Aby dodatkowo rozszerzyć możliwości powyżej przedstawionych metryk, łączymy je razem w jedną określaną jako EETD (Enhanced Expected Transmission Delay) stosując pewien zmienny parametr η według poniższej formuły [8]:
Tak określona ostatecznie metryka stanowi pewien kompromis pomiędzy opóźnieniem a przepustowością danej trasy. Współczynnik SETD odzwierciedla w pewien sposób całkowite opóźnienie wnoszone przez ścieżkę, a BG-ETD jej możliwości przepustowe. Stosowany parametr η pozwala uzyskać odpowiednie zrównoważenie wpływu obu wymienionych współczynników na metrykę EETD; wyższa jego wartość wymusza preferencję tras o wysokiej przepływności, podczas gdy niższa tych o mniejszym opóźnieniu. Wybór trasy sprowadza się do wybrania ścieżki o najmniejszej wartości metryki EETD.
Końcowym etapem jest implementacja przedstawionego mechanizmu w którymś z opracowanych do tej pory protokole routingu. W [8] został użyty protokół proaktywny DSDV
z uwagi na to, iż analizie podlegała sieć typu WMN (Wireless Mesh Network) charakteryzująca się dosyć małą mobilnością w stosunku do sieci MANET, gdzie lepszym rozwiązaniem byłoby zastosowanie któregoś z protokołów reaktywnych (AODV). Rozważając DSDV zmierzona metryka powinna być dodana do już funkcjonujących wiadomości routingowych, aby nie zużywać niepotrzebnie dodatkowych zasobów sieci (pasmo). Dodatkowa informacja o metryce jest więc dodawana jako mały narzut do istniejącej tablicy routingu i przesyłana podczas odświeżania (uaktualniania) tablic routingowych
w poszczególnych stacjach. Jeśli stacja otrzyma informację o ścieżce z mniejszą wartością EETD, to zastępuje starszy wpis w swojej tablicy nowym.
Wyniki symulacji pokazują znaczny wzrost wydajności systemu dzięki zastosowaniu nowego rodzaju metryki. Rośnie o ok. 50% współczynnik dostarczenia pakietów oraz maleje opóźnienie (End-to-end) o ok. 2-3 razy w zależności od obciążenia sieci w danym momencie.
Protokół CLAODVMechanizm CLAODV został zaproponowany w [9] z uwagi na coraz większą różnorodność sieci ad-hoc, a co za tym idzie różnice w parametrach układów transmisji bezprzewodowej poszczególnych stacji w sieci. Znaczącym czynnikiem są różne moce nadawania poszczególnych stacji, co sprawia, że niektóre z nich o mniejszej mocy są w stanie odebrać pakiety od tych o dużej, ale nie są już w stanie wysłać swoich tak, aby druga stacja je odebrała (zostało to przedstawione na rysunku 1). Problem ten powoduje asymetryczność łącz w sieci bezprzewodowej i stanowi wyzwanie dla klasycznych protokołów routingu sieci
ad-hoc, które zostały zaprojektowane do współpracy z łączami symetrycznymi. Protokoły te nie radzą sobie w tego typu sieciach, a jeśli nawet, to ich wydajność jest bardzo mała.
W celu rozwiązania tego problemu w [9] zaproponowano modyfikację mechanizmu AODV w taki sposób, aby identyfikować łącza jednokierunkowe i je odrzucać podczas tworzenia tras routingowych. Ogólnie używany w standardzie 802.11 protokół MAC oparty na mechanizmie DCF sprawdza dwukierunkowość łącz jedynie dla transmisji typu unicast (mechanizm RTS/CTS); w przypadku stosowania transmisji broadcast (tak jest dla protokołów routingu) łącza jednokierunkowe pozostają niewykryte. W takim wypadku protokół routingu taki jak AODV poradzi sobie z odnalezieniem drogi jedynie wtedy, gdy na trasie będzie obecne tylko jedno łącze asymetryczne; w przypadku większej liczby łączy asymetrycznych (powyżej dwóch) mechanizm AODV nie poradzi sobie, co wynika z zasady działania tego protokołu – liczba powtórzeń wiadomości RREQ jest ustalona na dwie, aby nie
przeciążać sieci.
Zaproponowana modyfikacja tego protokołu z użyciem inżynierii międzywarstwowej umożliwia odnalezienie trasy (po łączach symetrycznych) od razu za pierwszym podejściem (jeśli takowa istnieje) bez konieczności powtórzeń. Takie podejście redukuje znacznie opóźnienie związane z poszukiwaniem trasy oraz narzut wprowadzany przez routing. Mechanizm ten korzysta z informacji o sile sygnału zawartej w warstwie fizycznej. W pakiecie RREQ zostały stworzone dwa dodatkowe pola do przenoszenia informacji związanych z mocą nadawania i odbioru. Kiedy stacja (odbiorcza) otrzyma taki pakiet (od stacji nadawczej), oblicza tłumienie w łączu jako [9]:
Korzystając z tej wartości oraz wiedzy na temat progu (mocy) odbiorczego stacji nadawczej, stacja odbiorcza może określić symetryczność bądź nie danego łącza. Dzieje się to na podstawie porównania mocy nadawania tej stacji odbiorczej z sumą tłumienia w łączu i progu odbiorczego stacji nadawczej. Jeśli jest ona większa (moc nadawania stacji odbiorczej), to łącze jest symetryczne i pakiet RREQ jest dalej przesyłany zgodnie z algorytmem dla protokołu AODV; w przeciwnym przypadku wiadomość RREQ jest odrzucana i w ten sposób łącze asymetryczne jest eliminowane z procesu routingu. Takie podejście sprawia, iż nie trzeba w znaczący sposób modyfikować istniejącego protokołu (w AODV ulega modyfikacji tylko pakiet RREQ, natomiast RREP, RERR pozostają bez zmian). Umożliwia to również zwiększenie funkcjonalności tego mechanizmu o inne parametry, które mogą być zróżnicowane w zależności od kierunku transmisji.
Wyniki symulacji [9] świadczą o znacznym wzroście ogólnej wydajności sieci, w której poszczególne stacje mają zróżnicowane parametry nadawczo-odbiorcze. Dzięki zastosowaniu protokołu CLAODV liczba kolizji w sieci spadła nawet o 80%, wzrósł współczynnik dostarczonych pakietów (o ok. 30%); narzut spowodowany działaniem mechanizmów routingu również uległ zmniejszeniu aż o 80%. Poprawa powyższych parametrów miała wpływ na zmniejszenie się opóźnienia (End-to-end) o 2-4 razy w stosunku do standardowego protokołu AODV. Należy mieć jednak na uwadze, iż zaproponowany mechanizm przynosi zysk jedynie wtedy, jeśli mamy do czynienia ze zróżnicowaną pod względem mocy nadawania i odbioru siecią. W przeciwnym wypadku (łącza wyłącznie symetryczne) traci sens stosowanie tego typu udoskonaleń.
Szybkie przekazywanie pakietówPrzedstawione w [10] rozwiązanie zwane PFFMAC (Packet Fast Forward MAC) nie jest bezpośrednio związane z poprzednimi, ale przedstawia ciekawe wykorzystanie inżynierii
międzywarstwowej do zwiększenia ogólnej wydajności sieci ad-hoc.
Przekazywanie pakietów przez warstwę MAC jest tu wspomagane dzięki dynamicznej regulacji z wykorzystaniem informacji zawartych w tablicach routingu. Jednakże główna
siła tego rozwiązania opiera się na modyfikacji mechanizmu RTS/CTS obecnego w klasycznym protokole MAC 802.11 DCF. Podejście klasyczne zakłada, że jeśli stacja ma dane do wysłania to najpierw odczekuje losowy czas, a następnie nasłuchuje medium w celu wykrycia jego dostępności. Jeśli nie jest ono zajęte, to stacja wysyła pakiet RTS (Request-To-
Send); stacja odbiorcza odpowiada po odebraniu RTS pakietem CTS (Clear-To-Send). Gdy stacja nadawcza odbierze wiadomość CTS to może zacząć nadawać; po zakończeniu transmisji pakietu DATA (zawierającego dane) stacja odbiorcza potwierdza poprawne odebranie danych wysyłając pakiet ACK. Ponadto po odebraniu ramki każda stacja musi odczekać czas SIFS (krótszy od DIFS). Mechanizm ten jest konieczny, aby stacje wzajemnie się nie zakłócały.
Funkcjonowanie tego powszechnie obecnego i zestandaryzowanego rozwiązania zostało pokazane na rysunku 3 [10] wraz z tradycyjnym podejściem warstwowym do przekazywania pakietów.
Powodem ograniczenia pasma i wzrostu opóźnienia jest w klasycznej metodzie przekazywania pakietów zaznaczony na rysunku powyżej odstęp czasu pomiędzy ramką ACK
a RTS w stacji B. Protokół PFFMAC pobiera konieczne do przekazania pakietu dalej informacje już wcześniej z warstw wyższych (routing) i dzięki temu można zredukować wspomniany wcześniej odstęp czasu (rys. 4) [10].
Zostało dowiedzione w [10], iż tak zmodyfikowany mechanizm DCF MAC 802.11 umożliwia lepsze wykorzystanie zasobów sieci; pozwala odpowiednio gospodarować pasmem kanału oraz opóźnieniami, których doświadczają wysyłane pakiety. Korzyści płynące z jego zastosowania są tym większe, im większa jest liczba stacji i im większą mobilnością się one wykazują. Zaletą jest także to, iż może on współpracować z każdym z protokołów routingu funkcjonujących w sieciach ad-hoc (zarówno pro- jak i reaktywnym) bez wprowadzania w nich żadnych dodatkowych zmian, korzystając jedynie z informacji zgromadzonych w tablicach routingowych oraz warstwie MAC.
PodsumowaniePrzedstawione w artykule mechanizmy wykorzystania inżynierii międzywarstwowej ukazują, w jaki sposób można, korzystając z już istniejących rozwiązań, usprawnić działanie sieci z ukierunkowaniem jej na spełnienie wymagań gwarantowania jakości usług. Każde z rozwiązań wydatnie wpływało na zmniejszenie opóźnienia pakietów wędrujących w sieci, co ma wielkie znaczenie dla usług wrażliwych na nie takich jak coraz bardziej popularne VoIP oraz Video over IP. Mimo swoich zalet i prostoty działania rozwiązań opartych na inżynierii międzywarstwowej ma ona pewne wady. Jedną z nich jest niekiedy skomplikowana implementacja programowa zaproponowanych rozwiązań, której na przeszkodzie stoi dobrze już ugruntowany w telekomunikacji model OSI/ISO. Przy projektowaniu mechanizmów korzystających z crosslayer należy uważać, aby nie powodować niepożądanych interakcji pomiędzy tradycyjnie funkcjonującymi warstwami. Ponadto przy wprowadzaniu nowych rozwiązań w sieciach bezprzewodowych (szczególnie typu ad-hoc) należy uważać na aspekt bezpieczeństwa wymienianych informacji. Często działanie proponowanych mechanizmów jest sprawdzane jedynie poprzez symulację z wykorzystaniem odpowiednich aplikacji (symulator sieci NS-2) z uwagi na bardzo wysoki koszt budowy sieci testowych opartych na połączeniach ad-hoc, co stanowi pewną przeszkodę we wdrażaniu tego typu rozwiązań.
Przedstawione rozwiązania same w sobie nie gwarantują kompleksowej obsługi wsparcia QoS, a jedynie zapewniają poprawę pojedynczych parametrów charakteryzujących jakość usług w sieciach ad-hoc. Dopiero ich połączenie (oraz ewentualne rozszerzenie o wsparcie dodatkowych czynników determinujących jakość usług) w jedno sprawnie funkcjonujące rozwiązanie może zapewnić gwarancję odpowiedniego QoS dla poszczególnych aplikacji działających w sieci. Tego typu mechanizm znalazłby zastosowanie w sieciach wysoce mobilnych, składających się ze zróżnicowanych (pod względem parametrów transmisji
bezprzewodowej) typów stacji.
Kierunek dalszych prac: inżynieria międzywarstwowa w kierunku minimalizacji ruchu służbowego i rozgłoszeniowego protokołów sieciowych.
Literatura:
[1] Roshan P., Leary J.: Bezprzewodowe sieci LAN 802.11, MIKOM, 2004
[2] Lista protokołów routingu dla sieci ad-hoc http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=List_of_ad-hoc_routing_protocols
[3] Perkins C., Bhagwat P.: Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV) for Mobile Computers, SIGCOMM, 1994
[4] Perkins C.: Ad hoc on dem and distance vector (AODV) routing, IETF, RFC 3561, 2004
[5] Decouto D., Aguayo D., Chambers B., Morris R.: Performance of multi-hop wireless networks: Shortest path is not enough, Proceedings of First Workshop on Hot Topics in Networks, New Jersey, USA, 2002
[6] IEEE 802.11 Standard, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical layer (PHY) Specifications, 1999
[7] Romdhani L. , Bonnet C.: A Cross-Layer On-Demand Routing Protocol for Delay-Sensitive Applications, IEEE 16th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2005
[8] Xiaoxue Zhang, Zhen Yang, Fenghua Li, A PHY/MAC-Aware Cross-Layer Routing Metric for Wireless Mesh Networks, International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems, 2007
[9] Ramachandran B., Shanmugavel S., Performance Analysis of Cross Layer AODV for Heterogeneously Powered Ad-hoc Networks, IEEE, 2006
[10] Tan Wei, Qin Dan-yang, Sha Xue-jun, Xu Yubin, Cross-layer design for packet fast forward in Mobile Ad Hoc Network, IEEE, 2006
Autor: Gerard Mycek,
Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki
ARTYKUŁY 
wstecz
