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1 画像情報特論 (10) - モバイル ワイヤレス FMC/IMS FMC/IMS NGN 情報ネットワーク専攻甲藤二郎 katto@waseda.jp 総務省資料 (1) 総務省資料 (2) 出典 : 総務省 (2006) 出典 : 総務省, 通信 放送の在り方に関する懇談会 (2006) 総務省資料 (3) 総務省資料 (4) FMC: Fixed-Mobile Convergence, One-Phone Service 出典 : 総務省, 通信 放送の在り方に関する懇談会 (2006) 出典 : 総務省,IP 時代における電気通信番号の在り方に関する研究会 (2006) 1

2 FMC の例 : 英国と韓国 総務省資料 (5) IMS: IP Multimedia Subsystem IMS SIP シグナリング その他のアクセス (IP アクセス ) パケット系アクセス IP Multimedia Subystem (IMS) パケット交換網 All IP Network IP Multimedia Network IP Network 回線交換系アクセス 回線交換網 PSTN 出典 : 総務省,IP 時代における電気通信番号の在り方に関する研究会 (2006) 3GPP IMS R5/R6 UMA: Unlicensed Mobile Access UMA 家庭内の各種無線アクセスポイントを携帯電話基地局として扱う仕組み NGN: Next Generation Network Based on 3GPP IMS IP Connectivity Access Network And related functionality NGN User Profile Applications Other Multimedia Components Streaming Services (RTSP based) Legacy Terminals GW Service layer Transport layer Network Attachment Subsystem NASS PSTN / ISDN Emulation (SIP-I based) IP Multimedia Component (Core IMS) (SIP based) Resource and Admission Control Subsystem RACS Other Networks Customer Networks Access Transport Network Core transport Network NGN Terminals 3GPP Terminals 3GPP IP-CAN ( 参考 ) ETSI TISPAN 資料 download channel ITU-R R M.1645 Digital Broadcast Cellular 2nd gen. Services and applications New Radio Interface IP Wireline Packet based xdsl Core Network IMT-2000 WLAN type Triple Play: Voice + Video + Data Quadruple Play Quadruple Play: Voice + Video + Data + Mobile/Cellular (FMC) Short Range Connectivity other entities 2

3 Mobile IPv4 ( 制御フェーズ ) Mobile IP (1) モビリティ管理 (Corresponding Node) HA (Home Agent) L3 モビリティ : Mobile IP Registration (CoA) L7 モビリティ : SIP Mobility FA (Foreign Agent) (Mobile Node) Router Advertisement ホームアドレス (: ホーム ) 気付アドレス (CoA: 先 ) Mobile IPv4 ( 転送フェーズ ) Mobile IP (2) IP アドレス Mobile IPv4 ( 定義と手順 ) Mobile IP (3) (Corresponding Node) HA (Home Agent) 定義 : (Mobile Node): 端末 CoA (Care of Address): 気付アドレス ( 共存気付と外部気付 ) HA (Home Agent): 元エージェント FA (Foreign Agent): 先エージェント (Corresponding Node): 通信相手 FA (Foreign Agent) カプセル化 CoA (Mobile Node) ホームアドレス (: ホーム ) 気付アドレス (CoA: 先 ) 共存気付アドレスの場合 : が FA から CoA をもらう (Discovery: Advertisement, DHCP 等 ) が HA に CoA を登録する (Registration) からのパケットを HA が にカプセル化転送する (Delivery) は 受信パケットのカプセル化をほどきを受信 は 送信元アドレスは のまま に対してパケットを送信 Mobile IP (4) Route Optimization ( 三角経路の回避オプション ) Fast Handover (1) 概要 Mobile IP (5) (Corresponding Node) Binding Update (CoA) HA (Home Agent) 課題 : ハンドオーバー処理 (1) シグナリング遅延の削減 (2) パケットロスの削減 FA #1 FA #2 Registration (CoA) 対策 : (1) 階層化 MIP (HMIP) FA (Foreign Agent) (Mobile Node) (2) バッファリング (3) バイキャスティング CoA に変更が必要 3

4 Mobile IP (6) Mobile IP (7) Fast Handover (2) 階層化 MIP HA Fast Handover (3) バッファリングとバイキャスティング Buffering (Fast MIP) Bi-casting (Simultaneous Binding) MAP FA の階層化 階層化ドメイン内のみのシグナリング MAP を跨がない限りはシグナリング遅延が低減される MAP: Mobility Anchor Point AR: Access Router Old FA New FA Old FA New FA AR1 AR2 AR3 AR4 Regional Registration パケットロスの削減 : HMIP との組み合わせも可能 ( を MAP に置き換える ) Mobile IP (8) Mobile IP (9) Mobile IPv6 ( & 制御 ) (Corresponding Node) + Binding Update (CoA) カプセル化 ではなく IPv6 オプション IPv6 Router FA (Foreign Agent) CoA HA (Home Agent) Registration (CoA) (Mobile Node) ホームアドレス (: ホーム ) 気付アドレス (CoA: 先 ) Mobile IPv6 ( 定義と手順 ) IPv4 との違い : FA の廃止 : IPv6 Stateless Address Autoconfiguration Home Address Option: は発信元アドレスを CoA として送信 Destination Option: Binding Update をパケットに乗せられる Route Optimization を (MIP 拡張ではなく ) IPv6 としてサポート MIPv6 の手順 : が CoA を取得する (Stateless Address Autoconfiguration) が HA に CoA を登録する (MIP Registration) からのパケットが HA からカプセル化されて に転送 は Binding Update を乗せて にパケットを送信 以降 と は HA を介さずにパケットを送受信 プレコール モビリティ : セッション前 SIP モビリティ (1) ミッドコール モビリティ : セッション中 SIP モビリティ (2) SIP Location Server SIP Location Server 3 SIP Invite Client Moved 5 SIP Invite ( ) 6 ( ) 7 VoIP or streaming 2 Registration ( 事前登録 ) 9 Moves ( ) 10 SIP Re-Invite ( ) SIP OK ( ) 12 VoIP or streaming 13 Re-registration ( 事後登録 ) 1 アドレス取得 DHCP Server Old AR New AR 8 アドレス取得 MIP Route Optimization と同様の手順 SIP セッションの再接続 ( 再接続中のドロップは大丈夫?) 4

5 SIP モビリティ (3) MIP Mobility vs. SIP Mobility パーソナルモビリティ SIP Location Server Mobile IP SIP Mobility の単位 端末 (IP アドレス ) ユーザ (SIP URL) 2 Invite / Client Moved レイヤ L3 L7 三角経路問題 あり (MIPv4) なし 対策 (1) Route Optimization (MIPv4) 3 VoIP or streaming 1 Registration ( 事前登録 ) sip:jiro@foo.com place#3.foo.com ハンドオフ対策 (2) MIPv6 HA への再登録遅延要因 : アドレス取得遅延 +HA までのラウンドトリップ遅延 対策 (1) Hierarchical MIP (localization) Location Server への再登録 遅延要因 : アドレス取得遅延 +Location Server までのラウンドトリップ遅延 (2) バッファリング (loss reduction) (3) バイキャスティング (loss reduction) Place #1 Place #2 Place #3 端末 ではなく 人 に合わせたモビリティ ただし 共存は可能 IEEE 無線 LAN ワイヤレス IEEE e (WiFi Multimedia) PHY Layer MAC Layer Infra-Red 2.4GHz FHSS 2.4GHz DSSS 5GHz OFDM n MIMO DCF/PCF (RTS/CTS) e: QoS Enhancement i : Enhanced Security n: Enhanced MAX (1/2Mbps) b (5.5/11Mbps) g (6~54Mbps) a (6~54Mbps) IEEE DCF DCF: Distributed Coordinated Function Service Differentiation 無線 LAN のQoS 拡張 RTS/CTS/DATA/ S D O RTS: RequestToSend CTS: ClearToSend NAV: Network Allocation Vectors SIFS: Short Inter-Frame Space DIFS: Distributed Inter-Frame Space Single Priority Multiple Priorities DCF PCF DCF PCF parameter differentiation (contention window, DIFS, packet length, etc..) DFS (distributed fair scheduling) VMAC (virtual MAC) priority queueing EDCA (Enhanced DCF Access) HCCA (HCF Controlled Channel Access) IEEE e 5

6 IEEE EDCF (1) EDCF: Enhanced Distributed Coordinated Function サービス毎に異なるバックオフ時間の設定による差別化 実験例 IEEE EDCF (2) WME: WiFi Multimedia Extension AC: Access Categories AIFS: Arbitration Inter-Frame Space CW: Contention Window パラメータの設定例 AC (Access CW (contention AIFS Categories) window) Voice 2 3 Video 2 7 Best Effort 3 15 Background 7 15 ITU-T Workshop on Home Networking and Home Services, June ( 参考 ) TCP/IP Header Compression ヘッダ圧縮 20~60 20~ IP TCP RFC 1144 RFC 2508: Compressing IP/UDP/RTP Headers for Low Speed Serial Links RFC 3095: Robust Header Compression 3~ compressed header IP/UDP/RTP Header Compression (CRTP) 20~ 8 12 IP UDP RTP RFC 2508 FULL_HEADER CRTP の圧縮モード IP UDP RTP 無圧縮 ( 状態初期化 ) COMPRESSED_RTP 圧縮 (2 バイト ~) 2~ compressed header (COMPRESSED_RTP) COMPRESSED_UDP 圧縮 CONTEXT_STATE エラー通知用 ( フィードバック ) COMPRESSED_NON_TCP RFC 2507 (IP Header Compression) 無圧縮 ( 状態初期化 ) 無圧縮 6

7 必須 変化時必須 COMPRESSED_RTP 1 byte CID の MSB CID の MSB M S T I seq UDP チェックサム IP カプセル化 M S T I CC IPv4 ID の差分 RTP シーケンスナンバの差分 RTP タイムスタンプの差分 CSRC リスト M S T I RTP M- ビット RTP シーケンスナンバ RTP タイムスタンプ IP ヘッダ ID 番号 MSTI = 1111 の場合 (CSRC 用 ) I or I = 1 S or S = 1 T or T = 1 CID: Context ID は FULL_HEADER で通知 40 バイト 2 バイト ~ ROHC (Robust Header Compression) CRTP の欠点 CRTP は もともとダイヤルアップ回線のような有線系を想定している 無線リンクのような誤り率や遅延の大きい系は想定外 パケット廃棄が頻発すると 正しく復号できない ( 同期はずれの ) 状態が継続 さらに パケット廃棄のたびに CONTEXT_STATE パケット ( 初期化要求パケット ) が返され リンクを圧迫 ROHC (Robust Header Compression) (1) 無線リンクの通信状況に応じて動的に 状態 を切り替え もっとも適切なヘッダ圧縮手段を適応的に選択する方式 (2) はじめはセルラー網 (2.5G/3G 網 ) 上の VoIP を想定していたが 最近では 無線 LAN 上の VoIP (VoWLAN) への適用例も報告 RFC 3095 ROHC のフィールド分類 IP/UDP/RTP ヘッダの各フィールドのクラス分類 送信側の状態遷移 ROHC の状態遷移 (1) 受信側の状態遷移 INFERED: 他のフィールドから推測可能な値 ( 例 : ペイロード長 ) STATIC: セッション中に変化しない値 ( 例 : バージョン番号 ) STATIC-DEF: パケット定義 Static フィールド (IP アドレスとポート番号 ) STATIC-KNOWN: 通知不要 Static フィールド CHANGING: 頻繁に変化する Dynamic フィールド ( 例 : シーケンスナンバ タイムスタンプ Mビット等 ) FO IR 通信状況に応じて遷移 SO IR: Initialization & Refresh ( 初期化 ) すべてのフィールド情報を送信 FO: First Order ( 遷移 ) Dynamic フィールドのみ更新 SO: Second Order ( 安定 ) 最小フィールドのみ更新 NO CONTEXT FAILURES SUCCESS SUCCESS STATIC CONTEXT FAILURES FULL CONTEXT NC: No Context ( 初期化 ) 有効なヘッダ情報なし SC: Static Context ( 遷移 ) Dynamic フィールドの更新が必要 FC: Full Context ( 安定 ) すべてのフィールド情報を正しく復号 S.Rein et al: Voice Quality Evaluation for Wireless Transmission with ROHC, June 転送モードの遷移 ROHC の状態遷移 (2) 送信側の状態とモードの遷移 ROHC のヘッダ圧縮 各フィールドの動作分析と予測に基づく符号化 Optimistic mode Unidirectional mode 受信者からのフィードバックに応じて遷移 Reliable mode Unidirectional mode セッション開始時 & 片方向セッション Optimistic mode 両方向セッション 消極的なフィードバック Reliable mode 両方向セッション 積極的なフィードバック FO IR Unidirectional mode FO SO Optimistic mode IR SO FO IR SO Reliable mode 各フィールドの取りうる値の分析に基づき できる限り 過去に符号化した値 ( 参照値 ) からフィールド値を予測 ( 暗示的にパケットタイプで更新通知 ) 値を明示的に送信する場合は 下記の方式に従って符号化実行 Window based LSB encoding: フィールドの取りうる値のレンジに応じて使用するビット数を決め (LSB encoding) 過去に符号化した複数個の値から動的にウィンドウを更新し ウィンドウ内最小値に対するオフセット値として送信フィールド値を符号化 Self describing variable length value: 先頭ビットを のいずれかにすることで符号化ビット数を確定し ( 順に ビット ) 送信フィールド値を符号なし整数として符号化 7

8 Header compression algorithms with HDLC as link layer Bit error rate Consecutive packets lost ROHC のパケットフォーマット 状態 と モード に応じて 非常に多数の パケットタイプ を定義 パケットロス率 ROHC の特性評価例 バースト廃棄の分布 HDLC,BER: byte CRTP ROCCO IDEAL HC ROCCO CRTP Add-CID base header 必須 CID: 初期化時に通知される識別 ID base header: パケットタイプの識別と パケットタイプに応じた dynamic フィールドの更新通知 Packet loss rate [%] Loss events [%] extended header extended header: パケットタイプに応じて追加されるヘッダ 横軸 : ビットエラー率 (BER) 横軸 : パケットの連続廃棄数 縦軸 : パケットロス率 (PER) 縦軸 : 頻度 RTP ROHC は CRTP よりも理想値に近い振る舞い ROHC は CRTP よりもバースト廃棄が少ない L.E.Jonsson et al: Header Compression for IP-Telephony over Cellular Links, July SIP Security (1) HTTP 認証 (Digest 認証 ) : ユーザ認証 セキュリティ 認証なし User A User B 認証あり User A User B SIP Security ( シグナリングレベル ) 401 Unauthorized challenge RFC 3711: Secure RTP ( セッションレベル ) 認証情報 Authorization: 暗号化されたユーザ名とパスワード プロキシ経由 : ユーザ認証 SIP Security (2) User A Proxy User B RTP/RTCP パケットの暗号化 SDP に暗号化情報を含める Secure RTP 407 Proxy Authentification User A User B Proxy 認証情報 Proxy Authorization 401 Unauthorized 401 Unauthorized SDP 暗号情報 SDP User 認証情報認証情報 Proxy Authorization + Authorization User 認証情報 Authorization セキュア通話 暗号情報 8

9 授業のまとめ 5 ストリーミング ( 放送 ) まとめ 4 VoIP ( 通信 ) 3 アダプテーション (RTP, TFRC) Internet 1 TCP/IP 7 モバイル ワイヤレス 2 デジタル圧縮 (MPEG, H.26X) 6 配信 (CDN, P2P) 8セキュリティ 9 DRM 10センサー 11 ホームネットワーク 9

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