Προσαρμοστικά πρωτόκολλα προσπέλασης για τοπικά δίκτυα

Abstract

In this thesis various new techniques using adaptive algorithms on the MAC sublayer are presented for managing the available bandwidth in broadcast networks. The traffic created in computer networks shows statistical properties that make protocols which statically distribute bandwidth of a shared medium highly inefficient. For that reason protocols are needed which are able to dynamically distribute bandwidth and control the access of the stations to the common medium whether it is wireless or wired. This dynamical distribution should occur according to the highly diverse traffic behaviors of stations so that their ever changing bandwidth needs are satisfied as much as possible. The protocols presented m this thesis aim to the maximum ellimination of the lost timeslots phenomenon so that even under high and unequaly distributed traffic a high medium usage along with low delay times can be achieved. On the first group of protocols that were designed the time scheduling algorithms which control the access of the stations to the shared medium use learning automata in order for the protocol to adapt to the stations changing needs for bandwidth. On the second group of protocols various traffic shaping techniques along with the learning automata are used in order for the optimal shared medium usage to be achieved as well as make all stations have the same opportunities for access on the medium. In this thesis real traffic traces were used in order for the protocols presented to be compared to others through the simulations. It is commonly referred to in the bibliography that traffic created in computer networks does not conform to any known traffic modeling protocol. So except for the simulation results obtained through modeling our protocols in the thesis there are also simulations where the data fed to the simulators were real traffic data gathered from computer local area networks. In general this thesis contributes to the key issue of distributing the available bandwidth in shared medium broadcast networks by using adaptive algorithms in medium access control protocols in order to achieve optimal medium usage high throughput and low delay times under high bursty and changing network load. As well as that, the presented protocols give solutions for environments where groups of critical stations on a network need to have guaranteed access and priority to the shared medium regardless of the use that the rest of the stations make of the network.

Στην παρούσα διατριβή εξετάζονται διεξοδικά προσεγγίσεις διαχείρισης του διαθέσιμου εύρους ζώνης σε επίπεδο έλεγχου προσπέλασης δίαυλου (MAC sublayer) σε τοπικά δίκτυα εκπομπής με τη χρήση προσαρμοστικών αλγορίθμων. Η κίνηση που παράγεται σε δίκτυα υπολογιστών εμφανίζει στατιστικές ιδιότητες οι οποίες καθιστούν οποιοδήποτε πρωτόκολλο στατικής απόδοσης του εύρους ζώνης του διαμοιραζόμενου διαύλου εξαιρετικά αναποτελεσματικό. Για το λόγο αυτό απαιτούνται πρωτόκολλα τα οποία να μπορούν να κατανείμουν το διαθέσιμο εύρος ζώνης δυναμικά σύμφωνα με τις πραγματικές και διαρκώς μεταβαλλόμενες ανάγκες των σταθμών του δικτύου. Τα πρωτόκολλα τα οποία προτείνονται στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής στοχεύουν στην όσο το δυνατόν μεγαλύτερη εξάλειψη του φαινομένου των χαμένων χρονοθυρίδων ώστε να μπορεί να επιτυγχάνεται ακόμα και κάτω από συνθήκες υψηλού και ανομοιόμορφου φόρτου υψηλή ρυθμαπόδοση του δίαυλου κοινής προσπέλασης με ταυτόχρονη χαμηλή καθυστέρηση των πακέτων των σταθμών. Στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιείται ο νεωτερισμός της χρήσης πραγματικής καταγεγραμμένης κίνησης δικτύου (real traffic traces) ως πειραματικά δεδομένα για τη λειτουργία των προσομοιωτών που αναπτύχθηκαν για τη μελέτη των προτεινομένων πρωτοκόλλων. Είναι γνωστό από την βιβλιογραφία αλλά δείχνεται και ξεκάθαρα στα εισαγωγικά κεφάλαια το ότι η κίνηση που παράγεται σε δίκτυα υπολογιστών δεν περιγράφεται με ακρίβεια και αξιοπιστία από κανένα υπάρχον μοντέλο κίνησης. Έτσι πέραν της χρήσης γνωστών μοντέλων κίνησης όπως το Poisson στις προσομοιώσεις υπάρχει και ενότητα όπου παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των συγκρίσεων με χρήση πραγματικής κίνησης. Συνοψίζοντας, η συνεισφορά της παρούσας διατριβής εντοπίζεται κυρίως στο δυναμικό διαμοιρασμό του εύρους ζώνης με χρήση προσαρμοστικών αλγορίθμων σε πρωτόκολλα πρόσβασης στο μέσο προκείμενου να επιτυγχάνεται βέλτιστη χρήση του δίαυλου υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες φόρτου. Ακόμα τα προτεινόμενα πρωτόκολλα που αναπτύχθηκαν δίνουν λύσεις για περιβάλλοντα όπου απαιτούνται αυστηρές και ελεγχόμενες συνθήκες πρόσβασης ορισμένων σταθμών κρίσιμης σημασίας εξασφαλίζοντας χαμηλή καθυστέρηση και υψηλή ρυθμαπόδοση ανεξάρτητα από τη συμπεριφορά των υπολοίπων σταθμών του δικτύου.