Демонстрация оптимизированного бесшовного хендовера в мультихоп сети

S. Giordano, Member IEEE, M. Kulig, D. Lenzarini Member IEEE, H. Nguyen, A. Puiatti and S. Vanini

Автор перевода: Алтухов Д.С.

Интернет доступ: http://www.cl.cam.ac.uk/research/srg/netos/sla/mobileman/d15/demo06/345_2_mobihoc-demo.pdf

Аннотация

Традиционно проблемой мобильных сетей является адресация на сетевом уровне (например, мобильность в сети, основанная на Mobile IP и связанные с ним принимаемые решения). Однако при таком подходе невозможна поддержка бесшовного горизонтального и вертикального хендовера. В данной работе показано, как мобильность в сети может обрабатываться на уровне приложений с помощью WiOptiMo и представлен демонстрационный сценарий в мобильной мультихоп сети, при котором узлы получают доступ к аудио и видео приложениям без потерь при перемещении между сетями доступа. Решение на основе WiOptiMo предоставляет узлам возможность пользоваться always-on приложениями, непрерывными и оптимизированными сетевыми сервисами, по возможности, независимо от нижних уровней.

Введение

Стремительный прогресс в области радиотехнологий и рост потребностей пользователей в постоянной связи, даже во время путешествий, дают импульс широкомасштабному внедрению беспроводных услуг. Уже не далек тот момент, когда пользователи смогут получать услуги «в любой момент, в любом месте», что было заложено в основу представления о всепроникающей компьютеризации. Сегодня и в недалеком будущем доступ в Интернет предоставляется набором гетерогенных беспроводных технологий, таких как Bluetooth, 802.11x WLANs, сотовые сети WCDMA 3G и спутниковые сети, работающие на протоколе IP. Существует несколько сценариев при которых вся сеть может двигаться, и мы должны обеспечить для всех узлов такой сети бесшовное подключение, учитывающее их требования к QoS и стоимости.

Для мобильной сети бесшовное подключение означает, что мобильность в сети является прозрачной для пользователя с точки зрения IP подключения. Мобильная сеть может изменить свою точку соединения с Интернетом, при этом оставаясь доступной с теми же IP адресами, не разрывая текущие подключения. Это означает, что при движении, соединение (переподключение) к Интернету должно быть автоматическим и прозрачным, с правильной маршрутизацией IP пакетов. Эта большая проблема даже для одного мольного узла, особенно в случае его высокой подвижности и/или использования приложений с высокими требованиями, и становиться еще большей проблемой когда движется вся сеть. Во время хендовера от одной точки подключения к другой, в предоставлении услуг могут быть большие прерывания и задержки, такие, что вызовут у пользователей падения в уровне QoS. Например, рассмотрим группу коллег или друзей, которые путешествуют поездом, и один из них, скажем Боб, подключен к Интернету через GPRS. Остальные могут получить доступ к удаленному ПК в режиме ad hoc через Боба, который работает в качестве точки доступа. Возможен и другой сценарий, при котором только один узел может быть подключен к частной или защищенной сети. Как и в предыдущем случае, остальные узлы могут в режиме ad hoc подключиться к выбранному узлу и использовать его в качестве точки доступа к сети Интернет. Похожий мультихоп сценарий был в WONS 2005, когда на протяжении нескольких часов конференц-сеть не работала даже при отсутствии движения сети.

Работы в основном ведутся в IETF Network Mobility (NEMO) Working Group, которая занимается управлением мобильностью всей сети, которая изменяет как единое целое, ее точку подключения к сети Интернет и соответственно ее доступность в топологии [3]. Подавляющее большинство предлагаемых решений для сетевой мобильности основана на Mobile IP [4], который является протоколом сетевого уровня, предназначенный для добавления возможности управления мобильностью одного пользователя, к его основному IP. Однако, Mobile IP и принимаемые решения, по сути своей отражают ряд недостатков, ограничений и/или основные проблемы развертывания.

В этой статье, мы представляем WiOptiMo, интегрированное на уровне приложений решение, которое изначально было разработано для одного узла, но было расширено для управления мобильностью всей сети и бесшовного хендовера через гетерогенные IP сети. WiOptiMo имеет следующие преимущества для узлов в мобильной сети: полностью поддерживает мобильность между проводными и беспроводными сетями разных технологий, посредством бесшовного и устойчивого соединения; предоставляет в мобильной сети автоматический и полуавтоматический способы выбора из нескольких доступных сетей доступа в соответствии с предпочтениями пользователя и ожидаемого QoS; позволяет избежать ненужных сетевых издержек для оптимизации производительности и масштабируемости; может работать на большинстве популярных сетевых и коммерческих устройствах. Как представлено в других работах [5], [6], [7], [9], мы использовали прагматический подход к разработке, опираясь только на существующие технологии, разработанные стандарты, несложные расчеты и минимальные расходы в сети. Это значит, что установка компонентов WiOptiMo не требует каких-либо изменений или дополнений к текущей стандартной реализации стека протоколов TCP/IP, а также не налагает ограничения на мобильную сеть с точки зрения вычислительной мощности, операционной системы, характеристик сетевых карт (NICs), и используемой радио технологии. Ядро архитектуры WiOptiMо обладает активным и пассивным мультиуровневым контролем пересенных, и при помощи автономных компонентов обеспечивает адаптивность и базовую самонастройку и возможность самоконфинурации.

Бесшовный хендовер в мобильной ad hoc сети

Переключение между двумя сетями различных типов называется вертикальным хендовером, в то время как горизонтальный хендовер относится к сетям одного типа. Хендовер может быть мягким, когда он выполняется с целью оптимизации стоимости или QoS, или жесткий, выполняемый при неизбежной потере соединения. Процесс хендовера традиционно разлаживается на 3 функциональные составляющие( см. [10]) (1) Инициализация хендовера, (2) Выбор сети, (3) Процедура хендовера. Инициализация хендовера состоит в проактивном мониторинге текущего соединения и/или возможных альтернативных соединений с целью: эффективно предвидеть или реализовать хендовер, или реализовать альтернативный хендовер для оптимизации затрат и производительности. В нашем случае, оба CNAPT Search и Check Activities участвуют в обработке, фокусируясь на обработке обязательных передач. Выбор сети включает в себя процедуру выбора новой точки подключения в соответствии с метриками, такими как качество сигнала, стоимость, пропускная способность и другие. В нашем случае Выбор Сети основывается на результатах Поиска Активности. Выполнение хендовера обозначает множество процедур, осуществляемых для аутентификации и реассоциации МТ.

Система WiOptiMo

WiOptiMo [5], [6], [7], [9] представляет собой решение для бесшовного хендовера между гетерогенными сетями/операторами. WiOptiMo обнаруживает точки доступа доступных сетей и обеспечивает в автоматическом и полуавтоматическом режиме, лучшее подключение к Интернету с точки зрения QoS (например, пропускная способность, надежность, безопасность) и/или экономической эффективности среди всех доступных соединений в определенное месте, в определенное время. Оптимизированный хендовер выполняется без прерывания активного сетевого приложения или сессии, и минимизирует вмешательство пользователя. Кроме того, если текущее соединение становится не доступным и другое соединение не может быть установлено (например, нет зоны покрытия), система переводит приложение в спящий режим, до тех пор пока текущее или новое соединение станет доступным (очевидно, что если время восстановления превысит тайм-аут приложения, приложение может обнаружить проблему в сети).

Алгоритм WiOptiMo представлен на рисунке 1. Из рисунка видно, что в результате отключения традиционного клиент/сервер приложения от сетевого соединения, WiOptiMo действует как распределенный прокси.

CNAPT и SNAPT компоненты
Рисунок 1. - CNAPT и SNAPT компоненты. В роли единого разъема между Клиентом и Сервером выступают 3 разъема: локальный разъем между Клиентом и CNAPT: Client application/CNAPT разъем; ненадежный разъем между CNAPT и SNAPT: CNAPT/SNAPT разъем; надежный разъем между SNAPT и Сервером: SNAPT/Server application разъем.

В следующем разделе кратко рассмотрены архитектурные решения WiOptiMo важные для понимания. Более подробную информацию можно найти в [9].

WiOptiMo решения на уровне приложений.

Система WiOptiMo не требует модификации уровней стека протоколов OSI и не вносит других дополнительных подслоев. Бесшовный хендовер реализуется путем взаимодействия прикладных процессов парой приложений (OSI Layer 7), CNAPT (Client Network Address and Port Translator) и SNAPT (Server Network Address and Port Translator). CNAP и SNAPT позволяют каждому Клиент/Сервер приложению считать, что они работают на одном устройстве или на различных устройствах в одной сети. Они не понимают, что общаются через Интернет. CNAPT и SNAPT совместно действуют как промежуточное программное обеспечение и интерфейс передачи между Клиент/Сервер приложениями, скрывая мобильность от них.

CNAPT - это приложение, которое может быть установлено в то же устройство, что и приложение Клиента или в другое устройство той же сети. При демонстрации сценария при котором группа узлов требует мобильности во время совместной работы, CNAPT установлен только в одном мобильном устройстве и вся сеть может использовать бесшовный хендовер предоставляемый им. SNAPT – это приложение, которое может быть установлено в том же устройстве, что и Сервер приложение или в другое устройство той же сети или в любой Интернет сервер (например в корпоративном сервере, домашнем ПК, маршрутизаторе). Такая гибкость позволяет обрабатывать нескольких мобильных пользователей либо в централизованном порядке, с топологией звезда, или с использованием распределенной топологии, в которой каждый пользователь управляет своей мобильностью, установив SNAPT на доступных узлах (например, если есть домашний компьютер, подключенный к Интернету).

Инициализация хендовера и выбор сети в WiOptiMo: поиск и выбор действия

CNAPT приложение выступает в качестве системного реле, а также активирует задачу поиска решения для того, чтобы обеспечить устойчивое и оптимизированное Интернет соединение. Поиск решения состоит из двух главных действий: поиск активности для мягкого хендовера, который проактивно ищет новые сети провайдеров и подключения к ним, и проверка активности, для жесткого хендовера, который непрерывно контролирует надежность и производительность текущего соединения.

Демонстрационный эксперимент

Конфигурация эксперимента
Рисунок 2. – Конфигурация эксперимента

На рисунке 2 показана топология демонстрационного опыта. CNAPT установлен в мобильный узел MN1, а SNAPT установлен в удаленной сети, доступной через Интернет. Мобильный узел MN1 является точкой доступа в Интернет для мобильной сети, состоящей из двух ноутбуков и двух КПК. Эти узлы подключены к MN1 по ad hoc соединению, и имеют доступ к Интернет через мультихоп. Приложения использующиеся в опыте - видео и голосовые. Для голоса в опыте запущен skype на КПК. Для видео в опыте открыты веб-страницы с потоковым видео. CNAPT работает на ноутбуке оборудованном встроенной WiFi картой, второй ноутбук оборудован внешней WiFi и GPRS картой. SNAPT установлен на машине внутри локальной сети. Есть две WaveOS точки доступа (AP1 и AP2) от RT Networx, имеющих возможность варьировать мощность излучения, и возможность изменить еще много других параметров( больше чем требуется для стандарта 802.11k). Для опыта с голосом запускаем skype на КПК. Для видеоопыта открыты веб-страницы с потоковым видео. Клиентское приложение на узлах мобильной сети в зависимости от физических подключений выбранных WiOptiMo, может подключиться по мультихопу к одной из нескольких точек доступа, либо через GPRS к Telco bridge и затем получить доступ к серверу через Интернет.

Во время опыта мы уменьшили мощность передачи точек доступа, так чтобы смоделировать мобильность в сети без движения. Мы покажем, что с решением принимаемым по WiOptiMo мы в состоянии поддерживать качество приложения и для видео и для аудио, в то время как MN1 изменяет точку доступа.

Вывод и дальнейшая работа

Широкая доступность услуг беспроводной связи и их использование в мобильных устройствах становится реальностью и, как ожидается, играет все большую роль в повседневной жизни. Бесшовная мобильность по всей сети сейчас является реальной проблемой, и большинство современных решений, основанных на сетевом уровне не позволяет решить данные проблемы. Принятие решений на уровне приложений какв WiOptiMo может преодолеть большинство ограничений на сетевом уровне и может обеспечить эффективное и действенное управление мобильностью в гетерогенной, мультитехнологичной сети.

Будущая работа включает исследование подхода точка-точка в WiOptiMo мобильности в сети. В настоящее время система требует надежного соединения между приложением клиента на узле в мобильной сети и CNAPT. В то же время CNAPT может быть подключен по ненадежной беспроводной сети (WiFi, WWAN) к SNAPT, а SNAPT должен быть подключен надежным способом к Интернету (например ADSL, T1).Наконец SNAPT подключается надежным способом к серверу приложений. Идея состоит в том, чтобы установить CNAPT и SNAPT на одном устройстве и рассматривать SNAPT как обычное приложение, как браузер. В этом случае CNAPT может использовать свое подключение к удаленному SNAPT (на другом мобильном устройстве), чтобы обеспечить надежное соединение локального SNAPT.

Таким образом любое клиентское приложение на мобильном устройстве может серфить Интернет по способу точка-точка, а если нет соединения с Интернетом с помощью другого узла как моста для достижения SNAPT и надежного Интернета.

REFERENCES

  1. D. Saha and A. Mukherjee. Pervasive computing: A paradigm for the 21st century. IEEE Computer, 36(3):25–31, March 2003.
  2. M. Weiser. The computer for the twenty-first centurys. Scientific American, pages 94–10, September 1991.
  3. T.J. Kniveton and T. Ernst. Network mobility (nemo) charter. 2005
  4. C. Perkins (Editor). IP mobility support. RFC 2002, Network Working Group, 1996.
  5. S. Giordano, D. Lenzarini, A. Puiatti, and S. Vanini. WiSwitch: seamleass handover between multi-provider networks. In Proceedings of the 2nd Annual Conference on Wireless On demand Network Systems and Services (WONS), 2005.
  6. S. Giordano, D. Lenzarini, M. Schiavoni, and S. Vanin. Virtual web channel: Flow aggregation for enhanced ubiquitous web access. In Proceedings of IEEE WirelessCom, 2005.
  7. S. Giordano, M. Kulig, D. Lenzarini, A. Puiatti, F. Schwitter, and S. Vanin. WiOptiMo: Optimised seamless handover. In Proceedings of IEEE WPMC, 2005.
  8. S. Giordano, M. Kulig, D. Lenzarini, A. Puiatti, F. Schwitter, and S. Vanin. A cross-layering and autonomic approach to optimized seamless handover. In 3d Annual Conference on Wireless On demand Network Systems and Services (WONS), 2006.
  9. G.A. Di Caro, S. Giordano, M. Kulig, D. Lenzarini, A. Puiatti, F. Schwitter, and S. Vanini. Deployable application layer solution for seamless mobility across heterogeneous networks. accepted for publication at: Ad Hoc & Sensor Wireless Networks (AHSWN), 2006.
  10. K. Murray and D. Pesch. State of the art: Admission control and mobility management in heterogeneous wireless networks. Deliverable 3.1 D1.1 of the M-Zones Project, May 2003.