chức năng truyền tải và điều khiển

2.3.1.3 Cung cấp chức năng quản lý vị trí

2.3.1.4 Cung cấp các cơ chế nhận dạng người dùng/thiết bị

2.3.1.5 Hỗ trợ QoS

2.3.1.6 Phối hợp hoạt động với các cơ chế bảo mật và AAA đã thiết lập

2.3.1.7 Bảo mật thông tin vị trí

2.3.1.8 Hỗ trợ tính di động của mạng

2.3.1.9 Tối ưu hóa tài nguyên

2.3.1.10 Hỗ trợ IPv4/IPv6 và địa chỉ riêng/địa chỉ chung

2.3.1.11 Cung cấp tính di động dịch vụ và di động cá nhân

2.3.1.12 Khả năng truy nhập dữ liệu người dùng

2.3.1.13 Hỗ trợ nhiều loại đầu cuối di động

2.3.1.14 Duy trì thông tin ràng buộc

2.3.2 Yêu cầu quản lý di động giữa các mạng lõi (Inter-CNs)

2.3.2.1 Tính độc lập với các công nghệ mạng truy nhập

2.3.2.2 Phối hợp hoạt động hiệu quả với các giao thức quản lý di động hiện có

2.3.3 Yêu cầu quản lý di động giữa các mạng truy nhập

2.3.3.1 Tính độc lập từ các công nghệ mạng truy nhập

2.3.3.2 Cung cấp các cơ chế truyền ngữ cảnh cuộc gọi

2.3.3.3 Phối hợp hoạt động hiệu quả với các giao thức quản lý di động hiện có

2.3.3.4 Cung cấp chức năng quản lý chuyển giao đem lại các dịch vụ suôn sẻ

2.3.3.5 Hỗ trợ phương thức lựa chọn mạng động dựa trên chính sách

2.3.4 Yêu cầu quản lý di động trong cùng mạng truy nhập

2.3.4.1 Cung cấp các cơ chế truyền ngữ cảnh cuộc gọi

2.3.4.2 Cung cấp chức năng quản lý chuyên giao đem lại các dịch vụ suôn sẻ

2.4 Các vấn đề cơ bản trong quản lý di động

 Di động của mạng: Khả năng của mạng bao gồm các nốt di động được kết nối mạng với nhau, để thay đổi điểm gắn kết (dưới dạng đơn vị mạng) vào mạng tương ứng tùy theo chuyển động của chính mạng đó

 Di động dịch vụ: Đây là tính di động áp dụng cho một dịch vụ cụ thể, tức là khả năng của một đối tượng di động để sử dụng dịch vụ cụ thể (đã đăng kí) mà không phụ thuộc vào vị trí của người dùng và thiết bị được sử dụng

2.4.1 Ảnh hưởng của việc đánh tên và địa chỉ trong quản lý di động

Các mạng IP ngày nay, các ứng dụng cung cấp thuật toán đánh tên người dùng riêng của chúng Ví dụ, người dùng e-mail được nhận dạng bởi địa chỉ e-mail Các người dùng SIP được nhận dạng bởi SIP URI Nếu một nhà cung cấp dịch vụ yêu cầu người dùng đăng

ký với nhà cung cấp đó trước khi người dùng được phép truy nhập dịch vụ, người dùng có thể đăng ký với một tên tùy ý NAI có thể đóng vai trò như một số nhận dạng đầu cuối độc lập với tên người dùng duy nhất

2.4.2 Quản lý vị trí

Quản lý vị trí là một quá trình cho phép mạng duy trì cập nhật thông tin liên quan tới

vị trí di động Quản lý vị trí yêu cầu các khả năng đặc thù sau:

 Cập nhật vị trí: là quá trình thiết bị di động cung cấp cho mạng biết vị trí hiện tại của

nó

 Tìm kiếm vị trí: Là quá trình mạng tìm kiếm chính xác vị trí hiện tại của thiết bị di động Quá trình này thường được gọi là tìm gọi đầu cuối hoặc đơn giản là tìm gọi

2.4.2.1 Các chiến lược cập nhật vị trí

 Cập nhật dựa vào thời gian

 Cập nhật dựa vào sự di chuyển

 Cập nhật dựa vào khoảng cách

 Cập nhật dựa vào các tham số

- Tìm gọi theo cá nhân: Mạng duy trì một khu vực tìm gọi riêng cho mỗi di động cá nhân

2.4.2.3 Tương tác giữa cập nhật vị trí và tìm gọi

Vấn đề cơ bản trong thiết kế và các giao thức cho các chiến lược cập nhật vị trí, tìm gọi là làm thế nào để đạt được sự cân bằng như sau:

 Quá tải: lãng phí tài nguyên mạng cho cập nhật và tìm gọi

Đầu tiên, chuyển giao trong mạng không dây dựa trên IP có thể xảy ra ở các lớp giao

thức khác nhau

Thứ hai, chuyển giao ở mỗi lớp giao thức có thể xảy ra trong các kịch bản khác

nhau Ví dụ, chuyển giao trong lớp IP có thể là:

 Chuyển giao giữa các mạng con

 Chuyển giao trong mạng con

 Chuyển giao giữa các router

Thứ ba, chuyển giao có thể là chuyển giao cứng hoặc mềm tùy thuộc vào cách thức

di động nhận dữ liệu người dùng từ mạng trong suốt quá trình chuyển giao

Có hai cách cơ bản để thực hiện một chuyển giao cứng đó là:

 Make-before-Break: Di động thiết lập kết nối mạng thông qua một điểm kết nối mới trước khi nó ngắt kết nối mạng cũ của nó

 Break-before-Make: Di động ngắt kết nối mạng hiện tại và sau đó thiết lập kết nối mạng qua điểm kết nối mới

Để nhận biết chuyển giao mềm cần có các khả năng sau:

 Chọn lựa và truyền dữ liệu

 Đồng bộ nội dung dữ liệu

2.4.4 Chuyển vùng

Chuyển vùng là quá trình mà một người dùng di chuyển sang một miền khách Để hỗ trợ chuyển vùng cần có thêm các khả năng sau:

 Điều khiển truy nhập mạng cho các di động khách

 Thỏa thuận chuyển vùng giữa miền nhà di động và các miền khách

 Tính liên tục phiên trong khi người dùng đi qua biên giữa các miền

2.5 Kết luận chương

Chương này đã tìm hiểu về các vấn đề phân loại quản lý di động gồm có quản lý di động trong cùng mạng lõi và giữa các mạng lõi Các yêu cầu chung về quản lý di động, các vấn đề cơ bản của quản lý di động như đánh tên, địa chỉ, quản lý vị trí, tìm gọi, chuyển giao, chuyển vùng…Mỗi mạng có một đặc điểm khác nhau, các chiến lược quản lý cũng khác nhau Vì thế tùy vào quy mô, đặc điểm của mạng mà sử dụng chiến lược quản lý nào cho phù hợp nhất, hiệu quả nhất Quản lý di động trong mạng IP sẽ được tìm hiểu kỹ hơn trong chương 3

CHƯƠNG III: QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONG MẠNG IP

3.1 Giới thiệu chương

Các giao thức chuẩn hiện tại do IETF đưa ra cho quản lý di động trong các mạng IPv4 thường đề cập tới MIPv4 MIPv4 cho phép một đầu cuối IP duy trì một địa chỉ IP cố định và nhận thông tin mà không phải quan tâm tới vị trí hiện tại mà đầu cuối kết nối vào mạng Hiện tại IETF đang đưa ra một giao thức quản lý di động lớp IP cho các mạng IPv6

đó là MIPv6

IETF cũng đưa ra các giao thức di động lớp IP hỗ trợ giảm trễ chuyển giao trong mạng tại một khu vực địa lý hẹp như tòa nhà, tổ hợp nhà ở hoặc khu vực trung tâm Các giao thức này thường được biết đến như là các giao thức quản lý di động trong phạm vi hẹp

ví dụ như CIP, HAWAII, MIPv4 Regional Registration

Nếu chỉ có các giao thức quản lý di động lớp IP đang có hoạt động riêng lẻ thì không thể hỗ trợ tính di động của người dùng Các giao thức quản lý di động lớp ứng dụng đã được

đề nghị để hỗ trợ cả di động đầu cuối và di động người dùng Giao thức di động được nghiên cứu phổ biến nhất trong lớp ứng dụng là SIP

3.2 Đánh tên và địa chỉ các đầu cuối IP

Một địa chỉ IP của đầu cuối không chỉ đơn giản để xác định đầu cuối mà nó còn xác định duy nhất điểm kết nối mạng IP của node di động Thông thường, một địa chỉ IP có vai trò để nhận dạng đầu cuối đó

IETF đã đưa ra định nghĩa nhận dạng truy nhập mạng (NAI) để nhận dạng một đầu cuối di động hoặc người dùng mà không cần quan tâm vị trí hiện tại của của đầu cuối hay số lượng địa chỉ IP mà đầu cuối có thể có

NAI có dạng username@realm Trong đó username nhận dạng đầu cuối, phần realm nhận dạng tên miền Internet của máy chủ truy nhập mạng NAS

Các bản tin này có thể được phát quảng bá theo chu kỳ tới tất cả di động hoặc phát tán bằng bất kỳ cách nào mà nhà cung cấp mạng thấy có thể Đầu cuối di động không phải đợi một cách bị động các bản tin quảng bá này Nó cũng có thể lấy bản tin Agent Advertisement từ các tác nhân di động bằng cách gửi một bản tin Agent Solicitation tới địa chỉ phát quảng bá 224.0.0.11 Mọi tác nhân di động đều phải trả lời khi nhận được bất kỳ bản tin Agent Solicitation nào

3.3.2 Phát hiện sự di chuyển

Phương pháp 1: Sử dụng trường thời gian sống trong các bản tin Agent

Advertisement Mỗi bản tin Agent Advertisement có một trường thời gian sống cho biết khoảng thời gian tồn tại của bản tin Với mỗi tác nhân gửi bản tin Agent Advertisement di động sẽ lưu đệm thời gian sống của bản tin Agent Advertisement cuối cùng mà nó nhận được cho tới khi thời gian sống hết Nếu di động không nhận được thêm bản tin Agent Advertisement mới nào từ cùng một tác nhân trong khoảng thời gian sống còn lại đó thì nó

sẽ cho rằng nó mất kết nối với tác nhân di động đó

Phương pháp 2: Sử dụng các tiền tố mạng Một di động có thể phát hiện khi nào nó

di chuyển vào một mạng con IP mới bằng cách so sánh tiền tố mạng của mạng cũ với mạng mới Nếu tiền tố của hai mạng khác nhau di động đã đi vào một mạng con IP mới Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi di động phải biết được độ dài tiền tố của mạng cũ và các mạng mới Một FA có thể quảng bá độ dài tiền tố mạng của mạng con nội bộ trong bản tin Agent Advertisement với phần mở rộng Prefix-Lengths Extension

3.3.3 Rời khỏi mạng nhà

Hai vấn đề cần phải giải quyết để hỗ trợ MIPv4 khi một di động rời khỏi mạng nhà đó là:

 Sau khi một đầu cuối rời khỏi mạng nhà, các node khác trong mạng nhà có thể vẫn lưu ánh xạ địa chỉ IP của di động với địa chỉ phần cứng trong ARP cache Do đó, chúng sẽ tiếp tục gửi các gói tin tới địa chỉ phần cứng của di động chứ không gửi tới

HA và gói tin sẽ bị mất MIPv4 sử dụng Gratuitous ARP để giải quyết vấn đề này Một gói tin Gratuitous ARP là một gói ARP chuẩn được gửi từ một node để trigger các node khác nhằm cập nhật ARP cache của chúng Giao thức ARP chuẩn đòi hỏi một node dùng thông tin chứa trong tất cả gói tin ARP mà nó nhận được để cập nhật danh sách hiện có trong ARP cache của nó Vì vậy một gói tin Gratuitous ARP có thể

là một gói tin ARP REQUEST