Statyczna Natura Internetu: Fundamentalny Problem Mobilności

Pierwotny projekt Protokołu Internetowego (IP) opierał się na fundamentalnym założeniu: urządzenia są stacjonarne. Adres IP pełnił podwójną rolę: identyfikował konkretne urządzenie (kim jesteś) i określał jego lokalizację w sieci (gdzie jesteś).

Analogia: Adres pocztowy Twojego domu (np. ul. Główna 123, Warszawa) robi to samo. Unikalnie identyfikuje Twój dom i informuje pocztę, gdzie dokładnie go znaleźć. Ten system działa idealnie, dopóki jesteś w domu.

Ale co się dzieje, gdy podróżujesz? Jeśli wyjedziesz na miesięczną wycieczkę do hotelu w innym mieście, wszelka poczta wysłana na Twój adres domowy będzie się po prostu piętrzyć pod drzwiami. Poczta nie wie w magiczny sposób, że się przeprowadziłeś. Wszelkie trwające rozmowy, które prowadziłeś listownie (jak prenumerata czy płatności rachunków), zostaną przerwane.

To jest dokładnie ten sam problem, z którym boryka się IP w przypadku urządzeń mobilnych, takich jak laptopy i smartfony. Kiedy Twój laptop łączy się z domowym Wi-Fi, otrzymuje adres IP z Twojej sieci domowej. Jeśli następnie zabierzesz laptopa do kawiarni, połączy się on z zupełnie inną siecią i otrzyma nowy adres IP. Twój pierwotny, „domowy” adres IP przestaje być ważny. Wszelkie trwające połączenia (pobieranie dużego pliku, sesja VPN z biurem, wideorozmowa) natychmiast by się zerwały. Urządzenie byłoby nieosiągalne pod swoim starym adresem.

Mobile IP został stworzony, aby rozwiązać właśnie ten problem. Jest to rozwiązanie na warstwie sieciowej, które pozwala urządzeniu pozostać osiągalnym przez jeden, stały adres IP, niezależnie od tego, gdzie na świecie łączy się z internetem.

Rozwiązanie Mobile IP: Cyfrowa Usługa Przekierowania Poczty

Mobile IP rozwiązuje problem lokalizacji za pomocą sprytnego systemu, który działa jak usługa przekierowania poczty.

Ciąg dalszy analogii: Zanim wyjedziesz na wycieczkę, idziesz na swoją lokalną pocztę i wypełniasz formularz zmiany adresu. Mówisz im: "Przez następny miesiąc każda poczta, która dotrze na moje nazwisko pod adresem ul. Główna 123, nie powinna być tam dostarczana. Zamiast tego proszę o przekierowanie jej do mnie, do Grand Hotelu, pokój 505, w Krakowie". Teraz, gdy ktoś wyśle list na Twój stały adres domowy, Twoja zaufana lokalna poczta przechwytuje go, wkłada do nowej koperty zaadresowanej do Twojego hotelu i wysyła dalej. Twoja korespondencja trwa nieprzerwanie.

Mobile IP ustanawia podobny system z trzema kluczowymi rolami.

Kluczowe Role w Mobile IP

Aby to „przekierowanie poczty” działało, Mobile IP definiuje kilka kluczowych komponentów:

• Węzeł Mobilny (MN): To Twoje urządzenie w ruchu: laptop, smartfon czy tablet. Węzeł mobilny ma stały adres IP, który nigdy się nie zmienia, niezależnie od miejsca połączenia.
  (W naszej analogii to Ty, podróżnik.)
• Agent Domowy (HA): Jest to specjalny router znajdujący się w sieci domowej Węzła Mobilnego (sieci, do której należy jego stały adres IP). Zadaniem Agenta Domowego jest śledzenie bieżącej lokalizacji Węzła Mobilnego oraz przechwytywanie i przekazywanie wszelkich pakietów zaadresowanych na jego stały adres IP.
  (To Twoja zaufana lokalna poczta.)
• Agent Obcy (FA): To router znajdujący się w sieci obcej, czyli sieci, którą Węzeł Mobilny aktualnie odwiedza (jak Wi-Fi w kawiarni). Agent Obcy pomaga Węzłowi Mobilnemu w komunikacji z jego Agentem Domowym i dostarcza mu przekierowane pakiety. (Uwaga: Agenci Obcy są używani w Mobile IPv4, ale zostali wyeliminowani w Mobile IPv6).
  (To recepcja hotelowa lub lokalna sortownia.)
• Adres Opieki (CoA): Jest to tymczasowy adres IP, który Węzeł Mobilny otrzymuje w sieci obcej. Ten adres informuje Agenta Domowego, dokąd przekierowywać pakiety. CoA może być adresem IP samego Agenta Obcego lub nowym, tymczasowym adresem IP przypisanym bezpośrednio do Węzła Mobilnego.
  (To Twój tymczasowy adres w Grand Hotelu, pokój 505.)
• Węzeł Korespondencyjny (CN): Jest to każde inne urządzenie w internecie (inny host lub serwer), które chce komunikować się z Węzłem Mobilnym. Węzeł Korespondencyjny nie musi wiedzieć, że MN jest mobilny; zawsze wysyła pakiety na stały adres domowy MN.
  (To przyjaciel lub firma wysyłająca Ci list.)

Dogłębnie: Proces Mobile IPv4

Cały proces w Mobile IPv4 można podzielić na trzy fazy: odkrywanie, rejestrację i dostarczanie danych.

Faza 1: Odkrywanie Agentów

Skąd urządzenie mobilne wie, czy jest w domu, czy w sieci obcej? Nasłuchuje Rozgłoszeń Agentów.

• 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

Gdy Węzeł Mobilny odkryje, że jest w sieci obcej i ma Adres Opieki, musi poinformować swojego Agenta Domowego o swoim obecnym położeniu. To jest proces rejestracji:

1. MN wysyła komunikat Żądania Rejestracji do Agenta Obcego. Ten komunikat zawiera jego stały domowy adres IP oraz nowy 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

Po zakończeniu rejestracji może rozpocząć się komunikacja. Ścieżka, którą pokonują dane w Mobile IPv4, jest znana ze swojej nieefektywności i nazywana jest routingiem trójkątowym.

Prześledźmy pakiet od Węzła Korespondencyjnego (CN) do naszego Węzła Mobilnego (MN), który odwiedza sieć w Krakowie, ale jego sieć domowa znajduje się w Warszawie:

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): Kiedy Węzeł Mobilny wysyła odpowiedź z powrotem do CN, nie musi przechodzić przez Agenta Domowego. Może wysłać pakiet bezpośrednio ze swojej obecnej lokalizacji, używając swojego stałego adresu domowego jako źródłowego adresu IP i adresu CN jako celu. To tworzy bezpośrednią ścieżkę z MN do CN.

Skok Naprzód: Mobile IPv6

Protokół IPv6 został zaprojektowany od podstaw z myślą o mobilności. Mobile IPv6 (MIPv6) wprowadza kilka znaczących ulepszeń w stosunku do swojego poprzednika w IPv4, głównie poprzez eliminację routingu trójkątowego.

Kluczowe Ulepszenia w MIPv6

• Koniec Agentów Obcych: W IPv6 koncepcja Agenta Obcego została wyeliminowana. Węzeł Mobilny z obsługą IPv6 jest bardziej zdolny. Może odkryć sieć, w której się znajduje, i skonfigurować własny tymczasowy Adres Opieki, używając standardowych funkcji IPv6, takich jak Protokół Wykrywania Sąsiadów (NDP) i Bezstanowa Autokonfiguracja Adresu (SLAAC). To upraszcza infrastrukturę sieci obcej.
• Optymalizacja Trasy za Pomocą Aktualizacji Powiązań: To najważniejsze ulepszenie. MIPv6 bezpośrednio rozwiązuje problem routingu trójkątowego.
  1. Węzeł Mobilny nadal rejestruje swój Adres Opieki u swojego Agenta Domowego, tak jak w MIPv4.
  2. Jednak po tej początkowej rejestracji, MN może wysłać specjalny komunikat zwany Aktualizacją Powiązania bezpośrednio do każdego Węzła Korespondencyjnego, z którym się komunikuje.
  3. Ta Aktualizacja Powiązania informuje CN: „Cześć, chociaż moim stałym adresem jest mój adres domowy, na razie możesz mnie osiągnąć bezpośrednio pod moim obecnym Adresem Opieki.”
  4. CN przechowuje te informacje w lokalnej tabeli zwanej Pamięcią Podręczną Powiązań. Dla wszystkich kolejnych pakietów do MN, CN będzie je wysyłać bezpośrednio na Adres Opieki, całkowicie omijając Agenta Domowego.
  Rezultatem jest bezpośrednia, zoptymalizowana, dwukierunkowa ścieżka między MN a CN, co drastycznie zmniejsza opóźnienia i poprawia wydajność.

Mobile IPv4 vs. Mobile IPv6: Porównanie