Mobile IP (IETF RFC 2002)

Transcript

1 Mobile IP (IETF RFC 2002) ΧΡΗΣΤΟΣ ΣΑΡΔΙΑΝΟΣ ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής Επιβλέπων Καθηγητής: Ηρ.Γ. ΔΗΜΟΠΟΥΛΟΣ Ιανουάριος 2009

2 Μία είναι η απόδειξη του "μπορώ": το "κάνω". Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 1

3 2 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

4 Περιεχόμενα ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΦΟΡΗΤΕΣ ΚΑΙ ΑΣΥΡΜΑΤΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ... 9 ΓΕΝΙΚΑ... 9 ΦΟΡΗΤΟΤΗΤΑ ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΤΗΣ ΦΟΡΗΤΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Ανακάλυψη Τοποθεσίας Ανίχνευση Μετακίνησης Ανανέωση Ενημερώσεων (Επαν)εγκαθίδρυση Μονοπατιού ΒΑΣΙΚΕΣ ΈΝΝΟΙΕΣ ΠΛΗΡΗΣ ΦΟΡΗΤΟΤΗΤΑ ΚΑΙ Η ΣΟΥΙΤΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ OSI Φορητότητα στο Επίπεδο Φορητότητα στα Επίπεδα 4 έως Φορητότητα στο Επίπεδο Συνδυάζοντας Πρωτόκολλα Φορητότητας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΝΑΛΥΣΗ ΦΟΡΗΤΟΥ IP ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΦΟΡΗΤΟΥ IP Φορητός Κόμβος Οικείο Δίκτυο και Οικεία Διεύθυνση Οικείος Πράκτορας Διεύθυνση Επιμέλειας Συνεδρεύουσα Διεύθυνση Επιμέλειας Διεύθυνση Επιμέλειας με Ξένο Πράκτορα Ξένος Πράκτορας Ανταποκριτής Κόμβος ΟΙ ΑΡΧΕΣ ΤΟΥ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ΦΟΡΗΤΟΥ IP ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΠΡΑΚΤΟΡΑ ΦΟΡΗΤΟΥ IP Ανακάλυψη Τοποθεσίας Ανίχνευση Μετακίνησης και Πολιτική Διαπομπής Φορητού IP Αλγόριθμος Σταθερής Κατάστασης (Steady-State Algorithm) Αλγόριθμος Νέου Δικτύου (New Network Algorithm) Εναύσματα Κατάστασης Σύνδεσης (Link-State Triggers) Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 3

5 Περιεχόμενα ΔΙΑΠΟΜΠΗ ΦΟΡΗΤΟΥ IP ΕΓΓΡΑΦΗ ΦΟΡΗΤΟΥ IP Αναγνώριση Υπηρεσίες Τμήματα και Ψηφία Υπηρεσιών Υποστήριξη Εκπομπής Παράλληλες Συνδέσεις Πιστοποίηση Σχετικά Πεδία Διεύθυνσης Κώδικες Απάντησης Εγγραφής Παράδοση Εγγραφής Διαπομπή Φορητού IP εκτός της Επιστροφής στο Οικείο Δίκτυο Διαπομπή Φορητού IP για την Επιστροφή στο Οικείο Δίκτυο ΣΗΡΑΓΓΑ Ενθυλάκωση Τριγωνική Δρομολόγηση ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 IOS ΦΟΡΗΤΟΥ IP ΔΗΜΙΟΥΡΓΩΝΤΑΣ ΤΗ ΒΑΣΙΚΗ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ Διευθέτηση Ενδιάμεσου Συστήματος Διευθέτηση Ανταποκριτή Κόμβου Διευθέτηση Οικείου Πράκτορα Η διευθέτηση ενός Φυσικού Οικείου Δικτύου Η διευθέτηση ενός Εικονικού Οικείου Δικτύου Διευθέτηση Φορητού Υπολογιστή Υπηρεσίας Διευθέτηση Συνδέσμου Ασφαλείας Τελική Διευθέτηση Οικείου Πράκτορα Διευθέτηση Ξένου Πράκτορα Διευθέτηση Φορητού Κόμβου ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΕΠΙΛΥΣΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ Οικείος Πράκτορας HA Φορητός Κόμβος ΜΝ Ξένος Πράκτορας FA ΕΞΕΤΑΖΟΝΤΑΣ ΤΟΝ ΠΙΝΑΚΑ ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΣΗΣ ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

6 Περιεχόμενα ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ Τοπολογία Μονού Δρομολογητή Άλλες επιλογές για την Τοπολογία Μονού Δρομολογητή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΦΟΡΗΤΟΥ IP ΕΠΕΚΤΑΣΕΙΣ ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ Σύνδεσμοι Ασφαλείας SPI Αλγόριθμος και Τρόπος Λειτουργίας Κλειδί Μέθοδοι Προστασίας Επαναλήψεων Χρονοσφραγίδα Πιστοποίηση Φορητού Κόμβου και Ξένου Πράκτορα Πρόκληση Ξένου Πράκτορα Πιστοποίηση Φορητού Κόμβου-ΑΑΑ ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ I: ΈΓΓΡΑΦΑ RFC ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ II: ΓΛΩΣΣΑΡΙ ΕΝΝΟΙΩΝ Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 5

7 6 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

8 Εισαγωγή Εισαγωγή Η δραματική βελτίωση των μεγεθών και η εξέλιξη των φορητών υπολογιστικών συσκευών την τελευταία δεκαετία, καθώς και η ολοένα αυξανόμενη εξάρτηση στην πρόσβαση της πληροφορίας από οποιοδήποτε σημείο σε συνδυασμό με την ανάγκη για συνεχή και διαρκή επικοινωνία, οδήγησαν και εξακολουθούν να οδηγούν, στη δημιουργία προτύπων για φορητή υπολογιστική και δικτύωση. Μία από τις σημαντικές προκλήσεις στην φορητή επικοινωνία δεδομένων είναι η μετακίνηση δεδομένων κατά μήκος διαφορετικών δικτύων διατηρώντας παράλληλα σταθερή την επικοινωνία. Σκοπός της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι η μελέτη και θεωρητική επισκόπηση ενός τέτοιου προτύπου και συγκεκριμένα του Φορητού IP, το οποίο προσδιορίστηκε για την επίλυση της παραπάνω πρόκλησης. Το Φορητό IP είναι ένα ανοιχτό πρότυπο, ορισμένο από την IETF, το οποίο επιτρέπει στους χρήστες τη διατήρηση της ίδιας IP διεύθυνσης, της σύνδεσής τους και των εν εξελίξει εφαρμογών, ενώ εκείνοι περιάγονται δια μέσου IP δικτύων. Στόχος λοιπόν, αυτής της εργασίας είναι η εξέταση όλων των θεωρητικών πλαισίων που οδηγούν στην υλοποίηση του Φορητού IP καθώς και των απαραίτητων μονάδων που χρησιμοποιούνται για αυτό το σκοπό. Η μελέτη του Φορητού IP δομείται σε τέσσερα κεφάλαια, καθένα από τα οποία πραγματεύεται και μία από τις ενότητες που θα πρέπει κανείς να γνωρίζει προκειμένου να κατανοήσει την αρχή λειτουργίας του προτύπου και τον τρόπο με τον οποίο μπορεί αυτό να υλοποιηθεί σε ένα δίκτυο. Το πρώτο κεφάλαιο, με τίτλο «Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες» παρουσιάζει τα γενικά χαρακτηριστικά των φορητών και ασύρματων επικοινωνιών, καθώς και τις εισαγωγικές θεωρίες των δικτύων και των πρωτοκόλλων φορητότητας κυρίως, οι οποίες όμως αναλύονται εκτενέστερα κατά την πλήρη μελέτη του προτύπου. Παράλληλα, επεξηγούνται κάποιες βασικές έννοιες που συναντώνται στην πορεία αυτής της μελέτης του Φορητού IP και κρίνεται σκόπιμο να αποσαφηνιστούν εκ των προτέρων. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται η αναλυτική μελέτη του προτύπου. Σε αυτό το κεφάλαιο μελετώνται τα απαραίτητα συστατικά στοιχεία του Φορητού IP, τα Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 7

9 Εισαγωγή χαρακτηριστικά του, οι λειτουργίες του και η ροή των μηνυμάτων του. Χαρακτηριστικά όπως η ενθυλάκωση και η δρομολόγηση επεξηγούνται σε αυτό το κεφάλαιο. Το τρίτο κεφάλαιο, «IOS Φορητού IP», καλύπτει τις διευθετήσεις που απαιτούνται προκειμένου να λειτουργήσουν οι συσκευές δικτύου στα πλαίσια του προτύπου, σε μία βασική τοπολογία Φορητού IP ή κάποιων εναλλακτικών σεναρίων. Ένα ιδιαίτερα σημαντικό χαρακτηριστικό που πρέπει να καλύπτεται με κάθε τρόπο είναι το θέμα της ασφάλειας. Ο ρόλος αυτού του θέματος όμως, χαρακτηρίζεται ακόμα πιο σημαντικός όταν μιλάμε για ένα πρότυπο φορητής δικτύωσης. Ρόλος του τέταρτου κεφαλαίου, «Ασφάλεια Φορητού IP», είναι να καλύψει τις αρχές που σχετίζονται με την ασφάλεια του Φορητού IP, όπως οι επεκτάσεις πιστοποίησης, η πιστοποίηση Φορητού Κόμβου και Ξένου Πράκτορα, και γενικότερα καλύπτεται ο τρόπος με τον οποίο διασφαλίζεται η επικοινωνία του χρήστη σε ένα ακόμα πιο ευάλωτο περιβάλλον όπως είναι η φορητότητα. Τέλος, στο παράρτημα, παραθέτονται όλα τα Έγγραφα RFC που αναφέρονται κατά τη διάρκεια της μελέτης με την αντίστοιχη ερμηνεία τους. 8 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

10 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες Γενικά Σήμερα, οι μεγάλες δυνατότητες των δικτύων έχουν αντικαταστήσει την διαδικασία της εκτύπωσης και παράδοσης της αλληλογραφίας. Η άνθιση του Διαδικτύου έχει μετατρέψει τους υπολογιστές από συσκευές επεξεργασίας δεδομένων σε συσκευές επικοινωνίας πραγματικού χρόνου. Το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο ( ), η άμεση αποστολή μηνυμάτων (instant messaging) και η περιήγηση στον Ιστό (web browsing) γίνονται οι πιο δημοφιλείς εφαρμογές. Η κινητή υπολογιστική οδηγεί την ανάγκη για συνδεσιμότητα ακόμα πιο μακριά. Οι χρήστες αποδέχονται ραγδαία τις τεχνολογίες ασύρματων τοπικών δικτύων (WLAN, Wireless LAN) καθώς αναζητούν επικοινωνίες πραγματικού χρόνου όποτε και όπου θέτουν τον υπολογιστή τους σε λειτουργία. Οι υπολογιστές από μόνοι τους εξελίσσονται σε διάφορες νέες κατηγορίες συσκευών, από έξυπνα τηλέφωνα και προσωπικούς ψηφιακούς βοηθούς (PDAs) ως τα ενσωματωμένα συστήματα πλοήγησης, όλα εκ των οποίων βασίζονται στην επικοινωνία δεδομένων πραγματικού χρόνου. Οι φορητές επικοινωνίες δεδομένων δεν μας επιτρέπουν μόνο να λαμβάνουμε το ηλεκτρονικό μας ταχυδρομείο ή να περιηγούμαστε στον ιστό. Πολλές από τις εφαρμογές εξειδικεύονται περισσότερο στην ατομική παραγωγικότητα. Ένα από τα καλύτερα παραδείγματα είναι ένα διασυνδεδεμένο ασθενοφόρο. Περνώντας από ένα ασθενοφόρο που διαθέτει μόνο ασυρμάτους σε ένα εξοπλισμένο με υψηλής ταχύτητας μεταφορά φωνής, βίντεο και δεδομένων πραγματικού χρόνου, βελτιώνει σημαντικά το επίπεδο φροντίδας που είναι σε θέση να παρέχει στον ασθενή. Πλέον, το προσωπικό των οχημάτων πρώτων βοηθειών μπορεί να έχει πρόσβαση στα ιατρικά αρχεία, ακόμα και στο νοσοκομειακό προσωπικό. Το νοσοκομείο μπορεί να είναι σε ετοιμότητα μόλις φτάσει ο ασθενής γιατί όλα τα απαραίτητα δεδομένα μπορούν να μεταδοθούν καθ οδόν προς το νοσοκομείο. Η φορητότητα και η ασύρματη τεχνολογία δεν είναι συνώνυμα. Πάνε όμως παράλληλα, ειδικά όσον αφορά τις υπολογιστικές μηχανές. Χωρίς την ασύρματη τεχνολογία, η επίτευξη των φορητών επικοινωνιών θα ήταν δύσκολη. Η μεταφορά καλωδίων για τη σύνδεση σε οποιαδήποτε τοποθεσία δεν είναι και τόσο βολική ενώ δεν επιτρέπει την συνδεσιμότητα κατά τη διάρκεια της κίνησης. Η ασύρματη Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 9

11 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες τεχνολογία επιτρέπει στις υπολογιστικές μηχανές να παραμένουν συνδεδεμένες ενώ κινούνται, αλλά μόνο πρόσφατα έχει καταφέρει να ανταποκριθεί στις ανάγκες της ευρύτερης μάζας της αγοράς. Το κόστος έχει μειωθεί ενώ η ταχύτητα και η αξιοπιστία έχουν αυξηθεί σε τέτοιο σημείο που είναι πλέον τετριμμένο να βλέπουμε την ασύρματη τεχνολογία να αναπτύσσεται στις υπολογιστικές μηχανές παρά να προσφέρεται σαν κάποια τρίτη βοηθητική εφαρμογή. Παρόλα αυτά, τεχνολογικοί περιορισμοί εξακολουθούν να υπάρχουν, για παράδειγμα, είναι κοινό ο ρυθμός μεταφοράς ή επεξεργασίας των δεδομένων (throughput) να μειώνεται όσο το εύρος και η περιοχή κάλυψης αυξάνουν. Αυτό σημαίνει ότι καμία ασύρματη τεχνολογία δεν μπορεί να είναι καθολικά εφαρμόσιμη. Όπως και στον καλωδιωμένο κόσμο, τεχνολογίες τοπικών δικτύων (LAN, Local Area Network), μητροπολιτικών δικτύων (MAN, Metro Area Network) και δικτύων ευρείας περιοχής (WAN, Wide Area Network) είναι διαθέσιμες, αλλά σε αντίθεση με τον καλωδιωμένο κόσμο, κάθε συσκευή συνδέεται απευθείας στο εκάστοτε δίκτυο της. Επιπλέον, οι φορητές συσκευές πλημμυρίζουν ραγδαία την αγορά, αλλά τι ακριβώς είναι αυτό που κάνει μια υπολογιστική μηχανή φορητή; Μια λαβή; Οι μπαταρίες; Οι σύνδεσμοι ασύρματων επικοινωνιών; Φορητότητα Σε γενικές γραμμές, ο όρος φορητό είναι ανακριβώς ορισμένος. Στο ελάχιστο, υποδηλώνει ότι το ουσιαστικό με το οποίο συνοδεύεται είναι ικανό να μετακινείται με ευκολία. Ένας φορητός υπολογιστής είναι ένας υπολογιστής ο οποίος περιορίζεται σε ένα γραφείο με διάφορα μηχανήματα, εξοπλισμό και με πολυάριθμες καλωδιώσεις. Ωστόσο, η παρούσα χρήση του αρχίζει να υποδηλώνει ένα μεγαλύτερο βαθμό ελευθερίας. Για παράδειγμα, ένα ασύρματο τηλέφωνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο μέσα σε μία σχετικά κοντινή ακτίνα από τη βάση του στο σπίτι, ενώ αντίθετα ένα κινητό τηλέφωνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί οπουδήποτε. Αυτά τα τηλέφωνα δεν θα θεωρούνταν φορητά αν έπρεπε να συνδεθούν στην πρίζα προκειμένου να χρησιμοποιηθούν. Επιπρόσθετα, ένα φορητό τηλέφωνο δεν θα μπορούσε να θεωρείτο εξολοκλήρου φορητό εάν κάθε κλήση τερματιζόταν κάθε φορά που αυτό μεταφερόταν σε μία νέα κυψελωτή περιοχή. 10 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

12 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες Είναι σημαντικό να σημειώσουμε τη διαφορά μεταξύ φορητότητας και νομαδικότητας. Η έννοια της νομαδικότητας αναφέρεται στην ικανότητα μετακίνησης από μία τοποθεσία σε μία άλλη και της εκ νέου εκκίνησης επικοινωνίας. Η νομαδικότητα μπορεί να περιγραφεί καλύτερα ως ένας χρήστης φορητού υπολογιστή ο οποίος μεταφέρεται από μία θέση σε μία άλλη, συνδέει το φορητό του υπολογιστή, αποκτά μία σύνδεση με το Διαδίκτυο και ξεκινάει την επικοινωνία. Ο χρήστης ωστόσο, θα χρειαστεί να τερματίσει και να επανεκκινήσει τις συνδιαλέξεις (sessions) και τις εφαρμογές (applications) του σαν αποτέλεσμα της κίνησής του. Η κοινή χρήση του όρου κινητή υπολογιστική υπονοεί νομαδική υπολογιστική. Όταν ένας επιχειρηματίας χρησιμοποιεί τον φορητό υπολογιστή του στο γραφείο, τον κλείνει, τον παίρνει σπίτι του και τον χρησιμοποιεί εκεί, τότε αυτό είναι νομαδικό. Απώτερος στόχος μας είναι η διευκόλυνση μιας συσκευής να παραμένει πάντα συνδεδεμένη διαμέσου του καλύτερου διαθέσιμου συνδέσμου. Σε αυτό το σημείο πρέπει να σημειωθεί πως η φορητότητα μπορεί να διακριθεί σε διάφορους τύπους, ανάλογα με την οντότητα η οποία εμπλέκεται σε αυτή, και οι οποίοι είναι οι εξής: > Φορητότητα συσκευής > Φορητότητα χρήστη > Φορητότητα εφαρμογής > Φορητότητα συνόδου Ασύρματη Τεχνολογία Η σχέση μεταξύ της φορητής και της ασύρματης τεχνολογίας είναι ανάλογη, τόσο για την τηλεφωνία, όσο και για τις επικοινωνίες δεδομένων. Η ασύρματη τηλεφωνία είναι ήδη πανταχού παρούσα από τα ασύρματα τηλέφωνα στο σπίτι μέχρι τα κινητά τηλέφωνα στο δρόμο αλλά ποιος είναι ο τρόπος λειτουργίας τους και γιατί διαφέρουν; Η διαφορά μεταξύ των ασύρματων και των κινητών τηλεφώνων είναι το δίκτυο υποδομής και η ασύρματη τεχνολογία. Τα ασύρματα τηλέφωνα διαχειρίζονται ως δύο βασικά μέρη: το ακουστικό και το σταθμό βάσης. Ένα ακουστικό μπορεί να μιλήσει μόνο με ένα σταθμό βάσης χωρίς να επαναπρογραμματιστεί για κάποιον άλλο σταθμό. Αυτό έχει γίνει έτσι ώστε να αποτρέπεται κάποιος ξένος από το να πραγματοποιεί τηλεφωνικές κλήσεις από τη δική μας γραμμή χρησιμοποιώντας το δικό του ακουστικό. Τα ασύρματα τηλέφωνα Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 11

13 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες είναι τις περισσότερες φορές συσκευές πολύ μικρής εμβέλειας αφού τυπικά είναι χρησιμοποιήσιμα σε μία περίμετρο μερικών δεκάδων μέτρων από το σταθμό βάσης τους. Η αύξηση της εμβέλειας συνεπάγεται αύξηση της ισχύος. Με αυτόν τον τρόπο λειτουργούσαν τα πρώτα συστήματα κινητής τηλεφωνίας. Δηλαδή ένας μόνο σταθμός βάσης εξυπηρετούσε μία ολόκληρη πόλη. Ωστόσο, ο αριθμός των διαθέσιμων καναλιών για την πραγματοποίηση κλήσεων ήταν περιορισμένος. Στα πλαίσια όμως μίας επιχείρησης, η υπηρεσία κινητής τηλεφωνίας έπρεπε με κάποιο τρόπο να δίνει τη δυνατότητα πραγματοποίησης δεκάδων χιλιάδων κλήσεων κάθε φορά και όχι μόνο μερικών δεκάδων. Τα συστήματα κυψελωτής τηλεφωνίας παρέχουν πιο αποδοτική χρήση του ραδιοφωνικού φάσματος. Τα κυψελωτά συστήματα λειτουργούν χρησιμοποιώντας πολλούς σταθμούς βάσης χαμηλής ισχύος, ο καθένας εκ των οποίων εξυπηρετεί μία μικρή περιοχή. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1-1, πολλοί σταθμοί βάσης μέσα σε μία πόλη μπορούν να χρησιμοποιούν τα ίδια κανάλια για διαφορετικές κλήσεις. Το χτίσιμο ενός δικτύου που θα επιτρέπει στους χρήστες του να διατηρούν την κλήση τους, ενώ μετακινούνται εντός και εκτός της περιοχής κάλυψης των πολλαπλών σταθμών βάσης, είναι πολύ πιο σύνθετο απ το χτίσιμο ενός ασύρματου τηλεφώνου. Η ανάγκη αλλαγής των συνδέσμων πρόσβασης, ενώ η κλήση διατηρείται, είναι παρόμοια με τις προκλήσεις της μετακίνησης μεταξύ LAN, MAN και WAN δικτύων δεδομένων. Ανεξαρτήτως αν το θέμα συζήτησης είναι ένα σύστημα κυψελωτής τηλεφωνίας ή ένα δίκτυο φορητής μετακίνησης δεδομένων, η λύση θα πρέπει να επιλαμβάνεται των πολλών αλλαγών. Σχήμα 1-1: Η Τεχνολογία Ραδιοφωνικής Εκπομπής Επιτρέπει Μόνο Έναν Χρήστη ανά Κανάλι σε μία Πόλη, Ενώ Αντίθετα η Τεχνολογία Κυψελωτών Περιοχών Επιτρέπει στα Κανάλια να Επαναχρησιμοποιούνται 12 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

14 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες Προκλήσεις της Φορητότητας των Επικοινωνιών Η φορητότητα των επικοινωνιών αφορά την ικανότητα μίας συσκευής να επικοινωνεί με μία άλλη συσκευή από ποικίλες αποστάσεις και μέσω ενός ή και παραπάνω συνδέσμων πρόσβασης (για παράδειγμα Ethernet, κτλ.). Ως τελικός στόχος η πλήρης φορητότητα, προδιαθέτει την αξίωση της διατήρησης των επικοινωνιών κατά τη διάρκεια των αλλαγών στους συνδέσμους πρόσβασης. Όπως ακριβώς δεν καταλαβαίνουμε πότε το κινητό μας τηλέφωνο αλλάζει πύργο κυψελωτής επικοινωνίας, έτσι και ο τελικός χρήστης δεν θα πρέπει ποτέ να προσέξει τις αλλαγές των συνδέσμων πρόσβασης. Με αυτό το πρίσμα, φορητότητα μπορεί να σημαίνει την αλλαγή από ένα υποδίκτυο σε ένα άλλο ενός δικτύου Ethernet ή την πραγματοποίηση μίας τηλεφωνικής κλήσης μέσα στο αυτοκίνητο ενώ αυτό περνάει από μία κυψελωτή τοποθεσία σε μία άλλη. Φορητότητα μπορεί να σημαίνει ακόμα και τη μετακίνηση από ένα δίκτυο Ethernet υψηλής ταχύτητας σε μία σύνδεση WLAN (Wireless LAN, ασύρματο τοπικό δίκτυο) ενός γραφείου σε μία αίθουσα συνεδριάσεων. Όπως και να έχει, όλες οι λύσεις φορητότητας πρέπει να έχουν την ικανότητα να εντοπίζουν μία συσκευή και να διακινούν όλη την προς μέρους της κυκλοφορία. Συγκεκριμένα, μια λύση φορητότητας πρέπει να πληρεί τις παρακάτω τέσσερις προϋποθέσεις: Ανακάλυψη τοποθεσίας Ανίχνευση μετακίνησης Ανανέωση ενημερώσεων (Επαν)εγκαθίδρυση μονοπατιού Κάθε πρωτόκολλο φορητών επικοινωνιών τηρεί τις παραπάνω απαιτήσεις με διαφορετικό τρόπο το κάθε ένα. Για παράδειγμα, κάποια συμπεριφέρονται όσο το δυνατό περισσότερο στον πυρήνα του δικτύου, ενώ άλλα στα άκρα του δικτύου. Ανακάλυψη Τοποθεσίας Για να είναι σε θέση ένα δίκτυο να διακινήσει όλη την κυκλοφορία προς μία τελική συσκευή, πρέπει πρώτα να ξέρει που θα βρει αυτή τη συσκευή. Οι διάφοροι Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 13

15 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες τύποι δικτύων χρησιμοποιούν τις δύο ακόλουθες προσεγγίσεις για να βρουν μία συσκευή μέσα στο δίκτυο: Αντιδραστική προσέγγιση Μερικά πρωτόκολλα χρησιμοποιούν την αντιδραστική προσέγγιση στέλνοντας μια αίτηση μόνο όταν πρέπει να διαχειριστούν κάποια κυκλοφορία. Αυτό το σύστημα χρησιμοποιείται συχνά στα αεροδρόμια, ειδοποιώντας μέσω τηλεφώνου τα άτομα για τα οποία υπάρχει κάποιο μήνυμα. Το γεγονός αυτό είναι πολύ βολικό γιατί το αεροδρόμιο δεν χρειάζεται να γνωρίζει ανά πάσα στιγμή πού βρίσκεται ο καθ ένας. Επίσης, είναι αποτελεσματικό στα αεροδρόμια γιατί η συχνότητα των μηνυμάτων είναι μικρή. Αν αυξανόταν η συχνότητα των μηνυμάτων, το σύστημα θα αποτύγχανε γιατί δεν θα ήταν δυνατό να μεταφερθούν τόσα μηνύματα την ίδια στιγμή. Αν το αεροδρόμιο είναι χωρισμένο σε πτέρυγες, μία για την διεθνή κυκλοφορία και μία για την εθνική κυκλοφορία, τότε το σύστημα ειδοποιήσεων μπορεί να γίνει πιο αποτελεσματικό γιατί οι ανακοινώσεις για τους ταξιδιώτες εσωτερικού χρειάζεται να ανακοινωθούν μόνο στην πτέρυγα εσωτερικού. Ένας παρόμοιος τύπος υβριδικού συστήματος χρησιμοποιείται στα κυψελωτά δίκτυα τηλεφωνίας. Το δίκτυο γνωρίζει μόνο τη γενική περιοχή στην οποία βρίσκεται κάθε τηλέφωνο και όταν χρειαστεί να παραδώσει μία κλήση, εκπέμπει ένα μήνυμα σε αυτήν την περιοχή. Αυτό βέβαια είναι αποτελεσματικό για την διαχείριση μικρής κυκλοφορίας γιατί το δίκτυο δεν χρειάζεται να δεσμεύσει ένα σημαντικό μέρος των πόρων για την καταγραφή των ατομικών μετακινήσεων. Προνοητική προσέγγιση Μερικά δίκτυα χρησιμοποιούν μία προνοητική προσέγγιση και «παρακολουθούν» πάντα την ακριβή θέση κάθε συσκευής. Αν και μπορεί αυτό να μοιάζει συγκλονιστικό, μπορεί να εφαρμοστεί με έναν πολύ κλιμακωτό τρόπο. Στις μέρες μας, όλο και λιγότερα μηνύματα ενημερώσεων ανακοινώνονται στα αεροδρόμια 14 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

16 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες γιατί οι περισσότεροι άνθρωποι μπορούν πλέον να επικοινωνούν κατευθείαν μέσω των κινητών τηλεφώνων τους. Παρόλο που αυτά είναι δύο εντελώς διαφορετικά συστήματα, το τελικό αποτέλεσμα είναι το ίδιο, το οποίο είναι δύο (ή περισσότερα) άτομα σε ένα αεροδρόμιο να μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους. Η ανακάλυψη τοποθεσίας, είτε αντιδραστική είτε προνοητική, είναι η μέθοδος με την οποία το δίκτυο ξέρει πώς να διανείμει την κυκλοφορία προς την φορητή συσκευή. Η συγκεκριμένη υλοποίηση της ανακάλυψης της τοποθεσίας είναι άρρηκτα δεμένη με την υποκείμενη τεχνολογία και το προβλεπόμενο μοντέλο κυκλοφορίας. Ανίχνευση Μετακίνησης Αν και ο όρος ανίχνευση κίνησης έχει κάποιες ξεκάθαρα φυσικές ερμηνείες, σε αυτό το κείμενο, είναι σχεδόν πάντα λογικές. Για να τεθεί απλά, η ανίχνευση κίνησης είναι μία αλλαγή ανάμεσα στους διαθέσιμους συνδέσμους πρόσβασης. Αντίθετα με τη σταθερή δικτύωση, όπου οι περισσότερες συσκευές έχουν μία σύνδεση με το δίκτυο, οι φορητές συσκευές συχνά έχουν αρκετά διαφορετικά διαθέσιμα «μονοπάτια» σε μία δεδομένη χρονική στιγμή. Το πρωτόκολλο φορητότητας είναι τότε υπεύθυνο για να καθορίσει ποιο από αυτά τα μονοπάτια είναι το καλύτερο και να επικοινωνεί με αυτό το κανάλι για την τρέχουσα θέση της συσκευής. Στα κυψελωτά δίκτυα για παράδειγμα, συχνά υπάρχει μία επικάλυψη στην περιοχή κάλυψης των κελιών τους. Το δίκτυο τότε αποφασίζει, βασιζόμενο στην ποιότητα του σήματος και σε κάποιους άλλους παράγοντες, με ποιό από τα κελιά θα πρέπει να συνδεθεί η συσκευή. Στις περισσότερες περιπτώσεις, μία λογική κίνηση είναι το αποτέλεσμα μίας φυσικής κίνησης. Ωστόσο, στην περίπτωση που αποτύχει κάποιος σύνδεσμος πρόσβασης, η κατάσταση διαχειρίζεται επίσης σαν μετακίνηση. Στα πρωτόκολλα που παρέχουν πλήρη φορητότητα, οι συνδιαλέξεις μπορούν να διατηρηθούν όταν μία συσκευή αλλάζει τον σύνδεσμο πρόσβασής της. Κάθε αλλαγή της τοποθεσίας που βασίζεται στην ανακάλυψη κίνησης αποκαλείται διαπομπή. Κάθε φορά που ανιχνεύεται μία μετακίνηση, το σύστημα πρέπει να αποφασίσει κατά πόσο αυτή η κίνηση ισοδυναμεί με αλλαγή της θέσης. Μερικά Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 15

17 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες πρωτόκολλα χρησιμοποιούν μία προνοητική προσέγγιση, εκτιμώντας την καταλληλότερη τοποθεσία για κάθε μετακίνηση. Άλλα είναι αντιδραστικά, ψάχνοντας για έναν καινούριο ευνοϊκότερο σύνδεσμο μόνο όταν ο υπάρχων σύνδεσμος δεν είναι πλέον διαθέσιμος. Σε μερικές περιπτώσεις, το πρωτόκολλο είναι έτσι σχεδιασμένο ώστε να επιτρέπει στο χρήστη να προσαρμόσει τους αλγόριθμους διαπομπής του στις απαιτήσεις του. Ανανέωση Ενημερώσεων Τόσο η ανανέωση ενημερώσεων όσο και η (επαν)εγκαθίδρυση μονοπατιού είναι ήδη υπάρχουσες αρχές στα πρωτόκολλα δρομολόγησης IP. Η ανανέωση ενημερώσεων είναι ισοδύναμη με μία ενημέρωση δρομολόγησης. Με την ενημέρωση ανακοινώνεται στο υπόλοιπο δίκτυο η τρέχουσα θέση της φορητής συσκευής. Επίσης ανακοινώνονται οι αλλαγές στην τοποθεσία και μπορεί να ενημερωθεί το δίκτυο αν κάποια συσκευή είναι ακόμη ενεργή στη τρέχουσα θέση της. Τα σήματα μπορούν να σταλούν σε μία ανά συσκευή βάση ή μπορούν να σταλούν συναθροιστικά. (Επαν)εγκαθίδρυση Μονοπατιού H (επαν)εγκαθίδρυση μονοπατιού είναι παρόμοια με την αρχή της σύγκλισης στα πρωτόκολλα δρομολόγησης IP. Όταν μία συσκευή στείλει σήμα ενημέρωσης για την αλλαγή της θέσης της το δίκτυο πρέπει να έχει έναν τρόπο για να ιδρύσει ένα νέο μονοπάτι προς τη συσκευή, ή εάν κάποιο μονοπάτι ήταν ήδη σε χρήση, να το αλλάξει ώστε η κυκλοφορία να μπορεί να παραδοθεί στη συσκευή στη νέα της θέση. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με διάφορους τρόπους. Τα σχέδια ποικίλουν ευρέως ανάλογα με το αν η σύνδεση γίνεται με μεταγωγή κυκλώματος ή με μεταγωγή πακέτων. Ο σημαντικός παράγοντας είναι ότι ένα πρωτόκολλο φορητότητας επικοινωνιών πρέπει να είναι πάντα σε θέση να χειριστεί την κυκλοφορία από και προς τον Φορητό Κόμβο. 16 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

18 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες Βασικές Έννοιες Η κατανόηση της ανάλυσης της λειτουργίας του Πρωτοκόλλου Φορητού IP και των χαρακτηριστικών του, προϋποθέτει την ανάλυση βασικών εννοιών οι οποίες χρησιμοποιούνται στην πορεία αυτής της εργασίας.. Κατ αρχήν, ας δούμε σε τι αναφέρεται ο όρος RFC. Οι περισσότερες γραπτές πληροφορίες για το πρωτόκολλο TCP/IP, το Internet, την αρχιτεκτονική του και τα πρωτοκόλλα του είναι διαθέσιμες σε μία σειρά αναφορών, οι οποίες και είναι γνωστές ως έγγραφα Αιτήσεων για Σχόλια (RFCs, Request For Comments). Τα έγγραφα RFC παρέχουν μια καταγραφή των συνεχιζόμενων συζητήσεων μεταξύ των υπευθύνων για το σχεδιασμό, την κατασκευή και τη χρήση του παγκόσμιου Διαδικτύου. Οι συγγραφείς δεν είναι πάντα βέβαιοι για τις συνέπειες των προτάσεών τους ή για το περιεχόμενό τους, αλλά όπως είναι αντιληπτό, τα θέματα αυτά είναι τόσο σύνθετα που δεν μπορούν να γίνουν κατανοητά χωρίς συζήτηση από την κοινότητα και την έμπρακτη δοκιμή τους στη συνέχεια. Έτσι, ο μηχανισμός των RFCs έχει εξελιχθεί εξαιρετικά, καθώς τα έγγραφα διατίθενται σε ηλεκτρονική μορφή και με αυτό τον τρόπο οι πληροφορίες διαδίδονται γρήγορα στην κοινότητα. Η εύρεση των εγγράφων αυτών σε ηλεκτρονική μορφή μπορεί να γίνει από διάφορες τοποθεσίες του ιστού, ωστόσο, από τους πιο κατάλληλους είναι η τοποθεσία της Ομάδας Εργασίας Μηχανικών Διαδικτύου (IETF, Internet Engineering Task Force), η οποία είναι μια ομάδα ατόμων υπό την IAB που εργάζεται στο σχεδιασμό και τη μελέτη του TCP/IP και του παγκόσμιου Internet, ενώ η IAB με τη σειρά της, μιας και έγινε αναφορά σε αυτήν, είναι το Επιμελητήριο Αρχιτεκτονικής Διαδικτύου (IAB, Internet Architecture Board), μια μικρή ομάδα ατόμων που καθορίζουν την πολιτική και την κατεύθυνση για το TCP/IP και το παγκόσμιο Internet. Εξίσου σημαντικές έννοιες, οι οποίες θα χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια είναι οι αιτήσεις Πρωτοκόλλου Ανάλυσης Διευθύνσεων (ARP, Address Resolution Protocol), η τεχνική πληρεξούσιου Πρωτοκόλλου Συναγωγής Διευθύνσεων (proxy ARP, proxy Address Resolution Protocol), καθώς και κάποιοι τύποι του Πρωτοκόλλου Μηνυμάτων Ελέγχου Διαδικτύου (ICMP, Internet Control Message Protocol). Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 17

19 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες Πιο συγκεκριμένα, το ARP είναι το πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται για τη δυναμική αντιστοίχιση μιας διεύθυνσης IP υψηλού επιπέδου σε μια διεύθυνση υλικού χαμηλού επιπέδου. Δίνει δηλαδή τη δυνατότητα σε έναν υπολογιστή να εξακριβώσει τη φυσική διεύθυνση ενός υπολογιστή προορισμού, που βρίσκεται στο ίδιο όμως δίκτυο, έχοντας στη διάθεσή του μόνο τη διεύθυνση IP του υπολογιστή προορισμού. Η τεχνική πληρεξούσιου ARP, ή ARP μεσολάβησης, ή ετερόκλητου ARP, ή ARP hack, όπως αλλιώς αναφέρεται, προσδιορίζει μία τεχνική η οποία χρησιμοποιείται προκειμένου να γίνει η αντιστοίχιση ενός μόνο προθέματος δικτύου IP σε δύο φυσικές διευθύνσεις. Με αυτόν τον τρόπο, ένα μηχάνημα, συνήθως ένας δρομολογητής, απαντάει σε αιτήσεις ARP που προορίζονται για κάποιον άλλο, δίνοντας τη δική του φυσική διεύθυνση, λαμβάνοντας έτσι την ευθύνη για την προώθηση των πακέτων. Σκοπός του proxy ARP είναι να επιτρέπεται σε μια τοποθεσία να χρησιμοποιεί μία μόνο διεύθυνση δικτύου IP με πολλά φυσικά δίκτυα. Το βασικό μειονέκτημα της τεχνικής αυτής είναι ότι δε λειτουργεί με δίκτυα που δεν χρησιμοποιούν ARP για την ανάλυση των διευθύνσεων. Το ICMP απ την άλλη, είναι ένας μηχανισμός των πρωτοκόλλων της σουίτας TCP/IP ο οποίος επιτρέπει στους δρομολογητές να στέλνουν μηνύματα σφάλματος ή ελέγχου σε άλλους δρομολογητές ή υπολογιστές. Όταν κάποιο πακέτο προκαλεί κάποιο σφάλμα, το ICMP μπορεί μόνο να αναφέρει το σφάλμα στην αρχική μηχανή προέλευσης του πακέτου. Τα μηνύματα ICMP χρειάζονται δύο επίπεδα ενθυλάκωσης. Κάθε μήνυμα ICMP ταξιδεύει στο διαδίκτυο μέσα στο τμήμα δεδομένων ενός αυτοδύναμου πακέτου IP, το οποίο με τη σειρά του μεταφέρεται μέσα σε κάθε φυσικό δίκτυο μέσα στο τμήμα δεδομένων ενός πλαισίου. Τα πακέτα που μεταφέρουν μηνύματα ICMP δρομολογούνται όπως ακριβώς και τα πακέτα πληροφοριών χρήστη, πράγμα που σημαίνει πως δεν προβλέπονται επιπλέον προδιαγραφές αξιοπιστίας ή προτεραιότητας και κατά συνέπεια και τα μηνύματα σφάλματος είναι πιθανό να χαθούν ή να απορριφθούν. Ως προς τη μορφή των μηνυμάτων, αν και το κάθε ένα είναι διαφορετικό, εν τούτοις όλα τα μηνύματα περιλαμβάνουν ένα πεδίο μεγέθους 8 bit. Το πεδίο αυτό προσδιορίζει τον τύπο του μηνύματος, ο οποίος με τη σειρά του καθορίζει τη μορφή και τη σημασία του μηνύματος καθώς υπάρχουν αρκετοί διαφορετικοί τύποι μηνυμάτων ICMP, ένα πεδίο των 8 bit που προσδιορίζει τον κωδικό του μηνύματος και ένα πεδίο αθροίσματος ελέγχου των 16 bit. 18 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

20 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες Δύο από τους πιο σημαντικούς τύπους ICMP μηνυμάτων, οι οποίοι θα εξεταστούν στη συνέχεια είναι τα μηνύματα κοινοποίησης και παράκλησης δρομολογητή. Κατά την εκκίνηση του συστήματος ο υπολογιστής πρέπει να μάθει τη διεύθυνση τουλάχιστον ενός από τους δρομολογητές του τοπικού δικτύου του, πριν να είναι σε θέση να στείλει πακέτα σε προορισμούς που βρίσκονται σε άλλα δίκτυα. τους. Ενδεικτικά ακολουθούν μερικοί τύποι μηνυμάτων ICMP με την ερμηνεία ΤΥΠΟΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ 0 - Echo Reply Απάντηση Αντήχησης 3 - Destination Unreachable Μη προσπελάσιμος προορισμός 4 - Source Quench Καταστολή προέλευσης 5 - Redirect Message Ανακατεύθυνση 8 - Echo Request Αίτηση αντήχησης 9 - Router Advertisement Κοινοποίηση δρομολογητή 10 - Router Solicitation Παράκληση δρομολογητή 11 - Time Exceeded Υπέρβαση χρόνου για ένα αυτοδύναμο πακέτο 12 - Parameter Problem Πρόβλημα παραμέτρων σε ένα πακέτο 13 - Timestamp Αίτηση χρονοσφραγίδας 14 - Timestamp Reply Απάντηση χρονοσφραγίδας 15 - Information Request Αίτηση πληροφοριών 16 - Information Reply Απάντηση πληροφοριών 17 - Address Mask Request Αίτηση μάσκας διεύθυνσης 18 - Address Mask Reply Απάντηση μάσκας διεύθυνσης 30 - Traceroute Αίτηση πληροφοριών 35 - Mobile Registration Request Αίτηση φορητής εγγραφής 36 - Mobile Registration Reply Απάντηση φορητής εγγραφής 37 - Domain Name Request Αίτηση ονόματος περιοχής 38 - Domain Name Reply Απάντηση ονόματος περιοχής Το ICMP λοιπόν υποστηρίζει ένα μήνυμα ανακάλυψης δρομολογητή (router discovery), το οποίο επιτρέπει σε έναν υπολογιστή να ανακαλύψει μια διεύθυνση δρομολογητή. Η μέθοδος αυτή ανακάλυψης δρομολογητή του ICMP βοηθά με δύο τρόπους, καθώς αφενός δίνει τη δυνατότητα στον υπολογιστή να ανακτήσει τις πληροφορίες από τον ίδιο τον δρομολογητή αντί να παρέχει μια στατικά διευθετημένη διεύθυνση δρομολογητή μέσω ενός πρωτοκόλλου εκκίνησης και αφετέρου, ο μηχανισμός αυτός χρησιμοποιεί μια τεχνική χαλαρής κατάστασης (soft Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 19

21 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες state) με χρονοδιακόπτες. Με αυτόν τον τρόπο αποτρέπεται οι υπολογιστές να διατηρούν κάποιο δρομολόγιο ακόμα και μετά από την κατάρρευση του δρομολογητή, καθώς οι δρομολογητές κοινοποιούν τις πληροφορίες τους περιοδικά, και οι υπολογιστές απορρίπτουν κάποιο δρομολόγιο αν ο χρονοδιακόπτης για το συγκεκριμένο δρομολόγιο εκπνεύσει. Η προεπιλεγμένη τιμή από τους σχεδιαστές για το ενδιάμεσο διάστημα μεταξύ διαδοχικών κοινοποιήσεων δρομολογητών είναι 10 λεπτά. Η παραπάνω τιμή αποτελεί μια καλή μέση λύση μεταξύ του γρήγορου εντοπισμού της βλάβης και της χαμηλής επιβάρυνσης του δικτύου. Κάποια μικρότερη τιμή θα έδινε τη δυνατότητα γρηγορότερου εντοπισμού μιας πιθανής βλάβης σε κάποιο δρομολογητή, θα επιβάρυνε όμως τον κυκλοφοριακό φόρτο του δικτύου. Ωστόσο, από την οπτική σκοπιά του υπολογιστή υπηρεσίας, η προεπιλεγμένη καθυστέρηση παρουσιάζει ένα σημαντικό μειονέκτημα, καθώς ο υπολογιστής υπηρεσίας δεν μπορεί να περιμένει αυτό το διάστημα λεπτών μετά την εκκίνησή του προκειμένου να λάβει την κοινοποίηση του δρομολογητή. Για την αποφυγή λοιπόν αυτών των καθυστερήσεων, οι σχεδιαστές συμπεριέλαβαν και ένα μήνυμα παράκλησης δρομολογητή (router solicitation), το οποίο δίνει τη δυνατότητα σε έναν υπολογιστή υπηρεσίας να ζητήσει άμεση κοινοποίηση από τους δρομολογητές του δικτύου του. Όταν ένας υπολογιστής υποστηρίζει την πολυδιανομή, τότε στέλνει την αίτηση στη διεύθυνση πολυδιανομής ( ), διαφορετικά τη στέλνει στη διεύθυνση περιορισμένης εκπομπής (limited broadcast, ). Τέλος κρίνεται σκόπιμο να μελετηθούν τα αυτοδύναμα πακέτα IP και ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η δρομολόγησή τους, καθώς επίσης και σε κάποιες τεχνικές δικτύωσης που βοηθούν στην αποδοτικότερη και ταχύτερη δρομολόγηση των πακέτων. Τα πακέτα IP αποτελούνται από ένα τμήμα δεδομένων που μεταβιβάζεται από το επίπεδο μεταφοράς ή τα ανώτερα επίπεδα, συμπεριλαμβανομένου μιας κεφαλίδας IP, όπως εκείνη έχει οριστεί στο RFC 791, περιλαμβάνοντας τα ακόλουθα πεδία. 20 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

22 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες Ver=4 IHL Type of service Total length Identification Flags Fragment Offset Time to Live Protocol Header Checksum Source address Destination address IP Options Data Κεφαλίδα πακέτου IP και δεδομένα Η δρομολόγηση των αυτοδύναμων πακέτων, που δεν αφορά τίποτα άλλο παρά τη διαδικασία επιλογής της διαδρομής μέσα από την οποία θα γίνει η αποστολή των πακέτων. Σε γενικές γραμμές η δρομολόγηση χωρίζεται σε άμεση και έμμεση. Κατά την άμεση παράδοση των πακέτων από μία μηχανή σε μία άλλη, ο αποστολέας ενθυλακώνει το πακέτο μέσα σε ένα φυσικό πλαίσιο, αντιστοιχίζει τη διεύθυνση προορισμού σε μία φυσική διεύθυνση υλικού και στέλνει το τελικό πλαίσιο κατευθείαν στον προορισμό του, καθώς τόσο ο αποστολέας όσο και ο παραλήπτης βρίσκονται συνδεδεμένοι στο ίδιο φυσικό δίκτυο. Ο έλεγχος για την ύπαρξη ή μη άμεσης πρόσβασης σε μία μηχανή γίνεται σχετικά απλά καθώς οι διευθύνσεις διαδικτύου όλων των μηχανών που βρίσκονται στο ίδιο δίκτυο έχουν κοινό πρόθεμα δικτύου. Πώς όμως ξέρει ο κάθε δρομολογητής πού πρέπει να στείλει το κάθε πακέτο και πώς ξέρει ο κάθε υπολογιστής ποιο δρομολογητή πρέπει να χρησιμοποιήσει; Η απάντηση κρύβεται στον βασικό αλγόριθμο δρομολόγησης ο οποίος βασίζεται στη χρήση πινάκων δρομολόγησης σε κάθε μηχανή. Στους πίνακες δρομολόγησης στην ουσία αποθηκεύονται όλες οι πληροφορίες σχετικά με τους πιθανούς προορισμούς και τους τρόπους πρόσβασης σε αυτούς, χωρίς όμως να περιλαμβάνουν ολόκληρες τις διευθύνσεις IP αλλά μόνο τα προθέματα δικτύου, κάτι που καθιστά την δρομολόγηση αποτελεσματικότερη και περιορίζει το μέγεθος των πινάκων δρομολόγησης. Τυπικά, κάθε πίνακας δρομολόγησης περιλαμβάνει ζεύγη μεταξύ των IP διευθύνσεων των δικτύων προορισμού και των IP διευθύνσεων του αμέσως επόμενου δρομολογητή, ή όπως αλλιώς λέγεται το επόμενο άλμα, στη διαδρομή προς το εκάστοτε δίκτυο. Ανάλογα με το μήκος προθέματος, μπορούμε να διακρίνουμε τρεις τύπους δρομολόγησης: Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 21

23 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες Ανά Δίκτυο Ανά Υπολογιστή Προεπιλεγμένου Δρομολογίου Σχετικά με τη δρομολόγηση ανά δίκτυο, πρόκειται για μια καταχώρηση στον πίνακα δρομολόγησης με μήκος προθέματος από 1 έως 31 bit, το οποίο υποδηλώνει ένα δρομολόγιο προορισμός του οποίου είναι ένα ολόκληρο δίκτυο. Η δρομολόγηση ανά υπολογιστή αναφέρεται στα δρομολόγια των πινάκων τα οποία έχουν μήκος προθέματος 32 bit και προσδιορίζουν ακριβώς μία διεύθυνση IP προορισμού. Όσον αφορά τα προεπιλεγμένα δρομολόγια, είναι μία τεχνική κατά την οποία χρησιμοποιείται ένα δρομολόγιο με μήκος προθέματος δικτύου 0 bit (δηλ /0) στο οποίο αποστέλλονται όλα τα πακέτα για τα οποία δεν υπάρχει καταχωρημένη καμία διαδρομή. Άρα μπορούμε να συνοψίσουμε τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η δρομολόγηση ως εξής: Όταν φτάνει ένα πακέτο, η πύλη ελέγχει πρώτα αν υπάρχει κάποια καταχώρηση δρομολογίου για τον συγκεκριμένο host. Αν δεν βρει κάποιο host δρομολόγιο, τότε εξετάζει μήπως υπάρχει κάποιο δρομολόγιο δικτύου. Στην περίπτωση που δεν βρει ούτε κάποιο τέτοιο δρομολόγιο, τότε αποστέλλει το πακέτο μέσω του προεπιλεγμένου δρομολογίου. Στα επόμενα κεφάλαια, γίνεται αναφορά στη χρήση σήραγγας. Τι εννοούμε όμως με τον όρο αυτό; Ο όρος της διείσδυσης σήραγγας (tunneling) αναφέρεται σε μία τεχνολογία που χρησιμοποιείται όταν οι υπολογιστές πηγής και προορισμού βρίσκονται σε παρόμοιου τύπου δίκτυο, αλλά συνδέονται μέσω διαφορετικού τύπου δίκτυο. Πλήρης Φορητότητα και η Σουίτα Πρωτοκόλλων OSI Ένα άλλο ερώτημα που γεννιέται έχει να κάνει με τα επίπεδα της στοίβας OSI και σε ποιά από αυτά μπορεί να επιτευχθεί η φορητότητα. Η πλήρης φορητότητα μπορεί να υλοποιηθεί σε διάφορα στάδια στη σουίτα πρωτοκόλλων Διασύνδεσης Ανοιχτών Συστημάτων (OSI, Open System Interconnection). Στο Σχήμα 1-2 φαίνονται τρεις κοινές διαιρέσεις της στοίβας OSI. Στην βάση βρίσκεται η τεχνολογία 22 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

24 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες πρόσβασης, όπου ανήκουν πολλά από τα υπάρχοντα πρωτόκολλα φορητότητας. Τα ανώτατα επίπεδα συνήθως ελέγχονται από εφαρμογές λογισμικού, όπου δεν ανήκει κανένα συγκεκριμένο πρωτόκολλο φορητότητας. Στη μέση, βρίσκεται το Επίπεδο Δικτύου ή αλλιώς Επίπεδο IP, το οποίο αποδεικνύεται ολοένα και περισσότερο ως το ιδανικό σημείο για ανεξάρτητες υπηρεσίες σύνδεσης όπως η φορητότητα. Σχήμα 1-2: Οι τρεις διαιρέσεις της στοίβας OSI Φορητότητα στο Επίπεδο 2 Η ολοκληρωμένη με την τεχνολογία πρόσβασης φορητότητα έχει αποδειχθεί επιτυχημένη. Το πρωτόκολλο δευτέρου επιπέδου αντιλαμβάνεται όλες τις σχετικές αλλαγές στους συνδέσμους πρόσβασης και έτσι, οι απαιτούμενες πληροφορίες για την ανίχνευση της μετακίνησης και της ανακάλυψης της θέσης είναι άμεσα διαθέσιμες. Η εμπειρία του χρήστη είναι γενικά χρήσιμη γιατί η διαπομπή μπορεί να είναι γρήγορη με αποτέλεσμα να μην υπάρχει επίδραση στις εφαρμογές υψηλού Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 23

25 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες επιπέδου. Εν τούτοις, όπως πολλά άλλα πρωτόκολλα δεύτερου Επιπέδου, η κλιμάκωση αποτελεί πρόβλημα. Τα πρωτόκολλα φορητότητας του δεύτερου Επιπέδου από μόνα τους δεν έχουν τη δυνατότητα διαπομπής ανάμεσα σε διαφορετικές τεχνολογίες. Η διαπομπή ανάμεσα σε διαφορετικές τεχνολογίες. είναι ένα ειδικά σημαντικό χαρακτηριστικό για τις επικοινωνίες δεδομένων εξαιτίας του μεγάλου εύρους ταχύτητας και της πυκνότητας κάλυψης που παρέχεται από τα υπάρχοντα πρωτόκολλα. Όταν ένας χρήστης κάθεται στο γραφείο του, θέλει να εκμεταλλευτεί την μεγάλη ταχύτητα και το χαμηλό λανθάνων χρόνο που προσφέρεται από το σταθερό Ethernet, αλλά όταν αφήνει το γραφείο του, θέλει να διατηρήσει την σύνδεσή του μέσω ενός WLAN. Οι λύσεις φορητότητας στα υψηλότερα επίπεδα της στοίβας OSI έχουν τη δυνατότητα παροχής περιαγωγής μεταξύ διαφόρων τεχνολογιών πρόσβασης. Φορητότητα στα Επίπεδα 4 έως 7 Παρόλο τη μικρή προσπάθεια τυποποίησης ενός πρωτοκόλλου φορητότητας στα επίπεδα 4 έως 7, πολλές εφαρμογές υλοποιούν φορητές υπηρεσίες έως ένα επίπεδο. Οι πελάτες της άμεσης ηλεκτρονικής επικοινωνίας (instant-messaging) ελέγχουν τακτικά για να διασφαλίσουν ότι ο σύνδεσμος πρόσβασής τους είναι ακόμα διαθέσιμος και ότι η διεύθυνση δικτύου παραμένει η ίδια. Πολλά πακέτα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου μπορούν να χειριστούν αλλαγές στις διευθύνσεις IP που προκύπτουν μεταξύ των ελέγχων αλληλογραφίας. Στα πλαίσια της πλήρους φορητότητας, η πλειονότητα των εφαρμογών δεν μπορούν να διατηρήσουν τις συνόδους όταν αλλάζει ο σύνδεσμος πρόσβασης. Αν κάποιος χρήστης αποσυνδέσει το καλώδιο από το σταθερό Ethernet ενώ επιχειρεί να «κατεβάσει» ένα μεγάλο επισυναπτόμενο μήνυμα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου, τότε η ανάκτηση θα αποτύχει. Λίγες είναι οι εφαρμογές που είναι αρκετά έξυπνες για να συνεχίσουν και πέρα από το σημείο διακοπής ή να ξαναρχίσουν την μεταφορά χωρίς σφάλμα. Η φορητότητα στα Επίπεδα 4 έως 7 δεν είναι πρακτική γιατί πρέπει οι εφαρμογές να σχεδιαστούν ειδικά με υποστήριξη φορητότητας. Κάθε εφαρμογή πρέπει να διαχειριστεί τη φορητότητα διαφορετικά, χρειάζονται συνηθισμένα άγκιστρα στο λειτουργικό σύστημα για να εξασφαλιστεί ότι οι εφαρμογές έχουν όλες τις αναγκαίες πληροφορίες και οι κληρονομημένες εφαρμογές πρέπει να επαναπροσδιοριστούν. 24 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

26 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες Φορητότητα στο Επίπεδο 3 Το τρίτο Επίπεδο (Επίπεδο δικτύου) και ειδικά το IP είναι ο ιδανικός υποψήφιοι για την υποστήριξη των πρωτοκόλλων πλήρους φορητότητας. Το IP υποστηρίζεται σε ένα ευρύ φάσμα ενσύρματων και ασύρματων συνδέσμων και υποστηρίζεται από πολλές εφαρμογές. Η φορητότητα IP επιτρέπει σε όλες τις εν δυνάμει IP εφαρμογές, είτε αυτές χρησιμοποιούν Πρωτόκολλο Ελέγχου Μετάδοσης (TCP, Transmission Control Protocol), είτε Πρωτόκολλο Αυτοδύναμων Πακέτων Χρήστη (UDP, User Datagram Protocol) ή οποιοδήποτε άλλο πρωτόκολλο μεταφοράς, να κληρονομήσει απρόσκοπτα πλήρη φορητότητα κατά μήκος διαφορετικού εύρους τύπων συνδέσμων πρόσβασης. Οι χρήστες μπορούν να περιάγονται από τα σταθερά δίκτυα τύπου Ethernet σε ασύρματα Ethernet και κυψελωτά δίκτυα, αντιλαμβανόμενοι μόνο τον υποβιβασμό της ταχύτητας και του λανθάνοντα χρόνου. Ο χρήστης δεν χρειάζεται να ξαναρχίσει τις εφαρμογές του, να διακόψει τις συνόδους του ή να επανεκκινήσει το σύστημά του. Συνδυάζοντας Πρωτόκολλα Φορητότητας Οι λύσεις φορητότητας των Επιπέδων 2 και 3 έχουν τα δικά τους μοναδικά πλεονεκτήματα τα οποία ταιριάζουν πολύ καλά για να δημιουργήσουν μία πλήρη λύση φορητότητας. Πολλές πραγματικές λύσεις φορητότητας βασίζονται σε έναν συνδυασμό λύσεων. Η φορητότητα του δεύτερου επιπέδου παρέχει γρήγορη διαπομπή μεταξύ των συνδέσμων πρόσβασης σε μία μικρή περιοχή και της ίδιας τεχνολογίας. Η φορητότητα του τρίτου επιπέδου προστίθεται στην κορυφή του δεύτερου έτσι ώστε να παρέχει κλιμάκωση αλλά και ανεξαρτησία στο επίπεδο συνδέσμου (Επίπεδο 2). Πολλές από τις σύγχρονες προτάσεις στα συστήματα κινητής τηλεφωνίας χρησιμοποιούν έναν συνδυασμό της γρήγορης φορητότητας του Επιπέδου 2 και του Φορητού IP ή ενός παρόμοιου πρωτοκόλλου για την κλιμάκωση της φορητότητας του τρίτου επιπέδου 3. Ωστόσο, οι διαχειριστές της κινητής τηλεφωνίας δεν είναι οι μόνοι υποψήφιοι χρήστες της λύσης φορητότητας τρίτου επιπέδου που παρέχει το Φορητό IP. Ακολούθως δίνεται ένα παράδειγμα της τρέχουσας δέσμευσης των νομαδικών χρηστών φορητού υπολογιστή και ενώ το Φορητό IP δεν πλεονεκτεί έναντι των χρηστών τηλεφωνικής σύνδεσης, είναι χρήσιμο για το μέσο όρο των χρηστών Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 25

27 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες φορητού υπολογιστή. Πολυάριθμες τεχνολογίες δημόσιας και ιδιωτικής πρόσβασης ακμάζουν μέσα στα πλαίσια της επιχειρηματικής ανάπτυξης, αλλά καμία από αυτές τις τεχνολογίες δεν μπορεί να παρέχει τον ιδανικό συνδυασμό ευρείας κάλυψης, υψηλής ταχύτητας και χαμηλού κόστους. Με το Φορητό IP, μία συσκευή που έχει πρόσβαση σε πολλαπλά δίκτυα μπορεί πολύ εύκολα να κάνει χρήση του καταλληλότερου συνδέσμου χωρίς την αλληλεπίδραση του χρήστη. Οι περισσότεροι χρήστες φορητού υπολογιστή για παράδειγμα, είναι εξοικειωμένοι με το πρωτόκολλο νομαδικής φορητότητας του φορητού υπολογιστή τους. Μπορεί να μην παρέχει πλήρη φορητότητα αλλά επιτρέπει την περιορισμένη φορητή πρόσβαση, όπως περιγράφεται παρακάτω: Ανακάλυψη τοποθεσίας Υλοποιείται στο Επίπεδο 8, το επίπεδο χρήστη. Οι χρήστες ψάχνουν για ενσύρματη ή ασύρματη πρόσβαση κάθε φορά που χρειάζονται να συνδεθούν στο δίκτυο, ψάχνοντας για Ethernet συνδέσεις και τηλεφωνικές υποδοχές, σήμα ασύρματου τοπικού δικτύου και προσαρτώντας μόντεμ. Ανίχνευση μετακίνησης Διαχειρίζεται στο Επίπεδο 8, το επίπεδο χρήστη. Όταν τα καλώδια είναι πολύ κοντά, οι χρήστες πρέπει να εντοπίσουν έναν καινούριο σύνδεσμο πρόσβασης και να επαναπροσδιορίσουν χειροκίνητα μία νέα σύνδεση. Ανανέωση Ενημερώσεων Πρωτόκολλα όπως το Πρωτόκολλο Δυναμικής Διευθέτησης Υπολογιστών Υπηρεσίας (DHCP, Dynamic Host Configuration Protocol) και το Πρωτόκολλο Ελέγχου IP (IPCP, Internet Protocol Control Protocol) μέρος του Πρωτοκόλλου από Σημείο σε Σημείο (PPP, Point to Point Protocol) παρέχουν στους χρήστες μία νέα IP διεύθυνση. Μερικές φορές αυτές οι εκχωρήσεις μπορούν να προκαλέσουν μία δυναμική ενημέρωση στο Σύστημα Ονομάτων Περιοχών (DNS, Domain Name System), επιτρέποντας την εσωτερική πρόσβαση. (Επαν)εγκαθίδρυση μονοπατιού Οι εφαρμογές πρέπει να ανιχνεύουν τις αλλαγές της σύνδεσης και να ξαναρχίζουν, ή σε μερικές περιπτώσεις, ολόκληρη η συσκευή πρέπει να επανεκκινήσει. 26 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

28 Φορητές και Ασύρματες Επικοινωνίες Αν και η ονομασία αυτής της διαδικασίας ως πρωτόκολλο φορητότητας είναι σχετικά υπερβολική, αντιπροσωπεύει ξεκάθαρα τον τρόπο με τον οποίο επιτυγχάνεται η φορητότητα σε πολλές περιπτώσεις. Επανεξετάζοντας το παράδειγμα με το ασθενοφόρο, είναι ολοφάνερο ότι μία λύση που απαιτεί την αλληλεπίδραση του χρήστη δεν είναι μία άμεσα εφαρμόσιμη επιλογή. Η σταθερή συνδεσιμότητα κατά μήκος ενός δικτύου καθιστά ικανές καινούριες εφαρμογές για ένα συνδεδεμένο ασθενοφόρο. Οι εφαρμογές που αποβλέπουν στη δημόσια ασφάλεια, όπως το συνδεδεμένο ασθενοφόρο, είναι μόνο η αρχή. Από την ταχεία διαχείριση στην βιομηχανία των μεταφορών έως τους μηχανισμούς πωλήσεων, τα οφέλη της απρόσκοπτης φορητότητας είναι ατελείωτα. Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 27

29 28 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

30 Ανάλυση Φορητού IP ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ανάλυση Φορητού IP Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο μελετάται διεξοδικά το πρωτόκολλο Φορητού IP το οποίο από τους τέσσερεις προαναφερθέντες τύπους φορητότητας πραγματεύεται μόνο τη φορητότητα συσκευής. Το Φορητό IP εγκρίθηκε αρχικά σαν πρότυπο από την Ομάδα Εργασίας Μελέτης Διαδικτύου (IETF) το Η αρχική πρόταση βασίστηκε στις Προσκλήσεις Υποβολής Σχολίων (RFCs) Από τότε, ένας αριθμός επιπρόσθετων RFC έχει επεκτείνει την λειτουργικότητα και έχει αποσαφηνίσει τα αρχικά πρότυπα. Ο πυρήνας του πρωτοκόλλου Φορητού IP, που αρχικά καθορίστηκε στο RFC 2002 έχει ανανεωθεί και προσδιοριστεί πρόσφατα στο RFC Αρχικά, μπορούμε να συνοψίσουμε την έννοια του Φορητού IP σε μία σύντομη, εν τούτοις σημαντική φράση: Το Φορητό IP είναι ένα πρωτόκολλο δυναμικής δρομολόγησης όπου οι τελικές συσκευές εκπέμπουν τις ενημερώσεις δρομολόγησης τους και οι δυναμικές σήραγγες εξαλείφουν την ανάγκη διάδοσης δρομολογίων προς τον υπολογιστή υπηρεσίας. Με λίγα λόγια, το Φορητό IP επιτρέπει σε έναν χρήστη να περιάγεται δια μέσου διαφόρων υποδικτύων IP και συνδέσμων πρόσβασης, διατηρώντας συνεχή επικοινωνία καθ όλη τη διάρκεια της μετακίνησής του. Μία κατάλληλη παρομοίωση για την κατανόηση της λειτουργίας του Φορητού IP, είναι τα ΕΛ.ΤΑ (Ελληνικά Ταχυδρομεία). Η ταχυδρομική αλληλογραφία φτάνει στον προορισμό της, έχοντας τοποθετημένο το γράμμα (το ωφέλιμο τμήμα του πακέτου) μέσα σε έναν φάκελο με την αντίστοιχη διεύθυνση προορισμού (κεφαλίδα IP). Το γράμμα φτάνει στο τοπικό ταχυδρομείο απ όπου αποστέλλεται στην Οικεία Διεύθυνση (Home Address) του παραλήπτη, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2-1. Όταν ο παραλήπτης μετακομίσει, ενημερώνει το τοπικό του ταχυδρομείο (Οικείος Πράκτορας, Home Agent) ώστε να προωθεί τα πακέτα του προς την νέα του τοποθεσία (Διεύθυνση Επιμέλειας, Care-of Address [CoA]). Τώρα, κάθε γράμμα που αποστέλλεται προς την Οικεία Διεύθυνση φτάνει στο τοπικό ταχυδρομείο και από εκεί διοχετεύεται (tunneled) στην συνέχεια προς την νέα τοποθεσία του προορισμού (CoA). Τότε το γράμμα φτάνει στο ταχυδρομείο που εξυπηρετεί την νέα τοποθεσία Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 29

31 Ανάλυση Φορητού IP του παραλήπτη (Ξένος Πράκτορας, Foreign Agent [FA]) και παραδίδεται σε αυτόν στην νέα του θέση (CoA), όπως φαίνεται στο Σχήμα 2-2. Αυτή η παράδοση αλληλογραφίας εκτελείται χωρίς την καταβολή ιδιαίτερης προσπάθειας (και συνήθως και γνώσης της διαδικασίας) από τον αρχικό αποστολέα του γράμματος (Ανταποκριτής Κόμβος, Correspondent Node [CN]). Σχήμα 2-1: Ταχυδρομική Υπηρεσία κατ Οίκων Σχήμα 2-2: Αλλαγή Οικείας Ταχυδρομική Υπηρεσία κατ Οίκων 30 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

32 Ανάλυση Φορητού IP Ας διεισδύσουμε όμως λίγο περισσότερο σε αυτό που πραγματικά είναι το Φορητό IP. Καταρχήν, γεννιέται το ερώτημα, «Γιατί το Φορητό IP είναι ένα πρωτόκολλο δυναμικής δρομολόγησης;». Αν και η παραπάνω δήλωση είναι κάπως αμφιλεγόμενη, καθώς κάποιοι υποστηρίζουν πως το Φορητό IP είναι ένα πρωτόκολλο διαχείρισης διευθύνσεων, ωστόσο επιβεβαιώνεται το αντίθετο αν σκεφτούμε πως το Φορητό IP βασίζεται σε ήδη υπάρχουσες τεχνικής διαχείρισης διευθύνσεων, είτε αυτές είναι στατικές είτε δυναμικές. Το βασικό τμήμα του πρωτοκόλλου δεν επιχειρεί να ελέγξει τον τρόπο με τον οποίο διαχειρίζονται ή διανέμονται οι διευθύνσεις IP. Χρησιμοποιούνται επεκτάσεις για να διανεμηθούν οι διευθύνσεις IP στους Φορητούς Κόμβους (MN, Mobile Nodes), αλλά αυτό είναι περισσότερο μία μέθοδος εξοικονόμησης στην αποστολή σημάτων παρά ένα βασικό χαρακτηριστικό του πρωτοκόλλου. Όπως ένα Πρωτόκολλο από Σημείο σε Σημείο (PPP, Point-to-Point Protocol) δεν αναφέρεται ως ένα πρωτόκολλο διαχείρισης διευθύνσεων απλά και μόνο επειδή είναι ικανό να διανέμει τις διευθύνσεις μόνο του, ούτε και το Φορητό IP θα πρέπει να αναφέρεται έτσι. Από την άλλη, το Φορητό IP έχει επίσης αποκαλεστεί ως εφαρμογή. Παρ όλο που ορισμένες φορές η ανάπτυξή του Φορητού IP μοιάζει με κάποιες από τις κλασικές εφαρμογές ενός συγκεντρωτικού «διακομιστή» με τους πελάτες στην άλλη άκρη του, υπάρχουν πολλά άλλα σενάρια εφαρμογών του τα οποία μοιάζουν με υποδομές κλασικής δρομολόγησης. Τελικά, κάποιοι ερευνητές ισχυρίζονται ότι το Φορητό IP δεν είναι ένα πρωτόκολλο δρομολόγησης γιατί δεν είναι από μόνο του ικανό να χτίσει μία πλήρη τοπολογία. Αν και αυτό είναι πιθανότατα το πιο αξιόπιστο επιχείρημα κατά του, ωστόσο αυτό δεν αρκεί, καθώς δεν είναι ένα από τα απαραίτητα χαρακτηριστικά ενός πρωτοκόλλου δρομολόγησης. Σύμφωνα με τα παραπάνω, το Φορητό IP είναι ένα πρωτόκολλο δυναμικής δρομολόγησης, με χαρακτηριστικό του μάλιστα την ανεξαρτησία της φορητότητας από τον τύπο φυσικής σύνδεσης μεταξύ του φορητού κόμβου και του δικτύου, χαρακτηριστικό το οποίο αναφέρεται και ως ετερογενής φορητότητα και ξεχωρίζει το Φορητό IP από άλλες παρόμοιες λύσεις όπως η τεχνική των Κυψελωτών Ψηφιακών Πακέτων Δεδομένων (CDPD, Cellular Digital Packet Data) και το IEEE Για Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 31

33 Ανάλυση Φορητού IP να επιβεβαιωθεί αυτός ο ισχυρισμός, αρκεί να μελετηθούν τα χαρακτηριστικά ενός πρωτοκόλλου δυναμικής δρομολόγησης. Το ουσιώδες χαρακτηριστικό ενός πρωτοκόλλου δυναμικής δρομολόγησης είναι ότι μεταβάλλει δυναμικά τους πίνακες δρομολόγησης των δρομολογητών καθώς αλλάζουν τα δρομολόγια και η δυνατότητα προσέγγισης των κόμβων. και δεν αλλάζει τον αυτό καθ αυτό τρόπο δρομολόγησης. Ανιχνεύει τις αλλαγές στην τοπολογία του δικτύου και προσαρμόζεται διαλέγοντας τα καλύτερα διαθέσιμα μονοπάτια και ενημερώνει ανάλογα τον πίνακα δρομολόγησης. Το καλύτερο διαθέσιμο μονοπάτι καθορίζεται στο γενικό πλαίσιο του πρωτοκόλλου δυναμικής δρομολόγησης και διαφέρει από πρωτόκολλο σε πρωτόκολλο γιατί το κάθε ένα είναι σχεδιασμένο να ικανοποιεί συγκεκριμένες ανάγκες. Για παράδειγμα, μερικά πρωτόκολλα είναι σχεδιασμένα για κλιμάκωση, ενώ άλλα είναι σχεδιασμένα για γρήγορη σύγκλιση. Αυτές οι επιλογές στο σχεδιασμό είναι που έχουν αντίκτυπο στην επιλογή του καλύτερου δυνατού δρομολογίου. Τόσο το πρωτόκολλο Ανοίγματος Πρώτα της Συντομότερης Διαδρομής (OSPF, Open Shortest Path First) όσο και το Πρωτόκολλο Συνοριακής Πύλης Δικτύου (BGP, Border Gateway Protocol) είναι πρωτόκολλα δυναμικής δρομολόγησης, αλλά το κάθε ένα χρησιμοποιεί διαφορετικές μεθόδους για την επιλογή του καλύτερου μονοπατιού. Από αυτή την άποψη, το Φορητό IP είναι σχεδιασμένο για να εξυπηρετεί τη φορητότητα, καθώς προσαρμόζεται στις αλλαγές της τοπολογίας του δικτύου. Δηλαδή, επιλέγει τις καλύτερες δυνατές διαδρομές δρομολόγησης και τις καταχωρεί στον πίνακα δρομολόγησης. Άρα λοιπόν, σαν συμπέρασμα, μπορούμε να πούμε πως όλα τα παραπάνω συγκλίνουν στο γεγονός πως το Φορητό IP μοιάζει με οποιοδήποτε άλλο πρωτόκολλο δυναμικής δρομολόγησης! Στα βασικά χαρακτηριστικά αυτού του πρωτοκόλλου δυναμικής δρομολόγησης πρέπει να συμπεριλάβουμε τα εξής: Διαφάνεια, καθώς η μεταφερσιμότητα είναι αόρατη στις εφαρμογές και τα πρωτόκολλα επιπέδου μεταφοράς. Διαλειτουργικότητα με IPv4, καθώς ένας υπολογιστής υπηρεσίας που χρησιμοποιεί Φορητό IP μπορεί να λειτουργήσει μαζί με στατικούς υπολογιστές. 32 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

34 Ανάλυση Φορητού IP Δυνατότητα κλιμάκωσης, καθώς μπορεί να κλιμακωθεί τόσο ώστε να επιτρέπει τη μεταφερσιμότητα στο παγκόσμιο Διαδίκτυο. Ασφάλεια, καθώς παρέχει λειτουργίες ασφαλείας για την πιστοποίηση της ταυτότητας σε όλα τα μηνύματα. Φορητότητα διαρκείας, καθώς εστιάζει στο πρόβλημα μετακινήσεων μεγάλης διάρκειας. Ας εξεταστεί όμως και γιατί οι τελικές συσκευές ενημερώνουν με τις δικές τους ενημερώσεις δρομολόγησης. Το Φορητό IP είναι σχεδιασμένο για να παρέχει δρομολόγηση υψηλής επεκτασιμότητας προς τον υπολογιστή υπηρεσίας για τους πελάτες που βρίσκονται σε κάποιο φορητό (και συνήθως ασύρματο) περιβάλλον. Ένας Φορητός Κόμβος μπορεί να προσαρτάται στο δίκτυό του μέσω ενός ή περισσοτέρων συνδέσμων, ενώ κάθε σύνδεσμος μπορεί να έχει τα δικά του μετρικά χαρακτηριστικά που τον συσχετίζουν. Χρησιμοποιώντας αυτά τα μετρικά χαρακτηριστικά και τις πληροφορίες για τη διαθεσιμότητα του συνδέσμου, ένας Φορητός Κόμβος πληροφορεί το δίκτυο μέσω των ενημερώσεων δρομολόγησης για το καλύτερο μονοπάτι μέσω του οποίου θα πρέπει να γίνει η προσέγγισή του, όπως φαίνεται για παράδειγμα στο Σχήμα 2-3. Επειδή αυτή η μέθοδος επιλογής μονοπατιού είναι διαφορετική από κάθε άλλη, προτείνεται η ονομασία της ευφυΐας στα ακραία σημεία. Οικείος Πράκτορας FA-3 FA-2 Internet Ανανέωση Δρομολόγησης: Προσεγγίστε με μέσω του FA-1 FA-1 Αεροδρόμιο Σχήμα 2-3: Το Φορητό IP Χρησιμοποιεί τις Ενημερώσεις Δρομολόγησης Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 33

35 Ανάλυση Φορητού IP Η ιδέα της επιλογής των δρομολογήσεων στην κορυφή του δικτύου μπορεί να μοιάζει ασύλληπτη, ωστόσο λειτουργεί ιδανικά σε ένα φορητό περιβάλλον για δύο λόγους. Πρώτον, στα ασύρματα δίκτυα, οι Φορητοί Κόμβοι συνδέονται και αποσυνδέονται γρήγορα, περιορίζοντας τη δυνατότητα του δικτύου να ακολουθήσει τα ίχνη τους. Φανταστείτε τη χρήση ενός τυπικού Εσωτερικού Πρωτοκόλλου Πύλης Δικτύου (IGP, Interior Gateway Protocol) σε ένα περιβάλλον όπου εκατοντάδες γείτονες βρίσκονται πάνω σε ένα μόνο σύνδεσμο και εκατοντάδες αλλαγές στην τοπολογία συμβαίνουν κάθε δευτερόλεπτο. Η μεταφορά λοιπόν μέρους της ευθύνης στον Φορητό Κόμβο δίνει στο δίκτυο τη δυνατότητα να επεκταθεί αποτελεσματικότερα. Δεύτερον, επειδή η ταχύτητα και ο λανθάνων χρόνος ανάμεσα στα ασύρματα δίκτυα και τη σταθερή υποδομή συχνά διαφέρει δραματικά, η επιλογή του καλύτερου μονοπατιού βασιζόμενοι αποκλειστικά στον σύνδεσμο πρόσβασης είναι συνήθως αποτελεσματική. Όπως ακριβώς η διανυσματική προσέγγιση μονοπατιού του BGP παρέχει μια εύχρηστη λύση στη δρομολόγηση εντός Αυτόνομων Συστημάτων (AS, Autonomous Systems), έτσι και ο σχεδιασμός της ευφυΐας στα ακραία σημεία που διαθέτει το Φορητό IP παρέχει μία αποτελεσματική λύση για την δρομολόγηση κατά τη φορητότητα. Πώς όμως και γιατί οι δυναμικές σήραγγες εξαλείφουν την ανάγκη διάδοσης των δρομολογίων προς τον υπολογιστή υπηρεσίας; Σε αντίθεση με άλλα πρωτόκολλα δρομολόγησης, το Φορητό IP δημιουργεί τους δικούς του συνδέσμους, αλλά μην φανταστούμε ότι οι συνδέσεις με τον Οικείο Πράκτορα γίνονται μέσω φυσικών συνδέσεων, αντίθετα είναι όλες λογικές συνδέσεις. Αυτές οι λογικές συνδέσεις είναι γνωστές ως σήραγγες (tunnels). Η διοχέτευση μέσω σήραγγας (tunneling) συνήθως συνδέει δύο ίδιου τύπου δίκτυα διαμέσου ενός ανόμοιου δικτύου. Για παράδειγμα, με χρήση σήραγγας είναι δυνατό να επικοινωνήσουν δύο δίκτυα μέσω του πρωτοκόλλου Apple Talk διαμέσου ενός δικτύου το οποίο δεν έχει τη δυνατότητα υποστήριξης της δρομολόγησης για Apple Talk επικοινωνία. Εν τούτοις, καθώς τα περισσότερα από τα υπόλοιπα πρωτόκολλα αντικαθίστανται από το IP, η διοχέτευση μέσω σήραγγας τυγχάνει μεγαλύτερης χρήσης για τη σύνδεση όμοιων περιοχών (domains) διαμέσου μίας ανόμοιας. Για παράδειγμα, μία επιχείρηση μπορεί να χρησιμοποιήσει τη διοχέτευση μέσω σήραγγας για να συνδέσει ιδιωτικά δίκτυα σε δύο απομακρυσμένες τοποθεσίες δια μέσου του 34 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Ηλεκτρονικής

36 Ανάλυση Φορητού IP Διαδικτύου. Το πλεονέκτημα είναι ότι με αυτόν τον τρόπο επιτρέπεται η κυκλοφορία που απευθύνεται προς τις ιδιωτικές διευθύνσεις να δρομολογείται διαμέσου ενός δημόσιου δικτύου. Το Φορητό IP χρησιμοποιεί την ίδια αρχή διοχετεύοντας μέσω σήραγγας, διαμέσου μιας περιοχής δρομολόγησης η οποία δεν γνωρίζει πώς να δρομολογήσει την κίνηση προς την τοποθεσία του Φορητού Κόμβου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2-4. Με το Φορητό IP, οι Φορητοί Κόμβοι διατηρούν μία σταθερή IP διεύθυνση καθώς κινούνται κατά μήκος του δικτύου. Η υποστήριξη αυτής της δυνατότητας από τα παραδοσιακά πρωτόκολλα δρομολόγησης θα απαιτούσε ένα διαθέσιμο δρομολόγιο προς τον υπολογιστή υπηρεσίας (host) για κάθε Φορητό Κόμβο. Κάθε φορά που ένας Φορητός Κόμβος μετακινείται, το δρομολόγιο προς τον υπολογιστή υπηρεσίας θα πρέπει να ενημερωθεί και το πρωτόκολλο δρομολόγησης θα πρέπει να επανασυγκλίνει. Αυτό μπορεί να λειτουργήσει για ένα μικρό αριθμό Φορητών Κόμβων με μικρή κινητικότητα, αλλά όταν αυξάνει η συχνότητα των ενημερώσεων δρομολόγησης, τα παραδοσιακά πρωτόκολλα δρομολόγησης ενδέχεται να αποτύχουν. Σχήμα 2-4: Το Φορητό IP Χρησιμοποιεί Σήραγγες για τη Δρομολόγηση Τμήμα Ηλεκτρονικής ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 35