Моделирование беспроводной локальной сети в условиях высокой нагрузки

Эфир — и, соответственно, радиоканал — в качестве среды передачи существует лишь в единственном экземпляре и ведет себя так же, как раньше концентратор в сети Ethernet: при попытке передачи данных несколькими сторонами одновременно сигналы мешают друг другу. Поэтому стандартами WLAN предусматривается, что перед передачей станция проверяет, свободна ли среда. Однако это отнюдь не исключает ситуацию, когда две станции одновременно идентифицируют среду как свободную и начинают передачу. В «разделяемом» Ethernet соответствующий эффект называется коллизией.

В проводной сети отправители могут распознать коллизии уже в процессе передачи, прервать ее и повторить попытку после случайного интервала времени. Однако в радиосети таких мер недостаточно. Поэтому 802.11 вводит «пакет подтверждения» (ACK), который получатель передает обратно отправителю; на эту процедуру отводится дополнительное время ожидания. Если сложить все предусмотренные протоколом периоды ожидания — короткие межкадровые интервалы (Short Inter Frame Space, SIFS) и распределенные межкадровые интервалы функции распределенной координации (Distributed Coordination Function Inter Frame Space, DIFS) для беспроводной сети стандарта 802.11а, то накладные расходы составляют 50 мкс на пакет (см. Рис. 1).

Рисунок 1. Если станция WLAN собирается начать передачу и находит среду занятой, то ей придется подождать некоторое время. Доступ к среде регулируется при помощи «межкадровых интервалов» разной длины (DIFS и SIFS).

Помимо этого, при вычислении издержек следует учесть, что каждый пакет данных содержит не только полезные данные, но и необходимые заголовки для многих протокольных уровней (см. Рисунок 2). В случае пакета длиной 1500 байт, передаваемого по стандарту 802.11 со скоростью 54 Мбит/с, появляются «лишние» 64 байт с издержками в 20 мкс. Пакет АСК обрабатывается физическим уровнем так же, как и пакет данных, в нем отсутствуют лишь части от порядкового номера до контрольной суммы. Вдобавок заголовок укорочен, поэтому для пакета АСК необходимо всего 24 мкс.

Рисунок 2. В пакете данных WLAN полезные данные обрамляют преамбула, заголовок и контрольная сумма. Эта служебная информация является причиной того, что номинальная скорость передачи данных существенно отличается от фактической.

В общей сложности передача 1500 байт полезной нагрузки со скоростью 54 Мбит/с занимает 325 мкс, поэтому фактическая скорость передачи составляет 37 Мбит/с.

С учетом издержек на ТСР/IP (еще 40 байт на пакет, пакеты подтверждения TCP) и повторов из-за сбоев в передаче достигаемая на практике скорость будет равна 25 Мбит/с — такое же соотношение значений номинальной/фактической скоростей получается и при использовании 802.11b (от 5 до 6 при 11 Мбит/с).

Для 802.11g, наследника 11b, принцип работы которого мало чем отличается от 802.11а, требование обратной совместимости с IEEE 802.11b может привести к тому, что скорость передачи окажется еще меньше. Проблема возникает, когда в диалог двух станций 11g может вмешаться карта 802.11b: последняя не способна распознать, что среда в данный момент занята, поскольку в 802.11g используется отличный от 11b метод модуляции.

Во избежание коллизий станции 11g (при наличии аппаратного обеспечения 11b) отправляют перед своим пакетом 11g совместимый с 11b управляющий пакет разрешения на отправку (Clear To Send, CTS), при помощи которого и резервируется на определенное время среду передачи. Однако дополнительный пакет CTS имеет почти такую же длину, как и пакет данных, вследствие чего скорость снижается до 15 Мбит/с. Издержки возникают преимущественно тогда, когда на одном канале работает аппаратное обеспечение, поддерживающее сразу два стандарта — 11b и 11g. По этой причине старая базовая станция 11b у соседа способна тормозить перекрывающуюся с ней сеть 11g, даже если в той применяется исключительно аппаратное обеспечение стандарта 802.11g. Хотя многие g-карты могут работать в так называемом «режиме только g», когда допускается отключение отправки пакетов CTS, прибегать к нему не рекомендуется, поскольку велика вероятность того, что потери данных вследствие коллизии приведут к большему снижению пропускной способности, чем стандартная процедура.

Как уже написано выше, стандарт 802.11 предусматривал работу на скоростях 1, 2 Мбит/с. Соответственно и вся служебная информация передавалась на этих скоростях. И именно на этих скоростях передающие станции сообщали другим станциям, что с момента времени X до момента времени Y станция занимает радиоэфир и будет передавать свои данные. Другие станции в это время молчат, чтобы не создавать помехи станции, занявшей эфир.

Прежде чем начать подробно рассказывать, оговорюсь, что стандарт 802.11b предусматривал совместную работу со стандартом 802.11 и учитывал, что для того, чтобы рядом работающее устройство стандарта 802.11 поняло его намерение передавать данные с момента времени X до момента времени Y, 802.11b устройство должно дать в эфир служебные данные, которые были бы понятны устройству 802.11 - это значило, что устройство 802.11b вынуждено передавать служебные данные со скоростью 1 или 2 Мбит/с. В противном случае, рядом работающее устройство 802.11 стало бы считать, что рядом нет никакого 802.11b и приняло бы решение о передаче своих данных.

Пример процедуры отправки одного кадра в стандарте 802.11b отображён на рисунке:

Пояснение к рисунку:
На рисунке наглядно отображена передача ряда предварительных служебных пакетов, а также пакетов подтверждения получения информационного пакета.
Базовый алгоритм соединения для передачи данных содержит два действия: передачу кадра данных от источника и передачу подтверждения приёма (ACKnowledge, ACK) от получателя источнику сообщения. Для повышения надёжности передачи данных имеется алгоритм с обменом четырьмя кадрами. Здесь AC-источник передаёт кадр запроса передачи (Request to Send, RTS) и тем самым оповещает все АС в зоне радио-видимости о том, что происходит обмен информацией. Все станции, принявшие кадр RTS, воздерживаются от передачи для исключения конфликтов. AC-получатель отвечает AC-источнику кадром готовности к приёму (Clear to Send, CTS). После приёма кадра CTS AC-источник передаёт кадр данных, а AC-получатель после приёма кадра данных передаёт кадр подтверждения приёма (ACK)
[конец пояснения к рисунку:)]
Для того, чтобы отобразить реальную пропускную способность сети стандарта 802.11b подробно рассмотрим временную диаграмму доступа к среде с использованием режима передачи DCF (Distributed coordination function).

Что мы видим на этом рисунке:
После того, как среда освободилась, станция STA1 ждёт интервал DIFS (DCF inter-frame space) и включает таймер отката. Таймер отсчитывает случайное число, выбранное в пределах окна состязания CW (contention windows) и начинает передачу. Если станция STA2 или STA3 сгенерирует случайное число равное числу STA1 – станции попытаются одновременно начать передачу и создадут коллизию, в результате которой данные всех станций переданы не будут. После того, как значение таймера стало равным нулю, станция STA1 посылает фрейм RTS. Станция STA2, получив пакет от STA1, ждёт интервал SIFS (short interframe space) и посылает фрейм готовности CTS. Приняв CTS, станция STA1 также ждёт интервал SIFS и начинает передачу информации. В итоге STA2 подтверждает приём пакета данных пакетом ACK.
То есть, объяснение попроще:
На картинке, на первой линии, вы видите, что происходит в среде передачи - отображены все данные, которые попали в радиоэфир.
На второй линии видно, то, что передала первая станция STA1
На третьей и четвёртой линии станции STA2 и STA3 соответственно.
В данном случае, станция STA1 пытается передать данные станции STA2. Для этого, она дожидается когда эфир освободится и выждав интервал DIFS (по стандарту все станции обязаны выждать этот интервал) начинает бороться за право передачи (ведь не только STA1 желает передать данные, а передача возможна только по очереди). Получив право передачи STA1 начинает процедуру, отображённую на предидущем рисунке с AC получателем и AC источником: Сперва посылает пакет RTS и сообщает, что готова передать данные. STA2 получатель, получает пакет RTS и отправляет пакет CTS - сообщает о том, что готова принять данные. STA1 передаёт данные и в ответ получает пакет подтверждения от STA2, который говорит, о том, что данные были успешно переданы.
Между всеми кадрами присутствует интервал SIFS - маленькая пауза, для того чтобы один пакет не наложился на другой.

Теперь, когда сложилось представление о передаче данных в сети Wi-Fi, приступаем к чистому математическому расчёту:

Посчитаем, какой объём данных передаётся во время такой процедуры и сколько времени она занимает:
- Пакет готовности передачи RTS. Его длина составляет 20 байт. При битовой скорости 1 Мбит/с длительность пакета готовности передачи, с учётом уровня PHY, равна TRTS=(20*8+192)/1000000=352мкс.
- Пакет готовности приёма CTS. Его длина составляет 14 байт. При битовой скорости 1 Мбит/с длительность пакета готовности приёма, с учётом уровня PHY, равна TCTS=(14*8+192)/1000000=304мкс.
- Пакет подтверждения ACK. Его длина составляет 14 байт. При битовой скорости 1 Мбит/с длительность пакета подтверждения, с учётом уровня PHY, равна TACK=(14*8+192)/1000000=304мкс.
- Пакет данных станции, принимающей видео. Его длительность составляет 1536 байт. При битовой скорости 11 Мбит/с длительность пакета данных станции с учётом уровня PHY TVID=192/1000000+1536*8/11000000=1309мкс.
- Пакет данных станции, принимающей данные. Его длина составляет 1024 байт. При битовой скорости 11Мбит/с длительность пакета данных станции с учётом уровня PHY TDATA=192/1000000+1024*8/11000000=937мкс.
Между всеми пакетам существует промежуток SIFS, длительность которого в стандарте 802.11b TSIFS=10мкс.
При расчёте пропускной способности, будем считать, что данные физического уровня передавались со скоростью 2 Мбит/с, кроме режима работы 1 Мбит/с. Результаты расчёта приведены в табл:
(кликните по картинке, а то ослепните - 130 кило)

Ну вобщем, разделим время на байты получи пропускную способность сети Wi-Fi. Как видим из непредвзятого математического расчёта, пропускная способность сети Wi-Fi не добирается до скорости 7 Мбит/с при этом, нас никто не обманул - данные в самом деле передаются со скоростью 11 Мбит/с, ни больше и не меньше, независимо от того, работает рядом микроволновка или нет.

Рассмотрим беспроводную локальную сеть (БЛС), состоящую из N (при тестировании N=10) статистически однородных станций, работающих в режиме высокой нагрузки, когда ко всем станциям БЛС всегда имеются непустые очереди. Статистическая однородность станций заключается в одинаковом вероятностном распределении длин пакетов, выбираемых каждой станцией из очереди. Расстояния между станциями БЛС малы, поэтому предположим:

1) отсутствие скрытых станций

2) одновременность проявлений помех на всех станциях.

Эти предположения означают, что все станции одинаково «слышат» общий беспроводный канал.

Перед описанием модели заметим, что отсчет отложенного времени каждая станция ведет только при свободном канале: значение счетчика уменьшается на единицу только в том случае, если в течение всего предшествующего слота канал был свободен. При достижении счетчиком нулевого значения станция начинает передачу. Отсчет слотов задержки прекращается, когда канал становится занят, и в следующий раз счетчики задержки уменьшатся только тогда, когда канал окажется свободен в течение или , если последняя передача по каналу была соответственно успешной или неудачной. Рассмотрим слот, следующий непосредственно после интервала DIFS, завершающего успешную передачу от некоторой станции А. В начале этого слота значение счетчика отложенного времени станции А равно b, а счетчики остальных станций остаются на тех же значениях, что и до начала передачи станцией А. Таким образом, этот слот является неконкурентным: в течение него может вести передачу только станция А, если ее отложенное время b оказывает­ся равным 0 (эту ситуацию назвали мгновенным повтором передачи). Соответственно, попытки передачи, выполняемые в результате мгновенного повтора, назовали мгновенно повторяемыми попытками, отличая их от остальных, обычных, попыток. Таким образом, станция А может провести целую серию передач, мгновенно повторяя их, причем ни одна из этих мгновенно повторяемых попыток передачи не испытает коллизии ввиду отсутствия конкуренции со стороны остальных станций. Аналогично в начале слота, следующе­го непосредственно после интервала EIFS, завершающего коллизию нескольких станций, только эти станции могут передавать, мгновенно повторяя свои попытки. В этом заключается Эффект Захвата.

Здесь мы ограничимся учетом мгновенных повторов только после успешной передачи, пренебрегая такими повторами после неудачных попыток. Для этого слегка изменим правило выбора отложенного времени b: после успешной передачи b равновероятно выбирается из множества , а после любой неудачной попытки - из множества , где w –(конкурентное окно) зависит от - (число сделанных попыток передачи текущего пакета) и определяется (4.1).

(4.1)

Таким образом, после неудачной попытки (включая интервал EIFS) всегда следует «пустой» слот, по окончании которого начинается конкурентный слот, когда любая станция может начать передачу.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: