Upload
trinhngoc
View
214
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Defending Concealedness in IEEE 802.11n
Sandip Chakraborty12, Subhrendu Chattopadhyay, SuchetanaChakraborty, Sukumar Nandi
Department of Computer Science and EngineeringIndian Institute of Technology Guwahati,
Guwahati 781039 INDIA
07 January, 2014
1This work is supported by TATA Consultancy Services (TCS), INDIA through TCSResearch Fellowship program
2Supported by COMSNETS 2014 Travel GrantSandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 1 / 20
Preface: IEEE 802.11n
High speed extension for wireless networks: 600 Mbps
Extensions over IEEE 802.11b/g
- MIMO - Spatial diversity and spatial multiplexing
- Channel Bonding: Combine two 20 MHz channels to one 40 MHzchannel (also knowm as 20/40 semantics)
- MAC Layer: Frame aggregation and block acknowledgements
Source:http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1278239Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 2 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Two-way handshaking (BasicAccess)
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Two-way handshaking (BasicAccess)
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
A
B
C
D
E
F
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Two-way handshaking (BasicAccess)
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
A
B
C
D
E
F
DATA
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Two-way handshaking (BasicAccess)
ACK ����������
����������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
A
B
C
D
E
F
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Two-way handshaking (BasicAccess)
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
A
C
D
E
F
B
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Two-way handshaking (BasicAccess)
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
A
C
D
E
F
B
Hidden Terminal Problem
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Two-way handshaking (BasicAccess)
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
A
C
D
E
F
B
Hidden Terminal Problem
Four-way Handshake (RTS-CTSAccess)
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Two-way handshaking (BasicAccess)
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
A
C
D
E
F
B
Hidden Terminal Problem
Four-way Handshake (RTS-CTSAccess)
����������
����������
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
A
B
C
D
E
F
RTS
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Two-way handshaking (BasicAccess)
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
A
C
D
E
F
B
Hidden Terminal Problem
Four-way Handshake (RTS-CTSAccess)
����������
����������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������
������������
A
B
C
D
E
F
CTS
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Two-way handshaking (BasicAccess)
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
A
C
D
E
F
B
Hidden Terminal Problem
Four-way Handshake (RTS-CTSAccess)
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������
������������
A
B
C
D
E
F
DATA
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Two-way handshaking (BasicAccess)
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
A
C
D
E
F
B
Hidden Terminal Problem
Four-way Handshake (RTS-CTSAccess)
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������
������������
A
B
C
D
E
F
ACK
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Two-way handshaking (BasicAccess)
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
A
C
D
E
F
B
Hidden Terminal Problem
Four-way Handshake (RTS-CTSAccess)
����������
����������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������
������������
������������
������������
��������������������
��������������������
����������������������������
����������������������������
A
B
C
D
E
F
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Two-way handshaking (BasicAccess)
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
A
C
D
E
F
B
Hidden Terminal Problem
Four-way Handshake (RTS-CTSAccess)
����������
����������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������
������������
������������
������������
����������������������������
����������������������������
��������������������
��������������������
A
B
C
D
E
F
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Two-way handshaking (BasicAccess)
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
A
C
D
E
F
B
Hidden Terminal Problem
Four-way Handshake (RTS-CTSAccess)
����������
����������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������
������������
������������
������������
����������������������������
����������������������������
��������������������
��������������������
A
B
C
D
E
F
T-Exposed Terminal Problem
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
IEEE 802.11 Channel Access
Two-way handshaking (BasicAccess)
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
A
C
D
E
F
B
Hidden Terminal Problem
Four-way Handshake (RTS-CTSAccess)
����������
����������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������
������������
������������
������������
����������������������������
����������������������������
��������������������
��������������������
A
B
C
D
E
F
T-Exposed Terminal Problem
R-Exposed Terminal Problem
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 3 / 20
Hidden and Exposed Nodes
Extensive studies have been carried out to mitigate with hidden andexposed nodes problem.
For, IEEE 802.11b/g networks, solutions of hidden and exposed nodesrequire extra controlling overhead, which severe for a low to moderateloaded network.
Four-way access may sometime impact in a negative performance3
Is the scenario similar for IEEE 802.11n high data rates?
3R. Bruno, M. Conti, and E. Gregori. “IEEE 802.11 optimal performances: RTS/CTSmechanism vs. basic access.” IEEE PIMRC, 2002.Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 4 / 20
IEEE 802.11n: Basic Access vs RTS/CTS Access
Model basic access and RTS/CTS access, considering- High data rates
- Frame aggregation (A-MPDU) : Channel is hold once access issuccessful
- Block acknowledgements (BACK) : Loss in BACKs result in the loss incomplete A-MPDU
- A mesh network scenario: Contention is high
I
DS
DF
P{I|I}
1
P{DF|I}
D
1P{D|I}
P{DS|I}
1
Basic Access
P{I|I}
P{RTSF|I}1
I
1
1
P{RTSS|I}
P{DS|RTSS}
DSP{DF|RTSS}
DF
1
1
NE
E
P{E|I}
P{NE|I}
RS
RF
RTS/CTS AccessSandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 5 / 20
IEEE 802.11n: The Optimal Access
Cost of expode nodes is very high: Channel is reserved for a largeamount of time once access is successful.
Source:http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1278239
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 6 / 20
IEEE 802.11n: The Optimal Access
However, access synchronization is crucial,
- Possibility of data-BACK collision
����������
����������
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
������������
������������
������������������������������������
������������������������������������
������������
������������
������������������������������
������������������������������
�����������
�����������
�����������
�����������
A
B
E
F
DATA
DATA
A
B
E
F
DATA
BACK
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 7 / 20
IEEE 802.11n: The Optimal Access
However, access synchronization is crucial,
- Possibility of data-BACK collision
����������
����������
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
���������������
������������
������������
���������������
���������������
������������
������������
������������������������������������
������������������������������������
������������
������������
������������������������������
������������������������������
�����������
�����������
�����������
�����������
A
B
E
F
DATA
DATA
A
B
E
F
DATA
BACK
Optimal Access:
- No hidden nodes
- No exposed nodes
- DATA-BACK collisions are avoided
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 7 / 20
Outcomes from the Model: Numerical Results
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
No
rma
lize
d t
hro
ug
hp
ut
Data generation probability
Basic accessFour-way accessOptimal scenario
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
8 10 12 14 16 18 20 22 24N
orm
ali
ze
d t
hro
ug
hp
ut
Node density (per 100 mt)
Basic accessFour-way accessOptimal scenario
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 8 / 20
Key Observations
Can not avoid hidden nodes: effect of data loss is significant at highdata rates, with moderate contention (basic access outperformsRTS/CTS only at very low contention).
Exposed nodes result in severe underutilization.
Keys for the good (near-optimal) performance:
- Avoid hidden nodes (RTS/CTS access)
- Allow transmissions for the exposed nodes (deviation from the originalfour-way access)
- Avoid data-BACK collision whenever possible (opportunistic access)
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 9 / 20
Opportunistic Four Way Access
Allow transmission to the exposed nodes, but avoid hidden nodes
- Maintain list of active nodes from which RTS and CTS are overheard(RTSact and CTSact).
- NS : Set of one hop neighborhood for node S .
- Node S wants to transmit to node R ; Node S sends a RTS ifCTSact = NULL and ∀RTSact .DST /∈ NS
- CTSact = NULL implies no active receiver in the neighborhood
- RTSact .DST also implies a receiver, so the second condition ensures nopossible receiver in the neighborhood for the next few slots (there existsno such nodes in the neighborhood that has received a RTS, but yet toreply for a CTS)
- Allows transmission for the T-Exposed nodes.
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 10 / 20
Opportunistic Four Way Access
Node R receives an RTS from node S . It replies back with a CTS(wants to act as a receiver) only if,
- RTSact = NULL, ensures no active transmitter in the neighborhood
- ∀CTSact .DST /∈ NR , ensures no CTS is overheard where transmitter isin the neighborhood (supports communication asymmetry)
- Allows transmission for the R-Exposed nodes.
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 11 / 20
Opportunistic Access: Interference
������������������������������������������������
������������������������������������������������
������������������������������������������������
������������������������������������������������
MPDU MPDUHDR MPDU MPDU
HDR MPDU MPDU MPDUMPDU
A−MPDU
back−offback−off RTS
CTS
txopp
txopp
A−MPDU
back−off
RTS
CTS
back−off
BACK
BACK
DATA−ACK Collision
DATA−CTRL Collision
A
B
D
E
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 12 / 20
Opportunistic Access: Interference Mitigation
MPDU MPDUHDR
HDR MPDU
A−MPDU
back−off
back−off
A−MPDU
back−off RTS
CTS
CTS
NULL
NULL
txopp
txopp
BACK
back−off
BACK
RTS
MPDU
MPDUMPDU
A
B
D
E
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 13 / 20
Testbed Evaluation
N6N7
N N2 N1
N
N
N
3
4
5
8
RS Lab 1RS Lab 2
Security Lab
G
Router: RaLink RT-3352 RoC: 2T2R MAC/BBP/PA/RF, 400MHzMIPS24KEc CPU, 64MB of SDRAM and 32MB of FlashIEEE 802.11n: 300 Mbps, channel bondingOpen80211s: http://www.open80211s.orgLinux Kernel 2.8.54TCP (FTP) and UDP (TFTP) using iperf
(http://iperf.sourceforge.net/)Semi-indoor environment, Tx Power 16dBm, Rx Sensitivity 0 dBm (45-55mt in indoor)
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 14 / 20
Performance: Throughput
0
20
40
60
80
100
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8
Tra
ns
mis
sio
n T
hro
ug
hp
ut
(Mb
ps
)
Node Number
Basic AccessFour-way Access
Opportunistic Access
High Load
0
5
10
15
20
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8
Tra
ns
mis
sio
n T
hro
ug
hp
ut
(Mb
ps
)
Node Number
Basic AccessFour-way Access
Opportunistic Access
Low Load
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 15 / 20
Performance: Forwarding Delay
0
2
4
6
8
10
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8
En
d-t
o-e
nd
De
lay
(m
s)
Node Number
Basic AccessFour-way Access
Opportunistic Access
High Load
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8
En
d-t
o-e
nd
De
lay
(m
s)
Node Number
Basic AccessFour-way Access
Opportunistic Access
Low Load
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 16 / 20
Performance: Data Loss
0
100
200
300
400
500
600
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8
Da
ta L
os
s (
Kb
ps
)
Node Number
Basic AccessFour-way Access
Opportunistic Access
High Load
0
10
20
30
40
50
60
70
80
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8
Da
ta L
os
s (
Kb
ps
)
Node Number
Basic AccessFour-way Access
Opportunistic Access
Low Load
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 17 / 20
General Performance Metrics
0
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tra
ns
mis
sio
n T
hro
ug
hp
ut
(Mb
ps
)
Traffic Generation Rate (Mbps)
Basic AccessFour way Access
Opportunistic Access
Throughput
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
En
d-t
o-e
nd
De
lay
(m
s)
Traffic Generation Rate (Mbps)
Basic AccessFour way Access
Opportunistic Access
Forwarding Delay
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 18 / 20
General Performance Metrics
0
50
100
150
200
250
300
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Da
ta L
os
s (
Kb
ps
)
Traffic Generation Rate (Mbps)
Basic AccessFour way Access
Opportunistic Access
Data Loss
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Fa
irn
es
s I
nd
ex
Traffic Generation Rate (Mbps)
Basic AccessFour way Access
Opportunistic Access
Fairness
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 19 / 20
Conclusion with Some Comments
Explores the severity of hidden and exposed terminal problems overIEEE 802.11n
Proposed an opportunistic solution to improve MAC performance overIEEE 802.11n
- Distributed as well as localized- Less control overhead- Improved spatial reuse
This paper has considered IEEE 802.11n with A-MPDU aggregation.However the compatibility of this solution with the existing basic andfour way access is further required to be investigated.
- How does the opportunistic solution perform in mix network of basic access,four-way access and opportunistic access?
- How does the proposed solution scale with number of nodes in the network?
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 20 / 20
Conclusion with Some Comments
Explores the severity of hidden and exposed terminal problems overIEEE 802.11n
Proposed an opportunistic solution to improve MAC performance overIEEE 802.11n
- Distributed as well as localized- Less control overhead- Improved spatial reuse
This paper has considered IEEE 802.11n with A-MPDU aggregation.However the compatibility of this solution with the existing basic andfour way access is further required to be investigated.
- How does the opportunistic solution perform in mix network of basic access,four-way access and opportunistic access?
- How does the proposed solution scale with number of nodes in the network?
Thank You
Sandip Chakraborty (CSE, IITG) COMSNETS 2014 07 January, 2014 20 / 20