Janusz Romanik (1) - Wojskowy Instytut Łączności

Janusz Romanik (1), Piotr Gajewski, Jacek Jarmakiewicz (2)
(1) Wojskowy Instytut Łączności
ul. Warszawska 22A
05-130 Zegrze
[email protected]
(2) Wojskowa Akademia Techniczna
ul. Gen. S.Kaliskiego 2
00-908 Warszawa
{pgajewski, jjarmakiewicz}@wel.wat.edu.pl
Kraków, 16-18 czerwca 2010 r.
MECHANIZM PROGNOZOWANIA POZIOMU WYKORZYSTANIA KANAŁU DLA WSPOMAGANIA
USŁUG VOIP W SIECIACH AD HOC WIFI
Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badań
opracowanego mechanizmu prognozowania dostępnej
przepustowości z wykorzystaniem danych pochodzących
z warstwy fizycznej stacji wifi. Mechanizm jest podstawą
dla uruchamiania dodatkowych mechanizmów w stacjach
wifi realizujących usługi VoIP w przypadku ograniczeń
przepływności w kanale radiowym. Proponowane rozwiązania dotyczą sieci adhoc wifi 802.11b. i mogą być
wykorzystane przez straż pożarną, policję, pogotowie
ratunkowe, wojsko.
1. WSTĘP
Zaletami sieci wifi (IEEE 802.11*) są niskie koszty
urządzeń sieciowych, powszechność wykorzystania i
łatwość budowy sieci zaś ograniczeniami stosunkowo
niski poziom odporności na ataki (DoS) i mechanizm
dostępu do medium nieprzystosowany do realizacji usług
multimedialnych [1-3]. Ważnym krokiem w rozwoju wifi
i ulepszeń z punktu widzenia QoS było opracowanie
standardu 802.11e, mechanizmy tam stosowane są dedykowane dla sieci z infrastrukturą, choć prowadzone są
też rozważania wykorzystania standardu „e” do wspomagania QoS w sieciach ad hoc [4].
W związku z zaletami sieci ad hoc wifi i dalszym
ich rozwojem jak i wizją ich wykorzystania w różnych
zastosowaniach [5] w tym specjalnych [6,7] zaproponowanie mechanizmów zwiększających ich efektywność,
szczególnie w przypadku realizacji usług multimedialnych w trybie adhoc, wydaje się być ciągle aktualne i
atrakcyjne.
W ramach artykułów [8-9] zaproponowano mechanizmy, które zwiększają efektywność realizacji usług
multimedialnych w sieciach ad hoc wifi opartych na
802.11b. Zasadniczymi mechanizmami, które umożliwiają poprawę efektywności realizacji usług multimedialnych jest szacowanie poziomu wykorzystania kanału
radiowego w trakcie realizacji usług w sieci a tym samym „przewidywania” dostępnej przepustowości, priorytetyzacja usług oraz mechanizm samoorganizacji sieci.
W ramach partycji wyróżnia się techniki estymacji przepustowości: aktywne i pasywne [9-11].
Proponowana [9] technika należy to technik pasywnych, pomiary dokonywane są we wszystkich stacjach
wifi w sieci, bez względu na aktywność stacji. W zakładanym scenariuszu stacje wifi są podzielone na dwie
grupy: stacje uprzywilejowane (które posługują się za-
równo standardową jak i zmodyfikowaną metodą dostępu do medium) oraz stacje typowe, wykorzystujące standardowe mechanizmy dostępu (niezmienione CWmin,
standardowy Backoff). Proponowana klasyfikacja stacji
wynika ze szczególnego zastosowania wifi dla działania
służb publicznych w terenie zurbanizowanym (np. pogotowie, straż pożarna, policja). W przypadku detekcji
przez uprzywilejowane stacje wifi ograniczeń wielkości
przepustowości stacje te przełączają się w tryb skróconego okna CWmin/CWmax, czyli de facto zmniejszają czas
Backoffu pomiędzy generowanymi wiadomościami, a
tym samym uzyskują względnie szybszy dostęp do medium niż stacje typowe. Ten prosty zabieg, daje efekt
priorytetyzacji dwuelementowej, dzięki temu można
uprzywilejować pod względem przepływności jedną
grupę stacji kosztem zubożenia innej. Założono, że z
wykorzystaniem stacji uprzywilejowanych są realizowane jedynie usługi telefoniczne zaś zwykłe stacje nie mają
ograniczeń w typie dostępnych usług (tak jak to ma miejsce w typowych warunkach). Rozważania ograniczono
do sieci radiowej, w której stacje uprzywilejowane znajdują się na niewielkim obszarze w zakresie widzialności
radiowej, tak jak to ma miejsce w przypadku kolizji,
pożaru itp.
W artykule przedstawiono opracowany mechanizm
estymacji dostępnej przepływności z wykorzystaniem
danych pochodzących z warstwy fizycznej stacji wifi.
Każda stacja specjalna prowadzi obserwację charakterystyki dostępnej przepływności, obserwuje zarówno ruch
stacji uprzywilejowanych jak i tło (stacji typowych). Jeśli
dostępna przepływność jest wystarczająca do realizacji
relacji telefonicznych, to stacje zachowują się standardowo, jeśli zaś „brakuje przepływności” to w wyniku
rozgłoszenia przez jedną ze stacji wiadomości zarządzającej, stacje uprzywilejowane przełączają się w tryb
pracy z wyprzedzeniem.
2. OPIS MECHANIZMÓW WSPIERAJĄCYCH
USŁUGI VoIP
Spośród wielu czynników wpływających na efektywność transmisji w sieciach wifi można wyróżnić narzut informacyjny, który jest uzależniony od stosowanego zestawu protokołów.
Rys.1. Redundancja informacyjna w warstwie transportowej - protokół UDP
Na rys. 1, 2 schematycznie przedstawiono rozmiar
narzutu informacyjnego dla sieci wifi jaki występuje w
przypadku stosowania protokołu UDP i TCP w warstwie
transportowej.
Mechanizm BPCP realizuje pomiar obciążenia kanału radiowego i prognozę dostępnej przepływności, od
której uzależnione jest uruchomienie kolejnych mechanizmów. Na rys. 3 przedstawiono BPCP w relacji z innymi
blokami funkcjonalnymi stacji wifi.
W badaniach obciążenia kanału radiowego wykorzystano modele 802.11b symulatora Omnet++ [12],
które zwalidowano na podstawie porównania obliczeń
teoretycznych i otrzymanych wyników symulacyjnych.
Badania przeprowadzono dla standardu 802.11b dla
przepływności kanału 2Mb/s.
Rys.2. Redundancja informacyjna w warstwie transportowej - protokół TCP
W tab. 1 przedstawiono przykładowe czasy transmisji danych (UDP i TCP) w kanale radiowym sieci wifi
w odniesieniu do całkowitej zajętości kanału koniecznej
ze względu na właściwości 802.11b. Założono, że szybkość transmisji danych wynosi 11Mb/s, natomiast preambuła, nagłówek PLCP ramki i ACK transmitowane z
szybkością 1Mb/s.
Pole
danych
UDP
UDP
TCP
TCP
Tab.1. Przykładowe czasy zajętości kanału
w sieci wifi
Rozmiar
Czas transCzas zajętości
danych [B]
misji dakanału radionych [µs]
wego [µs]
30
21,8
919,9
80
58,2
956,3
256
186,2
1093
516
375,2
1282
Przykłady z tab.1 obrazują (nie)efektywność wykorzystania kanału w sieciach wifi. Poprawa efektywności
może nastąpić w przypadku zastosowania dodatkowych
mechanizmów gwarantujących dostęp do kanału i wspierających realizację usług czasu rzeczywistego. Proponowane mechanizmy to:
− Bandwidth Prediction Control Protocol – realizujący: pomiar wykorzystania kanału; estymację dostępnej przepływności; wyzwalanie pozostałych mechanizmów;
− Acquisitive Mode – nowy „zachłanny” tryb protokołu MAC;
− Network Self-Organizing Mechanism – mechanizm
samoorganizacji sieci zamkniętej oparty na koncepcji zarządcy sieci i agentów, umożliwiający utworzenie zamkniętej grupy użytkowników; podział
przepustowości kanału radiowego i mechanizm AC
(Admission Control);
− Mechanizm adaptacji strumienia RT do aktualnie
dostępnej przepływności w sieci wifi, wykorzystujący negocjowanie kodeka VoIP.
Rys.3. Funkcje BPCP i relacje z innymi elementami
Pomiar wykorzystania kanału i estymację dostępnej
przepływności w warstwie łącza danych w trybie rywalizacyjnym protokołu dostępowego w okresie ∆t dla dwukrotnej transmisji danych można wyznaczyć w następujący sposób (1):
t + t + 2 ⋅ t ACK + 2 ⋅ SIFS + 2 ⋅ DIFS
(1)
U = d1 d 2
t2 − t1
Rys.4. Przebieg transmisji na poziomie warstwy łącza
danych - tryb rywalizacyjny
Na rys. 5 przedstawiono schematycznie jak będzie
zmieniać się algorytm działania stacji uprzywilejowanej
(z VoIP) w zależności od dostępnej przepływności.
W początkowej fazie stacje uprzywilejowane działają ze
standardowymi ustawieniami.
Jeśli okaże się, że przepływność jest zbyt mała do
efektywnej realizacji usługi VoIP, np. z powodu współdzielenia kanału ze stacjami/użytkownikami komercyjnymi, wówczas protokół MAC rozpoczyna działanie w
trybie „zachłannym”.
Standardowy schemat
dostępu do medium
Tryb dostępu AM –
Acquisitive Mode
Rys.5. Schemat działania stacji uprzywilejowanej wifi w
zależności od dostępnej przepływności
Jeśli nadal przepływność jest niewystarczająca,
BPCP inicjuje mechanizm samoorganizacji sieci, w której dostęp do kanału jest reglamentowany mechanizmem
AC i gdzie może być wykorzystany mechanizm dynamicznej zmiany kodeków VoIP.
3. SCENARIUSZE BADAWCZE I WYNIKI
BADAŃ
3.1. Scenariusze badawcze
W scenariuszu 1 wszystkie stacje sieci wifi w trybie
ad-hoc (rys. 6) pracują ze standardowymi mechanizmami
dostępu do medium. Bez względu na to jakie usługi są
realizowane dostęp do kanału radiowego realizowany
jest standardowo w trybie rywalizacyjnym, opartym na
metodzie dostępu CSMA/CA. Stacja, która posiada w
buforze ramki danych do wysłania najpierw rozpoznaje
stan kanału. Kanał może być wolny albo zajęty (transmisja). Jeśli kanał jest wolny to wówczas stacja rozpoczyna
procedurę backoffu, która polega na losowym wygenerowaniu dodatkowego czasu oczekiwania, w celu zminimalizowania prawdopodobieństwa kolizji. Jeśli kanał
pozostaje nadal wolny, wówczas licznik backoff jest
zmniejszany, aż do osiągnięcia wartości zerowej. Jeśli
jednak w tym okresie inna stacja zacznie nadawać, wówczas zegar wstrzymuje odliczanie czasu backoff aż do
momentu rozpoznania okresu DIFS. Jeśli po tym czasie
kanał jest nadal wolny, zegar backoff jest ponownie
zmniejszany aż osiągnie wartość równą zero i stacja
będzie uprawniona do nadawania.
3.2. Wyniki badań
W celu oceny przepływności mierzonej w kanale
radiowym przeprowadzono badania symulacyjne oraz
obliczenia teoretyczne. Przyjęto następujące wartości
parametrów: DIFS = 50µs; PLCP + Preamble = 192µs,
Backoff =300µs (średnio), ACK =304µs, oraz szybkość
transmisji 2Mb/s. Założono, że stosowany jest kodek
G.711 charakteryzujący się parametrami przedstawionymi w tabeli 2. Założono standardowe rozmiary nagłówków (MAC = 30B, IPv4 =20B, UDP = 8B).
Tab.2. Atrybuty kodeka G.711
Szybkość bitowa [kb/s]
64
Czas m. ramkami [ms]
20
Dane [B]
160
Pakiety/sekundę
50
Czas transmisji jednego pakietu UDP wraz z potwierdzeniem wynosi około 1.8ms, uwzględniając że są
one generowane co 20ms, można w ciągu jednej sekundy
zrealizować 11 transmisji pomiędzy różnymi stacjami
(pakiet UDP i potwierdzenie warstwy WLAN). Możliwe
jest zatem, zgodnie z powyższymi założeniami, osiągnięcie przepływności mierzonej w kanale radiowym wynoszącej około 1,3Mb/s.
Na rys.7. przedstawiono porównanie wyników obliczeń teoretycznych i symulacji dla różnej liczby połączeń VoIP.
1800
Teoria
1600
Symulacja
1400
Przepływność [kb/s]
Mechanizm samoorganizacji
sieci zamkniętej - NSOM
ności transmisyjnej stacji standardowych i zawładnięcie
medium radiowego przez stacje ze zmienionym mechanizmem dostępu do medium.
1200
1000
800
600
400
200
0
0
2
4
6
8
10
12
14
Liczba połączeń VoIP
Rys. 7. Przepływność w kanale radiowym w zależności
od liczby połączeń VoIP
Rys. 6. Sieć adhoc wifi z mechanizmami wspomagania
usługi VoIP
W scenariuszu 2 stacje podzielone są na 2 grupy,
pewna część stacji wspomaga realizacje usług VoIP
(stacje uprzywilejowane) zaś druga grupa realizuje usługi
w standardowy sposób. W przypadku wzrastania obciążenia i powstawania niedoboru przepływności, stacje
uprzywilejowane (prognozujące poziom wykorzystania
łącza radiowego) włączają tryb AM i zaczynają wchodzić w nadawanie z wyprzedzaniem stacji z mechanizmem standardowym. Powoduje to ograniczanie aktyw-
Znajomość bieżącej przepływności w kanale radiowym przez każdą ze stacji może być podstawą do zmiany
kodeka lub zmiany parametrów dostępowych protokołu
MAC. Na rys. 8 i 9 przedstawiono wyniki badań symulacyjnych sieci adhoc wifi dla dwóch przypadków, gdy
stacje realizujące VoIP pracowały ze standardowym oraz
ze zmodyfikowanym oknem rywalizacji (CWmin=7,
CWmax=31).
Prezentowane rozwiązania można wykorzystać w
sieciach adhoc w terenach zurbanizowanych do realizacji
współpracy służb takich jak straż pożarna, policja, pogotowie ratunkowe, wojsko.
1,4
Standard CW
CWmin=7, CWmax=31
1,2
Opóźnienie [s]
1
0,8
SPIS LITERATURY
0,6
0,4
0,2
0
4
6
8
10
12
14
16
Liczba połączeń VoIP
Rys. 8. Opóźnienie pakietów w funkcji liczby
połączeń VoIP
25
Standard CW
CWmin=7, CWmax=31
PLR [%]
20
15
10
5
0
4
6
8
10
12
14
16
Liczba połączeń VoIP
Rys. 9. Strata pakietów w funkcji liczby połączeń VoIP
Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić, że zmniejszenie okna rywalizacji skutkuje efektywniejszą realizacją usługi VoIP. Przykładowo, dla 12
relacji VoIP i standardowego rozmiaru okna rywalizacji
opóźnienie pakietów wynosi 0.6 sekundy, czyli znacznie
przekracza wartość dopuszczalną. Jeśli natomiast stacje
pracują ze skróconym oknem rywalizacji, wówczas to
opóźnienie wynosi około 0,25 i może być uznane za
akceptowalne w sieci specjalnej. Strata pakietów dla
obydwóch rozważanych przypadków dla 12 relacji VoIP
wynosi około 10%. Jednak może ona być znacznie
mniejsza o ile zostanie zastosowany inny kodek, np.
wojskowy o przepływności 4,8kb/s. Aktualnie prowadzone są badania, których celem jest ocena efektywności
realizacji VoIP w sieci ad-hoc wifi z zastosowaniem
kodeków 4,8kb/s oraz 2,4kb/s.
4. WNIOSKI
Otrzymane wyniki badań potwierdzają przydatność
opracowanych mechanizmów wspomagania realizacji
usługi telefonicznej VoIP w niewielkich sieciach adhoc
wifi. Zaproponowane w artykule mechanizmy opierają
się na prognozowaniu wykorzystania kanału radiowego
przez stacje uprzywilejowane. Dane dotyczące wykorzystania kanału radiowego z warstwy fizycznej są dostarczane do warstw wyższych MAC i aplikacji w celu odpowiednio: organizacji dostępu do kanału radiowego jak
i sterowania wielkością strumienia generowanego ruchu
VoIP (dynamicznej zmiany kodeka).
[1] J.Bellardo S.Savage, 802.11 Denial-of-Service
Attacks: Real Vulnerabilities and Practical
Solutions, USENIX Security Symp. 2003.
[2] V.Gupta, S.Krishnamurthy, MFaloutsos, DoS
Attacs at the MAC layer in wireless Ad Hoc
Networks, Milcom 2002.
[3] S.Choi, J.Yu, QoS Provisioning in IEEE 802.11
WLAN, 2006 John Wiley & Sons, Inc.
[4] H.Yoon, JW.Kim, DY.Shin, Dynamic Admision
Control in IEEEE 802.11e EDCA-based Wireless
Home Network, IEEE Consumer Communication
and Networking Conference, Jan. 2006
[5] J.Pawelec, K.Kosmowski, Z.Krawczyk, ICT Anti
Collision Radar for Road Traffic, Vehicular
Technology Conference, 2007
[6] J.Jarmakiewicz, R.Krawczak, J.Krygier, J.Łopatka,
Wireless LAN IEEE 802.11b adaptation for
military purposes, IEEE MICON 2004, 1009-1012.
Vol.3. 2004
[7] T.Maseng, Wireless Tactical Local Area Network,
Multinational CDE, Norway 2002.
[8] J.Krygier,
P.Gajewski,
J.Jarmakiewicz,
P.Łubkowski, M.Lies, P.Sevenich, Distributed
testbed for evaluation of the resource management
procedures in mobile military networks, NATO
MCC Cracow 2008.
[9] J.Romanik, P.Gajewski, J.Jarmakiewicz, MAC
Protocol Extension for VoIP Support in Wi-Fi adhoc Network in Urban Environment, Military
Communications And Information Systems
Conference 2009, Praga Czechy.
[10] R.Prasad, M.Murray, C.Dovrolis, K.Claffy,
Bandwidth Estimation: Metrics, Measurement
Techniques, and Tools, IEEE Network, vol. 17, no.
6, pp. 27-35, Nov. 2003.C.Sarr, C.Chaudet,
[11] G.Chelius,
I.Gue´rin
Lassous,
Bandwidth
Estimation for IEEE 802.11-Based Ad Hoc
Networks, IEEE Transactions on mobile computing,
vol. 7, no. 10, Oct. 2008.
[12] www.omnetpp.org