Performance evaluation and improvement of the mobile internet protocol: a study of hand-offs, transport layer performance and flow mobility

TCP/IP was originally designed without any onsiderations for mobile omputing. The greatest te hni al di ulties are en ountered in the routing servi e of the IP layer. Mobile IP is an enhan ement to the IP proto ol whi h allows for transparent routing of tra to mobile nodes in the Internet. In this manner, mobile nodes may vary their point of atta hment between Internet administrative domains without having to interrupt a tive ommuni ations. Mobile IP introdu es several overheads in luding extended pa ket loss during Mobile IP/IP layer hand-o s. Moreover, Mobile IP was designed fo using on mobile nodes equipped with a single a ess interfa e, apable of maintaining a single point of atta hment to the Internet. This thesis fo uses on evaluating and improving the performan e of Mobile IP and of other proto ols in onjun tion with Mobile IP. Di erent types of Mobile IP hand-o s have been investigated. It was determined that all standardised Mobile IP hand-o te hniques introdu e a servi e disruption una eptable for real time ommuni ations su h as Internet telephony or for le transfer and WWW. In an e ort to a elerate Mobile IP hand-o s, new hand-o types were introdu ed and proposals were made regarding the hierar hi al organisation of Mobile IP infrastru ture. It was shown that TCP, the primary and reliable, transport layer proto ols of TCP/IP, misinterprets all pa ket loss experien ed during Mobile IP hand-o s as the e e t of network ongestion and urtails the amount of o ered load to the onne tion every time that a mobile node migrates. New proto ol extensions were proposed and evaluated, aiming at resolving the in ompatibilities between TCP and Mobile IP. The thesis demonstrates how Mobile IP an be deployed to introdu e Internet mobility management fa ilities to WAP, the industrial de fa to standard for Internet a ess to mobile phones. The demonstration involves a migration s enario between two heterogeneous wireless te hnologies, i.e. Wireless LANs and GSM. It was shown that Mobile IP inherits the inter onne ting property of the Internet Proto ol. In this manner, the problem of integrating heterogeneous proto ols, above and below it, is redu ed into a matter of routing. Considering the ever in reasing availability of mobile devi es equipped with multiple wireless a ess interfa es the inability of Mobile IP to take advantage e iently of this property was onsidered a major drawba k. A signi ant part of this thesis is devoted to the introdu tion of ow mobility management fa ilities that allow for dynami distribution of ows or parts of a ow (datagrams) between the available interfa es in mid-session. Through extensive experimental evaluation it was shown that both data and tele ommuni ations servi es an bene t from this approa h. KURZFASSUNG TCP/IP wurde ursprungli h ohne jegli he Abwägung für den mobilen Betrieb konstruiert. Die gröÿten te hnis hen S hwierigkeiten betre en die Routing Funktionalität der IP-S hi ht . Mobile IP ist eine Erweiterung des IP Protokols, wel he das transparente Routing von Datenverkehr für mobile Knoten im Internet erlaubt. Auf dieser Weise können mobile Knoten ihren Ans hlusspunkt zwis hen Internet Verwaltungsdomänen we hseln, ohne dabei ihre Kommunikation zu unterbre hen. Mobile IP verursa ht Verwaltungsaufwand (wie z.B. einen gröÿeren Paketverlusst) während einer Übergabe auf Mobile IP/IP Ebene. Weiterhin, wurde Mobile IP mit fokus auf mobilen Knoten konstruiert, wel he mit einer einzigen Netzwerks hnittstelle ausgerüstet sind, und demzufolge einen einzigen Internetans hluÿ unterhalten können. Diese Dissertation fokusiert auf die Bewertung und Verbesserung der Leistung von Mobile IP, wie au h von anderen Protokollen im Mobile IP Umfeld. Unters hiedli he Typen von Mobile IP Übergaben wurden untersu ht. Es wurde festgestellt, dass alle standarisierten Mobile IP Übergabemethoden eine für E htzeitkommunikation (z.B. wie z.B. Internet Telefonie, Dateien Übertragung und WWW Nutzung.) unakzetable Dienstunterbre hung verursa hen. Der Versu h Mobile IP Übergaben zu bes hleunigen, hat zu neuen Übergabemethoden, sowie Ansätzen zur hierar his hen Organisation der Mobile IP Infrastruktur geführt. Es zeigte si h, dass TCP (das primäre, Transport-S hi ht TCP/IP Protokol für zuverlässige Kommunikation) Pa ketverlusste während einer Mobile IP Übergabe als das Resultat einer Stauung der Pakete misinterpretiert, und somit den angebottenen Verkehr bei jeder Übergabe des mobillen Knoten reduziert. Neue Protokolerweiterungen wel he Inkompatibilietäten zwis hen Mobile IP und TCP beheben sollen, wurden vorges hagen und bewertet Unter Bea htung der immer gröÿeren Verfügbarkeit von mobillen Geräten ausgerüstet mit mehrfa hen Funkzugangss hnittstellen, wird die une ziente Unterstützung von mehfa hen S hnittstellen dur h Mobile IP als groÿer Na hteil betra htet. Ein erhebli her Teil dieser Dissertation ist der Einführung von Flussmobilititätsfunktionalität zur dynamis hen Verteillung von ganzen Flüssen oder Flussabs hnitten (datagrammen) zwis hen verfügbaren S hnittstellen während einer Sitzung gewidmet. Dur h ausgedähnte experimentelle Bewertung wurde gezeigt dass sowohl zuverlässige (TCP) wie au h unzuverlässige (UDP) Kommunikation von diesem Ansatz pro tieren kann. Diese Dissertation demonstriert wie Funktionalität zur Mobilitätsverwaltung inWAP (das industriele de fa to Standard für Internet Zugang in Mobiltelefonen), dur h Mobile IP eingeführt werden kann. Die Demonstration befasst si h mit einem Migration-szenario zwis hen zwei heterogenen Funkte hnologien, z.B. Wireless LAN 4und GSM. Es zeigte si h, dass Mobile IP die integrierenden Eigens haften des Internet-Protokolls erbt. Auf dieser Weise kann das Problem der Integration heterogenen Protokollen, höher und niedriger als Mobile IP auf einer Routing Angelegenheit reduziert werden. Dedi ated to my grandfather and my grandfather. Although they belonged to opposite sides, they were both right. CONTENTS Prefa e 1 Abstra t 2 Kurzfassung 3 1 An Introdu tion to Internet Mobility 13 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2 Internet Routing and Internet Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3 Do ument Stru ture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2 A Review of Proto ols for Internet Mobility Support 17 2.1 Requirements for Mobility Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.1 Operational Transparen y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Lo ation Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Hand-o Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.2 Proto ol Transparen y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.3 Performan e Transparen y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2 Internet Infrastru ture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.1 Dynami DNS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.2 IKEv2 Mobility and Multi-homing Proto ol . . . . . . . . . . 20 2.3 Transport Layer Approa hes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.1 Split Conne tion Proto ols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.2 Mobility Extensions to Transport Proto ols . . . . . . . . . . 21 TCP Migrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.3 New Mobility Aware Transport Proto ols . . . . . . . . . . . . 22 Stream Control Transmission Proto ol . . . . . . . . . . . . . 22 Datagram Congestion Control Proto ol . . . . . . . . . . . . . 23 2.4 Convergen e Layer Approa hes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4.1 Lo ation Independent Network v6 . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4.2 Host Identity Proto ol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4.3 Multiple Address Servi e for Transport . . . . . . . . . . . . . 26 2.5 Appli ation Layer Approa hes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.5.1 Session Initiation Proto ol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.6 Network Layer Approa hes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.6.1 Mobile Internet Proto ol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.7 Con lusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 8