毕业设计（论文）-IEEE802.11无线局域网媒体访问控制机制研究.doc

重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 1 - ieee802.11 无线局域网媒体访问控制机制研究 杨千里 摘 要 本文所研究的dfs算法是在无线局域网现有的802.11 mac层访问机制的基础 上，运用循环队列的思想提出的一种完全分布式的公平队列调度算法，该算法通过修 改802.11的mac层中的dcf(distributed coordination function)子协议，实现了在分布式 环境下控制802.11节点公平地访问无线链路资源。本文通过仿真对算法进行了分析和研 究，仿真结果表明该方法可以在一定范围内实现公平队列调度。 关键词 ieee802.11，无线局域网，分布式协调功能，点协调功能，分布式公平调度 abstract dfs algorithm is a type of distributed queue scheduling algorithm. based on the access mechanism of 802.11 mac layer which is recent used in the wireless local networks, dfs algorithm adopts the idea of round robin queue. through modifying the dcf sub- protocol of 802.11 mac layer, it achieve the purpose of controlling 802.11 node to access wireless line resource fairly in the distributed environment. in this article, the author did some analyses and researches to this algorithm by simulation. the simulation results show that the dfs algorithm can carry fairly queue schedule in some areas. keywords ieee802.11, wireless lan, dcf, pcf, dfs 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 2 - 目 录 abstract.- 1 - 摘要 - 1 - 引引 言言- 4 - 第第 1 章章 绪论绪论- 5 - 1.1 无线网络的发展及研究现状- 5 - 1.2 研究内容- 5 - 1.3 研究意义- 5 - 1.4 论文的研究方法及结构- 6 - 第第 2 章章 无线局域网介绍无线局域网介绍- 7 - 2.1 无线局域网的概念- 7 - 2.2 无线局域网的主要标准- 7 - 第第 3 章章 ieee802.11 标准标准 - 10 - 3.1 ieee802.11mac 相关技术.- 10 - 3.1.1载波检测机制.- 10 - 3.1.2 帧间间隙(ifs).- 10 - 3.1.3退避程序.- 10 - 3.1.4 rts/cts 握手协议- 11 - 3.2 ieee802.11mac 访问媒体的机制- 13 - 3.2.1分布式协调功能 dcf.- 13 - 3.2.2点协调功能 pcf.- 15 - 第第 4 章章 ieee 802.11dcf 访问机制改进访问机制改进.- 16 - 4.1 ieee 802.11dcf 访问机制改进方法.- 16 - 4.1.1 edcf- 16 - 4.1.2 dfs - 16 - 4.1.3 blackburst- 16 - 4.2 研究方向- 16 - 4.2.1循环区间的选择和cw 循环变化的规则- 17 - 4.2.2带宽分配权值的实现.- 17 - 4.2.3分组长度的考虑.- 18 - 4.2.4碰撞.- 18 - 4.2.5 dfs算法.- 18 - 第第 5 章章 dfs 接入机制仿真接入机制仿真 .- 20 - 5.1 仿真拓扑与仿真参数- 20 - 5.2 系统的框架- 21 - 5.2.1模块- 21 - 5.2.2mac模块- 22 - 5.2.3、同步调度模块- 22 - 5.3 数据流图- 22 - 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 3 - 5.3.1主程序流图.- 22 - 5.3.2同步调度模块.- 23 - 5.3.3 sta模块.- 24 - 5.3.4 mac模块.- 25 - 第第 6 章章 dfs 性能分析性能分析 .- 28 - 6.1 公平性仿真- 28 - 6.2 p1 和 p2 的选择对算法的公平性的影响.- 29 - 6.3 对网络吞吐量的影响- 30 - 总结总结- 31 - 谢辞谢辞- 32 - 主要参考文献- 33 - 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 4 - 引 言 无线局域网(wlan)是通信中新兴的一种方式，是有线网络的延伸，在 wlan 的 应用中，也期望像有线网一样能够进行带宽分配。wlan 目前的主要应用是作为用户 接入网络，采用 802.11 媒体访问控制(mac)协议，所有接入 wlan 的节点竞争使用同 一个局域网无线链路资源。因此，需要一种队列调度算法来保证所有节点访问无线链 路资源的公平性。 dfs算法在无线局域网现有的802.11 mac层访问机制的基础上，运用循环队列的 思想提出了一种完全分布式的队列调度算法，该算法通过修改802.11的mac层中的 “分布式协调功能”(distributed coordination function：dcf)子协议，实现了在分布式 环境下控制802.11节点的公平访问无线链路资源的目的。 第章 介绍无线局域网基本知识 第章 介绍 ieee802.11 基本知识 第章 介绍本文研究的算法 第章 仿真程序的系统分析 第章 仿真结果分析 最后就是总结、谢辞和参考文献。 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 5 - 第 1 章 绪论 1.1 无线网络的发展及研究现状 近年来，随着无线局域网标准、技术的发展，无线局域网产品逐渐成熟，无线局 域网得到了业界以及公众的热情关注，无线局域网的应用也逐渐发展起来。相对于蓝 牙、3g 等无线技术，无线局域网正成为当前无线领域中一个引人关注的热点，对可携 带、可移动的计算机或工作站的需求不断增长。而 wlan（wireless local area network）以其高灵活性、紧急状况下的健壮性被广泛应用。无线局域网不仅可以实现 许多新的应用，还可以克服线缆限制引起的不便性，解决某些特殊区域无法布线的问 题。目前，无线局域网已经被广大用户作为一般目的的网络连接来使用，很多场所都 配置了 wlan，例如：大学校园、公司等。wlan 现有的标准有很多，例如： ieee802.11、hiperlan、bluetooth 等。但是应用最为广泛的是 ieee802.11。ieee 802.11 的 mac 层访问机制中最常用的是分布式协调功能 dcf（distributed coordination function） 。dcf 包含两种机制：（1）缺省的 csma/ca， （2）一种解决 隐藏终端问题的可选方法。然而这两种机制都分别存在一些问题，影响了无线网络的 性能，造成了一定的信道带宽损失。 1.2 研究内容 802.11 协议中的 mac 层 dcf 功能完全是分布式控制的模式，其控制节点的访问 速率(或者说访问的频率)主要有两个因子： cw 和 backof 时间。backofr 时间是在 (0，cw)这个区间均匀分布的，所以，如果 cw 较大，则节点随机选取得 backof 时间 就可能比较长，就会获得比较低的访问媒介的概率；相反，如果 cw 值较小，则 backof 可能选取得较小，这样就可以获得比较高的访问媒介的概率。distributed fair scheduling 算法就是通过修改 dcf 功能，按照一定规则来动态改变 cw 的值，使得节 点访问媒介的概率能够按照一定预定的权值分散开来，从而获得 wlan 中的公平队列 调度的性能。我的工作就是编写一个程序仿真 distributed fair scheduling 算法的行为。 1.3 研究意义 随着计算机技术和数字通信技术的发展，计算机网络也逐渐向高速、多业务、灵 活可变的方向发展。无线局域网wlan(wireless localarea network)已经成为计算机网 络技术发展的热点，ieee 802.11是无线局域网的国际标准，随着ieee 802.11协议的推 广，不但计算机网络支持移动技术，很多终端设备也将配有无线接口;另一方面，多媒 体技术的应用对网络通信的质量提出了很高的要求，在无线网络的环境下，如何保证 多媒体通信的qos(quauty ofservice)，包括吞吐量、丢包率、时延、时延抖动等等，已 经成为研究802.11协议的新方向。 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 6 - 1.4 论文的研究方法及结构 本文采用仿真程序对 802.11e dfs 协议进行了研究。首先全面掌握并理解 dfs 协议，然后根据自己的理解做出仿真程序。再利用仿真程序对 dfs 协议的性能进行比 较详尽的分析和研究。最终通过仿真数据得到性能分析的结果。本文的主要工作如下： 分析 dfs 协议，并实现了程序的仿真。 本文的第二章详细的介绍无线局域网；第三、四章详细介绍 802.11 及 dfs；第五 章对协议进行分析，并介绍仿真程序的实现机制；第六章对仿真数据进行定量分析， 并通过对数据的分析得到性能分析结果；最后总结全文，并提出将来的工作的方向。 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 7 - 第 2 章 无线局域网介绍 2.1 无线局域网的概念 无线局域网(wireless local network，wlan)，顾名思义，是一种利用无线方式， 提供无线对等(如 pc 对 pc、pc 对集线器或打印机对集线器)和点到点(如 lan 到 lan)连接性的数据通信系统。wlan 代替了常规 lan 中使用的双绞线或同轴线路 或光纤，通过电磁波传送和接收数据。wlan 执行像文件传输、外设共享、web 浏 览、电子邮件和数据库访问等传统网络通信功能。 与有线局域网相比较，无线局域网具有开发运营成本低、时间短，投资回报快， 易扩展，受自然环境、地形及灾害影响小，组网灵活快捷等优点。可实现“任何人在 任何时间，任何地点以任何方式与任何人通信” ，弥补了传统有线局域网的不足。随着 无线网标准的制定和推行，无线局域网的产品将更加丰富，不同产品的兼容性将得到 加强。现在无线网络的传输率已达到和超过了 10mbps，并且还在不断变快。目前无线 局域网除能传输语音信息外，还能顺利地进行图形、图像及数字影像等多种媒体的传 输。另一方面无线局域网虽然以空气为介质，传输的信号可跨越很宽的频段，数据不 容易被窃取，保证了网络传输的安全性。随着无线通信技术的发展和对无线局域网通 信速率要求上的不断提高，无线局域网的标准也在不断发展，总的趋势是数据速率越 来越高、安全性越来越好、服务质量越来越有保证。 2.2 无线局域网的主要标准 为了让 wlan 技术能够被广为接受和使用，必须要建立一种统一的标准，以确 保各厂商生产的设备都能具有兼容性与稳定性。这些标准定义了无线通讯的物理层 （physical/phy layer）以及媒介存取控制层（media access control/mac layer） 。各种 新标准的迅速发展，展现了无线局域网领域旺盛的创造力和无限的发展机遇。wlan 现有的标准有很多，例如：ieee 802.11、hiperlan、bluetooth 等。其中应用最为广 泛的标准是基于 ieee 802.11 协议的系列标准。 1990 年 ieee802 标准化委员会成立 ieee802.1无线局域网(wlan)标准工作组。 ieee802.11 无线局域网标准工作组任务为研究 1mb/s 和 2mb/s 数据速率、工作在 2.4ghz 开放频段的无线设备和网络发展的全球标准，并于 1997 年 6 月公布了该标 准，它是第一代无线局域网标准之一。该标准定义物理层和媒体访问控制(mac)规范， 允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。在 802.11 系列标准中，涉及 物理层的主要有 4 个标准：802.11、802.11b、802.11a、802.11g。根据不同的物理层 标准，无线局域网设备通常被归为不同的类别，如常说的 802.11b 无线局域网设备、 802.11a 无线局域网设备等。 ieee 802.11 802.11 是 ieee 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于实现办公室局域网和 校园网中用户的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到 2mbps。由于 它在速率和传输距离上都不能满足用户日益增长的需求，ieee 又相继推出了 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 8 - 802.11b，802.11a 和 802.11g 三个新标准。 ieee802.11b ieee802.11b 工作于 2.4ghz 频带，使用直序扩频方式和补码键控，物理层支持 5.5 mbps 和 11 mbps 两个新速率。它的传输速率可因环境干扰或传输距离而变化， 在 11 mbps、5.5 mbps、2 mbps、1 mbps 之间切换，而且在 2 mbps、1 mbps 速率时 与 ieee802.11 dsss(直接序列扩频)系统交互操作，但不能与 1mbps 和 2mbps 的 802.11 fhss（跳频扩频）系统交互操作。 ieee802.11a ieee802.11a 工作于 5ghz 的频带，它采用 ofdm(正交频分复用)技术，物理层 速率可达 54mbps，这就基本满足了现行局域网绝大多数应用的速度要求。而且，对数 据加密方面，采用了更为严密的算法。但是，ieee802.11a 芯片价格昂贵、空中接力 不好、点对点连接很不经济。空中接力就是较远距离点对点的传输。需要注意的是， ieee802.11b 和工作在 5ghz 频带上的 ieee802.11a 标准不兼容。 ieee802.11g 2002 年 11 月 15 日，ieee 试验性地批准一种新技术 ieee802.11g，使无线网 络传输速率可达 54mbps。802.11g 是对 802.11b 的一种高速物理层扩展，同 802.11b 一样，802.11g 工作于 2.4ghz ism 频带，但采用了 ofdm 技术，可以实现最高 54mbps 的数据速率，与 802.11a 相当；并且较好地解决了 wlan 与蓝牙的干扰问 题。802.11g 与已经得到广泛使用的 802.11b 是兼容的，这是 802.11g 相比于 802.11a 的优势所在。由于 802.11g 标准尚未完成，而符合 802.11a 标准的产品已经 出现，相信 802.11a 将会得到较快发展，在一定程度上占据先机。 在 mac(媒体接入控制)层，802.11、802.11b、802.11a、802.11g 这四种标准在媒 体访问控制(mac)层均采用的是 载波侦听多路访问避免冲突 csma/ca(ca：collision avoidance，冲突避免)，这有别于传 统 以 太 网 上 的 csma/cd(cd:collision detection ， 冲 突 检 测 ) ，csma/ca 相关内容在 802.11 标准中定义，802.11b、802.11a、802.11g 直接沿用。由于在 rf 传输网络中冲突检测 比较困难，所以该协议用避免冲突检测代替在 802.3 协议使用的冲突检测，使用信道 空闲评估(cca)算法来决定信道是否空闲，通过测试天线口能量和决定接收信号强度 rssi 来完成。csmaca 使用 rts、cts 和 ack 帧减少冲突。 除了 802.11、802.11b、802.11a、802.11g 这四个标准涉及物理层外，为了促进 802.11a 在欧洲的推广发展，与 etsi 的 hiperlan/2 竞争，ieee 又提出了 802.11h 标准，在 802.11a 基础上增加自动频率选择(dfs)和发送功率控制(tpc)功能，以适应 802.11a 在欧洲推广发展的需要，符合欧洲有关管制规定的要求。 802.11 是 mac 层标准的基础，在此基础上，为了满足在安全性、qos 等方面 的进一步要求，ieee 相继提出了 802.11e、802.11f、802.11i 等标准。 802.11e 增强了 802.11 mac 层，为 wlan 应用提供了 qos 支持能力。 802.11e 对 mac 层的增强与 802.11a、802.11b 中对物理层的改进结合起来，就增强 了整个系统的性能，扩大了 802.11 系统的应用范围，使得 wlan 也能够传送语音、 视频等应用。 802.11f 标准定义了一套称之为 iapp(inter-access point protocol)的协议，以实现 不同供应商的接入点 ap 间的互操作性。 谈到 802.11i 标准，就不能不提到 802.1x 标准。802.1x 标准完成于 2001 年， 它是所有 ieee 802 系列 lan(包括无线 lan)的整体安全体系架构，包括认证(eap 和 radius)和密钥管理功能。802.11i 是对 802.11 mac 层在安全性方面的增强，它与 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 9 - 802.1x 一起，为 wlan 提供认证和安全机制。 除了上面已说明的标准之外，802.11 系列标准中，还有一个 802.11d 标准， 802.11d 标准定义了一些物理层方面的要求(诸如信道化、跳频模式等)以适应 802.11 设备在一些国家应用时这些国家无线电管制上的特殊要求。 蓝牙技术 蓝牙（ieee802.15）是一项最新标准，对于 802.11 来说，它的出现不是为了竞争而 是相互补充。蓝牙比 802.11 更具移动性，比如，802.11 限制在办公室和校园内，蓝牙 能把一个设备连接到局域网（lan）和广域网（wan）,甚至支持全球漫游。此外，蓝 牙成本低，体积小，可用于更多的设备。但是，蓝牙主要是点对点的短距离无线发送 技术，本质上要么是 rf，要么是红外线。而且，蓝牙被设置成低功耗、短距离，低带 宽的应用，严格来讲，不算是真正的局域网技术。 homerf 家庭网络设计，旨在降低语音数据成本。homerf 也采用了扩频技术，工作在 2.4ghz 频带，能同步支持 4 条高质量语音信道。但目前 homerf 的传输速率只有 12mbps,fcc(fedral communications commission)建议增加到 10mbps。 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 10 - 第 3 章 ieee802.11 标准 ieee802.11b作为一种高速无线局域网协议，其最高速率可达11mbps，其mac层媒 体访问有两种控制方式:第一种方案是分布式协调功能（dcf，distributed coordination function），类似于传统的分组网，支持异步数据传输等异步业务，所有要传输数据的 用户拥有平等接入网络的机会；第二种方案是点协调功能（pcf，point coordinationfunction），基于由接入点控制的轮询（poll）方式，主要用于传输实时业 务。mac 子层由dcf和pcf两部分组成。其中分布协调功能 dcf是数据传输的基本 方式，直接位于物理层之上, 作用于媒体竞争期（cp），所有站点均支持 dcf, 其核 心是 csma/ca 技术。点协调功能pcf 建立在 dcf 基础上，工作于非竞争期。两者 总是交替出现，先由dcf 竞争媒体使用权，然后进入非竞争期（cfp），由 pcf 控 制数据传输。该机制的基本内容为：当sta监听信道时，如果发现信道空闲间隔大于 规定的帧间间隙(ifs)，则立即开始发送帧；否则推迟其帧的发送，直至监测到需要的 空闲帧间隔。 3.1 ieee802.11mac 相关技术 3.1.1 载波检测机制 802.11b的载波检测包括物理的载波检测和虚拟的载波检测，当二者任一报告信道忙， 则信道被认为忙，否则被认为空闲。 物理的载波检测机制由物理层提供，通过检测信道是否有信号来实现。虚拟检测 机制由mac层提供，该机制参考每个sta的nav(网络分配矢量)实现。nav包含了对 媒体上将要发生的通信进行预测的信息。802.11b的帧里都有一个时间长度域，该域定 义了信道将要被占用的时间，nav的值就是通过适当算法从这些帧里获取的。 3.1.2 帧间间隙(ifs) 帧与帧之间的时间间隙被称作帧间间隙(ifs)。所有使用物理载波检测的 sta 只 有检测到信道空闲的时间大于 ifs 后，才认为信道是空闲的。mac 层定义了 4 种不同 的邢以提供对无线媒体访问的不同优先级，它们分别是：sifs，pifs，difs，eifs， 其具体关系为 sifspifsdifseifs。 sifs 用于很紧急的情况下使用，比如应答帧。pifs 用于在 pcf 中的新的帧发送前 使用。difs 用于在 dcf 间新的帧发送前使用。eifs 用于当 sta 接收到了一个错误的 pcs(帧检测序列)的帧之后，要发送新的帧之前使用。 3.1.3 退避程序 在媒体由忙变为闲的瞬间是冲突的高发生点，这是因为多个sta可能已经在等待 媒体变为可用。在发送帧之前，如果有多个sta在监听信道并且在同一时刻开始计数 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 11 - difs或者eifs，若此时若没有退避机制，则当difs或eifs结束后，多个sta将同时使 用信道，结果是多个sta将发生冲突。所以，在difs或者eifs后加入一随机延后时间， 使冲突得以尽量避免。 如图 3-1 所示，为当 sta 有帧要发送时，则调用载波检测机制来决定信道的忙闲 状态，如果信道忙，sta 将推迟其帧的发送直至信道空闲时间为 difs 或者 eifs。在 difs 或者 eifs 后，sta 将在帧发送前产生一个随机延后时间来推迟发送时间，如果 sta 的延后时间为非零值，即该 sta 不是第一次参与退避，则该 sta 不允许重新选 择随机时间。 该程序的一重要结果是当多个 sta 都推迟传送并且进入随机退避，那么选用最小 退避时间的 sta 或者多次参与退避的 sta 将赢得竞争。 3.1.4 rts/cts 握手协议 rts/cts 协议即请求发送/允许发送协议，相当于一种握手协议，主要用来解决 “隐藏终端”问题。在 802.11 参数配置中，若使用 rts/cts 协议，同时设置传送上 限字节数 一旦待传送的数据大于此上限值时，即启动 rts/cts 握手协议：首先， a 向 b 发送 rts 信号，表明 a 要向 b 发送若干数据，b 收到 rts 后，向所有 基站发出 cts 信号，表明已准备就绪，a 可以发送，其余基站暂时“按兵不动” ，然 后，a 向 b 发送数据，最后，b 接收完数据后，即向所有基站广播 ack 确认帧， 这样，所有基站又重新可以平等侦听、竞争信道了。 图 3-2 显示了在源节点和目的节点之间进行 rts/cts 控制帧交换的过程。如果 源节点要发送一个单播数据包 data，那么它在侦听到信道空闲并等待了 difs（再 加上随机后退时间）后，源节点首先发送一个 rts 控制帧。rts 控制帧和其它数据 帧的优先级是相同的。rts 帧的头部 duration 字段中包含有完成数据传输过程所需 的持续时间。这个持续时间指的是传输整个数据帧和其应答包所需要的所有时间。收 到这个 rts 的每个非目的节点都要根据 duration 字段来设置各自的 nav（network allocation vector） ，这个 nav 指定了每个接收到此 rts 帧的非目的节点可以试图访 问无线介质的最早开始时间，也就是说在 nav 这段时间内，这些非目的节点不会试 图去占用信道，而是保持沉默，直到源节点与目的节点之完成数据的传输过程。 如果目的节点收到 rts 帧，在等待 sifs 间隔后，它用一个 cts（clear to send）控制帧进行应答。cts 帧的头部也包含 duration 字段，所有接到这个 cts 的 节点必须再次调整它们的 nav。源节点接收到 cts 后，经过一个 sifs 间隔把 图 3.1 ieee802.11 退避机制 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 12 - data 送出去。目的节点在接收到 data 帧之后再等待一个 sifs 间隔，返回一个 ack 帧。这样传输过程就完成了，这时每个节点 nav 表明介质空闲，就可以开始下 一个传输周期了。这个过程也被成为“虚拟载波侦听” 。 在这个过程中，接收到 cts 的节点和接收到 rts 的节点可能不是同一组节点。 这样在发送方和接收方的接收范围内的所有节点都被通知，它们在访问介质之前必须 等待足够长的时间以等待数据帧传输过程的完成。也就是说，这个机制通过为数据发 送节点预留信道来避免碰撞的发生，从而提高传输性能。 在 dcf 功能中，各个移动节点必须在物理/虚拟两种载波监听结果都为零时才 能获得对无线介质的访问权，这就可以在很大程度上减少碰撞的机会，提高传输效率， 同时这种短帧交换的方法可以在很大程度上避免由于隐藏节点的存在造成的数据碰撞， 尤其是在数据帧较长的时候，这种效果更为明显。rts/cts 短帧交换方式是避免碰撞， 提高网络系统性能的有效措施，尽管短帧交换会带来一定的时间开销。 暴露终端问题 rts/cts 也可以部分的解决暴露站点问题。在图 3-3 中，如果在 b 和 a 的 rts/cts 交互中，c 只能听到 b 的 rts 帧而未听到 a 的 cts 帧，c 可以分析原 因：a 可能在 c 的覆盖范围之外；或者由于 rts 帧碰撞而使 a 未发送 cts 帧； 或者 c 在接收 cts 的过程中又受到其它站点的干扰。在前两种情况中，c 的发送动 作都不会影响 a 的接收。对于第三种情况，c 应该采取保守的但是安全的做法，不 进行发送。 当然，如果在 b 和 a 的 rts/cts 交互过程中，c 因为正在接收别的站点的数 据而未能监听到 rts/cts 帧，则 c 可能仍然存在隐藏或暴露问题。 在使用 rts 和 cts 来避免隐藏终端和暴露终端问题的情况下，冲突只可能发生 在开始发送 rts 的时候。两个或更多的站点可以在同一时刻开始发送 rts 或是其它 数据分组。 使用 rts/cts 会导致不可忽略的额外开销，从而导致带宽的浪费和较高的延迟。 因此，rts 阈值（threshold）可以决定什么时候使用另外的机制（基本上是在较大的 图 3-2 rts/cts 握手协议 图 3-3 暴露终端问题 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 13 - 帧长度） ，和什么时候不用这种机制（帧长较短） 。因为，如果数据帧的长度较小，比 如小于 100 字节，使用 rts/cts 反而可能降低网络的吞吐率、增加通信延迟，因此 在 ieee802.11 中 rts/cts 使用与否是可选择的。由于无线环境的复杂性，rts/cts 机制仍然不能完全保证数据帧的正确接收。这里有无线信道本身的误码的原因，也有 其它站点的干扰原因。那么，在帧长度相同的情况下，无线链路出现错帧的可能性比 有线链路要高的多。在位出错率相同的情况下，帧长度较短的话，帧的出错率会降低。 因此，ieee802.11 提供了帧分段（fragmentation）模式，如图 3-4 所示。但是，用户 数据的分段机制对用户应该是透明的 如图 3-4 所示，发送方首先发送一个 rts 控制分组。这个 rts 分组的 duration field 包括第一个分段和其应答包传输所需要的所有时间。其它站点收到 rts，设置 nav；数据的接收方发送 cts，其它站点再次调整 nav，这些都与前面所讲的相同。 分段模式的新的特点就是它在 frag1 中包括了另外一个持续时间值。这个 duration field 包括第二个分段和其应答包的传输时间。 然后，frag1 的接收方在 sifs 间隔后，直接用 ack1 应答。这个 ack1 预留了 下一次传输所用的时间。如果 frag2 不是要传输的最后一个分段，它应该为第三个连 续的传输预留信道。如果是最后一个分段，接收方应答第二个分段，但是不再预留信 道。在 ack2 后，所有的站点在等待 difs 间隔之后，都可以再次竞争对介质的访问 权。 3.2 ieee802.11mac 访问媒体的机制 3.2.1 分布式协调功能 dcf（distributed coordination function） dcf 是无线网络对共享媒体的一种访问控制功能，其核心是 csma/ca，包括载 波检测（cs）机制、帧间间隔（ifs）和随机退避(random back-off)规程。我们知道总 线型局域网在 mac 层的标准协议是 csma/cd，即载波侦听多点接入/冲突检测 （carrier sense multiple access with collisiondetection） 。但由于无线站点传输时听不到 信道碰撞，无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突，因此 802.11 全新定义了一 种新的协议，即载波侦听多点接入/避免冲撞 csma/ca（with collision avoidance） 。 一方面，载波侦听-查看介质是否空闲；另一方面，避免冲撞-通过随机的时间等待， 使信号冲突发生的概率减到最小，当介质被侦听到空闲时，优先发送。csma/ca 的 基本机制如图 3-5 所示。对 802.11 而言， 网络中所有的终端要发送数据时，都要按 图 3-4ieee802.11 的用户数据的分段模式 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 14 - 照 csma/ca 的媒体访问方法接入共享媒体，也就是说需要发送数据的终端首先要监 听媒体，以便知道是否有其它终端正在发送。如果媒体不忙，则可以进行发送处理， 但不是马上发送数据帧，而是由 csma/ca 分布算法，强制性地控制各种数据帧相应 的时间间隔（ifs） ，只有在该类型帧所规定的 ifs 内媒体一直是空闲的方可发送。如 检测到媒体正在传送数据，则该终端将推迟竞争媒体，一直延迟到现行的传输结束为 止。在延迟之后,该终端要经过一个随机退避时间重新竞争对媒体的使用权。其中退避 时间的设置：退避时间按下面的方法选择后，作为递减退避计数器的初始值。 退避时间=intcwrandom( )slot time cw 是竞争窗口宽度，是介于 cwwin 与 cwmax 之间的整数 random()是随机函数，它产生的随机数在0,1中均匀分布 slottime 是由系统决定 的基本延时单位。通常介质在忙的时候，退避延时计数器将停止计时，并将当前值锁 定作为下一个退避的延时时间。在监听到介质为空时，计数器才开始启动做递减计时， 当退避延时计数器为 0 时，通信节点将发送数据帧。若有碰撞发生则将 cw 的值加 倍，并重新计算出一个新的随机退避时间进行退避延时，若发生连续碰撞，cw 的值 将以 2m 倍增加(m 是发生连续碰撞的次数)，直到达到最大值 cwmax。这样做的好 处是当多个通信节点启动延迟并进入随机退避状态后，退避时间最小的节点将在竞争 中获胜从而获得对介质的访问权；在竞争中失败的节点则会保持在退避状态直到下一 个 difs 结束，这样就有可能比第一次进入退避的新站点具有更短的退避时间。 为了增强基本 csma/ca 对异步业务传输的可靠性，ieee802.11mac 在基本的 csma/ca 基础上使用 mac 层确认机制，也就是 csma/caack。图 3-6 所示是 一个结点访问介质并发送数据。这种情况下，接收方直接用一个应答包 （ack，acknowledgement）回答。接收方在等待 sifs 间隔后访问介质，那么，没有 其它结点可以在同一时刻访问介质并导致冲突。其它结点必须等待 difs 间隔和它们 的后退时间。应答包保证了 mac 层上帧的正确接收（在接收方进行 crc 校验） ，这 对于较容易出错的网络环境（例如无线链路）尤其重要。如果在一定的时间内，没有 返回 ack，发送方使用上述指数退避算法重传该帧。重传帧也必须和其它帧一样参加 竞争。当然，重传的次数是有限制的；当最后仍不成功的话，会报告给上层。 图 3-5csma/ca 介质访问方法 图 3-6ieee802.11 的 csma/caack 机制 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 15 - 3.2.2 点协调功能 pcf（point coordination function） pcf 是可选功能，面向连接，提供无竞争帧传送。pcf 支持实时性强的业务，提 供一定的 qos 保证。pcf 依靠点协调器（pc）来执行轮询，使被轮询的站点不必竞 争信道就可传送数据。点协调器功能由基本业务群内的接入点完成。基本业务群内能 在非竞争期间工作的站点称为 cf-aware 站点。维持轮询表和决定轮询顺序的方法可 以进行设置。pcf 需与 dcf 共存，逻辑上位于 dcf 之上。非竞争期重复间隔 （cfp 周期）用于决定 pcf 产生的频率。重复间隔内的一部分时间分配给无竞争业 务流，剩下的提供给基于竞争的业务流。非竞争期重复间隔由标志帧(b)初始化。标志 帧由接入点传送，主要功能之一是同步和定时。非竞争期重复间隔长度是一可调参数， 可随输入负荷而变化。如果负载轻，接入点会缩短非竞争期，提供更多的时间给 dcf。 在非竞争期，如果某站由接入点轮询发送，该站可直接发送至同一基本业务群内的 另一站或另一基本业务群内的某站。当传送被引导至另一基本业务群内的某站时，源 站将帧传至接入点，由接入点负责通过 ds 将帧转送至为目的站服务的远端接入点。 一般在每一非竞争期重复间隔的开始，基本业务群内的所有站更新其网络分配向量 至非竞争期的最大值。在非竞争期，站点被允许发送的唯一机会是回答点协调器的轮 询或在接收到一 mac 协议数据单元之后的 sifs 时间回送 ack。一般在非竞争期 开始时，点协调器侦听媒体。如果媒体在 pifs 时间内保持空闲，点协调器即发送一 标志帧来初始化非竞争期。 在标志帧发送之后的 sifs 时间点协调器开始无竞争（cf）传送，发送 cf- poll（no data） ， data 或 datacf-poll 帧。点协调器可发送 cf-end 帧来立即终上 非竞争期，这在网络负载轻或点协调器元业务在缓存器中待发送时很普遍 。 如果某 cf-aware 站从点协 调器接收到 cf-poll（data）帧，该站可在 sifs 空闲期之后通过发 送 cf-ack（nodata）或 data cf-ack 帧对点协调器予以响应。如果点协调器接 收到某站的 data cf-ack 帧，点协调器可发送 daiacf，ackcf-poll 帧至另 一站，其中该帧的 cf-ack 部分用于对前一数据帧确认。在点协调器和站点之间将轮 询和确认 帧结合起来传送是为了提高效率。如果点协调器发送 cf-poll（no data）帧 而目的站无数据帧要发送，则目的站向点协调器回送无任务（null function）帧。站点 到点协调器的帧传送与此类似。如果点协调器未接收到已发送的数据帧的 ack 信号， 则等待一 pifs 时间，然后继续对轮询表中的下一站发送 某站收到来自点协调器的轮询信号时，可发送一帧至基本业务群内的其它站。当目 的站接收到该帧时，将 dcf ack 回送到源站。点协调器在 ack 帧之后等待 pifs 时间，然后发送任何其它帧。点协调器也可发送一帧至某非 cf-aware 站。一旦帧成 功接收，站点将等待 sifs 时间，对点协调器应答 ack 帧。 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 16 - 第 4 章 ieee 802.11dcf 访问机制改进 音频和视频的实时业务流在网络传输的数据流中的比例越来越重，实时业务流要 求网络传输媒体能够保证多媒体业务 qos。而 802.11 分布式协调功能(dcf)仅支持非 实时数据业务。因此必须对 802.11 的 dcf 进行改进。目前有三种改进方案。 4.1 ieee 802.11dcf 访问机制改进方法 4.1.1 edcf 802.11 e 工作组正在制订一个 802.11 标准的补充协议802.11e，802.11e 的目 标是加强 802.11 媒体访问，提供区分服务。整个协议目前还是一个草案。但是一个新 媒体访问机制 edcf(enhanced dcf)以经被制订出来。 为了增强区分服务能力，edcf 提供了种媒体接入类型，不同的类型有不同的 竞争窗口和帧间隙。较高的优先级的站点有较小的竞争窗口和帧间隙，这样一来就可 以优先接入媒体。它的出现弥补了 dcf 不区分接入类型的缺点，为实时业务提供了较 高的优先来保证它传输。但 edcf 牺牲了低优先级站点的传输。 4.1.2 dfs（distributed fair scheduling） 针对edcf的缺点，又提出了dfs（distributed fair scheduling） ，dfs的主要目标 就是通过修改竞争窗口大小变化的方式来保证各种类型的站点都能公平访问媒体介质。 对dfs的研究也是本文的研究重点，下面将对它进行详细的介绍。 4.1.3 blackburst 为了改善实时业务流在无线局域网的传输，贝尔实验室的sobrinho and krishnakumar 教授提出了一人新方案lackburst, lackburst主要是减少实时业 务流的传输时延。当一个站点要发送时，先侦听媒体空闲一个pifs，然后发送；如果 侦听到信道忙，则也等一个pifs，进入lackburst竞争时期，主机用一个一定时长的 能量脉冲bs（black slots）阻塞信道，bs 数值与主机等待信道空闲的时间长成正比。 lackburst理论上可以保证每一次竞争结果只有唯一胜者，最终达到近似时分方式轮 询式的信道占用。 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 17 - 4.2 研究方向 通过对cw 大小的控制可以直接影响节点对媒体访问的概率，控制其获取的带宽。 本文提出的dfs算法是通过循环的方式修改节点的cw 而实现带宽的公平访问的。基 本思路是：让节点的竞争窗口在一个动态范围变化(设cwcwmin ，cwmax )，每 当节点成功发送了一定长的数据之后，就按一定规则使cw增大，由于大的cw 会使得 随机选取的backof时间可能增大，这样该节点下一次竞争媒介的时候就会减少了成功的 概率，从而一定程度上阻止了该节点不公平的使用带宽。当cw 增大至某一门限值 cw2后，就让cw 等于cw1(cw10)，节点i的竞争窗口cwi变化区间根据式(1)计算(式中符号“” 表示下取整运 让cwicwmin,cwmax,因子pl+p2反应了算法中循环队列的强度：如果很大，则 区间长度很大，使得cwi在一个比较大的循环范围里变化，这样就可以获得比较细小 的带宽公平化保证，但是另一方面，如果变化区间太大，就会使得单个节点的循环一 次的周期加大，则可能会使得网络总体带宽利用率下降(本文的仿真对这个影响做了讨 论和分析)。节点的cw 的值将在区间cwmin,cwmax上循环取值。设cwi，k表示节 点i在发送了第k帧数据之后cw 的大小，最简单的cw 变化函数如下： 式(2)中的 是变化步长，它决定cw 的循环周期。 选取的一个简单的计算方法就 是选定一个循环周期，然后再计算步长。例如，设定cw 的循环周期是t 次，那么可 以令 =int(cwi,maxcwi,min )t) 4.2.2 带宽分配权值的实现 为了实现对不同服务质量(qos)的控制，算法给不同节点赋予不同的访问权值，利 用权值来控制节点访问媒介时的带宽分配的比重。对式(1)进一步修改，获得了式(3)： 重庆交通学院二 00 五届毕业设计（论文）论文 - 18 - 式(3)中的参变量ui是权值的体现。直观地看，如果两个节点的 取值分别为1和2，那么 这两个节点cw 的取值区间将彼此错开， 取值为1的节点对应的cw 变化区间整体要 小于取值为2的节点的cw 变化区间，前者可获得更高的链路访问概率，从而获得更多 的带宽。区间移动的力度由参数 决定，式(3)中设定 为变化区间长度的一半，这样考 虑可以使得相邻的权值产生的变化区间可以比较好地错开 参数 的选取方法可以进一 步研究，以获得更好的区间划分策略，为了使本论文论述的主题明确而集中，本文中 将采用式(3)的计算方法，对参数 的进一步深入分析将作为后续工作继续研究。 4.2.3 分组长度的考虑 注意到式(2)中的循环算法考虑的只是发送一帧数据后对cw 进行变化，但是没有 考虑所发送的帧的长度带来的影响。如果一个节点发送了大分组，那么一次发送它所 占用的网络带宽显然要大于其发送小分组的情况基于这一点，我们进一步对节点cw 取值区间进行考虑，对节点i的cw 取值区间进行动态调整，使用cwi，min ，k和 cwi，max ， 来标记发送了第惫帧数据时候cw 的动态变化区间的下限和上限，式(4)体 现了这一调整：对于k=0，即系统初始化时，直接由式(3)计算，对于k0，则 在式(4)中li,kl是节点i发送的第k一1帧数据的长度，f 。是网络中数据帧平均长度， scale因子反应的是分组长度的影响力度。如果本次发送了大于平均帧长的数据帧，那 么下次发送时，根据式(4)计算出cw 的变化区间的上限和下限都将增大，从而使得在 此区间上选取的cw 也变大，于是降低了发送的概率；如果分组长度很短，那么由式(4)计 算得到的相应的cw上下限将变小，从而提高了下次发送的概率。f 。应根据对无线局 域网的统计而选取，例如节点可以侦听一段时间内网上传送的数据帧的长度从而动态 计算这个值，也可以事先由其他专门的工具对网络业务进行统计和分析并得出这个值， scale因子可以设置为