Bezprzewodowe sieci kratowe

Instytut Telekomunikacji PW
Wybrane zagadnienia przyszłego Internetu
Bezprzewodowe sieci kratowe
Materiały wykładowe
do uŜytku wewnętrznego
WMN
1
Zakres
•
•
•
•
Wprowadzenie do technologii WMN
Typowe zastosowania
Wybrane problemy zarządzania zasobami
Standaryzacja
WMN
2
•
•
•
•
Wprowadzenie do technologii WMN
Typowe zastosowania
Wybrane problemy zarządzania zasobami
Standaryzacja
WMN
3
Urządzenia
•
Rutery WMN
Łącza
•
Portale WMN
•
radiowe łącza WMN
•
radiowe łącza
klienckie
(stacjonarne/mobilne)
•
przewodowe łącza
klienckie
(stacjonarne)
•
łącza dostępowe do
Internetu
(gateway G)
•
•
urządzenia
stacjonarne
– PC, drukarki,
serwery
– bramy domowe,
switche…
urządzenia przenośne
i mobilne
– notebook,
palmtop, …
G1
G2
Internet
WMN
4
Portale WMN (gateway)
•
•
•
Pełnią rolę „punktów
dostępowych” (wieloskokowych)
do urządzeń klienckich
Wiele intefejsów (przewodowe,
bezprzewodowe)
Mobilność
– stacjonarne (np. dachowe) –
typowe,
– rzadziej mobilne (np. pociągi)
•
Względnie niewiele
– nieraz złoŜone funkcje (np.
porządkowanie kolejności
pakietów dla poszczególnych
strumieni/uŜytkowników)
– dość wysokie koszty
G1
G2
Internet
WMN
5
Rutery WMN
•
•
Co najmniej jeden interfejs
radiowy
Mobilność
– typowo stacjonarne
– rzadziej mobilne (pociągi,
metro,…)
•
•
•
Zapewniają zasięg sieci
Nie są źródłami/ujściami dla
strumieni ruchu uŜytkowego
(funkcja)
Dla zasięgu – ich liczba moŜe
być znaczna ( => koszty )
G1
G2
Internet
WMN
6
Urządzenia klienckie
•
•
Zwykle jeden interfejs (ale moŜe
być więcej - tyle, Ŝe obecnie
multi-homing nie ma dobrego
wsparcia)
Mobilność
– stacjonarne
– mobilne
•
•
Dołączane do ruterów
bezprzewodowych (ew. portali)
Są jedynymi źródłami/ujściami
dla strumieni ruchu uŜytkowego
G1
G2
Internet
WMN
7
Łącza klient - ruter WMN
•
•
Access links
Przewodowe
– Bus (USB, PCIMCIA, PCI)
– Ethernet, Firewire, etc.
•
Bezprzewodowe
– 802.11
– Bluetooth
– firmowe (firmowe sterowniki)
•
•
Punkt-punkt lub punktwielopunkt (interpretacja w
protokołach)
Zazwyczaj nie stanowią wąskich
gardeł (jeśli są dobrze
zaprojektowane)
WMN
G1
G2
Internet
8
Łącza ruter WMN – ruter WMN
•
•
Backbone links
Bezprzewodowe
– 802.11
– Bluetooth
– firmowe (firmowe sterowniki)
•
•
Punkt-punkt lub punktwielopunkt
Zazwyczaj stanowią wąskie
gardła
– tu ogniskuje się problematyka
zarządzania zasobami w
sieciach WMN
G1
G2
Internet
WMN
9
Łącza portal – Internet
•
•
Backhaul links
Przewodowe
– Ethernet, TV kablowa, linie
energetyczne
•
Bezprzewodowe
– 802.16
– firmowe (firmowe sterowniki)
•
•
Punkt-punkt lub punktwielopunkt
Zazwyczaj nie stanowią wąskich
gardeł
G1
G2
Internet
WMN
10
Działanie
•
Strumienie klient Internet
– podstawowy typ ruchu
•
Strumienie klient klient
– rzadziej, typowo mała frakcja
ruchu
G1
G2
Internet
WMN
11
Techniki – szersze ujęcie
Sieci
bezprzewodowe
Jednoskokowe
(single-hop)
Infrastrukturalne
802.11
802.16
Wieloskokowe
(multi-hop)
Ad-hoc
802.11
Bluetooth
Infrastrukturalne
Sensorowe
Komórkowe
Kratowe
(mesh)
Bez infrastruktury
(MANET)
Ad-hoc
(nie-VANET)
Car-to-car
(VANET)
?
WMN
12
Krata (mesh) a sieci Ad-hoc
Ad-hoc
• Wieloskokowe
• Węzły bezprzewodowe,
często mobilne
Krata (mesh)
• Wieloskokowe
• Węzły bezprzewodowe, niektóre
mobilne, niektóre stacjonarne
•
Mogą korzystać z
infrastruktury zewnętrznej
(dostęp)
•
Bazują na dostępie do
infrastruktury zewnętrznej
•
Ruch typowo klient-klient
•
Gros ruchut typu klient-gateway
WMN
13
Krata (mesh) a Sieci sensorowe
Sensorowe
• Wieloskokowe
• Pasmo jest bardzo
ograniczone
• Węzły bezprzewodowe,
typowo stacjonarne
Krata (mesh)
• Wieloskokowe
• Pasma jest stosunkowo duŜo
•
•
•
•
Mogą korzystać z
infrastruktury zewnętrznej
(dostęp)
Oszczędność energii jest
kluczowym problemem
Gros ruchu klient-gateway
•
•
•
WMN
Węzły bezprzewodowe,
niektóre mobilne, niektóre
stacjonarne
Bazują na dostępie do
infrastruktury zewnętrznej
Eneria nie jest
najwaŜniejszym problemem
Gros ruchu klient-gateway
14
•
•
•
•
Wprowadzenie do technologii WMN
Typowe zastosowania
Wybrane problemy zarządzania zasobami
Standaryzacja
WMN
15
Zastosowania
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Dostęp szerokopasmowy do Internetu
Powiększenie zasięgu węzłów WLAN
Mobilny dostęp do Internetu (np. Cisco, Motorola, SysMaster)
Zastosowania w sytuacjach kryzysowych
Layer 2 connectivity (Mesh network = Ethernet switch)
Zastosowania militarne
Zastosowania przemysłowe
Sieci osiedlowe (ang. community)
Inne (np. systemy monitorowania, transport publiczny)
WMN
16
•
•
•
•
Wprowadzenie do technologii WMN
Typowe zastosowania
Wybrane problemy zarządzania zasobami
Standaryzacja
WMN
17
Trochę teorii
•
Region pojemności sieci
granica teoretyczna
λj
Rmax
R(π3)
R(π2)
R(π1)
R(π)
Ruch w relacji i : λi
Macierz ruchu w sieci : Λ= { λi }
Strategia zarządzania
zarz dzania : πi
Zbiór wszystkich mozliwych strategii : π
Region pojemności strategii πi : R(πi)
λi
Region pojemności
pojemno ci sieci dla strategii πk , R(π
R(πk) : zbiór wszystkich
wektorów { λi } takich, Ŝe przy zastosowaniu strategii πk sieść pozostaje
stabilna na poziomie poszczególnych strumieni realizujących
zapotrzebowania { λi } (wszystkie kolejki pozostają ograniczone)
Region pojemność
pojemno sieci, R(π
R(π) : domknięcie zbioru regionów
pojemności dla wszystkich moŜliwych strategii zarządzania π = { πi }
WMN
18
Strategia optymalna
•
•
Stabilna sieć: kolejki nie rosnę do nieskończoności
Algorytm backpressure (Tassiulas, Ephremides ’92)
– algorytm stabilizujący sieć, jeśli tylko macierz ruchu jest
dopuszczalna (czyli naleŜy do regionu pojemności sieci)
S(t) – stan sieci i zasobów w chwili t
I(t) – wektor decyzyjny sterowania dla wszystkich parametrów systemu
(wybór pakietów do transm. oraz kanałów/kodowania/mocy nadawania łączy)
µab(t) = Cab( I(t),S(t) ) – szybkosc transmisji na łączu a-b w chwili t (C jako
wynik decyzji sterowania)
a
przepływ λi
b
max{ 3 – 1, 0 } = 2
kolejka przepływu i
w węźle a : Uai
kolejka przepływu i
w węźle b : Uai
W iab = max { Uai(t)
(t) – Ubi(t),
(t), 0 } : backpressure na
łączu
czu a-b dla przepływu
przep ywu i
19
Strategia optymalna
•
Algorytm backpressure
a
b
przepływ λi
max(3 – 1,0) = 2
przepływ λj
max(1 – 3, 0) = 0
1) Alokacja zasobów (dla kaŜdego łącza wyznacz przepływ krytyczny)
• dla kaŜdego łącza a-b wybierz przepływ i*ab , który maksymalizuje
W iab(t) po wszystkich przepływach i na tym łączu
- oznaczmy : W*ab(t) = max { Uai*ab(t) – Ubi*ab(t), 0 }
• Wyznacz decyzję I(t), która na poziomie sieci maksymalizuje:
ΣabW*ab(t) Cab( I(t),S(t) ) (czyli po przepływach krytycznych)
2) Ruting: dla kaŜdego łącza a-b takiego, Ŝe W*ab(t)>0, transmituj przepływ
i*ab z szybkością µab(t) = Cab( I(t),S(t) ) (uwaga: C wynika z I) 20
Strategia optymalna
•
Algorytm backpressure
a
b
przepływ λi
max(3 – 1,0) = 2
przepływ λj
max(1 – 3, 0) = 0
1) Alokacja zasobów (dla kaŜdego łącza wyznacz przepływ krytyczny)
• dla kaŜdego łącza a-b wybierz przepływ i*ab , który maksymalizuje
W iab(t) po wszystkich przepływach i na tym łączu
- oznaczmy : W*ab(t) = max { Uai*ab(t) – Ubi*ab(t), 0 }
• Wyznacz decyzję I(t), która na poziomie sieci maksymalizuje:
cały stan sieci
ΣabW*ab(t) Cab( I(t),S(t) ) (czyli po przepływach krytycznych)
(zasięgi, interferencje,…)
2) Ruting: dla kaŜdego łącza a-b takiego, Ŝe W*ab(t)>0, transmituj przepływ
i*ab z szybkością µab(t) = Cab( WMN
I(t),S(t) )
21
Podstawowe mechanizmy
Z algorytmu backpressure wynika paradygmat cross-layer !
•
Warstwa fizyczna
– Sterowanie mocą nadajnika
– Smart antennas
•
Warstwa MAC
– Wielokanałowość
– Szeregowanie transmisji (TDMA, random access)
•
Warstwa Sieciowa
– Ruting (kilkadziesiąt protokołów dla Ad-hoc i mesh)
– Sprawiedliwy przydział zasobów (fairness) i QoS
•
Warstwa Transportowa
– Sterowanie przeciąŜeniem (congestion control) – główna bolączka:
mylenie efektów „bezprzewodowych” z przeciąŜeniem
– Problem end-to-end (co ze sterowaniem po odległej stronie ?)
WMN
22
Przykład: warstwa sieciowa
•
Ruting
–
–
–
–
–
–
–
–
•
AODV (Ad-hoc On Demand Distance Vector)
B.A.T.M.A.N. (Better Approach To Mobile Ad-hoc Networking)
PWRP (Predictive Wireless Routing Protocol)
DSR (Dynamic Source Routing)
OLSR (Optimized Link State Routing Protocol)
TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm)
HSLS (Hazy-Sighted Link State)
+ warianty wielościeŜkowe (multipath) niektórych spośród nich
Metryki:
– obciąŜeniowe: potrafią marnie działać
– topologiczne: nie reagują na zmiany ruchu
– alternatywa: podejścia wielościeŜkowe (bez metryk) z
równowaŜeniem ruchu na bazie backpressure i subgradientu :
niezbyt reaktywne (dość wolno zbieŜne)
WMN
23
Sprawiedliwy podział zasobów
•
Przykład
•
Główne źródło: konflikt między ruchem tranzytowanym na drogach o
róŜnej długości
•
Rozwiązania: kolejki dla poszczególnych przepływów z
monitorowaniem ruchu i dynamicznym szeregowaniem (dość
skomplikowane)
obszar kolizji
WMN
24
•
•
•
•
Wprowadzenie do technologii WMN
Typowe zastosowania
Wybrane problemy zarządzania zasobami
Standaryzacja
WMN
25
IEEE 802.11s i dalej
•
•
•
IEEE 802.11s : obowiązkowy protokół rutingowy (Hybrid
Wireless Mesh Protocol, HWMP)
HWMP to hybryda AODV (RFC 3561) i protokołu a la spanning
tree (Ethernet)
Przyszłość:
– WMN bazujące na 802.11, a nawet na WiMax, będą silnie
ograniczone
– Przyszłość leŜy zapewne w technikach Software Defined Radio
WMN
26
Pomocnicze slajdy
•
Tuting w sieci WMN: zmienność metryki ETT w czasie oscylacje.
WMN
27