（信号与信息处理专业论文）无线局域网80211e+mac层edca机制研究.pdf

中文摘要 摘要：恩格斯曾经说，社会需求比十所大学更能推动技术的进步。随着无线 网络的日益普及，人们对在无线网络中传输视频、音频等多媒体业务的需求同益 增加。传统的基于8 0 2 1 1 标准的w l a n 只能提供”b e s t e f f o r t 服务，对q o s 没 有保障。正是无线网络上的视频和音频等多媒体业务应用，对w l a n 的服务质量 提出了新的需求。 为了提高服务质量，i s o 在对一系列草案进行修订之后正式推出了8 0 2 1 1 e 协 议，以支持不同类型业务的q o s 。e d c a 是8 0 2 1 1 e 为实现更好服务质量而提出的 基于优先级的信道接入机制，它定义了四种基于i e e e 8 0 2 1 d 的访问类型 ( a c c e s s c a t e g o r y ，a c ) 即：语音、视频、尽力而为和背景流，使用8 种用户优先级 ( p r i o r i t y ) 来接入无线媒体，为不同的业务类型提供不同的业务等级，使得那些实时 业务有较高的优先级优先接入信道。8 种用户优先级( u p ) 和四种访问类型( a c ) 的映射规则为：一个u p 对应一个a c ；每个a c 包含两个u p ；在同一个a c 中优 先级高的u p 优先接入信道。 论文追根溯源，从8 0 2 1 1 e 协议入手，介绍了具有q o s 支持的数据的帧结构 和e d c a 的退避机制，重点介绍了帧结构中与e d c a 机制相关的字段。在分析帧 体结构和退避机制的基础上清晰地展示了e d c a 机制的工作原理。 我的研究任务在于：分析8 0 2 1 i e 协议体系，配置e d c a 协议；搭建8 0 2 1 1 e 无线局域网系统的仿真环境；利用n s 2 ( o t c l & c + + ) 对系统进行仿真实验，并 分析在e d c a 机制下，网络的吞吐量和传输延时。仿真实验一的结果表明：高优 先级业务比低优先级业务拥有更高的吞吐量；同时，高优先级业务的吞吐量会受 到信道中传输的其他优先级业务的流量的影响，随着其它业务流量的增加，优先 级高的业务其吞吐量也会下降。仿真实验从微观上展示了e d c a 机制中竞争窗口 的调整过程。仿真实验二和仿真实验三通过对比两种情况下业务的吞吐量和延时， 丢包率等性能指标，给出了协调吞吐量和延时性能的一个实例。结果表明：可以 通过适当增加低优先级业务的数据包大小来提高低优先级业务的吞吐量，当数据 包大小在一定范围内时，高优先级业务的延时和丢包率性能不会明显变差。论文 图5 5 幅，表9 个，参考文献1 9 篇。 关键词：优先级；e d c a ；w l a n ；q o s ；退避 分类号：t p 3 9 3 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i ti ss a i db yf r i e d r i c he n g e l st h a ti fs o c i e t yh a sat e c h n i c a ln e e d ，i t s e r v e sa sag r e a t e rs p u rt ot h ep r o g r e s so fs c i e n c et h a nd ot e nu n i v e r s i t i e s e a r l i e r w l a n s e q u i p p e dw i t hi e e e8 0 2 1le a nj u s tp r o v i d e b e s t e f f o r t s e r v i c e ，w i t h o u tq o s s u p p o r t i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fs e r v i c e i s od e v e l o p e di e e es t d 8 0 2 1lea f t e ra g r e a td e a lo fa m e n d m e n to ne a r l y8 0 2 11 v e r s i o n s 8 0 2 1lei n t r o d u c e se n h a n c e d d i s t r i b u t e dc h a n n e la c c e s s ( e d c a ) e n h a n c i n gt h el e g a c y8 0 2 11 m e d i u ma c c e s s f u n c t i o n s i no r d e rt oa l l o wp r i o r i t i z e da n ds e p a r a t eh a n d l i n go ft r a f f i c ，8 0 2 1lee d c a u s e st h ee i g h ti e e e8 0 2 1du s e rp r i o r i t i e s ( u p s ) a r r i v i n gt r a f f i co ft h e s ee i g h tu p s i s m a p p e dt o f o u rd i f f e r e n ta c c e s sc a t e g o r i e s ( a c s ) 一f o rv o i c e ( a cv o ) ，v i d e o ( a c _ v i ) ，b e s t e f f o r t ( a c _ b e ) ，a n db a c k g r o u n d ( a cb k ) t r a f f i c e a c h a c c e s s c a t e g o r yi se q u i p p e dw i t has i n g l et r a n s m i tq u e u e t h i sp a p e rp r e s e n t sa l le v a l u a t i o no fi e e e 8 0 2 1iee d c at r a f f i c p r i o r i t y m e c h a n i s mp e r f o r m a n c eb a s e do ni t sp r i o r i t yp a r a m e t e rv a l u e s s i m u l a t i o n w a s c o n d u c t e du s i n gn s 2 ( n s2 2 9 ) p l a t f o r m s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tc h a n g e so nt h e v a l u eo fp r i o r i t yp a r a m e t e r ( a i f s ，c w m i n ，c w m a x ) a f f e c tt r a f f i c st h r o u g h p u t h i g h p r i o r i t yt r a f f i c ( i nt h i sp a p e r , p r i o r i t y0i s t h eh i g h e s t ) i sg u a r a n t e e dt og e tm o r e b a n d w i d t hr e s o u r c et h a na n yo t h e rl o w e rt r a f f i cp r i o r i t y h o w e v e r , i e e e8 0 2 1lec a n n o tg u a r a n t e et h a tat r a f f i ci nw l a n w i l la l w a y sg e tt h es a m es e r v i c ea l lt h et i m ef o ri t s q o sr e q u i r e m e n t s t h i si sd u et ot h ef a c tt h a tt h et o t a lb i tr a t ef r o ma l l o t h e rl o w e r p r i o r i t yt r a f f i ci nt h ew l a n w i l la f f e c t ( r e d u c e ) h i g h e rp r i o r i t yt r a f f i ct h r o u g h p u t p i c t u r e s5 5 ，t a b e l s9 ，r e f e r e n c e s19 k e y w o r d s ：p r i o r i t y ；e d c a ；w l a n ；q o s ：b a c k - o f f c i ，a s s n o ：t p 3 9 3 1 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。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了谢意。 躲拯社一期：妒7 年6 月；。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：起眚里 签字吼川年6 月h 导师虢审7 ； 签字嗍刎彳年莎月多细 致谢 本论文的工作是在我的导师肖扬教授的悉心指导下完成的，肖扬教授严谨的 治学态度、高尚的人格魅力和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，我将受 益终身。肖老师教会了我怎么做学问，也教会了我做人的道理。在此衷心感谢两 年来肖扬教授对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，卫靖、毛鹏轩、牛军等同学为我提供了很多 宝贵的技术资料，并对我论文中的n s 2 的仿真部分的研究工作给予了热情帮助， 在此向她他们表达我的感激之情。 杜鲁燕、高海娟、刘文佳( 按姓氏排列) 同学在学习上和生活上给予了我很 大的关心和帮助，在此向这三位同学表示衷心的谢意。 另外也感谢我先生易绪兵，他的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业。感谢我的女儿易鸥彤小朋友，她的懂事和乖巧让我能有足够的动力和精力进 行学习和科研。 回首两年的研究生生涯，要感谢的很多，大家的宽容和帮助给予了我战胜困 难的勇气和信心。对我而言表达谢意最好的方式就是：好好工作，为老师争光， 为北交大争光。 绪论 1 绪论 1 1 引言 自1 9 4 6 年，世界上第一台真正意义上的电子计算机e n i a c ( e l e c t r o n i c n u m e r i c a li n t e g r a t o ra n dc o m p u t e r ，即电子数字积分计算机) 在美国宾夕法尼亚 大学研制成功以来，计算机技术以异常迅猛的速度发展，其总的发展方向可以用” 巨型化、微型化、网络化、智能化、多媒体化”来概括。 计算机技术和现代通信技术相结合，形成了计算机网络，它能实现远程通信、 远程信息处理和资源共享等功能。第二次世界大战后，形成了东西方两大阵营对 峙的冷战局面。1 9 6 2 年爆发的古巴导弹危机，更是把人类推到了核大战的边缘。 美国军方担心，一旦核战争爆发，由计算机中心控制的军队通讯网络就面临极大 的威胁，因为一旦网络中心被破坏，整个网络就陷于瘫痪。为了解决在原子弹威 胁下的军队通讯网络的运行安全，美国军方开始研究”如何在受到核战争袭击之 后，保持军队中各个网络之间的联系”。1 9 6 3 年，在美国国防部高级研究计划署工 作的拉里罗伯茨提出”分组交换”技术的设想，解决了抗摧毁性网络的难题，成为 网络技术发展中第一个重要罩程碑。1 9 6 9 年，美国国防部资助了一个有关广域网 络的项目，开发出一个运用包交换( p a c k e ts w i t c h ) 技术的网络，称作a r p a n e t 。 当年1 1 月2 1 日，运用这项技术把加州大学、犹他大学和斯坦福研究院的四台电 子计算机顺利连通。这个美国国防部高级研究计划署的实验性网络由四个节 点构成的“天下第一网 的诞生，宣告了网络时代的到来。a r p a n e t 是第一 个计算机网络，它是因特网的前身。 1 9 7 4 年“互联网之父 文顿瑟夫研究出了传输控制协议网络间协议( t c p i p ) 。1 9 8 3 年，t c p i p 成为了网际互联网络上的标准通信协议，这是全球互联网络 正式诞生的标志。同年，a r p a n e t 分成两个网，与军事有关的部分称为m i l n e t ， 其余部分仍然叫做a r p a n e t ，用于作进一步研究。它们之间仍然保持着互联状态， 能进行通信和资源共享。这种网际互联的网络最初被称为d a r p a i n t e r a c t ，但不久 就改称i n t e r n e t ，因特网名称从此开始出现。 i n t e m e t 在中国的发展经历了两个阶段：i n t e r n e t 电子邮件连接和t c p i p 全功 能连接。1 9 8 7 年9 月，我国第一个i n t e r n e t 电子邮件节点在北京计算机应用技术研 究所内正式建成。通过拨号x 2 5 线路连通了i n t e r n e t 的电子邮件系统。1 9 8 7 年9 月2 0 日2 2 点5 5 分，中国的第一封电子邮件，“a c r o s st h eg r e a tw a l lw ec a nr e a c h e v e r yc o m e ri nt h ew o r l d 通过i n t e m e t 从北京计算机应用技术研究所发出。 说起t c p t p 全功能连接，我们首先有必要了解一下中国国家计算与网络设施 ( n c f c ) 。n c f c 是由世界银行贷款“重点学科发展项目 中的一个高技术信息 基础设施项目。工程建设于1 9 9 0 年开始，1 9 9 2 年完成了中科院院网c a s n e t ，、清 华大学校园网t u n e t 和北京大学校园网p u n e t 。n c f c 主干网于9 3 年底建成，以 高速光缆及路由器将三个院校网互连。1 9 9 4 年4 月正式开通了与i n t e m e t 的专线连 接( 6 4 k b p s ) 并于1 9 9 4 年5 月2 1 日完成了我国最高域名c n 主服务器设置，实 现了和i n t e r n e t 的t c p i p 连接。 计算机网络无疑是当今世界上发展最快，最激动人心的技术之一。它仅有几 十年的发展历史，经历了从简单到复杂、从低级到高级、从地区到全球的发展过 程。其应用领域也从最初的教育科研领域延伸到几乎所有的人类社会生活领域。 随着网络的迅速普及以及人们对网络越来越强的依赖性，最后一公里的问题引起 了世界各国的关注，可以随时随地通过无线方式接入i n t e m e t 的技术应运而生。 1 2 无线通信发展历程 跟网络的诞生类似，无线网络的使用最早也在军事方面。第二次世界大战期 间，当时美国陆军采用无线电信号做资料的传输。他们研发出了一套无线电传输 科技，并且采用相当高强度的加密技术，得到美军和盟军的广泛使用。 1 9 7 1 年，夏威夷大学的研究员创造了第一个基于封包式技术的无线电通讯网 络。这被称作a l o h n e t 的网络，它包括了7 台计算机，它们采用双向星型拓扑 横跨四座夏威夷的岛屿，可以算是相当早期的无线局域网络( w l a n ) 。从这时开 始，无线网络可说是正式诞生了。 随着无线网络的诞生，无线接入技术也蓬勃发展，无线接入技术的覆盖范围 涵盖了从几米到几十米的范围。相应地按照无线接入技术的覆盖范围，无线通信 技术可以分为四大类：无线个域网( w p a n ) 、无线局域网( w l a n ) 、无线城域网 ( w m a n ) 、无线广域网( 嗍n ) 。图1 1 展示以覆盖范围为标准对无线网络的 划分。 1 9 9 0 年，i e e e 正式启用了8 0 2 1 1 项目，无线网络技术逐渐走向成熟， i e e e 8 0 2 1 i ( w i f i ) 标准诞生以来， 先后有8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 l g ，8 0 2 1 1 e ， 8 0 2 1 i f , 8 0 2 1 l h ，8 0 2 1 l i ，8 0 2 1 l j ，8 0 2 1 l n 等标准制定或者酝酿。 1 9 9 9 年工业界成立了w i f i 联盟，致力解决符合8 0 2 1 1 标准的产品的生产和 设备兼容性问题。w i f i 联盟其实也是i n t e l 公司及其它公司联合组成的联盟，目的 就是促进8 0 2 1 1 无线技术的普及和市场化。该联盟有一项w i f i 无线网络兼容性认 2 绪论 证，通过该认证的产品，可以顺利的组建无线网络，并与其他通过该认证的无线 局域网兼容。 w l a x 霄i 饯埘聃的件 l 乎l j 尚f - 霹j f i 尉 翮 、f f , j 作f l 暂i f i 冒卜f 联嘲l ：篮宙j - 责 i e e e s 0 2 ij 蒙：知： 椎j “品1 j 撩仵往 认陵上作 图1 1 以覆盖范围对无线网络的划分 同年，i e e e8 0 2 1 6 工作组成立，它一组为城域网发展起来的宽带无线通信标 准。8 0 2 1 6 是为用户站点和核心网络( 如：公共电话网和i n t e r n e t ) 间提供通信路 径而定义的无线服务。 2 0 0 1 年4 月，无线产业公司，包括i n t e l 、p r o x i m 和n o k i a 等联合起来组成了 w i m a x ，它是一个8 0 2 1 6 拥护小组。w i m a x 主要目的就是积极提升各个基于 8 0 2 1 6 规范的设备之间的兼容性和相互协同工作的能力。 2 0 0 2 年，i e e e8 0 2 1 5 工作组成立，专门从事w p a n 标准化工作。它的任务 是开发一套适用于短程无线通信的标准，通常我们称之为无线个人局域网 ( w p a n ) 。 2 0 0 2 年1 2 月，移动宽带无线接入技术8 0 2 2 0 获得i e e e 标准委员会许可开始 制定标准。8 0 2 2 0 致力于制订移动宽带无线接取技术的标准文件，发展一个支持 网络，在3 5 g h z 的频带之下，提供使用者超过1 m b p s 的数据传输速率，同时 支持时速2 5 0 公里的高速移动速度。8 0 2 2 0 的有效覆盖范围高达1 5 公里，可以支 持等同于w m a n 级别的实时数据传输，而传输速度却达到了w l a n 网络的水平， 与现在的移动通信网络相比具有明显的性价比优势。 1 3 论文的选题背景和结构安排 2 0 0 3 年以来，无线网络市场热度迅速飙升，已经成为i t 市场中新的增长亮点。 由于人们对网络速度及方便使用性的期望越来越大，于是与电脑以及移动设备结 北京交通人学硕士学位论文 合紧密的w i f i 、c d m a g p r s 、蓝牙等技术越来越受到人们的吹捧。于此同时， 在相应配套产品大量面世之后，构建无线网络所需要的成本下降了，一时间，无 线网络和我们的同常生活密不可分。 2 0 0 9 年1 月7 日下午，工业和信息化部为中国移动、中国电信和中国联通发 放三张第三代移动通信( 3 g ) 牌照，此举标志着我国正式进入3 g 时代。无线接入技 术再次成为了万众瞩目的焦点。 正是因为人们热衷于无线接入技术的便利性，无线接入技术的服务供应商们 为了占有市场获取利润，他们竞相把目光盯在了对无线接入技术服务质量( q o s ) 的保证上。 我的研究正是在上述的这种大背景下展开的。我的研究方向是：w l a n 中多 媒体实时业务的q o s 保证机制。 本论文的内容分为五部分： 第一章为绪论部分，主要介绍网络的发展历程、无线通信发展历程和论文的 选题背景。 第二章为相关背景知识，主要介绍了i e e e 8 0 2 委员会、i e e e 8 0 2 局域网标准 系列、i e e e 8 0 2 局域网模型、i e e e 8 0 2 1 1 系列标准简介。 第三章为无线局域网概述，主要介绍w l a n 的网络架构、8 0 2 1 1 协议和w l a n 的部署。 第四章为8 0 2 1l em a c 层e d c a 机制研究，是本论文的灵魂部分。主要介绍 8 0 2 1 l em a c 层帧结构、e d c a 的工作原理、e d c a 退避机制的数据模型，在此基 础上写了仿真实验的过程和实验结果。 第五章为结论及展望。 4 2 相关背景知识 2 1i e e e 8 0 2 委员会 i e e e 在1 9 8 0 年2 月成立了局域网标准化委员会( 简称i e e e 8 0 2 委员会) ，专门 从事局域网的协议制订，形成了一系列的标准，称为i e e e 8 0 2 标准。该标准己被 国际标准化组织i s o 采纳，作为局域网的国际标准系列，称为1 8 0 8 8 0 2 标准。在 这些标准中，根据局域网的多种类型，规定了各自的拓扑结构、媒体访问控制方 法、帧的格式和操作等内容。i e e e 8 0 2 委员会分成三个分会：传输介质分会研 究局域网物理层协议；信号访问控制分会研究数据链路层协议；高层接口分 会研究从网络层到应用层的有关协议。 21 1i e e e 8 0 2 局域网标准系列 i e e e s 0 2 是个局域网标准系列，i e e e 8 0 2 标准系列中各个子标准之问的关系 如图2 1 所示。 图2 1i e e e8 0 2 标准系列 i e e e 8 0 11 网问互连定义 8 0 2l 是关于l a n m a n 桥接、l a n 体系结构、l a n 管理和位于m a c 以及 l l c 层之r 的协议层的基本标准。现在，这些标准大多与交换机技术有关，包括： 8 0 2i q ( v l a n 标准) 、8 0 23 a c ( 带有动态g v r p 标记的v l a n 标准) 、8 0 2i v ( v l a n 分类) 、8 0 2 l d ( 生成树协议1 、8 0 2 1s ( 多生成树协议) 、8 0 23 a d ( 端e i 干路) 和8 0 2 1 p ( 流量优先权控制) 。 i e e e 8 0 22 逻辑链路控制 北京交通大学硕十学位论文 该协议对逻辑链路控制( l l c ) ，高层协议以及m a c 子层的接口进行了良好 的规范，从而保证了网络信息传递的准确和高效性。由于现在逻辑理论控制已经 成为整个8 0 2 标准的一部分，因此这个工作组目前处于”冬眠”状态，没有正在进行 的项目。 i e e e 8 0 2 3c s m c d 网络 i e e e 8 0 2 3 定义了1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 、1 g b p s ，甚至1 0 g b p s 的以太网雏形， 同时还定义了第五类屏蔽双绞线和光缆是有效的缆线类型。该工作组确定了众多 的厂商的设备互操作方式，而不管它们各自的速率和缆线类型。而且这种方法定 义了c s m a c d ( 带冲突检测的载波侦听多路访问) 这种访问技术规范。i e e e 8 0 2 3 产生了许多扩展标准，如快速以太网的i e e e 8 0 2 3 u ，千兆以太网的i e e e 8 0 2 3 z 和 i e e e 8 0 2 3 a b ，1 0 g 以太网的i e e e 8 0 2 3 a e 。目前，局域网络中应用最多的就是基于 i e e e 8 0 2 3 标准的各类以太网。 i e e e 8 0 2 4 令牌环总线 该标准定义了令牌传递总线访问方法和物理层规范( t o k e nb u s ) 。该工作组近 期处于休眠状态，并没有正在进行的项目。 i e e e 8 0 2 5 令牌环网 i e e e 8 0 2 5 标准定义了令牌环访问方法和物理层规范( t o k e nr i n g ) 。标准的令 牌环以4 m b p s 或者1 6 m b p s 的速率运行。由于该速率肯定不能满足同益增长的数 据传输量的要求，所以，目前该工作组正在计划1 0 0 m b p s 的令牌环( 8 0 2 5 t ) 和千 兆位令牌环( 8 0 2 5 v ) 。其他8 0 2 5 规范的例子是8 0 2 5 c ( 双环包装) 和8 0 2 5 j ( 光纤 站附件) 。令牌环在我国极少被应用。 i e e e 8 0 2 6 城域网( w a n ) 该标准定义了城域网访问的方法和物理层的规范( 分布式队列双总线 d q d b ) 。目前，由于城域网使用i n t e r n e t 的工作标准进行创建和管理，所以8 0 2 6 工作组目前也处于休眠状态，并没有进行任何的研发工作。 i e e e 8 0 2 7 宽带技术咨询组 该标准是i e e e 为宽带l a n 推荐的实用技术，1 9 8 9 年，该工作组推荐实践宽 带l a n ，1 9 9 7 年再次推荐。该工作组目前处于休眠状态，没有正在进行的项目。 8 0 2 7 的维护工作现在由8 0 2 1 4 小组负责。 i e e e 8 0 2 8 光纤技术咨询组 该标准定义了光纤技术所使用的一些标准。许多该工作组推荐的对光纤技术 的时间都被封装到物理层上的其他标准中。 i e e e 8 0 2 9 综合数据声音网 该标准定义了介质访问控制子层( m a c ) 与物理层( p h y ) 上的集成服务( i s ) 6 相关背景知识 接口。同时，该标准又被称为同步服务l a n ( i s l a n ) 。同步服务是指数据必须在 一定的时间限制内被传输的过程。流介质和声音信元就是要求系统进行同步传输 通信的例子。 i e e e 8 0 2 1 0 网络安全技术咨询组 该标准定义了互操作l a n 安全标准。该工作组以8 0 2 1 0 a ( 安全体系结构) 和8 0 2 1 0 c ( 密匙管理) 的形式提出了一些数据安全标准。该工作组目前处于休眠 状态，没有正在进行的项目。 i e e e 8 0 2 1 1 无线联网 该标准定义了无线局域网介质访问控制子层与物理层规范( w i r e l e s sl a n ) 。 该工作组正在开发以2 4 g h z 和5 1 g h z 无线频谱进行数据传输的无线标准。 i e e e 8 0 2 1 1 标准主要包括三个标准，即i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 l b 、i e e e 8 0 2 1 l g 和i e e e 8 0 2 1 1 e 。 i e e e 8 0 2 12 需求优先( 1 0 0 v g a n y l a n ) i e e e 8 0 2 1 2 规则定义了需要优先访问方法。该工作组为1 0 0 m b p s 需求优先 m a c 的开发提供了两种物理层和中继规范。虽然他们的使用以申请了专利并被接 受作为i s o 标准，但是它们被广泛接受的程度远逊色于以太网。8 0 2 1 2 目前正处 于被分离的阶段。 i e e e 8 0 2 1 4 交互电视 本标准对交互式电视网( 包括c a b l em o d e m ) 进行了定义以及相应的技术参 数规范。该工作组开发有线电视和有线调制解调器的物理与介质访问控制层的规 范。确信他们的工作完成后，该工作组没有正在进行的项目。 i e e e 8 0 2 1 5 短距离无线网 本标准规定了短距离无线网络( w p a n ) ，包括蓝牙技术的所有技术参数。个 人区域网络设想将在便携式和移动计算设备之间产生无线互连，例如p c 、外围设 备、蜂窝电话、个人数字助理( p d a ) 、呼机和消费电子，该网络使用这些设备可 以在不受其他无线通信干扰的情况下进行相互通信和互操作。 i e e e 8 0 2 1 6 宽带无线接入 该标准主要应用于宽带无线接入方面。8 0 2 1 6 工作组的目标是开发固定宽带 无线接入系统的标准，这些标准主要解决最后一英里本地环路问题。8 0 2 1 6 与 8 0 2 1 l a 的相似之处在于它使用未经当局许可的国家信息下部构造( u n i l ) 频谱上 的未许可频率。8 0 2 1 6 不同于8 0 2 1 1 a 的地方在于它为了提供一个支持真正无线网 络迂回的标准，从一开始就提出了有关声音、视频、数据的服务质量问题。 2 1 2 i e e e 8 0 2 局域网模型 7 北京交通大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 标准定义了i s o o s i 的物理层和数据链路层，图2 2 给出了o s i 参考 模型和i e e e 8 0 2 参考模型的比较 o s i 参考梗型i 哑8 0 2 参考梗型 应用层 表示层 会话层 运输层 网络层 数据链路层 物理层 ， 一一一一 f 逻辑链路控制u c 媒体访问控制m a ce e e 8 0 2 物理层 蠹考梗型范臣 件(骺辅癣件 ( j r k l 图2 2i e e e8 0 2 参考模型和o s i 参考模型的比较 1 物理层 物理层包括物理介质、物理介质连接设备( p m a ) 、连接单元( a u i ) 和物理收发 信号格式( p s ) 。物理层的主要功能是提供编码、解码、时钟提取与同步、发送、接 收和载波检测等，为数据链路层提供服务。 2 数据链路层 数据链路层包括逻辑链路控f l j i j ( l l c ) 子层和介质访问控制( m a c ) 子层。l l c 子 层的主要功能是控制对传输介质的访问。目前，常用l l c 协议有：c s m a c d 、 t o k e n b u s 、t o k e n r i n g 和f d d i 。m a c 子层的主要功能是提供连接服务类型，其 中，面向连接的服务能提供可靠的通信。图2 3 给出了l l c 帧结构和m a c 帧结构 的关系。 商层数据 i 上 d s a ps s a p控制u c 数据 j - m a c 首部m a c 数据m a c 尾部 图2 3l l c 帧结构和m a c 帧结构的关系 i e e e 8 0 2 标准定义了l l c 子层和m a c 子层的帧格式。数据传输过程中，l l c 子层将高层递交的报文分组作为l l c 的信息字段，再加上l l c 子层目的服务访问 点( d s a p ) 、源服务访i h 点( s s a p ) 及相应的控制信息以构成l l c 帧。l l c 帧格式 相关背景知识 及其控制字段定义见图2 4 和图2 5 l l c 帧： 图2 4l l c 帧格式 裁i 。一 12345678 91 01 11 21 31 41 51 6 0 n ( s ) p 怒 n ( r ) 10 l s s l xxxxp 惩 n ( r ) 11m mp 瞧hi i 图2 5l l c 帧的控制字段 l l c 的链路只有异步平衡方式( a b m ) ，而不用正常响应方式( n r m ) 和异步响 应方式( a r m ) 。也即节点均为组合站，它们既可作为主站发送命令，也可作为从 站响应命令。i e e e 8 0 2 2 标准定义的l l c 帧格式与h d l c 的帧格式有点类似，其 控制字段的格式和功能完全效仿h d l c 的平衡方式制定。l l c 帧也分为信息帧、 监控帧和无编号帧三类。信息帧主要用于信息数据传输，监控帧主要用于流量控 制，无编号帧用于在l l c 子层传输控制信号以对逻辑链路进行建立与释放。l l c 帧的类型取决于控制字段的第l 、2 位，信息帧和监控帧的控制字段均为2 字节长， 无编号帧的控制字段为l 字节。监控帧控制字段中的第5 8 位为保留位，一般设 置为o 。控制字段中的其它位含义与h d l c 控制字段中的含义相同。服务访问点 s a p 实际上是l l c 子层的逻辑地址，简称s a p 地址。一个主机的l l c 子层上设 有多个s a p ，以便向多个进程提供服务，比如主机a 到主机b 方向现在同时有两 个进程，这两个进程分别通过主机a 的l l c 子层的两个s a p 和主机b 的l l c 子 层的两个s a p 建立连接，因此这两个进程可以同时进行。 由于i e e e8 0 2 规定了不同m a c 子层协议，其m a c 帧的帧格式各不相同， 但不管哪一种m a c 协议，都具有m a c 地址，即每个站的物理地址。随着局域网 的互连，在各地的局域网中的站必须具有互不相同的物理地址，同时为了使用户 买到网卡就能把机器连到局域网上工作，8 0 2 标准规定将m a c 地址固化在网卡中， 采用4 8 b i t ( 6 字节) 的地址字段，其中前三字节( 高2 4 位) 由i e e e 统一分配， 世界上凡是生产网卡的厂家都必须向i e e e 购买这三个字节构成的一个号，又称“地 址块 ，地址字段的后三字节( 低2 4 位) 由厂家自行分配。 2 2i e e e 8 0 2 11 系列标准简介 i e e e8 0 2 1 1 标准虽然己经历了将近二十年的发展( 如图2 6 所示) ，但它依然 9 韭京交通火学硕士学位论文 在不断的改进和发展之中，以适应安全认证、漫游和q o s 等方面的要求。 1 9 9 9 年i e e e 发布 8 0 2 1 1a ，工作在5 g h z 的i s m 频段，支持最大速 率为5 4 m ，室内约3 0 米，室外约1 0 0 米 8 0 2 11h i s t o r y 瓣802 1 924 g h z i s m 3 1 0 k 忪孽 1 ，工作在 c 乍- e e e 譬士 的 频段，i1 ：z ：。三二0 二e 支持最大速率为l ；茧一 舛m ，室内约5 米， ” 室外约1l 19 9 7 年i e e e 发布第一 个8 0 2 1 1 标准，工作 在2 4 g h z 的i s m 频 段，支持速率为1 m 或 者2 m ，室内约2 s 米， 室外约7 5 米 19 9 9 年i e e e 发布 8 0 2 1 1 b ，工作在 2 4 g h z 的i s m 频段， 支持最大速率为 1 1 m ，室内约3 5 米， 2 0 0 7 年i e e e 发布 8 0 2 1 1 nd r a 仃2 0 ，工 作在2 a g h z 的i s m 叛 段，支持最大速率为 2 4 8 m ，室内约7 0 米， 图2 68 0 2 1 1 发展历程 8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 a 是1 9 9 9 年出台的标准，它们分别工作在2 4 g h z 和5 g h z 频段，前者采用直接序列扩频( d s s s ) 技术，传送速率可达1 1 m b i t s ，后者则采用正 交频分复用( o f d m ) 技术，传送速率可达5 4 m b i t s 。此后，在媒体接入控制链路连 接控制( m a c l l c ) 层面上进行扩展，形成了8 0 2 1 l c 以及8 0 2 1 l d 标准。而8 0 2 1 1 e ， f ，g ，h ，i ，n 也各有侧重，下面将分别介绍一下这几种标准 1 8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 b 8 0 2 1 l b ( 且pw i f i ) 由i e e e 在1 9 9 8 - - - - 1 9 9 9 年制订完成。w i f i 使用单一承载调 制( 即码分键控c c k ) ，提供3 个非重叠信道，支持l ，2 ，5 5i v b i f f s 以及1 1m b i t s 等速率的数据流。8 0 2 1 1 b 是所有w l a n 标准演进的基石，未来许多的系统大都 需要与8 0 2 1 l b 后向兼容。 在制订w i f i 的同时，i e e e 还在制订另一种支持更高速率的标准8 0 2 1 1 a 。 8 0 2 1 1a 是一个非全球性的标准，与8 0 2 1 l b 后向不兼容，但它采用o f d m 技术， 支持的数据流高达5 4 m b i t s ，提供几倍于8 0 2 1 1 b g 的高速信道，如8 0 2 1 l b g 提供 3 个非重叠信道，而8 0 2 1 1 a 提供的非重叠信道可达8 1 2 个，只是有效距离小于 w i f i 。 2 8 0 2 1 1 9 i e e e 为了解决8 0 2 1 1 a 的产品不能和8 0 2 1 l b 相兼容的问题，开发了8 0 2 1 1 9 协议，它在和8 0 2 1 1 b 兼容的基础上提高了速度和传输距离。8 0 2 1 l gt _ 作在2 4 g h z 频段，使用c c k 技术以与、m f i 后向兼容，同时为支持更高的速率( 5 4 m b i t s ) ， 8 0 2 1 l g 又采用了o f d m 技术，可以说8 0 2 1 l g 融合了2 4 g h z 及5 g h z 两个频段。 3 8 0 2 1 1 e 8 0 2 1 1e 是i e e e 为满足服务质量( q o s ) 方面的要求而制订的w l a n 标准。在 一些对延时有严格要求的业务( 如话音、视频等) 中，q o s 是非常重要的指标。在 1 0 相关背景知识 8 0 2 1 1 m a c 层，8 0 2 1 le 加入了q o s 功能。 4 8 0 2 1 1 i 8 0 2 1 1 i 是为解决w l a n 安全认证问题而制订的新安全标准。8 0 2 1 1 i 或增强 型安全网络( e s n ) 是为加强安全性而对现有8 0 2 1 1 标准进行优化的方案。图2 7 展 示了8 0 2 1 l i 的协议栈，从图中可以看出8 0 2 1 x ，t k i p 及基于a e s 的加密构成 8 0 2 1 1 i 新安全标准的主要部分。 上层认证协泌 8 0 2 1 x ! 肺密 ( 碍伸、t k i p 、a e s ) 8 0 2 1 上吼虬 蚝p ：滗线觯崭协泼 t k i p ：警时街舒 缀域阱波 a e s ：赢级认证杯准 图2 78 0 2 1 l i 协议堆栈 5 8 0 2 1 1 h 8 0 2 1 1 h 是欧洲制订的、工作在5g h z 频段的无线标准，目的是减少对同处于 5 g h z 频段的雷达的干扰。8 0 2 1 1 h 涉及两种技术，一种是动态频率选择( d f s ) ，即 接入点不停地扫描信道上的雷达，接入点和相关的基站随时改变频率，最大限度 地减少干扰，均匀分配w l a n 流量；另一种技术是传输功率控n ( t p c ) ，总的传输 功率或干扰将减少3 d b 。 6 8 0 2 1 1 f 8 0 2 1 l f 是为解决漫游问题而制订的接入点之间的协议。为了支持用户从一个 接入点漫游到另个接入点，8 0 2 1 1 标准不限制接入点之间的通信，为此允许不 同分布式系统之间灵活运作( 如连接接入点的有线骨干网) 。但漫游时不同提供商提 供的接入点可能无法互通，8 0 2 1 l f 就是专门针对接入点之间的漫游而制订协议， 它能为接入点之间支持8 0 2 1 1 分布式系统功能提供必要的交换信息。 7 8 0 2 1 1 n 8 0 2 1 1 n 专注于高吞吐量的研究，新兴的8 0 2 1 1 n 标准具有高达6 0 0 m b p s 的速 率，可提供支持对带宽最为敏感的应用所需的速率、范围和可靠性。这样高的速 率当然要有技术支撑，8 0 2 1 i n 协议的关键技术包括：空间多路复用多入多出 ( s p a t i a lm u l t i p l e x i n gm i m o ) 、2 0 和4 0 m h z 信道、双频带( 2 4 g h z 和5 g h z ) 和o f d m 技术。 几种比较常用的8 0 2 11 m a c 层标准在图2 8 中有所展示 图2 88 0 2 1 l e 协议体系 上图中的8 0 2 1 1 e 是本论文关注的重点。 1 2 无线局域网概述 3 无线局域网概述 3 1w l a n 网络架构 为了更好理解本节内容，先介绍几个基本概念。 无线站点s t a ( w i r e l e s ss t a t i o n ) ：配置支持8 0 2 1 1 协议的无线网卡的终端。 s t a 通过m a c 层机制来共享同一个无线信道，最简单的w l a n 仅仅由s t a 组成， 它们之间直接通信。 无线接入点a p ( w i r e l e s sa c c e s sp o i n t ) ：有时也被称为基站b s ( b a s es t a t i o n ) ， 是数据链路层设备。a p 为s t a 之间的通信提供帧转发功能。 a dh o c 网络t 也称为自组织网络或者单跳网络，仅由s t a 之间通过无线传输 媒介组成的网络，这些s t a 在彼此无线信号覆盖范围内，因此之间能够互相通信