Andrzej Stelter
Politechnika PoznaĔska
Instytut Elektroniki i Telekomunikacji 60-965 PoznaĔ, ul. Piotrowo 3A
Protokoáy wielodostĊpu w sieciach bezprzewodowych - nauczanie przez Internet
Streszczenie: W artykule opisano, powstający w ramach projektu INVOCOM, interaktywny wykáad na temat protokoáów wielodostĊpu w sieciach bezprzewodowych.
1. WSTĉP
Nauczanie przez Internet zyskuje coraz wiĊkszą popularnoĞü. Posiada szereg zalet, z których najwaĪniejsze to: áatwy dostĊp do materiaáów dydaktycznych, moĪliwoĞü dostosowania intensywnoĞci nauki do indywidualnych moĪliwoĞci uczącego siĊ, aktywny udziaá w wykáadzie dziĊki jego interaktywnoĞci. PotrzebĊ rozwijania takiej techniki edukacji zauwaĪono równieĪ w Unii Europejskiej powoáując w ramach programu Leonardo da Vinci projekt INVOCOM (Internet-based vocational training of communication students, engineers and technicians). W ramach projektu INVOCOM, w którym uczestniczy Instytut Elektroniki i Telekomunikacji Politechniki PoznaĔskiej, powstaje szereg wykáadów, które mają umoĪliwiü naukĊ przez Internet wybranych zagadnieĔ z szeroko pojĊtej dziedziny telekomunikacji. Materiaáy dydaktyczne dostĊpne w Internecie bĊdą skáadaáy siĊ z tekstów wykáadów oraz interaktywnych üwiczeĔ, przy pomocy których dokonywana bĊdzie wizualizacja procesów zachodzących w rzeczywistych systemach których dotyczą dane wykáady.
Celem niniejszego artykuáu jest przedstawienie, powstającego w ramach programu INVOCOM, interaktywnego wykáadu na temat protokoáów dostĊpu
do medium transmisyjnego w sieciach
bezprzewodowych.
2. PROTOKÓà DOSTĉPU DO MEDIUM - MAC
Wspóáczesne standardy bezprzewodowych sieci lokalnych definiują dwie najniĪsze warstwy systemu (rys. 1): warstwĊ fizyczną PHY (PHYsical layer) i warstwĊ DLL (Data Link Layer). Protokoáy MAC, które
są przedmiotem omawianego wykáadu, realizowane są w podwarstwie MAC znajdującej siĊ w dolnej czĊĞci warstwy DLL.
Protokóá MAC (Medium Access Control), sterujący dostĊpem do medium transmisyjnego, jest bardzo waĪnym elementem sieci bezprzewodowej. ZnajomoĞü jego funkcjonowania jest podstawowym warunkiem zrozumienia zasad funkcjonowania sieci oraz poznania jej technicznych moĪliwoĞci i ograniczeĔ. Protokóá MAC decyduje o przydziale zasobów kanaáu poszczególnym uĪytkownikom systemu. Jest tym elementem systemu, który ma najwiĊkszy wpáyw na gwarantowanie jakoĞci realizowanym poáączeniom.
3. WYKàAD INTERNETOWY
Wykáad internetowy na temat protokoáów MAC bĊdzie skáadaá siĊ z kilku lekcji, z których kaĪda poĞwiĊcona bĊdzie innemu protokoáowi dostĊpu do kanaáu. Planuje siĊ stworzenie nastĊpujących lekcji:
1. Protokoáy z losowym dostĊpem do kanaáu: a) ALOHA i szczelinowa ALOHA (S-ALOHA), b) protokoáy ze Ğledzeniem noĞnej – CSMA (Carrier
Sense Multiple Access).
2. Protokoáy z rezerwacją: R-ALOHA (Reservation ALOHA).
3. Protokoáy oparte na przepytywaniu (pooling protocols).
4. Protokoáy DCF (Distributed Coordination Function) i PCF (Point Coordination Function) stosowane w sieci IEEE 802.11.
5. Protokóá EDCF (Enhanced DCF) przewidziany do zastosowania w standardzie IEEE 802.11e.
6. Protokóá MAC w sieci HIPERLAN/2.
Powstający kurs bĊdzie interaktywny co oznacza, Īe w kaĪdej lekcji obok przedstawienia wiadomoĞci teoretycznych dostĊpnych w literaturze tematu, znajdzie siĊ moduá programowy umoĪliwiający demonstracjĊ dziaáania omawianego protokoáu. BĊdzie on zrealizowany w postaci apletu napisanego w jĊzyku Java. Aplet ma umoĪliwiaü demonstracjĊ dziaáania sieci dla róĪnych jej konfiguracji – zadawanych przez studenta (róĪnej liczby uĪytkowników, róĪnego natĊĪenia ruchu w sieci, itp.). DziĊki temu moĪna bĊdzie poznaü pracĊ sieci w róĪnych warunkach. W przypadku wybranych protokoáów aplet bĊdzie równieĪ umoĪliwiaá Rys. 1. Miejsce podwarstwy MAC w modelu warstwowym
sieci bezprzewodowych
2003
Poznañskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznañ 11-12 grudnia 2003
przeprowadzenie badaĔ symulacyjnych sieci i wyznaczenie jej podstawowych charakterystyk.
Obok czĊĞci teoretycznej i demonstracyjnej kaĪda lekcja bĊdzie zawieraáa wykaz literatury związanej z omawianym tematem oraz zadania do wykonania przez studenta. Kurs bĊdzie koĔczyá siĊ rozwiązaniem przez studenta testu na podstawie którego bĊdzie moĪliwa ocena stopnia opanowania tematu.
Prace nad opisywanym wykáadem internetowym są we wstĊpnej fazie. Na ukoĔczeniu jest pierwsza lekcja wykáadu na temat protokoáów ALOHA. Jej opisowi poĞwiĊcona jest dalsza czĊĞü niniejszego artykuáu.
4. PROTOKÓà ALOHA
W sieci stosującej protokóá ALOHA uĪytkownicy transmitują zawsze, gdy mają do wysáania pakiet. Pakiety są zabezpieczone kodem detekcyjnym. PoniewaĪ kaĪdy uĪytkownik moĪe rozpocząü transmisjĊ pakietu w dowolnej chwili, to moĪliwe są kolizje (gdy czasy transmisji dwóch lub wiĊcej pakietów naáoĪą siĊ na siebie). Po wysáaniu pakietu uĪytkownik oczekuje przez okreĞlony czas na potwierdzenie z odbiornika, Īe jego pakiet zostaá odebrany poprawnie. JeĪeli nie otrzyma takiego potwierdzenia, wówczas zakáada, Īe pakiet zostaá utracony wskutek kolizji i z opóĨnieniem (wybranym losowo, aby zapobiec powtarzającym siĊ kolizjom) rozpoczyna retransmisjĊ pakietu. Maksymalna sprawnoĞü wykorzystania kanaáu w protokole ALOHA wynosi 18.4 %.
WiĊkszą sprawnoĞü daje protokóá S-ALOHA. OĞ czasu jest w nim podzielona na szczeliny o dáugoĞci odpowiadającej czasowi transmisji pakietu. Wszyscy uĪytkownicy są zsynchronizowani z tymi szczelinami. Gdy dany uĪytkownik ma pakiet do wysáania, wówczas nie transmituje go natychmiast po wygenerowaniu, lecz rozpoczyna transmisjĊ wraz z rozpoczĊciem nastĊpnej szczeliny czasowej. O ile w protokole ALOHA okres czasu, w którym pakiet jest naraĪony na kolizje, wynosi 2*czas transmisji pakietu, to w protokole S-ALOHA zostaá skrócony o poáowĊ, tj. do czasu trwania jednego pakietu (rys. 2). Pozwoliáo to otrzymaü wiĊkszą sprawnoĞü wykorzystania kanaáu. Jej maksymalna wartoĞü jest dwukrotnie wiĊksza niĪ w protokole ALOHA i wynosi 36.8 %.
5. LEKCJA PT. "PROTOKÓà ALOHA"
Lekcja pt. „Protokóá ALOHA” dostĊpna jest w Internecie na stronie www.invocom.et.put.poznan.pl. Lekcja skáada siĊ z oĞmiu stron www. Cztery pierwsze strony zawierają zagadnienia teoretyczne związane z
omawianym protokoáem. Skáadają siĊ na nie: krótkie wprowadzenie na temat protokoáów z dostĊpem losowym, omówienie zasady dziaáania protokoáu ALOHA, rozwaĪania na temat przepáywnoĞci i stabilnoĞci sieci z protokoáem ALOHA oraz na temat wprowadzanego przez taką sieü opóĨnienia. W czasie czytania wykáadu student moĪe w dowolnej chwili przejĞü do strony z apletem na której ma moĪliwoĞü uruchomienia, w nowym oknie, symulacji sieci z protokoáem ALOHA. Po zapoznaniu siĊ z dziaáaniem protokoáu student moĪe powróciü do czĊĞci teoretycznej wykáadu.
Na piątej stronie lekcji przedstawiono przykáad sieci WLAN (HIPERLAN/2), w której stosowany jest protokóá S-ALOHA. Szósta strona zawiera przykáadowe zadania związane z protokoáem ALOHA wraz z rozwiązaniami oraz kilka zadaĔ do wykonania przez studenta. Na siódmej stronie przedstawiono wykaz literatury dotyczącej protokoáu ALOHA. Ósma strona zawiera aplet umoĪliwiający symulacjĊ sieci z protokoáem ALOHA.
Na rysunku 3 przedstawiono widok apletu w czasie symulacji przykáadowej sieci ALOHA.
PracĊ z apletem rozpoczyna siĊ od zdefiniowania uĪytkowników, w prawym górnym oknie zatytuáowanym
Traffic intensity. W systemie moĪe pracowaü
maksymalnie 10 uĪytkowników. Dla kaĪdego wybranego uĪytkownika naleĪy wprowadziü natĊĪenie generowanego przez niego ruchu, z przedziaáu 0y1 Erlang. W dolnej czĊĞci omawianego okna pojawia siĊ informacja o caákowitym ruchu w systemie generowanym przez wszystkich uĪytkowników.
Retransmisja 3 2 1 Retransmisja t 2 3 Retransmisja 3 2 2 & 3 1 Retransmisja t a) b) Kolizja Kolizja
Rys. 2. Mechanizm powstawania kolizji w protokole: a) ALOHA i b) S-ALOHA
KaĪdy uĪytkownik generuje ciąg pakietów tworzących strumieĔ Poissona o intensywnoĞci O pakietów na jednostkĊ czasu. Chwile pojawiania siĊ kolejnych pakietów generowane są z rozkáadem wykáadniczym o wartoĞci Ğredniej 1/O. Wszyscy uĪytkownicy generują pakiety o tej samej dáugoĞci, równej dáugoĞci jednostki czasu w systemie. W rezultacie natĊĪenie ruchu 1 Erlang oznacza,Īe uĪytkownik generuje Ğrednio jeden pakiet na jednostkĊ czasu.
W przedstawionej na rysunku 3 przykáadowej sieci zdefiniowano czterech uĪytkowników, którzy áącznie generują ruch o Ğrednim natĊĪeniu 0.2 Erlanga.
Po wprowadzeniu natĊĪenia ruchu dla wybranego uĪytkownika, na ekranie pojawia siĊ jego bufor. W buforze tym przechowywane są pakiety, które ulegáy kolizji i oczekują na retransmisjĊ. DomyĞlny rozmiar kaĪdego buforu to 10 komórek (w jednej komórce przechowywany jest jeden pakiet). Rozmiar ten moĪna zmieniü. PowyĪej kaĪdego buforu pojawia siĊ informacja o tym za ile jednostek czasu zostanie zakoĔczona transmisja kolejnego pakietu danego uĪytkownika.
PoniĪej buforów uĪytkowników znajduje siĊ oĞ czasu. W trakcie symulacji na osi tej przesuwają siĊ transmitowane pakiety. Pakiety generowane przez kaĪdego uĪytkownika mają inną wysokoĞü, dziĊki czemu są rozróĪnialne nawet wówczas, gdy pakiety pochodzące od róĪnych uĪytkowników nakáadają siĊ na siebie. Nowe
pakiety, transmitowane po raz pierwszy, mają kolor niebieski. Kolizja w kanale sygnalizowana jest przez zmianĊ gruboĞci ramki reprezentującej pakiet. Po wystąpieniu kolizji ramka zmienia siĊ z cienkiej na grubą. Pakiety, które ulegáy kolizji umieszczane są w buforach razem z informacją o czasie ich retransmisji. Retransmitowane pakiety mają kolor czerwony.
Pionowa linia w zerze oznacza bieĪącą chwilĊ czasu. W górnej czĊĞci apletu wyĞwietlane są podstawowe informacje o systemie: liczba uĪytkowników w systemie, aktualny czas systemowy, liczba pakietów wytransmitowanych z powodzeniem, liczba pakietów które ulegáy kolizji oraz liczba pakietów odrzuconych z systemu wskutek przepeánienia buforów. Informacje te uaktualniane są na bieĪąco, po upáywie kaĪdej jednostki czasu systemowego.
W przedstawionym na rysunku 3 przykáadowym systemie od rozpoczĊcia symulacji minĊáo 130 jednostek czasu. W tym czasie wytransmitowano poprawnie 19 pakietów, natomiast 21 pakietów ulegáo kolizji, z czego 7 pakietów nadal oczekuje w buforach na retransmisjĊ. Na osi czasu widaü, Īe trwa retransmisja pakietu pochodzącego od uĪytkownika U1 a do jej zakoĔczenia pozostaáo 0.65 jednostki czasu. Widaü równieĪ, Īe transmisja tego pakietu nie zakoĔczy siĊ powodzeniem, poniewaĪ ulegnie on kolizji z pakietem retransmitowanym przez uĪytkownika U7. Po upáywie 1.29 jednostek czasu rozpocznie siĊ transmisja pakietu przez uĪytkownika U1. Transmisja ta zakoĔczy siĊ powodzeniem. Po upáywie 5.60 jednostek czasu rozpocznie siĊ transmisja pakietu przez uĪytkownika U7, która zakoĔczy siĊ powodzeniem, natomiast za 7.82 jednostek czasu rozpocznie siĊ retransmisja pakietu przez uĪytkownika U7 (na ekranie widaü tylko jego początek).
W dolnej czĊĞci apletu znajdują siĊ przyciski umoĪliwiające pracĊ z prezentowanym systemem. Symulacja systemu moĪe byü uruchomiona w trzech róĪnych trybach. W trybie pracy krokowej, kaĪde wciĞniĊcie przycisku „>” uruchamia symulacjĊ pracy systemu przez jedną jednostkĊ czasu. W trybie pracy ciągáej (uruchamianym przyciskiem „>>”) czas systemowy jest zwiĊkszany o 1 z zadaną czĊstotliwoĞcią. DomyĞlnie odbywa siĊ to co sekundĊ jednak czĊstotliwoĞü tĊ moĪna zmieniü. Trzeci tryb pracy, uruchamiany przyciskiem „>|”, umoĪliwia symulacjĊ systemu przez zadaną liczbĊ jednostek czasu. DomyĞlnie jest to 7 jednostek czasu (przeskok na osi czasu o jedną szerokoĞü ekranu) lecz wartoĞü tĊ moĪna zmieniü. Ustawiając odpowiednio duĪą liczbĊ, np. 100000, moĪna otrzymaü wiarygodne wyniki symulacji.
Przycisk Settings umoĪliwia ustawienie wybranych parametrów symulacji. NaleĪą do nich (rys. 4): rozmiar buforów nadajnika, rozmiar okna opóĨnienia przy retransmisji pakietu, liczba symulowanych jednostek czasu w trybie „>|” oraz czĊstotliwoĞü zwiĊkszania czasu systemowego w trybie pracy ciągáej „>>”.
Aplet umoĪliwia prezentacjĊ wyników symulacji, po wciĞniĊciu przycisku Simulation results. Wyniki te moĪna wyĞwietliü w dowolnym momencie w czasie
symulacji. Prezentowane są wówczas nastĊpujące parametry badanego systemu (rys. 5):
x caákowity ruch w systemie, z podziaáem na nowo generowane pakiety i retransmitowane pakiety.
x przepáywnoĞü systemu,
x Ğrednie opóĨnienie transmitowanych pakietów,
x stopa pakietów odrzuconych z systemu wskutek przepeánienia buforów.
Na rysunku 5 przedstawiono przykáadowe wyniki symulacji wyĞwietlone dla sieci z rysunku 3, po symulacji trwającej 130 jednostek czasu. Z rysunku widaü, Īe ruch wygenerowany przez uĪytkowników (nowo generowane pakiety) jest równy ruchowi zadanemu i wynosi 0.2 Erl. Caákowity ruch oferowany w kanale wynosi 0.31 Erl. RóĪnica wynosząca 0.11 Erl. przypada na retransmitowane pakiety. PrzepáywnoĞü sieci po 130 jednostkach czasu wynosi 0.15, natomiast Ğrednie opóĨnienie pakietu wynosi 6.37 jednostek czasu. PoniewaĪ w czasie symulacji Īaden pakiet nie zostaá odrzucony z systemu (patrz rys. 3) wiĊc stopa pakietów odrzuconych wynosi zero.
W protokoáach w których uĪytkownicy rywalizują o dostĊp do kanaáu a wiĊc równieĪ w protokole ALOHA, bardzo waĪnym zagadnieniem jest stabilnoĞü sieci. Wszystkie tego typu protokoáy, w których zakáada siĊ nieskoĔczoną liczbĊ uĪytkowników dziaáających w sieci są niestabilne. Oznacza to, Īe istnieje pewna krytyczna wartoĞü ruchu oferowanego w systemie po przekroczeniu której przepáywnoĞü systemu zaczyna w niekontrolowany sposób maleü i w krótkim czasie osiąga zero. Sytuacja taka czĊsto ma miejsce nawet wówczas gdy Ğredni oferowany ruch w sieci jest mniejszy niĪ owa wartoĞü graniczna. Wynika to z faktu, Īe natĊĪenie ruchu generowanego przez poszczególnych uĪytkowników ma charakter losowy a co za tym idzie chwilowo moĪe byü duĪo wiĊksze niĪ wartoĞü Ğrednia. W przypadku nieskoĔczonej liczby uĪytkowników, chwilowy wzrost liczby pakietów oczekujących na transmisjĊ nie zmniejsza liczby nowo generowanych pakietów, co powoduje przekroczenie owej krytycznej wartoĞci natĊĪenia oferowanego ruchu i caákowitą blokadĊ sieci. Inaczej wygląda sytuacja w przypadku sieci w której liczba uĪytkowników jest skoĔczona. Sieü taka moĪe byü stabilna lub nie, w zaleĪnoĞci od rozwiązaĔ konstrukcyjnych. Ogólnie mówiąc stabilną pracĊ sieci moĪna zagwarantowaü poprzez odpowiedni dobór rozmiaru buforów nadajnika oraz poprzez dobór wáaĞciwej procedury retransmisji pakietów.
W prezentowanym aplecie zawsze mamy do czynienia ze skoĔczoną liczbą uĪytkowników. W związku z tym symulowana sieü moĪe byü stabilna lub niestabilna. Aplet umoĪliwia symulacjĊ obu wersji sieci. Jest to moĪliwe dziĊki moĪliwoĞci wyboru jednej z trzech konfiguracji sieci ALOHA, róĪniących siĊ sposobem reagowania nadajników na kolizje w kanale. Wyboru dokonuje siĊ po wciĞniĊciu przycisku Settings.
W wersji sieci nazwanej Aloha 1, pakiet który ulegá kolizji w kanale jest umieszczany w buforze nadajnika po czym losowane jest dla niego opóĨnienie po którym odbĊdzie siĊ próba jego ponownej transmisji. Nadajnik
generując to opóĨnienie nie sprawdza czy nie koliduje ono z opóĨnieniami innych pakietów oczekujących na retransmisjĊ w tym samym buforze. W efekcie mogą pojawiaü siĊ kolizje pakietów transmitowanych przez tego samego uĪytkownika. Z praktycznego punktu widzenia takie rozwiązanie nie jest uĪyteczne, natomiast jest najbliĪsze zaáoĪeniu przyjmowanemu w rozwaĪaniach teoretycznych, w których zakáada siĊ nieskoĔczoną liczbĊ uĪytkowników w systemie. KaĪdy nowo generowany pakiet jest caákowicie niezaleĪny od poprzednio wygenerowanych pakietów.
W wersji Aloha 2 sieü róĪni siĊ od Aloha 1 tym, Īe po wygenerowaniu opóĨnienia dla retransmitowanego pakietu nadajnik sprawdza czy opóĨnienie to nie koliduje z opóĨnieniami innych pakietów oczekujących na transmisjĊ w tym samym buforze. JeĪeli istnieje taki konflikt generowane jest nowe opóĨnienie dla retransmitowanego pakietu, z dwukrotnie wiĊkszego przedziaáu. JeĪeli nadal istnieje konflikt procedura losowania jest powtarzana, aĪ do skutku.
Obie opisane wersje sieci (Aloha 1/2) dziaáają tak jak sieü o nieskoĔczonej liczbie uĪytkowników. Liczba kolizji w kanale nie ma Īadnego wpáywu na liczbĊ nowo generowanych pakietów. Obie wersje sieci są wiĊc niestabilne co moĪna zaobserwowaü przy pomocy apletu.
W sieci Aloha 3 nadajnik nie generuje nowego pakietu tak dáugo jak dáugo nie zostanie poprawnie wytransmitowany pakiet, który ulegá kolizji. Zatem uĪytkownik ma zawsze jeden pakiet do wysáania (nowo wygenerowany lub retransmitowany). W tak skonstruowanej sieci wzrost liczby kolizji w kanale powoduje zmniejszenie intensywnoĞci generowania nowych pakietów. W rezultacie mimo wzrostu liczby kolizji, ruch oferowany w kanale jest zawsze taki sam a nie roĞnie lawinowo jak to ma miejsce w sieciach Aloha 1/2. Dlatego sieü typu Aloha 3 jest zawsze stabilna.
Przy pomocy opisywanego apletu student moĪe przeprowadziü bardzo szczegóáowe badania sieci ALOHA, mając caáy czas moĪliwoĞü obserwowania ruchu w sieci. Na podstawie tych obserwacji moĪe wyciągnąü szereg wniosków trudnych do sformuáowania bez analizy ruchu w sieci. MoĪna miĊdzy innymi zaobserwowaü dlaczego sieü ALOHA jest niestabilna i w jaki sposób moĪna uzyskaü stabilnoĞü takiej sieci. Jako przykáad wyników, które moĪna otrzymaü przy pomocy apletu, na rysunku 6 przedstawiono wyznaczony symulacyjnie wykres przepáywnoĞci sieci Aloha 3 w funkcji oferowanego ruchu, natomiast na rysunku 7 przedstawiono wykres Ğredniego opóĨnienia transmitowanych pakietów w funkcji przepáywnoĞci sieci. Wyniki otrzymano dla 10 uĪytkowników pracujących w sieci. Wszyscy uĪytkownicy generowali taki sam ruch. Symulowano 100000 jednostek czasu pracy systemu.
6. PODSUMOWANIE
Interaktywne wykáady oferowane przez Internet mogą stanowiü bardzo przydatny sposób uzupeániania wiedzy w wybranej dziedzinie. Ich podstawowe zalety to áatwy dostĊp do materiaáów dydaktycznych, nauka w dowolnie wybranym czasie, moĪliwoĞü dopasowania intensywnoĞci kursu do indywidualnych moĪliwoĞci studenta, aktywny udziaá w wykáadzie dziĊki jego interaktywnoĞci. Przygotowanie takich wykáadów jest jednak duĪo bardziej pracocháonne niĪ w przypadku tradycyjnych wykáadów. Trudno teĪ na razie powiedzieü, czy w kaĪdym przypadku mogą one stanowiü alternatywĊ dla tradycyjnych wykáadów. Wydaje siĊ, Īe w duĪym stopniu zaleĪy to od tematyki wykáadu a przede wszystkim od indywidualnych preferencji osoby uczącej siĊ.
Rys. 3. Widok apletu w czasie symulacji przykáadowej sieci ALOHA
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00
Ruch oferowany [w Erlangach]
Przep
áywno
Ğü
[w Erlangach]
Rys. 6. PrzepáywnoĞü sieci Aloha 3 w funkcji oferowanego ruchu
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 PrzepáywnoĞü [w Erlangach] ĝ rednie opó Ĩ nienie
[w jednostkach czasu systemowego]
