Mobilitätsunterstützung im Internet. 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.2 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation DHCP, MobileIP, MobileTCP,

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1 Mobilitätsunterstützung im Internet

2 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.2 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation 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 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

3 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.3 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) Dynamische Vergabe von IP-Adressen Wurde ursprünglich zur Erleichterung der Adressvergabe in Subnetzen entwickelt Insbesondere auch in Fällen, wo nicht genug IP-Adressen vorhanden sind Eigenschaften von DHCP  Erteilung einer freien IP-Adresse an einen neu hinzugekommenen Client  Übermittlung von zusätzlichen Informationen an den Client: Subnetzmaske, Adresse des DNS und des Routers  Übermittlung von optionalen Informationen, z.B. Adresse von Mailservern und Webservern  Keine manuelle Konfiguration notwendig, alle Einstellungen der Parameter erfolgen vollständig und automatisch DHCP

4 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.4 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 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. Häufiger ist allerdings die dynamische Zuweisung aus einem Adress-Pool -> gut geeignet für mobile Hosts 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 Im folgenden:  DHCP Client: Neu in ein Netz hinzugekommener Rechner (engl. Host), der mit IP-Adresse und Konfigurationsinformationen versehen werden möchte  DHCP Server: verfügt über diese notwendigen Informationen DHCP

5 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.5 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 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 (MAC- Adresse) 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

6 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.6 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Einfachster Fall: Subnetz enthält eigenen DHCP-Server DHCP

7 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.7 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Einfachster Fall: Subnetz enthält eigenen DHCP-Server DHCP

8 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.8 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Einfachster Fall: Subnetz enthält eigenen DHCP-Server DHCP Zeit Server (nicht ausgewählt) Client Server (ausgewählt) Initialisierung Sammeln der Antworten Auswahl der Konfiguration Initialisierung komplett Geregelter Abbau Bestätigung der Konfiguration Löschen des Kontexts Bestimmung der Konfiguration DHCPDISCOVER DHCPOFFER DHCPREQUEST (reject) DHCPACK DHCPRELEASE DHCPDISCOVER DHCPOFFER DHCPREQUEST (Optionen) Bestimmung der Konfiguration

9 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.9 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Falls Subnetz keinen eigenen DHCP-Server enthält DHCP 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 DHCP- Server in einem benachbarten Subnetz kennt Empfängt der Relaisagent ein DHCPDISCOVER, dann sendet er das direkt (Unicast) and den DHCP-Server weiter DHCP Client Broadcast DHCPDISCOVER DHCP Relais Andere Netze DHCP Server Unicast DHCPDISCOVER

10 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.10 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation DHCP-Mietdauer (Lease) DHCP 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:  T1=50% der Lease-Zeit  T2=87,5% der Lease-Zeit 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

11 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.11 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Sicherheitsaspekte 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.orgwww.dhcp.org

12 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.12 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Mobilitätsaspekte von DHCP DHCP 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 TCP- Verbindungen unterbrochen werden.

13 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.13 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Mobile IP MobileIP Working group in der IETF: 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

14 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.14 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Mobile IPv4 Terminologie MobileIP 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).

15 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.15 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Internet Mobile Host (MH) Foreign Agent (FA) Corresponding Node (CN) Home Agent (HA) Fremdnetz Heimnetz

16 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.16 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Mobile IPv4 Terminologie MobileIP 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:  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.

17 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.17 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Internet Mobile Host (MH) 141.83.21.123 Foreign Agent (FA) COA=162.13.67.106 Corresponding Node (CN) Home Agent (HA) 141.83.21.120 Tunnel Subnetz 141.83.21.... Subnetz 162.13.67.... IP-in-IP-Kapselung IP-Paket Rückrichtung

18 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.18 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Mobile IPv4 Funktionsprinzip MobileIP 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.

19 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.19 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Drei Teilschritte bei Mobile IPv4 MobileIP Agent Discovery  Agent Advertisement  Agent Solicitation Registrierung  Registration Request  Registration Reply  Message Digest Tunneling  Forward Tunneling  Reverse Tunneling (optional, aber aus Sicherheitsgründen fast immer notwendig)

20 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.20 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Agent Discovery MobileIP Agent Advertisement  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 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 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.

21 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.21 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Registrierung MobileIP MH meldet via FA seinem HA die COA, dieser bestätigt via FA an MH diese Aktionen sollen durch Authentifizierung abgesichert werden MH t HA registration request registration reply t FAHA registration request registration request registration reply registration reply Registrierung via Foreign Agent (Foreign Agent-COA) Registrierung direkt (Co-located-COA)

22 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.22 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Internet Mobile Host (MH) Foreign Agent (FA) Corresponding Node (CN) Home Agent (HA) Tunnel Reverse Tunneling 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.

23 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.23 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Route Optimierung MobileIP Triangular Routing Problem  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 Internet (MH) (FA) (CN) (HA) Tunnel Japan Deutschland

24 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.24 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Route Optimierung MobileIP Lösung (in MIPv6)  Direktes Tunneln zwischen CN und MH  MH registriert sich direkt mit CN  Sicherheitsprobleme werden durch Verschlüsselungsmethoden gelöst Internet (MH) (CN) (HA) Tunnel Japan Deutschland

25 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.25 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Mobile IPv6 MobileIP 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  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

26 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.26 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Micromobility, CellularIP MobileIP 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:  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

27 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.27 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Globales Internet (Mobile IP) Gateway Mobile Host Basisstation Zugriffs- netz (Cellular IP) Gateway Basisstation Zugriffs- netz (Cellular IP) MobileIP

28 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.28 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Globales Internet (Mobile IP) Gateway Mobile Host A C B D E F G  Basisstationen und Knoten bilden die Infrastruktur des Zugriffsnetzwerks  Einige Knoten bedienen eine Basisstation, andere dienen nur zur Weiterleitung Foreign Agent Home Agent  Cellular IP setzt keine besondere Struktur des Zugriffsnetzes voraus  Zugriffsnetz könnte auch sternförmig sein (802.16) MobileIP

29 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.29 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Zellenwechsel, Handover MobileIP 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

30 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.30 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation TCP in mobilen Umgebungen TCP ist das Standard Internet Protokoll, das eine zuverlässige Ende-zu-Ende-Verbindung zwischen zwei Kommunikationspartnern im Internet herstellt 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 Mobiles TCP

31 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.31 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation TCP in mobilen Umgebungen 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 Kernpunkt der Ansätze: Unterscheidung zwischen der Übertragungsstrecke im konventionellen Internet und der drahtlosen Übertragung. Globales Internet (Mobile IP) Corresponding Node Basisstation Mobile Host Modifiziertes TCPTraditionelles TCP Mobiles TCP

32 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.32 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation Beispiele für Lösungsansätze für mobiles TCP Split-Connection Verfahren: I-TCP (indirect TCP)  Normales TCP bis zur Basisstation  Pufferung des Verkehrs in Basisstation  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  Nachteil: TCP-Semantik geht verloren, z.B. Ende-zu-Ende Quittungsmechanismus Mobiles TCP

33 1. Mobilitätsunterstützung im Internet 1.33 Prof. Dr. Dieter Hogrefe Mobilkommunikation 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 TCP- Header verschlüsselt wird. Weitere Beispiele in der angegebenen Literatur, z.B. Roth und Schiller Mobiles TCP