Agenda. Propostas e Avaliações de Protocolos de Acesso Alternativos ao Padrão IEEE e. Exemplos de Padrões de Redes Sem Fio

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Propostas e Avaliações de

Protocolos de Acesso

Alternativos ao Padrão

IEEE 802.11e

Aluno... Orientador... Data...

: Fernando Carlos Azeredo Verissimo : Luís Felipe Magalhães de Moraes : 31 de agosto de 2005

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Agenda

1. Redes Sem Fio

2. Métodos de Acesso ao Meio

3. Qualidade de Serviço

4. Simulador

5. Métodos Simulados

6. Modelos de Tráfego

7. Resultados

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Motivação para o Estudo

sobre Redes Sem Fio

• Usuário exige mobilidade, agilidade e

liberdade em suas comunicações

• Custos dos dispositivos vêm caindo

• Tendência a existir redes mistas

• Novas aplicações surgem todo dia

Redes

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Exemplos de Padrões de

Redes Sem Fio

• Bluetooth

• Hiperlan

• IEEE 802.11

_{IEEE 802.11}

é mais utilizado

Redes 5

IEEE 802.11

• Padrão IEEE definido em 99

• Baseado em CSMA/CA

• 3 padrões

– 802.11a – 5 Ghz / 54 Mbps / 20m

– 802.11b – 2.4 Ghz / 11 Mbps / 100m

– 802.11g – 2.4 Ghz / 54 Mbps / 100m

• Ad hoc e infraestruturada

Redes 6

Motivação para o Estudo de

Métodos de Acesso ao meio

• Mobilidade trás problemas para a

rede

– Na rede infraestruturada: handoff

– Na rede ad hoc : rotas e vazão

Métodos de acesso ao meio resolvem muitos

desses problemas

Acesso ao meio

A B D

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Categorias de Métodos de

Acesso ao meio

• Acesso Aleatório

• Alocação Fixa

• Alocação por Demanda

Acesso ao meio

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Tipo Aleatório

• Cada estação acessa o meio

aleatoriamente no tempo.

• Não é possível ter controle

independente da demanda

Muita colisão

Acesso ao meio

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Tipo Alocação Fixa

• Canal é dividido

– Tempo – TDMA

– Freqüência – FDMA

• Quando uma estação não tem o

que transmitir, recurso é

desperdiçado

Desperdício

Acesso ao meio

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Tipo Alocação por Demanda

• Protocolos de interrogação

• Protocolos de reserva

overhead

Acesso ao meio

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Motivação para o Estudo

sobre Qualidade de Serviços

• Aumento da complexidade das

aplicações

• Aplicações de voz, vídeo e dados

simultaneamente na mesma

estação

QoS

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Qualidade de Serviços

• A idéia de Qualidade de Serviços

foi criada para medir qualidade

• Noção evoluiu para várias

camadas : segurança,

privacidade, contabilidade e

política de preços, monitoração e

grau de disponibilidade da rede

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Camada MAC no IEEE 802.11

• Modos de transmissão:

– DCF

– PCF

• Multiplexados no tempo

– CFP

– CP

• Priorização de pacotes através de

IFS

QoS

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DCF

• Tipo de acesso aleatório

• Sujeito a colisões

• IFS e backoff time

IEEE 802.11 15

DCF

IEEE 802.11 16

DCF – RTS/CTS

• Tratar o problema de terminais escondidos

• Estação que quer transmitir enviar o pacote RTS (request-to-send)

• O destinatário responde com um pacote CTS (clear-to-send) IEEE 802.11 A B C 17

DCF – RTS/CTS

IEEE 802.11 18

PCF

• Tipo de acesso por alocação por

demanda

• Interrogação (polling)

• Implementação não é obrigatória

IEEE 802.11

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DCF x PCF

• Tráfego baixo

– DCF baixo retardo

– PCF muito overhead

• Tráfego alto

– DCF retardo alto

– Overhead perde relevância

IEEE 802.11

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IEEE 802.11e

• Primeiro draft em 2001

• Objetivo é implementar QoS na

camada MAC

• Modos de transmissão:

– EDCF

– HCF (principal)

IEEE 802.11e 21

EDCF

• Extensão do DCF

• CSMA/CA

• Suporta 4 classes de acesso

Best Effort 4 Video Probe 3 Video 2 Voice 1 Tipo Classe de Acesso IEEE 802.11e 22

EDCF

• Filas por classe

• Colisão interna

• EDCF TXOP

determina o tempo

que uma estação

transmite depois de

conseguir acesso ao

meio

IEEE 802.11e 23

Parâmetros do EDCF

• AIFSD[AC] = SIFS + AIFS[AC]

• CWmin[AC] e CWmax[AC]

• Backoff entre [1, CW[AC]]

IEEE 802.11e

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HCF

• HC : polling e CAC

• Escalonamento em dois níveis :

HC e estação

• Disciplina de Escalonamento

Limitada

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Simulador de Rede

• Escolhemos o simulador do Ravel

• Total controle sobre o estado das

rotinas

• Desenvolvimento em C++

• Simplicidade

Simulador 26

Estrutura

• MAIN.C

– Módulo principal

• EVENT.C

– Rotinas básicas, tais como inclusão de

eventos

• LCGRAND.C

– Módulo responsável pela geração de

números aleatórios

Simulador 27

Arquitetura

Simulador 28

Funcionamento

Simulador 29

Funcionamento

• Lista de eventos

– A lista recebe os eventos que acontecerão, o

local onde eles acontecerão e o momento em

que acontecerão

• Lista de pacotes

– Cada classe em estação tem a sua lista de

pacotes

Simulador

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Eventos

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Métricas

• Vazão

– A vazão é normalizada

– Calcula-se dividindo o tempo transmitindo-se

pelo tempo de simulação

• Retardo Médio

– Quando o evento ARRIVAL gera um pacote,

é introduzido um timestamp no pacote, na

ocasião da transmissão, ou seja, no evento

DEPARTURE, o timestamp é comparado com

a hora atual.

Simulador 32

Métodos de Acesso

Simulados

• Contenção

– EDCF

– RAEDCF (Random Adaptive Enhanced

Distributed Coordination Function)

• Pooling

– HCF com 4 disciplinas

• Limitada

• Limitada com ciclos variáveis

• Exaustiva e Limitada

• Otimizada

Métodos Simulados

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EDCF

• Variável global (NOISE) que simboliza o meio ocupado • Evento SLOT é chamado e NOISE=0, nada é feito • Caso contrário:

– Filas que possuem pacotes a transmitir, recebem no Contador de IFS o valor de AIFSD[AC] Métodos Simulados Noise IFSC 3 IFSC 4 BC 0 BC 0 AC1 AC3 IFSC 3 IFSC 4 BC 0 BC 0 AC1 AC3 Estação 1 Estação 2 34

EDCF

– A cada chamada do evento SLOT o Contador de IFS decresce uma unidade Métodos Simulados Noise IFSC 3 IFSC 4 BC 0 BC 0 AC1 AC3 IFSC 3 IFSC 4 BC 0 BC 0 AC1 AC3 Estação 1 Estação 2 35

EDCF

– A cada chamada do evento SLOT o Contador de IFS decresce uma unidade Métodos Simulados Noise IFSC 2 IFSC 3 BC 0 BC 0 AC1 AC3 IFSC 2 IFSC 3 BC 0 BC 0 AC1 AC3 Estação 1 Estação 2 36

EDCF

– A cada chamada do evento SLOT o Contador de IFS decresce uma unidade Métodos Simulados Noise IFSC 1 IFSC 2 BC 0 BC 0 AC1 AC3 IFSC 1 IFSC 2 BC 0 BC 0 AC1 AC3 Estação 1 Estação 2

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37

EDCF

Métodos Simulados Noise IFSC 0 IFSC 1 BC 0 BC 0 AC1 AC3 IFSC 0 IFSC 1 BC 0 BC 0 AC1 AC3

– A cada chamada do evento SLOT o Contador de IFS decresce uma unidade

– Quando o Contador chega a zero, há um sorteio entre 1 e CW[AC, estacao] para o valor inicial do BC ( backoff counter )

[1..7] [1..7] Estação 1 Estação 2 38

EDCF

– Quando o Contador chega a zero, há um sorteio entre 1 e CW[AC, estacao] para o valor inicial do BC ( backoff counter ) – A cada chamada do evento SLOT o BC decresce uma unidade

Estação 1 Estação 2 39

EDCF

[1..15] [1..15] Estação 1 Estação 2 40

EDCF

Estação 1 Estação 2

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EDCF

– Quando BC chega a zero, dentro do tratamento do evento SLOT, há uma rotina que vê se existem outras filas com BC igual a zero, o que gera colisões.

– Colisões internas à estação são resolvidas fazendo a fila de menor prioridade esperar.

Métodos Simulados Noise IFSC 0 IFSC 0 BC 2 BC 8 AC1 AC3 IFSC 0 IFSC 0 BC 1 BC 0 AC1 AC3 IFSC 0 IFSC 0 BC 0 BC 0 AC1 AC3

Estação 1 Estação 2 Estação 3

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EDCF

– Colisões externas pede que o CW[AC, estacao] seja duplicado e o processo todo seja repetido

• CW é duplicado até CW = CWmax

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EDCF

44

EDCF

45

EDCF

– Se uma fila chegar até o fim sozinha, sem que hajam

colisões, então seu pacote é transmitido.

• Ao transmitir a variável NOISE=1 • CW[AC, estacao] = CWmin[AC]

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EDCF

– Se uma fila chegar até o fim sozinha, sem que hajam

colisões, então seu pacote é transmitido.

• Ao transmitir a variável NOISE=1 • CW[AC, estacao] = CWmin[AC] • Diminui uma unidade do BC e reseta IFSC

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RAEDCF

• Alteração básica em relação ao

EDCF é a forma com que cresce e

decresce a CW

• RAEDCF propõe em vez de dobrar

o CW a cada colisão, multiplicar

por um fator, que é distinto para

cada classe. Ex: multiplicar por 3

para AC1 e por 5 para AC3

Métodos Simulados

48

RAEDCF

• Já para decrescer, o RAEDCF,

diferentemente do EDCF que

propõe CW[ AC, estacao] =

CWmin[ AC] a um transmissão

bem sucedida, propõe um

decrescimento proporcional ao

número de colisões acontecidas

num passado recente

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49

RAEDCF

a é U[0,1] Métodos Simulados 50

HCF

• Existem 2 tipos de escalonadores

– HC

• Controle de admissão

• Dita o TXOP para cada estação

– QSTA

• Divide o tempo entre cada fluxo

Métodos Simulados 51

Limitada

• A implementação foi no

tratamento do evento

DEPARTURE

Limitada com Ciclos Variáveis

Exaustiva e Limitada

Otimizada

Métodos Simulados

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Modelos de Tráfego

• Avaliar modelo de rede

• Não existe um modelo que

represente a Internet

– Poucas aplicações geram maioria do fluxo

– Poucas aplicações duram muito tempo

Modelos de Tráfego

56

Tipos de Modelos

• Poisson

– Baseado no modelo de Poisson

– Analiticamente mais simples

– Não simula correlação entre as chegadas

– Não simula crescimento abrupto de tráfego

Modelos de Tráfego

57

Tipos de Modelos

• On-off

– Alterna períodos de chegadas com períodos

de silêncio

– Normalmente esse períodos obedecem

variáveis de distribuição exponencial

– Nos períodos de On, a taxa de chegada é

constante

Modelos de Tráfego

58

Tipos de Modelos

• Processos Markovianos

– Boa captura da correlação das chegadas

– Crescimento abrupto de tráfego

– Possibilita vários níveis de atividades e rápida

troca deles

Modelos de Tráfego

59

Tipos de Modelos

• Fluxos

– Células são geradas continuamente (como

um fluxo)

– Apropriados para grandes quantidades

Modelos de Tráfego

60

Tipos de Modelos

• Auto-Similar

– Um modelo markoviano observado em redes

Ethernet

– Variações muito abruptas de tráfego,

relacionadas com o aumento de fontes

– Invariância em relação a escala de tempo

(11)

61

Tipos de Modelos

• On-off Pareto

– É um modelo que funciona como o On-off,

mas com os períodos de atividade e

inatividade seguindo distribuição de Pareto

– Estudos mostram que a superposição de

várias fontes On-off Pareto aproximam o

comportamento do tráfego de dados a nível

de fontes individuais

Modelos de Tráfego 62

Modelos usados

On-off Pareto

Dados

AC3

On-off

Voz

AC1

Modelo

Aplicação

Classe

• Duas classes de prioridades

• Observar as disciplinas de

diferenciação de serviços

Voz

• Fonte On-off

• Exponencial de média 1.8 s em Off e

exponencial de média 1.2 s em On

• Em On transmitindo a 64 Kbps

Dados

• 10 fontes On-off Pareto

• Pareto, com Alfa=1.4 e Beta=1, em On

• Pareto, com Alfa=1.2 e Beta=1 em Off

• Em On transmitindo a 32 Kbps

Parâmetros da Simulação

• Nível de confiança de 90%

• 11 repetições da simulação

• 17 milhões de pacotes

• Taxa de transmissão : 11 Mbps

• Pacote : 1058 bytes

Resultados 65

EDCF

Resultados 66

EDCF – Filas saturadas

Toda fila tem pelo menos um pacote para transmitir. O buffer é de tamanho infinito

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EDCF – Colisões

Resultados 68

EDCF

47 estações

Resultados 69

EDCF x RAEDCF

70

EDCF x AEDCF x RAEDCF

AEDCF a = 0.4

Resultados

71

EDCF x RAEDCF – Filas

saturadas

Toda fila tem pelo menos um pacote para transmitir. O buffer é de tamanho infinito

Resultados

72

HCF - Limitada

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73

HCF – Limitada com Ciclos

Variados

Resultados 74

HCF – Exaustiva e Limitada

Resultados 75

Tráfego Assimétrico

• Alteração na fonte On-off

Exp (1,2) Exp (1,8) Exp (x) Exp (x) x sorteio entre (0,4; 1,2; 1,4; 4; 13) Resultados 76