CRC 2002 Faro, 26-27 de Setembro 2002 Luísa Caeiro Rui Rocha QoS em redes locais sem fios Estado da arte e novas soluções.

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1 CRC 2002 Faro, 26-27 de Setembro 2002 Luísa Caeiro Rui Rocha QoS em redes locais sem fios Estado da arte e novas soluções

2 Introdução QoS em redes locais sem fios (evolução histórica) QoS em redes 802.11 (estado da arte) Novas soluções em 802.11 Mecanismo de quotas Mecanismo de diferenciação por prioridades Aspectos práticos para implementação das soluções Considerações finais Trabalho futuro Sumário

3 Introdução Diminuição dos preços permitiu um crescimento explosivo nas vendas de redes WLAN. Norma 802.11 é a tecnologia WLAN dominante. Aplicações mais exigentes no que se refere a e.g. atraso, jitter, ou garantia de largura de banda mínima Duas questões devem ser consideradas: erros de ligação como concretizar políticas globais de gestão de QoS sem introduzir paralelamente os necessários mecanismos de controlo de QoS ao nível do MAC.

4 QoS em redes locais sem fios Evolução histórica – IEEE802.11 A especificação 802.11 original utiliza um MAC baseado na contenção e como tal não fornece mecanismos que satisfaçam requisitos de QoS. O PCF é introduzido para suportar serviços de tempo real A especificação 802.11e fornece as extensões necessárias ao MAC 802.11 para suporte de QoS.

5 IEEE802.11 Método de acesso básico

6 QoS em redes locais sem fios Evolução histórica – Hiperlan I/II ETSI apresentou a Hiperlan I com um mecanismo de acesso onde existiam 5 níveis de prioridade Na Hiperlan II o acesso é totalmente diferente, baseado em TDD Não existem produtos baseados nestas normas

7 Hiperlan I Controlo no acesso ao meio

8 QoS em redes 802.11 Estado da arte PCF Mecanismos sobre DCF Diminuição do IFS Diminuição do período aleatório de Backoff Black-burst Mecanismos sobre PCF/DCF Effort limited fair (ELF) IEEE802.11e

9 QoS em redes 802.11 PCF Mecanismos de QoS relacionados com o tipo de escalonamento associado à interrogação das estações Desvantagens: não ser correntemente suportado pela maioria das implementações não ser escalável ser limitado no caso de múltiplas BSSs

10 Prioridade no acesso ao meio controlada através do uso de diferentes intervalos entre a transmissão das tramas. Um intervalo mais curto implica que o período de backoff se inicie antes permitindo que uma estação reuna todas as condições necessárias para transmitir antes das outras. Desvantagens: Acesso à alteração do IFS Não garante explicitamente a diferenciação QoS em redes 802.11 Mecanismos sobre DCF – Diminuição do IFS

11 QoS em redes 802.11 Mecanismos sobre DCF – Diminuição do backoff O tempo de backoff é calculado em função do time- slot e do número aleatório entre 0 e CW (varia entre CW min e CW max ). Duas ou mais estações que iniciem o procedimento de backoff ao mesmo tempo mas com diferentes valores de CW min, a estação cujo CW seja menor é a que deverá transmitir primeiro. Desvantagens: Acesso à alteração de CW min e CW max Não garante explicitamente a diferenciação

12 O Black-burst tem como objectivo minimizar o atraso para o tráfego de tempo real Após transmitir um black-burst, a estação escuta o meio para verificar se alguma outra estação enviou um black-burst de maior duração, o que lhe permitirá aceder primeiro ao meio As limitações deste mecanismo são: permite apenas dois níveis de QoS ser sensível à localização das estações QoS em redes 802.11 Mecanismos sobre DCF – Black-burst

13 QoS em redes 802.11 Mecanismos sobre PCF/DCF – Effort limited fair (ELF) Utiliza-se a definição de um factor de potência para encontrar o débito esperado pelo utilizador sujeito a um esforço despendido limitado O tráfego com restrições temporais é considerado no período PCF: O PC ajusta o peso de cada fluxo (no caso de WFQ) em resposta à sua taxa de erros, até um peso máximo definido pelo seu factor de potência

14 QoS em redes 802.11 Mecanismos sobre PCF/DCF – Effort limited fair (ELF) O restante tráfego considerado no período DCF: compensação dos erros feita globalmente através da atribuição de um maior ou menor período DCF de acordo com o factor de potência do agregado. Este mecanismo evidencia dois tipos de problemas: os inerentes à utilização do modo PCF referidos atrás tratar todos os fluxos de dados (no modo DCF) como um único fluxo global, o que apenas compensa a média de erros de todos os fluxos.

15 IEEE802.11e Extensão da norma 802.11 para suportar aplicações com requisitos de QoS Inclui novos mecanismos ao nível do MAC: EDCF e HCF No EDCF, o suporte de QoS é realizado com a introdução de classes de serviço designadas por Traffic Categories (TC)

16 IEEE802.11e Cada classe de serviço combina essencialmente dois parâmetros para fornecer diferenciação: Os valores máximos e mínimos da janela de contenção O valor do intervalo entre tramas A base de funcionamento do HCF está na estação que tem a função de coordenador centralizado (HC) Uma estação pode implementar até oito instâncias com diferentes parâmetros de QoS

17 IEEE802.11e

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19 Novas soluções em 802.11 Mecanismo de quotas O número de transmissões de cada estação é limitado através de uma quota Este limite permite que estações sujeitas a erros e/ou de menor prioridade também possam transmitir O AP atribui quota em função de: número de estações dimensão média das tramas transmitidas dimensão do período de escalonamento

20 Novas soluções em 802.11 Mecanismo de quotas Cada estação deixa de tentar transmitir num dado período de escalonamento quando gasta a sua quota A quota é transferida para o próximo período de escalonamento sempre que não seja gasta Pode gerar situação de overbooking devido à transferência de quota para o próximo período de escalonamento.

21 Novas soluções em 802.11 Mecanismo de quotas Pode haver algum descontrolo sobre as quotas distribuídas em cada momento devido a: estações sujeitas a taxas de erros elevadas estações com baixas taxas de erros às quais foram atribuídas quota mas que não a utilizaram Um escalonador adaptativo pode ultrapassar esta situação

22 Novas soluções em 802.11 Mecanismo de quotas Desvantagens: permite que estações com mensagens para transmitir e com o meio disponível para transmissão, não o possam fazer por falta de quota. Este mecanismo permite diferenciar entre várias classes de serviço mas não atribuir prioridades às mesmas.

23 Novas soluções em 802.11 Mecanismo de diferenciação por prioridades Cada período de escalonamento é dividido em vários períodos de prioridades diferentes Coordenação efectuada através da troca de mensagens de gestão onde consta: a duração dos diversos períodos a quota A troca de mensagens é sincronizada através do mecanismo de gestão de energia.

24 Novas soluções em 802.11 Mecanismo de diferenciação por prioridades Neste caso, uma mensagem de broadcast é sempre enviada após: um DTIM numa rede infraestruturada a janela ATIM numa rede Ad-hoc Usam-se então mensagens de broadcast específicas para envio das informações referentes: à quota à duração dos diversos períodos

25 Novas soluções em 802.11 Mecanismo de diferenciação por prioridades Rede infraestruturada TIM DTIM Mensagens de broadcast AP STA de alta prioridade Intervalo entre beaconsIntervalo entre DTIMs Per.de alta prioridade Per.de baixa prioridade STA em PS

26 Novas soluções em 802.11 Mecanismo de diferenciação por prioridades Rede Ad-hoc ATIM de broadcast Mensagens de broadcast STA de alta prioridade Per.de alta prioridade Per.de baixa prioridade Intervalo entre beacons STA em PS Ack ATIM para STA em PS

27 Novas soluções em 802.11 Aspectos práticos para implementação A nossa rede piloto é constituída por estações com cartas 802.11b com os dois chipsets de utilização mais comum: PrismII da Intersil Wavelan da Lucent Como plataforma de desenvolvimento adoptámos o Sistema Operativo Linux devido: à existência de gestores de dispositivos para as cartas em questão ser um sistema aberto, facilitando assim o desenvolvimento.

28 Novas soluções em 802.11 Aspectos práticos para implementação O AP é uma das estações configurada para operar no modo Host AP. Isto permite: utilizar o mesmo firmware das estações ter um maior controlo sobre a transmissão e recepção das mensagens A concretização assenta: na criação de mensagens de gestão de um tipo especial (QoS) que serão encapsuladas para que no processo de recepção sejam identificadas no tratamento dessas mensagens para permitir: o controlo da entrada das estações nos períodos adequados a gestão da sua quota

29 Novas soluções em 802.11 Aspectos práticos para implementação STA Alta prioridade STA Baixa prioridade AP DTIM ou fim de janela ATIM Fim de período de alta prioridade Beacon * com informação do nível de prioridade ** com informação da duração dos períodos referentes aos diversos tipos de prioridade e das quotas

30 Considerações finais As soluções apresentadas - mecanismo de quotas/diferenciação por prioridades : permitem adicionar alguma qualidade de serviço às redes WLANs 802.11b (com grande base instalada) como forma de suavizar a transição para os cenários 802.11 de próxima geração Envolvem apenas a modificação dos gestores de dispositivos das interfaces 802.11 disponíveis no mercado

31 Considerações finais Considerando os aspectos técnicos pode dizer- se que: não tem as limitações do PCF, uma vez que é aplicado no período de contenção é concretizável no hardware existente (redes 802.11 e 802.11b) prevê a compensação dos erros para além da diferenciação dos serviços

32 Trabalho futuro Conclusão da implementação da funcionalidade de Host AP Realização de testes de desempenho da solução implementada: avaliação do débito utilização média taxa de colisões atraso médio no acesso distribuição de atraso em função da carga) Transposição da solução para uma rede Ad-hoc (IBSS)