Bezprzewodowe sieci kratowe Materiały wykładowe do uŝytku wewnętrznego

Transkrypt

1 Instytut Telekomunikacji PW Wybrane zagadnienia przyszłego Internetu Bezprzewodowe sieci kratowe Materiały wykładowe do uŝytku wewnętrznego WMN 1

2 Zakres Wprowadzenie do technologii WMN Typowe zastosowania Wybrane problemy zarządzania zasobami Standaryzacja WMN 2

3 Wprowadzenie do technologii WMN Typowe zastosowania Wybrane problemy zarządzania zasobami Standaryzacja WMN 3

4 Urządzenia Rutery WMN Łącza Portale WMN (gateway G) radiowe łącza WMN urządzenia stacjonarne PC, drukarki, serwery bramy domowe, switche radiowe łącza klienckie (stacjonarne/mobilne) przewodowe łącza klienckie (stacjonarne) urządzenia przenośne i mobilne notebook, palmtop, G1 Internet G2 łącza dostępowe do Internetu WMN 4

5 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 Internet G2 WMN 5

6 Rutery WMN Co najmniej jeden interfejs radiowy Mobilność typowo stacjonarne rzadziej mobilne (pociągi, metro, ) Zapewniają zasięg sieci Nie sąźródłami/ujściami dla strumieni ruchu uŝytkowego (funkcja) Dla zasięgu ich liczba moŝe być znaczna ( => koszty ) G1 Internet G2 WMN 6

7 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

8 Łącza klient - ruter WMN Access links Przewodowe Bus (USB, PCIMCIA, PCI) Ethernet, Firewire, etc. Bezprzewodowe Bluetooth firmowe (firmowe sterowniki) Punkt-punkt lub punktwielopunkt (interpretacja w protokołach) Zazwyczaj nie stanowią wąskich gardeł (jeśli są dobrze zaprojektowane) G1 Internet G2 WMN 8

9 Łącza ruter WMN ruter WMN Backbone links Bezprzewodowe Bluetooth firmowe (firmowe sterowniki) Punkt-punkt lub punktwielopunkt Zazwyczaj stanowią wąskie gardła tu ogniskuje się problematyka zarządzania zasobami w sieciach WMN G1 Internet G2 WMN 9

10 Łącza portal Internet Backhaul links Przewodowe Ethernet, TV kablowa, linie energetyczne Bezprzewodowe firmowe (firmowe sterowniki) Punkt-punkt lub punktwielopunkt Zazwyczaj nie stanowią wąskich gardeł G1 G2 Internet WMN 10

11 Działanie Strumienie klient Internet podstawowy typ ruchu Strumienie klient klient rzadziej, typowo mała frakcja ruchu G1 G2 Internet WMN 11

12 Techniki szersze ujęcie Sieci bezprzewodowe Jednoskokowe (single-hop) Wieloskokowe (multi-hop) Infrastrukturalne Ad-hoc Infrastrukturalne Bez infrastruktury (MANET) Bluetooth Sensorowe Kratowe (mesh) Ad-hoc (nie-vanet) Car-to-car (VANET) Komórkowe? WMN 12

13 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

14 Krata (mesh) a Sieci sensorowe Sensorowe Wieloskokowe Pasmo jest bardzo ograniczone Węzły bezprzewodowe, typowo stacjonarne Mogą korzystać z infrastruktury zewnętrznej (dostęp) Oszczędność energii jest kluczowym problemem Gros ruchu klient-gateway Krata (mesh) Wieloskokowe Pasma jest stosunkowo duŝo Węzły bezprzewodowe, niektóre mobilne, niektóre stacjonarne Bazują na dostępie do infrastruktury zewnętrznej Eneria nie jest najwaŝniejszym problemem Gros ruchu klient-gateway WMN 14

15 Wprowadzenie do technologii WMN Typowe zastosowania Wybrane problemy zarządzania zasobami Standaryzacja WMN 15

16 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

17 Wprowadzenie do technologii WMN Typowe zastosowania Wybrane problemy zarządzania zasobami Standaryzacja WMN 17

18 Trochę teorii Region pojemności sieci λ j granica teoretyczna R(π 1 ) R(π 2 ) R(π 3 ) R max R(π) λ i Ruch w relacji i : λ i Macierz ruchu w sieci : Λ= { λ i } Strategia zarządzania : π i Zbiór wszystkich mozliwych strategii : π Region pojemności strategii π i : R(π i ) Region pojemności sieci dla strategii π, R(π k k ) : zbiór wszystkich wektorów { λ i } takich, Ŝe przy zastosowaniu strategii π k sieść pozostaje stabilna na poziomie poszczególnych strumieni realizujących zapotrzebowania { λ i } (wszystkie kolejki pozostają ograniczone) Region pojemność sieci, R(π) : domknięcie zbioru regionów pojemności dla wszystkich moŝliwych strategii zarządzania π = { π i } WMN 18

19 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) µ ab (t) = C ab ( I(t),S(t) ) szybkosc transmisji na łączu a-b w chwili t (C jako wynik decyzji sterowania) a b przepływ λ i max{ 3 1, 0 } = 2 kolejka przepływu i w węźle a : U a i W i ab kolejka przepływu i w węźle b : U a i ab = max { U ai (t) U bi (t), 0 } : backpressure na łączu a-b dla przepływu i 19

20 Strategia optymalna Algorytm backpressure a b przepływ λ i przepływ λ j max(3 1,0) = 2 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 i ab (t) po wszystkich przepływach i na tym łączu - oznaczmy : W* ab (t) = max { U a i*ab (t) U b i*ab (t), 0 } Wyznacz decyzję I(t), która na poziomie sieci maksymalizuje: Σ ab W* ab (t) C ab ( 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 szybkościąµ ab (t) = C ab( I(t),S(t) ) (uwaga: C wynika z I) 20

21 Strategia optymalna Algorytm backpressure a b przepływ λ i przepływ λ j max(3 1,0) = 2 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 i ab (t) po wszystkich przepływach i na tym łączu - oznaczmy : W* ab (t) = max { U i*ab a (t) U i*ab b (t), 0 } Wyznacz decyzję I(t), która na poziomie sieci maksymalizuje: cały stan sieci Σ ab W* ab (t) C ab ( 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 szybkościąµ ab (t) = C ab( I(t),S(t) ) WMN 21

22 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

23 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

24 Sprawiedliwy podział zasobów Przykład obszar kolizji Główne źródło: konflikt między ruchem tranzytowanym na drogach o róŝnej długości Rozwiązania: kolejki dla poszczególnych przepływów z monitorowaniem ruchu i dynamicznym szeregowaniem (dość skomplikowane) WMN 24

25 Wprowadzenie do technologii WMN Typowe zastosowania Wybrane problemy zarządzania zasobami Standaryzacja WMN 25

26 IEEE s i dalej IEEE s : 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 , a nawet na WiMax, będą silnie ograniczone Przyszłość leŝy zapewne w technikach Software Defined Radio WMN 26

27 Pomocnicze slajdy Tuting w sieci WMN: zmienność metryki ETT w czasie - oscylacje. WMN 27