Mobility management in IP-based networks [Elektronische Ressource] : analysis, design, programming and computer-based learning modules /von Ali Diab

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Mobility Management in IP-Based Networks Analysis, Design, Programming and Computer- Based Learning Modules Dissertation Zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt der Fakultät für Informatik und Automatisierung der Technischen Universität Ilmenau von Dipl.-Ing. Ali Diab geboren am 10.10.1976 in Damaskus/Syrien vorgelegt am Gutachter: 1. Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-Thiel 2. Prof. Dr. rer. nat. habil. Jochen Seitz 3. Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller urn:nbn:de:gbv:ilm1-2010000098 II Mobility Management in IP-Based Networks Analysis, Design, Programming and Computer- Based Learning Modules Copyright © 2010 by Ali Diab III IVAcknowledgement First, I would like to thank my advisor Prof. Mitschele-Thiel for his support and consistent academic guidance, which significantly helped me in accomplishing this thesis. I would like also to thank Prof. Seitz and Prof. Schiller for being co-supervisor of the thesis. Second, I would like to thank all members of the Integrated Communication Systems group for their involvements in discussions and verifications of the thesis. Finally, I would like to thank my family, especially my father and mother, for their encouragement and support.

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Published 01 January 2010
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Mobility Management in IP-Based
Networks
Analysis, Design, Programming and Computer-
Based Learning Modules





Dissertation
Zur Erlangung des akademischen Grades
Doktoringenieur (Dr.-Ing.)



vorgelegt der Fakultät für Informatik und Automatisierung
der Technischen Universität Ilmenau


von Dipl.-Ing. Ali Diab
geboren am 10.10.1976 in Damaskus/Syrien




vorgelegt am


Gutachter: 1. Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-Thiel
2. Prof. Dr. rer. nat. habil. Jochen Seitz
3. Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller



urn:nbn:de:gbv:ilm1-2010000098



























II
Mobility Management in IP-Based
Networks
Analysis, Design, Programming and Computer-
Based Learning Modules


Copyright © 2010
by
Ali Diab














III



















IVAcknowledgement


First, I would like to thank my advisor Prof. Mitschele-Thiel for his support and consistent academic
guidance, which significantly helped me in accomplishing this thesis. I would like also to thank Prof.
Seitz and Prof. Schiller for being co-supervisor of the thesis.
Second, I would like to thank all members of the Integrated Communication Systems group for their
involvements in discussions and verifications of the thesis.
Finally, I would like to thank my family, especially my father and mother, for their encouragement
and support.















V



















VIAbstract


Mobile communication networks experience a tremendous development clearly evident from the wide variety of
new applications way beyond classical phone services. The tremendous success of the Internet along with the
demand for always-on connectivity has triggered the development of All-IP mobile communication networks.
Deploying these networks requires, however, overcoming many challenges. One of the main challenges is how
to manage the mobility between cells connecting through an IP core in a way that satisfies real-time
requirements. This challenge is the focus of this dissertation.
This dissertation delivers an in-depth analysis of the mobility management issue in IP-based mobile
communication networks. The advantages and disadvantages of various concepts for mobility management in
different layers of the TCP/IP protocol stack are investigated. In addition, a classification and brief description of
well-known mobility approaches for each layer are provided. The analysis concludes that network layer mobility
management solutions seem to be best suited to satisfy the requirements of future All-IP networks. The
dissertation, therefore, provides a comprehensive review of network layer mobility management protocols along
with a discussion of their pros and cons. Analyses of previous work in this area show that the proposed
techniques attempt to improve the performance by making constraints either on access networks (e.g. requiring a
hierarchical topology, introducing of intermediate nodes, etc.) or mobile terminals (e.g. undertaking many
measurements, location tracking, etc.). Therefore, a new technique is required that completes handoffs quickly
without affecting the end-to-end performance of ongoing applications. In addition, it should place restrictions
neither on access networks nor on mobiles. To meet these requirements, a new solution named Mobile IP Fast
Authentication protocol (MIFA) is proposed. MIFA provides seamless mobility and advances the state of the art.
It utilizes the fact that mobiles movements are limited to a small set of neighboring subnets. Thus, contacting
these neighbors and providing them in advance with sufficient data related to the mobiles enable them to fast re-
authenticate the mobiles after the handoff. The dissertation specifies the proposal for both IPv4 and IPv6. The
specification of MIFA considers including many error recovery mechanisms to cover the most likely failures.
Security considerations are studied carefully as well. MIFA does not make any restrictions on the network
topology. It makes use of layer 2 information to optimize the performance and works well even if such
information is not available.
In order to analyze our new proposal in comparison to a wide range of well-known mobility management
protocols, this dissertation proposes a generic mathematical model that supports the evaluation of figures such as
average handoff latency, average number of dropped packets, location update cost and packet delivery cost. The
generic model considers dropped control messages and takes different network topologies and mobility scenarios
into account. This dissertation also validates the generic mathematical model by comparing its results to
simulation results as well as results of real testbeds under the same assumptions. The validation proves that the
generic model delivers an accurate evaluation of the performance in low-loaded networks. The accuracy of the
model remains acceptable even under high loads. The validation also shows that simulation results lie in a range
± 23 %, while results of real testbeds lie in a range of ± 30 % of the generic model’s results. To simplify the of
analysis using the generic mathematical model, 4 new tools are developed in the scope of this work. They
automate the parameterization of mobility protocols, network topologies and mobility scenarios. This
dissertation also evaluates the new proposal in comparison to well-known approaches (e.g. Mobile IP, Handoff-
Aware Wireless Access Internet Infrastructure (HAWAII), etc.) by means of the generic mathematical model as
well as simulation studies modeled in the Network Simulator 2. The evaluation shows that MIFA is a very fast
protocol. It outperforms all studied protocols with respect to the handoff latency and number of dropped packets
per handoff. MIFA is suitable for low as well as high speeds. Moreover, there is no significant impact of the
network topology on its performance. A main advantage of MIFA is its robustness against the dropping of
control messages. It remains able to achieve seamless handoffs even if a dropping occurs. The performance
improvement is achieved, however, at the cost of introducing new control messages mainly to distribute data
concerning mobile terminals to neighbor subnets. This results in more location update cost than that resulting
from the other mobility management protocols studied. Due to excluding any constraints on the network
topology, MIFA generates the same packet delivery cost as Mobile IP and less than other protocols.
An additional focus of this dissertation is the development of an adaptive eLearning environment that
personalizes eLearning contents conveying the topics of this dissertation depending on users’ characteristics. The
goal is to allow researchers to quickly become involved in research on mobility management, while learners such
as students are able to gain information on the topics without excess detail. Analyses of existing eLearning
VIIenvironments show a lack of adaptivity support. Existing environments focus mainly on adapting either the
navigation or the presentation of contents depending on one or more selected users’ characteristics. There is no
environment that supports both simultaneously. In addition, many user characteristics are disregarded during the
adaptivity process. Thus, there is a need to develop a new adaptive eLearning environment able to eliminate
these drawbacks. This dissertation, therefore, designs a new Metadata-driven Adaptive eLearning Environment
(MAeLE). MAeLE generates personalized eLearning courses along with building an adequate navigation at run-
time. Adaptivity depends mainly on providing contents with their describing metadata, which are stored in a
separate database, thus enabling reusing of eLearning contents. The relation between the metadata that describe
contents and those describing learners are defined accurately, which enables a dynamic building of personalized
courses at run-time. A prototype for MAeLE is provided in this dissertation as well.

















VIIIZusammenfassung


Mobilkommunikationsnetze erleben eine enorme Entwicklung, die durch die über Telephonie hinaus zahlreichen
neuen Applikationen und Dienste zu sehen ist. Der große Erfolg des Internets sowie die Anforderung von
„always-on“ Konnektivität hat die Entwicklung von All-IP Mobilkommunikationsnetzen angetrieben. Eine der
wesentlichen Herausforderungen in diesen Netzen ist die Entwicklung von Mobilitätsmanagementansätzen, die
die Echtzeitanforderungen erfüllen können. Dieser Herausforderung stellt sich die Dissertation.
Die Dissertation liefert eine detaillierte Analyse der Mobilitätsmanagementthematik in IP-basierten
Mobilkommunikationsnetzen. Die Vor- und Nachteile verschiedener Konzepte zur
Mobilitätsmanagementimplementierung in verschiedenen Schichten des TCP/IP Protokollstapels werden
untersucht. Die Dissertation beschreibt die bekannten Ansätze jeder Schicht des TCP/IP Protokollstapels und
stellt eine Klassifikation dieser Ansätze vor. Die Analyse zeigt, dass die Mobilitätsmanagementansätze der
Vermittlungsschicht am besten dafür geeignet, die Anforderungen der zukünftigen All-IP Netze zu erfüllen. Die
Dissertation liefert deshalb einen umfassenden Überblick von diesen Ansätzen zusammen mit einer Diskussion
der Vor- und Nachteile jedes Ansatzes. Die Ergebnisse der Analyse zeigen, dass die in der Literatur
vorgeschlagenen Ansätze die Performance zu verbessern versuchen, in dem sie entweder die Netzwerktopologie
(z.B. Verlangen von einer hierarchischen Topologie, Einführung von neuen Knoten ins Netz, usw.) oder die
Mobilgeräte (z.B. Verlangen von zahlreichen Messungen, usw.) mit hohen Anforderungen belasten. Deshalb ist
eine neue Technik erforderlich, die das Handoff schnell durchführt ohne die Performance von laufenden
Applikationen zu beeinflussen. Die neue Technik darf weder die Netzwerktopologie beschränken, noch die
Mobilgeräte mit hohen Anforderungen belasten. Um die gestellten Anforderungen zu erfüllen, schlägt die
Dissertation einen Lösungsansatz namens „Mobile IP Fast Authentication Protocol (MIFA)“ vor. MIFA
garantiert nahtlose Handoffs und verbessert den Stand der Technik. Die Basisidee sagt, dass die Bewegung von
Mobilgeräten in der Realität auf Nachbarsubnetze beschränkt ist. Darauf basierend ermöglicht eine im Voraus
realisierte Bereitstellung von ausreichenden, auf Mobilgeräte bezogenen Daten in diesen Nachbarsubnetzen eine
schnelle Authentifizierung der Mobilgeräte nach dem Handoff. Die Dissertation spezifiziert den neuen Ansatz
sowohl für IPv4 als auch IPv6. Fehlerbehebungsmechanismen sind in den Spezifikationen des Ansatzes
sorgfältig definiert. MIFA macht Einschränkungen weder auf die Netzwerktopologie noch auf die Mobilgeräte.
Um den im Rahmen dieser Arbeit vorgeschlagenen Mobilitätsmanagementansatz im Vergleich zu einem breiten
Spektrum von Mobilitätsmanagementansätzen evaluieren zu können, schlägt die Dissertation ein generisches
mathematisches Modell vor, das die Auswertung von Metriken wie durchschnittliche Handoff-Latenz,
Durchschnittszahl von verlorenen Paketen, Standortaktualisierungskosten usw. ermöglicht. Darüber hinaus
nimmt das generische mathematische Modell die verlorenen Kontrollnachrichten in Betracht und ermöglicht es,
beliebige Netzwerktopologien und Mobilitätsszenarien einzusetzen. Um das generische mathematische Modell
zu validieren, vergleicht die Dissertation seine Ergebnisse mit Simulationsergebnissen sowie mit Ergebnissen
realer Testumgebungen unter denselben Bedingungen. Die Validierung beweist, dass das generische
mathematische Modell eine akkurate Auswertung der Performance in unbelasteten Netzen liefert. Die
Genauigkeit des Modells bleibt sogar unter hohen Lasten akzeptabel. Simulationsergebnisse liegen in einem
± 23 % von den Ergebnissen des generischen Modells. Die Ergebnisse realer Testumgebungen Bereich von
liegen hingegen in einem Bereich von ± 30 % gegenüber den Ergebnissen des generischen Modells. Um die
Analyse mit Hilfe des generischen mathematischen Modells zu vereinfachen, sind 4 neue Werkzeuge im
Rahmen dieser Arbeit entwickelt worden. Sie automatisieren die Parametrisierung von Mobilitätsprotokollen,
Netzwerktopologien und Mobilitätsszenarien.
Eine Auswertung des neuen Mobilitätsmanagementansatzes im Vergleich zu bekannten Ansätzen, z.B. Mobile
IP, Handoff-Aware Wireless Access Internet Infrastructure (HAWAII), usw. wurde mittels des generischen
mathematischen Modells und anhand von Simulationsstudien mit dem Netzwerksimulator 2 durchgeführt. Die
Ergebnisse der Auswertung beweisen, dass MIFA ein sehr schnelles Mobilitätsmanagementprotokoll darstellt.
Es unterbietet alle analysierten Protokolle im Bezug auf die Handoff-Latenz und Anzahl der verlorenen Pakete
pro Handoff. MIFA ist sowohl für langsame als auch für hohe Geschwindigkeiten geeignet. Es gibt keine
bedeutsame Auswirkung der Netzwerktopologie auf seine Leistung. Ein Hauptvorteil von MIFA ist seine
Robustheit gegen verlorene Steuernachrichten. Es bleibt in der Lage, schnelle Handoffs durchzuführen, selbst
wenn Steuernachrichten verloren gehen. Die Leistungsverbesserung ist jedoch auf Kosten der Einführung von
extra Steuernachrichten zurückzuführen. Dies führt dazu, dass mehr Standortaktualisierungskosten als bei den
IXanderen analysierten Mobilitätsmanagementprotokollen produziert werden. Im Bezug auf die Kosten des
Sendens von Datenpaketen generiert MIFA genau soviel Kosten wie Mobile IP und weniger als andere Ansätze.
Ein zusätzliches Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung einer adaptiven eLearning Umgebung, die eine
Personalisierung der eLearning Inhalte ermöglicht. Die Inhalte dieser Umgebung umfassen die im Rahmen
dieser Arbeit behandelten Themen. Unser Ziel ist auf einer Seite die Forscher schnell an Forschung ran zu
lassen. Auf der anderen Seite sollen Lernende wie Studenten nicht mit viel detailliertem Inhalt belastet werden.
Die Analyse vorhandener eLearning Umgebungen zeigt, dass es einen Mangel an der Adaptivität gibt.
Vorhandene Umgebungen konzentrieren sich hauptsächlich darauf, entweder die Navigation oder die
Darstellung des Inhalts nach einem oder mehreren ausgewählten Nutzermerkmalen zu adaptieren. Sie
ermöglichen es nicht, die Navigation und die Darstellung des Inhaltes gleichzeitig zu adaptieren. Viele
Merkmale des Nutzers werden in dem Adaptivitätsprozess vernachlässigt. Deshalb ist es erforderlich, eine neue
adaptive eLearning Umgebung zu entwickeln, die die Schwächen vorheriger Umgebungen vermeidet und die im
Rahmen dieser Arbeit behandelten Themen passend personalisiert. Die Dissertation stellt deshalb eine neue
eLearning Umgebung Namens „Metadata-driven Adaptive eLearning Environment (MAeLE)“ dar. MAeLE
generiert personalisierte eLearning Kurse zusammen mit adaptierter Navigation zur Laufzeit. Die
Anpassungsfähigkeit basiert darauf, die Inhalte mit Metadaten zu versehen, die in einer eigenen Datenbank
gespeichert werden. Die Metadaten beschreiben die Inhalte und indizieren, zu welchen Nutzertypen sie geeignet
sind. Die neue Umgebung ist prototypisch implementiert.




























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