Сымсыз желілерде қызмет сапасын жақсарту (Sımsız jelilerde qızmet sapasın jaqsartu)

Кіріспе

Сымсыз LAN желілері үшін қызмет сапасын жақсарту

IEEE 802.11e 2005 немесе 802.11e – IEEE 802.11 стандартына жасалған бекітілген түзету, ол медиаға қолжетімділікті бақылау (MAC) қабатына өзгерістер енгізу арқылы сымсыз LAN қолданбалары үшін қызмет сапасын (QoS) жақсарту жиынтығын анықтайды. Бұл стандарт кешігуге сезімтал қолданбалар үшін, мысалы, сымсыз LAN арқылы дауыс беру және мультимедиялық ағынды тарату үшін өте маңызды деп есептеледі. Бұл түзету жарияланған IEEE 802.11 2007 стандартына қосылған.

Бөлінген үйлестіру функциясы (БҚФ)

802.11 MAC негізгі қабаты ортаны бірнеше станциялар арасында бөлісу үшін таратылған үйлестіру функциясын (DCF) пайдаланады. (DCF) станциялар арасында ортаны бөлісу үшін CSMA/CA және қосымша 802.11 RTS/CTS-ке сүйенеді. Бұл бірнеше шектеулерге ие: көптеген станциялар бір уақытта байланысуға тырысса, көптеген қақтығыстар туындайды, бұл қолжетімді өткізу қабілетін төмендетіп, ықтимал тығыздалған құлдырауға әкелуі мүмкін. қызмет сапасының (QoS) кепілдігі жоқ. Атап айтқанда, жоғары немесе төмен басымдылықты трафик ұғымы қарастырылмаған.

Нысанды үйлестіру функциясы (PCF)

802.11 MAC-та нүктелік үйлестіру функциясы (PCF) деп аталатын тағы бір үйлестіру функциясы анықталған. Бұл функция тек "инфрақұрылым" режимінде қолжетімді, онда станциялар желіге Access Point (AP) арқылы қосылады. Бұл режим міндетті емес, және өте сирек АП немесе Wi-Fi адаптерлері ғана оны қолдайды. АП тұрақты интервалдармен (әдетте әр 100 ТБ немесе 0,1024 секунд сайын) маяк кадрларын жібереді. Осы маяк кадрлары арасында PCF екі кезеңді анықтайды: Контенциясыз кезең (CFP) және Контенциялық кезең (CP). CP кезеңінде DCF пайдаланылады. CFP кезеңінде AP әр станцияға біртіндеп Contention Free Poll (CF Poll) пакеттерін жіберіп, оларға деректерді жіберу құқығын береді. АП – үйлестіруші. Бұл QoS-ты жақсырақ басқаруға мүмкіндік берсе де, PCF басқа QoS жүйелеріндегідей (мысалы, 802.1p және DiffServ) трафик санаттарын анықтамайды.

802.11e MAC протоколы бойынша жұмыс

802.11e жаңа үйлестіру функциясы арқылы DCF және PCF-ті жақсартады: гибридті үйлестіру функциясы (HCF). HCF ішінде 802.11 MAC-де анықталғанға ұқсас екі арнаға қол жеткізу әдісі бар: HCF Controlled Channel Access (HCCA) және Enhanced Distributed Channel Access (EDCA). EDCA және HCCA екеуі де Трафик санаттарын (TC) анықтайды. Мысалы, электрондық пошта төмен басымдылық класына, ал сымсыз LAN арқылы дауыс (VoWLAN) жоғары басымдылық класына тағайындалуы мүмкін.

HCF-мен бақыланатын арнаға кіру (HCCA)

HCF (гибридтік үйлестіру функциясы) бақыланатын арнаға кіру (HCCA) PCF сияқты жұмыс істейді. Алайда, PCF-тен айырмашылығы, онда екі маяк кадры арасындағы интервал CFP және CP екі кезеңге бөлінеді, HCCA CP кезінде кез келген уақытта CFP бастауға мүмкіндік береді. Мұндай CFP түрі 802.11e стандартында Бақыланатын кіру фазасы (CAP) деп аталады. AP станцияға кадр жібергісі келгенде немесе станциядан кадрды даусыз түрде алуды қалағанда CAP-ты іске қосады. Шындығында, CFP де CAP болып табылады. CAP кезінде гибридтік координатор (HC) – ол АП-да – ортаға қол жеткізуді басқарады. CP кезінде барлық станциялар EDCA режимінде жұмыс істейді. PCF-тен тағы бір айырмашылық – Traffic Class (TC) және Traffic Streams (TS) анықталады. Бұл HC станция бойынша кезекке тұрумен ғана шектелмейді, сонымен қатар сессиялық қызмет түрін ұсына алады дегенді білдіреді. HC сондай-ақ осы ағындарды немесе сессияларды кез келген қалайтын тәсілмен координациялай алады (тек дөңгелек тәртіппен емес). Станциялар әрбір Traffic Class (TC) үшін кезектерінің ұзындығы туралы ақпаратты ұсынады. HC бұл ақпаратты бір станцияға екіншісіне қарағанда басымдық беру үшін немесе кестелеу механизмін жақсарту үшін пайдалана алады. Тағы бір айырмашылық – станцияларға TXOP беріледі: олар HC таңдаған белгілі бір уақыт ішінде бірнеше пакетті қатарынан жібере алады. CFP кезінде HC станцияларға CF Poll кадрларын жіберу арқылы деректерді жіберуге рұқсат береді. HCCA, әдетте, ең жетілген (және күрделі) координациялық функция болып саналады. HCCA көмегімен QoS өте дәл конфигурациялануы мүмкін. QoS қолдауы бар станциялар нақты тарату параметрлерін (деректер жылдамдығы, кешігу және т.б.) сұрауға қабілетті, бұл VoIP және бейне ағыны сияқты жетілген қосымшалардың Wi-Fi желісінде тиімді жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. HCCA қолдауы 802.11e АП үшін міндетті емес. Шындығында, қазіргі уақытта қол жетімді АП-лердің көпшілігі (егер бар болса) HCCA үшін қосылмаған. HCCA-ны соңғы станцияларда жүзеге асыру арнаға қол жеткізу үшін қолданыстағы DCF механизмін пайдаланады (DCF немесе EDCA жұмысын өзгертудің қажеті жоқ). Станциялар тек сауалнамалық хабарламаларға жауап бере білуі керек. АП тарапынан кестелеуші және кезекке қою механизмі қажет.

The HCF (hybrid coordination function) controlled channel access (HCCA) works a lot like PCF. However, in contrast to PCF, in which the interval between two beacon frames is divided into two periods of CFP and CP, the HCCA allows for CFPs being initiated at almost anytime during a CP. This kind of CFP is called a Controlled Access Phase (CAP) in 802.11e. A CAP is initiated by the AP whenever it wants to send a frame to a station or receive a frame from a station in a contention free manner. In fact, the CFP is a CAP too. During a CAP, the Hybrid Coordinator (HC)—which is also the AP—controls the access to the medium. During the CP, all stations function in EDCA. The other difference with the PCF is that Traffic Class (TC) and Traffic Streams (TS) are defined. This means that the HC is not limited to per station queuing and can provide a kind of per session service. Also, the HC can coordinate these streams or sessions in any fashion it chooses (not just round robin). Moreover, the stations give info about the lengths of their queues for each Traffic Class (TC). The HC can use this info to give priority to one station over another, or better adjust its scheduling mechanism. Another difference is that stations are given a TXOP: they may send multiple packets in a row, for a given time period selected by the HC. During the CFP, the HC allows stations to send data by sending CF Poll frames. HCCA is generally considered the most advanced (and complex) coordination function. With the HCCA, QoS can be configured with great precision. QoS enabled stations have the ability to request specific transmission parameters (data rate, jitter, etc.) which should allow advanced applications like VoIP and video streaming to work more effectively on a Wi Fi network. HCCA support is not mandatory for 802.11e APs. In fact, few (if any) APs currently available are enabled for HCCA. Implementing the HCCA on end stations uses the existing DCF mechanism for channel access (no change to DCF or EDCA operation is needed). Stations only need to be able to respond to poll messages. On the AP side, a scheduler and queuing mechanism is needed.

802.11e-нің басқа да ерекшеліктері

HCCA, EDCA және TXOP-тан өзге, 802.11e 802.11 MAC қабатының QoS-ын жақсарту үшін қосымша опциялық протоколдарды қарастырады:

Автоматты қуат үнемдеуді жеткізу

802.11e стандартына дейін қолжетімді болған Power Save Polling механизміне қосымша, 802.11e стандартында энергияны үнемдеуді қамтамасыз ету және хабарлаудың жаңа механизмдері енгізілді. APSD (автоматты қуатты үнемдеу) жеткізілімді бастаудың екі тәсілін ұсынады: жоспарланған APSD (S APSD) және жоспарланбаған APSD (U APSD). APSD арқылы бірнеше кадрлар қолжетімділік нүктесінен қуатты үнемдейтін құрылғыға қызмет ету кезеңінде бірге жіберілуі мүмкін. Қызмет ету кезеңі аяқталғаннан кейін, құрылғы келесі қызмет ету кезеңіне дейін күту режиміне (doze state) көшеді. S APSD-де қызмет ету кезеңдері қуатты үнемдейтін құрылғыға белгілі болған, алдын ала анықталған кестеге сәйкес басталады, бұл қолжетімділік нүктесіне қосымша сигнал беру қажеттілігінсіз буферленген трафикті жіберуге мүмкіндік береді. U APSD-де кез келген кадр қолжетімділік нүктесіне жіберілген кезде қызмет ету кезеңі іске қосылады, бұл қолжетімділік нүктесіне басқа бағытта буферленген кадрларды жіберуге мүмкіндік береді. U APSD толық немесе гибридтік формада болуы мүмкін. Толық U APSD-де барлық типтегі кадрлар басымдығына қарамастан U APSD-ді пайдаланады. Гибридтік U APSD-де қолжетімділік санатына байланысты U APSD немесе Power Save Polling механизмі қолданылады. S APSD екі каналға қол жеткізу механизмі үшін де – EDCA және HCCA үшін де қолжетімді, ал U APSD тек EDCA үшін ғана қолжетімді. APSD, 802.11 Power Save Polling-тен гөрі тиімді қуатты басқару әдісі болып табылады, себебі ол қуатты тұтынуды төмендетіп, қуатты үнемдейтін құрылғыларға буферленген кадрларды жеткізу үшін қажетті сигнал беру трафигін және қуатты үнемдеу сауалнамалары арасындағы қақтығыстарды азайтады, бұл сауалнамалар әдетте маяк (beacon) TIM-нен кейін дереу жіберіледі. S APSD, U APSD-ге қарағанда тиімді, себебі жоспарланған қызмет ету кезеңдері кедергілерді азайтады және қолжетімділік нүктесі мен қуатты үнемдейтін құрылғы арасындағы байланыс қосымша сигнал беруді қажет етпей басталады. U APSD-ді пайдаланатын қуатты үнемдейтін құрылғы, мысалы, аудио, бейне немесе қазіргі смартфондарда кездесетін ең жақсы күш-жігер трафик қосымшаларының жағдайында, өтетін трафик болмаған кезде буферленген трафикті алу үшін сигнал беру кадрларын жасауы керек. U APSD VoIP телефондары үшін тартымды, өйткені деректердің жылдамдығы екі бағытта да шамамен бірдей, сондықтан қосымша сигнал беру қажеттілігі туындамайды – жоғары бағытталған дауыс кадры төмен бағытталған дауыс кадрын жіберу үшін қызмет ету кезеңін іске қоса алады. Гибридтік U APSD толық U APSD-ге қарағанда тиімділігі төмен, өйткені ол кейбір кіру санаты үшін қолданылатын Power Save Polling механизмі, жоғарыда айтылғандай, APSD-ге қарағанда тиімділігі төмен. Әртүрлі қуатты үнемдеу механизмдерінің салыстырмалы артықшылықтары симуляциялар арқылы тәуелсіз расталды.

In addition to the Power Save Polling mechanism, which was available pre 802.11e, new power save delivery and notification mechanisms have been introduced in 802.11e. APSD (automatic power save delivery) provides two ways to start delivery: ‘scheduled APSD’ (S APSD) and ‘unscheduled APSD’ (U APSD). With APSD, multiple frames may be transmitted together by the access point to a power saving device during a service period. After the end of a service period, the device enters a doze state until next service period. With S APSD, service periods start according to a predetermined schedule known to the power saving device, thus allowing the Access Point to transmit its buffered traffic without the need for any signaling. With U APSD, whenever a frame is sent to the Access Point, a service period is triggered, which allows the access point to send buffered frames in the other direction. U APSD can take a ‘full’ U APSD or ‘hybrid’ U APSD form. With Full U APSD, all types of frames use U APSD independently of their priority. With Hybrid U APSD, either U APSD or the legacy Power Save Polling mechanism is used, depending on the access category. S APSD is available for both channel access mechanisms, EDCA and HCCA, while U APSD is available only for EDCA. APSD is a more efficient power management method than legacy 802.11 Power Save Polling, leading to lower power consumption, as it reduces both the signaling traffic that would otherwise be needed for delivery of buffered frames to power saving devices by an AP and the collision rate among power save polls, typically transmitted immediately after the beacon TIM. S APSD is more efficient than U APSD because scheduled service periods reduce contention and because transmission between the access point and a power saving device starts without the need for any signaling. A power saving device using U APSD must generate signaling frames to retrieve buffered traffic in the absence of uplink traffic, as for instance in the case of audio, video, or best effort traffic applications found in today's smartphones. U APSD is attractive for VoIP phones, as data rates are roughly the same in both directions, thus requiring no extra signaling—an uplink voice frame can trigger a service period for the transmission of a downlink voice frame. Hybrid U APSD is less efficient than Full U APSD because the Power Save Polling mechanism it employs for some access categories is less efficient than APSD, as explained above. The relative advantages of the various power save mechanisms have been confirmed independently by simulations.

Блокты растаулар

Блоктық растаулар бір фреймде толық TXOP-ты растауға мүмкіндік береді. Бұл ұзақ TXOP-тар белгіленген жағдайда протокол жүктемесін азайтуға көмектеседі.

Жоқ

QoS режимінде жіберілетін кадрлар үшін қызмет класы екі мәнге ие болуы мүмкін: QosAck және QosNoAck. QosNoAck кадрлары расталмайды. Бұл уақытқа өте сезімтал деректердің қайта жіберілуін болдырмайды.

Тікелей байланыс орнату

Тікелей байланыс орнату негізгі қызмет жиынтығында станциядан станцияға тікелей кадрларды жіберуге мүмкіндік береді. Бұл әсіресе тұтынушыларға арналған, себебі станциялар арасындағы байланыс олар үшін жиірек қолданылады. Мысалы, видеоны тұрғын бөлмедегі телевизорға ағылғанда немесе бір бөлмедегі сымсыз принтерге басып шығарғанда, Wi-Fi кадрларын екі байланыс құрылғысы арасында тікелей жіберу, оларды әрқашан AP арқылы жіберудің стандартты тәсілінен гөрі тиімдірек болуы мүмкін, себебі бұл бір радио толқынының орнына екі радио толқынын пайдалануды қамтиды. Сонымен қатар, егер AP үйдің шалқарынан алыс жерде орналасқан болса, барлық кадрларды AP-ге және кері жіберу үшін оларды төмендетілген тарату жылдамдығымен жіберу қажет болуы мүмкін. Дегенмен, DLS тиімді тікелей байланысты қамтамасыз ету үшін AP-нің қатысуын талап етеді, бірақ AP-лердің өте аз бөлігінде немесе мүлдем жоқ, мұндай қолдау бар. Туннельдік тікелей байланыс орнату 802.11z (TDLS) ретінде жарияланды, бұл құрылғыларға AP-нің қолдауысыз станциядан станцияға кадрларды тиімдірек жіберуге мүмкіндік береді. DLS және TDLS екі станцияның да бір AP-ге қосылуын талап етеді. DLS және TDLS негізгі қызмет жиынтығының мүшелері арасындағы байланыс жылдамдығы мен тиімділігін арттырады, бірақ олар бір-біріне жақын болса да, бір AP-ге қосылмаған құрылғылар арасындағы байланысты жеңілдетпейді. Бір AP-ге қосылмаған құрылғылар арасындағы жақын байланыс Wi-Fi Direct сияқты технологияларды пайдалану арқылы жүзеге асырылуы мүмкін, бірақ әзірге Wi-Fi Direct кеңінен таралған жоқ. Microsoft-тың Virtual Wi-Fi жобасы DLS-пен бірдей мақсатқа жету үшін жасалды. Виртуалды Wi-Fi ойыншыларға станция адаптерлеріне бірнеше MAC-адрестерін беруге мүмкіндік береді, соның арқасында AP арқылы интернетке қол жеткізе отырып, сымсыз байланыс жасауға болады.