Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας (5) Αγγελική Αλεξίου

Transcript

1 Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας (5) Αγγελική Αλεξίου 1

2 Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα IEEE Real-time services and QoS 2

3 Circuit switching vs. packet switching (1) Μεταγωγή κυκλώματος (Circuit switching): Μία σύνδεση/ένα κανάλι σταθερής χωρητικότητας εγκαθίσταται μεταξύ δύο τερματικών μέσω ενός δικτύου μεταγωγής κυκλώματος (συνήθως PSTN ή/και PLMN) χρησιμοποιώντας σηματοδοσία ελέγχου. Bit pipe is set up Terminal Switching centers Base station Terminal PSTN: Public Switched Telephone Network PLMN: Public Land Mobile Network Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 3

4 Circuit switching vs. packet switching (2) Πλεονεκτήματα της μεταγωγής κυκλώματος: Σταθερή, προβλεπτή και εξασφαλισμένη χωρητικότητα. Μόλις αποκατασταθεί η σύνδεση, παραμένει για όλη τη διάρκεια της κλήσης. Χαμηλή καθυστέρηση και μεταβλητότητα καθυστέρησης. Δεν απαιτείται buffering (που προκαλεί καθυστέρηση). Μειονεκτήματα της μεταγωγής κυκλώματος: Σύνθετη σηματοδοσία. Σε περίπτωση λάθους δεν γίνεται αναμετάδοση. Μη αποτελεσματική για φορτίο με απότομες μεταβολές (bursty traffic). Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 4

5 Circuit switching vs. packet switching (3) Μεταγωγή πακέτου (Packet switching): Η πληροφορία μεταδίδεται σε πακέτα (συνήθως IP πακέτα) που δρομολογούνται ανεξάρτητα μέσα στο δίκτυο. Δεν υπάρχει σηματοδοσία ελέγχου. Packets are routed independently Terminal Routers Server Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 5

6 Circuit switching vs. packet switching (4) Πλεονεκτήματα της μεταγωγής πακέτου: Αποτελεσματική χρήση των πόρων του δικτύου στην περίπτωση bursty traffic ( bandwidth on demand ). Είναι δυνατή η αναμετάδοση (απαραίτητη για εφαρμογές με υψηλές απαιτήσεις επίδοσης, error-sensitive applications ). Μειονεκτήματα της μεταγωγής πακέτου: Καθυστέρηση και μεταβλητότητα καθυστέρησης (=> voice traffic?). Δεν υπάρχει εξασφαλισμένο εύρος ζώνης (=> streaming video?). Πιθανότητα συμφόρησης (congestion), κάποιες κλήσεις δεν μπορούν να εξυπηρετηθούν (dropped calls). Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 6

7 Επίδοση δικτύου Στα δίκτυα δεν υπάρχει η δυνατότητα μεταγωγής κυκλώματος => μειονεκτήματα της μεταγωγής πακέτου : Καθυστέρηση και μεταβλητότητα της καθυστέρησης είναι ιδιαίτερα σημαντικές όταν οι τεχνολογίες μετάδοσης πακέτου συνδυάζονται με τεχνολογίες ασύρματης διάδοσης Τα δίκτυα δεν προσφέρουν traffic management, και τα congestions αποτελούν σημαντικό παράγοντα μείωσης επίδοσης (Τα φορτία data κα φωνής έχουν την ίδια προτεραιότητα. Το φορτίο φωνής δεν μπορεί να εξασφαλίσει σταθερή χωρητικότητα καναλιού). Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 7

8 Delay (1) Ο όρος ποιότητα υπηρεσίας (QoS-Quality of Service) αναφέρεται στην καθυστέρηση και στην μεταβλητότητα της καθυστέρησης στη μετάδοση φωνής ή σε κάποια άλλη delaysensitive εφαρμογή. Στις περισσότερες εφαρμογές data, QoS (με την έννοια της χαμηλής καθυστέρησης) δεν είναι σημαντικό. Το ITU-T Recommendation G.114 προδιαγράφει ότι round-trip delay πρέπει να είναι μικρότερο από 300 ms για εφαρμογές φωνής. Τα δίκτυα όταν λειτουργούν κοντά στο όριο της χωρητικότητάς τους μπορεί να προκαλέσουν σημαντική καθυστέρηση στη μετάδοση ενός frame. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 8

9 Delay (2) Οι διαδικασίες που συμβάλλουν στη συνολική καθυστέρηση στην διάδοση ενός πακέτου είναι: Το πρωτόκολλο CSMA/CA (deferring, backoff) ακόμα και χωρίς αναμετάδοση. Αναμετάδοση Buffering delay (τερματικά, access points) => σημαντική σε συνθήκες υψηλού φορτίου Επεξεργασία σήματος στα τερματικά (κωδικοποίηση φωνής /video,αποκωδικοποίηση). Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 9

10 Real Time Protocol (RTP) Το RTP χρησιμοποιείται για μετάδοση real-time data (π.χ. κωδικοποιημένη φωνή) σε δίκτυα IP. RTP παρέχει δύο χαρακτηριστικά: Η ορθή σειρά πακέτων διατηρείται στον προορισμό Τα πακέτα RTP περιλαμβάνουν time stamp που καταγράφει τον ακριβή χρόνο της μετάδοσης. Voice Voice stream RTP RTP UDP UDP IP IP : Time stamps μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον προορισμό για να εξασφαλίσουν τον συγχρονισμό μεταξύ π.χ. δειγμάτων φωνής. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 10

11 Delay variation => use RTP Το RTP δεν επηρεάζει τη συνολική καθυστέρηση μετάδοσης στο δίκτυο. Ηχρήσηόμωςtime stamps συντελεί στη μείωση του time variation ή jitter στον προορισμό. Το ίδιο το RTP δεν μπορεί να μειώσει το time variation. Αυτό υλοποιείται από την εφαρμογή (με τη χρήση time stamps που παρέχονται από το RTP) στον προορισμό. Το RTP μπορεί να μεταφέρει διάφορα είδη κωδικοποιημένης πληροφορίας (audio / video) και αποτελεί συνηθισμένη λύση για VoIP. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 11

12 Typical VoIP over WLAN protocol stack Coded voice RTP payload RTP UDP payload UDP TCP/IP H IP payload IP IEEE 802 H LLC payload LLC MAC H MSDU (MAC SDU) MAC PHY H PSDU (PLCP Service Data Unit) PHY Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 12

13 Packet Error Ratio (1) Το packet error ratio (PER) εξαρτάται από την ποιότητα του καναλιού (εξασθένηση σήματος, παρεμβολές) και το ρυθμό πληροφορίας (υψηλότερο bit rate => χαμηλότερο sensitivity δέκτη). Όταν επιτρέπεται η αναμετάδοση, υπάρχει trade-off μεταξύ PER και delay PER Delay Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 13

14 Packet Error Ratio (2) Η βέλτιστη επιλογή PER/delay (που πρακτικά ισοδυναμεί με την την επιλογή του μέγιστου αριθμού αναμεταδόσεων) εξαρτάται από το είδος της υπηρεσίας (data, voice, multimedia ): Error-sensitive services Delay-sensitive services PER PER Max. PER Delay Max. delay Delay Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 14

15 Throughput (1) Τα πρωτόκολλα που καθορίζουν την πρόσβαση στο μέσο (όπως το CSMA) παρουσιάζουν υψηλές επιδόσεις όταν το φορτίο του δικτύου είναι χαμηλό. Όταν το φορτίο προσεγγίζει το θεωρητικό όριο χωρητικότητας του δικτύου δημιουργείται congestion. Αυτό σημαίνει ότι τα πακέτα συσσωρεύονται στους buffers των access points και των σταθμών, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται καθυστερήσεις και να χάνονται πακέτα λόγω buffer overflow. Σε αντίθεση με τα λάθη στο ασύρματο μέσο (όπου το MAC αντιμετωπίζει με αναμεταδόσεις) τα χαμένα πακέτα που οφείλονται σε buffer overflow αντιμετωπίζονται από πρωτόκολλα υψηλότερων επιπέδων (όπως το TCP). Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 15

16 Throughput (2) Throughput Ideal throughput (all packets are delivered) Lost traffic Actual throughput Theoretical capacity of channel Offered load Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 16

17 QoS (Quality of Service) Ποιότητα υπηρεσίας (QoS) σημαίνει πρακτικά ότι εξασφαλίζονται χαμηλή καθυστέρηση και χαμηλή μεταβλητότητα της καθυστέρησης σε συνθήκες πραγματικού φορτίου. Στην περίπτωση streaming applications υποθέτουμε εξασφαλισμένο εύρος ζώνης. Router Router AP IEEE WLAN QoS support in the WLAN (especially radio interface) Router IP network (Internet) QoS support in IP networks is out of scope of Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 17

18 QoS σε δίκτυα IP QoS λύσεις που παρέχονται σε δίκτυα IP: DiffServ: Το φορτίο διαιρείται σε διαφορετικές ομάδες προτεραιότητας (priority classes). Η priority class δηλώνεται στον IP header. Δρομολογητές που διαθέτουν την δυνατότητα DiffServ διαχειρίζονται το φορτίο διαφορετικών priority classes με διαφορετικό τρόπο. Multi-Protocol Label Switching (MPLS): Η δρομολόγηση στο δίκτυο IP network είναι προσανατολισμένη προς τη σύνδεση (connection-oriented), δηλαδή βασίζεται σε OSI επιπέδο 2 MPLS labels αντί για επιπέδου 3 IP addresses). Για το σκοπό αυτό απαιτούνται δρομολογητές με MPLS λειτουργία. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 18

19 QoS σε δίκτυα Αφού η δρομολόγηση φορτίου σε δίκτυα WLAN δεν βασίζεται στο IP, υπάρχουν διαφορετικές QoS λύσεις: Το πρότυπο καθορίζει το Point Coordination Function (PCF) για τη μετάδοση φορτίου πραγματικού χρόνου. Αυτή η λύση δεν έχει υπολοποιηθεί εκτενώς. Υπάρχουν μη προτυποποιημένες λύσεις (proprietary solutions) που διαφοροποιούν το φορτίο πραγματικού χρόνου από αυτό μη πραγματικού χρόνου. Κάποιες προηγμένες QoS λύσεις έχουν καθοριστεί στο πρότυπο e (2005). Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 19

20 PCF (Point Coordination Function) Συμπεριλαμβάνεται στις προδιαγραφές του Το PCF σχεδιάστηκε για delay-sensitive υπηρεσίες πραγματικού χρόνου. MAC extent Point Coordination Function (PCF) Distributed Coordination Function (DCF) based on CSMA/CA Σχεδιάστηκε για υπηρεσίες μη πραγματικού χρόνου (Web browsing, file transport ) Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 20

21 PCF λειτουργία B CFP repetition interval (superframe) CFP CP (DCF) Busy medium CFP repetition interval B CFP CP (DCF) B B = Beacon frame (στέλνεται από το access point και υποδεικνύει την αρχή του CFP) CFP = Contention-Free Period (προορίζεται για φορτίο πραγματικού χρόνου) CP = Contention Period (κανονική λειτουργία DCF) Σε περίπτωση που το μέσο είναι κατειλημμένο το CFP συντομεύεται (ΔενείναιδυνατόνναδιακοπούνενεργέςDCF μεταδόσεις) Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 21

22 PCF λειτουργία (2) CFP CP (DCF) CFP CP (DCF) B Busy medium B B NAV NAV Λειτουργία CFP χωρίς διακοπές εξασφαλίζεται με δύο τρόπους : ΗτιμήτουNAV στο beacon = μήκος του CFP Χρήση PIFS στο CFP (αντί για DIFS), PIFS < DIFS Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 22

23 PCF με polling, όχι CSMA/CA Poll WS1 Poll WS2 Poll WS3 + data CFP end PC (AP) Other CFP B CP SIFS SIFS SIFS PIFS SIFS SIFS NAV Set by beacon frame Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 23

24 Proprietary QoS solutions Το PCF δεν αποτέλεσε δημοφιλή λύση για τους κατασκευαστές. Παρολ αυτά, κάποιοι κατασκευαστές εξοπλισμού προσφέρουν λύσεις για εφαρμογές πραγματικού χρόνου (συνήθως VoIP). Η αποτελεσματικότητά τους προϋποθέτει ότι το φορτίο πραγματικού χρόνου αποτελεί ένα μικρό ποσοστό του συνολικού WLAN φορτίου. Η λύση βασίζεται στα εξής: (a) διαχείριση του buffer στο access point (b) η τιμήτουbackoff τίθεται στο 0 σε όλους τους σταθμούς VoIP Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 24

25 Μειονεκτήματα του PCF Το Point Coordination Funtion (PCF) αν και σχεδιάστηκε για εφαρμογές πραγματικού χρόνου δεν προσφέρει QoS σε κάθε περίπτωση. Τα μειονεκτήματα του PCF είναι: Η διαφοροποίηση μεταξύ τύπων φορτίου (traffic classes) δεν είναι πάντα δυνατή. Δενυπάρχουνμηχανισμοίώστεοιασύρματοισταθμοίνα πληροφορήσουν τα access points για τις προδιαγραφές τους σε QoS. Ηδιάρκειατουcontention free period (CFP) δεν μπορεί να αλλάξει δυναμικά ανάλογα με τις ανάγκες του φορτίου. Δεν μπορούν να εφαρμοστούν διαφορετικά μέγιστα μήκη πακέτων. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 25

26 IEEE e Το πρότυπο e καθορίζει ένα νέο Hybrid Coordination Function (HCF) που παρέχει δύο τύπους λειτουργίας: EDCA HCF HCCA Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) είναι όπως το DCF, αλλά εισάγει διαφορετικά επίπεδα προτεραιότητας για διαφορετικές υπηρεσίες. HCF Controlled Channel Access (HCCA) είναι συμβατό με το CSMA/CA και βασίζεται στο polling (όπως το PCF αλλά χωρίς τα μειονεκτήματα που αναφέρθηκαν). Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 26

27 IEEE e (2) Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 27

28 EDCA Το EDCA βασίζεται στη διαίρεση του φορτίου σε διαφορετικά επίπεδα προτεραιότητας (priority levels). Η πρόσβαση στο κανάλι ελέγχεται με τη χρήση τεσσάρων παραμέτρων: Minimum contention window size (CWmin) Maximum contention window size (CWmax) Arbitration Interframe Space (AIFS) = variable DIFS Transmission Opportunity (TXOP) προσδιορίζει το χρόνο μέσα στον οποίο ένας σταθμός μπορεί να μεταδόσει μία σειρά από frames. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 28

29 EDCA (2) Το πρότυπο d προσδιορίζει 4 κατηγορίες πρόσβασης (Access Categories -AC) για διαφοροποίηση χρηστών με διαφορετικές προδιαγραφές προτεραιότητας: Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 29

30 EDCA (3) Οι Access Categories μπορούν να υλοποιηθούν στο WLAN με τη χρήση των εξής παραμέτρων (επιπλέον της χρήσης διαφορετικών τιμών για το TXOP): Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 30

31 HCCA Το HCCA βασίζεται σε ένα Contention-Free Period (CFP) κατά τη διάρκεια του οποίου το access point χρησιμοποιεί polling για τον έλεγχο του φορτίου, όπως στο PCF. Οι διαφορές μεταξύ HCCA και PCF είναι: Το HCCA χρησιμοποιεί polling και κατά τη διάρκεια του Contention Period (CP). Το HCCA υποστηρίζει packet scheduling που βασίζεται σε προδιαγραφές QoS. Οι σταθμοί μπορούν να επικοινωνούν τις QoS προδιαγραφές τους (data rate, delay, packet size ) στο access point. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 31

32 Βελτιώσεις MAC στο e Το πρότυπο e παρέχει τις εξής βελτιώσεις MAC: Contention Free Bursts (CFB) επιτρέπουν στους σταθμούς να στέλνουν έναν αριθμό frames στη σειρά χωρίς ανταγωνισμό, αν το επιτρέπει το TXOP. New ACK rules. Σε εφαρμογές όπου δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν αναμεταδόσεις λόγω των αυστηρών προδιαγραφών μέγιστης καθυστέρησης, το ACK frame δεν χρειάζεται. Direct Link Protocol (DLP) καθιστά δυνατή την απ ευθείας επικοινωνία μεταξύ σταθμών χωρίς να μεσολαβεί access point. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 32

33 VoIP over WLAN Terminal B WLAN 3 Router 2 Where is B? 1 Control plane: 1 Mobility management 2 Session control signalling External IP network Terminal A User plane: 3 QoS, speech coding Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 33

34 Κινητικότητα χρηστών Όταν ένας ασύρματος σταθμός πρόκειται να συνδεθεί με ένα WLAN access point, του δίνεται μία διεύθυνση IP (που αποθηκεύεται στο δρομολογητή που είναι υπεύθυνος για την αντιστοίχιση μεταξύ IP και MAC διευθύνσεων). Τα τερματικά του υπόλοιπου δικτύου όμως (Internet, άλλα υποδίκυα IP στο ενσύρματο LAN, άλλα LANs και WLANs) δεν γνωρίζουν αυτή τη διεύθυνση. Κατά συνέπεια δεν είναι δυνατό να δρομολογηθούν οι κλήσεις VoIP (ή όποιες άλλες κλήσεις) σε αυτό τον ασύρματο σταθμό. WLAN Temporary IP address I do not know your IP address! Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 34

35 Κινητικότητα χρηστών (2) Υπάρχουν μεταξύ άλλων- 4 τρόποι αντιμετώπισης του προβλήματος αυτού: Mobility management of 2G/3G mobile networks (προϋποθέτει seamless integration μεταξύ WLAN και 2G/3G) H.323 (ITU-T solution) SIP (IETF) Mobile IP (IETF) Τα H.323 και SIP παρέχουν και session control signalling Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 35

36 Κωδικοποίηση φωνής (1) ΗδιαμόρφωσηPCM (Pulse Code Modulation) παρέχει σταθερό ρυθμό πληροφορίας 64 kbit/s. Η κωδικοποίηση/αποκωδικοποίηση περιγράφεται στο ITU-T recommendation G.711. Το G.726 περιγράφει τη διαμόρφωση Adaptive Differential PCM (ADPCM) που παρέχει διάφορους ρύθμούς πληροφορίας (16, 24, 32, or 40 kbit/s). Το G.729 περιγράφει έναν κωδικοποιητή φωνής που λειτουργεί στα 8 kbit/s και βασίζεται στη γραμμική πρόβλεψη (linear prediction) και άλλες προηγμένες μεθόδους. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 36

37 Κωδικοποίηση φωνής (2) Η κωδικοποίηση φωνής χαμηλού bit-rate είναι ιδιαίτερα σημαντική για συστήματα κινητής τηλεφωνίας (2G and 3G). Δύο ευρέως διαδεδομένοι κωδικοποιητές είναι: Enhanced Full Rate (EFR) που χρησιμοποιείται στο GSM. Αν και το bit rate είναι χαμηλό (12.2 kbit/s) η ποιότητα φωνής είναι υψηλή. Adaptive Multi-Rate (AMR) χρησιμοποιείται στα συστήματα 3G, όπου διάφορα bit rates ( kbit/s) είναι δυνατά, ανάλογα με την ποιότητα του καναλιού. Μάλιστα, το AMR στα 12.2 kbit/s ισοδυναμεί με EFR. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 37

38 Επίδοση κωδικοποίησης φωνής Γενικά, όταν το bit rate μειώνεται: Η ποιότητα φωνής μειώνεται Ένα συγκεκριμένο packet error ratio (PER) μπορεί να προκαλέσει σημαντική μείωση στην ποιότητα της φωνής. Η αποτελεσματική κωδικοποίηση φωνής μπορεί και να μην είναι τόσο καθοριστικός παράγοντας : όταν μεταδίδεται κωδικοποιημένη φωνή μέσω δικτύου IP (ειδικότερα δικτύου ) η επιβάρυνσηπρωτοκόλλου(protocol overhead), ιδιαίτερα στα χαμηλότερα επίπεδα, είναι τόσο μεγάλη που βελτιώσεις στην κωδικοποίηση φωνής δεν μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά τη χωρητικότητα. Ασύρματα Δίκτυα Μικρής Εμβέλειας Α. Αλεξίου 38