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无线局域网的服务质量保障

【发布时间:2008-07-30】

    随着无线网络上流量的剧增,用户在享受宽带无线接入的同时,对于有效、鲁棒的服务质量(QoS)保障的需求也越来越突出。QoS的实现首先要精确区别每个网络应用的类型,其次要恰当地分配网络资源,如带宽和相对优先级等。早期的QoS研究主要针对有线网络,在网络层以上提供服务质量保障。如综合服务/资源预约(IntServ/RSVP)、区分服务(DiffServ)、多协议标签交换(MPLS)、流量工程(Traffic Engineering)、约束路由(CBR)、子网带宽管理(SBM)等。但是上述的QoS机制并不能直接应用于无线网络中,主要有2个原因:首先,无线传输与有线传输有很大区别,在无线传输中,串扰和多径传播将导致衰落和色散,因此无线网络具有数据传输率低而误码率高的特点。而WLAN为了保证灵活性和兼容性,协议标准只制订MAC层和PHY层规范,从而造成网络上层的QoS与无线链路层的分离,最终导致QoS无法得到充分发挥;其次,随着无线接入技术的发展,异质网络的应用将越来越普及,各种应用一般会经过无线接入、有线骨干网传输、无线接入的传输途径,在这种情况下,紧紧依靠传统的有线网络QoS机制已经无法提供端到端的服务质量保障,迫切需要一种能够针对无线信道的特点,在无线链路层媒体访问控制(MAC)子层提供网络业务的区分、优先级控制、资源分配等的QoS控制和保障,从而使无线网络和有线网络的QoS进行整体规划。

    为无线网络添加QoS802.11e规范迟迟没有在IEEE获得批准,虽然很多厂家声称支持802.11e,但是由于没有统一的标准,设备间的互通性很难保证,使得部署具有QoS保障的WLAN网络非常困难。Wi-Fi联盟从IEEE 802.11e无线局域网QoS标准草案中提取出一部分创建了无线多媒体WMMWireless MultiMedia)规范,为Wi-Fi联盟的设备提供互通性认证,对于WLAN QoS网络的部署发挥了积极的作用。

 

IEEE802.11e的服务质量保障

 

    服务质量(QoS)对于增强基于时间的数据在无线局域网中传输的可靠性、减少资源争夺从而提高频带利用率具有重要意义。IEEE802.11e的媒体访问控制策略从总体上说是对802.11 MAC协议的改进和增强,标准提供了两种提高服务保障的新机制,即信道争用期的增强分布式协调功能(EDCF)与非信道争用期的混合点协调功能(HCF)在介绍802.11e MAC协议之前,首先对802.11 MAC协议的基本机制作简要分析。

    1. 802.11 MAC协议的DCFPCF访问

    控制策略IEEE802.11 MAC协议定义了两种操作,在信道争用期的分布式协调功能(DCF)与非信道争用期的点协调功能(PCF)。其中,DCF是必备的功能,而PCF由各WLAN设备硬件厂商来决定是否实现。

    DCF采用载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)的媒体存取方式,可以形象地比喻为先听再说”(如图1所示)。节点(STA)在发送数据前要先检测信道是否空闲,如果信道空闲则准备发送MAC业务数据单元(MSDU)。如果2STA同时检测到信道空闲并开始发送数据就会发生冲突,为此,802.11定义了冲突避免(CA)机制来降低发生冲突的概率。

    

     为解决CSMA方式引起的隐藏节点问题,802.11定义了请求发送/清除发送(RTS/CTS)机制。在传送数据帧以前STA先发送一个短RTS帧,接收方接收到RTS后立即发送一个CTS帧,RTSCTS帧都包含了下一个数据帧的长度信息。因此STA附近的其他STA及接收数据的STA附近的隐藏节点通过设置网络分配向量(NAV)定时器,在NAV规定的时间内不发送数据以避免数据冲突。RTS/CTSNAV机制可以有效保护长数据帧免受隐藏节点的碰撞。

上述DCF操作中,由于各STA在发送数据前需要对信道进行争用,因此DCF无法对时延敏感的业务提供QoS保障。因此,802.11协议定义了点协调功能(PCF)来保证STA以一定的优先权接入到无线信道中,如图2所示。

     STA的优先权由点协调器(PC)来协调。PCF发起数据传输的等待时间间隔称为PIFSPIFS介于SIFSDIFS之间,因而PCFDCF的优先级高。PCF的传输时间被划分为重复的周期,即交替出现的竞争周期(CP)和非竞争周期(CFP)

    CP和随后的CFP一起组成超帧。在CFP阶段采用PCF机制接入无线信道,在CP阶段则使用DCF机制传输数据。超帧由信标帧(Beacon)开始。信标帧是一种管理帧,它维持STA内本地定时器的同步,并负责传送协议相关的参数。

    PC周期性地产生信标帧,下一个信标帧到来的时间被称为目标信标帧传输时间(TBTT),每个信标帧都携带该信息。每个STAPC轮询后发送数据,因而不会发生冲突。PC通过发送CF-Poll帧轮询有数据要发送的STASTA接收到轮询帧以后给出确认。若PC在等待了一个PIFS的时间后没有收到STA的响应,可以继续轮询其他的STA,一直到CFP的结束。PC通过发送一个特殊的控制帧CF-End来指示CFP的结束。

2802.11e基于EDCFHCFQoS机制

     为了改善802.11协议对于QoS的支持,IEEE802.11工作组正在制订802.11 MAC协议的增强机制,也称为802.11e它引入了EDCFHCF两种机制。具有IEEE802.11e QoS功能的STA被称为QSTA(QoS-capable STA),为其他STA提供集中控制的QSTA被称为混合协调器(HC)HC通常由AP来担任,此AP也称作QAP802.11e兼容超帧中CPCFP循环周期。EDCF只在CP阶段使用,HCFCPCFP期间都可以使用,因而是一种混合协调功能。

     EDCFHCF的基础,它通过引入业务流分类(TC)来实现QoS支持,图3示意了802.11e EDCF机制与802.11的区别。MSDU通过多次退避延时后才能发送,每次退避的时间由TC参数来确定。

     CP阶段,QSTA内的每个TC竞争一个发送机会(TxOP),并在检测到信道空闲后独立地进行延时退避,检测信道的时间被称为仲裁帧间隔(AIFS),参见图4AIFS不小于DIFS,并可以根据TC类别设置不同的值。在等待一个AIFS后,每个STA设定一个[0CW+1]的随机计数器开始延时退避,CW(竞争窗口)的最小值取决于TC

对于传统的DCF,在计数器递减到0之前如果检测到信道忙,则只有再等待DIFS时间并检测到信道空闲以后才继续进行递减计数。对于EDCF,在AIFS期间检测到信道空闲以后,在AIFS周期结束前的最后一个时隙间隔的开始时刻对退避计数器递减计数,而DCF则在DIFS结束后的第一个时隙的开始时刻递减计数。发生冲突后改变CW的策略也有所不同。DCF是将CW简单地加倍,而EDCF中则根据PF因子来修正原先的CW,而且CW的取值不能超过某个上限值。

    每个STA内可以采用虚拟队列的形式来实现8种不同的TC,并赋予不同优先级的QoS参数。QoS参数可以由HC来修改,并在信标帧中进行周期性的广播。如果同一个STA内的多个TC的退避计数器同时减到0,则会发生虚拟冲突,调度器为优先权最高的TC分配TxOP来解决虚拟冲突问题。还应该注意到,802.11e8TC所定义的业务优先级与以太网中的IEEE802.1D/P/Q标准对于以太网业务区分的定义是相同的,这意味着802.11e可以与以太网QoS完美地结合,这也有利于开发符合802.11e标准的QSTAQAP产品。

    802.11e HCF扩展了EDCF的接入规则。在CP期间,使用EDCF规则检测到可用信道或者STAHC处接收到QoS CF-Poll轮询帧后,则TxOP开始。TxOP802.11e最重要的特性之一,TxOP定义了STA可以发送数据的时间段,包括开始时间和最大持续时间。QoS CF-Poll轮询帧在检测到信道空闲一个PIFS时间后不需延时就可以立即发送,因此HCCP中具有较高的优先权。在CFP期间STA不能竞争接入无线信道,只能等待HC发送QoS CF-Poll来分配TxOPCFP阶段在信标帧中声明的时间内结束,或者也可以由HC发送CF-End帧来显式地结束。

    802.11e中还定义一种可以快速解决碰撞的受控式竞争协议。每个QSTA的状态信息要及时更新,HC通过该状态信息得知某个STA是否有数据发送来确定是否要对该STA轮询,以及轮询的开始时间和持续时间。受控竞争机制允许STA通过发送资源请求来要求分配TxOP,而不用同其他的业务流竞争,HC根据当前资源状况对接收到的资源请求帧予以确认。

关于WMM

考虑到基于时间的数据传输的QoS重要性,在IEEE正式批准802.11e标准之前,已经有一些无线设备制造商开始在实施能基本满足近期需要的QoS机制,这些大都是基于EDCF的,最有代表性的就是Wi-Fi联盟的WMMWMM并不是一个新的标准,它实际上是802.11e的一个子集,802.11e是基于802.1p的八级优先级结构,但Wi-Fi联盟的WMM规范则只规定了四级WMM优先级,按优先级从高到低依次是语音(Voice)、视频(Video)、尽力而为(Best Effort)、背景(Background)等。802.11e的优先级方案基本与此相同,只不过它用到了802.1p里定义的所有八个优先级而不像 WMM那样只用到了一个子集。
      图5来自Wi-Fi联盟,该图展示了数据传输中的优先级问题。图的上半部分是实现了WMM的网络,红线代表分配给视频的带宽,可以看到不管网络情况如 何变化,分配给视频的带宽始终维持在同一水平上,而其他低优先级的数据则共享剩余的带宽。图的下半部分是一个纯粹的尽力而为网络环境,可以看到随着各种数据涌入网络,当带宽渐渐达到饱和时,多媒体数据就受到较大影响,结果就是最终呈现在用户面前的音频视频磕巴不断。

                     5  WMM的优先级

WLAN QoS网络的部署

一个具有QoS的网络系统需要三个方面的共同支持,它们分别是源点(服务器)、网络和终点(客户端),而每一方面都必须要支持QoS才行,图6是一个典型的家庭多媒体应用场景。我们知道,开放系统互联协议有七层(对英特网,一般只用四层),对于QoS来说,主要关心数据链路层和应用层。数据链路层也叫媒体访问控制(MAC)层,WLAN QoS的设计与实现主要发生在这里。从更上层的协议级别实现QoS当然也可行,但在数据链路层入手是一个更好的解决方案,原因在于路由器工作在以太网帧级别,它们可以很快地在这个级别上分析数据包中和QoS相关的头部信息。

                      家庭媒体应用结构

在应用层级别,媒体服务器和客户端也都需要在以太网级别支持QoS,这样才能建立起高优先级的连接。

正如前面所说的,一个QoS系统要求有三个能支持QoS的部分:服务器、网络和客户端。我们知道,一个大项目就算能得到大型组织和联盟的支持和参与,也很少能够出现所有各个方面同时达到完备的情况。现在已经出现了能支持802.11e和WMM的无线网络硬件,但是由于标准的滞后,各个厂商的设备之间很难保证在QoS方面互通,因此,到目前为止部署具有服务质量保证的大型无线局域网还是一件非常困难的工作。

 

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