Παροχή στοχαστικών εγγυήσεων (QoS) σε ΙΕΕΕ 802.11 δίκτυα Εμμανουήλ Καφετζάκης mkafetz@iit.demokritos.gr 26-Απριλίου Απριλίου-2006
Agenda Γνωρίσματα Ασύρματων Δικτύων IEEE 802.11(e) MAC (E)DCF Κίνητρο Προτεινόμενη προσέγγιση Αναλυτικό Μοντέλο Πιθανές προεκτάσεις Συμπεράσματα Υπόβαθρο Συνεισφορά 2 of 44
Γνωρίσματα Ασύρματων Δικτύων Πλεονεκτήματα Υποστηρίζουν κινούμενους χρήστες Δεν υπάρχουν προβλήματα καλωδίώσης Τα αδόμητα ασύρματα δίκτυα (ad hoc) δεν χρειάζονται εκ τον προτέρων σχεδιασμό Ανθεκτικότερα σε καταστροφές Μειονεκτήματα Χαμηλότερες ταχύτητες από τα ενσύρματα για αυξανόμενο αριθμό χρηστών Περιορισμοί στην ισχύ και συχνότητα εκπομπής, θόρυβος, παρεμβολές... 3 of 44
Παρουσίαση του προτύπου ΙΕΕΕ 802.11 Αμερικάνικο πρότυπο σχεδιασμένο από την ομώνυμη ομάδα εργασίας της ΙΕΕΕ Bottom-up προσέγγιση (Εκκίνηση με ένα απλό εύκολα υλοποιήσιμο πρότυπο και στη συνέχεια εξέλιξη του ανάλογα με τις ανάγκες) 4 of 44
Η οικογένεια προτύπων 802.x IEEE 802.3 CSMA/CD IEEE 802.2 Logical Link Control (LLC) IEEE 802.4 Token Bus IEEE 802.5 Token Ring... IEEE 802.11 Wireless MAC PHY OSI Layer 2 (Data Link) OSI Layer 1 (Physical)
802.11 Με Υποδομή STA 1 802.11 LAN BSS 1 Access Point Distribution Distribution systemsystem STA 3 STA 2 Access Point BSS 2 ESS 802.11 LAN 802.x LAN Portal STA 4 -Τερματικό (Station,STA) τερματικό με μηχανισμό πρόσβασης στο ασύρματο μέσο και επικοινωνία με το σημείο πρόσβασης (AP) -Βασικό σύνολο υπηρεσιών (Basic Service Set, BSS) σύνολο τερματικών που χρησιμοποιούν την ίδια coordination function -Σημείο πρόσβασης (Access point, AP) τερματικό με διεπαφή στο ασύρματο κανάλι και στο σύστημα διανομής -Portal bridge σε άλλα ενσύρματα δίκτυα - Σύστημα διανομής (Distribution System) δίκτυο διασύνδεσης που σχηματίζει ένα λογικό δίκτυο (EES Extended Service Set ) βασισμένο σε μερικά BSS -Επεκταμένο σύνολο υπηρεσιών( Extended service set) σύνολο από ένα ή περισσότερα BSS & LANs που εμφανίζονται σαν ένα BSS στο επίπεδο LLC ενός τερματικού σε κάποιο BSS 6 of 44
Αδόμητο 802.11 (Ad-Hoc Hoc) 802.11 LAN IBSS 1 STA 2 -Τερματικό (Station,STA) τερματικό με μηχανισμό πρόσβασης στο ασύρματο μέσο -Ανεξάρτητη βασική ομάδα (Independent Basic Service Set) σύνολο από σταθμούς που χρησιμοποιούν την ίδια coordination function χωρίς σημείο πρόσβασης. STA 3 STA 1 STA 2 IBSS 2 802.11 LAN 7 of 44
Στοίβα Πρωτοκόλλων 802.11 Ανακαλύφθηκε από την Hedy Lamarr, ηθοποιό του Hollywood το 1940, στη ηλικία των 27, μαζί με τον μουσικό George Antheil 8 of 44
Εξέλιξη του 802.11 ΙΕΕΕ 802.11b συμβατό πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης μεγαλύτερος ρυθμός μετάδοσης στα 2,4 GHz (11 Mbps) Direct Sequence Spread Spectrum IEEE 802.11a συμβατό πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης μετάδοση στα 5 GHz ρυθμός μετάδοσης μέχρι 54 Mbps 9 of 44
Συμπληρωματικά Προτυπα του 802.11 802.11g Υποστήριξη 20+ Mbps στα 2.4 GHz 802.11e Υποστήριξη ποιότητας υπηρεσίας στα πρότυπα 802.11 802.11h Αποφυγή παρεμβολών με άλλα πρότυπα στα 5GHz (π.χ. Bluetooth) 802.11i Επεκτάσεις ασφαλείας μετάδοσης 10 of 44
To ΜAC είναι υπεύθυνο για δέσμευση του καναλιού διευθυνσιοδότηση (addressing) δομή των πλαισίων μετάδοσης έλεγχο λαθών (επαναμεταδόσεις) fragmentation/reassembly Τρία είδη πλαισίων: management (association, synchronization, authentication) control (handshaking, acks, end of contention-free period) data 11 of 44
Μέθοδοι Πρόσβασης Distributed Coordination Function (DCF) Υποχρεωτική η βασική μέθοδος πρόσβασης βασίζεται στον ανταγωνισμό για το μέσο (contention) Point Coordination Function (PCF) Προαιρετική χωρίς ανταγωνισμό μειώνει τις μεταβολές στις καθυστερήσεις μετάδοσης μόνο στη δομημένη διάρθρωση 12 of 44
Distributed Coordination Function (I) Είναι ένα σχήμα πολλαπλής πρόσβασης CSMA/CA (physical carrier sensing & virtual carrier sensing) 13 of 44
Distributed Coordination Function (II) Βοηθάει στην επίλυση του προβλήματος του κρυμμένου τερματικού (hidden terminal problem) Trade off (RTS_Threshold) 14 of 44
Παράδειγμα Μετάδοσης με DCF 15 of 44
16 of 44
Μηχανισμοί Υποστήριξης QoS στο IEEE 802.11e Διαφοροποιεί τον έλεγχο πρόσβασης στο μέσο, μέσω 8 ουρών προτεραιότητας.(priority queues) EDCF (Enhanced DCF) και HCF (Hybrid Coordination Function) Διαφορετικές ρυθμίσεις ανά ροή του CW Διαφορετικοί χρόνοι AIFS ανά ροή TXOP (Transmission Opportunity) προαιρετικός μηχανισμός 17 of 44
EDCF (Enhanced Distributed Coordination Function) CSMA/CA and Exponential Backoff Eight Traffic Categories (TCs( TCs) ) within one station DCF TC7 High priority TC6 TC5 TC4 TC3 TC2 Low priority TC1 TC0 Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Backoff (AIFS) Transmission attempt Scheduler (resolve virtual collisions by granting permission to highest priority) Transmission AIFS:Arbitration Inter-Frame Space attempt 18 of 44
RTS/CTS και κρυμμένα τερματικά 19 of 44
Υπόβαθρο Ανάλυση επίδοσης του μηχανισμού IEEE 802.11 DCF Η ανάλυση της ρυθμαπόδοσης και της καθυστέρησης μελετάται περίπου μια δεκαετία (Bianchi, PIMRC 1996) Πρώτες δουλείες πάνω σε 802.11 MAC queuing to 2004! (Tickoo, INFOCOM 2004; Özdemir, LANMAN 2004, etc.) Γιατί το 802.11 MAC queueing είναι ενδιαφέρον Παροχή πιθανοθεωρητικών QoS εγγυήσεων μελέτη παραμέτρων της MAC ουράς όπως η καθυστέρηση και το μήκος της ουράς. 20 of 44
Κίνητρο Το κίνητρο μας Εύρεση ενός γενικού και αρθωτού (modular) αναλυτικού μοντέλου για την εξαγωγή της πιθανότητας η καθυστέρηση να μην ξεπερνάει ένα κατώφλι και της πιθανότητας απωλειών πακέτων. Ανταγωνισμός στο ΜΑC η άγνωστη χρονική ποσότητα Καθυστέρηση εξαιτίας του ανταγωνισμού (CSMA/CA) του τερματικού με τα υπόλοιπα τερματικά προστίθεται στις καθυστερήσεις υψηλότερου επιπέδου για τον υπολογισμό endto end καθυστέρησης. Υπόκειται σε μεγάλες διακυμάνσεις κρυμμένα, εκτεθειμένα τερματικά, διαφορετικά MAC, μεταβολή του αριθμού γειτόνων. 21 of 44
Μοντελοποίηση του DCF τρόπου λειτουργίας Η ανάλυση πηγάζει από δύο δημοσιεύσεις του Bianchi. [Bianchi 1996], [Bianchi 2005] Κατασκευάσαμε μια Μαρκοβιανή αλυσίδα που να δίνει τα ίδια αποτελέσματα που εξάγονται από renewal theory Το αναλυτικό μοντέλο συγκρίθηκε με αποτελέσματα από τον προσομοιωτή ns-2 22 of 44
Εισαγωγή Η ανάλυση εστιάζει στη κατάσταση Saturation throughput όπου κάθε τερματικό έχει πάντα πακέτο να στείλει Στην αρχή υπολογίζεται η stationary πιθανότητα, τ, ένα τερματικό να μεταδώσει σε τυχαία χρονική σχισμή Αυτή η πιθανότητα δεν εξαρτάται από τον μηχανισμό πρόσβασης (Basic ή RTS/CTS) Στη συνέχεια η ρυθμαπόδοση (throughput) υπολογίζεται για το μηχανισμό πρόσβασης Basic & RTS/CTS 23 of 44
Αναλυτικό μοντέλο Θεωρούμε σταθερόαριθμότερματικώνn b(t) είναι η κατάσταση του μετρητή backoff τη χρονική σχισμή t. s(t) είναι η κατάσταση backoff του σταθμού τη χρονική στιγμή t s(t) {0,1, m} όπου m CW max = CW min. Υπόθεση: Σε κάθε προσπάθεια επαναμετάδοσης, ανεξάρτητα του αριθμού των προηγούμενων επαναμεταδώσεων η πιθανότητα σύγκρουσης είναι ανεξάρτητη και σταθερή p (conditional collision probability) 2 m 24 of 44
Αναλυτικό μοντέλο Δισδιάστατη αλυσίδα Markov διακριτού χρόνου {s(t),b(t)} P[i,j k,l] είναι η πιθανότητα το σύστημα να πάει από b(t) = l and s(t) = k στη κατάσταση b(t+1) = j και (t+1) = i. Η χρονοθυρίδα του συστήματος ξεκινά όταν ο μετρητής backoff ενός τερματικού που δε μεταδίδει μειώνεται. p/wm 1-p 0,0 0,1 0,2... 0,W 0-2 1 1 1.................. 1-p 1-p i-1,0 q i,0 i,1 i,2... i,w i -2 i,w i -1 1 1 1 1.................. 1-p m,0 m,1 m,2... 1 1 1 1 m,w m' -2 m,w m -1 1 p/wm 25 of 44
Αναλυτικό Μοντέλο b i,k = lim t P{s(t) = i, b(t) = k}. Δίνεται τρόπος υπολογισμού αυτής της πιθανότητας συναρτήσει του p (collision probability). Από b i,k, μπορούμε να υπολογίσουμε τ (πιθανότητα ένα τερματικό να μεταδώσει σε τυχαία χρονική στιγμή) αφού μεταδώσει έχουμε τη χρονικήστιγμήπουομετρητήςbackoff μηδενίζεται. Έτσι, τ = m i = 0 b i, 0 Αυτή η σχέση χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με την p = 1 - (1 - τ ) n-1 για τον καθορισμό του τ. 26 of 44
Αναλυτικό Μοντέλο S είναι η ρυθμαπόδοση δηλαδή το ποσοστό του χρόνου όπου μεταδίδονται επιτυχώς payload bits P tx είναι η πιθανότητα να υπάρχει τουλάχιστον μια μετάδοση σε αυτό το time slot P tx = 1 - (1 - τ) n P s είναι η πιθανότητα μόνο ένας σταθμός να μεταδίδει σε αυτό το slot δεδομένου ότι υπάρχει τουλάχιστον μια μετάδοση P s = nτ(1 - τ) n-1 P tx 27 of 44
Αναλυτικό Μοντέλο S= E{payload info transmitted in cycle} / E{length of a slot} S = P s P tx E[P ] (1 - P tx )σ + P tx P s T s + P tx (1 - P s )T c Όπου: σ = μήκος χρονοθυρίδας T s = μέσος χρόνος που το κανάλι είναι κατειλημμένο εξαιτίας επιτυχών μεταδόσεων+μήκος χρονοθυρίδας T c = μέσος χρόνος που το κανάλι είναι κατειλημμένο εξαιτίας σύγκρουσης + μήκος χρονοθυρίδας E[P ]=μέσο payload κατά τη διάρκεια επιτυχούς μετάδοσης 28 of 44
Αναλυτικό Μοντέλο k E [ P ] ' = E [ P ] + B E [ P ] = i = 1 o E [ P ] 1 B όπου E[P] =μέσο payload μετάδοσης ενός πακέτου Β ο =1/W o,, όπου W o = αρχικό παράθυρο ανταγωνισμού o T s T = T + B T + σ = + σ 1 B k s ' s o s i = 1 όπου Τ s = χρόνος μιας επιτυχούς μετάδοσης o Τ = T + ' c c σ όπου Τc= χρόνος μιας σύγκρουσης 29 of 44
Επαλήθευση μοντέλου 30 of 44
Επαλήθευση μοντέλου 31 of 44
Επαλήθευση Μοντέλου 32 of 44
Επαλήθευση Μοντέλου 33 of 44
34 of 44
35 of 44
Ισοδύναμο Εύρος Ζώνης (Effective Bandwidth) Γνωρίζοντας : την απαίτηση για ποιότητα υπηρεσίας (πιθανότητα υπερχείλησης ενός ταμιευτήρα ε) τις παραμέτρους του συστήματος (μέγεθος ταμιευτήρα Β) τα στατιστικά χαρακτηριστικά της αφικνούμενης κίνησης μπορούμε να υπολογίσουμε την ελάχιστη χωριτικότητα C του συστήματος ώστε εάν Pr{queue length>=b}<= ε τότε C>=α(θ) και θ= -ln(ε)/b 36 of 44
Ισοδύναμο Εύρος Ζώνης (Effective Bandwidth) Έστω X(t) ο όγκος της αφικνούμενης κίνησης στο διάστημα (0,t) Το ισοδύναμο εύρος ζώνης είναι μια συνάρτηση α(θ): 1 αθ ( ) lim log θ X() t = E e t θ t [Kelly 1996] Παράδειγμα: 1 α(θ) eff. bandwidth peak rate mean rate r 0 0 20 θ 37 of 44
Ισοδύναμη Χωρητικότητα (Effective Capacity) Το γενικότερο νόημα του Eff. Capacity: Δυϊκή έννοια του «ισοδύναμου εύρους ζώνης» Γνωρίζοντας : την απαίτηση για ποιότητα υπηρεσίας (πιθανότητα υπερχείλησης ενός ταμιευτήρα ε) τις παραμέτρους του συστήματος (μέγεθος ταμιευτήρα Β) τα στατιστικά χαρακτηριστικά της εξυπηρετούμενης κίνησης μπορούμε να υπολογίσουμε την μέγιστη αφικνούμενη κίνηση που δύναται να εξυπηρετηθεί ώστε εάν Pr{queue length>=b}<= ε τότε λ<=α c (θ) και θ= -ln(ε)/b όπουλρυθμόςάφιξηςcbr κίνησης και α c (θ,t): η «ισοδύναμη χωρητικότητα» 38 of 44
Ισοδύναμη χωρητικότητα Έστω Υ(t) ο όγκος της εξυπηρετούμενης κίνησης στο διάστημα (0,t) Η ισοδύναμη χωρητικότητα είναι μια συνάρτηση α c (θ): α c 1 ( θ, t) lim log E e θ t θ Y ( t) = t 39 of 44
Προτεινόμενη Προσέγγιση (I) Αναλυτικό Μοντέλο Θα μοντελοποιηθεί ο DCF τρόπος λειτουργίας ως μια general ON/OFF χωρητικότητα Τα αριθμητικά αποτελέσματα θα συγκριθούν με αποτελέσματα από τον προσομοιωτή ns-2 40 of 44
Προτεινόμενη Προσέγγιση ΙΙ Για την περίπτωση general on/off χωρητικότητας, a c 1 1 u( θ ) lim log Ee θ t θ θy() t = = t όπου u(θ) είναι η μοναδική θετική λύση της εξίσωσης: φ ( rθ u) + φ ( ) = 0 + u όπου φ+(s) και φ-(s) παριστάνουν την [Kontovasilis and Mitrou 1997] λογαριθμική-ροπογεννήτρια για τους χρόνους παραμονής (sojourn times) στην κατάσταση ΟΝ και OFF αντίστοιχα. 41 of 44
Συμπεράσματα και Προεκτάσεις Αναλόγως από την προσφερόμενη υπηρεσία, πρέπει να παρέχονται QoS εγγυήσεις, στην περίπτωση μας στοχαστικές. Πέρα από τον ανταγωνισμό στο μέσο, μπορεί να μελετηθεί ο θόρυβος στο κανάλι, λαμβάνοντας υπόψιν τις multi-rate δυνατότητες του προτύπου (Υπολογισμός χρόνου Τon) Παροχή εγγυήσεων για πολυαλματικά δίκτυα (tandem queues) κρυμμένα, εκτεθειμένα τερματικά Συνύπαρξη χρηστών ΙΕΕΕ 802.11 ΙΕΕΕ 802.11e - Εύρεση χωρίου αποδοχής (CAC) για κεντρικοποιημένη λειτουργία. 42 of 44
Περίληψη Η οικογένεια πρωτοκόλλων ασύρματης δικτύωσης ΙΕΕΕ 802.11 είναιτοκυρίαρχοπρότυπογιαταwlans Έντονη ερευνητική προσπάθεια για την μοντελοποίηση του τρόπου πρόσβασης στο μέσο Ανάγκη για παροχή QoS Παροχή στοχαστικών εγγυήσεων μέσω της εισαγωγής της «ισοδύναμης χωρητικότητας» 43 of 44
Αναφορές [Bianchi 1996] G. Bianchi, L. Fratta, and M. Oliveri, Performance evaluation and enhancement of the CSMA/CA MAC protocol for 802.11 wireless LAN s, in Proc. PIMRC 1996, Taipei, Taiwan, R.O.C., Oct. 1996, pp.392 396. [Bianchi 2005] G.Bianchi, Il. Tinnirello, Remarks on IEEE 802.11 DCF Performance Analysis. in IEEE Com. Lett., Vol.9,No. 8, August 2005 [Tickoo 2004] Queueing Analysis and Delay Mitigation in IEEE 802.11 Random Access MAC based Wireless Networks, INFOCOM 2004 [Özdemir and McDonald] M. Ozdemir and A. Bruce McDonald, A Queuing Theoretic Model for IEEE 802.11 DCF using RTS/CTS, LANMAN 2004 [Kontovasilis and Mitrou 1997] K. Kontovasilis and N. Mitrou. "Effective Bandwidths for a Class of Non Markovian Fluid Sources". ACM Computer Communications Review, 27(4):263-274, 1997 [F. P. Kelly 1996] FP. Kelly "Notes on effective bandwidth," in Stochastic Networks Theory and Applications, F. P. Kelly, S. Zachary, and I. Ziedins, Eds. Oxford, U.K.: Science, 1996, pp. 141--168. 44 of 44
Ερωτήσεις