（管理科学与工程专业论文）ieee80211e中基于接纳控制的动态qos保障方案研究.pdf

山东师范人学颂l j 学位论义 摘要 以i e e e8 0 2 1 l 为主要协议的无线网络由于其易于布置，高效灵活，价格低廉 等特点在全球范围内的到了广泛的应用。但传统的8 0 2 1 1 协议无法满足当前急 速增长的多媒体业务流的q o s ( 服务质量) 需求。如v 0 p ( 无线p 电话) ，d e o c o n f e r e n c e ( 视频会议) 等实时业务流都对时延、抖动、丢包率、吞吐量等服务 质量指标有很高的要求。砸e e8 0 2 n 协议组历经多次修订，终于在2 0 0 5 年1 1 月发布了i e e e8 0 2 1 l e 协议。 i e e e8 0 2 1 1 e 标准的提出为能够在无线网络中同时传输不同服务质量要求 的业务流提供了可能。在该协议中提出了h c f ，集合了d c f 和p c f 的功能，并 能够支持q d s 。h c f 包括e d c a 和h c c a 机制：e d c a 是d c f 的增强版，提供 了不同优先级的q o s ；h c c a 类似于p c f ，经过协商后能够提供了参数化的q o s 。 h c c a 能够基于每个站点的特定业务需求提供无竞争的保证服务，然而它是集中 式的，计算复杂，每次有新的业务流接入必须重新计算调节，而且市场需求不大。 相较而言，分布式的e d c a 更为市场青睐，它改进了d c f ，提供了不同优先级 a c ，实现了区分服务。但它却不能完全的保证服务质量。 由于无线网络的易错性和网络中业务流的时变性等特点，要提供确保的多业 务流服务并非易事。此外，最大化网络资源的利用率也是我们追求的重要目标。 本文的研究工作主要集中在瑾e e 8 0 2 1 1 e 的e d c a 机制基础之上，总结瑶e e 8 0 2 1 l e 协议的当前研究成果，致力于提出了一套在多变的无线网络环境下，采 用8 0 2 1 l em a c 协议来实现不同业务流的q o s 要求的方案，另一方面又使的网 络中的带宽利用率近似最优。本文中所有的工作都是在正e e8 0 2 1 1 的d c f 机制 和正e e8 0 2 1 1 e 的e d c a 机制下完成的。 本文主要完成的工作及创新点包括： ( 1 )对传统的8 0 2 1 1m a c 协议的机制进行了介绍。然后又对最新提出的 8 0 2 “em a c 的两种介质访问机制进行了说明。 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 关键词： 分类号： 采用目前最常用的网络模拟工具n s 2 ，通过对匝e e8 0 2 1 l 和m e e 8 0 2 1 1 e 两种协议模拟试验结果的比较，分析的i e e e 8 0 2 1 1 e 的服务区 分能力。同时又通过一个动态的无线网络场景的模拟试验验证了e e 8 0 2 1 1 e 的e d c a 机制在保障q o s 方面存在的若干问题。 分析了目前该研究方向上的主要文献资料并进行了概括总结。然后提出 了一种新的基于改变最小竞争窗口的方案。最后，同时在n s 2 中实现 了文献中提出的劁巳d c f 算法和本文中提出的a c 啪c 算法。通过 n s 2 模拟比较了标准中的方案以及a e d c f 算法和a c 啪c 算法。通 过比较证明提出的方案的可行性和高效性。 分析了目前基于m e e8 0 2 1 l e e d c a 机制的主要接纳控制算法，并在此 基础上提出了一种新的简捷的接纳控制算法，并给出了一种基于接纳控 制的q o s 保障方案的实现模型。 压e e8 0 2 1 1 、m e e 8 0 2 1 1 e 、n s 2 网络仿真、接纳控制、服务质量 t p 3 9 3 a b s t r a c t w i r e l e s sl 觚a d a p t i n gi e e e8 0 2 1 1p r o t o c o l i se x t e n s i v e l ya p p l i e dw o r l d w i d e l v o w j n gt o i t ss i m p l ed e p l o y m e n t ，e 衢c i e n c y ，a g i l i t y ，a n dl o wp r i c e b u t l e g a c yi e e e 8 0 2 1 1p r o t o c 0 1c a j l ts a t i s f yq o sr e q u i r e m e n to fc u r r c n te v e r - 铲o w i n gm u l t i m e d i a t m 岱cs u c ha sv o i p 、v i d e oc o n f 毫r e n c ew h i c hn e e ds e v e r ed e l a y 、i i t t e r 、d r o pr a t ea n d n l r o u 曲t p u tg u a r a i l t e e a r e rs e v e r a l 锄e n d m e n t ，i e e e8 0 2 1 lw o r k j n gg r o u pf i n a l l y r e l e a s e dan e wp r o t o c o l 一正e e8 0 2 1 1ei no c t o b e r2 0 0 5 t h er e l e a s eo fm e e8 0 2 ，l les t 姐d a r dm a k e “p o s s i b l et op r o v i d ed i f f e r e n tq o s r e q u e s to ft r a m cf l o ww i m i nw i r e l e s sl a l la tt h es 锄et i m e t h em a i no o sf k i l i t vo f i e e e8 0 2 1 1ei sh y b r i dc r d i n a t i o nf u l l c t i o n ( h c f ) m e c h a n i s m - i kh c fu s e s b o t hac o n t e l l t i o n b a s e dc h a n n e la c c e s sm e t l l o d ，c a l l e dm ee i 血a n c e dd i s t r i b u t e d c h a n n e la c c e s s ( e d c a ) m e c h a n i s mf o rp r i o r i t i z e dq o ss e v r i c e s ， a l l dac o n t r d i l e d c h a n n e la c c e s sm e t h o d ，r e f e 玎e dt o 弱t h eh c fc h 猢e 1a c c e s s ( h c c a ) m e c h a n i s m f o rp a r a n l e t e r i z e dq o ss e r v i c e s h c c ai sac e n 拄a lc o n t r o l l e dm e t l l o d ，w h i c hi sh a r d t oi m p l 锄e n ta n dd o e sn o ta d e q u a t ef o rm a r k e tr e q u e s t o nt 1 1 e c o n t r a r v c o n t e n t i o n - b a s e de d c ai sm o r ep o p u l a l i ti 】【i l p r o v e sd c fm e c h a m s m ，s u p p l y d i 髓醯e n tp r i o r i t i z e da c ，a n di m p l e m e n ts e v i c ed i 强；r e n t i a t i o n b u ti tc a nn o tp r o v i d e q o s 星m a r a n t e e sb a s e do nt r a m cs 仃e a m s h o w e r v e r ，o w i i l gt ot h ec h a r a c t 舐s 矗co fw i r l e s sl a na i l d 仃a 蕊cs t r e 锄s ，i ti s u n e a s yt 0c o m p l e t e l yg u a r a n t e em eq o s ha d d i t i o n ，t h em a x 狮z a t i o no fn e 咐o r k r e s o u r c eu t i i i wr a t ei sa i s om et a r g e tm a tw ep u r s u e t h em a i nt a s ko fm em e s i si s c o n c e n t 【a t e d0 nm ee d c am e c h a i l i s mo f 正e e 8 0 2 1 le h lm yp a p e r is u m m a r i z et h e p r i m a r yt a s ko ft h ed i r e c t i o na i l dp r o v i d ean e wq o sm e c h a m s mb a u s e do n8 0 2 1 1e p r o t o c o li nt h ec h a l l g e 如lw l a ne n v i r 0 舯e n tw h i c hc a i lo p t i m i z en e t w o r ku t i l i r yr a t e a sf 打a s “c a n a nm et a s ko fm ep a p e ri sc o n l p l e t e db a s e do nd c fm e c h a l l i s mo f 8 0 2 1la 1 1 de d c am e c h a n i s mo f8 0 2 1 1 e t h em a i nw o f ki i lm vt l l e s i si i l c l u d ea sf 1 0 l l o w s ： ( 1 ) t h em e s i sf i r s t l ya n a l y z ea n di i l u s t r a t em eb a s i cp r i n c i p l ea l l dm e c h a 血s mo f t h el e g a c yi e e e8 0 2 1 la 工l du p d a t e di e e e8 0 2 1 l e ( 2 ) i tu t i l i z en s 2t os i m u l a t e8 0 2 1 1a 1 1 d8 0 2 1 1 es c e n a r i o b vm es i m u l a t i o n r e s u l tc o m p 碰s o nb e 柳e e n8 0 2 1 1a i l d8 0 2 1 1e ，m em e s i sa 1 1 a 1 疆e 廿l e8 0 2 1 1e e m c i e n c yi 1 1m ec a p a b i l i t yo fq o sd i f r e r e m i a t i o n m e a r l w h i l e ， b yt h es i m u l a t i o ne x p e 幽e r l tb a s e do nd y l l 冽cn e 啪r ks c e n a r i o ，i ta 王s op o i n to u t h e d e f i c i e n c yo f8 0 2 1 l ed r o t o c 0 1 ( 3 ) i tl i s t s c u 】盯e m m a t e r i a l s i nt h ed i r e c t i o na n ds u m m a d z et h e i r c h a r a c t 砸s t i c t h e ni t p r o v i d ean e wa l g o r i t l l i i l b a s e do na d a p t i v ec o n t e n t i o n w i n d o 、m a n dw ei m p l e m e mm ea l g o r i t h ma 工l da e d c f “g o r i t h mi nn s 2 b y c o m p 撕n gm ee x p e 血l e n tf e s u l to ft 1 1 ep r o p o s e da l g o r i t h m 、a e d c fa l g 嘶衄na 1 1 d s t a l l ( 1 a 】dw i mm es 锄en e t w o r ks c e n a r i o ，w ec a ns h o wo u rs c h e m ef e a s i b i l i t 、，a n d e m c i e n c y ( 4 ) nc l a s s i 丘e st h eu pt 0d a t ea d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h i r 塔t h e nw eg i v ea s i i n p l ea d 硼i s s i o nc o n t r o ia i g o r i t h mb 2 l s e do na b o v em ea l g o r i t h m l a s t l v j w ep r e s e n ta a d m i s s i o nc o l l ：的lm o d e li 1 1 正e e8 0 2 1 1 1 1 山东师范大学颂l ：学位论义 k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 1 l 、髓8 0 2 1 1 e 、n s 2n e t w o r ks i m u l a t i o n 、a d i i l i s s i o nc o n t r o l 、 q o s c l a s s i 6 c a t i o n ：t p 3 9 3 i i i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如 没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：差永 一字：刁砌介 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密 后适用本授权书) 学位论文作者签名：差嘉。 导师签字： 御叩迫 i 签字日期：2 0 0 矽年3 月22 日 签字日期：2 0 0 它年0 月2 2 日 山东师范人学颀l ：学位论文 1 1 研究的背景和意义 第一章引言 近年来，匝e e 8 0 2 1 l 【1 】w l 州在网络在市场取得了巨大的成功，并成为了 目前世界上使用率最广泛的无线接入技术，家庭、办公室、医院、候车大厅、大 学校园都布置了这种w l a n 。可以说，i e e e 8 0 2 1 1 的发展会在今后的网络中占 有重要的地位，并进一步影响我们的r 常生活。 另一方面，人们对多媒体业务流的需求也来越强烈。人们希望不但w l a n 能够提供传统的网络服务，也能够传输音频、宽带视频等多媒体业务。同一般的 b e s te 虢r t 数据流业务不同，多媒体应用需要确定的q o s 支持，如一定的带宽和 延迟、抖动限制。 在8 0 2 1 l 协议中有两种m a c 访问机制，即必选的d c f ( 分布式协调功能) 和可选的p c f ( 点协调功能) 。前者采用竞争的c s m c a ( 载波监听多路访问冲 突避免) 的分布式访问控制机制，而后者采用免竞争的中心控制机制，通过a p ( 中 心控制结点) 对需要传输流的站轮询来获取访问权限。详细内容见第二章。目前 的m e e8 0 2 1 1 协议的m a c 层和物理层仅能提供b e s te 强玳流的服务，无法满 足多媒体应用q o s 的需求。所以如何在8 0 2 1 l w l a n 上提供q o s 的支持，成为 当前研究的重要方向之一。 为提供q o s 的保证，8 0 2 1 1 工作组在2 0 0 1 年提出了一个新的工作组 8 0 2 1 1 e 。经过数次的修订以后，最终一个新的标准i e e e 8 0 2 1 1 e 【2 j 在2 0 0 5 年1 1 月得到通过。该标准引入了所谓的混合协调功能( h v b r i dc 0 0 r d i n a t i o nf u l l c t i o n h c f ) 。h c f 引入了两种介质访问机制：基于竞争的通道访问机制涉及加强的 分布式协调功能( e d c a ) ，它对应用8 0 2 1 l 的d c f 。该协议通过在其m a c 层 中提供服务区分，来保证不同服务质量需求的业务流的q o s 。而受控的通道访问 机制即指h c f 受控的通道访问( h c c a ) ，它对应用p c f 。 在疋e e8 0 2 1 1 e 标准中定义了基于竞争的加强的分布式协调工能( e d c a ) 和加强的分布式协调功能( h c c a ) 。e d c a 将进入m a c 层的业务流根据不同的 q o s 需求，分别将其放入四个不同服务等级的队列中。不同的队列根据预先设定 的c 舳( 竞争访问参数) 来区分优先权，从而获得通道并传输数据流的机会也 不同。但是，当网络中的负载增加时，预先设定的优先级别就可能由于网络冲突 率的提升而失去意义。而网络的利用率也因为冲突的增加而显著降低。h c c a 采 用中心点a p 根据网络负载状况分配给各业务流相应的传输时间，即t x o p ( 传 输优先权) 。正e e8 0 2 1 1 e 协议中给出了一种简单的范例。但该范例中通过使用 平均数据率、平均m s d u 尺寸和最小物理层速率来分配t x o p ，显然这对多变 的网络场景是无效的，尤其v b r 数据流的出现更使得分配的t x 0 p 不能满足传 输需求，从而导致了q o s 得不到保障。 尽管8 0 2 1 1 e 加强了当前的访问机制，要完全确保不同业务流的服务质量仍 存在很多困难。由于无线网络的带宽有限，无线通道容易产生错误、多路径、遮 蔽衰退、干涉、天气等问题都会影响无线信号的传输质量。另外，网络场景中的 站点的位置、数目以及业务流都在不断发生变化。一些多媒体传输流，象q u a l n y c o n t r o l l e dm p e g 4 或v i d e 0c o n 矗；r a l c e ，不是以c b r ( 不变字节率) 进行传输， 而是以v b r ( 可变字节率) 编码。所有的上述问题都增加了q o s 保障的难度。而 从网络服务提供商的角度而言，为获取最大的受益，他要在满足不同业务流的 q o s 要求的同时需要使得网络的利用率尽量的高。如何在保证业务服务质量和最 大化带宽利用率这两者之间进行权衡，正是一个热点的问题。 本文针对以上提出的问题，根据8 0 2 1 1 e 的e d c a 和h c c a 访问控制机制 的特点，有针对性的解决了网络场景的变化对多媒体流服务质量的影响，保证了 实时业务流的服务质量，进一步通过减少网络冲突率来提高了网络的带宽利用 率。 2 研究的内容和方法 本文研究的主要内容包括： ( 1 ) 对传统的8 0 2 1 1m a c 协议的机制进行了介绍。然后又对最新提出的 8 0 2 1 l em a c 的两种介质访问机制进行了说明。 ( 2 )采用目前最常用的网络模拟工具n s 2 pj ，通过对i e e e8 0 2 1 1 和i e e e 8 0 2 1 1 e 两种协议模拟试验结果的比较，分析的i e e e 8 0 2 1 1 e 的服务区分 能力。同时又通过一个动态的无线网络场景的模拟试验验证了也e e 8 0 2 1 1 e 的e d c a 机制在保障q o s 方面存在的若干问题。 ( 3 )分析了目前该研究方向上的主要文献资料并进行了概括总结。然后提出了 一种新的基于改变最小竞争窗口的方案。最后，同时在n s 2 中实现了文 献中提出的a e d c f 算法和本文中提出的a c w m b c 算法。通过n s 2 模拟 比较了标准中的方案以及a e d c f 算法和a c w m b c 算法。通过比较证明 提出的方案的可行性和高效性。 ( 4 )分析了目前基于瑾e e8 0 2 1 l e e d c a 机制的主要接纳控制算法，并在此基 础上提出了一种新的简捷的接纳控制算法，并给出了一种基于接纳控制的 o o s 保障方案的实现模型。 n s 2 是一个面向对象的、基于离散事件驱动的网络仿真工具，它的源代码全 部公开，提供开放的用户接口，并且可扩展、容易配置，用户可以很方便的将自 己开发的新协议模块集成到n s 2 环境中。n s 2 是目前国际上应用广泛的网络仿 真软件，在分析和评价网络性能方面发挥了重要作用，本文的所有模拟实验均是 在n s 2 中进行仿真分析的。本文的n s 2 下载自 4 】，使用的正e e 8 0 2 1 l e 协议来自 于【5 】 1 3 论文架构 第一章是引言部分，简单介绍了论文的研究背景、意义、内容和方法。第二 章阐述了无线网络的一般结构和传统的8 0 2 1 1 协议各种访问机制的运作原理。 第三章分析了最新的8 0 2 1 1 e 协议。并通过网络模拟证明了其在q o s 保障方面的 优势及在o o s 方面的缺憾。第四章对当前最新的研究热点和研究成果给出了分 析和总结，同时提出了一个新的算法，最后通过网络仿真验证了协议的性能。第 五章提出了一个新的接纳控制算法和网络q o s 保障方案的实施模型。最后第六 章总结了全文，并指出了其不足和进一步的研究方向。 2 山东l ，巾范人学硕：学位论义 第二章le e e8 0 2 1 1 协议基本架构及协议原理分析 i e e e 8 0 2 1 1 m a c 标准隶属于i e e e 8 0 2 x 协议家族，该标准说明了适应于无 线局域网下的m a c 层和物理层的传输规程。它也是最常用的m a c 层访问控制 协议之一。无论是基础设施无线网络还是a d h o c 无线网络，以及传感器网络都 采用该协议作为它们的m a c 层标准。本章对这个标准的内容给出了一个简单的 预览，并指出了其在实现q o s 上的不足之处。 i e e e 8 0 2 1 l 的m a c 层协议定义了两种媒体访问协调功能：一种是必选的基 于竞争的分布式协调功能( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n 如n c t i o nd c f ) ，d c f 提供基于 c s m a c a 方案的非同步传输；另一种是的通过中心控制的点协调功能( p o i n t c o o r d i n a t i o n 如n c t i o np c f ) ，p c f 是建立在d c f 之上的。 2 18 0 2 1 1w l a n 的结构 b s s ( b a u s i cs e r v i c es e t ) 是i e e e 8 0 2 1 1 w l a n 体系结构中的基本组成模块。 一个b s s 是由一组处于某一媒介访问控制模式之下的通过无线传输方式进行互 相通信的站点组成。b s s 所覆盖的物理范围称为b s a ( b a s i cs e r v i c ea r e a ) 。根据 b s s 中有没有中心控制实体，可将8 0 2 1 1 w l a n 分为基础设施网络和自组织网 络两类。 自组织网络( i 1 1 d e p e n d e n tb s s ) 即通常所说的a d - h o c 网络。a d h o c 是一个 相对独立的单元，网络中的任何节点不存在同有线网络的连接。网络中所有站点 都是相互对等的，网络可以随时生成，随时解散，生命周期短。当网络中的两台 主机不能直接通信，数据可以同过中间的站点进行一跳一跳的转接，最终到达目 的站点，所以也叫多跳网络。如图2 一l 。 图2 一la d h o c 无线局域网模式 基础设施网络( 世a s t m c 眦b s s ) 中包括一个访问点( a c c e s sp o i n ta p ) 。a p 可以同有线线路进行连接，所有的站点可以同a p 进行直接通信，a p 为b s s 中 的站点提供一个局部的中继功能。任何站点的通信都必须要通过a p ，上行或下 行数据流都是通过a p 传输到b s s 内或b s s 外部的站点的。a p 能够对b s s 中 出于休眠状态的站点提供数据缓冲功能。如图2 2 所示。 图2 2i n f r a s t r u c t u r e 模式的无线局域网 扩展服务集( e x t e n d e ds e r v i c es e te s s ) 是由一组基础设施服务集组成的集合。 站点可以通过a p 将数据从一个b s s 中的站点发送到另一个b s s 中的站点中去。 a p 能够完成移动站从一个b s s 到另一个b s s 中去，而不丢失网络链接。a p 通 过整个分步式系统进行互相通信。如图2 3 。 4 广 i e t h e r n e t 图2 3e s s 的模型图 口 山东师范人学颂i ：学位论义 2 2m c 子层的结构 无线网络中的m a c 子层的功能负责在m a c 层中数据帧交换协议提供可靠 的数据传输，控制对共享的无线媒介的访问( 通过d c f 或p c f ) ，采用w e p ( 埘r e d e q u i v a l e n t 研v a c y ) 加密算法保证服务的安全性。 决定无线媒介的存取是由协调功能所掌控。在i e e e 8 0 2 “无线局域网的 m a c 层中，提供了两种不同功能的无线传输媒介的存取方式：分布式协调工能 ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n 劬c t i o nd c f ) 和点协调功能( p o i n tc o o r d i n a t i o n c t i o n p c f ) ，两者分别属于竞争传输与面竞争传输。如图2 4 所示： r e q u i r e df c o n l e n t i o n i f r e es e i c e s 卜 c o n l e n “o n a n db 舔溏f o r p c f m a cl a y e r h 3o 勺o 卜b1z o 互 叶 c d o l 图2 48 0 2 1 1 网络的m a c 层和物理层结构图 2 2 1 分布式协调功能 d c f 是标准c s m a c a 存取机制的基础。c s m c d 是一种多路访问协议。 其机制是在传送帧之前，先检查媒介是否空闲。如果媒介空闲并且持续一个帧间 隔时间后就开始传输。如果介质忙，就开始退避机制，当计数值为零时，该站就 获得了对该通道的使用权。如果在退避过程中有其的站点先竞争到了通道，在该 退避过程就中止，直至通道忙时，再继续刚才的退避。 2 2 1 1 载波侦听功能与网络分配矢量 载波侦听( c 州e rs 踯s i n g ) 的功能主要是在于判断媒介是否处于可用的状态。 i e e e 8 0 2 1 1 具有两种载波侦听功能：实载波侦听功能和虚载波侦听功能。实载波 侦听功能主要是物理层提供；而虚载波侦听功能是由网络分配矢量( n e t 、o r k 甜l o c a t i o nv e c t o r ) 所提供。i e e e 8 0 2 1l 的数据帧中通常设有一个d u r a t i o n 值的位， 用来指定本数据帧的介质占用时间。一旦某一个工作站开始传输的时候，使用同 一介质的其它站点就会将其d u 埘i o n 值作为n a v 的时间开始倒计数到零值。图2 c j 妻 1器i 一5 说明了n a v 值如何保障一个帧的传输不被干扰。 。伟厂司 一| l 一叫 a t j o ns 萨s 悟 s 瞒 引f 十x 司l n a v ( f m )l，9 0 n t e n t i o nw hd _ p ， n ，c t s )l d e 佃ra c c b 8 c i o 打a f 幢ro ：e f e r 图2 5d c f 机制原理图 为了确保帧在传输过程不受中断，在传送端传送r t s 帧的帧头中，会设定 d u r a t i o n 值，用来指示本次传输预计的传输时间。所有收到l 玎s 帧的站点会提取 其中的d u r a t i o n 值作为其n a v ，然后n a v 不断减小，在其到达零之前该站不能 竞争媒介，c t s 帧也是同样的道理。如此一来，无论是在发送端还是接受端可达 到的范围之内的站点都可以设定目前的n a v 值了。因而发送端同接受端之间的 帧的传输就可保证不被周围的站点干扰。 2 2 1 2 帧间间隔 从图2 5 中可以看出在帧进行传输时，帧与帧之间总存在一个时间间隔。 设定不同时间间隔的原因是将不同的数据帧分成不同的优先权等级，i e e e 8 0 2 1 1 是使用帧间间隔的大小来确保其优先顺序，如下列所示： ( 1 ) 短帧间间隔( s h o ni n t e r f r a m es p a c es l f s ) s i f s 最小的帧间间隔，用于高优先权的传输场合，例如r t s c t s 和确认帧 ( a c k ) 。s i f s 相比其它三种帧间间隔有最大的优先级别。当高优先权的帧等待 一段s i f s 的时间后，便可立即使用介质，其它低优先权的帧由于等待的时间大 于s i f s 就不能获取媒介，所以必须等待到媒介再次空闲是再进行传输。 ( 2 ) p c f 帧间间隔( p c fi n t e r f r a m es p a c ep i f s ) p i f s 主要用于开始免竞争阶段( p c f ) ，例如用来启动免竞争周期的b e a c o n 帧，而其优先程度高于任何以竞争方式传输的帧，通常p i f s = s i f s + a s l o t t i m e 。 ( 3 ) d c f 帧问间隔( d c fi n t e r f r a m es p a c ed i f s ) d i f s 是用在开始竞争阶段( d c f ) 使用的媒介等待时间，如果介质空闲的 时间长于d i f s ，站点就可以立即获取媒体的访问权。p i f s = s i f s + 2 a s l o t t i l n e 。 ( 4 ) 扩展帧间间隔( e x t e n d e di n t e r f r a m es p a c ee i f s ) e i f s 通常出现在帧的传输出现错误时才会用到，这给了接收站足够的时间 传输a c k 帧。 为使优先等级可以区分出来，因此不同的优先权的帧使用不同的帧间间隔， 使用短时间的帧间间隔代表其优先权越高，但是在同样优先权的帧发生碰撞的机 会还是很高的，因此i e e e 8 0 2 1 1 采用了b a c k o f f 机制来降低冲突产生的几率。 6 山东师范人学硕上学位论文 2 2 1 3b a c k o f f 机帛0 在竞争周期当中，如果工作站想传送帧，但此时网络忙。站点会不断的侦听 信道直到新到空闲。这是站点会启用b a c k o f r 机制。首先站点会等待一个d i f s 时间。在d i f s 时间内如果检测到媒介仍然空闲，就设定个在竞争窗口( c w ) 值之内的一个随机数作为退避时槽数。然会退避时槽随时间不断减小，并且每个 时槽时间内都要检查一下介质是否空闲。如果此时介质忙，则该站停止退避，等 到网络再次空闲时重新从前面的退避值继续退避。当退避计数器的值等于零，而 此时网络仍空闲，则该站就获得了对媒介的访问权限。如图所示； d i f s s t a t l o na s t a 墩m b s t a t i o c s t a t l i d nd s t a t i o | 1e c v v 冉d i ，w f r a m e 1 o f e r b 翻：l o 仟 f 呵妒雩曹”1 嘭墨 葡一；盛 f r 毒m e c w i f 、d o w 1 罂堕，1f r a m e i d 幽r 。 _ if r a m e c w i i o w 摊 c w l 臼b 饼 1 2 塑嬲，一lf r a m e ，一一 c w 确d 洲皇c 蛳塘n nw i n d a w 一”= b 越蛔歼 女蠹搦；r e m a m 呐g 鼬咖盱 图2 6 多个站点运用d c f 机制竞争通道的过程 当多个站的退避计数同时达到零，传输时便会产生碰撞，当遇到碰撞时竞争 窗口的值加倍，直至达到c w m a x 为止。当传输成功后，竞争窗口便立刻回到 c w m i n 值。 2 2 1 4 隐藏站问题 无线网络环境同有线网路存在这明显的差异。隐藏站问题是无线局域网络中 普遍存在的问题之一，图2 7 解释了隐藏站问题产生的原因： 图2 7 隐藏站问题 图中a 站只能与b 站进行直接通信，而c 站也只能与b 站直接通信，b 站 可以与a 站和c 站通信。某一时刻，a 站在向b 站发送数据，由于c 站感觉不 到a 站的存在，此时就以为通道是空闲，c 站也向b 站发数据，从a 到b 的帧 就有可能因为c 的干扰而遭到破坏。这就是隐藏站问题。 再8 0 2 1 1 协议中，通常是通过l 盯s c t s 机制来解决隐藏站的问题。如图2 7 一8 所示： 当a 站要向b 站发送数据帧时，a 站首先要向b 站发送以个r t s 帧。i 玎s 帧告知a 站周围的站点在一个持续时间内禁止发送数据帧。当b 站接受到a 站 的数据帧后，接着发送一个c t s 帧，c t s 帧同时告诉b 站周围的站点在一个时 间段之内禁止发送数据帧，c 站收到b 站的c t s 帧后设定一个n a v 值。这样在 a 站向b 站发送数据帧时，就不会受到c 站的干扰。 但是i 汀s c t s 机制并不是在所有的情况都使用，数据帧较短时产生冲突的 几率就小，这时就没有必要设定i s c t s 机制，因为这样能够带来不必要的负 载。通常在管理信息库( m i b ) 中设定一个r t s 域值，当帧长超过该值后就使 用i 玎s c t s 机制。 2 2 2 点协调功能 在点协调功能阶段提供的是免竞争的服务。基础设施网络的a p 又成为点协 调器( p o i n tc o o r d i n 撕o rp c ) ，p c 保证站点不必通过竞争即可获取媒介。 在p c f 中，只有可轮询的站点才可以向p c 要求加入轮询列表( p o i l i n gl i s t ) 之中。反之，非轮询的站点在p c f 阶段不被进行轮询，也就没有传输机会。通 常p c 单元采用r o u n d r o b i n 的方式，逐轮询在轮询列表中的工作站，被轮询到 的站点就有传输的机会。若是工作站在被要求轮询之后，传输的数据帧发生错误， 站点不会获取马上重送的轮询，必须等到下一个p c f 阶段才有再次被轮询的机 会。如果被轮询的站点是一个非轮询的站，则此非轮询的站必须等到d c f 阶段 才可能传输数据帧。 在p c f 的期间当中，工作站之间的帧的传送并不使用i 玎s c t s 机制，因为 在此期间不会有发生冲突的可能。在这个阶段，p c 单元( 即a p ) 拥有最高的传 输优先权，所有的站点都会等到p c 将所有在轮询列表中的站点全部轮询完之后 采用有传送的机会。 2 2 2 1p c f 规程及b e a c o n 帧 在免竞争阶段，帧的传输由p c 控制。免竞争周期与竞争周期交替出现，两 者和成为一个s u p e r 仃a i n c 。在p c f 开始阶段p c 首先向整个b s s 发送一个b e a c o n 帧，该帧中的c f p m a x d u r a t i o n 值用来表明免竞争时段可以持续多久的时间。所 有收到b e a c o n 帧的站点都将n a v 值设定为该时间，以确保p c 拥有足够的掌控 8 l l j 东帅范人学f i ii ：学位论文 时问。如图2 9 ( p 甜s u p e 卡f a m e ) 8 = b e a c o nf 陷m e 竺e l一 二 ll n a vl i1 l。二。二。j二。：。一。j。l一。：。：。二。：二，j，。一 图2 9p c f 的n a 、厂 b e a c o n 帧是由a p 发出的一类特殊管理帧。帧中帧体( f r 秕n eb o d y ) 的结构 如图2 1 0 ： 图2 一l ob e a c o n 帧结构图 b e a c o n 帧不只是用于p c f 开始的公告且其中包含了该b s s 中指定的一些参 数值。a p 定期发送b e a c o n 帧来告知b s s 中的站信息，可以根据网络状态调整 某些参数值。 除帧体( 觑u 1 1 eb o d y ) 不同外，b e a c o n 帧的其它部分都与其它的管理帧一致。 b e a c o n 帧的帧体包含固定域和可变长度的信息元素( i n f o n l l a t i o ne l e m e m ) 两部 分。 固定域包括： ( 1 ) t i m e s t a m p ：主要用于b s s 中工作站的同步问题。 ( 2 ) b e a c o ni m e r v a l ：这个位给出经过多长时间能传送一个b e a c o n 帧。 ( 3 ) c a p a b i l 埘i n f o h l l a t i o n ：容量信息包含一些子域。这些子域分别用于表 示请求或者告知其容量。 信息元素：s s i d 用来指示所在的e s s 或i b s s 的身份。f hp a r 锄e t e r s e t 和 d sp 2 u r 锄e t e r s e t 分别指示不同的物理层传输技术下的技术参数。i b s sp a r 锄e t e r s e t 表示i b s s 中a t i m 帧之间相隔的时间单位数量。t i m 包含了a p 为b s s 中 所有站点所缓存的帧的信息列表。 9 2 2 2 2p c f 的传输程序 图2 一l l 给出一个利用p c f 来进行数据传输的范例。如图所示，经过一个 p i f s 后，p c 获取了对通道的访问权限。然后p c 发送个b e a c o n 帧标志免竞争 时段开始。经过一个s i f s 后a p 就根据p o l l 1 i s t 中的顺序首先轮询站l 。实例中 的p o u 帧具有p i g g y i n 曲a c k 功能，捎带了ap 为该站缓存的数据。站1 收到p o l l 以后就获取了访问权限，经过_ 个s i f s 后站l 发送一个d a t a + c f 帧，一方面传 输数据，另一方面确认a p 发出的p o l l 帧。数据帧传送完后在经过一个s i f s 帧， a p 继续轮询下一个站2 ，同时该轮询帧中捎带了对前站1 数据帧的a c k 帧，这 样循序进行。当a p 发出d 3 + a c k + p o l l 帧轮询站3 时，站3 可能由于收到错位的 c o m e n 戗o n - f r e er e p e t i 髓o ni n l e r v 引 ：c o n l e n i o n 一f r e ep e o d - ， 1_ s i f 3s l f ssf sp 舻ssf 3 柏带羽嘲陶f 。c c 哪嘲啪妇 a d。 r l 。 一l 掣一- j 臣 t - j l c 陇喇 黥器器 ? 呙i f s嚣；l # s 。，s l f s，磊s 随 嚣“w 驯删憎龋 妇c f 幸椰t 删器t 翰越n 限vs 蜊砷p o i k d ， s 豫蚌o r 曝 n a v l 图2 一1 1 帧或没有受到帧，就没有及时向a p 发送数据帧。a p 在等待了一个p i f s 时段后 并不是继续轮询站3 ，而是轮询p o l l 1 i s t 中的下一个站点。如此这样下去直到 p o l l 一l i s t 为空或者p c f 时段到期为止。图中当轮询结束后a p 向b s s 发送一个 c f - e n d 帧