Implementação e avaliação de um protocolo de comunicações de tempo-real para redes IEEE

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Implementação e avaliação de um protocolo de comunicações de tempo-real para redes IEEE Diogo Pereira VERSÃO PROVISÓRIA Dissertação realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Major Telecomunicações Orientador: Prof. Dr. Paulo Portugal Julho, 2011

2 Diogo Pereira, 2011 ii

3 Resumo Este documento tem como objectivo descrever a implementação de um protocolo para suportar comunicação de tempo real em redes IEEE O Wi-Fi (IEEE ) é actualmente a rede sem fios mais utilizada a nível mundial. No entanto, a sua aplicação em ambientes industriais apresenta algumas limitações, devido à dificuldade em suportar tráfego de tempo-real, isto é, tráfego trocado entre sensores, controladores e actuadores, comum neste tipo de ambientes. Através da implementação de dois mecanismos, Force Collision Resolution (FCR) e Time Division Multiple Access (TDMA), é possível introduzir melhorias no mecanismo Enhanced Distributed Channel Access (EDCA), implementado na norma IEEE e. O primeiro mecanismo utiliza a fila de voz que atribui uma elevada prioridade ao tráfego das estações de tempo-real. Este mecanismo também desactiva o backoff, de forma a forçar a existência de colisões entre estações de tempo-real, a quando de uma retransmissão em simultâneo. A introdução do mecanismo Time Division Multiple Access (TDMA) é a forma mais eficiente para a eliminação estas colisões, gerindo o múltiplo acesso ao meio proveniente de várias estações de tempo-real. Estes mecanismos serão descritos no documento, de uma forma mais rigorosa, como também os mecanismos que actualmente são mais aplicados em redes com elevados requisitos temporais. Com esta proposta, em comparação com o mecanismo EDCA que a norma IEEE e implementa, é possível obter um atraso médio constante e relativamente mais baixo, bem como, um throughput e alcançar metas temporais (deadlines) impostas pelas comunicações em tempo real. iii

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5 Abstract This document aims to describe the implementation of a protocol for real-time IEEE networks. Wi-Fi (IEEE ) is a currently the most wireless network used in the worldwide. However, their application in industrial environments has some limitations because of difficulty in supporting real-time traffic, i.e., traffic exchanged between sensors, controllers and actuators, which are common in these environments. Through the implementation of two mechanisms, FCR (Force Collision Resolution) and TDMA (Time Division Multiple Access), is possible to delete of the limitations of the mechanism EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) used in the IEEE e standard. The first mechanism uses the queue of voice that gives high priority to traffic from real-time stations. This also disables the backoff mechanism in order to force the existence of collision between real-time stations, when simultaneous retransmissions occur. The introduction of the mechanism Time Division Multiple Access (TDMA) is the most efficient way to eliminate these collisions, managing the multiple access of the medium from multiple real-time stations. These mechanisms are described in the document, in more rigorous way, but also the currently mechanisms who are more invested in networks with high temporal requirements. With this proposal, compared to the EDCA mechanism who implemented in IEEE e, it is possible to obtain a constant average delay and relatively low, as well throughput and deadlines imposed by real-time communications. v

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7 Agradecimentos Agradeço ao meu Orientador, Professor Paulo Portugal, pela simpatia e pelo apoio prestado em virtude de melhor compreender o projecto. Aos meus Pais, porque sem a ajuda deles não estaria a concluir este curso. A Ti pela compreensão e apoio ao longo de todo o curso, e em especial nesta fase final. vii

8 viii

9 Índice Resumo... iii Abstract... v Agradecimentos... vii Índice... ix Lista de Figuras... xi Lista de Tabelas... xii Lista de Equações... xiii Lista de Algoritmos...xiv Capítulo Introdução Contexto Objectivos Estrutura... 3 Capítulo Norma IEEE IEEE Mecanismo de acesso ao meio DCF Distributed Coordination Function PCF Point Coordination Function EDCA Enhanced Distributed Channel Access HCCA HCF Controlled Channel Access Conclusão Capítulo Mecanismo RT-WiFi ix

10 3.1 - Descrição do mecanismo FCR Force Collision Resolution TDMA Time Division Multiple Access Algoritmo baseado em comunicações TDMA Conclusão Capítulo Driver MadWifi Estrutura do MadWifi Work Flow do MadWifi Transmissão Recepção Estruturas no MadWifi Capítulo Implementação do RT-WiFi FCR Force Collision Resolution TDMA Time Division Multiple Access Dificuldades Capítulo Conclusão Referências x

11 Lista de Figuras Figura Controlo de Processos Industriais... 1 Figura Mecanismo RTS/CTS... 6 Figura Fluxograma do CSMA/CA... 6 Figura Arquitectura MAC da norma IEEE Figura Arquitectura MAC da norma IEEE e... 8 Figura 2.5 Intervalos de espera do mecanismo DCF e PCF... 9 Figura Infra-estrutura Figura Interacção DCF/PCF [8] Figura Point Coordination Function [8] Figura Classes de Tráfego - IEEE e Figura Mecanismo EDCA Figura Arquitectura RT-WiFi Figura Transmissão Estação RT/Estação STD Figura Ciclo do Protocolo TDMA Figura Arquitectura do MadWifi Figura 4.2 Classificação quanto à prioridade de um pacote de dados Figura 4.3 Encapsulamento e encriptação de um pacote de dados Figura Processamento de um pacote de gestão Figura Envio de um pacote de dados ou gestão Figura 4.6 Inclusão do buffer na fila de transmissão e envio do mesmo Figura Fluxograma da transmissão de um pacote de dados/gestão Figura 4.8 Recepção de um pacote de dados/gestão Figura 4.9 Verificação do tipo de pacote Figura Processamento dos pacotes de dados Figura Processamento dos pacotes de gestão Figura Fluxograma da recepção de um pacote de dados/gestão Figura Modificações na função ieee80211_classify() para seleccionar a fila de voz Figura Alteração dos parâmetros da fila de Voz Figura Alteração dos parâmetros da fila de voz Figura Ciclo do Protocolo TDMA Figura Fluxograma da recepção de um beacon Figura Flag GrantoSend Figura Recepção de um Beacon Figura 5.8 Introdução do envio de um pacote através do mecanismo TDMA xi

12 Lista de Tabelas Tabela Prioridade IEEE 802.1D para IEEE e Tabela Parâmetros do mecanismo EDCA Tabela Estruturas no MadWifi [14] xii

13 Lista de Equações Equação xiii

14 Lista de Algoritmos Algoritmo 3.1 Recepção de um Beacon Algoritmo 3.2 Interrupção SP id Algoritmo 3.3 Interrupção EP id Algoritmo 3.4 Transmissão Algoritmo 5.1 Transmissão de um pacote xiv

15 Abreviaturas e Símbolos AC ACK AIFSN AP ATH BE BK CA CFP CP CS CSMA CTS CW DCF DIFS DMA DMA EDCA EIFS EP FCR HAL HAL HCCA HCF IEEE Access Categories Acknowleged Arbitration Interframe Space Number Access Point ATHEROS Best Effort Background Collision Avoidance Contention-Free Period Contention Period Carrier Sense Carrier Sense Multiple Access Clear To Send Contention Window Distributed Coordenation Function Distributed Interframe Space Direct Memory Access Direct memory access Enhanced Distributed Channel Access Extended Interfram Space End Period Force Collision Resolution Hardware Abstractions Layer Hardware Abstraction Layer HCF Controlled Channel Access Hybrid Coordenation Function Institute of Electrical and Electronics Engineers xv

16 IFS MAC MadWifi PC PCF PIFS QoS RT RTS SP STD TDMA TR TXOP VI VO WLAN Interframe Space Mechanism Access Control Multiband Atheros Driver WiFi Point Coordinator Point Coordinator Function PCF Interframe Space Quality of Service Real Time Request To Send Start Period Standard Topoly Default Time Division Multiple Access Tempo Real Transmission Oportunity Video Voice Wireless Local Area Network xvi

17 Capítulo 1 Introdução As comunicações existentes em ambientes industriais, são caracterizadas por possuírem requisitos temporais exigentes, devido à existência de sensores, controladores e actuadores, que efectuam trocas de dados (Figura 1.1) periodicamente. Derivado a estas exigências, as comunicações reivindicam melhores infra-estruturas, e em virtude do aparecimento de novas tecnologias, na área das redes, é possível usufruir de uma melhor troca de informação entre os sistemas autónomos existentes numa fábrica. Processo Sensor Actuador Controlador Figura Controlo de Processos Industriais Mediante o grau de exigência de um processo, pode definir-se dois tipos de serviços. Um desses dois tipos é designado por Hard Real-Time, ou seja, comunicações que têm metas temporais (deadline) restritas. Com a implementação deste serviço, a ocorrência de acções 1

18 2 Introdução imprevisíveis é nula, como também, o intervalo de tempo entre a recepção de amostras, provenientes dos sensores, e a emissão de acções, para os actuadores, é reduzido. O outro tipo de serviço é designado por Soft Real-Time, o qual possui requisitos temporais menos exigentes, sendo que estes permitem a ocorrência de falhas de transmissão, como colisões e o não alcance de algumas metas temporais (deadlines). De forma a colmatar as limitações existentes na rede, a introdução de um protocolo que melhore o suporte de tráfego de tempo-real, é vista como uma solução promissora e viável, introduzindo maior eficácia nos meios de transmissão de comunicações em tempo-real Contexto Esta dissertação surge na sequência de um trabalho de doutoramento efectuado pelo colega Robson Costa, com o tema A TDMA-based Mechanism for Real-Time Communication in IEEE e Networks [1]. Trabalho este que expõe uma solução para serviços de comunicações em tempo-real para redes wireless. A norma IEEE Wireless Local Area Networks (WLANs) possui propriedades que vão ao encontro dos objectivos definidos para este trabalho, proporcionando ao desenvolvimento desta solução custos reduzidos. Este facto deve-se à norma ser implementada de forma generalizada em grande parte dos equipamentos disponíveis no mercado, tornando-se assim o valor do equipamento mais reduzido em comparação com outros. Esta norma sendo de fácil configuração, e sem necessidade de introduzir alterações no hardware, foi assim aceite e seleccionada como uma norma para as tecnologias sem fios 1. Baseando-se na norma apresentada anteriormente, foi feita uma pesquisa sobre os três 2 principais mecanismos deste standard, de forma a alcançar uma solução viável para a introduzir em comunicações sem fios de tempo real, em ambientes industriais. Para este projecto, a rede wireless basear-se-á em serviços que apenas exigem garantias soft real-time, devendo-se este facto ao ambiente em que esta rede será implementada. As acções desencadeadas no decorrer de processos fabris, não necessitarão de garantias rigorosas, podendo assim facilitar a ocorrência de algumas perdas durante uma transmissão. 1 Mais conhecida por WiFi 2 i) Medium Access Control, ii) Admission Control e iii) Scheduler 2

19 Objectivos Objectivos Para a realização desta dissertação foram definidos dois objectivos: 1. O primeiro objectivo desta dissertação é averiguar a viabilidade da solução encontrada para comunicações em tempo real em redes IEEE , através da implementação dos dois mecanismos, FCR e TDMA, a serem apresentados como solução. Mecanismos que serão testados e validados à posteriori num ambiente proposto. 2. O segundo objectivo será garantir o funcionamento da rede implementada com garantias determinísticas em sistemas de controlo automático, sendo que os requisitos com maior importância consistem em atrasos na transmissão, perda de pacotes e reduzidos valores de jitter (variação média do atraso na entrega de dados numa rede) Estrutura O documento encontra-se dividido em 5 capítulos. No Capítulo 1 será apresentada uma introdução à dissertação, expondo o contexto e objectivos definidos inicialmente para este trabalho. No Capítulo 2, será elaborada uma análise às redes IEEE , focando a norma IEEE e aplicada ao suporte de tráfego de tempo-real, e expondo as suas limitações. No Capítulo 3, de forma a colmatar as limitações expostas, serão apresentados os mecanismos FCR e TDMA. No Capítulo 4 será apresentada uma descrição do driver utilizado, ilustrado através de fluxogramas a transmissão/recepção do mesmo. No Capítulo 5 será descrita a implementação dos mecanismos TDMA e FCR, de forma pormenorizada, como também as dificuldades que foram surgindo ao longo do trabalho. Para finalizar, no último capítulo (Capítulo 6) será elaborada uma conclusão para analisar o trabalho desenvolvido. 3

20 Capítulo 2 Norma IEEE Com o intuito de estabelecer um conjunto de regras nas comunicações sem fio 3, em 1990 o Institute of Electrial and Electronics Engineers (IEEE) criou um grupo de trabalho para elaborar um conjunto de regras, que resultam numa norma. Inicialmente foi desenvolvida e aprovada uma norma, designada por IEEE [2], que possuía uma taxa nominal de dados entre 1 Mbps e 2 Mbps. Em 1999, foram desenvolvidas novas normas, que permitissem melhorar a taxa nominal de dados. A introdução das normas aprovadas, IEEE 802.1b [3] e IEEE a [4], que usufruíam da gama de frequências entre 2.4 GHz e 5 GHz, possibilitaram melhorias com o alcance de valores entre 11 Mbps e 54 Mbps, respectivamente. Em 2003, foi aprovada uma nova norma, designada por IEEE g [5], que utiliza a gama de frequência 2.4 GHz (como na norma IEEE b), sendo que possui uma taxa nominal de dados no valor de 54 Mbps. Com vista a introduzir qualidade de serviço (QoS) no meio de transmissão, foi desenvolvida uma norma, designada por IEEE e [6], que implementa quatro filas de diferentes prioridades, de modo a permitir que dados com elevada prioridade sejam transmitidos preferencialmente. Mais recentemente, em 2009, através da aprovação da norma IEEE n [7] é possível usufruir da gama de frequência desde os 2.4 GHz e/ou 5GHz, com uma taxa nominal de dados até os 600 Mbps. Como é possível observar, o avanço tecnológico no que se refere às comunicações Wi-Fi é elevado. Sendo que este avanço veio trazer grandes mudanças ao meio de transmissão entre equipamentos, proporcionando uma alternativa ao suporte por cabos, mas ainda com algumas limitações. 3 Mais conhecidas do Wi-Fi 4

21 IEEE Mecanismo de acesso ao meio 5 Este capítulo tem como objectivo de apresentar a norma IEEE , descrevendo especificamente o mecanismo de acesso ao meio utilizado, e o que tem vindo a ser desenvolvido de modo a introduzir uma melhor qualidade de serviço às comunicações Wi-Fi IEEE Mecanismo de acesso ao meio O mecanismo utilizado no controlo de acesso ao meio do IEEE [2] original é o Carrier Sense Multiple Access com Collision Avoidance (CSMA/CA), que se posiciona como base para os restantes mecanismos de acesso ao meio. De modo a evitar colisões, este mecanismo utiliza um sistema que permite verificar se o meio se apresenta livre ou ocupado. Visto isto, uma estação quando inicia a transmissão de um pacote, primeiramente escuta o meio num pré-determinado intervalo de tempo, designado por DIFS (Distributed Interframe Space), com o intuito de verificar se outra estação está a utilizar o mesmo canal de comunicação ou a mesma área de comunicação. Caso o meio esteja ocupado durante o intervalo de tempo DIFS, é seleccionado um intervalo (backoff), utilizado para aguardar que o meio fique disponível. Encontrando-se o meio livre, após o intervalo de tempo DIFS, a estação que pretende transmitir um pacote possui a possibilidade para o fazer. A utilização do mecanismo Request to Send/Clear to Send (RTS/CTS) (Figura 2.1), utilizado nas redes IEEE , de forma a reduzir as colisões, entre pacotes, introduzidas pelo problema do nó oculto. Este mecanismo, permite a uma estação que pretenda transmitir um pacote, enviar primeiramente um pacote designado por Request to Send (RTS), o qual inclui informação sobre a origem, o destino e a duração da transmissão (isto é, o pacote e o respectivo ACK). O destinatário irá responder, caso o meio esteja livre, com um pacote designado por Clear to Send (CTS), contendo a mesma informação do pacote recebido (RTS). (Figura 2.1) A utilização deste mecanismo é facultativo. Todas as estações recebem o pacote RTS e/ou o CTS, de forma a definir o indicador Virtual Carrier Sense (designado por Network Allocation Vector NAV), que armazenará a informação sobre a duração em que o meio de transmissão estará ocupado. 5

22 6 Norma IEEE Origem DIFS RTS DATA SIFS SIFS SIFS Destino CTS ACK CW Outros NAV (RTS) DIFS NAV (CTS) adia o acesso Intervalo backoff Figura Mecanismo RTS/CTS Caso não seja utilizado o mecanismo RTS/CTS, a transmissão de um pacote é iniciada após a verificação da disponibilidade do meio. Sendo o pacote enviado em broadcast, não será necessário aguardar pela recepção do pacote acknowledge (ACK), pois este é utilizado como uma confirmação do pacote transmitido com sucesso. Caso esta confirmação não seja recebida, dentro de um intervalo de tempo (Short Interframe Space (SIFS)), o número de tentativas de transmissões é incrementado, por forma a limitar a um número máximo de tentativas. Não tendo sido atingido o número máximo de retransmissões, é gerado um intervalo de tempo de espera (backoff) para uma nova transmissão. Na Figura 2.2, é possível observar o fluxo para o envio de um pacote no CSMA/CA. Enviar Pacote Escutar o meio Activa o Backoff Sem o mecanismo RTS/CTS no IEEE Meio livre durante DIFS tempo? Sim Não Transmite RTS CTS recebido? Sim Mecanismo RTS/CTS no IEEE Inicia a Transmissão Não Pacote em Broadcast? Não Espera pelo pacote ACK ACK recebido? Não Incrementa as tentativas de retransmissão Nº máximo de tentativas alcançado? Sim Transmissão bem sucedida Sim Sim Descarta Pacote Figura Fluxograma do CSMA/CA 6

23 IEEE Mecanismo de acesso ao meio 7 A subcamada MAC do IEEE (Figura 2.3) está dividida por duas funções, pelo DCF e por um mecanismo opcional, o Point Coordination Function (PCF). O DCF é um mecanismo de suporte do IEEE , que implementa um procedimento, designado de backoff, onde escuta o meio antes de iniciar uma transmissão, de forma a verificar se o meio de transmissão está disponível para a troca de pacotes entre duas estações. O PCF introduz um sistema centralizado de polling, que tem a função de apoiar a sincronização na transmissão de dados, ou seja, quando uma estação é alertada através de polling significa que esta durante um período de tempo tem a permissão de aceder ao meio de transmissão, evitando assim competições entre duas ou mais estações. Required for Contention-Free Services MAC Extent Poin Coordination Function (PCF) Distributed Coordination Function (DCF) Used for Contention Services and basis for PCF Figura Arquitectura MAC da norma IEEE O standard IEEE e, agrega qualidade de serviço (QoS) às redes IEEE , permitindo a transmissão em diferentes classes de tráfego, além de proporcionar o recurso ao Transmission Oportunity (TXOP), que permite a transmissão de uma sequência de pacotes sem interrupção, optimizando a utilização da rede. O QoS, consiste numa capacidade da rede que providencia um tipo de funcionalidade, sendo que, sem suporte do mesmo pacote, ao ser enviado pela rede pode levar um tempo indefinido a chegar ao destino [9]. No caso dos ambientes industriais, este tipo de funcionalidade é fortemente imprescindível devido às necessidades da rede, e à relevante importância da transmissão de dados entre sensores/controladores. Neste tipo de configuração de rede, é incorporada uma função de coordenação, designada por Hybrid Coordination Funtion (HCF), sendo apenas usada em configurações de redes com QoS. Este mecanismo garante acesso ao meio de transmissão através da alocação de oportunidades de transmissão (TXOP) a cada estação. Cada TXOP é definido por um intervalo de tempo, possuindo uma variável de início e outra de máximo, que indica a duração que cada estação possui acesso ao meio. A alocação do meio de acesso é feita através de dois 7

24 8 Norma IEEE mecanismos específicos do HCF, o Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) e o HCF Controlled Channel Access (HCCA). Required for Prioritized QoS Services Required for Parameterized QoS Services Required for Contention-Free Services for non-qos STA, optional otherwise Hybrid Coordination Function (HCF) MAC extended Poin Coordination Function (PCF) HCF Contention Access (EDCA) HCF Controlled Access (HCCA) Used for Contention Services, basis for PCF and HCF Distributed Coordination Function (DCF) Figura Arquitectura MAC da norma IEEE e O mecanismo EDCA foi desenvolvido, para melhorar o mecanismo DCF fornecendo diferentes transmissões através de quatro diferenciadas classes de tráfego DCF Distributed Coordination Function O mecanismo Distributed Coordiantion Funciton (DCF) é visto como a base dos mecanismos de acesso ao meio da norma IEEE Neste mecanismo, as estações antes de iniciarem uma transmissão, escutam o meio de acesso através do Carrier Sense (CS). Por sua vez, este é implementado na camada física, de forma a verificar se o meio se encontra livre durante um intervalo de tempo DIFS (Distributed Interframe Space). Sendo a verificação bem sucedida, a transmissão de um pacote é iniciada. Caso contrário, será seleccionado um intervalo de espera aleatório (backoff), múltiplo da duração de um slot. O intervalo encontrase limitado entre [0, CW], onde CW (Contention Window) é o número máximo de slots que podem ser retransmitidos. Neste caso, as estações mantêm a vigilância do meio durante o intervalo de tempo backoff, após detectarem o meio livre num intervalo DIFS. Se o meio de transmissão ficar ocupado, devido a interferências ou outras transmissões, enquanto o intervalo backoff é decrementado, a estação pára a contagem, para que o intervalo backoff não seja decrementado até o meio estar desimpedido, dentro de um intervalo DIFS. Um novo valor de backoff é seleccionado em cada nova transmissão, levando a que o tamanho da janela de contenção (CW) seja decrementado. Para que o intervalo de retransmissão esteja sempre actualizado, é criada uma variável designada por backoff counter, que atingindo o valor zero, permite à estação iniciar uma nova transmissão. 8

25 IEEE Mecanismo de acesso ao meio 9 Para que sejam impostas diferentes prioridades a certos dados, é definido um intervalo de repouso entre novas transmissões, designado por Interframe Space (IFS) (Figura 2.5). Cada nível de prioridade é definido por diferentes IFSs, havendo os SIFS (Short Interframe Space), usado para o envio de pacotes acknowledge (ACK), dando assim uma maior prioridade à transmissão dos mesmos; o PIFS (PCF Interframe Space), é utilizado por Access Points (AP s), sendo o mecanismo PCF responsável por atribuir um intervalo de espera (PIFS), para estes acederem ao meio, ao contrário do intervalo DIFS; o DIFS (Distributed Interframe Space), é usado por estações que operam sobre o mecanismo DCF, para transmitirem pacotes de dados e pacotes de gestão; e por fim o EIFS (Extended Interframe Space), usado para comunicação de condições de erros. Figura 2.5 Intervalos de espera do mecanismo DCF e PCF PCF Point Coordination Function Com o intuito de melhorar a transmissão em tempo-real, surgiram várias soluções que proporcionam uma boa qualidade de serviço (QoS). O PCF (Point Coordination Function) é uma das soluções, tendo sido proposto como um mecanismo de acesso ao meio adicional no standard IEEE original [1]. Esta solução introduz um sistema centralizado de polling, que consiste na amostragem do estado em que o meio de acesso se encontra, de forma a facultar uma sincronização síncrona entre um PC (Point Coordinator), que desempenha o papel fundamental de controlar a acção de polling, e uma estação que pretende transmitir um pacote. Os PCs são utilizados para garantir a ausência de conflitos no acesso ao meio. Através destes, as estações só têm autorização para fazer transmissões, quando o PC assim o permite. Este ponto coordenador (PC) está inserido nos Access Points (APs), ficando assim o mecanismo PCF restrito a redes infra-estruturadas (Figura 2.6), isto é, redes que se encontram estruturadas através de um ponto central, este um access point. 9

26 10 Norma IEEE Access Point Access Point Figura Infra-estrutura O mecanismo PCF, não concede às estações que estão permitidas a transmitir, a totalidade do tempo. O intervalo de tempo está dividido em duas partes, ou seja, uma consiste no período de contenção (Contention Period (CP)), onde o mecanismo DCF ( ) é usado, e a outra no período ausente de conflitos entre estações, conhecido por CFP (Contention-Free Period), que por sua vez, neste intervalo é usado o mecanismo PCF. O período CFP é iniciado com o envio de um beacon, proveniente do AP, utilizando o método de acesso ao meio DCF. Figura Interacção DCF/PCF [8] Durante o período CFP, o PC sincroniza-se com cada estação existente na lista de polling (as de maior prioridade), enquanto o meio de acesso se encontra desocupado. De forma a evitar que as estações que se encontram no intervalo DCF não interfiram nas estações que se encontram no período CFP, é utilizado um espaçamento entre pacotes de dados PCF (PIFS), mais curto do que o normal (DIFS), devido a impor uma maior prioridade aos pacotes a serem transmitidos no período CFP. 10

27 IEEE Mecanismo de acesso ao meio 11 No mecanismo PCF, o AP impõe-se como um ponto de coordenação (PC), que através do método round-robin, efectua o polling a todas as estações, através da fila wireless. As estações alertadas através do polling, têm a possibilidade de efectuar uma transmissão, através da resposta ao polling recebido. Caso não possuam uma transmissão pendente, deverão responder ao AP com um pacote sem informação. Caso as estações existentes na lista do polling, não tenham sido alertadas antes do período CFP terminar, o alerta feito através do polling é retomado quando uma estação se posiciona novamente no ciclo CFP. Na Figura 2.8 é possível observar uma sequência típica do acesso ao meio, através da utilização do mecanismo PCF. O facto de ocorrer uma transmissão mal sucedida, a retransmissão do pacote em questão, poderá ser efectuada após um novo polling, ou durante o período de contenção (CP) seguinte. Figura Point Coordination Function [8] Em comparação com o mecanismo DCF ( ), o PCF opera sem o mecanismo CSMA/CA, sem parametrizar a CW (Contention Window) e não aplica o intervalo de backoff. Posto isto, existe uma maior probabilidade de ocorrência de colisões, caso múltiplos e sobrepostos pontos de coordenação estejam a operar no mesmo canal físico, como também, a proximidade das taxas de transmissão, durante o período CFP, e o intervalo entre beacons consecutivos. De modo a minimizar a perda significativa de pacotes, devido a colisões que posteriormente poderão surgir no período CFP, o PC deverá usar um intervalo entre pacotes (DIFS), adicionado a um atraso backoff aleatório (com o parâmetro CW dentro do intervalo [1,aCW min ]), como forma de iniciar uma transmissão num período CFP, caso o beacon necessário para iniciar essa mesma transmissão, tenha sofrido um atraso devido a interferências introduzidas pelo meio de acesso se encontrar ocupado. Este intervalo de espera (backoff) poderá ser introduzido opcionalmente, antes da retransmissão de um pacote 11

28 PRIORIDADE 12 Norma IEEE que não foi recepcionado pelo destinatário, um pacote de dados pessoal ou um pacote de gestão EDCA Enhanced Distributed Channel Access O mecanismo Enhanced Distributed Channel Access (EDCA) veio introduzir quatro categorias (Figura 2.9) de acesso ao mecanismo já existente DCF, permitindo assim diferenciar serviços no acto da transmissão. Classes de Tráfego (AC) Cada pacote que seja processado na camada MAC, é definido por uma certa prioridade, que de seguida será mapeada entre as quatro classes de tráfego. ALTA VOZ VÍDEO BEST EFFORT APLICAÇÕES DE BACKGROUND BAIXA Figura Classes de Tráfego - IEEE e Cada classe da Figura 2.9 é baseada nos oito níveis de prioridade do standard IEEE 802.1D (Tabela 2.1). Tabela Prioridade IEEE 802.1D para IEEE e Prioridade 802.1D Designação 802.1D Prioridade e Designação e 1 BK Background 2 Spare 0 BE Best Effort 3 EE Excellent Effort 4 CL Controlled Load 5 VI Video 6 VO Voice 7 NC Network Control 0 BK - Background 1 BE Best Effort 2 VI - Video 3 VO Voice 12

29 IEEE Mecanismo de acesso ao meio 13 Para cada classe, é associado um diferente nível de serviço, baseado em três mecanismos independentes, o Arbitration Interframe Space (AIFS), o Transmission Opportunity time interval (TXOP) e o Contention Window (CW). Cada estação que opere sobre EDCA, o pacote irá esperar se o meio de acesso estiver ocupado um intervalo de tempo com a duração AIFS [AC]. Esta duração é dada por: [ ] [ ] (2.1), onde o valor de AIFSN[AC] é um inteiro positivo que deverá ser maior ou igual a dois para todas as estações, excepto no caso de pontos de acesso com suporte de QoS (QAPs) que deverá ser um inteiro maior ou igual a um. Na Figura 2.10 é possível observar a diferença entre o mecanismo EDCA e DCF, como também a relação entre o AIFS de cada categoria de acesso (AC). Figura Mecanismo EDCA Os parâmetros default definidos pelo mecanismo EDCA, estão presentes na Tabela 2.2. Sendo que o valor de acwmin e acwmax, dependem das características da camada física de cada standard, com exemplo, no IEEE e o acwmin=31 e acwmax=1023. Tabela Parâmetros do mecanismo EDCA Parâmetros CWmin CWmax AIFSN BK acwmin acwmax 7 EDCA BE acwmin acwmax 3 VI ( ) acwmin 2 VO ( ) ( ) 2 13

30 14 Norma IEEE HCCA HCF Controlled Channel Access Além do PCF foi proposto outro mecanismo, designado por HCCA apresentado no IEEE e, baseando-se de certa forma na solução apresentada anteriormente, mas com o objectivo de melhorar a solução anterior. Tem como suporte o esquema round-robin, e foi pensado para assegurar os requisitos de atraso limitado, expostos pelo mecanismo PCF. O HCCA baseia-se na estrutura do mecanismo PCF, onde possui um controlador na acção de polling, que efectua essa mesma acção para todas as estações existentes na lista de polling, mesmo que as mesmas não possuam pacotes a transmitir. Neste último caso, a estação corresponde com a transmissão de um pacote sem informação. Devido à funcionalidade central o PC irá sofrer uma sobrecarga dentro de um determinado intervalo de tempo, sendo sensivelmente a diferença entre o instante em que é enviado o pacote de polling, e a confirmação da recepção do mesmo, isto é, a recepção do pacote ACK 4. Com a intenção de introduzir melhorias neste mecanismo, de forma a reduzir a sobrecarga no PC, foram propostos vários mecanismos, como a inserção de um framework de controlo substituindo o tradicional CSMA [1], através da taxa média de dados e do tamanho médio dos pacotes, são calculados os recursos necessários para o envio de cada mensagem num fluxo, permitindo assim distribuir os recursos uniformemente consoante a necessidade de cada fluxo. A existência de várias propostas (discutidos em [1]), não implica que todas sejam capazes de suportar comunicações em tempo-real com garantias de QoS. Através de melhorias incluídas no mecanismo HCF (PCF e HCCA) incorporado no IEEE e, serão colmatadas algumas das limitações existentes anteriormente. Mesmo que o mecanismo PCF consiga controlar os sensíveis atrasos das aplicações, é um método bastante complexo e quase nenhuma placa de rede sem fios é capaz de implementar [1]. Contudo, certos estudos têm vindo a mostrar que o mecanismo HCCA não é capaz de garantir requisitos especiais, que poderão surgir nas aplicações de tempo-real. Este mecanismo, pode não vir a ser implementado na próxima geração de cartas de rede WLAN, mesmo que o problema da indisponibilidade do mecanismo PCF seja superado. Posto isto, é importante chegar à conclusão que o mecanismo necessário para a diferenciação de estações com diferentes características temporais, passa por introduzir diferentes métodos no controlo de acesso ao meio (MAC). 4 ACK : ACKNOWLEDGE 14

31 Conclusão Conclusão A transmissão em tempo-real, através dos mecanismos já existentes não é eficaz ao ponto de garantir na aplicação em certos serviços com necessidade de características temporais de tempo-real. Desde do primeiro desenvolvimento de um mecanismo que introduzisse melhoramentos na comunicação em redes IEEE , até à introdução do standard IEEE e, com a utilização do mecanismo EDCA para o controlo do acesso ao meio, foram introduzidos melhoramentos em grande parte, mas no entanto apareceram outras limitações à comunicação. Portanto, conclui-se que a utilização deste tipo de redes para a troca de tráfego com características temporais rigorosas, ainda não garante grande confiabilidade, o que leva a que sejam desenvolvidos outros métodos/mecanismos que permitam garantir elevadas taxas de sucesso, em comunicações em tempo-real. 15

32 Capítulo 3 Mecanismo RT-WiFi Conforme o que foi concluído no segundo capitulo, a necessidade da introdução de um mecanismo que melhore a transmissão de dados em tempo-real, é evidente. Neste capitulo são descritos dois mecanismos que possibilitam o uso da camada MAC do IEEE e, para comunicações de dados em tempo-real em redes IEEE Na camada inferior da norma IEEE , é usada a separação de tráfego com o intuito de garantir a uma estação de tempo-real (RT), uma superioridade no acesso ao meio em relação a estações STD (implementam o mecanismo EDCA com valores AIFSN/CW default). A um nível mais elevado, é implementado o mecanismo TDMA que permite a existência de várias estações RT, através da atribuição de um intervalo de tempo específico para cada uma transmitir Descrição do mecanismo Como foi referido acima, o mecanismo RT-WiFi vem propor qualidade de serviço (QoS) às comunicações em ambientes de tempo-real. Este mecanismo baseia-se na subcamada MAC das redes IEEE e (Figura 3.1). A implementação de um mecanismo que encaminhe o tráfego das estações de tempo-real para um nível mais elevado, é uma das soluções sugeridas. Para que isto aconteça é utilizado, na camada MAC mais baixa, o mecanismo Force Collision Resolution (FCR) [12], que atribui uma maior prioridade ao tráfego das estações de RT em comparação com as STD. 16

33 Descrição do mecanismo 17 Figura Arquitectura RT-WiFi FCR Force Collision Resolution O FCR (Force Collision Resolution) tem como objectivo, atribuir uma maior prioridade ao tráfego das estações de tempo-real, em relação a estações STD. Através da configuração dos parâmetros AIFSN (Arbitration Inter-Frame Space Number) e CW (Contention Window), é possível forçar a colisão entre retransmissões efectuadas por estações RT e/ou estações STD. Quando ocorrem colisões entre uma estação RT e uma estação STD, é viável através da configuração do parâmetro AIFSN, aumentar a prioridade do tráfego proveniente de uma estação RT, para que a retransmissão sofra o menor atraso possível. Para atribuir uma maior prioridade ao tráfego, é seleccionada a fila de voz (AIFSN=2), que se posiciona no nível mais elevado de prioridade. Ambas as estações (RT e STD) seleccionam um valor aleatório, correspondente ao intervalo de espera (backoff) para efectuar uma retransmissão. Este intervalo é mais reduzido nas estações RT, devido à maior prioridade do tráfego. Para que a troca de tráfego de temporeal, num processo industrial, não sofra atrasos cruciais e cumpra metas temporais (deadlines), devido ao facto de este ser um sistema determinístico, a desactivação do backoff é uma medida necessária. Esta necessidade deve-se à introdução de valores não prédeterminados, isto é, aleatórios, que caso contrário não fosse desactivado, levaria a elevadas perdas de deadline. Esta desactivação é possível, se a CW (Contention Window) estiver igualada a zero, visto que o valor do backoff esta dentro do intervalo [0,CW], onde o tamanho 17

34 18 Mecanismo RT-WiFi máximo é parametrizado pela variável acw max e o tamanho mínimo por acw min. Neste caso, ambas as variáveis estão igualadas a zero (isto é, acw min =acw max =0). DIFS SIFS Estação RT ACK PACOTE DADOS ACK SIFS DIFS Contention Window Estação STD ACK Backoff Slots PACOTE DADOS ACK Figura Transmissão Estação RT/Estação STD Com a desactivação do backoff, surge o problema proveniente de colisões que possam surgir entre duas ou mais estações RT. Devido a estas estações não possuírem um intervalo de espera para efectuar uma retransmissão, podem assim iniciar um ciclo infinito de colisões. De forma a solucionar este problema, é necessário a utilização de um mecanismo que permita dividir o meio de transmissão em slots, atribuindo assim a cada estação RT um intervalo de tempo, para efectuar uma transmissão, como também retransmissões, no caso de surgirem colisões com estações STD. O mecanismo que permite atribuir um intervalo de tempo a cada estação RT, é designado por Time Division Multiple Access (TDMA), sendo de seguida explicado de forma sucinta. Em relação ao parâmetro TXOP (Transmission Oportunity), permite a transmissão num certo intervalo de tempo limitado, sendo superior na fila de voz (VO) e vídeo (VI), e mais reduzido na fila de best effort (BE) e background (BK). Este parâmetro não é considerado, na implementação deste mecanismo, devido à utilização de uma única categoria de transmissão de dados TDMA Time Division Multiple Access Como foi referido anteriormente (3.2 - FCR Force Collision Resolution), a utilização mecanismo TDMA permite eliminar as colisões que perante a implementação do mecanismo FCR surgem. Este mecanismo consiste na divisão do meio de transmissão em vários ciclos 18

35 TDMA Time Division Multiple Access 19 TDMA, designados por Service Interval (C SI ). Estes ciclos divididos em slots, C id, em que cada estação RT id 5 utiliza o seu respectivo slot param a troca de tráfego. Figura Ciclo do Protocolo TDMA Cada ciclo começa com a transmissão de uma trama designada por Beacon (C beacon ) enviado pelo AP (Access Point). Este é usado como um sincronizador de forma às estações saberem que vai iniciar um intervalo de transmissão. Após a recepção do Beacon cada RT id selecciona o instante de início (SP id ) e instante final (EP id ), respectivamente. Uma estação RT id só pode disputar o acesso à banda de transmissão no seu slot respectivo. As restantes estações, STD, poderão em simultâneo disputar o mesmo intervalo de transmissão, o que pode levar a que colisões ou erros ocorram durante a transmissão de uma estação RT. Com isto serão necessárias retransmissões, estas realizadas em acordo com as regras do standard, que permitem lidar com este tipo de problemas, não deixando que os pacotes transmitidos sejam descartados. Normalmente, as transmissões são finalizadas antes da ocorrência do final do slot (EP id ), no entanto em certas circunstâncias pode ser excedido, no caso de elevado volume de tráfego. Neste último caso a transmissão a decorrer não é abortada, mas não são permitidas retransmissões. Esta situação não leva a que ocorram conflitos entre o slot RT id e o slot seguinte (RT id+1 ), sendo considerado o meio de transmissão ocupado e a transmissão não será iniciada. Como mostra a Figura 3.3 no final do último slot, instante EP np, é necessário considerar um intervalo designado de gap (C gap ), utilizado para assegurar que os pacotes Beacon são transmitidos sincronicamente. Existe esta necessidade, porque em conformidade com o standard o intervalo de tempo entre Beacon s deve ser múltiplo de 1024 µs, não sendo necessariamente um múltiplo de, existindo assim a necessidade de compensação de tempo de forma a alcançar um intervalo múltiplo de 1024 µs. 5 Estação id de tempo-real, onde id encontra-se entre 1 e np (1 id np) 19

36 20 Mecanismo RT-WiFi A duração de cada intervalo, C id, deve assegurar um tempo de resposta limitado em aplicações de tráfego em tempo-real, de modo que em cenários onde exista tráfego proveniente de outras estações que não de tempo-real disponham da possibilidade de disputar o meio de acesso com as estações de tempo-real Algoritmo baseado em comunicações TDMA Com base no que foi descrito acima é possível elaborar um algoritmo baseado no protocolo TDMA, de forma a ser aplicado futuramente em estações de tempo-real. Algoritmo 3.1 Recepção de um Beacon 1: 2: 3: 4: 5: 6: [ ] Quando um beacon é recebido por uma estação RT, primeiramente é definido o instante inicial do slot, SP id (linha 2). De seguida é calculado o instante final, EP id (linha 3), de um slot C id. Para finalizar são inicializadas as interrupções de início (linha 4) e de conclusão (linha 5) de um slot C id. Algoritmo 3.2 Interrupção SP id 1: 2: 3: O algoritmo 3.2 ilustra o que se sucede quando a interrupção, usada no algoritmo 1, é executada no instante SP id. Nesse instante, de forma a permitir à estação RT id transmitir a flag GranToSend (linha 2) é activada. Algoritmo 3.3 Interrupção EP id 1: 2: 3: 20

37 TDMA Time Division Multiple Access 21 O algoritmo 3.3 é o inverso do ilustrado no algoritmo 2. Neste caso, quando é alcançado o instante EP id, a interrupção declarada no algoritmo 1 (linha 5),, a flag GranToSend (linha 2) é desactivada. Isto que significa que a estação RT id está impedida de efectuar o envio de um pacote. Algoritmo 3.4 Transmissão 1: 2: 3: A transmissão de um pacote é ilustrada no algoritmo 3.44, sendo que, só é permitida a uma estação RT transmitir um pacote quando esta possuir a flag GranToSend activa, e a fila de transmissão possuir um ou mais pacotes Conclusão Os mecanismos descritos neste capítulo permitirão que estações com requisitos temporais elevados (Real-Time), e estações que não possuam essa particularidade (STD), usufruam do mesmo meio de acesso sem que existam colisões na transmissão de dados. Conclui-se portanto, que com pequenas alterações ao mecanismo utilizado pelo standard IEEE e, isto é, o mecanismo EDCA, é possibilitado que a transmissão de dados com elevados requisitos temporais, seja eficiente e possua elevado QoS, através da atribuição de elevada prioridade sobre outro tipo de tráfego. Colmatando o problema das colisões entre estações de tempo-real, devido ao primeiro mecanismo, o uso do método TDMA para o acesso ao meio, consegue colmatar tais problemas, reservando para cada estação um intervalo de transmissão. Estes factos foram provados [1], pelo que no seguimento do trabalho serão utilizados de forma a serem validados em ambiente real. 21

38 Capítulo 4 Driver MadWifi O MadWifi (Multiband Atheros Driver WiFi) é um driver open source criado para placas de rede wireless Atheros. Possui suporte de vários modos de operação, como o de estação, AP, Adhoc, Ahdemo e monitorização, sendo que cada modo possui diferentes funcionalidades. O driver MadWifi implementa o protocolo CSMA na camada MAC, como descrito no standard IEEE Usando este driver é possível criar múltiplas interfaces virtuais numa única carta de rede física, onde cada interface virtual pode trabalhar em diferentes modos. Suporta as variáveis a, b e g, derivadas do standard IEEE Nem todo o projecto é open source devido ao facto de depender à camada HAL, isto é, Hardware Abstractions Layer, estando unicamente disponibilizado em formato binário. O driver utiliza a camada HAL para chamar funções impostas ao hardware. Contudo, a comunidade MadWifi desenvolveu um driver, designado por ath5k, que permitirá facultar um driver para cartas WLAN completamente open source, devido às funções do hardware serem invocadas directamente, sem necessidade do uso das funções implementadas na camada HAL. Devido à existência de novos protocolos derivados do standard IEEE , e perante as novas exigências na área das telecomunicações, foi também desenvolvido um driver designado por ath9k que permitirá a operação de redes/equipamentos operação do protocolo IEEE n. Sendo que este projecto está unicamente focado numa pequena modificação no driver MadWifi, não será necessário a modificação de código referente à camada HAL, como também o uso da variável n, o que nos assim permite focar a nossa discussão apenas no driver MadWifi básico, isto é, no driver do equipamento a utilizado. 22

39 Estrutura do MadWifi Estrutura do MadWifi O driver pode ser dividido em três camadas (Figura 4.1), que interagem umas com as outras, a quando da sua utilização, sendo elas: fila Net80211, camada HAL e camada ATH. 1. Fila Net80211 corresponde à camada onde são implementadas as funções do protocolo IEEE Camada HAL como foi referido anteriormente, é a camada responsável pelos pedidos efectuados ao hardware. 3. Camada ATH é a camada central do driver, pois posiciona-se como intermediário entre as duas camadas anteriores, Net80211 e HAL, sendo que invoca a camada Net80211 na necessidade de funcionalidades relacionadas com o protocolo IEEE , e interage com a camada HAL a quando da necessidade de uma comunicação com o hardware. TCP/IP Net80211 ATH HAL Figura Arquitectura do MadWifi 23

40 24 Driver MadWifi Work Flow do MadWifi O driver processa um pacote, quando o mesmo é-lhe enviado pela camada IP, sendo responsável pela inserção do header para posteriormente ser remetido para a camada física. Para que seja possível este pacote ser expedido na rede , o mesmo é encapsulado com o MAC header do standard IEEE Caso haja necessidade do envio de informação adicional, como a taxa de transmissão, a potência de transmissão e o RTS 6, é invocado um descritor da transmissão no driver. Esta informação é enviada para a camada HAL, que configurará o hardware de acordo com os parâmetros definidos, seguidamente o pacote é direccionado para a camada física para ser enviado na rede. A existência de vários tipos de pacotes (dados, gestão e controlo), sendo que cada tipo possui diferentes funcionalidades o driver MadWifi possui diferentes funções que permitem processar cada tipo de pacote. Com isto, é então possível dividir o driver em três categorias diferentes: 1. Transmissão/Recepção de pacotes de dados; 2. Transmissão/Recepção de pacotes de gestão; 3. Transmissão/Recepção de pacotes de controlo; A última categoria é implementada no hardware, sendo que, por exemplo, quando é recebido um pacote acknowledge (ACK), devido a uma transmissão efectuada, este é processado na camada física, e não na camada Net As duas primeiras categorias, estão em certa parte relacionadas, devido a usufruírem tanto ao longo da transmissão como da recepção das mesmas funções, como iremos ver de seguida. 6 RTS : Real-Time Strategy 24

41 Work Flow do MadWifi Transmissão Com intuito de ilustrar a forma como é efectuada uma transmissão no driver, serão apresentados de seguida um conjunto de fluxogramas, juntamente com uma pequena descrição sobre a função de cada uma das fases. Pacotes de Dados ieee80211_classify() 2 1 ieee80211_hardstart() Figura 4.2 Classificação quanto à prioridade de um pacote de dados O processamento de um pacote que à posteriori será transmitido, tem como inicio a função ieee80211_hardstart() camada Net , que se insere na camada Net Função esta que é invocada pelo kernel para transmitir um pacote, sk_buff *skb, através do equipamento indicado através da estrutura net_device *dev. Primeiramente, o pacote a ser enviado é classificado (ieee80211_classify() camada Net80211) quanto à sua prioridade, para futuramente ser direccionado para a fila de transmissão correspondente consoante a prioridade adoptada. Existem quatro filas de prioridade, VO Voice, VI Video, BE Best Effort e BK Background, sendo a primeira a de maior prioridade e a última a de menor. No fluxo 2 é retornado o valor zero (0) em caso da classificação da prioridade do pacote foi efectuada com sucesso. Após a classificação do pacote a função ath_hardstart() camada ATH - é invocada para prosseguir com o processamento do pacote a transmitir, onde é retornado zero (0) caso o pacote for despachado correctamente para a função ath_hardstart(). ieee80211_hardstart() ieee80211_encap() 2 1 ath_hardstart() Figura 4.3 Encapsulamento e encriptação de um pacote de dados 25

42 26 Driver MadWifi Nesta segunda fase, a função ath_hardstart() camada ATH - é responsável por invocar a função que encapsula o pacote a ser transmitido. A cargo da função ieee80211_encap() está a inserção do MAC header, e logo de seguida o pacote já encapsulado é retornado para a função ath_hardstart() que invocará a função ath_tx_start() camada ATH - para o envio do pacote. Após invocar a função ath_tx_start() é retornada a variável NETDEV_TX_OK (=0) em caso do envio do envio do pacote foi efectuado com sucesso, ou retorna a variável NETDEV_TX_BUSY (=1) em caso da fila de transmissão estar ocupada ou cheia. Pacotes de Gestão ieee80211_mgmt_output() ath_mgtstart() Figura Processamento de um pacote de gestão Os pacotes de gestão são gerados na função ieee80211_mgmt_output() - camada Net80211 perante o tipo de pacote. Após isto é invocada a função ath_mgtstart() camada ATH - que é responsável pelo envio do pacote, recorrendo-se à função ath_tx_start() camada ATH. Caso o envio do pacote seja finalizado com êxito, será retornado o valor zero (0). Pacotes de Dados e Gestão ath_hardstart() ath_mgtstart() ath_tx_start() Figura Envio de um pacote de dados ou gestão 26