QoS w sieciach (W)LAN

Marcin Wawruszczak QoS w sieciach (W)LAN praca magisterska Promotor: Dr inż. Michał Morawski Dyplomant: Marcin Wawruszczak nr albumu 120389 Łódź, wrzesień 2008

QoS w sieciach (W)LAN 2

Spis treści 1. Wstęp...7 2. Cel i zakres pracy...9 3. Skróty i akronimy...11 4. Sieci bezprzewodowe...15 4.1 Zarys historyczny...15 4.2 Definicje...15 4.3 Architektura warstwy MAC...18 4.4 Przedziały czasowe IFS...19 4.5 Mobilność a WLAN...20 5. Metody standardu 802.11...21 5.1 DCF...21 5.1.1 Zasada działania...21 5.1.2 Procedura unikania kolizji, backoff...22 5.1.3 Mechanizm RTS/CTS...23 5.1.4 Licznik powtórzeń...23 5.1.5 Fragmentacja w DCF...24 5.1.6 Ograniczenia metody DCF...24 5.2 PCF...25 5.2.1 Zasada działania...25 5.2.2 Synchronizacja, ramka beacon...26 5.2.3 Transmisja danych z punktu dostępowego...26 5.2.4 Polling list...27 5.2.5 Ograniczenia PCF...27 6. Klasyfikacja metod QoS w sieciach WLAN...29 7. 802.11e...31 7.1 HCF...31 7.1.1 TXOP...31 7.1.2 Traffic stream...32 7.1.3 HCF algorytm kolejkowania, harmonogramowania...32 7.2 EDCA...34 7.2.1 Zasada działania...34 7.2.2 EDCA a procedura backoff...36 7.2.3 Domyślne parametry EDCA...36 7.2.4 PF a poprawa QoS przy AC...37 7.2.5 Dynamiczne CW w EDCA...37 7.2.6 Multitransmisja ramek w EDCA...37 7.2.7 Retransmisja ramek w EDCA...38 7.2.8 Czas życia ramki w kolejce a QoS...38 7.3 HCCA...39 7.3.1 Zasada działania...39 7.3.2 CAP, CCI, CC, CCOP...40 7.3.3 CFB...41 7.3.4 mcfb...41 7.3.5 Kontrola dostępu w AP...42 7.4 Block Ack...43 7.4.1 Imeediate, delay block ack...43 7.4.2 Reguły transferowe BlockAck...44 7.4.3 Kończenie transmisji BlockAck...44 QoS w sieciach (W)LAN 3

7.5 Direct Link protocol...44 7.5.1 Zasada negocjacji połączenia z wykorzystaniem AP...44 7.6 Wireless Address Resolution Protocol...45 7.7 APSD- Automatic Powe Save Delivery...45 7.7.1 APSD- mechanizmy...46 7.7.2 Główne zalety APSD...46 8. Metody bazujące na DCF...47 8.1 AC/IAAC...47 8.2 Blackburst...47 8.3 JDRC /DC...48 8.4 DFS- Distributed fair scheduling...48 8.5 VMAC...48 8.6 AEDCA...49 9. Metody bazujące na PCF...51 9.1 Robust SuperPoll...51 9.2 FHCF...51 10. Problem mobilności stacji...53 10.1 802.11 roaming...53 10.2 Ograniczenia roaming...53 10.3 Rozwiązania dla roamingu...54 10.4 802.11r...54 10.4.1 Fast BSS transistion, procedura fast hand-off...55 10.4.1.1 Bezpieczeństwo...55 10.4.2 QoS...55 10.5 LWAPP...56 10.6 Inne rozwiązania dla sieci WLAN...56 11. Symulacje przy użyciu NS-2...57 11.1 Roaming...57 11.1.1 Opis symulacji...57 11.1.2 Metoda handover w ns-2.33...57 11.1.3 Analiza wyników...58 11.1.4 Schemat wymiany komunikatów...58 11.1.5 Graficzna interpretacja wyników...59 11.2 802.11e HCF...61 11.2.1 Opis symulacji...61 11.2.2 HCCA...61 11.2.2.1 Analiza wyników...61 11.2.2.2 Graficzna interpretacja wyników...62 11.2.3 HCCA, EDCA...63 11.2.3.1 Analiza wyników...63 11.2.3.2 Graficzna interpretacja wyników...63 11.2.4 EDCA...64 11.2.4.1 Analiza wyników...64 11.2.4.2 Graficzna interpretacja wyników...65 12. Podsumowanie...67 Bibliografia...68 Zawartość płyty CD...73 QoS w sieciach (W)LAN 4

Spis tabel Tabela 4.4.2 Domyślne wartości czasów IFS poszczególnych standardów...20 Tabela 6.1 Klasyfikacja metod QoS...29 Tabela 7.2.1 Odwzorowanie priorytetów na kolejki...35 Tabela 7.2.2 Opis kolejek ruchu...35 Tabela 7.2.3 Domyślne parametry EDCA zdefiniowane przez 802.11e...36 Tabela 11.2.2.1 Wyniki symulacji HCCA...62 Tabela 11.2.3.1 Wyniki symulacji EDCA,HCCA...63 Tabela 11.2.4. Parametry poszczególnych kolejek AC...64 Tabela 11.2.4.1 Wyniki symulacji EDCA...64 Spis rysunków 4.2.1 Independet basic service set...17 4.2.2 Infrastructure BSS...17 4.3 Architektura MAC...18 4.4.1 Zależności pomiędzy czasami IFS...19 5.1.1 DCF, dostęp podstawowy...21 5.1.2.1 Procedura backoff...22 5.1.3 Schemat RTS/CTS...23 5.2.1 PCF, interwał beacon...25 7.2.1.1 EDCA a DCF...34 7.2.1.2 Działanie EDCA i prezentacja AIFS...35 7.3 HCCA, interwał beacon...39 7.3.1 CAP/CP/CFP, zależności...40 7.2.4 CFB...41 7.2.5.1 mcfb, brak potwierdzenia ramki...41 7.2.5.2 mcfb, brak potwierdzenia jednej z ramek w sekwencji...42 7.4.1.1 Immediate block ack...43 7.4.1.2 Delay block ack...43 10.5.1 LWAPP, działanie...56 11.1.5.1 Czas wysłania danych a opóźnienie. Ruch UDP/Exponential...59 11.1.5.2 Czas wysłania danych a opóźnienie. Ruch UDP/CBR...60 11.2.2.2 Czas wysłania pakietu a opóźnienie, HCCA...62 11.2.3.2 Czas wysłania pakietu a opóźnienie, EDCA i HCCA...63 11.2.4.2 Czas wysłania pakietu a opóźnienie, EDCA...65 QoS w sieciach (W)LAN 5

QoS w sieciach (W)LAN 6

1. Wstęp Szybka i niezawodna komunikacja od wielu lat jest dla każdego z nas kluczowym elementem w interakcjach międzyludzkich. Nikt przecież nie lubi długo oczekiwać na otrzymanie pożądanej informacji. Metody i sposoby komunikacji ewoluowały na przestrzeni wieków. Począwszy od posłańców mających dostarczyć wiadomość przemierzając setki kilometrów aż po dziś, gdzie jedno kliknięcie w komunikatorze może implikować wysłaniem wiadomości do kogoś na drugim końcu świata. Dzisiejsze metody wymiany i dostarczania informacji są możliwe głównie dzięki szybkiemu rozwojowi technologicznemu, który został zapoczątkowany w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku. Wówczas rozpoczęto prace nad stworzeniem sieci komputerowych, które, jak można dziś zaobserwować, całkowicie zmieniły nasz świat i sposób myślenia. Prowadzone na renomowanych uczelniach amerykańskich zrewolucjonizowały interakcje międzyludzkie. Prawdziwą rewolucję przyniosły lata dziewięćdziesiąte ubiegłego wieku dając nam możliwość komunikacji poprzez ogólnoświatową sieć internet. W tym okresie zapoczątkowano również prace nad stworzeniem sieci bezprzewodowych, które zapewniają możliwość komunikacji bez użycia okablowania. Posiadając tylko odpowiednie urządzenie, np. laptop, możemy komunikować się z każdego miejsca, gdzie tylko istnieje infrastruktura tych sieci. Grupa standardów IEEE 802.11 jest najpopularniejszym rozwiązaniem gwarantującym bezprzewodową możliwość komunikacji. Została rozpowszechniona w przemyśle, biznesie oraz w gospodarstwach domowych. Dalszy rozwój cywilizacyjny implikował coraz większymi wymaganiami w stosunku do tych sieci w zakresie jakości transmisji (ang. Quality of service). QoS [49], z definicji, to możliwość zapewnienia różnych priorytetów dla przepływów danych w celu dostarczenia gwarancji dotyczącej opóźnień czy wymaganej prędkości transmisji. Mechanizm pełni bardzo istotną rolę w przypadku sieci działających w środowisku podatnym na zakłócenia, gdzie przepustowość sieci jest zmienna i może być okresowo niewystarczająca. Istnieje szereg aplikacji multimedialnych wymagających właśnie specjalnego traktowania ze względu na charakterystykę działania. Dla twórców sieci bezprzewodowych WLAN kluczowym zagadnieniem stało się zapewnienie jakości transmisji obok problemów związanych z bezpieczeństwem i mobilnością. Najpopularniejsze z rozwiązań QoS, jak IntServ [30], DiffServ [29] czy MLPS [20], [31], działają niestety w trzeciej warstwie modelu ISO/OSI. Specyfikacja 802.11 obejmuje tylko dwie najniższe warstwy wzorca, a z racji charakterystyki medium transmisyjnego, istniejące tu mechanizmy, nie są wystarczające. Intensywne prace nad zapewnieniem QoS w WLAN doprowadziły do powstania wielu nowych rozwiązań bazujących głównie na podstawowych metodach kontroli dostępu do medium przedstawionych w pierwszej publikacji standardu. W pracy postaram się przybliżyć funkcje mające zagwarantować jakość świadczonej transmisji użytkownikom sieci bezprzewodowych WLAN zaproponowane w celu zapewnienia odpowiednio wysokiej przepustowości i możliwości kontroli opóźnień. QoS w sieciach (W)LAN 7

QoS w sieciach (W)LAN 8

2. Cel i zakres pracy Celem niniejszej pracy jest przedstawienie metod zapewniania jakości transmisji w sieciach bezprzewodowych WLAN. Wraz z przedstawieniem funkcji od strony teoretycznej należy zaprezentować sposób ich działania i zakres zapewniania jakości świadczonych usług tworząc odpowiednie scenariusze zaprezentowane przy pomocy specjalistycznego programu do pomiarów sieciowych, NS-2, [41], [42], [58]. W pracy także zostanie rozpatrzony problem mobilności stacji, na jakie zjawiska jest narażona i jakim podlega podczas przemieszczania. Charakterystyka poszczególnych rozdziałów, z wyjątkiem rozdziału 1 i 2, prezentuje się następująco: Rozdział 3 wyjaśnienie wszystkich skrótów i akronimów, które pojawią się w pracy. Rozdział 4 zaprezentowanie podstawowych informacji o sieciach bezprzewodowych, genezy powstania, architektury warstwy MAC. Zostaną także wyjaśnione pojęcia związane z sieciami WLAN, ale tylko te powiązane bezpośrednio z rozprawą na temat jakości świadczonych usług. Rozdział 5- przybliżenie podstawowych metod dostępu do medium transmisyjnego, wskazanie ich wad, a także przedstawienie jaki poziom jakości transmisji potrafią zapewnić. Rozdział 6 zaprezentowanie klasyfikacji metod ze względu na sposób w jaki mają radzić sobie z obciążeniem sieci. Wszystkie metody w tejże klasyfikacji bazują na metodach opisanych w rozdziale piątym. Rozdział 7 przedstawienie możliwości standardu 802.11e wraz z nowymi funkcjami wprowadzonymi w celu lepszej utylizacji dostępnego pasma. Rozdział 8 omówienie metod opartych na DCF na podstawie podziału zaprezentowanego w rozdziale szóstym. Rozdział 9 omówienie metod opartych na PCF na podstawie podziału zaprezentowanego w rozdziale szóstym. Rozdział 10 omówienie zasad roaming w sieciach bezprzewodowych WLAN wraz z przedstawieniem nowego rozwiązania mającego na celu zmniejszenie złożoności procesów roaming i przyspieszenie działania sieci, standard 802.11r. Rozdział 11 symulacje przeprowadzone przy użyciu NS-2: roaming oraz 802.11e HCF, i ich analiza. Rozdział 12 podsumowanie pracy. QoS w sieciach (W)LAN 9

QoS w sieciach (W)LAN 10

3. Skróty i akronimy Sieci bezprzewodowe WLAN wprowadziły wiele nowych akronimów, a ich liczba i częstość wykorzystywania może przerazić każdego. Przedstawiam wszystkie skróty, które zostały wykorzystane w pracy. Pozostałe można znaleźć w [21]. AC (ang. access category) kategoria dostępu ACK (ang. acknowlegment) potwierdzenie ACRQ (ang. association request) prośba asocjacji z punktem dostępowym ACRP (ang. association response) odpowiedź punktu dostępowego na prośbę asocjacji ADDBA Request ADDBA Response (ang. add block acknowledgment request) ramka wysyłana w celu inicjacji blokowego potwierdzania danych (ang. add block acknowledgment response) odpowiedź na ramkę ADDBA Request informująca, czy istnieje możliwość blokowego potwierdzania danych ADDTS Request (ang. add traffic stream request) ramka wysyłana przez stację do punktu dostępowego zawierająca informację odnośnie priorytetu strumienia i żądająca dla niego kontroli transmisji. ADDTS Response (ang. add traffic stream response) odpowiedź na ramkę ADDTS Request informująca stację czy prośba kontroli dla danego strumienia zostanie zrealizowana przez punkt dostępowy AIFS (ang. arbitration interframe space) arbitrażowy odstęp międzyramkowy AID (ang. association id) numer identyfikacyjny sieci APSD (ang. automatic power save delivery) dostawy danych w trybie oszczędzania energii AP (ang. access point) punkt dostępowy sieci bezprzewodowej AUTH (ang. authentication) autentykacja Block Ack (ang. block acknowlegment) blokowe potwierdzanie danych jedną ramką ACK BSA (ang. basic service area) obszar funkcjonowania sieci bezprzewodowej BSS (ang. basic service set) podstawowy blok tworzący grupę urządzeń bezprzewodowych logicznie ze sobą powiązanych wykorzystujących standard 802.11 BSSID (ang. basic service set identification) identyfikator powiązany z określonym BSS BT (ang. backoff timer) licznik wykorzystywany w procedurze backoff CA (ang. collision avoidance) procedura unikania kolizji CAP (ang. controlled access phase) okres kontrolowanego dostępu do medium CC (ang. controlled Contention) kontrolowanie rywalizacji o kanał CCA (ang. clear channel assesment) logiczna funkcja warstwy fizycznej determinująca stan medium transmisyjnego CCI (ang. controlled contention interval) kontrolowany interwał rywalizacji CCOP (ang. controlled contention opportunity) kontrolowana możliwość transmisyjna CFPMaxDuration (ang. contention free period max duration) maksymalny czas trwania okresu braku rywalizacji o dostęp do medium transmisyjnego CFB (ang. contention free burst) technika redukcji kosztów transmisji w WLAN pozwalająca na wielokrotną transmisję danych CFP (ang. contention free period) okres braku współzawodnictwa QoS w sieciach (W)LAN 11

CP (ang. contention period) okres współzawodnictwa CIF (ang. capability information field) pole informujące o możliwościach stacji CSMA (ang. carrier sense multiple access) rozszerzenie protokołu MAC z możliwością oceny ruchu w transmisji przed wysłaniem sygnału poprzez fizyczne medium CW (ang. contention window) okno rywalizacji Delba (ang. delete block acknowledgment) ramka wysyłana przez stację, która chce zakończyć procedurę blokowego potwierdzania danych DCF (ang. distributed coordination function) podstawowa funkcja koordynacji transmisji DCW (ang. dynamic contention window) dynamiczne okno rywalizacji DFS (ang. dynamic frequence selection) dynamiczny wybór częstotliwości kanału DLP (ang. direct link protocol) protokół bezpośredniego połączenia DIFS (ang. DCF interframe space) odstęp międzyramkowy funkcji DCF DSSS (ang. direct sequence spread spectrum) technika modulacji polegająca na bezpośrednim modulowaniu nośnej sekwencją kodową EDCA EDCA-TXOP (ang. enhanced distributed channel access) (ang. enhanced distributed channel access transmission opportunity) rozszerzona funkcja dystrybucji transmisji, wprowadzona wraz z 802.11e możliwość dokonania transmisji podczas działania stacji w trybie EDCA EIFS (ang. extended interframe space) wydłużony odstęp międzyramkowy ESS (ang. extended service set) połączenie dwóch lub więcej BSS tworzących wspólną sieć FHSS HCCA HCCA-TXOP (ang. frequency hopping spread spectrum) (ang. hybrid coordination channel access) (ang. hybrid coordination channel access transmission opportunity) skakanie sygnału po częstotliwościach w kolejnych odstępach czasu, w dostępnym widmie (paśmie) hybrydowa funkcja dostępu do medium możliwość transmisyjna przydzielona przez funkcję koordynatora HCCA. HDTV (ang. high definition tv) telewizja wysokiej rozdzielczości HCF (ang. hybrid coordination function) hybrydowa funkcja koordynacji transmisji HC (ang. hybrid coordinator) hybrydowy koordynator transmisji IBSS (ang. independent basic service set) niezależny BSS, w którym komunikacja między poszczególnymi stacjami następuje w sposób bezpośredni InfBSS (ang. infrastructure basic service set) BSS z logiczną strukturą, punktami dostępowymi IETF (ang. internet engineering task force) międzynarodowe stowarzyszenie osób zainteresowanych ustanawianiem standardów technicznych i organizacyjnych IFS (ang. interframe spacing) odstęp międzyramkowy LRC (ang. long retry counter) długi licznik powtórzeń LAN (ang. local area network) sieć lokalna LWAP (ang. lightweight access points) system nadajników/odbiorników tworzących wspólnie obszar działania sieci bezprzewodowej LWAPP (ang. lightweight access points protocol) protokół LWAP mcfb (ang. modified contention free burst) zmodyfikowane CFB QoS w sieciach (W)LAN 12

MMPDU (ang. managment mac protocol data unit) ramka zarządzająca MAC (ang. medium access control) warstwa dostępu do medium MSDU (ang. MAC service data unit) ramka danych NAV (ang. network allocation vector) wektor alokacji sieciowej OFDM (ang. orthogonal frequency division modulation) QBSS (ang. qos suporting basic service set) BSS wspierające QoS QoS (ang. quality of service) jakość świadczonych usług technika cyfrowej modulacji, w której sygnał wejściowy jest dzielony na kilka wąskich kanałów na różnych częstotliwościach QAP (ang. QoS access point) punkt dostępowy zapewniający mechanizm QoS QBSS (ang. QoS basic service set) BSS obsługujące mechanizm QoS QSTA (ang. QoS station) stacja zapewniająca mechanizm QoS PF (ang. persistance factor) czynnik odnoszący się do charakterystycznych danych powstałych podczas funkcjonowania sieci WLAN PHY (ang. physical layer) warstwa fizyczna PCF (ang. point coordination function) funkcja koordynacji (transmisji) punktowej PC (ang. point cordinator) koordynator punktowy transmisji PCF (ang. point coordination function) funkcja koordynacji punktowej PIFS (ang. PCF interframe space) odstęp międzyramkowy funkcji PCF PRRQ (ang. probe request) żądanie zbadania mocy sygnału PRRP (ang. probe response) odpowiedź na żądanie zbadania mocy sygnału RTS/CTS (ang. request to send/ clear to send) prośba wysłania/możliwość wysłania RR (ang. reservation request) prośba rezerwacji kanału na potrzeby transmisji RSI (ang. required service interval) wymagany poziom usług przez stację RTO (ang. remaining timeout) pozostały limit czasu odpowiedzi SSID (ang. service set identifier) identyfikator usługi S-APSD (ang. scheduled automatic power save delivery) metoda planowania dostarczania ramek podczas działania stacji w trybie oszczędzania energii SDTV (ang. sat digital tv) cyfrowa wersja analogowego standardu NTSC SIFS (ang. short interframe spaces) najkrótszy odstęp międzyramkowy SlotTime SP (ang. service period) okres usługi SI (ang. service interval) interwał usługi przedział czasu wchodzący w skład okna CW SRC (ang. short retry counter) krótki licznik powtórzeń STA (ang. station) komputer przenośny np. laptop TC (ang. traffic category) kategorie ruchu TBTT (ang. target beacon transmission time) czas wystąpienia transmisji ramki beacon TID (ang. traffic identifier) identyfikator ruchu TCLASS (ang. traffic class) klasa ruchu TS (ang. traffic stream) ruch strumieniowy TSF (ang. timing synchronization function) funkcja odpowiadająca za procedury synchronizacji w sieci WLAN QoS w sieciach (W)LAN 13

TXOP (ang. transmision oportunity) okazja, możliwość transmisji U-APSD WARP (ang. unscheduled automatic powersave delivery) (ang. wireless address resolution protocol) niezarządzana metoda oszczędzania energii protokół rozwiązywania adresów w sieciach bezprzewodowych WLAN WiFi (ang. wireless fidelity) zestaw standardów stworzonych do budowy bezprzewodowych sieci komputerowych WLAN (ang. wireless local area network) lokalna sieć bezprzewodowa WLC (ang. wireless lan controler) kontroler sieci bezprzewodowej WLAN VoIP (ang. voice over internet protocol) transmisja głosowa w sieciach IP VoWLAN (ang. voice over wireless local area network) transmisja dźwięku, głosowa w sieciach bezprzewodowych WLAN QoS w sieciach (W)LAN 14

4. Sieci bezprzewodowe Przed rozpoczęciem faktycznej lektury traktującej o jakości transmisji pomocne okazać się może przybliżenie ogólnych zagadnień związanych z sieciami bezprzewodowymi. Grupa standardów 802.11 definiuje wiele nowych pojęć i akronimów (zdefiniowanych w rozdziale 3). W tym rozdziale postaram się w przyjazny sposób zaprezentować podstawowe pojęcia związane z tym rodzajem sieci, które okażą się wartościowe w zakresie tej pracy. 4.1 Zarys historyczny Sieci bezprzewodowe WLAN, z definicji są typem sieci, które pozwalają na połączenie dwóch lub więcej komputerów bez konieczności używania okablowania między nimi. Ich historia sięga lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku i pracy Normana Abramsona, [4]. Jako pierwszy zaprojektował model komunikacji między komputerami wykorzystując fale radiowe. AlohaNet, bo tak się nazywała, pozwalała na komunikację komputerów z centralną jednostką na jednej z wysp bez wykorzystywania kabli. Były to początki rozwoju tego rodzaju wymiany informacji. W ciągu kolejnych lat można zaobserwować wzrastające zainteresowanie komunikacją bezprzewodową i wielkiej dynamiki rozwoju w latach dziewięćdziesiątych dwudziestego wieku. Wtedy też rozpoczęły się prace nad stworzeniem standardu sieci bezprzewodowych WLAN uwieńczone sukcesem w roku 1997 (802.11y niezaakceptowany w środowisku informatycznym), [22]. Specyfikacja 802.11 koncentruje się na zdefiniowaniu 802.11 MAC (warstwa dostępu do medium) oraz warstw fizycznych: FHSS i DSSS. Dalsze prace nad WiFi szybko doprowadziły do powstania standardu 802.11b, który definiuje kolejny rodzaj warstwy fizycznej- HR/DSSS. Standard ten został jako pierwszy wprowadzony na rynek i bardzo wiele urządzeń do chwili obecnej bazuje na nim podczas swojej pracy. Zostały również opublikowane rozszerzenia standardu znakowane 802.11a i 802.11g specyfikujące kolejne rodzaje warstwy fizycznej- odpowiednio OFDM oraz HS/OFDM z wsteczną kompatybilnością. Oferują one możliwość szybszej transmisji i lepsze metody wykorzystania dostępnego pasma transmisyjnego. Trwają także prace nad nowym standardem 802.11n mającym obejmować rozległe sieci bezprzewodowe i zapewniać prędkość rzędu 100Mb/s, dzięki wykorzystaniu technologii MIMO, [39]. Najbardziej istotnym w dalszych rozważaniach w tej pracy będzie standard 802.11e opublikowany w 2005 roku. Przedstawia funkcje obsługujące mechanizm priorytetowy dla różnego rodzaju ruchu w sieciach bezprzewodowych. 4.2 Definicje Wszystkie występujące definicje zostały napisane na podstawie [21], [14], [37]. Niektóre z nich mogą się powtarzać względem rozwinięć skrótów z rozdziału 3, jednakże istnieje konieczność doprecyzowania pojęć w celu lepszego zrozumienia dalszej części pracy. Access category etykieta dla parametrów poszczególnych kolejek ruchu powiązanych z funkcją EDCA używanych przez mechanizmy jakości transmisji (ang. quality of service) do rywalizacji o dostęp do medium transmisyjnego w celu transmisji ramek danych z kolejek. Gwarantuje sposób podziału ruchu w sieci ze względu na jego rodzaj. Access point jednostka posiadająca funkcjonalność stacji mobilnej i zapewniająca dostęp do systemu dystrybucji dla powiązanych z nią stacji. QoS w sieciach (W)LAN 15

Admission control algorytm gwarantujący, że dostęp do medium dla nowego przepływu danych nie naruszy zobowiązań tego ruchu poczynionych w stosunku do sieci. Basic service area obszar zawierający członków BSS. Basic service set - grupa stacji komunikujących się między sobą. Komunikacja odbywa się w obrębie BSA, które jest ściśle powiązane ze sposobem propagacji medium transmisyjnego. Stacje znajdujące się w obrębie BSA mogą się komunikować z innymi członkami BSS. Contention-free period okres czasu, podczas którego prawo do transmisji posiada koordynator punktowy/hybrydowy. Pozwala na wymianę danych jedynie pomiędzy stacjami mającymi prawo do transmisji w obrębie BSS (nie muszą one rywalizować o medium transmisyjne). Contention period okres czasu, w którym stacje rywalizują między sobą o możliwość transmisji danych na zasadzie podobnej do algorytmu CMSA/CA. W BSS, jeśli nie występuje HC/PC czas ten odnosi się do całego czasu operacji w obrębie BSS. Controlled acces phase okres czasu, kiedy HC utrzymuje kontrolę nad medium transmisyjnym, gdy było ono dostępne przez czas PIFS. Podczas tego okresu może w całej jego rozpiętości zapewniać kilka TXOP dla różnorakich stacji w obrębie BSS. Coordination function logiczna funkcja weryfikująca, kiedy stacja działająca w obrębie BSS ma pozwolenie do dokonania transmisji ramek danych. Występują dwie funkcje koordynacji: hybrydowa (HC- ang. hybrid coordination) używana przy wykorzystaniu metody HCF i punktowa (PCang. point coordination) używana przy wykorzystaniu PCF. Enhanced distributed channel access priorytetowy mechanizm bazujący na CSMA/CA używany do zapewnienia jakości świadczonych usług dla stacji działających w obrębie BSS. Opisany szczegółowo w rozdziale 7.2. Enhanced distributed channel access function (EDCAF) funkcja logiczna określająca kiedy, używając EDCA, kolejka transmisyjna powiązana z określoną AC dostaje pozwolenie na dokonanie transmisji. Występuje jedna funkcja EDCAF dla każdej istniejącej AC (maksymalnie cztery). Extended service area obszar, w którym członkowie ESS mogą się ze sobą komunikować. ESA jest większe bądź równe BSA i może zawierać kilka BSS. Extended service set jest siecią składającą się z połączonych z sobą BSS i sieci szkieletowej. Wszystkie BSS znajdujące się w zasięgu określonego ESS dostają ten sam numer SSID, który przez użytkownika jest używany jako identyfikator sieci. Hybrid coordination function funkcja rozszerzająca funkcjonalność podstawowych metod dostępu do medium transmisyjnego w sieciach bezprzewodowych WLAN w celu zapewnienia jakości transmisji. HC - hybrydowy koordynator ruchu zdefiniowany jako część funkcjonalności QoS. Independent basic service set (IBSS) - stacje znajdujące się w IBSS komunikują się w zasadzie bezpośrednio między sobą, bez wykorzystania punktów pośredniczących. Takie typy struktur są tworzone na potrzeby chwili i krótki okres czasu. Przykładem dobrze ilustrującym takową sytuację QoS w sieciach (W)LAN 16

będą dwaj znajomi chcący wymienić się między sobą danymi. Na potrzeby transmisji utworzą oni IBSS do wymiany danych. W momencie zakończenia wszystkich transmisji IBSS zostanie przez nich rozwiązane. Rysunek 4.2.1 Independent basic service set,[21],[14]. Infrastructure basic service set charakteryzują się wykorzystaniem do komunikacji jednostki centralnej, AP. Punkty dostępowe są używane do wszelkiej komunikacji pomiędzy węzłami sieci, stacjami w obrębie BSA. Konwersacja pomiędzy dwoma stacjami odbywa się etapowo: transfer danych do AP przez stację inicjującą transmisję i dopiero AP przekazuje ramkę do odbiorcy. Wszystkie stacje, korzystające z transmisji bezprzewodowej muszą znajdować się w zasięgu AP. Ta metoda mimo pochłaniania większej niż transmisja bezpośrednia przepustowości łącza nie wymaga od stacji utrzymywania relacji pomiędzy wszystkimi mobilnymi stacjami w jej zasięgu. Rysunek 4.2.2 Infrastructure BSS, [14]. Medium access control warstwa dostępu do medium. Medium access control management protocol data unit jednostka danych wymieniana pomiędzy dwoma encjami MAC w celu dostarczenia informacji o stanie medium transmisyjnego. Medium access control protocol data unit jednostka danych wymieniana pomiędzy dwoma stacjami z wykorzystaniem medium transmisyjnego (warstwy fizycznej). Network allocation vector zmienna utrzymywana przez każdą ze stacji w obrębie BSS zmniejszająca prawdopodobieństwo, wzajemnego zakłócenia transmisji przez stacje. Point coordinator jednostka występująca wraz z AP, która odpowiada za realizację funkcji PCF. Point coordination function funkcja koordynacji transmisji gwarantująca w pewien sposób jakość transmisji. Opisana szczegółowo w podrozdziale 5.2. Quality of service access point punkt dostępowy, który wspiera rozwiązania przeznaczone dla zapewnienia określonego poziomu jakości transmisji. Quality of service basic service set BSS, które gwarantuje usługi związane z QoS. QoS w sieciach (W)LAN 17

Quality of service station stacja, która implementuje mechanizmy QoS, zachowuje się jak zwykła w przypadku asocjacji z punktem dostępowym nie wspierającym rozwiązań dla QoS. Service interval interwał czasu pomiędzy startem dwóch występujących po sobie SP. Service period odcinek czasu podczas którego stacja posiada możliwość transmisji i odbierania danych. Station (STA) każde urządzenie, które działa w grupie standardów 802.11. Traffic category etykieta dla ramek MSDU pozwalająca rozróżnić je na podstawie priorytetów użytkownika (ang. user priorities) widzianych przez wyższe warstwy modelu ISO/OSI. Traffic classification określenie parametrów poszczególnych MSDU w celu powiązania ramek z poszczególnymi TS. Mechanizm jest wykorzystywany w celu zapewnienia rozróżniania ruchu i jakości transmisji. Traffic identifier identyfikator używany przez wyższe warstwy w celu rozróżniania ramek MSDU wspierających mechanizmy QoS. Traffic specification charakterystyka strumienia danych pomiędzy QSTA a QAP. Traffic stream grupa ramek, która ma być dostarczona z odpowiednią gwarancją jakości usług QoS. Traffic stream identifier identyfikator poszczególnych strumieni ruchu. Transmission opportunity odcinek czasu, w którym określona stacja posiadająca prawo do transmisji, może wysyłać swoje dane. User priority wartość powiązana z MSDU podkreślająca jak dana ramka ma zostać potraktowana. UP jest przypisywany do ramek MSDU w warstwach ponad MAC. Wireless local area network sieć lokalna, w której połączenia między urządzeniami sieciowymi zrealizowano bez użycia okablowania. 4.3 Architektura warstwy MAC Rysunek 4.3 Architektura MAC, [21],[7]. Rysunek 4.3 przedstawia architekturę warstwy MAC z wyszczególnieniem istniejących funkcji. Podstawą dla wszystkich funkcji jest DCF, standardowa metoda dostępu do medium w sieciach bezprzewodowych. Nad nią działają funkcje PCF i HCF. Pierwsza z nich jest podstawową QoS w sieciach (W)LAN 18

metodą dostępu w 802.11 i jej implementacja jest opcjonalna. Druga zaś, HCF, gwarantuje mechanizmy QoS mające na celu zapewnienie jakości świadczonej transmisji, wprowadzona wraz z standardem 802.11e. 4.4 Przedziały czasowe IFS IFS jest odcinkiem czasu wykorzystywanym przez STA podczas dostępu do medium, transmisji danych. Odgrywa bardzo dużą rolę w poprawności i efektywności działania WLAN, [21]. Wraz z standardem 802.11 zostało zdefiniowanych pięć różnych czasów IFS, [21], [14]. Ich definicje uporządkowane są w sposób rosnący tzn. od najkrótszego czasu po najdłuższy. Poszczególne wartości IFS są zaprezentowane w tabeli 4.4.2, a rysunek 4.4.1 pokazuje zależności pomiędzy czasami. SIFS - najkrótszy z przedziałów IFS zdefiniowany przez standard 802.11. Powinien być używany przez stację, która posiada konieczność zachowania dłuższego czasu dostępu do medium w celu zakończenia transmisji. Używanie najkrótszego z czasów IFS podczas wymiany danych, zapobiegnie próbie przejęcia kontroli nad medium przez pozostałe stacje, które muszą oczekiwać dłuższy odcinek czasu. W ten sposób SIFS daje priorytet dla np. sfinalizowania transmisji sekwencji ramek RTS/CTS. PIFS - czas, który został zdefiniowany wraz z funkcją PCF. Powinien być używany tylko przez stacje pracujące pod jurysdykcją tej metody dostępu do medium. Stosowany jest podczas zapewniania dostępu w CFP. DIFS czas wykorzystywany przez stacje pracujące w trybie funkcji DCF do transmisji ramek MPDU. To minimalny czas, po którym stacje rozpoczynają rywalizację o dostęp do medium transmisyjnego. AIFS - interwał czasowy wprowadzony wraz z standardem 802.11e. Powinien być używany przez stację QSTA do transmisji ramek MPDU, MMPDU, RTS, CTS. Daje możliwość poszczególnym kolejką posiadać priorytet w dostępie do medium transmisyjnego, różnej długości AIFS. EIFS - czas używany przez stacje w przypadku wystąpienia, podczas ostatniej próby transmisji, różnorakich błędów w sieci. Wszystkie stacje są zobligowane odczekać ten interwał przed próbą kolejnej transmisji ramki. Jego wartość jest ustalana na etapie tworzenia sieci i powinna być większa niż czas AIFS. Każdy z IFS składa się z pewnej liczby odcinków nazywanych SlotTime, to jednostka czasu dotycząca dostępu do medium. Definiuje najmniejszy interwał, jaki stacja chcąca transmitować dane jest zobligowana odczekać przed faktycznym ich wysyłaniem. Rysunek 4.4.1 Zależności pomiędzy czasami IFS, [21],[14],[7]. QoS w sieciach (W)LAN 19

czas/standard 802.11a 802.11b 802.11g SIFS 16ms 10ms 10ms PIFS (SIFS+SlotTime) 25ms 30ms 19ms DIFS (SIFS+2SlotTime) 34ms 50ms 28ms AIFS* AIFS PIFS AIFS PIFS AIFS PIFS SlotTime 9ms 20ms 9ms Tabela 4.4.2 Domyślne wartości czasów IFS poszczególnych standardów *Poszerzona wiedza z tego zakresu znajduje się w rozdziale 7. 4.5 Mobilność a WLAN Główną ideą przyświecającą twórcą WLAN jest zapewnienie mobilności. Jednakże przed zagłębieniem się w tematykę należy zdefiniować pojęcia, które potrafią być bardzo często mylone: sieci mobilne sieci nomadyczne. WiMAX jest najlepszym przykładem sieci nomadycznych, w których klient końcowy nie powinien swoimi ruchami wykroczyć poza obszar stacji bazowej, [28]. Użytkownik ma prawo poruszać się tylko w obszarze działania nadajnika z prędkością nie większą niż 2 m/s. Brak tu zaadresowanego pojęcia mobilności, gdyż sieci mobilne to systemy asymetryczne z grupą stacjonarnych TCVR świadczących usługi na rzecz danego obszaru, tzw. komórek, i odbiorników (karty sieciowe), statycznych bądź poruszających się, powiązanych z użytkownikami i odpowiadających za świadczenie usług na ich rzecz, [38]. WLAN przez wielu uznawane są za taki typ sieci. Jednakże patrząc od strony czysto technicznej standard 802.11 w wersji podstawowej nie zapewnia mobilności. Dopiero jego rozszerzenia, 802.11f i 802.11r, w których jest ona zaadresowana czynią z niej typową sieć mobilną. Użytkownik może poruszać się z maksymalną prędkością 10 m/s. Najnowsza publikacja standardu 802.11 definiuje przenośność następująco: BSS transistion stacja znajduje się w trybie ciągłego monitorowania mocy sygnału punktów dostępowych mających pokryć określony obszar. W zależności od sytuacji może się przełączać pomiędzy poszczególnymi AP w celu np. Równoważenia, obciążenia bądź w wyniku fizycznego przemieszczenia. Mechanizm jest opcjonalny w sieciach bezprzewodowych WLAN i nie każdy dostawca decyduje się na jej implementację, [21], [14]. Dalsze informacje zawarte są w rozdziale 10. Jeśli w WLAN zapewniono mechanizm BSS transistion, to pozwala on użytkownikowi na przejście z zakresu jednego do drugiego AP, gdzie wszystkie punkty dostępowe tworzące obszar działania ESA są podłączone do sieci szkieletowej spełniającej funkcję dystrybucyjną. Ponadto każdej stacji w obrębie ESA przyporządkowany jest ten sam identyfikator, SSID. Klienci, którzy chcą dołączyć do sieci są zobligowani do jego użycia. QoS w sieciach (W)LAN 20

5. Metody standardu 802.11 Warstwa MAC podstawowego standardu 802.11 definiuje dwie funkcje zapewniające kontrolę nad dostępem stacji, w obrębie BSS, do medium transmisyjnego. DCF i PCF, zostały przedstawione bardzo szczegółowo w [21], a także, [12], [14], [46], [47], [48]. Oferują one odpowiednio asynchroniczny i synchroniczny model przesyłania danych. 5.1 DCF DCF jest podstawową metodą standardu sieci bezprzewodowych 802.11 zapewniającą model asynchronicznej transmisji. Jej implementacja jest obligatoryjna we wszystkich tworzonych sieciach WLAN, a każda z STA jest zobligowana do jej obsługi. 5.1.1 Zasada działania Funkcja pracuje w trybie słuchaj zanim rozpoczniesz transmisję. Wykorzystuje mechanizm CSMA/CA, który opiera się na wykrywaniu aktywności w kanale i opóźnianiu transmisji aby uniknąć kolizji. Wykonuje tą funkcjonalność następująco: CCA, metoda opierająca swoje działanie na wykrywaniu aktywności innych stacji poprzez analizę wszystkich wykrytych pakietów oraz mocy sygnału docierającego do stacji. W przypadku wykrycia dochodzącej mocy sygnału nie przekraczającej określonego poziomu, ustalonego przy implementacji, kanał transmisyjny uznawany jest za dostępny, [37]. wirtualne wykrywanie aktywności w kanale, wykorzystywane przez stację do informowania pozostałych stacji w obrębie BSS, jak długo kanał będzie zarezerwowany na potrzeby transmisji ramki. Jest to możliwe, dzięki wprowadzeniu dodatkowej funkcjonalności, wektora NAV, [37], [1]. Jego wartość, ustalana jest przez stacje znajdujące się w obrębie BSS w momencie otrzymania specjalnej ramki z określonym polem czas trwania (ang. duration). Informuje pozostałych klientów, jak długo medium będzie zajęte aż do dokonania przez stację transmisji. Wektor ten może zostać także ustawiony na wartość większą niż czas trwania transmisji jednej ramki w celu ochrony kolejnych sekwencji wymiany danych. NAV jest przypisany każdej stacji i nieustająco zmniejszany bez względu na stan medium transmisyjnego, aby umożliwić stacji rywalizację o dostęp. CA (ang. collision avoidance), używany w celu poprawienia efektywności działania CSMA. Gwarantuje opóźnienie wysyłania danych, przez stację, o losowy odcinek czasu, w przypadku wykrycia aktywności w kanale, [37], [21]. Rysunek 5.1.1 DCF, dostęp podstawowy, [21], [7], [14], [46]. Dopóki wartość wektora NAV jest większa od zera bądź medium jest zajęte w myśl CCA stacja nie może rozpocząć transmisji. QoS w sieciach (W)LAN 21

Jednostka, która otrzyma dostęp do medium transmisyjnego ma prawo do wysłania ramki o maksymalnej długości 2304 bajtów, [21], [14], [46], [47]. Każdy poprawny transfer danych (ramka dotarła do odbiorcy), musi zostać potwierdzony. Odbywa się to poprzez mechanizm potwierdzeń, wysyłanie ramki ACK nie później niż po upływie czasu SIFS. Poprawnie zakończona transmisja danych pozwala ponownie przejść stacjom w tryb rywalizacji. Rysunek 5.1.1 przedstawia tą funkcjonalność. 5.1.2 Procedura unikania kolizji, backoff W sieciach WLAN istnieje duże prawdopodobieństwo wystąpienia kolizji podczas prób transmisji. Jest to spowodowane charakterystyką medium. Standard 802.11 definiuje procedurę umożliwiającą unikanie niepotrzebnych kolizji, backoff, [21]. Jej działanie opiera się na konieczności odczekania określonego czasu, w przypadku zajętego medium, przed rozpoczęciem próby transmisji ramki. W ten sposób obowiązkowe przejście do procedury backoff gwarantuje w WLAN racjonalną metodę dostępu do medium dla STA. Wraz z procedurą jest powiązany losowy odcinek czasu BT, którego wartość jest określona jako iloczyn przypadkowej wartości z przedziału [0,CW], gdzie CWmin CW CWmax, i SlotTime [21], odcinek czasu w głównej mierze uzależniony od rodzaju wykorzystywanej warstwy fizycznej i standardu. Backoff polega na odliczaniu wszystkich SlotTime składających się na BT, przed dokonaniem próby transmisji danych. Wartość tego licznika zmniejsza się tylko wtedy, kiedy kanał jest dostępny. W chwili, gdy podczas procedury backoff stacja zdiagnozuje, że medium znów jest zajęte odliczanie BT jest przerywane, stan licznika zostaje zapamiętany, a dekrementacja wznawiana przy ponownym wejściu do procedury (medium dostępne przez czas DIFS). W momencie, w którym BT osiągnie wartość zero, stacja posiada możliwość transmisji danych, wysłania ramki. Niestety, może się zdarzyć sytuacja, w której dwie stacje posiadają tą samą wartość początkową BT. Liczniki osiągną wartość zero w tym samym momencie i nastąpi kolizja podczas próby transmisji. Nadawca uzna, że wystąpiła taka sytuacja, jeśli nie otrzyma ramki ACK po upływie czasu SIFS i planuje wtedy retransmisję ramki przechodząc ponownie do procedury backoff. Zmniejszenie prawdopodobieństwa wystąpienia kolejnych kolizji jest zrealizowane poprzez zwiększanie wartości CW. Nieudana próba transmisji implikuje podwojeniem nominalnej wartości CW, pomniejszonej o 1, aż do osiągnięcia CWmax, a co za tym idzie zwiększanie przedziału z którego jest losowane BT. Kiedy CW osiągnie swój maksymalny rozmiar, pozostaje w takim stanie do czasu poprawnie zakończonej transmisji ramki bądź, gdy powiązany z transmisją licznik powtórzeń osiągnie swoją maksymalną wartość i ramka zostanie odrzucona. Zwiększanie CW podczas rywalizacji w trybie DCF umożliwia utrzymanie stabilnego działania sieci WLAN nawet w przypadku dużego obciążenia. Rysunek 5.1.2.1 przedstawia procedurę backoff. Rysunek 5.1.2.1 Procedura backoff,[21]. Rysunek zapożyczony ze standardu QoS w sieciach (W)LAN 22

Można zaobserwować jak dekrementacja licznika BT stacji B jest zatrzymywana, gdy inne stacje uzyskują dostęp do medium. Odliczanie jest wznawiane za każdym razem kiedy kanał jest dostępny przez DIFS. Gdy licznik BT wreszcie osiągnie wartość 0 stacja B ma prawo dokonać transmisji ramki. 5.1.3 Mechanizm RTS/CTS Istnieje możliwość wystąpienia sytuacji, w której stacje w BSS nie będą widziały innych w obrębie tej samej lokalizacji, BSA. Powodów takiego stanu rzeczy może być wiele, na przykład duży obszar BSS. Sytuacje takie prowadzą do kolizji transmisji (stacje A i B transmitują równocześnie dane do stacji C, a A i B nie widzą siebie nawzajem). Takie niepotrzebne konflikty w przypadku dużego rozmiaru MPDU w sieci, np. 2000 bajtów, przyczyniają się do zbytecznego marnowania zasobów. W celu uporania się z wyżej wymienionym problemem został wprowadzony mechanizm ochrony transmisji, RTS/CTS. Opiera się on na rezerwacji kanału na potrzeby wysłania danych poprzez wymianę ramek RTS i CTS. Ramki te są relatywnie małe porównując ich rozmiar do maksymalnego MPDU (20 do 2340 bajtów). Rysunek 5.1.3 Schemat RTS/CTS, [47]. Rysunek 5.1.3 ilustruje mechanizm komunikacji w celu rezerwacji czasu w dostępie do medium. Ramka RTS najpierw transmitowana jest przez stację, po zakończeniu sukcesem procedury backoff. Wszystkie stacje w obrębie BSS odczytują z ramki RTS pole trwania transmisji i modyfikują swój wektor NAV. Końcowy odbiorca ramki RTS odpowiada na nią swoją ramką, CTS, po upłynięciu okresu SIFS. Stacje słyszące ramkę CTS znów patrzą w pole trwania transmisji zawarte w CTS i modyfikują swój wektor NAV. Po poprawnym odebraniu ramki stacja nadawcza posiada pewność, że jej transmisja nie zostanie zakłócona,[21], [37], [14]. Dzięki temu pozostałe stacje nie będące w zasięgu obu jednostek komunikujących się nie przerwą transmisji danych. Ten prosty mechanizm daje stacjom gwarancję braku zakłóceń transmisji przez inne jednostki. 5.1.4 Licznik powtórzeń Wraz z sieciami WLAN zostały wprowadzone liczniki powtórzeń. Ich inkrementacja ma miejsce w przypadku wystąpienia błędów podczas transmisji danych takich jak: brak potwierdzenia dla wysłanej ramki bądź przerwanie transmisji z nieznanych przyczyn. Do uporania się z tymi problemami wykorzystywane są dwa liczniki powtórzeń: SRC, którego wartość jest zwiększana w przypadku nieudanej transmisji ramki o rozmiarze QoS w sieciach (W)LAN 23

mniejszym od RTSThreshold* dla danej sieci. W przypadku osiągnięcia maksymalnej wartości SRC ramka jest porzucana, wartość domyślna to siedem,[37], [21]. LRC, licznik dotyczący nieudanych prób transmisji ramek, których wielkość przewyższa wartość zmiennej RTSThreshold* dla danej sieci. Próby retransmisji są zaniechane w przypadku osiągnięcia maksymalnej wartości przez ten licznik, domyślna wartość to cztery. Każda poprawnie zakończona transmisja resetuje liczniki do wartości zero, a osiągnięcie wartości maksymalnej skutkuje wysłaniem informacji do warstw wyższych z wiadomością o odrzuceniu ramki. *RTSTreshold atrybut wskazujący minimalną długość ramki dla której stosuje się mechanizm RTS/CTS, [21]. 5.1.5 Fragmentacja w DCF Standard sieci bezprzewodowych pozwala także na fragmentację przesyłanych danych. Odbywa się ona w przypadku konieczności transmisji dużych MSDU. Aby ustalić, czy konieczna jest fragmentacja, wielkość MSDU porównuje się z maksymalnym dopuszczalnym rozmiarem ramki, która może być przesłana bez tego mechanizmu. DCF zapewnia priorytet dla przesyłania ramek poddanych procesowi fragmentacji. Każdy z fragmentów, jeśli tylko został poprawnie potwierdzony, zostanie wysłany po upłynięciu czasu SIFS. Daje to kontrolę nad kanałem transmisyjnym dopóki nie zostaną przesłane wszystkie fragmenty. 5.1.6 Ograniczenia metody DCF DCF, będąc domyślną metodą dostępu do medium nie zapewnia żadnych gwarancji jakości transmisji oprócz tzw. best effort dostarczyć najlepiej jak to możliwe. W trybie pracy DCF każda ze stacji rywalizuje o dostęp do medium posiadając taki sam priorytet, jedną kolejkę transmisyjną, jak pozostali. Nie ma żadnego mechanizmu dla zagwarantowania określonego poziomu przepustowości dla transmisji głosowych czy wideokonferencji. Problem ten został bardzo dobrze zilustrowany w symulacji w pracy [47], gdzie zmienna liczba stacji została zlokalizowana w obrębie IBSS. Używają one trybu ad-hoc i każda jest w zasięgu pozostałych stacji. Ponadto nie występuje żadna stacja mobilna, przemieszczająca się. Twórcy tego modelu zaobserwowali, że średnia przepustowość kanału jest w miarę stabilna w przypadku obciążenia sieci nie większego niż 70% całkowitej przepustowości (nie więcej niż 10 stacji). Kiedy jednak liczba stacji została zwiększona w znaczący sposób, to przepustowość poszczególnych przepływów zmalała w sposób drastyczny, z 70% do 40% (18 stacji). Zwiększyło się także opóźnienie aż do 420ms. Symulacja ta, zaprezentowana w [47] pokazała, że nie ma żadnego rozróżnienia ani różnych opóźnień dla aplikacji tego wymagających. Powodem jest to, że wszystkie przepływy powiązane z aplikacjami dzielą tą samą kolejkę. Pokazano także, że dopóki nie zostanie zastosowana kontrola dostępu do medium, nie będzie można w ogóle osiągnąć jakiegokolwiek poziomu jakości transmisji innego niż best effort, [47]. QoS w sieciach (W)LAN 24

5.2 PCF Aby zapewnić aplikacjom wymagającym określonej jakości transmisji standard 802.11 definiuje funkcję koordynacji punktowej umożliwiając odmienny dostęp do medium niż wyżej przedstawiona funkcja DCF. W pewnym zakresie zarządzanie przez PCF może przypominać metodę token-ring, z żetonem przetrzymywanym centralnie przez punkt dostępowy. Dostęp do medium jest sterowany przez specjalną funkcję koordynatora punktowego (PC ang. point coordinator) zintegrowanego z AP. Metoda ta zapewnia bardzo dużą kontrolę transmisji, jednakże poziom zapewnienia QoS nie jest satysfakcjonujący co zostanie przedstawione w dalszej części. 5.2.1 Zasada działania PCF, z definicji [21], to metoda synchroniczna, centralnego zarządzania medium. Zapewnia mechanizm odpytywania stacji w trybie CFP. Zastosowanie jej jest tylko możliwe w przypadku występowania sieci bezprzewodowej opartej o działanie AP. W mechanizmie dostępu do medium sterowanym przez PCF czas podzielony jest na tzw. super ramki, beacon interval, w skład w których wchodzą dwa odcinki czasowe: CFP zarządzany przez PC, funkcję PCF, CP zarządzany przez funkcję DCF. Koniecznością zdefiniowaną w standardzie [21] jest posiadanie przez okno CP długości pozwalającej na przesłanie jednej MSDU. Podczas CFP koordynator transmisji utrzymuje listę zarejestrowanych stacji, tzw. pooling list (rozdział 5.2.4) i daje możliwość transmisji poszczególnym STA w zależności od ich pozycji na liście. Żadna ze stacji działających pod jurysdykcją PC nie ma prawa sama zainicjować wysłania danych. Uzyskuje tylko taką możliwość w przypadku otrzymania specyficznej ramki CF-Poll. Metoda zarządzania, oprócz występowania dwóch okien transmisyjnych, opiera się także na rozsyłaniu, tzw. beacon frame na początku każdej CFP. Zostało to przedstawione bardziej szczegółowo w 5.2.2. Rysunek 5.2.1 przedstawia jedną super ramkę cyklicznie występującą w PCF. CFP jako okno opcjonalne nie występuje w sytuacji braku stacji żądających transmisji w trybie gwarancji dostępu. Rysunek 5.2.1 PCF prezentacja jednego interwału beacon. QoS w sieciach (W)LAN 25

5.2.2 Synchronizacja, ramka beacon Synchronizacja w WLAN odgrywa znaczącą rolę w poprawnym działaniu sieci. Odbywa się przy udziale funkcji synchronizacji TSF, która jest ściśle powiązana z ramką beacon, zarządzającą, spełniającą oprócz funkcji synchronizacji także inne powiązane z działaniem WLAN. Dostarcza parametry związane z protokołem transmisji, [43]: BSSID, następne TBTT, parametry warstwy fizycznej, zależne od wykorzystywanego standardu, czas trwania CFP tzw. CFPMaxDuration, dostępne kanały transmisyjne i limity mocy sygnału po których medium uznane jest za zajęte. Transmisja tej ramki odbywa się okresowo. Dzięki temu każda z STA może oszacować, na podstawie TBTT, kiedy spodziewać się następnej. Czas wystąpienia kolejnych ramek beacon jest ogłaszany przy poprzedniej, ale sam proces jej wysłania również podlega procedurze dostępu do medium. Ponadto zadbano o zachowanie wysokiego priorytetu ramek zarządzających. W tym celu stacje zaprzestają inicjacji nowych sekwencji wymiany danych, jeśli zbliża się TBTT. Niestety, ale ramki, które już zostały wysłane np. oczekują na potwierdzenie bądź muszą zostać retransmitowane z powodu błędów transmisji, mogą doprowadzić do opóźnienia wystąpienia TBTT. W przypadku funkcji PCF bardzo ważną rolę spełnia pole CFPMaxDuration. Dzięki niemu wszystkie STA w obrębie BSS, które odebrały ramkę beacon, są zobligowane do ustawienia własnego NAV w celu zablokowania na tenże czas możliwości dostępu do medium bazując na działaniu funkcji DCF. Poza zapobieganiem inicjacji transmisji przez stację istnieje też drugi mechanizm nadający wyższy priorytet transmisjom ramki beacon. Wysyłana jest, gdy medium było wolne, po upłynięciu czasu PIFS i bez przechodzenia do procedury backoff. Dzięki temu mechanizmowi, PC uzyskuje dostęp do kanału szybciej niż jakakolwiek STA, [21]. 5.2.3 Transmisja danych z punktu dostępowego Pełną kontrolę nad transmisjami podczas CFP zapewniają opisane w 4.2.2 przedziały czasowe IFS. Wprowadzony wraz z PCF, interwał PIFS, pozwala PC na odzyskanie dostępu do medium w przypadku, gdy stacja posiadająca okazję transmisji danych nie odpowie bądź medium było wolne przez ten okres czasu. Podczas trwania CFP tzw. PC, zazwyczaj umiejscowiony razem z AP, ma do spełnienia kilka zadań, które okazują się istotne przy prawidłowym funkcjonowaniu algorytmu. Oprócz standardowej funkcji wysyłania buforowanych danych, rozsyłania potwierdzeń do stacji, odpowiada także za rozsyłanie ramek zarządzających, a także dających możliwość transmisji stacjom znajdującym się w obrębie BSS. W celu optymalizacji wykorzystania okresu CFP każdy z tych typów może zostać połączony w jeden, aby zapewnić oszczędność. Koordynator transmisji może wykorzystać jedną ramkę do: odesłania potwierdzenia do nadawcy, wysłania ramki zarządzającej i wysłania zapytania w kierunku kolejnej stacji o jej buforowane dane. W tym celu PC używa kilku typów ramek podczas CFP (przedstawiam tylko te najważniejsze, wszystkie znajdują się w dokumencie [14]): CF-POLL - ramka wysyłana przez zarządcę PC do stacji, aby dać prawo do transmisji pojedynczej ramki. Transmitowana, kiedy koordynator transmisji nie dokonuje żadnych czynności powiązanych z aktywnością innych stacji w sieci i nie jest zobligowany do rozsyłania ramek zarządzających. QoS w sieciach (W)LAN 26

CF-END - ramka ta kończy okres CFP i zwraca zarządzanie medium mechanizmowi DCF. PC może także w każdym momencie zakończyć CFP, a podjęcie takiej decyzji może bazować na obciążeniu sieci, liście stacji żądających transmisji itp. Jeśli ustalone wcześniej reguły transmisji pozwalają na transmisję określonego typu ramki, AP może dokonać tejże czynności. 5.2.4 Polling list Do jednych z ważniejszych zadań PC należy przechowywanie listy stacji tzw. polling list, utrzymywanej na potrzeby obsługi przez koordynatora transmisji ramek przychodzących/wychodzących do STA, [21]. Wszystkie jednostki na tej liście są uporządkowane rosnąco według przydzielonego numeru AID. STA może zażądać umiejscowienia w spisie, bądź nie, w momencie wykonywania procedury przyłączania się do sieci bezprzewodowej WLAN (asocjacja/reasocjacja). Chęć znalezienia się na tej liście jest sygnalizowana poprzez ustawienie sekwencji bitów w polu CIF w ramce asocjacji. Dzięki temu mechanizmowi stacja informuje PC o chęci brania udziału podczas CFP, czyli gwarancji transmisyjnej. Jednak może się zdarzyć sytuacja, w której STA nie zasygnalizuje chęci obecności na liście podczas asocjacji. Jej późniejsze umiejscowienie w wykazie jest możliwe tylko w przypadku, gdy STA podczas procedury przyłączania nie zastrzegła, iż nie może znaleźć się na tej liście, [21]. Dzięki pooling list PC posiada pełną kontrolę nad sposobem transmisji. Koordynator posiadając dostępny interwał czasu podczas CFP i chcąc zainicjować transmisję wysyła do STA ramkę CF-POLL dając jej możliwość wysłania danych. Przemieszcza się po liście w sposób sekwencyjny przydzielając okazje transmisyjne kolejnym stacjom z listy. W przypadku, kiedy wszystkie jednostki z listy dostały możliwość transmisji i nie mają już żadnych danych oczekujących, a czas przeznaczony na CFP nie został całkowicie wykorzystany to pozwala koordynatorowi, PC, na podjęcie decyzji o kolejnej czynności w zależności od całkowitego, dotychczasowego obciążenia sieci i ilości istniejących stacji. Przykładowo może: wygenerować ramkę CF-Poll do jakiejkolwiek ze stacji, rozsyłać ramki zarządzające, zakończyć okno CFP. 5.2.5 Ograniczenia PCF PCF to metoda opcjonalna w standardzie 802.11. Niewielka grupa dostawców internetu decyduje się na jej implementację z powodu jej dużych ograniczeń. Stworzenie systemu opierającego swoje działanie na PCF nie należy do rzeczy skomplikowanych jednakże istnieją pewne problemy podczas jej działania, które sprawiają, że nie jest popularna,takie jak, [21], [46], [47]: a) centralny model zarządzania ruchem stanowi problem w przypadku komunikacji pomiędzy STA w obrębie BSS. Niestety, ale PCF nie przewiduje możliwości bezpośredniego połączenia. Stąd wszystkie wiadomości wymieniane pomiędzy STA muszą być przesyłane w sposób scentralizowany przy wykorzystaniu PC. W przypadku, gdy wiele stacji w obrębie jednego BSS będzie chciało dokonywać transmisji, marnowanych będzie dużo zasobów. b) koegzystencja CFP i CP - może się zdarzyć taka sytuacja, w której stacja uzyska dostęp do kanału w trakcie zarządzania nim przez DCF, rozpocznie transmisję i będzie trwać dłużej niż pozostały czas dla CP. Prócz czasu koniecznego na dokończenie transmisji PC musi także odczekać czas PIFS przed dokonaniem transmisji ramki zarządzającej. Spowoduje to QoS w sieciach (W)LAN 27