IEEE 802.11 無線網路和SIP-based VoIP交遞之實驗與分析

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(1)國立交通大學資訊學院資訊學程碩士論文. IEEE 802.11 無線網路和 SIP-based VoIP 交遞之實驗與分析 An Empirical Analysis of IEEE 802.11 Wireless Networks and SIP-based VoIP Handovers. 研究生：洪嘉琪指導教授：曾建授. 教授. 中華民國九十六年十月.

(2) IEEE 802.11 無線網路和 SIP-based VoIP 交遞之實驗與分析. 研究生: 洪嘉琪. 指導教授: 曾建超博士. 國立交通大學資訊學院資訊學程碩士班. 摘. 要. 本論文針對現有 802.11 無線網路及部署環境，利用 SIP-based 的 VoIP 軟體，分析現有無線區域網卡和微軟 Windows 系統的交遞 (handover)行為以及交遞過程中跨階層的交互影響，並逐層探討與歸納這些行為所造成的各項延遲。在無線網路的環境裡，當行動節動在漫遊時，偵測到訊號品質降低而影響通訊穩定度時，為了能保持在通訊狀態，行動節點會重新找尋目標基地台(Access Point, AP)，並與選定的目標基地台重新建立連線，這種交換基地台的過程稱為鏈路層 (link layer) 交遞。交遞的行為包含目標基地台探索(probe)、認證(authentication)與連結 (association)等三個步驟。 Mishra 等人[3] 在無線區域網路鏈路層交遞的實證研究中，指出基地台的探索是無線區域網路交遞程序中最耗費時間的步驟；但卻未探討無線區域網卡的實作與網路部署環境對鏈路層交遞所造成之延遲，也未分析鏈路層交遞對上層通訊協定行為的影響。各廠牌的無線區域網卡因設計思維所著重的層面不同，因此所產生的交遞延遲也有差異；在更壞的情況下，若行動節點所連線的目標基地台與原服務基地台分屬不同的網域，則鏈路層交遞會進一步觸發網路層的交遞，導致整個交遞時間過長。以網路語音(Voice over Internet Protocol, VoIP)即時應用軟體為例，過長的交遞時間可能會干擾甚至中斷現有的. i.

(3) 語音通訊連線，影響通話品質。而且，若應用軟體本身對網路連線中斷是敏感的，則應用軟體需在網路連線恢復後與通訊對方重建應用層的通訊連線，這也意謂著延遲時間將拉的更長。因此，在本篇論文裡，我們透過有系統的方式，逐層分析及探討不同廠牌的無線區域網卡、不同的網路環境組態以及應用軟體實作上的差異的交遞行為，以及在交遞過程中跨階層的交互影響。在這些實驗中，我們發現許多有趣現象。(一)鏈路層的交遞偵測(handover detection) 對交遞延遲是有顯著影響的，且各廠牌無線區域網路卡設計的偵測方法也不相同。(二) 無線區域網卡於交遞前後所連結的基地台屬於不同之 ESS，稱之為 inter-ESS；各廠牌無線區域網卡在基地台探索行為雖不相同，但在交遞的過程裡，大都傾向尋找原基地台所屬的的延伸式服務組合 (Extended Service Set, ESS) 的基地台與之連線，因此當行動節點進行跨 ESS 漫遊時，這種保持同一 ESS 的特性，會導致較長的基地台探索延遲。(三) 不同無線區域網路組態管理工具(例如 Windows Zero Configuration 及 Intel PROSet)，對基地台的探索行為也會產生影響。(四)當無線區域網路卡對所要連結的基地台下達連結請求時，普遍的實作方法仍會對所要連結的基地台送出探索訊息後，才會進行連結，這樣的作法比較沒有效率，尢其是當無線區域網卡不支援單點探索(unicast probe)時，基地台的探索會花費更長的時間。(五)鏈路層事件觸發(event triggers) 若沒有伴隨充足的資訊給上層通訊協定參考，鏈路層事件觸發會有正反兩面的效果。(六) 相對節點上的應用程式若有能力收送行動節點新 IP 位址的資料，也可縮短整體的交遞延遲。. ii.

(4) An Empirical Analysis of IEEE 802.11 Wireless Networks and SIP-based VoIP Handovers Student: Chia-Chi Hung. Advisor: Dr. Chien-Chao Tseng. Degree Program of Computer Science National Chaio Tung University Abstract In this thesis, we present the experimental results and analysis of the handover behaviors of the IEEE 802.11 wireless network (WLAN) and the cross-layer interaction between WLAN adapters and Microsoft Windows operating systems during handoffs using SIP-based VoIP applications. In wireless networks when a mobile node (MN) detects poor link performance (e.g., low received signal strength or signal-to-noise ratio, or high frame error rate), the MN may have to change its point of attachment to the Internet from one access point (AP) to another in order to retain its connection. The link-switch process is called a link layer handover, and involves AP probe, authentication, and association phases in 802.11 WLANs. Mishra et al. have conducted an empirical study on link layer handover and shown that probe delay constitutes most of the link layer handover latency. However, they did not explore the handover delays caused by different WLAN adapters implementations and network deployments, and the effects of the link layer handovers on the behaviors of the upper layer protocols.. The link layer handover behaviors may vary with different WLAN adapters, resulting in different handover delays. Even worse, a link layer handoff may further cause a layer-3 network layer handover if the new AP is situated in another subnet. Such handover delays may disturb or even break an ongoing session, especially for real-time services, such as Voice over Internet Protocol (VoIP) applications, Furthermore, the implementation of the application software itself also affects the handover delays. Therefore, iii.

(5) in this thesis, we conduct a layer-by-layer analysis of handovers and investigate, systematically, the cross-layer effects of WLAN adapters, network configurations and application software on handover delays. Our experimental study discovers several interesting results. First, link layer handover detection has a significant effect on handover delays and different WLAN adapters adopt different heuristic approaches to link layer handover detection. Second, different WLAN adapters employs different probe behaviors, and most WLAN adapters first look for the APs in the same extended service set (ESS) as the AP the adapter currently associates with during handovers. The adherence to the same ESS may contribute a significant amount of probe delay when a WLAN adapter makes an inter-ESS movement, that is, from the coverage area of an AP to the one of another AP in a different ESS. Third, different configuration tools, such as Windows Zero-configuration or Intel PROSet, of WLAN adapters have different probe behaviors. Fourth, the probe-before-associate of WLAN adapters makes direct connection inefficient, especially when WLAN adapters do not support unicast probes. Fifth, the most interesting observation, link layer event triggers have both their pro and con if not accompanied by sufficient information. Finally, the capability for applications to receive/send data from/to the new IP address of a corresponding node latency.. iv. will shorten the overall handover.

(6) 誌謝. 本論文得以順利完成，首先要感謝我的指導教授─曾建超博士在這三年來給予我論文耐心的指導及幫忙。在論文方向尚未明朗化時，能循循善誘引導我往正確的方向，也在論文實驗進行的過程中，能及時指正我疏忽及未考量的地方。同時也要向我的口試委員：曹孝櫟博士、張弘鑫博士、嚴力行博士致上謝意，感謝他們能在百忙中撥空審查我的論文並給予寶貴的參考意見，使得本論文能夠更趨於完善。另外也非常感謝張弘鑫學長及李勇昇學長，感謝他們在百忙中仍能抽空指導我的論文，包括實驗進行時所碰到的難題及在論文寫作時所給予我在文章架構及完整性的寶貴意見。也非常感謝實驗室的同學們及學長學弟妹們在我論文進行的過程中給予的任何協助。也謝謝我公司的老闆─高遠忠先生，在我論文寫作期間給予的諸多意見及幫忙。也謝謝我的好朋友曉玲、清茹、碧如、亭翰等好友，在我碰到困難或挫折時能給予我精神上的鼓勵與實質的幫助，讓我能順利的克服難關。由衷的將此論文成果獻給一路支持我的家人，沒有您們的體諒及鼓勵，就沒有今天的我。最後謝謝上帝吧!. v.

(7) 目錄摘. 要 .....................................................................................................................................i. Abstract......................................................................................................................................iii 表目錄 .....................................................................................................................................viii 圖目錄 .......................................................................................................................................ix 第 1 章緒論 ..............................................................................................................................1 1.1 研究動機 .....................................................................................................................1 1.2 研究目標 .....................................................................................................................1 1.3 論文內容 .....................................................................................................................1 第 2 章研究背景與相關論文研究 ..........................................................................................3 2.1 IEEE 802.11 無線網路架構 ........................................................................................3 2.2 無線網路下的交遞動作 .............................................................................................4 2.3 SIP (Session Initiation Protocol) ..................................................................................6 2.3.1 簡介 ..................................................................................................................6 2.3.2 呼叫流程 (Call Flow)......................................................................................7 2.4 相關論文探討 .............................................................................................................8 第 3 章各種交遞行為之設計 ................................................................................................13 3.1 基本交遞流程 ...........................................................................................................13 3.1.1 鏈路層交遞行為 ............................................................................................13 3.1.2 網路層交遞行為 ............................................................................................15 3.1.3 應用層交遞行為 ............................................................................................16 3.2 跨階層之快速交遞方法 ............................................................................................17 3.3 交遞觸發機制及量測環境方法 ...............................................................................19 3.4 交遞延遲之計算 .......................................................................................................23 3.4.1 一般交遞機制之延遲時間計算 ....................................................................23 3.4.2 快速交遞機制之延遲時間計算 ....................................................................26 第 4 章鏈路層之交遞延遲量測與結果分析 ........................................................................28 4.1 實驗工具 ...................................................................................................................28 4.2 實驗環境 ...................................................................................................................30 4.3 交遞行為之分析 .......................................................................................................32 4.3.1 交遞行為分析 ................................................................................................32 4.3.1.1 Intel 無線區域網卡..............................................................................34 4.3.1.2 Z-Com 無線區域網卡..........................................................................37 4.3.1.3 D-Link 無線區域網卡 .........................................................................39 4.3.1.4 Cisco 無線區域網卡 ............................................................................43 4.3.1.5 小結 ......................................................................................................45. vi.

(8) 4.3.2 各交遞觸發方法之數值分析 ........................................................................48 4.3.2.1 Method 1 ─ 自然轉換服務基地台 (Decrease the Tx power of current AP)....................................................................................................................48 4.3.2.2 Method 2 ─ 強制關閉服務基地台電源(Power off the current AP) ..51 4.3.2.3 Method 3 基地台強迫接續法(Direct Association) ............................53 4.3.3 小結 ................................................................................................................55 4.4 交遞觸發機制對交遞延遲之影響 ...........................................................................56 4.4.1 Intra ESS – Search phase.................................................................................56 4.4.2 Inter ESS – Search phase.................................................................................58 4.5 無線網路組態管理工具對網路探查行為之影響 ...................................................60 4.5.1 Intra ESS..........................................................................................................60 4.5.2 Inter ESS..........................................................................................................61 4.5.3 小結 .................................................................................................................62 4.6 基地台對 Authentication 及(Re)Association 之延遲影響 ......................................65 4.7 鏈路層交遞分析小結 ................................................................................................67 第 5 章其他量測結果與綜合分析 ........................................................................................68 5.1 網路層交遞 ...............................................................................................................68 5.1.1 網路層交遞行為與延遲分析 ........................................................................68 5.1.1.1 行為分析 .............................................................................................68 5.1.1.2 總延遲時間 .........................................................................................72 5.1.1.3 各階段交遞之延遲 .............................................................................74 5.1.1.4 鏈路層對網路層交遞延遲之影響與分析 .........................................75 5.1.2 網路層交遞延遲之改善 ................................................................................76 5.2 應用層延遲時間分析 ...............................................................................................77 5.2.1 IP Senstive scheme ..........................................................................................77 5.2.2 IP Not-aware scheme.......................................................................................79 5.3 總體交遞延遲 ...........................................................................................................80 第 6 章結論與未來工作 ........................................................................................................84 6.1 結論 ...........................................................................................................................84 6.2 未來工作 ...................................................................................................................86 參考文獻 ..................................................................................................................................87. vii.

(9) 表目錄 Table 3-1 Handoff Environment .......................................................................................19 Table 4-1 Inter ESS - Link layer handoff latency for different WLAN Cards ................45 Table 4-2 Link layer latencies: decrease the tx power for intra ESS ...............................50 Table 4-3 Link layer latencies: decrease the tx power for inter ESS ...............................51 Table 4-4 Link layer latencies: power off for intra ESS...................................................52 Table 4-5 Link layer latencies: power off for inter ESS...................................................52 Table 4-6 Link layer latencies: direct association for intra ESS ......................................53 Table 4-7 Link layer latencies: direct association for inter ESS ......................................54 Table 4-8 Link layer latencies of search phase for intra ESS...........................................57 Table 4-9 Link layer latencies of search phase for inter ESS...........................................59 Table 4-10 Intel – Power off the current AP for zero configuration v.s. wireless utility63 Table 4-11 Intel – Decrease the Tx power of current AP for zero configuration v.s. wireless utility..................................................................................................................................64 Table 4-12 Authenticaiton , (Re)Association latencies : Z-Com AP vs. Cisco AP .........66 Table 5-1 DHCP Time of different WLAN cards ............................................................72 Table 5-2 Case 3 : Network layer latencies for different WLAN cards...........................73 Table 5-3 Latencies of network handoff detection and DHCP for case3.........................74 Table 5-4 Case 4 - network layer latencies.......................................................................74 Table 5-5 Case 2 - network layer latencies.......................................................................74 Table 5-6 Case 3 - network layer latencies.......................................................................74 Table 5-7 Network layer latencies after improving ..........................................................76 Table 5-8 tReInit latencies .....................................................................................................78 Table 5-9 tMNUpdate latencies .................................................................................................78 Table 5-10 tCNUpdate latencies................................................................................................78 Table 5-11 Application layer latencies (IP Not-aware) ....................................................79 Table 5-12 MN perceivable handoff latencies..................................................................80 Table 5-13 CN perceivable handoff latecies.....................................................................81 Table 5-14 Overall latencies of Inter-ESS, Intra subnet...................................................82. viii.

(10) 圖目錄 Figure 2-1 BSS transition (Adapted from [17])..................................................................4 Figure 2-2 ESS transition (Adapted from [17]) ..................................................................5 Figure 2-3 SIP architecture .................................................................................................6 Figure 2-4 SIP call flow ......................................................................................................7 Figure 2-5 SIP Re-Invite Message Flow.............................................................................8 Figure 3-1 Network layer handoff.....................................................................................16 Figure 3-2 Re-Invite message ...........................................................................................20 Figure 3-3 RTP header ......................................................................................................22 Figure 3-4 IP Not-aware....................................................................................................22 Figure 3-5 Link-layer handoff procedures and delays......................................................23 Figure 3-6 Network layer handoff procedures and delays................................................24 Figure 3-7 Application layer handoff procedures and delays...........................................25 Figure 3-8 Direct association procedures and delays .......................................................26 Figure 3-9 Pre-allocation procedures and delays..............................................................27 Figure 4-1 Intra subnet – Intra ESS/Inter ESS Environment .........................................30 Figure 4-2 Inter subnet – Intra ESS Environment ..........................................................31 Figure 4-3 Inter subnet – Inter ESS Environment ..........................................................31 Figure 4-4 link layer handoff latency with event triggering.............................................33 Figure 4-5 Intel - Inter ESS (power off) ...........................................................................36 Figure 4-6 Intel - Intra ESS (power off) ...........................................................................37 Figure 4-7 Z-Com – Inter ESS (power off) ....................................................................38 Figure 4-8 Z-Com – Intra ESS (power off) ....................................................................39 Figure 4-9 D-Link - Inter ESS (power off).......................................................................41 Figure 4-10 D-Link - Intra ESS (power off).....................................................................42 Figure 4-11 Cisco – Inter Ess (power off)......................................................................44 Figure 4-12 Cisco – Intra Ess (power off)......................................................................45 Figure 4-13 Link layer latencies: decrease the tx power for intra ESS ............................49 Figure 4-14 Link layer latencies: decrease the tx power for inter ESS ............................50 Figure 4-15 Link layer latencies: power off for intra ESS ...............................................51 Figure 4-16 Link layer latencies: power off for inter ESS ...............................................52 Figure 4-17 Link layer latencies: direct association for intra ESS ...................................53 Figure 4-18 Link layer latencies: direct association for inter ESS ...................................54 Figure 4-19 Link layer latencies of search phase for intra ESS .......................................57 Figure 4-20 Link layer latencies of search phase for inter ESS .......................................59 Figure 4-21 Intra ESS: Authentication latency –Z-Com AP vs. Cisco AP....................65. ix.

(11) Figure 4-22 Intra ESS: Association latency ––Z-Com AP vs. Cisco AP ....................65 Figure 4-23 Inter ESS: Authentication latency –Z-Com AP vs. Cisco AP....................66 Figure 4-24 Inter ESS: Association latency ––Z-Com AP vs. Cisco AP ....................66 Figure 5-1 Network layer latencies : Intra Subnet – Inter ESS......................................69 Figure 5-2 Network layer latencies : Inter Subnet – Intra ESS......................................70 Figure 5-3 Network layer latency : Inter Subnet – Inter ESS ........................................71 Figure 5-4 Case 3 :Network layer latencies for different WLAN cards...........................73 Figure 5-5 Latencies of network handoff detection and DHCP for case 3 ......................73 Figure 5-6 Network layer latencies after improving.........................................................76 Figure 5-7 Application layer latencies (SIP Re-Invite) ....................................................77. x.

(12) 第1章緒論 1.1 研究動機近年來隨著無線通訊技術的成熟與快速發展，人們利用無線連上網際網路，使用各項服務的需求也愈來愈普遍。而無線區域網路的架設因簡單且價錢便宜，不管是在企業、學校、家庭都廣受歡迎，甚至在公眾場合也被普遍採用。但無線區域網路受其基地台較小涵蓋範圍所影響，容易因短距離內的移動而發生基地台甚或跨子網域的交遞。在無線區域網路裡，行動節點因漫遊而使得接收自原(舊)服務基地台的訊號強度或訊號品質衰減，為了保持在通訊狀態，此時行動節點會重新尋找目標基地台，並與之重新建立連線，所引發一連串的程序稱之為鏈路層交遞；而交遞前後所連線的目標基地台若分屬於不同子網域，則會引發網路層以上的交遞，這也勢必加長交遞延遲。以 VoIP 應用軟體為例，過長的交遞延遲會讓語音的傳送延遲或中斷，進而影響到通話品質；若 VoIP 應用軟體對於網路連線中斷是敏感的，也意謂著延遲會再拉長。關於交遞發生後，所產生的延遲及如何縮短，從鏈路層到應用層已有不少的研究及改善方法被提出 [3]-[11]，但缺乏以更詳盡的方式分析與探討在無線區域網卡的不同實作與部署環境對鏈路層交遞所造成之延遲及行為有那些？以及交遞過程中跨階層之間的交互影響為何?因此，本論文以此為出發點，有系統的分析在這些狀況下的交遞過程，並試圖釐清相關問題。. 1.

(13) 1.2 研究目標本論文之研究目標可分二，第一部分是以 SIP-based 的 VoIP 軟體作為實際量測交遞的標的，分析不同廠牌的無線區域網卡和微軟 Windows 系統的交遞行為，再配合不同網路環境組態以及應用軟體在實作上的差異，觀察在不同網路架構層之間的交遞行為及量測其延遲，並解析各層之間的交互影響為何。第二部份則是根據前述量測所得及結果分析，總合套用各種縮短延遲的方法，經進行實際量測，分析其改善之效益。對 VoIP 相關應用而言，在通話的過程中，中斷期間過長，是使用者無法接受的，對於縮短交遞延遲，已有不少學者提出如何縮短或排除這些延遲的理論，而本論文則將各種網路環境均納入考量範圍內，透過實際量測得到的結果及行為的分析與歸納，提供全盤性的資料來源，給想要跨入此研究領域的學者，能夠清楚的了解在真實網路環境下，VoIP 軟體於交遞時可能引發的延遲及問題為何。. 1.3 論文內容關於本篇論文的內容簡述如下：第一章緒論描述本篇論文的研究動機及研究目標。第二章研究背景與相關論文研究介紹SIP與交遞的行為流程，並分析其所造成的跨網域交遞延遲，而為了達到快速交遞目標，有哪些相關方法被提出。第三章各種交遞機制之設計在此將介紹實驗方法及測試流程第四章鏈路層之交遞延遲量測與結果分析在此將詳細介紹鏈路層量測所得結果及行為分析。. 1.

(14) 第五章量測結果及分析除了網路層及應用層的量測結果及行為分析外，也會在此章節裡詳列行動節點及相對節點在各種測試案例下，交遞時所造成的總延遲時間為何。第六章結論與未來工作對本文作出結論並提出未來可繼續研究的方向. 2.

(15) 第2章研究背景與相關論文研究 2.1 IEEE 802.11 無線網路架構在無線網路的環境下，依照提供的服務形態可分為 independent basic service set (IBSS)，及 infrastructure basic service set (infrastructure BSS)，在 IBSS 的網路環境下，行動節點之間不需要經由基地台即可彼此互相通訊，也稱之為 ad hoc network，而 Infrastructure BSS 則需有基地台參與其中，所有行動節點的資料傳輸均須透過此基地台傳送，就算是行動節點要互相通訊，也須經由基地台幫忙將資料轉送，一般的無線網路服務即是此一類型。為了擴充涵蓋範圍，將多個 BSS 聚集為一，稱之為 ESS (Extended Service Set) ，所有位於同一 ESS 下的基地台，會使用相同的 SSID（Service Set IDentifier），也就是一般所稱的網路名稱，在無線網路的環境裡，SSID 是一組字串，所定義出來的名稱，用來區分不同的 WLAN，最大長度是 32 bytes，此名稱是被網路管理者所命名，就像一般公司名稱一樣，不同的 SSID 名稱則用以區隔出不同的 WLAN。當行動節點主動探查鄰近地區有那些可用無線網路時，所發出的 probe request 訊息可以指定原服務基地台的“網路名稱“，或是使用 broadcast SSID1，收到 probe request 的基地台會查看自己是否屬於此網路，若是才會回覆 probe response，若 SSID 是屬於 broadcast 型式，則收到 probe request 訊息的基地台均會回覆 probe response。. 1. broadcast SSID: 不指定特定的 SSID 值，其訊息有兩種型式，一為 SSID 長度為 0，以下以 NULL. 表示，二為長度為 32 bytes 且含不可列印的 asscii 字元，以下以 ANY 表示。. 3.

(16) 2.2 無線網路下的交遞動作在 WLAN 裡，對於使用者行動性的支援，可以分為下列三種： 1. 不轉換：行動節點也許是靜止或在移動的過程中，並未超出目前基地台的覆蓋範圍，則不會發生基地台的轉換。 2. BSS（Basic Service Set）轉換─ Intra ESS 行動節點在移動的過程中，超出服務基地台的覆蓋範圍，而移動至下一目標基地台涵蓋範圍內。且這些基地台屬於相同的 ESS。為一般所稱的無間隙的交遞（seamless handover）。 Figure 2-1 表示 BSS 的轉換過程。此圖中 AP1、AP2、AP3 同屬於相同的 ESS，在 t=1 的時間內，行動節點位於 AP1 的覆蓋範圍內，於 t=2 的時間時，行動節點已移動至 AP2 的覆蓋範圍，此時則發生 BSS 的轉換。而行動節點會要求與 AP2 重新連線，於完成連線後，AP2 會將資料轉送至行動節點。. Figure 2-1 BSS transition (Adapted from [17]). 4.

(17) 3. ESS (Extended service set)轉換─ Inter ESS 行動節點在移動的過程中，從某個 ESS 移動到另一 ESS 的涵蓋範圍。Figure 2-2 裡，共有四個 BSS 被劃分為兩個 ESS，行動節點從 ESS1 的覆蓋範圍移動至 ESS2 的覆蓋範圍內，因 802.11 不支援無間隙的 ESS 轉換，故在這之前作用中的網路連線均會中斷。. Figure 2-2 ESS transition (Adapted from [17]). 5.

(18) 2.3 SIP (Session Initiation Protocol) 2.3.1 簡介 SIP 為一應用層的訊息控制協定，用來建立及管理參與者之間的訊息交流。SIP 提供多種不同的運用，這些運用從即時文字訊息的交換到語音資料的傳輸，均可配合相關的傳輸協定一起完成。一般最常見的運用為網路電話，SIP 負責訊息的傳輸及協調，而取得雙方可支援的語音編碼型態，RTP (Realtime Transport Protocol) 透過此資訊則可送出對方支援的語音編碼封包。SIP 與 HTTP 相似，使用簡單的 Text based 作為訊號交換的方式，有兩種訊息型態，一種為 request message，另一種 response message。request message 例如：REGISTER、INVITE、ACK, BYE, CANCEL, OPTIONS。而 response message 則以三位數字作為訊息的回覆型態。例如 200 表示訊息交換成功。 SIP 在 VoIP 的通訊協定架構裡，扮演著訊息控制的角色。Figure2-3 中表示利用 SIP 訊息建立雙方通話，在未正式通話前，透過 SIP 訊息交換協商出之後要建立通話的資訊。例如，要使用的通訊協定、語音資料的編碼方法等。而於完成通話資料的協商工作後，可用任何傳輸協定來支援語音的傳輸，通常是以 RTP 傳輸協定來完成。在邏輯上，訊號控制與實際的語音資料傳輸是分開的，這樣的好處是除了可在用戶端使用點對點的 SIP 訊息傳輸外，也可透過第三者，例如 redirect server 支援 SIP UA (user agent)的行動性。. Figure 2-3 SIP architecture. 6.

(19) 2.3.2 呼叫流程 (Call Flow) 一個 User Agent 具有兩種角色，分別為 UAC (User Agent Client)及 UAS (User Agent Server)。UAC 負責初始化連線及送出 SIP Request。而 UAS 於收到 UAC 的請求後，根據此請求回覆相對應的要求。 Figure2-4 表示通話的建立過程，SIP 訊息的交換情形。UAC 送出建立連線的要求 (INVITE)，UAS 收到後回覆 100 Trying 訊息，表示它有收到 UAC 送來的 INVITE 訊息，於內部處理完成則播放 ring back tone，且送出 180 Ring，通知 UAC 可以電話響鈴。當 UAS 將電話接起來後，則送回 200 OK 給 UAC，UAC 收到此訊息後，則回覆 ACK 確認訊息。這樣通話就可以被建立起來，在交談過程中大部分是以 RTP 作為語音資料的傳送。若要結束通話，任何一方均可以啟始此動作，在此例子裡是由 UAS 啟始此一程序， UAS 送出 BYE 訊息給 UAC 後，則 UAC 回覆 200 OK 確認收到此訊息，並結束通話。. Figure 2-4 SIP call flow. 7.

(20) 2.4 相關論文探討已有許多論文探討於交遞時在網路各層中所產生的延遲，並提出各種改善方法，主要多在鏈路層、網路層、應用層這三層縮短其延遲時間，其中就其典型，擇要簡介如下： Application-Layer Mobility Using SIP [7] 提到 Application -Layer Mobility，使用 SIP 可以達到 Terminal mobility、Session mobility、Personal mobility、Service mobility。其中我們所關心的為 Terminal mobility。此 mobility 提到當行動節點轉換網域時，仍然能夠保持連線。要如何以 SIP 達到 Terminal mobility，我們以 Figure 2-5 作為說明。 ①. 行動節點 (Mobile Node, MN) 與相對節點 (Correspondent Node, CN) 處於通話狀態. ②. 當行動節點移動到新網域後會向 DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) Server 要求新的 IP 位址. ③. 行動節點向相對節點發出 Invite 訊息，請求建立新的連線. ④. 相對節點回覆行動節點 200 OK 訊息，表示收到請求. ⑤. 行動節點與相對節點恢復通話連線. Figure 2-5 SIP Re-Invite Message Flow 8.

(21) 此篇論文中另提到一個觀念─使用 RTP Support mobility。對於 RTP 這個傳輸協定而言，不需依靠 IP 位址來維護雙方的連線狀態。可以透過 RTP header 內的 SSRC 欄位來維護，SSRC 欄位是用來識別 RTP Session，相同的 Session 擁有相同的 SSRC 值。故當行動節點移動到新的網域後，向相對節點發出第一個語音封包 (RTP packets)，相對節點即可從 IP Header 內得知行動節點新的 IP 位址，進而更新語音封包內送往行動節點的 IP 位址，而不須等到應用程式感覺已經中斷連線才動作。. An Empirical Analysis of the IEEE 802.11 MAC Layer Handoff Process [3] 對鏈路層的交遞行為與延遲時間作分析，將鏈路層的延遲分為probe delay、 authentication delay、re-association delay。使用不同廠牌的無線區域網卡及APs進行量測，得出如下結果： (1) probe delay佔總體延遲時間的80%。而其中又以probe-wait time的時間變動對於probe delay的影響最大，不同廠牌的無線區域網卡probe-wait time也不同。 (2) 不同廠牌的APs及行動節點之間的組態設定也會影響總體延遲時間。 (3) 在頻道 (channel)上的traffic及收到的probe response訊息個數也會影響probe delay時間。. Reducing MAC Layer Handoff Latency in IEEE 802.11 Wireless LANs 此法[10] 使用 selective scanning 演算法及 caching 機制縮短鏈路層交遞延遲。其中又以 probe 在鏈路層所花費時間為總體延遲的 90%，故使用 selective scanning 演算法縮短頻道描瞄的程序，讓鏈路層的延遲，由原來的 343 毫秒，降低至 130 毫秒。但在 VoIP 裡為了達到無接縫交遞 (seamless handoff)，延遲時間不宜超過 150 ms，故使用了 AP caching 機制。將延遲時間縮短至 3 毫秒。. 9.

(22) Techniques to reduce IEEE 802.11b MAC layer handover time [4] 是將行動節點在交遞時於鏈路層產生的延遲分成三個 phase，分別為 detection、 search、execution。 detection phase：偵測是否需要作交遞。其啟始決定於偵測到有多個未回覆的 ACK frames，這些傳送失敗的 frames 是控制整個 detection phase 時間長短的主因，而且不同廠牌的無線區域網卡時間也不相同，取決於用途。但有一共通點，所有的無線區域網卡均會降低傳輸速率，及在 frames 傳送失敗時使用 RTS/CTS 機制克服可能是 fading 效應或傳送資料時發生的碰撞。 search phase：取得於交遞時所必需的資訊，亦即執行 active scan。這段時間也是變動，取決於被送往每個頻道的 probe request 個數。而較顯著的時間花費在於等待 probe response 訊息的回覆。 execution phase：由 authentication 及 association 兩階段組成。 detection phase 的縮短上是以偵測到連續三個 frames 被傳送失敗，或是在行動節動只有接收資料的情況下，只要有 beacon 訊息的接收遺失，則可啟始 search phase。所以縮短 beacon 傳送的區間也可減少 detection phase 的時間，但缺點是會增加網路流量。 search phase 的降低，可將 MaxChannelTime 縮短至 10 毫秒，而且不要進行 full scan，將目前有佈建 AP 的清單透過 beacons 訊息發送給行動節點，行動節點只要針對這些頻道進行 active scan。而 execution 的縮減則可透過 pre-authentication。. 10.

(23) Location-based Fast Handoff for 802.11 Networks 此方法[5] 提出行動節點能隨時量測目前的地理位置，透過GPS、sensor network或其他定位技術。再從特定location server取得帶有座標位置的網路佈建資訊圖，而依照目前座標位置推算出行進方向，並根據網路佈建資訊取得鄰近目標基地台子集合，當行動節點訊號低落到某一臨界值 (threshold) 時，從取得的鄰近目標基地台子集合及移動方向推算出未來最有可能連線的基地台，不須再 probe ，直接與目標基地台作 direct association2。. Topology-Aided Cross-Layer Fast Handoff Designs for IEEE 802.11/Mobile IP Environments 此方法[6] 提出在 Mobile IP 環境下跨階層 (cross-layer)的快速交遞機制。在交遞的過程中，若需跨網域，則會引發網路層以上的交遞，當行動節點到達新的網域時，必須透過像是 DHCP 的方法取得有效 IP 位址,，若有應用程的活動在進行，則必需重新與對方再建立連線。而使用 Mobile IP 作跨網域的交遞時，可以讓應用層無感於網路斷線，但在網路層引發的活動包含 move detection、agent discovery/address configuration、 registration，這些活動也需要花費不少時間。使用 L2 triggers 可縮短這些延遲，L2 triggers 包含 pre-handoff 及 post-handoff triggers。pre-handoff trigger 讓 agent discovery/address configuration 在進行網路層的交遞之前先處理，而 post-handoff trigger 降低 move detection 的延遲。行動節點則可利用 cross-layer topology3資訊縮短在鏈路層、網路層及應用層造成的交遞延遲。 2. direct association：行動節點在取得目標基地台的BSSID及所在頻道後，可直接與目標. 基地台進行連線，不需再花費時間探查鄰近可用APs。最好情況下是可以省下頻道探查時間，但這需要無線區域網卡driver完全支援，但市售的無線區域網卡，在不更動driver 的情況下，仍需花費一小段時間探查。 3. cross-layer topology：包含鄰近基地台的佈建資訊與上層網路資訊的關連性 (例如：行動節點目前的位置. 與移動方向、AP 與 MA (Mobile Agent)的關連、AP 與 SIP proxy servers 或是 AAA server 的關連。 11.

(24) 上述論文提出在交遞時，如何縮短各網路架構層之延遲，也有以跨階層的方法縮短鏈路層到應用層之間的延遲。以 VoIP 軟體而言，對於聲音品質是很敏感的，我們需要更仔細的知道在不同的網路環境組態下，這些延遲發生的原因，在那些行為下花費最多時間及跨階層之間的交互影響。故我們以 SIP-based 的 VoIP 軟體配合市售不同廠牌的無線區域網卡進行實際的量測，除了逐層分析與探究交遞的行為與延遲，也藉此得知各廠牌無線網卡在處理交遞時的設計思維。. 12.

(25) 第3章各種交遞行為之設計在本章裡，我們將說明一般交遞行為下的的量測方法，並配合不同的網路環境組態，包含 APs 及子網域的組態設定。透過實際的量測，在不同的網路環境下所產生的交遞行為及延遲有那些，並分層剖析其原因。並根據前述所得的量測結果，利用目前學者已提出的方法來進行改善。在 3.1 節，首先是介紹一般的交遞流程，包含鏈路層、網路層、應用層，而這些 layer 會產生那些交遞行為。3.2 節描述在跨階層裡使用那些改善方法。3.3 節中介紹使用那些交遞觸發機制及量測環境。3.4 節則針對交遞時產生的延遲時間作一定義。. 3.1 基本交遞流程當行動節點移動距離超出原服務基地台的覆蓋範圍時，則會引發交遞，而這一長串的交遞程序有那些? 詳細說明如後。. 3.1.1 鏈路層交遞行為 Ⅰ．L2 handoff detection 在一般無線區域網卡的作法中，送出語音封包後，沒有立即收到服務基地台回覆 ACK 訊息，則此時會嘗試以降低傳輸速率方式，重傳語音封包，並且使用 RTS/CTS 機制克服可能是 fading 效應所造成封包傳送失敗，當封包掉失超過一個限度，則無線區域網卡判斷需要進行交遞。 Ⅱ．Probe 當行動節點偵測到服務基地台傳輸訊號變弱或是可能與服務基地台失去連線時，則會掃瞄所在區域內有那些基地台可供連結。此時是以 active scan 針對要掃瞄的頻道發出 probe request 訊息。若送出的 probe request 訊息所要探查的網路與之相容，則目標基地台會回覆 probe response。當完成近端目標基地台的搜索偵測後，得到目前可供交遞的基地台清單後進行選擇，通常作法是選擇訊號最強的基地台進行連結。. 13.

(26) Ⅲ．Authentication 與 Deauthentication Authentication：在 802.11 Standard [1] 中，Open System 是預設的認證模式，行動節點選出要連線的目標基地台後，則對此目標基地台發出 authentication request，目標基地台於收到後回覆 authentication response。 Deauthentication：當行動節點要離開此 BSS 時，服務基地台必須將原來與行動節點的認證關係終止，稱作 Deauthentication。 Ⅳ．Association 、 Reassociation、Disassociation Association：行動節點與目標基地台完成身份認證後，便會發出 association request 給目標基地台，進行連線要求。此時目標基地台會檢查此行動節點是否已通過身份認證，若是則回覆 association response。 Reassociation：位於相同 ESS 內，但在不同基地台之間遊走的行動節點，若要再次使用傳輸系統，必須與網路重新連線。當行動節點處於漫遊狀態，發現新的基地台訊號強度大於目前連線的基地台，且此基地台屬於相同 ESS ，於是行動節點會送出 reassociation request 到新的基地台要求連線，則新的基地台回覆 reassociation response。目標基地台也許會和服務基地台協調轉送之前可能被保留的封包到行動節點中，此行為的發生，必需在行動節點已與目標基地台完成身份認證後，才能進行，若行動節點尚未完成認證，則目標基地台會回應 Deauthentication，則此時行動節點需重新作身份認證。 Disassociation：行動節點要終止與服務基地台的連線關係時，可送此訊息通知服務基地台。例如：行動節點要關機時，可送此訊息告知服務基地台，而服務基地台則可清除為此行動式工作站分配的相關資源。. 14.

(27) 3.1.2 網路層交遞行為 Ⅰ．Network handoff detection 當行動節點完成鏈路層的交遞後，需要花費時間偵測是否須發出重新取得 IP 位址的請求。若是不需跨網域，則行動節點可繼續原來的資料傳送。若改變網域，於完成鏈路層的交遞後，行動節點會先將原來放在 buffer 內未送完的封包繼續丟往舊網域的路由器，而新網域的路由器看到不是自己網域的封包，當然是選擇直接丟棄。當完成 buffer 內的資料傳送後，行動節點才會正式發出 IP 位址請求。如 Figure 3-1 所示。 Ⅱ．Address Configuration (DHCP) 在 IP 位址的重新取得方面，目前最普遍的作法則是向網路上的 DHCP Server 要求 IP 位址。行動節點扮演 DHCP Client 角色，向新網域以 broadcast 方式發出 DHCP Discovery 尋找 DHCP Server，同網域內的 DHCP Server 收到此請求後，將分配給行動節點的 IP 位址帶在 DHCP Offer 訊息內，回覆給行動節點。行動節點收到後，它必需告訴 DHCP Server 接受所分配的 IP address，於是再以 broadcast 方式回覆 DHCP Request。 DHCP Server 收到 DHCP Request 後，於是將此 IP 位址正式分配給行動節點，並回覆 DHCP ACK，完成整個 IP 位址的要求程序。DHCP 訊息交換參考 Figure 3-1。 Ⅲ．IP 位址重覆偵測 (Duplicate Address Detection, DAD) 為了避免取得的 IP 位址可能會和網路上其他 host 衝突，行動節點會送出 Gratuitous ARP，詢問網路上是否有其他 host 使用相同 IP 位址，若無 host 回覆，至此進行下一程序。若有 host 回覆，則重新再啟始 IP 要求程序。訊息交換參考 Figure 3-1。 Ⅳ．IP 位址組態設定 (IP Address Configuration) 若此 IP 位址在網路上沒有跟其他 host 重覆，則行動節點進行 IP 位址及預設閘道器設定。. 15.

(28) Figure 3-1 Network layer handoff. 3.1.3 應用層交遞行為 Application session re-construct 行動節點完成網路層的交遞後，若是有需要通知網路上的其他 host，則需重新啟始一 session。以下以 VoIP 服務作一說明。當行動節點與相對節點正處於通話狀態，而此時交遞發生，則停止傳送語音封包及相關事件的派送，待完成網路層交遞後，需重新與相對節點建立連線，才可繼續通話。在 VoIP 軟體裡，廣泛的使用 SIP Protocol 作為 session 的建立及管理，當行動節點欲重建連線，可對相對節點發出 Re-Invite message [7]。. 16.

(29) 3.2 跨階層之快速交遞方法 Direct association 依據[5] 提出的快速交遞機制，事先向特定的 location server 取得鄰近 APs 的佈建資訊圖，依據行動節點目前的位置，動態計算出下一個移動方向，並推算出將與之連線的目標基地台，直接進行連線，不需再 probe。proble delay 在鏈路層是花費最多時間的，使用此方法可以省去探查鄰近訊號較強 APs，依據事先取得 AP 的 BSSID 及所在頻道後，與之建立連線。行動節點可使用 background scan4方法 probe 鄰近 APs 所在的頻道。 Pre-allocate network resource 依據[6] 提出的方法中，可提供鄰近 APs 的佈建資訊再加上預先向 DHCP Server 要求的 IP 位址，組成網路資源可用對照表，行動節點可利用此資訊，與新的基地台完成鏈路層的連線後，就可直接使用預先配置好的 IP 位址，不需再重新啟始 IP 位址請求程序。 Proactive DAD 一般 IP 位址在偵測是否重覆，至少需花費 1 秒的時間，在[9] 提出，IP 位址是否與網路上的其他 host 發生重覆，其偵測可在網路層的交遞之前或是同時完成。作法是行動節點從取得的 MAP table 裡取出新 AR (Access Router) 的 prefix，然後產生一暫時性的 IP 位址，根據此 IP 位址向新的 AR 詢問此 IP 是否有其他節點使用，若無，則此 IP 位址就可保留給行動節點，故當行動節在完成 IP 位址的取得後，不必再進行 IP 位址衝突偵測。. 4. background scan : 當 AP 與行動節點仍然在連線狀態，且仍有封包在交換時，行動節點可以通知 AP，. 它要進入省電模式，要求 AP 為之暫存從網路收進來的封包，此時行動節點則可以轉換至其他頻道上，探查頻道上各 AP 的訊號強度，待完成 scan 後，行動節點通知 AP 取消省電模式，並取回 AP 為之暫存的封包。此種作法，行動節點不需中斷連線即可完成頻道掃瞄，但相對的暫存在 AP 裡封包也會有 delay 發生。 17.

(30) L2 trigger 此機制是利用網路層或應用層的應用程式向鏈路層註冊事件通知，當完成鏈路層的交遞後，則通知網路層或應用層的應用程式事件的發生，如此即可開始進行網路層或應用層的交遞程序。此法可減少因行動節點跨越不同網域時需要花時間偵測已不存在原來網域時所造成的延遲。. 18.

(31) 3.3交遞觸發機制及量測環境方法為更明確的瞭解在不同交遞機制下，對 VoIP 軟體整體延遲時間的影響，故在不同的網路分層中，以各種交遞觸發方式進行量測，並分別求算出各網路分層的延遲時間，並分析造成延遲的原因。進一步採取目前學者所提出的改善方法，比較改善前後的差異。在 Table 3-1 中為網路環境的組態設定方式，在基地台的組態設定，可分為 Intra ESS (SSID 名稱相同)與 Inter ESS (SSID 名稱不同)。而子網域的組態設定，則分為單一子網域 (Intra subnet)與跨子網域 (Inter subnet)。如 Table 3-1 所示，分成四種不同的測試環境，個別為： Case 1: Intra subnet – Intra ESS Case 2: Intra subnet – Inter ESS Case 3: Inter subnet – Intra ESS Case 4: Inter subnet – Inter ESS. Intra ESS. Inter ESS. Intra subnet. 1. 2. Inter subnet. 3. 4. Table 3-1 Handoff Environment 在交遞被觸發前，行動節點與服務基地台仍處於連線狀態。一般交遞時所使用的觸發行為，可分為自然轉換服務基地台 (Method 1)及強制關閉服務基地台電源 (Method 2)，而改善方法則為基地台強迫接續法 (Method 3)。以這三種交遞觸發方式，分別在 Intra ESS 及 Inter ESS 的網路環境下進行測試。 Method 1-自然轉換服務基地台 (Decrease the Tx power of current AP) 以一般行走的速度，逐漸遠離服務基地台，隨著行動節點與服務基地台的距離愈來愈遠，所接收到訊號逐漸遞減，當衰落到某一 threshold 值時，則觸發交遞。. 19.

(32) Method 2-強制關閉服務基地台電源 (Power off the current AP) 手動將服務基地台的電源關閉，行動節點因已找不到原服務基地台，迫使交遞觸發。 Method 3─基地台強迫接續法 (Direct Association) [5] 透過預先取得的網路資源對照表，並在行動節點計算出下一個所要連線的基地台準確率為百分百的前提下，當行動節點在移動時，其接收的訊號強度小於某一 threshold 值時，則以目標基地台的 MAC 位址為參數，對行動節點下達要連線至新目標(新服務) 基地台的命令。在 Method 1 與 Method 2 的交遞觸發行為裡，分別以四種網路環境進行測試，如 Table 3-1 所示，其中在 Case 2,3,4 的網路環境下，需要重新取得 IP 位址，而本實驗則是透過 DHCP 的方式，於完成 IP 位址的請求程序後，行動節點進行 IP 位址設定前會針對取得的 IP 位址進行重覆偵測，於完成後才會對所獲得的 IP 位址進行設定。而應用層的交遞則是以工研院所提供的 SIP UA 進行測試，此套 VoIP 軟體對於連線的暫時中斷是有知覺的，在完成網路層的交遞後，須重新建立與相對節點的連線。以 Figure 3-2 所示，行動節點重新送出 Re-Invite 訊息至相對節點，通知 IP 位址已改變，要求重新建立 session，相對節點收到後，回覆已收到 session 重建要求的訊息 (100 Trying , 200 OK)後，將原傳送至行動節點舊 IP 位址的語音封包轉送至新的 IP 位址。. Figure 3-2 Re-Invite message 本實驗中，以 Method 3 [5] 縮短鏈路層產生的交遞延遲，並結合以下方法改善網路層及應用層的交遞延遲。在縮短網路層的延遲上使用以下方法： Pre-allocate network resource [6] 根據預先取得的網路資源對照表，查詢行動節點連線的目標基地台記錄裡預先分配. 20.

(33) 給行動節點的 IP 位址，於完成鏈路層的交遞後，將取得的 IP 位址進行設定。 L2 trigger [6] 如何得知何時完成鏈路層的交遞? 作法是透過用戶模式的應用程式向無線區域網卡的 driver layer 註冊事件通知 – link up，當發生 link up 事件時，則通知上層的用戶模式的應用程式，其獲知此事件通知後，則可開始下一階段的工作。 Disable IP address duplicate detecton 在 Windows XP 裡為了偵測取得的 IP 位址是否和網路上其他 host 重覆，會發出 Gratuitous ARP 訊息，此段時間約 1 秒以上，假設預先分配給行動節點的 IP 位址不會發生重覆的前提下，將此偵測機制關閉，故可省下此段延遲時間。縮短應用層交遞延遲是利用 RTP [12]對行動性支援的特性來達成，VoIP 軟體於傳輸語音封包時，通常使用 RTP 作為傳輸的協定，RTP 是一種提供點對點服務的即時傳輸協定，用來支援在單目標及多目標廣播的網路服務中，傳輸即時資料，而 RTCP 協定則用來監視和控制資料的傳輸。使用 RTP 協定的應用程式運作於 RTP 之上，而 RTP 則是運作在 UDP [22]的上層，故傳承其 UDP 之資料傳輸的運作模式。當行動節點因為跨網域交遞後更新 IP 位址，並不會影響行動節點傳輸聲音封包給相對節點。相對節點由於是根據本身的 port number 在收送封包，故相對節點而言仍然可以收到行動節點更換 IP 位址後所送抵的語音封包，不需重建 session。在 Linux 下運作的一套 VoIP 軟體─Kphone，則是依此概念為基礎，並配合 RTP header 內的 SSRC (Synchronization source identifier)欄位，如 Figure 3-3 所示，此欄位是隨機產生的識別值，用來確保通話期間 RTP session 的獨一性。當相對節點收到行動節點的語音封包時，因為是架構於 UDP 之上，在 port number 沒有變動的前提下，此封包仍然會被接收，相對節點根據 RTP 內的 SSRC 欄位，判斷此封包與之前的語音封包是屬於相同 session，則根據此網路來源位址，作為送出語音封包的新目標位址。根據這樣的設計機制，納入 Windows 版本的 CCL SIP UA。此 SIP UA 新增加兩種能力： (1) 忽略因 IP 位址變動而須重建 session 及 media 重新被啟始。 (2) 對於收到的語音封包，若與之前 session 建立的來源 IP 位址不同，但 SSRC 值相同， 21.

(34) 仍視為相同 session，仍將此語音封包往上層傳送，並解析出來源端的 IP 位址後，將後續送出的語音封包送出位址更改為新來源端的 IP 位址。 RTP Header： IP header UDP header RTP header. RTP payload. Figure 3-3 RTP header 在 Figure 3-4 裡，當 IP 位址設定完成，行動節點送出語音封包後，相對節點則根據收到的語音封包，學習到行動節點新的 IP 位址，接下來的語音封包則送往新的目的地。這樣一來，就可大幅減少行動節點為了重建 session，必需重新啟始內部事件派送及訊息重建所需花費的延遲，及相對節點收到 session 重建的訊息後，內部需要作部份調整才能送出語音封包至行動節點新的目地的所造成的延遲。. Figure 3-4 IP Not-aware. 22.

(35) 3.4 交遞延遲之計算交遞延遲時間的計算將之切割為兩大部分，3.4.1 為未使用任何縮短交遞延遲方法下，在各網路架構層所造成的延遲時間為何。3.4.2 則為運用跨層之快速交遞的方法後，仍會有那些延遲產生。. 3.4.1 一般交遞機制之延遲時間計算鏈路層的交遞延遲 tLK 可表示為:. t LK = t L 2−HD + tSearch + t Auth + t Ass t L 2− HD :. 行動節點偵測是否需要作交遞. t Search ：行動節點開始搜尋附近訊號強度較強的基地台，並選出訊號最強的基地台. t Auth. ：行動節點與目標基地台作 authentication(Open Sysem). t Ass. ：行動節點與目標基地台作 association MN tL2-HD. tSearch. tAuth tAss. Neighbor APs Probe req. Probe resp. Probe resp.. Probe req. Probe resp. Probe resp.. New AP Authentication req Authentication res Association req. Association res.. Figure 3-5 Link-layer handoff procedures and delays. 23.

(36) 網路層的交遞延遲 tNW 可表示為:. t NW = t NW − HD + t DHCP + t DAD + t IPConf t NW − HD ：行動節點於完成(re)association～發出 DHCP Discovery 訊息之前 t DHCP ：行動節點向 DHCP Server 請求網路位址 t DAD. ：行動節點檢查拿到的 IP 位址是否與網路上其他 host 重覆. t IPConf ：行動節點取得新 IP 位址後，設定 IP 位址的時間. Figure 3-6 Network layer handoff procedures and delays. 鏈路層與網路層不管是對行動節點或相對節點所造成的交遞延遲均是相同，但在應用層是不同於上述兩層，故行動節點在完成網路層的交遞後，行動節點與相對節點能夠開始傳送語音封包到被彼此收到，這些時間點是不相同的，故應將在此 layer 的延遲分別列出。行動節點及相對節點網路層的交遞延遲，tMNApp 及 tCNApp，可分別表示為:. t MNApp = t Re Init + t MNUpdate + tCNUpdate + t Pr ogationACK + t RTPCNSend tCNApp = t Re Init + t MNUpdate + t Pr ogationACK + t RTPMNSend t Re Init. ：行動節點重新啟始 SIP 事件派送，並重建 Re-Invite 訊息. t MNUpdate. ：收到相對節點回覆 200 OK 後，行動節點須重新建立與相對節點之間的. 連線 24.

(37) tCNUpdate. ：當相對節點收到行動節點回覆 ACK，相對節點需重新啟始與行動節點的. 連線. t Pr ogationACK ：ACK 訊息由行動節點送給相對節點～相對節點收到 ACK 訊息延遲時間 t RTPMNSend. ：行動節點於網路連線恢復後，送給相對節點的第一個語音封包～相對節點收到語音封包的延遲時間. t RTPCNSend. ：行動節點於網路連線恢復後，由相對節點送出的第一個語音封包～行動節點收到語音封包的延遲時間 MN. L2, L3 Handoff Completes. CN. tReInit tMNUpdate. SIP Re-Invite 100 Trying 200 OK tProgationACK tRTPMNSend tRTPCNSend. tCNUpdate. Figure 3-7 Application layer handoff procedures and delays. 行動節點與相對節點總體延遲時間的計算. MNPerceivableLatenci es(t MN ) = t LK + t NW + t MNApp CNPerceiva bleLatenci es (tCN ) = t LK + t NW + tCNApp. 25.

(38) 3.4.2 快速交遞機制之延遲時間計算鏈路層的交遞延遲 tLK 可表示為:. t LK = t DisConnect + tSearch + t Auth + t Ass t Disconnect :. t Search :. 行動節點收到連線至新基地台的命令後，會與新服務基地台解除連線或認證. 行動節點開始搜尋附近訊號強度較強的基地台，並選出訊號最強的基地台. t Auth. : 行動節點與目標基地台作 authentication 時間(Open Sysem). t Ass. : 行動節點與目標基地台作 association 的時間. Figure 3-8 Direct association procedures and delays 網路層的交遞延遲 tNW 可表示為:. t NW = t NW − HD + t IPConf t NW − HD : 行動節點於完成(re)association 後～收到下層 driver layer 送出的 link up 事件通知的時間區間. t IPConf : 行動節點依照預先取得的 IP 位址，進行設定的時間。. 26.

(39) Figure 3-9 Pre-allocation procedures and delays 行動節點及相對節點網路層的交遞延遲，tMNApp 及 tCNApp，可分別表示為:. tCNAPP = t MNConstructRTP + t RTPMNSend t MNAPP = t CNApp + t CNUpdatePe erAddr + t CNConstruc tRTP + t RTPCNSend t MNConstruc tRTP. : 行動節點在完成網路層交遞後，重建語音封包所需耗費的時間. t CNUpdatePeerAddr : 相對節點收到行動節點移動～新地點後送出的第一個語音封包，取出此封包的來源位址，更新送往行動節點的語音封包的位址所耗費的時間. t CNConstruc tRTP. t RTPMNSend. : 相對節點重建語音封包所需耗費的時間 : 行動節點於網路連線恢復後，送給相對節點第一個語音封包～相對節點收到語音封包的延遲時間. t RTPCNSend. : 行動節點於網路連線恢復後，由相對節點送出的第一個語音封包～行動節點收到語音封包. 27.

(40) 第4章鏈路層之交遞延遲量測與結果分析 4.1 實驗工具 Mobile Node: Windows XP APs: ¾ Z-Com XG1000 (chip modules: 79RC32V334-150BB), Z-Com XG1100 (chip modules: MAC ISL3893 (ARM9-based)) ¾ Cisco Aironet 1230AG series (modules AIR-AP1232AG-T-K9) Wireless LAN cards: ¾ Intel(R) PRO/Wireless LAN 2100 3B Mini PCI (1.1.50, chip: Intel), ¾ Cisco Aironet 802.11 a/b/g (AIR-CB21AG-W-KG, chip:Athores), ¾ ZCom XI-325,(H/W REV:0.3, F/W REV:1.8.0, chip: Prism), XG-350 – (H/W Ver:0.4, chip: Prism) ¾ D-Link DWL-G650 – (H/W Ver:C3 FW Ver:4.30, chip:Athores) Tools and applications: ¾ ESS transition tool : Zero Configuration ¾ Ethereal (v0.99) ¾ Sniffer Portable (v4.7.5) ¾ AiroPeek NX (v2.0.2) ¾ CCL SIP UA(v0.34) ¾ VoIP packets generation: MN and CN both run CCL SIP UA to generate VoIP packets Zero Configuration：為了要讓行動節點能夠在不同的 ESS 之下作轉換，透過 Windows 內建的 Zero Configuration 支援轉換。此套 tool 是 Windows XP 或 Windows Server 2003 所提供用來連線至無線網路的工具。它可以動態的連線到偏好的無線網路上。根據當初使用者的偏好無線網路設定順序。它允許使用者在任何地方可以連線到不同的無線網路，而不需再新設定。在初始化掃瞄可用網路時，會將顯示在可用網路清單裡的設定值，依據使用者的偏好設定次序，連接至網路。意即偏好設定次序最高的網路，最先被連接，若連接不上，才會往下尋找第二偏好網路，以此類推。此 tool 平均 60 秒會在背景自動掃瞄目前可用的網路，並增加至可用網路清. 28.

(41) 單中，在第二次以後的掃瞄裡，Zero Configuration 會決定是否在整個無線網路的環境下，是否有優先權高於目前偏好設定的網路可用，若無，則維持連線，若有，則自動斷掉目前的連線，連上優先權更高的網路。. 29.

(42) 4.2 實驗環境 ¾ 網路拓撲 (Network Topology) Figure 4-1 裡基地台的組態設定為 Intra ESS 及 Inter ESS，網域的規劃為同一個子網域。行動節點向左移動表示交遞前後連線的基地台均屬於相同的 ESS (Intra ESS)，向右移動表示交遞前後連線的基地台屬於不同的 ESS (Inter ESS)。行動節點的機器上裝有用來截取封包的工具 (Ethereal)及語音封包產生器 (SIP UA)。另有一台機器裝有兩張無線區域網卡，用來監聽兩個頻道的封包，分別為行動節點交遞前連線的頻道 (CH6)及交遞後連線的頻道 (CH11)。在相對節點上也會安裝 Ethereal 及 SIP UA，藉此模擬行動節點與相對節點處於通話狀態中，行動節點因移動距離超出新服務基地台的涵蓋範圍，而觸發交遞。 Figure 4-2 與 Figure 4-3 為行動節點於交遞前後為不相同的子網域，故會有兩台 DHCP server 來動態提供行動節點 IP 位址，其他環境設定則與 Figure 4-1 相同。. Figure 4-1 Intra subnet – Intra ESS/Inter ESS Environment. 30.

(43) Figure 4-2 Inter subnet – Intra ESS Environment. Figure 4-3 Inter subnet – Inter ESS Environment. ¾ 軟體修改在行動節點觸發交遞後，要能得知無線網路媒體何時感應出斷線及連線事件，故須提供一偵測程式，當發現網路媒體有任何事件發生時，可以通知上層的 user application。本論文將范榮軒同學 [24] 所提供用來感應網路媒體事件的程式整合至 SIP UA，使其具備此能力。當網路媒體偵測到中斷連線時，則送出 link down 的事件通知 user application，若偵測到連線事件時則送出 link up 事件通知 user application。. 31.

(44) 4.3 交遞行為之分析在以下各小節中，使用不同廠牌的無線區域網卡配合實體環境作為交遞時量測的基準，這些無線區域網卡的廠商包含 Intel、Cisco、D-Link、Z-Com。當行動節點與原服務基地台處於連線狀態下，使用三種方法觸發交遞，分別為強制關閉服務基地台電源、自然轉換服務基地台及基地台強迫接續法。在探查鄰近可連線 APs 是以 active scan 方式進行。在 4.3.1 小節裡，在 Inter ESS 與 Intra ESS 的網路環境下，使用強制關閉服務基地台電源觸發交遞的行為為例，詳盡說明各廠牌無線區域網卡產生的交遞行為為何，並探討這些行為如何對延遲造成影響。而以自然轉換服務基地台觸發交遞而言，各廠牌無線區域網卡所產生的行為與強制關閉服務基地台電源並無太大的差異，故在 4.3.2 小節裡並不會再特別說明。至於基地台強迫接續法其行為差異，除 L2 handoff detection 這段延遲時間被排除外及各無線區域網卡在收到連線至新基地台的命令後，會有不同的訊息送出外，其他行為與強制關閉服務基地台電源並無不同，故將其行為表現合併至 4.3.2.3 小節進行探討。另在後續各小節中，分析與探討在交遞時造成的延遲時間與行為之間的關連性。. 4.3.1 交遞行為分析以 Figure 4-1 實驗環境，說明實驗步驟。步驟一：將 AP1 (CH6)及 AP2 (CH11)電源打開步驟一：讓行動節點與 AP1 連線後，行動節點與相對節點進行通話步驟三：關閉 AP1 的電源，此時會有一連串的交遞行為發生，待完成後，則行動節點與相對節點才能恢復通話。這些不同廠牌的無線區域網卡，對於鏈路層於交遞時產生的延遲，在[4] 裡將其分為三個 phase，分別為 detection、search 及 execution phase，而在本實驗為了能夠更清楚的區別出鏈路層與網路層的 detection 延遲，故將 detection phase [4] 重命名為 L2 handoff detection，而 execution phase 則再細分為 Authentication 與 Association phase。各個 phase 的延遲時間計算見 Figure 4-4，以 L2 Handoff Detection Phase 為例，時間的計算為第一個. 32.

(45) 傳送至舊服務基地台失敗的 VoIP 語音封包 (Codec 為 G.711) 到最後一個傳送至舊服務基地台失敗的 VoIP 語音封包為時間區段。以下各 phase 時間的計算以此類推。. MN. A Ps F irst G .711 retransm ission failed. X. L ast G .711 retransm ission failed. X. L 2 H andoff D etection P hase. Search P hase L ast A C K for Probe R es A uthentication Phase A uthentication R esponse A ssociation Phase (R e-)A ssociation R esponse. Figure 4-4 link layer handoff latency with event triggering 在 Figrue 4-5 ~ Figure 4-12 中，均標示出在交遞的過程中，各事件發生的時間點。以下就各事件代表的意義說明如下： Link down：網路驅動程式偵測到發生網路媒體連線中斷事件，通知上層用戶模式的應用程式之時間點 AddrChangeNotify：行動節點在感知網路連線中斷後，將原本 binding 在此張無線區域網卡上的 IP 位址釋放，此時的 IP 位址被清除為 0.0.0.0。 RTP stop：當行動節點有感網路斷線後，停止送出封包，但上層的用戶模式的應用程式仍不知情。至此時間點，用戶模式的應用程式方有感於網路斷線，會停止相關事件派送，並不再傳送語音封包至下層。 Link up：網路驅動程式偵測到發生網路媒體連線恢復事件，通知上層用戶模式的應用程式之時間點. 33.

(46) 4.3.1.1 Intel 無線區域網卡 Figure 4-5及Figure 4-6說明在Intel的無線區域網卡裡，在Inter ESS及Intra ESS的無線網路環境下，不同phase佔用的時間及各event所發生的時間點。以 Figure 4-5為例，其內的大箭號表示傳送的訊息個數為多個。而以下各張無線區域網卡的表現方式亦如此。訊息─ Probe Req (SSID=WL1) – ch11-b (86 times)，表示此訊息形態為probe request，訊息內的SSID欄位值為WL1，ch11表此訊息發送的頻道為11，b表 broadcast形式的訊息，86 times表訊息平均傳送次數。. ¾ Inter ESS (Figure 4-5) Ⅰ．L2 handoff detection phase：此段時間需要花費 0.818 秒。在此段時間裡，無線區域網卡發現送出的語音封包沒有收到原服務基地台 (WL1) 所回覆的 ACK 訊息，於是再一次重傳同一個語音封包，仍未回到回應訊息。因此送出 RTS 訊息，嘗試淨空無線網路環境，因 WL1 電源已被關閉，故無法回覆 CTS 訊息。於下一時間點，無線區域網卡再次重傳相同的語音封包，仍未收到回應訊息。如此 G.711 語音封包與 RTS 交錯傳送，直至無線區域網卡判斷需要作交遞，才進行下一階段的工作。在語音封包重傳部分，同一序號的封包被重傳 5 次後，才會繼續送下一個序號的語音封包。 Ⅱ．Search phase：此 phase 裡，Intel 無線區域網卡會來回 probe 各個頻道，這些 probe request 訊息之間的間隔時間是非常短暫的，以頻道 6 觀察到的 probe request 訊息發送頻率為例，連續發出的 probe request 訊息為 2 ~ 3 個，間隔時間為 10 ~ 15 毫秒之間。而於下次再回到頻道 6 發出 probe request 訊息的間隔時間約為 100 ~ 150 毫秒。此無線區域網卡對於 probe request 訊息的發送均是以 broadcast 方式發出，但此 probe request 內的欄位 ”SSID 值” 則有 4 種不同的變化，分別為舊服務基地台的 SSID 名稱、NULL、ANY 及新服務基地台的 SSID 名稱。在初始階段，SSID 的內含值為舊 AP SSID 名稱，以此訊息型式 probe 各頻道，收. 34.

(47) 到 probe request 的 APs 是不會回覆的。根據 802.11 標準[1] 基地台必須收到 probe request 內的 SSID 是「不指定特別 SSID 」或「所指定的 SSID 為基地台本身所使用的 SSID」，才可回覆 probe response。在送出一連串 probe request 均未收到任何 probe response 的回覆後，此無線區域網卡送出 2 ~ 3 次的 probe request，其內的 SSID 轉換為 NULL，此時其他的 APs 回覆 probe response。接下來發出的 probe request 訊息其 SSID 欄位又轉換為舊 AP 的 SSID 名稱，以這樣的行為推測，此無線區域網卡認為有可能只是短暫的訊號衰弱，所以一發現有其他 APs 回覆訊息，則認為原服務基地台可能還存在，因為所收到來自原服務基地台的訊號強度並未遞減，只是可能短暫斷訊，所以又再送出 probe request 訊息探查原服務基地台。從這可以看出此無線區域網卡對於要更換連線的網路是相當謹慎的，能夠不換就不更換。在送出多個 probe request 內含舊 AP 之 SSID 名稱的訊息後，仍未得到其他 APs 的回覆，則再變換 probe request 訊息欄位內的 SSID 名稱為 ANY，送出一連串此類型式的訊息後，新服務基地台回覆 probe response 訊息，此無線區域網卡也學習到新 AP 的 SSID 名稱，所以接下來發出 2 次 probe request 訊息，其內的 SSID 欄內也已改為新 AP 的 SSID 名稱。在這段時間耗費高達 11.195 秒，再次證明此無線區域網卡對於要更換至新的網路是非常審慎看待，所以利用各種方式來驗證舊有連線的網路確實已不存在後才會更換連線網路。 Ⅲ．Authentication 及 Association phase：此段時間共花費 0.110 秒。. 35.

(48) MN. AP1(WL1-CH6). 0. X. G.711 & RTS. 0.818 0.875. AP2(WL2-CH11). X. Probe Req(SSID=WL1) -ch6-b (. Probe Req(SSID=WL1) -ch11-b (70 times). X. Probe Req(SSID=NULL) -ch6-b (3 times) Probe Req(SSID=NULL) -ch11-b (2 times) Probe Res ACK. X. Probe Req(SSID=WL1) -ch6-b (54 times). Probe Req(SSID=WL1) -ch11-b (44 times) Link down. X. Probe Req(SSID=ANY) -ch6-b (54 times). 8.820 AddrChangeNotify (IP=0.0.0.0). Probe Req(SSID=ANY) -ch11-b (43 times) Probe Res ( 2 ~ 3 times) Probe Req(SSID=WL2) -ch6-b (2 times). 11.903. X. Probe Req (SSID=WL2) -ch11-b (2 times) Probe Res (2 times) ACK. 12.025 12.140 12.143. Auth & Assoc. Link up. Figure 4-5 Intel - Inter ESS (power off). ¾ Intra ESS (Figure 4-6) Ⅰ．L2 handoff detection phase：此段時間需要花費 0.815 秒。在此段時間裡，無線區域網卡與在 Inter ESS 的環境下的行為相同，同一個語音封包送出後若未收到原服務基地台 (WL1 )回覆 ACK，在重傳 5 次後則繼續傳送下一個語音封包。在這過程中 RTS 訊息也會被發送。 Ⅱ．Search phase：此 phase 裡，在送出 4 ~ 5 次的 probe request 訊息給各頻道後，收到新目標基地台回覆 probe response 後，則完成網路探查，繼續下一階段的工作。也表現出其在可連線網路的探查上較為保守，並非一有鄰近的 AP 回覆就結束探查的工作。 36.

(49) Ⅲ．Authentication 及 Association phase：此段時間共花費 0.118 秒。. Figure 4-6 Intel - Intra ESS (power off). 4.3.1.2 Z-Com 無線區域網卡以 Figure 4-7 及 4-8 說明在 Z-Com 的無線區域網卡裡，在 Inter ESS 及 Intra ESS 的無線網路環境下，不同 phase 佔用的時間及各 event 所發生的時間點。. ¾ Inter ESS (Figure 4-7) Ⅰ．L2 handoff detection phase：與 Intel 無線區域網卡相同，仍會耗費時間偵測是否需要作交遞。此無線區域網卡對於每一個語音封包會重送三次，接著嘗試淨空無線網路環境，連續送兩次 RTS 訊息。與 Intel 無線區域網卡相同，因 WL1 電源已被關閉，故均不會收到 WL1 的任何回應。語音封包與 RTS 訊息反覆交錯傳送，直到無線區域網卡認為需要作交遞。此段時間需要耗費 11.195 秒之久，與 Intel 無線區域網卡的 0.818 秒相較之下明顯的高出很多，顯見此無線區域網卡在偵測是否要作交遞是非常謹慎的，所以一再的確認原服務基地台真的已無法滿足其需求，才會觸發交遞。 Ⅱ．Search phase： 37.