mobile ipv6 performance in 802.11 networks: handover ... 05-06/hautala_160306.pdfoptimizing 802.11...

27
Mobile IPv6 performance in 802.11 networks: handover optimizations on the link and network layer Mikko Hautala [email protected] 16.03.2006 SupervisorProfessor Jörg Ott, Networking laboratory InstructorLic.Tech. Markus Peuhkuri, Networking laboratory LaTe project, Networking laboratory, TKK

Upload: others

Post on 25-Jan-2021

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • Mobile IPv6 performance in 802.11 networks: handover optimizations on the link and network layer

    Mikko [email protected]

    Supervisor:   Professor Jörg Ott, Networking laboratoryInstructor:    Lic.Tech. Markus Peuhkuri, Networking laboratory

    LaTe project, Networking laboratory, TKK

  • Presentation outline● Introduction

    Background Research problem Objectives and methods 802.11 wireless access network

    ● Handover optimization  Link layer (L2) handovers of 802.11 Network layer (L3) handovers of Mobile IPv6 

    ● Experimental results Simulator framework Handover delay measurements  Signaling traffic measurements 

    ● Conclusion

  • Background

    ● LaTe project is about the feasibility of common standards based wireless networks in military use – IEEE 802.11 (WiFi) and 802.16 (WiMAX)

    ● Wireless networks are a cost effective, flexible and fast to deploy alternative for fixed networks

    ● Tolerable against physical harming but vulnerable to jamming

    ● Mobile IPv6 can provide the needed wide area mobility support

  • Research problem

    ● Both the 802.11 link layer and the Mobile IPv6 network layer handovers are inefficient

    ● This hurts realtime applications like VoIP, but throughput sensitive applications using TCP can suffer too

    ● We study both the link and network layer optimization mechanisms 

  • Objectives and methods used

    Objectives● What is the expected 

    performance of already existing optimization mechanisms ?

    ● Can some of these mechanisms provide seamless handover performance ?

    Methods used● In the literature part, we 

    conduct a survey of various optimization mechanisms

    ● In the experimental part, the most promising methods are studied using simulation

  • 802.11 wireless access network

    AR: Access Router     BG: Border GatewayAP: Access Point        MN: Mobile Node

    Core

    Access Network 2

    Internet

    Access Network 3

    Access Network 1

    BG

    R

    AR AR AR AR

    AR

    R

    AP's

    ● 802.11 supports combining multiple APs ● Broadcast traffic sets bounds for the size of a single subnet● Common IP equipment is used to combine these subnets

  • Handover scenarios in the access network

    ● Handover can be L2 only (1.) 

    ● Or both L2 and L3 (2. and 3.)

    ● Handover between two domains (3.)

    AR: Access Router     BG: Border GatewayAP: Access Point        MN: Mobile Node

    1. 2. 3.

    AR

    BG

    Core

    MN

    APs

    BG

    AR AR AR

  • Presentation outline● Introduction

    Background Research problem Objectives and methods 802.11 wireless access network

    ● Handover optimization  Link layer (L2) handovers of 802.11 Network layer (L3) handovers of Mobile IPv6 

    ● Experimental results Simulator framework Handover delay measurements  Signaling traffic measurements 

    ● Conclusion

  • Basic 802.11 link layer handover

    ● Scanning is dominating:90% of the delay

    ● Delay ~ 50420 ms, when there is a single station

    ● Could be as high as ~8 seconds, when multiple stations 

    Scanning  Probe request

      Probe request

    STA All AP's

    New APAuthentication Auth. request

    Reassociation 

                 Probe re

    sponses

                 Probe re

    sponses

         Auth. response  

    Reassoc. request

        Reassoc. response 

     

  • Optimizing 802.11 handover

    ● Focus in optimizing the scanning delay– Proactive scanning seems to be the best approach

    ● SyncScan:– A station switches between channels in parallel to data 

    communications to catch the beacon frames 

    – Requires synchronization of the APs and stations  

    ● MultiScan:– Two radios: one for data communications and the other 

    for constantly scanning nearby access points

    – Requires changes only to the client side

  • Mobile IPv6 protocol (RFC 3775)

    ● Mobile Node has a home address and a careofaddress

    ● In reverse tunneling (1.), Home Agent captures  and tunnels packets for the MN

    ● Using route optimization (2.), packets are sent directly 

    ● Mobile Node updates its location with binding updates to HA and to CNs

    ARIPv6 Network

    AR    1. Reverse tunneling

    Home Agent

    IPv6 in I

    Pv6 

    encapsul

    ation 

    Mobile Node

    2. R

    oute

     opt

    imiz

    atio

    n

    Correspondent Node

    Home Link

    Foreign Link

    Home Address

    Care of Address

  • Basic Mobile IPv6 handover

    ● Contributions to the delay: 1. Movement detection

    2. New careofaddress (CoA) configuration

    3. Binding update (BU)

    ●  1. and 2. depend on the Neighbor Discovery protocol, which has inefficiencies

    ● Binding update latency depends on the delay between the MN and HA (or MN and CN if route optimization)

  • Optimizing the Mobile IPv6 handover (1/3)

    Simple mechanisms:● LinkUP trigger from the link layer

    – Helps detecting movement (trigger to send router solicitation)

    ●  Fast Router Advertisements (Fast RA)– Fast reply to a router solicitation

    ● Optimistic Duplicate Address Discovery (ODAD)– Avoids the costly DAD mechanism

  • Optimizing the Mobile IPv6 handover (2/3) 

    Fast handovers for MIPv6 (RFC 4068):● Prefix discovery and tunneling

    ● Tunnel setup is either predictive or reactive

    ● In predictive handover, the L3 handover is nearly eliminated

    ● Prefix discovery requires that  nearby APs are detected before handover is conducted 

    PAR: Previous Access Router    NAR: New Access RouterMN: Mobile NodeCN: Correspondent NodeAP: Access Point

                                 Bidirectional tunnel NAR

    MNOld AP

    CN

    New AP

    PAR

  • Optimizing the Mobile IPv6 handover (3/3) 

    Hierarchical MIPv6 (RFC 4140):● Mobility Anchor Point (MAP) 

    is basically a local HA

    ● In local handovers: send binding updates only to the MAP

    ● Mainly reduces signaling, but the BU latency is reduced also

    MAP: Mobility Anchor Point     HA: Home AgentMN: Mobile NodeCN: Correspondent Node

     Administrative domain  

    Mobility anchor point(MAP) 

    AR AR AR

    HAAccess routers

    Domain routers

    IPv6 Network

    CN

    MN

  • Presentation outline● Introduction

    Background Research problem Objectives and methods 802.11 wireless access network

    ● Handover optimization  Link layer (L2) handovers of 802.11 Network layer (L3) handovers of Mobile IPv6 

    ● Experimental results Simulator framework Handover delay measurements  Signaling traffic measurements 

    ● Conclusion

  • The simulation experiments

    ● OmNet++ simulator was used● IPv6 / Mobile IPv6 support provided by the 

    “IPv6Suite” extension● We implemented the FMIPv6 protocol to the 

    simulator● We conducted measurements for handover delay 

    and for the signaling traffic 

  • Simulation network

    ● The bottleneck link: 2 Mbit/s link with a 100 ms delay

    ● All other links: 1 Gbit/s  links with a 5 ms delay

    MN moves back and forth

    bottleneck link

  • Handover delay measurements (1/3)

    ● Network layer optimizations studied:– Basic MIPv6 and HMIPv6 – reactive and predictive FMIPv6  – a combination of LinkUP trigger, Fast RA and ODAD 

    ● On the link layer, we studied the basic mechanism and the “MultiScan” optimization (two radios)

    ●  9 different scenarios overall● We used different random seeds and calculated the 

    averages and standard deviations

  • Handover delay measurements (2/3)

    1.a 1.b 1.c 1.d 1.e0

    0.25

    0.5

    0.75

    1

    1.25

    1.5

    1.75

    2

    2.25

    2.5

    2.75

    scenario

    handover

    dela

    y (

    s)

    Scenarios using basic 802.11:

    1.a) MIPv6

    1.b) HMIPv6

    1.c) LinkUP, Fast RA andODAD

    1.d) FMIPv6 fully reactive (only temporary tunnel)

    1.e) FMIPv6 fully reactive  with LinkUP, Fast RA andODAD

    Average handover delay

  • Handover delay measurements (3/3)

    Scenarios using MultiScan:

    2.a) MIPv6

    2.b) LinkUP, Fast RA and       ODAD

    2.c) FMIPv6 reactive

    2.d) FMIPv6 predictive

    2.a 2.b 2.c 2.d 0

    0.25

    0.5

    0.75

    1

    1.25

    1.5

    1.75

    2

    2.25

    2.5

    2.75

    scenario

    han

    dover

    dela

    y (

    s)

    Average handover delay

  • Signaling traffic measurements (1/3)

    ● The same network topology was used, but with 20 mobile nodes

    ● Similar movement pattern and speeds were used in each scenario – Each MN had a handover rate of ~1.9 handovers per 

    minute 

    ● We studied single runs of 600 seconds – Hence, results are only indicative

    ● We compared basic MIPv6 and HMIPv6 to both reactive and predictive FMIPv6 handovers

  • mipv6 hmipv6 fmipv6 predictive

    fmipv6 reactive

    0255075

    100125150175200225250275300325

    Home Agent

    in

    out

    mechanism

    thro

    ughp

    ut (b

    it/s)

    Signaling traffic measurements (2/3)

    Global signaling:● For HMIPv6, no global 

    signaling

    ● For MIPv6 and FMIPv6, quite the same loads,as excepted

    ● Overall, the signaling loads were quite modest (around 200 – 300 bit/s)

  • Signaling traffic measurements (3/3)

    Local signaling:● In HMIPv6, the router 

    advertisements (MAP option) increase signaling at MAP

    ● FMIPv6 slightly  increases local signaling 

    ● No large differences between the reactive and predictive FMIPv6

    mipv6 hmipv6 fmipv6 predictive

    fmipv6 reactive

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    700

    800

    Access Routers

    in

    out

    mechanism

    thro

    ughp

    ut (b

    it/s)

    mipv6 hmipv6 fmipv6 predictive

    fmipv6 reactive

    0

    250

    500

    750

    1000

    1250

    1500

    1750

    2000

    2250

    Border Gateway (MAP)

    in

    out

    mechanism

    thro

    ughp

    ut (b

    it/s)

  • Conclusions● Movement detection is the most critical part in 

    MIPv6 handovers– Hence, reducing the BU latency only, is not that 

    rewarding  (HMIPv6, FMIPv6 fully reactive)

    ● FMIPv6 can achieve seamless handovers– Requires a link layer optimization

    ● Quite good performance is gained with simple modifications only to the client side – LinkUP, Fast RA, ODAD

    ● Signaling loads of all the network layer mechanisms were quite modest

  • Possibilities for future work

    ● Develop our FMIPv6 model to support cooperation with HMIPv6

    ● More extensive signaling load measurements using different number of mobile nodes, different handover speeds and network topologies 

    ● Implement FMIPv6 and the needed link layer optimization in practice– Mobile IPv6 for Linux (MIPL) project sources could 

    provide a starting point 

  • Thank you !

    ● Any questions / comments ?