Sieć ad-hoc wi-fi z mechanizmem samoorganizacji i kolejkowaniem przydziału kanału radiowego dla VoIP do zastosowań w służbach publicznych

Transkrypt

1 Janusz Romanik Wojskowy Insyu Łączności Zegrze, ul. Warszawska 22A Pior Gajewski, Jacek Jarmakiewicz Insyu Telekomunikacji Wojskowa Akademia Techniczna {pgajewski, Sieć ad-hoc wi-fi z mechanizmem samoorganizacji i kolejkowaniem przydziału kanału radiowego dla VoIP do zasosowań w służbach publicznych Sreszczenie: W arykule przedsawiono wyniki badań sieci elefonicznej zorganizowanej z wykorzysaniem sandardu WLAN IEEE 802.* w rybie ad-hoc. Dla akiej sieci opracowano mechanizmy wspierania jakości usług czułych na opóźnienia. Ich skueczność powierdziły wyniki przeprowadzonych badań. Opracowane mechanizmy o prioryeyzacja ruchu elefonicznego, samoorganizacja zamknięej grupy użykowników i serowanie dosępem do kanału radiowego AC (Admission Conrol). Zaproponowane mechanizmy mogą być wykorzysane do organizacji sieci specjalnych działających na niewielkim obszarze na rzecz oddziałów wojska, policji, sraży pożarnej lub dla ego ypu jednosek współdziałających w rejonie zagrożenia. Terminale abonenckie dzięki niewysokim koszom echniki wi-fi mogą być rakowane jako jednorazowe choć mogą eż być wykorzysywane wielokronie.. Wprowadzenie Technika wi-fi jes obecnie bardzo częso wykorzysywana jako efekywne rozwiązanie w zakresie łączności bezprzewodowej realizowanej na niewielkie odległości. Głównymi zaleami są: ławość organizacji sieci, niski kosz urządzeń sieciowych oraz sosunkowo duża szybkość przesyłania danych. Wyróżnia się dwa podsawowe rodzaje sieci: z infrasrukurą oraz sieci działające ad-hoc. W rybie z infrasrukurą elemenem cenralnym i jednocześnie serującym ruchem jes punk dosępowy, zaś w ad-hoc wszyskie sacje są równoprawne i mogą komunikować się między sobą rywalizując o dosęp do kanału radiowego. Ograniczeniami sieci wi-fi jes brak odporności na aaki ypu DoS oraz mechanizm dosępu do kanału nieprzysosowany do wspierania usług mulimedialnych w ym (Real Time)[-3]. W celu poprawy jakości usług opracowano nową wersję sandardu {e}, w kórej zmodyfikowano mechanizm dosępu do medium. Publikowane badania dowodzą, że jakość usług nie w pełni jes gwaranowana, szczególnie w sieciach pracujących w rybie ad-hoc [4]. Sieci ad-hoc cieszą się dużym zaineresowaniem ze srony użykowników specjalnych (akich jak sraż pożarna, policja, pogoowie raunkowe czy wojsko [5-7]). Sąd eż celowe jes opracowanie mechanizmów zwiększających efekywność usług. Przyjmuje się, że sieć rozwijana na porzeby akich użykowników składa się maksymalnie z kilkudziesięciu sacji będących w bezpośredniej widoczności, np. podczas akcji raunkowej, pożaru, powodzi. Ponieważ dowodzenie i kierowanie, szczególnie w pierwszym eapie operacji, realizowane jes w posaci komend i rozkazów mówionych, zaem w akiej sieci dominują usługi czasu rzeczywisego. W arykułach [8,9] zaproponowano szereg mechanizmów, kóre zwiększają efekywność realizacji usług VoIP w sieciach specjalnych ad-hoc wi-fi. Mechanizmy e umożliwiają pomiar poziomu wykorzysania kanału radiowego, a ym samym predykcji dosępnej przepływności, prioryeyzację usług oraz mechanizm samoorganizacji sieci. W ramach parycji predykcji wyróżnia się echniki esymacji przepusowości: akywne i pasywne [9-]. Proponowana w [9] echnika należy o echnik pasywnych, ponieważ bez względu na akywność czy rangę sacji pomiary są dokonywane we wszyskich sacjach w sieci. Ocena dosępnej przepływności odbywa się niezależnie w każdej ze sacji w zadanych przedziałach czasowych (Sampling Inerval). Znając dosępną przepływność, sacje wi-fi mogą wykonać procedurę negocjacji kodeka mowy i w efekcie wybrać kodek odpowiednio dososowany do naężenia ruchu w sieci. Gdyby dosępna przepływność okazała się niewysarczająca, sacje mogą przejść w ryb przyśpieszonego wejścia w nadawanie poprzez skrócenie rozmiaru okna rywalizacji CWmin/CWmax [2]. Zmiana kodeka mowy powoduje redukcję srumienia generowanych danych,

2 w związku z czym zmniejsza się częsoliwość i rozmiar przesyłanych pakieów. Zabieg skrócenia okna rywalizacji poprawia efekywność wykorzysania dosępnego pasma, jednak w ograniczonym zakresie, ponieważ nadal wysępuje duża redundancja informacyjna. W sieci ad-hoc może zdarzyć się, że naężenia ruchu do wzrośnie do poziomu z kórym nie radzą sobie opisane doychczas mechanizmy. Ponieważ sosowana jes meoda rywalizacyjnego dosępu do medium, zaem nie ma skuecznego mechanizmu Admission Conrol, kóry mógłby ograniczyć ilość sacji realizujących w danym okresie połączenia VoIP. W związku z ym porzebny jes dodakowy mechanizm, kóry posiadałby funkcjonalność zarządcy odpowiedzialnego za serowanie ruchem w sieci ad-hoc wi-fi. W arykule przedsawiono rozwiązania dla organizacji zamknięej sieci wi-fi oraz zarządzania ruchem. W ym celu zaproponowano mechanizm samoorganizacji sieci NSOM (Nework Self- Organizing Mechanism) ze sacją zarządzającą klaserem (Nework Resource Manager). Zarządca odpyuje sacje o zaporzebowaniu na pasmo oraz rozgłasza kolejkę, według kórej sacje mogą nadawać. Odpyywanie i rozgłaszanie odbywają się cyklicznie, ak aby nowe sacje mogły zosać włączone do kolejki. Ponieważ sieć ad-hoc może pracować w erenie zurbanizowanym w zmiennych warunkach propagacyjnych a abonenci mogą się przemieszczać, zaem co pewien okres ( Timeou) funkcję zarządcy może obejmować inna sacja. Algorym wyznaczania zarządcy uwzględnia liczbę sacji w sąsiedzwie, poziom odbieranego sygnału, poziom energii i rangę sacji w sieci. 2. Pomiar poziomu wykorzysania kanału radiowego Mechanizm BPCP (Bandwidh Predicion Conrol Proocol) realizuje pomiar wskaźnika wykorzysania kanału radiowego (channel uilizaion) i prognozę dosępnej przepływności, od kórej uzależnione jes uruchomienie kolejnych mechanizmów, rys.. Warswa Aplikacji Kszałowanie srumienia Sieć zamknięa seruje ruchem w sieci Kolejkowanie ruchu Obsługa zgłoszeń Inicjacja procedury samoorganizacji sieci Warswa Transporowa Warswa Sieciowa Warswa Łącza Danych MAC Physical Layer Tryb AM FER, daa rae SNR BPCP Inicjacja AM Organizacja sieci zamknięej Negocjacja kodeków Pomiary charakerysyk radiowych Predykcja dosępnej przepływności Przełączanie rybu STD/AM Rysunek.. Funkcje BPCP i relacje z innymi prookołami Przebieg ransmisji danych w rybie rywalizacyjnym, obserwowany z poziomu warswy łącza danych, przedsawiono na rys. 2. Czas wymagany do ransmisji jednej ramki danych DIFS 5.5Mb/s SIFS Mb/s DIFS 2Mb/s SIFS Mb/s DATA ACK DATA ACK FREE Backoff d ACK Backoff d2 ACK 2 Rysunek. 2. Przebieg ransmisji danych na poziomie warswy łącza danych w rybie rywalizacyjnym

3 Pomiar wykorzysania kanału dla esymacji dosępnej przepływności w warswie łącza danych w rybie rywalizacyjnym prookołu dosępowego jes zgodny z [3]. W okresie wskaźnik wykorzysania kanału U dla dwukronej ransmisji danych można wyznaczyć nasępująco (): U d + d ACK + 2 SIFS + 2 DIFS = () 2 Na rys. 3. przedsawiono graf sanów sacji uprzywilejowanej (z VoIP) w zależności od dosępnej przepływności. W począkowej fazie sacje uprzywilejowane działają ze sandardowymi usawieniami. Jeśli okaże się, że przepływność jes zby mała do efekywnej realizacji usługi VoIP, np. z powodu współdzielenia kanału ze sacjami/użykownikami komercyjnymi, wówczas prookół MAC rozpoczyna działanie w rybie zachłannym, nazywanym MAC Acquisiive Mode. Jes o działanie, kóre odbywa się lokalnie i niezależnie w każdej ze sacji. Jeśli przepływność okaże się wysarczająco duża, wówczas sacja będzie pracować ze sandardowymi paramerami. Dyskusję wyników badań symulacyjnych przeprowadzonych za pomocą narzędzia OMNET ++ v4.0 dla dosępu sandardowego i AM z uwzględnieniem różnych kodeków mowy przedsawiono w [9]. U Measured U>U 802.b MAC Acquisiive Mode U>U2 U Measured 802.b Sandard DCF U<U U<U2 Closed Nework Conrolled Access U Measured U<U for T Rysunek. 3. Sany prookołu MAC w specjalnej sieci ad-hoc wi-fi Jeśli pomimo sosowania mechanizmu AM przepływność jes niewysarczająca, BPCP inicjuje mechanizm samoorganizacji sieci zamknięej (Closed Nework), w kórej dosęp do kanału jes reglamenowany mechanizmem AC i gdzie może być wykorzysany mechanizm dynamicznej zmiany kodeków VoIP. Mechanizm umożliwia uworzenie sieci zamknięej, w ramach kórej działają ylko sacje specjalne wzbogacone o nowe mechanizmy. 3. Mechanizm samoorganizacji sieci zamknięej Podsawowym mechanizmem wyznaczającym fazy działania sieci ad-hoc wi-fi jes BPCP realizujący pomiar i predykcję dosępnej przepływności. Na począku sacje działają w rybie sandardowym z dosępem rywalizacyjnym (rys.4). Podczas ej fazy działania sieci, w le jes realizowana procedura odkrywania ooczenia. Polega ona na rozsyłaniu w rybie rozgłoszeniowym ramek z żądaniem odpowiedzi od wszyskich sacji, kóre ją odbiorą (rys. 5). Sacje odpowiadają ramką rozgłoszeniową Response [4]. Pozwala o sacjom na sworzenie lokalnej bazy informacji o sąsiadach, poziomie odbieranego sygnału, poziomie baerii i randze sacji w sieci. Na podsawie zabranych informacji każda sacja wyznacza własny wskaźnik goowości do pełnienia funkcji zarządcy sieci _Readiness.

4 BPCP deecs oo small Bandwidh Ad-hoc Mode AM Mode Iniiaion NSOM Iniiaion Deermined for Traffic Traffic Disribued s for Traffic Disribued Timeou Elapsed Sandard Access Scheme MAC Acquisiive Mode Deermining Traffic Queuing VoWiFi Connecions Traffic Queuing VoWiFi Connecions Nex Period Discovery Procedure Rysunek. 4. Fazy działania specjalnej sieci ad-hoc Jeśli BPCP wykryje zby małą dosępną przepływność, wówczas sacja zmienia paramery prookołu dosępowego i w efekcie zmniejsza rozmiar okna rywalizacji - ryb AM. Sacje nadal wysyłają okresowo informacje do sąsiadów odświeżając dane o ooczeniu i akualizują wskaźnik _Readiness. Jeśli po pewnym okresie BPCP ponownie wykryje zby małą przepływność, wówczas uruchamiany jes mechanizm NSOM. Odświeżanie informacji o ooczeniu Uruchomienie procedury samoorganizacji sieci Rozgłoszenie informacji o zarządcy sieci Procedura wyznaczania zarządy sieci for Resp. Resp. 2 Resp. M Resp. N Rysunek. 5. Procedura odkrywania ooczenia sieciowego W ej fazie działania biorą udział ylko e sacje, kórych wskaźnik _Readiness jes nie mniejszy niż pewna warość progowa. Jeśli informacje w bazie danych sacji o ooczeniu wymagają odświeżenia, wysyłana jes ponownie ramka rozgłoszeniowa z żądaniem odpowiedzi. W ej ramce zawara jes również informacja o wskaźniku _Readiness. Nasępnie sacja o najwyższym wskaźniku wysyła ramkę z informacją, że ona pełni rolę zarządcy sieci. Ramka a jes wysyłana z opóźnieniem wpros proporcjonalnym do warości wskaźnika _Readiness. Zarządca informuje o przyjmowaniu zgłoszeń Zarządca rozgłasza kolejkę ruchu STA Confirm Confirm 2 Confirm N Rysunek.. Procedura przyjmowania zgłoszeń na realizację usług 4. Mechanizm zarządzania ruchem W kolejnej fazie działania sieci wysyła ramkę informującą o przyjmowaniu zgłoszeń od sacji, kóre będą realizowały usługę VoIP (rys.). W ramce ej zawara jes informacja o bieżącym limicie kolejki oraz o ych sacjach, kórych zgłoszenia zosały zaakcepowane. Po wyczerpaniu limiu w kolejce lub po zadanym okresie czasu Req Timeou, wysyła ramkę zawierającą informację o miejscu poszczególnych sacji w kolejce, ilości cykli nadawania i sosowanych kodekach mowy. Sacje znajdujące się w kolejce wysyłają ramki danych po okresie DIFS, naomias ramki powierdzające ACK po okresie SIFS, rys. 7. Liczba cykli określa ile razy sacje będą nadawały w określonym porządku. Po odsłuchaniu każdej ransmisji sacje zmniejszają swój wskaźnik TransmissionIndex, a jeśli osiągnie on warość zerową wówczas są uprawnione do nadawania. Jeśli zdarzy się, że jakaś sacja nie będzie miała w buforze więcej ramek do wysłania i zakończy nadawanie np. w cyklu 2, wówczas w cyklu 3 sacja nasępująca po niej w kolejce wyśle ramkę po okresie 2*DIFS.

5 Po upłynięciu zadanej liczby cykli, ponownie wysyła ramkę w celu usalenia nowej kolejki. W ym momencie żądanie mogą wysłać e sacje, kórych zgłoszenia w poprzednim okresie nie zosały zaakcepowane oraz e sacje, kóre od ego momenu będą realizowały połączenia VoIP. Po upłynięciu okresu _Timeou w sieci ponownie wyznaczany jes zarządca. Disribuion s cycle 2nd cycle Timeou Elapsed New Deermined DIFS SIFS DIFS SIFS DIFS SIFS DIFS SIFS DATA ACK DATA 2 ACK DATA ACK DATA 2 ACK Reqes for New Deermining Reqes for s Period 2nd Period Rysunek. 7. Procedura organizacji kolejki ruchu 5. Srukura ramek zarządzających Do organizacji sieci zamknięej wi-fi i serowania ruchem wykorzysano dodakowe ramki zarządzające, rys.8. Ramki i Reponse służą do zbierania informacji o srukurze sieci. Ramki, Confirm oraz służą do serowania ruchem w sieci. Podyp 00 Resp. Podyp 0 Podyp 0 Confirm Podyp 0 Podyp Rysunek. 8. Zesaw ramek wykorzysywanych do organizacji sieci zamknięej i serowania ruchem Wszyskie dodakowe ramki są wysyłane w rybie rozgłoszeniowym. Przyjęcie akiego założenia miało dwa zasadnicze powody. Po pierwsze, pozwala o na uniknięcie konieczności powierdzania orzymywanych ramek. Po drugie, zapewnia o obowiązkowe przeworzenie zawarości ramek zarządzających przez wszyskie sacje kóre je odebrały. Formay dodakowych ramek są spójne z przyjęą w sandardzie IEEE 802.b zasadą worzenia ramek zarządzających [5]. Składają się one ze sandardowego nagłówka MAC Header oraz pól informacyjnych przenoszonych w reści ramki zasadniczej Frame Body, rys. 9. W polu Frame Conrol nagłówka MAC określany jes yp oraz podyp ramki. Ponieważ nie wszyskie kombinacje biów są wykorzysywane, zaem isnieje możliwość ich zasosowania na porzeby nowych ramek zarządzających. Tabela. Kombinacje biów sosowanych do określenia ypów i podypów nowych ramek zarządzających Rodzaj ramki Określenie ypu ramki Określenie podypu ramki Response Confirm

6 Nagłówek MAC Frame Conrol Duraion Desinaion Address Source Address BSS Seq. Conrol Frame Body FCS Zmienna długość Saion Energy 7 Readiness Req. Coun # SNR from saion #... # N SNR from saion # N 8 Pola ramek i Reponse Limi In : STA # In : STA # 2 In : STA # N... 9 End - Reurn o STD 0 Pola ramki Confirm Pola ramki Confirm Size No. of Cycles Voice Codec Type Daa Rae Saion # Sequence No. #... Saion # N Sequence No. # M Rysunek. 9. Srukura dodakowych do sandardu 802. ramek zarządzających Pola ramki 2. Badania mechanizmu organizacji kolejki ruchu Badania symulacyjne przeprowadzono dla procedury organizacji kolejki ruchu w sieci zamknięej. Celem było sprawdzenie poziomu wykorzysania kanału dla różnej liczy połączeń VoIP w rybie z kolejką przydziału zasobów oraz sprawdzenie skueczności synchronicznej ransmisji. Założono, że sosowane są komercyjne kodeki mowy G.7 o arybuach przedsawionych w abeli 2. Tabela 2. Charakerysyka kodeka G.7 Szybkość biowa [kb/s] 4 Czas m. ramkami [ms] 20 Dane [B] 0 Pakiey/sekundę 50 Przyjęo nasępujące warości paramerów: DIFS = 50µs; PLCP header + Preamble = 92µs, ACK = 304µs, oraz szybkości ransmisji Mb/s, 2Mb/s, 5.5Mb/s i Mb/s. Założono sandardowe rozmiary nagłówków (MAC = 30B, IPv4 =20B, UDP = 8B). Na rys. 0 przedsawiono jak zmienia się wykorzysanie kanału podczas ransmisji w rybie synchronicznej pracy sacji w zależności od liczby relacji VoIP oraz od szybkości ransmisji. Przy szybkości ransmisji Mb/s, czas ransmisji w kanale radiowym jednej ramki danych wynosi 93µs. Uwzględniając ramkę ACK oraz okresy SIFS i DIFS, łączny czas zajęości kanału dla pojedynczej ransmisji wynosi 2,3ms. Ponieważ kodek mowy w każdej ze sacji generuje pakiey co

7 20ms, zaem możliwe jes uworzenie kolejki składającej się maksymalnie z 8 sacji. Każda kolejna sacja w kolejce spowoduje kolizję i uraę synchronizmu w sieci radiowej. Ponieważ w ej fazie działania w sieci przesyłane są ylko pakiey danych a po okresie SIFS ramki powierdzające, zaem wraz ze wzrosem liczby relacji VoIP wykorzysanie kanału rośnie liniowo. Maksymalny poziom wykorzysania kanału dla opisanego scenariusza wynosi około 90% a jego dalsze zwiększanie nie jes możliwe. Opóźnienia pakieów wynoszą maksymalnie kilkadziesią milisekund i wynikają głównie z szybkości ransmisji w kanale radiowym. Dzięki sosowaniu ransmisji synchronicznej i "okresów ochronnych" DIFS ransmisja odbywa się bezkolizyjnie i nie wysępują opóźnienia wynikające z reransmisji. Podobny poziom wykorzysania kanału można uzyskać dla mniejszej liczby relacji VoIP ale umożliwiając sacjom ransmisję z większą częsości, co jes jednym z głównych zadań zarządcy sieci. Jeśli sacje pracują z szybkością Mb/s, wówczas w sieci możliwa jes jednoczesna realizacja ośmiu połączeń VoIP. Gdy szybkość nadawania wzrośnie do 2Mb/s, ilość połączeń zwiększa się do rzynasu. Dwadzieścia dwa połączenia VoIP można zesawić dla szybkości ransmisji 5,5Mb/s. Jeśli sieć pracuje z maksymalną szybkością wynoszącą Mb/s, liczba połączeń wzrasa do dwudziesu siedmiu. Osiągnięcie większej efekywności wykorzysania kanału niż 90% nie jes możliwe, co wynika z konieczności sosowania okresu SIFS między ramką danych i ramką powierdzającą oraz z okresu DIFS poprzedzającego ransmisję ramki danych. Wykorzysanie kanału [%] Mb/s 2Mb/s 5,5Mb/s Mb/s Liczba połączeń VoIP Rysunek. 0. Efekywność wykorzysania kanału podczas ransmisji synchronicznej 7. Podsumowanie W arykule przedsawiono wyniki badań sieci elefonicznej zorganizowanej z wykorzysaniem sandardu WLAN IEEE 802.* w rybie ad-hoc, dla kórej opracowano mechanizmy wspierania usług czułych na opóźnienia. Opisano działanie mechanizmu pomiaru przepływności będącego podsawą do przejścia w ryb sieci zamknięej w przypadku deekcji zby małego poziomu dosępnej przepływności. Omówiono procedury odkrywania ooczenia, wyznaczania zarządcy sieci i organizacji kolejki ruchu. Przedsawiono sposób wykorzysania i srukurę ramek zarządzających sosowanych na porzeby nowych procedur działania sieci ad-hoc wi-fi. Weryfikacji procedury organizacji kolejki ruchu dokonano na podsawie badań symulacyjnych. Wyniki badań powierdziły możliwość wykorzysania kanału na poziomie 88-90%

8 w przypadku ransmisji synchronicznej (zsynchronizowanej), zapewniając opóźnienia wynikające głównie z szybkości ransmisji ramek w kanale radiowym. Proponowane mechanizmy dla sieci wi-fi są auorskie i są opracowane na podsawie badań w polskich ośrodkach naukowych, wskazują na duże rezerwy w wykorzysaniu rozrzunej w sandardowej posaci echniki wi-fi. Lieraura. J.Bellardo S.Savage, 802. Denial-of-Service Aacks: Real Vulnerabiliies and Pracical Soluions, USENIX Securiy Symp V.Gupa, S.Krishnamurhy, M.Falousos, DoS Aacs a he MAC layer in wireless Ad Hoc Neworks, Milcom S.Choi, J.Yu, QoS Provisioning in IEEE 802. WLAN, 200 John Wiley & Sons, Inc. 4. H.Yoon, JW.Kim, DY.Shin, Dynamic Admision Conrol in IEEEE 802.e EDCA-based Wireless Home Nework, IEEE Consumer Communicaion and Neworking Conference, Jan J.Pawelec, K.Kosmowski, Z.Krawczyk, ICT Ani Collision Radar for Road Traffic, Vehicular Technology Conference, J.Jarmakiewicz, R.Krawczak, J.Krygier, J.Łopaka, Wireless LAN IEEE 802.b adapaion for miliary purposes, IEEE MICON 2004, Vol T.Maseng, Wireless Tacical Local Area Nework, Mulinaional CDE, Norway J.Krygier, P.Gajewski, J.Jarmakiewicz, P.Łubkowski, M.Lies, P.Sevenich, Disribued esbed for evaluaion of he resource managemen procedures in mobile miliary neworks, NATO MCC Cracow J.Romanik, P.Gajewski, J.Jarmakiewicz, MAC Proocol Exension for VoIP Suppor in wi-fi adhoc Nework in Urban Environmen, Miliary Communicaions And Informaion Sysems Conference 2009, Praga Czechy 0. R.Prasad, M.Murray, C.Dovrolis, K.Claffy, Bandwidh Esimaion: Merics, Measuremen Techniques, and Tools, IEEE Nework, vol. 7, no., pp , G.Chelius, I.Gue rin Lassous, Bandwidh Esimaion for IEEE 802.-Based Ad Hoc Neworks, IEEE Transacions on mobile compuing, vol. 7, no. 0, J.Romanik, P.Gajewski, J.Jarmakiewicz, Mechanizm prognozowania poziomu wykorzysania kanału dla wspomagania usług VoIP w sieciach ad hoc wifi, KKRRiT C.Sarr a. al., A node-based available bandwidh evaluaion in IEEE 802. ad-hoc neworks, Inernaional Journal of Parallel, Emergen and Disribued Sysems, vol. 2, M.Bednarczyk, M.Amanowicz, Ocena efekywności prookołu WRCP, KKRRiT Wrocław IEEE Sd Par : Wireless LAN Medium Access Conrol (MAC) and physical layer (PHY) Specificaion, Sandard IEEE 802.