Wykorzystanie inżynierii międzywarstwowej do wspomagania routingu w sieciach ad-hoc

Dyskusja rozwiązań inżynierii międzywarstwowej dla sieci ad-hoc

Na podstawie przedstawionego modelu współpracy międzywarstwowej zostało zaproponowanych wiele nowych rozwiązań mających na celu wsparcie QoS w sieciach ad-hoc. Duża część z nich wykorzystuje wspomaganie mechanizmów routingu w celu zagwarantowania odpowiedniej jakości.
Poniżej zostaną przedstawione trzy z nich (CLAE, EETD, CLAODV) oraz dodatkowo zostanie przybliżony mechanizm szybkiego przekazywania pakietów we współpracy z inżynierią międzywarstwową.

Protokół CLAE

Rozwiązanie to bazuje na współpracy pomiędzy protokołem routingu AODV a protokołem dostępu do medium MAC IEEE 802.11e (EDCA) [6]. Głównym zadaniem CLAE jest określenie ścieżki z najmniejszym opóźnieniem. Każda stacja w sieci określa średnie opóźnienie zdefiniowane dla każdej z klas usług z osobna w standardzie 802.11e. Następnie informacja ta jest umieszczana w wiadomościach RREQ i RREP podczas przejścia przez poszczególne węzły trasy. Dzięki takiemu mechanizmowi stacja poszukująca ścieżki może ustalić opóźnienia dla każdej z nich i wybrać tę odpowiadającą jej wymaganiom. Mechanizm EDCA jest w przypadku standardu 802.11e rozszerzeniem DCF umożliwiającym rozróżnienie jakości różnych strumieni datagramów generowanych przez różne aplikacje.

W tym przypadku metryką jest suma średnich opóźnień wnoszonych przez poszczególne stacje na danej trasie. Czas ten liczony jest jako różnica czasów wysłania i odebrania odpowiednich ramek. Pierwszy czas to czas wysłania przez warstwę MAC ramki z warstwy routingu, drugi – to czas odebrania ramki MAC ACK dla wysłanego wcześniej pakietu. Różnica tych czasów określa opóźnienie i zawiera czasy kolejkowania, transmisji i propagacji. Opóźnienie tak określone jest liczone dla wszystkich przesłanych ramek podczas tzw. okresu konfiguracji oznaczanego przez T. Na końcu każdego okresu T stacja uaktualnia wartość średniego opóźnienia dla określonego priorytetu usług. Warto zauważyć, iż wyliczony czas opóźnienia uwzględnia również ewentualne retransmisje. Średnie opóźnienie liczymy ze wzoru iteracyjnego [7]:

Wartość IdleTime określa przedział czasu, kiedy medium transmisyjne jest wolne (stan bezczynności). Wartość sumaryczna opóźnienia dla danej ścieżki liczona jest ze wzoru [7]:

Jest ono liczone od źródła s do celu d. Każdy pakiet RREQ zawiera koszt przebytej ścieżki, a każda stacja dołącza ten koszt wraz ze ścieżka wstecz do swojej tablicy routingu. Zanim zostanie wysłany pakiet RREP ze stacji docelowej należy dołączyć do niego wspomniany wyżej koszt trasy. Dodatkową różnicą w stosunku do klasycznego protokołu AODV jest także fakt, iż w tym wypadku tylko stacja docelowa może odpowiedzieć wiadomością RREP; stacje pośrednie mimo znajomości trasy do celu nie powinny odpowiadać pakietami RREP. Związane jest to z koniecznością otrzymywania w miarę aktualnych informacji o trasach, które w przeciwnym wypadku mogłyby być w znacznej mierze niezgodne z aktualnym
stanem sieci, która podlega dynamicznym zmianom.

Dodatkową funkcją wprowadzoną w CLAE jest sposób selekcji ścieżek otrzymanych za pomocą komunikatów RREP; oczywiście pierwszeństwo ma ta wiadomość RREP, która przyszła najwcześniej i to jej drogą przesyłane są dane; jeśli po jakimś czasie przyjdzie kolejna odpowiedź RREP, mająca mniejsze opóźnienie niż obecnie wykorzystywana trasa, to tablica jest uaktualniana i nowa ścieżka jest wykorzystywana do przesyłu dalszej części danych. Taki sposób podejścia redukuje czas oczekiwania na wysłanie danych nie ograniczając zarazem wsparcia QoS.

Przedstawione w [7] wyniki symulacji dla protokołu CLAE dowodzą znacznej poprawy w czasach opóźnień pakietów dla usług audio-video (wrażliwych na wielkość tego parametru QoS), jak również w przepustowości całej sieci w stosunku do tradycyjnego AODV-EDCA. Ponadto ogólność i prostota implementacji sprawia, iż zaproponowany mechanizm można wbudować w każdy inny protokół reaktywny oraz rozszerzyć istniejącą już koncepcję o dodatkowe parametry QoS, takie jak: pasmo, współczynnik strat, stabilność drogi, poziomy mocy, stan baterii itp.

Implementacja metryki EETD w protokole DSDV

Podobnie jak w poprzednim przykładzie, również i tu wprowadzono nowy typ metryki zwanej EETD (Enhanced Expected Transmission Delay) [8], która ma za zadanie zastąpić tradycyjną opartą na liczbie skoków (Minimum Hops – MH). Metryka tu zastosowana ma na celu wzięcie pod uwagę przepływności łącz składowych w sieci bezprzewodowej. W ogólności używa ona zespołu parametrów pozyskanych z warstw PHY/MAC (pojemność kanału, opóźnienie oraz współczynnik dostarczonych poprawnie pakietów), aby określić
jakość łącza, a następnie podjąć decyzję o routingu.

Standardy IEEE 802.11x pozwalają na automatyczną adaptację szybkości transmisji (dla standardu 802.11g skokowo od 1 do 54 Mbit/s). Znany jest fakt, że im większa szybkość
transmisji, tym mniejszy zasięg i odwrotnie, dlatego ważne jest zagwarantowanie tej adaptacji. W celu jej usprawnienia zaproponowano modyfikację mechanizmu RTS/CTS; teraz wiadomość RTS jest wysyłana na tymczasowo dobranej prędkości transmisji, na tej podstawie (pomiar SNR) odbiornik określa najwyższą dostępną przepływność i umieszcza tę informację w wiadomości zwrotnej CTS. Na podstawie tego mechanizmu można zbudować odpowiednie tablice SNR w stacjach i na ich podstawie podejmować decyzję o wyborze szybkości transmisji. Modyfikacja standardu 802.11 pozwala na zdefiniowanie odpowiedniej metryki, która zapewni wsparcie dla QoS. Określono parametr ETC (Expected Transmission Count) dla danego łącza i liczony według formuły [8]:

Pi,r określa współczynnik strat pakietów dla łącza i na określonej przepływności r. Liczony jest on dzieki temu, że każda stacja wysyła okresowo pakiety sondujące, na szybkości transmisji określonej za pomocą wcześniej wymienionego mechanizmu, do swoich sąsiadów zapisanych w trasach tablicy routingu. Sąsiednie stacje otrzymują te pakiety i wysyłają w odpowiedzi ramki ACK do nadawcy na tej samej przepływności, z jaką odebrały zapytanie. Nadawca ramek sondujących zlicza odpowiedzi ACK i na tej podstawie oblicza wyżej wymieniony współczynnik strat pakietów dla określonego łącza. Kolejno zdefiniowano wartość ETD (Expected Transmission Delay) [8] jako:

Wartość Lpkt oznacza tutaj długość pakietu. Tak zdefiniowany współczynnik ETD preferuje łącza o dużej przepływności i małych stratach. Jednak sama wartość ETD nie wystarczy, aby podjąć ostateczną decyzję o wyborze ścieżki. Metryka trasy składa się bowiem z kombinacji metryk składowych łącz stanowiących daną ścieżkę. Zaproponowano więc dwa
podejścia łączące metryki ETD:
• pierwsze polega na prostym dodaniu wszystkich wartości ETD łącz wchodzących w skład trasy według poniższego wzoru i wybraniu ścieżki z najmniejszą wartością SETD [8]:

Współczynnik ten (z ang. Bottleneck Group ETD) określa tzw. wąskie gardło trasy, które będzie determinowało całkowitą przepływność danej ścieżki. Ta największa suma określa metrykę ścieżki i im mniejsza jest ta wartość tym lepiej (wybieramy więc trasę z najmniejszym BG-ETD).