IPv6 Mobility 發展、支援與應用

2016年2月3日,Cisco公司發佈了最新版的Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2015–2020,指出並詳細說明全球行動通訊網路的七大發展趨勢,其中之一提到「行動終端設備將會更智慧」,IPv6在行動通訊網路中的應用是一個很重要的面向,IPv6是目前支援行動物聯網及未來發展的關鍵技術[1]。

目前在網際網路應用上,許多應用都可能因為網路連線IP位址突然改變而導致應用服務問題,例如:虛擬私有網路VPN、網路電話VoIP、多媒體串流、檔案傳輸…等。Mobile IP目的在支援無接縫式網際網路漫遊,持續連線不中斷。近年,隨著無線區域網路Wireless LAN、WiMAX、3G/4G/5G行動網路普及,許多應用服務對IP Mobility議題越來越受重視。

IP Mobility是由網際網路工程任務組(Internet Engineering Task Force, IETF) 制定的一種網路傳輸協定標準。IPv4 Mobility概念最早於1996年10月RFC 2002[2]被提出,之後經過RFC3220 (2002年1月)[3]、RFC3344(2002年8月)[4]、RFC5944 (2010年11月)修訂[5],RFC 4721(2007年1月)[6] 提供了擴充定義。其主要目的是讓在網際網路上之行動用戶可以支援移動連線,當行動用戶從一個區域網路移動至另一個區域網路,用戶裝置可以保持IP位址不變,並且在移動過程中保持網路連線性,不會因為用戶移動至不同網路系統而造成網路連線中斷或應用服務中斷,實現跨越不同網段的漫遊功能[7]。

Mobile IP允許在網際網路上支援與位置無關之IP封包路由,每個行動節點在原歸屬家網路(Home Network)中,具有獨一無二之Home Address,此Home Address 不會因為行動節點移動後位置不同而有所改變。當行動節點遠離其歸屬之家網路,進入到其他外部網路(Foreign Network)時,行動節點會獲得一個臨時性之Care-of Address,並且外部網路路由器之Foreign Agent,會綁定該行動節點之Home Address與Care-of Address關聯,並且建立Tunnel至該行動節點原歸屬家網路路由器之Home Agent,並且向Home Agent註冊行動節點相關資訊。

在此機制下,傳送至該行動節點Home Address之封包,會被路由至Home Network,當Home Agent路由器收到該行動節點Home Address之封包,會再將其封包透過Tunnel轉送至Foreign Agent之Care-of Address,因此,無論該行動節點移動至哪個網段,皆可以正常接收到Home Address之封包,達到連線不中斷、應用服務不中斷之目標。當mobile node回傳資料封包,根據標準路由機制,封包會以最短路徑傳送至目的地Host。因此,在行動節點(Mobile Node)與host間,往返的封包傳送路徑,形成一個三角路徑傳送關係,這就是Mobile IP 的「三角路由」問題。雖然「三角路由」問題並不違反IP路由,但傳送至行動節點的封包都會被傳送到Home Agent然後才轉送至行動節點,因此在網路傳輸效益上並不佳。

為IPv6設計的行動IP,又稱Mobile IPv6,IPv6 Mobility 最早於2004年6月RFC 3775[9]被提出,之後RFC 6275 (2011年7月) [10]提出更新版本。在IPv6 Mobility效能方面,2002年9月於Elsevier Computer Networks Journal (CNJ)中,「A simulation study on the performance of mobile IPv6 in a WLAN-based cellular network」文章有針對蜂巢式無線網路進行Mobile IPv6 效能分析[11]。此外,2003年10月ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review (MC2R),「A performance comparison of Mobile IPv6, Hierarchical Mobile IPv6, fast handovers for Mobile IPv6 and their combination」文章針對Mobile IPv6、Hierarchical Mobile IPv6、Mobile IPv6快速換手進行效能比較[12],其中也分析換手速率和通訊節點數對傳輸效能(Throughput)有重大影響。

在IPv6 Mobility技術發展部份,除了RFC 6275,許多加強型Mobile IP技術也被提出,例如Hierarchical Mobile IPv6(HMIPv6)被定義在RFC 4140[13]與RFC 5380[14],Fast Handovers for Mobile IPv6在RFC 5268[15]與RFC 5568[16]被提出,Runtime Local Mobility Anchor (LMA) Assignment Support for Proxy Mobile IPv6在RFC 6463[17]提出、Multicast Mobility Routing Optimizations for Proxy Mobile IPv6在RFC 7028[18]被定義。這些研究或改善機制,都期望能提供更高安全性與傳輸效益。

另一方面,有些研究也提出一些方法,在未事先布署Mobile相關基礎建設下,以一般IP網路基礎即可支援IP Mobility,例如Interactive Protocol for Mobile Networking(IPMN)即是在一般IP網路基礎上,透過Edge Router智慧型信令,在終端與應用程式模組間可以加強服務品質(Quality of Service, QoS)。此外,也有研究是讓行動節點可以支援整個子網之間的移動。例如:IETF Network Mobility Working Group所提出之Network Mobility Basic Support Protocol[19]。該協議支援整個移動網路的移動性,將移動網路附加在網際網路不同節點上;該協定是移動IPv6的擴展,並允許移動網路中每個節點的連線連續性。

近年來,寬頻行動與無線網路的普及與應用,Mobility的應用需求越來越高,因此如果沒有考慮IP Mobility機制,對於介於行動網路路由網域切換邊緣的使用者來說,TCP連線具有高斷線機率。因此,未來行動應用與行動物聯網如果是採用連線導向(Connection-Oriented)長時間持續性傳輸方式,IPv6 Mobility將會是一個服務品質重要議題。

    參考資料:
  • 1.Cisco Visual Networking Index 2.C. Perkins, "IP Mobility Support," RFC 2002, October 1996.
    3.C. Perkins, "IP Mobility Support for IPv4," RFC 3220, January 2002.
    4.C. Perkins, "IP Mobility Support for IPv4," RFC 3344, August 2002.
    5.C. Perkins, "IP Mobility Support for IPv4, Revised," RFC 5944, November 2010.
    6.C. Perkins, P. Calhoun and J. Bharatia, “Mobile IPv4 Challenge/Response Extensions (Revised),” RFC 4721, January 2007.
    7.Mobile IP Wikipedia 8.C. Perkins, "IP Mobility Support for IPv4, Revised," RFC 5944, November 2010.
    9.D. Johnson, C. Perkins and J. Arkko, "Mobility Support in IPv6," RFC 3775, June 2004.
    10.C. Perkins, D. Johnson and J. Arkko, "Mobility Support in IPv6," RFC 6275, July 2011.
    11.Xavier Pérez Costa and Hannes Hartenstein, "A simulation study on the performance of mobile IPv6 in a WLAN-based cellular network," Elsevier Computer Networks Journal, special issue on The New Internet Architecture, September 2002.
    12.Xavier Pérez-Costa, Marc Torrent-Moreno and Hannes Hartenstein, “A performance comparison of Mobile IPv6, Hierarchical Mobile IPv6, fast handovers for Mobile IPv6 and their combination,” ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review (MC2R), Volume 7, Issue 4, October, 2003.
    13.H. Soliman, C. Castelluccia, K. ElMalki and L. Bellier, "Hierarchical Mobile IPv6 Mobility Management (HMIPv6)," RFC 4140, August 2005.
    14.H. Soliman, C. Castelluccia, K. ElMalki and L. Bellier, "Hierarchical Mobile IPv6 (HMIPv6) Mobility Management," RFC 5380, October 2008.
    15.R. Koodli, "Mobile IPv6 Fast Handovers," RFC 5268, June 2008.
    16.R. Koodli, "Mobile IPv6 Fast Handovers," RFC 5568, July 2009.
    17.J. Korhonen, S. Gundavelli, H. Yokota and X. Cui, "Runtime Local Mobility Anchor (LMA) Assignment Support for Proxy Mobile IPv6," RFC 6463, February 2012.
    18.JC. Zuniga, LM. Contreras, CJ. Bernardos, S. Jeon and Y. Kim, "Multicast Mobility Routing Optimizations for Proxy Mobile IPv6," RFC 7028, September 2013.
    19.V. Devarapalli, R. Wakikawa, A. Petrescu and P. Thubert, "Network Mobility (NEMO) Basic Support Protocol," RFC 3963, January 2005.
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