Улучшения качества обслуживания в беспроводных локальных сетях (IEEE 802.11e)

Введение

Улучшения качества обслуживания для беспроводных локальных сетей

IEEE 802.11e 2005 или 802.11e — это утвержденная поправка к стандарту IEEE 802.11, определяющая набор улучшений качества обслуживания (QoS) для приложений беспроводных локальных сетей за счет модификаций уровня управления доступом к среде (MAC). Стандарт считается критически важным для приложений, чувствительных к задержкам, таких как передача голоса по беспроводной локальной сети и потоковое мультимедиа. Данная поправка была включена в опубликованный стандарт IEEE 802.11 2007.

Распределенная координационная функция (DCF)

Основной уровень MAC 802.11 использует функцию распределённой координации (DCF) для совместного использования среды передачи между несколькими станциями. (DCF) опирается на CSMA/CA и опциональные 802.11 RTS/CTS для совместного использования среды передачи между станциями. Это имеет ряд ограничений: если множество станций одновременно пытаются передать данные, возникает большое количество коллизий, что снижает доступную пропускную способность и может привести к коллапсу из-за перегрузки. Гарантий качества обслуживания (QoS) не предоставляется. В частности, не предусмотрено разделение трафика по приоритету – высокому или низкому.

Функция координации точек (PCF)

Оригинальный стандарт 802.11 MAC определяет другую функцию координации, называемую функцией координации точек (PCF). Она доступна только в режиме "инфраструктуры", когда станции подключаются к сети через точку доступа (AP). Этот режим является необязательным, и лишь очень небольшое количество точек доступа или адаптеров Wi-Fi фактически его поддерживают. Точки доступа отправляют маяковые кадры через регулярные интервалы (обычно каждые 100 ТУ или 0,1024 секунды). Между этими маяковыми кадрами PCF определяет два периода: период без конкуренции (CFP) и период конкуренции (CP). В периоде CP используется DCF. В периоде CFP точка доступа отправляет пакеты запроса без конкуренции (CF Poll) каждой станции по очереди, предоставляя им право на передачу пакета. Точка доступа выступает в роли координатора. Хотя это позволяет улучшить управление качеством обслуживания (QoS), PCF не определяет классы трафика, как это принято в других системах QoS (например, 802.1p и DiffServ).

802.11e Операция по протоколу MAC

802.11e расширяет функциональность DCF и PCF посредством новой функции координации: гибридной функции координации (HCF). В рамках HCF предусмотрено два метода доступа к каналу, аналогичные определенным в устаревшем стандарте 802.11 MAC: HCF Controlled Channel Access (HCCA) и Enhanced Distributed Channel Access (EDCA). И EDCA, и HCCA определяют категории трафика (TC). Например, электронная почта может быть отнесена к классу с низким приоритетом, а голосовая связь по беспроводной сети LAN (VoWLAN) – к классу с высоким приоритетом.

HCF контролируемый доступ к каналу (HCCA)

HCF (гибридная координационная функция) контролируемый доступ к каналу (HCCA) работает очень похоже на PCF. Однако, в отличие от PCF, в котором интервал между двумя маячными кадрами разделен на два периода CFP и CP, HCCA позволяет инициировать CFP практически в любое время в течение CP. Этот тип CFP называется фазой контролируемого доступа (CAP) в стандарте 802.11e. CAP инициируется точкой доступа (AP) всякий раз, когда ей требуется отправить кадр на станцию или получить кадр от станции без использования механизма состязания. Фактически, CFP также является CAP. Во время CAP гибридный координатор (HC), который также является точкой доступа (AP), контролирует доступ к среде передачи. Во время CP все станции функционируют в режиме EDCA. Другое отличие от PCF заключается в определении классов трафика (TC) и потоков трафика (TS). Это означает, что HC не ограничивается очередями для каждой станции и может предоставлять сервис на уровне сеанса. Кроме того, HC может координировать эти потоки или сеансы любым выбранным способом (а не только по принципу "каждый по очереди"). Более того, станции предоставляют информацию о длине своих очередей для каждого класса трафика (TC). HC может использовать эту информацию для приоритизации одной станции над другой или для более точной настройки механизма планирования. Еще одно отличие заключается в том, что станциям выделяется TXOP: они могут отправлять несколько пакетов подряд в течение определенного периода времени, заданного HC. Во время CFP HC разрешает станциям отправлять данные, отправляя кадры CF Poll. HCCA обычно считается наиболее продвинутой (и сложной) координационной функцией. С помощью HCCA QoS можно конфигурировать с высокой точностью. Станции с поддержкой QoS могут запрашивать определенные параметры передачи (скорость передачи данных, джиттер и т.д.), что должно обеспечить более эффективную работу передовых приложений, таких как VoIP и потоковое видео, в сети Wi-Fi. Поддержка HCCA не является обязательной для точек доступа (AP) 802.11e. Фактически, в настоящее время доступно мало (если вообще есть) точек доступа (AP) с поддержкой HCCA. Реализация HCCA на конечных станциях использует существующий механизм DCF для доступа к каналу (изменения в работе DCF или EDCA не требуются). Станциям необходимо только уметь отвечать на запросы (poll messages). На стороне точки доступа (AP) требуется планировщик и механизм управления очередями.

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.

Другие спецификации 802.11e

В дополнение к HCCA, EDCA и TXOP, 802.11e определяет дополнительные необязательные протоколы для расширенного обеспечения качества обслуживания (QoS) на уровне MAC 802.11.

Автоматическая энергосберегающая передача

В дополнение к механизму опроса для экономии энергии, который был доступен до 802.11e, в стандарте 802.11e были введены новые механизмы доставки и уведомления для экономии энергии. APSD (автоматическая доставка для экономии энергии) предоставляет два способа начала доставки: «планируемая APSD» (S APSD) и «непланируемая APSD» (U APSD). При использовании APSD точка доступа может передавать несколько кадров энергосберегающему устройству одновременно в течение периода обслуживания. По окончании периода обслуживания устройство переходит в режим ожидания до следующего периода обслуживания. В случае S APSD периоды обслуживания начинаются в соответствии с заранее определенным расписанием, известным энергосберегающему устройству, что позволяет точке доступа передавать буферизованный трафик без необходимости дополнительной сигнализации. При U APSD каждый раз, когда кадр отправляется в точку доступа, запускается период обслуживания, позволяющий точке доступа отправлять буферизованные кадры в обратном направлении. U APSD может быть реализован в виде «полного» U APSD или «гибридного» U APSD. В Full U APSD все типы кадров используют U APSD независимо от их приоритета. При использовании гибридного U APSD, в зависимости от категории доступа, используется либо U APSD, либо устаревший механизм Power Save Polling. S APSD доступен для обоих механизмов доступа к среде передачи, EDCA и HCCA, в то время как U APSD доступен только для EDCA. APSD является более эффективным методом управления питанием, чем устаревший 802.11 Power Save Polling, что приводит к снижению энергопотребления, поскольку он уменьшает как объем сигнального трафика, необходимого для доставки буферизованных кадров энергосберегающим устройствам через точку доступа, так и вероятность коллизий между запросами на экономию энергии, обычно передаваемыми сразу после TIM-маяка. S APSD более эффективен, чем U APSD, поскольку запланированные периоды обслуживания снижают конкуренцию, а передача между точкой доступа и энергосберегающим устройством начинается без необходимости сигнализации. Энергосберегающему устройству, использующему U APSD, необходимо генерировать сигнальные кадры для получения буферизованного трафика в отсутствие восходящего трафика, например, в случае аудио-, видео- или приложений типа best effort, используемых в современных смартфонах. U APSD привлекателен для VoIP-телефонов, поскольку скорости передачи данных примерно одинаковы в обоих направлениях, что исключает необходимость дополнительной сигнализации – восходящий голосовой кадр может инициировать период обслуживания для передачи нисходящего голосового кадра. Гибридный U APSD менее эффективен, чем Full U APSD, поскольку механизм Power Save Polling, используемый для некоторых категорий доступа, менее эффективен, чем APSD, как было описано выше. Относительные преимущества различных механизмов экономии энергии были независимо подтверждены результатами моделирования.

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.

Блоки подтверждений

Блочные подтверждения позволяют подтвердить весь TXOP одним кадром. Это снизит накладные расходы протокола при использовании более длительных TXOP.

Нет, нет.

В режиме QoS класс обслуживания для отправляемых кадров может принимать два значения: QosAck и QosNoAck. Кадры с QosNoAck не требуют подтверждения получения. Это позволяет избежать повторной передачи данных, критичных по времени.

Настройка прямой связи

Настройка Direct Link Setup позволяет осуществлять прямую передачу кадров между станциями в пределах базовой сети. Она разработана главным образом для потребительского использования, где передача от станции к станции встречается чаще. Например, при потоковой передаче видео на телевизор в гостиной или печати на беспроводной принтер в той же комнате, может быть эффективнее отправлять Wi-Fi кадры напрямую между двумя взаимодействующими устройствами, вместо использования стандартного метода, при котором все данные передаются через точку доступа (AP), что требует двух радиосеансов вместо одного. Кроме того, если AP находится далеко в другом конце дома, отправка всех кадров через AP и обратно может потребовать снижения скорости передачи. Однако DLS требует участия AP для обеспечения более эффективной прямой связи, и немногие, если вообще какие-либо, AP поддерживают эту функцию. Tunnelled Direct Link Setup был стандартизирован как 802.11z (TDLS), что позволяет устройствам осуществлять более эффективную прямую передачу кадров между станциями без поддержки AP. И DLS, и TDLS требуют, чтобы станции были ассоциированы с одной и той же AP. И DLS, и TDLS повышают скорость и эффективность связи между устройствами в базовой сети, но они не обеспечивают связь между устройствами, находящимися поблизости друг от друга, но не ассоциированными с одной и той же AP. Связь между близко расположенными устройствами, не ассоциированными с одной и той же AP, может быть реализована с использованием технологий, таких как Wi-Fi Direct, но пока Wi-Fi Direct не получил широкого распространения. Инициатива Microsoft Virtual Wi-Fi была разработана для достижения той же цели, что и DLS. Virtual Wi-Fi позволяет геймерам подключаться к беспроводной сети, одновременно получая доступ к Интернету через AP, позволяя сетевым адаптерам станций использовать несколько MAC-адресов.