Rozdział 6. Klasyczne rezerwacyjne protokoły dostępu do łącza dla sieci bezprzewodowych. 1. Wprowadzenie

Transkrypt

1 Rozdział 6 Klasyczne rezerwacyjne prookoły dosępu do łącza dla sieci bezprzewodowych arłomiej ZIELIŃSKI Poliechnika Śląska, Insyu Informayki arlomiej.zielinski@polsl.pl Sreszczenie Opisano klasyczne prookoły dosępu do łącza dla sieci bezprzewodowych (scenralizowanych oraz ad-hoc), wykorzysujące zarówno mechanizmy rezerwacji, jak i w mniejszym sopniu rywalizacji. okonano przeglądu i porównania właściwości wybranych rezerwacyjnych prookołów dosępu do łącza dla akich sieci. 1. Wprowadzenie Pierwsze prookoły dosępu do łącza dla sieci bezprzewodowych należały do grupy rywalizacyjnych (były o zreszą pierwsze prookoły ego ypu). Przykładem akiego rozwiązania jes prookół loha oraz jego szczelinowa wersja s-loha. Są one niezwykle prose, co w wielu zasosowaniach sanowi ich zaleę, a przy małym obciążeniu sieci zapewniają względnie króki czas dosępu do łącza. Przy większych obciążeniach zachowują się one jednak niesabilnie oraz nie gwaranują uzyskania dosępu w czasie możliwym do przewidzenia, co w wielu przypadkach uniemożliwia ich sosowanie. Niedogodność a jes zreszą cechą wszyskich prookołów rywalizacyjnych, nawe najbardziej skomplikowanych. Wiele grup prookołów może zapewnić gwaranowany czas dosępu do łącza. Należą do nich przede wszyskim prookoły przydziału szywnego (np. TM), a akże opare na przekazywaniu żeonu czy wreszcie rezerwacyjne. Należy przy ym zauważyć, iż osania z wymienionych grup wykorzysuje pewne cechy rywalizacji, jednak wyłącznie podczas zgłaszania żądań przydziału czasu łącza. We współczesnych rozwiązaniach okres rywalizacji doyczy jedynie małego odcinka czasowego, służącego zgłaszaniu żądań poszczególnych sacji. Widać o np. w niekórych propozycjach dla bezprzewodowych sieci TM [1, 2]. Można jednak zasosować znacznie prosszy prookół, w kórym uwieńczona sukcesem rywalizacyjna próba przesłania ramki skukuje dodakową rezerwacją szczeliny. Przy niskich obciążeniach łącza mechanizm en można uznać za wysar-

2 68. Zieliński czający. Waro akże zauważyć, iż wiele z przedsawionych rozwiązań można w ineresujący sposób rozwinąć, uzyskując prookoły znacznie bardziej skomplikowane, ale akże bardziej wydajne. 2. Przegląd prookołów rezerwacyjnych Wśród rezerwacyjnych prookołów dosępu do łącza wykorzysujących mechanizmy rywalizacji można znaleźć wyłącznie akie, kóre dokonują dynamicznego przydziału czasu łącza. Uwzględniają one zaem chwilowe zaporzebowanie poszczególnych sacji na czas łącza. Konrasuje o z prookołami szywnego przydziału łącza, jak np. TM Prookoły R-loha i PRM Prookół R-loha (ang. Reservaion loha) [3] jes pochodną szczelinowego prookołu loha (s-loha, ang. Sloed loha). Można uznać o rozwiązanie za formę pośrednią między prookołami s-loha i TM. Prookoły e były wprawdzie worzone z myślą o ransmisji saeliarnej, jednak, ze względu na prosoę, w pewnym zakresie mogą być sosowane akże w sieciach ad-hoc, pozbawionych sacji serującej. Podobnie jak w drugim z wymienionych, wysępuje u ramka składająca się z pewnej liczby szczelin, ale przypisanie ich poszczególnym sacjom nie jes sałe. Isnieje kilka możliwych sposobów przydzielania szczelin TM/s-loha Pierwszą meodę [6] można określić jako połączenie TM i s-loha. Począkowo każda sacja ma przydzieloną pojedynczą szczelinę. Jeśli jednak w pewnej ramce nie sacja wykorzysa szczeliny dla ransmisji, w nasępnej ramce wszyskie sacje mogą rywalizować o przydział ej szczeliny. Rywalizacja a przebiega zgodnie z prookołem s-loha. dy poprzedni właściciel zamierza ponownie rozpocząć ransmisję, zajmuje ę samą szczelinę niezależnie od jej zajęości. Może o oczywiście spowodować kolizję, co jes sygnałem dla sacji nie będących właścicielami szczeliny, że powinny zaprzesać jej używania. Właściciel może rozpocząć nadawanie w czasie nie przekraczającym czasu rwania dwóch ramek. Wada ej meody polega na ym, że kolizja może oznaczać ale nie zawsze oznacza próbę odzyskania szczeliny przez właściciela, zaem sacje ubiegające się o dynamiczny przydział szczeliny muszą odczekać dodakowo przez czas nadania jednej ramki, zanim mogą podjąć kolejną próbę nadawania. Również chwilowe zwolnienie szczeliny przez właściciela powoduje zmarnowanie jej w jednej ramce. Tę wadę można jednak wyeliminować przez modyfikację informacji serującej w przesyłanych ramkach S-loha z rezerwacją Prookół TM/s-loha można dość ławo zmodyfikować przez usunięcie elemenów przydziału saycznego [7]. Umożliwia o w przeciwieńswie do meody poprzedniej sosowanie prookołu w sieciach, w kórych liczba sacji nie jes znana lub podlega dużym wahaniom. Rywalizacja odbywa się podobnie jak w prookole s-loha. dy pewnej sacji uda się bezkolizyjnie przesłać dane w i-ej szczelinie, w nasępnych ramkach akże

3 Klasyczne rezerwacyjne prookoły dosępu do łącza dla sieci bezprzewodowych 69 szczelina i pozosaje zarezerwowana przez ę sację. San en rwa ak długo, jak długo sacja przesyła dane. Meodę ę można określić jako s-loha z rezerwacją Reservaion loha Kolejna modyfikacja [8] polega na wyeliminowaniu rezerwacji przez przesłanie danych, co zmniejsza sraę czasu łącza w przypadku kolizji. Żądania sacji są uaj przedsawiane w specjalnych szczelinach, podzielonych na miniszczeliny. Zgłoszenie żądania polega na przesłaniu krókiej ramki w jednej z miniszczelin. Jeśli nie wysąpiła kolizja, jedna ze szczelin w nasępnej ramce zosaje przydzielona żądającej sacji. Tę meodę można określić jako rezerwacyjny prookół loha PRM Prookół PRM (ang. Packe Reservaion Muliple ccess) [9] jes modyfikacją drugiej z opisanych powyżej meod. opuszcza się uaj dwa rodzaje ramek: periodyczne (ang. periodic) dla przesyłu np. głosu oraz losowe (ang. random) dla przesyłu np. danych. Przesłanie ramki periodycznej powoduje przy ym rezerwację szczeliny, co nie wysępuje przy przesyle ramki losowej. Jes o zaem jedna z pierwszych prób inegracji różnego rodzaju usług na jednym łączu, sanowiąca podsawę późniejszych rozwiązań, sosowanych w bezprzewodowych sieciach TM [1, 2]. Prookół PRM zosał zreszą poddany pewnym modyfikacjom m. in. w prookołach PRM/ [10] oraz PRM [11], kóre powsały jako propozycje podwarswy dosępu do łącza (pracującego z podziałem częsoliwości) dla bezprzewodowych sieci TM [1]. Zasadę działania opisanych warianów prookołu ilusruje rys. 1. Ramka 1 W³aœciciel F E F F Kolizja E Miniszczeliny Ramka 2 E Ramka 3 E Ramka 4 E TM/s-loha S-loha z rezerwacj¹ R-loha Rys. 1. Zasada działania różnych warianów prookołu loha z rezerwacją [3] 2.2. Prookół SRM Prookół SRM (ang. Spli-channel Reservaion Muliple ccess) [12] wykorzysuje mechanizm dynamicznej rezerwacji przedziałów czasowych, w kórych dana sacja może nadawać. Przyjmuje się, że, podobnie jak w prookole TM, kanał podzielony jes na podkanał komunikaów i podkanał serujący. Ponado konieczne jes wprowadzenie do sieci sacji serującej, kórej zadaniem jes przydział przedziałów czasowych dla poszczególnych sacji. Kanał serujący może pracować według wielu reguł. W [12] proponuje się dwa rozwiązania SRM-RM i SRM-RM różniące się zasadami pracy kanału serującego.

4 70. Zieliński SRM-RM W odmianie RM (ang. reques answer o reques message) prookołu SRM informacje serujące, j. żądania (ang. reques) i odpowiedzi (ang. answer o reques), przesyłane są w osobnych kanałach. W kanale żądań obowiązuje rywalizacyjny prookół dosępu, np. loha lub SM. Jeżeli sacja ma dane do przesłania, wysyła żądanie do sacji serującej. O ile żądanie doarło bezbłędnie do sacji serującej, wyznacza ona czas, w kórym sacja zgłaszająca żądanie może rozpocząć ransmisję. Informacja a jes przekazywana ze sacji serującej w kanale odpowiedzi. Po orzymaniu ramki określającej czas nadawania sacja rozpoczyna odliczanie czasu, po czym może rozpocząć ransmisję w kanale danych. hwila rozpoczęcia ransmisji jes zaem wyznaczana względem momenu orzymania ramki odpowiedzi przez sację zgłaszającą żądanie. lernaywnie, czas ransmisji może być podany w posaci bezwzględnej, o ile sacje są prawidłowo zsynchronizowane. Zasadę działania prookołu SRM-RM zilusrowano na rys. 2. T Kana³ seruj¹cy ¹dañ Kana³ seruj¹cy odpowiedzi Kana³ danych SRM-RM T ane Rys. 2. Zasada działania prookołu SRM-RM W odmianie RM (ang. reques message) kanał serujący nie jes dzielony na podkanały, ym niemniej obowiązuje w nim akże rywalizacyjny prookół dosępu. Jeżeli sacja ma dane do przesłania, wysyła żądanie do sacji serującej. Jeśli doarło ono bezbłędnie, jes dołączane do kolejki żądań. Kolejka a może być obsługiwana według dowolnego algorymu. dy kanał komunikaów może zosać udosępniony, sacja serująca przesyła ym kanałem zezwolenie na nadawanie. Jeżeli sacja zgłaszająca żądanie nie doczeka się odpowiedzi w określonym czasie, ponawia przesłanie żądania do sacji serującej. Zasada działania prookołu SRM-RM zilusrowano na rys Możliwości modyfikacji prookołu SRM Prookół SRM (w dowolnym z przedsawionych warianów) można ławo poddać modyfikacji w celu zapewnienia wyższej wydajności oraz uzyskania wsparcia dla odmiennych wymagań różnego ypu aplikacji. Sacja zgłaszająca zaporzebowanie na przydział czasu łącza, przesyłając swoją ramkę żądania, może w niej umieścić informację o przewidywanym czasie ransmisji. Uławia o

5 Klasyczne rezerwacyjne prookoły dosępu do łącza dla sieci bezprzewodowych 71 sacji serującej racjonalną gospodarkę czasem łącza, gdyż każda ze sacji orzymuje wówczas ylko yle czasu, ile naprawdę jes w sanie wykorzysać. W przypadku, gdy łącze jes wykorzysane przez różnego ypu aplikacje, ramka żądania może zawierać informacje nie ylko o czasie ransmisji, lecz akże o prioryecie zgłoszenia i maksymalnym czasie oczekiwania na przydział łącza. Wówczas sacja serująca ma możliwość uwzględnienia ych danych w procesie przydziału łącza. Waro zaznaczyć, że opisane modyfikacje są używane w niekórych prookołach dosępu do łącza dla bezprzewodowych sieci TM. Można zaem mimo że na ogół się o ym nie mówi uznać prookół SRM za prooplasę ej grupy rozwiązań. Kolejka ¹d. Pojedynczy kana³ seruj¹cy Kana³ danych odp. ane Rys. 3. Zasada działania prookołu SRM-RM 2.3. Prookoły MSP i RM Prookoły MSP (ang. MiniSloed lernaing Prioriies) [13] i RM (ang. roadcas Recognising ccess Mehod) [14] należą do grupy prookołów z dynamiczną rezerwacją, wykorzysują one jednak mechanizmy wykrywania nośnej, a więc ypowe dla prookołów rywalizacyjnych. Wymagają one bezpośredniej łączności między wszyskimi sacjami w przeciwnym przypadku mogą działać nieprawidłowo. W prookole MSP czas podzielony jes na miniszczeliny (ang. minislo) o długości równej maksymalnemu czasowi propagacji w sieci. osęp do łącza opary jes na zasadzie kolejno zmiennych prioryeów. Oznacza o, że sacja i, kóra uzyskała dosęp do łącza, może nadać całą informację, jaką ma do wysłania. Nasępnie pozosałe sacje wykrywają koniec ej ransmisji przy pomocy mechanizmu wykrywania nośnej. W ym momencie nadawanie może rozpocząć sacja (i mod N) + 1, o ile ylko ma ona dane do wysłania. W przeciwnym przypadku ransmisję rozpoczyna kolejna sacja. Opisany mechanizm można uznać za pewną formę przekazywania uprawnienia, przy czym proces en jes nieco inny niż w prookołach z przekazywaniem żeonu (ang. oken passing). Ideę działania prookołu przedsawiono na rys. 4. W prookole MSP przyjmuje się, że kolejne sacje nie są jawnie wywoływane, ponieważ nie wysępuje u ani cenralna sacja serująca, ani jawne przekazywanie żeonu. Każda sacja musi więc liczyć miniszczeliny po każdej ransmisji, ak więc prookół jes czuły na błędy wykrywania nośnej. Konieczne jes akże zapewnienie odpowiednio wydajnego i bezbłędnego mechanizmu synchronizacji pracy sacji.

6 72. Zieliński Prookół RM jes w pewnym sensie uogólnieniem prookołu MSP wersja prioryeowa (ang. prioriised RM) jes ożsama z MSP, czyli umożliwia każdej sacji wysłanie całej informacji w jednym cyklu dosępu do łącza. Przeciwieńswem jej jes wersja sprawiedliwa (ang. fair RM), w kórej każda sacja może wysłać co najwyżej jedną ramkę danych w jednym cyklu dosępu. Sacja Sacja Sacja Sacja Miniszczeliny czasowe x Nadawanie ze sacji x x Odbiór ze sacji x Przekazanie prawa nadawania Rys. 4. Idea działania prookołów MSP i RM la niskich obciążeń sieci, zawierającej dużo sacji, prookół RM ma niedużą efekywność, ponieważ liczba miniszczelin, poprzedzających znalezienie sacji goowej do ransmisji, jes równa liczbie sacji. Tym niemniej efekywność a jes znacznie wyższa niż w klasycznej meodzie przydziału saycznego, a o dzięki możliwości wykrycia i częściowego odzyskania nie wykorzysanych pierwonie odcinków czasu. W przypadku szczególnie niskich obciążeń korzysne może być podzielenie sieci na grupy sacji. Poszczególne miniszczeliny odpowiadają wówczas grupom, a nie pojedynczym sacjom. W każdej grupie obowiązuje rywalizacja przy dosępie do łącza. Ponieważ liczba grup jes paramerem sieci, prookół en nosi nazwę parameryzowanego RM (ang. parameric RM); również i u wyróżnia się wersję prioryeową i sprawiedliwą Prookół SupRM Prookoły MSP i RM wymagają bezpośredniej łączności między wszyskimi sacjami w sieci. Isnieje naomias warian SupRM (ang. Supervisory node RM) [15], w kórym dopuszcza się brak bezpośredniej łączności między sacjami. Prookół en nadaje się zaem do sosowania w ypowej sieci ad-hoc. Możliwość a zosała osiągnięa przez wprowadzenie ramek serujących, kóre są przesyłane od sacji do sacji i informują o zamiarze ransmisji przez określoną sację. Szczelina czasowa jes podzielona na fazę planowania (ang. scheduling period) i ransmisji (ang. ransmission period). W fazie planowania sacje, mające dane do przesłania, rywalizują o uzyskanie prawa nadawania w fazie ransmisji przez wysłanie ramek serujących P (ang. conrol packe). Ramki e są nasępnie przekazywane dalej przez sacje sąsiednie, ak więc nawe sacje znajdujące się poza zasięgiem nadajnika orzymują informacje o jego zamiarach. Ze względu na obecność sacji ukryych możliwe jes pojawienie się wielu ramek P. Z ego powodu faza ransmisji rozpoczyna się z opóźnieniem

7 Klasyczne rezerwacyjne prookoły dosępu do łącza dla sieci bezprzewodowych 73 wysarczającym, aby ramka P zosała przekazana do wszyskich sacji w sieci. Pod koniec fazy planowania każda sacja wie, czy ma wyłączne prawo nadawania. Jeśli ak, może rozpocząć ransmisję. W prookole przewidziano ineresujący sposób przekazywania ramek P. Każda sacja przekazuje ylko e ramki, kóre arbiralnie uznaje za isone. ecyzja podejmowana jes na podsawie czasu orzymania ramki. Rywalizację o prawo nadawania wygrywa a sacja, kóra wysłała ramkę P najwcześniej. 3. Podsumowanie Opisane prookoły zosały zaprojekowane głównie z myślą o sosowaniu w sieciach scenralizowanych (j. zawierających wyróżnioną, cenralną sację serującą). Jedynie MSP i RM nie wymagają isnienia akiej sacji, ale w ypowej sieci ad-hoc mogą pracować nieprawidłowo, gdyż są podane na błędy wykrywania nośnej, a e z kolei są nieodłączną cechą ego ypu sieci. Naomias wydaje się, że prookoły rodziny s-loha, mimo iż sworzone dla sieci scenralizowanych, mogą być z powodzeniem sosowane akże w sieciach o archiekurze rozproszonej, nie wyłączając sieci ad-hoc. Wymaga o jedynie zapewnienia odpowiedniej synchronizacji pracy sacji. Waro zauważyć, że wiele z przedsawionych rozwiązań doczekało się konynuacji w późniejszych propozycjach prookołów dosępu do łącza. I ak np. w prookołach dla bezprzewodowych sieci TM można zauważyć pewne mechanizmy, sanowiące rozwinięcie zasady działania prookołów PRM i SRM i R-loha. Z kolei mechanizm sosowany w SupRM zosał w pewien sposób rozwinięy w prookołach hybrydowych [4, 16], w kórych szywny podział TM zosał wzbogacony o wymianę ramek serujących w celu m. in. odzyskania nie wykorzysanych szczelin oraz zmniejszenia ryzyka kolizji spowodowanych przez sacje ukrye. LITERTUR 1. Zieliński.: ezprzewodowe sieci TM prookoły dosępu do łącza z podziałem częsoliwości (F). W: Kwiecień, rzywak. (red.): Współczesne problemy sieci kompuerowych. Zasosowanie i bezpieczeńswo. WNT, 2004, s Zieliński.: ezprzewodowe sieci TM prookoły dosępu do łącza z podziałem czasu (T). W: Kwiecień, rzywak. (red.): Współczesne problemy sieci kompuerowych. Zasosowanie i bezpieczeńswo. WNT, 2004, s Zieliński.: Meody unikania i wykrywania kolizji dla sieci ad-hoc. W: Kwiecień, rzywak. (red.): Współczesne problemy sieci kompuerowych. Zasosowanie i bezpieczeńswo. WNT, 2004, s Myers.., asagni S.: Wireless Media ccess onrol. W: Sojmenović I. (red.): Handbook of Wireless Neworks and Mobile ompuing. Wiley, New York Tanenbaum. S.: Sieci kompuerowe. WNT, Warszawa inder R.: dynamic packe swiching sysem for saellie broadcas channels, Proceedings of Inernaional ommunicaion onference I'75, June 1975, pp

8 74. Zieliński 7. rowher W., Reberg R., Walden., Ornsein S., Hear F.: Sysem for roadcas ommunicaion: Reservaion-LOH. Proceedings of he 6 h Hawaii Inernaional onference on Sysems Sciences, Jan. 1973, pp Robers L..: ynamic llocaion of Saellie apaciy hrough Packe Reservaion, Proceedings of Naional ompuer onference, 1973, pp oodman. J., Valenzuela R.., ayliard K. T., Ramamurhi.: Packe Reservaion Muliple ccess for Local Wireless ommunicaions. IEEE Transacions on ommunicaions, Vol. 37, No. 8, ug. 1989, pp Kim J.., Widjaja I.: PRM/: New Media ccess onrol Proocol for Wireless TM. Proceedings of Inernaional ommunicaions onference I 96, Jun. 1996, s yson.., Haas Z. J.: dynamic packe reservaion muliple access scheme for wireless TM. Mobile Neworks and pplicaions, Vol. 4, No. 2, 1999, s Tobagi F.., Kleinrock L.: Packe Swiching in Radio hannels: Par III Polling and (ynamic) Spli-hannel Reservaion Muliple ccess. IEEE Transacions on ommunicaions, Vol. OM-24, No. 8, ug. 1976, pp Kleinrock L., Scholl M. O.: Packe Swiching in Radio hannels: New onflic-free Muliple ccess Schemes. IEEE Transacions on ommunicaions, Vol. OM-28, No. 7, Jul. 1980, pp hlamac I., Frana W. R., Levin K..: RM: The roadcas Recognizing ccess Mehod. IEEE Transacions on ommunicaions, Vol. OM-27, No. 8, ug. 1979, pp hlamac I., Frana W. R.: Muliaccess Proocol for Mulihop Radio Neworks. IEEE Transacions on ommunicaions, Vol. OM-33, No. 10, Oc. 1985, pp Zieliński.: Hybrydowe prookoły dosępu do łącza dla sieci ad-hoc wykorzysujące mechanizmy rezerwacji i rywalizacji. W: Wysokowydajne sieci kompuerowe. WKŁ, 2004.