Nghiên cứu mobile ip và ứng dụng quản lý tính di động trong mạng thông tin 4G

1.1.2 Cac yêu cầu của giao thức Mobile IP - Mode di động phải có khả năng giao tiếp với các Node khác - Node di động phải có khả năng giao tiếp với các Node không hỗ trợ giao thức này..

Việc tìm hiểu về Mobile IP là thật sự cân thiết, đặc biệt khi xuhướng công nghệ đang tiến đến AlI-IP Với mục tiêu tìm hiểu vànghiên cứu khả năng truy nhập các dịch vụ Internet trên các thiết

bị động, áp dụng cho mạng Viễn thông Lào Tôi đã chọn đề tài

“NGHIÊN CUU MOBILE IP VA UNG DUNG DE QUAN LÝ

TINH DI DONG TRONG MANG THONG TIN 4G“

CHUONG I: TONG QUAN VE MOBILE IP1.1 KHÁI NIỆM CO BAN VE MOBILE IP

1.1.1 Dat van đề

Vì nhiều người sử dụng Internet di chuyên từ noi nay đếnnơi khác, cần đảm bảo truy nhập tải nguyên mạng và các dịch vụthuận tiện cho họ khi di chuyên Nhu cầu về các dịch vụ gói vàInternet di động dẫn tới đòi hỏi tất yếu phải có một giao thứcthống nhất quản lý tính di động của mạng Internet

Giao thức MIP giúp người dùng với thiết bi di động có thé

di chuyển từ mạng này sang mạng khác với những địa chỉ IP

subnet khác nhau mà vẫn duy trì được kết nối đang diễn ra.Mobile IP trở thành giao thức không thể thiếu trong thế giới diđộng trong công nghệ 4G Mobile IP có rất nhiều mở rộng và pháttriển khác nhau như Mobile IPv4, Mobile IPv6, Fast Mobile IP,

MultIPle CoA Mobile IP,

1.1.2 Cac yêu cầu của giao thức Mobile IP

- Mode di động phải có khả năng giao tiếp với các Node khác

- Node di động phải có khả năng giao tiếp với các Node không

hỗ trợ giao thức này.

- Mọi ban tin cập nhật vi tri Node phải được nhận thực tránh

nguy cơ bị tan công từ xa kiểu định hướng lại

- Giao thức không gây cản trở cho cơ chế gan địa chi IP

- Node di động không thay đổi điểm kết nỗi với mang Interne

1.1.3 Các thành phan cơ bản trong Mobile IP

- Node di động —- MN(Mobile Node

- Home Agent (viết tắt là HA

- Foreign Agent — FA

- Correspondent Node (viết tắt là CN)

1.1.4 Nguyén lý hoạt động của Mobile IP

- Phát hiện Agent (Agent discovery)

- Đăng ky (registration)

- Tao đường ham (tunnelling)

1.2 GIAO THUC MOBILE IPV4

1.2.1 Phat hiện Agent

Mobile IP sử dụng các ban tin được định nghĩa dựa trên giao

thức ICMP Router Discovery (Internet Control Message Protocol

Router Discovery) dé thực hiện Có hai bản tin trong:

a) Bản tin Agent advertisement (bản tin quảng bá trạm

b) Cấu trúc bản tin Agent Advertisement

1.2.2 Đăng ky

Một MN thực hiện dang ky:

- Yéu cầu các dịch vụ chuyên tiếp gói tin khi MN dang ở

một mạng ngoài.

- Cho HA của chúng biết CoA hiện tại của chúng

- Lam mới lại một đăng ký sắp hết hạn

- _ Hoặc hủy đăng ký khi chúng trở về mạng nhà

Các bản tin đăng ký trao déi thông tin giữa một MN va HA, cóthé có thêm FA Đăng ký dẫn đến việc tạo hoặc sửa một “liên kết

di động” tại HA, đang liên kết home Address của MN với CoA

của MN trong thời gian Lifetime được chỉ định Thông qua thủ tục

đăng ký cho phép một MN có khả năng:

- Kham phá Home Address của nó,

- Duy trì nhiều đăng ký đồng thời,

- Huy đăng ký CoA

Trong MobileIP cung cap 2 kiéu thay thế cho việc nhận được

một địa chỉ:

- Foreign Agent CoA

- CcoA là một dia chi cục bộ của vùng mang ngoài

Các quy tắc:

- _ Nếu một MN đang đăng ký một địa chi FA CoA, MN phải

đăng ký theo FA đang quảng cáo địa chỉ CoA đó.

- Néu một MN đang dùng một địa chỉ CCoA, và nhận một

ban tin Agent Advertisement có bit ‘R’ được bật, từ một

FA trén lién két ma no dang dung dia chi CcoA nay, MN

phai dang ky theo FA nay.

- Nếu FA không yêu cầu đăng ký và nếu một MN đang

dùng một CcoA, MN phải đăng ký trực tiếp với HA của

nó.

- Néu MN đã trở về đến mạng nhà của nó va đang đăng ký

với HA của nó, MN phải đăng ký trực tiếp với HA

1.2.3 Tạo đường hầm

Tạo đường ham có 2 chức năng: đóng gói các gói dit liệu détiến đến điểm kết thúc đường ham, và mở gới khi gói được phânphối đến điểm kết thúc Kiểu đường ham mặc định là IP đóng góitrong IP CoA chỉ đơn giản là điểm cuối của đường ham, nó có thé

là địa chỉ của FA, hoặc là địa chỉ tạm thời được yêu cầu bởi MN

1.3 CƠ CHE ĐỊNH TUYẾN TRONG MOBILE IP

Cơ chế định tuyến gói tin thực hiện cả trên MN, HA, FA trên

từng Node:

1.3.1 Định tuyến gói tin bởi MN

Khi được kết nối với HA, MN hoạt động không có sự hỗ trợ

của các dịch vụ di động Nghĩa là nó hoạt động giống như mộthost hay Router cô định nào đó MN có thé dựa vào DHCP dé biếtmột Router mặc định khi được kết nối đến HA của mình hoặc khi

ra khỏi mạng chủ và dùng địa chỉ CCOA.

1.3.2 Định truyền gói tin bởi HA

HA được yêu cau dé co thé chặn các gói tin trên mạng chủ địachỉ gửi đến MN trong khi MN được đắng ký rởi khỏi mạng nhà.Proxy và Gratuitous ASP có thê được sử dụng dé có thé thực hiện

công việc này.

HA phải so sánh IP đích của tất cả các gói tin đến có phải là

home Address của Mobile Node nào đó đã đăng ky rời khỏi mạng

chủ không Nếu đúng , HA truyên đường ham gói tin đến COA

hoặc các địa chỉ hiện đã đăng ký.

1.3.3 Dinh tuyến gói tin bởi FA

FA không được phép thông báo sự có mặt của MN hoặc

Router nào đó đến các Router khác trong Routing Domain của

nó, cũng như bất kỳ MN khác nảo đó

FA được yêu cầu định tuyến các gói tin nhận được từ các MN

đã đăng ký Tại mức tối thiểu, nghĩa là FA phải xác nhận IP

header checksum, giảm bớt IP TTL, tính toán lại IP header

checksum và gửi các gói tin đến một Router mặc định

1.3.4 Định tuyến tối ưu

Các mở rộng tôi ưu định tuyến cung cấp phương thức cho cácNode để bổ sung việc lưu trữ danh sách (binding) của MN và rồitruyền tunnel các gói tin trực tiếp đến COA được chỉ trong danhsách đó, bỏ qua định tuyến đường dài đến và từ HA của MN

Bởi vì tối ưu định tuyến ảnh hưởng đến việc định tuyến củacác gói IP đến MN, nó có thể được nhận thực sử dụng cùng cơ chế

được dùng trong giao thức Mobile IP cơ bản Nhận thực này dựa

vao su phối hợp an ninh di động được thiết lập trước giữa người

gửi và người nhận các bản tin đó.

Khi HA của MN chặn gói tin từ mạng chủ và truyền tunnelđến MN, HA có thể suy ra rằng nguồn ban đầu của gói tin không

có đầu vào binding cache cho MN đích HA nên gửi bản tin cậpnhật binding đến Node nguồn ban đầu, thông báo nó binding di

động hiện tai cua MN Cập nhật binding được nhận thực bởi Node

nguồn ban đầu, Node nguồn và HA phải thiết lập một an ninh di

động.

Tương tự khi một Node nao đó (chang han FA) nhận một góitin được truyền đường ham, nếu nó có đầu vào binding cache cho

MN đích (và vì vậy không có đầu vào danh sách tạm trú cho MNnay), Node nhận gói tin truyền tunnel này có thể suy ra rang Nodetruyền tunnel có đầu vào binding cache hết hạn (out-of- date) cho

MN này Trong trường hợp này, Node nhận nên gửi một bản tin

cảnh báo binding đến HA của MN, báo nó gửi bản tin cập nhậtbinding đến Node truyền tunnel gói tin này HA của MN có thêđược nhận biết từ đầu vào binding cache; thường thì địa chỉ HAđược biết từ cập nhật binding mà đã thiết lập đầu vào cache nay.Địa chỉ của Node mà đã truyền tunnel gói tin này có thé được

nhận biết từ header của gói tin, bởi vì địa chỉ của Node truyền

tunnel gói tin này là outer source Address của gói tin được đóng

gói Tuy nhiên không như bản tin cập nhật binding, bản tin cảnh

báo binding không cần thiết nhận thực, bởi vì nó không tác độngtrực tiếp định tuyến các gói tin IP đến MN

1.4 GIAO THỨC MOBILE IPv6

Giao thức Mobile IPv6 là mở rộng hỗ trợ cho di dộng của

giao thức IPv4.

1.4.1 Cac tùy chọn trong Mobile IPv6

Có 4 tùy chon đích được định nghĩa trong Mobile IPv6

- Cập nhật liên kết (Binding Update)

- Su báo nhận liên kết (Binding Acknowledgement)

- Yéu cau liên kết (Binding Request)

- Diachi nhà (Home Address)

1.42 Cau trúc dữ liệu

Đặc tả Mobile IPv6 mô tả giao thức theo 3 cau trúc đữ liệu:

- Bộ nhớ đệm liên kết (Binding Cache — BC)

1.4.5

1.4.6

Danh sách HA (Home Agent List)

Kién tric Mobile IPv6

MN là một máy chủ được trang bi Mobile IPv6 stack.

CN có thé là một máy chủ IPv6 stack

HA thực hiện đăng ký cho các thiết bị đầu cuối di động

Không có FA trong foreign network ma chỉ có bộ định

tuyên IPv6

Khối chức năng của Mobile IPv6

a) Chức năng cuả Home Network

b) Di chuyên sang Foreign Network

Chức nang Foreign Network Router IPv6

MN tu cau hinh dia chi CoAYéu cau thiét ké gianh cho Mobile IP:

Thông báo cho HA băng việc gửi một tin nhắn bao ham

CoA mới của MN và thông tin chứng thực cua MN Tin

nhắn này gọi là binding update

HA duy trì đăng ký của MN, CoA và home addresses bây giờ cập nhật Binding Cache của nó theo thông báo của

MN.

Yêu cầu thiết kế cho Mobile IP:

* Đường ham

Y Sau khi Binding Update thì HA biết được CoA mới

của MN và cho phép đường hầm để các gói dữ liệutrong đuờng ham IPv6-in-IPv6 tới MN

Home Agent’s work items:

Tối ưu hóa phương án 1

- Binding Update: MN tái chế các ý tưởng của binding

update và gửi Binding update tới CN kiểm tra nó

- Cac giao thức trao đổi khóa một lần Sau khi xác minh thì

CN không cần gửi Binding Update1.4.7 Tối ưu hóa phương án 2

- _ Những lợi thé của hình thức nay là tối ưu hóa đường đi:

v Giảm sử dụng mạng, liên kết ít hơn Điều này có

nghĩa là tắc nghẽn ít hơn nhiều trong tất cả cácphương pháp định tuyến của internet

v Giảm tải trên các HA và tiềm năng để hoan thành sự

cô lập của MN do mất mát của HA

vˆ Giảm thời gian đi vòng quanh của ứng dụng.

1.5 TÍNH AN TOAN BẢO MAT TRONG MOBILE IP

1.5.2 Phương pháp bảo vệ chống phat lại

Phương pháp bảo vệ chống phát lại (Replay Protection) dua

trên Timestamp là phương pháp hay được sử dụng Ngoài ra

những Node này cũng có thể sử dụng phương thức bảo vệ dựa

trên Nonce.

1.53 Phuong pháp bao mật trả lời

Nguyên tác cơ bản của việc sử dung Nonce dé bảo mật tra lời

là trong mỗi ban tin gửi tới Node B, Node A kèm theo một con sốngẫu nhiên và Node A kiểm tra xem trong bản tin tiếp sau tới

Node A, Node B có gửi lại con số tương tự hay không Cả hai bảntin đều sử dụng một mã số xác nhận dé tránh sự biến đổi do kẻ tancông gây ra Cùng lúc đó Node B có thé gửi Nonce của chính nótrong tất các các bản tin tới Node A (Node A sẽ lặp lại như vậy),

do đó Node B có thể xác minh là nó đang nhận bản tin mới

và cũng là tiền dé cho sự phát triển của Mobile IPv6

Phiên bản Mobile IPv4, được xây dựng sử dụng cho các địa

chỉ IPv4 Mỗi node mạng có một địa chỉ IP duy nhất xác địnhđiểm kết nối với mạng

Mobile IPv6 về cơ bản kế thừa các phần tử cấu trúc vanguyên tắc hoạt động của Mobile IPv4 Tuy nhiên do được tíchhợp hoan toàn với giao thức IP nên nó có những cải thiện đáng kê

so với phiên bản truyền thống Đó là việc sử dụng các tác nhânngoài không còn cần thiết nữa Với không gian địa chỉ rộng lớn,node di động (MN) dễ dàng nhận được một địa chỉ CoA đồng VỊIỞ

mạng ngoài thông qua các tính năng Neighbor Discovery hay Address Auto Configuration.

CHUONG II: MOBILE IP TRONG MẠNG DI DONG 4G

2.1 TONG QUAN MẠNG 4G

2.1.1 Giới thiệu

Nhu cầu trao đồi dữ liệu, sử dụng dịch vụ đa phương tiện, nhucầu giải trí (nghe nhạc, xem phim, chơi game ) trên thiết bị diđộng ngày càng tăng khi điều kiện sống tăng Trước nhu cầu đó,các chuẩn về hệ thống thông tin di động 3.5G, 4G đã được nghiêncứu và phát trién

Hệ thống 4G được ứng dụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực

của cuộc song, cung cap rat nhiéu dich vu nhu: dich vu cung cap

nội dung tiễn tiễn, dich vụ chăm sóc sức khỏe, dich vu đặt hàng diđộng, thương mại di động, phòng chống thiên tai Trước những

xu thế phát triển chung về công nghệ viễn thông, đặc biệt là côngnghệ thông tin di động, thì việc tìm hiểu hệ thông thông tin diđộng4G là cần thiết

2.1.2 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động

a) Thế hệ thứ nhất 1G: Thế hệ thông tin đi động 1G là các hệthống tương tự, sử dụng kỹ thuật đatruy nhập phân chia theo tần

số FDMA, bắt đầu xuất hiện vào đầu thập niên 80va hoạt độngcho đến khi bi thay thé bởi các thế hệ 2.

b) Thế hệ thứ hai 2G: Thế hệ thứ hai 2G xuất hiện vào nhữngnăm 90 với mạng di động đầu tiên,sử dụng kỹ thuật phân chia

theo thời gian (TDMA).

c) Thế hệ thứ ba 3G: Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn

IMT-200 (International Mobile Telecommunication-2000) cho hệ

thống 3G với các ưu điểm chính

Hệ thống 3G là:

- Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao

10

- Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat,

- Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền

hình,nghe nhạc, )

- Truy nhập Internet (duyệt Web, tai tài liệu, )

- Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương

thích toàn cầu giữa các hệ thống

Tên thế giới tồn tại hai công nghệ 3G: UMTS (W-CDMA) và

CDMA2000

2.1.3 Hệ thống thông tin di động 4G

Hệ thống di động thế hệ thứ tư (4G) đưa vào sử dụng, khaithác vao khoảng năm 2012 Với sự đột phá về tốc độ va dunglượng, hệ thống di động 4G cung cấp những dịch vụ phục vụ sâuhơn vào đời sống sinh hoạt thường nhật, công việc cũng như có sựtác động lớn đến lỗi sống trong tương lai gần

- _ Trong giáo dục, nghệ thuật, khoa học

- iéu trị trong các tình trạng khan cấp

- Ung dụng trong thảm họa thiên tai

- Dich vụ cung cấp thông tin y tế

- Dich vụ cung cấp nội dung tiên tiến

- Dich vụ hành chính (quan lý) di động

2.2 SO SÁNH 3G VỚI 4G

2.2.1 Động lực phát triển lên 4G

Các động lực phát triên mạng di động lên 4G bao gồm:

- Nang lực của 3G không đủ dé đáp ứng cho các nhu cầu

liệu được thêm vào saul qua IP

này

Kiên trúc mạng Diện rộng dựa trên | Mạng lai tích hợp WLAN

cell (Wifi, Bluetooth) va cell

dién rong

Tốc độ 384 Kbps đến 2 Mbps | 20 dén 100 Mbps

Cơ sở chuyên | Gói va kênh Toàn gói

mạch

Công nghệ truy | W-CDMA, IxRTT, OFDM và MC-CDMA

cập GPRS, EDGE (Multi-carrier CDMA)

2.2.2 Các đặc điểm cơ bản của 4G so với 3G

- _ Đa phương tiện di động

- Moi lúc mọi nơi

- _ Hỗ trợ tính di động toàn cầu

- _ Giải pháp vô tuyến tích hợp

12

- Dich vụ tuỳ biến theo khách hàng2.2.3 Hỗ trợ lưu lượng IP trong 4G so với 3G

Kiến trúc mạng 4G được xây dựng với mục tiêu chính là cungcấp dịch vụ IP chất lượng cao, khả năng xử lý lưu lượng thoại vàcác lưu lượng thời gian thực sẽ chỉ là mục tiêu thứ yếu Việc cungcấp các dịch vụ có chất lượng theo yêu cầu qua mạng vô tuyến làmột thử thách lớn đối với các hệ thống 4G

2.2.4 Hỗ trợ tính di động trong 4G tốt hơn so với 3G

Trong các hệ thống 4G, người dùng sẽ di động trong mộtvùng có kích thước đáng kề và giao tiếp thông qua các thiết bị đầucuối vô tuyến Người dùng phải có khả năng liên lạc băng một sốnhận dạng duy nhất Mạng 4G sẽ phải có một phương tiện để nhậndạng người dùng và cho phép người dùng điều khiến số nhậndạng và thực hiện ánh xạ một cách hiệu quả tới một điểm đích

chung.

2.2.5 Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyễn khác nhau so với 3G

Trong các hệ thống 4G, nhiều công nghệ truy nhập vô tuyếnkhác nhau được sử dụng Xu hướng hiện nay là sử dụng phổ tantrong băng tần không cần cấp phép ISM Công nghệ Bluetooth(mới được IEEE chuẩn hóa thành tiêu chuẩn 802.15.1) được dùngnhư là công nghệ cho mạng vô tuyến cá nhân WPAN Tiêu chuẩnIEEE 802.1 Ib được dùng cho mang nội hạt vô tuyến WLAN cũng

ở dai tan này

Một số công nghệ vô tuyến có thé sử dụng trong mạng 4G là:công nghệ ghép kênh theo tần số trực giao OFDM, công nghệ

OFDM băng rộng, công nghệ Flash OFDM, công nghệ siêu băng

rộng UWB, công nghệ truy nhập Internet tốc độ cao iBurst, côngnghệ vô tuyến xác định bằng phần mềm SDR

13

2.2.6 Không can liên kết điều khiển

Trong trường hợp của băng tần ISM thì việc hạn chế sử dụngbăng tần hoàn toàn không cần thiết Có thể lập mạng Ad hoc từmột nhóm nút, cho phép các nút giao tiếp trực với nhau, thậm chícác nút có thé cộng tác với nhau, chuyển tiếp lưu lượng của nhau

có một phương tiện tính cước thời gian thực qua một liên kết thì

sẽ không cần quan tâm tới việc liên kết với thực thé tính cước vàkhi đó có thể chuyên tiếp lưu lượng

2.2.7 Hỗ trợ bảo mật đầu cuối — đầu cuối

Trong mạng 4G, các nút di động và cô định sẽ tương tác vớinhau có thé không cần liên hệ với nút điều hành mạng Do vậy,

các giao thức va thủ tục phải có khả năng cho phép người dùng

trong các nút mang nay nhận thực đủ thông tin dé nhận dạngngười dùng và có thê kết nối Day chính là tinh năng bảo mật đầucuối — đầu cuối

2.3 VAI TRÒ, VỊ TRÍ CUA MOBILE IP TRONG 4G

Mobile IP là một giải pháp di động lớp 3 (Lớp mạng).Bằng

cách sử dụng Mobile IP, mọi ứng dụng dựa trên TCP/IP sẽ được

giữ nguyên.Chỉ các lớp giao thức IP và thấp hơn nhận biết đươc

về sự di động Các lớp giao thức cao hơn (TCP, UDP, RTP )không phát hiện thấy sự di động

(1) Sự đi động hoàn toàn trong suốt đối với các ứng dụng bên

trên lớp IP; Nghĩa là các ứng dụng được thực hiện giốngnhư khi thiết bị đầu cuối không di chuyền

(2) Là giao thức dựa trên IP nên Mobile IP có thé được triển

khai trên bất kỳ mạng truy nhập nào, bao gồm cả cácmạng hữu tuyến (PSTN, ISDN, Ethernet, xDSL, ) và cácmang vô tuyến (WLAN, GPRS, UMTS )

14