（控制理论与控制工程专业论文）无线局域网mac子层的研究及基于arm的设计.pdf

武汉理工大学硕十学位论文 摘要 当前，无线局域网技术的发展闩新月异，它是继3 g 之后通信领域的又一热 点。无线局域1 稠( w i r e l e s si a n ，w l a n ) ，是一种利用无线媒介，提供无线对等 和点到点连接的数据通信系统。目前业界存在多种无线局域网标准，其中i e e e 发布的i e e e 8 0 2 1 l x 系列标准应用最广泛，该标准规范了无线局域网的媒介访问 控制( m a c ) 层和物理( p h y ) 层。 m a c 层协议的研究和实现是开发自主知识产权无线局域网产品的关键。论 文以i e e e 8 0 2 1 l b 标准作为研究和设计的基础。论文分析了日前业界较为流行的 3 种无线局域网标准各自的特点和应用情况，无线局域网的优点和主要的应用领 域。研究了i e e e 8 0 2 1 l b 无线局域网的组网特点、基本组成构件以及逻辑服务接 口，讨论了无线局域网的两种基本组网模型b s s ( b a s i cs e r v es e t ) 和i b s s ( i n d e p e n d m e n tb a s i c s e r v es e t ) 。对m a c 层提供的9 种基本服务以及各种服务 间的关系进行了深入的剖析。介绍了m a c 的数据、管理和控制帧结构。 论文对i e e e 8 0 2 1 l b 无线局域网的两种基本接入方式d c f ( 分布式协调 控制功能) 和p c f ( 集中协调控制功能) 进行了分析。特别对基于c s m a c a ( 带 碰撞避免的载波侦多址接入) 技术的d c f 进行了系统、深入的分析，重点研究 了其中的载波侦听、随机退避机制、帧的恢复和重传、信道控制等技术。分析 了m a c 的层管理功能，对其中的帧同步维护、捕获和扫描以及功率管理的实现 细节作了详细的研究。 论文在分析了m a c 层协议的基础上提出了基于3 2 位a r m 处理器 $ 3 c 4 5 1 0 b 的无线网卡设计方案。具体设计了其中的m a c 控制器部分，设计了 m a c 控制器中的硬件电路，实现了实时内核u c o s i i 在$ 3 c 4 5 1 0 b 处理器上的 移植，以此作为m a c 协议软件的运行环境。最后根据模块化程序设计思想，设 计了站点m a c 层协议软件，将整个协议功能分成了7 个功能模块，详细介绍了 每个协议模块的功能和实现模块功能的方法，设计了其中4 个模块的程序。 关键词：无线局域网，媒介访问控制协议，分布式协调功能，集中协调功能 p r e s e n t l y , d e v e l o p m e n to fw i - a nt e c h n o l o g yc h a n g e sw i t he a c hn e wd a y , i ti sah o ts p o to f c o m m u n i c a t i o nd o m a i nb e s i d e s3 g t h ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w i r e l e s sl a n ，w l a n ) ，i sa d a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mt op r o v i d e st h ec o n n e c t i o np o i n tt op o i n ta n de q u a le n t i t yt oe q u a l e n t i t yt h r o u g hw i r e l e s sm e d i u m a tp r e s e n tt h e r ea r em a n yk i n d so fw l a ns t a n d a r d t h e r e i n t o i e e e 8 0 2 1 l xs e r i e ss t a n d a r dw h i c hi s s u e db yl e e ei su s e dm o s tw i d e l y , t h i ss t a n d a r ds p a c i f y m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) l a y e ra n dp h y s i c s ( p h y ) l a y e ro fw l a n t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fm a cp r o t o c o li sak e ya s p e c tt od e v e l o p ei n d e p e n d e n t i n t e h e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sw u 蚺p r o d u c t 1 r h et h e s i st a k e sr e s e a r c ha n dd e s i g nb a s e do nt h e i e e e 8 0 2 1 l bs t a n d a r d t h e s i sa n a l y s e dr e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o no f3 k i n do fw l a ns t a n d a r d s t u d yn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c c o m p o n e n t sa n dt h el o g i c a ls e r v i c e i n t e r f a c eo ft h el e e e 8 0 2 1 i bw i a n d i s c u s s e dt w ok i n do fb a s i cn e t w o r k sm o d e l s b s s ( b a s i cs e r v es e t ) a n d1 b s s ( i n d e p e n d m e n tb a s i cs e r v es e t ) o fw ia n t h e s i sa n a t o m i e d9 k i n d o fb a s i cs e r v i c e sa n dr e l a t i o b sb e t w e e ne a c hk i n do fs e r v i c ew h i c hp r o v i d e db yt h em 魄c l a y e r h a sd e f i n e dt h em a c d a t a t h em a n a g e m e n ta n dt h ec o n t r o lf l a l n es t r u c t u r e t b et h e s i sa n a l y s et w ok i n d so fb a s i c a lc o n n e c tm o d e lo fl e e e 8 0 2 1 l bw i 。a n _ d c f ( d i s t r i b u t i o n a lc o o r d i n a t i o nc o n t r o lf u n c t i o 曲a n dp c f ( c e n t r a l i s mu o o r d i n a t i o nc o n t r o lf u n c t i o n ) h a v eas y s t e m a t i c a la n dt h o r o u g ha n a l y s i so nd c fw h i c hb a s e do nc s m a c a ( c a r r ys e n s e d e t e c t e d o fm u l t i p l ea c c e s so fc o l l i s i o na v o i d ) t e c h n o l o g y , s t u d i e dc a r r i e rs e n s et oi n t e r c e p t ， s t o c h a s t i ca v o i d a n c e m e c h a n i s m ，r e s t o r a t i o na n dr e - t r a n s m i to ff a l n e ，c h a n n e lc o n t r 0 1 i n t r o d u c e dt l l em a cl e v e lm a n a g e m e n tf u n c t i o n h a sm a d ead e t a i l e di n t r o d u c t i o no n s y n c h r o n i z a t i o nm a i n t e n a n c e ，t h ec a p t u r ea n dt h es c a n n i n go fb e s i d et h ep o w e rm a n a g e m e n t r e a l i z a t i o nd e t a i l mt h e s i sh a v e p r o p o s e dap r o j e c to fo e t w o r ki n t c r f a c ec a r db a s e dd n3 2a r mp m c e s s o r s 3 0 牾l o ba f t e ra n a l y z i n gi nt h em a c l a y e rp r o t o c 0 1 t h et h e s i sh a sd e s i g n e dm a c c o n t r o l l e r d e s i g n e dh a r d w a r ee l e c t r i cc k c u i t o ft h e v i a cc o n t r o l l e r , h a st r a n s p l a n t e dr e a l - t i m ec o r e u c o s - 1 1t ot h es 3 c 4 5 1 0 bp r o c e s s o r , t a k e st h i sa st h et h er u ne n v i r o n m e n to fm a cp r o t o c o l s o f t w a r e f i n a l l ya c c o r d i n gt ot h em o d u l a r i z e dp r o g r a mt h o u g h t ，h a sd e s i g n e dt h em a cl a y e r p r o t o c o ls o f t w a r e ，h a sd i v i d e dt h ee n t i r ep r o t o c o lf u u c t i o ni n t o7f u n e t i o n sm o d u l e s ，i nd e t a i l i n t r o d u c e de a c ha g r e e m e n tm o d u l ef u n c t i o na n dt h em e t h o do fr e a l i z i n gm o d u l ef u n e t i o n ，h a s d e s i g n e dp r o g r a mo f4m o d u l e s k e yw o r d s ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , m e d i u ma c x ? , e s sc o n t r o lp r o t o c o l ，d i s t r i b u t i o n a l c o o r d i n a t e df u n c t i o n ，p o i n tc o o r d i n a t e df u n c t i o n n 武汉理t 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 无线局域网技术概述 无线局域i 稠( w i r e l e s sl a n ，w l a n ) ，顾名思义，是一种利用无线媒介，提 供无线对等( 如p c 到p c 、p c 到集线器或者打印机到集线器) 和点到点( 如i a n 到i _ a n ) 连接的数据通信系统【”。它是计算机技术与无线通信技术相结合的产 物，相对于常规l a n ，w l a n 最大特点是用无线信道替代了传统的双绞线、同 轴线路或光纤，通过电磁波发送和接收数据，具有可移动性。由于无线局域网 具有灵活的移动性而受到了人们的青睐，各大公司和组织也都在无线局域网上 投入了大量的财力和人力，并针对各种应用制定了多种标准。目前比较有影响 的无线局域网标准大致有三个，分别是e t s i 制定的h i p e r l a n 无线局域网协 议族，i e e e 组织提出的i e e e8 0 2 1 l x 系列的无线局域网协议族，以及h o m e r f 提出的与前面两者相兼容的标准。现对这三种标准作简要描述如下 1 1 1e t s i 的h ip e r l a n h i p e r l a n 标准由欧洲e t s i ( 欧洲通信标准学会1 制定并大力推广，它包括 h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 两个版本。其中，h i p e r l a n l 发布于1 9 9 6 年，它 工作于5 g h z 频带，采用的调制方式为高斯滤波最小移频键控( c m s 酗，可提供 的数据速率最高可达2 5 m b p s ”。从整体上看，h i p e r l a n l 与8 0 2 1 l b 是相当 的。 h i p e r l , a n 2 是h i p e r l a n 的第二代版本，于2 0 0 0 年底通过e t s i 批准 成为标准。它对应于i e e e 的8 0 2 1 l a ，工作在5 g h z 频带，采用o f d m 调 制技术，并且具备动态频率选择( d f s ) 、发送功率控制f r p c ) 功能，最高可支持 的数据速率为5 4 m b p s 4 | 。在m a c 层，h i p e r l a n 2 采用预留t d m a 多址方式， 动态t d d 双工方式。并且能够在高吞吐率下支持网络服务质量( q o s ) ，从而 为视频流、话音等实时应用提供支持。 武汉理上人学硕+ 学位论文 1 1 2h o m e r f 制定的无线局域网标准 h o m e r f 是由h o m e r f 工作组丌发的，是在家庭区域范围内的任何地方，在 p c 机和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。作为无线技术 方案，它代替了需要铺设昂贵传输线的有线家庭网络，为网络中的设备，如笔 记本电脑和i n t e r n e t 应用提供了漫游功能。i o m e r f 工作在2 4 g i t z 频段，能提 供1 m b p s 至2 m b p s 的数据传输带宽，新的h o m e r f2 x 标准的最高数据传输 带宽则可达1 0 m b p s ，支持数据和音频。该协议的网络是对等网，也就是说，网 上的每一个节点都是相对独立的，不受中央节点的控制。因此，任何一个节点 离开网络都不会影响到网络上其他节点的正常工作。它的另外一个特点是低功 耗。但由于市场、技术等方面的原因，作为( w i f i i e e e 8 0 2 1 l b ) 技术主要竞 争对手的h o m e r f 技术目前在无线联网市场上已经销声匿迹了。 1 1 3i e e e 制定的无线局域网系列标准 i e e e 在1 9 9 0 年1 1 月成立了w l a n 标准委员会，并于1 9 9 7 年1 1 月发布全 球第一个w a l n 标准i e e e 8 0 2 1 1 。目前已经批准了四个涉及物理层和m a c 子 层的主要标准：8 0 2 1 1 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l g ，后三个标准是8 0 2 1 1 的升级。其中8 0 2 1 1 b 产品是目前全球市场无线网卡设备的主流，而8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 9 设备的市场份额也在逐步增加 8 0 2 1 l b 工作在2 4 g h z 的i s m ( 3 ：k 、科技、医疗) 频段，采用直接系列扩 频和c c k 件 码键控) 调制技术。支持5 5 m b p s 和l l m b p s 两种速率，可以与速率 为1 m b p s 和2 m b p s 的8 0 2 1 1d s s s ( 直接序列扩频1 系统交互操作，但不能与 1 m b p s 和2 m b p s 的8 0 2 1 1f h s s ( 跳频扩频) 系统交互操作。支持的范围是室 外3 0 0 米，室内最大1 0 0 米。8 0 2 1 l b 使用与以太网类似的连接协议和数据包确 认，来提供可靠的数据传输和网络带宽的有效利用。8 0 2 1 l b 也是目前无线局域 网中应用最广泛的一种标准。 8 0 2 1 1 a 工作于5 g h z 的u n i i 频段f 5 1 5 5 2 5 g h z 、5 2 5 5 3 5 g h z 、5 7 2 5 - - 5 8 2 5 g m ) ，该标准采用o f d m ( 正交频分复用) 调制数据，物理层速率可达 5 4m b p s ，传输层可达2 5 m b p s 。可支持2 5m b p s 的无线a t m 接口和1 0m b p s 的 以太网无线帧接口，以及t d d ，t d m a 的空中接口：支持语音、数据和图像业务： 一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。但8 0 2 1 l a 与8 0 2 1 l b 武汉理： 大学硕士学位论文 不兼容，并且实现成本也比较高，所以该标准目前应用得比较少，预计将在今 后几年内得到快速发展。 8 0 2 1 l g 是对8 0 2 1 1 b 的一种高速物理层扩展，同8 0 2 1 l b 一样，8 0 2 1 1 9 也工作在2 4 g h zi s m 频段，所以和8 0 2 1 l b 是兼容的，但它在物理层采用了 o f d m 调制技术，从而将最高速率提升到了5 4 m b p s ，与8 0 2 1 l a 相当。同时它 还较好地解决了与蓝牙的干扰问题，目前e 在逐渐取代8 0 2 1 1 b 的地位。 8 0 2 1 l n 是下一个无线新规范，制定8 0 2 1 l n 的目的就是提高w l a n 的传输 性能，预计将使带宽达到1 0 8 m b p s ，最高速率或可达到3 2 0 m b p s 。同时加入了 服务质量管理功能，以支持语音和视频应用。该标准目前还没有完全定案。 以上4 种标准是完善的无线局域网系统的扩展版本，除此之外，i e e e 还出 台了修改现存协议缺陷的一些加强版本，现列举如下： ( 1 ) 8 0 2 1 l c ：关于8 0 2 1 1 网络和普通以太网的互通协议 ( 2 ) 8 0 2 1 l d ：非2 4 g 频段上8 0 2 1 l b 协议的移植 ( 3 ) 8 0 2 1 l e ：解决8 0 2 1 1 网的q o s 问题，采用时分多路接入( t d m a ) 技术， 并对重要通信增加额外纠错功能，支持多媒体业务。 ( 4 ) 8 0 2 1 l f ：用户在两个不同的交换网段，或两种不同类型无线网的接入点间进 行漫游时，改善切换机制以更好地维护网络连接。 ( 5 ) 8 0 2 1 l h ：优化传输功率和在8 0 2 1 l a 中的无线信道的选择。 ( 6 ) 8 0 2 1 l i ：该标准采用了a e s 加密算，克服8 0 2 1 1 安全性方面的不足。 ( 7 ) 8 0 2 1 1 1 讨论8 0 2 1 l a 和h i p e r l a n 2 的无线共存问题。 另外征对目前i e e e8 0 2 1 1 系列标准存在的安全性方面的隐患，我国政府也 在2 0 0 3 年1 1 月颁布了无线局域网技术的国家标准，在国家标准中采用了具有自 主知识产权的w a p i ( 无线局域网鉴别与保密基础结构) 安全机制，该机制相对 于i e e e 8 0 2 1 1 标准的w e p ( 有线等校加密) 在安全性上有了很大的提高，目前 国内的w a p i 联盟正在努力把该标准申请为国际标准。 1 2 无线局域网的优点及应用 无线局域网技术近几年来发展十分迅速，在多种场合被广泛应用。相对于传 统有线局域网，无线局域网有如下的优点： ( 1 ) 移动性：无线网络的设置准许用户终端在整个无线网络扩展服务集所覆盖 武汉理工大学硕十学位论文 范围内任意移动，在一定程度上不受地理位置的限制，组网灵活。对于受地理 位置限制和经常移动的通信终端组网特别方便。 ( 2 ) 低成本：由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑未来 发展的需要，这就往往导致预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展 超出了设计规划，又要花费较多费用进行网络改造，而无线局域网可以避免或减 少以上情况的发生：同时使用无线网络可以避免铺设线缆、租用线路等费用， 从而大大降低组网成本。 ( 3 ) 高可靠性在有线网络中，线缆的故障通常是网络瘫痪的主要原因，而无 线局域网以电磁波作为传输媒介，在传输的可靠性上有了很大的提高。 ( 4 ) 工作效率通过无线局域网提高了灵活性、移动性和便利性，它最直接的 结果就是提高了工作效率。 由于无线局域网与传统的有线局域网相比，具有可移动性、用户接入灵活、 保密性强、抗干扰性好、维护方便以及良好的性能价格比等特点，在变动频繁、 成长快速、突发性以及不方便铺设网络的情况下，成为用户的一种最佳选择方 案，目前主要应用在以下几个领域： ( 1 ) 难以布线的环境：老建筑、布线困难或昂贵的露天区域、城市建筑群、校 园和工厂。 ( 2 ) 频繁变化的环境：频繁更换工作地点和改变位置的零售商、生产商，以及 野外勘测、试验、军事、公安和银行等。 ( 3 ) 专门工程或高峰时间所需的暂时局域网：学校、商业展览、建设地点等人 员流动较强的地方；利用无线局域网进行信息的交流；零售商、空运和航运公 司高峰时间所需的额外的工作站等。 ( 4 ) 方便移动办公和娱乐的环境：如办公室、家庭、医院、机场候机厅、车站 等场所，人们可通过便携式计算机轻松接入i n t e r n e t 可见，随着开放办公的流行和便携式移动终端的普及，人们对移动性访问 和存储信息的需求愈来愈多，因而无线局域网将会在办公、生产和家庭等领域 不断获得更广泛应用。 1 3 课题研究的目的和意义 近年来，无线局域网技术快速发展，它被看作是继3 g 技术后通信领域的又 4 武汉理r 大学硕士学侮论文 一新的热点。众多大的通信产品制造商都在该技术上投入了大量的人力和物力， 抢占无限局域网的技术制高点，在今天这个技术就是竞争力的时代，我们有必 要掌握无线局域网的核心技术。目前w l a n 的几大技术标准中，i e e e8 0 2 1 1 x 系列标准应用最为广泛，i e e e 8 0 2 1 l x 标准主要定义了分层协议中的m a c 子层 和物理层的规范，在此本课题以i e e e8 0 2 1 l b 标准的m a c 层规范为研究基础， 研究的目的是： 对i e e e8 0 2 1 l b 标准中的m a c 予层规范进行系统分析和研究，并最终设计 m a c 子层功能的软件i p 核。 本课题研究的意义主要体现在一下几个方面： ( 1 ) 对8 0 2 1 1b 的m a c 层规范的研究，有利于快速掌握i e e e8 0 2 1 1 系列标准 中m a c 子层的实现技术，实现具有自主知识产权的的无线设备。 ( 2 ) 通信协议的研究与实现是网络通信技术研究的重点和难点，通过该课题的研 究可以掌握一套通信协议的核心技术。 1 4 课题主要完成的工作 本课题完成的工作主要有以下几点： ( 1 ) 对i e e e8 0 2 1 l b 标准的m a c 子层协议的重点和难点做了系统、深入研究和 分析。 ( 2 ) 设计了基于$ 3 c 4 5 1 0 b 处理器i p 核运行和验证的硬件电路 ( 3 ) 将r t o s ( 实时操作系统) u c o s i i 移植到了$ 3 c 4 5 1 0 b 处理器，并搭建了 应用软件运行的实时环境。 ( 4 ) 对m a c 层功能实现进行了模块化分析和设计，将m a c 子层分成了7 个功 能模块来实现，并具体设计了其中四个的实现过程。 武汉理工大学硕k 学位论文 第2 章i e e e 8 0 2 1 1 b 无线媒介访问控制协议 2 1 无线局域网的特点 无线网络的一些独有特性，致使它与有线网络有很多不同点。在有线网络 中，设各地址对应其物理位置【”。而在无线网络中，编址单元是站点s t a ( s t a t i o n ) ，由于s t a 的物理位置通常是移动的，因此目的地址不等于目的物理 位置。 i e e e8 0 2 1 1 b 的物理层与有线网的物理层有本质的区别，w e e8 0 2 1 l b 使 用的无线媒介没有绝对的边界，从而不能保证目的s t a 能否正确接收网络中的 数据帧。同时相对于有线网络封闭的物理线路对信号提供的保护来说，无线网 络的媒介是一个开放的系统，其信号得不到这种保护。无线网络还具有动态的 拓扑结构，而且缺乏充分的连接性，因此不能假定所有的站点都能与其他站点 直接通信【1 1 。另外，无线信道还具有时变和非对称的传播特性。由于无线物理层 覆盖范围的限制，为了能覆盖合理的地理距离，无线局域网应该由小的基本覆 盖单元所组成。 w e e8 0 2 1 l b 需要解决移动站点的问题。就是移动站点可以在移动过程中 对无线网络进行访问。由于移动站点经常是电池驱动的，因此电池管理也是一 个要考虑的重要因素，不能假定站点的接收机经常是开着的1 2 】。 另外，w e e8 0 2 1 l b 网络作为w e e8 0 2 系列中的一员，对于上层的逻辑 链路控制( l l c ) 应该显示出当前w e e8 0 2 局域网的风格。这就需要w e e 8 0 2 1 1 b 在m a c 子层内部解决站点移动性的问题。为了满足l l c 对其下层的 可靠性假设，w e e8 0 2 1 1 协议必须包含传统m a c 层所不具有的功能。 2 。2i e e e8 0 2 11b 无线局域网的体系构成 w e e8 0 2 1 i b 无线局域网的体系结构包括几个部分，这几个部分相互作用， 达到提供能够对网络上层进行站点( s t a ) 移动性透明支持的无线局域网。8 0 2 1 1 体系结构的组成包括：无线站点s t a ( s t a t m n ) ，无线接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) ， 6 武汉理工大学硕士学位论文 独立基本服务集i b s s ( i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t ) ，基本服务集b s s ( b a s i c s e r v i c es e t ) ，分发系统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 和扩展服务集e s s ( e x t e n d e d s e r v i c es e t ) ，图2 1 是一个典型的i e e e8 0 2 1 1 体系构成图。 1 m a c p h y 无线站点( s t a ) 是指接入无线媒介的部分，它包含m a c 实体和p h y 实体。 和有线网络相对应，s t a 也常被称做网络适配器或网络接口卡。基本服务集 ( b s s ) 是i e e e8 0 2 1 1 局域网的基本构成单元。可以将b s s 理解为一个覆盖 区域，在该区域内b s s 的成员站点之间可以保持相互通信。如果一个站点移出 了b s s ，它就不能直接和b s s 内的其它站点直接通信。 独立基本服务集( i n d e p e n d m e n tb s s ，i b s s ) 是最基本的i e e e 8 0 2 1 l b 局域网 类型。一个最小的i e e e8 0 2 1 1 b 局域网也许仅仅包含两个站点。这种操作模式 在i e e e8 0 2 1 l b 站点能够直接通信时才是可能的。由于这种类型的i e e e 8 0 2 1 l b 局域网通常不是事先规划好的，而是只有在需要时才产生，因此这种网 络工作模式通常被称为a dh o c 网络。s t a 与b s s 之间的关联是动态的，s t a 可以自由地开机、关机、进入或离开覆盖范围。为了成为b s s 中的一员，s t a 必须与该b s s 是已关联的，这种关联是动态的。 物理层( p h y ) 覆盖范围的限制决定了站与站之间直接通信的距离，对于 某些网络该距离足够，但是对另外一些网络，则可能需要扩展覆盖区域。除了 独立存在以外，b s s 之间也可以相互连接形成一个大的网络吼用来连接b s s 的网络构件被称为分发系统( d s ) 。i e e e8 0 2 1 l b 逻辑上将无线媒介( w m ) 与 分发系统媒质( d s m ) 区分开来。每一种逻辑媒介由结构中不同的体系结构构 件用于不同目的，逻辑媒介的多样性使得网络结构具有充分的灵活性，根据不 7 武汉理工大学硕士学位论文 同的应用可以构造不同的i e e e8 0 2 1 1 b 网络。d s 通过提供解决目的站地址映射 和无缝多b s s 集成所必需的逻辑业务支持移动设备。访问点( a p ) 是用来提供 分发服务从而实现对d s 的访问。 数据通过a p 在b s s 和d s 之问传送，同时所有的a p 都是s t a ，因此 它们也是可寻址的实体。由于a p 跨在w m 和d s m 之上，它可能有两个地 址：一个w m 和一个d s m 地址，但这两个地址不需要相同。d s 和b s s 可 以让i e e e8 0 2 1 1 组成了一个任意大小和复杂度的无线网络，这种类型的网络 就是扩展服务集网络( e s s ) 。对于上层l l c 层来说，e s s 和i b s s 网络并没 有区别，在同一个e s s 中的站点可能相互通信，移动站点可能从一个b s s 移 动到另一个b s s ，这对u 都是透明的。 在e s s 中可能出现以下情况：b s s 可能部分重叠；b s s 在物理上可以相 互脱离；b s s 在物理上可能相互靠近；一个或多个i b s s 或e s s 网络可能在出 现在同一个空间中。 为了综合i e e e8 0 2 1 l b 与传统的有线局域网，需要引入一个入口( p o r t a l ) 。 该入口是m s d u 从一个集成的非i e e e8 0 2 1 1 网络进入i e e e8 0 2 1 1d s 的 逻辑点【1 】o 入口提供了1 e e e8 0 2 1 1 结构和已存在的有线l a n 之间的集成，同 一个s t a 既可以作为a p 也可以同时作为p o a a l ，当d s 是用i e e e8 0 2l a n 的元素构造时就是这种情况。在i e e e8 0 2 1 1 中，e s s 结构( a p 和d s ) 提供 了通信量分段和范围扩展，i e e e8 0 2 1 1 网络与其它l a n 之间逻辑连接是通过 入口来完成的。 2 3i e e e8 0 2 11 b 体系服务 i e e e8 0 2 1 l b 体系结构准许d s 可以不同于现有的有线局域网。可以使用很 多不同的技术，包括当前的i e e e8 0 2 有线局域网技术来构建d s 。同时并不限制 d s 是基于数据链路层还是基于网络层，也没有限制d s 的特性是集中式的，还 是分布式的。i e e e8 0 2 1 l b 只是详细规定了九种类型的服务，分别是： ( 1 ) 鉴权( a u t h e n t i c a t i o n ) 佗) 取消鉴权( d e a u t h e n t i c a t i o n ) ( 3 ) 加密( p r i v a c y ) ( 4 ) 媒介访问控制服务数据单元交付( m s d ud e l i v e r y ) 武汉理：人学硕十学位论文 ( 5 1 关联( a s s o c i a t i o n ) ( 6 ) 去关联( d i s a s s o c i a t i o n ) ( 7 ) 重新关联( r e a s s o c i a l i o n ) f 8 1 分发( d i s t r i b u t i o n ) ( 9 ) 综合( i n t e g r a t i o n ) 根据提供服务的主体不同这九种服务可分为站点服务( s s ) 和分发系统服 务( d s s ) 。其中鉴权、取消鉴权、加密、媒介访问控制服务数据单元交付是由 站点提供的服务，被称为站点服务( s s ) ；而关联、去关联、分发、综合、重新 关联由分发系统提供的服务，被称为分发系统服务( d s s ) 。 i e e e8 0 2 1 l b 体系结构准许无线媒介( 1 j h 1 ) ，分发系统媒介( d s m ) 和综合 有线局域网是不同的物理媒介，同时也准许每个构件工作在不同的地址空间。 i e e e8 0 2 儿b 只使用和制定w m 地址空间。每个i e e e8 0 2 1l b 物理层工作在单 一韵媒介上，每个l e e e8 0 2 1 l bm 凡e 层工作在单一钓鲍址空问。在每个i e e e 8 0 2 1 】b 体系中，m a c 地址被用于w m 上，也就是物理层的唯一性是通过m a c 地 址的唯一来判断的，m a c 地址由4 8 位二进制组成【4 j 。 在i e e e8 0 2 1 l b 提供的九种类型服务中有六种服务用于支持站点之间的 m s d u 交付，另外三种用于控制i e e e8 0 2 1 l b 局域网的访问和机密性。每种服 务由一秘或多静m a c 帧消息支持。有些服务由m a c 管理消息帧消息支持，有 些服务由m a c 数据消息帧的支持。m a c 子层使用了三种类型的消息数据 ( d a t a ) ，管理( m a n a g e m e n t ) ，控制( c o n t r 0 1 ) 。所有消息都是通过i e e e8 0 2 1 l b 的m a c 子层媒介访问获得对w m 的访问。下面根据不同服务类型加以详细说 明： 2 3 ，1 支持消息在分发系统中分发的服务 1 分发 分发是i e e e8 0 2 1 l bs t a 使用的最主要的服务。概念上来说，分发是消息 对e s s 操作的调用。调用者是每个进出i e e e8 0 2 n s t a 的数据消息，而被调用 者是e s s 钓操作，该e s s 由发出消息帧的d s 构成。在图2 一】中，如果一个数 据消息要从s t a l 发送到s t a 4 。消息是先从s t a l 出发，然后出s t a 2 接收( 输 入到a t ) 。a p 将这些消息交给d s 的分发服务。分发服务识别并确定与接受 9 武汉理工大学硕士学能论文 者s t a 4 相关联的d s 终点，将信息追过d s m 发送到正确的d s 终点，图中是 兼作a p 的s t a 3 接受信息并对控制头进行分析，在本身的b s s 区域内定位s t a 4 ， 接着s t a 3 访问w m 并将消息发送给s 1 a 4 。i e e e8 0 2 1 l b 没有规定消息是如 何在d s 中分发。要求i e e e8 0 2 1 i b 完成的全部任务就是为d s 提供足够的信 息，使得d s 能够决定将消息传送到哪个合适的输出点。这些必要的信息由三 个相互关联的服务( 关联，重新关联，去关联) 提供给d s 。在上述例子中，调 用分发服务的a p 与接收分发消息的a p 是两个不同访问点，如果发送站点和 接收站点处在同一个b s s 中，该消息的输入a p 和输出a p 就是同一个a p 。 在这两个例子中，分发业务在逻辑上都被唤醒，与消息是否在物理d s m 中传 送无关。 2 综合 如果分发服务确定消息接收方是一个综合局域网的成员，那么d s 的输出就 是一个入口( p o r t a l ) ，丽不是一个a p 。被分发到入口的消息将导致d s 调用综 合功能。综合功能负责完成将消息从d s m 交付到综合局域网媒介上所需的所有 相关任务【8 】。通过d s 从综合局域网( 通过一个入口) 为一个i e e e8 0 2 1 l bs t a 接收下来的消息将调用综合功能，然后该消息由分发服务分发。综合的具体实 现和分发系统所选用的实现技术有关，在i e e e8 0 2 1 l b 中没有规定。 2 3 2 支持分发服务的服务 m a c 予层的主要任务就是m a c 子层实体间传输m s d u 。分发系统操作所 需信息通过关联服务提供。在数据消息可以被分发服务分发之前，一个s t a 应 先于该数据消息之前产生关联。在理解关联之前应先理解移动的概念，在i e e e 8 0 2 1 l b 中用三种类型的变化来描述一个网络内s t a 的移动分别是： ( 1 ) 没变化( 有两种情况) ：一种是指s t a 不移动，另一种是指相互通信的s t a 在其物理层覆盖的范围内移动( 一个b s s 中) ( 2 ) b s s 变化：是指s t a 在同一个e s s 内，从一个b s s 移动到另一个b s s ( 3 ) e s s 变化：是指s t a 从一个e s s 移动到另一个e s s 与关联相关的三种服务分别是： 1 关联 1 0 武汉理_ _ _ l = 人学硕十学位论文 要在d s 中传送信息，分发服务就需要知道此时通过哪个a p 可以访问给定 的信息接收站，关联的定义将这一信息提供给了d s 。关联是必需的，它也是一 个d s s 服务。要支持无迁移移动，仅有关联就够了。但要支持s t a 在b s s 间迁 移，仅有关联还不够。 一个s t a 在被允许通过a p 发送数据消息之前，首先应该与该a p 建立关联。 s t a 与a p 关联的过程要调用关联服务，该服务为d s 提供该s t a 到a p 的映射。 d s 则利用这种映射信息来完成消息的分发服务。在i e e e8 0 2 1 l b 没有具体规定 d s 如何保存这些信息。 在任一给定瞬间，一个s t a 只能与一个a p 相关联。这就确保d s 能唯一地 给出由那一个a p 来为s t a 服务，一但一个关联建立，s t a 就可利用a l p 与d s 通信1 9 l 。关联总是由s t a 来初始化的，而不是由a p 初始化的。一个a p 同时可 和多个s t a 关联。 2 重新关联 关联足够s t a 没有变化的消息交付，也就是只能满足s t a 静止或是在b s s 内部移动。但是为了支持b s s 的移动变化就需要另外的功能了，这些功能由重 新关联来提供，重新关联也是分发系统服务。 重新关联将s t a 从当前关联的a p 移到另一个关联a p ，从而保证当s t a 从 一个b s s 移动到另一个b s s 时，d s 能及时知道该s t a 和a p 映射的变化发生 的情况，重新关联也总是由移动s t a 来初始化的。 3 去关联 无论何时要终止当前关联，只需调用去关联服务就有了，去关联服务也是分 发系统服务。s t a 通过调用去关联服务来通知d s 取消当前的映射信息，这个意 味着试图通过d s 给该s t a 发送信息是不会成功的。 去关联可由s t a 或a p 中的任何一方发起，去关联是一个通知而不是一个请 求，被通知的一方不能拒绝该通知。 2 3 3 支持访问和机密性服务的服务 有线网络的媒介是一个封闭的系统，该系统可给通信信号提供一个天然的保 护。为了使无线局域网能提供与有线网络相同的保护功能，i e e e8 0 2 1 l b 系统规 1 1 武汉理上人学硕士学位论文 定了鉴权、取消鉴权两种服务柬达到这个目的 1 鉴权 在有线网络中，物理安全性可用于防止未授权访问。但在无线网络中则会 由于媒介物理边界的不确定性而不能防止未授权访问。 i e e e8 0 2 1 l b 通过鉴权服务提供对局域网的访问控制。鉴权服务被所有s t a 用来确定与之通信的对方站点的身份。如果站点之间没有建立起相互可以接收 的鉴权等级，则关联也不能建立。鉴权是站点服务。 i e e e8 0 2 1 l b 提供s t a 之问链路级鉴权。i e e e8 0 2 1 l b 既不提供端到端之 间的鉴权也不提供用户到用户之间的鉴权。它只是简单地用来把无线链路提升 到有线链路采用的物理标准。如有需要的话i e e e8 0 2 1 l b 网络可以使用开放系 统鉴权来操作，在开放系统中任何一个s t a 都可以被鉴权。同时i e e e8 0 2 1 l b 也支持共享密匙鉴权使用这种鉴权需要使用有线等校加密选项。 2 取消鉴权 当需要终止当前的鉴权的时候，就要调用取消鉴权服务。取消鉴