admission control for qos provision in wireless mesh networks

Abstract— This work presents an admission control

mechanism for multi-hop wireless mesh networks based on the IEEE 802.11e standard and the OLSR routing protocol. This mechanism, called CAC-OLSR, aims at ensuring that traffic flows with quality of service (QoS) requirements are only admitted in the mesh network if it has available resources in order to provide flow requirements. In addition, QoS requirements of previously admitted traffic flows cannot be violated. The proposal was evaluated with NS-2 simulations.

Keyword— Quality of Service, QoS, admission control, wireless mesh networks, OLSR, CAC-OLSR.

I. INTRODUÇÃO

avanço tecnológico e a redução de custos de implantação têm feito com que redes sem fio baseadas no padrão IEEE

802.11 [1] sejam largamente empregadas. Além disso, observa-se uma tendência com relação à provisão de diferentes serviços através de redes de pacotes baseadas no protocolo IP. Em especial, é importante destacar o crescimento de aplicações multimídia, como voz e vídeo, que requerem um determinado nível mínimo de qualidade de serviço (QoS). Diante deste cenário, surge a necessidade de prover as redes IP de mecanismos que garantam o nível de QoS necessário. Porém aqueles já amplamente difundidos e aplicados às redes cabeadas necessitam de tratamento especial em ambientes sem fio, particularmente devido a restrições de largura de banda e variações nas condições de propagação do sinal do meio.

Com respeito à qualidade de serviço em redes sem fio baseadas no padrão IEEE 802.11, cumpre destacar a emenda 802.11e [2]. Esta emenda estabelece quatro categorias de tráfego com prioridades distintas de acesso ao meio mediante a configuração de parâmetros como: espaçamento entre quadros, janela de contenção e oportunidade de transmissão.

Entretanto, a mera diferenciação de tráfego com distintas prioridades de acesso ao meio não é suficiente para garantir a qualidade de serviço requerida por determinadas aplicações multimídia. Por exemplo, ela não exime a rede de congestionamentos causados pela injeção excessiva de fluxos pertencentes à mesma categoria de acesso.

É neste contexto que surge a importância de um mecanismo de controle de admissão, o qual deve ser responsável pela entrada de novos fluxos na rede de modo que

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E. P. S. Mineiro, Laboratório MídiaCom, Departamento de Engenharia de Telecomunicações, Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]

D. C. M. Saade, Laboratório MídiaCom, Departamento de Ciência da Computação, Universidade Federal Fluminense (UFF), Niterói, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]

a qualidade de serviço por eles exigida seja atendida, sem violar, por outro lado, os requisitos demandados pelos fluxos anteriormente admitidos.

O presente trabalho tem por objetivo propor um mecanismo de controle de admissão voltado para redes em malha sem fio de múltiplos saltos e que opere sob o modo de acesso baseado em contenção do padrão IEEE 802.11. O mecanismo proposto é uma extensão ao protocolo de roteamento OLSR (Optimized Link State Routing) [3] e denomina-se CAC-OLSR (Call Admission Control OLSR). OLSR é um protocolo de roteamento pró-ativo comumente utilizado em redes em malha sem fio [4, 5].

As seções que se seguem foram assim estruturadas: a Seção II apresenta trabalhos relacionados ao tema. Já a Seção III aborda o mecanismo de controle de admissão CAC-OLSR, enquanto que a Seção IV apresenta uma análise de desempenho da proposta mediante simulações realizadas no software Network Simulator 2 [6]. Finalmente a Seção V engloba as conclusões, bem como oportunidades de trabalhos futuros.

II. TRABALHOS RELACIONADOS

O tema controle de admissão em redes sem fio baseadas no padrão IEEE 802.11[1] tem sido alvo de algumas iniciativas no meio acadêmico, dada sua relevância. A maior parte delas, no entanto, propõe mecanismos voltados a redes infraestruturadas, sendo uma menor parcela aquelas que se dedicam a redes em malha com possibilidade de múltiplos saltos.

O trabalho de Yang e Kravets [7], citado em muitos artigos sobre o assunto, propôs um controle de admissão para redes ad-hoc valendo-se do critério de ocupação do canal. Em resumo, cada nó decide sobre a admissão de um novo fluxo mediante a comparação entre a estimativa de ocupação do meio provocada pelo tráfego entrante com a estimativa de recursos disponíveis no canal. Caso a primeira seja menor que a segunda, o fluxo pode ser admitido.

A proposta, no entanto, não levou em consideração as categorias de acesso propostas pela emenda IEEE 802.11e [2]. Além disso, não considerou transmissões envolvendo múltiplos saltos, tampouco fenômenos como a interferência intrafluxo, que será discutida mais adiante.

Lindgren e Belding-Royer [8] apresentaram uma abordagem para tratamento da interferência intrafluxo. Trata-se de um fator denominado contador de contenção, o qual deve ser aplicado na estimativa de consumo de recursos de um novo fluxo durante o processo de admissão. Esse trabalho associa a admissão de fluxos com a descoberta de rotas, fato que exclui a aplicação do mecanismo em redes cujo protocolo

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E. P. S. Mineiro and D. C. M. Saade

O

IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 10, NO. 1, JAN. 2012 1135

de roteamento seja pró-ativo, como o OLSR [3]. As categorias de acesso da emenda IEEE 802.11e [2] também não foram consideradas.

Ahn et al. [9] propuseram um mecanismo denominado SWAN – Service Differentiation in Stateless Wireless Ad Hoc Networks, o qual não depende de um protocolo de roteamento específico. Nesta proposta, o controle de admissão é executado sempre no nó de origem, que envia um probe ao nó destino para averigurar a disponibilidade de banda na rede e compará-la com os recursos demandados pelo novo fluxo. SWAN não considera as categorias de acesso da emenda IEEE 802.11e [2].

Cerveira e Costa [10] propuseram uma extensão ao protocolo AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) [11], acrescentando um mecanismo de controle de admissão semelhante aos até agora citados. Porém, a proposta diferencia o tempo de ocupação do canal entre tráfego com QoS e tráfego de melhor esforço, desconsiderando este último no processo de admissão de novos fluxos. Esta estratégia é utilizada para que o tráfego de melhor esforço ocupe somente os recursos de rede não utilizados por fluxos demandantes de QoS. Além da diferenciação do tempo de ocupação, o autor assume como premissa a utilização das categorias de acesso previstas na emenda IEEE 802.11e [2], bem como que o tráfego de melhor esforço utiliza o TCP como protocolo de transporte.

Badis e Agha [12] propuseram um mecanimo de controle de admissão para o protocolo QOLSR [13]. O esquema baseia-se no envio preliminar de mensagens do tipo Check Request (CREQ) e Check Reply (CREP), as quais carregam os requisitos do fluxo entrante em termos de banda, atraso e jitter. A cada nó, verifica-se se tais requisitos podem ou não ser atendidos, passando-se a mensagem adiante caso positivo. Se o nó originador do CREQ receber o CREP correspondente, o fluxo é aceito. Esta prosposta trata a interferência intrafluxo, porém não considera as categorias de acesso 802.11e [2].

Até onde foi possível ao corrente trabalho investigar, o mecanismo de controle de admissão que será apresentado neste artigo é o primeiro a ser proposto para um protocolo de roteamento pró-ativo que considera as seguintes características: rede em malha sem fio com múltiplos saltos; utilização das categorias de acesso da emenda IEEE 802.11e [2]; tratamento para as interferências inter e intrafluxo e tratamento para eventuais violações de QoS.

Além das características acima mencionadas, este artigo considera a reserva de recurso de tempo de uso do canal para as categorias de acesso de voz e vídeo. Se não utilizados, estes recursos podem ser empregados por outras categorias. Ressalta-se a importância desta funcionalidade, pois, se não considerada e, por exemplo, uma determinada rede está completamente utilizada com fluxos de vídeo previamente admitidos, o mecanismo de controle de admissão não permitirá a admissão de novos fluxos de voz, categoria de prioridade superior. CAC-OLSR, neste caso, interromperá os últimos fluxos de vídeo admitidos para permitir a admissão de fluxos de voz, até o limite dos recursos reservado para esta categoria. Esta abordagem não é considerada em nenhum dos trabalhos relacionados ao tema.

III. CAC-OLSR

A proposta CAC-OLSR, do inglês Call Admission Control OLSR, utiliza como principal critério de admissão a comparação entre a ocupação corrente do canal e a estimativa de ocupação demandada por um novo fluxo. Além disso, utiliza as categorias de acesso definidas pela emenda IEEE 802.11e [2] e trata os problemas das interferências inter e intrafluxo, bem como da violação de QoS.

Cumpre destacar a importância da utilização das categorias de acesso propostas pela emenda IEEE 802.11e para fins de diferenciação de tráfego e consequente priorização de acesso ao meio para fluxos com requisitos de QoS. Além disso, é vital o tratamento das interferências para que a admissão de um novo fluxo não venha a degradar a qualidade daqueles previamente admitidos.

A. Medição da ocupação do canal

A medição de ocupação do canal se dá mediante a observação, por um determinado período, da indicação de detecção de portadora. No padrão IEEE 802.11 [1], esta detecção é implementada através do PHY carrier sense.

Cabe ressaltar, no entanto, que a proposta deste trabalho mede, para fins de controle de admissão, apenas a ocupação provocada por quadros pertencentes às categorias de acesso 0 e 1, destinadas aos tráfegos de voz e vídeo respectivamente. Esta estratégia foi adotada para evitar que fluxos que exigissem QoS deixassem de ser admitidos em virtude do meio estar ocupado por tráfego que não possui qualidade de serviço associada. Considera-se aqui, conforme adotado em [10], que a menor prioridade de acesso ao meio das categorias sem QoS, aliada ao fato de que o tráfego nelas fluente utiliza o TCP como protocolo de transporte, automaticamente reduzirá este tipo de tráfego na presença de fluxos com QoS.

Em resumo, a medição de ocupação do canal observa por um determinado período (100 ms foi adotado neste trabalho) a detecção de portadora e retorna a ocupação percentual no tempo provocada por quadros das categorias 0 e 1.

B. Estimativa de ocupação do canal por um novo fluxo

A estimativa de ocupação do canal por um novo fluxo é fundamental para o controle de admissão, visto que será comparada com a ocupação corrente do meio para a tomada de decisão. Em caso de superestimativa, poderá haver ociosidade do canal. Por outro lado, se houver subestimativa, a rede estará sujeita a falsas admissões, fato que poderá degradar a qualidade de serviço dos fluxos.

Objetivando facilitar o entendimento do cálculo a ser proposto, faz-se necessário averiguar a forma de ocupação do meio durante a transmissão de um quadro de dados conforme previsto no IEEE 802.11e [1]. Analisando o padrão, conclui-se que o tempo necessário à transmissão de um quadro de dados é:

Tframe = Data + SIFS + ACK + AIFS + Backoff (1)

Na Equação (1), “Data” é o tempo necessário à transmissão do quadro de dados; “SIFS” é o espaçamento entrequadros antes da transmissão do “ACK”, o qual corresponde ao reconhecimento do quadro antes enviado; “AIFS” é o espaçamento entrequadros antes da transmissão de outro quadro de dados, conforme a categoria de acesso

1136 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 10, NO. 1, JAN. 2012

correspondente. Por fim, Backoff é o tempo necessário à contenção do meio, conforme procedimento previsto em [1].

Os valores de “SIFS” e “AIFS” podem ser facilmente obtidos mediante consulta ao padrão IEEE 802.11 [1]. Já o tempo de transmissão de “Data” e “ACK” são calculados com base no tamanho do pacote e taxa de transmissão empregada.

O tempo de “Backoff” pode ser estimado utilizando-se o valor médio da janela de contenção multiplicado pela duração de um slot de tempo, o qual pode ser obtido no padrão [1].

De posse do tempo ocupado por um quadro de dados (Equação 1), verifica-se a quantidade de quadros a serem enviados pelo novo fluxo por um determinado período de observação. Esta quantidade, multiplicada por Tframe e comparada com o período de observação, resulta em um percentual de ocupação de tempo de canal estimado para o novo fluxo.

C. Tratamento de Interferências

1) Interferência Interfluxo

Considera-se como interferência interfluxo aquela que se dá entre dois ou mais fluxos distintos e concorrentes quanto ao acesso ao meio. Se não considerada no processo de admissão, um novo fluxo pode degradar os requisitos de QoS de outros fluxos vigentes na sua região de interferência.

CAC-OLSR propõe o combate à interferência interfluxo mediante a divulgação de ocupação do meio, medida por cada nó, via mensagens Hello do OLSR [3] e posterior armazenamento desta informação na tabela de vizinhos de um e dois saltos, as quais já são utilizadas pelo OLSR. Esta proposta assume a premissa de que a região de interferência de cada nó é composta por seus vizinhos de até dois saltos.

Deste modo, cada nó ao longo do caminho poderá avaliar se ele próprio, bem como todos os seus vizinhos de um e dois saltos, possuem recursos para atender à nova demanda durante o processo de controle de admissão.

2) Interferência Intrafluxo

A interferência intrafluxo ocorre quando nós que encaminham pacotes de um mesmo fluxo são interferentes entre si. Para ilustrar este fenômeno, considere o cenário de transmissão de um fluxo com origem no nó 1 e destino em 5, conforme ilustrado na Fig. 1.

Os círculos cheios representam o alcance de transmissão/recepção de dados para cada nó. Já o círculo tracejado representa o alcance da detecção de portadora do nó 3. Observa-se que o nó 3 está na região de detecção dos nós 1, 2, 4 e 5, fato que o impede de de transmitir em paralelo com qualquer um deles. Como consequência, seus recursos disponíveis em termos de tempo de canal livre devem ser reduzidos em 5 vezes.

O protocolo CAC-OLSR considera, como em [8], que a interferência intrafluxo deve ser estimada mediante o cálculo de um fator chamado Contador de Contenção (CC). Este fator soma, em cada nó, a quantidade de nós pertencentes à região de interferência intrafluxo, limitado ao máximo de 5 nós, isto é, os dois anteriores, os dois posteriores, além do próprio nó. Por exemplo, o CC do nó 3 da Fig. 1 é igual a 5.

Este fator deve ser aplicado à estimativa de ocupação do

meio por um novo fluxo. Por exemplo, se após aplicado o método descrito na Seção B, chegou-se a um valor de 5% de ocupação do meio para um fluxo entrante, cada nó ao longo do caminho deve considerar que o fluxo consumirá 5*CC% do canal.

1

2

3

5

4

Figura 1. Ocupação do meio.

D. Violação de QoS

Violações de QoS podem ocorrer, por exemplo, devido a falsas admissões, mobilidade dos nós, mudanças na vizinhança dos nós ou por variações nas condições de propagação.

No protocolo CAC-OLSR, cada nó periodicamente monitora a ocupação do canal com fluxos com QoS. Se algum deles detecta que a citada ocupação ulltrapassou um limiar denominado “Limiar de Violação”, a rede está próxima do congestionamento e, portanto, um ou mais fluxos necessitam ser interrompidos.

Neste caso, CAC-OLSR primeiramente verifica se os recursos de tempo de canal reservados para a categoria de vídeo foram excedidos. Caso positivo, uma mensagem do tipo ICMP é enviada ao nó de origem do último fluxo de vídeo admitido, de modo a interrompê-lo. Caso negativo, significa que os recursos reservados para voz foram excedidos e, deste modo, a mensagem ICMP mencionada é enviada para o nó de origem do último fluxo de voz admitido. A Fig. 2 ilustra a proposta para tratamento de violações de QoS.

Figura 2. Mecanismo de Violação de QoS.

De modo a evitar o efeito de sincronização, cada nó inicia a monitoração do canal em instantes distintos. Além disso, é necessário um intervalo mínimo equivalente a um período de observação (100 ms foi adotado por este trabalho) entre as medições para fins de atualização dos recursos da rede.

E. Política de Admissão

A política de admissão engloba os critérios a serem utilizados para tomada de decisão quanto à admissão de um novo fluxo na rede. A Fig. 3 apresenta um fluxograma simplificado do mecanismo proposto.

Ao receber um pacote de dados, CAC-OLSR verifica se o mesmo é oriundo de um cliente do próprio nó mesh. Em caso

MINEIRO AND MUCHALUAT-SAADE : ADMISSION CONTROL FOR QOS PROVISION 1137

negativo, o pacote é encaminhado normalmente como na versão original do OLSR [3]. Embutida nesta ação está a premissa de que se um nó mesh recebe um pacote para ser encaminhado, então este já passou pelo processo de admissão no nó mesh de origem.

Figura 3. Fluxograma de Admissão.

Se o pacote foi originado em um cliente do nó em questão, então é verificado se este possui QoS associada, isto é, se será transmitido pelas categorias de acesso de voz ou vídeo. Esta verificação é feita mediante consulta ao campo ToS (Type of Service) ou, mais recentemente, DSCP (Differentiated Services Code Point) do cabeçalho IP, mapeando-se o valor encontrado em uma das quatro categorias de acesso do IEEE 802.11e [2].

Se o pacote não possuir QoS associada, isto é, se pertencer às categorias 2 ou 3 do IEEE 802.11e [2], então o pacote deve ser encaminhado, a menos que o nó verifique que a ocupação do meio com tráfego QoS é superior a um limiar de valor configurável, denominado “Limiar de Admissão”. Neste caso, o pacote sem QoS deve ser descartado, evitando-se o congestionamento da rede.

Se o pacote pertence a um fluxo com QoS associada (categorias 0 ou 1), então será verificado se o mesmo já foi anteriormente admitido e se ainda possui entrada na tabela de admissão. Em caso positivo, o pacote é imediatamente enviado. Caso contrário, verifica-se se o fluxo já foi rejeitado dentro de um intervalo de tempo mínimo exigido para que um novo processo de admissão possa ser iniciado. Se positivo, este deve ser novamente rejeitado. Se negativo, o processo segue adiante.

É importante ressaltar que, para estas verificações, foi necessário criar uma tabela na base de dados de cada nó mesh com os fluxos em admissão, admitidos e rejeitados. Cada entrada nesta tabela possui um temporizador. Fluxos sem transmissão de pacotes por um determinado tempo serão excluídos e deverão novamente submeter-se à admissão. Fluxos que venham a ser rejeitados permanecem na tabela com status rejeitado, não sendo possível nova tentativa de admissão enquanto a respectiva entrada não for excluída até o estouro do temporizador.

Em seguida, o nó verifica se a ocupação do canal com fluxos com QoS é menor que o “Limiar de Admissão”, bem como se a ocupação do canal com fluxos da mesma categoria

daquele em admissão é menor que os recursos a ela reservados. Se ambas as condições não forem satisfeitas, o novo fluxo deve ser rejeitado. Por outro lado, se uma delas for atendida, o nó deve enviar uma mensagem do tipo CREQ – Check Request, a qual deve ser respondida pelo destino com um CREP – Check Reply. O atendimento apenas à segunda condição implica que a outra categoria de acesso com QoS excedeu os recursos a ela reservados e, portanto, seu último fluxo admitido será interrompido (violação de QoS).

Cada nó do caminho, ao receber um CREQ verifica a ocupação do meio percebida por si e por todos os seus vizinhos de um e dois saltos. Esta ocupação é comparada à estimativa de ocupação do meio pelo novo fluxo, já com o fator CC aplicado. Caso o próprio nó ou algum de seus vizinhos não possua recursos disponíveis, o CREQ deve ser descartado. Por outro lado, se todos possuírem os recursos necessários, o CREQ deve ser encaminhado ao próximo nó do caminho até o destino.

O nó destino, além de processar o CREQ, deve enviar um CREP, o qual percorrerá o caminho no sentido reverso. A verificação de recursos em cada nó é novamente realizada para que o CREP seja encaminhado. Caso o nó origem receba o CREP, deve processá-lo e, por fim, admitir o fluxo se possuir recursos disponíveis. O nó de origem possui um temporizador para recebimento do CREP, sendo que, após o estouro deste, o fluxo é considerado como rejeitado.

IV. ANÁLISE DE DESEMPENHO

Com o objetivo de verificar o desempenho da proposta CAC-OLSR, foram realizadas simulações utilizando-se o software Network Simulator – NS-2 [6]. Os resultados foram comparados com a versão original do protocolo OLSR [3] e com a proposta denominada SWAN [9], a qual considera um mecanismo de controle de admissão para redes mesh. SWAN foi escolhido porque é uma proposta de padrão IETF (possui um draft de RFC) e porque o seu código NS-2 foi disponibilizado pelos autores [14]. Deve-se considerar também que CAC-OLSR é uma proposta inovadora, sendo a primeira, até onde foi possível a este trabalho investigar, a propor um mecanismo de controle de admissão para um protocolo de roteamento pró-ativo que se utiliza das categorias de acesso da emenda IEEE 802.11e, além de abordar os demais aspectos já mencionados como interferências inter e intrafluxo, violação de QoS e reserva de recursos por categoria de acesso.

A. Cenário de Testes

Para avaliação do CAC-OLSR, utilizou-se a ferramenta NS-2 com um cenário composto por 10 nós posicionados aleatoriamente em um espaço de 500 m x 500 m. Este posicionamento aleatório foi fornecido pela ferramenta setdest do NS-2 [6].

Na camada MAC as categorias de acesso do padrão IEEE 802.11e [2] foram consideradas apenas para os testes com os protocolos OLSR e CAC-OLSR, uma vez que a proposta SWAN não as considera. Os parâmetros para acesso ao meio foram configurados segundo sugestão do padrão IEEE 802.11 [1], conforme a Tabela I.

As simulações foram feitas sem o uso de RTS/CTS [1] no mecanismo de acesso ao meio. Todos os cenários foram redes


ad-hoc 802.11g, utilizando o modelo de propagação TwoRayGround.

TABELA I PARÂMETROS IEEE 802.11E.

AC AIFSN CWmin CWmax TXOPLimit

Voice 2 7 15 3,264 ms Video 2 15 31 6,016 ms

Best Effort 3 31 1023 0 Background 7 31 1023 0

O tráfego inserido na rede foi assim configurado. Para modelar o tráfego de voz e vídeo, foram utilizadas fontes de tráfego CBR (Constant Bit Rate) com pacotes de 160 bytes enviados a cada 20ms (taxa de 64 Kbps) e pacotes de 1280 bytes transmitidos a cada 10ms (1024 Kbps), respectivamente. Os tráfegos de melhor esforço e background foram modelados com tráfego FTP cujos tamanhos de pacote foram definidos em 1300 bytes e 1500 bytes, respectivamente. A cada 20 s foi aleatoriamente inserido na rede um novo fluxo de cada tipo (voz, vídeo, melhor esforço e background). Os primeiros quatro fluxos, no entanto, iniciaram-se após 31 segundos de simulação, de modo a garantir a correta convergência do protocolo de roteamento. O tempo de simulação foi de 431 segundos.

Para o CAC-OLSR, os limiares utilizados foram de 95% para a violação de QoS e 90% para admissão de fluxos. O tempo de canal reservado para as categorias de voz e vídeo foi de 55% e 35% respectivamente.

Para cada simulação, as seguintes métricas foram medidas: atraso médio fim-a-fim, vazão média por fluxo e vazão média agregada. Além destas métricas, também foi medida a quantidade média de fluxos admitidos e o overhead de controle adicional inserido na rede pelo CAC-OLSR.

A fim de avaliar o mecanismo de recuperação a violações de QoS proposto pelo CAC-OLSR, o cenário ilustrado na Fig. 4 foi utilizado. Fluxos de voz e vídeo com o mesmo perfil de tráfego descrito anteriormente foram inicializados a cada 20 s, dos nós 0 e 3 para os nós 2 e 5, respectivamente. O grupo de nós de 0 a 2 inicialmente foi separado do grupo de nós de 3 a 5 por uma distância de 1000 m. Após 300 s de simulação, o grupo de nós de 3 a 5 deslocou-se horizontalmente, estacionando a uma distância de 10 m do grupo de 0 a 2. O atraso médio fim-a-fim e a vazão média por fluxo foram medidos.

0

1

2

Fluxos de Voz eVídeo a cada 20s

SRC: 0DST: 2

3

4

5

Fluxos de Voz eVídeo a cada 20s

SRC: 3DST: 5

1000 m

Figura 4. Cenário de Violação de QoS.

B. Resultados

Os resultados foram obtidos a partir de uma média de 30 simulações para cada mecanismo (OLSR, CAC-OLSR e

SWAN), com intervalo de confiança de 95%.

1) Atraso Médio Fim-a-fim

Esta métrica considera a média do atraso fim-a-fim sofrido pelos pacotes enviados a cada intervalo de 20s. As Figs. 5 e 6 apresentam os resultados obtidos para os fluxos de voz e vídeo.

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31 51 71 91 111 131 151 171 191 211 231 251 271 291 311 331 351 371 391 411 431

Tempo (segundos)

Atr

aso

Méd

io (s

)

SWAN 802.11e+OLSR 802.11e+CAC-OLSR

Figura 5. Atraso médio fim-a-fim para fluxos de voz.

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0

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20

25

31 51 71 91 111 131 151 171 191 211 231 251 271 291 311 331 351 371 391 411 431

Tempo (segundos)

Atr

aso

Méd

io (

s)


Figura 6. Atraso médio fim-a-fim para fluxos de vídeo.

Conforme mostra a Fig. 5, o atraso médio fim-a-fim para os fluxos de voz atingiu quase 10 s com OLSR+802.11e e 20 s com SWAN. Por outro lado, CAC-OLSR foi capaz de manter esta métrica abaixo de 150 ms, valor aceitável para aplicações de voz.

Já para vídeo (vide Fig. 6), CAC-OLSR manteve o atraso médio fim-a-fim abaixo de 500 ms. A mesma métrica atingiu quase 10 s com OLSR+802.11e e mais de 15 s com SWAN.

2) Vazão Média por Fluxo

A vazão média por fluxo corresponde a média de bits por segundo transmitidos por fluxo a cada intervalo de 20s. As Figs. 7 e 8 mostram os resultados.

Das Figs. 7 e 8, observa-se que apenas a proposta CAC-OLSR foi capaz de atender à vazão requerida pelos fluxos, isto é, 64 Kbps para voz e 1024 Kbps para vídeo. SWAN e OLSR+802.11e não lograram êxito em sustentar a vazão demandada.


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Tempo (segundos)

Vaz

ão p

or

Flu

xo (

Kb

ps)


Figura 7. Vazão média por fluxo para voz.

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51 71 91 111 131 151 171 191 211 231 251 271 291 311 331 351 371 391 411 431

Tempo (segundos)

Vaz

ão M

édia

po

r F

luxo

(K

bp

s)


Figura 8. Vazão média por fluxo para vídeo.

3) Vazão Média Agregada

A vazão média agregada corresponde à média de bits por segundo transmitidos por todos os fluxos a cada intervalo de 20 s. A Fig. 9 ilustra a vazão média agregada para os fluxos com QoS (voz e vídeo), enquanto que a Fig. 10 mostra a mesma métrica para o tráfego sem QoS (melhor esforço e background).

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3500

51 71 91 111 131 151 171 191 211 231 251 271 291 311 331 351 371 391 411 431

Tempo (segundos)

Vaz

ão M

édia

(K

bps)


Figura 9. Vazão média agregada para tráfego com QoS.

0

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3000

51 71 91 111 131 151 171 191 211 231 251 271 291 311 331 351 371 391 411 431 451 471Tempo (segundos)

Vaz

ão M

édia

(K

bps)


Figura 10. Vazão média agregada para tráfego sem QoS.

Conforme pode-se observar na Fig. 9, CAC-OLSR apresentou o melhor resultado quanto à vazão média agregada para tráfego com QoS, provavelmente devido a menos tempo despendido com tratamento de congestionamentos (contenção). Para tráfego sem QoS, a Fig. 10 indica que CAC-OLSR também apresentou melhores resultados frente às outras propostas, ainda que todas tenham apresentado vazão média agregada inferior a 50 Kbps após 271s de simulação.

4) Fluxos Admitidos

Como na proposta OLSR+802.11e não há qualquer mecanismo de controle de admissão, em 431s de simulação havia na rede 21 fluxos de voz e 21 de vídeo. No caso do SWAN e CAC-OLSR, a Fig. 11 ilustra a quantidade de fluxos de voz e vídeo admitidos.

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Tempo (segundos)

Nú

mer

o d

e F

luxo

s

SWAN Voz CAC-OLSR Voz

SWAN Video CAC-OLSR Video

Figura 11. Fluxos Admitidos.

A Fig. 11 mostra que após 431s de simulação, a proposta SWAN admitiu uma média de 16 fluxos de voz e 8 de vídeo. Conforme visto nas métricas de atraso e vazão, SWAN não conseguiu satisfazer os requisitos de QoS dos fluxos, o que indica que permitiu a entrada de fluxos na rede além da capacidade desta.

Por outro lado, CAC-OLSR admitiu uma média de 8 fluxos de voz e 2 de vídeo após 431s de simulação. Como os requisitos de QoS foram atendidos e a vazão média agregada superou a das demais propostas, pode-se concluir que a quantidade apropriada de fluxos foi admitida.

A quantidade de fluxos admitidos pelo CAC-OLSR nas categorias de voz e vídeo está associada à reserva de recursos


destinada a cada uma. Cabe ressaltar, no entanto, que estes recursos levam em consideração o tempo estimado de ocupação do canal, e não simplesmente a banda requerida por cada fluxo. O tempo de ocupação do canal considera procedimentos de contenção e depende da quantidade de saltos entre origem e destino do fluxo.

5) Overhead Adicional de Controle

Uma preocupação quanto à adoção do CAC-OLSR é o acréscimo de overhead de controle na rede em função das mensagens CREQ e CREP. No entanto, conforme mostra a Tabela II, este acréscimo foi, em média, inferior a 6%. A tabela mostra que da média de 8343,10 pacotes de controle enviados pelo CAC-OLSR, 464,57 pacotes eram de novas mensagens de controle CREQ ou CREP, o que representa 5,57% do total. Cabe ressaltar que os demais pacotes são os normalmente enviados pelo OSLR original (Hello, mensagens de topologia – TC, dentre outros). Com respeito à quantidade adicional de bytes injetada na rede por conta de CREQ e CREP, as simulações demonstraram que este acréscimo foi de 4,04%.

TABELA II

OVERHEAD ADICIONAL

Descrição CREQ or

CREP Pacotes de Controle

%

Pacotes Enviados 464,57 8343,10 5,57% Quantidade de bytes 44311,40 1097641,40 4,04%

6) Recuperação de Violação de QoS

O cenário proposto para avaliar a recuperação a violações de QoS é extremamente severo. Os dois grupos de nós são colocados na mesma região de interferência quando cada um deles está com quase 100% de seus recursos de canal ocupados por fluxos de voz e vídeo. A avaliação do CAC-OLSR foi feita com e sem o mecanismo de recuperação a violações de QoS.

As Figs. 12 e 13 mostram o atraso médio fim-a-fim para fluxos de voz e vídeo, respectivamente. Já as Figs. 14 e 15 ilustram a vazão média por fluxo, também para voz e vídeo.

Para os fluxos de voz, nota-se que CAC-OLSR foi capaz de recuperar os valores médios iniciais de atraso e vazão dos fluxos com o mecanismo de violação de QoS. Ao término das simulações o atraso médio fim-a-fim foi inferior a 100 ms e a vazão média por fluxo foi de aproximadamante 62 kbps.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

51 71 91 111 131 151 171 191 211 231 251 271 291 311 331 351 371 391 411 431Tempo (segundos)

Atr

aso M

édio

(s)

CAC-OLSR sem Reação Violação QoS CAC-OLSR com Reação Violação QoS

Figura 12. Atraso médio fim-a-fim para voz.

0

1

2

3

4

5

6

7

51 71 91 111 131 151 171 191 211 231 251 271 291 311 331 351 371 391 411 431Tempo (segundos)

Atr

aso

Méd

io (

s)


Figura 13. Atraso médio fim-a-fim para vídeo.

0

10

20

30

40

50

60

70

51 71 91 111 131 151 171 191 211 231 251 271 291 311 331 351 371 391 411 431

Tempo (segundos)

Vaz

ão (K

bps

)


Figura 14. Vazão média por fluxo para voz.

0

200

400

600

800

1000

1200

51 71 91 111 131 151 171 191 211 231 251 271 291 311 331 351 371 391 411 431

Tempo (segundos)

Vaz

ão (K

bps)


Figura 15. Vazão média por fluxo para vídeo.

Para os fluxos de vídeo, além da recuperação das métricas após os 300 s, instante em que os dois grupamentos de nós foram inseridos na mesma região de interferência, nota-se a atuação do mecanismo após os 111 s, nas Figs. 13 e 15, onde no cenário sem reação a violação de QoS, as métricas têm seus valores degradados. Neste instante, fluxos de vídeo estavam ocupando recursos reservados para a categoria de voz e foram interrompidos pelo mecanismo de reação a violação de QoS a fim de preservar as métricas, conforme explicado na Fig. 2.

V. CONCLUSÕES

O presente trabalho apresentou um mecanismo de controle de admissão para redes em malha sem fio compostas de múltiplos saltos, operando no modo contenção do padrão


IEEE 802.11, e utilizando o protocolo de roteamento OLSR. Esta proposta teve por principal finalidade garantir que novos fluxos com demanda de QoS sejam admitidos na rede apenas se seus requisitos puderem ser satisfeitos sem, por outro lado, violar os requisitos daqueles anteriormente admitidos.

A proposta apresentada, denominada CAC-OSLR, baseou-se na comparação entre a ocupação temporal do meio exigida por um novo fluxo com a disponibilidade do canal. O trabalho considerou as categorias de acesso propostas na emenda IEEE 802.11e e apresentou uma abordagem para tratamento das interferências inter e intrafluxo.

CAC-OLSR também apresentou um mecanismo de recuperação a violações de QoS, bem como implementou reservas de recursos em termos de tempo de canal para as categorias de voz e vídeo. Quando não utilizados, estes recursos podem ser empregados por outras categorias.

Os resultados proporcionados pelo CAC-OLSR foram plenamente satisfatórios frente àqueles produzidos nas mesmas condições pelo SWAN, que propõe outro mecanismo de controle de admissão, e pelo protocolo OLSR original. Houve sensível redução no atraso e aumento da vazão média agregada. Além disso, CAC-OLSR foi capaz de manter a vazão por fluxo demandada pelos tráfegos de voz e vídeo. O overhead introduzido pelo mecanismo de admissão foi inferior a 5% com relação à quantidade de bytes adicionais de controle enviados, percentual considerado baixo frente ao benefício gerado.

Como trabalho futuro, CAC-OLSR será implantado no firmware openwrt de roteadores sem fio de uma rede em malha de modo a avaliar seu desempenho em cenários reais. Além disso, há espaço para uma análise mais criteriosa quanto à estimativa de ocupação do meio por um novo fluxo, bem como quanto a aspectos relacionados à escalabilidade e requisitos mínimos de memória e processamento a serem demandados pelo mecanismo nos roteadores sem fio.

REFERÊNCIAS

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Telecommunications and Information Exchange between Systems - Local and Metropolitan Area Networks - Specific Requirements - Part 11: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. Junho de 2007.

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[10] Cerveira, C. R. and Costa, L. H. M. K., “A Time-based Admission Control Mechanism for IEEE 802.11 Ad Hoc Networks”, em 8th Mobile Wireless Communications Network, pp 217-228, Santiago, Chile. 2006

[11] Perkins, C., Belding-Royer, E., “Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing-RFC 3561”, http://www.ietf.org/rfc/rfc3561.txt, 2003.

[12] Badis, H., Agha, K. A., “CEQMM: A Complete and Efficient Quality of service Model for MANETs”, em International Symposium on Performance Evaluation of Wireless Ad Hoc, Sensor, and Ubiquitous Networks, 2006.

[13] Badis H., Agha, K. A. e Munaretto A., "Quality of Service for Ad hoc Optimized Link State Routing Protocol (QOLSR)", em IETF-61 Meeting: Internet Engineering Task Force, Novembro de 2004.

[14] Ahn, G.-S., Campbell, A. T., Veres, A., Sun, L.-H., “SWAN – Stateless Wireless Ad hoc Networks”, http://comet.columbia.edu/ swan/.

Eduardo Pompeo da Silva Mineiro é graduado em Engenharia de Telecomunicações pelo Instituto Militar de Engenharia (IME), Rio de Janeiro, RJ, Brasil, em 2004. Atualmente é aluno de Mestrado em Engenharia de Telecomunicações da Universidade Federal Fluminense (UFF). Sua principal área de pesquisa é qualidade de

serviço em redes sem fio.

Débora Christina Muchaluat Saade é professora associada do Departamento de Ciência da Computação da Universidade Federal Fluminense. É engenheira de computação e tem doutorado e mestrado em informática pela PUC-Rio. A Profa. Débora é bolsista de produtividade em Desenvolvimento Tecnológico e

extensão inovadora pelo CNPq e Jovem Cientista do Estado do Rio de Janeiro pela FAPERJ. Suas áreas de pesquisa são redes de computadores e sistemas multimídia.


admission control for qos provision in wireless mesh networks

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