Mobilitätsunterstützung im Internet DHCP, MobileIP, MobileTCP, etc

1. Mobilitätsunterstützung im Internet
DHCP, MobileIP, MobileTCP, etc.
„ DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)
DHCP wurde zwar nicht unter dem Aspekt der Mobilität entwickelt, ist
aber heute für die Mobilitätsunterstützung unerlässlich, um ein mobiles
Endgerät (z.B. Laptop) in einer fremden Umgebung zu nutzen.
„ MobileIP
Mobilitätsunterstützung im Internet
Für Erreichbarkeit unter einer festen, bekannten IP-Adresse und für
nahtlose und unterbrechungsfreie IP-Kommunikation bei Mobilität über
die Grenzen von Subnetzen und Medientypen hinweg. Unterstützt
Transparenz oberhalb der IP-Schicht, inklusive Aufrechterhaltung
aktiver TCP-Verbindungen und UDP-Portbindungen während der
Mobilität.
„ MobileTCP
Erweiterung von TCP für den Einsatz in Umgebungen, die drahtlose
Verbindungen beinhalten.
Übersicht
Prof. Dr. Dieter Hogrefe
Mobilkommunikation
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
1.2
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)
„ Dynamische Vergabe von IP-Adressen
„ Wurde ursprünglich zur Erleichterung der Adressvergabe in
Subnetzen entwickelt
„ DHCP kann so konfiguriert werden, dass ein Host immer dieselbe
Adresse erhält, wenn er eingeschaltet wird. Fremden und neuen
Hosts muss daher dann manuell eine IP-Adresse gegeben werden.
„ Insbesondere auch in Fällen, wo nicht genug IP-Adressen
vorhanden sind
„ Häufiger ist allerdings die dynamische Zuweisung aus einem
Adress-Pool -> gut geeignet für mobile Hosts
„ Eigenschaften von DHCP
„ Adressvergabe erfolgt dynamisch auf bestimmte Zeit (Mietdauer,
Lease), damit IP-Adressen immer mal wieder frei werden. Kurz vor
Ablauf der Mietdauer, kann der Host sie auf Anfrage verlängern.
Voreingestellte Mietdauer: 3 Tage
… Erteilung einer freien IP-Adresse an einen neu hinzugekommenen
Client
… Übermittlung von zusätzlichen Informationen an den Client:
Subnetzmaske, Adresse des DNS und des Routers
„ Im folgenden:
… DHCP Client: Neu in ein Netz hinzugekommener Rechner (engl. Host),
der mit IP-Adresse und Konfigurationsinformationen versehen werden
möchte
… Übermittlung von optionalen Informationen, z.B. Adresse von
Mailservern und Webservern
… Keine manuelle Konfiguration notwendig, alle Einstellungen der
Parameter erfolgen vollständig und automatisch
… DHCP Server: verfügt über diese notwendigen Informationen
DHCP
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Mobilkommunikation
1.3
DHCP
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1.4
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)
Einfachster Fall: Subnetz enthält eigenen DHCP-Server
„ Ein DHCP-Client, der zunächst nicht in ein Netzwerk eingebunden ist und
daher nicht über die notwendigen Netzwerkparameter verfügt, hat vorerst
sehr eingeschränkte Kommunikationsfähigkeiten.
„ Der Client verteilt im Subnetz per Broadcast (Adresse 255.255.255.255)
eine Suchmeldung (DHCPDISCOVER), die u.a. seine MAC-Adresse
enthält.
„ Die DHCP-Pakete werden mit dem UDP Protokoll verschickt.
„ Erhält ein Server eine Suchmeldung, sendet er an den Client (MACAdresse) eine Antwort (DHCPOFFER). Teil der Antwort ist eine mögliche
Netzwerkkonfiguration.
„ Nimmt ein Client die Netzwerkkonfiguration an, sendet er an den Server
(dessen IP-Adresse jetzt bekannt ist) eine Anfrage (DHCPREQUEST).
„ Hiermit willigt der Client explizit ein, die Netzwerkkonfiguration zu benutzen.
Ist der Server einverstanden, bestätigt er die Anfrage positiv (DHCPACK).
„ DHCP-Formate: z.B. http://www.auggy.mlnet.com/ibm/3376c418.html#dhcp
DHCP
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1.5
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
DHCP
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1.6
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
Einfachster Fall: Subnetz enthält eigenen DHCP-Server
Einfachster Fall: Subnetz enthält eigenen DHCP-Server
Server
(nicht ausgewählt)
Bestimmung der
Konfiguration
Client
Initialisierung
DHCPDISCOVER
DHCPDISCOVER
Server
(ausgewählt)
Bestimmung der
Konfiguration
DHCPOFFER
DHCPOFFER
Sammeln der Antworten
Zeit
Auswahl der Konfiguration
DHCPREQUEST
(reject)
DHCPREQUEST
(Optionen)
Bestätigung der
Konfiguration
DHCPACK
Initialisierung komplett
Geregelter Abbau
DHCPRELEASE
DHCP
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Mobilkommunikation
1.7
Löschen des
Kontexts
DHCP
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1.8
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
„ i.d.R. enthält nicht jedes Subnetz einen DHCP-Server, das würde nämlich
sehr viele Server erzeugen
„ DHCP nutzt in solchen Fällen das Konzept des DHCP-Relaisagenten
„ In jedem Subnetz gibt es mindesten einen Relaisagenten, der einen DHCPServer in einem benachbarten Subnetz kennt
„ Empfängt der Relaisagent ein DHCPDISCOVER, dann sendet er das direkt
(Unicast) and den DHCP-Server weiter
„ Nach erfolgreichem Ablauf dieses Vorgangs ist der Client im Besitz
eines Leases.
„ Solange der Lease gültig ist, verwendet der Client die ihm
zugewiesene IP-Adresse, ohne dass das DHCP-Protokoll noch
einmal benutzt wird
„ Zusätzlich zu der Lease-Zeit werden dem Client zwei weitere Zeiten
T1 und T2 gemeldet. Standardwerte:
Broadcast
DHCP-Mietdauer (Lease)
DHCPDISCOVER
Falls Subnetz keinen eigenen DHCP-Server enthält
DHCP
Relais
Andere Netze
… T1=50% der Lease-Zeit
… T2=87,5% der Lease-Zeit
DHCP
Server
„ Nach dem Ablauf von T1 versucht der Client, den Lease zu
erneuern.
„ Hierzu sendet er an den DHCP-Server, der den Lease ursprünglich
gesendet hat, eine erneute Anfrage (DHCPREQUEST).
„ Falls bis T2 keine positive Antwort: erneutes Broadcast an alle
DHCP-Server (DHCPDISCOVER) wie am Beginn
Unicast
DHCPDISCOVER
DHCP
Client
DHCP
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1.9
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
DHCP
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Mobilkommunikation
1.10
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
Sicherheitsaspekte
Mobilitätsaspekte von DHCP
„ Rechner in einem Subnetz genießen oft Privilegien gegenüber
Rechnern aus anderen Subnetzen
„ Diese möchten man nicht unbedingt jedem „Gast“ gewähren
„ Umgekehrt ist auch der DHCP-Client auf die Vertrauenswürdigkeit
des DHCP-Servers und ggf. des Relaisagenten angewiesen
„ Es sollte also hier gegenseitige Authentifikation stattfinden
„ Es gibt noch kein Sicherheitskonzept, das sich für DHCP als
Standard etabliert hat.
„ Arbeitsgruppe, siehe z.B. www.dhcp.org
„ DHCP ist gut geeignet, um einem mobilen Host eine topologisch
korrekte IP-Adresse, sowie andere Parameter wie Standard-Router
und DNS-Server in einem Subnetz zu erteilen.
„ Der Host kann so Dienste eines lokalen Netzes nutzen, z.B.
Internetzugang, Drucken, etc., manchmal reicht das völlig aus
„ Bietet der Host allerdings selbst Dienste an, ist DHCP allein noch
keine Lösung. Durch die regelmäßig wechselnde IP-Adresse ist der
Host von außen nicht auffindbar.
„ Das Problem kann durch dynamische DNS-Dienste gelöst werden,
d.h. Host ist per Namen bekannt und nicht per IP-Adresse
„ Der Host kann sich allerdings nicht unterbrechungsfrei und für
höhere Schichten transparent über mehrere Subnetze bewegen,
weil er jedes Mal eine neue IP-Adresse erhält und damit TCPVerbindungen unterbrochen werden.
DHCP
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Mobilkommunikation
1.11
DHCP
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Mobilkommunikation
1.12
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
Mobile IP
Mobile IPv4 Terminologie
„ MobileIP Working group in der IETF:
„ Mobiler Rechner (engl. Mobile Host MH) bewegt sich zwischen
verschiedenen Subnetzen, besitzt dabei aber eine feste IP-Adresse.
„ Kommunikationspartner (engl. Corresponding Node CN) ist der
Rechner, der Kontakt zum MH aufnehmen möchte, kann selber fest
oder mobil sein.
„ Heimagent (engl. Home Agent HA) ist der Stellvertreter des MH im
Heimnetz (Home Network HN), solange sich MH im fremden Netz
befindet. HA ist ähnlich wie HLR bei GSM zu sehen, ist also ständig
über den Aufenthaltsort von MH informiert.
„ Fremdagent (engl. Foreign Agent FA) ist ein zentraler Rechner im
Fremdnetz, der sich um die MHs „kümmert“, also eingehende
Nachrichten an sie weiterleitet. FA ist nicht unbedingt notwendig,
entfällt vollständig bei MIPv6 (MobileIPv6).
The Mobile IP method supports transparency above the IP layer,
including the maintenance of active TCP connections and UDP port
bindings. Where this level of transparency is not required, solutions
such as DHCP and dynamic DNS updates may be adequate and
techniques such as Mobile IP not needed.
„ Seit einigen Jahren gibt es Implementationen von Mobile IP für IPv4
„ Mobiler Host erhält eine feste IP-Adresse, die in allen Fremdnetzen
wie im Heimatnetz verwendet werden kann
„ Allerdings ist bei IPv4 eine Anzahl zusätzlicher Rechner in den
Subnetzen notwendig, daher nicht weit verbreitet
„ Mobile IPv6 bietet einige Vereinfachungen und wurde im Sommer
2003 verabschiedet
MobileIP
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1.13
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
MobileIP
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1.14
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
Mobile IPv4 Terminologie
Fremdnetz
Heimnetz
Foreign Agent
(FA)
„ Heimadresse ist die IP-Adresse, unter der der MH permanent
erreichbar ist, ist eine topologisch korrekte Adresse im Heimnetz,
hat also den selben Adress-Präfix wie der Heimagent (z.B
141.83.21....)
„ Care-of-Adresse (COA) ist die IP-Adresse, die der MH im
Fremdnetz verwendet. Es gibt zwei Arten von COA:
Internet
Home Agent
(HA)
… Foreign-Agent-COA: Fremdagent übernimmt Weiterleitung
einkommender Pakete an MH. Mehrere MH können selben FA haben
… Co-located-COA: wird dem MH im Fremdnetz zugewiesen und an
Home Agent übermittelt. Es gibt keinen Foreign Agent. Co-located-COA
müssen für jeden MH im Fremdnetz verschieden sein.
Mobile Host
(MH)
Corresponding
Node (CN)
MobileIP
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1.15
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Mobilkommunikation
1.16
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
Mobile IPv4 Funktionsprinzip
Foreign Agent
(FA)
IP-in-IP-Kapselung
Subnetz
141.83.21....
COA=162.13.67.106
Internet
Subnetz
162.13.67....
Tunnel
IP
ke
Pa
t
ak
-P
IP
Rü
et
Home Agent
(HA)
141.83.21.120
g
un
ht
ric
ck
Mobile Host
(MH)
141.83.21.123
Corresponding
Node (CN)
„ Correspondent Node sendet ein IP-Paket an den Mobile Host (z.B.
mit der Adresse 141.83.21.123).
„ Das Internet routet das Paket automatisch an das Subnetz mit dem
entsprechenden Präfix (z.B. 141.83.21...).
„ Das Paket wird im Subnetz vom Home Agent abgefangen.
„ Das Paket wird „eingekapselt“ in ein Paket für die Zieladresse COA
des Foreign Agent (z.B. 162.13.67.106). Einkapseln heißt, das
Paket erhält einen zusätzlichen Header. Das ursprüngliche Paket
wird vollständig in den Datenteil des neuen Pakets gebracht.
„ Beim Foreign Agent wird das Paket wieder „ausgepackt“ und das
ursprüngliche Paket an den MH gegeben.
„ Für die Rückrichtung kann der MH die normale Adresse des CN und
die normalen Routing-Mechanismen des Internet verwenden, was
aber wegen der vielfältigen Sicherheitsbarrieren oft nicht
funktioniert.
MobileIP
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1.17
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
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Mobilkommunikation
1.18
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
Drei Teilschritte bei Mobile IPv4
Agent Discovery
„ Agent Discovery
„ Agent Advertisement
… Agent Advertisement
… Agent Solicitation
… HA und FA senden periodisch spezielle Nachrichten über ihr
Vorhandensein in die jeweiligen physikalischen Subnetze
… MH hört diese Nachrichten und erkennt, ob er sich im Heimat- oder
einem Fremdnetz befindet (Standardfall falls im Heimatnetz)
… MH kann eine COA aus den Nachrichten des FA ablesen
„ Registrierung
… Registration Request
… Registration Reply
… Message Digest
„ Agent Solicitation
… MH sendet selbst eine Aufforderung in das fremde Netz, ein Agent
Advertising durchzuführen
… wird verwendet, wenn das Fremdnetz sich nicht von sich aus meldet,
oder MH nicht auf das periodische Senden-Warten möchte
… MH erzwingt damit, dass sich die Agenten sofort zu erkennen geben
„ Tunneling
… Forward Tunneling
… Reverse Tunneling (optional, aber aus Sicherheitsgründen fast immer
notwendig)
„ Erhält MH kein Advertising, geht er davon aus, dass er im Heimnetz
ist und versucht, den ihm bekannten Router zu kontaktieren.
Scheitert das, versucht er mit DHCP eine COA zu erhalten.
MobileIP
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Mobilkommunikation
1.19
MobileIP
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Mobilkommunikation
1.20
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
Registrierung
Reverse Tunneling
„ MH meldet via FA seinem HA die COA, dieser bestätigt via FA an MH
„ diese Aktionen sollen durch Authentifizierung abgesichert werden
MH
registr
a
reque tion
st
HA
FA
n
tratio
regis
ly
rep
MH re
gistra
reque tion
st
registr
a
reque tion
st
ation
registr
reply
t
HA
Pakete von MH an CN können direkt geschickt werden, bei der Weiterleitung
interessiert nur die Zieladresse. Allerdings reagieren viele Router, insb. im Fremdnetz
abweisend, weil die Quelladresse (Heimadresse des MH) im Fremdnetz topologisch
nicht korrekt ist und daher aus Sicherheitsgründen eine Fälschung unterstellt wird.
Ein Tunnel in umgekehrte Richtung also vom FA zum HA löst zwar das Problem,
verschärft aber die Ineffizienz im Routing, z.B. wenn FA und CN geographisch dicht
beieinander sind.
Internet
ation
registr
reply
Tunnel
Foreign Agent
(FA)
Home Agent
(HA)
t
Registrierung direkt
(Co-located-COA)
Registrierung via Foreign Agent
(Foreign Agent-COA)
Mobile Host
(MH)
Corresponding
Node (CN)
MobileIP
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Mobilkommunikation
1.21
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
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Mobilkommunikation
1.22
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
Route Optimierung
Route Optimierung
„ Triangular Routing Problem
„ Lösung (in MIPv6)
… Sender sendet alle Pakete via HA zum MH
… Bei Reverse-Tunneling geschieht dies auch in umgekehrte Richtung
… unnötige Verzögerung und Netzlast, insb. Möglichkeit der Überlast beim
HA
… Direktes Tunneln zwischen CN und MH
… MH registriert sich direkt mit CN
… Sicherheitsprobleme werden durch Verschlüsselungsmethoden gelöst
Tunnel
Tunnel
(MH)
Internet
(HA)
(FA)
Deutschland
Japan
(MH)
Japan
l
(HA)
Deutschland
Tu
nn
e
Internet
(CN)
(CN)
MobileIP
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Mobilkommunikation
1.23
MobileIP
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Mobilkommunikation
1.24
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
Mobile IPv6
Micromobility, CellularIP
„ Es gibt keinen Foreign Agent (FA) mehr, nur noch Co-located-COA
„ Wegen Standard IPv6 Prozeduren Neighbor Discovery und
Autoconfiguration ist keine spezielle Mobilitätsunterstützung auf
Netzwerkseite notwendig, alle Router in IPv6 beherrschen Router
Advertisement
„ Eingebaute Sicherheit, alle Pakete werden authentifiziert
„ Route-Optimierung mit Sicherheitskonzept
„ „seamless handover“ (unterbrechungsfrei), d.h. ohne Paketverluste,
zwischen verschiedenen Subnetzen werden unterstützt
„ Bei zukünftigen Anwendungen in flächendeckenden WLAN-Netzen
muss schneller Zellenwechsel unterbrechungsfrei unterstützt
werden, z.B. IP-Telefonieren im Auto
„ Mobile IP hat hier noch den Nachteil der HA-Registrierung beim
Wechsel des Subnetzes; das ist zu aufwändig und langsam, daher
ist Mobile IP hier ungeeignet
„ Zweistufiger Ansatz von Cellular IP:
… MH sendet dazu seinem vorherigen Router die neue COA
… der alte Router kapselt nun automatisch alle noch eingehenden Pakete
für MH und leitet sie zur neuen COA weiter
… die Authentizität bleibt dabei stets gewährleistet
… Mobile IP vermittelt Pakete nur bis zu einem Gateway-Router, HA kennt
den genauen Standort von MH nicht
… Gateway ist der „Eingang“ zu einem Zugriffsnetz, innerhalb dessen sich
der MH befindet, effizientes, lokales Handover innerhalb eines
Fremdnetzes ohne Involvierung des Heimatagenten
MobileIP
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Mobilkommunikation
1.25
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
MobileIP
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Mobilkommunikation
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
Globales
Internet
(Mobile IP)
Globales
Internet
(Mobile IP)
Gateway
1.26
Gateway
Zugriffsnetz
(Cellular IP)
Zugriffsnetz
(Cellular IP)
Home Agent
Foreign
Agent
E
Gateway
C
G
D
A
B
Basisstation
F
Basisstation
… Basisstationen und Knoten bilden die
Infrastruktur des Zugriffsnetzwerks
… Einige Knoten bedienen eine Basisstation,
andere dienen nur zur Weiterleitung
Mobile Host
MobileIP
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Mobilkommunikation
… Cellular IP setzt keine
besondere Struktur des
Zugriffsnetzes voraus
… Zugriffsnetz könnte auch
sternförmig sein
(802.16)
1.27
Mobile Host
MobileIP
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Mobilkommunikation
1.28
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
Zellenwechsel, Handover
TCP in mobilen Umgebungen
„
„
„
„
„ TCP ist das Standard Internet Protokoll, das eine zuverlässige
Ende-zu-Ende-Verbindung zwischen zwei Kommunikationspartnern
im Internet herstellt
Handover wird vom mobilen Rechner (MH) kontrolliert
MH misst ständig den Signalpegel zur aktuellen Basisstation
Wird Signal von anderer Basisstation stärker, wird Handover initiiert
Zwei Varianten:
… Hard Handoff: MH wechselt abrupt zur neuen Basisstation und sendet
über die neue Basisstation ein Route-Update in Richtung Gateway. Die
alte Route wird in den Knoten durch ein Timeout gelöscht.
… Semisoft Handoff: alte und neue Route werden über gewisse Zeit
parallel betrieben, wobei neue Pakete nur die neue Route verwenden.
Für bestimmte Zeit empfängt MH noch Pakete von der alten Route und
führt dann einen Handoff durch.
„ Paketverluste werden durch semisoft vermindert, sind aber nicht
gänzlich vermeidbar
„ Weitere Details in Roth: Mobile Computing
„ U.a. enthält TCP sehr effiziente Funktionen zur Überlaststeuerung
und Stauvermeidung.
„ Überlast erkennt TCP an Paketverlusten. Es wird dann der Verkehr
mit dem Slow-Start-Verfahren erheblich reduziert, um den
(vermeintlichen) Stau aufzulösen.
„ In drahtlosen Netzen ist das völlig falsch, denn Paketverlust entsteht
i.d.R. nicht durch Überlast sondern durch
… Kurzzeitige Störungen auf der Funkstrecke
… Handover von einer Funkzelle in eine andere
„ TCP müsste eigentlich das fehlende Paket schleunigst nachsenden
und mit unverminderter Geschwindigkeit weitersenden
MobileIP
Prof. Dr. Dieter Hogrefe
Mobilkommunikation
1.29
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
Mobiles TCP
Prof. Dr. Dieter Hogrefe
Mobilkommunikation
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
TCP in mobilen Umgebungen
Beispiele für Lösungsansätze für mobiles TCP
„ Zur Lösung des Problems gibt es verschiedene Ansätze, aber
bislang keine etablierten Standards, dazu ist das Problem zu neu
und in der Praxis (noch) fast nicht existent. Das ändert sich
allerdings mit dem rapiden Ausbau von Hotspot-Infrastruktur
„ Split-Connection Verfahren: I-TCP (indirect TCP)
… Normales TCP bis zur Basisstation
… Pufferung des Verkehrs in Basisstation
„ Kernpunkt der Ansätze: Unterscheidung zwischen der
Übertragungsstrecke im konventionellen Internet und der drahtlosen
Übertragung.
Modifiziertes TCP
Mobile Host
Globales
Internet
(Mobile IP)
… Drahtloses TCP auf Funkstrecke, mit speziellen Funktionen für
„ Verbindungsabbruch
„ Handover
„ Zeitweise reduzierte Bandbreite
… Variante MobileTCP übernimmt zusätzliche Vereinfachungen, z.B. auch
Komprimierung der Pakete auf der Funkstrecke
Traditionelles TCP
Basisstation
… Nachteil: TCP-Semantik geht verloren, z.B. Ende-zu-Ende
Quittungsmechanismus
Corresponding
Node
Mobiles TCP
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Mobilkommunikation
1.30
1.31
Mobiles TCP
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Mobilkommunikation
1.32
1. Mobilitätsunterstützung im Internet
Beispiele für Lösungsansätze für mobiles TCP
„ Snooping Protocol („Schnüffelprotokoll“)
… Normales TCP von Corresponding Node bis zur Mobilstation, aber:
… „Schnüffelprotokoll“ beobachtet den Verkehr und:
„ Führt selbständig im Fehlerfall Übertragungswiederholungen in Richtung
Mobile Host durch
„ Dazu puffert es unbemerkt den Nachrichtenstrom
„ Fängt Fehlermeldungen in Richtung Corresponding Node ab, falls das
Problem lokal gelöst werden kann
… Ende-zu-Ende Semantik von TCP bleibt erhalten
… Funktioniert nicht bei Verschüsselungsverfahren, bei denen der TCPHeader verschlüsselt wird.
„ Weitere Beispiele in der angegebenen Literatur, z.B. Roth und
Schiller
Mobiles TCP
Prof. Dr. Dieter Hogrefe
Mobilkommunikation
1.33