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. 3 - Sau khi đã nhận được thông tin về FA, MN có thể bắt đầu liên lạc với FA. MN gửi yêu cầu đăng ký thông tin đến HA (ở đây là địa chỉ CoA, tùy theo phương thức kết nối mạng mà MN gửi đăng ký trực tiếp đến HA hoặc thông qua FA) để được lưu thông trong một thời gian, yêu cầu này có thể là cho phép hoặc từ chối. - Nếu HA cho phép nó sẽ làm việc như người được ủy nhiệm của MN. Khi mạng gốc của MN nhận được các gói tín hiệu có địa chỉ đến là MN, HA sẽ nhận những gói tin này đóng gọi lại và tiếp tục gửi tới địa chỉ của FA mà MN đã đăng ký. FA sẽ mở các gói tin này và gửi tới MN vì nó biết MN đang ở đó một cách chính xác. HA dùng phương pháp đóng gói để chuyển thông tin cho MN bằng cách dùng thêm phần mào đầu của gói và chuyển theo đường hầm đến MN. - Quá trình trên sẽ tiếp tục cho đến khi hết hạn đăng ký hoặc MN chuyển đến mạng mới. Khi xảy ra hiện tượng hết hạn, MN phải đăng ký lại với HA của nó thông qua FA; khi MN chuyển đến mạng khác, nó gửi yêu cầu đăng ký mới qua FA mới, trong trường hợp này HA sẽ thay đổi địa chỉ nhờ chuyển CoA của MN và sẽ gửi tiếp các gói tin đã đóng gói tới địa chỉ nhờ chuyển CoA. - Khi MN trở về mạng thường trú, nó gửi một yêu cầu đăng ký lại đến HA thông báo nó đã ở mạng nhà để không thực hiện đường hầm và dọn bỏ các địa chỉ nhờ gửi trước. Như vậy có thể phân chia thành 3 chức năng tương đối cách biệt như sau: - Phát hiện agent (agent discovery): qua chức năng này các HA và FA có thể quảng bá khả năng của mình trên mỗi liên kết mà nó cung cấp dịch vụ. MN mới đến một mạng có thể gửi các yêu cầu nhận thông tin để qua đó xác định các agent có khả năng phục vụ. - Đăng ký (registration): chức năng cung cấp cho MN khi hoạt động ở ngoài mạng nhà, MN sẽ đăng ký CoA của nó với HA. Tùy thuộc vào phương thức kết nối mạng ở mạng khách mà MN sẽ gửi trực tiếp đăng ký đến HA hoặc thông qua trung gian chuyển tiếp là FA. - Tạo đường hầm (tunnelling): để chuyển tiếp dữ liệu đến MN khi rời khỏi mạng nhà, HA sẽ tạo một đường hầm và gửi dữ liệu đến CoA của MN. Nguyên tắc hoạt 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 các bản tin để thực hiện, các bản tin được định nghĩa dựa trên giao thức tiêu chuẩn ICMP Router Discovery (Internet Control Message Protocol Router Discovery). Hai bản tin trong Mobile Ip được hình thành dựa trên 2 bản tin của ICMP có thêm phần mở rộng [3]. - Bản tin agent advertisement (bản tin quảng cáo trạm): được truyền bởi các trạm phục vụ để quảng cáo các dịch vụ của nó trên một liên kết. MN dùng các bản tin quảng cáo này để xác định điểm kết nối hiện tại của nó vào Internet. Bản tin agent advertisement chính là bản tin ICMP Router Advertisment được mở rộng thêm phần bắt buộc Mobility Agent Advertisement Extension, có thể có 2 phần tùy chọn phần Prefix-Lengths Extension, và One-byte Padding Extension, hoặc các phần mở rộng khác có thể được định nghĩa trong tương lai [3]. Cấu trúc bản tin Agent Advertisement được định nghĩa như hình vẽ sau: Hình 1.1: Cấu trúc bản tin Agent Advertisement 5 Với phần IP header: Time to Live: luôn được thiết lập là 1, do bản tin này chỉ có tác dụng trên vùng mạng mà trạm phục vụ quản lý. Destination Address: với 1 bản tin multicast agent advertisement phải là địa chỉ multicast “all systems on this link” (224.0.0.1) hoặc địa chỉ broadcast được giới hạn (255.255.255.255). Phần ICMP: Trường Code: giá trị 0 trạm phục vụ điều khiển lưu lượng thông thường, tức là nó hoạt động như một router cho các gói IP của MN hoặc của các máy trạm khác; giá trị 16 trạm phục vụ không định tuyến lưu lượng thông thường, tuy nhiên tất cả các FA ít nhất phải hướng đến một router mặc định bất kỳ các gói tin nhận được từ một MN đã đăng ký. Lifetime: độ dài thời gian tối đa mà bản tin agent advertisement này được xem là còn giá trị khi chưa nhận được các bản tin agent advertisement của cùng một trạm sau đó. Router address: địa chỉ IP của giao tiếp router mà tại đó bản tin này được gửi. Num addr: số các router address được quảng cáo trong bản tin này. Đặc biệt trường này có thể được thiết lập thành 0. Nếu được gửi định kỳ, khoảng thời gian mà bản tin agent advertisement được gửi không nên dài quá 1/3 trường Lifetime được chỉ định. Điều này cho phép một MN được bỏ lỡ 3 bản tin agent advertisement liên tiếp trước khi xóa trạm phục vụ từ danh sách các trạm phục vụ hợp lệ của nó. Thời gian truyền thật sự cho mỗi bản tin agent advertisement nên được tạo ngẫu nhiên ở mức nhỏ để tránh đồng bộ và xung đột với các bản tin agent advertisement khác có thể được gửi bởi các trạm phục vụ khác. - Bản tin agent solicitation (bản tin xin phép trạm) giống như bản tin ICMP Router Solicitaiton nhưng phần IP TimetoLive phải được thiết lập là 1 [3]. Cấu trúc bản tin agent solicitation như sau: 6 Hình 1.2 : Cấu trúc bản tin Agent Solicitation 224.0.0.2: tất cả các router trên subnet này. 1.2.2 Đăng ký Một MN thực hiện đăng ký bất kỳ khi nào nó phát hiện điểm kết nối của nó vào mạng đã thay đổi từ liên kết này sang liên kết khác, đồng thời do các đăng ký này chỉ hợp lệ trong một thời gian xác định (lifetime) nên một MN phải đăng ký lại khi đăng ký của nó sắp hết hạn. Đăng ký là phương pháp mà các MN: Yêu cầu các dịch vụ chuyển tiếp gói tin khi MN đang ở một mạng ngoài. Cho HA của chúng biết CoA hiện tại của chúng. Làm mới lại một đăng ký sắp hết hạn. Hoặc hủy đăng ký khi chúng trở về mạng nhà[3]. Các bản tin đăng ký trao đổi thông tin giữa một MN và HA, có thể 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: Khám phá home address của nó, nếu MN không được cấu hình thông tin này. Duy trì nhiều đăng ký đồng thời, để tạo ra các bản copy của mỗi gói tin và các bản copy được chuyển đường hầm đến mỗi địa chỉ CoA. Hủy đăng ký CoA được chỉ định trong khi vẫn giữ lại các liên kết di động khác, và Khám phá địa chỉ của một HA nếu MN không được cấu hình thông tin này. Tro