диссертация. Талғатұлы Т Диссертация. Республики казахстан
 Скачать 2.81 Mb.
|
|
1.2. Внутренние проблемы обеспечения QoS в IEEE 802.11 В предыдущем разделе был проведен анализ влияния беспроводных технологий в ISM-диапазоне для поддержки QoS в WLAN сети. Можно сказать, что WLAN сильно влияет на рассмотренные беспроводные технологии при работе на близком расстоянии. Таким образом, проблема поддержки QoS в WLAN является внутренней, то есть должны быть затронуты вопросы взаимодействия компонентов WLAN, влияния беспроводных сетей между собой и возможность обеспечения различных типов трафика в сети. В этом разделе рассмотрим внутренние проблемы обеспечения QoS и проанализируем существующие решения. 1.2.1. Проблемы в обеспечении качества обслуживания в IEEE 802.11 В настоящее время Wi-Fi используется в разных настройках: от домашней сети, рынка IoT и корпоративных сетей до сетей беспроводной сети в масштабе города. В результате развертывание WLAN становится более высокоплотным. Рисунок 1.5 показывает прогноз роста Wi-Fi точек доступа от 2015 г. до 2020 г. и на рисунке 1.6 представлен прогноз роста Wi-Fi трафика от 2014 г. до 2019 г. Таким образом, ситуация, при которой существует много WLAN, развернутых в непосредственной близости друг от друга, и все они одновременно пытаются доставить как можно больше данных, становится высоковероятной. Поэтому WLAN начинают подвергаться перегруженности и интерференции между собой. Эта перегрузка и интерференция существенно ограничивают производительность сосуществующих беспроводных локальных сетей. В целом развертывание Wi-Fi приводит к существенному увеличению не только количества станций, использующих их, но и количества точек доступа. При этом интерференция между BSS является серьёзной проблемой. Wi-Fi работает в нелицензируемом диапазоне частот с 13 каналами, и существует несколько групп трех непересекающихся каналов, например, 1, 6 и 11. Эта нехватка частотных ресурсов приводит к возникновению ряда проблем: перекрывающиеся базовые наборы (OBSS – Overlapping Basic Service Set), проблема скрытого узла (HNP –Hidden node problem), проблема незащищенного узла (ENP – Exposed node problems), интерференции между узлами: AP – AP, AP – STA (STA – станция), STA – STA.  Рисунок 1.5 – Прогноз роста Wi-Fiточек доступа с 2015г. до 2020г. OBSS возникает в случае, когда два или более BSS работают на том же канале, а передачи некоторых клиентов, принадлежащих к одной BSS, влияют на станции (клиентов) в других BSS. Широкий диапазон задержеки ухудшение пропускной способности наблюдаются в зависимости от степени перекрытия и количества перекрывающихся BSS.  Рисунок 1.6 – Прогноз роста Wi-Fiтрафика с 2014 г. до 2019 г Проблема скрытого узла порождает серьезные потери. Как следствие, ухудшается пропускная способность. В то же время проблема незащищенного узла приводит к снижению производительности. Различают 5 категорий проблем: Проблема HNP в едином BSS: если STA A и STA B в одном BSS не могут слышать друг друга, любая из них может начать передачу даже в то время как другая передает кадр; кадры этих станций сталкиваются в AP (рисунок 1.7 а). Проблема HNP между различными BSS: если STA в разных BSS не могут слышать друг друга, коллизии кадров будет происходить в одной или обоих АР в BSS. Проблема HNP с наложенной мощностью: одновременная передача двух STA разрушает кадры, переданные третьей STA. Другими словами, третья STA страдает от проблемы HNP из-за наложенной мощности других двух STA. Проблема ENP – ненужное восприятие несущей (carrier sensing) передачи STA не позволяет другим STA передавать кадры и наоборот (рисунок 1.7 б). Проблема ENP с наложенной мощностью: когда обе STA A и B передают, третья STA C не может инициировать передачу, так как сумма мощности передачи STA A и STA B вводит STA C в заблуждение, несмотря на отсутствие столкновений. Проблемы,упомянутые выше, порождают разные типы интерференций с разными последствиями, но наиболее серьезными последствиями являются отбрасывание связи (link suppression), эффект взаимной блокировки (deadlock effect) и эффект усиления интерференции. Они могут потенциально усилиться в развертывании совместного канала, тем самым значительно снизив производительность.  Рисунок 1.7 – Проблемы: а) Проблема скрытого узла; б) Проблема незащищенного узла На рисунке 1.8 представлено отбрасывание связи AP – AP. Передача в одном BSS останавливает возможные передачи у других BSS. Этоприводит к уменьшению утилизации ссылки передачи. Например, AP2 услышит передачу STA1 – AP1, таким образом, AP2 не может инициировать передачу с STA3. Аналогично для случая STA – STA отбрасывание связи. На рисунке 1.9 представлено отбрасывание связи STA – AP. Например: AP1 передает пакеты STA1, STA2 услышит AP1, таким образом STA2 не может начинать передачу с AP2.  Рисунок 1.8 - Отбрасывание связи АР - АР  Рисунок 1.9 - Отбрасывание связи STA – АР На рисунке 1.10 представлен эффект взаимной блокировки. Он представляет собой следствие существования проблемы скрытого узла и возникает при использовании механизмов RTS/CTS (Request to Send/Clear to Send). При возникновении этого эффекта соответствующие точки доступа будут ждать друг друга, потому что они не могут ответить сообщением CTS на RTS, который ранее получили от своих ассоциированных клиентов. Другими словами, обе АР ждут друг друга и не начинают свои передачи из-за присутствия скрытого узла в каждом BSS. Обе АР устанавливают NAV (Network Allocation Vector) и никто не отвечает за свое RTS-сообщение. Например: STA1 передает RTS на AP1, AP1 тогда ждет за SIFS интервал и AP2 устанавливает NAV. В течение этого SIFS, STA2 передает RTS на AP2, однако AP2 не сможет ответить сообщением CTS, и АР1 также устанавливает NAV из-за получения RTS от STA2. Таким образом, эти станции и точки доступа не могут передать данные. Эффект усиления интерференции происходит, когда столкновения приводят к объединению сигналов. Этот комбинированный сигнал, который может быть сильнее индивидуального сигнала, вызывает интерференцию в более широком диапазоне.  Рисунок 1.10 – Эффект взаимной блокировки В дополнение к быстрому развертыванию WLAN, новые приложения, такие как голос и видео, также предъявляют дополнительные требования к беспроводным сетям. Возможность транслировать видео высокой четкости дома и в движении, одновременно передавая большие файлы по сети, требует большую пропускную способность, которую не могут обеспечить существующие WLAN. Кроме того, чувствительный к задержке характер голосовых и видео приложений делает доставку такого контента еще более сложной для таких сетей. Однако предоставление QoS в приложениях с использованием традиционных стандартов IEEE 802.11 затруднено, поскольку они не содержат явных механизмов дифференциации служб. Эти стандарты имеют только базовую распределенную координационную функцию DCF и дополнительные функции координации PCF, у которых много недостатков. Даже при использовании IEEE 802.11e, который представляет собой поправку для обеспечения QoS, качество обслуживания в высокоплотной WLAN сети поддерживается слабо, что обоснует актуальность данной диссертации. 1.2.2. Обзор решений для обеспечения QoS в WLAN сети Из анализа в предыдущем разделе, обеспечение QoS в WLAN можно интерпретировать как минимизацию влияния элементов беспроводной сети или других беспроводных сетей, а также улучшение возможности поддержки мультимедиа трафика и трафика реального времени. В этом разделе рассмотрим некоторые решения, которые были предложены для поддержки QoS в WLAN. Стандарт IEEE 802.11e будет подробно изложен в главе 2, и здесь не рассматривается. Хотя WLAN работает на уровнях PHY и MAC, предложено много решений для поддержки QoS и на сетевом, транспортном и прикладном уровнях. Для PHY, чтобы поддерживать высокую пропускную способность беспроводной сети, в последнее время были предложены различные стандарты IEEE 802.11, такие как 802.11n, 802.11ac и 802.11ad.Стандарт IEEE 802.11n основан на технологии MIMO и обеспечивает высокую скорость передачи данных до 600 Мбит/с. Стандарт IEEE 802.11ac направлен на поддержку еще более высокой скорости передачи данных в 1 Гбит/с, в то время как стандарт IEEE 802.11ad нацелен на достижение скорости до 7 Гбит/с, использующей широкополосные каналы, доступные в диапазоне 60 ГГц. Эти новые стандарты включают механизмы планирования, алгоритмы контроля допуска и улучшения уровня PHY и MAC для поддержки мультимедийных приложений с QoS. Основные методы, используемые для обеспечения QoS на MAC-уровне, включают контроль допуска и планирование. В стандарте IEEE 802.11 MAC-уровень обеспечивает функциональность адресации, кадрирования, проверки надежности и координации доступа к беспроводной среде. MAC-уровень с QoS улучшениями нацелен на то, чтобы обеспечить сеть с гораздо меньшими расходами, разделяющими фреймами на приоритетной основе, удерживая конфликты на минимально возможном уровне. Для стандарта IEEE 802.11 были предложены различные методы повышения качества обслуживания QoS: приоритетная очередь: используется для предоставления очередей с приоритетами на MAC-уровне, пакеты данных разделяются на основе приоритетов; дифференцированные услуги; DFS (Distributed Fair Scheduling: каждому потоку присваивается некоторый вес в зависимости от его приоритета и пропускная способность, полученная им пропорциональна этому весу; изменение DIFS (DCF Interframe Space): варьируется продолжительность распределенного межкадрового интервала (DIFS) для дифференциации потоков. Такая технология очень полезна в приложениях реального времени, где задержки имеют большее значение по сравнению с потерями пакетов. Дифференцированная максимальная длина кадра: разные станции могут передавать кадры с разными максимальными размерами. Станции с высокоприоритетными потоками могут передавать больший кадр, чем тот, который имеет потоки с более низким приоритетом. Распределенный TDM (Time Division Multiplexing): используется метод опроса как в обычном механизме PCF, но временные интервалы определяются как в TDM, и каждый из этих временных интервалов назначается конкретной станции. Таким образом, передача пакетов может быть выполнена с очень небольшим участием AP. QoS-планирование: приоритетный планировщик всегда выбирает пакеты из очереди с наивысшим приоритетом. Процесс QoS-планирования в стандарте IEEE 802.11 выбирает пакеты между различными потоками и распределяет их по определенным ссылкам в зависимости от требований каждого потока. Планировщик спроектирован таким образом, чтобы обеспечить лучшую пропускную способность и сократить время передачи. Общие алгоритмы, обеспечивающие QoS в планировании: (i) строгий приоритет; (ii) WFQ (Weighted Fair Queueing); (iii) WRR (Weighted Round Robin) и (iv) EDD (Earliest Due Date). Кроме того, существует много других решений, которые сосредоточиваются на механизмах доступа, такие как: CAP (Control Access Period) в периоде с конкуренцией, CAP в периоде без конкуренции, механизм доставки с автоматическим энергосбережением (АРD – Automatic Power Save Delivery), Block ACKs и NoAck. Для QoS-решений на сетевом уровне основная часть исследований была сосредоточена на контроле допуска и QoS-маршрутизации. Хотя QoS-улучшения, вводимые на MAC-уровне, обеспечивают дифференциацию обслуживания между различными потоками трафика, они могут обеспечить QoS только тогда, когда сетевая нагрузка является умеренной. Если нагрузка увеличивается до определенного предела, гарантии QoS не обеспечиваются даже для высокоприоритетного трафика. Именно здесь механизм контроля допуска помогает предотвратить переполнение сети путем разрешения или запрещения потоков трафика. Контроль допуска является ключевым компонентом адаптации к изменениям трафика в соответствии с изменяющейся средой беспроводных сетей на основе IEEE 802.11. Контроль допуска может быть разделен на три различных метода: контроль допуска на основе измерения, контроль допуска на основе модели, гибрид контроля допуска на основе измерений и моделей. QoS-маршрутизация является неотъемлемой частью общей QoS-архитектуры в стандарте IEEE 802.11. Этот метод позволяет сети вычислять путь, который поддерживает QoS-цели различных потоков с ограничениями беспроводной среды. Существует ряд исследований, которые могут использоваться для реализации QoS-маршрутизации. На транспортном уровне для улучшения QoS существует несколько методов с учетом задержки и потерь в качестве основных параметров. Основное внимание на этом уровне уделяется управлению перегрузками и управлению ошибками. Помимо работы на нижних уровнях, также возможно реализовать QoS в сетях IEEE 802.11 на уровне приложения. Традиционно работа над QoS уровня приложений была сосредоточена на различных аспектах доставки мультимедиа. Кроме того, многие исследования протестировали новые сетевые технологии для поддержки QoS в беспроводной сети, такие, как SDN (Software Defined Networking), NFV (Network Functions Virtualization), беспроводные сети на основе облачных технологий. Упомянутые исследования в большинстве решают QoS-проблему в беспроводной локальной сети с одной точкой доступа. Существуют также некоторые исследования, которые сосредоточены на высокоплотных беспроводных средах, но у них все же есть несколько недостатков, например, расходы опроса, плохая координация между точками доступом, проблема скрытого узла перекрывающихся BSS. Кроме того, в настоящее время IEEE 802.11 разрабатывает новый стандарт IEEE 802.11ax. Он предназначен для улучшения общей спектральной эффективности, особенно в сценариях с высокоплотным развертыванием, имеет максимальную скорость около 10 Гбит/с, может работать в диапазонах 2,4 и 5 ГГц. В дополнение к использованию MIMO и MU-MIMO новая поправка вводит метод OFDMA для улучшения спектральной эффективности и поддержки модуляции более высокого порядка 1024 QAM для более высокой пропускной способности.Хотя номинальная скорость передачи данных только на 37% выше, чем 802.11ac, ожидается, что новая поправка приведет к увеличению пропускной способности пользователя на 4 раза за счет более эффективного использования спектра. 1.3 Анализ производительности беспроводной локальной сети со многими точками доступа В настоящее время большинство компаний, кампусов, торговых центров используют беспроводные сети, так как это значительно повышает мобильность. офиса, снижает затраты, устраняя необходимость закупки и монтажа СКС. Правильное планирование до фактического развертывания сети играет ключевую роль в успешном управлении финансами и оборудованием, используемым в беспроводных сетях. Поэтому очень важно смоделировать предлагаемую беспроводную сеть и оценить ее эффективность. Важно понять последствия увеличения плотности WLAN и влияния на производительность этих сетей. В этом разделе оценим производительность высокоплотной WLAN сети со многими точками доступа с точки зрения задержки, количества попыток повторной передачи и пропускной способности с использованием OPNET. Сведения об OPNET и QoS-критериях подробно изложены в разделах 3.4.1 и 3.4.2. Рассмотрим следующие 3 случая, чтобы изучить проблемы, возникающие в высокоплотной WLAN сети со многими точками доступа. Время моделирования для каждого сценария составляет 3 часа. |