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(II)

行政院國家科學委員會補助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(II）

※

※

※

※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※

計畫類別：■個別型計畫

□整合型計畫

計畫編號：NSC 89－2213－E－004－014－

執行期間：89年08月01日至90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

90 年

10

月

31

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(II)

Resear ch on Medium Access Contr ol and QoS Suppor t for Hybr id Ad Hoc Mobile Computer Networ ks

計畫編號：NSC 89-2213-E-004-014

執行期限：89年8月1日至90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：黃世奇、劉姿吟、涂建明、周易成

國立政治大學資訊科學系

一、中文摘要 隨著行動電話系統與Notebook等通訊裝置的成 長，能夠在外面的世界將電腦連接上網的需求也 就隨之提高，這樣也就是意味著無線時代的來 臨。無線網路最常見的形式是在辦公大樓附近放 置數個基地台，將整個空間規劃如一個蜂巢式系 統，則每個基地台功率涵蓋範圍便如同一個細 胞，然後再將所有的基地台串接在一起，如此一 來在這個蜂巢系統下的所有電腦就可以用無線的 方式相互連結上網，擺脫以往有線的佈線困擾， 而且每台電腦的行動性也大大的提升了。因此無 線網路的前景可說是相當被看好的。 但是無線網路仍有許多問題有待解決。最大 的問題之一就是傳輸速率方面。目前有線已經朝 向100 Mb/s甚至1或10 Gb/s邁進，而無線仍在11 Mb/s的傳輸速率；所以如何增加頻寬及有效運用有 限頻寬將是發展無線網路的重點之一。目前無線 網路使用的協定為IEEE 802.11這個protocol，但是 在行動電話系統方面MAC層使用的協定就有相當 多種，諸如TDMA、CDMA等等，在傳輸層使用的 不外乎TCP或UDP，這些協定如果使用在無線電腦 網路環境下的表現會是如何呢？若最終目的，我 們想要支援多媒體即時應用，那麼無線網路現有 相關的協定其對服務品質又會如何？另外在線的 backbone中如差別服務(DiffServ)，如何與我們無線 應用來配合，以達到end-to-end的服務品質。這都 將是我們所要研究的課題。此研究實驗結果，將 可指引我們未來在無線多媒體應用系統上提供有 價值的方向。 關鍵詞：無線區域網路、蜂巢系統、MAC、服務品 質、差別服務 Abstract:

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? In additions, for wired backbone, there are some mechanisms, e.g. DiffServ, to support QoS. How will they interact with our wireless application protocol in order to support end-to-end QoS. 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,

DiffServ 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[3]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 如上的架構，在無線區域網路內，有peer-to-peer或行動電腦至MG之通訊需求，為了確保 QoS，我們可針對在新的flow進入此無線區域網路 之前，先在入口處的node以當時網路流量狀況等 考量先計算是否有足夠的bandwidth滿足 request，這個步驟便是很重要的bandwidth calculation，完成後，若符合request就allow， 否則便直接reject，換句話說，我們在入口處做 admission control。 首先提到的是最重要的bandwidth calculation的部分，由於我們假設的網路架構是 multi-hop，所以我們先由最單純的one-hop開 始，再推論至2-hops，而超過兩個hop我們就運用 K-hop cluster-based dynamic source routing 的觀念假設此時k=2，推演下去。而每個node 在 做bandwidth calculation時，必須先聽自己傳輸 範圍內的node，判斷自己idle的時間，再各自去 看附近的link的signal strength去對之前判斷出 來idle的時間打折扣，最後需要考慮進去的就是 mobility的因素。 在bandwidth calculation的方面，我們將一 段時間訂成一個frame，將它分成許多timeslot， 計算每個node的idle slot來代表每個node bandwidth的使用情形。而首先我們在計算idle slot時假設在硬體方面是有辦法知道某一slot是 否idle的。 以下針對幾個情況分別詳加說明： 1. 1-hop: 如圖所示，若該slot為busy，表示當 時自己正在收或送packet，A idle的時候表示B不 送，但是B可能在收。在只有一個hop的情況下， A、B共同idle的slot就直接取A、B idle slot的 交集就好了。A、B便可透過這些slot來送、收 packet。 2. 2-hop: 如圖所示，在兩個hop的情況下，任兩 點bandwidth的計算是介於(兩點slot取交集/2)∼ (兩點slot取交集)之間。因此，我們可算出A、B 間slot交集bandwidth、slot交集/2 bandwidth， 也可算出B、C之間bandwidth的範圍。A、C之間 bandwidth的計算最保守估計便是取A、B及B、C slot交集/2 的交集；另外，我們還可分別計算取 slot交集和slot交集/2的交集的兩種情況下所得 的A、C bandwidth[4]。而之後還可以針對hop、 mobility及signal strength作修正部分的計算。 3. 3-hop或以上：我們預計用K-hop cluster-based dynamic source routing的方式，因為之 前討論到2-hop的情形，所以我們將k之值訂為2， 自己選定border node，在該cluster內便可用到 2-hop的情況下去決定該cluster的bandwidth。 利用以上的頻寬計算方法，除了用來作允入 控制外，也支援到相關服務品質的提昇，例如可 用來作bandwidth routing。以Bellman-ford routing為例：在每個node在廣播routing table 時，可順便交換彼此間idle slot的訊息。如圖所 示，

B告訴A它周圍可到達的點，如下： C 1 hop bandwidth D 1 hop bandwidth A 1 hop bandwidth(參考用，因A能自己算) A便能根據此訊息更新它的routing table，A的 routing table如下： 幾個hop 1-hop bandwidth Next hop B 1 hop Bandwidth B C 2 hops Bandwidth B D 2 hops Bandwidth B 除了在無線區域網路部份支援QoS外，若 要 提 供 end-to-end 的 QoS 就 必 須 考 慮 在 Wireless WAN或backbone部份也必須有適用無線應用相關 的服務品質機制。在此我們假設此Wireless WAN 及backbone部份採用DiffServ。而以無線環境的傳 輸來說，目前的傳輸成本仍然是遠大於有線環境 的封包傳輸，傳輸的成本包含了因為高遺失率造 成的重覆傳送、ISP連線費用等等，我們以α來代 表這些成本的總合為有線網路傳輸成本的α倍。因 此，在無線傳輸花費較高的情況下，我們認為有 必要提升行動主機所傳輸的資訊，在有線網路上 所配置的頻寬額度，以達到每個session的滿意度差 不多[1]。我們以下圖來說明： MH AP W4 W0 W1 W3 W2 Session 1

Source Traffic Rate: Γ1

Session 2 Source Traffic Rate: Γ2

Wireless Loss Rate: p Transmission Cost: α Transmission Rate: λ2 Transmission Rate: λ1 Transmission Rate: µ1 Transmission Rate: µ2 Γ1、Γ2分別代表行動主機和有線主機封包進 入第一個路由器（Router）的速率；λ1、λ2分別代 表行動主機和有線主機封包進入W0的速率；µ1、µ2 分別表示行動主機和有線主機封包通過W0速率。 我們定義了用來衡量的指標需求達成率及滿意度 如下： ( ) ( ) （１） 有線主機 最大可傳輸速率 無線主機 最大可傳輸速率 頻寬合理需求量 成功傳輸速率 需求達成率 ... , min , min 2 2 1 1        ⇒ ⇒ = = Γ Γ µ µ 成功傳輸速率代表接收端成功接收到封包的速 率，假設有線環境中的封包遺失率為0，在圖四 中，這個值相當於µ1、µ2；頻寬合理需求量代表這 個session所需要的傳輸速率，但是因為不可能毫 無限制的滿足頻寬需求，因此，我們將合理需求 量的上限訂為封包允許進入網路的最大速率。以 本例來說，Session 1可進入網路的最大速率為 2Mbps（受限於IEEE 802.11的規格），Session 2 可進入網路的最大速率為W4óW2的頻寬。 另一個指標：滿意度的定義如下：

( )

（２）

平均傳輸成本

需求達成率

滿意度

S

=

...

除了滿意度外，因為有線環境和無線環境不 同的特性，使得傳輸成本也必須列入考慮，因為 丟棄一個行動主機封包的代價，可能較丟棄一個 有線主機的代價多上許多，因此，必須要把平均 的傳輸成本反應在需求達成率上，我們稱之為滿 意度。 當W0處發生壅塞時（即λ1＋λ2＞µ1＋µ2時）， Session 1、2 的需求達成率分別為

_Γ

1 1

µ

、

_Γ

2 2

µ

假設 Session 2的Transmission Cost為1，則Session 1的Transmission Cost即為α，因此，兩者的滿意 度分別為

_Γ

α

µ

1 1 _、

Γ

2 2

µ

，我們的目標是讓兩個 Sessions的滿意度相等（比值為1），不致於偏坦 任何一方。即：

Γ

Γ

Γ

Γ

=

⇒

=

=

2 1 2 1 2 2 1 1

µ

µ

µ

α

α

µ

S

(

λ

)

λ

µ

αµ

_λ

( )

(

αµ

)

λ

_λ

λ 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 1 ₁ , ₁ 1 p p p − = = ∴ = − =

Γ

−

Γ

Q

(

)

_λ

λ

µ

µ

α

2 2 1 1

=

₁

−

×

×

⇒

p

µ1應該調高至µ2的

(

)

λ

λ

α

2 1

1

−

p

×

倍，讓兩個 Session的滿意度一致，達到我們的目標。 當無線環境為一個多跳接網路時，我們僅需 稍微修正我們的需求達成率定義為： ( )             ⇒ ⇒                = Γ Γ 有線主機 最大可傳輸速率 無線主機 連線數 基地台在無線網路下的 無線網路頻寬 如果為單跳接 如果為多跳接 無線網路頻寬 頻寬合理需求量 成功傳輸速率 , min , , 1 , 2 , min 2 2 1 1 µ µ 即可。

依照滿意度的定義：

Γ

Γ

Γ

Γ

=

⇒

=

=

2 1 2 1 2 2 1 1

µ

µ

µ

α

α

µ

S

(

λ

)

λ

µ

αµ

_λ

( )

(

αµ

)

λ

_λ

λ 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 1 1 , 1 1 n p n p p n − = = ∴ = − = −

Γ

Γ

Q

(

)

_λ

λ

µ

µ

α

2 2 1 1

=

₁

−

×

×

⇒

_n

p

亦即µ1應該調高至µ2的

(

α

)

_λ

λ

2 1

1

−

p

n

×

倍，才 能讓兩個Session的滿意度一致，以達到我們的目 標。 實驗結果，由下表中可以看出，經過我們的調整 後，兩個session的滿意度有接近的趨勢。 原始網路(S0) 修改後(SM) 滿意度（無線S1） 0.21 0.31 滿意度（有線S2） 0.71 0.41 比值(S1/S2) 0.3

0.76

表1：滿意度比較表。 最 後 再 簡 述 我 們 如 何 實 作 這 個 架 構 ， 礙 於 篇 幅 ， 僅 略 敘 如 下 [ 2]。 為 了 方 便 區 分 每 一 台 Notebook， 我 們 將 安 裝 MG的 Notebook稱 為 Romulan（ 192.168.0.1） ， 將 RedHat v7.0的 Notebook稱 為 Klingon （ 192.168.0.2） ， 安 裝 RedHat v6.1的 Notebook則 稱 為 Vulcan （ 192.168.0.3） 。 下 圖 為 某 次 實 驗 的 系 統 架 構 模 擬 圖 ： 我 們 開 發 了 建 構 此 架 構 的 控 制 協 定 ， 包 括 M G， 行 動 電 腦 註 冊 及 轉 送 mu l t i h o p 等 功 能 ， 另 外 也 包 括 支 援 mo b i l i t y 以 及 ro aming。 下 圖 及 實 驗 過 程 中 M G透 過 我 們 寫 的 GUI可 以 清 楚 知 道 目 前 的 t o p o l o g y情 形 。 四、計劃成果自評 未來我們將繼續將QoS相關之協定與routing的法 則實作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、黃世奇, “差別服務在支援行動應用 上的研究”, submitted to NCS 2001. [2] 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.

[3] ”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 網