CC BY
49
DOI 10.36622^Ти.2020.16.5.006 УДК 004.7
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАРАНТИРОВАННОЙ ДОСТАВКИ ТРАФИКА В КОРПОРАТИВНЫХ БЕСПРОВОДНЫХ ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ
Л.И. Абросимов, М.А. Руденкова, Х. Хаю
Национальный исследовательский университет "МЭИ", г. Москва, Россия
Аннотация: целью работы является повышение качества обслуживания мультимедийного трафика в корпоративных беспроводных локальных вычислительных сетях за счёт средств, обеспечивающих согласование интенсивности мультимедийного трафика и производительности беспроводной локальной вычислительной сети. Для достижения поставленной цели установлены зависимости математического ожидания времени обслуживания пакета с помощью дискретно-событийного моделирования для заданных структур беспроводной локальной вычислительной сети. Разработана аналитическая модель беспроводной локальной вычислительной сети и получены математические соотношения для расчёта гарантированной интенсивности мультимедийного трафика. С помощью дискретно-событийного моделирования и полученных математических соотношений установлены зависимости гарантированной интенсивности мультимедийного трафика для заданных параметров структуры беспроводной локальной вычислительной сети, параметров беспроводного канала связи и канальных протоколов управления доступом
Ключевые слова: корпоративные беспроводные локальные вычислительные сети, протоколы управления доступом, оценка производительности, качество обслуживания
Введение
Корпоративные беспроводные локальные вычислительные сети (БЛВС) используют ресурсы беспроводного канала связи (БКС) стандарта IEEE 802.11 для передачи трафика сетевых приложений пользователей. В различных корпоративных вычислительных сетях БКС используют в режиме «последней мили», которая обеспечивает подключение пользователей к информационно-вычислительным ресурсам корпорации и/или Internet.
В настоящее время различные организации и отдельные пользователи активно используют передачу мультимедийной информации (аудио- и видеоинформация, видеоконференции, системы удаленного присутствия, управление удаленным рабочим столом, видеоконтроль и т.п.).
Мультимедийный трафик (ММТ) требует средств, обеспечивающих гарантированное время доставки пакетов ММТ, которое является отличительным признаком систем реального времени (РВ).
Протоколы канального уровня для беспроводного кала связи (БКС) осуществляют доступ (конкурентный или с разделением времени) пакета к единой среде передачи данных БКС, доставку пакета данных и подтверждение обмена данными. После осуществления доступа пакета ММТ к БКС в соответствии с сетевым
протоколом осуществляется передача пакета ММТ от пользователя к получателю. По мере роста интенсивности ММТ возникает очередь к БКС, из-за ожидания в которой возрастает время доставки пакета ММТ получателю. Если время доставки пакета ММТ, включающее ожидание, превышает величину гарантированного времени доставки, то пакет не передается, исключается из очереди и фиксируется как недоставленный.
Необходимость гарантированного обеспечения доставки пакетов обусловила появление у IT-специалистов термина QoS (от англ. Quality of Service «качество обслуживания»). В области компьютерных сетей термином QoS называют способность сети обеспечить необходимый сервис заданному трафику в определенных технологических рамках. В узком техническом значении этот термин означает набор методов для управления ресурсами пакетных сетей [1]. Для большинства случаев качество связи определяется следующими четырьмя параметрами:
• скорость передачи информации (Bitrate), описывает номинальную пропускную способность среды передачи информации. Зависит от ширины полосы пропускания канала связи (Гц) и отношения сигнал/шум. Измеряется в bit/s (bps), kbit/s (Kbps), Mbit/s (Mbps), Gbit/s (Gbps);
• задержка при передаче пакета (Delay), измеряется в миллисекундах;
© Абросимов Л.И., Руденкова М.А., Хаю Х., 2020
• колебания (дрожание) при передаче пакетов — джиттер (Jitter);
• потеря пакетов (Packet loss). Определяет количество пакетов, потерянных в сети во время передачи.
Практический интерес представляет качество интегрированного обслуживания, которое согласно RFC 1633 оценивает сквозное (End-to-End) качество обслуживания большого количества терминальных станций, подключенных к БКС, гарантируя необходимую пропускную способность [2].
Проблемы определения численных значений параметров качества интегрированного обслуживания ММТ возникают при учёте функциональных особенностей БЛВС. БКС для передачи пакетов ММТ от нескольких пользователей использует единую среду передачи данных, которая зависит от ширины полосы пропускания канала связи, а также:
• количество одновременно функционирующих пользователей БЛВС может изменяться в широких диапазонах;
• интенсивность пакетов ММТ, поступающего в течение суток от каждого функционирующего пользователя, может изменяться в широких диапазонах, образуя существенные кратковременные перегрузки;
• протоколы управления доступом реализуют временное разделение времени обслуживания, пакетов, которые поступают от пользователей;
• протоколы управления доступом определяют пакеты, необслуживаемые из-за превышения допустимого времени обслуживания пакетов ММТ.
Научный интерес к стандарту IEEE 802.11 сохраняется и в настоящее время, что подтверждается большим количеством научных работ, посвященных аналитическому моделированию беспроводных сетей и оценке их производительности в различных условиях. Однако особенности функционирования БЛВС при оценке их производительности до сих пор учтены недостаточно полно. Большое количество публикаций свидетельствует об актуальности проведения исследований в этой области [3-10]. Проведенный анализ позволяет разделить публикации на две группы. Первая группа исследований посвящена анализу производительности беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11 для условий максимальной нагрузки (насыщенное состояние сети) при предполагаемой идеальности характеристик БКС (отсутствие шумов, по-
мех и других мешающих радиосигналов в сети) [3-5]. Другая группа исследований пытается выйти за границы идеальной модели, учесть изменение настраиваемых параметров канального уровня стандарта IEEE 802.11 и повысить производительность БЛВС [6, 7, 10]. Обе группы исследований используют описание процесса функционирования беспроводной сети стандарта IEEE 802.11 и математическую модель, базирующуюся на аппарате цепей Маркова с дополнениями, которые отражают описания состояний функциональных расширений. В качестве модели поведения станции стандарта 1ЕЕЕ802.11 (с точки зрения процесса поступления пакетов и их обслуживания) используются модели СМО M/M/1/ы [3-5] или М/G/1/^[6-7], которые не рассматривают возможность отказа обслуживания пакетов при превышении допустимого времени обслуживания. Разработка и анализ новых моделей и методик для определения гарантированной интенсивности ММТ реального времени, учитывающих такие функциональные особенности, как единая среда передачи данных, возможность изменения в широких диапазонах интенсивности поступающих пакетов ММТ, учета параметров протокол управления доступом, регулирования допустимого времени обслуживания пакетов ММТ -позволят более точно оценивать показатели их производительности как при проектировании новых, так и при модернизации существующих БЛВС.
Целью исследований, результаты которых представлены в настоящей статье, является повышение качества обслуживания мультимедийного трафика реального времени за счет разработки средств, обеспечивающих согласование интенсивности мультимедийного трафика и производительности корпоративной беспроводной локальной вычислительной сети.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. С помощью системы дискретно-событийного моделирования Network Simulator NS-3 получены зависимости математического ожидания времени обслуживания пакета ММТ ( TDCF и TpCF ), учитывающие параметры канальных протоколов управления доступом DCF и PCF для заданных структур БЛВС.
2. Получена аналитическая зависимость гарантированной интенсивности мультимедийного трафика реального времени от требуемого времени доставки, параметров: структуры БЛВС, БКС, канальных протоколов
управления доступом DCF и PCF, которая использует модифицированную модель M/G/1/S.
3. Используя полученные математические соотношения и систему дискретно-событийного моделирования Network Simulator NS-3 установлены зависимости гарантированной интенсивности мультимедийного трафика реального времени ( UDCF и UPCF ) от параметров: БКС, канальных протоколов управления доступом DCF и PCF для заданных структур БЛВС.
Расчёт вероятностно-временных характеристик беспроводной локальной вычислительной сети
Для расчёта вероятностно-временных характеристик беспроводной локальной вычислительной сети (БЛВС) стандарта IEEE 802.11, содержащей точку доступа AP (от анг. Access Point) с установленным протоколом доступа к беспроводному каналу связи (БКС), сервер Server (мультимедийные корпоративные ресурсы корпоративной ЛВС) и к беспроводных терминальных станций к = 1, К пользователей STA (от анг. Station), которые соединены БКС стандарта IEEE 802.11 (см. рис. 1), требуется разработать математическую модель СМО с отказами и ограниченной очередью класса M/G/1/s, в которой принято экспоненциальное распределение времени поступления пакетов Хк, от каждой STA и настраиваемое время обслуживания пакетов, один обслуживающий прибор (БКС), использующий очередь длиной s, зависящей от количества терминальных станций.
Ш
Акм
Server(LAN& I n te rue t )
Iш ,
-"Я
БКС IEEE 802.11
a
a
""1 STÂk
a
Рис. 1. Беспроводная локальная сеть
Характеристики беспроводной локальной сети
Передача информации на канальном уровне осуществляется пакетами переменной длины, упакованными в кадры IEEE 802.11.
При построении моделей используется математическое ожидание длины /П пакета, измеряемой в [бит/пакет], либо 1Б в [байт/пакет].
Основными параметрами трафика, который поступает на входы БКС от пользователей, является интенсивность Хк [пакет/с] поступления пакетов на вход БКС от k-й беспроводной станции пользователя (к = 1,К), где К количество беспроводных станций пользователей (Як+1 — интенсивность поступления пакетов на вход БКС от Server). Интенсивность Хк определяет интервал времени вк между поступлениями пакетов на вход БКС от k-й беспроводной станции пользователя:
0*=Тк [с].
(1)
Суммарная интенсивность Л поступления пакетов сетевых приложений пользователей на вход БКС равна:
К+1
Л = ^Як [пакет/с].
(2)
к=1
Особенность мультимедийного трафика состоит в том, что на вход БКС поступает от *-й беспроводной станции пользователя трафик с интенсивностью Хк, а на выходе БКС имеет трафик с интенсивностью и*. При этом часть трафика с интенсивностью А Хк , у которого время обслуживания и ожидания пакета превышает некоторое гарантированное время Тгар доставки, не обслуживается (теряется):
Хк = пк + АХк . (3)
Суммарная интенсивность Л входящего трафика БЛВС разделяется на поток доставленного трафика с интенсивностью и и поток не обслуженного (потерянного) трафика с интенсивностью АЛ:
А = и + АА . (4)
Интенсивность А А потерянного трафика равна произведению вероятности РП потери (отказа обслуживания) и суммарной интенсивности А входящего трафика БЛВС:
АЛ = РП • Л . (5)
Параметры производительности беспроводного канала связи
Основным ресурсом БКС является пропускная способность С, измеряемая в [бит/с], либо СБ - в [байт/с], либо СП - в пакетах [пакет/с] длиной /П .
Пропускная способность С определяет время т передачи одного бита, измеряемое в [с].
т=- (6)
с
Базовым параметром производительности БКС для трафика в виде непрерывной последовательности пакетов ММТ длиной I = 1^ата , поступающих на вход БКС только от одного пользователя, без использования специального протокола управления доступом к БКС, используется интенсивность д1 [пакет/с] обслуживания БКС [пакет/с], равная пропускной способности Сп - в пакетах [пакет/с] длиной /п .
В этом режиме передачи пакетов коллизии не возникают. Интенсивность д1 связана с математическим ожиданием времени 1ОАТА обслуживания (передача без ожидания в очереди) одного пакета следующим соотношением:
, = 1 (7)
1ОАТА — ~Т.
И1
При использовании ресурсов БКС, в котором выполняются функции канального протокола управления доступом (КП), разделяющие единую среду передачи данных между многими потоками, время Гкп определяется не только временем ЬОАТА занятости БКС передачей пакета с данными, но и временем ¿кп занятости БКС выполнением функций канального протокола (КП):
ТКП = ^йАТА + ¿КП. (8)
Параметром, характеризующим производительность БКС и учитывающим канальный протокол управления доступом (КП), является интенсивность ц1 КП обслуживания пакетов в
единицу времени:
д1 = — (9)
И КП _ т .
' К П
Для оценки общей загруженности ресурса БКС используется нормированный безразмерный коэффициент а интенсивности входного трафика, равный отношению суммарной интенсивность Л поступления пакетов сетевых приложений пользователей на вход БКС и интенсивность дКп :
а =
Л
Мкп
(10)
Для оценки загрузки ресурса БКС полностью обслуженным (доставленным) трафиком используется коэффициент р загрузки БКС:
т (11)
¡К"
Р =
U ^КП
= U
!КП .
При использовании канальных протоколов (КП) управления доступом время обслуживания зависит от механизма управления доступом и параметров используемого канального протокола управления доступом к БКС.
Определение времени доставки пакета по беспроводному каналу связи
Задача исследования данного раздела формулируется следующим образом. Для БКС, рассматриваемому как одноканальная СМО, требуется установить зависимость времени Тш конкретного канального протокола, которое затрачивает БКС на доставку пакета ММТ, от известных паспортных характеристик БКС и функциональных характеристик канального протокола доступа к БКС.
Для определения времени доставки пакета ММТ разработан стенд БЛВС (рис. 1) с использованием средства для дискретно-событийного моделирования, в качестве которого выбран Network Simulator ns-3[11], адекватность данного средства подтверждена сравнением с множеством аналитических моделей [11-16].
Канальный протокол распределённого управления доступом к беспроводному каналу связи
Протокол распределенного управления доступом DCF (от анг. Distributed Coordination Function) - базовый канальный протокол доступа к БКС в стандарте IEEE 802.11[17]. Базовый механизм протокола DCF позволяет снизить вероятность коллизий при передаче данных несколькими станциями с помощью случайного времени отсрочки доступа к БКС и кадров подтверждения успешной передачи. Станция, успешно принявшая кадр, содержащий информационный пакет, спустя короткий интервал SIFS немедленно отвечает положительным подтверждением ACK. Явная передача АСК необходима, поскольку в беспроводной среде передатчик не может определить, успешно ли получен его пакет или нет, основываясь лишь на прослушивании канала (контроля несущей).
Для определения зависимости математического ожидания времени обслуживания пакета ТОСР(Л) и дисперсии времени доставки пакета °dcf (Л) от интенсивности трафика ММТ и заданной конфигурации БЛВС приняты параметры БКС IEEE 802.11g, используемые при проведении моделирования и представленные в табл. 1.
Таблица 1
Параметры БКС IEEE 802.11g для протокола DCF
Канальный протокол централизованного управления доступом к беспроводному каналу связи
Протокол централизованного управления доступом PCF (от англ. Point Coordination Function) - опциональный канальный протокол доступа к БКС. При использовании данного протокола точка доступа AP может стать PC (Point Coordinator) и использовать механизм централизованного опроса беспроводных станций.
Для определения зависимости математического ожидания времени обслуживания таТрСр(Л) и дисперсии времени доставки пакета ^рСр(Л) от интенсивности трафика ММТ и заданной конфигурации БЛВС приняты параметры БКС IEEE 802.11g, используемые при проведении моделирования и представленные в табл. 1 и в табл. 2.
Таблица 2
Наименование парамет- Значение
Ра
Размер 1пата пакета 1500 байт
Размер АСК 14 байт
Временной интервал 16 мкс
SIFS
Временной интервал 34 мкс
DIFS
Временной интервал ас 9 мкс
(тайм-слот отсрочки)
Количество т повтор- 7
ных попыток передачи
пакета
Размер W0 минималь- 15
ного окна конкуренции
Размер Wmax макси- 1023
мально допустимого
окна конкуренции,
Пропускная способ- 54 Мбит/с
ность С БКС
Количество К беспро- 4
водных станций пользо-
вателей
Интенсивность Л вхо- [250 - 12000] паке-
дящего трафика тов/с
Параметры БКС IEEE 802.11g для протокола PCF
Наименование параметра Значение
Размер 1пАтА пакета 1500 байт
Кадр опроса CF-Poll 20 байт
Пропускная способность 54 Мбит/с
БКС С
Количество К беспровод- 4
ных станций пользовате-
лей
Интенсивность Л вхо- [250 - 12000] паке-
дящего трафика тов/с
и а H
0 0003
0 0002 5
0 0002
0 00015
0 0001
п
V <Р V V V <f <Vb <9 ^VVW5
Л
Рис. 2. Зависимости математического ожидания времени обслуживания пакета Тоср (Л) от интенсивности
трафика ММТ для БКС с протоколов DCF
1,36E-08 1,34E-08 1,32E-08 1,3E-08 1,28E-08 1,26E-08 1,24E-08 1,22E-08 1,2E-08
л
Рис. 3. Зависимости дисперсии времени доставки пакета от интенсивности трафика ММТ
для БКС с протоколов DCF
0,0009 0,0008 0,0007 0,0006 ь 0,0005
и '
H 0,0004 0,0003 0,0002 0,0001 0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47
л
Рис. 4. Зависимости математического ожидания времени обслуживания пакета TDCF(A) от интенсивности трафика
ММТ для БКС с протоколов PCF
Рис. 5. Зависимости дисперсии времени доставки пакета o^CF(A) от интенсивности трафика ММТ
для БКС с протоколов PCF
0,0000003
2,5E-07
0,0000002
1,5E-07
0,0000001
5E-08
0
Ф ^ $ ¿р ¿р ¿р $ £ ф ¿р ф ¿р ¿р л g ¿р
л
Аналитическая модель для определения гарантированной интенсивности мультимедийного трафика беспроводной локальной вычислительной сети
Задача раздела формулируется следующим образом. Для БЛВС с характеристиками, изложенными в разделе «Расчёт вероятностно-временных характеристик беспроводной локальной вычислительной сети» и известными параметрами: ТОСР(Л) и ТРСР(Л) , дисперсией и Стрср-(Л), требуется модифицировать модель класса МЮ/Ш и получить зависимость предельной интенсивности трафика, обеспечивающего гарантированное время доставки пакетов. При этом количество мест в очереди 5 принимается равным: 5 = 1 + (к + 1) • 2, где (к + 1) - места в очереди для пакетов ММТ от к беспроводных станций и точки доступа, конкурирующих за доступ к БКС, еще (к + 1) — места в очереди для пакетов, которые ожидают доступ к БКС, но еще не конкурируют за БКС и находятся в буфере к беспроводных станций и точки доступа, и одно дополнительно место для пакета ММТ, который может получить доступ к БКС без конкуренции, случайно.
Классическая модель СМО класса М/М/1^ в качестве базовой модели БЛВС рассматривает БКС как одноканальную СМО с ограниченной очередью, содержащую мест.
В процессе функционирования модель может находиться в I - состояниях ( £ = 0 - (5 + 1) ):
Состояние г = 0 - БКС свободен, в очереди 0 пакетов
Состояние г = 1 - БКС занят обслуживанием пакета, в очереди 0 пакетов
Состояние г = 2 - БКС занят обслуживанием пакета, в очереди 1 пакет (5 = 1)
Состояние г БКС занят обслуживанием пакета, в очереди г — 1 пакет (5 = г — 1).
Состояние г = (5+1) - БКС занят обслуживанием пакета, в очереди S пакетов
Для классической модели СМО класса М/М/1^ формулы для расчета вероятности состояний имеют вид:
Рг (г = 0 - (5 + 1) состояний равны: _ 1
Ро = 1+ а + а^а* (12)
а
Рл =-
1 1 + а + а ££=1 ак
а аБ
?1+5 = 1+ а + аЕ^а* Авторами проведен детальный анализа работ Хинчина [18] и Полячека [19] по выводу и современному обоснованию Клейнрока Л. [21] и Вишневского В.М. [22] и другой формулы, которая отображает зависимость количества сообщений в системе от параметров: А, р, С|,ст2 - для модели класса МЮ/1/да. В результате анализа установлено правило модернизации модели М/М/1^ в модель
Чтобы от модели М/М/1Л перейти к модели М^/1^ необходимо каждый квадрат коэффициента загрузки (р2) обслуживающего прибора умножить на коэффициент у :
(1 + Ф (1 + |г) (13)
где Св2 - коэффициент вариации времени обслуживания пакета в обслуживающем приборе;
о2 - дисперсия времени обслуживания пакета в обслуживающем приборе, моделирующем БКС;
¿2 - квадрат математического ожидания времени обслуживания пакета в обслуживающем приборе.
При определении может получиться как нечётное, так и четное число. Поэтому для компактной записи формул, описывающих состояния в полученной модифицированной модели разобьем множество I индексов состояний на 2 подмножества: подмножество II индексов нечётных состояний и подмножество 21 индексов чётных состояний.
/ = 1/и2/ (14)
Тогда вероятности состояний, соответствующие модифицированной модели равны:
i-i
Pi3 11 —
aLy 2
¿31/ - ¡_1
£¿31 ¡alY2 +Si32/«IK2 (15.1)
Pi37l —
aly2
¿32/ - ^
IliBliaiy2 +£¿32 ¡а1у2
(15.2)
Формулы расчета вероятностей состояний (15) позволяют найти математическое ожидание количества п пакетов в системе:
¿•Рг. (16)
1 = 1
При этом, если количество мест в очереди S всегда нечётное, то количество состояний -
S+1 четное, подмножество — (I = 11) тогда:
г-1
а1у 2
(17)
1=11 ~ ы I
Z,i3iialy 2 +£¿32/«'К2 Интенсивность u обслуженных (доставленных) пакетов:
и,=1' . ы ^ (18)
а1у 2
— Л1 1
i-1
£¿31/^7 2 +^32/«гК2 Гарантированное время доставки пакета ММТ (время в очереди + обслуживание) Тф:
■ п Тф — —. u
Гарантированная интенсивность иф , обслуживающая одновременно К + 1 потоков
трафика пакетов определяется соотношением: — ^ (20)
Анализ функциональных характеристик беспроводной локальной вычислительной сети
Используя результаты моделирования из раздела «Определение времени доставки пакета по беспроводному каналу связи» и полученные математические соотношения из раздела «Аналитическая модель M/G/1/s, для определения гарантированной интенсивности мультимедийного трафика беспроводной локальной вычислительной сети» установлены зависимости гарантированной интенсивности мультимедийного трафика реального времени UDCF и UPCF от параметров: БКС, канальных протоколов управления доступом DCF и PCF для заданных структур БЛВС (К — 4).
На рис. 6 показана зависимость обслуженных пакетов от интенсивности трафика ММТ для КП = [DCF, PCF] полученная с помощью Network Simulator ns-3.
Используя зависимости рис. 2 - 5 и расчётные соотношения (13), (16), (17), (19), получена зависимость гарантированного времени доставки пакета ММТ на рис. 7 для КП = [DCF, PCF]. При этом допустимая задержка пакетов ММТ для приложений систем видеоконференции составляет до 400 мс [1], т.е. при превышении интенсивности трафика ММТ Л > 6000 , использование протокола DCF приведет к сбоям и снижению качества работы приложения для системы видеоконференции.
Используя зависимости рис. 2 - 5 и расчётные соотношения (13), (16), (17), (19), (20), получена зависимость гарантированной интенсивности иф на рис. 8 для КП = [DCF, PCF]. Полученная зависимость позволяет установить гарантированную интенсивность трафика, в данном случае для приложения системы видеоконференции данное значение характеризует параметры передаваемой картинки.
VCF ■
и PCF
6000 Л, [packet's]
Рис. 6. Зависимость интенсивности обслуженных пакетов от интенсивности трафика ММТ для КП = [DCF, PCF]
Рис. 7. Зависимость гарантированного времени доставки пакета ММТ от интенсивности трафика
ММТ для КП = [DCF, PCF]
Например, для повышения качества изображения при Л > 6000 для протокола DCF допустимая интенсивность составляет
^dcf = 224 пакетов/с , а для PCF f/pCF = 270 пакетов/с, при условии 4 пользователей это означает, что для Skype [21] при использо-
вании протокола DCF доступна передача картинки 960x540 (16:9), а при использовании протокола PCF - 1280x720 (16:9). То есть переключение канального протокола позволяет повысить качество работы приложения системы видеоконференции в корпоративной БЛВС.
Л, [packet/s]
Рис. 8. Зависимость гарантированной интенсивности Уф от интенсивности трафика ММТ для КП = [DCF, PCF]
Заключение
В данной работе получены зависимости математического ожидания времени обслуживания пакета мультимедийного трафика в беспроводном канале связи и дисперсия данной величины при использовании DCF и PCF протоколов с помощью дискретно-событийного моделирования для заданной структуры беспроводной локальной вычислительной сети. Разработана аналитическая модель беспроводной локальной вычислительной сети, позволяющая установить гарантированное время доставки пакета мультимедийного трафика и гарантированную интенсивность мультимедийного трафика. С помощью описанных математических соотношений и результатов моделирования получены зависимости гарантированной интенсивности мультимедийного трафика от параметров БКС, канальных протоколов управления доступом DCF и PCF для заданных структур беспроводных локальных вычислительных сетей.
Литература
1. Tim Szigeti, Robert Barton, Christina Hattingh, Kenneth Briley, Jr.. End-to-End QoS Network Design. Second Edition: Cisco Press, 2014.
2. [RFC 1633] R. Braden, ISI, D. Clark, MIT, S. Shen-ker, Xerox PARC, " Integrated Services in the Internet Architecture: an Overview", RFC 1633, June 1994.
3. G. Bianchi, Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function, IEEE J. Sel. Areas in Commun. 18 (March 2000), pp. 535-547.
4. Ziouva E. and Antonakopoulos T. CSMA/CA performance under high traffic conditions: throughput and delay analysis. ComputerCommunications, vol. 25, 2/15/ 2002, pp. 313-321.
5. Yang X. Performance analysis of priority schemes for IEEE 802.11 and IEEE 802.11e wireless LANs," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 4, 2005, pp. 1506-1515.
6. Malone D., Duffy K., Leith D. Modeling the 802.11 distributed coordination function in nonsaturated heterogeneous conditions IEEE/ACM Trans. Netw., 15 (1) (2007), pp. 159-172.
7. Unsaturated Throughput Analysis of IEEE 802.11 in Presence of Non Ideal Transmission Channel and Capture Effects / Daneshgaran F., Laddomada M., Mesiti F., and. Mondin M. // IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 7, 2008, pp. 1276-1286.
8. Sarah Shaaban, Hesham M. El Badawy, Attallah Hashad, Performance Evaluation of the IEEE 802.11 Wireless LAN Standards - World Congress on Engineering. 2008. Vol I.
9. Ali, Qutaiba. Performance Evaluation of WLAN Internet Sharing Using DCF & PCF Modes. International Arab Journal of e-Technology. 2009.
10. Tinnirello G. Bianchi, and Xiao Y. Refinements on IEEE 802.11 Distributed Coordination Function Modeling Approaches // IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 59, 2010, pp. 1055-1067.
11. Nsnam. n.d., ns-3 | a discrete-event network simulator for internet systems. Available from: \url {https://www.nsnam.org/].
12. Yin Y., Gao Y., Hei X. Performance Evaluation of a Unified IEEE 802.11 DCF Model in NS-3. In: Song H., Jiang D. (eds) Simulation Tools and Techniques. SIMUtools 2019. Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering, vol. 295. Springer, Cham, pp. 395-406.
13. Patricia Deutsch, Leonid Veyster and Bow-Nan Cheng LL Simple Wireless: A Controlled MAC/PHY Wireless Model to Enable Network Protocol Research
14. Le Tian, Sébastien Deronne, Steven Latre and Jeroen Famaey Implementation and validation of an IEEE 802.11ah module for NS-3.
15. Hany Assasa and Joerg Widmer Implementation and Evaluation of a WLAN IEEE 802.11ad Model in NS-3.
16. Hossein-Ali Safavi-Naeini, Farah Nadeem and Su-mit Roy Investigation and Improvements to the Physical Layer Abstraction for Wi-Fi in ns-3.
17. IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks--Specific requirements -Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and
Physical Layer (PHY) Specifications," in IEEE Std 802.112016 (Revision of IEEE Std 802.11-2012). 2016.
18. Pollaczek, F. (1930). "Über eine Aufgabe der Wahrscheinlichkeitstheorie". Mathematische Zeitschrift. 32, pp. 64100.
19. Khintchine A.Y. Mathematical theory of a stationary queue. Matematicheskii Sbornik. 1932. 39 (4), pp. 73-84.
20. Lanachin. Plan network requirements for Skype for Business - Skype for Business Server 2015 | Microsoft Docs. Retrieved July 20, 2020, from https://docs.microsoft.com/en-us/skypeforbusiness/plan-your-deployment/network-requirements/network-requirements
21. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Книга по Требованию, 2013. 429 с.
22. Approximate Analysis for M/G/1-Polling System with Adaptive Polling Mechanism / В.М. Вишневский, А.Н. Дудин, В.И. Клименок, О.В. Семёнова, С.А. Шпилев // Proceedings of the IEEE International Conference on Communications Workshops. Дрезден: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2009. С. 1 - 5.
Поступила 26.08.2020; принята к публикации 20.10.2020 Информация об авторах
Абросимов Леонид Иванович - д-р техн. наук, профессор кафедры вычислительных машин, систем и сетей, академик Международной академии информатизации, Национальный исследовательский университет "МЭИ" (111250, Россия, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6171-8559 Руденкова Маргарита Андреевна - ассистент кафедры вычислительных машин, систем и сетей, сетевой инженер Информационно-вычислительного центра, администратор академии Cisco, Национальный исследовательский университет "МЭИ" (111250, Россия, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8214-4117
Хаю Хуссейн - аспирант кафедры вычислительных машин, систем и сетей, Национальный исследовательский университет "МЭИ" (111250, Россия, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9790-5871)
METHODOLOGY TO DETERMINE GUARANTEED TRAFFIC DELIVERY RATE
IN CORPORATE WLAN
L.I. Abrosimov, M.A. Rudenkova, H. Khayou
National Research University "Moscow Power Engineering Institute", Moscow, Russia
Abstract: the aim of the work is to improve the quality of service for multimedia traffic in corporate wireless local area networks at the expense of means that ensure the coordination of the intensity of multimedia traffic and the performance of the wireless local area network. To achieve this goal, the dependencies of the mathematical expectation of the packet service time are established using discrete-event modeling for the given structures of the wireless local area network. An analytical model of a wireless local area network was developed; and mathematical relationships were obtained for calculating the guaranteed intensity of multimedia traffic. Using discrete-event modeling and the obtained mathematical relationships, the dependences of the guaranteed intensity of multimedia traffic for the given parameters of the structure of the wireless local area network, the parameters of the wireless communication channel and channel access control protocols were established
Key words: WLAN, media access control protocols, performance evaluation, QoS
References
1. Szigeti T., Barton R., Hattingh C., Briley K.Jr. "End-to-end QoS network design", Cisco Press, 2014.
2. Braden R., ISI, Clark D., MIT, Shenker S., Xerox PARC " Integrated services in the Internet architecture: an overview", RFC 1633, June 1994.
3. Bianchi G. "Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function", IEEE J. Sel. Areas in Commun., March 2000, no. 18, pp. 535-547.
4. Ziouva E., Antonakopoulos T. "CSMA/CA performance under high traffic conditions: throughput and delay analysis", Computer Communications, 2002, vol. 25, no. 2(15), pp. 313-321.
5. Yang X. "Performance analysis of priority schemes for IEEE 802.11 and IEEE 802.11e wireless LANs", IEEE Transactions on Wireless Communications, 2005, vol. 4, pp. 1506-1515.
6. Malone D., Duffy K., Leith D. "Modeling the 802.11 distributed coordination function in nonsaturated heterogeneous conditions", IEEE/ACM Trans. Netw, 2007, no. 15(1), pp. 159-172.
7. Daneshgaran F., Laddomada M., Mesiti F., and Mondin M. "Unsaturated throughput analysis of IEEE 802.11 in presence of non-ideal transmission channel and capture effects", IEEE Transactions on Wireless Communications, 2008, vol. 7, pp. 12761286.
8. Shaaban S., El Badawy H.M., Hashad A. "Performance Evaluation of the IEEE 802.11", Wireless LAN Standards - World Congress on Engineering, 2008, vol. I.
9. Qutaiba A. Performance evaluation of WLAN Internet sharing using DCF & PCF modes", International Arab Journal of e-Technology, 2009.
10. Tinnirello G. Bianchi, Xiao Y. "Refinements on IEEE 802.11 distributed coordination function modeling approaches", IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2010, vol. 59, pp. 1055-1067.
11. Nsnam N.D. "NS-3. A discrete-event network simulator for internet systems", available at: https://www.nsnam.org/.
12. Yin Y., Gao Y., Hei X. Performance evaluation of a unified IEEE 802.11 DCF model in NS-3", eds Song H., Jiang D. Simulation Tools and Techniques. SIMUtools 2019. Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering, Springer, Cham, vol. 295, pp. 395-406.
13. Deutsch P., Veyster L., Cheng Bow-Nan "LL simple wireless: a controlled MAC/PHY wireless model to enable network protocol research"
14. Tian L., Deronne S., Latre S., Famaey J. "Implementation and validation of an IEEE 802.11ah module for NS-3".
15. Assasa H., Widmer J. "Implementation and Evaluation of a WLAN IEEE 802.11ad Model in NS-3".
16. Hossein-Ali Safavi-Naeini, Farah Nadeem, Sumit Roy "Investigation and improvements to the physical layer abstraction for Wi-Fi in ns-3".
17. IEEE Standard for Information Technology - Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks—Specific requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications", IEEE Std 802.11-2016 (Revision of IEEE Std 802.11-2012), 2016.
18. Pollaczek F. "Über eine Aufgabe der Wahrscheinlichkeitstheorie", Mathematische Zeitschrift, 1930, vol. 32, pp. 64-100.
19. Khintchine A.Y. "Mathematical theory of a stationary queue", Matematicheskii Sbornik, 1932, vol. 39(4), pp. 73-84.
20. Lanachin "Plan network requirements for Skype for Business - Skype for Business Server 2015", Microsoft Docs., July 20, 2020, URL: https://docs.microsoft.com/en-us/skypeforbusiness/plan-your-deployment/network-requirements/network-requirements
21. Kleynrok L. "Queuing theory" ("Teoriya massovogo obsluzhivaniya"), Moscow, Kniga po trebovaniyu, 2013, 429 p.
22. Vishnevskiy V.M., Dudin A.N., Klimenok V.I., Semyenova O.V., Shpilev S.A. "Approximate analysis for M/G/1-polling system with adaptive polling mechanism", Proc. of the IEEE International Conference on Communications Workshops, Dresden, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2009, pp. 1-5.
Submitted 26.08.2020; revised 20.10.2020 Information about the authors
Leonid I. Abrosimov, The corresponding member of the International Information Academy, Dr. Sc. (Eng), Professor, National Research University "Moscow Power Engineering Institute" (14 Krasnokazarmennaya str., Moscow 111250, Russia), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6171-8559
Margarita A. Rudenkova, assistant, Network Engineer, Academy Leader Cisco MPEI Training Centre, National Research University "Moscow Power Engineering Institute" (14 Krasnokazarmennaya str., Moscow 111250, Russia), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8214-4117
Hussein Khayou, Graduate Student, National Research University "Moscow Power Engineering Institute" (14 Krasnokazarmennaya str., Moscow 111250, Russia), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9790-5871
