Entwicklung eines WLAN-Treibers mit Gruppenkommunikationsfunktionalität

Diplomarbeit von Torben Brack

Einleitung:

Mobile Kommunikation wird heute in vielen Bereichen des modernen Lebens benötigt. Einer der wichtigsten Bereiche, in der diese Kommunikationsform Verwendung findet, ist neben militärischen Anwendungen der Zivil- bzw. Katastrophenschutz. Im Gegensatz zur Mobiltelefonie im privaten Sektor sind die Anforderungen an Stabilität und Sicherheit des Netzes in diesen Bereichen existentiell, da davon unmittelbar Menschenleben betroffen sein können.

In den letzten Jahren kamen immer neue Anforderungen an mobile Kommunikationssysteme auf. Reine Sprachdienste, zu Beginn noch analog, sollten nach und nach durch volldigitale Datendienste abgelöst werden, damit neben Sprache auch grafische Kartendaten oder Datenbankabfragen übertragen werden können.

Auch die Möglichkeit zur effizienten und komfortablen Gruppenkommunikation gewinnt zunehmend an Bedeutung, denn gerade im Katastrophenschutz müssen Daten meistens zwischen Personengruppen ausgetauscht werden, anstatt nur zwischen Einzelpersonen.

All diese Funktionalität setzt eine möglichst schnelle, sichere und stabile Übertragung der Daten voraus, im Hinblick auf Katastrophengebiete vor allem auch in Regionen ohne bestehende Kommunikationsinfrastruktur und über größere Entfernung hinweg, als es mit den meisten Single-Hop-Netzen möglich ist. Deshalb sind herkömmliche Technologien, wie mobile Dienste auf GSM-Basis oder Funkgeräte, ungeeignet. Eine mögliche Alternative sind daher die drahtlosen, mobilen Ad-Hoc-Netzwerke, da diese sowohl Ausfallsicherheit als auch relativ große Reichweite ohne teure Infrastruktur erlauben.

Diese Arbeit ist Teil eines größeren Projektes der AG Rechnernetze an der Universität Kaiserslautern, in dem ein neuer, leistungsfähiger Treiber und dazu passende Protokolle für drahtlose, mobile Ad-Hoc-Netzwerke auf Grundlage der ‘Wireless LAN’-Technologie entwickelt werden sollen. Diese Technologie erlaubt zwar schon lange die Verwendung eines Ad-Hoc-Modus, jedoch existieren derzeit noch keine Spezifikationen oder Implementierungen für dessen Einsatz in einer Multi-Hop-Umgebung. Bei der Entwicklung wurde absichtlich auf Kompatibilität zu vorhandenen Netzwerk-Protokollen verzichtet, um vollkommene Flexibilität für eine Maßschneiderung der Verfahren zu gewährleisten, welche in diesem Treiber und in darüber liegenden Schichten Verwendung finden. Die Domäne des Katastrophenschutzes hat sich aufgrund ihrer vielfältigen Anforderungen als sehr geeignet für den Test der Praxistauglichkeit dieses Projektes erwiesen, und wird deshalb auch immer wieder aufgegriffen werden.

Das besondere Augenmerk der vorliegenden Arbeit richtet sich auf den Aspekt der Adressierung und Gruppenkommunikation innerhalb der MAC-Schicht des Treibers. Eine weitere, parallel dazu entstandene Arbeit, welche ebenfalls Funktionalität der MAC-Schicht beinhaltet, beschäftigt sich mit dem Problem der Dienstgüte (‘Quality of Service’) in diesen Netzwerken.

Die Entwicklung des Treibers findet unter LINUX statt und basiert auf dem existierenden WLAN-Treiber ‘linux-wlan-ng’ für den Prism2-WLAN-Chipsatz.

Gang der Untersuchung:

Diese Arbeit gliedert sich in neun Kapitel. Kapitel 1 umfasst die Einleitung und Zielsetzung, in Kapitel 2 werden dann die in der Einleitung erwähnten und in späteren Teilen der Arbeit unbedingt benötigten Grundlagen vertieft. Dann folgt Kapitel 3, in dem ein Framework für die Umsetzung von SDL-Spezifikationen in ausführbaren Programmcode vorgestellt wird, welches in der kompletten Treiberentwicklung des Projektes Verwendung findet. Kapitel 4 und 5 beschäftigen sich ausführlich mit dem Entwurf eines Adressierungsschemas und eines Rahmenformates für die MAC-Schicht, Kapitel 6 demonstriert das Gruppenmanagement unter Verwendung eben dieses Adress- und Rahmen-Formats. Die MAC-Schicht selbst wird schließlich in Kapitel 7 vollständig spezifiziert und implementiert. Im 8. Kapitel geht es dann um Simulation und Test dieser MAC-Schicht, und im letzten Kapitel 9 wird ein Ausblick auf die zukünftigen Projektphasen im Zusammenhang mit dieser Arbeit gegeben.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung und Motivation	9
1.1	Zielsetzung der Arbeit und Stellung im Gesamtprojekt	9
1.2	Gliederung der Arbeit	10
2.	Grundlagen	11
2.1	Drahtlose, mobile Ad-Hoc-Netzwerke	11
2.2	Gruppenkommunikation	14
3.	Das SDL2C-Framework	15
3.1	Struktur	15
3.2	Prozessadressierung	15
3.3	Prozessinteraktion	16
3.4	Timer	18
3.5	Anwendungsbeispiel für das SDL2C-Framework	19
4.	Entwurf eines Adressierungsschemas	31
4.1	Vermeidung aufwendiger Adressumsetzungen	32
4.2	Verwendung eines hierarchischen Adressraumes	33
4.3	Geeignete Unterstützung von Gruppenkommunikation	34
4.4	Anwendungsbeispiel für das ‘Hierarchische Gruppenschema’	37
4.5	Reduktion des Adressierungsoverhead	39
5.	Entwurf eines Rahmen-Formats	41
5.1	Grundaufbau des Rahmens	41
5.2	Aufbau des Optionsfeldes	42
6.	Gruppenmanagement	43
6.1	‘Single-Hop’-Gruppenmanagement	43
6.2	‘Multi-Hop’-Gruppenmanagement	47
7.	Entwicklung der MAC-Schicht	49
7.1	Spezifikation der MAC-Schicht	50
7.2	Implementation der MAC-Schicht	71
7.3	Die Schnittstelle der MAC-Schicht	77
7.4	Simulation und Test	81
8.	Zusammenfassung und Ausblick	91
	Literaturverzeichnis	93
	Anhang	95
A.	SDL2C-Framework	95
B.	SDL2C-Implementation ‘Ping-Pong’	113
C.	SDL-Prozeduren der MAC-Schicht-Spezifikation	117
D.	SDL2C-Implementation der MAC-Schicht (Block und Prozesse)	123
E.	SDL2C-Implementation der MAC-Schicht (Prozeduren)	161
F.	SDL-Spezifikation ‘Alice und Bob’	167
G.	SDL2C-Implementation ‘Alice und Bob’	173
H.	SDL-Spezifikation ‘Multihop’	183

Textprobe:

Kapitel 4.5, Reduktion des Adressierungsoverhead:

Einige der großen Vorteile des Adressierungsschemas erzeugen leider gleichzeitig ein Problem bei der praktischen Umsetzung. Da die Adressen menschenlesbar sein sollen, können diese je nach Benennung der Knoten mitunter sehr lang werden. Aufgrund der Verwendung dieses einen Adressierungsschemas in allen Ebenen, insbesondere schon innerhalb der MAC-Schicht, in der technologiebedingt nur relativ kurze Datenpakete, so genannte Rahmen, ausgetauscht werden, verursacht dieses unter Umständen einen zu großen Daten-Overhead.

Eine einfache Möglichkeit zur Begrenzung dieses Problems besteht in der Reduktion der Maximallänge einer Adresse, was durch die Vorgaben eines Rahmenformats implizit geschieht. Wenn von einer maximalen Rahmenlänge von 2300 Bytes ausgehend zum Beispiel je 32 Bytes für Sender- und Empfängeradresse erlaubt sind, liegt der Platzbedarf dafür bei unter drei Prozent, was beim Datentransfer normalerweise durchaus vertretbar ist.

Trotzdem sollen hier noch einige weitere Optimierungsmöglichkeiten in Betracht gezogen werden, insbesondere da für einige spezielle Mechanismen wie dem RTS/CTS möglichst kurze Rahmen benötigt werden. Durch geschickte Kombination dieser Optimierungen lassen sich zudem Synergieeffekte nutzen, um noch höhere Einsparungen zu erzielen.

4.5.1 Verwendung von temporären Verbindungsnummern:

Dieser Ansatz verwendet das eingeführte Adressierungsschema nur für den Verbindungsaufbau. Dabei werden zwei, sinnvollerweise sehr kurze, Verbindungsnummern für Sender und Empfänger ausgehandelt, die jeweils nur für die aktuelle Verbindung gültig sind. Die Beendigung einer solchen Verbindung muss entweder explizit erfolgen oder mittels eines Timeouts geschehen. Damit lassen sich dann bei jedem weiteren Datentransfer die Adressen einsparen, was natürlich einen großen Platzvorteil mit sich bringen kann.

Auch hier entstehen bei der Realisierung wieder einige neue Probleme, zum Beispiel die Beschränkung der Gültigkeit und die Gewährleistung der Eindeutigkeit von solchen Verbindungsnummern in einem mobilen Netzwerk.

4.5.2 Kompaktifizierung der Adressen:

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Adress-Darstellung für die Übertragung zu kompaktifizieren.

Eine nahe liegende Möglichkeit besteht in der Komprimierung der Adressen mit einem herkömmlichen Kompressionsverfahren, wie zum Beispiel RLE (‘Run Length Encoding’), welche aber meistens erst bei sehr langen Adressen größer als 200 Bytes überhaupt einsetzbar sind. Außerdem erlauben diese Verfahren bei normalen ASCII-Zeichenketten ohne mehrfaches Vorkommen bestimmter Worte oder Wortteile, wie sie nun einmal bei diesen Adressen vorliegen, nur sehr geringe Kompressionsraten, die in eigenen Versuchen immer unter 5 Prozent lagen.

Wesentlich besser ist da die Verwendung eines eingeschränkten Zeichensatzes, zum Beispiel nur das Alphabet aus Kleinbuchstaben. Dadurch kann die Darstellung eines Zeichens von bisher 8 Bit, wie es im ASCII-Zeichensatz üblich ist, auf 5 Bit reduziert werden, was immer noch 32 verschiedene Zeichen erlaubt. Damit lassen sich rund ein Drittel der Adress-Daten einsparen, unabhängig von deren Länge und Aufbau.

Ein weiterer, vollkommen anderer Ansatz, setzt auf die Verwendung von Hash-Werten zur Reduktion der zu übertragenen Daten. Dabei werden die einzelnen Elemente der Adresse mit Hilfe von Hash-Funktionen auf eine konstante Größe von zum Beispiel 16 Bit abgebildet, wodurch natürlich die Eindeutigkeit der Darstellung nicht mehr gegeben ist. Deshalb kann es auch passieren, dass Netzknoten eine Nachricht entgegennehmen, die nicht für sie bestimmt ist, allerdings erreicht jede Nachricht zumindest alle adressierten Empfänger. Dieser Ansatz birgt neben einigen Schwierigkeiten aber auch noch ein weiteres großes Einsparpotential bei den Adress-Tabellen der einzelnen Knoten, da auch diese nur noch den Hash-Wert ihrer Adressen kennen müssen.