Der Einsatz von Mobile-IP führt zu mehr Netzlast und zusätzlicher Laufzeit, wenn – wie fast immer – das Heimnetz beteiligt ist.

Ständig erreichbar zu sein und die Möglichkeit zu haben, jederzeit Informationen abzurufen, wird für viele immer wichtiger. Wenn der Anwender jedoch nur Zugriff auf Daten hat, die er vorher im Unternehmen auf den mobilen Rechner aufgespielt hat, befriedigt das nicht immer sein Bedürfnis nach Aktualität. Gefragt ist vielmehr, von verschiedenen Orten aus Informationen aus dem Internet zur Verfügung zu haben.

Arbeitet ein Anwender im Auto oder im Zug, kann es auch vorkommen, dass während der Übertragung von Daten aus dem Internet der Zugriffspunkt des Computers wechselt. Dafür war das Internet aber bisher nicht ausgelegt. Um den Wunsch nach Mobilität nachzukommen, wurde das Mobile-IP (RFC 3344: IP-Mobility-Support-for-IPv4) entwickelt.

Bei der Entwicklung des IPv4-Protokolls stand eine Anbindung von mobilen Kommunikationsgeräten noch nicht zur Diskussion. Damals ging es noch um die Grundlagen für die netzgestützte und somit kabelgebundene Kommunikation. Rechner und Vermittlungsknoten waren ortsfest. Die Entwicklung von Laptops und PDAs erweiterte jedoch die Kommunikation um die Faktoren Flexibilität und Mobilität.

Durch die Integration der Mobilität in die IP-Protokolle erhält ein Rechner an jedem Ort den Zugang zum Internet und darüber hinaus auch den zu in seinem Heimatnetz abgelegten Daten. Auch das Einloggen in ein Fremdnetz (Roaming) und die sichere Übermittlung (Ende-zu-Ende) vom Heimat- über das Fremdnetz bis hin zum eigentlichen Nutzer der Daten gehören zu den Aufgaben von Mobile-IP.

Die Mobile-lP-Spezifikation befasst sich ausschließlich mit der Mobilität auf der IP-Ebene. Die Mobilitätsfunktionen für die darunter liegenden Ebenen 1 und 2 erbringen die jeweiligen Substandards wie IEEE-802.11, Bluetooth, GPRS oder UMTS.

Das klassische IP in der Version 4 nutzt die IP-Rechneradresse zur eindeutigen Identifizierung des Zugangspunkts des betreffenden Knotens zum jeweiligen Netzwerk. Aus diesem Grund ist ein Rechner einem bestimmten Netzwerk zugeordnet. Über seine IP-Adresse kann er Datagramme empfangen beziehungsweise versenden.

Um den Zugangspunkt eines Netzknotens zu ändern, gibt es zwei Mechanismen. Entweder der betreffende Netzknoten ändert bei jedem Standortwechsel seine IP-Adresse, oder es müssen rechnerspezifische Routen propagiert werden.

Beide Varianten stören den Betrieb und führen dazu, dass die IP-Rechner mehr oder weniger nur stationär arbeiten. Zur vollen Unterstützung der Mobilitätsfunktionen wird die bisherige IP-Architektur mit Mobile-IP um folgende neue Mechanismen und Konzepte erweitert:

• Mobile-Node (mobiler Host): Ein mobiler Knoten bezeichnet einen Rechner oder Router, der seinen Zugang zu einem Netzwerk ändert. Ein mobiler Knoten muß bei dem Umzug nicht zwangsläufig seine IP-Adresse ändern.

• Home-Agent: Router, die an das Heimatnetz des mobilen Knotens angeschlossen sind. Home-Agenten tunneln die Datagramme zu dem mobilen Knoten, wenn sich der nicht im Heimatnetz befindet. Darüber hinaus verwalten die Home-Agenten die Standortinformationen des mobilen Knotens.

• Foreign-Agent: ein Router, der mit mobilen Knoten zusammenarbeitet. Diese Komponente stellt die Routing-Services für mobile Knoten zu fremden Netzen zur Verfügung. Gleichzeitig agiert der Foreign-Agent als Tunnelendpunkt für den Home-Agenten des mobilen Knotens und liefert die Datagramme korrekt beim mobilen Knoten ab. Für alle vom mobilen Knoten übermittelten Datagramme agiert der Foreign-Agent als Default-Router.

• Care-of-Address: Ein mobiler Knoten verfügt in der Regel über eine permanente IP-Adresse im Heimatnetz. Diese verwaltet der jeweilige Netzadministrator wie eine normale IP-Adresse. Befindet sich ein mobiler Knoten nicht am Heimatnetz, erhält er eine so genannte Care-of-Adresse. Diese beschreibt dann den jeweiligen Zugangspunkt des mobilen Knotens. Für alle vom mobilen Knoten verschickten Datagramme nutzt der Knoten seine Home- als Absendeadresse.

Für seine Arbeit bringt Mobile-IP mit Agent-Discovery und Registration zwei Dienste mit. Beim Agent-Discovery propagieren Home- und Foreign-Agent ihre Verfügbarkeit für jeden Link, auf dem die betreffenden Dienste angeboten werden. Ein neuer mobiler Knoten kann durch das Senden von Solicitation-Meldungen die Verfügbarkeit der jeweiligen Dienste dynamisch abfragen.

Befindet sich ein mobiler Knoten nicht am Heimatnetz, wird die Care-of-Adresse bei dem jeweiligen Home-Agenten registriert. In Abhängigkeit von der Zugangsmethode kann der mobile Knoten die Registrierung entweder direkt oder unter Zuhilfenahme eines Foreign-Agenten ausführen. Der Foreign-Agent leitet die Registrierung an den Home-Agenten weiter.

Info Vor- und Nachteile von Mobile-IPv4

Vorteile

• Die Benutzung eines Foreign-Agenten ist in Mobile-IPv4 optional. Ein mobiler Knoten kann sich mit Hilfe des DHCP eine IP-Adresse zuweisen lassen. Besitzt er eine Co-located-Care-of-Adresse, kann er selbst als Foreign-Agent agieren. Mobile-IPv4 wird somit auch in Netzwerken unterstützt, die noch keinen Foreign-Agenten installiert haben.

• Andererseits bringt die Benutzung eines Foreign-Agenten den Vorteil, daß viele mobile Knoten dieselbe Care-of-Adresse benutzen können.

Nachteile

• Die Kommunikation von einem ortsfesten Rechner zum mobilen Knoten läuft immer über den Home-Agenten. Dieses Dreiecks-Routing ist natürlich sehr ineffizient. Da nicht davon auszugehen ist, daß der Kommunikationspartner des mobilen Knotens auch Mobile-IPv4 versteht, kann der mobile Knoten ihm nicht seine neue Adresse mitteilen. Er muss immer davon ausgehen, dass er mit dieser Information nichts anfangen kann.

• Diese Situation verschlimmert sich noch, wenn der Router im fremden Netzwerk es nicht erlaubt, Nachrichten mit einer Absender-IP-Adresse zu senden, die nicht konform zum (Sub-)Netzwerk ist. Dies ist beispielsweise bei der Benutzung eines Ingress-Filters der Fall. Dann muß auch der mobile Knoten die Daten über den Home-Agenten verschicken. Man spricht hier von Reverse-Tunneling. Dies führt zu großen Verzögerungen und höherer Netzlast. Letztere wird desto größer, je mehr mobile Knoten über ihren Home-Agenten kommunizieren. Mobile-IPv4 eignet sich somit nicht für eine große Anzahl von mobilen Knoten. Es skaliert schlecht.

• Beim Tunneln werden Daten versendet, die für den Empfänger nicht wirklich von Bedeutung sind (Redundanz).

Ablaufschritte im Mobile-IP-Protokoll

Mobility-Agents (Foreign- und Home-Agents) propagieren ihre Dienste mit Hilfe von Agent-Advertisement-Messages. Ein mobiler Knoten kann auch optional eine Agent-Advertisement-Message von jedem lokal verfügbaren Mobility-Agenten auf Basis einer Agent-Solicitation-Message anfordern. Nach dem Empfang eines Agent-Advertisements entscheidet der mobile Knoten, ob er sich am Heimat- oder an einem fremden Netz befindet. Befindet er sich am Heimatnetz, werden die Mobility-Services ausgeschaltet. Nach der Rückkehr in das Heimatnetz – nachdem sich der mobile Knoten in einem fremden Netz registriert hat – nimmt der mobile Knoten zu seinem Home-Agenten Kontakt auf und korrigiert die Registrierung mit Hilfe des Austauschs von Registration-Request-/Reply-Messages.

Entdeckt ein mobiler Knoten, dass er an ein fremdes Netz angeschlossen wurde, fordert er eine Care-of-Adresse im fremden Netzwerk an. Die Care-of-Adresse wird aus den Advertisements des Foreign-Agent (Foreign-Agent-Care-of-Adresse) oder via DHCP (Co-located-Care-of-Adresse) ermittelt. Arbeitet der mobile Knoten nicht im Heimatnetz, registriert er sich mit der neuen Care-of-Adresse bei seinem Home-Agenten durch den Austausch von Registration-Messages.

Alle an die Heimatadresse des mobilen Knotens übermittelten Datagramme fängt der Home-Agent ab und tunnelt die Datagramme an die Care-of-Adresse – entweder einen Foreign-Agenten oder den betreffenden mobilen Knoten selbst – des mobilen Knotens. Anschließend erhält sie der Empfänger. In der umgekehrten Richtung – vom mobilen Koten zu jedem beliebigen Empfänger – werden die Datagramme vom mobilen Knoten via Standard-IP-Routing übermittelt.

Kommuniziert ein mobiler Knoten über ein fremdes Netz, schützt ein Tunnel die gesamte Prozedur. Er verbirgt die Heimatadresse des mobilen Knotens bei der Übermittlung über Transitrouter zwischen dem aktuellen Standort und dem Heimatnetz. Der Tunnel terminiert immer auf der vom mobilen Knoten genutzten Care-of-Adresse. Dabei stellt die Care-of- eine IP-Adresse dar, zu der die für den mobilen Knoten bestimmten Datagramme mit Hilfe der normalen Routingmechanismen weitergeleitet werden. Erreicht ein Datagramm für einen mobilen Knoten die Care-of-Adresse, packt diese das originale Datagramm aus dem Tunnel und reicht es an den mobilen Knoten weiter.

Je nachdem, ob es um eine Foreign-Agent-Care-of- oder eine Co-located-Care-of-Adresse handelt, verwendet die Mobile-IP-Spezifikation einen anderen Mechanismus. Eine Foreign-Agent-Care-of-Adresse übermittelt immer ein Foreign-Agent per Agent-Advertisement-Messages. In diesem Fall entspricht die Care-of- der IP-Adresse des Foreign-Agenten. Der Foreign-Agent bildet auch den Endpunkt des Tunnels. Beim Empfang eines getunnelten Datagramms übernimmt der Foreign-Agent die Aufgabe des Entpackens der über den Tunnel übermittelten Pakete und die Auslieferung an den mobilen Knoten. Dieser Adressmodus sorgt dafür, dass mehrere mobile Knoten den Foreign-Agenten mit einer einzigen Care-of-Adresse nutzen können.

Eine Co-located-Care-of-Adresse stellt einen Sonderfall der Care-of-Adresse dar. Diese IP-Adresse nutzt der mobile Knoten als lokale IP-Adresse, die das Netzwerk-Interface des Knotens in der Regel temporär via DHCP erhält. Verwendet der mobile Knoten eine Co-located-Care-of-Adresse, agiert er gleichzeitig als Tunnelendpunkt. Weil der mobile Knoten eine Co-located-Care-of-Adresse nutzt, entfällt die Foreign-Agent-Funktion. In beiden Fällen muss der Home-Agent die an die IP-Adresse des mobilen Agenten übermittelten Datagramme abfangen und an den betreffenden mobilen Agenten über den bereitgestellten Tunnel weiterleiten.

Agentensuche

Auf Basis des Agent-Discoverys entscheidet ein mobiler Knoten, ob er sich in seinem Heimatnetz oder in einem fremden Netz befindet. Hängt ein mobiler Rechner an einem fremden Netzwerk, muß er die von einem Foreign-Agenten bereitgestellte Care-of-Adresse zur Kommunikation nutzen. Mobile-IP nutzt eine erweiterte Form des ICMP-Router-Discovery, um den Foreign-Agenten zu ermitteln. Ein Agent-Advertisement besteht dabei aus einer ICMP-Router-Advertisement-Message, erweitert um die Mobility-Agent-Advertisement-Extension.

Registrierungsprozesse

Mit der Registrierung stellt ein mobiler Knoten seinem Home-Agenten die notwendigen Informationen für eine Verbindung zu dem mobilen Knoten bereit. Der Registrierungsprozess sorgt dafür, dass Pakete an den mobilen Knoten weitergeleitet werden, der Home-Agent die aktuelle Care-of-Adresse erhält, auslaufende Mobility-Bindings erneuert werden sowie die Registrierung gelöscht wird, falls sich der mobile Knoten wieder in seinem Heimatnetz befindet.

Es gibt zwei Varianten der Registrierung: Der mobile Knoten kann einmal die Registrierung dem Foreign-Agenten überlassen, der sie anschließend an den Home-Agenten weiterleitet. Im Fall einer Co-located-Care-of-Adresse registriert sich der mobile Knoten jedoch direkt bei seinem Home-Agenten, ohne den Foreign-Agenten zu nutzen.

Bei der Verwendung eines Foreign-Agenten sind für die Registrierung vier Schritte notwendig. Als Erstes übermittelt der mobile Knoten einen Registration-Request an den Foreign-Agenten. Im zweiten Schritt leitet dieser den Registration-Request an den Home-Agenten weiter. Dessen Adresse stellt der mobile Knoten im Registration-Request zur Verfügung. Als Drittes sendet der Home-Agent einen Registration-Reply an den Foreign-Agenten, der die Registrierung entweder akzeptiert oder ablehnt. Abschließend übergibt der Foreign-Agent die Antwort an den mobilen Knoten. Ohne Foreign-Agenten ergeben sich nur zwei notwendige Schritte. Zuerst sendet der mobile Knoten einen Registration-Request direkt an den Home-Agenten. Anschließend antwortet der mit einem Registration-Reply.

Funktionen des mobilen Knotens

Auf jedem mobilen Knoten müssen die Netzmaske und die individuellen Sicherheitsparameter für jeden zugeordneten Home-Agenten konfiguriert sein. Zusätzlich sind die Heimat- und die IP-Adresse eines oder mehrerer Home-Agenten notwendig. Verfügt ein mobiler Knoten nicht über eine Heimatadresse, kann die Mobile-Node-NAI-Extension zur Identifizierung genutzt werden. Dann wird das Home-Adress-Feld im Registration-Request auf den Wert 0.0.0.0 gesetzt Die Heimatadresse wird aus dem Registration-Reply des Home-Agenten ermittelt.

Der mobile Knoten registriert sich immer dann, wenn er eine Änderung des Netzanschlusses festgestellt hat. Befindet sich ein mobiler Knoten an einem fremden Netzwerk, sorgt der vom mobilen Knoten übermittelte Registration-Request auf dem Home-Agenten für die Aktivierung beziehungsweise Modifikation des betreffenden Mobility-Bindings. Befindet sich ein mobiler Knoten am Heimatnetz, stößt der Registration-Request auf dem Home-Agenten das Löschen aller bisherigen Mobility-Bindings an. Anschließend arbeitet der mobile Knoten ohne zusätzliche Mobility-Funktionen im Heimatnetz. Ein mobiler Knoten nutzt die Registrierung mit einem Foreign-Agenten zum einen, wenn er einen Reboot-Vorgang des Foreign-Agenten erkennt, zum anderen, wenn die Lebenszeit der Registrierung abgelaufen ist.

Funktionen des Foreign-Agenten

Bei der Mobile-IP-Registrierung nimmt der Foreign-Agent eine passive Rolle ein. Seine Aufgabe besteht in der Weiterleitung (Relay) der Registration-Requests zwischen dem mobilen Knoten und dem Home-Agenten. Stellt der Foreign-Agent eine Care-of-Adresse bereit, entpackt er die über den Tunnel übermittelten Datagramme und leitet sie an den mobilen Knoten weiter. Außerdem sendet er periodisch Agent-Advertisement-Messages in das angeschlossene Netzwerk und bietet damit seine Dienste an. Er leitet Registration-Requests nur als Relay zwischen einem mobilen Knoten und dessen Home-Agenten weiter.

Jeder Foreign-Agent muss über eine Care-of-Adresse verfügen. Für jede angestoßene Registrierung legt der Foreign-Agent einen Eintrag in der Visitor-Tabelle an. Folgende Informationen entnimmt er dabei dem Registration-Request des mobilen Knotens: die Link-Layer-Source-Adresse des mobilen Knotens, die IP-Source-Adresse (Home-Adresse des mobilen Knotens) oder dessen Co-located-Care-of-Adresse, die IP-Destination-Adresse, den UDP-Source-Port, die Home-Agent-Adresse, das Identifikationsfeld, die angeforderte Lebenszeit der Registrierung und deren verbleibende Lebenszeit.

Akzeptiert ein Foreign-Agent einen Registration-Request eines mobilen Knotens, muss dieser den Request an den Home-Agenten des mobilen Knotens weiterleiten. Hierzu wird im Registration-Request die Adresse des Home-Agent-Feldes genutzt. Darüber hinaus verarbeitet und entfernt der Foreign-Agent alle Extensions, die auf die Mobile-Home-Authentication-Extension folgen. Bei Bedarf hängt er seine eigenen Extensions an die Message zum Home-Agenten an. Außerdem fügt er die Foreign-Home-Authentication-Extension an, wenn zwischen dem Foreign- und dem Home-Agenten eine Mobility-Security-Association besteht.

Funktionen des Home-Agenten

Der Home-Agent empfängt die Registration-Requests direkt vom mobilen Knoten beziehungsweise vom zwischengeschaltenen Foreign-Agenten. Beim Empfang eines Registration-Requests nimmt der Home-Agent einen Update der Mobility-Bindings für den betreffenden mobilen Knoten vor und generiert anschließend den notwendigen Registration-Reply.

Auf jedem Home-Agenten sind die Sicherheitsbeziehungen für jeden von ihm unterstützten autorisierten mobilen Knoten hinterlegt. Akzeptiert ein Home-Agent einen Registration-Request von einem mobilen Knoten, muss der Home-Agent die betreffenden Mobility-Binding-Informationen für den jeweiligen mobilen Knoten anlegen beziehungsweise modifizieren. Hierzu gehören die Heimat- und die Care-of-Adresse des mobilen Knotens, das im Registration-Reply übermittelte Identifikationsfeld und die verbleibende Lebenszeit der Registrierung.

Beim Empfang eines Registration-Requests von einem mobilen Knoten bietet der Home-Agent optional dem mobilen Knoten eine dynamisch generierte Home-Adresse an. Nachdem der Home-Agent die Adresse dem betreffenden mobilen Knoten zugeordnet hat, übermittelt sie der Agent im Home-Adressenfeld des Registration-Replies.

Der Home-Agent unterhält mit einem oder mehreren Foreign-Agents die betreffenden Mobility-Security-Associations. Besteht zwischen dem Home- und dem Foreign-Agenten eine Mobility-Security-Association, überprüft der Home-Agent beim Empfang eines Registration-Requests den Authentifikator der Foreign-Home-Authentication-Extension in der Message, die er vom Foreign-Agenten empfangen hat. Übermittelt der Home-Agent einen Registration-Reply an den Foreign-Agenten, sendet der Home-Agent die betreffende Foreign-Home-Authentication-Extension in der Message.

Routing der Unicast-Datagramme

Befindet sich ein mobiler Knoten am Heimatnetzwerk, arbeitet er ohne jegliche Mobilitätsfunktionen wie ein regulärer ortsfester Rechner beziehungsweise Router. Bei der Registrierung eines mobilen Knotens in einem fremden Netzwerk wählt der mobile Knoten den Default-Router anhand einer der beiden folgenden Regeln aus: Wenn ein mobiler Knoten eine registrierte Care-of-Adresse eines Foreign-Agenten benutzt, agiert der Foreign-Agent als First-Hop-Router. Die MAC-Adresse des Foreign-Agenten wird anhand des Agent-Advertisements gelernt. In allen anderen Fällen wählt der mobile Knoten den Default-Router anhand der im ICMP-Router-Advertisement der im Agent-Advertisement-Messages propagierten Router-Adressen aus. Registriert sich dagegen der mobile Knoten direkt bei seinem Home-Agenten (auf Basis einer Co-located-Care-of-Adresse), dann wählt er seinen Default-Router aus der empfangenen ICMP-Router-Advertisement-Message aus.

Der Foreign-Agent muss beim Empfang eines Datagramms, das zu einer von ihm unterstützten Care-of-Adresse getunnelt wurde, die innere Destination-Adresse mit den Einträgen in seiner Visitor-Liste vergleichen. Entspricht die Destination-Adresse keiner der in der Visitor-Liste verzeichneten Adressen eines mobilen Knotens, muss der Foreign-Agent das betreffende Datagramm verwerfen. Liegt dagegen ein Eintrag vor, leitet der Foreign-Agent das innere Datagramm an den mobilen Knoten weiter.

Der Foreign-Agent muss für die von einem registrierten mobilen Knoten empfangenen Datagramme die Routing-Funktionen ausführen. Er überprüft dabei die IP-Header-Prüfsumme, inkrementiert das IP-TTL (Time-To-Live)-Feld, berechnet eine neue IP-Header-Prüfsumme und leitet das Datagramm an den Default-Router weiter. Ein Foreign-Agent darf, um die MAC-Adresse eines an ein fremdes Netzwerk angeschlossenen mobilen Knoten zu ermitteln, nicht die ARP-Pakete per Broadcast übermitteln. Stattdessen ermittelt er die spezifische MAC-Adresse anhand der vom mobilen Knoten verbreiteten Agent-Solicitation-Messages oder Registration-Requests.

Der Home-Agent hat die Aufgabe, alle Datagramme eines registrierten mobilen Knotens weiterzuleiten, wenn sich dieser nicht im Heimatnetz befindet. Hierzu muss der Home-Agent alle Datagramme auf die IP-Destination-Adresse des betreffenden mobilen Knotens hin untersuchen. Findet er ein solches Datagramm, leitet er das Datagramm per Tunnel an den mobilen Knoten beziehungsweise dessen registrierte Care-of-Adresse weiter. Unterstützt der Home-Agent das optionale simultane Mobility-Binding, tunnelt er eine Kopie des betreffenden Datagramms zu jeder der in der Mobility-Binding-Liste für den mobilen Knoten hinterlegten Care-of-Adressen.

Läuft die Lifetime für ein bestehendes Mobility-Binding ab, bevor der Home-Agent einen gültigen Registration-Request für den betreffenden mobilen Knoten empfangen hat, löscht der Home-Agent das Binding in der Mobility-Binding-Liste. Er muss daher auch den Registration-Request nicht mehr beantworten. Damit wird auch der momentane Foreign-Agent des betreffenden mobilen Knotens aus der Visitor-Liste gelöscht. Nach Ablauf der Mobility-Binding-Lifetime muss der Home-Agent die betreffenden Bindings löschen, aber alle weiteren simultanen Mobility-Bindings für den betreffenden mobilen Knoten beibehalten.

Empfängt der Home-Agent ein Datagramm für einen der bei ihm registrierten mobilen Knoten, welcher sich in einem fremden Netzwerk befindet, muss er überprüfen, ob das Datagramm bereits verpackt (Encapsulation) wurde. Je nachdem, ob die innere (encapsulated) Destination-Adresse der äußeren Destination-Adresse entspricht, geht der Home-Agent beim Forwarding zum mobilen Knoten anders vor.

Stimmen innere und äußere Destination-Adresse überein, muss er auch die äußere Source-Adresse des encapsulated Datagramms (Source-Adresse des Tunnels) überprüfen. Entspricht die äußere Source- der momentanen Care-of-Adresse des mobilen Knotens, muss der Home-Agent das Datagramm verwerfen. In diesem Fall besteht eine Routing-Loop. Entspricht die äußere Source- nicht der momentanen Care-of-Adresse des mobilen Knotens, muss der Home-Agent das Datagramm an den mobilen Knoten weiterleiten. In diesem Fall tauscht der Home-Agent die äußere Destination- gegen die Care-of-Adresse aus. Ist die innere nicht mit der äußeren Destination-Adresse identisch, muss der Home-Agent das Datagramm noch einmal einem Encapsulation-Prozess unterziehen (so genannte Nested-Encapsulation). Die neue äußere Destination- entspricht dann der Care-of-Adresse des mobilen Knotens. Mathias Hein, freier Autor und Consultant