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Controllo della Qualità del Servizio in applicazioni distribuite con vincoli real-time per reti wireless di sensori CandidatoFrancesco Piga Candidato:

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Presentazione sul tema: "Controllo della Qualità del Servizio in applicazioni distribuite con vincoli real-time per reti wireless di sensori CandidatoFrancesco Piga Candidato:"— Transcript della presentazione:

1 Controllo della Qualità del Servizio in applicazioni distribuite con vincoli real-time per reti wireless di sensori CandidatoFrancesco Piga Candidato: Francesco Piga Relatori: Prof. P. Ancilotti Prof. G. Lipari Dott. P. Pagano Università di Pisa Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica Pisa, 2 Ottobre 2008

2 Sommario Introduzione Cenni sullo standard IEEE Supporto traffico soft real-time Ambiente di simulazione Il simulatore RTNS (Real-Time Network Simulator) Implementazione meccanismo GTS (Guaranteed Time Slots) Analisi simulativa Scenari simulati Risultati ottenuti Conclusioni

3 Introduzione Le reti wireless di sensori Prima: applicazioni di monitoraggio (logging) Ora: applicazioni multi-tasking distribuite basate su RTOS Applicazioni distribuite time-sensitive Sistema operativo Scheduling Allocazione di risorse (memoria) Rete Supporto traffico real-time QUALITY OF SERVICE (QoS) Simulatore + Applicazione distribuita

4 LO STANDARD IEEE Velocità massima 250 kb/s = GHz (codifica 16-aria, 1sym = 4 bits); Struttura a superframe (beacon-enabled, 16 slot): Periodo inattivo Periodo attivo 1.CAP (Contention Access Period)slotted CSMA-CA 2.CFP (Contention Free Period) GTS (max 7) Traffico real-time

5 Traffico real-time: allocazione GTS La richiesta di allocazione di GTS da parte di nodo Device: 1. primitiva MLME-GTS.request 2. invio di comando richiesta (GTS request) 1. Numero di slot 2. Direzione 3. Notifica di allocazione 1. Slot iniziale nel CFP 2. Numero di slot 3. Direzione

6 Traffico real-time: deallocazione GTS Deallocazione Esplicita Pan Coordinator Device Deallocazione Implicita Pan Coordinator Il PAN Coordinator deve prevedere la rilocazione dei GTS Massimizzare durata del CAP

7 Il simulatore NS-2 E stato scelto NS-2 perché: Molto diffuso nella comunità scientifica C++/OTcl Nato per simulazione wired… …estensione CMU per nodo wireless Supporto per nativo ( v2.28 in poi) SimulatoriNS-2OPNETQualNet Tranport75%18%7% Network70%18%12% MAC & PHY42%26%22%

8 Il package WPAN in NS-2 CSMA-CA Beacon e Sincr. Assoc. e Disassoc. TX Diretta e Indiretta Filtraggio Modello errore MECCANISMO GTS ED CCA LQI Filtraggio Canali multipli RTNS (Real-Time Network Simulator) Sviluppato da: J. Zheng, Samsung (Cuny)

9 Supporto al meccanismo GTS in NS-2 Strutture dati: Descrittore di GTS GTSDescriptor Lista Descrittori GTSField Pacchetto beacon GTSSpec Pacchetto di comando GTSCharacteristic Comandi di accesso: $node sscs startPANCoord $node sscs startGTS Realizzazione primitive MLME: MLME-GTS.request MLME-GTS.confirm MLME-GTS.indication Realizzazione database Classe gtsElem Descrittore GTS e timer sincronizzazione Classe gtsDB Lista descrittori GTS allocati e deallocati

10 Il database dei GTS Presente sia sul nodo PAN Coordinator che sul Device Progettato in modo da: Consentire lallocazione e la deallocazione dei GTS Consentire la costruzione del campo GTSFields nel beacon Massimizzare CAP in caso di rilocazione dei GTS Interrogato dal PAN Coordinator e dai Device Attivare timer di sincronizzazione nel CFP Interrogato dal PAN Coordinator Allocare/Deallocare un GTS Invio pacchetto di beacon

11 Simulatore RTNS (Real-Time Network Simulator) Sviluppato presso ReTiS Lab Integra le funzionalità di NS-2 con quelle offerte da Metasim RTLib Evento speciale rtns-event Inserito nella coda NS-2 allistante t Processa tutti gli eventi di RTSim sino allistante t. Il nodo RTNS Modulo computazionale Altre attività di elaborazione Modulo di rete Task di invio e ricezione

12 (Latenza) (Efficienza) Applicazione di tracking distribuito (topologia a stella, beacon-enabled) Camera Vista Scena Oggetto in movimento Report di rivelazione Metriche QoS valutate: [0][1][2] [3] [C]

13 Protocollo di rivelazione Lelaborazione dei report è basata su una finestra di rivelazione Il nodo coordinatore elabora i report per identificare il percorso effettuato dalloggetto Finestra attivata in 2 modi: 1.Time-based Tramite un timer periodico 2.Event-based In seguito alla ricezione di un report dal nodo trigger (nodo 0)

14 Scenari simulati Scenario Taxiway Scenario Market

15 Scenario TAXIWAY confronto Event-based e Time-based (al variare della dimensione della finestra di rivelazione) (1) 1.Modalità Event-based efficienza degrada Report suddivisi in finestre di rivelazione diverse! 2.Modalità Time-based efficienza migliora Aumenta probabilità di rivelazione nella stessa finestra

16 Scenario TAXIWAY confronto Event-based e Time-Based (al variare della dimensione della finestra di rivelazione) (2) Il ritardo di rivelazione è dettato dalla dimensione della finestra di rivelazione. Nel caso time-based è inferiore perché lattivazione è scorrelata dallevento. Tempo di attesa per processare report relativo allevento è mediamente inferiore

17 Scenario TAXIWAY – Event-based confronto tra CSMA-CA e GTS ( con presenza di nodi di disturbo) Set-point a piena efficienza (pto = 7 sec) Presenza di 2 nodi che generano traffico best-effort Efficienza degrada con CSMA-CA Backoff ritarda trasmissione Collisioni Efficienza garantita con GTS

18 Scenario TAXIWAY – Event-based confronto tra scheduling FCFS – FP Set-point a piena efficienza e uso GTS (pto = 7 sec) Presenza di task di carico (periodico) sulla CPU dei nodi rivelatori Condizione di sovraccarico (U > 1) Perdita efficienza fino al 50% Aumento latenza di 50 volte!

19 Scenario MARKET – Event-based confronto tra CSMA-CA e GTS Il comportamento non dipende più dalle caratteristiche della rete Entrambi i meccanismi congestionati dal tipo di traffico Aumenta la probabilità che il report del nodo trigger non attivi la finestra… … report in finestre diverse non vengono processati

20 Scenario Market – Event-based confronto tra CSMA-CA e GTS ( con frammentazione dei pacchetti) Set-point a piena efficienza (pto = 20 sec) Dimensione massima: 100 bytes Frammentazione dei report In CSMA-CA aumenta sensibilità: Perdita ordinamento Collisioni Impossibilità di accesso al mezzo

21 Conclusioni Tramite lanalisi simulativa è stato validato il funzionamento del meccanismo di GTS implementato su RTNS. E inoltre stato dimostrato come la QoS di una applicazione soft real-time distribuita dipenda pesantemente: Attività del RTOS (scheduling) Attività della rete (management di banda) Entrambi gli aspetti DEVONO essere considerati per la valutazione di performance del sistema.

22 Grazie per lattenzione


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