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Mobility support in IP Cellular Networks
A Multicast-based approach
Festag, Andreas
Heutige zellulare Kommunikationsnetzwerke bieten eine unterbrechungsfreie Mobilitätsunterstützung, basieren aber auf homogener Netzwerktechnologie und komplexer verbindungsorientierter Infrastruktur. Es ist zu erwarten, dass die Internet-Technologie einen Paradigmenwechsel bei zellularen Netzwerken herbeiführen wird. Mobile IP stellt die klassische Lösung für das Mobilitätsproblem in IP zellularen Netzwerken dar, hat aber eine Reihe von Nachteilen: das indirekte Routing und der Einfluss auf die Ende-zu-Ende Verzögerung, Probleme durch sogenannte Ingress-Filter bei Routern, sowie die ungenügende Qualität des Handover. In dieser Dissertation wird der Ansatz verfolgt, das Mobilitätsproblem mit Unterstützung von Gruppenkommunikation (Multicast) zu lösen. Hierbei wird im Prinzip die Fähigkeit des Multicast zur Adressierung und zum Routing unabhängig vom Aufenthaltsort genutzt. Dadurch stellen sich aber eine Reihe von neuen Herausforderungen, unter anderem die Tatsache, daß Multicast nicht alle Funktionen bietet, die zur Mobilitätsunterstützung notwendig oder wünschenswert sind. Ebenso stellen sich Probleme von Multicast in nicht-mobilen Netzwerken, sowie durch die besonderen Anforderungen von Hostmobilität an den Multicast. Auf diesem Gebiet gibt es bereits mehrere interessante Vorschläge, denen unterschiedliche Motivation, sowie verschiedene Anforderungen und Annahmen über die Netzwerkarchitektur zugrunde liegen. Es werden die Anforderungen an Multicast-basierte Mobilitütsunterstützung identifiziert, sowie Mobilitätsfunktionen und grundlegende Protokolloptionen ausgearbeitet. Diese drei Komponenten bilden ein Rahmenwerk für einen System- und Protokollentwurf für Multicast-basierte Mobilitätsunterstützung, genannt MOMBASA (Mobility Support - A Multicast-Based Approach). Dieses Rahmenwerk wird benutzt, um existierende Arbeiten zu beurteilen und dient gleichzeitig als Basis, um neue Ansätze zu kreieren bzw. existierende zu modifizieren. Vier Fallstudien, basierend auf unterschiedlichen Dienstmodellen für Multicast, werden von dem Rahmenwerk abgeleitet. Zur Untersuchung der Fallstudien wird ein kombinierter Ansatz aus Messung, Simulation und Analyse angewendet. Für eine experimentelle Untersuchung wurde die MOMBASA Software Environment entwickelt, eine generische Softwareplattform für die Untersuchung von Multicast-basierter Mobilitätsunterstützung in IP-basierten Netzwerken. Die Softwareplattform bietet ein abstraktes Interface zum Multicast und ist daher auch zur zukünftigen Untersuchung von unterschiedlichen Typen von Multicast geeignet. Die MOMBASA Software Umgebung ist Teil der Umgebung zur Leistungsbewertung, die es gestattet, die Fallstudien in einer gemeinsamen Umgebung unter vergleichbaren experimentellen Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse der Dissertation zeigen die prinzipielle Möglichkeit eines mobilen Kommunikationssystems mit Multicast-basierter Mobilitätsunterstützung ohne Einschränkungen von IP-Diensten. Potentielle Probleme (wie z.B. das Fehlen eines zuverlässigen Transportdienstes für Multicast) können vermieden werden. Die Dissertation beschreibt die Ergebnisse der Leistungsbewertung für Handover. Es werden Skalierbarkeitsaspekte untersucht, insbesondere die Signalisierungskosten in einem System mit Multicast-basierter Mobilitätsunterstützung ermittelt. Alle Ergebnisse werden mit dem Referenzfall Mobile IP und seiner hierarchischen Variante verglichen.
Today's cellular communication networks offer seamless mobility support but are based on a homogeneous networking technology and a complex voice-oriented networking infrastructure. The Internet technology is expected to cause a paradigm shift in cellular communication networks. Mobile IP is the classical solution to support host mobility, but faces a number of disadvantages, including triangular routing and its effect on protocol overhead and end-to-end delays, router ingress filtering, and handover performance. In the dissertation a different approach is pursued that solves the general mobility problem by means of group communication (multicast). In principle, it utilizes the capability of multicast for location-independent addressing and routing, but poses a number of challenges, including the fact that not all mobility functions are offered by the multicast, as well as the open problems of the multicast as it exists in today fixed networks, and problems that arise through the usage of multicast for mobility support, such as the scalability with the number of multicast groups. A few proposals in this area have already been made with different motivations, requirements, and assumptions about the networking architecture. In this dissertation the requirements for multicast-based support of host mobility are identified, as well as mobility functions and basic protocol options elaborated. The three components create a framework for the system and protocol design of multicast-based mobility support that is termed MOMBASA (Mobility Support - A Multicast-Based Approach). The framework is used to judge existing research approaches and serves as a basis to design new schemes and modify existing ones. Four case studies are derived from the framework based on the Any-Source Multicast, the current multicast standard in the Internet, as well as alternative service models. For these case studies a set of protocols are designed that augments the multicast schemes by mobility functions. The methodology of investigation is a combined approach of measurements, simulation, and analysis. For experimental investigation the MOMBASA Software Environment is developed -- a generic software platform for experimentation with multicast-based mobility support in IP-based networks. The software environment offers an abstract interface to the multicast, and hence can be used for future investigations of different classes and types of multicast. The MOMBASA Software Environment is part of the evaluation environment that allows to investigate the selected case studies in a common experimental environment under comparable conditions. The results of the dissertation show the feasibility of a mobile communication system with multicast-based mobility support providing the full spectrum of IP services. Potential problems of multicast-based mobility support (e.g. lack of a reliable transport service for multicast, and others) can be avoided. The dissertation presents results of the performance evaluation for handover. Scalability issues are addressed, in particular the signaling costs in a system with multicast-based mobility support determined. All results are compared with the reference case Mobile IP and its hierarchical variant.
