Validação experimental do protocolo RT-WiFi na transmissão de tráfego de tempo real em ambientais abertos

(1)

José Roque Betiol Júnior

Validação Experimental do Protocolo RT-WiFi

na Transmissão de Tráfego de Tempo Real em

Ambientes Abertos

Florianópolis - SC - Brasil

20 de fevereiro de 2019

(2)

(3)

José Roque Betiol Júnior

Validação Experimental do Protocolo RT-WiFi na

Transmissão de Tráfego de Tempo Real em Ambientes

Abertos

Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Computação e Estatística

Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação

Orientador: Luciana de Oliveira Rech

Coorientador: Ricardo A. R. de Moraes

Florianópolis - SC - Brasil

20 de fevereiro de 2019

(4)

José Roque Betiol Júnior

Validação Experimental do Protocolo RT-WiFi na Transmissão de Tráfego de Tempo Real em Ambientes Abertos/ José Roque Betiol Júnior. – Florianópolis -SC - Brasil, 20 de fevereiro de

2019-78p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Orientador: Luciana de Oliveira Rech

Monografia (Mestrado) – Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Computação e Estatística

Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, 20 de fevereiro de 2019. 1. WiFi. 2. IEEE 802.11. 3. IEEE 802.11e. 4. Quality of Service. 5. RT-WiFi. I. Luciana de Oliveira Rech. II. Universidade Federal de Santa Catarina. III. Pós-Graduação em Ciência da Computação. IV. Validação experimental do protocolo RT-WiFi na transmissão de tráfego de tempo real em ambientes abertos.

(5)

José Roque Betiol Júnior

Validação Experimental do Protocolo RT-WiFi na

Transmissão de Tráfego de Tempo Real em Ambientes

Abertos

Esta Dissertação foi julgada aprovada para a obtenção do Título de "Mestre em Ciência da Computação", e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós Graduação em Ciência da Computação.

Florianópolis - SC - Brasil, 20 de fevereiro de 2019.

Prof. José Luís Almeida Güntzel, Dr.

Coordenador

Universidade Federal de Santa Catarina

Prof. Luciana de Oliveira Rech, Dr.

Orientadora

Prof. Ricardo A. R. de Moraes, Dr.

Coorientador

Banca Examinadora:

Prof. Patrícia Della Méa Plentz, Dr.

Prof. Carlos Barros Montez, Dr.

Prof. Alex Sandro Roschildt Pinto, Dr.

(6)

(7)

(8)

(9)

Agradecimentos

Agradeço à professora Luciana de Oliveira Rech, ao professor Ricardo Alexandre Reinaldo de Moraes e ao professor Lau Cheuk Lung pela orientação no desenvolvimento do meu trabalho. Agradeço também aos meus colegas de laboratório, aos colegas de classe e aos colegas de trabalho que de alguma forma me auxiliaram no desenvolvimento do meu trabalho e durante as aulas. Por fim, agradeço a minha mãe Cássia Regina da Silva que sempre me incentivou e me apoiou nos meus estudos, todos os méritos que alcancei não seriam possíveis sem seu auxilio.

(10)

(11)

Resumo

Com o crescimento de sistemas de controle sem fio, que vem sendo impulsionado pela industria da Internet das Coisas (IoT - Internet of Things), diferentes padrões de comuni-cação são utilizados e a grande maioria não são projetados para entrega de dados de Tempo Real (TR) e desempenho confiável. O padrão de comunicação sem fio mais utilizado na computação é o IEEE 802.11, conhecido como WiFi (Wireless Fidelity), e com o decorrer do tempo diversas extensões foram oficializadas. A extensão IEEE 802.11e incorpora diversos mecanismos com a finalidade de prover garantias de Qualidade de Serviço (QoS

-Quality of Service), porém diversos trabalhos analisaram que esses mecanismos não são

capazes de prover garantias de restrição de tempo e entrega para comunicação de TR. Diversos trabalhos apresentam abordagens variadas para prover QoS em comunicação de TR em Redes sem Fio . Um destes trabalhos é a proposta do protocolo RT-WiFi realizado por Costa (2013), o qual utiliza o mecanismo TDMA de forma a possibilitar a coexistência com outros dispositivos que não utilizam o protocolo RT-WiFi. No presente trabalho é apresentado um estudo sobre os mecanismos existentes no padrão IEEE 802.11, um estudo sobre a proposta do RT-WiFi e uma validação experimental desse protocolo na transmissão de tráfego de TR em ambientes abertos. Para essa validação foi realizada a implementação do protocolo no Kernel Linux utilizando placas de rede sem fio, montado um ambiente composto por uma rede utilizando o protocolo RT-WiFi e outra utilizando o mecanismo EDCA, ambas compartilhando o mesmo local e canal de comunicação, e por fim uma bateria de testes com a finalidade de comparar o protocolo RT-WiFi com o mecanismo padrão EDCA. Os resultados obtidos comprovam que o protocolo RT-WiFi é capaz de melhor cumprir as restrições de tempo na comunicação de TR que o mecanismo EDCA existente na extensão IEEE 802.11e.

(12)

(13)

Abstract

With the growth of wireless control systems, which has been driven by the Internet of Things (IoT) industry , different communication patterns are used and the vast majority are not designed for Real-Time data delivery and reliable performance. The most widely used wireless standard in computing is IEEE 802.11, known as WiFi (Wireless Fidelity), and over time several extensions have been made official. The IEEE 802.11e extension incorporates several mechanisms to provide Quality of Service (QoS) guarantees, but several studies have analyzed that these mechanisms are not able to provide time and delivery constraints for Real-Time communication.

Several works have different approaches to provide QoS in Real-Time communication in Wireless Networks . One of these works is the proposal of the RT-WiFi protocol performed byCosta(2013), which uses the TDMA mechanism in order to be able to coexist with other devices that doesn’t use the RT-WiFi protocol. In the present work a study is presented on the existing mechanisms in the IEEE 802.11 standard, a study on the proposal of the RT-WiFi and an experimental validation of this protocol in the transmission of Real-Time traffic in open environments. For this validation, the protocol was implemented in the Linux Kernel using wireless network cards, an environment composed of a network using the RT-WiFi protocol and another using the EDCA mechanism, both sharing the same location and communication channel, and finally a battery of tests in order to compare the RT-WiFi protocol with the EDCA mechanism. The results obtained prove that the RT-WiFi protocol is able to better comply with the time constraints in Real-Time communication than the existing EDCA mechanism in the IEEE 802.11e extension.

(14)

(15)

Lista de ilustrações

Figura 1 – Ambiente de avaliação. . . 30

Figura 2 – Relação dos IFS nos mecanismos EDCA e DFC (Fonte: adaptado de Committee et al. (1999)). . . 32

Figura 3 – Disputa de acesso ao meio (BRANQUINHO, 2014). . . 34

Figura 4 – Ambiente da avaliação experimental. . . 40

Figura 5 – Taxa de perda de pacotes por carga NTR para cada MSP. . . 42

Figura 6 – Atraso médio por carga NTR para cada MSP. . . 43

Figura 7 – Fluxo de mensagens na arquitetura RT-WiFi. (COSTA, 2013) . . . 45

Figura 8 – Arquitetura do Protocolo RT-WiFi (COSTA et al., 2012). . . 46

Figura 9 – Intervalo de serviço (COSTA et al., 2010). . . 48

Figura 10 – Mecanismo TDMA. . . 49

Figura 11 – Disputa de acesso ao meio entre estações TR e NTR. . . 53

Figura 12 – Beacon Interval. . . . 57

Figura 13 – Diagrama de divisão de tempo dentro de um BI . . . 57

Figura 14 – Topologia do ambiente de avaliação. . . 59

Figura 15 – Fluxo dos pacotes na rede RT.. . . 60

Figura 16 – Taxa de perda de pacotes. . . 63

Figura 17 – Total de pacotes transmitidos com sucesso. . . 64

Figura 18 – TR transmitindo a 11,125kbps. . . 65

Figura 22 – Atraso no caso da mediano quando a carga NRT é de 9,6 Mbps e a taxa de transmissão TR é de 22,250Kbps. . . 67

(16)

(17)

Lista de tabelas

Tabela 1 – Parâmetros das Categorias de Acesso. . . 34

Tabela 2 – Resultados dos cenários 1 e 2. . . 43

Tabela 3 – Resultados obtidos para a taxa de transmissão TR de 11,125Kbps. . . 69

(18)

(19)

Lista de abreviaturas e siglas

ACM Access Control Mandatory

ACK Acknowledgement

ADDTS Add Traffic Stream

AIFS ArbitrationInterframe Space

AP Access Point

BF Beacon Frame

BI Beacon Interval

BSS Basic Service Set

CFP Contention-Free Period - Período livre de contenção

CP Contention Period - Período com contenção

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Colision Avoidance

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Colision Detection

CW Contention Window - Janela de Contenção

DCF Distributed Coordination Function

DIFS Distributed Interframe Space

EDCA Enhanced Distributed Channel Access

EIFS Extended Interframe Space

EP End Point

FCR Forcing Collision Mechanism

FIFO First In First Out

HC Hybrid Coordinator

HCCA HCF Controlled Channel Access

(20)

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IFS Interframe Space

IoT Internet of Things - Internet das Coisas

MAC Medium Access Control

MPDU MAC Protocol Data Unit

MSDU MAC Service Data Unit

MSP Message Stream Period

NAV Network Allocator Vector

NTR Não Tempo Real

OBSS Overlapping Basic Service Set

PC Point Coordinator

PCF Point Coordination Function

PIFS PCF Interframe Space

QoS Quality of Service - Qualidade de Serviço

SIFS Short Interframe Space

SP Start Point

ST Slot Time

TDMA Time Division Multiple Access

TR Tempo Real

TS Traffic Stream

TSm Traffic Separation Mechanism

TSPEC Traffic Specification

TxOP Transmission Opportunity

WiFi Wireless Fidelity

WSAN Wireless Sensor and Actuator Network - Rede de Sensores e Atuadores

(21)

Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . 21 1.1 Contextualização e motivações . . . 21 1.2 Trabalhos Relacionados . . . 22 1.3 Definição do Problema . . . 23 1.4 Objetivos . . . 25

1.5 Interesse Científico, Social e Econômico . . . 25

1.6 Método de Pesquisa . . . 26 1.7 Contribuições do Trabalho . . . 26 1.8 Organização do trabalho . . . 26 2 IEEE 802.11 . . . 29 2.1 Introdução . . . 29 2.2 Arquitetura . . . 29

2.3 Mecanismo de Controle de Acesso ao Meio . . . 30

2.3.1 DCF - Distributed Coordination Function . . . 31

2.3.2 PCF - Point Coordination Function . . . 32

2.3.3 EDCA - Enhanced Distributed Channel Access . . . 33

2.3.4 HCCA - HCF Controlled Channel Access . . . 35

2.4 Mecanismo de Controle de Admissão . . . 35

2.4.1 Mecanismo de Controle de Admissão do EDCA . . . 36

2.4.2 Mecanismo de Controle de Admissão do HCCA . . . 36

2.5 Conclusões . . . 37

3 AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DOS MECANISMOS EDCA E DCF 39 3.1 Introdução . . . 39

3.2 Avaliação experimental . . . 40

3.2.1 Cenário da Validação Experimental . . . 41

3.2.2 Resultados Obtidos . . . 42

3.3 Conclusões . . . 44

4 ARQUITETURA RT-WIFI . . . 45

4.1 Introdução . . . 45

4.2 Mecanismo de Controle de Acesso ao Meio . . . 46

4.3 Camada de Coordenação . . . 47

4.3.1 TDMA - Mecanismo de Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo . . . 48

(22)

4.4.1 Análise temporal do mecanismo RT-WiFi . . . 50

4.5 Mecanismo de Controle de Admissão . . . 51

4.6 Gerenciador . . . 52

4.7 Conclusões . . . 53

5 AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DA ARQUITETURA RT-WIFI . . . 55

5.1 Implementação . . . 55 5.2 Ambiente de avaliação . . . 58 5.3 Critérios de avaliação . . . 60 5.4 Resultados . . . 63 5.5 Considerações finais . . . 67 6 CONCLUSÕES . . . 71

6.1 Revisão das motivações e objetivos . . . 71

6.2 Visão geral do trabalho . . . 72

6.3 Contribuições . . . 72

6.4 Trabalhos futuros . . . 73

(23)

21

1 Introdução

1.1 Contextualização e motivações

As últimas tendências que estão influenciando as tecnologias de automação são IoT, os Sistemas Ciber-Físicos (CPS: Cyber-Physical Systems) e a Internet Tátil. Essas tecnologias vem trazendo diversas soluções em sistemas industriais, de transporte e em processos de fabricação (XU; HE; LI, 2014). Uma das principais características da IoT é a proliferação de sensores e atuadores que utilizam a comunicação sem fio para envio e recebimento de dados, ou seja, essa tecnologia engloba a Rede de Sensores e Atuadores sem Fio (WSAN - Wireless Sensor and Actuator Network) (GUBBI et al., 2013).

WSAN é um termo consolidado no meio acadêmico, pois está relacionado a estudos de Sistemas de Controle sem Fio, que por sua vez vem ganhando grande atenção nos últimos anos devido a diversas características, tais como: melhoria na mobilidade, fácil implantação, redução de custos em configuração e manutenção etc (WEI et al., 2013). Existem diversos trabalhos que aplicam Sistemas de Controle sem Fio em processos de controle e automação (SONG et al., 2008; CHUNG et al., 2015), saúde e sistemas biomédicos (ZHANG et al.,

2012), estruturas inteligentes (LI et al., 2013) e sistemas robóticos inteligentes (HAN et al., 2013).

A implementação de sistemas de controle sem fio começa a ser realidade muito recentemente e diferentes padrões de comunicação são utilizados, por exemplo, os pa-drões IEEE 802.15.4(MOLISCH et al., 2004), 802.15.1(COMMITTEE et al., 2005a) e 802.11(COMMITTEE et al., 1999). Utilizando estes padrões em baixo nível (camadas de enlace e física) surgem algumas tecnologias de comunicação, tais como: BlueTooth, ZigBee, WirelessHART e ISA100.11a. Uma característica comum na implementação deste tipo de sistema é o foco na entrega de dados de TR e desempenho confiável, mesmo que esses protocolos tenham uma baixa velocidade de comunicação. Aplicações que utilizam o padrão IEEE 802.11 (WiFi) como protocolo de comunicação têm maior interesse em garantir uma maior vazão de dados. Um dos grandes problemas das tecnologias sem fio é o comportamento não-determinístico dos mecanismos de controle de acesso ao meio, onde o cumprimento das restrições de tempos impostas pela comunicação de TR não são garantidas, tornando essas tecnologias pouco eficiente.

Diversas melhorias têm sido propostas nos últimos anos para diminuir os problemas relacionados com o não determinismo dos protocolos de comunicação sem fio. Os mecanis-mos presentes na extensão IEEE 802.11e (MANGOLD et al., 2002) foram incorporados ao padrão IEEE 802.11 com a finalidade de prover garantias de QoS, incluindo uma

(24)

22 Capítulo 1. Introdução

padronização de implementação para priorizar os pacotes de dados de TR que trafegam pela rede. Porém diversos trabalhos colocam a prova esses mecanismos (MANGOLD et al., 2003;MORAES; PORTUGAL; VASQUES, 2006;CENA et al., 2010;JUNIOR et al.,

2018; COSTA et al., 2018), mostrando que não é simples encontrar uma configuração adequada para cada cenário analisado. Portanto, não se tem garantias de que as restrições de comunicação de TR serão alcançadas, mesmo que uma rede WiFi esteja trabalhando com as funcionalidades de QoS habilitadas.

Com o crescente número de dispositivos de diferentes propósitos (na saúde, siste-mas de manufatura, indústria, segurança, telecomunicação, entretenimento, transporte e logística) conectados a redes sem fio devido ao promissor mercado de IoT1_{, a questão de}

QoS na comunicação WiFi deve ser constantemente avaliada, buscando novas alternativas que realmente atendam a essas necessidades.

1.2 Trabalhos Relacionados

Existem diversos trabalhos que possuem o objetivo de fornecer QoS para redes IEEE 802.11 e buscam isso com diferentes abordagens. Por exemplo, Gao, Cai e Chen

(2008) propõem um novo framework de controle de admissão para substituir o mecanismo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), utilizando a taxa média de dados e o tamanho médio de pacote para calcular os recursos necessários para cada fluxo de mensagens.

Villalón et al. (2008) projetaram o mecanismo B-EDCA, que é capaz de coexistir com estações com suporte a QoS em redes IEEE 802.11. Basicamente alterando os valores de espera para iniciar uma transmissão para aumentar as chances em obter o acesso ao meio antes de qualquer outra estação na rede.

Outra abordagem proposta é baseada na utilização de passagem de um token virtual, denominado VTP-CSMA (MORAES et al., 2007). Onde um token virtual circula entre as diversas estações de TR. Esse mecanismo é complementado utilizando o mecanismo, nomeado como TSm, para priorizar tráfego de TR sobre outros tipos de tráfego (MORAES et al.,2010).

A técnica black-burst também foi abordada de diferentes maneiras (JACOB; XIANG; LUYING, 2003; BI et al., 2016; WU et al., 2017; SUTHAPUTCHAKUN; SUN, 2018;

BARTOLOMEU et al.,2018). O princípio desse mecanismo é realizar jamming mantendo o meio ocupado, assim nenhuma outra estação poderá iniciar uma transmissão e garantindo que o meio de transmissão esteja livre para então transmitir pacotes de maior prioridades.

O mecanismo TDMA (Time Division Multiple Access) também é explorado em 1

(25)

1.3. Definição do Problema 23

outras pesquisas que utilizam o padrão IEEE 802.11. Esse mecanismo de comunicação é amplamente utilizado em sistemas de controle e automação devido ao seu comportamento determinístico. Koutsonikolas et al. (2008) e Djukic e Mohapatra (2009) focam na tarefa de sincronização de tempo sobre redes com múltiplos saltos, mas não fornecem uma plataforma flexível para aplicações de controle e não provém a coexistência com redes WiFi padrão. Os trabalhos de Dhekne, Uchat e Raman (2009) e Ben-David et al. (2010) tem como objetivo construir uma rede sem fio de longo alcance com alta taxa de transmissão para áreas rurais. Este mecanismo é baseado em TDMA, pois o mecanismo CSMA/CA é ineficiente quando utilizado em comunicação de longas distâncias. No entanto, como o foco de ambos os trabalhos é fornecer uma maior vazão na rede, acabaram não provendo previsibilidade e consistência para trabalhar com comunicação de TR. Neste contexto, Wei et al. (2013) propõem uma abordagem em que todos os dispositivos de TR comunicam-se utilizando o TDMA como técnica de acesso ao meio. Esta abordagem também suporta comunicação com outros tipos de tráfego na rede, mas para possibilitar isso é obrigado a utilizar o mecanismo padrão CSMA/CA, o que acaba não fornecendo grandes vantagens para a comunicação TR se comparado com os mecanismos presentes no padrão IEEE 802.11e.

Com a motivação de realizar um estudo aplicado da comunicação de TR em redes IEEE 802.11 (WiFi), o presente trabalho tem como foco principal a validação experimental do protocolo RT-WiFi (COSTA et al., 2018) em ambientes abertos. Esse protocolo utiliza o mecanismo TDMA para evitar colisões entre os dispositivos de TR e um mecanismo de prioridades (MORAES et al., 2010) para garantir a comunicação de TR na presença de estações que estão transmitindo outros tipos de tráfego. É importante ressaltar que o mecanismo RT-WiFi até o momento possui apenas avaliações em ambientes de simulação (COSTA et al.,2010; COSTA et al., 2011; COSTA et al., 2012; COSTA et al., 2012).

1.3 Definição do Problema

A demanda por redes industriais sem fio de alta performance vem crescendo nos últimos anos. Isso é uma consequência do desenvolvimento tecnológico que já vem sendo implantado em ambientes domésticos, escritórios e locais públicos. Atualmente há um crescente interesse no suporte de aplicações TR utilizando tecnologias de comunicação sem fio, onde a WiFi é a preferida devido à sua posição como portadora dominante de tráfego de dados sem fio (SUN et al., 2014).

Primeiramente é necessário entender o conceito de comunicação TR, esse tipo de comunicação consiste na transmissão periódica de pequenos pacotes, ou seja, com payload pequeno, de acordo com as restrições de tempo de transmissão (deadlines) da aplicação. Outras propriedades desejáveis para sistemas de comunicação de TR são:

(26)

• requisitos de baixo jitter e baixa latência impostos pelas aplicações de controle suportadas;

• capacidade de fácil integração com serviços de comunicação NTR e TR;

• capacidade de se adaptar dinamicamente às condições de tráfego e rede em evolução; • escalabilidade eficaz no que diz respeito ao desempenho de um grande número de

conexões;

• uso de banda altamente eficaz, considerando que em aplicações industriais normal-mente há um baixo uso da banda.

Como a comunicação sem fio é feita através de ondas de rádio, o meio de comunicação acaba sendo o ambiente em que essas ondas de rádios se propagam, fazendo com que uma rede WiFi interfira no meio de comunicação de uma ou mais redes. A interferência na comunicação (causada por diversas redes utilizando a mesma frequência base) é muito comum em áreas de alta densidade, como condomínios verticais, edifícios de escritórios e universidades.

Atualmente, o gerenciamento eficiente de recursos de rádio é um problema desafiador nas WLANs, especialmente em ambiente de alta densidade onde não é possível evitar a sobreposição de BSS (Basic Service Set). Quando a área de cobertura de um BSS de mesmo canal sobrepõe-se a outro é denominado OBSS (Overlaping BSS ). Existem diversas análises com OBSSs que concluem que o grau de sobreposição e o número de OBSSs degradam muito o desempenho da rede (LEI; RHEE, 2015; STELTER, 2014; ZHENG; HOANG, 2009; MANGOLD, 2002).

Dentro do contexto de comunicação sem fio de TR, três pontos relevantes devem ser considerados:

• o meio físico se torna um ambiente de comunicação aberto, ou seja, qualquer estação alheia pode tentar acessar o meio de comunicação a qualquer instante para estabelecer seu próprio canal de comunicação;

• o ambiente de comunicação é altamente suscetível a interferências, seja por sistemas que utilizam a mesma tecnologia e canal de comunicação (OBSS) ou por uso de diferentes tecnologias e mesma frequência de comunicação;

• a infraestrutura de comunicação TR é compartilhada com tráfego NTR, sendo de estações controladas ou não, aumentando as características não-determinísticas no acesso ao meio.

(27)

1.4. Objetivos 25

Consequentemente, soluções que garantem comunicação TR através de um controle restrito de cada dispositivo de comunicação são dificilmente aplicáveis em comunicação sem fio.

A principal questão de pesquisa abordada nesta dissertação pode ser assim resumida:

A arquitetura RT-WiFi, proposta por COSTA et al. (2018), é factível de implementação e provê garantias de comunicação de TR quando há um conjunto de estações operando em um OBSS?

1.4 Objetivos

O objetivo geral desse trabalho é demonstrar a factibilidade de implementação e a eficiência do protocolo RT-WiFi, comparando-o com o mecanismo EDCA presente no padrão IEEE 802.11.

Os objetivos específicos são:

• Apresentar estado da arte sobre QoS em redes WiFi;

• Definir quais equipamentos terão suporte ao protocolo RT-WiFi; • Definir a topologia que o protocolo será avaliado;

• Definir a arquitetura de implementação do protocolo; • Implementar o protocolo em um ambiente real; • Realizar uma validação experimental do protocolo;

• Publicar um artigo científico sobre o desenvolvimento e validação do protocolo RT-WiFi.

1.5 Interesse Científico, Social e Econômico

Como interesse econômico, a utilização da comunicação sem fio em ambientes industriais vem crescendo com o decorrer tempo, esse fato se deve a sua fácil implantação, manutenção e escalabilidade. Com o objetivo de utilizar estruturas de redes sem fio já presentes, sendo a tecnologia WiFi a mais utilizada, esse trabalho foca na utilização dessa tecnologia para prover suporte a comunicação de TR em ambientes abertos.

O interesse científico desse trabalho se deve a factibilidade de implementação da Arquitetura RT-WiFi e sua avaliação experimental no suporte a comunicação de TR em ambientes abertos. No cunho social, essa tecnologia pode ser aplicada a diversas soluções do dia-a-dia, como saúde, segurança, telecomunicações, transporte e logística.

(28)

1.6 Método de Pesquisa

O método de pesquisa científica aplicado a essa monografia consiste numa pesquisa experimental, o qual consiste no levantamento bibliográfico relevantes ao tema Comunicação

de TR em redes Sem Fio e, em um ambiente controlado, a avaliação experimental do

comportamento dos mecanismos presentes no padrão IEEE 802.11 e da Arquitetura RT-WiFi. Os experimentos relatados neste trabalho foram realizados no Laboratório de Pesquisa em Sistemas Distribuídos (LaPeSD) do Departamento de Informática e Estatística (INE) na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

1.7 Contribuições do Trabalho

A lista de contribuição se dá pelos seguintes itens:

• Uma avaliação experimental do mecanismo EDCA (Enhanced Dsitributed Channel

Access) no suporte a comunicação TR quando compartilhando o meio com outra

rede que utiliza o mecanismo DCF (Distributed Coordination Function);

– Nesse contexto foi publicado um artigo no IEEE Symposium on Computers and Communications (ISCC 2018).

• Implementação do protocolo RT-WiFi em dispositivos físicos e uma análise compa-rativa com o mecanismo EDCA presente no padrão IEEE 802.11.

– Nesse contexto foi submetido um artigo para o 37 Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos (SBRC 2019).

1.8 Organização do trabalho

Neste capítulo são descritas a contextualização do trabalho, os trabalhos relaciona-dos, as motivações para o desenvolvimento do trabalho, os objetivos dessa dissertação e suas contribuições. O restante do documento está organizado na seguinte maneira:

• Capítulo2 - IEEE 802.11: Neste capítulo é apresentado uma explanação sobre os conceitos, mecanismos e evolução do protocolo IEEE 802.11. Conceitos necessários para entendimento da arquitetura RT-WiFi.

• Capítulo3 - Avaliação Experimental dos Mecanismos EDCA e DCF: Uma avaliação experimental comparativa entre os mecanismos EDCA e DCF no suporte a comunicação de TR é apresentada nesse capítulo.

(29)

1.8. Organização do trabalho 27

• Capítulo 4 - Arquitetura RT-WiFi: São apresentadas a estrutura e funciona-mento dos mecanismos presentes no protocolo RT-WiFi.

• Capítulo5 - Avaliação experimental da Arquitetura RT-WiFi: Relata a im-plementação do protocolo RT-WiFi, o ambiente de avaliação e análise dos resultados obtidos durante os experimentos.

• Capítulo 6 - Conclusões: São apresentados neste capítulo uma revisão das moti-vações e objetivos alcançados durante a realização do trabalho, as contribuições e trabalhos futuros.

(30)

(31)

29

2 IEEE 802.11

2.1 Introdução

As normas e padrões utilizados na comunicação de computadores vem sendo atualizada constantemente. O órgão IEEE (Institute of Electrical an Electronics Engineers) é responsável por grande parte das padronizações. Ao longo da história da computação e comunicação de computadores, utilizou-se quase que exclusivamente redes cabeadas, onde o padrão conhecido como Ethernet é a mais popular. Essas redes seguem as normas do padrão IEEE 802.3 (COMMITTEE et al., 2016). Mas com o passar do tempo se popularizou o uso de redes sem fio, conhecidas por WiFi. As redes WiFi seguem as normas especificadas no padrão IEEE 802.11 (COMMITTEE et al., 1999).

Em 1990, o IEEE criou um comitê para definir as normas para as redes locais sem fio, sendo que o primeiro padrão de normas foi aprovada em 1997 e denominada IEEE 802.11 e tinha suporte a taxas de transmissão de 1 e 2 Mbps. Em 1999, as normas IEEE 802.11a e IEEE 802.11b foram aprovadas, possibilitando as redes operarem nas faixas de frequência de 2.4 GHz e 5 GHz, fazendo que as taxas de transmissão atingissem de 11 Mbps a 54 Mbps. Em 2003 foi aprovado a norma IEEE 802.11g que opera na faixa de frequência de 2.4 GHz e pode atingir taxas de transmissão de 54 Mbps.

A fim de prover QoS, a emenda IEEE 802.11e foi aprovada em 2005 (COMMITTEE et al., 2005b). Essa emenda provê mecanismos que garantem uma maior prioridade na transmissão de dados do tipo voz e vídeo. Foi aprovada em 2009 a norma IEEE 802.11n, que tem como objetivo prover altas taxas de transmissão. Podendo operar nas duas faixas de frequências já utilizadas (2.4 GHz e 5 GHz) chegam a uma taxa de transmissão de até 600 Mbps. Por fim, em 2012 foi publicada uma versão revisada do padrão IEEE 802.11, o qual foram incorporadas várias emendas ao padrão, entre elas a emenda IEEE 802.11e.

Este capítulo apresenta os conceitos e funcionamento dos mecanismos presentes no padrão IEEE 802.11, que serão de extrema importância para compreensão do protocolo RT-WiFi explicado no capítulo 4e da validação experimental descrita no capítulo 5.

2.2 Arquitetura

A arquitetura básica de uma rede IEEE 802.11 se caracteriza por um conjunto de estações que pretendem comunicar-se entre si, sendo denominado como BSS (Basic

Service Set). A comunicação ocorre em um ambiente comum, denominado Área de Serviço

(32)

30 Capítulo 2. IEEE 802.11

Nas BSS independentes (Figura1(a)), as estações se comunicam diretamente umas com as outras, desde que estejam dentro do alcance. Normalmente esse tipo de arquitetura consiste em um número pequeno de estações configuradas para um objetivo específico e por um período curto de tempo. Esse tipo de arquitetura é comumente conhecida como

Ad Hoc.

As BSS infraestruturadas (Figura 1(b)) utilizam um AP (Access Point) para interligar as estações. Assim, é necessário que todas estações estejam dentro da cobertura do AP para possibilitar a comunicação. Nessa arquitetura, a comunicação entre duas estações serão em dois passos, primeiro a estação origem transmite uma mensagem para o AP, então o AP irá encaminhar essa mensagem para a estação de destino. Esse tipo de arquitetura é conhecida como Redes Infraestruturadas.

(a) Ad Hoc. (b) Rede Infraestruturada.

Figura 1 – Ambiente de avaliação.

Em uma rede infraestruturada, cada estação deve se associar ao AP no início de sua operação, para que possa obter acesso aos serviços da rede. O processo de associação é iniciado pela estação, sendo o AP responsável por autorizar, ou não, o acesso da estação à rede.

2.3 Mecanismo de Controle de Acesso ao Meio

O controle de acesso ao meio nas redes do padrão IEEE 802.11 é feito utilizando o mecanismo CSMA/CA, que é um protocolo probabilístico onde cada estação que necessite acessar o meio deve seguir os seguintes passos:

(33)

2.3. Mecanismo de Controle de Acesso ao Meio 31

• Se o meio estiver livre, ou seja, nenhuma outra estação está transmitindo, a estação irá começar a transmissão após um determinado intervalo de tempo pré-definido; • Se o meio estiver ocupado, a estação irá adiar sua transmissão para um instante de

tempo pré-definido;

• Uma colisão irá ocorrer quando duas ou mais estações se certificam que o meio está livre e iniciam uma transmissão simultaneamente.

Devido às dificuldades de implementar um mecanismo de detecção de colisões, como o CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) utilizado nas redes Ethernet, as redes sem fio utilizam a confirmação do recebimento das mensagens como indicativo de sucesso da transmissão. Essa mensagem de confirmação é denominada ACK (Acknowledgment). Caso a estação não receba o ACK é considerado que a mensagem não foi recebida pelo destinatário e, portanto, também é um indicativo de ocorrência de uma colisão durante a transmissão do pacote.

A subcamada MAC (Medium Access Control) do padrão IEEE 802.11 introduz duas funções de coordenação diferentes, uma obrigatória denominada DCF e outra opcional denominada PCF (Point Coordination Function). A função DCF fornece um serviço de acesso ao meio com contenção, como descrito posteriormente. A função PCF fornece um serviço de acesso ao meio livre de contenção, ou seja, em um determinado intervalo de tempo uma estação pode acessar o meio sem competir com outras estações, o que é alcançável através de um mecanismo de polling.

2.3.1 DCF - Distributed Coordination Function

Em mais detalhes, a função DCF executa a função denominada backoff procedure antes de iniciar uma transmissão. Quando uma estação necessita transmitir, primeiro ela verifica o meio (carrier sensing), caso o meio esteja livre durante um determinado intervalo de tempo denominado DIFS (Distributed Interframe Space), a transmissão é iniciada. Caso contrário, a transmissão é adiada por um intervalo de tempo aleatório denominado backoff

time. A duração desse intervalo de tempo é um múltiplo de um ST (Slot Time), que por

sua vez é um parâmetro do sistema que depende das características da camada física. A quantidade de ST é um número inteiro que pode variar de zero até o valor determinado por CW (Contention Window), que é inicializado como aCW min. Um contador denominado

backoff counter é utilizado para manter o valor atual do backoff time, sendo que quando

esse contador é zerado, uma nova tentativa de transmissão é iniciada. A cada tentativa de retransmissão, o valor de CW é incrementado (CWantigo× 2 + 1) até atingir o valor

(34)

O método de acesso DFC determina um intervalo de canal livre entre consecutivos

frames, denominados IFS (Interframe Space). Diferentes prioridades utilizam diferentes

valores múltiplos de IFS, como mostra a Figura 2 e são descritos como:

• SIFS (Short Interframe Space) é o IFS mais curto e é utilizado para o ACK e outras mensagens de controle (RTS, CTS etc);

• PIFS (PCF Interframe Space) é utilizado apenas por estações operando com a função PCF;

• DIFS (Distributed Interframe Space) é utilizado por estações operando com DFC para transmitir o pacote de dados e gerenciamento;

• EIFS (Extended Interframe Space) é usado em condições de erro de comunicação.

Meio ocupado

ACK Backoff slots Data frame ACK

Contention Window SIFS PIFS DIFS SIFS SIFS AIFS[i] AIFS[j] Mecanismo EDCA Mecanismo DCF Slot time

Atraso no Acesso Decrementa o contador de Backoff

enquanto o meio estiver livre

Tempo

Figura 2 – Relação dos IFS nos mecanismos EDCA e DFC (Fonte: adaptado deCommittee et al. (1999)).

2.3.2 PCF - Point Coordination Function

O PCF implementa um esquema de pooling centralizado para suportar transmis-sões síncronas de mensagens, no qual um coordenador central denominado PC (Point

Coordinator ) define as regras de pooling. O coordenador central geralmente se encontra no

AP, limitando essa função apenas a redes infraestruturadas. As estações conectadas ao AP só poderão transmitir após receber uma autorização.

(35)

2.3. Mecanismo de Controle de Acesso ao Meio 33

Essa função é utilizada apenas durante uma parte do tempo, sendo assim dividido entre período livre de contenção (CFP - Contention-Free Period) e período com contenção (CP - Contention Period), sendo alternados entre si. O acesso ao meio no momento CFP é controlado pela função PCF e no momento CP é controlado pela função DCF, ou seja, qualquer estação pode iniciar uma transmissão de acordo com as regras do DCF.

O início do CFP se dá pelo envio de uma mensagem de beacon pelo PC. Essa mensagem é transmitida para todas estações (broadcast) e contém o valor da duração máxima do CFP (CFPmax). Todas estações recebem esse beacon e atualizam seus respectivos NAV (Network Allocator Vector ). O objetivo dessa função é bloquear o acesso ao meio para estações que estão utilizando a função DCF.

O mecanismo NAV utiliza o valor do campo duration time dentro do cabeçalho das mensagens IEEE 802.11 para determinar quanto tempo o meio vai ser utilizado por uma estação que esteja transmitindo. Seu valor é decrementado ao longo do tempo e a estação só poderá transmitir quando esse valor atingir zero. Para prevenir interferências, as transmissões efetuadas durante o período CFP são separadas por períodos SIFS ou PIFS (Figura 2), garantindo acesso ao meio antes que as estações que utilizem a função DCF.

O objetivo principal da emenda IEEE 802.11e foi prover o suporte a QoS as comunicações WiFi. Uma função de coordenação denominada HCF (Hybrid Coordination

Function) foi incorporada a subcamada MAC. Essa função escalona o acesso ao canal

alocando TXOPs (Transmission Opportunities) para cada estação. Cada intervalo TXOP é definido por um tempo de início e um período máximo de duração. Dessa maneira, múltiplos frames serão transmitidos com o TXOP obtido, tornando necessário que isso seja alocado em um dos dois mecanismos especificados pelo HCF. Esses mecanismos são EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) e HCCA (HCF Controlled Channel Access), descritos a seguir.

2.3.3 EDCA - Enhanced Distributed Channel Access

O mecanismo EDCA acrescenta serviços de transmissão diferenciados com quatro categorias de acesso (AC), sendo que cada categoria possui um nível de prioridade baseado no padrão IEEE 802.1D (COMMITTEE et al., 1998) de oito categorias e são descritos da seguinte forma:

• Tráfego BK (Background) com prioridades 1 e 2; • Tráfego BE (Best Effort) com prioridades 0 e 3; • Tráfego VI (Video) com prioridades 4 e 5; • Tráfego VO (Voice) com prioridades 6 e 7.

(36)

Sendo que quanto maior o valor, maior a prioridade. Portanto o tráfego VO possui o nível mais elevado de prioridade.

Diferentes níveis de serviços baseados em três independentes mecanismos são fornecidos a cada AC: AIFS (Arbitration Interframe Space), intervalo de tempo do TXOP e tamanho de CW. Para uma estação operando sob EDCA, cada frame irá esperar que o meio permaneça livre durante o intervalo AIFS[AC]. O intervalo AIFS[AC] é obtido pela equação:

AIF S[AC] = AIF SN [AC] × aSlotT ime + aSIF ST ime (2.1)

onde o campo AIFSN[AC] é um número inteiro positivo que deve ser maior ou igual a 2 para todas estações, exceto para AP de QoS (QAPs), no qual esse valor deve ser maior ou igual a 1. Os parâmetros padrões definidos para o mecanismo EDCA são apresentados na Tabela1. Os parâmetros aCWmin e aCWmax dependem das características da camada física (PHY), por exemplo, no padrão IEEE 802.11a PHY os valores de aCWmin e aCWmax são 15 e 1023, respectivamente. A Figura 2 mostra a relação entre múltiplos AIFS nos mecanismos DCF e EDCA, a Figura3ilustra a transmissão de pacotes por várias estações que compartilham o mesmo meio de comunicação e utilizam o mecanismo EDCA.

Tabela 1 – Parâmetros das Categorias de Acesso.

AC CWmin CWmax AIF SN T XOPmaxa/g/n T XOPmaxb

BK aCWmin aCWmax 7 0 0

BE aCWmin aCWmax 3 0 0

VI (aCWmin+ 1)/2 − 1 aCWmin 2 3008µ s 6016µs

VO (aCWmin+ 1)/4 − 1 (aCWmin+ 1)/2 − 1 2 1504µs 3264µs

Data Frame Data Frame Data Frame Data Frame Data Frame ST₁ Backoff Tempo SIFS ACK AIFS ST₂ ST₃ ST₄ ST₅

(37)

2.4. Mecanismo de Controle de Admissão 35

2.3.4 HCCA - HCF Controlled Channel Access

O mecanismo HCCA foi proposto na emenda IEEE 802.11e como uma melhoria da função PCF. Utilizando como base um escalonador Round-Robin que tem como objetivo garantir um tempo de resposta limitado nas estações. Esse mecanismo utiliza um coordenador central denominado HC (Hybrid Coordinator ), que organiza a sequência de transmissões das estações.

Utilizando um mecanismo de especificação de tráfego, o HC permite que as estações solicitem uma TXOP por demanda. Assim, evitando que todas estações obtenham tempos iguais de acesso ao meio. Semelhante ao PC do PCF, o HC envia mensagens de autorização para todas estações na lista de pooling. Mesmo que uma estação não tenha nada a transmitir no momento do pooling, a mesma irá transmitir um quadro nulo para garantir o acesso ao meio do HC. Esse mecanismo também utiliza os tempos SIFS e PIFS para garantir acesso ao meio ao fim da transmissão de um pacote.

Existem dois modos de operação desse mecanismo: um somente contendo CFP e outro intercalando CFP com CP. No primeiro modo apenas estações HCCA têm permissão para transmitir, e no segundo modo, as estações HCCA compartilham o meio com estações EDCA durante o CP.

A principal vantagem do HCCA sobre o PCF é que mesmo no estado CP, mensagens poderão ser enviadas dependendo da necessidade. Como utiliza-se os tempos PIFS para envio das mensagens de pooling, o HC obtém acesso ao meio antes das estações EDCA.

2.4 Mecanismo de Controle de Admissão

O Mecanismo de Controle de Admissão tem como objetivo limitar a quantidade de tráfego admitido por uma classe de serviço, garantindo o nível de QoS na comunicação existente e também uma maior utilização dos recursos disponíveis.

Existem dois mecanismos distintos dentro da função HCF, um para serviços com contenção (EDCA - Seção 2.3.3) e livres de contenção (HCCA - Seção 2.3.4), e ambos permitem ao HC alocar de forma inteligente os recursos disponíveis. Essa função utiliza dados provenientes das estações para melhorar o uso dos recursos disponíveis. O envio dessas informações é realizado utilizando o elemento TSPEC (Traffic Specification) definido na norma IEEE 802.11.

O TSPEC é utilizado para modificar o comportamento do escalonador do HC, para evitar o congestionamento do meio de comunicação e aumentar a QoS das transmissões. Para isso é solicitado ao HC uma reserva de recursos, no qual permita a transmissão de requisitos de QoS da estação para o HC. A utilização desse campo pode ser obrigatório caso o campo Mandatory Admission Control esteja ativado nas mensagens de beacon

(38)

transmitidas pelo HC. Nessa mensagem são adicionados os parâmetros TSPEC da TS (Traffic Stream) que se deseja transmitir.

Diversos parâmetros definem as características QoS de uma TS. Esses parâmetros são utilizados pelo HC para definir um melhor escalonamento para uma TS. Os principais parâmetros TSPEC utilizados a fim de prover QoS são:

• Tamanho Nominal da MSDU (MAC Service Data Unit): tamanho nominal das MSDU de uma TS;

• Tamanho Máximo da MSDU: tamanho máximo das MSDU de uma TS;

• Intervalo Mínimo de Serviço: intervalo mínimo entre dois serviços consecutivos; • Intervalo Máximo de Serviço: intervalo máximo entre dois serviços consecutivos; • Intervalo de Inatividade.

2.4.1 Mecanismo de Controle de Admissão do EDCA

No mecanismo EDCA, o controle de admissão suporta apenas pacotes das cate-gorias de acesso (AC) de voz ou vídeo. Um AP com essas funcionalidades pode exigir a determinadas estações um controle de admissão, indicando através do campo ACM (Access

Control Mandatory), que permanece fixo para toda a rede.

Quando uma estação necessita de uma TS, a mesma solicita uma TXOP, enviando uma requisição ADDTS (Add Traffic Stream) ao AP, contendo seu AC e a política de acesso do EDCA. Quando o AP recebe essa requisição (ADDTS), o mesmo pode aceitá-la ou rejeitá-la. Caso seja aceita, deve ser calculado o Tempo no Meio com base nas informações contidas no TSPEC. Esse valor deve ser enviado junto ao ADDTS.

2.4.2 Mecanismo de Controle de Admissão do HCCA

O mecanismo HCCA foi desenvolvido com a intenção de prover maior QoS para o tráfego transmitido. Para isso, as estações podem enviar ao HC as características e requisitos QoS de uma TS que deseja transmitir. O HC tem a função de aceitá-los, ou não, de forma a definir um escalonamento que cumpra todos os requisitos impostos.

Como o esquema de escalonamento do HCCA se baseia em round-robin, as estações obrigatoriamente têm de transmitir os seguintes parâmetros TSPEC: Taxa Média de Dados,

Tamanho Nominal da MSDU, e Intervalo Máximo de Serviço ou Atraso Limite. Com esses

dados, o HC realiza um processo de verificação das condições solicitadas pela TS, de maneira a alocar esse TS dentro da lista de pooling ou negá-lo.

(39)

2.5. Conclusões 37

2.5 Conclusões

As normas IEEE 802.11 sofreram diversas modificações durante o tempo, sempre buscando evoluir e abranger um maior número de aplicações. Provendo uma tecnologia de baixo custo, fácil implantação, boa performance e qualidade de serviço.

A subcamada MAC pode utilizar quatro diferentes mecanismos para controle de acesso ao meio. Divididos em duas categorias, os mecanismos DCF e EDCA disponibilizam um mecanismo de acesso ao meio baseado em contenção e os mecanismos PCF e HCCA livres de contenção. Apenas os mecanismos EDCA e HCCA provêm um serviço de acesso ao meio com requisitos de QoS.

Mesmo apresentando mecanismos para garantir QoS, o mecanismo EDCA não possui uma avaliação positiva (MANGOLD et al., 2003; MORAES; PORTUGAL; VASQUES,

2006; CENA et al., 2010), não cumprindo os requisitos temporais de comunicação TR, mesmo quanto é utilizado tráfego da mais alta prioridade (VO).

O HCCA possui um maior conjunto de ferramentas para prover QoS para tráfego TR. Porém para isso é necessário trocas prévias de mensagens, além de informações estatísticas incorporadas as mensagens transmitidas, o que pode acarretar em um overhead na comunicação. Existem estudos que demonstram que em algumas situações o HCCA não é capaz de garantir os requisitos temporais de tráfego tempo-real.

Portanto, mesmo com a criação de diferentes mecanismos com objetivo de garantir QoS para comunicação de dados de alta prioridade, a norma IEEE 802.11 não atende por completo os requisitos para obter um nível de QoS adequado para comunicação em ambientes abertos.

Por fim, é importante destacar que, dentro do nosso conhecimento de pesquisa, não há nenhuma implementação real/comercial dos mecanismos PCF e HCCA.

(40)

(41)

39

3 Avaliação Experimental dos mecanismos

EDCA e DCF

Durante o desenvolvimento do trabalho foi realizada uma avaliação experimental comparando os mecanismos EDCA e DCF. Essa avaliação gerou o artigo Experimental

Evaluation of the Coexistence of IEEE 802.11 EDCA and DCF Mechanisms publicado no

evento IEEE Symposium on Computers and Communications (ISCC) de 2018. O conteúdo do estudo realizado para essa avaliação é apresentado neste capítulo.

3.1 Introdução

Considerando a problemática apresentada na Seção1.3, este capítulo tem o objetivo de avaliar a capacidade dos mecanismos EDCA e DCF no suporte a comunicação de TR em ambientes compartilhados.

Como apresentado na Seção 2.3, o padrão IEEE 802.11 utiliza o mecanismo CSMA/CA para gerenciar o acesso ao meio. No entanto, a principal desvantagem desse mecanismo é o seu comportamento não-determinístico devido ao seu algoritmo de resolução de contenção probabilística. Desde a primeira versão do padrão IEEE 802.11, um grande número de artigos e emendas ao padrão IEEE 802.11 vem sendo propostos a fim de garantir QoS e garantia de TR na comunicação em redes sem fio locais (WLAN - Wireless Local

Area Network). Em Malik et al. (2015) é apresentada uma longa revisão no padrão IEEE 802.11 em rede WLAN com suporte aos mecanismos de suporte a QoS.

A principal contribuição apresentada nesse capítulo é uma avaliação experimental do mecanismo EDCA no suporte ao tráfego TR em um ambiente OBSS. Apesar de que nas últimas décadas diversos trabalhos tem publicado avaliações desse mecanismo, em sua maioria não é considerado uma OBSS ou apenas consideram dois grupos de transmissores associados ao mesmo AP, ambos utilizando o mecanismo EDCA. O primeiro grupo enviando dados de TR (mapeado como tráfego de categoria VO (Voice)) e o segundo consistindo em estações transmitindo tráfego também mapeado na categoria VO como outras categorias de acesso. Alguns exemplos relevantes desse tipo de avaliação são Moraes et al. (2010) e Cena et al. (2010). Portanto, quando a comunicação de TR é movida para o domínio de comunicação sem fio, deve ser garantido seu suporte a QoS sob a presença de tráfego alheio gerado por outras redes WiFi. O mecanismo DCF é o mecanismo de acesso ao meio mais adotado atualmente nas redes WiFi.

(42)

40 Capítulo 3. Avaliação Experimental dos mecanismos EDCA e DCF

3.2 Avaliação experimental

Um cenário experimental foi construído considerando um OBSS, onde uma rede TR infraestruturada é sobreposta com uma rede NTR infraestruturada. A rede TR opera baseada na função EDCA e é composta por um conjunto de estações TR que trocam mensagens através de um AP (APT R), como mostrado na Figura 4. A rede NTR opera baseada na função DCF e é composta por um conjunto de estações NTR que também trocam mensagens através de um AP (APN T R). Todas estações estão dispostas dentro do alcance de transmissão umas das outras e não há nenhuma estação móvel ou escondida.

Como apresentado na Figura 4, cada PC representa uma estação TR, denominadas

T R1, T R2, ... T RN. Cada uma delas equipada com o mecanismo EDCA e interface de rede Ethernet. Um esquema semelhante é utilizado para as estações NTR, porém ao invés de utilizar o EDCA é utilizado o DCF. Todos PCs ficaram dispostos a cerca de 2.5m de distância do seu respectivo AP, sendo que o APT R utilizou a versão de kernel do Linux 4.4.89 com modificações nos drivers ath9k e ath9k-htc. Os APs TR e NTR estão conectados com todas suas estações TR e NTR, respectivamente, via Ethernet através de um switch de 24 portas Intelbras SG2404MR com a taxa de transmissão de 1 Gbps. Para prevenir interferências de outras redes ao redor, todos dispositivos foram configurados para utilizar o canal 11 (na banda 2.4GHz) que não estava sendo utilizada na área de cobertura dos experimentos.

Figura 4 – Ambiente da avaliação experimental.

Estações TR transmitem apenas mensagens TR usando a categoria de acesso VO definido pela função EDCA. Estações NTR transmitem pacotes utilizando o conjunto de parâmetros padrão definidos pelo mecanismo DCF.

Todos dispositivos usados na comunicação sem fio cumprem com a emenda IEEE 802.11n, e estão configurados para operar de acordo com o padrão da camada física de

(43)

3.2. Avaliação experimental 41

acordo com a norma IEEE 802.11g, onde a taxa máxima de transmissão é de 54 Mbps e aCW min = 15 e aCW max = 1023. Portanto, os valores padrões para a categoria de acesso VO são aCW min = 3 e aCW max = 7.

3.2.1 Cenário da Validação Experimental

O cenário da avaliação experimental consiste em três estações NTR operando na mesma banda de frequência que cinco estações TR. Os pacotes de dados gerados possuem tamanho constante. O tráfego TR é gerado de tal forma que cada estação gera pacotes com um valor MSP (Message Stream Period) fixo de 50ms, 20ms e 10ms com payload de 45 bytes, o que é equivalente a gerar 20, 50 ou 100 pacotes por segundo respectivamente. Portanto, cada estação TR impõe uma carga constante na rede de 7.2, 18 e 36 Kbps (desconsiderando os cabeçalhos da camada MAC e PHY).

Inicialmente, uma série de experimentos considerando apenas que as estações TR transmitissem, ou seja, sem interferência de outra rede no mesmo canal, foram realizadas para servir como linha de base. Essa linha de base foi utilizada com o propósito de realizar comparações com os demais cenários. Então, três estações NTR, operando com o mecanismo DCF, foram incorporadas à rede. Cada estação NTR transmite cerca de 392 pacotes/segundo ou 196 pacotes/segundo com um payload de 1.4 kbytes. Portanto, esse conjunto de estações ocupam 25% ou 12.5% da carga total na rede.

Um conjunto de limites qualitativos superiores foi usado para avaliar quão bem o mecanismo EDCA é capaz de lidar com o tráfego TR nos cenários descritos. Esses limites incluem:

• um atraso médio de transmissão da mensagem que deve ser menor que o MSP; • a taxa de perda de pacotes deve ser menor que 10%.

Qualquer valor acima desses limites indica que o mecanismo não é capaz de suportar comunicação de TR.

O atraso da comunicação de pacotes é um requisito para transmissão de um pacote, sua medição começa da geração na camada de aplicação até a entrega do pacote na camada de aplicação da estação de destino. Então, sendo tT,i e TR,i os tempos quando o pacote

Mi é gerado pela camada de aplicação no nó de origem e e entregue no nó de destino, respectivamente. O atraso de um pacote Mi recebido com sucesso é definido pela equação:

Di = tR,i − tT ,i (3.1)

É válido ressaltar que os pacotes são enviados diretamente do PC utilizando adaptadores WiFi (Figura 4- Passo 1). Eles são recebidos pelo APT R, que os redirecionam

(44)

para o Switch (Figura 4 - Passo 2) e então voltam via Ethernet para o PC (Figura 4 -Passo 3). Como o mesmo PC tem o papel de transmitir e receber os pacotes, o seu relógio interno é utilizado para verificar a diferença de tempo.

Considerando que a mensagem Mi é descartada toda vez que Di é maior que seu MSP, o que é equivalente a considerar que todas as tarefas tem um deadline menor ou igual ao seus períodos. Assim sendo, a taxa de perda de pacotes, que representa a porcentagem de pacotes que foram perdidos em cada message stream, considera que os pacotes são descartados devido a colisões, interferências e deadlines perdidos.

Cada combinação de carga das redes NTR e TR foi executada 16 vezes. Consi-derando a taxa de perda de pacotes como indicador de avaliação de desempenho, foram descartados os três melhores e três piores casos. Portanto, a análise apresenta 10 repeti-ções dos experimentos. Foram utilizados as ferramentas iPerf1 _{para geração de tráfego,}

tcpdump2 para capturar os pacotes de rede e scripts personalizados para análise de pacotes.

3.2.2 Resultados Obtidos

Os resultados para os parâmetros com valores padrão (aCW min = 3; aCW max = 7; AIF S = 2 e T XOP = 1.504ms) pode ser observado nas Figuras 5e 6, como também na Tabela2. Como pode ser observado, é evidente que o mecanismo EDCA não é capaz de prover um serviço de comunicação de TR quando o meio de comunicação é compartilhado com estações DCF. Essa conclusão se deve ao fato da taxa de perda de pacotes ser muito maior que 10% em qualquer cenário que existe tráfego NTR.

Figura 5 – Taxa de perda de pacotes por carga NTR para cada MSP.

EmMoraes et al. (2010), foram avaliados, em ambientes de simulação, o impacto da seleção diferentes valores para os parâmetros AIF SN , T XOP e CW . Chegou-se a conclusão que configurando corretamente os parâmetros CW é possível melhorar o comportamento da comunicação TR no mecanismo EDCA. Portanto, foi utilizado os 1 _www.iperf.fr

(45)

3.2. Avaliação experimental 43

Figura 6 – Atraso médio por carga NTR para cada MSP.

Tabela 2 – Resultados dos cenários 1 e 2.

Valores padrão dos parâmetros aCWmin= 15, aCWmax= 31

MSP (Estações TR) Carga da rede NTR Taxa de perda de pacotes Atraso médio Taxa de perda de pacotes Atraso médio

50 ms 0 Mbps (0%) 1.34% 0.83 ms 1.48% 1.32 ms 6.75 Mbps (12,5%) 23.56% 6.84 ms 20.34% 6.39 ms 13,5 Mbps (25%) 50.54% 12.68 ms 30.61% 12.61 ms 20 ms 0 Mbps (0%) 0.41% 0.80 ms 0.01% 0.67 ms 6.75 Mbps (12,5%) 38.68% 4.79 ms 35.58% 4.94 ms 13,5 Mbps (25%) 60.28% 5.98 ms 52.97% 6.22 ms 10 ms 0 Mbps (0%) 0.80% 0.78 ms 1.10% 0.70 ms 6.75 Mbps (12,5%) 40.59% 2.76 ms 39.17% 3.35 ms 13,5 Mbps (25%) 75.45% 3.35 ms 65.21% 3.87 ms

valores dos parâmetros que apresentaram os melhores resultados obtidos por simulação em

Moraes et al. (2010), que consistem em: aCW min = 7, aCW max = 31; aCW min = 15;

aCW max = 31. Todos os outros parâmetros EDCA permaneceram com seus valores

padrão (AIF SN = 2 e T XOP = 1.504ms).

Durante a avaliação experimental verificou-se que os resultados dos experimentos quando os valores aCW min e aCW max são 15 e 31, respectivamente, apresentaram um desempenho melhor do que os valores de aCW min = 7 e aCW max = 31. Portanto, foram documentados apenas os resultados para aCW min = 15 e aCW max = 31. Como esperado, a modificação dos parâmetros da janela de contenção não impactou no tráfego TR quando as estações NTR não estão transmitindo. Também pode-se notar que há uma pequena melhora na taxa de perda de pacotes quando modificado os parâmetros da janela de contenção. Contudo, esse experimento demostra que o mecanismo EDCA não é capaz de prover um serviço de comunicação TR adequado operando sobre outra BSS (OBSS) com estações NTR operando com o mecanismo DCF, sendo a taxa de perda de pacotes maior que 20% quando a carga na rede imposta pelas estações externas é menor que 6.5 Mbps. Isso é consequência do efeito de múltiplas colisões que ocorrem entre as diferentes estações.

(46)

3.3 Conclusões

Esse capítulo abordou uma avaliação experimental, realizada durante o desenvolvi-mento do presente trabalho, da coexistência dos mecanismos EDCA e DCF no suporte a tráfego de TR. O cenário de avaliação consistiu em estações TR e NTR compartilhando o mesmo canal de comunicação. Foi avaliado experimentalmente o impacto do tempo de tráfego extremo (gerado pelas estações NTR utilizando o mecanismo DCF) sobre o comportamento da categoria de acesso de maior prioridade (VO), quando essa categoria de acesso é utilizada para transferir tráfego TR (pacotes periódicos de tamanho pequeno).

A avaliação experimental mostrou que a taxa de perda de pacotes na transferência de pacotes de TR é altamente influenciada pela carga na rede imposta pelas estações que utilizavam o mecanismo DCF. Mesmo com uma melhora nessa taxa quando os valores da janela de contenção foram modificados no cenário onde a carga imposta pelas estações NTR é de 25%, conclui-se que o mecanismo EDCA é capaz de garantir os requisitos de tempo de comunicação industrial apenas quando não há estações externas (estações NTR) disputando o mesmo meio de comunicação.

(47)

45

4 Arquitetura RT-WiFi

4.1 Introdução

O RT-WiFi consiste em uma arquitetura de comunicação de TR que, a partir de um conjunto de mecanismos, é capaz de controlar o acesso ao meio das mensagens de TR, admitir novas TS e escalonar as respectivas transmissões. O objetivo dessa arquitetura é fornecer um serviço de comunicação de TR (Soft Real-Time) em redes IEEE 802.11 infraestruturadas operando em ambientes de comunicação abertos, ou seja, ambientes que estejam sujeito a interferências de outras redes IEEE 802.11.

A arquitetura RT-WiFi se baseia no mecanismo EDCA utilizando a topologia de rede infraestruturada. O motivo dessa escolha é que essa topologia permite um melhor controle do algoritmo de escalonamento e controle de admissão, pois com um coordenador central é possível ter a visão total do tráfego transmitido no ambiente de comunicação.

O fluxo das mensagens TR enviadas entre duas estações conectadas ao mesmo AP segue a representação da Figura 7. Onde a mensagem de uma estação é enviada ao AP e então encaminhada para a estação de destino.

uplink

downlink

Figura 7 – Fluxo de mensagens na arquitetura RT-WiFi. (COSTA, 2013)

A arquitetura do protocolo RT-WiFi é dividida em duas camadas como mostra a Figura 8. Sendo que a camada inferior funciona de acordo com o mecanismo TSm (Traffic Separation Mechanism) (MORAES et al., 2010) e a camada superior implementa

as funções da Camada de Coordenação, definida em Costa (2013).

Na camada inferior está situado o Mecanismo de Controle de Acesso ao Meio tendo como principal objetivo aumentar a prioridade de acesso ao meio para tráfego de

(48)

46 Capítulo 4. Arquitetura RT-WiFi

TR nos momentos que ocorram colisões, de maneira a diminuir o comportamento não determinístico gerado pelo mecanismo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with

Collision Avoidance) presente na norma IEEE 802.11. A camada superior é responsável por

garantir a QoS da rede, portanto nela está situada o Mecanismo de Controle de Admissão, que tem como objetivo controlar a admissão de novas TS na rede TR. Essa camada é implementada no AP, pois é a responsável pela gestão da arquitetura RT-WiFi.

Camada superior

Camada inferior

Traffic Separation Mechanism Time Division Multiple Access

Escalonador Gerenciamento Controle de Admissão

Figura 8 – Arquitetura do Protocolo RT-WiFi (COSTA et al., 2012).

4.2 Mecanismo de Controle de Acesso ao Meio

O Mecanismo de Controle de Acesso ao Meio tem como objetivo aumentar a prioridade no acesso ao meio para pacotes TR. Nessa camada se encontra o mecanismo TSm, que por usa vez utiliza o mecanismo FCR (Forcing Collision Resolition) para aumentar a prioridade de acesso ao meio de mensagens TR. Esse mecanismo desativa a função de backoff e utiliza a fila de voz. Dessa maneira, quando ocorrer uma colisão entre uma estação TR com uma ou mais estações NTR, todas estações, exceto a estação TR, irão executar o procedimento de backoff utilizando seus respectivos valores do mecanismo para acesso ao meio.

O TSm é um mecanismo que atribui maior prioridade de acesso ao meio as estações de TR em relação a estações padrão (NTR). Esse mecanismo força a resolução de colisão do mecanismo MAC, alterando os parâmetros AIFS e CW nas estações TR, assim quando ocorrer uma colisão entre uma estação TR e outra(s) estação(ões) NTR, apenas a(s) estação(ões) NTR deve(m) esperar um tempo aleatório para retransmissão. Nas estações NTR esse tempo de espera é definido de acordo com os valores padrão de cada categoria de acesso (VI, VO, BE e BK). Do outro lado, as estações TR sempre irão transmitir com o maior nível de prioridade do modo EDCA, usando o mesmo valor de AIFSN da categoria

(49)

4.3. Camada de Coordenação 47

de voz, mas definindo os valores de CW como zero (aCWmin e aCWmax). Fazendo com que qualquer pacote de uma estação TR seja transmitido antes de qualquer outro pacote de uma estação NTR.

As estações NTR deverão esperar um intervalo referente ao tempo de backoff somado com IFS da mensagem para então iniciar a transmissão. As estações TR transmitem seus pacotes utilizando os valores de IFS iguais ao valores definidos para o AIFS da categoria de voz da função EDCA. Portanto, os valores de IFS utilizados para o tráfego uplink (AIF SupV O) e downlink (AIF SdownV O) são definidos por:

AIF SupV O= aSIF ST ime + 2 × aSlotT ime (4.1)

AIF SdownV O = aSIF ST ime + aSlotT ime (4.2)

Esse mecanismo possui uma limitação, quando duas ou mais estações TR tentarem acesso ao meio no mesmo momento, poderão acontecer múltiplas colisões até que os pacotes sejam descartados após atingir o número máximo de tentativas de retransmissão. Para contornar essa limitação é definida uma camada superior, denominada Camada de

Coordenação, onde essas colisões são evitadas através de um mecanismo TDMA, que separa

as transmissões de cada estação TR em slots independentes.

4.3 Camada de Coordenação

O RT-WiFi define um esquema TDMA (Seção4.3.1) para serializar a transmissão das estações TR, permitindo a coexistência entre várias estações TR operando em um ambiente aberto de comunicação. Consequentemente, isso possibilita o suporte a comuni-cação de TR apenas a uma parcela de estações com QoS habilitado, sem a necessidade de atualizar todos os dispositivos de comunicação, ou seja, não há nenhuma alteração no conjunto de estações NTR.

Durante o período em que o mecanismo de resolução de colisões é executado a comunicação é organizada em rodadas TDMA, cada uma dessas rodadas é denominada como BI (Beacon Interval) e o tamanho de cada ciclo foi definido como CSI. Essas rodadas são iniciadas com um BF (Beacon Frame) gerado pelo AP para sincronizar todas as estações TR, então cada uma das estações de TR (i = 1, 2, ..., np); onde np representa a quantidade total de estações de TR, irá transmitir em seu determinado slot de tempo (Ci), como ilustra a Figura9. Cada slot é definido pelos limites inicial SPi (Start Point) e final EPi (End Point), e deve ter um tamanho suficiente para a transmissão de ambos os fluxos de dados (uplink e downlink), além de possíveis retransmissões que ambos os fluxos possam necessitar para suportar erros de comunicações. Neste contexto, como a

(50)

48 Capítulo 4. Arquitetura RT-WiFi

transmissão do fluxo downlink ocorre imediatamente após a recepção do fluxo uplink, o esquema TDMA é implementado apenas nas estações TR, não sendo necessária a sua implementação no AP. Ao final de cada BI (CSI) é necessário considerar um intervalo para garantir que os fluxos de dados foram transmitidos de forma síncrona (gap).

C₁ C_SI Tempo C₂ C_np C_gap CBF SP₁ SP₂ EP₁ SP₃ EP₂ SP_np EP_np-1 EP_np C_ID

Figura 9 – Intervalo de serviço (COSTA et al., 2010).

A Camada de Coordenação define mais três funções (COSTA et al., 2012), como ilustra a Figura 8. O primeiro mecanismo denominado Escalonador, detalhado na seção

4.4, consiste em um algoritmo de escalonamento não-preemptivo de TR, que é utilizado para garantir os requisitos de tempo e para permitir um gerenciamento dinâmico na alocação de cada fluxo de dados. Para informar a sequência de escalonamento, a Camada de Coordenação insere uma lista de escalonamento no BF. Essa lista contém os limites de tempo para cada fluxo de dados, então após cada estação de TR receber o BF, elas analisarão a sequência de escalonamento para então transmitir em seus determinados intervalos de tempo.

O mecanismo de Gerenciamento (Seção4.6) tem como principal objetivo avaliar os tempos de bloqueio que possam afetar um fluxo de dados inserido no BI, de maneira a otimizar dinamicamente o tamanho de cada fluxo de dados. O Controle de Admissão (Seção4.5) é responsável por obter informações sobre as estações quando as mesmas se conectam ao AP. Quando uma nova estação TR ingressa na rede RT-WiFi é necessário que essa estação envie seus requisitos de tráfego utilizando o campo TSPEC (Transmission

Specifications) para o AP. Após o AP receber as informações necessárias, como tamanho

do MSDU, período de geração e a taxa de transmissão, o mesmo irá computar um novo BI para definir os limites (SP e EP) em que cada estação deverá transmitir.

4.3.1 TDMA - Mecanismo de Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo

O protocolo RT-WiFi tem como objetivo melhorar a comunicação em TR utilizando IEEE 802.11 e utiliza uma técnica muito comum em sistemas de controle e automação, o mecanismo TDMA. Esse mecanismo garante um determinismo na comunicação devido as suas características de funcionamento.