Mobilność IP

Adres IP jako identyfikator i lokalizacja

Pierwotny model Protokołu Internetowego (IP) zakładał, że punkt przyłączenia hosta pozostaje stały. Adres IP identyfikuje interfejs oraz wskazuje jego miejsce w strukturze routingu. Zmiana sieci dostępowej zmienia zwykle adres topologiczny, więc dotychczasowe trasy przestają prowadzić do hosta. Routery kierują pakiety według prefiksów adresowych, dlatego utrzymanie starego adresu wymaga oddzielenia identyfikatora hosta od informacji o bieżącym położeniu.

Przykład: Host z adresem 192.0.2.123/24 może udostępniać usługę na porcie 505. Adres identyfikuje interfejs i jednocześnie wskazuje routerom, do którego segmentu powinny kierować pakiety.

Po przejściu hosta do sieci 198.51.100.0/24 dotychczasowa trasa nadal prowadzi do starego prefiksu. Bez mechanizmu mobilności pakiety kierowane na poprzedni adres nie docierają do nowego punktu, a trwające połączenia wymagają ponownego nawiązania.

Ten sam problem występuje przy przemieszczaniu laptopa lub smartfona. Laptop podłączony do domowego Wi-Fi otrzymuje adres z sieci domowej, a po przejściu do kawiarni otrzymuje adres z innej sieci. Połączenie pobierania pliku, sesja VPN z biurem lub wideorozmowa korzystają z poprzedniego punktu końcowego, więc wymagają ponownego nawiązania.

Mobile IP został określony jako rozwiązanie warstwy sieciowej. Węzeł zachowuje osiągalność pod adresem domowym po zarejestrowaniu nowego punktu przyłączenia.

Mechanizm Mobile IP

Mobile IP rozdziela adres domowy od bieżącego punktu przyłączenia i zapisuje ich powiązanie w Agencie Domowym. HA przechwytuje pakiety kierowane do adresu domowego, enkapsuluje je w nowym pakiecie i przesyła do Adresu Opieki.

Przykład: MN może zarejestrować w HA powiązanie adresu domowego 192.0.2.123 z CoA 198.51.100.10. HA kieruje pakiety do CoA, zachowując adres domowy jako identyfikator w komunikacji. Sesja usługi może nadal korzystać z portu 505.

Mobile IP wykorzystuje trzy role: Węzeł Mobilny, Agenta Domowego i Agenta Obcego. Węzeł Korespondencyjny jest stroną, z którą MN wymienia dane.

Elementy Mobile IP

Mobile IP definiuje elementy odpowiedzialne za adres domowy, bieżące miejsce przyłączenia i przekazywanie pakietów:

• Węzeł Mobilny (MN): To urządzenie przemieszczające się między sieciami, na przykład laptop, smartfon lub tablet. MN zachowuje adres domowy, a po zmianie sieci korzysta z Adresu Opieki. Węzeł inicjuje rejestrację i odbiera pakiety dostarczone przez tunel.
  MN jest urządzeniem użytkownika.
• Agent Domowy (HA): To router w sieci domowej Węzła Mobilnego, do której należy jego adres domowy. HA utrzymuje powiązanie adresu domowego z Adresem Opieki oraz przechwytuje pakiety kierowane do MN. Po wygaśnięciu rejestracji usuwa lub aktualizuje to powiązanie.
  HA pełni funkcję punktu przechwytywania pakietów.
• Agent Obcy (FA): To router w sieci obcej, czyli odwiedzanej przez MN. FA może dostarczyć własny Adres Opieki, przekazać rejestrację do HA i dostarczyć pakiety po zakończeniu tunelu. Agenci Obcy występują w Mobile IPv4, lecz nie są elementem Mobile IPv6. Przy adresie współlokowanym MN może zakończyć tunel bezpośrednio u siebie.
  FA pełni funkcję routera sieci odwiedzanej.
• Adres Opieki (CoA): To adres wskazujący bieżący punkt przyłączenia MN w sieci obcej. HA używa go jako końca tunelu. CoA może być adresem FA albo adresem współlokowanym, przypisanym bezpośrednio do MN.
  CoA wskazuje bieżący punkt terminacji tunelu.
• Węzeł Korespondencyjny (CN): To host lub serwer komunikujący się z MN. W podstawowym wariancie CN wysyła pakiety na adres domowy MN i nie musi znać jego bieżącej lokalizacji. W Mobile IPv6 może otrzymać aktualizację powiązania i użyć optymalizacji trasy.
  CN jest nadawcą pakietów kierowanych do MN.

Procedura Mobile IPv4

Procedura Mobile IPv4 obejmuje odkrywanie agentów, rejestrację oraz dostarczanie danych. Rozgłoszenia zawierają informacje o dostępnych usługach, a rejestracja jest związana z czasem życia powiązania.

Faza 1: Odkrywanie Agentów

MN ustala, czy znajduje się w sieci domowej, czy obcej, na podstawie Rozgłoszeń Agentów. Komunikaty są rozszerzeniami komunikatów ICMP Router Discovery i mogą wskazywać typ agenta oraz dostępny Adres Opieki.

• Agenci Domowi i Obcy okresowo rozgłaszają te komunikaty w swoich sieciach lokalnych.
• Gdy Węzeł Mobilny łączy się z siecią, nasłuchuje tych komunikatów.
• Jeśli usłyszy rozgłoszenie od swojego własnego Agenta Domowego, wie, że jest w domu i działa jak normalne, stacjonarne urządzenie.
• Jeśli usłyszy rozgłoszenie od innego routera (Agenta Obcego), wie, że przeniósł się do sieci obcej i musi uzyskać Adres Opieki oraz zarejestrować swoją nową lokalizację.

Faza 2: Rejestracja

Po uzyskaniu Adresu Opieki MN przekazuje Agentowi Domowemu informację o bieżącym punkcie przyłączenia. Żądanie zawiera między innymi czas życia rejestracji, dzięki czemu HA może wygasić nieaktualne powiązanie. Komunikaty rejestracji są uwierzytelniane, aby ograniczyć zdalne przekierowanie ruchu do fałszywego Adresu Opieki. Rejestracja przebiega następująco:

1. MN wysyła komunikat Żądania Rejestracji do FA, gdy korzysta z adresu opieki dostarczonego przez FA. Przy adresie współlokowanym kieruje żądanie bezpośrednio do HA. Komunikat zawiera adres domowy i Adres Opieki.
2. Agent Obcy przekazuje to żądanie do Agenta Domowego Węzła Mobilnego.
3. Agent Domowy otrzymuje żądanie. Tworzy powiązanie mobilności, czyli wpis w swojej tabeli, który łączy stały adres domowy MN z jego obecnym Adresem Opieki, i zatwierdza żądanie.
4. Agent Domowy wysyła Odpowiedź Rejestracji z powrotem do Agenta Obcego, który następnie przekazuje ją do Węzła Mobilnego, potwierdzając, że usługa przekierowania została skonfigurowana.

Faza 3: Dostarczanie Danych i Problem Routingu Trójkątowego

W podstawowym wariancie Mobile IPv4 pakiet od CN przechodzi przez HA, a odpowiedź MN może iść bezpośrednio do CN. Układ ten nazywa się routingiem trójkątowym. Enkapsulacja zachowuje oryginalny pakiet wewnętrzny, a zewnętrzny nagłówek wskazuje Adres Opieki.

Przykład obejmuje pakiet od CN do MN odwiedzającego sieć w Krakowie, gdy sieć domowa MN znajduje się w Warszawie. Wpis powiązania w HA decyduje o miejscu zakończenia tunelu:

1. CN do HA (Etap 1): CN chce wysłać pakiet do MN. Zna tylko stały adres domowy MN (adres warszawski). Wysyła pakiet na ten adres. Routery internetowe poprawnie kierują ten pakiet do sieci domowej w Warszawie.
2. HA Przechwytuje i Tuneluje (Etap 2): Agent Domowy w Warszawie, który jest w sieci domowej MN, przechwytuje pakiet. Sprawdza swoją tabelę powiązań mobilności i widzi, że MN jest obecnie w Krakowie pod określonym Adresem Opieki. HA następnie enkapsuluje oryginalny pakiet wewnątrz nowego pakietu IP. Ten nowy pakiet ma adres HA jako źródło i Adres Opieki MN w Krakowie jako cel. To „tunelowanie” ukrywa oryginalny pakiet i pozwala na jego przekierowanie przez internet do Agenta Obcego.
3. FA do MN: Agent Obcy w Krakowie odbiera enkapsulowany pakiet. Dekapsuluje go, usuwając zewnętrzny nagłówek IPv4 i ujawniając oryginalny pakiet. Następnie przekazuje ten oryginalny pakiet do Węzła Mobilnego w swojej sieci lokalnej.
4. Ścieżka Powrotna (Etap 3): W podstawowym wariancie MN wysyła odpowiedź bezpośrednio do CN, używając adresu domowego jako adresu źródłowego. Gdy sieć stosuje filtrowanie źródła, MN może użyć tunelu zwrotnego przez HA. Tunel zwrotny pozwala zachować adres źródłowy zgodny z topologią sieci odwiedzanej.

Mobile IPv6

Mobile IPv6 (MIPv6) rozszerza IPv6 o rejestrację adresu domowego i Adresu Opieki. W porównaniu z Mobile IPv4 nie wymaga Agenta Obcego. Obsługuje tunelowanie przez HA oraz opcjonalną optymalizację trasy po rejestracji u CN. Pakiety mogą być kierowane przez HA w trybie podstawowym albo bezpośrednio do CoA po uzyskaniu wiarygodnej aktualizacji powiązania.

Mechanizmy Mobile IPv6

• Brak Agentów Obcych: MIPv6 nie używa FA. MN wykrywa router i prefiks przez standardowe funkcje IPv6, takie jak Protokół Wykrywania Sąsiadów (NDP) oraz Bezstanowa Autokonfiguracja Adresu (SLAAC). Funkcje te zastępują rolę FA przy wykrywaniu routera i tworzeniu adresu. Router Advertisements dostarczają prefiksu, a MN wybiera identyfikator interfejsu zgodnie z lokalną konfiguracją prywatności.
• Optymalizacja trasy przez aktualizacje powiązań: MIPv6 obsługuje tunelowanie dwukierunkowe przez HA oraz tryb route optimization. Drugi tryb wymaga aktualizacji powiązania u CN i procedury return routability.
  1. Węzeł Mobilny nadal rejestruje swój Adres Opieki u swojego Agenta Domowego, tak jak w MIPv4.
  2. Po rejestracji u HA i pomyślnej procedurze return routability MN może wysłać do CN komunikat Aktualizacji Powiązania.
  3. Aktualizacja przekazuje CN bieżący Adres Opieki powiązany z adresem domowym MN.
  4. CN przechowuje te informacje w lokalnej tabeli zwanej Pamięcią Podręczną Powiązań. Dla kolejnych pakietów do MN CN wysyła je bezpośrednio na Adres Opieki, omijając Agenta Domowego.
  CN może wtedy kierować kolejne pakiety bezpośrednio na Adres Opieki, omijając HA na ścieżce do MN. Zmniejsza to długość trasy i obciążenie sieci domowej. Przy zmianie sieci MN musi ponownie zarejestrować CoA i zaktualizować powiązania.

Mobile IPv4 vs. Mobile IPv6: Porównanie