Tecniche per il mobile data offloading
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Tecniche per il mobile data offloading
Scuola Politecnica e delle Scienze di Base Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Elaborato finale in Protocolli per reti mobili Tecniche per il mobile data offloading Anno Accademico 2013/2014 Candidato: Federica Aprea matr. N46/000952 Alla mia famiglia. Indice Indice .................................................................................................................................................. III Introduzione ......................................................................................................................................... 4 Capitolo 1: Mobile data offloading ...................................................................................................... 5 1.1 Mobile data offloading tramite Wi-Fi ........................................................................................ 5 1.2 Mobile data offloading tramite femtocell .................................................................................. 7 1.3 Mobile data offloading tramite IP flow mobility ....................................................................... 8 1.4 Valutare gli effetti ...................................................................................................................... 9 Capitolo 2: Tecniche per il mobile data offloading ........................................................................... 10 2.1 IP flow mobility ....................................................................................................................... 10 2.1.1 Soluzione client-based ...................................................................................................... 11 2.1.2 Soluzione network-based .................................................................................................. 14 2.1.3 IP flow mobility in architetture 3G/4G ............................................................................. 17 2.2 Local IP access ......................................................................................................................... 21 2.3 Selected IP traffic offload ........................................................................................................ 24 2.3.1 Selected IP traffic offload MACRO.................................................................................. 25 Conclusioni ........................................................................................................................................ 28 Bibliografia ........................................................................................................................................ 29 Introduzione Negli ultimi anni, il traffico dati sulle reti cellulari ha visto una crescita esponenziale, in particolar modo a seguito dell’enorme diffusione di smartphones, tablets e laptops. Questo incremento di traffico sulle reti cellulari ha spinto gli operatori di rete verso la ricerca di una soluzione in grado di ottimizzare le performances dei servizi offerti. L’obiettivo è quello di mantenere una certa qualità di servizio agli utenti e ridurre l’impatto sulla rete mobile di servizi che richiedono un gran numero di risorse. Mobile data offloading consiste nell’utilizzare tecnologie di rete complementari e tecniche innovative per trasferire dati originariamente destinati alle reti mobili/cellulari, in modo da alleviare la congestione e permettere un uso migliore delle risorse di rete disponibili. Ci si aspetta che il mobile data offloading diventi un segmento chiave nel prossimo futuro, considerando la continua e rapida crescita del traffico dati sulle reti mobili. Lo scopo di questo elaborato è quello di presentare alcune delle tecniche chiave nell’ambito del mobile data offloading; in particolar modo, dopo aver fornito una panoramica generale delle possibili soluzioni, verranno presentati nel dettaglio IP Flow Mobility, Selected IP Traffic Offload e Local IP Access. 4 Capitolo 1: Mobile data offloading Con il continuo incremento del consumo dati, le reti cellulari si trovano ad operare al limite delle loro capacità; per tale motivo, gli operatori sono alla continua ricerca di idee e strategie per evitare il sovraccarico delle proprie reti. Tra i metodi proposti, il mobile data offloading si presenta come una valida soluzione. Esso, basandosi su specifiche regole e condizioni, re-direziona in maniera intelligente una parte del traffico utente nella rete, con lo scopo di evitare un possibile sovraccarico e migliorare l’esperienza complessiva dell’utente. Ad oggi, molti operatori di reti mobili hanno volto la propria attenzione verso strategie di Mobile data offloading. Nei paragrafi successivi, sono mostrate tre delle soluzioni di maggiore diffusione. 1.1 Mobile data offloading tramite Wi-Fi Il Wi-Fi, confrontato con le convenzionali tecnologie di comunicazione mobile (UMTS, HSPA, LTE), fornisce elevati data-rates ma una copertura ed una mobilità limitate. Attualmente, ha subito una notevole evoluzione grazie alla diffusione delle reti Wi-Fi all’aperto. Questa tecnologia si presenta come un valido appoggio alle strategie di data offloading, dato che le funzionalità Wi-Fi sono integrate in tutti gli smartphone. Inoltre, nelle aree che presentano sovraccarico dal punto di vista dei servizi cellulare, un crescente numero di utenti ha scelto di utilizzare la rete Wi-Fi per accedere ai servizi Internet. In aggiunta, anche i service providers vedono nell’utilizzo del Wi-Fi una possibilità per espandere le proprie reti con costi meno elevati; questa tecnologia consente di spostare il 5 traffico dati dalle costose bande con licenza, alle bande prive di licenza e gratuite. Vi sono tre approcci principali che consentono agli operatori di rete mobile di scaricare traffico dati nelle reti Wi-Fi: network bypass o unmanaged data offloading, managed data offloading e integrated data offloading. Il primo consiste nello spostare il traffico dati verso la rete Wi-Fi ogni volta che gli utenti si trovano nel suo raggio di copertura, ed il tutto in maniera totalmente trasparente. Ovviamente, il vantaggio principale è quello di avere una soluzione che risulta essere di facile attuazione; l’operatore può pensare di realizzare questa strategia di offload dei dati semplicemente installando un applicazione sul telefono cellulare, che permetta lo spostamento sull’interfaccia Wi-Fi ogni volta che ne è individuata una copertura. Purtroppo, questa strategia presenta comunque degli svantaggi; in particolar modo, questi riguardano l’operatore che perde visibilità e, quindi, il controllo dei suoi abbonati ogni volta che questi si trovano in una rete Wi-Fi. Inoltre, perde la possibilità di inviare qualsiasi tipo di contenuto sottoscritto ai propri utenti. L’approccio managed data offloading è adottato dagli operatori che non vogliono perdere il controllo dei propri abbonati ed è realizzato, semplicemente, sfruttando un particolare gateway. Nonostante questa soluzione permetta di mantenere visibilità degli abbonati, gli operatori non sono ancora in grado di poter inviare loro contenuti sottoscritti. L’ultimo approccio prevede il pieno controllo dell’operatore sui propri utenti; ciò è realizzato attraverso una completa integrazione tra le reti cellulare e Wi-Fi, costituendo un ponte sul quale possa essere stabilito un flusso dati. Esistono due tipi di architetture che consentono di realizzare questo accoppiamento. Possiamo avere un accoppiamento lasco in cui le reti sono indipendenti e non vi è alcun bisogno di cooperazione tra le due; la rete Wi-Fi è connessa indirettamente a quella cellulare attraverso una rete IP esterna, come Internet. In alternativa vi è la possibilità di avere un accoppiamento forte, dove le due reti condividono un core comune e una buona parte delle funzioni di rete sono gestite in maniera centralizzata. Il Wi-Fi opera nella banda priva di licenza, quindi gli operatori hanno a disposizione un ampiezza di spettro maggiore; inoltre, è l’unica tecnologia in grado di raggiungere rate elevati, come 600 6 Mb/s. Un numero sempre crescente di operatori ha preso in considerazione la possibilità del WiFi offloading per alleviare la congestione della rete. L’accesso Wi-Fi è gratuito in molti luoghi pubblici e gran parte delle case e degli uffici possiedono, al giorno d’oggi, una rete Wi-Fi. Una possibile opzione è quella di spingere i propri abbonati verso l’uso di questa tecnologia, cosa che non presenta alcun tipo di problema considerando il gran numero di utenti che già la utilizza per usufruire di un servizio migliore; questo approccio alla realizzazione dell’offloading è il più semplice da mettere in atto, ma il meno efficiente. Un approccio efficace consiste nell’espansione, da parte dell’operatore, della propria rete d’accesso con hotspots di propria gestione; oppure, integrare la copertura delle macrocelle 3G con picocelle Wi-Fi nelle aree ad alta densità di utenti. Quest’ultimo approccio è quello che sta acquisendo maggiore popolarità. Tuttavia, per l’utente non è conveniente avere contemporaneamente attive sia l’interfaccia Wi-Fi che quella cellulare perché causa di un forte consumo di batteria, specialmente quando l’interfaccia Wi-Fi si trova in modalità idle. Inoltre, la rete non può forzare un dispositivo a spostarsi sull’interfaccia Wi-Fi; questo crea un problema per tutti quegli operatori che scelgono di implementare una soluzione di Wi-Fi offloading. Non da meno è il problema che deriva dalle interferenze generate sia dalle altre interfacce Wi-Fi, sia dalle interfacce non-Wi-Fi; per tale motivo, per creare un’effettiva soluzione di offloading devono essere utilizzate differenti tecnologie, quali beamforming, space-division multiple access e dynamic channel selection. Quindi, ad oggi, vi sono ancora alcune questioni da dover risolvere per poter immaginare una diffusione su larga scala di questa tecnica. 1.2 Mobile data offloading tramite femtocell Un alternativa al Wi-Fi è la femtocell; anche attraverso quest’ultima è possibile realizzare una strategia di mobile data offloading. La femtocell è una piccola base station cellulare, generalmente utilizzata in ambienti chiusi. Essa, permette di collegarsi alla rete di un operatore mobile via broadband e, allo stesso tempo, consente al service provider di estendere la copertura della rete ad ambienti interni, specialmente in quelle aree dove altrimenti la copertura sarebbe limitata; le femtocell consentono all’operatore di migliorare 7 la capacità e la copertura della propria rete. Utilizzare le femtocells per consentire il data offloading è una buona strategia. In primo luogo, è stato dimostrato che buona parte dell’uso dei dati mobili si ha in ufficio o in casa, ovvero nei luoghi in cui le femtocells sono generalmente utilizzate, e quindi l’operatore ha la possibilità di gestire il traffico, che presenta un carico pesante, attraverso quest’ultime; inoltre, le femtocell possono essere implementate facilmente. Quando un abbonato entra nella copertura della femtocell, l’user equipment (UE) automaticamente vi si associa e il traffico che prima fluiva tra la macrocell e l’UE, adesso, scorre tra la femtocell e la connessione broadband dell’abbonato. L’utilizzo delle femtocells consente di catturare tutte le tipologie di traffico, voce o dati, sia esso generato da un laptop che da uno smartphone; inoltre, non incide sul consumo della batteria del dato device. Tuttavia, tale tecnologia richiede un’attenta pianificazione perché opera nelle bande con licenza e con uno spettro limitato. La sfida maggiore nell’utilizzo delle femtocells è la gestione delle interferenze. L’implementazione di questa tecnologia introduce una rete a due livelli, che consente, quindi, di distinguere le interferenze in co-tier o cross-tier. Nel primo caso, una femtocell causa interferenza ad un'altra vicina. Nel secondo caso, la femtocell causa interferenza al downlink di un utente di una macrocella vicina; allo stesso modo, un utente può causare interferenza sull’uplink di una vicina femtocell. Quindi, come per il Wi-Fi, anche per le femtocells vi sono dei problemi da risolvere per poter usufruire a pieno della soluzione del mobile offloading. Esistono due principali tecniche basate sull’utilizzo di femtocell: Selected IP traffic offload e Local IP access. 1.3 Mobile data offloading tramite IP flow mobility IP flow mobility è una recente tecnologia che consente all’operatore di trasferire un singolo flusso dati ad un differente accesso radio, senza creare alcun problema alle comunicazioni in corso. Consideriamo un utente connesso ad una cellular base station alle 8 prese con una chiamata vocale e il download di un file, che entra nel raggio di copertura di una rete Wi-Fi. Il terminale, una volta rilevato l’accesso Wi-Fi, decide di spostare il download del file sulla rete Wi-Fi. Quando l’utente si allontana da questa zona di copertura, il download è nuovamente trasferito alla rete cellulare, senza alcuna perdita di continuità. IP flow mobility fornisce all’operatore una gestione del traffico migliore, che consente quindi di alleviare la congestione sulla rete; allo stesso tempo, l’utente può usufruire di una connessione ad elevata banda e un’esperienza migliore. Tale tecnica verrà approfondita nel capitolo successivo. 1.4 Valutare gli effetti Un quesito importante nell’ambito del mobile data offloading è come valutarne gli effetti. Per dare una risposta, possiamo considerare due punti di vista differenti : il punto di vista della rete (e quindi dell’operatore) e quello dell’utente. Dal punto di vista della rete, l’offload degli utenti dalla rete cellulare ha lo scopo di evitarne la congestione e migliorare le performance sia del servizio voce che di quello dati. L’effetto principale dovrebbe essere quello della riduzione del traffico che può essere valutata tramite differenti key performance indicators (KPIs), ad esempio comparando quello che è il carico sulla rete un’ora prima e dopo l’offloading. Inoltre, possono essere utilizzate metriche come l’offloading efficiency. Dal punto di vista dell’utente, l’offloading dovrebbe fornire un esperienza migliore; anche in questo caso possono essere utilizzati differenti KPIs che descrivono la qualità dell’esperienza (QoE) dell’utente. 9 Capitolo 2: Tecniche per il mobile data offloading 2.1 IP flow mobility IP Flow Mobility è una delle tecniche di offloading standardizzata dall’IETF. In particolare l’Internet Engineering Task Force si focalizza su due possibili approcci, uno client-based e l’altro network-based. Il primo estende quelle che sono le esistenti soluzioni al problema della mobilità a livello IP client-based, in cui il terminale utente risulta essere completamente coinvolto nel processo di mobilità ; il secondo, invece, è basato sulle soluzioni network-based per la mobilità a livello IP, caso in cui l’utente non risulta coinvolto. IP flow mobility è stata adottata dal Third Generation Partnership Project per il 3G offload. Consideriamo un utente equipaggiato con un telefono mobile dual-mode, che integra quindi 3G/4G e Wi-Fi, e che sia in grado di collegarsi alle reti disponibili simultaneamente o in maniera sequenziale ; l’utente connesso alla 3GPP base station può possedere più di un flusso dati simultaneamente, come una chiamata vocale e il download di un file. Quando l’utente si sposta e il terminale rileva la possibilità di accedere ad una WLAN, la rete o il terminale stesso può valutare la possibilità di effettuare un’operazione di offload, ad esempio spostando il download sulla rete d’accesso WLAN, in modo da alleviare la congestione nella rete 3GPP e fornire all’utente un download più veloce. 10 Quindi, lo scopo di questa tecnica è quello di fornire ad un operatore di rete la possibilità di spostare un flusso IP da una rete d’accesso ad un'altra differente, senza ovviamente perdere le altre connessioni attive. L’operatore può, quindi, avere un maggiore controllo della rete, potendo gestire al meglio utenti che presentano un carico molto elevato. Inoltre, ha la possibilità di attuare adeguate politiche di gestione dei servizi che variano al variare della tipologia di traffico, delle tariffe e dell’utente. Quest’ultimo, a sua volta, può fruire delle connessioni ad elevata banda in prossimità degli hotspots WLAN. In conclusione, l’obiettivo è quello di fornire all’utente una certa QoE (Quality of Experience). Ovviamente, non è conveniente attuare la tecnica del data offloading su una qualsiasi tipologia di traffico : re-direzionare il traffico introduce generalmente del ritardo dovuto alle fasi di elaborazione ed inoltro. Per tale motivo, IP flow mobility si propone come soluzione applicabile solo al traffico dati non sensibile ai ritardi. 2.1.1 Soluzione client-based La gestione della mobilità client-based coinvolge totalmente il terminale utente, basandosi su di una soluzione che pone al centro l’host. Introduce un mobility agent nella core network ed un mobility client nell’host. Questa soluzione fa uso di uno stack specializzato che è in grado di individuare, segnalare e reagire quando si verifica un cambiamento del punto di accesso alla rete. L’IETF ha standardizzato Dual Stack for Mobile IPv6 (DSMIPv6) per fornire supporto alla mobilità client-based. Dual Stack for Mobile IPv6 estende Mobile IPv6 (MIPv6) in modo da poter supportare scenari dual-stack IPv4/IPv6. MIPv6 permette ad un nodo mobile (Mobile node - MN), che si sposta dalla propria Home Network (HN) verso un'altra rete, di essere sempre raggiungibile. Per far sì che questo accada, è introdotto una specifica entità all’interno della HN chiamata Home Agent (HA) ; il nodo mobile è identificato da un indirizzo IP permanente, legato alla propria HN, chiamato Home Address (HoA) e da un indirizzo IP temporaneo, assegnatogli quando si allontana dalla propria rete e quindi legato alla nuova rete visitata, chiamato Care-of Address (CoA). Ogni qual volta il nodo 11 mobile si sposta, l’Home Agent deve essere informato ; infatti il compito dell’HA è quello di intercettare i pacchetti diretti al nodo mobile, quando questo si trova in una rete differente dalla HN, e indirizzarli verso la sua nuova posizione. A tale scopo, è costruito un tunnel IP bidirezionale che collega il nodo mobile all’HA. In alternativa, vi è la cosiddetta Routing Optimization (RO) che consente al nodo mobile di scambiare dati direttamente con i propri peers, chiamati Correspondent Nodes (CNs) senza che vi sia l’HA ad assumere il ruolo di intermediario ; in questo caso, il MN ha la possibilità di informare direttamente i suoi CNs riguardo la sua nuova posizione. Le funzionalità introdotte da DSMIPv6, in generale, danno la possibilità al nodo mobile di spostarsi tra reti d’accesso IPv6 e IPv4 ; prevede, quindi, la registrazione di indirizzi IPv4 e la possibilità di trasferire all’interno del canale costituito dall’HA sia pacchetti IPv4 che IPv6. I protocolli di base MIPv6 forniscono gli strumenti per collegare un HoA ad un singolo CoA, quindi questa soluzione fornisce un supporto veramente molto limitato al multihoming ; infatti, l’unico scenario in cui un nodo mobile può possedere più di un CoA contemporaneamente è il caso in cui il MN utilizza più di un HoA. Quindi, potendo associare ciascun indirizzo permanente ad un solo indirizzo temporaneo, non è prevista la possibilità di instradare differenti flussi di traffico a diversi Care-of Address e, allo stesso modo, non è possibile raggiungere il nodo mobile attraverso il suo Home Address facendo uso di diverse interfacce fisiche. IP flow mobility richiede la possibilità di registrare differenti CoA con lo stesso HoA ; per tale motivo, MIPv6 prevede l’estensione ‘Multiple Care-of Address Registration’, standardizzata dall’IETF in RFC 5648, che consente di ricevere traffico destinato allo stesso HoA attraverso differenti CoA. L’HA possiede una binding cache all’interno della quale conserva la corrispondenza che vi è tra l’HoA e il CoA del relativo nodo mobile ; l’estensione menzionata in precedenza fa sì che all’interno di questa cache si creino le relative entry che identificano le associazioni tra l’HA e i vari CoAs. Inoltre il messaggio Binding Update (BU) è modificato opportunamente in modo da contenere, oltre ad un CoA, un ID che identifichi 12 univocamente la binding entry, chiamato binding identification (BID) number. La RO, come specificato in precedenza, consente al nodo mobile di comunicare direttamente con i propri CNs, quindi in questo caso la registrazione dei differenti CoAs relativi al singolo HoA avviene presso i CNs. Prendiamo ad esempio il caso di un nodo mobile connesso contemporaneamente alle reti d’accesso WLAN e 3G ; in questo caso, il nodo mobile, grazie all’estensione introdotta da questo protocollo, potrà registrare presso l’HA i due CoA relativi alle due reti. Un ulteriore estensione a MIPv6 è ‘Flow Bindings in MIPv6 and Network Mobility (NEMO) Basic Support’, standardizzata in RFC 6088. Questa aggiunge, alla possibilità di collegare molteplici CoA ad un singolo HoA, la capacità di gestire simultaneamente tali associazioni. Consente di collegare uno o più flussi dati ad un determinato CoA ; a tal proposito, sono definite una serie di opzioni per permettere al MN di associare ad un CoA un particolare flusso IP, cui è anche assegnato un identificativo (Flow ID - FID). Queste associazioni sono contenute all’interno di una flow bindings cache, mantenuta dall’HA ; in particolare, vi sono specificati il BID, il FID, un traffic selector utilizzato per assegnare pacchetti ad un determinato flusso e una FID priority (FID-pri) ; una bassa FID-pri indica un’alta priorità. Questa cache è utilizzata per determinare l’entry cui inoltrare un pacchetto dati. L’HA (o il correspondent) all’arrivo di un pacchetto consulterà la binding cache per individuare il CoA cui i pacchetti di uno specifico flusso devono essere inviati. Inoltre, il MN deve essere in grado di instradare pacchetti in uscita attraverso differenti CoA. Ultima estensione per poter abilitare flow mobility è la definizione dei cosiddetti traffic selector, standardizzati in RFC 6089. Il traffic selector deve essere utilizzato congiuntamente all’estensione flow binding, descritta in precedenza, così che i vari flussi IP possano essere identificati sulla base di differenti criteri quali : source address, destination address, il valore dell’IPsec security parameter index (SPI), porto sorgente, porto destinazione, classe di traffico, o tipo del next header. L’uso delle estensioni IP flow mobility permette, per esempio, di definire quale percorso dati debba essere seguito dal traffico ricevuto/inviato dal/al Nodo mobile. 13 In aggiunta a queste estensioni, deve essere fornito ulteriore supporto per poter implementare IP flow mobility in una rete gestita da un operatore. Access Network Discovery and Selection Function (ANDSF) definita da 3GPP o Policy and Charging Control (PCC) possono essere utilizzati e/o estesi per questo scopo. FIGURA 1- DSMIPv6 & PMIPv6 2.1.2 Soluzione network-based Nella modalità network-based, la mobilità è gestita in maniera del tutto trasparente al terminale utente, è gestita dalla rete stessa. Quindi, ogni volta che il terminale si sposta cambiando il proprio punto di accesso alla rete, non dovrà preoccuparsi di effettuare alcun tipo di segnalazione. L’IETF ha standardizzato il protocollo ‘Proxy MIPv6’ per fornire supporto alla mobilità network-based. PMIPv6 è un protocollo di gestione della mobilità network-based. Quindi, i nodi mobili non sono coinvolti nella gestione della mobilità; in particolare, le operazioni di movement detection e di signaling sono di competenza del Mobile Access Gateway (MAG), una nuova entità funzionale introdotta nella rete e che generalmente risiede sul router utilizzato dal nodo mobile per l’accesso. Compito del MAG è quello di individuare un eventuale 14 spostamento del nodo mobile, attraverso l’utilizzo di operazioni standard, come router discovery e neighbor discovery. Una volta riconosciuto lo spostamento ed individuata la sua nuova posizione, il MAG coordina l’aggiornamento del routing state. L’area in cui è fornito il supporto alla mobilità prende il nome di Localized Mobility Domain (LMD) e all’interno di questa si possono trovare più di un MAG. In questo dominio, una nuova entità chiamata Local Mobility Anchor (LMA) assume il ruolo di HA ; il suo compito è quello di memorizzare gli indirizzi IP della Home Network relativi ai nodi mobili che si spostano all’interno dell’LMD. Il MN è ignaro del proprio spostamento, in quanto tra il LMA ed i MAG sono costituiti tunnel bidirezionali, permettendo al nodo mobile di mantenere l’IP originale anche se la sua posizione all’interno dell’LMD è cambiata. Quindi, L’LMD si assume l’onere di incanalare i pacchetti, diretti al dato nodo mobile, verso il MAG appropriato entro il dominio. Il protocollo PMIPv6 fornisce supporto al multihoming : il MN ha la possibilità di collegarsi alla rete utilizzando molteplici interfacce. Il LMA può assegnare a ciascuna interfaccia uno o più home network prefixes (HNPs) e per ognuno di questi collegamenti può creare una differente mobility session. PMIPv6 prevede che il LMA possa spostare l’intero set di HNPs associati ad una certa interfaccia ad un'altra, ma non consente di trasferirne un numero arbitrario e, tantomeno, un singolo flusso IP. Quindi, per poter fornire un supporto completo ad IP flow mobility, PMIPv6 deve essere esteso. Una serie di estensioni sono state standardizzate dall’ IETF NETEXT Working Group. Una prima estensione consente, proprio, di spostare flussi di dati selezionati da una tecnologia d’accesso ad un’altra. Flow mobility consente di stabilire connessioni simultanee nello stesso dominio PMIPv6 attraverso differenti interfacce. Utilizzare contemporaneamente molteplici collegamenti alla rete incrementa la complessità della soluzione. In primo luogo, per poter supportare l’utilizzo di flow mobility, il MN deve essere in grado di inviare e ricevere traffico a/da una qualsiasi delle sue interfaccia, cui vi è associato un particolare prefisso. L’IETF propone due meccanismi con lo scopo di fornire questa funzionalità : weak host model e il logical interface (LIF). In un nodo mobile che implementa weak host model, lo stack IP 15 accetta ciascun pacchetto, indifferentemente dall’interfaccia di rete sulla quale è stato ricevuto. Invece, LIF è un entità software che presenta una singola interfaccia verso lo stack IP, nascondendo le reali implementazioni fisiche dell’interfaccia. Quindi, lo stack IP collega le proprie sessioni a questa logical interface restando all’oscuro circa la reale interfaccia fisica che sta inviando o ricevendo il pacchetto dati. In questo modo, lo stack IP non è coinvolto nella gestione della mobilità ed è proprio questo l’obiettivo che PMIPv6 si pone di raggiungere. Per tale motivo l’IETF ha scelto di focalizzarsi sul concetto di LIF. La logical interface è un’entità software che consente al nodo mobile di configurarsi come un’unica interfaccia a livello IP e superiori. Attraverso questa interfaccia si ha la possibilità di stabilire una qualsiasi connessione remota. La LIF nasconde l’implementazione di diverse funzionalità, quali l’intertecnology handover, multihoming o flow mobility, mantenendo per i livelli superiori sempre lo stesso indirizzo IP (o set di indirizzi IP). Per poter implementare la LIF sono richiesti alcuni cambiamenti al lato client, ma questi andranno ad intaccare un unico componente che già risiede nei terminali mobili ; infatti, la LIF è comunemente implementata come parte del connection manager, che è responsabile della gestione e della configurazione automatica delle diverse interfacce di rete. In conclusione, l’implementazione della logical interface non ha alcun impatto sullo stack IP che resta nella sua configurazione standard. La LIF è implementata come un’entità logica che lega differenti interfacce fisiche (ad es. Wi-Fi e 3G) in un'unica interfaccia, utilizzata da IP e i livelli superiori ; la LIF nasconde a livello IP l’interfaccia fisica realmente utilizzata per inviare qualsiasi tipo di dato. Quindi, un eventuale spostamento di un particolare flusso di dati da un interfaccia ad un'altra è trasparente ad IP ed ai livelli superiori. Come detto in precedenza, utilizzare collegamenti alla rete simultanei incrementa la complessità. Attraverso l’uso del flow mobility, il nodo mobile ha la possibilità di ricevere qualsiasi tipo di traffico destinato a ciascuno dei suoi indirizzi IPv6, mediante ciascuna delle sue interfacce. Questo rappresenta un problema al livello dei MAG, i quali devono poter inoltrare qualsiasi pacchetto dati verso ciascun prefisso associato al dato nodo 16 mobile, anche se questo prefisso era stato assegnato da un altro MAG. Infatti, un MAG non inoltrerà traffico da/a un prefisso che non ha personalmente affidato al nodo mobile. L’IETF si propone di risolvere questo problema utilizzando un ulteriore scambio di messaggi, rispetto allo standard PMIPv6, in modo che i MAG possano essere configurati in maniera appropriata. In particolare, l’IETF si concentra su due scenari : ‘handover with full flow granularity’ e ‘partial handover‘. Il primo consiste nello spostamento di uno specifico flusso da un interfaccia ad un'altra, mentre il secondo nel trasferire totalmente il prefisso e tutte le comunicazioni che lo utilizzano verso un'altra interfaccia. Entrambi i casi mettono in evidenza lo stesso problema : il MAG deve conoscere i prefissi attraverso cui il nodo mobile sta ricevendo del traffico dati. Ogni volta che il LMA decide di spostare un data flow da un accesso ad un altro, ha inizio una procedura di signaling ; l’IETF ha definito nuovi messaggi che consentono al LMA di notificare al MAG il nuovo prefisso cui inoltrare. Se, quando si verifica lo spostamento, il MAG conosce già il nuovo prefisso, il LMA semplicemente sposta il flusso verso lo specifico MAG e, in questo caso, non è richiesta alcuna ulteriore segnalazione. Il mapping del flusso con il rispettivo MAG è specificato all’interno di una particolare struttura dati posseduta dal LMA, chiamata flow mobility cache. 2.1.3 IP flow mobility in architetture 3G/4G Il 3GPP SA2 WG ha definito quella che è l’architettura del sistema che fornisce il supporto a connessioni PDN attraverso differenti accessi radio, mediante l’utilizzo di dispositivi mobili che possiedono interfacce multiple. Ovvero, un’architettura che consente un utilizzo simultaneo di accessi radio 3GPP e non-3GPP. Un utente mobile è, quindi, in grado di ricevere ed inviare dati su di un canale cellulare 3GPP e, allo stesso tempo, può sfruttare reti non-3GPP, come il Wi-Fi. Consideriamo un utente connesso simultaneamente alla rete cellulare 3GPP e alla rete WiFi domestica ; il terminale utente può possedere differenti flussi dati che possono essere 17 instradati sia sull’una che sull’altra rete, sulla base di una politica decisa dall’operatore o dall’utente stesso. Inoltre, se l’utente si sposta dalla zona di copertura della rete Wi-Fi, il flusso IP su questo accesso radio è spostato verso l’accesso 3GPP per garantire la continuità del servizio. Se, in seguito, l’utente dovesse tornare nella rete domestica, il flusso dati può essere trasferito nuovamente sull’accesso Wi-Fi. La core network può, inoltre, implementare meccanismi per bilanciare il carico della rete e ottimizzare il traffico, re-direzionando determinati flussi IP verso una rete meno sovraccaricata o comunque verso quella che risulta essere la rete d’accesso più appropriata. Generalmente, un parametro cui si fa riferimento è la QoE (Quality of Experience). In altre parole, il nodo mobile deve essere in grado di sfruttare i diversi accessi radio per migliorare, qualora sia possibile, le sue performance; deve essere fornita continuità del servizio quando il nodo mobile si sposta su diversi accessi, flussi dati dovrebbero essere spostati da un accesso ad un altro in caso di perdita di connettività e cambiamenti nelle capacità dei differenti accessi, come ad esempio la congestione della rete, dovrebbero innescare il meccanismo del flow mobility. Per poter soddisfare questi requisiti, 3GPP considera le alternative descritte in precedenza: DSMIPv6 (soluzione client-based) e PMIPv6 (soluzione network-based). DSMIPv6 è stato adottato in 3GPP Release 10 per attuare l’offload dei dati, senza alcuna perdita di continuità. La 3GPP Evolved Packet Core (EPC) è in grado di interfacciarsi con reti d’accesso non-3GPP ; quest’ultime possono essere classificate in trusted network e non-trusted network. Le prime si connettono direttamente al PDN-GW, mentre le seconde si connettono al PDN-GW attraverso l’ePDG (evolved Packet Data Gateway) e sono soggette a controlli addizionali di sicurezza e autenticazione. Le interfacce EPC verso le reti d’accesso non-3GPP sono classificate in base al proprio modo di gestire la mobilità : S2a fa uso di meccanismi di gestione della mobilità trusted network-based, S2b fa uso di meccanismi non-trusted network-based e S2c fa uso di meccanismi trusted/non-trusted client-based. In questo caso, IP flow mobility, basato su DSMIPv6, coinvolge l’UE nella gestione del problema relativo alla mobilità per cui l’interfaccia che assume maggiore rilievo è S2c. 18 All’interno della rete d’accesso 3GPP, il ruolo dell’Home Agent è generalmente assunto dal PDN-GW. Quando l’UE si trova in una rete differente dalla propria Home Network invia i propri CoA, HoA e FID all’interno di un messaggio Binding Update (BU) diretto all’HA ; quest’ultimo conserva queste informazioni e risponde con un Binding Acknowledgement (BA). Questo scambio di informazioni è utilizzato per aggiungere/rimuovere flussi dati e gestire al meglio la mobilità. IP flow mobility offre la possibilità di scaricare flussi di dati selezionati, appartenenti alla stessa PDN connection, su di un accesso differente. In breve, prevede il supporto di un offload selettivo tra le reti d’accesso 3GPP e WLAN per flussi dati appartenenti ad una certa PDN connection e supporto alla procedura di handover tra Evolved Packet System (EPS) e sistemi WLAN, garantendo la continuità della sessione dati. FIGURA 2 - IP flow mobility La fig. 2 mostra attraverso un Message Sequence Chart un esempio di mobilità tra le reti d’accesso LTE e WLAN. Nello step 1, l’UE effettua il primo accesso sulla rete LTE dove viene settata la PDN Connection. L’UE e l’EPC si comunicano a vicenda la capacità di supportare IP flow mobility utilizzando Internet Key Exchange v2 (IKEv2) o il parametro Protocol Configuration Options (PCO) inserito nella procedura PDN Connectivity. Inoltre, l’UE comunica il proprio indirizzo IP (HoA) e l’Home Network Prefix (HNP) ; 19 quest’ultimo è utilizzato dall’UE per identificare se si trova nella Home Network o meno. La rete d’accesso 3GPP è sempre considerata la Home Network in IP flow mobility ; quindi, nel caso in cui è stabilita una connessione PDN nella rete d’accesso WLAN, l’UE invia un messaggio Binding Update per far sì che l’HA conosca il suo CoA. Nello step 2, l’UE si accorge di trovarsi all’interno della zona di copertura di una rete WLAN e si registra su di essa. L’UE individua l’HA della nuova rete e riceve un ulteriore indirizzo IP e il HNP. Valutando l’HNP, l’UE si accorge di essere su di un foreign link e invia un messaggio Binding Update all’HA con il suo CoA (l’indirizzo IP sulla WLAN), il FID e specifica che in quel determinato momento vi sono due collegamenti attivi, uno con l’HoA ed un altro con il CoA. L’HA mappa il CoA con il rispettivo HoA e invia un Binding Acknowledgement. A questo punto, l’UE possiede due flussi di dati attivi, rispettivamente sulla rete WLAN e quella LTE, all’interno della stessa connessione PDN. Nello step 3, si fa riferimento all’effettivo funzionamento di IP flow mobility all’interno di una connessione PDN. Stabilito il collegamento con entrambe le reti, è possibile aggiungere, modificare ed eliminare flussi dati a seconda di ciò che la situazione richiede. E’ sempre l’UE a richiedere un’operazione di aggiunta, modifica o cancellazione di un flusso, ma le modifiche richieste da tali azioni possono essere attuate sia dall’UE che dalla rete stessa. L’UE dà il via a queste operazioni inviando un BU con una nuova regola di routing, sulla cui base assegnare un particolare flusso di traffico (FID) ad un altro accesso (BID). Una volta effettuate tutte le modifiche e aggiornati tutti i collegamenti, l’HA risponde con un BA. IP flow mobility può essere configurato dinamicamente dall’operatore di rete utilizzando meccanismi come Access Network Discovery and Selection Functions (ANDSF), oppure in maniera statica attraverso una pre-configurazione. ANDSF è un metodo utilizzato dai service provider per direzionare in maniera ottimale il traffico, fornendo politiche di routing inter-sistema per ciascun APN utilizzato sul terminale. 3GPP Release 10 definisce l’uso di ANSDF per DSMIPv6 in associazione con un traffic selector su di una certa rete d’accesso. Ovviamente, nel caso di IP flow mobility lo stesso APN è configurato contemporaneamente su LTE e Wi-Fi. 20 2.2 Local IP access Local IP access è stato introdotto nella 3GPP Release 9 e successivamente ripresa nelle Release 10 e 11. LIPA consente ad un UE connesso ad un H(e)NB (Home node B o Home enode B) di trasferire dati verso una rete locale connessa allo stesso H(e)NB, senza dover attraversare la rete macro-cellulare. Inoltre, offre la possibilità di accedere ad una qualsiasi rete esterna purché sia connessa alla rete locale. Local IP access può essere utilizzato solo per H(e)NB access, non per macrocell access e solo sulle reti private. FIGURA 3 – Architettura Local IP Access Consideriamo una rete aziendale all’interno della quale più dispositivi hanno necessità di comunicare tra loro e di connettersi ad internet. La rete è implementata utilizzando un femtocell gateway ed uno privato, cui sono connessi tutti questi dispositivi. LIPA permette di gestire questa comunicazione interna tra i vari device attraverso il gateway privato. Il flusso dati di una connessione LIPA non deve coinvolgere alcun elemento della cellular network, ma deve attraversare la rete privata e giungere agli altri dispositivi che si trovano all’interno di questa ; oppure, se esiste una connessione ad una rete esterna, il percorso dei dati potrà terminare anche nella rete internet pubblica. Inoltre, L’UE è in grado, utilizzando Local IP access, di effettuare accessi simultanei : può accedere alla rete 21 privata, attraverso la connessione LIPA, e alla rete pubblica, tramite la cellular core network. Nell’architettura LIPA definita da 3GPP possiamo trovare una nuova ed importante funzionalità rappresentata dal cosiddetto Local Gateway (L-GW) ; Si tratta essenzialmente di un Packet Data Network- Gateway (PDN-GW), quindi implementa funzionalità quali l’allocazione dell’indirizzo IP per l’UE e packet filtering. Il L-GW è co-locato con l’H(e)NB ed è, quindi, connesso con i dispositivi della rete privata e con la rete pubblica attraverso l’interfaccia SGi. Inoltre, comunica con il macro Serving-Gateway (S-GW) attraverso S5. La macro core network è responsabile dello scambio di messaggi per la registrazione e delle procedure richieste per poter settare la connessione LIPA. Quando quest’ultima è attiva, sarà compito del L-GW implementare il data path. Ovviamente, una volta stabilita la connessione LIPA, l’UE potrà ancora interagire con la macro core network, utilizzando connessioni PDN differenti ; l’utilizzo di un'unica connessione PDN per LIPA consente di gestire in maniera differente il relativo flusso dati. L’Home Subscriber Server (HSS) è modificato per includere le informazioni relative alla sottoscrizione LIPA. In particolare, deve essere specificato se un particolare APN è accessibile attraverso LIPA all’interno di un particolare CSG ID (Closed Subscriber Group ID) ; in caso di roaming, deve essere mantenuta una lista dei PLMN su cui l’UE può utilizzare LIPA ; ed infine, devono essere fornite le autorizzazioni LIPA, che specificano se quel determinato APN è destinato solo ad accessi LIPA, se l’accesso LIPA è proibito sul dato APN, o se è opzionale. La funzione di selezione del Local Gateway è simile a quella del PDN Gateway all’interno della macro network, ovviamente questa selezione dovrà tenere in conto anche la sottoscrizione LIPA. Generalmente, l’H(e)NB invia, durante la procedura di connessione PDN, l’indirizzo IP del L-GW alla Mobile Management Entity (MME). La MME controlla con l’HSS se quel particolare L-GW può essere selezionato dall’UE ed in caso affermativo invia l’indirizzo del L-GW al S-GW (Serving Gateway); Se nel HSS è settata l’opzione ‘LIPA only’, l’H(e)NB deve sempre fornire l’APN, se è settata l’opzione ‘LIPA conditional’ e non è 22 specificato alcun APN dall’H(e)NB, l’MME è libero di scegliere un altro PDN gateway per effettuare una connessione PDN non-LIPA. Nella fig. 4 è mostrato il settaggio della connessione LIPA e la costituzione del data path. L’UE invia un messaggio PDN Connectivity Request con lo specifico APN per LIPA; l’H(e)NB aggiunge a questo messaggio l’indirizzo IP del L-GW. Alla ricezione, l’MME controlla nell’HSS la sottoscrizione dell’UE per determinare se quest’ultimo possiede il FIGURA 4 – PDN Connection & Data path setup permesso di accedere a quel particolare APN per LIPA; inoltre controlla anche le autorizzazioni LIPA prima di selezionare il L-GW. Una volta selezionato il L-GW, il suo indirizzo è comunicato al S-GW nel messaggio Create Session Request ; il S-GW utilizza l’indirizzo del L-GW per poter richiedere la creazione di un EPS (Evolved Packet System) Bearer attraverso il quale i due gateway possono comunicare. Il L-GW risponde con un Create Session Response inserendo un indirizzo PDN per l’UE e il L-GW TEID (Tunnel Endpoint ID). Questo crea 23 l’associazione tra L-GW, S-GW ed MME per l’interazione dati. Alla fine, l’MME stabilisce il canale di default con l’UE, utilizzando l’APN LIPA e al termine di questa operazione si ottiene quello che è il data-path tra l’UE, il L-GW e tutti gli altri dispositivi o reti connesse a quest’ultimo. Una volta stabilita la connessione PDN, le funzioni di upload e download dei dati proseguono seguendo le regolari procedure descritte in 3GPP. Un pacchetto dati UL innesca l’invio di una Service Request dall’UE all’ MME; quest’ultimo invia un Initial Context Setup Request contenente il L-GW TEID al H(e)NB; quest’ultimo utilizza questo parametro principalmente per mappare l’RB (Radio Bearer) ID e creare il tunnel diretto con il L-GW per il percorso dati. Nel caso di un pacchetto dati DL, la ricezione da parte del L-GW scatena l’invio di un pacchetto di prova al S-GW; quest’ultimo invia un DL Data Notification Message al MME e l’MME convoca l’UE. L’UE risponde con una Service Request e la procedura, da questo punto in poi, è simile a quella del caso UL. Non ci sono molte differenze per quanto riguarda la procedura di Connection Release. Se la richiesta di rilascio della connessione proviene dalla macro connection e l’UE sta per assumere lo stato Idle, l’H(e)NB informa il L-GW. Fino a questo momento, non è ancora stata definita una tecnica che consenta di ottenere una continuità nella connessione LIPA a seguito della mobilità; la connessione LIPA è infatti rilasciata ogni qual volta l’UE si sposta al di fuori della copertura dell’H(e)NB. 2.3 Selected IP traffic offload SIPTO è una tecnica introdotto nella 3GPP Release 10, che consente di scaricare una parte del traffico IP verso una rete locale, in modo da ridurre il carico sul sistema. La rete di destinazione può essere un H(e)NB o un altro gateway nella rete cellulare che deve essere vicino all’UE. SIPTO può essere utilizzato a seguito di uno spostamento dell’UE (quindi nell’ambito della mobilità), oppure in caso di congestione della rete. Un operatore che copre una certa area può pensare di scaricare tutto il traffico internet di quell’area verso un 24 gateway locale; in questo modo si può facilmente evitare una potenziale condizione di sovraccarico della rete e gli utenti potranno usufruire di migliori prestazioni. 3GPP definisce due differenti architetture che si basano sul punto di breakout ; in questo contesto, questo punto individua il luogo in cui avviene il data offloading. Il breakout può avvenire a livello delle reti private (caso femto SIPTO) o a livello RAN (casi femto e macro SIPTO). Selected IP traffic offload è, quindi, definito sia per macrocell che per femtocell ; in entrambi i casi, l’accesso e il rilascio delle funzionalità SIPTO può essere dinamicamente controllato attraverso molteplici meccanismi dall’operatore mobile, l’H(e)NB e l’UE ; SIPTO può essere attivato senza l’intervento di alcun utente. Inoltre, la continuità del servizio dati durante lo spostamento tra macro e micro networks o all’interno della stessa macro network è gestito utilizzando le normali procedure definite da 3GPP. Infine, SIPTO deve essere supportato mentre l’UE è in roaming; per far sì che ciò accada, deve essere garantito uno scambio di informazioni tra la Home Public Landline and Mobile Network (HPLMN) e la Visited Public Landline and Mobile Network (VPLMN). Ovviamente, il requisito fondamentale che permette il funzionamento di SIPTO, nel caso femtocell, è quello di utilizzare il meccanismo del data offloading senza utilizzare alcun elemento della rete macro cellulare. 2.3.1 Selected IP traffic offload MACRO SIPTO, operante nelle macrocell, consente di scaricare traffico PS (packet switched) selezionato verso una particolare rete IP ; questo implica la possibilità di scaricare particolari flussi di dati, mentre contemporaneamente altri proseguono con il loro normale corso. Inoltre, per gestire meglio l’operazione di offload, l’operatore può pensare di abilitare/disabilitare SIPTO solo in determinate zone della rete. L’idea base di Selected IP traffic offload è quella di selezionare un S-GW e un PDN-GW topologicamente vicini alla rete radio (4G e 3G) e alla MME e di utilizzarli per scaricare dati. Il Local PDN-GW è un normale PDN-GW, con l’unica variante di essere il più vicino alla RAN. 25 FIGURA 5 – SIPTO macro L’HSS contiene la lista dei dati APN sui quali SIPTO è supportato ; inoltre, questa informazione è contenuta anche tra i dati della MME. Se SIPTO è supportato per quel particolare APN, la selezione del S-GW e del PDN-GW, per stabilire una PDN connection verso il relativo APN, include lo scambio di informazioni relative alla posizione, come ad esempio il Tracking Area Identify (TAI). I gateway sono selezionati sia nel momento in cui è stabilita la connessione PDN iniziale, sia successivamente a seguito di spostamenti. A tal proposito, procedure come PDN Disconnect, EPS Bearer Deactivation o EPS Detach sono utilizzate per assicurare che la MME possa selezionare gateway che rispecchino i requisiti richiesti da SIPTO. La fig. 6 mostra la tecnica SIPTO data offload. Nello scenario 1 è stabilita la connessione PDN; la MME riceve una PDN Connectivity Request al cui interno è contenuto un APN e una volta controllato che questo sia in grado di supportare SIPTO, sono scelti il S-GW e il PDN- GW più vicini alla posizione dell’UE. Nello scenario 2, durante un Tracking Area Update (TAU) / Routing Area Update (RAU), se la rete determina che i flussi dati associati ad una specifica PDN hanno bisogno di essere scaricati su di un set di Gateways più vicini, la relativa connessione PDN può essere terminata per poi essere successivamente riattivata. In alternativa, la MME può disattivare un canale EPS in una particolare connessione PDN definendo un particolare valore per poterne innescare la 26 FIGURA 6 – SIPTO data offload riattivazione. Nello scenario 3 è preso in considerazione il caso in cui l’UE cambia la sua area di registrazione; se tutte le connessioni PDN attive verso la MME supportano SIPTO, può essere effettuata una riselezione dei gateway. La MME sceglie, allora, di disconnettere l’UE e tutte le relative connessioni; successivamente, al momento di ristabilire la connessione PDN, la MME sceglierà nuovamente quelli che sono i gateway più vicini a sé stesso. 27 Conclusioni I tre meccanismi sopra descritti forniscono una soluzione per il data offloading, presentando tuttavia alcune differenze. Possiamo individuare quelli che sono gli aspetti positivi e quelli negativi di ciascuna di queste tecnologie. Local IP Access si presenta come una soluzione ben definita per le reti locali, ma non applicabile alle macro networks. Selected IP traffic offload è applicabile sia su macro che femto celle ed ha un impatto minimo; sfortunatamente, questa tecnica non fornisce alcun supporto alla congestione radio. Ed infine, IP flow mobility risolve il problema sia della congestione radio che della core network, ma necessita del supporto di una rete d’accesso non 3GPP e risulta più complicata da implementare. Questi meccanismi sono sottoposti a continui processi di ottimizzazione. Con l’incremento dei data-rates e dell’utilizzo dei mobile data, l’importanza dei meccanismi di offloading è in continua crescita e lo sarà soprattutto nei prossimi anni, assumendo quindi un ruolo chiave. Ci si aspetta che i service provider adotteranno un sempre più ampio numero di strategie per riuscire a gestire al meglio quello che può essere definito come uno ‘tsunami’ del traffico dati sulle proprie reti. 28 Bibliografia [1] Adnan Aijaz, Hamid Aghvami, and Mojdeh Amani, King’s College London, “A Survey on Mobile Data Offloading: Technical and Business Perspectives”, IEEE Wireless Communications, April 2013. [2] C.B. Sankaran, Motorola Mobility India, “Data Offloading Techniques in 3GPP Rel-10 Networks: A tutorial”, IEEE Communications Magazine, June 2012. [3] Antonio De la Oliva, Carlos J. Bernardos, and Maria Calderon, Universidad Carlos III de Madrid, Telemaco Melia, Alcatel-Lucent Bell Labs, Juan Carlos Zuniga, InterDigital LLC, “IP Flow Mobility: Smart Traffic Offload for Future Wireless Networks”, IEEE Communications Magazine, October 2011. [4] “Mobile IPv6 Support for Dual Stack Hosts and Routers”, https://tools.ietf.org/html/rfc5555 [5] “Proxy Mobile IPv6”, https://tools.ietf.org/html/rfc5213 [6] 3GPP TS 22.220 v11.2.0, Service requirements for Home Node B (HNB) and Home eNode B (HeNB) Release 11. [7] 3GPP TR 23.829 v10.0.0, Local IP Access and Selected IP Traffic Offload (LIPA- SIPTO) (Release 10). 29