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基于802.11WLAN的循环公平队列调度算法分析.pdf

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坠i至至三耋耋三耋竺兰竺丝圣Research 011 RoundRobin Fair Queuing Algorithmfor 802.11 WLANAbstractWith the rapid development of commercial computer networks,more andmore researchers have been studying on computer networks’Quality of ServiceQoS.The wireless LAN was the combination product of computer network andwireless communication technology in the l 990’S,It provided the access tonetwork via wireless channel,thus it could be a potential for the futuretelecommunicationmobility,personality and multimedia application,it alsocBxae to be all efficient broad.band wireless access mechanism.Researching onQoS based on IEEE802.1l MAC layer has become a very active field in recentyears.As a convenient communication .distributed wireless LANDWLANbecame more and more popular by the virtue of its inherentadvantages on flexible and rapid networking.The main task of medium accesscontrolMACprotocol is tO efficiently share limited wireless channel amongdistributed stations.Conventional MAC mechanism can hardly provide goodperance in a complex environment of distributed networks.Based onfairness perance analysis of 802.1 1DCF protocol,this dissertation focuseson fairness perance of MAC technologies for DWLAN.At the basis of any access to the channel in IEEE802.1l iS the SO.calleddistributed coordination functionDCFwhich adoptes BEB algorithm.DCF hasan advantage in increasing the network throughput,but it Can bring unfairnessamong different nodes.In short,when there are N network nodes competing witheach other,the backoff algorithm adopted by IEEE802.11 tries to adjust thechannel access attempt probability of each node such that it approaches theoptimaltheoreticalsuccess probability of 1/N,within the shortest possible timeinterval,thus effectively achieving very high throughput.When the traffic load is.III-竺垒至矍三奎茎兰竺三兰竺丝兰light.this achieves its goals perfectly.However,when the networktopology is not symmetric,the unfairness will be marked when the traffic load ishigh.Through analyzing BEB algorithm and MILD algorithm.a new algorithm ispresented.From the simulation resuR we can see the modi氚d back-offarithmetic can generally promote the fairness of lEEE802.1 1 WLAN.RoundRobin algorithmRRis a simple way to solve unfairness.WeightedRound-Robin arithmeticWRRCan not only solve unfairness but also supportweighted Differentiated ServiceDS.Combining the modifided algorithm withWRR arithmetic,this paper presents a new arithmetic which Call supportdistributed weighted Differentiated Service.To validate the algorithm,weanalyse the implementation of MAC layer in NS2 simulation system and pay/norattention to the implementation of BEB algorithm.We change BEBalgorithm with the imporoved algorithm,simulate the two algorithmsrespectively and implemente the simulation work.Based on the simulationresults,we analyse and compare two perance parameters of network,fairness index and throughput.The analysis presents that the modified algorithmcan not only improve the fairness of distributied WLAN but also implementDifferentiated Service function.Keywords WLAN,IEEE802.1 1,QoS,Fair queuing algorithm-IV-哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑藿声明此处所提交的硕士学位论文基于802IllwLAN的循环公平队列调度算法研究,是本人在导师指导下,在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期蜘独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作亨阮耘浑 日期沙ag年7月/争日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书基于902.11WLAN的循环公平队列调度算法研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕上学位期问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本,允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学町以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密口,在 年解密后适用授权书。不保密留。请在以上相应方框内打√作缝名拗璋导师魏彬 日期加诈岁月垆只日期缈5年;月∥日哈尔浓理T大学T学母卜学位论文1.1课题背景第l章绪论二十一世纪是以数字化、网络化和信息化为特征,且以网络为核心的信息时代。日益成熟和成型的知识经济以知识为基础,但它的发展在很大程度上取决于知识的发掘和积累。知识经济己成为推动生产力发展的巨大动力。知识经济的两个重要特点就是信息化和全球化。要实现信息化和全球化,就必须依靠完善的网络。因此,网络已经成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。网络对社会生活的方方面面以及社会经济的发展已经产生了不可逆转的影响,尤其以计算机网络发展最迅速且起到核心的作用。进入20世纪90年代,以因特网为代表的计算机网络得到了飞速的发展,已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络、民用网络,已经成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。随着商业化计算机网络的飞速发展,计算机网络服务质量QoS,QualityofService及相关问题越来越受到人们的关注。事实上,从计算机网络诞生开始,人们就一直孜孜不倦地致力于提高网络的服务性能和服务质量,因此,QoS问题实际上由来已久。目前,计算机网络的QoS问题已经成为国际网络研究领域最重要、最富有魅力的研究领域之一,并且和网络安全的问题一道被称为新一代计算机网络最重要的研究领域之一,对未来网络技术的研究、应用和发展具有举足轻重的意义。计算机网络QoS反映网络元素在保证信息传输和满足服务要求方面的能力。从矛盾论的角度来分析,QoS是用户与服务提供者之间的典型矛盾。如果QoS能够满足用户需求,则两者可维持良好的服务关系;否则,此种服务关系将被打破。随着高速网络技术和多媒体技术的飞速发展,人们越来越多地提出了包括多媒体通信在内的综合服务要求。当今分南式多媒体应用不仅包括文本数据信息,还包括语音、图形、图像、视频、动画这些类型的多媒体信息,而且这些多媒体信息越来越占主导地位。因此,多媒体信息传输与管理的QoS控制技术作为下一代网络的核心技术之一,是当前计算机网络中研究和开发的热点问哈自清理T大学T学绚}学付论文题。无线局域网WLANWLAN,Wireless Local Area Network是通信中新兴的一种方式,是有线网络的延伸,目前的主要应用是作为用户接入网络。顾名思义,无线局域网是一种利用无线方式提供无线对等如PC对PC、PC对集线器或打印机对集线器和点到点LAN到LAN连接性的数据通信系统。WLAN代替了常规L~N中使用的双绞线或同轴线路或光纤,通过电磁波或红外线发送和接收数据。无线局域网像许多新兴技术一样,有着自身的优缺点。无线局域网有很多优点,诸如可移动性、安装简易、安装费用低、网络维护更容易、可靠性商及故障检测迅速等。计算机网络现在已经成为日常商务运作中一个非常重要的组成部分,所以说受灾后能够使网络重新运转起来的能力至关重要。许多运营商都求助于无线局域网,将无线局域网作为灾后重建计划的主要方法。正是由于无线局域网有着传统局域网以太网无法具备的独特优点,使得无线局域网成为以太网的有力补充,有着属于自己的用户和市场。当然WLAN也存在着不足和缺点。就计算机网络的服务质量QoS而言,WLAN与传统有线链路网络相比还存在着差距。无线局域网目前正得到迅速推广,已经成为商用及家用互联网领域的一支重要的生力军。但是,WLAN在性能上还不能达到传统有线网络的水平,还存在某些不足和需要改进的地方【lI。WLAN目前得到应用比较广泛的技术是IEEE802.1lf2】家族,而IEEES02.1 l又是其他家族成员的基础。因此,我们将研究对象选定为IEEE802.1l WLAN。1.2无线局域网的发展及标准随着无线通信技术和因特网的飞速发展,人们对可携带、可移动的计算机或工作站的需求日益增长。无线局域网不仅可以实现许多新的应用,还可以克服线缆限制引起的不便性,解决某些特殊区域无法布线的问题。目前,无线局域网已经被广大用户作为无线接入宽带网络的一种重要方式来使用,很多场所都配置了WLAN,例如飞机场、大学校园、公司及商场等。1.2.1无线局域网的发展历史1971年夏威夷大学的ALOHANET研究课题首次将网络技术和无线电通信·2·哈尔演理T大学T学够}学p论文技术结合起来。ALOHANET通过星型拓扑结构实现了分散在4个岛上的7个校园内的计算机可以利用无线电方式和位于瓦胡岛的中心计算机通信,而不必使用低质高价的电话线路,且能提供双向数据通信。20世纪80年代,美国和加拿大的业余无线电爱好者和无线电报务员们设计并建立了终端节点控制器1NC,Terminal Node Conuoller,将分散的计算机通过无线发报设备连接起来。“INC工作起来就像现在的电话Modem一样,把计算机数字信号转换为无线电收发报机可以使用的无线电模拟信号,然后再利用分组交换技术通过广播信道发送出去Ⅲ。 ’1985年,美国联邦通信委员会FCC授权普通用户可以使用ISM频段,即工业、科技和医学频段,从而使得无线局域网向着商业化方向发展。ISM的工作频段在902MHz~5.85GHz。ISM频段为无线网络设备供应商提供了产品频段,更重要的是终端用户无需向FcC申请就可以直接使用设备。正是由于ISM频段对无线产业产生了巨大的积极影响,促进了无线局域网技术的发展。然而,在没有统一标准的情况下,供应商各自为政,都在开发私有的无线电设备,从而在一定程度上限制了无线局域网技术的发展。国际电气电子工程师协会IEEE802工作组负责局域网标准的开发,如以太网802.3和令牌环网802.5等。IEEE802.11工作组负责研究无线局域网介质访问控制和物理层规范。1997年11月26日,IEEES02.11标准正式发布。1998年各供应商推出了大量基于IEEE802.11标准的无线设备。尤其是刚刚进军无线市场的商家更是大力支持正EE802.1l标准,大力开发基于IEEES02.1l标准的产品。IEEE802.11产品的广泛应用带动了IEEE802.11系列标准的研究工作快速发展,促进了人们对无线局域网技术的研究。欧洲电信标准协会ETSI开展了HiperLANl4I标准的研究工作。1.2.2无线局域网标准标准,即协议,是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。其中,实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。无线接入技术区别于有线接入的一个显著特点是标准不统一,不同的标准满足用户不同的需求。正因为这样,使得无线接入技术出现了百家争鸣的局面。在众多的无线接入标准中,无线局域网标准更成为人们关注的焦点。wi.Fi是无线保真Witless Fidelity的缩写,其核心的WLAN目前正得哈尔{寄理T大学T学顾f学位论丈到迅速的推广。现有的WLAN标准有很多,例如IEEE802.1l系列、HomeRF、蓝牙BluetoothISl{6l、HiperLAN等。但是应用最为广泛的是IEEE802.11系列。1.IEEE802.11系列IEEE802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网杯准,主要用于解决办公室局域网和校园网中用户和用户终端的无线接入,业务主要局限于数据存取,速率最高能达到2Mbps。该标准中,射频传输标准是跳频扩频FHSS,Frequency Hopping Spread Spectrum和直接序列扩频DSSS,Direct SequenceSpread Spectrum,工作在2.4000GHz-2.4835GHz。在媒体接入控制MAC,Medium Access Contr01子层中使用载波侦听多路访问/冲突避免CSMA/CA协议,处理数据业务是采用RTS.CTS.PKT-ACK方式。由于它在速率和传输距离上部不能满足用户日益增长的需求,IEEE又相继推出了802.1lb[71、802.1latSl、802.1Igt9L、和802.1letlol等新标准。IEEE802.1lb工作于2.4GHz频带,调制方式采用直接序列扩频方式和补码键控CKK,物理层支持5.5Mbps和llMbps两个新速率。它的传输速率可因环境干扰或传输距离而变化,在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps之问切换。在2Mbps、lMbps速率时可与IEEE802.11 DSSS系统交互操作,但不能与1Mbps和2Mbps的802.1l FHSS系统交互操作。IEEE802.1la工作于5GHz的频带,它采用正交频分复用OFDM技术,物理层速率可达54Mbpst“】,这就基本满足了现行局域网绝大多数应用的速度要求。而且,对数据加密方面,采用了更为严密的算法。但是,IEEE802.1la芯片价格昂贵、空中接力不好、点对点连接很不经济。空中接力就是较远距离点对点的传输。需要注意的是,IEEES02.1lb和工作在5GHz频带上的IEEE802.1la标准不兼容。2002年11月15日,IEEE试验性地批准了一种新技术IEEE802.1lg,使无线网络传输速率可达.54Mbps。802.1lg是对802.1ib的一种高速物理层扩展,同802.1ib一样,802.1lg工作于2.4GHz的ISM频带,但采用了OFDM技术,可以实现最高54Mbps的数据速率,与802.1la相当并且较好地解决了WLAN与蓝牙的干扰问题。802.119与已经得到广泛使用的802.11b是兼容的,这是802.119相比于802.1la的优势所在。802.1lg于2004年6月12目正式定案。802.11、802.1lb、802.11a和802.1lg四种标准对比情况见表lI。在媒体接入控制MAC层,802.11、802.1lb、802.1la、802.119这四种标准均采用载波侦听多路访问,避免冲突CSMA/CA,这有别于传统以太网上的冲呛尔滓理T大学T学母卜学位论文突检测CSMA,CD。由于在射频传输网络中冲突检测比较困难,所以该协议采用改进后的避免冲突检测代替在802.3协议使用的冲突检测,使用信道空闲评估CCA算法来决定信道是否空闲,通过测试天线口能量和决定接收信号强度来完成。CSMA/CA使用RTS、CTS和ACK帧减少冲突。cSM~CA相关内容是在802.1l标准中定义的,802.1lb、802.1la、802.1lg等标准直接沿用。802.1l是MAC层标准的基础,在此基础上,为了满足在安全性、QoS等方面的进一步要求,IEEE相继提出了802.1ie、802.11f021、802.1lit”1等标准。802.1le主要用来解决802.11网的QoS服务质量特性。它不像以太网那样采用MAC层,而是采用时分多路接入TDMA技术,并且对重要通信增加额外纠错功能。802.11e主要体现在两项基本内容一个是增强的分布式协调功能EDCF,它使重要客户端的传输更优先;另一种是混合式协调功能HCF,它以一种有标记通过方式支持确定和或然的混合信道访问。此外,还有802.11f主要解决802.11在网J 日J互连方面存在的不足。用户在两个不同的交换网段无线信道或两种不同类型无线网的接入点问进行漫游时,如何更好地维护网络连接,使WLAN具备与蜂窝电话相同的灵活性是该标准的主要任务。802.1li是为了解决WLAN的安全认证问题而制订的新安全标准。802.IIn是新~代高速WLAN新规范,数据传输速率可达到500Mbps。表1一l WLAN相戈标准比较Table l~1 Comparation ofseveral WLAN protocols802.】l 802.1】b 802.1la 802.1lg频带 2.4GHz.900MHz 2.4GHZ 5GHz 2.4GHz物理层 DSSS,FHSS,IR DSSS OFDM OFDMMAC层 CSMA,CA CSMA,CA CSMA,CA CSMA,CA传输速率 1.2Mbps 1,2.5.5,l lMbps 最高丛54Mbps 最高达54MbpsDPSKrfor DSSS DBPSK BPSK编码调制 CCKGFSKfor FHSS DOPSK CCK OPSKQAM府用较广主要优点 通信距离较远 传输速唪高 传输速率高通售距离较远对f某些紧急 当距离较大时共主要缺点 传输速率低 通信距离短席目速率不够 存的网络数受限2.802.t5IEEE802.15短距离无线接入标准就是人们所熟悉的蓝牙Bluetooth,是一项最新标准,它同样工作在2.4GHz频段。对于802.11来说,它的出现不是为了竞争而是相互补充。蓝牙比802.1l更具有移动性,它不完全局限于办公室和校园内,能把一个设备连接到LAN和WAN,甚至支持全球漫游。蓝牙设备哈笨谤理T大学T学够}学拈论文具有功耗小、成本低、体积小和连接方便等突出优点,只是在通讯距离和速率上较802.11稍逊一筹,通讯距离只有10m,传输速率仅为lMbps。3.HomeRFHomeRF是Intel力推的一种家用无线网络标准,是IEEE802.11与增强型数字无绳通信技术DECT,Digital Enhanced Cordless Telephony的结合当进行数据通信时,采用IEEE802.11规范中的TCP/IP传输协议当进行语音通信时,则采用DECT标准,主要特点是可以降低语音数据成本。HomeRF也工作在2.4GHz频段,能同步支持4个高质量语音信道,但是其传输速率只有l一2Mbps。4.HiperLANHiperLAN由ETSI提出,其系列包括四种杯准HiperLAN/l、HiperLAN/2、户内无线骨干网标准HiperLink以及为户外访问有线基础设备的标准HiperAccess。目前应用较多的是HiperLAN/2,其工作频率为5GHz,采用OFDM物理层和TDMA/TDD工作方式,传输速率最高可达到54Mbps。HiperLAN/2与802.1la性能相似,主要区别在MAC层。由于HiperLAN只是在欧洲范围应用较多,而且产品推出较慢,影响力远不及IEEE802.11系列。1.3无线局域网的MAC技术研究计算机和网络领域都从标准中受益。谁最先制定出相对合理的、有说服力的标准,就掌握了主动权,就可以在技术发展领域处于领先地位。国际标准化组织ISO开发的OSI七层模型说明了计算机之间数据通信所必需的独立功能块。无线局域网所关注的部分主要是OSI模型的最低两层,即物理层和数据链路层It41[”l。数据链路层通常又可分为两个子层媒体访问控制MAC子层和逻辑链路控制LLC子层【”】。当网络节点共享输入或者输出端口时,由于瓶颈效应,业务流之『B】势必会发生冲突而需要排队等待调度处理,相应协议的队列调度算法按照一定的服务规则对交换节点共享的端口的不同输入业务分别进行调度,使得所有的输入业务流能够按照预定的方式共享交换节点的带宽资源。有线分组网络中的队列调度算法的研究”1已经取得了很大发展,在一定范围内可以对一条有线链路进行特定的带宽分配。WLAN的一个显著特点就是没有统一的队列,所有的队列部分布于各个无线终端上,而需要调度分配的就是各交换节点共享的无线链路带宽。呛尔浩理T大学T学野卜学付诒史正是由于WLAN的这个特点,使得在队列调度过程中存在公平性问题,从而导致各节点发送数据流的带宽存在很大差异。公平性问题作为网络的一项重要QoS指标,尤其是作为无线局域网的Qos指标,越来越引起人们的关注。所以,保证和控制无线局域网的公平性就显得尤为莺要。它必将成为无线局域网优点得以发挥的有力保障,促使无线局域网得到更广泛的应用。对无线局域网QoS问题,尤其是公平性问题的研究十分有必要。无论是理论分析上,还是技术创新上,都需要我们努力去探讨和研究。wLAN的资源调度功能是在MAC层实现的,所以,当前关于WLAN调度算法公平性问题的研究大部分是基于MAC的。在WLAN网络中,无线介质由多节点共享,控制节点对介质的访问是MAC需要解决的问题。同有线网络相比,无线信道的带宽资源相对贫乏,性能良好的MAC机制不仅能使无线信道资源得到充分利用,同时MAC还会影响到上层协议的性能如TCP[”1的性能1191I”、路由协议的性能等,也是无线WLAN网络支持QoS的关键。因此,研究WLAN的MAC机制具有重要的意义。当前人们研究比较多的是工作在无中心控制下无线局域网的MAC层机制。无中心无线局域网络的特点要求MAC机制不能依赖于某固定节点,因此,集中式的MAC机制不适合此种网络,无中心WLAN的MAC机制必须分布实施。然而,无中心WLAN的固有特点隐终端/显终端问题1211I”1、共享信道、信道带宽具有空间再用性口≈等使得设计高效的无线局域网MAC机制具有很强的挑战性,尤其是既能充分利用无线信道的带宽资源同时又能使竞争无线信道的节点公平共享无线信道的MAC机制,以及提供服务质量保证的MAC机制。IEEE802.11是较早提出的无线局域网标准。802.11系列的其他标准以及许多WLAN标准都直接或间接、全局或局部地受到802.“标准的影响。因此,对802.1l标准的研究工作在研究无线局域网技术方面有着重要的意义。1.3.1几种重要的MAC机制现有的MAC层协议如CSMAC24I、MAcN2甜、FAMA/蚓等都使用二进制指数退避BEB,Binary Exponential Back-off策略。在这种策略中,每个节点都有一个计数器,冲突各方的竞争窗口CWContention Windows都按2倍增大;每当成功发送一次,竞争窗口则一次性退到最小值。这种策略在高负载
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