Contexte de la mobilité IP

L’incursion des réseaux de télécommunications mobiles dans l’Internet IP et le développement de ce dernier ont fait naître de nouveaux besoins au niveau de l’internaute. Ces besoins s’expriment principalement en termes de réseaux et de services. Au niveau des réseaux, grâce à la miniaturisation des équipements terminaux (PDA(1), ordinateurs portables, etc.) et des technologies d’accès (par exemple, les technologies IEEE 802.11 et IEEE 802.16), l’internaute aspire à plus de mobilité. Sur des sousréseaux IP rattachés à l’Internet, des points d’accès sont parfois déployés pour offrir une liberté de mouvement aux internautes. Par des techniques telles que le DS (Distribution System) ou système distribué, plusieurs points d’accès permettent de couvrir une superficie assez grande. Actuellement, avec ce système de distribution, l’internaute peut passer d’un point d’accès sans fil (AP : Access Point) à un autre appartenant au même sous-réseau IP sans détériorer ses communications. Cette mobilité est appelée mobilité de niveau 2 ou L2 handover. Outre cette forme de mobilité, il est possible que des réseaux assez importants, tels que les réseaux de campus comportant plusieurs sousréseaux IP, puissent bénéficier de ce système de distribution pour tous leurs sousréseaux IP. Dans ce cas, le changement de point d’accès peut occasionner des pertes de données assez importantes. Cela est, en partie, dû au fait qu’il faut attribuer une nouvelle adresse au terminal en déplacement. Le temps d’acquisition de la nouvelle adresse IP et sa prise en compte dans les couches supérieures, coupent les précédentes connexions de l’internaute. Les communications se trouvent ainsi fortement dégradées. Cette forme de mobilité est appelée mobilité IP ou L3 handover (handover de niveau 3) et est gérée par le groupe de travail Mobility IP ou MIP de l’IETF (Internet Engineering Task Force). Les travaux de cette instance de l’Internet ont conduit à la mise en œuvre de divers protocoles dits protocoles de mobilité (Mobile IP, FMIP(2), HMIP(3), NCHMIP(4), etc.). Ces premières propositions faites dans l’Internet IPv4 ont été améliorées pour l’Internet IPv6 grâce aux nouvelles caractéristiques et fonctionnalités du protocole IPv6 [DEE98]. Ainsi, grâce aux protocoles tels que MIPv6 [JOH04], FMIPv6 [SUH04], HMIPv6 [SOL08] et NC HMIPv6 [BER04], la mobilité de l’internaute est effective dans l’Internet IPv6. Cela justifie l’utilisation par défaut de Mobile IPv6 dans les réseaux de télécommunications tels que les 3G et 4G [WAS02, SOI04, YOK08].

Contexte de la mobilité IP

Pour assurer une parfaite mobilité de l’internaute, l’IETF (Internet Engineering Task Force) a défini un certain nombre de mécanismes offrant une mobilité IP relativement souple par rapport au nomadisme observé plus haut. L’offre de cette mobilité souple aussi bien au niveau IP qu’au niveau utilisateur, passe par la satisfaction des principaux points suivants :
‐ Offrir à l’internaute mobile les services de base, services dont bénéficie l’internaute traditionnel.
‐ Offrir à l’internaute, une mobilité irréprochable, comparable à celle dont bénéficient les clients GSM en ce qui concerne la voix : continuité de communication lors du déplacement, gestion optimale des handovers (adaptation du réseau aux changements de point d’attachement d’un mobile au cours de son mouvement). La gestion de ce handover constitue le point essentiel dans la gestion de la mobilité et le critère déterminant pour juger de l’efficacité d’une proposition.
‐ Garantir la sécurité du nœud mobile dans les réseaux d’accueil. Le nœud mobile ne doit pas être plus exposé que les nœuds fixes du réseau d’accueil.
‐ Garantir la sécurité des réseaux d’accueil ;
‐ Réduire les configurations à effectuer sur un mobile au strict minimum.
‐ Améliorer le rapport trafic utile/trafic total .

Deux grands axes de recherche ont été définis par l’IETF et coordonnés par deux groupes distincts. Ces deux principaux axes sont :
‐ la mobilité d’un terminal entre deux sous-réseaux IP, coordonnée par le groupe Mobility IP (MIP) ;
‐ la mobilité d’un sous-réseau IP (c’est-à-dire de tous les éléments actifs du sousréseau IP) gérée par le groupe NEMO (NEtwork MObility).

Entités fonctionnelles et différenciation des sous-réseaux de l’Internet mobile

Pour gérer la mobilité d’un terminal, l’IETF identifie trois types d’entités fonctionnelles:
‐ le nœud mobile ;
‐ les nœuds correspondants ;
‐ les agents de mobilité.

Le nœud mobile représente le terminal en déplacement dans les sous-réseaux IP. Quand au nœud correspondant, il représente un nœud fixe ou mobile de l’Internet. Il est en communication avec le nœud mobile dont on observe le déplacement. Il peut être un serveur de l’Internet ou équipement sur lequel est installée une application cliente. L’agent de mobilité est un équipement du réseau, possédant des fonctionnalités de routeur IP et gérant les paramètres de mobilité du nœud mobile. Outre ces entités, l’IETF identifie :
‐ le réseau mère. Ce réseau représente le sous-réseau IP dans lequel l’on a initialement configuré les paramètres du nœud mobile. L’agent de mobilité de ce sous-réseau et responsable de la gestion du déplacement du nœud mobile à travers l’Internet est appelé agent mère (ou Home Agent (HA)) ;
‐ le réseau de visite. Lors de son déplacement, le nœud mobile peut se retrouver dans un sous-réseau différent de son réseau mère. Ce type de réseau est appelé réseau de visite.

Différenciation des fonctionnalités de l’adresse IP

La première étape de résolution de la problématique de la mobilité IP d’un terminal effectuée par l’IETF est la résorption du problème du double rôle joué par l’adresse IP. En effet, le modèle d’adressage de TCP/IP ne fait pas de distinction entre le rôle d’identifiant d’interface joué par l’adresse IP et celui d’identifiant de localisation dans la topologie d’Internet [CIZ05]. Ainsi, un nœud qui change de sous-réseaux se voit obliger de changer également d’adresse IP et d’utiliser une nouvelle adresse issue du préfixe d’adresse de sa nouvelle localisation (Fig.1.1.b). Le changement opéré au niveau de l’identifiant d’interface occasionne la modification du quintuplé définissant les connexions (vu plus haut). A cet effet, les premières propositions de l’IETF consignées dans le RFC 3344 [PER02] préconisent la séparation de ce double rôle joué par une seule adresse IP : l’adresse IP permettant d’identifier le nœud mobile doit être différente de celle permettant de le localiser dans chaque réseau de visite. Cela facilitera la détection de l’interface du nœud mobile dans sa nouvelle localisation et le ré-routage de l’information à partir de son état précédant le changement de localisation. Ce réroutage de l’information doit être transparent aux couches supérieures. De nombreuses propositions ont été faites dans la littérature [JOH04, KOO08, SOL08] en vue d’apporter des améliorations aux premiers travaux de l’IETF considérés comme supports de mobilité. Dans la section ci-dessous, nous décrivons les protocoles faisant intervenir l’agent mère à chaque changement de sous-réseau IP.

Protocoles de macro-mobilité

La macro-mobilité est la mobilité qui ne tient compte que de deux espaces topologiques dans la gestion du déplacement du nœud :
‐ le réseau dans lequel le nœud mobile est nativement rattaché. Ce réseau est appelé réseau mère ou Home Network mentionné dans la section 1.2.1.
‐ un réseau autre que le réseau mère, visité par le nœud au cours de son déplacement, est appelé réseau de visite ou Visited Network. Selon le mécanisme mis en place par le protocole sous-jacent, la mobilité peut faire intervenir d’autres variantes de réseau de visite, à savoir, le précédent réseau de visite (ou previous visited network) et le prochain réseau de visite ou le nouveau réseau de visite ou new visited network.

Pour gérer la macro-mobilité dans les réseaux IP, plusieurs propositions ont vu le jour dans la littérature. La première proposition de l’IETF pour gérer la mobilité IP d’un terminal est Mobile IPv4 [PER02]. Cette proposition restreinte à l’environnement IPv4, a été améliorée pour prendre en compte l’environnement IPv6. Le protocole issu de cette amélioration est dénommé Mobile IPv6 [JOH04]. Cette section décrit d’abord le protocole Mobile IPv4, puis le protocole Mobile IPv6 et son extension FMIPv6.

Le protocole Mobile IPv4 (MIPv4) 

Le premier document de l’IETF traitant de la mobilité IP date de 1996, standardisé par le RFC 3220 [PER96]. Il décrit le fonctionnement de Mobile IPv4, communément appelé Mobile IP. Ce protocole jette les bases de la mobilité IP d’un terminal dans l’Internet. Nous décrivons ci-dessous l’architecture fonctionnelle de Mobile IPv4 ainsi que les contraintes liées à son déploiement dans les réseaux actuels.

Description de Mobile IPv4
Mobile IPv4 constitue la première implémentation de la mobilité IP issue des travaux de l’IETF. Le fonctionnement de Mobile IPv4 est basé sur un certain nombre d’entités, de concepts sur les sous-réseaux d’appartenance du mobile (réseau mère et réseaux de visite), de mécanismes de détection du mouvement et d’adresses acquises par le nœud mobile. Nous décrivons ci-dessous, ces différents éléments constitutifs de Mobile IPv4.

a) Notions de réseau mère et de réseau de visite
Mobile IPv4 fait intervenir dans sa gestion de la mobilité IP, les deux types de sousréseaux (réseau mère et réseau de visite) décrits dans le paragraphe 1.2.1. Ces deux sous-réseaux sont distincts (définis par des préfixes d’adresse différents).
b) Entités fonctionnelles et adressage IP utilisés dans la gestion de la mobilité IP
Les principaux équipements possédant des fonctionnalités spécifiques à Mobile IP sont :
‐ le nœud mobile ou Mobile Node (MN) : nœud d’un sous-réseau, équipé d’une interface sans-fil (ordinateur portable, PDA, téléphone portable 3G, etc. Le nœud mobile possède un identifiant unique lui ayant été attribué dans son réseau mère. Cette adresse appelé Home Address (HoA) ou adresse mère, permet uniquement d’identifier le nœud mobile dans tout l’Internet. Pour la localisation du nœud dans chacun des réseaux de visite, une autre adresse IP lui est attribuée durant son séjour dans le sous-réseau courant. Cette autre adresse est appelée Care-of Address (CoA) s’il s’agit de l’adresse du FA ou Collocated CoA (CCoA) si elle est obtenue par un mécanisme externe d’attribution d’adresses (par exemple, le DHCP(8)). La CoA et la CCoA sont appelées adresses temporaires.
‐ l’agent mère (HA) : routeur situé dans le réseau mère du nœud mobile. Il gère la mobilité IP du MN dans l’Internet à travers son cache d’associations d’adresses IP (HoA – CoA). Il intercepte tous les paquets destinés au MN quelle que soit la localisation courante de ce dernier.
‐ l’agent relais ou Foreign Agent (FA) : routeur situé dans le réseau visité par le nœud mobile. Il peut intercepter les paquets IP encapsulés à destination du MN. Il décapsule dans ce cas, ces paquets avant de les livrer au mobile. La CoA du mobile est l’adresse du FA pour faciliter cette interception de paquets IP.
‐ le nœud correspondant (CN) : équipement en communication avec le MN. Il peut s’agir d’un autre nœud mobile ou d’un nœud fixe situé n’importe où dans l’Internet IPv4. Il peut exister plusieurs CNs pour le même nœud mobile. L’agent mère et l’agent relais constituent les seuls agents de mobilité lorsque Mobile IPv4 est implémenté dans l’Internet IPv4. Ils facilitent la gestion des communications du nœud mobile.
c) Détection du mouvement dans l’Internet IPv4 Mobile
Dans l’Internet IP mobile implémentant Mobile IPv4, les agents de mobilité (HA et FA) diffusent périodiquement des messages d’annonces d’agents (Agent Advertisement). Ces annonces sont des messages ICMP d’annonces de routeur [DEE81] dont le champ TTL est égal 1. Ils sont envoyés au groupe multicast 224.0.0.1 ou à l’adresse HoA du nœud mobile lorsque ce dernier sollicite ce message. Ces annonces de découverte d’agents fournissent les principales informations nécessaires à la découverte d’un nouveau sousréseau IP et à l’utilisation d’un agent relais :

‐ présence d’un agent relais dans le sous-réseau IP;
‐ adresse (s) temporaire(s) CoA ;
‐ type d’agent de mobilité (HA ou FA) ;
‐ charge du FA (drapeau B), etc.

Grâce donc aux messages Agent Advertisement, le nœud mobile peut déduire qu’il a changé de sous-réseau IP ou non.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Contributions
Plan de la thèse
Chapitre 1 : MOBILITE IPv6
1.1 Introduction
1.2 Contexte de la mobilité IP
1.2.1 Entités fonctionnelles et différenciation des sous-réseaux de l’Internet mobile
1.2.2 Différenciation des fonctionnalités de l’adresse IP
1.3 Protocoles de macro-mobilité
1.3.1 Le protocole Mobile IPv4 (MIPv4)
1.3.1.1 Description de Mobile IPv4
1.3.1.2 Architecture fonctionnelle de Mobile IPv4
1.3.1.3 Insuffisances de Mobile IPv4
1.3.2 Le protocole Mobile IPv6 (MIPv6)
1.3.2.1 Principales fonctionnalités et caractéristiques d’IPv6 favorables à la mobilité IP
1.3.2.2 Description de Mobile IPv6
1.3.2.3 Architecture fonctionnelle de Mobile IPv6
1.3.2.4 Insuffisances de Mobile IPv6
1.3.3 Le protocole Fast Handovers for Mobile IPv6 (FMIPv6)
13.3.1 Description de Fast Handovers for Mobile IPv6
1.3.3.2 Insuffisances de Fast Handovers for Mobile IPv6
1.4 Protocoles de micro-mobilité
1.4.1 Le protocole HMIPv6 (Hierarchical Mobile IPv6)
1.4.1.1 Description de HMIPv6
1.4.1.2 Gestion des L2 handovers (handovers inter-couches basses)
1.4.1.3 Analyse du protocole HMIPv6
1.4.2 Le protocole Network-Controlled Hierarchical Mobile IPv6 (NCHMIPv6)
1.4.2.1 Description du protocole NC-HMIPv6
1.4.2.2 Gestion du L3 handover NC-HMIPv6
1.4.2.3 Analyse du protocole NC-HMIPv6
1.4.3 Autres protocoles de micro-mobilité
1.4.3.1 Protocole Cellular IPv6
1.3.3.2 Protocole HandOff-Aware Wireless Access Internet Infrastructure (HAWAII)
1.5 Conclusion
Chapitre 2 : GESTION DU ROUTAGE MULTICAST DANS L’INTERNET IPV6 FIXE
2.1 Introduction
2.2 Généralités sur les communications de groupe
2.2.1 Les approches pour réaliser les communications de groupes
2.2.1.1 Communications de groupes par l’unicast
2.2.1.2 Communications de groupes par le multicast
2.2.2 L’identification de groupes multicast
2.2.2.1 Généralités sur les adresses de groupes multicast
2.2.2.2 Groupes multicast permanents
2.2.2.3 Groupes multicast temporaires
2.3 Protocoles de gestion de groupes multicast ipv6 dans un sous-réseau IP
2.3.1 Le protocole MLDv1
2.3.2 Le protocole MLDv2
2.3.3 Le protocole MLD Snooping
2.4 Protocoles de construction d’arbre de diffusion dans un même domaine administratif
2.4.1 Les différents modèles de diffusion et les principaux types d’arbre multicast
2.4.1.1 Différents modèles de diffusion
2.4.1.2 Algorithmes de routage multicast
2.4.1.3 Principaux types d’arbre de diffusion
2.4.2 Les protocoles de construction d’arbre multicast intra-domaine
2.4.2.1 Gestion du multicast intra-domaine
2.4.2.2 Protocole PIM-DM (Protocol Independent Multicast Dense Mode)
2.4.2.3 Protocole PIM-SM (Protocol Independent Multicast Sparse Mode)
2.4.2.4 Protocole PIM-SSM (Protocol Independent Multicast Source Specific Multicast)
2.4.2.5 Protocole Bidir-PIM (Bidirectional Protocol Independent Multicast)
2.5 Protocoles de construction d’arbre de diffusion dans l’inter-domaine
2.5.1 Le protocole MBGP (Multiprotocol Border Gateway Protocol)
2.5.2 Le protocole BGMP
2.5.2.1 Construction de l’arbre bidirectionnel inter-domaine BGMP
2.5.2.2 Transmission et réception de données
2.5.3 Le protocole PIM-SM / Embedded-RP
2.5.4 Le protocole PIM-SSM et l’inter-domaine
2.6 Conclusion
Chapitre 3 : GESTION DU ROUTAGE MULTICAST DANS L’INTERNET IPV6 MOBILE
3.1 Introduction
3.2 Propositions de base de l’IETF
3.2.1 Le mécanisme Bidirectional Tunneling (BT)
3.2.2 Le mécanisme Remote Subscription (RS)
3.2.3 Quelques insuffisances des mécanismes de base de l’IETF
3.2.3.1 Quelques insuffisances du mécanisme Bidirectional Tunneling (BT)
3.2.3.2 Quelques insuffisances du mécanisme Remote Subscription (RS)
3.3 Propositions d’optimisation des communications multicast dans les environnements mobile IPv6
3.3.1 Les nouvelles propositions de l’IETF
3.3.2 Les nouvelles propositions pour la gestion de la mobilité d’un récepteur multicast dans un environnement Mobile IPv6
3.3.3 Les nouvelles propositions pour la gestion de la mobilité d’une source multicast
3.3.3.1 Approches de mobilité multicast de la source : cas du modèle ASM
3.3.3.2 Approches de mobilité multicast de la source : cas du modèle SSM
3.3.3.3 Insuffisances des nouvelles propositions appliquées au protocole Mobile IPv6
3.4 Propositions alternatives
3.4.1 La gestion du multicast dans l’Internet FMIPv6
3.4.2 La gestion multicast dans l’Internet HMIPv6
3.4.3 Autres propositions dans l’Internet MIPv6
3.5 Limites des solutions de multicast mobile existantes
3.5.1 Au niveau de la gestion de l’interaction entre le handover de mobilité et le handover multicast
3.5.2 Au niveau du taux de pertes de données
3.5.3 Au niveau du réordonnancement des paquets de données de groupe multicast
3.5.4 Au niveau de la gestion du modèle SSM
3.5.5 Au niveau de la charge du réseau due aux en-têtes additionnels
3.6 Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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