Modelagem e anlise do protocolo IEEE 802.11

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MODELAGEM E ANLISE DO PROTOCOLO IEEE 802.11

UFRJ

Dissertao submetida para a obteno do ttulo de

Mestre em Cincias em Engenharia de Sistemas e Computaoao Programa de Ps-Graduao de Engenharia de Sistemas e Computao da COPPE/UFRJ por

Isabela Barreto DuncanJunho 2006

MODELAGEM E ANLISE DO PROTOCOLO IEEE 802.11 Isabela Barreto Duncan

DISSERTAO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAO DOS PROGRAMAS DE PS-GRADUAO DE ENGENHARIA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE MESTRE EM CINCIAS EM ENGENHARIA DE SISTEMAS E COMPUTAO.

Aprovada por:

Prof.a Rosa Maria Meri Leo, Dr.

Prof. Edmundo Albuquerque de Souza e Silva, Ph.D.

Prof. Aloysio de Castro Pinto Pedroza, Dr.

Prof.a Morganna Carmem Diniz, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL JUNHO DE 2006

DUNCAN, ISABELA BARRETO Modelagem e Anlise do Protocolo IEEE 802.11 [Rio de Janeiro] 2006 XIV, 112 p. 2006) Dissertao - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE 1. IEEE 802.11 2. Wireless LANs 3. Wi-Fi 4. Camada MAC 5. BER 6. Tangram-II 7. Trfego Web I. COPPE/UFRJ II. Ttulo (Srie) 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc., Engenharia de Sistemas e Computao,

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AgradecimentosFazem parte da minha vida, pessoas fundamentais, sem as quais eu nada seria. Agradeo a Deus pela minha felicidade, minha sade, meus amigos e, especialmente, pela minha famlia. Agradeo aos meus pais Roberto e Cely pelo carinho, pela dedicao e abdicao que sempre tiveram para que eu pudesse ter as melhores oportunidades e que crescesse feliz. Agradeo a minha irm Tatiana pela conana e apoio incondicional, sempre estando ao meu lado. Atravs de vocs eu provei e comprovei a magia da vida. Agradeo professora Rosa pela grande ajuda na realizao deste trabalho. E juntamente a ela, agradeo ao professor Edmundo pela dedicao e pacincia no ensino da cincia e, principalmente, pelo lado humano que esteve presente em todos os momentos, dentro e fora de sala de aula. Agradeo a Carol, minha amiga e conselheira. Obrigada por tudo. Voc me ensinou a crescer. Agradeo aos meu colegas do LAND: Fernando, Watanabe, Flvio, Guto, GD, Diana, Bernardo, Sadoc, Fabiane, Allyson, Ana, Ed, Carolzinha e Davi. No posso esquecer da minha sobrinha Lara, que ainda nem nasceu e j tornou minha vida muito mais colorida e divertida.

iii

Resumo da Dissertao apresentada COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.) MODELAGEM E ANLISE DO PROTOCOLO IEEE 802.11 Isabela Barreto Duncan Junho/2006 Orientadora: Rosa Maria Meri Leo Programa: Engenharia de Sistemas e Computao

A utilizao de redes sem o vem crescendo exponencialmente nos ltimos anos. As WLANs IEEE 802.11, ou redes Wi-Fi, como so chamadas atualmente, podem ser encontradas tanto em empresas e universidades como em aeroportos e lanchonetes. Isto se deve, em especial, reduo nos custos destes equipamentos bem como grande facilidade operacional que oferecem. Para se conhecer e prever as necessidades futuras que este crescimento acarretar, importante entender todos os mecanismos deste protocolo de acesso e tambm o seu comportamento, de acordo com o trfego da rede. Este trabalho prope um modelo detalhado do protocolo IEEE 802.11, implementado atravs da ferramenta Tangram-II. Destaca-se, como principal caracterstica desta ferramenta, a modularidade, permitindo que alteraes sejam facilmente realizadas. O modelo construdo foi validado atravs da comparao de resultados da simulao com resultados obtidos atravs de uma rede real, e tem , como propsito, estudar o desempenho do mecanismo 802.11, na presena de trfego web. Medidas como throughput, goodput, tempo de resposta e perdas no buer do ponto de acesso foram avaliadas conjuntamente com o crescimento da populao web. Estudamos tambm o desempenho do 802.11 quando os terminais transmitem com taxas diferentes, objetivando avaliar uma anomalia detectada em trabalhos anteriores.

iv

Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulllment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.) MODELING AND ANALYSIS OF IEEE 802.11 PROTOCOL Isabela Barreto Duncan June/2006 Advisor: Rosa Maria Meri Leo Department: Systems Engineering and Computer Science

In the last years, there was an exponential growth in the number of wireless networks. The IEEE 802.11 wireless local area networks, or Wi-Fi networks, have become immensely popular in residences, enterprises, universities as well as airports and restaurants. This is specially due to the reduction of the prices of these equipments and operational facilities they oer. It is necessary to understand all the mechanisms of this protocol and its behavior under dierent types of network trac to know and to preview future needs. This work proposes a model for the IEEE 802.11 mechanism based on TangramII modelling tool. Its modularity provides an easy way to make changes and improvements in the model. It is suitable for analyzing the throughput, goodput, delay and losses at access point's buer. Comparisons with results obtained from a real network is provided, validating the model. We study the performance of the IEEE802.11 as the number of web users increases. Furthermore, we consider a scenario where wireless terminals can transmit with dierent rates the trac generated by web users to evaluate an anomaly detected in previous work.

v

SumrioResumo Abstract 1 Introduo1.1 1.2 1.3 802.11 Wireless LANs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iv v 14 5 7

Motivao e Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Roteiro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 Os mecanismos de acesso ao meio do Protocolo 802.112.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99

Arquitetura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Funo de Coordenao X Arquitetura . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 O Mecanismo de Carrier-Sense . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Espaos entre Frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Funo de Coordenao Distribuda do Protocolo 802.11 . . . . . . . 16 2.6.1 O Esquema de Backo Exponencial . . . . . . . . . . . . . . . 16

vi

2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.6.5 2.7 2.8

O Mecanismo Bsico de Acesso ao Meio . . . . . . . . . . . . 18 O Mecanisco de Acesso ao Meio com RTS/CTS . . . . . . . . 20 Mecanismo Bsico X RTS/CTS . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Fragmentao de MPDUs e Descarte de Pacotes . . . . . . . . 21

Tipos e Formatos de Frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Trabalhos Relacionados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3 A ferramenta de modelagem Tangram-II3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

31

Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 A Modelagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 A Simulao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Modelos com Recompensas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 O Gerador de Trfego 3.5.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Medidas do Gerador de Trfego . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4 O modelo do protocolo 802.114.1

40

Descrio do modelo com Mecanismo Bsico de Acesso . . . . . . . . 41 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 Objeto Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Objeto Wireless Terminal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Objeto Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Objeto Access Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Replicao de Objetos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Os Valores dos Parmetros do Modelo . . . . . . . . . . . . . 52 vii

4.2

A Modelagem de Erros no Canal 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

O Modelo de Gilbert-Elliot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 O Modelo de Ebert e Willig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Implementao e Parametrizao do Modelo de Ebert e Willig 57

Descarte de Pacotes Errneos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.3 4.4 4.5

Simulaes e Medidas de Interesse do Modelo do Protocolo IEEE 802.11 58 Testes em Ambiente Real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Concluses sobre os Resultados da Simulao do Modelo e do Ambiente Real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.6

Anomalia na Performance do 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5 Modelagem de Usurio WEB como Fonte de Dados do Modelo 802.115.1

75

Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.1.1 A Modelagem do Usurio Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5.2 5.3

Distribuies Cauda Longa e a Simulao . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Medidas de Interesse Obtidas na Simulao . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.3.1 5.3.2 5.3.3 Trfego CBR X Trfego Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Nmero de Usurios X Taxa de Transmisso . . . . . . . . . . 88 Diferentes Taxas de Transmisso no mesmo BSS . . . . . . . . 91

6 Concluso6.1

95

Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

viii

A Parmetros Ajustveis do Modelo de Simulao

99

A.1 Objeto CBR_Source_1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 A.2 Objeto W ireless_Station_1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 A.3 Objeto Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 A.4 Objeto AP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106