автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Разработка методов исследования протокола МАС-уровня беспроводных региональных сетей RadioEthernet

Введение.

1 Обзор беспроводных сетей и методов их исследования. Постановка задачи диссертации.

1.1 Понятие беспроводной широкополосной сети. Классификация беспроводных сетей.

1.2 Семейство протоколов IEEE 802.11.

1.2.1 Уровень управления доступом к среде (МАС-уровень) протокола IEEE 802.11.

1.2.2 Физический (PHY) уровень протокола IEEE 802.

1.3 Принципы построения и особенности беспроводных региональных сетей.

1.4 Обзор методов исследования беспроводных сетей RadioEthernet.

2 Разработка методов сбора и обработки исходных данных для моделирования и анализа беспроводных региональных сетей RadioEthernet.

2.1 Московская городская беспроводная сеть RadioNet.

2.2 Методы сбора и обработки исходных данных.

2.2.1 Метод получения исходных данных.

2.2.2 Способ усреднения статистических данных.

2.2.3 Вычисление интенсивности помех.

2.3 Анализ полученных данных.

3 Оптимизация работы беспроводной региональной сети.

3.1 Постановка задачи оптимизации.

3.2 Метод оптимизации.

3.3 Результаты расчетов.

4 Оценка максимальных возможностей региональных беспроводных сетей.

4.1 Возможные коллизии в беспроводной региональной сети.

4.2 Оценка пропускной способности беспроводной региональной сети в режиме высокой нагрузки.

4.2.1 Метод оценки пропускной способности.

4.2.2 Численные результаты.

4.3 Оценка максимальной производительности беспроводной региональной сети, используемой для доступа в Интернет.

Актуальность темы диссертации.

В последние годы беспроводные сети передачи данных заняли прочные позиции в нашей повседневной жизни. Сфера их применения простирается от обеспечения взаимодействия между бытовыми приборами (например, между телефоном и телефонной гарнитурой, компьютером и монитором и т.д.) до построения сетей передачи данных городского и, даже, регионального масштаба. В механизмах и протоколах беспроводных средств, используемых для построения сетей, должны учитываться особенности конкретных приложений, причем стоимость этих устройств должна быть разумной в рамках области их применения. Построение беспроводных сетей передачи данных регионального масштаба на определенных территориях (например, в удаленных сельских регионах Российской Федерации) является единственным экономически оправданным и самым перспективным решением проблемы так называемого «информационного неравенства». При создании беспроводных сетей передачи данных наибольшее распространение получили устройства на базе технологии RadioEthernet, ориентированной на обеспечение беспроводного доступа к информационным ресурсам. Из-за трудностей, связанных с отсутствием общепринятого стандарта, и как следствие этого, несовместимости между собой оборудования различных производителей, доля использования этих устройств до 1997 г. была незначительна. С появлением в конце 1997 г. первой версии стандарта IEEE 802.11 и окончательным его принятием в 1999 г., началось широкое применение беспроводных технологий при создании как локальных, так и сетей городского и регионального масштаба.

Широкое внедрение беспроводных сетей выдвигает в ряд первоочередных задач разработку методов оптимизации их работы и оценки производительности беспроводных региональных сетей. Проблемам разработки математических моделей сетей передачи данных посвящено значительное количество работ. Среди наиболее известных работ, посвященных этим проблемам, следует отметить работы российских и зарубежных ученых: Г.П. Башарина, П.П. Бочарова, О.М. Брехова, В.А. Васенина, В.М. Вишневского, P.JI. Добрушина, А.Н. Дудина,

B.C. Жданова, H.A. Кузнецова, В.В. Кульбы, Р.А. Минлоса, А.В. Печинкина, В.К. Попкова, В.В. Рыкова, С.Н. Степанова, G. Balbo, S.C. Bruell, L. Fratta, L. Kleinrock, M. Olivetty и др. Среди аналитических работ, посвященных исследованию протокола IEEE802.il и оценке производительности построенных на его базе беспроводных сетей, наиболее значимыми являются работы В.М. Вишневского, А.И. Ляхова, G. Bianchi, F. Cali, М. Conti, Е. Gregory, J. Weinmiller. Особенности региональных беспроводных сетей при оценке их производительности достаточно полно отражены в ряде работ, однако недостатками этих работ является, во-первых, предположение о том, что восходящий трафик в беспроводной сети содержит только TCP-подтверждения, а во-вторых, не учитывается возможное использование механизма RTS/CTS станциями сети, хотя именно этот механизм нацелен на решение основной проблемы региональных беспроводных сетей - проблемы скрытых станций. Таким образом, математический аппарат исследования эффективности и оценки производительности городских и региональных беспроводных сетей передачи данных, базирующихся на протоколе IEEE802.il, является недостаточным для получения адекватных оценок показателей производительности и оптимизации работы сети. Кроме того, остается открытым вопрос о получении достоверных исходных данных для моделирования беспроводных региональных сетей.

В связи с этим, целью диссертационной работы является разработка комплекса методов измерения, анализа и аналитического моделирования региональных беспроводных сетей на базе протокола IEEE 802.11 для оценки их производительности и оптимизации их функционирования.

Методы исследования.

Для достижения поставленной цели, в диссертационной работе используются методы теории вероятности, математической статистики, вычислительной математики и имитационного моделирования.

Научная новизна работы.

- разработаны методы сбора и обработки исходных данных для моделирования и анализа беспроводных региональных сетей RadioEthernet;

- получены исходные данные для моделирования беспроводных региональных сетей RadioEthernet, отражающие характер реального Интернет-трафика;

- разработаны методы оптимизации работы беспроводных соединений:

- проведено исследование эффективности и оптимизация механизма фрагментации пакетов;

- разработан алгоритм выбора оптимального порога фрагментации и переключения скоростей передачи;

- впервые разработаны аналитические модели региональных беспроводных сетей, функционирующих на базе протокола IEEE 802.11, позволяющие оценить их максимальные возможности как в режиме высокой нагрузки, так и в режиме обеспечения доступа в Интернет пользователям этих сетей, учитывающие возможности применения станциями сети не только механизма базового доступа, но и механизма RTS/CTS;

- на основе разработанных аналитических моделей проанализирована эффективность работы региональных беспроводных сетей.

Практическая ценность и реализация результатов.

Результаты работы внедрены и используются на практике, что подтверждено соответствующими актами. В соответствии с разработанным алгоритмом выбора оптимального порога фрагментации и переключения скоростей разработана и реализована система мониторинга и автоматической подстройки параметров работы беспроводной региональной сети, работающей на базе протокола IEEE 802.11. Эта система внедрена в таких крупных беспроводных сетях, как сеть RadioNet ИППИ РАН и сеть ЗАО «НТЦ ФИОРД».

Результаты оценки максимальных возможностей беспроводных региональных сетей позволяют равномерно распределять нагрузку на радиосоты с учетом требований абонентов сетей, что использовалось при разработке, реализации и эксплуатации беспроводных сетей, перечисленных выше, а также корпоративной сети ОАО «Якутскэнерго» в г. Якутске и опорной беспроводной сети г. Обнинск.

Также теоретические и практические результаты работы в настоящее время широко используются при разработке протокола централизованного опроса и проектировании серии радиомодемных средств «Рапира» ИППИ РАН.

Апробация результатов работы:

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:

- Международной конференции «Информационные сети, системы и технологии» (ICINASTe-2001, Минск);

- Международной конференции по информационным сетям, системам и технологиям (МКИССиТ-2002, Санкт-Петербург);

- Международном семинаре «Распределенные компьютерные и телекоммуникационные сети. Теория и приложения» (DCCN-2003, Москва);

- Международном семинаре «Информационные сети, системы и технологии» (ИССиТ-2005, Москва);

- Семинарах ИППИ РАН.

Основные публикации по теме диссертации.

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ (из них 3 статьи в ведущих научных журналах - [2],[11],[12]; 5 - тезисы докладов на ведущих международных конференциях - [3], [8], [9], [13], [14]). Все работы выполнены в неразделимом соавторстве. Наиболее значимыми работами являются [8], [12] и [14].

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 47 наименований, и приложения. Работа изложена на 103 страницах и содержит 34 рисунка и 4 таблицы.

8) Выводы, сделанные на основе анализа эффективности работы беспроводных региональных сетей RadioEthernet, широко используются при разработке и построении таких сетей рядом организаций -частотных операторов диапазона 2,4ГГц, что подтверждено соответствующим актами о внедрении.

Все результаты данной диссертационной работы доказали свою теоретическую и практическую ценность при разработке, реализации и эксплуатации беспроводных региональных сетей RadioEthernet на территории Российской Федерации.

Заключение

В данной работе разработан комплекс методов измерения, анализа и аналитического моделирования региональных беспроводных сетей на базе протокола IEEE802.il для оценки их производительности и оптимизации их функционирования. В частности:

1) Сформулированы принципы построения и особенности региональных беспроводных сетей RadioEthernet, функционирующих на базе протокола IEEE802.il.

2) Разработаны и реализованы методы сбора и обработки статистических данных беспроводных региональных сетей. Получены исходные данные для моделирования беспроводных региональных сетей RadioEthernet.

3) Предложены методы аналитического моделирования беспроводных региональных сетей, позволяющие адаптировать параметры их работы к условиям среды передачи на основе оптимизации механизмов фрагментации пакетов и переключения скоростей передачи данных в канале протокола IEEE 802.11.

4) На основе предложенных методов, разработан алгоритм выбора оптимального порога фрагментации и переключения скоростей в беспроводной региональной сети RadioEthernet.

5) В соответствии с разработанным алгоритмом выбора оптимального порога фрагментации и переключения скоростей разработана и реализована система мониторинга и автоматической подстройки параметров работы беспроводной региональной сети RadioEthernet.

6) Разработаны аналитические модели беспроводных региональных сетей RadioEthernet, позволяющие оценить их максимальные возможности как в режиме высокой нагрузки, так и в режиме обеспечения доступа в Интернет пользователям этих сетей с учетом возможности применения станциями сети механизмов базового доступа и RTS/CTS.

7) На основе разработанных аналитических моделей проанализированы зависимости эффективности работы беспроводных региональных сетей RadioEthernet от условий среды передачи (интенсивности электромагнитных помех) и от общего числа станций, работающих в одной радиосоте беспроводной сети.

1. Вишневский В.М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей Я М.: Техносфера, 2003. -512с.

2. Вишневский В.М., Гайкович Г.Ф., Мацнев Д.Н., Терещенко Б.Н., Целикин Ю.В. Беспроводные сети передачи информации для подключения организаций науки и образования к Интернет. // ВКСС connect, 2001, № 6, с. 5-9.

3. Вишневский В.М., Ляхов А.И. Оценка производительности беспроводной сети в условиях помех // Автоматика и телемеханика, 2000, № 12, с. 87-103.

4. Вишневский В.М., Ляхов А.И. Оценка пропускной способности локальной беспроводной сети при высокой нагрузке и помехах // Автоматика и телемеханика, 2001, № 8, с. 81-96.

5. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Гузаков Н.Н. Оценка максимальной производительности беспроводного доступа в Интернет // Автоматика и телемеханика, 200, № 9, с. 52-70.

6. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Мацнев Д.Н. Оценка максимальных возможностей беспроводной региональной сети для доступа в Интернет. //

7. Труды V Международного Семинара «Информационные сети, системы и технологии» (ИССиТ-2005), Москва, 26-27 октября 2004, с. 26-32.

8. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Мацнев Д.Н., Терещенко Б.Н., Целикин Ю.В. Сеть Radionet: опыт разработки и реализации. // Труды VII межд. конф. «Информационные сети, системы и технологии» (ICINASTe-2001), Минск, 2001, т. 2, с. 135-139.

9. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Терещенко Б.Н. Моделирование беспроводных сетей с децентрализованным управлением // Автоматика и телемеханика, 1999, № 6, с. 88-99.

10. Ляхов А.И., Мацнев Д.Н. Исследование функционирования городской беспроводной сети передачи данных // Электросвязь, 2003, № 6, с. 40-43.

11. Ляхов А.И., Мацнев Д.Н., Якимов М.Ю. Адаптация протокола IEEE 802.11 к среде передачи. // Труды международного семинара «Распределенные компьютерные и телекоммуникационные сети. Теория и приложения (DCCN-2003)». М.: Техносфера, 2003, т. 2, с. 202-210.

12. Семенов Ю.А Протоколы и ресурсы Internet. // М.: Радио и связь, 1996.

13. Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети. : Пер. с англ. // М.: Издательский дом «Вильяме», 2003.

14. Bianchi G. IEEE 802.11 Saturation throughput analysis // IEEE Comm. Lett., 1998, v. 2, p. 318-320.

15. Bianchi G. Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function // IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Mar. 2000, v. 18, no. 3, p. 535-547.

16. Bononi L., Conti M., Donatiello L. Design and Performance Evaluation of Distributed Contention Control (DCC) Mechanism for IEEE 802.11 Wireless Local Area Network // J. Parallel Distrib. Comput, 2000, v. 60, no. 4.

17. Cali F., Conti M., Gregory E. Dynamic tuning of the IEEE 802.11 protocol to achieve a theoretical throughput limit // IEEE/ACM Transactions on Networking, Dec. 2000, v.8, no. 6, p. 785-799.

18. Cali F., Conti M., Gregory E. IEEE 802.11 Wireless LAN: Capacity Analysis and protocol enhancement // Proc. INFOCOM'98, San Francisco, 1998, p. 142149.

19. Case J., Fedor M., Schoffstall M., Davin J. A Simple Network Management Protocol // RFC-1157, May 1990. http://www.faqs.org/rfcs/rfcl 157.html

20. Chhaya H.S., Gupta S. Performance modeling of asynchronous data transfer methods of IEEE 802.11 MAC Protocol // Wireless Networks, Mar. 1997, v. 3, no. 3, p. 217-234.

21. Hadzi-Velkov Z., Gavrilovska L. Performance of the IEEE 802.11 Wireless LANs under Influence of Hidden // IEEE PWCS'99, Feb. 1999, p. 221-225.

22. IEEE 802.11, The working Group for Wireless LANs // http://grouper.ieee.org/groups/802/ll/index.html

23. Khurana S. et al. Effect of Hidden Terminals on the Performance of IEEE 802.11 MAC Protocol // IEEE LCN'98, Oct. 1998, p. 12-20.

24. Khurana S. et al. Performance Evaluation of Distributed Co-Ordination Function for IEEE 802.11Wireless LAN Protocol in Presence of Mobile and Hidden Terminals // IEEE MASCOTS'99, Oct. 1999, p. 40-47.

25. Leland W.E., Taggu M.S., Willinger W., Wilson D.V. On the Self-similar Nature of Ethernet Traffic (Extended Version) // IEEE/ACM Trans. Networking, 1994. v. 2, no. l,p. 1-15.

26. Lyakhov A.I., Vishnevsky V.M. Packet Fragmentation in Wi-Fi Ad Hoc Networks with Correlated Channel Failures // Proc. 1st IEEE Int. Conf. on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems (MASS 2004), Oct. 24-27, 2004, Fort Lauderdale, Florida, USA.

27. Ng P.C., Liew S.C. Offered Load Control in IEEE802.il Multi-hop Ad-hoc Networks // Proc. 1st IEEE Int. Conf. on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems (MASS 2004), Oct. 24-27,2004, Fort Lauderdale, Florida, USA.

28. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications // ANSI/IEEE Std 802.11,1999 Edition.

29. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. Amendment 4: Further Higher Data Rate in the 2.4 GHz Band // IEEE Std 802.1 lg-2003 (Amendment to IEEE Std 802.11, 1999 Edition).

30. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band // IEEE Std 802.1 la-1999 (Supplement to IEEE Std 802.11,1999 Edition).

31. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band // IEEE Std 802.1 lb-1999 (Supplement to ANSI/IEEE Std 802.11, 1999 Edition).

32. Schriber T.J. Simulation using GPSS // John Wiley & Sons, 1974.

33. Stallings W. SNMP, SNMPv2 and CMIP: The practical Guide to Network-Management Standards // MA: Addison-Wesley Pub. Co., 1993.

34. Vishnevsky V.M., Lyakhov A.I. IEEE 802.11 Wireless LAN: Saturation Throughput Analysis with Seizing Effect Consideration // Cluster Computing, Apr. 2002. v. 5, no. 2, p. 133-144.

35. Vishnevsky V.M., Lyakhov A.I. Estimation of Maximal TCP/IP Traffic Rate over 802.11 Network with Hidden Stations // Межд. семинар «Applied stochastic models and information processes», Петрозаводск, 8-13 сентября 2002, с. 156-158.

36. Weinmiller J., Schlager M., Festag A., Wolisz A. Performance Study of Access Control in Wireless LANs IEEE 802.11 DFWMAC and ETSI RES 10 HIPERLAN // Mobile Networks and Applications, 1997, v. 2, no. 1, p. 55-76.

37. Wireless Local Area Networks: The New Wireless Revolution. Edited by B. Bing // Wiley-Interscience, A John Wiley & Sons Inc., 2002.

38. Zorzi M., Rao R.R. On the Statistics of the Block Errors in bursty channels // IEEE Trans. On Communications, 1997, v. 45, no. 6, p. 660-667.

39. РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

40. Мацнев Д.Н. непосредственно участвовал в испытаниях новейших беспроводных устройств, проводимых ИППИ РАН, включая устройства, функционирующие на базе первой версии протокола IEEE 802.16.

41. РАО "ЕЭС России" Открытое акционерное общество Акционерная компания "Якутскэнерго"

42. Исполнительный директор одтономной некоммерческой организации £|Э|нинская компьютерная сеть Збааования и науки", к.т.н.1. Воробьев В.М.1. ЗАО "НТЦ ФИОРД"иuopg

43. El 119019, г.Москва, Староваганьковский пер., д. 15, офис 17-* 203-5319. 202-2517- -! 203-5319-в info@fiord.ru1. АКТ1. Ш Попов И.Г.ор

44. Рабочая комиссия, назначенная ЗАО «НТЦ ФИОРД» приказом от 23.08.2004г. №5 в составе: Председателя комиссии, Начальника отдела ЗАО «НТЦ ФИОРД» Амелькина А.А. Членов комиссии: Специалистов ЗАО «НТЦ ФИОРД» - Павлова А.И. и Филатова С.Ю.