Механизм распределенного доступа к среде передачи данных, обеспечивающий стабилизацию пропускной способности на максимальных значениях при высокой нагрузке в сетях стандарта IEEE 802. 11

МЕХАНИЗМ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ДОСТУПА К СРЕДЕ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЙ СТАБИЛИЗАЦИЮ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ НА МАКСИМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЯХ ПРИ ВЫСОКОЙ НАГРУЗКЕ

В СЕТЯХ СТАНДАРТА IEEE 802.11

Анисимов Дмитрий Владимирович,

Академия ФСО России, сотрудник, Орел, Россия, dimadikiy@mail.ru

Ключевые слова: беспроводная сеть, метод доступа к среде, пропускная способность, коллизия, моделирование.

Предлагается модифицированный алгоритм распределенного доступа к среде передачи данных стандарта IEEE 802.1 1 (Wi-Fi), обеспечивающий стабилизацию пропускной способности сети на значениях близких к максимальным при высокой нагрузке в сети. Разработанный алгоритм использует и дополняет механизм множественного доступа с функцией распределенной координации (DCF, Distributed Coordination Function) стандарта IEEE 802.1 1. Он позволяет учитывать остаточную пропускную способность беспроводного канала, с дальнейшим формированием решающего правила (критерия) о допуске в канал нового информационного потока (или отказе в обслуживании), требования к качеству обслуживания передаваемого трафика по показателю пропускной способности, а также позволяет формировать дополнительные этапы повторной передачи для трафика требовательного к надежности передачи. Предлагаемый алгоритм распределенного доступа к среде передачи данных использует в своей реализации полученные ранее результаты: модель процесса функционирования беспроводной сети стандарта IEEE 802.11, базирующуюся на математическом аппарате цепей Маркова, позволяющую оценить основные показатели производительности сети с учетом уровня загруженности станций и возможного искажения передаваемых пакетов в результате воздействия помех [1], и алгоритм оптимизации параметров канального уровня для сетей связи данного стандарта [2]. Для реализации предлагаемого алгоритма разработана методика оценки остаточной пропускной способности беспроводного канала стандарта IEEE 802.11 и формирования решающего правила по допуску в канал нового информационного потока. Применение предлагаемого алгоритма позволит повысить производительность и надежность функционирования беспроводных сетей стандарта IEEE 802.1 1. Реализация предложенного механизма распределенного доступа к среде передачи данных может быть осуществлена, как в новом сетевом оборудовании стандарта IEEE 802.1 1, так и в уже существующих беспроводных сетях путем замены программного обеспечения управляющих элементов сети.

Для цитирования:

Анисимов Д.В. Механизм распределенного доступа к среде передачи данных, обеспечивающий стабилизацию пропускной

способности на максимальных значениях при высокой нагрузке в сетях стандарта IEEE 802.11 // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2016. - Том 10. - №10. - С. 4-11.

For citation:

Anisimov D.V. The mechanism of distributed access to data environment, providing stabilization of the bandwidth to the maximum value at high load in the network standard IEEE 802.11. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.10, pp. 4-11.

7T>

Т-Сотт Уо1.10. #10-2016

Остаточная пропускная способность может быть определена, как разница между оптимизированной пропускной способностью сети при текущем режиме нагрузки (по результатам работы алгоритма оптимизации параметров канального уровня) и рассчитанной пропускной способностью в режиме максимальной нагрузки (насыщенное состояние сети).

Для решения данной задачи предлагается методика оценки остаточной пропускной способности канала, учитывающая состояние загруженности элементов сети (насыщенное и ненасыщенное) и формирующая решающее правило по допуску в канал нового информационного потока. Методика включает следующие основные этапы:

Этап 1. Вычисление вероятности коллизий рс и вероятности передачи г* для каждого А-го элемента сети к = 1...», производимое точкой доступа в процессе своей работы при изменении конфигурации сети (инициализации новой или деактивация существующей станции в сети). Вычисление осуществляется за счет решения системы нелинейных уравнений II1:

Ч, = 1-Л,/А. А =1-(1-/>/№-л),

2

2g.fl -Л>

1-Л

[1-

1-2 А

р„ =1- Пи-о,

2 2

Щ.)= {! - Рг К + V. I + П (1 - Р. )Т.+ Р. Р, р, Т,,

где: - количество станций в сети; цк - вероятность пустой очереди; Рк - вероятность неудачной (повторной) передачи пакета £-ым элементом сети; IV = 2"'IV„ - значение "окна конкуренции" (IV,,- минимальный размер "окна конкуренции"); ш - количество попыток передач; Дот - количество дополнительных попыток передач; Л* — интенсивность поступления пакетов от ¿-го элемента сети; Д| - скорость обработки пакетов; Р] = 1 - ехр |  ВЕН\ - вероятность повреждения

пакета в результате воздействия помех (ВЕК - вероятность битовой ошибки, характеризующая интенсивность воздействующих помех; размер пакета в байтах); Е(Х0 - среднее количество тайм-слотов, необходимых для успешной пере* дачи пакета элементом сети; Е(ТГ) - средняя длина временного интервала между двумя последовательными успешными передачами; Т„ - длительность "пустого" слота (ни одна из станций не ведет передачу); Р, - вероятность успешной передачи; Т, — длительность "успешного" слота; Тс — длительность "коллизионного" слота; Те - длительность "ошибочного" слота; Р„. - вероятность передачи в канале хотя бы одной станцией сети.

Определение оптимальных параметров — минимального размера "окна конкуренции" НУ и количество попыток передач ш', с помощью разработанного в работе [2] алгоритма оптимизации параметров канального уровня, обеспечиваю-

щего повышение пропускной способности сети, при вероятности пустой очереди 0 < ц^ < 1.

Этап 2. Вычисление ненасыщенной пропускной способности канала С„ при текущей интенсивности нагрузки (0 < Цк 5 1) помощью следующего выражения 11 ]:

Е[Ьр}(\~1]Ч,)Р1гРу

С --—-

" (1 - + ЩЖ + РЛУ-РЖ- + Р,гР,РгТ.'

где Е[ЬР] - средняя длина пакета.

Этап 3, Вычисление насыщенной пропускной способности канала С, с помощью выражения (2), но при значении вероятности пустой очереди (¡к для всех элементов сети равной нулю (дк - 0). В насыщенном состоянии элементы сети постоянно конкурируют за получение доступа к каналу, при этом, в качестве ограничения принято, что вероятность коллизий одинакова для любого пакета. Следовательно, ожидаемая насыщенная пропускная способность рассчитывается, как:

с =___

* (! - р„уа + адт; + р1г( 1 - щ )ТС+р,Ар,тс

Этап 4, Определение остаточной пропускной способности канала ДС. Значение остаточной пропускной способности канала определяется как разница между насыщенной С, И ненасыщенной С„ пропускной способностью:

АС-Сх-Си.

Пример определения остаточной пропускной способности беспроводного канала стандарта 802.11 (для базового и КТв/СТЗ механизмов доступа) при интенсивности входной нагрузки /Ур = 10%, количестве станций в сети п = 10, для идеального канала (р/= 0) и канала с помехами (р/= 0.31) представлен на рисунке 2.

Этап 5. Формирование решающего правила (критерия) по допуску в канал нового потока (информационного потока от новой стан пи и в сети п„е„. = п + I). В результате оценки остаточной пропускной способности канала ДС и е учетом требуемой пропускной способности С,„р поступившего потока, принимается решение о передаче данных по запросу. В качестве критерия допуска нового потока в канал предлагается использовать критерий превосходства остаточной пропускной способности канала ДС над требуемым значением пропускной способности нового потока Сш;н то есть при условии, что С,„р < АС поток обслуживается с обеспечением требований Оой по пропускной способности. В противном случае запрос отклоняется и производится переход к 1 этапу.

Следует отметить, что предлагаемая методика может быть использована как при проектировании новых систем беспроводного доступа, так н при повышении эффективности функционирования уже существующих систем. При этом в качестве критерия эффективности функционирования сетей беспроводного доступа, может выступать коэффициент использования ресурса сети, при условии обеспечения максимальной загруженности ресурса не приводящей к перегрузке сети.

Это значит, что коэффициент использования ресурса должен приближаться к единице, но не настолько, чтобы очереди пакетов к нему были бы постоянно большими, приводя к задержкам и потерям из-за переполнения внутренних буферов в точках доступа.

Подпрограммы алгоритма:

В блоке 3 используется алгоритм оптимизации параметров канального уровня беспроводной сети стандарта IEEE 802.11, описанный в [IJ.

Алгоритм можно описать следующей последовательностью действий:

- на 2 этапе осуществляется инициализация параметров, используемых в алгоритме; при этом предполагается, что станции сети осуществляют передачу данных с интенсивностью Я* = const (к = I., ,п);

- на 3 этапе производится расчет оптимальных значений параметров начального "окна конкуренции" Wo', числа попыток передач т\ числа дополнительных попыток передач Ли?; далее точкой доступа (или координирующей станцией в сети) осуществляется широковещательная рассылка рассчитанных значений параметров НУ, т\ Дт всем станциям сети; станции осуществляют корректировку своих параметров канального уровня;

- на 4 этапе производится расчет ненасыщенной пропускной способности канала С'„;

- па 5 этапе определяется наличие в запросе повой станции в сети требования о необходимости предоставления ей пропускной способности в размере С„,р. Если такое требование содержится в запросе, то производится расчет насыщенной пропускной способности канала C's и остаточной пропускной способности канала ДС(14 этап). Производится сравнение значений требуемой пропускной способности с остаточной пропускной способностью (15 этап). Если значение требуемой пропускной способности меньше значения остаточной, то принимается решение о том, что запрос новой станции будет обслужен и значение количества станций в сети увеличивается па единицу (16 этап), при этом осуществляется переход к 3-му этапу алгоритма. Если данное неравенство не выполняется, то производится отказ в обслуживании для новой станции (17 этап);

- на 6 этапе производится проверка занятости канала па PHY-уровне и обновление значения вектора распределения ресурсов NAV;

- на 7 этапе реализуется протокольная задержка перед началом передачи пакета;

- на 8 этапе осуществляется передача пакета в канал.

- на 9 этапе проводится проверка успешности передачи пакета, В случае успешной передачи пакета, то есть при получении от корреспондирующей станции подтверждающего кадра АСК о его приеме, производится уменьшение размера "окна конкуренции" до минимального значения (19 этап). После этого проводится проверка необходимости дальнейшей передачи пакета (этап 20), Если передача продолжается, то осуществляется переход на 7 этап алгоритма. Если передача пакета завершена, то проверяется необходимость передачи следующего пакета (этап 21). В случае отсутствия пакетов готовых к передаче алгоритм завершает свою работу. Если есть пакеты для передачи, то осуществляется переход па 6 этап алгоритма. В случае неуспешной передачи пакета осуществляется увеличение значения повторных передач т; па единицу (этап 10);

- на 11 этапе производится сравнение текущего значения числа повторных передач с максимальным значением (11 этап). Если текущее значение меньше или равно максимальному значению т„1Ш, то происходит переход па 7 этап

алгоритма, в обратном случае осуществляется проверка наличия требования QoS у пакета (12 этап). В случае если требование QoS у поступившего пакета отсутствует, то происходит отказ в обслуживании пакета, значение числа потерянных пакетов увеличивается па единицу и происходит переход на 21 этап алгоритма. Если у поступившего пакета присутствует требование QoS, то производится анализ значения числа дополнительных попыток передачи Д т (13 этап). Если число дополнительных попыток передачи Дт>03 то производится уменьшение его значения на единицу и далее осуществляется переход к этапу проверки занятости канала на PHY-уровне и обновление значения вектора распределения ресурсов NAV (6 этап). Если данное неравенство не выполняется, то происходит отказ в обслуживании пакета (этап 18), значение числа потерянных пакетов увеличивается на единицу и происходит переход на 21 этап алгоритма.

Оценка эффективности применения

разработанного алгоритма

Для оценки эффективности применения синтезированного алгоритма разработана компьютерная программа имитационного моделирования протокола канального уровня сети передачи данных стандарта 1ЕЕЕ 802.il. Средством разработки был выбран язык программирования С++. За основу была взята модель [ 1 ], реализованная в среде Matlab, которая была доработана с учетом всех процедур разработанного алгоритма распределенного доступа. Полученная в результате программная модель близко следует всем деталям стандарта IEEE 802.11 для каждой независимо передающей станции сети и при этом реализует разработанный алгоритм распределенного доступа к среде передачи данных сгапдар-та 802.11. Каждая станция в программе представляется самостоятельным объектом, и характеризуется следующими основными параметрами: скорость передачи (определяет параметр Стр); длина пакета, который находится в очереди на передачу; число попыток передачи этого пакета; число виртуальных слотов, оставшееся станции до очередной попытки передачи (счетчик случайной задержки передачи).

С использованием разработанной программы было проведено моделирование процесса функционирования беспроводной сети стандарта 802.1 lb, реализующей разработанный алгоритм. При моделировании значение требуемой пропускной способности (параметр С,„р) для каждого элемента сети выбиралось произвольно с равномерным распределением в диапазоне 100—500 кбит/с. Также при моделировании предполагалось, что в канале могут присутствовать помехи, воздействие которых приводит к искажению передаваемых пакетов, что в свою очередь требует повторной передачи таких пакетов. При этом учет влияния помех на производительность беспроводной сети в разработанной программе осуществляется за счет введения вероятности повреждения пакета помехой pj, которая связана с вероятностью битовой ошибки BER. При моделировании длина пакета Lp выбиралась произвольно с равномерным распределением в диапазоне {1...2300} байт. Показатель BER был принят равным 510 ". При этом выбор пакета поврежденного помехой осуществлялся произвольно с помощью датчика случайных чисел и в соответствии с заданной вероятностью pf. Также при моделировании учитывался параметр количества дополни-

T-Comm Том 10. #10-20 16

Т-Сотт Уо1.10. #10-2016

Заключение

Анализ полученных результатов показал, что:

1. В более 90% наблюдаемого интервала времени, применение разработанного алгоритма распределенного доступа повышает пропускную способность сети как в базовом, так и ЯТв/СТв режимах (по сравнению с режимами не использующими его).

2. Средняя пропускная способность для рассматриваемых вариантов составила: {базовый режим, без использования алгоритма} - 3,28 Мбит/с, {базовый режим, с использованием алгоритма} - 4,68 Мбит/с, {НТ8/СТ5, без использования алгоритма} -3,84 Мбит/с, {ИТЗ/СТБ, с использованием алгоритма} - 4,621 Мбит/с (рис. 4).

3. Средняя задержка при передаче пакетов для рассматриваемых вариантов составила: {базовый режим, без использования алгоритма} - 42,65 мс, {базовый режим, с использованием алгоритма} —6,! 8 мс, ¡КТ8/СТ8, без использования алгоритма} - 60,73 мс, {ЯТв/СТв, с использованием алгоритма} -9,35 ме (рис. 5).

4. Среднее значение потерь пакетов с применением разработанного алгоритма распределенного доступа (для базового и ЯТв/СТв механизмов доступа) стало в среднем на 25% меньше, чем без его применения (рис. 6).

5. Зависимость пропускной способности сети с увеличением интенсивности входного потока (ряс, 7), когда алгоритм не используется, ведет себя неустойчиво как в базовом режиме, так и в режиме кТ8/СТЯ. При использовании разработанного алгоритма такая зависимость более стабильна. Однако при небольшой нагрузке для режимов {базовый режим, без использования алгоритма} и {ЯТ8/СТ5, без использования алгоритма} среднее значение пропускной способности несколько ниже, нежели для режимов с использованием алгоритма. Это можно объяснить тем, что при небольшой нагрузке, режимы работы без использования алгоритма легко справляются с обслуживанием входного потока (тем самым и достигается немного большая пропускная способность), однако с увеличением на1рузки, в сети увеличивается число коллизий и как следствие снижается пропускная способность. При этом в режимах с использованием разработанного алгоритма наблюдается стабилизация пропускной способности на уровне максимальных значений при превышении нагрузки некоторого порогового значения (Х/ц > 100%).

11роведенный анализ позволил сформировать критерии использования разработанного алгоритма:

1. Если требуется максимальная производительность сети по показателю пропускной способности, то запуск алгоритма целесообразно осуществлять при возрастающей нагрузке, начиная с некоторого порогового значения, которое может быть оценено статистически.

2. Если требуется максимальная надежность передачи данных или передаваемый трафик критичен к задержкам, то алгоритм целесообразно использовать постоянно.

Разработанный алгоритм распределенного доступа к среде передачи данных стандарта IEEE802.il, обеспечивающий повышение пропускной способности сети п ее стабилизацию на значениях близких к максимальным в режиме высокой нагрузки на практике может быть реализован в точке доступа, которая осуществляет сбор текущей информации о сетевом трафике, осуществляет расчет оптимальных (по критерию максимума пропускной способности) параметров канального уровня, вычисляет ненасыщенную и насыщенную пропускную способность сети и принимает решение о приеме новых запросов на обслуживание, на основе анализа соответствия остаточной пропускной способности сети требованиям поступившего запроса.

Основной функциональной задачей разработанного алгоритма является повышение эффективности использования сетевых ресурсов стандарта IEEE 802.11 (повышение производительности сети) при выполнении требований QoS по пропускной способности для новых запросов и исключении перегрузки сети.

Полученные результаты компьютерного моделирования позволяют сделать вывод о том, что применение разработанного алгоритма распределенного доступа позволяет повысить производительность сети стандарта IEEE 802,1) как в базовом режиме работы, так и в режиме RTS/CTS. При этом производится учёт требований QoS к передаваемым данным по пропускной способности, что позволяет обеспечить требуемое качество функционирования поддерживающие их сервисы.

1. Ан¡/самое Д.В, Дмитриев C.B., Деилянский A.A. Оценка производительности канального уровня стандарта IEEE 802.11 с учетом состояния загруженности элементов сети и влияния помех в распределенных автоматизированных системах управления // Промышленные АСУ и контроллеры, 2016, №7. - С. 10-18.

2. Анисимов Д.В. Дмитриев C.B.. Рябоконь В.В. Алгоритм оптимизации параметров канального уровня беспроводной сети стандарта i СЕВ 802.11, обеспечивающий максимизацию пропускной способности сети // Системы управления и информационные технологии, 2016, Т. 64, №2.-С. 67-72.

3. Вишневский В.М.. Ляхов А.И.. Портной С.Л.. Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. - М.: Техносфера, 2005. - 592 с.

4. Степанов С.Н. Основы телетрафика мультисервисных сетей, - М.: Эко-Трендз, 2010. - 392 с.

5. Ефанов A.A.. Зюяьков A.B. Производительность беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11 // Вестник В ГУ. Серия: Физика. Математика, 2010, № 2. - С. 229-240.

Литература

COMMUNICATIONS

THE MECHANISM OF DISTRIBUTED ACCESS TO DATA ENVIRONMENT, PROVIDING STABILIZATION OF THE BANDWIDTH TO THE MAXIMUM VALUE AT HIGH LOAD IN THE NETWORK STANDARD IEEE 802.1 1

Dmitriy V. Anisimov, Academy of Federal Agency of protection of the Russian Federation, Assistant, Orel, Russia,

dimadikiy@mail.ru

Abstract

The paper proposes a modified algorithm is a distributed medium access transmit data from IEEE 802.11 (Wi-Fi), stabilizes network bandwidth to values close to the maximum under high load on the network. The algorithm uses and complements the mechanism of multiple access distributed coordination function (DCF, Distributed Coordination Function) IEEE 802.11 standard. It allows you to take into account the residual capacity of the wireless channel capacity, to further the formation of a decision rule (test) for admission to the channel the new flow of information (or a denial of service) requirements for the quality of service of the traffic in terms of bandwidth, and allows you to create additional steps retransmission traffic demanding to transmission reliability. The proposed algorithm distributed access to data medium uses in its implementation of previous results: the process model of functioning of the wireless IEEE 802.11 standard, which is based on the mathematical apparatus of Markov chains to assess the basic network performance indicators, taking into account the level of station load and the possible distortion of the transmitted packets as a result of interference effects [1], and parameter optimization algorithm for data link layer communication networks of the standard [2]. To implement the proposed algorithm developed method of estimation of residual bandwidth of the wireless channel of IEEE 802.11 and the formation of a decision rule for the admission of a new channel in the information flow. Application of the proposed algorithm will improve the performance and reliability of the IEEE 802.11 wireless networks. Implementation of the proposed mechanism for distributed access to the transmission medium can be implemented as a new network equipment IEEE 802.11 standard, and in the existing wireless networks by changing the control software of the network elements.

Keywords: wireless network; access method to the transmission medium; throughput; collision; modeling. References

1. Anisimov D.V., Dmitriev S.V., Dvilyansky A.A. Evaluate the performance of the data link layer IEEE 802.11 standard, given the state of the loaded network elements and the effects of interference in the distributed automated control systems // Industrial ACS and controllers, 2016. No.7. Pp. 10-18.

2. Anisimov D.V., Dmitriev S.V., Ryabokon V.V. The optimization algorithm parameters link layer wireless network IEEE 802.11 standard, providing the maximization of network bandwidth // Control Systems and Information Technology, 2016, Vol. 64. No.2 . Pp. 67-72.

3. Vishnevskiy V.M., Lahov A.I. Portnoy S.L., Shakhnovich I.V. Shirokopolosniye besprovodnie seti peredachi informacii. Moscow. Tekhnosfera, 2005. 592 p.

4. Stepanov S.N. Osnovi teletrafika muliservisnih setey. Moscow. Eco-Trends, 2010. No. 2. Pp. 229-240.

5. Efanov A.A. Zul'kov A.V. Proisvoditelnost' besprovodnih setey standarta IEEE 802.11 // Vestnik VGU. Seriya: Fizika. Matematika, 2010. No. 2. Pp. 229-240.