複合型隨意行動電腦網路上MAC層協定與支援服務品質研究(I)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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※ 複合型隨意行動電腦網路上MAC層協定與 ※

※ 支援服務品質研究(I）　　　　　　※

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計畫類別：n個別型計畫　　□整合型計畫

計畫編號：NSC　89－2213－E－004－006－

執行期間：88年08月01日至89年07月31日

計畫主持人：蔡子傑

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：國立政治大學資訊科學系

中　華　民　國　89 年　10　月　25　日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

複合型隨意行動電腦網路上MAC層協定與支援服務品質研究(I)

計畫編號：NSC 89-2213-E-004-006

執行期限：88年8月1日至89年7月31日

主持人：蔡子傑 國立政治大學資訊科學系 副教授

計畫參與人員：涂建明、楊博丞、彭光志、許鈺鼎、李明

鴻 國立政治大學資訊科學系

With the growing up of the cellular phone systems and notebooks, the requirement of connecting to Internet increases. It also means that the wireless world is coming. Setting up some base stations around an office building is the normal form of the wireless Internet. The area within the power coverage of a base station is then similar to a cell. And the combination of cells constitutes a cellular system. Every mobile host within some cell

can connect to the Internet without the annoyed wire. In this way, mobility of computers can be increased, and the future of the wireless Internet can be expected. But many problems about wireless Internet need to be solved. The first is the transmission speed. The speed of the wired Internet is up to 100Mbs even the 1Gbs or 10Gbps, but that of the wireless LAN is still about 11Mbs. So it is important to increase and utilize the frequency. The standard protocol of the wireless LAN is IEEE802.11. But there are many different protocols of MAC layer in the cellular phone system such as TDMA、CDMA… , and the protocol of the transport layer is TCP or UDP. If we apply these protocols directly to the wireless LAN, what will the performance be? And if we want to support the multimedia and real-time applications, what will the performance under present protocols then be? These are the subjects we want to study. The results will give us a valuable direction on wireless multimedia system.

Keywords: Wireless LAN, cellular system, MAC, QoS 二、緣由與目的 為了使無線行動網路的實用性及涵蓋率更大， 我們設計了一個多跳接(Multihop)的行動網路， 亦 即 擴 大 了 無 線 區 域 網 路 上 的 進 接 點 (Access Point)的功能，使其下所控管的行動電腦，能利 用彼此間轉送的功能，多跳接模式與進接點連結 進而能存取網際網路上的資料。另外，我們又利 用 現 有 的 行 動 數 據 (Mobile Data) 網 路 如 CDPD(Cellular Digital Packet Data) 以 及 未 來 的 GPRS(General Packet Radio Service)等，架設在進接 點上，以與網際網路進接連結，使進接點對無線 區域網路來講，不再是固定，而是機動的，具有 移動性。所以在此架構而言，更具彈性以及快速 展開而成一獨立自主運作的行動網路，不再依賴 固定網路的進接點的限制。除此之外，此無線行 動網路特別適合於為特定目地而架設的群組行動 網路，如災區急難救助，警察資訊系統[2]等。在 此，我們以一群警察為特定目的如搜尋、圍捕時 所架立的行動電腦網路為例做說明，如下圖:

各個警員攜帶簡單的PDA或行動電腦，只需有 Wireless LAN通訊能力，與其附近的警車形成一 Multihop無線區域網路，每部警車對其下控管的 Multihop WLAN提供無線網際網路的進接能力，而 形成一Mobile WLAN架構，警車變成Mobile Access Point(在此我們特稱之為Mobile Gateway (MG) )。除 此之外，警車上可架設較具儲存與計算能力的電 腦，可暫存一些非即時性的資料，提供proxy 功 能，這種複合型(Hybrid)網路的好處就是，因為 Mobile Data Network的 資 料 傳 輸 速 度 ( 目 前 只 有 9.6Kbps GSM，19.2Kbps CDPD，未來有數百Kbps如 GPRS)遠低於無線區域網路(11Mbps)，而且費用也 相對高於免費的WLAN。更進一步如果警車上有完 整的Database則即使Mobile Data Network通訊品質不 佳或中斷，此行動網路仍能繼續運作，更提高了 Fault-Tolerance。 實際的系統應用，我們目標在能提供儘可能 與有線網路上一樣的服務品質，如多媒體即時與 非即時運用，互動式通訊模式與資料擷取等。我 們希望能 研究一 套具可行性、可實作 的簡單 但 robust的協定以達成上述目標。 三、結果與討論 　　本文就我們先行實驗研究的一些現有的協 定直接加在我們之複合型網路的架構，比較其效 能，並製作出簡單雛型測試。 以下本文就是我們在這方面目前所作的結果 報告，共分為三部份: （一）比較Aloha、802.11[2]與TDMA的優劣— 在這 個實驗中，我們以程式模擬的方式來比較這三個 協定。在單機上模擬整個網路的狀況，假設node 數、packet mean（每個node所要送的packet數量） 與idle time，再藉由測量delay time的方式去比較每 一個協定的優劣。delay time的測法是當一個node收 到由packet generator送過來的packet後，到他實際把 packet送到channel上傳給目的地的這段時間。也就 是說我們假設每一個packet送到channel上都能正確 的到達目的端，並忽略了packet在channel上所花費 的時間與可能造成的loss。這樣的作法主要就是著 眼於每個協定對於node在取得channel所有權所必須 等待的時 間，用 以研究這三個不同的 協定對 於 channel利用的優劣性。 （二）無線環境下TCP與UDP協定的比較— TCP協 定具有較高的資料穩定性與正確性，也就是比較 不容易發生packet loss的現象，不過TCP協定本身也 比較複雜，必須server端與client端建立好連結後才 能開始資料的傳輸；相對的，UDP協定簡單方便， sender只要把要送的封包指定IP位置後丟出去就可 以了，但是packet loss也可想而知要比TCP協定來的 高多了。 所以我 們第一個要研究的就 是在無 線 （ wireless LAN） 的 環 境 下 ， TCP 與 UDP 協 定 的 performance 如 何 。 在 這 個 實 驗 中 ， 我 們 是 以 Notebook透過Lucent的無線網路卡來Implement，經 由不同的協定來觀察傳輸的結果。 （三）在無線的環境下達到mobile node的管理與 multi-hop的實作— 這個部分是根據我們以前「行動 警察資訊系統」的觀念延伸，首先有一個「Mobile Gateway （MG）」，在 MG 底下有許多 Mobile Nodes。在無線的環境中，MG 起初並不知道底下 有哪些 nodes。所以它必須要送出類似「Hello」的 訊息給下面的 nodes，並收集底下 nodes 回傳的訊 息，以建立出一個相對的樹狀位置（Tree）；而 nodes 也是一樣，收到了 MG 送下來的「Hello」 便往上註冊，並將此訊息向下傳送，如此一層一 層地下去。所以，MG 能知道它的下層有哪一些 nodes，而每一個 node 也能知道它上層的 node 及 下層的 nodes。然後，它們之間便可以直接通訊 （signal hop）；倘若兩者距離過遠，便希望能藉由 中間的 node 來連接原來連接不到的第三個 node （multi-hop）。每一位警察帶著 mobile node，而 MG 配置在警車上，如此便可以機動地將資訊由 警車傳給每一位警察，或是由每一位警察傳送給 警車再到指揮中心；而在警車訊息傳不到的範圍 可藉由警察之間互傳訊息而完成目的。 (一)Channel Access之研究 這個實驗主要是在同一臺電腦上模擬實際網路 運輸時， 使用不 同協定時，依據實驗 所得封 包 delay，或是封包遺失的數據來判斷其中的差異， 因此實驗環境是在同一臺電腦上。 在這個實驗中使用了三種協定做比較，分別是 ALOHA，TDMA，還有802.11，使用C分別各寫了 一個程式，每個程式各有三個可變參數: node:表示模擬的電腦數量 Pkt_Mean:用來控制傳送封包的長度 Idle_Mean:用來控制packet generator每傳送一次之 間隔時間 ALOHA NODE 2 5 7 10 12 15 18 20 Total number 412 1006 1632 2387 2868 3742 4487 5077 Success number 250 294 400 435 372 378 373 387 Failed number 162 712 1232 1952 2496 3364 4114 4690 Failed/total*%39.32 70.78 75.49 81.78 87.03 89.9 91.69 92.38 packet delay 0 0 0 0 0 0 0 0 TDMA NODE 2 5 7 10 12 14 16 Failed number 0 0 0 0 0 0 0 Packet delay 52 287 492 536 576 611 645

IEEE 802.11 NODE 2 5 7 10 12 14 16 Failed number 0 0 0 0 0 0 0 packet delay 67 130 217146 190 120 188 (二)Voice傳輸之QoS研究 無線通訊正在行動電話、衛星通訊及無線區域網 路市場上掀起爆炸性地成長。在一個小範圍卻又 難以佈線的區域，人們可以藉由無線區域網路來 獲得快速的傳輸。不過，雖然無線區域網路使用 起來更為方便，但它仍然遭遇到許多的瓶頸需要 大家一起克服。其中最明顯的部分，就是它的頻 寬低及封包遺失率高。雖然現今Lucent的無線網 路卡已經可以提供11 Mbps的傳輸速度，但是仍遠 低於 Ethernet。 為了可以改善performance上的問題及增進對 WLAN 的 瞭 解 ， 我 們 決 定 設 計 一 些 實 驗 以 測 試 transmission performance。這些實驗包括測量package delay time (round trip time), jitter, TDMA implement 及 multi-hop。

目的：

我 們 很 難 真 正 去 歸 咎 影 響 WLAN network

performance 的 主 因 ， 因 為 它 的 performance 會 被 network and host processing hardware (P-200─P-75), interface device(100Mbps/10Mbps), network protocol(TCP/UDP)等所影響。所以我們的工作便 是研究在不同的影響因素下，network performance 的差異。

首先，我們設計了一個用來測試一個封包經

由無線網路傳輸的Round Trip Time的程式。然後 對TCP及UDP做Jitter measurement並證明Jitter 的存在。之後，再撰寫一個C program 來比較在 TCP及UDP下，一個server傳送給兩個clients時， 有 使 用 TDMA 與 沒 有 TDMA 之 間 ， 平 均 Round Trip Time的差異。最後，我們撰寫了一個可以在WLAN 上傳送聲音的程式，以瞭解TCP與UDP的優缺點。 (我們同時也在當中做了multi-hop) 以上便是這 個實驗的目的。

Scenar io1： Delay Time of TCP/UDP

有線的環境下，Round Trip Time為6千多 microsecond；無線的環境下，Round Trip Time 為1萬九千多microsecond.平均來說，無線的 delay為有線的兩倍多。但是這樣的比較是有點不 公平的，因為在當時有線的環境下可能有好幾十 人在跟你搶頻寬，而我們在做無線的時候並沒有 多大的干擾，所以在這樣的條件下有線還能比無 線快上兩倍左右，可見得無線網路的速度實在還 有待加強。而在相同的無線環境下，TCP比UDP的 平均delay時間長一點,差距約為1千多個 microsecond，看起來差距並不會太多，不過目前 我們的實驗是只送一個來回的封包，一個封包的 差距到達1千多microsecond，那如果連續送幾百 個甚至幾千個封包的話，可能在速度上的差異就 會很明顯的表現出來了，而關於這部份我們在下 一個scenario中的Jitter將有介紹到。

Scenar io2: J itter Measur ement

在Jitter方面，使用TCP協定所測出來的時間較 UDP長，因為TCP牽涉到error check與re-transmission 的部分，所以時間才會比UDP長，但是相對的也比 UDP穩定，使用UDP協定雖然時間較短，但是也比 較不穩，而且容易發生封包loss的情況。比如說在 使用TCP協定時，一定要雙方建立好連線後，聲音 才可以開始傳輸，但在UDP協定下，有可能client端 已經開始丟聲音的封包到網路上，但是server端卻 還沒開啟，所以這些聲音的封包就會在累積在無 線網路卡這一端，最後被丟棄掉。因此我們可以 確定的就是使用TCP是資料正確性及穩定性高，而 使用UDP則是資料的傳輸速度快。因此在Real-time 的環境下(例如我們所做的多媒體部份)，我們覺 得使用UDP協定是較理想的。

Scenar io3 TDMA

從以上的 數據我 們可以 很明顯看出來 有無使 用 TDMA協定的差異，在沒有使用TDMA協定下的 Variance比有使用TDMA的Variance大出許多，且使 用TDMA協定的Jitter Mean也比較小。使用TDMA可 以對頻道做一公平的分配，與以往隨機去搶頻寬 的方法有相當大的不同。沒有使用TDMA時，送一 百個1024 bytes的封包的結果為：兩個process的結束 時間差距5個封包左右。使用TDMA的效果則為： 兩個process先後結束差距剛好一個封包，同樣收一 百個封包 花的時 間非常相近。而且十 次的實 驗 中， server1甚 至穩定 到 variance 只有 5.3E-9 ！可 見 TDMA確實可以作到公平分配的效果。

Scenar io4 Multi-hop

就TCP協定來說，中間是notebook轉送與cherry轉 送的結果，用cherry轉送的variance比用notebook轉 送大，這應該是因為在有線的線路上有許多人在 一起搶頻寬，而無線的環境下卻是沒有干擾的， 所以反而是使用cherry轉送比較不穩；但是送完一 百個封包的平均時間就是使用notebook轉送花比較 長的時間。而在UDP協定下，情況就相反了，因 為用UDP不用去作check等多餘動作，所以 transmitter只要單純地送完一百個封包就可以了， 並不用去考慮有線環境load重不重；而在Jitter mean方面，不論是TCP或UDP協定，用cherry轉送 均比用notebook轉送小多了。可見用notebook轉送 造成的平均delay會比較長。 (三)Local Management的實作 1. 簡介： 此實 作 平 台 主 要 是 以 notebook 在 Windows 9x 下，以 Win32 SDK，並根據Winsock1.1的介面規格 來設計一個協定，以達到 mobile nodes位置 的管 理，進而實現Multi-Hop2_{的功能，並希望最後能加} 上TDMA的機制，試驗傳送語音或是影像資料。

Hybrid Ad Hoc Networks 有「Mobile Gateway

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（MG）」3_{，在MG底下有許多Mobile Nodes。在無} 線的環境中，MG起初並不知道底下有哪些nodes。 所以它必須要送出類似「Hello」的訊息給下面的 nodes，並收集底下nodes回傳的訊息，以建立出一 個相對的樹狀位置（Tree）；而nodes也是一樣，收 到了MG送下來的「Hello」 便往上註冊，並將此 訊息向下傳送，如此一層一層地下去。所以，MG 能知道它的下層有哪一些nodes，而每一個node也 能知道它上層的node及下層的nodes。然後，它們 之間便可以直接通訊（signal-hop）；倘若兩者距 離過遠，便希望能藉由中間的node來連接原來連接 不到的第三個node（multi-hop）。每一位警察帶著 mobile node，而MG配置在警車上，如此便可以機 動地將資訊由警車傳給每一位警察，或是由每一 位警察傳送給警車再到指揮中心；而在警車訊息 傳不到的範圍可藉由警察之間互傳訊息而完成目 的。 經過試驗的結果，在Windows下無法實作出

multi-hop（packets 的MAC address 會被更改，使它 無法再被傳送出去。），所以我們必須要與 Linux 結合（修改Linux kernel），藉由安裝Linux 作業系 統，執行我們 Linux 版的node程式，來幫其他的 nodes轉送。 2. 詳述： §2.1 建樹： 如下圖所示，MG先用廣播的方式通知在接 收範圍內的nodes註冊，node1和node2在收到MG 的廣播後，會將自己的層數設為1，接著向上註 冊並且再廣播出去。同樣地，在他們的接收範圍 內的nodes也會收到這個訊息，並將自己的層數 設為2。如此下去，整個架構便建立起來了。除 了MG之外，每個node都有一個上層(up node)， 並且負責幫下層的訊息傳往MG，及把MG的訊息 向下傳。 不過在廣播的時候，一個node可能收到多個 訊息，也就是說，它還會有其他上層送出來的廣 播訊息。 ____________________________________ 3 Notebook or PC，裝有兩張無線網路卡，一張是對外的 CDPD，另一是對內的無線網路卡。 如上圖中的Node5，是該以Node1為它的上 一層呢？還是以Node3為它的上一層？首先我們 比較層數。在圖中，Node1和Node2都是MG的下 一層，也就是說它們都是層數1的node。而Node3 是Node2的下一層，也就是說它是層數2的node。 於是我們的協定假設，「hop 數較少的node所須 routed的距離較短，所以傳輸較快」。所以我們 選擇選層數少的 Node1 為 Node5 的上一層。於 是整個建 tree的架構便完成了。 §2.2 新node加入： 有時候會出現一些新的node，我們必須把它 們加到整個樹中。首先，新node發出廣播，在他 廣播範圍內的nodes會接收到這個訊息。在一開 始的建樹過程中，每一個node都知道自己的層數 是多少，所以在收到廣播之後，每一個node都向 這新node送出一段訊息，其中包含了自己的層 數。這時，新node就可以依據這些資料，找出層 數最少的node做為它的上一層；如果層數相同則 由新node決定。 §2.3 刪除node： 可能會有新的node跑進來，也可能會有舊的 node跑出去，因為無線有移動性，所以刪除node 也是協定中重要的一環。對於刪除node，我們利 用time out的 機制 。 MG 會週 期性地廣 播，而 node 收到了此廣播訊息後會向上註冊，並且再 廣播出去，以找出它下層的 nodes。當MG或上 層的 node發現有node在近幾次該回應的情況下 都沒有回應，便把這個node從自己的tree中刪除 （de-register）。 四、計劃成果自評 未來我們將繼續研究提出QoS之MAC協定與WLAN routing的法則，分析其效能，並繼續加強QoS能力 在我們的 雛型系 統中且實驗其效果， 相信很 快 地，我們能整合各種功能，達成上述目標，進而 提供一個使用者介面，並製作應用系統展示。 五、參考文獻 [1] 蔡子傑等, “複合型行動網路之服務品質傳輸

實驗與雛型製作”, 6th _{Mobile Computing Workshop,}

2000.

[2] ”Network Issues and Implementation for a Mobile Police Information System （MPIS）”, T.-C. Tsai et al, in 5th _{Mobile Computing Workshop, 1999}

[3] B. P. Crow et al, “Investigation of IEEE 802.11

MAC Sublayer Functions”, INFOCOM 1997

[4] Yu-Ching Hsu, Tzu-Chieh Tsai and Ying-Dar Lin,

“QoS Routing in Multihop Packet Radio Environment”, 3rd _{IEEE Symposium on Computers and}

Communications (ISCC'98), June 1998

[5] 黃俊堯, 黃耀文, 許景華, 陳孝忠, “Winsock