（信号与信息处理专业论文）公共无线局域网接入点的mac技术研究与实现.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 摘要 公共无线局域网，作为兼容w i f i 标准并提供高速数据接入的无线因特网服务供 应系统，其解决方案的提出正日益受到通信行业的关注。本文依据嵌入式系统及无线 网络的特点，提出了一种基于i e e e 8 0 2l l b 的增强型媒体访问控制协议栈系统的设计 与无线接入点实现方案，为嵌入式系统与无线网络的结合应用提供了条快速有效的 解决途径。 无线接入点是负责移动终端管理以及协调无线和有线网络之间通信的关键部件， 它为在子网间漫游的移动终端提供无缝的、高速的、透明的接入服务。而无线局域网 的媒体访问控制协议是无线局域网终端设备物理层与逻辑链路层的接口，其主要功能 是提供对传输介质访问的有效控制。本文以i e e e 8 0 2 1 i b 媒体访问控制协议为基础， 详细研究无线局域网协议体系结构，分析协议实现的关键技术，并以此作为公共无线 局域网系统设计的理论指导。公共无线局域网接入点平台的设计采用自上而下的设计 方法，从系统的总体要求出发，自上而下地逐步将设计内容细化。按照细化方案，完 成系统硬件和软件的总体设计。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌入式软件系统组成。本课题 面向运营应用型，对于媒体访问控制协议栈采用微处理器来开发编程，综合考虑系统 的有效性和可靠性，选择基于嵌入式l i n u x 和摩托罗拉的m p c 8 6 0 处理器的硬件平台 来实现。在协议栈实现过程中，除根据i e e e8 0 2 1 i b 媒体访问控制协议建立相应的软 件模型，还加入更多的高级属性，如用户接入控制、生成树协议、二层用户隔离、功 率管理以及用户漫游等等。另外，为了更好的保证协议的公平性、高吞吐量、小延 迟，利用物理层对多速率的支持，本文还提出一种新的自适应速率控制算法并内嵌入 协议栈实现。 最后，针对操作系统的实时性问题，本文将实时应用程序接口与协议栈相结合， 从而保证系统的快速响应和定时高精度。经过系统测试，接入点性能良好，可以确保 系统快速启动，用户可以高速可靠的共享网络资源。另一方面，接入点兼容性良好， 可以保证和现有产品的互通。 本文首先介绍了公共无线局域网课题开发背景、体系结构以及待研究的问题，接 下来详细阐述了接入点的功能、构成以及涉及的关键技术，最后在深入研究无线局域 网i e e e8 0 21 1 b 媒体访问控制协议的基础上，为公共无线局域网接入点设计了增强型 协议栈，并在具有自主知识产权的嵌入式硬件平台上实现了接入点的软件协议栈和硬 件接口。由于正逐步推出的i e e e8 0 2 1 l g 标准采用了与此类似的媒体访问控制协议， 本论文的工作对未来的i e e e8 0 2 1 l g 无线局域网也具有一定的参考意义。 关键词：公共无线局域网接入点嵌入式l i n u x多线程实时应用程序接口 第i 页 a b s t r a c t w i r e l e s sn e t w o r k i n gw i t he m b e d d e ds y s t e mh a sb e c o m ea s p l e n d i ds c e n a r i o u n d e r t h i sb a c k g r o u n d ，p w l a n ( p u b l i cw i r e l e s sl a n ) i sp r o p o s e da sa na t t r a c t i v es o l u t i o nf o r w i r e l e s si n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e rw i t hh i g h s p e e da c c e s sw h i l es t i l lb e i n gc o m p a t i b l ew i t h w i - f ic e r t i f i c a t e i n t r o d u c i n ga ne n h a n c e dm a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) p r o t o c o ld e s i g n a n dr e a l i z a t i o nf o rp w l a n a p ( a e c e s sp o i n t ) ，t h i s t h e s i sp r o v i d e saf a s ta n de f f e c t i v e s o l u t i o nf o rt h ei n c o r p o r a t i n go fw i r e l e s sn e t w o r k i n ga n de m b e d d e d s y s t e m a pi st h ee s s e n t i me q u i p m e n tr e s p o n s i b l ef o rm a n a g e m e n to fm o b i l et e r m i n a l sa n d b r i d g ef o r t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nw i r e l i n ea n dw i r e l e s sn e t w o r k s i tp r o v i d e ss e a m l e s s ，h i g h s p e e da n dt r a n s p a r e n ta c c e s ss e r v i c e sf o rt h et e r m i n a l sr o a m i n ga m o n gs u b n e t s ， m a c p r o t o c o lf o rw l a n i st h ei n t e r f a c eb e t w e e n p h y ( p h y s i c a l ll a y e ra n dl l c ( l o g i c l i n k c o n t r o l 、l a y e rw h i c he n s u r e st h ec o n t r 0 1o fm e d i u m b a s e so i li e e e8 0 2 1 1 bm a cp r o ， t o c o l ，t h i st h e s i sd o e sd e t a i l e dr e s e a r c ho ni n f r a s t r u c t u r e ，f u n d a m e n t a lp r i n c i p l e sa n dk e y t e c h n o l o g i e s ，w h i c hf o r m st h ef o u n d a t i o nf o rp w l a ns y s t e md e s i g n d e s i g n e dt o p d o w n ， t h ew h o l eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es c h e m eo fp w l a na pi sd e m o n s t r a t e d e m b e d d e ds y s t e mi sc o m p r i s e do fe m b e d d e dp r o c e s s o r ，s u p p o r t i n gh a r d w a r ea n de m - b e d d e ds o f t w a r e c o n s i d e r i n gs y s t e me f f e c t i v e n e s sa n dr e l i a n c e ，o u rs c h e m ei sb a s e do i l e m b e d d e dl i r m xa n dm p c8 6 0 p l a t f o r m d u r i n gt h ep r o t o c o l s t a c kd e s i g n ，b e s i d e sn a t u r a l s o f t w a r em o d e l m a n yh i g h l e v e lc h a r a c t e r i s t i c sa r ea d d e di n c l u d i n gu s e ra c c e s sc o n t r o l ， s t p ( s p a n i n g t r e ep r o t o c 0 1 ) ，2 - l a y e ru s e ri s o l a t i o n ，p o w e rm a n a g e m e n ta n dr o a m i n g ，e t c m e a n w h i l e ，t oe n s u r ef a i r n e s s ，h i g ht h r o u g h p u ta n d1 0 wl a t e n c y , t h i st h e s i sp u t sf o r w a r da n e wa d a p t i v er a t ec o n t r o la l g o r i t h mw i t ht h es u p p o r to fm u l t i - r a t ec a p a b i l i t yf r o mp h y f i n a l l y ，t os o l v et h er e a l t i m ep r o b l e m ，t i f f st h e s i se m b e d st h er t a i ( r e a l - t i m ea p p l i c a t i o ni n t e r f a c e ) i n t ot h es t a c k ，t h u se n s u r e st h ef a s tr e s p o n s ea n dh i g ht i m i n gp r e c i s i o n o ft h es y s t e m b a s e do nt e s tr e p o r t ，t h ea pi si ng o o dp e r f o r m a n c e ：s y s t e mr e b o o t sf a s t s h a r e sn e tr e s o u r c ef a s ta n dr c l i a b l y c o m p a t i b l ew i t ho t h e rw i f is t a n d a r dp r o d u c t s i nt h i st h e s i s p w l a nb a c k g r o u n d i n f r a s t r u c t u r ea n de x i s t i n gp r o b l e m sa r ef i r s t l y i n t r o d u c e d t h e nf u n c t i o n s c o m p o s i t i o na n de s s e n t i a lt e c h n o l o g i e so fa pa r ei l l u s t r a t e d f i n a l l y0 1 3 t h eb a s i so ff i r mu n d e r s t a n d i n go fi e e e8 0 2 1 i b ，a ne n h a n c e dp r o t o c o ls t a c kf o r p w l a na pa n dc o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ei n t e r f a c e sa r ed e s i g n e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m w h i c hi ss e l f - p r o p e r t yr i g h t o w n e da st h ei n c o m i n gi e e e8 0 2 1 l gh a sm u c hc o m m o nw i t h t h i ss c h e m e ，t h i st h e s i sd e m o n s t r a t e sg o o dr e f e r e n c ev a l u ei ns o m ee x t e n t k e y w o r d s ： w l a na pe m b e d d e dl i n u xm u l t i t h r e a dr t a i 第i i 页 y 6 4 4 4 0 l 东南大学学位论文独创性声明及使用授权的说明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其 它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。 签名：垄j 篮日期：垒丝3 ：丛 二、关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交 学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密 论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内 容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：二卜导师签名：婢日期：2 堡丛出 东南大学硕士学位论文 第l 章绪论 第一章绪论 计算机技术的飞速发展及信息社会对于全方位、高质量通信方式的要求，致使 计算机与通信两个领域之间的相互联系、渗透和依赖日益深入，由此也促进了计 算机网络功能的不断完善和应用范围的不断拓宽。传统意义上的局域网( l a n 、l o c a l a r e an e t w o r k ) ，其各类网络设备被网络连线所禁锢，无法实现可移动的网络通信。 随着便携式计算机的广泛应用，计算机网络又面临着新的要求，无线局域网( w l a n ， w i r e l e s sl a n ) 在这种情况下应运而生。无线局域网克服了传统网络的不足，实现了 可移动的数据交换，为局域网开辟了一个崭新的技术和应用领域。 1 1 公共无线局域网的概念 无线局域网这项技术最初只是被看成在家庭和办公场所设备之间物理连接的一个 简单替代，传统的无线局域网由无线网卡、无线网桥、计算机及相关设备组成，与有 线局域网主要区别在于传输媒体与媒体访问控青 i ( m a c ，m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议。 目前，无线局域网已经拓展到一些更广泛的领域，拥有了更多的选择。随着这项技术 被更好的理解，它开始为更多的需求服务。其中，最具有吸引力的就是公共无线局域 网f p w l a n ，p u b l i cw i r e l e s sl a n ) f 1 6 1 7 】，目的在于提供宽带因特网接入。 公共无线局域网解决方案是兼容w i f i 标准d # 盈利性国际组织w e c a 为确保兼容 性颁发的认证) 的无线因特网服务供应系统。这一解决方案作为现有服务的补充，提 供高速数据接入。在个公共无线局域网内部，用户不从属于任何单一的家庭或者公 司，而是共享一个物理设备，此设备和许多地点的公共无线局域网签订协议，从而能 够在漫游时使用高速的本地设备。公共无线局域网包含所有服务供应、用户认证、计 费和网络管理必需的元素，提供与现存网络必需的接口。我们的解决方案建立在当前 最流行的2 4 g h z 频段( i e e e8 0 2 i i 1 1 ，i e e e8 0 2l i b 2 ) ，并将支持5 g h z 技术。公共无 线局域网方案一般由无线局域网公共接入区和移动运营商局端设施两部分组成。移动 运营商在公共场合建设相应的无线局域网接入区。接入区连接至l j i p 核心网，继而提 供接入服务，同时将鉴权和计费信息送到移动核心网络。 公共无线局域网系统一般由网卡、接入点、接入控制器和鉴权服务器等设备组 成。在有些情况下，还需要m a p ( m o b i l ea p p l i c a t i o np a r t ) 网关、v p n ( v i r t u a lp r i v a t e n e t w o r k ) 网关和计费网关等。p w l a n 系统一般遵从i e e e 8 0 2 1 1 b 标准。可用的吞吐 量容量比很高，在整个无线局域网覆盖区内具备移动性。网卡和接入点设备需w i f i 认证。接入点与局域网的接入控制器相连接，它与无线局域网网卡保持通信交流。 接入控制器主要用来控制无线接入网络到因特网业务的连接，给移动终端分l p , i p 地 址，在移动终端和鉴权服务器间传递鉴权消息，为移动终端鉴权以便其建立因特网连 接。另外还负责收集计费信息，将计费数据送到鉴权服务器。 第1 页 东南大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 国内外研究动态 目前，无线接入有多种实现途径和标准，如i e e e 8 0 2 n 1 1 系列标准、 h i p e r l a n 5 1 系列标准、”蓝牙”1 标准、产业集团标准( 包括o p e n a i r 和h o m e r f 2 ) 等，这些标准f 4 6 1 相互竞争、不断融合，正推动无线技术的迅速发展。 无线局域网是指采用无线传输媒体的计算机局域网。i e e e8 0 2 1 1 系列是现今最重 要的无线接入技术。1 9 9 7 年，i e e e 确定8 0 2 ，1 1 作为第一个国际认可的无线局域网 标准。该标准定义物理层和媒体访问控制规范，允许无线设备制造商建立互操作网络 设备。为了增加吞吐率，i e e e 还专门成立了两个工作组来研究8 0 21 1 的改进方案。 工作组b 研究2 4 g h z 频段上更为复杂的扩频技术。1 9 9 9 年9 月发布的8 0 2 ，l i b 标 准f 2 1 可以把原始数据率提高到l l m b p s 。它支持点到点和点到多点的连接，并支 持从点到多点体系结构派生出的构架模式。工作组a 研究5 g h z 频段，数据率达 至1 5 4 m b p s 的范围。8 0 2 1 l a 3 1 于1 9 9 9 年经i e e e 批准出台，其目的在于创立能够跨越多 种物理编码类型、频率和应用的标准技术。 2 0 0 1 年1 1 月1 5 日，i e e e 试验性地批准了一种新的技术标准8 0 2 ，l l g 4 1 ，这是一种混 合标准，既适应传统的8 0 2l i b 标准，在2 4 g h z 频段下提供最高1 1 m b p s 传输速率， 又符合8 0 2 1 l a 标准，可以在5 g h z 频段下提供5 4 m b p s 传输速率。它利用8 0 2l l a 的正 交频分复用f o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 作为主流调制技术， 在2 4 g h z 频段内提供8 0 2 儿a 的数据率，在8 0 2 1 l b , n 8 0 2 ，l l a 这两个互相不兼容的标 准之间提供连接，这样就能使以前无法互通或不兼容的两个w l a n 标准实现融合， 有利于开发多模w l a n 产品。 i e e e 8 0 21 1 2 1 2 作组正致力于增强媒体访问控制，推出了一系y l j 8 0 21 1 扩展标准： + i e e e s 0 2 1 1 d g ，是对8 0 2 1 1 的补充，它使接入点能够用可接受的功率电平，在 允许的信道上对用户装置传送信息。鉴于5 g h z 频段的使用在不同的国家差别很 大，8 0 2l i d 的诞生将有利于提高这一频段的使用率； + i e e e 8 0 2l i e 细化以改善q o s ，并增强安全性和效能，目的在于改进和管 理w l a n 的服务质量，保证能在8 0 21 1 无线网络上进行音频、视频的传输、 媒体流的传送、增强的安全应用及移动访问应用等； * i e e e 8 0 2 1 1 f 7 ，定义了访问节点之间的通讯，为漫游等功能规定接入点间的协 议，对接入点提供必需的信息交换，并大大增强不同厂商接入点的互通性； + i e e e s 0 2 1 l h 主要满足欧洲管理机构的需求，增强5 g h z 波段的m a c 规范及高速 物理层规范，对工作在这一频段装置提供动态信道选择( d c s ) 和传输功率控制( t p c1 ，增强信道能源测度和报告机制，以便改进频谱和传送功率管理； 1h t t p ：w w wb l u e t o o t h c o r n 2 推动h o m e r f 技术规格的工作小组已经停止七u 运作，不过此技术还是可继续作学术上研究。 第2 页 东南大学硕士学位论文第1 章绪论 + i e e e 8 0 2 h i 8 ，加入安全相关内容，釉j 8 0 2 1 x 和高级加密标准( a e s ) 等技 术，以克服m a c 层上w e p 保密机制薄弱的问题； 4 i e e e 8 0 2 儿j 致力于在5 g 频段的全球化，主要针对i e e e ，e t s ih i p e r l a n 2 ，a r i b 等不同标准； + i e e e 8 0 2 1 l k 主要针对w l a n 与其它网间的漫游，以及8 0 21 1 产品与蓝牙等其 它w l a n 产品的共存问题； * i e e e 8 0 2l l n 是一种下一代无线局域网技术，具有更高的吞吐率。这一全 新w l a n 标准的性能大约是当前8 0 21 1 解决方案的三倍，从而使得用户能够 在指定时间内无线传输更多数据。 而我国国内，早在2 0 0 3 年5 月1 2 日，信息产业部报送国家标准化管理委员会正式 颁布了由“中国宽带无线i p 标准工作组”( w w w c h i n a b w i p s ，o r g ) 负责起草的无线局域 网两项国家标准信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求 第1 1 部分：无线局域网媒体访问( m a c ) 和物理( p h y ) 层规范、 信息技术系统 间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第1 l 部分：无线局域网媒体访问( m a c1 和物理( p h y ) 层规范：2 4 g h z 频段较高速物理层扩展规范，分别对应于 国际标准8 0 2 1 1 年n 8 0 2 1 1 b 。正式颁布的无线局域网国家标准，在原则采用国际标 准i s o i e c 8 8 0 21 i $ , 1 s o i e c 8 8 0 2 ，1 l b 前提下，在充分考虑和兼顾无线局域网产品 互联互通的基础上，针对无线局域网的安全问题，给出了技术解决方案和规范要求。 1 ，3 本课题的研究背景和主要研究内容 无线局域网是采用无线传输媒介的计算机局域网络，是计算机网络技术和无线通 信技术结合的产物。它既保持了现有局域网高速率的特点，又可以作为有线局域网的 补充和延伸，在一定场合，甚至可以替换有线局域网。和有线局域网相比，它具有以 下特点： w l a n 中的终端通过无线方式进行通信，摆脱了电缆的束缚，增强了灵活性和 可移动性。不仅支持移动终端间通讯，而且允许无线设备接入有线网络。 w l a n 的拓扑结构可以根据需要灵活配置，规模可以不断伸缩。 圆w l a n 的组网速度快，可以省去建网初期电缆的投资和减少维护管理的开销。 w l a n 广泛适用于布线困难或对移动性有较高要求的场合，在医疗、销售、制 造、科研、军事等领域都具有很高的实用价值。 然而，我国无线局域网应用正处于发展阶段，如果沿用已有的国际标准势必导致 业已存在的安全问题，及时制定兼容最新国际标准的我国自主的公共无线局域网标准 第3 页 东南大学硕士学位论文第l 章绪论 并推广应用，成为我国无线局域网市场发展的唯一途径。正是在这样的背景下，我们 提出了拥有自主知识产权的公共无线局域网( p w l a n ) 系统。图1 1 描述了p w l a n 的系统结构，系统包括有四个关键的整体部分：认证服务器，接入控制器，接入点及 移动终端。 豳1 。l 公共无线局域网系统构成 移动终端( m t ，m o b i l et e r m i n a l ) 功能 p w l a n 的移动终端包含有w l a n 无线网卡、用户身份鉴别模件( s i m ，s u b s c r i b e r i d e n t i f i c a t i o nm o d u l e ) 卡识别器和s i m 卡认证软件模块。终端用户可配置集成s i m 卡 读取器的w l a n 卡，或者配嚣块w l a n 卡及一块外置的s i m 卡读取器。利用包 含各运营商漫游网络识别列表的网络特征描述文件，p w l a n 终端可以检测到可使 用的w l a n 网络。每当进入到新位置时，终端就比较漫游特征描述文件中的w l a n 网络名称，然后接入到相应的w l a n 网络中。运营商将这些特征文件发布到s i m 卡 中，或者通过w e b 服务器发布。 接入点( a p ，a c c e s sp o i n t ) 功能 接入点提供了在移动终端与固定l a n 之间的无线连接。多个接入点可同时连到同 一个接入控制器。接入点遵从w i - f i 标准，同时也支持多种数据传输速率。典型的单 一接入点在室内的覆盖范围为5 0 1 0 0 米，进一步可通过方向天线或无线网络工具延伸 覆盖范围。接入点提供了共享无线接口，多个激活的终端可同时接入。若没有其它终 端用户同时使用，单一用户可以获得全部的l l m b i t s 无线连接。 第4 页 东南大学硕士学位论文第1 章绪论 接入控制器( a c ，a c c e s sc o n t r o h e r ) 功能 接入控制器在无线接入网与固定i p 骨干网之间充当i n t e r n e t 网关功能。接入控制 器给移动终端分配i p 地址，并且保留一个i p 地址表( 包含已经认证过的终端i p 地 址) 。接入控制器的功能类似于业务过滤器，控制每个进入与送出的i p 数据包，丢 弃未经认证的移动终端发来的数据包。接入控制器使用终端i p 地址和唯一的w l a n 链路层专用m a c 地址将各个移动终端区分开。对m a c 地址的确认则保证了相同 的i p 地址不能同时被另外的用户使用。因为要对接入的用户计费，所以接入控制器需 要收集计费信息。接入控制器的原型可以用一个路由器来实现。 认证服务器( a s ，a u t h e n t i c a t i o ns e r v e r ) 功能 认证服务器是p w l a n 用户管理的主要控制部分。单个认证服务器可同时支持多 个接入控制器，为不同地区的漫游用户提供认证与计费服务。认证服务器与接入控制 器之间通过远程访问拨号用户服务( r a d i u s ，r e m o t ea c c e s sd a f t i nu s e rs e r v i c e ) 协议 进行通讯，该协议是i p 体系中的认证、授权、计费协议( a a a ，a u t h e n t i c a t i o n a u t h o r i z a t i o na c c o u t i n g ，对远程用户进行认证和记帐的一种协议，主要用在因特网服务供 应商( i s p ，i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ) 处，可以集中对用户进行认证和记费) 。当用户断 开连接时，认证服务器收集来自接入控制器的计费数据，并将其转换为通用分组无线 服务( g p r s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 计费格式，并发送到蜂窝网的计费系统中 去。 在无线局域网的关键技术中，无线接入点是负责移动终端的管理以及协调无线 和有线网络之间通信的关键部件，它为在子网间漫游的移动终端提供无缝的、高速 的、透明的接入服务。a p 的设计与实现应在不修改已有的有线网络结构和不改变 已存在的协议的基础上，将移动终端纳入现有的网络中。同时还要做到”操作的透明 性”和”性能的透明性”。目前，国外一些公司，例如c i s c o ，3 t o m ，a t m e l 等，已经推 出了基于i e e e 8 0 2 1 1 b 的无线网卡及无线接入点等产品；国内尚无同类产品出现。因 而，本课题的研究具有很强的实际应用价值。 1 4 本论文组织结构 本论文的主要任务是深入研究无线局域网m a c 层协议，在此基础上为公共无线局 域网( p w l a n ) 接入点设计增强型m a c 协议栈，并在嵌入式硬件平台上实现接入点 软件协议栈和硬件接口。 论文内容安排如下： 第一章为绪言，介绍公共无线局域网的概念和国内外研究动态，同时介绍了公共 无线局域网课题开发背景，引出本文的工作。 第二章介绍公共无线局域网接入点的功能与构成，描画相应的网络拓扑结构，定 第5 页 东南大学硕士学位论文 第l 章绪论 义系统技术指标，并提出实现中涉及的关键技术。 第三章详细阐述了无线局域网i e e e s 0 2l l b 媒体访问控制( m a c ) 协议的原理、 功能服务和协议栈构成。 第四章在针对接入点m a c 协议栈整体构架深入分析的基础上，对整个协议棱给 出硬件平台和软件体系的总体设计方案。 第五章进一步对协议栈进行细化的模型设计和高级功能设计，并针对多速率控制 问题给出媒体控制协议的改进方案。 第六章针对p h y 层和m a c 层的硬件平台，为协议栈设计嵌入式移植方案。 第七章分析嵌入式系统的实时性问题，提出协议栈改进方案，即最终完整的接入 点实现。同时给出最终系统详细的测试结果。 第八章总结了论文的工作情况，指出本文研究工作的改进和前景展望。 第6 贞 东南大学硕士学位论文 第2 章无线局域网接入点 第二章无线局域网接入点 无线通信在移动电话快速普及的背景下确立了其在通信领域的支柱地位，因特网 则以其庞大的用户规模和灵活多样的信息传送模式成为未来通信发展的基本模式。当 技术快速发展，应用日益丰富，无线通信和因特网终于走向融合，并逐渐形成最具潜 力和活力的崭新产业。无线网络正逐步从技术范畴向市场范畴迅速转变，正在从商业 使用范围向大众生活市场快速拓展。无线网络也在逐步被带入中国人的生活。可以预 期，无线网络将形成一个增长最快的市场，它将深刻改变人们的生活方式。 2 1 接入点的功能与构成 通常，无线局域网采用包含接入点的网络结构，无线局域网的接入点设备分布在 公司有线局域网的各个地方，通过它们，装配有无线局域网网卡的计算机就可以直接 接入公司的局域网，接入点的作用就如同无线的集线器( h u b ) 。无线局域网运行快速 并与现有的以太网技术兼容，从而扩大了连线网络资源的范围和实用性，从而可以在 任何工作效率最高的地方自由地工作或学习。 无线接入点( a c c e s sp o i n t ，简称a p ) 是负责移动终端的管理以及协调无线和 有线网络之间通信的关键部件，它为在子网间漫游的移动终端提供无缝的、高速 的、透明的接入服务。对于不同的局域网应用环境或需求，w l a n 可以采取不同 的网络结构来实现互联。一般来说，根据不同的应用环境，无线局域网可以采取 网桥联接型、基站接入型、h u b 接入型和无中心型结构四种拓扑结构之一，如 图2 一l 、2 2 、2 - 3 、2 4 。 图2 - 1 网桥联结型 圈2 2 基站接入型 第7 页 东南大学硕士学位论文 第2 章无线局域网接入点 21l 系统构成 图2 3h u b 接入型 图2 4 无中心型 在i e e e 8 0 2 1 1 中，无线网络的最基本的组成单元被称为基本业务区f b s a ，b a s i c s e r v i c ea r e a l ，通常称之为小区( c e l l l ，而在一个b s a 内彼此之间相互联系，相互通 信的一组主机组成了个基本业务组( b s s ，b a s i cs e r v i c es e t ) 。一个单独的b s s 组成 的网络为单区网( a dh o cn e t w o r k ) 。一个b s a 所能覆盖的区域受到环境和主机收发 机特性的限制，为了覆盖更大的区域，我们就需要把多个b s a 通过分布式系统( d s ， d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 联接起来，形成一个扩展业务区( e s a ，e x t e n d e ds e r v i c ea r e a ) ， 而通过d s 互相连接起来的、属于同一个e s a 的所有主机组成一个扩展业务组( e s s ， e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 。通常在b s s 中有台主机能提供这样的服务：本b s s 中所有 主机能通过它对d s 进行访问、与其它b s s 中的主机通信、获取和维护管理信息， 我们称这台主机为无线按入点a p 。通过a p 把b s s 和d s 互联起来组成的网为多区 网( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k ) 。 在配置无线局域网接入点时，必须为每个客户机定义一个网络名e s s i d ( e x t e n d e ds e r v i c es e ti d e n t i f i e r ) ，无线局域网客户机必须通过e s s i d 与一个接 入点相连。如果一个子网中有多个接入点，应为它们配置相同的e s s i d 。在客户端可 以测量来自接入点的载波信号的强度，可以把这数据作为依据，优化接入点在工作 区内的配置，尽量使所有的无线客户机都能够接收到强度令人满意的信号。如果信号 强度较低，但又不想增加接入点，为它增加一个高增益天线也会有所帮助。 无线局域网如果不能访问现有的有线局域网中的巨大资源，其应用将是十分有限 的。把无线局域网与已颇具规模的有线局域网联接起来，是发展无线局域网络时必须 考虑的问题。为了使无线局域网与传统的有线局域网综合在一起，i e e e 8 0 2 1 1 引入 了端口( p o r t a l ) 的概念，作为d s 与其他网络的接口。从无线局域网发往有线局域 网的数据都必须通过p o r t a l ，反之亦然，这样就通过p o r t a l 把无线局域网和有线局域 第8 页 东南大学硕士学位论文 第2 章无线局域网接入点 网连接起来了。可见在同时具有有线和无线网络的情况下，a p 通过标准的e t h e r n e t 电缆与传统的有线网络相连，成为无线网络和有线网络的连接桥梁。它可以与有线网 络互连使用或单独使用，可以组成自组无线局域网、多区无线局域网和有线局域网。 端口提供将8 0 2 1 1 无线网和有线局域网综合起来的逻辑业务，所有的8 0 2 ，x 网的 数据通过端口进入8 0 2 1 1 网，同样8 0 2 1 1 网对其他8 0 2 x 网的访问也通过端口来进 行。i e e e 8 0 2 1 1 规定：对于l l c 层来说，无线网和有线网应该是一样的，即对于l l c 层是透明的，采用相同网络协议的无线网和有线网的帧在l l c 层都应该是相同的。 端口是一个设备，而一个设备可以同时具有端口和无线接入点的功能。在我们的 研究中把端口的功能加入到无线接入点中，即无线接入点也要负责无线局域网和有线 局域网之间的互连，协调无线移动主机与有线网络之间的通信，在不改变已有的有线 网络结构的基础上( 如不改变固定主机、网桥、网关、路由等) ，不改变已存在的协 议( 立 i t c p i pf 1 3 1 等) ，将移动终端纳入现有的网络中。由此可见，无线接入点是 无线局域网中最基本的管理单元，是不可或缺的重要组成部分。 212a p 功能 作为公共无线局域网系统关键的一个组成部分，a p 的主要功能有 提供异步和限时发送服务； 调节适应从1 m b p s 到l l m b p s ，乃至5 4 m b p s 的多种传输速率； 无线局域网体系的业务：无线局域网体系中的功能定义为业务( s e r v i c e ) ， 不同的业务提供了体系中不同部分的功能，如提供认证部分功能的认证 业务( a u t h e n t i c a t i o ns e r v i c e ) 等。无线局域网完整的业务体系包括认证 ( a u t h e n t i c a t i o n ) 、关联( a s s o c i a t i o n ) 、解除认证( d e a u t h e n t i c a t i o n ) 、解 除关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 、重关联( r e a s s o c i a t i o n ) 、整合( i n t e g r a t i o n ) 、分 布业务( d i s t r i b u t i o n ) 、保密( p r i v a c y ) 和数据传输( m s d ud e l i v e r y ) 。这 些业务被分为两类，一类是由d s 提供的分布式系统业务( d s s ，d i s t r i b u t i o ns y s t e ms e r v i c e ) ，一类是由s t a t i o n 提供的站点业务( s s ，s t a t i o ns e r v i c e ) ，由于i b s s 中不存在d s ，也就没有所谓的d s s ，仅在e s s 中有d s sl l s s 两类业务的存在。 在所有的业务中与安全部分有关的业务有私有业务( p r i v a c ys e r v i c e ) 、认证业 务和关联业务( a s s o c i a t i o ns e r v i c e ) ，以及对应于认证业务的d e a u t h e n t i c a t i o n 和对应于关联业务的d i s a s s o c i a t i o n 。 网络管理功能：接入点a p 实现小区管理，对局域网内部的无线站点进行必要的 通信管理和定时同步等。 通过分布式系统，如以太网，在扩展区域内连续服务 第9 页 东南大学硕士学位论文 第2 章无线局域网接入点 桥接功能：包括数据包的过滤、存储转发、不同协议帧格式的转换，建立和 保存用来决定帧转发和过滤的信息。采用无线网桥联接方式将无线局域网与 以太网相联，移动终端( w t ) 通过a p 接入到以太网。网桥作为一种网间互连设 备，用于连接数据链路层不同、而网络层相同的网络。无线接入点a p 开发主要 按8 0 2 1 d ( i e e es t a n d a r d sf o rm a cb r i d g e s ) 标准。该a p 的主要特点是：自动决 定帧的转发，当桥接的局域网的拓扑结构发生变化时，a p 能自适应地调整内部 逻辑结构。 兼容性要求：支持大多数厂商的不同无线终端设备； 多点传送( 广播、组播) 服务； 漫游功能：拥有多个接入点的i e e e 8 0 2 t l 无线局域网支持漫游功能。这一特性 内建在i e e e s 0 2 ，1 1 标准中，并在扩展标准i a p p ( i n t e r - a c c e s sp o i n tp r o t o c 0 1 ) 中有 所加强细化。无线用户可以由一个接入点自由移动并无缝连接到另一个接入 点。当一个无线用户失去了与一个接入点的信号后，无线局域网适配器就会自 动地寻找下一个接入点，一旦找到，它就会与新接入点建立连接并断开与旧接 入点的连接。如果精心布置接入点，就可以使移动用户走遍整个无线局域网而 不失去与网络的连接。 2 2 接入点组网拓扑结构 一个常见的接入点组网拓扑结构如图2 5 。 图2 5 接入点拓扑结构示意图 s h ：静止主机( s t a t i o n a r yh o s t ) m h ：移动主机( m o b i l eh o s t ) a p ：无线接入点( a c c e s sp o i n t ) 第1 0 页 东南大学硕士学位论文 笫2 章无线局域网接入点 c e l l ：与某a p 直接通信的所有m h 组成的域，也就是基本业务组b s s 。 散步：m h 在同一子网中的不同c e l l 之间的移动。 漫游：m h 在不同子网的c e l l 之间的移动。 根据接入点a p 的功用不同，w l a n 可以实现不同的组网方式。目前有基础架构 模式、点对点模式、多a p 模式、无线网桥模式和无线中继器模式五种组网方式。 1 ) 基础架构模式 由a p 和客户终端组成所有无线通讯都经过a p 完成，a p 可以连接到有线网络， 实现无线网络和有线网络的互联，无线网络和有线网络可以使用不同的i p 网络，通 过网络地址转换( n a t ，n e t w o r ka d d r e s s l y a n s l a t i o n ) 技术实现网络互通。 2 ) 点对点模式 由无线工作站组成，无需a p ，可以进行文件和打印共享，完全由各个客户端自行 维护。 3 ) 多a p 模式 每个a p 都是一个独立的无线网络，相同网络名的无线网络间可以进行漫游，不 同网络名的无线网络形成逻辑