Интернет-протокол для мобильной связи Mobile IP. Часть 1

Протокол Mobile IP впервые был принят в качестве проекта стандарта рабочей группой по разработкам в интернете (Internet Engineering Task Force — IETF) в 1996 г. Основной протокол Mobile IP был определён в серии документов, содержащих описания протоколов интернета (Request For Comments — RFC) RFC 2002-2006; в настоящее время его обновлённая версия определена в RFC 3344.

Протокол Mobile IP можно определить одним предложением. Mobile IP — это динамический маршрутизируемый протокол, при котором конечные устройства оповещают об изменениях своих маршрутов, а динамические туннели освобождают от необходимости маршрутизации с помощью хоста.
По сути, протокол Mobile IP позволяет пользователю перемещаться по различным IP-подсетям и каналам доступа, в то же время поддерживая непрерывное соединение. Для того, чтобы понять принципы функционирования Mobile IP, можно воспользоваться аналогией с почтовой службой. Письмо запечатывается в конверт и отправляется адресату (IP-заголовок). Оно приходит в местное почтовое отделение и доставляется по домашнему адресу. Когда адресат уезжает, он обращается в почтовое отделение (домашний агент — Home Agent) с просьбой пересылать корреспонденцию на его новый почтовый адрес — адрес для передачи (Care-of Address — CoA). После этого письма, приходящие на имя этого адресата в местное почтовое отделение, переадресовываются (туннелируются) на новый адрес (CoA). Письмо приходит в почтовое отделение, которое обслуживает новое местопребывание адресата (чужой агент — Foreign Agent) и направляется на его новый адрес (CoA). Доставка почты таким образом производится без участия настоящего отправителя письма (корреспондентского узла — Correspondent Node).
Теперь постараемся понять, что представляет собой протокол Mobile IP, разбив его определение, данное выше, на составляющие.

Mobile IP — это динамический маршрутизируемый протокол

Основной (корневой) протокол Mobile IP не предназначен для управления и распределения IP-адресов. Для распределения IP-адресов для мобильных узлов доступны расширения, но это не является основной функцией протокола. Точно так же как и протокол двухточечного соединения (Point-to-Point Protocol — PPP), протокол Mobile IP не относится к протоколам управления адресами, потому что он не способен распределять адреса.
В то время как некоторые варианты реализации протокола Mobile IP напоминают приложения с центральным сервером и клиентами на периферии, многие другие варианты напоминают классическую маршрутизируемую инфраструктуру.
Некоторые специалисты считают, что Mobile IP — это не маршрутизируемый протокол, потому что он не способен создавать полную топологию сети. Однако это не является обязательной функцией маршрутизируемого протокола. Для подтверждения того, что Mobile IP — динамический маршрутизируемый протокол, рассмотрим его характеристики. Суть динамического маршрутизируемого протокола состоит в том, что он преобразует таблицу маршрутизации при изменении маршрута, но по существу не изменяет способ маршрутизации. Он обнаруживает изменения в топологии сети и адаптируется к ним, выбирая наилучший из доступных путей и, соответственно, обновляя таблицы маршрутизации. Наилучший доступный путь определяется используемым протоколом и может различаться в соответствии с задачами протокола. Например, некоторые протоколы разработаны для улучшения масштабируемости сети, а другие — для наиболее быстрой сходимости. Эти задачи влияют на выбор наилучшего доступного пути. Протокол выбора кратчайшего пути (Open Shortest Path First — OSPF) в первую очередь и протокол пограничной маршрутизации (Border Gateway Protocol — BGP) являются динамическими маршрутизируемыми протоколами, однако каждый из них использует различные методы выбора налучшего маршрута.

Конечные устройства Mobile IP оповещают об изменениях своих маршрутов

Протокол Mobile IP разработан для обеспечения масштабируемой хост-маршрутизации для клиентов в мобильной (обычно беспроводной) среде. Мобильный узел может иметь один или более каналов, соединяющих его с сетью, и каждый канал может иметь связанную с ним систему показателей. Используя эти показатели и данные о доступности канала, мобильный узел информирует сеть путем обновления маршрутов наилучшего пути, по которым он может быть доступен, как показано на рисунке 1. Поскольку этот метод выбора пути не похож на любой другой, мы предлагаем называть его интеллектуальным граничным методом.

Рис. 1. Протокол Mobile IP использует обновления маршрутов

Идея маршрутизации по границе может выглядеть непродуманной, однако она хорошо работает в мобильных условиях по двум причинам. Во-первых, в беспроводной сети мобильные узлы быстро соединяются и разъединяются, что усложняет слежение за ними. Представьте использование стандартного протокола внутреннего шлюза (Interior Gateway Protocol — IGP) в среде, где на одном канале находятся сотни соседей и каждую секунду происходят сотни изменений топологии сети. Передача большинства задач на мобильный узел позволяет масштабировать сеть более эффективно. Во-вторых, так как скорость и время ожидания беспроводных сетей часто весьма значительно отличаются от аналогичных параметров фиксированной сети, выбор наилучшего пути на основе канала доступа является наиболее эффективным.

Динамические туннели освобождают от необходимости маршрутизации с помо­щью хоста

В отличие от маршрутизируемых протоколов, Mobile IP создаёт собственные каналы; однако они являются логическими, а не физическими. Эти каналы известны как туннели. С помощью туннелирования обычно соединяются две подобные сети через отличающуюся от них сеть. Например, туннелирование можно использовать для передачи по протоколу, подобному AppleTalk, через сеть, которая не способна маршрутизировать AppleTalk.
Поскольку в настоящее время многие протоколы заменяются интернет-протоколами, туннелирование находит всё большее применение при соединении подобных доменов через отличающийся от них домен. Например, на предприятии может быть использовано туннелирование для соединения удаленных частных сетей через интернет. Это обеспечивает трафик с частными адресами, маршрутизируемый через общедоступную сеть.
Протокол Mobile IP использует ту же концепцию туннелирования через маршрутный домен, как показано на рисунке 2. При использовании протокола Mobile IP мобильные узлы поддерживают постоянные IP-адреса по мере их движения по сети. Обеспечение этого с помощью традиционных маршрутных протоколов потребовало бы для каждого мобильного узла использование маршрутизации с помощью хоста. Каждое перемещение мобильного узла потребовало бы обновление маршрута на хосте и преобразование маршрутного протокола. Это может работать для небольшого количества мобильных узлов с невысокой мобильностью, но когда частота обновлений маршрута возрастает, традиционные маршрутные протоколы могут отказывать.

Рис. 2. Протокол Mobile IP использует туннелирование для маршрутизации

Вместо этого, Mobile IP закладывает маршруты хоста не более чем в два устройства — в домашний агент и еще, возможно, в чужой агент, и использует туннелирование для передачи трафика через сеть. Это исключает необходимость передавать маршрут хоста через сеть каждый раз, когда мобильный узел перемещается. По существу, Mobile IP использует туннели для создания перекрываемого маршрутного домена, изолирующего частые изменения маршрута хоста от существующих маршрутных протоколов.

Как правило, система, использующая протокол Mobile IP, состоит из трёх компонентов: домашнего агента, мобильного узла и чужого агента. Наиболее часто используются отдельные устройства (маршрутизаторы) для каждой функции, или иногда одно устройство комбинирует домашнего агента и чужого агента.
Многие компании предлагают решения по построению сетевой инфраструктуры Mobile IP. Среди них такой известный производитель сетевого оборудования как Cisco Systems, который выпускает совместимое с RFC 2002 оборудование.
Другими важными понятиями в протоколе Mobile IP являются домашняя сеть, домашние адреса и адреса для передачи (CoA).

Мобильный узел

Мобильный узел может быть любым IP-устройством: от карманного персонального компьютера (КПК) и ноутбука до маршрутизатора. Мобильный узел должен детектировать логическое перемещение и устанавливать своё текущее местоположение. Логическое перемещение — это не просто изменение устройства доступа, но и изменения в подсети, связанной с каналом доступа. Мобильный узел может логически переместиться и связаться с новым устройством доступа, если устройство, с которым он был связан, выходит из строя.
Замечание. Хотя Mobile IP является протоколом уровня 3, граница между уровнем 2 и уровнем 3 часто бывает размыта. Как мы увидим при обсуждении детектирования перемещения и переключения каналов, Mobile IP не может эффективно работать без взаимодействия с уровнем 2. Чем больше информации мобильный узел имеет об уровне 2, тем более эффективным будет принятое им решение о выборе маршрута.

Домашняя сеть и домашний адрес

«Дом» — это важное понятие протокола Mobile IP, поскольку маршрутизация в интернете основана на использовании домашнего IP-адреса, как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Маршрутизация по домашнему адресу

Замечание. IP-маршрутизация эффективно масштабируется, так как большие блоки IP-адресов могут быть сгруппированы на основе префикса сети. IP-сети разделяются на подсети. Все хосты, содержащиеся в подсети, используют общий префикс сети. Набор битов, предшествующих адресу хоста, определяет префикс сети. Все узлы подсети имеют один и тот же сетевой префикс. Трафик передаётся по сети, следуя маршруту с самым длинным префиксом.
Домашний адрес присваивается вне домашней сети, которая связана с домашним агентом. Домашний адрес либо назначается статически, либо присваивается динамически во время процесса регистрации протокола Mobile IP. Понятие «дома» в протоколе Mobile IP означает опорную точку. Домашняя сеть — это сеть с наиболее длинным префиксом, объявленная в обычных маршрутных протоколах. Она служит для избежания объявления маршрутов хоста для каждого мобильного узла в маршрутном протоколе IGP, что не обеспечивает масштабирование сети.
Когда мобильный узел соединён со своей домашней сетью, протокол Mobile IP не нужен, потому что трафик передается к мобильному узлу путем обычной IP-маршрутизации. Когда мобильный узел перемещается из своей домашней сети и соединяется с новой сетью, эту новую сеть/домен называют чужим доменом или гостевым доменом.

Домашний агент

Домашний агент — это маршрутизатор, способный обрабатывать обновления маршрутов Mobile IP (этот процесс называют регистрацией) и пересылать трафик на мобильный узел через динамически создаваемые туннели. Если домашний агент обеспечивает пересылку, он направляет трафик через туннель с использованием маршрута хоста. Если домашняя сеть — это физическая сеть и домашний агент не занимается пересылкой, то он не будет использовать протокол разрешения адресов (Address Resolution Protocol — ARP) для получения всего трафика, предназначенного для мобильного узла, и затем пересылать его через туннель. Заметим, что домашний агент и мобильный узел должны разделить между собой безопасную связь при использовании протокола Mobile IP.

Адрес для передачи

Когда мобильный узел попадает во внешнюю сеть, он формирует один или несколько адресов для передачи (Care-of Addresses — CoA). Мобильный узел информирует домашнего агента об этом CoA во время процесса регистрации Mobile IP. Трафик от домашнего агента затем передается в CoA, который определяет логическое местоположение мобильного узла в чужом домене. Адрес для передачи может быть двух типов:
– совмещенный адрес для передачи;
– адрес для передачи чужого агента.

Совмещенный адрес для передачи

В режиме совмещённого адреса для передачи мобильный узел получает IP-адрес для себя в чужой сети, например через протокол динамической настройки хостов (Dynamic Host Configuration Protocol — DHCP) или другой протокол управления адресами. В режиме совмещённого CoA мобильный узел имеет два адреса: домашний и совмещённый CoA. Совмещенный CoA является достоверным и маршрутизируемым адресом в текущем канале и принимает туннелированный трафик. Заметим, что мобильный узел должен быть способен прерывать туннель Mobile IP в режиме совмещённого адреса для передачи. Домашний адрес не является маршрутизируемым в текущем канале, но используется как исходная точка и пункт назначения для всего трафика приложения.
Считается, что совмещённый адрес для передачи неэффективно использует IP-адреса, потому что каждый мобильный узел требует достоверного и маршрутизируемого адреса в каждой сети, которую он посещает. Несмотря на невысокую эффективность, режим совмещённого CoA используется довольно часто, потому что он упрощает распределение адресов. Он часто совмещается с частной адресацией для минимизации расхода IP-адресов.

Адрес для передачи чужого агента

В случае использования адреса для передачи чужого агента многие узлы делят один общий CoA. Адреса для передачи чужого агента — это один или больше IP-адресов интерфейса, объявленных чужим агентом, о чем будет говориться в следующем разделе.

Чужой агент

Чужой агент — это маршрутизатор, подсоединённый к каналу доступа, который способен прерывать туннелирование от имени мобильного узла. Чужой агент может объявлять один или несколько своих IP-адресов в качестве адреса для передачи (CoA). Мобильный узел регистрируется с помощью своего домашнего агента через чужого агента. Чужой агент сохраняет путь канала доступа, к которому подсоединён мобильный узел. Трафик для мобильного узла туннелируется от домашнего агента к чужому. После того как чужой агент удаляет инкапсулированный заголовок, он доставляет трафик на мобильный узел. Чужой агент должен быть соединён непосредственно с каналом доступа мобильного узла, потому что трафик может быть доставлен только посредством адресации MAC-уровня. Если бы чужой агент должен был направлять трафик, он был бы отправлен обратно домашнему агенту и оказался бы захвачен в маршрутной петле.

Корреспондентский узел

Корреспондентский узел не является компонентом Mobile IP, но о нём обязательно говорят при изучении трафика. Корреспондентский узел — это узел, равноправный мобильному узлу в IP-связи, например, другой мобильный узел или фиксированный узел. Если бы мобильный узел использовал веб-браузер, то корреспондентский узел был бы веб-сервером.