在無線區域網路具雙向流量排程及免競爭媒介存取控制之設計與效能分析

1. 在無線區域網路具雙向流量排程及免競爭媒介存取控制之設計與效能分析在無線區域網路具雙向流量排程及免競爭媒介存取控制之設計與效能分析 國立雲林科技大學 電機研究所 碩在二專班 張智強 921228 Johnny.vector@msa.hinet.net

2. Contention-Free Bidirectional Traffic Scheduling and Medium Access Control for Wireless LANs 一、緒論 二、文獻探討 三、階層式雙向流量排程與免競爭存 取控制 四、系統模擬 五、結論

3. 摘要 • 隨著無線科技的快速進展，無線區域網路環境的建置也日益普及。在未來網際網路將走上有線網路與無線網路整合的趨勢下，無線網路在此將扮演接取網路的角色提供用戶使用網際網路資源。因此原本在網際路上相關的服務品質保證問題在無線網路這個環境中也逐漸被人重視。

4. 研究目的 • 我們希望研究在IEEE802.11b的Infrastructure Network的環境下，如何在由工作站到Access Point間提供一個有效的封包排程演算法，除了避免碰撞的發生，以達到傳輸媒介有效利用的目的外，也同時讓在無線區域網路環境下不同的交通流量間能有公平的頻寬分享，以期能提供一個支援服務品質保證的媒介存取控制架構。

5. IEEE 802.11的網路基本架構 • Adhoc Network • 工作站之間藉由無線媒介在工作站的功率所及區域來收送資訊 • 這些工作站的功率區就形成了一個基本服務區(Basic Service Set:BSS) • 每一個BSS都給予一個且唯一的識別碼(BSS ID) • 具相同的BSS ID的工作站就屬於同一服務區 • 無法進入其他網,所以延展性較小

6. IEEE 802.11的網路基本架構 • Infrastructure Network • 比Adhoc Network多了兩個元件 • Access Point (AP) • 本身就是一個工作站另外還多一些功能 • 利用無線媒介取得資料並將其轉至DS • 從DS取得資料並將其轉至其他工作站 • 其功率所及就成為一個BSS,且有唯一的一個ID

7. IEEE 802.11的網路基本架構 • Distribution System (DS) • 多個AP接上DS,就可以和其它的BSS交換訊息,這些BSS就變成一個較大的service set – 稱之為“延展服務區”(ESS) • 同樣的也有其唯一的一個 ESS ID • 藉由此架構(Infrastructure network),就可以將有線無線做連結. • 利用portal將DS與IEEE 802.x網路相連 • DS可視為有線網路及無線網路間的介面,為WLAN做最大的延展

8. CSMA/CA 媒介存取控制機制 • IEEE 802.11標準中MAC層的基本通訊協定為載波感測多重存取及碰撞避免法(CSMA/CA：Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)。簡單的說，在CSMA/CA的機制下，每個無線工作站有封包要傳送之前必須先監聽無線媒介（Wireless Medium）的狀態，當無線媒介處於閒置(Idle)的狀態下便可以傳輸。若是監聽到無線媒介是處於忙碌(Busy)狀態，則工作站必須延遲(Defer)到無線媒介再度恢復閒置的狀態，並再等待一個隨機退後時間（Random Backoff Time）。 • CSMA/CA設計的主要目的是要在多個工作站競爭使用同一個無線媒介資源時，在碰撞(Collision)最可能發生的情況下降低其發生的機率。

9. 協調功能（Coordination Function） • IEEE802.11的MAC層中提供兩種傳送服務。一種是分散式協調功能 (Distributed Coordination Function, DCF)，另一種是集中式協調功能(Point Coordination Function, PCF)。DCF在Ad Hoc Wireless LAN及Infrastructure Wireless LAN兩種架構下皆可以運作，而且在Ad Hoc Wireless LAN的架構下，DCF是其唯一可以使用的傳輸方式。 • 另一種集中式協調功能（Point Coordination Function, PCF）支援主要用來支援在無線區域網路中傳輸即時性的資料。在PCF中，要有一個特別的工作站擔任網路協調者（Point Coordinator, 簡稱PC）以掌控無線媒介的存取使用權力，通常此PC的功能是由Infrastructure Wireless LAN架構下的Access Point負責，因此PCF只能在Infrastructure Wireless LAN這種架構下運作

10. IEEE 802.11網路中提供服務品質保證的集中式機制 • 在一個Cell-based的無線網路環境下，例如IEEE 802.11 Infrastructure Wireless LAN，因為存在著一個特殊的節點：Access Point，因此Access Point很直覺地以集中式的演算法來負責封包排程的工作。在這種情況下，資料的傳輸可分成兩個方向：Upstream與Downstream。Upstream link的資料傳輸是由工作站傳送到Access Point，而Downstream link是由Access Point傳輸到工作站。

11. Downstream方向的演算法 • 第一類稱為頻道狀態相關封包排程演算法（Channel Ste Dependent Packet Scheduling ，CSDPS） • 第二類為使用理想參考系統（Ideal Reference System）演算法 • 第三類為明確補償（Explicit Compensation）演算法

12. 頻道狀態相關封包排程演算法,CSDPS • 此種方法將無線環境中與位置（Location）與時間（Time）相關的頻道（Channel）狀態考慮進來以改進Downstream方向排程演算法的效率，但CSPDS主要的缺點在於沒有任何機制來保證無線工作站可以享用的頻寬，對於封包的延遲也無法提供任何保證

13. 理想參考系統（Ideal Reference System）演算法 • 此類演算法主要是沿用以往在有線網路架構下的封包排程演算法，且要考慮到無線網路傳輸媒介品質變動大的特性來作修正，因此在Access Point內會同步執行兩個排程演算法，其中一個假設其執行環境是在傳輸媒介錯誤率為零的環境中，作為真正封包排程演算法的參考指標。某些因為無線通道狀況不佳而無法傳輸的工作站，其在真正排程器裡所收到的服務量會小於在參考排程器內收到的服務量 ，反之亦然。Access Point就可以根據這些差異，在適當時機將超收服務量的工作站的傳輸權力轉移給之前收到較少服務量的工作站，以作為補償。此演算法最大的優點在於他可以在不同的無線工作站的Downstream方向達到公平的頻寬分享。缺點在於系統需要同時模擬一個零錯誤環境的封包傳送情況做為參考，對於Access Point的負擔很大，同時也無法對Upstream方向的流量作管理。

14. 明確補償（Explicit Compensation）演算法 • 在這類演算法中，系統會明確定義一個的補償機制，用來讓之前因為無線媒介傳輸狀況不佳而導致無法傳送的工作站得到補償的機會。在Deficit Round Robin的架構下額外定義了一個稱為補償計數器（Compensation Counter）的參數來紀錄每個工作站因無線通道品質不佳所喪失的可傳輸量，用以在下一個回合時給予適當的傳輸量補償，因此可以依照每個工作站分配的頻寬比例而給予補償，也可以處理不同長度的封包。其缺點在於對於可持續處於良好傳輸狀態的工作站，其使用到超過所分配頻寬的量不能有所限制，會造成頻寬分配不公的問題。

15. Upstream方向的演算法 • 在IEEE802.11標準之中，PCF是一種集中式的無線媒介存取控制方式，Point Coordinator會維護一參與能參與PCF運作的工作站列表，其對這些工作站Upstream的資料傳輸是採用最簡單的Round Robin輪詢（Polling）方式。 • 然而這種簡單的輪詢機制有兩個顯而易見的缺點：首先，由於所有工作站是分散的，為了公平，Access Point對所有的工作站不管有無資料需要傳輸都需要作輪詢，當系統中只有部分的工作站有資料要傳輸時，此種輪詢的機制缺乏效率，因為會浪費很多的輪詢封包傳輸在那些沒有資料需要傳送的無線工作站上，造成系統大量的負擔(Overhead）。其次，由於每個工作站在每個回合傳送的封包長度不盡相同，因此站在公平性的角度，此方式無法保證每個相同等級的工作站所收到的服務量是相同的。

16. STRP（Simultaneous Transmit Response Polling） MAC • 其將工作站依狀態分成兩組：Active（持續有資料需要傳輸的狀態）與Idle（目前處於閒置的狀態）。Access Point可以利用同一個輪詢封包同時輪詢處於這兩種不同狀態的工作站，之後兩種工作站以不同的訊號能量分別對Access Point傳送資料封包（由Active工作站傳回）與回應封包（由Idle工作站傳回，用以告知Access Point目前狀態），Access Point利用無線頻道在實體層中的Capture Effect特性，可以同時處理此兩個能量強度不同的訊號，以此來克服原本輪詢缺乏效率的缺點。

17. IEEE 802.11e • IEEE Computer Society亦有IEEE 802.11e Working Group負責制訂在IEEE 802.11無線區域網路環境提供服務品質保證的協定。IEEE 802.11e Working Group的主要目的為加強與管理IEEE 802.11下之服務品質保證，改進目前的DCF與PCF機制，並提供安全與認證機制的強化。 • 由IEEE 802.11e Working Group所在2000年公佈的QoS Baseline Proposal - reversion2中，將現有的DCF與PCF演進為EDCF（Enhanced DCF）與EPCF（Enhanced PCF）

18. IEEE 802.11e • IEEE 802.11e將IEEE 802.11標準的MAC封包格式作了些許的改變，在MAC封包標頭中增加了一個2Bytes的TCID（Traffic Category Identifier）欄位，在TCID的最後三個bit用以表示此封包是屬於那個等級的工作站所傳送的。三個bit共可區分出八個等級。

19. 問題定義 • 在IEEE 802.11 Infrastructure Wireless LAN架構下可以採用DCF或PCF兩種方式之一作為其Medium Access Control的機制。然而目前兩種方法都有其缺點。 • DCF 的缺點:因為CSMA/CA中執行Backoff演算法所產生的閒置時間（Idling time）與多個工作站間的對無線媒介競爭（contention）程度增加而降低 • PCF的缺點:簡單的Round Robin輪詢方式明顯缺乏效率，尚有許多改善的空間

20. 問題定義 • 首先，過去在有線網路或在 IEEE 802.11 Infrastructure Wireless LAN[references封包排程都只考慮單一方向，例如對每條共享的連線（Link）或頻道上其流出（Outgoing）或流入（Incoming）單一方向的封包作排程。然而在IEEE 802.11 Infrastructure Wireless LAN架構下，我們認為排程演算法只考慮單一流向的封包並不完備。

21. 問題定義 • 然而在現實的狀況中，Access Point是此無線區域網路中所有工作站連接Internet的橋樑。無線工作站任何與Internet上的資料傳輸，Access Point都必須牽涉其中。因此我們認為在實際的網路環境下，Access Point需要使用無線媒介的機會比其他的無線工作站大。

22. 雙向無線媒介存取 根據封包傳輸的方向，我們將其分為三類： • 第一類：由外部網路經由Access Point傳向工作站； • 第二類：由工作站傳往Access Point流向外部網路； • 第三類：由某一工作站傳往無線區域網路內的另一個工作站。

23. 階層式雙向無線媒介存取 • 為了提高對無線區域網路中雙向流量的掌控，我們將無線區域網路的Bidirectional Multi-Access Communication Architecture ，更進一步衍伸為Hierarchical Bidirectional Multi-Access Communication Architecture。在這個架構中，我們將無線媒介（Wireless Medium）存取權力進一步分為兩個類別（Class），分別是Downstream Link Class與Upstream Link Class。目的是使無線區域網路之媒介存取控制更具彈性。

24. Hierarchical Bidirectional Multi-Access Scheduling演算法，HMAS 我們希望此架構下封包排程演算法能夠具備兩個特色： • 效率性：相較於有線區域網路，由於無線區域網路的頻寬稀少，我們希望此演算法能盡可能有效利用無線媒介，尤其當系統的負載量很高的時候。因此我們採用集中式的方法，由Access Point來控制無線媒介存取控制，而不採行機率式的方式。藉此來降低因為網路負載高時，機率式CSMA/CA嚴重的競爭程度造成封包之間發生碰撞的機率大幅增加。 • Weighted Fair公平性：對網路管理者而言，整體區域網路中Upstream與Downstream流量能依照管理者所希望的比例來分配。而對於每個工作站間彼此使用無線媒介的機會，能夠根據其權重來分配。

25. Hierarchical Bidirectional Multi-Access Scheduling演算法，HMAS • 管理者對Upstream Link Class與Downstream Link Class可依照其對網路資源使用規劃各配置適當的權重（Weight）；對各個工作站也可以對其Upstream與Downstream兩方向流量分別給予其應有的權重。以整體無線網路資源分配的觀點上，所有無線工作站在Upstream此方向權重的總合應等於Upstream Link Class的權重，而在Downstream此方向權重的總合應等於Downstream Link Class的權重。 • 以網路管理者的角度而言，此Hierarchical Bidirectional Multi-access Communication Architecture提供更豐富的網路管控性：將Upstream與Downstream兩個方向的資料流分開處理，使不同方向的流量在頻寬的使用達到隔離的效果　─　彼此不受對方流量變化的影響（Flow Isolation）。因此基於此架構下來設計排程演算法將更具彈性

26. Hierarchical Bidirectional Multi-Access Scheduling演算法，HMAS 演算法在設計上有下列的幾個特性 • Polling Scheme • Acive Set and Idle Set • Wakeup Timer • Service Amount

27. 階層式雙向演算法，HMAS

28. 參數名稱 • ψDDownstream Link Class的權重 • ψUUpstream Link Class的權重 • ψ1d、ψ2d……ψnd從第一個工作站到第n個工作站在Downstream Link方向的權重 • ψ1u、ψ2u……ψnu從第一個工作站到第n個工作站在Upstream Link方向的權重 • Q1d、Q2d……Qnd在Access Point上，第一個工作站到第n個工作站的Downstream Queue • SAD 紀錄Downstream Link Class所接受服務量的Service Amount • SAU紀錄Upstream Link Class所接受服務量的Service Amount

29. 參數名稱 • SA1d、SA2d……Sand分別紀錄第一個工作站到第n個工作站在Downstream Link方向所接受服務量的Service Amount • SA1u、SA2u……Sanu分別紀錄第一個工作站到第n個工作站在Upstream Link方向所接受服務量的Service Amount • Downstream Active Set所有Downstream Queue不為empty的工作站之集合 • Upstream Active Set任一刻在Upstream方向有可能有封包需要傳輸的工作站之集合 • Downstream Idle Set所有Downstream Queue為empty的工作站之集合 • Upstream Idle Set任一刻在Upstream方向沒有封包需要傳輸的工作站之集合

30. HMAS在Access Point內運作

31. HMAS在Access Point內運作 • Service Amount & Active Set Recorder負責紀錄目前每個無線工作站在兩個流量方向是否需要傳輸的狀態及對無線媒介的使用量， • Service selector根據Service Amount & Active Set Recorder的紀錄來判斷下一個該使用服務的流量方向與無線工作站為何?Service Selector依封包傳輸的結果適時啟動無線工作站的Wakeup Timer，進而對無線工作站的Upstream Active Set及Upstream Service Amount值作更新。 • 而Downstream Active Set的狀態與Downstream Service Amount值則依據每個無線工作站其Downstream Queue的內容作更新。

32. 演算法 • APService()：Access Point選擇在Active_SET中SA值最小的Class中，在該Class中Service Amount值最小的工作站為下一個可以使用無線媒介的工作站，並根據其使用無線媒介傳輸的結果更新該Class與該工作站的Service Amount值. • RemoveFromUpActiveSet(STAi,idletime)：將STAi自Upstream Active Set中移除，啟動STAi的wakeup timer，並設定wakeup timer在idletime時間後倒數到0； • WakeupHandler(STAi)：當STAi的wakeup timer的時間倒數到0時將STAi加入Upstream Active Set中，並根據當時系統Upstream Active_SET的內容設定STAi的SAU值。 • CheckMoreDataField(pkt)：當Access Point收到任何無線工作站在Upstream方向的封包時，檢查該封包控制欄位中的MoreData子欄位，判斷該無線工作站在Upstream方向Backlog的情形，藉此對Upstream Active Set或wakeup timer作適當的處理。 • DownstreamPktArrival(Qid,pkt)：在Access Point上STAi的Downstream Queue有封包進入時，根據當時系統Downstream Active_SET與STAi的Downstream Queue的狀況來設定STAi的SAD值與系統Downstream Active Set； • DownstreamPktDeparture(Qid)：在Access Point上STAi的Downstream Queue前端第一個封包被成功傳送後，將該封包由Downstream Queue前端刪除

33. APservice()流程圖

34. 系統模擬 • 為了印證我們的演算法是否正確，我們使用ns2這個模擬軟體進行模擬測試，以驗證演算法的正確性。

35. 測試HMAS在系統高負載時的效率 • 在HMAS下系統整體的Throughput大約達到1.75Mbps，整體的效率較DCF改善了約6.06%，因為HMAS利用輪詢來給予無線工作站傳輸權力，避免了DCF下競爭造成的無線媒介資源浪費。

36. 測試HMAS在對Upstream與Downstream頻寬分配的效果 • DCF下Upstream與Downstream流量分享無線網路頻寬的情形

37. 測試HMAS在對Upstream與Downstream頻寬分配的效果 • HMAS下Upstream與Downstream流量分享無線網路頻寬的情形

38. 測試HMAS在對Upstream與Downstream頻寬分配的效果 • 在HMAS下，Upstream流量Throughput總和與Downstream流量Throughput總和幾乎以1：1的比例分配整個無線區域網路的頻寬。同時個別的流量之間也能以很公平的方式享用無線網路頻寬。

39. Upstream：Downstream的比例為1：2 HMAS以1：2分配Upstream與Downstream之頻寬

40. Upstream：Downstream的比例為3：1 • HMAS以3：1分配Upstream與Downstream頻寬

41. 測試HMAS在對Upstream與Downstream頻寬分配的效果 • 根據此實驗結果，我們認為HAMS可以達到以Weighted Fair方式分配Upstream與Downstream的效果，網路管理者可以依照各自的管理政策分配Upstream與Downstream的使用比例，使無線區域網路的管理更具管理性。

42. 測試HMAS下無線工作站所得頻寬依其權重分配的效果測試HMAS下無線工作站所得頻寬依其權重分配的效果 Upstream與Downstream總和的Throughput分配亦依照各自的比例

43. 結論 • 我們提出了Hierarchical Bidirectional Multi-Access Architecture，將無線區域網路中的流量依不同的流向作區分，以階層式的方式提供一有彈性的整合性資源共享架構。這樣的觀點在過去的文獻中並沒有看到類似的做法。 • 根據Hierarchical Bidirectional Multi-Access Architecture，我們設計了一稱為Hierarchical Bidirectional Multi-Access Scheduling（HMAS）的封包排程演算法，在實驗的驗證下，HMAS在無線區域網路負載高的情況下，可以更有效率使用無線媒介資源。同時HMAS也順利在不同的流量方向及不同的無線工作站間，達到weighted fair的頻寬分配。因此HMAS的確可以提供網路管理者一個更具彈性及網路管理性的無線媒介存取機制。