Π Τ Υ Χ Ι Α Κ Η Ε Ρ Γ Α Σ Ι Α

Transcript

1 ΑΝΩΤΑΤΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΠΕΙΡΑΙΑ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ Η/Υ, ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ & ΙΚΤΥΩΝ Εργ. Τεχνολογίας Λογισμικού & Υπηρεσιών S 2 E Lab Π Τ Υ Χ Ι Α Κ Η Ε Ρ Γ Α Σ Ι Α Σπουδαστής: ΚΟΚΚΑΛΗΣ Π. ΙΩΑΝΝΗΣ Θέμα: Αποτίμηση μεθόδων πρόσβασης επιπέδου MAC και ο ρόλος τους στην προσφορά Ποιότητας Υπηρεσιών. Μελέτη περίπτωσης: Κινητά αυτοοργανούμενα δίκτυα (MANETs) Εισηγητής:. Ν. Καλλέργης, MSc. Εργ. Συνεργάτης Πειραιάς S 2 Ε Lab Φεβρουάριος 2011

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Καλλέργη ημήτριο για την δυνατότητα που μου έδωσε να ασχοληθώ με ένα αρκετά ενδιαφέρον θέμα και για την στήριξή του σε όλη τη διάρκεια της πτυχιακής μου εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου για την στήριξή της σε όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. 2

3 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΛΙΣΤΑ ΕΙΚΟΝΩΝ... 6 ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ... 9 ΛΙΣΤΑ ΓΡΑΦΗΜΑΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πρόλογος Σκοπός πτυχιακής εργασίας ομή πτυχιακής εργασίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Mobile Ad-Hoc Networks (MANETs) ΚΑΙ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ (QoS) Ορισμός MANET Χαρακτηριστικά MANETs Τοπολογία του δικτύου Μοντέλα κίνησης κόμβων σε ένα Mobile Ad-Hoc Network Random Way Point Model Random Direction Moving Model Random Walkers Moving Model Τεχνολογίες MANET Bluetooth UWB HiperLAN/ IEEE IEEE HomeRF Εφαρμογές Mobile Ad-Hoc δικτύων ρομολόγηση στα κινητά αυτοοργανούμενα δίκτυα (MANETs) ρομολόγηση με περιορισμούς ποιότητας υπηρεσιών (QoS) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΤΟ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ MAC ΤΟΥ IEEE Ασύρματα τοπικά δίκτυα(wlans) Γενικά για το πρότυπο IEEE Αρχιτεκτονική πρωτοκόλλων του IEEE Το φυσικό στρώμα Το υπόστρωμα MAC και η DCF λειτουργία του Inter-Frame Spacing (IFS) Μορφή πλαισίων Ανίχνευση φέροντος Μηχανισμός RTS/CTS Κατακερματισμός(Fragmentation) Επιβεβαιώσεις ACK Αποτυχημένες μεταδόσεις-λήψη πολλαπλών αντιγράφων Βασική πρόσβαση-οπισθοχώρηση ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΙΚΤΥΩΝ WLAN ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ OPNET Επιλογή της πλατφόρμας προσομοίωσης Η πλατφόρμα προσομοίωσης OPNET

4 4.2.1 Βασικά χαρακτηριστικά του OPNET Modeler Το μοντέλο OPNET WLAN Τοπικές μεταβλητές ιαθέσιμα στατιστικά δεδομένα Αρχιτεκτονική κόμβων ημιουργία κίνησης στο μέσο Ασύρματη επικοινωνία πομποδεκτών(radio Tranceiver Pipeline) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΑΝΑΛΥΣΗ ΟΛΩΝ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΤΟΥ PROJECT ημιουργία Project ημιουργία δικτύου Επιλογή στατιστικών Επιλογή χαρακτηριστικών(attributes) σε όλα τα επίπεδα Χαρακτηριστικά Application Config Χαρακτηριστικά Profile Config Χαρακτηριστικά wlan ftp server Χαρακτηριστικά client ftp ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Αποτελέσματα προσομοίωσης (Wireless Lan Statistics) Delay (sec) Load (bits/sec) Media Access Delay (sec) Throughput(bits/sec) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΕΠΕΞΗΓΗΣΗ ΤΩΝ ATTRIBUTES ΣΕ ΟΛΑ ΤΑ ΕΠΙΠΕ Α(Server-Client) Wireless Lan Parameters(Server-Client) TCP Parameters (Server) IP (host) Parameters (Server-Client) Applications Parameters (Server-Client) Ad-Hoc Routing Parameters(AODV Parameters) Server-Client Server Parameters (Server-Client) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8. ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΕΠΕΞΗΓΗΣΗ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΩΝ ΓΡΑΦΙΚΩΝ (Wireless Lan Mac Statistics) Επεξήγηση γραφικών Ανάλυση γραφικών(wireless Lan Mac Statistics) Backoff Slots (slots) Channel Reservation (sec) Control Traffic Rcvd (bits/sec) Control Traffic Rcvd (packets/sec) Control Traffic Sent (bits/sec) Control Traffic Sent (packets/sec) Data Traffic Rcvd (bits/sec) Data Traffic Rcvd (packets/sec) Data Traffic Sent (bits/sec) Data Traffic Sent (packets/sec)

5 Dropped Data Packets (bits/sec) Dropped Data Packets (packets/sec) Hld Queue Size (packets) Load (packets) Retransmission Attempts ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ- ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΞΕΝΟΓΛΩΣΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΕΛΛΗΝΙΚΗ

6 ΛΙΣΤΑ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα :Παράδειγμα Mobile Ad-Hoc δικτύου Εικόνα :Γραφικό μοντέλο της δυναμικής τοπολογίας ενός MANET Εικόνα :Επίπεδη Αρχιτεκτονική Εικόνα :Ιεραρχική Αρχιτεκτονική Εικόνα :Random Way Point μοντέλο Εικόνα :Random Direction Moving Model Εικόνα :Random Walker Model Εικόνα :Scatternet Εικόνα :HandSet εφαρμογές που χρησιμοποιούν το πρότυπο UWB Εικόνα :Πιθανό σενάριο : συνθήκες πολέμου Εικόνα 2.8.1:Ροή:Η ποιότητα υπηρεσιών έχει νόημα μόνο για μια ροή ενός σηγκεκριμένου ζεύγους πηγής-προορισμού Εικόνα :Συνδέσεις με σταθερό εύρος ζώνης σε ένα δίκτυο Εικόνα : ίκτυο με υποδομή Εικόνα :Ad-Hoc δίκτυο Εικόνα :Η στοίβα πρωτοκόλλων του IEEE Εικόνα :Σχέση των διαφόρων IFS Εικόνα :Γενική μορφή MAC πλαισίων Εικόνα :Πεδίο Frame control Εικόνα :Πεδίο Sequence control Εικόνα :RTS πλαίσιο Εικόνα :CTS πλαίσιο Εικόνα :ACK πλαίσιο Εικόνα :Επεξήγηση της εικονικής ανίχνευσης φέροντος Εικόνα :Το πρόβλημα των κρυμμένων τερματικών Εικόνα :Κατακερματισμός Εικόνα :Μετάδοση κατακερματισμένης MSDU Εικόνα :Ανταγωνισμός 5 σταθμών για το φυσικό μεσο Εικόνα :Ιεραρχία editors του OPNET Modeler Εικόνα :Παλέτα αντικειμένων για το μοντέλο ασύρματου τοπικού δικτύου Εικόνα :Πίνακας ορισμού μεταβλητών ασυρμάτου τοπικού δικτύου(wlan) 96 Εικόνα :Εσωτερική αρχιτεκτονική κόμβων απλού σταθμού και σταθμού εργασίας στο συντάκτη κόμβου του OPNET Εικόνα :Ιεραρχία σταδίων υλοποίησης ασύρματης σωλήνωσης πομποδεκτών Εικόνα :Opnet modeler 14.0(α) Εικόνα :Opnet modeler 14.0(β) Εικόνα :Ονομασία Project Εικόνα :Αρχική τοπολογία Εικόνα :Κλίμακα δικτύου Εικόνα :Μέγεθος δικτύου Εικόνα :Επιλογή μοντελου

7 Εικόνα :Έλεγχος επιλογών Εικόνα :Παλέτα αντικειμένων Εικόνα :Γρήγορη διαμόρφωση Εικόνα :Εισαγωγή Wlan workstation(mobile nodes) Εικόνα :Εισαγωγή Wlan Server Εικόνα :Εισαγωγή Profile Config - Application Config Εικόνα :Μετονομασία των κόμβων του δικύου Εικόνα :Εισαγωγή τροχιάς(trajectory) Εικόνα :Ολοκλήρωση δημιουργίας δικτύου Εικόνα :Στατιστικές δικτύου Εικόνα :Στατιστικές Client FTP(FTP Statistics) Εικόνα :Στατιστικές Client FTP(Wlan Statistics) Εικόνα :Στατιστικές Wlan FTP Server(FTP Statistics) Εικόνα :Στατιστικές Wlan FTP Server(Wlan Statistics) Εικόνα :Στατιστικές υπολοίπων κόμβων του δικτύου(wlan Statistics) Εικόνα : ιαμόρφωση εφαρμογής(α) Εικόνα : ιαμόρφωση εφαρμογής(β) Εικόνα : ιαμόρφωση εφαρμογής(γ) Εικόνα : ιαμόρφωση προφίλ(α) Εικόνα : ιαμόρφωση προφίλ(β) Εικόνα : ιαμόρφωση προφίλ(γ) Εικόνα :Καθορισμός ονόματος (Server) Εικόνα :Καθορισμός παραμέτρων δρομολόγησης (Server) Εικόνα :Καθορισμός προορισμού(α) Server Εικόνα :Καθορισμός προορισμού(β) Server Εικόνα :Καθορισμός προφίλ(α) Server Εικόνα :Καθορισμός προφίλ(β)server Εικόνα :Καθορισμός υπηρεσιών(α) Server Εικόνα :Καθορισμός υπηρεσιών(β) Server Εικόνα :Καθορισμός IP παραμέτρων(server) Εικόνα :Καθορισμός TCP παραμέτρων Server Εικόνα :Καθορισμός Wlan παραμέτρων(server) Εικόνα :Καθορισμός ονόματος (client) Εικόνα Καθορισμός παραμέτρων δρομολόγησης(client) Εικόνα :Καθορισμός προορισμού(α)client Εικόνα :Καθορισμός προορισμoύ(β)client Εικόνα :Καθορισμός προφίλ(α)client Εικόνα :Καθορισμός προφίλ(β)client Εικόνα :Καθορισμός υπηρεσιών(client) Εικόνα :Καθορισμός IP παραμέτρων(client) Εικόνα :Καθορισμός Wlan παραμέτρων(client) Εικόνα 6.1.1: ημιουργία προσομοίωσης Εικόνα :Παράμετροι Wireless LAN(wlan ftp server) Εικόνα :Παράμετροι Wireless LAN(client ftp)

8 Εικόνα :Παράμετροι TCP(wlan ftp server) Εικόνα :Παράμετροι IP(host) (wlan ftp server) Εικόνα :Παράμετροι IP(host) (client ftp) Εικόνα :Παράμετροι εφαρμογών(wlan ftp server) Εικόνα :Παράμετροι εφαρμογών(client ftp) Εικόνα :Παράμετροι δρομολόγησης(aodv) (wlan ftp server) Εικόνα :Παράμετροι δρομολόγησης(aodv) (client ftp) Εικόνα :Παράμετροι εξηπηρετητή(wlan ftp server) Εικόνα :Παράμετροι εξηπηρετητή(client ftp) Εικόνα :Περιπτώσεις γραφικών(wlan mac statistics)

9 ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας : Τεχνολογίες Mobile Ad Hoc Network Πίνακας 3.2.1: Πρότυπα της σειράς IEEE Πίνακας 3.5.1: Πεδίο Type Πίνακας 3.5.2: ιευθύνσεις του πλαισίου MAC Πίνακας 3.5.3: Πλαίσια και τιμές του πεδίου Duration αυτών

10 ΛΙΣΤΑ ΓΡΑΦΗΜΑΤΩΝ Γράφημα 3.5.1: Εκθετική αύξηση του CW Γράφημα :Καθυστέρηση Wlan FTP server Γράφημα :Φορτίο Wlan FTP server Γράφημα :Καθυστέρηση πρόσβασης στο μέσο Wlan FTP server Γράφημα :Throughput Wlan FTP server Γράφημα :Slots οπισθοχώρησης Γράφημα : έσμευση καναλιού Γράφημα :Λήψη πλαισίων(bits/sec) Γράφημα :Λήψη πλαισίων(packets/sec) Γράφημα :Αποστολή πλαισίων(bits/sec) Γράφημα :Αποστολή πλαισίων(packets/sec) Γράφημα :Λήψη δεδομένων(bits/sec) Γράφημα :Λήψη δεδομένων(packets/sec) Γράφημα :Αποστολή δεδομένων(bits/sec) Γράφημα :Αποστολή δεδομένων(packets/sec) Γράφημα :Απώλεια πακέτων δεδομένων(bits/sec) Γράφημα :Απώλεια πακέτων δεδομένων(packets/sec) Γράφημα :Όγκος των frames (packets) Γράφημα :Φορτίο εξυπηρετητή (packets) Γράφημα :Αναμεταδώσεις πακέτων (packets)

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Πρόλογος Τα τελευταία χρόνια, όλο και περισσότερο, γίνεται λόγος για την ασύρματη επικοινωνία. Ο χώρος της ασύρματης επικοινωνίας και των προτύπων, τα οποία καθορίζουν, βρίσκεται στο επίκεντρο του ερευνητικού ενδιαφέροντος πολλών επιστημονικών ομάδων ανά τον κόσμο. Μεγάλες εταιρίες, αλλά και πανεπιστημιακές ομάδες αναπτύσσουν ανταγωνιστικές τεχνολογίες ασύρματων δικτύων με σκοπό την κυριαρχία σε μια αγορά που αναμένεται στα επόμενα χρόνια να εκτοξευτεί σε μερικά δισεκατομμύρια δολάρια. Ασύρματα δίκτυα υπάρχουν εδώ και αρκετά χρόνια από διάφορους κατασκευαστές, αλλά η ταχύτητα που προσέφεραν ήταν μικρή και δεν υπήρχε συμβατότητα μεταξύ τους. Πλέον έχουν τυποποιηθεί νέα πρότυπα, τα οποία παρέχουν μεγαλύτερη ευκολία, όπως για παράδειγμα το Bluetooth. Μια κατηγορία ασύρματων δικτύων είναι και τα Mobile Ad Hoc Network γύρω από τα οποία, τα τελευταία χρόνια υπάρχει μεγάλη κινητικότητα και έρευνα καθώς γίνεται αντιληπτό ότι η επόμενη γενιά συστημάτων ασύρματης επικοινωνίας θα βασίζεται σε ανεξάρτητους, ασύρματους χρήστες χωρίς καμιά κεντρικοποιημένη υποδομή.πάνω σε αυτή την κατηγορία των ασυρμάτων δικτύων (MANETs) θα βασιστεί κατά κύριο λόγο η εργασία αυτή. 11

12 1.2 Σκοπός πτυχιακής εργασίας Σκοπός αυτής της πτυχιακής εργασίας είναι η αποτίμηση μεθόδων πρόσβασης επιπέδου MAC και ο ρόλος τους στην ποιότητα υπηρεσιών (QoS). Συγκεκριμένα, η μέθοδος στην οποία γίνεται αναφορά στην παρούσα εργασία είναι η DCF(Distributed Coordination Function), η οποία βασίζεται στο πρότυπο ΙΕΕΕ (PHY Layer) και συγκεκριμένα στο IEEE b, το οποίο είναι μια παραλλαγή του Tο πρότυπο ΙΕΕΕ b είναι μία τεχνολογία δικτύωσης στα Mobile Ad-Hoc Networks (MANETs). Επίσης, στο IEEE στη DCF λειτουργία- χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο CSMA/CA δηλαδή, το πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης με ανίχνευση φέροντος και αποφυγή συγκρούσεων (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Σύμφωνα λοιπόν με τα παραπάνω, σκόπός αυτής της εργασίας είναι η δημιουργία και προσομοίωση ενός Ad hoc δικτύου το οποίο να υποστηρίζει την μέθοδο αυτή. Η διαδικασία μπορεί να γίνει με διάφορα πακέτα προσομοίωσης. Στην συγκεκριμένη εργασία χρησιμοποιήθηκε η πλατφόρμα προσομοίωσης OPNET και συγκεκριμένα το OPNET Modeler. 12

13 1.3 ομή πτυχιακής εργασίας Η παρούσα εργασία χωρίζεται σε 9 κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μία εισαγωγή, καθώς και ότι αφορά τον σκοπό και την δομή της εργασίας. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται μία εκτενής αναφορά στα Mobile Ad-Hoc networks (MANETS) και στην προσφορα τους στην ποιότητα υπηρεσιών (QoS). Στο Κεφάλαιο 3 γίνεται αρχικά μια αναφορά στα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN), καθώς επίσης και στο πρότυπο ΙΕΕΕ Στη συνεχεία αναλύεται το υπόστρωμα MAC του IEEE και η DCF λειτουργία του ως κύριος σκοπός αυτής της εργασίας. Στο Κεφάλαιο 4 αναλύεται η επιλογή της πλατφόρμας προσομοίωσης ΟΡΝΕΤ για τη μοντελοποίηση και μελέτη των WLAN δικτύων από μία σειρά με διαθέσιμα περιβάλλοντα εργασίας και παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του προγράμματος αυτού που διέπουν και τη συμπεριφορά του. Στο Κεφάλαιο 5 γίνεται ανάλυση όλων των στοιχείων του project σε όλα τα στάδια δημιουργίας του δικτύου μέσω χρήσης του OPNET. Στο Κεφάλαιο 6 γίνεται η παρουσίαση των αποτελεσμάτων προσομοίωσης του δικτύου. Στο Κεφάλαιο 7 γίνεται ανάλυση και επεξήγηση όλων των χαρακτηριστικών (attributes) που επιλέχθηκαν κατά τη δημιουργία του δικτύου. Στο Κεφάλαιο 8 γίνεται ανάλυση περιπτώσεων γραφικών (WLAN MAC Statistics) για την καλύτερη πληροφόρηση λειτουργίας του δικτύου. Στο Κεφάλαιο 9 συνοψίζονται κάποια συμπεράσματα πάνω στη μελέτη των MANETs που έχει προηγηθεί και γίνονται ορισμένες προτάσεις για επέκταση του θέματος και μελλοντική έρευνα. 13