Sistemi Wireless in Area Locale

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1 Sistemi Wireless in Area Locale SisWir.2 Protocols and the TCP/IP Suite Mobile IP IP QoS

2 Protocolli Funzioni gerarchiche idealmente separate in livelli Ogni livello ha dei compiti unici Esiste un punto di accesso formale tra livelli (Service Access Point) SisWir - L. S. Ronga 2

3 Livello n Richiesta Indicazione Conferma Risposta n-sap n-sap A n-pdu B PDU = Protocol Data Unit Entità SAP = Service Access Point SisWir - L. S. Ronga 3

4 Primitive di servizio Richiesta connessione Conferma connessione Richiesta Dati Conferma Dati Indicazione connessione Risposta connessione Indicazione dati Risposta dati Tempo SisWir - L. S. Ronga 4

5 Architettura del TCP/IP SMTP HTTP FTP TELNET SNMP TCP UDP ICMP IP ARP RARP DHCP Collegamento Fisico SisWir - L. S. Ronga 5

6 Livelli Coll. e Fisico 3 Principali Organizzazioni di Standardizzazione: IEEE 802 ANSI Fibrechannel ATM Forum ATM SisWir - L. S. Ronga 6

7 Pacchetto IP SisWir - L. S. Ronga 7

8 IPv4 SisWir - L. S. Ronga 8

9 Indirizzi IP SisWir - L. S. Ronga 9

10 SisWir - L. S. Ronga 10 OPTE Project, Internet 23 Nov 2003

11 Mobile IP Dispositivi wireless o wired mobili Connessione alla rete attraverso: Wireless LAN Reti cellulari Reti Satellitari LAN Etc. Una rete di riferimento fornisce connettività IP IP mobility considera la mobilità tra reti diverse Fornisce supporto per raggiungere un host temporaneamente su rete ospite Necessario in quanto l instradamento è basato sul prefisso di rete SisWir - L. S. Ronga 11

12 Alternative 1. Modificare l indirizzo dell host Implica il reboot e la perdita delle connessioni a livello di trasporto 2. Propagare informazioni di instradamento basate sull host Richiede tabelle di instradamento di dimensione pari al numero degli host SisWir - L. S. Ronga 12

13 Caratteristiche di Mobile IP 1. Traparente alle applicazioni e ai protocolli di trasporto 2. Interoperabilità con lo standard IPv4 3. Scalabilità alla mobilità sull inter-rete 4. Sicurezza, autenticazione di host mobili al di fuori della rete di riferimento 5. Macro mobilità (possibilità di lavorare al di fuori della propria rete di riferimento piuttosto che movimento ad alta velocità) SisWir - L. S. Ronga 13

14 Approccio generale 1. Host che visita una rete foreign ottiene un indirizzo IP locale 2. Host informa il router sulla rete home 3. Router sulla rete home usa il secondo indirizzo per inoltrare i datagram diretti all host sulla rete foreign 4. Datagram sono inviati in tunnel attraverso incapsulamento IP-in-IP 5. Spostamento ad altra rete o ritorno alla rete home devono sempre essere notificati alla rete home SisWir - L. S. Ronga 14

15 Due approcci: 1. Care-of-Address Rete foreign prevede un foreign agent Host mobile si registra presso il foreign agent Host mobile ottiene un care-of-address Foreign agent registra l host presso l home agent Foreign agent assegna uno degli indirizzi a sua disposizione come care-of-address L utente mobile non ha un unico indirizzo assegnato SisWir - L. S. Ronga 15

16 Care-Of-Address Route Next Tunnel A Home Agent Route Next E B Route Next D x.x A Foreign Agent Internet C Route Next 171.x.x.x B Mobile Node SisWir - L. S. Ronga 16

17 Due approcci: 2. Co-located Address 1. Rete foreign non prevede un foreign agent Host usa DHCP per ottenere un co-located address temporaneo Host si registra direttamento presso l home agent Approccio 2 implica l installazione sugli host del software che gestisce la mobilità, cioe tutta la comunicazione con l home agent SisWir - L. S. Ronga 17

18 Terminologia in Mobile IP MN HA HA, Home Agent Internet Maintains an association between the MN s home IP address and its care of address (loaned address) on the foreign network Redirects and tunnels packets to the care of address on the foreign network COA MN CN MN, Mobile Node FA FA, Foreign Agent An IP host that maintains network connectivity using its home IP address, regardless of which subnet (or network) it is connected to CN, Correspondent Node Destination IP host in session with a Mobile Node Provides an addressable point of attachment to the MN called Care Of Address (COA) Maintains an awareness for all visiting MNs Acts as a relay between the MN and its Home Agent Receives all packets for the MN from the MN s Home Agent SisWir - L. S. Ronga 18

19 Foreign agent discovery Inviato dal router che ospita il foreign agent Usa ICMP router discovery ICMP router discovery inviato periodicamente dai router Può essere sollecitato con ICMP router solicitation Extension mobility a ICMP router discovery Identificato dalla maggiore lunghezza del messaggio ICMP SisWir - L. S. Ronga 19

20 Foreign agent discovery Lifetime: tempo massimo di attesa per accettare richieste di registrazione Sequence number: permette di identificare quando un messaggio è stato perso Code: SisWir - L. S. Ronga 20

21 Registrazione Prima di poter ricevere datagrams, il mobile host deve: 1. Registrarsi con un agente presso il foreign agent 2. Registrarsi presso l home agent per richiedere l inoltro 3. Rinnovare una registrazione che è prossima alla scadenza 4. De-registrarsi se tornato alla rete home Host che riceve il care-of-address demanda al foreign agent la registrazione presso l home agent Foreign agent inoltra all host mobile i datagram ricevuti dall home agent SisWir - L. S. Ronga 21

22 Registrazione Inviati attraverso UDP (porta 434) Type: request o reply LIFETIME: care-of address mantenuto nella binding-cache finchè il LIFETIME scade. SisWir - L. S. Ronga 22

23 Registrazione HOME ADDRESS, HOME AGENT, CARE-OF-ADDRESS: indirizzi e home agent dell host mobile IDENTIFICATION: corrispondenza tra richieste e risposte FLAGS: specifiche dell inoltro da parte dell HOME AGENT SisWir - L. S. Ronga 23

24 Comunicazione con il foreign agent L host mobile non ha un indirizzo IP valido assegnato sulla rete Rilassamento delle regole di indirizzamento: -- Host mobile indica il suo home address nell intestazione dei datagram inviati al foreign agent -- Il foreign agent usa l home address dell host mobile anche sulla rete foreign Il foreign agent non può eseguire ARP sull home address dell host mobile Indirizzo hardware dell host mobile deve essere comunicato e memorizzato in fase di registrazione SisWir - L. S. Ronga 24

25 Invio e ricezione di Datagram I Datagram trasmessi all esterno hanno l home address come sorgente L ISP deve accordare la possibilità di trasmettere datagrams con qualsiasi indirizzo sorgente I datagram di risposta saranno inviati all Home address L home agent invierà i datagram al foreign agent attraverso incapsulamento IP al care-of-address (può essere condiviso tra più utenti mobili) al co-located address Il foreign agente estrae il pacchetto e lo invia all host mobile sulla rete foreign E possibile utilizzare lo stesso care-of-address per sorgenti e destinazioni multiple SisWir - L. S. Ronga 25

26 Instradamento L instradamento verso l host mobile deve necessariamente passare attraverso l home agent Particolarmente inefficiente se l host destinazione è vicino all host mobile (2 crossing problem) SisWir - L. S. Ronga 26

27 Instradamento E possibile propagare informazioni di instradamento specifiche dell host Viene realizzato solo per reti che interagiscono significativamnete con l host mobile Occorre rimuovere queste informazioni quando l host si sposta su un altra rete. SisWir - L. S. Ronga 27

28 Comunicazione con Host sulla Rete Home Tutti i pacchetti inviati all host mobile devono passare attraverso l home agent L home agent verifica se l host è posizionato su una rete foreign o sulla rete home Gli altri host della rete home inviano direttamente all host di cui ottengono l indirizzo fisico attraverso ARP Quando l host e su una rete foreign, l home agent risponde con il suo indirizzo fisico e si cura in seguito di inviare i datagram sul tunnel IP-IP SisWir - L. S. Ronga 28

29 Sicurezza in IP mobility Chiave di sessione con il router locale Autenticazione richiesta tra l home agent e l host mobile Algoritmo di default è MD5 Chiavi di 128 bits Foreign agent deve supportare autenticazione attraverso questo metodo Altri algoritmi possono essere applicati SisWir - L. S. Ronga 29

30 Altre questioni rigurdanti la sicurezza Tunneling del traffico verso l host mobile al rispettivo care-of-address ARP non è autenticato La comunicazione tra foreign e home agent deve essere assicurata per evitare uso illegale SisWir - L. S. Ronga 30

31 Protezione verso le richieste di registrazione Home agent deve verificare che il messaggio provenga dall host mobile, non una risposta ad una registrazione precedente ripetuta da un attaccante Due metodi Timestamps (obbligatario) Nonces (opzionale) SisWir - L. S. Ronga 31

32 Timestamps I due nodi devono essere adeguatamente sincronizzati Tempo inviato insieme con la richiesta Differenza di default di 7 secondi tra richiesta e risposta La sincronizzazione tra i messaggi deve essere protetta contro alterazioni SisWir - L. S. Ronga 32

33 Nounces Nodo A include un nuovo numero random in ogni messaggio a B A verifica se B restituisce lo stesso numero nel prossimo messaggio Il codice di autenticazione è usato per proteggere contro le alterazioni Auto-sincronizzazione: se la registrazione fallisce, il nuovo nounce è inviato nella risposta SisWir - L. S. Ronga 33

34 Mobile IP Transparent Roaming MN FA FA MN Mobility Binding Table: MN CoA HA MN FA MN FA/MN Register with the HA

35 Mobile IP Transparent Roaming MN Realizes It Has Moved to a Network With a New FA MN Registers With this New FA MN FA FA MN Mobility Binding Table: MN CoA MN FA HA MN When the MN Moves It Re-Registers via Its New FA

36 Mobile IP Re-Registration When the New Registration Is Received, a New Care-of Address Is Installed in the HA MN FA FA MN Mobility Binding Table: MN CoA HA FA New Data Path MN Old Data Path No Change Is Propagated to Correspondents The Movement Is Transparent to all other Devices

37 Problematiche del Mobile IP Inefficienza nell instradamento Sicurezza: Esigenza di rendere IP mobile deve convivere con le esigenze di sicurezza Firewalls, in particolare, provocano difficoltà poichè bloccano i pacchetti in entrata che non soddisfano determinati criteri Trasparenza: Opinioni discordi sulla necessità della sopravvivenza delle connessioni TCP agli spostamenti dell host SisWir - L. S. Ronga 37

38 IP QoS Integrated Services (W.Stallings Data and Computer Communications)

39 Integrates Services Architecture Changes in traffic demands require variety of quality of service Internet phone, multimedia, multicast New functionality required in routers New means of requesting QoS ISA RFC 1633 SisWir - L. S. Ronga 39

40 Internet Traffic Elastic Can cope with wide changes in delay and/or throughput Inelastic FTP sensitive to throughput insensitive to delay Network Management sensitive to delay in times of heavy congestion Web sensitive to delay Does not easily adapt to variations e.g. real time traffic SisWir - L. S. Ronga 40

41 Requirements for Inelastic Traffic Throughput Delay Jitter Delay variation Packet loss Require preferential treatment for certain types of traffic Require elastic traffic to be supported as well SisWir - L. S. Ronga 41

42 ISA Approach Congestion controlled by Routing algorithms Packet discard Associate each packet with a flow Unidirectional Can be multicast Admission Control Routing Algorithm Queuing discipline Discard policy SisWir - L. S. Ronga 42

43 ISA in Router SisWir - L. S. Ronga 43

44 Token Bucket Traffic Specification Token replenishment rate R Continually sustainable data rate Bucket size B Amount that data rate can exceed R for short period During time period T amount of data sent can not exceed RT + B SisWir - L. S. Ronga 44

45 Token Bucket Scheme SisWir - L. S. Ronga 45

46 ISA Services Guaranteed Assured data rate Upper bound on queuing delay No queuing loss Real time playback Controlled load Approximates behavior to best efforts on unloaded network No specific upper bound on queuing delay Very high delivery success Best Effort SisWir - L. S. Ronga 46

47 Queuing Discipline Traditionally FIFO No special treatment for high priority flow packets Large packet can hold up smaller packets Greedy connection can crowd out less greedy connection Fair queuing Queue maintained at each output port Packet placed in queue for its flow Round robin servicing Skip empty queues Can have weighted fair queuing SisWir - L. S. Ronga 47

48 FIFO and Fair Queue SisWir - L. S. Ronga 48

49 Resource Reservation: RSVP RFC 2205 Unicast applications can reserve resources in routers to meet QoS If router can not meet request, application informed Multicast is more demanding May be reduced Some members of group may not require delivery from particular source over given time e.g. selection of one from a number of channels Some group members may only be able to handle a portion of the transmission SisWir - L. S. Ronga 49

50 Soft State Set of state info in router that expires unless refreshed Applications must periodically renew requests during transmission SisWir - L. S. Ronga 50

51 RSVP Characteristics Unicast and Multicast Simplex Receiver initiated reservation Maintain soft state in the internet Provide different reservation styles Transparent operation through non-rsvp routers Support for IPv4 and IPv6 SisWir - L. S. Ronga 51

52 RSVP UDP Reservation (1) R2 R3 1 2 PATH Host A R1 PATH 3 R5 PATH R4 PATH Host B An application on Host A creates a session, /4078, by communicating with the RSVP daemon on Host A. 3. The PATH message follows the next hop path through R5 and R4 until it gets to Host B. Each router on the path creates soft session state with the reservation parameters. 2. The Host A RSVP daemon generates a PATH message that is sent to the next hop RSVP router, R1, in the direction of the session address, SisWir - L. S. Ronga 52

53 RSVP UDP Reservation (2) R2 R3 PATH Host A RESV R1 PATH RESV R5 PATH RESV 6 R4 PATH 5 RESV 4 Host B An application on Host B communicates with the local RSVP daemon and asks for a reservation in session /4078. The daemon checks for and finds existing session state. 6. The RESV message continues to follow the next hop path through R5 and R1 until it gets to Host A. Each router on the path makes a resource reservation. 5. The Host B RSVP daemon generates a RESV message that is sent to the next hop RSVP router, R4, in the direction of the source address, SisWir - L. S. Ronga 53

54 RSVP Multicast Reservation Sender PATH PATH R1 PATH PATH R2 R3 PATH PATH Receiver PATH R4 PATH R5 R6 R7 PATH SisWir - L. S. Ronga 54

55 IP QoS Differentiated Services (W.Stallings Data and Computer Communications)

56 Differentiated Services Provide simple, easy to implement, low overhead tool to support range of network services differentiated on basis of performance IP Packets labeled for differing QoS using existing IPv4 Type of Service or IPv6 Traffic class Service level agreement established between provider and customer prior to use of DS Built in aggregation Good scaling to larger networks and loads Implemented by queuing and forwarding based on DS octet No state info on packet flows stored SisWir - L. S. Ronga 56

57 DS Services Defined within DS domain Contiguous portion of internet over which consistent set of DS policies are administered Typically under control of one organization Defined by service level agreements (SLA) SisWir - L. S. Ronga 57

58 SLA Parameters Detailed service performance Expected throughput Drop probability Latency Constraints on ingress and egress points Traffic profiles e.g. token bucket parameters Disposition of traffic in excess of profile SisWir - L. S. Ronga 58

59 Example Services Level A - low latency Level B - low loss Level C - 90% of traffic < 50ms latency Level D - 95% in profile traffic delivered Level E - allotted twice bandwidth of level F traffic Traffic with drop precedence X higher probability of delivery than that of Y SisWir - L. S. Ronga 59

60 DS Octet - Code Pools Leftmost 6 bits used 3 pools of code points xxxxx0 assignment as standards xxxx11 experimental or local use xxxx01 experimental or local but may be allocated for standards in future SisWir - L. S. Ronga 60

61 DS Octet - Precedence Field Routing selection Network service Queuing discipline SisWir - L. S. Ronga 61

62 DS Field SisWir - L. S. Ronga 62

63 DS Domains SisWir - L. S. Ronga 63

64 DS Configuration and Operation Within domain, interpretation of DS code points is uniform Routers in domain are boundary nodes or interior nodes Traffic conditioning functions Classifier Meter Marker Shaper Dropper SisWir - L. S. Ronga 64

65 DS Traffic Conditioner SisWir - L. S. Ronga 65

66 Per Hop Behavior Expedited Forwarding Specific PHBs defined, Associated with specific differentiated services RFC 3246 defines expedited forwarding (EF) PHB Support for premium service Low-loss, low-delay, low-jitter, assured bandwidth, end-to-end service through DS domains Appears to endpoints as point-to-point connection or leased line Difficult in internet or packet-switching network Queues (buffers) at each node, or router Results in loss, delays, and jitter Unless internet grossly oversized, care needed in handling premium service traffic SisWir - L. S. Ronga 66

67 Expedited Forwarding Requirements Configuring nodes so traffic aggregate has minimum departure rate Conditioning aggregate (via policing and shaping) so that arrival rate less than node's configured minimum departure rate EF PHB provides first Network boundary conditioners provide second Border nodes control traffic aggregate Limit characteristics (rate, burstiness) to predefined level Interior nodes treat traffic so no queuing effects No specific queuing policy at interior nodes in RFC 3246 Simple priority scheme could achieve it EF traffic given absolute priority EF traffic must not overwhelm interior node Packet flows for other PHB traffic disrupted SisWir - L. S. Ronga 67

68 Assured Forwarding PHB Provide service superior to best-effort Not require reservation of resources Not require detailed discrimination among flows from different users Based on explicit allocation Users offered choice of classes of service Each class describes different traffic profile Aggregate data rate and burstiness Traffic monitored at boundary node Each packet marked in or out of profile Inside network, no separation of traffic from different users or classes Only distinction being whether packet marked in or out When congested, out packets are dropped before in packets Different users will see different levels of service Have different quantities of in packets in service queues SisWir - L. S. Ronga 68

69 Advantages of Assured Forwarding PHB Simplicity Very little work required by internal nodes Marking of traffic at boundary nodes based on traffic profiles provides different levels of service to different classes C.f. ATM SisWir - L. S. Ronga 69

70 AF PHB RFC 2597 (1) Four AF classes defined Four distinct traffic profiles Within each class, packets marked by customer or service provider Three drop precedence values Determines relative importance of packet within AF class Simpler than resource reservation Flexible Within interior DS node, traffic from different classes treated separately Different amounts of resources (buffer space, data rate) SisWir - L. S. Ronga 70

71 AF PHB RFC 2597 (2) Within class, packets handled based on drop precedence Level of forwarding assurance depends on: How much forwarding resources allocated to AF class that the packet belongs to Current load of class If congested within the class, drop precedence of packet RFC 2597 does not mandate mechanisms at the interior nodes to manage AF traffic References RED algorithm SisWir - L. S. Ronga 71