luận văn mobile ip & 4g

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGÔ THỊ THANH HUYỀN MOBILE IP & 4G LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGÔ THỊ THANH HUYỀN MOBILE IP & 4G Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60 48 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS PHẠM THẾ QUẾ Hà Nội - 2009 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Mobile IP & 4G” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của bất kỳ ai. Nội dung của luận án được trình bày từ những kiến thức tổng hợp của cá nhân, tổng hợp từ các nguồn tài liệu có xuất xứ rõ ràng và trích dẫn hợp pháp. Kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn này chưa từng được công bố tại bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm, và nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định. Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2009 Học viên thực hiện Ngô Thị Thanh Huyền ii LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành tốt khóa luận này, ngoài nỗ lực nghiên cứu tìm hiểu, còn có sự đóng góp không nhỏ của thầy giáo, bạn bè và gia đình của tôi. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Phạm Thế Quế, người thầy đã hướng dẫn tôi tận tình trong suốt quá trình làm luận văn. Bên cạnh đó, tôi nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn bè, người thân và các đồng nghiệp đã có những nhận xét, đánh giá, trao đổi và cung cấp cho tôi nhiều tài liệu tham khảo bổ ích giúp tôi hoàn thành tốt luận văn. Xin chân thành cảm ơn Trung tâm Dịch vụ khách hàng - Công ty Dịch vụ viễn thông đã tạo mọi điều kiện cho tôi được hoàn thành luận văn. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, nơi luôn động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn. Hà Nội, tháng 12/2009 Ngô Thị Thanh Huyền iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE IP 2 1.1 Khái niệm cơ bản 2 1.2 Giao thức Mobile Ipv4 4 1.2.1 Phát hiện agent 4 1.2.2 Đăng ký 6 1.2.3 Tạo đường hầm 10 1.3 Mobile Ipv6 10 1.3.1 Các tùy chọn trong Mobile Ipv6 10 1.3.2 Cấu trúc dữ liệu 11 1.4 Cơ chế định tuyến gói tin trong Mobile IP 11 1.4.1 Định tuyến gói tin bởi MN 11 1.4.2 Định tuyến gói tin bởi HA 12 1.4.3 Định tuyến gói tin bởi FA 13 1.5 Đánh giá về Mobile Ipv4, Mobile Ipv6 16 1.5.1 Mobile Ipv4 16 1.5.2 Mobile Ipv6 17 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ 4G 19 2.1 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động 19 2.2 Hệ thống thông tin di động 4G 25 2.3 Các đặc điểm công nghệ của 4G 33 2.3.1 Hỗ trợ lưu lượng IP 33 2.3.2 Hỗ trợ tính di động tốt 33 2.3.3 Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau 34 2.3.4 Không cần liên kết điều khiển. 34 2.3.5 Hỗ trợ bảo mật đầu cuối – đầu cuối. 35 2.4 Mô hình tham chiếu hệ thống di dộng 4G 35 2.4.1 Miền dịch vụ và ứng dụng 36 2.4.2 Miền nền tảng dịch vụ 36 2.4.3 Miền mạng lõi chuyển mạch gói 36 iv 2.4.4 Miền truy cập vô tuyến 36 2.5 Mô hình tham chiếu hệ thống di động 4G nhìn từ nền tảng dịch vụ 38 2.5.1 Sự thuận tiện cho người sử dụng 41 2.5.2 Các dịch vụ tiên tiến 42 2.5.3 Quản lý hệ thống 43 CHƯƠNG 3: AN TOÀN VÀ BẢO MẬT TRONG MOBILE IP & 4G 45 3.1 Vai trò, vị trí của Mobile Ip trong 4G 45 3.2 Quản lý di động tại tầng mạng 46 3.2.1 Quản lý di động tại tầng mạng: Giải pháp cho Macromobility 47 3.2.2 Quản lý di động tại tầng mạng: Giải pháp cho Micromobility 49 3.3 An toàn và bảo mật trong Mobile IP 61 3.3.1 Sử dụng các mở rộng xác thực (authentication extensions) 62 3.3.2 Xác thực thông qua trường Identification 63 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên đầy đủ MN Mobile Node HA Home Agent FA Foreign Agent CoA Care of Address CN Correspondent Node DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc bản tin Agent Advertisement …………………………… .4 Hình 1.2 : Cấu trúc bản tin Agent Solicitation 6 Hình 1.3 Cấu trúc bản tin Registration Request ……………………………… 8 Hình 1.4 : Cấu trúc bản tin Registration Reply ……………………………… 9 Hình 1.5: Mobile Node đăng ký gián tiếp ………………………………………9 Hình 1.6: Mobile Node đăng ký trực tiếp …………………………………… 10 Hình 1.7: Các cách để đặt một HA trên mạng chủ ……………………………13 Hình 1.8: Định tuyến tam giác ……………………………………………… 14 Hình 1.9: Định tuyến tối ưu ……………………………………………………15 Hình 2.1: Dịch vụ thông tin y tế ……………………………………………….27 Hình 2.2 Hệ thống cung cấp nội dung tiên tiến ……………………………… 28 Hình 2.3 Hệ thống định vị …………………………………………………….29 Hình 2.4 Hệ thống đặt hàng di động ………………………………………….30 Hình 2.5 Hệ thống quản lý thực phẩm ……………………………………… 31 Hình 2.6 Hệ thống bảo hiểm rủi ro ………………………………………… 32 Hình 2.7 Hệ thống quản lý di động ……………………………………………33 Hình 2.8 Mô hình tham chiếu hệ thống thông tin di động …………………….37 Hình 2.9: Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ ………………………………40 Hình 2.10: Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ : tiện nghi người dùng 42 Hình 2.11: Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ : Các dịch vụ tiên tiến …….43 Hình 2.12: Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ Quản lý hệ thống …………44 Hình 3.1: Vị trí của Mobile IP 45 Hình 3.2: Mobile IP trong mạng GPRS ………………………………………46 Hình 3.3: Mobile IP trong mạng WCDMA ………………………………… 46 vi Hình 3.4: Kiến trúc mô hình mạng Mobile IP phân cấp …………………….50 Hình 3.5: MN đăng ký với HA 50 Hình3.6. MN đăng ký tại vùng hoạt động 51 Hình 3.7 Thủ tục chuyển giao trong FMIPv6 ……………………………… 54 Hình 3.8: Kiến trúc mạng HMIPv6 ………………………………………….58 1 MỞ ĐẦU Mục tiêu của các mạng di động thế hệ tiếp theo là khả năng cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ thoại, truyền dữ liệu và đặc biệt là các dịch vụ băng rộng multimedia ở mọi lúc, mọi nơi. Mạng di động 4G hứa hẹn là mạng di động đón đầu được những yêu cầu của người sử dụng. Mạng thông tin di động thế hệ sau với công nghệ IP là bước phát triển đột phá từ mạng di động thế hệ 3G lên 4G. Điều này đặt ra cho các nhà nghiên cứu cần tìm ra và hoàn thiện hạ tầng IP trong môi trường truyền dẫn không dây để tích hợp cung cấp tất cả các loại hình dịch vụ băng hẹp và băng rộng, nhu cầu di chuyển kết nối liên tục tới người dùng. Mobile IP hỗ trợ khả năng di động cho các đầu cuối trong khi vẫn sử dụng các dịch vụ như ở mạng IP cố định, do đó tích hợp Mobile IP vào mạng di động để có thể giải quyết vấn đề quản lý thuê bao di động mà vẫn đảm bảo được chất lượng dịch vụ là vấn đề cần được nghiên cứu. Khi thuê bao di động thực hiện các dịch vụ băng rộng multimedia vấn đề mất an toàn thông tin cần được quan tâm, thông qua các cơ chế xác thực, mã khóa để đảm bảo cho người dùng là vấn đề cấp thiết cần phải thực hiện. Luận văn bước đầu tìm hiểu về giao thức Mobile IP và mạng di động 4G, cơ chế xác thực trong Mobile IP, tổ chức của luận văn gồm 3 chương cấu trúc như sau: Chương 1: Tổng quan về Mobile IP, cho một cái nhìn tổng thể về giao thức, các phiên bản Mobile Ipv4, Mobile Ipv6, về thuật toán chọn đường trong giao thức Mobile IP, qua đó đánh giá ưu điểm, nhược điểm của giao thức. Chương 2: Tổng quan về 4G, khái quát về mạng di động 4G, các thế hệ thông tin di động từ 1G - 3G. Các đặc điểm cơ bản của 4G và các mô hình khuyến nghị. Chương 3: An toàn và bảo mật trong Mobile IP & 4G, cho biết vai trò của Mobile IP trong 4G, các cơ chế xác thực, đảm bảo an toàn cho Mobile IP. Cuối cùng tổng kết lại những kết quả đã đạt được của luận văn. 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE IP 1.1 Khái niệm cơ bản Mobile Ip là một giao thức của IETF giúp người dùng với thiết bị di động có thể 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 di động, trong công nghệ tương lai (công nghệ 4G). Mobile Ip có rất nhiều mở rộng và phát triển khác nhau như Mobile Ipv4, Mobile Ipv6, Fast Mobile Ip, Multiple CoA Mobile Ip,… Mobile Ip cho phép các node tiếp tục nhận dữ liệu mà không quan tâm đến vị trí kết nối của node vào mạng Internet. Mobile Ip cung cấp các bản tin điều khiển cho phép các thành phần trong mạng cập nhật các bảng định tuyến một cách tin cậy. Mobile Ip được triển khai mà không cần có bất cứ một yêu cầu nào với các tầng vật lý và liên kết dữ liệu, vì vậy Mobile Ip độc lập với các công nghệ truy cập không dây [3]. Một số khái niệm cơ bản trong Mobile Ip: - Mobile Node (viết tắt là MN) nút di động: để chỉ một host hoặc một rounter thay đổi điểm kết nối từ mạng này sang mạng khác. - Home Agent (viết tắt là HA), khi MN di chuyển khỏi mạng thường trú (home network) nó cần một đại diện thay mặt, đại diện này là HA, vai trò của HA là tạo đường hầm để chuyển tiếp gói tin đến MN khi nó rời khỏi mạng nhà và lưu trữ thông tin ví trí hiện tại của MN. - Foreign Agent (viết tắt là FA), khi MN di chuyển khỏi mạng thường trú nó phải có một địa chỉ tạm trú gọi là CoA (Care of Address) là địa chỉ IP có thể được sử dụng để truyền các gói dữ liệu đến đích tương ứng với địa chỉ này theo những giao thức tìm đường cơ bản của IP. MN thông báo địa chỉ CoA cho HA để biết địa điểm của MN, MN có địa chỉ này từ FA. - Correspondent Node (viết tắt là CN) là một node trong mạng có nhu cầu truyền thông với MN, CN không phải là một thành phần của Mobile Ip nhưng được đưa vào để mô tả hoạt động của giao thức. Nguyên tắc hoạt động của Mobile Ip - Khi một MN ra khỏi mạng thường trú (home network), làm thế nào để MN biết là nó đã đi ra khỏi mạng cũng như tìm đại diện mới nếu đã ở mạng khách (foreign network)? HA và FA thường xuyên gửi gói tin quảng bá để thông báo khả năng của mình theo chu kỳ, do đó MN phát hiện ra nó đang ở mạng khác và tiến hành quá trình tìm kiếm đại diện tạm trú của nó. [...]... các gói tin IP đến MN 1.5 Đánh giá về Mobile Ipv4, Mobile Ipv6 1.5.1 Mobile Ipv4 Ưu điểm: - Mobile Ipv4 đề xuất một phương pháp hỗ trợ di động tương đối hiệu quả cho giao thức nền tảng Ipv4 - Việc triển khai Mobile Ipv4 không cần các thiết bị mạng có tính năng đặc biệt, các tác tử có thể được tích hợp vào các router hoặc chỉ đơn thuần là các node bất kỳ trong mạng - Việc triển khai Mobile Ipv4 không... động của Mobile Ip có vẻ đơn giản nhưng đây cũng là một giải pháp hiệu quả để đảm bảo sự di động trong thế hệ mạng tương lai, mạng 4G Để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của Mobile Ip ta xem xét bản Mobile Ipv4 4 1.2 Giao thức Mobile Ipv4 Mobile Ipv4 thực hiện đầy đủ các chức năng: phát hiện agent, đăng ký và tạo đường hầm Các chức năng cụ thể thực hiện như sau 1.2.1 Phát hiện agent Mobile IP sử dụng... trong gói tin 1.5.2 Mobile Ipv6 Mobile Ipv6 được dựa vào hỗ trợ quản lý di động trong giao thức Ipv6, đã giải quyết được nhiều vấn đề trước đây là nhược điểm của Mobile Ipv4 như : Chỉ có duy nhất địa chỉ CCoA được sử dụng, vì số lượng địa chỉ IP mà Ipv6 cung cấp là tương đối lớn với 128 bit địa chỉ Trong Mobile Ipv6 không cần có sự xuất hiện của FA vì các đặc điểm mởi rộng của Ipv6 như Neighbour Discovery,... định là IP đóng gói trong IP CoA chỉ đơn giản là điểm cuối của đường hầm, nó có thể là địa chỉ của FA, hoặc là địa chỉ tạm thời được yêu cầu bởi MN[3] 1.3 Mobile Ipv6 Giao thức Mobile Ipv6 là mở rộng hỗ trợ cho di dộng của giao thức IPv6 hứa hẹn tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực mạng và truyền thông Mobile Ipv6 yêu cầu trao đổi các thông tin bổ sung so với một thông điệp trong Mobile Ipv4, mọi... trong Mobile Ipv4, mọi thông điệp mới được sử dụng trong Mobile Ipv6 đều được xác định như là các tùy chọn đích Ipv6 (Ipv6 Destination Options) Các lựa chọn này được sử dụng trong Ipv6 để mang các thông tin bổ sung cần được kiểm tra bởi node đích của gói tin [4] 1.3.1 Các tùy chọn trong Mobile Ipv6 Có 4 tùy chọn đích được định nghĩa trong Mobile Ipv6 - Cập nhật liên kết (Binding Update): tùy chọn “Cập... 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 1.4.4 Định tuyến tối ưu Giao thức Mobile IP cơ bản cho phép MN di chuyển, thay đổi điểm truy cập internet trong khi liên tục được nhận diện bởi địa chỉ IP nhà Các correspondent node muốn gửi các gói IP đến MN, trước hết gửi gói tin đến HA của MN... chỉ IP public cho các máy trạm có trong mạng khi có nhu cầu truy nhập Internet ( với địa chỉ IP cục bộ của mình, các trạm này không thể trực tiếp kết nối với Internet), số lượng địa chỉ này có giới hạn nên có thể nhiều trạm chia sẻ một địa chỉ IP và vì vậy cần được phân biệt thôn qua số hiệu cổng Điều này nảy sinh vấn đề khi Mobile Ipv4 được triển khai, khi HA hoặc CN tạo ra gói tin đường hầm kiểu IP- in -IP. .. mới được thiết lập cho việc dùng với Mobile IP 1.4.2 Định tuyến gói tin bởi HA HA được yêu cầu để có thể chặn các gói tin trên mạng chủ đề địa chỉ gửi đến MN trong khi MN được đăng ký rời khỏi mạng nhà Proxy và gratuitous ARP có thể được sử dụng để có thể thực hiện công việc này HA phải so sánh địa chỉ IP đích của tất cả các gói tin đến có phải là home address của mobile node nào đó đã đăng ký rời khỏi... trao đổi dữ liệu bình thường - Các chức năng của các tầng trên không bị ảnh hưởng Nhược điểm: Trong quá trình triển khai giao thức Mobile IP có những vấn đề làm giảm hiệu năng hệ thống, đó có thể coi là nhược điểm của giao thức - Hiện tượng “Triangular Routing”: trong Mobile Ipv4 mọi gói tin từ CN gửi đến MN đều phải qua trung gian là HA thay vì đến trực tiếp MN, đó là hiện tượng Triangular Routing Hiện... phù hợp theo prefix mạng Nếu 12 CCOA của MN phù hợp với địa chỉ nguồn IP của thông báo agent theo prefix mạng, MN cũng có thể coi địa chỉ nguồn IP như là sự lựa chọn có thể khác cho địa chỉ IP của router mặc định, cùng với các địa chỉ router mà có thể được biết từ phần ICMP Router Advertisement của bản tin Nếu thế, địa chỉ nguồn IP được xem như sự lựa chọn không thích hợp nhất (ưu tiên thấp nhất) cho . như Mobile Ipv4, Mobile Ipv6, Fast Mobile Ip, Multiple CoA Mobile Ip, … Mobile Ip cho phép các node tiếp tục nhận dữ liệu mà không quan tâm đến vị trí kết nối của node vào mạng Internet. Mobile. Luận văn bước đầu tìm hiểu về giao thức Mobile IP và mạng di động 4G, cơ chế xác thực trong Mobile IP, tổ chức của luận văn gồm 3 chương cấu trúc như sau: Chương 1: Tổng quan về Mobile IP, . bản của 4G và các mô hình khuyến nghị. Chương 3: An toàn và bảo mật trong Mobile IP & 4G, cho biết vai trò của Mobile IP trong 4G, các cơ chế xác thực, đảm bảo an toàn cho Mobile IP. Cuối