Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 1

Corso di Sistemi Multimediali

Simulazione del modello Enhanced Distribution

Coordinated Function (EDCF) tramite ns-2

Presentazione a cura di:Andrea Alfieri

Dario Lodi RizziniProf. Francesco Zanichelli

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 2

Agenda

● Protocollo IEEE 802.11e● Simulatore ns-2● Simulatore per EDCF● Risultati● Soluzioni alternative● Bibliografia

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 3

Protocollo 802.11e

• Scopo: fornire servizi di Quality of Service (QoS)all'interno di Wireless LAN (WLAN)

• Gruppo di lavoro nato nel 2001

• Non esistono ancora documenti ufficiali a riguardo (saranno presenti a breve!?)

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 4

Protocollo 802.11

● Protocollo di accesso al mezzo CDMA/CD● Ogni stazione si accerta che il canale sia libero

prima di iniziare a trasmettere● Possibili collisioni● Nel caso di collisione avvenuta o canale occupato

il nodo attende per un periodo di tempo aleatorio prima di sondare nuovamente il canale

● Il backoff aumenta in modo esponenziale

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 5

Protocollo 802.11

● Mancanza di gestione dei servizi di QoS

● Tutte le stazioni per tutti i pacchetti devono seguire la stessa procedura

● Problemi per flussi di traffico sensibili al ritardo (ad es. streaming, VoIP...)

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 6

Protocollo 802.11e

● La QoS viene fornita differenziando il traffico in differenti classi di servizio (TC)

● TC differenti hanno diversi valori del minimo e massimo che le Contention Window possono assumere

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 7

EDCF

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 8

EDCF

● QoS assicurata in modo probabilistico● Traffico a priorità maggiore è avvantaggiato dal

fatto che tenta la trasmissione più volte rispetto agli altri

● Non ci sono garanzie sul ritardo medio dei pacchetti né sul Jitter

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 9

EDCF

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 10

Introduzione a ns2●Network Simulator 2●Simulatore di eventi discreti per reti a pacchetto●Sviluppato da un gruppo misto di ricercatori dell'Università di Berkeley, dell'Information Science Institute (ISI) e di Palo Alto Research Center (PARK) di Xerox.●Il simulatore è scritto in C++ e Otcl●Simulatore ampiamente utilizzato in ambito scientifico ed in continua evoluzione, con aggiornamenti e modifiche apportate da ricercatori e studenti universitari

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 11

Introduzione a ns2

●NS2 viene fornito con i sorgenti in C++ e Otcl. Deve essere compilato per ottenere l’eseguibile●Numerose potenzialità (DiffServ, WLAN, Satellite...)●http://www.isi.edu/nsnam/ns/

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 12

Introduzione a ns2

Per effettuare uno studio di simulazione bisogna:● Descrivere lo scenario di rete mediante uno script OTcl, che è una versione

object oriented di Tcl - Tool Command Language. Gli oggetti Otcl sono collegati ad oggetti C++ del software di simulazione

● Eseguire la simulazione. Dalla shell dare il comando

ns mioscenario.tcl● Analizzare i risultati. NS, a seconda di quanto viene specificato nello script Otcl

di input, può produrre in output diversi tipi di trace files, che possono essere a loro volta forniti in input a diversi programmi.

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 13

Studio di simulazione con ns2

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 14

Struttura di un link

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 15

Formato dei trace files

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 16

Wireless in ns2

● Simula lo standard IEEE 802.11b quindi la banda disponibile in downlink è 11 Mbps

● In uplink invece, la massima larghezza di banda disponibile è di 1.5 Mbps (verificato nelle nostre simulazioni e confermato da numerose fonti sul web)

● La contesa al mezzo avviene tramite il meccanismo DCF

● Non esiste un supporto per la QoS nella simulazione di reti wireless

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 17

EDCF per ns2

● Utilizzata una pacth sviluppata dall'Università di Berlino

● Supportata dalla versione 2.26 all-in-one in poi● Vengono introdotti dei nuovi script in C++ e Otcl

per simulare il modello EDCF● E' necessario dunque modificare il Makefile per

linkare le nuove librerie e ricompilare il tutto

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 18

EDCF per ns2: funzionalità

● Utilizzo di più TC a diversa priorità

● Possibilità di utilizzare più TC e di settare i valori CW min, CW max e AIFS

● Possibilità di attivare la modalità Contention Free Burst (cfb)

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 19

Scenari simulati

● Larghezza di banda per TC in downlink● Larghezza di banda per MN in downlink● Larghezza di banda per TC in uplink● Larghezza di banda per MN in uplink● Uso dell'opzione Contention Free Burst (cfb)● VOIP● Streaming video● VOIP + streaming video

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 20

Analisi dei risultati

● A causa dei numerosi eventi i trace files ottenuti sono di notevoli dimensioni (cira 10-20 Mb)

● Difficili da utilizzare in abbinamento ad xgraph a causa dei numerosi pacchetti dropped

● Per automatizzare l'analisi dei tracefile si è sviluppata una semplice applicazione Java

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 21

Downlink

● Downlink di tre flussi dall'Access Point verso un numero variabile di stazioni mobili

● Vengono utilizzati tre flussi a constant bit rate (cbr): pacchetti di 230 byte inviati ogni 5 ms

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 22

DCF

I tre flussi ricevono lo stesso trattamento e si dividono equamente la banda disponibile

Dopo 8 nodi la rete satura

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 23

DCF

Anche la banda a disposizione di ogni nodo è identica per ogni flusso

Tutti i nodi hanno le loro richieste soddisfatte fino a che il numero di nodi non giunge ad 8

Oltre tale limite tutti i flussi di tutti i nodi mobili vengono penalizzati allo stesso modo

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 24

EDCF

Utilizzando lo stesso scenario con le stesse caratteristiche dei flussi, introduciamo 3 classi di servizio (TC).

I valori dei parametri sono espressi in numero di slot. Uno slot ha durata di 9 us.

● Class 0: CW min= 7, CW max= 15, AIFS= 2● Class 1: CW min= 15, CW max= 31, AIFS= 2● Class 2:CW min= 31, CW max= 1023, AIFS= 3

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 25

Downlink: constant bit rate

Come nel caso precedente la rete satura con 8 nodi

I flussi sono penalizzati in modo differente: è la classe a maggiore priorità che occupa più banda

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 26

Downlink: constant bit rate

Dopo 8 nodi, ogni nodo vede la banda a propria disposizione diminuire, ma in modo differente a seconda del flusso considerato

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 27

Ritardo

● Il ritardo delle tre classi di servizio è molto simile, anche se quella a priorità maggiore è quella più avvantaggiata

● Si nota un notevole aumento del ritardo proprio nel momento in cui la rete satura (cioè a circa 7 – 8 nodi)

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 28

Ritardo

Quando la rete satura il ritardo medio aumenta notevolmente.

Classi di servizio a priorità maggiore forniscono anche da questo punto di vista un miglior servizio

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 29

Uplink

● Consideriamo ora lo scenario in cui un numero variabile di nodi cerca di inviare dati verso un Access Point

● Consideriamo 4 classi di servizio con i seguenti parametri

● Classe 0: CW min= 7, CW max= 15, AIFS= 2● Classe 1: CW min= 15, CW max= 31, AIFS= 2● Classe 2: CW min= 31, CW max= 1023, AIFS= 3● Classe 3: CW min= 31, CW max= 1023, AIFS= 7

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 30

Uplink con 3 TC

● All'aumentare del numero di MN le due classi a minore priorità vengono penalizzate

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 31

Uplink con 3 TC

● All'aumentare del numero di stazioni la banda disponibile per il singolo nodo tende a calare. La TC a maggiore priorità è quella che è meno influenzata

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 32

Uplink con 3 TC

● Utilizzando le 3 TC a priorità minore, il meccanismo EDCF appare più fair

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 33

Uplink con 3 TC

● La classe a minor priorità è decisamente penalizzata. Appena la rete diventa con un numero di MN apprezzabile la banda disponibile è praticamente nulla

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 34

Uplink con 4 TC

● Banda disponibile in presenza di tutte le 4 TC

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 35

Uplink con 4 TC

● Risultati analoghi ai precedenti si ottengono utilizzando tutte le 4 TC in contemporanea

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 36

Uplink: osservazioni● Nel momento in cui il numero di stazioni aumenta

la banda effettivamente sfruttata decresce. Questo è probabilmente da attribuire alle numerose collisioni che avvengono fra i pacchetti inviati dai vari nodi.

1 2 3 4 5 6 7 8 90

50000100000150000200000250000300000350000400000450000500000550000600000650000700000750000

Uplink bandwidth

Bandwidth [bps]

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 37

Contention Free Burst (cfb)

● La modalità Contention Free Burst (cfb) permette per una stessa TC di inviare più pacchetti consecutivamente contendendo il mezzo una sola volta

● Utile per traffici costituiti da tanti pacchetti di piccole dimensioni

● Diminuisce l'overhead ed i ritardi dovuti alla contesa del mezzo

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 38

CFB: parametri

● Le tre classi inviano in uplink dei flussi cbr con pacchetti da 230 byte ogni 5 ms

● I parametri di massimo e di minimo delle Content Windows sono quelli utilizzati in precedenza:

● Classe 0: CW min= 7, CW max= 15, AIFS= 2● Classe 1: CW min= 15, CW max= 31, AIFS= 2● Classe 2: CW min= 31, CW max= 1023, AIFS= 3

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 39

Contention Free Burst (cfb)

● Usando il cfb la suddivisione della banda disponibile è più equa per le TC a minore priorità

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 40

Contention Free Burst (cfb)

● Banda disponibile per singolo nodo tramite il meccanismo cfb

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 41

Cfb 2

● Modifichiamo ora le dimensioni dei pacchetti● Classe 0: pacchetti di 80 ottetti ogni 625 us● Classe 1: pacchetti da 200 ogni 1.25 ms● Classe 2: pacchetti da 200 ogni 1.25 ms

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 42

Cfb 2

Come già visto la classe a maggiore priorità è quella che meno risente della restrizione di banda

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 43

Cfb 2

Come al solito, all'aumentare del numero di nodi, la banda a disposizione del singolo decresce rapidamente

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 44

Cfb: confronto

1 2 3 4 5 6 7 8 90

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

450000

500000

550000

600000

Confronto fra cfb con pacchetti di varie dimensioni

cfb cbrcfb small_pkt

Inviando fequentemente pacchetti di dimensioni più piccole, la banda del mezzo è più sfruttata rispetto all'utilizzo di pacchetti di dimensioni maggiori

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 45

Scenario VOIP

● Lo scenario che andiamo ad analizzare consiste in un numero variabile di nodi effettua traffico di tipo VOIP (interattivo e bidirezionale) verso varie stazioni fisse connesse all'AP

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 46

Scenario VOIP

● Il nodo wireless k-esimo comunica col k-esimo nodo fisso

● Inoltre tutti i nodi ricevono ed inviano del traffico di background

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 47

Scenario VOIP: parametri

● Classe 0: traffico VOIP. Pacchetti da 40 byte inviati ogni 5 ms

● Classe 3: traffico di background. Pacchetti da 230 byte inviati ogni 5 ms

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 48

VOIP

Mentre il traffico verso i nodi mobili non risente di eventuali restrizioni di banda, il traffico verso l'AP ha una bit rate molto bassa

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 49

VOIP

A causa dell'elevato numero di collisioni, in uplink, l'interattività di una chiamata VOIP all'aumentare del numero di nodi è seriamente compromessa

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 50

Scenario Video

● Le stazioni mobili in questo caso ricevono un flusso di tipo streaming video

● In risposta inviano dei pacchetti di controllo occupando una banda molto ridotta rispetto a quella utilizzata per il downstream

● Buon modello per simulare tante sessioni RTP e RTCP che avvengono in contemporanea da nodi fissi (server di streaming) connessi all'AP verso stazioni mobili

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 51

Scenario video: parametri

● Classe 1: traffico streaming video.➢ Downlink: pacchetti da 1500 byte ogni 20 ms➢ Uplink: pacchetti da 500 ogni 300 ms● Classe 3: traffico di background. Pacchetti da 230

byte inviati ogni 5 ms

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 52

Video

Seppure la banda disponibile per comunicare verso l'AP sia limitata, il traffico RTCP non risente di limitazioni, come del resto lo streaming verso i nodi wireless

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 53

video

Anche con un numero elevato di nodi, grazie al meccanismo di QoS, il video non viene limitato.

Si nota un calo della banda concessa al traffico di background

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 54

VOIP + Video

● Uniamo ora i due scenari● Le stazioni fisse e mobili interagiscono tra loro con

flussi VOIP● Le stazioni mobili ricevono degli streaming ed

inviano a loro volta pacchetti di controllo di sessione

● Viene aggiunto un flusso bidirezionale di background per saturare la rete

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 55

VOIP + Video: parametri

● Classe 0: traffico VOIP. Pacchetti da 40 byte inviati ogni 5 ms

● Classe 1: traffico streaming video.➢ Downlink: pacchetti da 1500 byte ogni 20 ms➢ Uplink: pacchetti da 500 ogni 300 ms● Classe 3: traffico di background. Pacchetti da 230

byte inviati ogni 5 ms

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 56

VOIP Video

Come già visto nei casi precedenti, il traffico VOIP verso l'AP è quello più penalizzato

Fino ad oltre i 15 nodi, le richieste dello streaming video sono pienamente soddisfatte

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 57

VOIP Video

La banda a disposizione di ogni utente crolla per il traffico verso l'AP a causa delle numerose collisioni

Il traffico verso i nodi wireless invece non risente di particolari limitazioni

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 58

Soluzioni alternative

● Sono stati sviluppati ulteriori moduli che simulano EDCF per ns-2

● Università di Stanford:http://mosquitonet.stanfort.edu/software/802.11e● Ni Quiang per INRIA (Institute National de Recherche en

Informatique et en Automatique)http://www-sop.inria.fr/rodeo/personnel/qni/Research.html● Entrambi si poggiano sulla versione di ns-2.qb7● Tale versione è supportata solo da distribuzioni Linux

datate (RedHat 5) per cui l'installazione è critica

Corso di Sistemi Multimediali – Simulazione del modello EDCF tramite ns-2 59

Bibliografia

● S. Wietholter, C. Hoene, “Design and Verification of an IEEE 802.11e EDCF Simulation Model in ns-2.26”, TKN Technical Report, Technische Universitat Berlin, Berlin 2003

● K. Fall, K. Varadhan, “NS Notes and documentation”, http://www.isi.edu/nsnam/ns/ns-documentation.html, March 2005

● S. Mangold, S. Choi, P. May, O. Klein, G. Hiertz, L. Stibor, “IEEE 802.11e Wireless LAN for Quality of Service”, Proc. European Wireless 2002, Florence, Italy, Feb. 2002