Протокол, получивший название Vi-Fi, позволяет клиентам Wi-Fi одновременно поддерживать соединение с несколькими точками доступа. По существу, Vi-Fi позволяет точкам доступа с перекрывающимися зонами покрытия скоординированно связываться с движущимся клиентом, таким способом сводится к минимуму число прерываний связи, которые губительны для интерактивных приложений. Результаты тестирования, недавно опубликованные в техническом отчете, показывают, что в сравнении с существующим, более уязвимым протоколом Wi-Fi, при использовании Vi-Fi удваивается число успешных коротких TCP-передач, а также вдвое вырастает продолжительность непрерывных сессий IP-телефонии.
Результаты тестов Vi-Fi в двух сетях описаны в докладе «Интерактивная связь Wi-Fi для движущихся автомобилей» (Interactive WiFi Connectivity for Moving Vehicles), представленной 21 августа во время семинара Special Interest Group on Data Communications, проведенного ассоциацией ACM в Сиэтле. Статья написана в соавторстве Аруной Баласубраманьян, Аруной Венкатарамани и Брайаном Нейлом Левиным (все из Массачусетского университета в Амхерсте), Махаджаном из Microsoft и Джоном Захорьяном из университета Вашингтона.
Как подчеркнул Махаджан, сейчас связь людей и компьютеров, находящихся в движущихся автомобилях, с сетью требует довольно медленных и дорогих спутниковых или сотовых каналов передачи данных. Однако растет спрос на мгновенный, непрерывный и интерактивный доступ для работы в Web, голосовой связи, мультимедиа и других аналогичных приложений. Ученые хотели выяснить, насколько реально использовать постоянно растущее число точек доступа Wi-Fi как недорогую альтернативу.
Оригинальная версия для беспроводных локальных сетей в стандарте 802.11 и основа для этого протокола была предназначена для стационарных узлов, расположенных относительно близко друг к другу. «Протокол развивается. Он очень гибкий, и мы достаточно далеко продвинулись», — заметил Махаджан.
Серьезная проблема: сумеречные периоды
Поддержка сети Wi-Fi в машинах для интерактивных приложений выливается в серьезную проблему. «Сейчас любой клиент Wi-Fi в каждый момент времени взаимодействует только с одной базовой станцией», — пояснил Махаджан. Если это взаимодействие неустойчиво или прерывается, клиент в машине либо работает с низкой производительностью, либо полностью отключается до тех пор, пока не сможет связаться с новой базовой станцией.
«Соединение может ухудшиться или совсем прекратиться неожиданно и непредсказуемо. Производительность приложения падает или соединение теряется полностью», — заметил Махаджан. Специалисты называют эти прерывания «сумеречными периодами».
Обнаружено, что частые прерывания соединения возможны даже тогда, когда радиопередатчик движущейся машины находится достаточно близко к базовым станциям Wi-Fi. По словам Баласубраманьян, причин таких прерываний связи немало: высокие здания, топография, погода и множество других факторов, отражающихся на сигнале.
Группа также отметила, что во многих случаях клиент Wi-Fi в каждый момент времени находится в диапазоне действия двух или более базовых станций, поэтому пакеты «подслушиваются» всеми из них, даже если для связи с данным клиентом выбрана только одна станция. «Представьте, что клиент может взаимодействовать с несколькими базовыми станциями, — заметила Баласубраманьян. — Тогда вам не нужно полагаться только на одну. Мы хотим использовать это свойство для организации более надежной связи».
Координация передачи пакетов
Кластер базовых станций получает клиентский пакет и ждет подтверждения (ACK) от одного из членов кластера (и пакет, и ACK пересылаются средствами широковещательной рассылки). «Если они услышали ACK от одной из базовых станций, они не должны ничего делать, — пояснила Баласубраманьян. — Если же ACK не было, все остальные базовые станции с помощью нашего алгоритма Vi-Fi определяют, какая из них должна передать пакет».
Алгоритм использует «вероятностный» подход, по существу, в каждый данный момент выясняя, какова вероятность того, что каждая из слушающих базовых станций в состоянии передать пакет. Базовая станция, для которой эта вероятность наиболее высока, получает разрешение на передачу, будь то трансляция на медиасервер или загрузка на клиент в машине. Vi-Fi не дублирует пакеты: пакет передается только один раз базовой станцией, у которой самые лучшие шансы это сделать.
Протоколы сотовой беспроводной связи в сетях со множеством промежуточных серверов в чем-то на это похожи. Однако для того чтобы свести к минимуму накладные расходы, связанные с такого рода передачей пакетов, они группируют или объединяют пакеты вместе. «Мы хотели, чтобы в системе не было подобной группировки, поскольку она вызывает задержку», — отметил Махаджан. При передаче файлов задержки не страшны, но они могут оказаться губительными при видеотрансляции, интерактивных движениях камеры и тому подобного.
Тестирование Vi-Fi
Исследователи протестировали протокол Vi-Fi в двух сетях: в VanLAN в штаб-квартире Microsoft в Редмонде (шт. Вашингтон) и в DieselNet в кампусе Массачусетского университета. В обоих случаях компьютеры, оснащенные (или подключенные) к радиопередатчикам Wi-Fi, были установлены в грузовиках или автобусах, движущихся по круговым маршрутам мимо базовых станций Wi-Fi. Группа сравнила результаты Vi-Fi с результатами работы традиционного механизма передачи Wi-Fi.
«При использовании Vi-Fi производительность увеличивалась примерно вдвое, — сообщил Махаджан. — Голосовые звонки в среднем были четче, число прерываний также сократилось вдвое». Кроме того, время устойчивого, непрерывного соединения тоже удвоилось.
При работе в Web наблюдались аналогичные, заметные улучшения в скорости загрузки и рост числа успешных завершений загрузки страниц.
Vi-Fi — это программный код, размещаемый над интерфейсом 802.11. Не требуется никаких изменений аппаратного или встроенного программного обеспечения. «Любой производитель оборудования беспроводных локальных сетей может реализовать это точно так же, как мы», — отметил Махаджан.
Тесты также показывают, что Vi-Fi может применяться не только в автомобилях. «Мы пришли к выводу, что его можно использовать для статических и переносных структур Wi-Fi, — заметила Баласубраманьян. — ‘Сумеречные’ периоды возникают и в этих сетях». В дальнейшем, по словам Махаджана, группа планирует провести более тщательное тестирование.
«Считается, что Wi-Fi есть повсюду, — сказал Махаджан. — Если это уже так, и в нем можно поддерживать совершенно новый класс приложений с помощью Vi-Fi — это замечательно. Если Wi-Fi получит действительно широкое распространение, не потребуется прикладывать существенных усилий на планирование топологий сотовых сетей».