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Analysis of SoftToken: a coordinated Medium Access Control (MAC) for IEEE 802.11 based wireless mesh networks

De
142 pages

Wireless Mesh Networks (WMNs) which can be integrated to other types of networks at a reasonable cost are good candidates to facilitate the efficient and flexible deployment of Next Generation Networks (NGNs). Due to the widespread presence of IEEE 802.11Wireless Local Area Networks (WLANs) most of current WMNs are based on this technology. However, IEEE 802.11 is primarly designed for one-hop networks and its random access protocol (CSMA/CA) is problematic in multi-hop environments due to collisions, which decrease efficiency and service quality. To alleviate these problems a novel approach, SoftToken, was proposed to provide a coordinated Medium Access Control (MAC) for WLANs whose goal is to add a token-passing mechanism on top of the standard IEEE 802.11 in a way that collisions can be avoided. In this thesis, we present an analysis and evaluation of SoftToken in various scenarios. We also develop some functions to integrate this protocol into the architecture designed by the CARrier grade MEsh Networks (CARMEN) project. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Las Redes de Malla Inalámbricas (WMN en inglés) permiten integrar a un coste razonable otros tipos de redes, haciendo de ellas las candidatas idóneas para facilitar el despliegue eficiente y flexible de Redes de Siguiente Generación (NGN en inglés). La amplia presencia de las Redes de Area Local Inalámbricas (WLAN en inglés) basadas en el estándar IEEE 802.11 explica el que la mayoría de las WMNs actualmente desplegadas estén basadas en dicho estándar. Sin embargo, la naturaleza distribuida de IEEE 802.11 crea problemas en las redes multisalto debido al mecanismo de acceso al medio utilizado (CSMA/CA) que genera colisiones disminuyendo la eficiencia y la calidad del servicio. En este Proyecto Fin de Carrera, presentamos el análisis del rendimiento de SoftToken, que propone un novedoso Mecanismo de Acceso al Medio (MAC en inglés) coordinado, basado en el principio del token o testigo. El objetivo de SoftToken consiste en añadir un mecanismo de paso de testigo por encima del estándar IEEE 802.11 que evite las colisiones. También se han implementado algunas funciones para integrar este protocolo en la arquitectura diseñada por el proyecto CARMEN (CARrier grade MEsh Networks).
Ingeniería de Telecomunicación
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
Escuela Politecnica´ Superior - Leganes´
´ ´INGENIERIA DE TELECOMUNICACION
PROYECTO FIN DE CARRERA
Analysis of SoftToken:
a Coordinated Medium Access Control (MAC)
for IEEE 802.11 based Wireless Mesh Networks
AUTOR: LUCAS EZNARRIAGA BARRANCO
´TUTOR: DR. JOSE IGNACIO MORENO NOVELLA
Leganes,´ 2010´TITULO: Analysis of SoftToken: a Coordinated Medium Access Control
(MAC) for IEEE 802.11 based Wireless Mesh Networks.
AUTOR: Lucas Eznarriaga Barranco flucas.eznarriaga@imdea.orgg
TUTOR: Dr. Jose´ Ignacio Moreno Novella fjoseignacio.moreno@ieee.orgg
La defensa del presente Proyecto Fin de Carrera se realizo´ el d´ıa 4 de Octubre de 2010; siendo
calificada por el siguiente tribunal:
PRESIDENTE: Andres´ Mar´ın Lopez´
SECRETARIO: Pablo Serrano Ya´nez-Mingot˜
VOCAL: Francisco Javier Gonzalez´ Serrano
Habiendo obtenido la siguiente calificacion:´
´CALIFICACION:
Presidente Secretario VocalAcknowledgements
This thesis would have not been possible without the help and the support of many people.
I would like to thank my coordinators both in Madrid and Berlin, Jose´ Ignacio Moreno Novella
and Hans J. Einsiedler for making the Internship at the Deutsche Telekom Laboratories possible
under the Erasmus Placement programme, which has given me the opportunity of participating
thin the European Union 7 Framework Programme project CARMEN.
I would also like to thank my supervisors, Cigdem Sengul and Nico Bayer, for guiding me into
the world of research.
Thanks to my friends for making me feel at home not only in Ibiza but also in Madrid or Berlin.
Last but not least, my deepest gratitude to my family and other animals...
ooo>< ((( > >< ((( > >< ((( >
vAbstract
Wireless Mesh Networks (WMNs) which can be integrated to other types of networks at a
reasonable cost are good candidates to facilitate the efficient and flexible deployment of Next
Generation Networks (NGNs).
Due to the widespread presence of IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks (WLANs) most
of current WMNs are based on this technology. However, IEEE 802.11 is primarly designed
for one-hop networks and its random access protocol (CSMA/CA) is problematic in multi-hop
environments due to collisions, which decrease efficiency and service quality. To alleviate
these problems a novel approach, SoftToken, was proposed to provide a coordinated Medium
Access Control (MAC) for WLANs whose goal is to add a token-passing mechanism on top
of the standard IEEE 802.11 in a way that collisions can be avoided. In this thesis, we present
an analysis and evaluation of SoftToken in various scenarios. We also develop some functions
to integrate this protocol into the architecture designed by the CARrier grade MEsh Networks
(CARMEN) project.
viiContents
Acknowledgements v
Abstract vii
Contents ix
List of Figures xiii
List of Tables xvii
Abbreviations xix
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Wireless Mesh Networks (WMNs) 5
2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Architecture of WMNs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 Open Problems in WMNs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 MAC Layer in WMNs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Problems of IEEE 802.11-based MAC protocols . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Token-based protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 The CARMEN Project 13
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Overview of the CARMEN Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3.1 Urban Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3.2 Emergency Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3.3 CARMEN Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.4 Heterogeneous WMNs: CARMEN Technology Abstraction . . . . . . . . . . . 16
3.5 Modules and Functional Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
ix3.5.1 Self-Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.5.2 Monitoring System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.5.3 CARMEN Capacity Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.5.4 Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.5.5 Interface Management Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.5.5.1 Interface Specifications for the Resource Management Services 21
AI Link Set Link Group.request . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
AI Link Set Link Group.response . . . . . . . . . . . . . . . . 21
AI Link Allocate Resources.request . . . . . . . . . . . . . . . 22
AI Link Resources.response . . . . . . . . . . . . . . 22
AI Link Modify . . . . . . . . . . . . . . . 23
AI Link . . . . . . . . . . . . . . 23
AI Link Release Resources.request . . . . . . . . . . . . . . . 23
AI Link Resources.response . . . . . . . . . . . . . . 24
3.6 CARMEN MAC Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.6.1 CARMEN MAC Adapter (MAd) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.6.2 Coordinated MAC Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 SoftToken Protocol 27
4.1 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.1 Main Idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.2 Packet Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2.1 Kernel Space Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2.1.1 SoftToken Client . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2.1.2 SoftToken Coordinator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.1.3 Scheduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2.2 User Space Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.1 CARMEN Framework and SoftToken Integration . . . . . . . . . . . . 39
4.3.1.1 LG Setup and Resource Management in SoftToken . . . . . 39
4.3.1.2 Dynamic Scheduler Configuration . . . . . . . . . . . . . . 41
5 Simple Analysis of SoftToken 43
5.1 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2 Throughput of IEEE 802.11a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2.1 IEEE 802.11: Distributed Coordinated Function analysis . . . . . . . . 44
5.2.2 The DCF two-way-handshake mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.2.3 The DCF four-we . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.2.4 Frame Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.2.5 Throughput Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.3 Throughput of SoftToken over IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

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