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QoS NELLE RETI WIRELESS MOBILI
Domenico Latanza
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SOMMARIO
 Che cos’è il Qos
 Panoramica su WLAN, Bluetooth e Reti Cellulari
 Servizi su Reti-IP: Mobile IP e Cellular IP
 Impatto della mobilità su Qos
 Qos in “movimento”
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Che cos’è il QOS - QUALITY OF SERVICE
 QOS - QUALITY OF SERVICE
La qualità del servizio è una
nozione nata presso gli
operatori di
telecomunicazioni, attorno al
1997. Si parla di contratto di
livello di servizio quando
un'impresa esige dal proprio
operatore un'alta disponibilità
della rete. Tutto ciò contrasta
notevolmente con
l’architettura internet
attuale…
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Che cos’è il QOS - QUALITY OF SERVICE
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Che cos’è il QOS - QUALITY OF SERVICE
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Che cos’è il QOS - QUALITY OF SERVICE
Alcune informazioni sul QoS
Esistono applicazioni che richiedono necessariamente la disponibilità delle
risorse necessarie al loro svolgimento.
In assenza delle risorse necessarie, il loro svolgimento può risultare
compromesso in varia misura: degradato, inutilizzabile.
Risulta quindi vitale avere a disposizione due strumenti fondamentali:
l'elenco aggiornato delle risorse disponibili;
la possibilità di negoziare l'esecuzione di una certa applicazione in base alle
risorse che richiede;
Internet non offre questo genere di strumenti: la sua progettazione è basata,
come visto, sull'offerta di servizi "best effort".
Questa politica, perfettamente accettabile ai tempi in cui Internet venne
progettato, ora conosce dei casi in cui non è accettabile.
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Che cos’è il QOS - QUALITY OF SERVICE
Le applicazioni QoS
Allo stato attuale, le applicazioni che richiedono
garanzie circa la qualità del servizio si possono
dividere in due grandi categorie:
· applicazioni playback che trasportano segnali
da uno o più mittenti verso uno o più destinatari.
L'esempio di riferimento (ne esistono altri) è la
teleconferenza;
· applicazioni scientifiche che richiedono lo
spostamento e l'elaborazione di quantità di dati
ingenti.
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Che cos’è il QOS - QUALITY OF SERVICE
Esempi di intervalli per i parametri di QoS
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Panoramica su WLAN, Bluetooth e Reti Cellulari
Le WLAN, come indicheremo le “Wireless Local Area Networks",
rappresentano una naturale estensione delle attuali reti locali con
funzionalità tipiche dei terminali mobili.
Come tutte le reti locali, anche le WLAN generalmente prevedono un
numero limitato di utenti entro un' area definita, solitamente indoor,
ma anche, a differenza delle LAN tradizionali, outdoor.
VELOCITA’ DI TRASMISSIONE
Una caratteristica importante è la velocità di trasmissione, poiché si
vorrebbero supportare con le WLAN le stesse applicazioni tipiche di una
rete locale cablata come Ethernet (10 Mb/s): accesso a file-system,
terminali remoti interattivi, accesso a data-base con struttura client server,
ecc.
STANDARD
IEEE 802.11b è il più popolare standard per le WLAN. Quindi, per
utilizzare una wireless LAN IEEE 802.11b, non c’è bisogno di una licenza da
alcuna autorità (poiché IEEE 802.11b è libera e può usufruire di molte
bande). Così questo standard è molto popolare. L’802.11b supporta una
velocità di 11MBps, in accordo con i 10MBps delle ETHERNET LAN.
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Panoramica su WLAN, Bluetooth e Reti Cellulari
ARCHITETTURA BASE di una WLAN 802.11b
La figura sotto esposta mostra quanti (e come) computers e periferiche wireless
chiamati MOBILE HOSTS (MH), sono tipicamente connessi ad una WLAN. Una
qualsiasi area chiusa è servita attraverso un gruppo di ACCESS POINT (AP),
che sono dei terminali d’accesso.
Ogni AP provvede alla
connessione della rete
WLAN a qualche MH
entro un certo raggio.
Un MH, volendo
comunicare con un
vicino AP, deve
installare una card
WLAN. Gli AP stessi
sono connessi
attraverso una spina
dorsale (backbone)
WIRED, che ha un
GATEWAY verso
l’internet globale.
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Panoramica su WLAN, Bluetooth e Reti Cellulari
BLUETOOTH
Bluetooth è una tecnologia wireless a basso costo, basso raggio d'azione (da 10 a
100 metri), che collega senza sforzo telefoni, PDA, notebook e tante altre
periferiche.
Anche Bluetooth utiliza
la libera banda ISM per
tutte le comunicazioni.
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Panoramica su WLAN, Bluetooth e Reti Cellulari
BLUETOOTH
Bluetooth supporta un data rate di 1MBps e le sue applicazioni includono:
- Ambiente d'ufficio: può essere usata come una wireless LAN e bassa
velocità;
- Ambiente casalingo: permetterà la comunicazione tra le periferiche di casa
come telefoni cordless, TV, videoregistratori, ecc...;
- Personal Area Network (PAN): può permettere al telefono portatile di
cercare un indirizzo memorizzato nel PDA;
- Ambiente Pubblico: permetterà ai PDA di accedere ai database di
informazione nelle aree pubbliche come aeroporti e stazioni ferroviarie;
- Ad Hoc Networking: permetterà alle periferiche di stabilire connessioni
indipendentemente dalle strutture fisse.
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Panoramica su WLAN, Bluetooth e Reti Cellulari
RETI CELLULARI
La connettività wireless in grandi aree è supportata dalle tradizionali reti per telefoni
cellulari.
Gli MH si connettono alla rete tramite delle stazioni di base. Ciascuna stazione di
base forma una cella intorno. La stazione base (BS) delle reti cellulari sono simili agli
access point (AP) delle WLAN. Ogni BS è connessa alla base station controller
(BSC) con dei collegamenti fissi. Una delle funzioni di un BSC è effettuare un
handoff tra due BS quando un MH esce da una cella ed entra in un'altra.
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Panoramica su WLAN, Bluetooth e Reti Cellulari
RETI CELLULARI
Rete cellulare più diffusa:
GSM (Global System For Mobile Communications) è a
commutazione di circuito per la telefonia digitale e 9,6KBps per la
comunicazione dei dati.
Estensioni di GSM:
GPRS (General Packet Radio Service) è a commutazione
di pacchetto ed è impiegata per applicazioni internet come
www, e-mail,ecc.
Ha un data rate da 9,6 KBps e 28,8 KBps e perfino superiore.
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Panoramica su WLAN, Bluetooth e Reti Cellulari
RETI CELLULARI
3G
- Lanciata nel 2001
- Basata su un’architettura IP
- Data rate: 144 Kbps in veicoli in movimento, 384Kbps per
pedoni, 2MBps in un edificio
3G usa un sistema gerarchico di strutture cellulari, usando
satelliti, macro, micro e picocelle. Le celle satellitari coprono
un'area geografica molto vaste. Le tradizionali esagonali
macrocelle coprono un'ampia regione; le micro coprono
quartieri, strade o immensi edifici; le pico servono a coprire una
linea ad alta velocità in ambiente chiuso.
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Servizi su Reti-IP
Vedremo due architetture che supportano la mobilità nell'IP network:
- Cellular IP;
- Mobile IP.
MOBILE IP
Il mobile IP è un protocollo standard descritto in RFC2002. Prima di spiegare
l'architettura del protocollo introduciamo questi termini:
- Mobile Node (MN): una periferica che si muove da una rete o sottorete ad un'altra
mantenendo il proprio indirizzo IP è un NODO MOBILE (MN). Questa periferica può
essere indifferentemente piccola o grande.
- Home Network (HN): l'MN che appartiene ad una rete condividendo la subnet del
suo indirizzo IP. Poi quando l'MN è lontano, lo standard di indirizzamento IP invierà i
pacchetti destinati all'MN ed alla sua home network.
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Servizi su Reti-IP
MOBILE IP
- Home Agent (HA): è un router su una rete casalinga di MN responsabile della
spedizione del datagramma IP all'MN quando questo è lontano da casa (base). Si
può anche mantenere le informazioni sulla posizione corrente dell'MN.
- Foreign Network (FN): alcune reti visitate da un MN che non sono nel suo home
network.
- Foreign Agent (FA): un router nel visitato foreign network che provvede
all'instradamento dei servizi all'MN una volta registratosi (l'MN) con l'FA. L'FA
consegna i datagrammi che riceve dall'HA dell'MN.
- Correspondent Node (CN): un nodo in internet che è connesso correntemente con
l'MN. Può essere mobile o fisso.
- Care of Address (COA): tunnels usati per inviare il pacchetto ad un MN finchè
questi è lontano dall'home network. Il COA è un punto di terminazione di un tunnel
verso un MN. E' di due tipi:
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Servizi su Reti-IP
MOBILE IP
- Foreign agent COA: è un indirizzo di un FA con cui l’MN è correntemente
registrato.
- Colocated COA: è un indirizzo locale che l’MN acquisisce
temporaneamente e ha associato con una delle sue interfacce. In questo
caso l’MN stesso diventa il punto di terminazione di un tunnel e avrà un
indirizzo topologicamente corretto.
Fig. Architettura MOBILE IP
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Servizi su Reti-IP
MOBILE IP - Conclusioni
Un CN che sta per inviare il datagramma IP ad un MN non ha bisogno di conoscere
la posizione corrente dell’MN. Invia il datagramma come al solito. Come i router IP
non sono consapevoli della nuova posizione dell’MN.
L’HA intercetta il pacchetto. L’incapsulamento IP-in-IP è usato per mandare il
pacchetto al COA.
L’incapsulamento mette il datagramma originale nella parte dati del nuovo
datagramma e settando l’indirizzo di destinazione come COA e quello di sorgente
come HA. Il campo di identificazione protocollo è settato all’incapsulamento IP in IP
indicato.
Il pacchetto incapsulato richiede l’FA(assumendo che sia il COA). L’FA produce il
decapsulamento e invia il datagramma originale(mandato dal CN all’MN).
Questo schema introduce troppo ritardo.
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Servizi su Reti-IP
CELLULAR IP
L’approccio mobile IP non è perseguibile in uno sviluppo wireless in cui la mobilità
dell’host è molto alta.
Il progetto CELLULAR IP propone un’architettura che è simile a quella GSM per una
rete packed-based IP che interagisce con internet.
Quest’architettura separa la mobilità locale ben affinata(frequente) da quella
grezza(infrequente) in una grande area. Mentre Mobile IP è usato per aree più
grandi, Cellular IP usa un nuovo protocollo di mobilità dell’host che è ottimizzato per
fornire accesso in Internet support host ad alta velocità.
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Servizi su Reti-IP
CELLULAR IP
Non è richiesta una nuova registrazione se l’MH si muove tra le celle.
L’assunzione qui è che la mobilità tra sistemi non sarà frequente.
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Impatto della mobilità su QoS
Mobile IP e Cellular IP supportano solo il routing di pacchetto senza grossi problemi
sul QoS.
Effetti dei collegamenti wireless
L’utente mobile accede ad internet con collegamenti wireless.
I collegamenti wireless hanno due grossi svantaggi:
- Uno è la mediocre qualità risultante nel molto più alto bit error rate (BER). Un alto
BER significa che il meccanismo QoS nel mobile internet deve trattare alti rapporti di
perdita di pacchetto.
- Un secondo problema, forse il più cruciale con i collegamenti wireless, è la variazione di
qualità. La qualità del collegamento dipende da più motivi. Il tempo, le interferenze con
altri utenti mobili e barriere come gli edifici, ponti e montagne, possono
temporaneamente peggiorare la qualità del collegamento wireless.
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Impatto della mobilità su QoS
Effetti dei collegamenti wireless
La distanza dell’utente mobile dalla BS o dall’AP gioca comunque un maggior ruolo
nella forza e nella qualità del segnale ricevuto. La peggior cosa della variazione di
qualità è che essa accade piuttosto casualmente.
Alcune di queste variazioni possono essere previste o modellate statisticamente, ma
molti di questi casi rimangono imprevedibili.
I meccanismi di mobile QoS in ogni caso devono rendere conto di tali cambiamenti
imprevedibili nella qualità della linea durante una sessione di comunicazione. E’
intuitivo pensare che avanzate tecniche di correzione d’errore (FEC) possano
effettivamente risolvere il problema della qualità dei collegamenti wireless.
Ogni tecnica FEC ha delle informazioni aggiuntive che sono una funzione della
ridondanza usata per correggere un certo numero di errori di bit. Tuttavia uno deve
conoscere dapprima la qualità attuale del collegamento per utilizzare un’appropriata
tecnica FEC.
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Impatto della mobilità su QoS
Effetti dei collegamenti wireless
Gli schemi di FEC adattativi, che dinamicamente selezionano la codifica FEC
appropriata, possono essere usati per indirizzare collegamenti di qualità variabile,
ma tali tecniche richiedono più logica nel sistema.
La bassa larghezza di banda è un altro problema nella maggior parte dei
collegamenti wireless esistenti. Ciò non favorisce chiaramente le applicazioni
multimediali, specie se sono aperte contemporaneamente più sessioni di lavoro.
La ricerca, per risolvere il problema punta essenzialmente sulla creazione di nuovi
protocolli per bassa larghezza di banda e sull’implementazione di nuove tecniche di
compressione.
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QoS in “movimento”
EFFETTI DEL MOVIMENTO
La mobilità dell’utente ha un impatto diretto sul QoS.
Da quando le risorse del network devono preservare il
QoS, è diventato molto importante risparmiare queste
stesse risorse dal momento che l’indirizzamento cambia
di frequente e imprevedibilmente.
Un'altra importante problematica è l’handoff. Quando un
utente si muove tra la zona di copertura di una stazione base
oppure di un access point ed entra in quella di un altro, viene
terminata la sessione di lavoro con la prima e ne viene aperta
un’altra con la seconda.
Mentre con applicazioni voce il tempo necessario all’handoff
non inficia il Qos, nel real-time multimedia bastano pochi
secondi di ritardo per danneggiare sensibilmente la qualità.
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QoS in “movimento”
Limitazioni delle periferiche portatili
I ricevitori mobili (come cellulari e PDA) hanno grossi problemi in
termini di potenza di calcolo, memoria e interfacciamento. E inoltre
hanno problemi di autonomia energetica. Ma anche se la rete
garantisce un QoS eccellente, il risultato può essere insoddisfacente se
la periferica mobile non soddisfa i requisiti QoS che l’utente si aspetta.
J.C. Chen ha studiato il consumo di energia di protocolli MAC come
IEEE 802.11, E.C.-MAC, PARMA, MAR.-TDMA e DQRUMA dalla
prospettiva d’uso del ricetrasmittente.
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QoS in “movimento”
Risparmio delle risorse
Intserv e Diffserv sono 2 approcci basilari per supportare il
QoS in internet. Né Intserv né Diffserv forniscono un supporto
adeguato agli utenti mobili (problemi di risparmio risorse). Ma
vedremo le possibili soluzioni.
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QoS in “movimento”
INTSERV
L’approccio Intserv è realizzato per lavorare con RSVP per il risparmio di tutte le
risorse. RSVP alloca risorse sui collegamenti lungo il percorso dati tra la sorgente e
il destinatario. Anche se il percorso dati può cambiare col movimento dell’utente!
Il più grande limite di RSVP è che il mobile host potrebbe non trovare risorse
disponibili in un router che eventualmente potrebbe visitare.
Un’estensione di RSVP, MRSVP,aggira questo problema e si basa su:
MSPEC: un gruppo di siti che il mobile host visiterà durante la sessione vengono
specificati precedentemente. Questo gruppo è chiamato MSPEC. E’ chiaro che ciò è
possibile solo per un host con una mobilità “regolare”.
PROXY AGENTS: RSVP proxy agents sono richiesti nei siti remoti specificati
nell’MSPEC, per favorire il mobile host.
RISERVE PASSIVE: per evitare lo spreco di risorse, le riserve dei siti visitati in
futuro devono essere passive, nel senso che le risorse possono
essere usate dalle sessioni attive in pieno fino all’arrivo del mobile host.
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QoS in “movimento”
DIFFSERV
Il maggior problema di Diffserv nell’internet mobile è lo stabilirsi di un servizio di
accordo di livello (SLA) fra l’utente e l’internet provider (ISP).
In ambiente mobile comunque, quando un utente lascia un home network e entra
in un foreign network, l’utente deve stabilire uno SLA col foreign network. Ma il
tempo necessario alla configurazione manuale metterà a rischio ogni sessione in
corso.
Per il supporto al Diffserv, nel mobile internet deve essere garantita la possibilità
per ogni utente di poter stabilire dinamicamente il proprio SLA con ogni foreign
network visitato.
Diffserv risente degli stessi problemi di Intserv nell’allocazione di risorse per il
mobile host. Anche se in questo caso il problema viene affrontato grazie
all’adattabilità delle applicazioni mobile host.
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QoS in “movimento”
Adattabilità delle applicazioni
Le reti mobili wireless mostrano 2 tipi di “fluttuazioni” di QoS: celabili e non celabili.
Celabili: aumento dei ritardi, riduzione della qualità del segnale.
Soluzioni: i soliti schemi di management QoS come FEC e risparmio risorse.
Non celabili: passaggio da BS a BS dove non sono disponibili risorse, passaggio da
celle ad alta velocità a celle a bassa velocità.
Soluzioni: cooperazione delle applicazioni che devono essere adattabili. (riduzione bit
rate nelle trasmissioni per preservare l’energia disponibile …..)
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