让Internet动起来
移动计算中的连接管理 学生：袁骏 网络与分布式实验室
提纲
• • • • 移动计算的目标和系统结构 IP连接管理协议 连接管理的研究问题 实验数据及分析
移动计算的目标
• 随时、随地、随心所欲地访问计算资源
计算发展的趋势
移动计算研究的关键问题
• 无线通信
– 连接的质量 – 带宽限制
• 移动性
– 位置透明性 – 位置依赖性
－－我们的研究重点
• 便携性
– 能量限制 – 显示、处理能力、存储能力
• 有线网络下的问题
– Performance…
移动的管理（分层讨论）
• 物理层
– Wireless LAN (802.11 family) – GPRS, CDMA, 3G, 4G,… TCP/IP四层结构
应用层
传输层 网络层 物理层
• 网络层、传输层
– Mobile IP – End-2-End solution
• 应用层
– Application adaptation
通信连接维护： 最基础的移动管理
• 电路交换（FDMA(GSM),TDMA,CDMA)
– Passive connectivity and PAGING
• 包交换（802.11 family)
– Association and Disassociation
基于IP的连接维护
• 问题的来源
– IP是代表用户对互联网的接入点 – 位置相关 与移动要求的位置无关性矛盾 – 层次路由，先到网络，再到主机
基于IP的连接维护（续）
主机移动
接入位置变化
IP变化
无法路由到原来的主机地址上 连接中断
无线接入模型
• 网络层的解决方案仍需对下层接入的假设
网络层连接管理方案
• 现有方案
– – Mobile IP (Macro-mobility solution) Micro-mobility solutions
• • • • Hierarchical Mobile IP Cellular IP HAWAII EMA
•
方案的比较点
– – – – 切换管理（Handover management) Passive connectivity and paging Quality of Service Intra-domain traffic
Mobile IP
• 位置移动，IP不变（Home Address) • 中间结点记录位置移动(Home Agent, Foreign Agent)
Mobile IP 的优劣
• 优势
– – 应用层、传输层透明 实现上与无线网络模型结合容易结合 Handover latency and control traffic
• • Move detection latency Registration latency
•
劣势
–
–
Quality of Service
解决方案
• 细分移动管理为
– Macro-mobility – Mobile IP – Micro-mobility – Other solutions
• 目的：
– Macro-mobility
• 不涉及下层细节，只依靠网络包通知
– Micro-mobility
• 物理层相关，减少move detection latency • 区域内切换管理，减少registration latency
Micro-mobility solutions 1
• Hierarchical Mobile IP ：FA也要分层
Fast Move detection
• 手段：尽早预测到MN的移动
– FA有提前感应到MN移动方向的能力 – Radio layer:
• Strong Handoff Radio Trigger (SHRT) • 通过信号强弱等预测MN移动，触发上层Handover
• SHRT的可实现性
– 仍有疑问 – 但大部分Micro-mobility solutions都以此为基础
Micro-Mobility solutions 2
• Cellular IP
– 完全取代IP – 以Mobile IP FA为上层的Macro-mobility方案 – 用route update packet来更新
• HAWAII
– 在IP之上 – Paging信号和multicast结合，支持 passive connectivity
• EMA (Edge Mobility Architecture)
– 通用的移动管理的架构 – Handover 完全以SHRT为触发
问题仍未解决
• 影响切换速度的因素
– Move detection –SHRT没有广泛支持 – 分层FA加大了网络负担和复杂性
• • 可扩展性、容错性。。。 增大intra domain traffic
– Registration latency 无法避免 – 切换中的数据丢失
•
Nokia的最新测试：
– Mobile IP切换仍需至少5秒
变化与反思
• 无线通信方式增加了
– 802.11b广泛使用
• 多路连接的可能
– WLAN, GPRS, LAN… – 根据连接质量而 选择handover的策略更符合实际
• Mobile IP类的解决方案在WLAN网络 模型下是否容易被接受
WirelessLAN 结构
• 网络的基础结构仍然不变 • 唯一的变化只是 最终接入点由hub, switch 变成Access Point (AP)
WLAN与电信网络对比
• 基础结构 • 建设投资 • 管理方式 WLAN 已固定 各自承担 各自为政 电信网络 随服务增加而改变 服务商承担 统一管理
特点比较： • Wlan：是原有网络的延伸，松散， 以用户为主体。 • 电信网络：由上至下的结构，以 提供的服务为导向。
反思：新模型的影响
• Mobile IP 是一种对 Infrastructure的改动 • HA和FA的功能只能由 路由器、网关来承担
– 需要升级改建网络基础设备
？？Mobile IP 能否应用于WLAN上
反思：切换的开销
• movement detection latency
– Radio layer – 仍需研究 – IP layer – 更快的触发－IP的获得
•
handoff latency & packet loss
– Radio layer – 同时接受 多路信号的能力 – IP layer –识别新旧地址的同一性
•
registration latency
– 可以完全避免
我们的方案
End-2-End solution:
• 无固定的IP • 只涉及通信的两端 － 无需中间 结点支持
`
E2E solution 优劣
• 优势
– 无需网络结构性改动
• Easy deployment
– 无registration latency （最大的latency) – 容易结合上层应用
• 劣势
– 无固定寻址方式 – Handoff latency不一定小 – 协议涉及广，TCP, UDP,…
相关工作
• Migrate
– 对TCP的补充，不涉及UDP – 没有对handoff latency的优化 – 没有讨论move detection
• HomeIP
– 不涉及TCP/IP协议 – 修改socket 编程规范
E2E solution 的目标
• • • 无需升级网络设备 应用透明（一定程度上） 快速的切换
研究点 1
• 降低切换中的延迟
– – – – Radio layer support Link-level assistance Handover trigger Handover interaction round trip time – Zero-interaction security negotiation
研究点 2
• 降低切换过程中的包丢失
– Multi-connection support – Address translation strategy – Multi-source data merge
研究点 3
• 流媒体支持
– Pre-fetch, buffer mechanism – Quick re-transmission – Application adaptation
研究点 4
• 跨层次协同的移动适应 性框架
– General interface for providing mobility parameters to various kinds of applications. – Fast move detection combines with fast handoff management – Operating system support
初步实践
• 北大校园无线局域网分布
– 网段不同
• • • • • 理科楼 81 正大中心 113 未名湖及研院 10 生物楼 16 理教、图书馆、电教 3
– 各主要建筑物内均有 Wireless LAN
• 露天地带略有覆盖 • 部分地区有盲点
初步实践：WLAN中的切换分析
• 按照用户习惯分为四种切换模式：
– 不重叠网间切换
• 例如：从理科楼81网段切换到 理教3网段
– 有重叠网间切换
• 例如：7楼小会议室是81网段 和3网段重叠区之一
– 边缘切换
• 在网络边缘活动，出入网络频繁。 • 例如：2楼通向理教的门口附近
– 高低速率切换
• 在网内信号较弱的地方徘徊 • 速率在1M，2M，5M，11M间频繁变化
非重叠区的切换过程
• 以理科楼到理教为例
典型切换的时间开销
• 不重叠网间切换的时间开销细分图 • 有重叠网间切换与此类似。
秒量级
秒量级
秒量级 Associate AP 信号增强
分情况而定
2.5秒 恢复传输
信号减弱
盲区
DHCP
ARP
DHCP的时间开销
• 从DHCP服务器获取地址
– 若原地址已释放，可迅速获得新地 址（约0.25秒） – 若原地址仍未释放，根据DHCP， 移动主机将继续申请使用原地址， 多次失败才申请新地址。因而耗费 时间相当大（约40秒）
• 解决策略：
– 不涉及DHCP协议功能变化 – 判断新网络存在（move detection)
• 物理信号检测
– 频段不同
• 截包分析
– ARP 网关无应答 – DHCP request失败
– 用户态主动触发DHCP地址申请
切换对性能的影响
• 边缘切换
– 频繁切换 – 数据传输屡被打断
• 高低速率切换
– 速率在1M，2M，5M，11M间频繁变化 – 随机丢包率增大 – 由于TCP协议设计，数据传输不能充分利用带宽
• 流媒体传输在以上情况下的表现？？
总结
• 移动计算仍将是学术研究的热点之一 而且应用前景光明 • 移动中的连接维护仍是移动 计算中的核心问题 • End2End 的连接管理方案 有先天优势
– Easy deployment – No registration latency
• End2End 的连接管理方案研究处于起步阶段 待研究的点仍然很多。
谢谢大家！