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公共无线局域网用户带宽分配机制研究与实现摘要 摘要 近年来，无线局域网技术己迅速发展成为通信网络中一个至关重要的组成部分。由于接入速度 远高于蜂窝网，且部署方便，不需要频率批准，其应用领域飞速扩大，运营级的用于提供热点地区 接入的公共无线局域网( p w l a n ) 成为w l a n 新的发展方向。p w l a n 的出现提出了许多新的要 求己适应更多更复杂的应用需求，带宽控制功能就是其中之一。 论文工作属于国家8 6 3 计划“公共无线局域网( p w l a n ) 网络安全体系及其应用研究”的一部分， 课题主要研究实现完整的p w l a n 体系并在其上进行安全机制的研究。论文的主要工作是实现对公 共无线局域网外接带宽资源的分配管理，即在网络外接结点对进出网络的数据进行分类、排队和调 度发送。 论文主要内容包括：介绍无线局域网相关知识，并导山了“公共无线局域网”的概念；回顾传 统i p 网络在带宽控制方面的措施和不足；研究了当前主要的带宽控制技术，包括t c p 窗口技术、 综合服务模型和区分服务模型，分析这些技术的主要思想、实现效果、优点和不足以及它们所要求 的网络资源和协议软件的配合；在此基础上，论文提出并实现了公共无线局域网用户带宽分配机制 的具体方案：采用“区分服务”体系结构的思想，在网络边界点一接入控制器( a c ) 中利用l i n u x 操作系统对q o s 的支持，基于进出网络的数据包的特征( 可以是其所属用户、i p 地址、m a c 地址、 t o s 值等内容或它们的组合) ，使用u 3 2 分类器分类排队，基于c b q 的排队方式，各队列加权轮 询发送，实现带宽控制。 论文实现的系统通过了国家8 6 3 计划信息安全专家组的验收，可以满足p w l a n 系统需要，可 以利用各种t p 包头信息区分用户控制带宽，系统性能稳定可靠。 关键词：无线局域网( w l a n ) ，带宽控制，区分服务，排队 竺苎垂塑旦苎堕旦= 皇萱蔓坌墼塑型竺塑兰塞塑 垒! ! ! 竺! a b s t r a c t r e c e n t l y ，w l a nh a sd e v e l o p e dr a t h e rr a p i d l ya n db a sp e n e t r a t e di n t oe v e r yf i e l do ft h es o c i e t y b e c a u s eo fi t sh i g ha c c e s sr a t e ，c o n v e n i e n te m p l o y m e n ta n df r e es p e c t r m n n o ww l a n h a sd e v e l o p e di n t o t h ep h a s ef o rs oc a l l e dp w l a n t op r o v i d ei n t e r n e ta c c e s sa tt h eh o ta r e aw i t ht h ea p p e a r a n c eo f p w l a n ， s o m en e wf e a t u r e sa r ed e m a n d e dt om e e td i v e r s ea p p l i c a t i o n s ，a m o n gw h i c hi st h eb a n d w i d t hc o n t r 0 1 w o r ko f t h i sp a p e ri sa p a r to f “t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o nt h es e c u r i t ya r c h i t e c t u r eo f p u b l i c w i r e l e s sl a n ”t h a ti s s u p p o r t e db yt h ep r o j e c to f h i - t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( g r a n tn o2 0 0 2 a a l 4 3 0 1 0 ) t h em a i np u r p o s eo f t h ep r o j e c ti st or e a l i z et h ew h o l ep w l a n s y s t e ma n d t h e nh a v ear e s e a r c ho nt h es e c u r i t ya r c h i t e c t u r e t h i sp a p e ri sf o c u s e do nr e a l i z a t i o no ft h eb a n d w i d t h c o n t r o li np w l a n s y s t e m ，i e c l a s s i f y i n g ，q u e u i n ga n ds e n d i n g d a t aa tt h eb o r d e ro f n e t w o r k f i r s t ，s o m eb a s i ck n o w l e d g ea b o u tw l a ni si n t r o d u c e d i n c l u d i n gp r o t o c o l s 、n e t w o r ks t r u c t u r e ， o p e r a t i n gm o d e ，m a ca n ds oo n ，a n dt h e nt h ec o n c e p to f “p w l a n ”i sp r o p o s e d a f t e rt h a t ，s o m e t h i n g a b o u tb a n d w i d t hc o n t r o la r em e n t i o n e d ，e g i t sl e v e l ，p u r p o s ea n dt e c h n o l o g y ，w i n d o wt e c h n o l o g y ”a n d “d i f fs e r v ”a r ee m p h a s i z e di nt h i sp a r t t h e n t h es c h e m et or e a l i z eb a n d w i d t hc o n t r o l i np w l a n i sg i v e n w i t ht h et h o u g h to f “d i f fs e r v ”q u e u e sa r eb u i l di na ca n dd a t as t r e a m sa r ec l a s s i f i e d l i n u x0 s c b q q u e u ea n du 3 2f i l t e ra r ek e yt e c h n o l o g i e si no u rs y s t e m w h a ti ss h o w n a tt h ee n do f t h ep a p e ri st h er e s u l t o f b a n d w i d t hc o n t r o la n dw h a tc a ub ed e v e l o p e di nt h ef o t u r e t h ew h o l e s y s t e m c a ns a t i s f yt h em a i n r e q u i r e m e n t so f 8 6 3p r o j e c t w i t hs t a b l ea n dr e l i a b l ec h a r a c t e r t h es y s t e mc a nc l a s s i f yd a t ac o r r e c t l ya n dc o n t r o lb a n d w i d t h e f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ，t r a f f i cc o n t r o l ，d i f f s e r v q u e u e i i 东南大学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。 研究生签名：丛蕉日期：型! ：兰歹 东南大学学位论文使用授权声明 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。 研究生签名：丛塑导师签名：日期：伊；，、 第一章序论 第1 章绪论 1 1 引言 现代通信可以说是从奠尔斯电报和贝尔电话开始的，由于使用了电子手段进行通信，不仅易于 组网，而且还可以将信息在瞬间传送到更加遥远的地方，因此被称为电信( t e l e c o m m u n i c a t i o n s ) 。 数百年来，通信技术经历了巨大的发展，从电报系统、固定通信到移动通信，无不对人类社会的进 步起到了巨大的推动作用。 当前，技术发展最快、应用前景最广阔的无疑是移动通信技术和无线通信技术。其中，在移动 通信技术领域，3 g 或后3 g 无疑是主要的发展方向。与第。代模拟移动通信( 如t a c s 和a m p s 等) 和第二代数字移动通信系统( 如g s m 和i s 9 5c d m a o n e 等) 相比，3 g 的最主要特征是可提供移动多媒 体业务，其设计目标是为了提供比第二代系统更大的系统容量、更好的通信质量，且要能在全球范 围内更好的实现无缝漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，同时也要考虑 与已有第二代系统良好的兼容性。3 g 是人们对下一代通信的美好规划，但它也存在一些不足。首先， 3 g 的出现可以说是“纯技术驱动”，是技术的进步而不是市场的要求带来了3 g ，所以从一开始，3 g 就缺乏足够的市场支持，欧洲以及日本等地不成功的3 g 运营给3 g 的发展蒙上了阴影。其次，3 g 需要比较高的基础投入，需要都目前的网络作比较大的改动，这对运营商是比较大的成本。另外， 3 g 标准也不够统一，各标准之间差异太大，无法兼容。 当3 g 还因为这些原因发展缓慢的时候，无线局域网特别是i e e e s 0 2 。1l w l a n 以其特有的优势 迅猛发展，在通信领域扮演了重要角色。论文的内容即是基于发展迅速的 e e e 8 0 2 1 1 无线局域网。 无线局域网( w l a n ) 技术是局域网技术向无线应用的一种拓展，它在无线环境下提供数据通 信能力( 而非语音) ，具有短距离覆盖、带宽高、便携性、安装简易性等特点。原本无线局域网络 的应用范围主要是在家庭或企业内部，但由于其1 1 m b p s 的带宽远高于移动通讯g p r s l 0 0 k b p s 或3 g 1 m b p s ，以及建设费用较g p r s 与3 g 低，因此无线局域网逐渐应用于公共场合。目前以w i - f i 为主 导的无线互联技术，即基于8 0 2 1 l b 的无线局域网( w l a n ) ，在公众热点场所的宽带互联网接入 应用方面展示了很好的市场前景。w i f i 现在不再是通过p c m c i a 接口卡来实现的一个附加功能， 而是变成许多用户设备的一个内在特点。w i f i 技术在人们普遍关注的易用性、安全性、移动性和 网络管理等方面也都有了比较稳妥的解决方案，目前各电信运营商也都在紧锣密鼓地部署网络。 1 2 论文的主要工作 当前无线局域网已经能提供从1 m b s 到1 1 m b s 甚至5 4 m b s 的高带宽接入能力。而随着w l a n 的发展，最初的简单的个体行为的w l a n 已不能满足人们的需求，人们希望得到随时随地的高速无 线接入服务，运营级的w l a n 应运而生，我们称之为公共无线局域网( p w l a n ) 。但由于原有w l h n 在广域漫游、认证、计费系统方面仍不完善，使得p w l a n 的实施受到限制。p w l a n 体系必须解 决一系列的难题，如网络安全、计费漫游管理和密钥管理等。 东南大学硕士学位论文 当前p w l a n 系统中最为基本也最为追切的需求之一就是对带宽资源的分配管理，以便无线用 户可以根据其需要选择合适的用户类型，享有合适的用户级别和带宽资源，从而既满足了用户的需 求，又提高了带宽资源的利用率。论文的主要工作就是在公共无线局域网的体系结构中实现对用户 享有带宽的控制，实现基于用户的带宽分配。论文实现的带宽控制系统利用l i n u x 操作系统、采用 c b q 排队方式和u 3 2 分类器实现所需功能。论文内容具体安排如下： 第一章，为绪论。对无线局域网的概念、技术、应用以及历史发展进行了简要介绍。 第二章，介绍无线局域网的相关技术，包括无线局域网的主要接入技术：i e e e 8 0 2 1 1 无线局域 网的结构、服务、协议以及当前w l a n 存在的问题和中国的w a p i 标准等内容。 第三章，深入研究了i p 服务质量( q o s ) 以及带宽控制的相关技术。首先回顾了传统i p 网络 互联特点、1 p q o s 问题及解决该问题的基本设想、i p q o s 主要的度量指标以及q o s 的不同级别。其 次，逐层递进介绍了i p q o s 的主要技术，即，t c p 窗口技术与i e t f 提出的集中服务模型和区分服 务模型；最后详细分析了实际应用中支持q o s 的协议：r s v p 协议、m p l s 协议、r t p 协议以及r t c p 协议。 第四章，采用“区分服务体系”的基本思想，在接入控制器a c 中建立队列，分析进出网络的数 据包从而进行分类调度，最终实现基于用户的带宽分配和管理。 第五章，对论文工作进行总结与展望。 2 第二章i e e e 9 0 2t1 无线局域网相关技术 第二章i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术 2 1 无线接入技术”1 早期的w l a n 产品运行在9 0 0 m h z 的频段上，速度只有1 - 2 m b p s 。1 9 9 2 ，工作在2 4 g h z 频段 上的w l a n 产品问世，之后的大多数w l a n 产品也都工作在此频段上。当前的w l a n 产品所采用 的接入技术标准主要包括：i e e e 8 0 2 11 系列、h o m e r f 、蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 和h i p e r l a n 等。 2 1 1i e e e 8 0 2 1 1 系列 1 9 9 0 年，i e e e 执行委员会创建了8 0 2 ，1 1 工作组，负责制定无线局域网( w l a n ) 标准，解决 不同w l a n 设备之间的兼容性问题。参照i s o 七层模型，i e e e 8 0 2 1 1 主要从w l a n 的物理层( p h y ) 和媒体访问控制层( m a c ) 两个层面制定系列规范，本文后面的章节将详细介绍i e e e 8 0 2 11 系列 标准。 2 1 2h o m e r f 1 9 9 8 年，由l m e l 、i b m 、c o m p a q 、3 c o m 、p h i l p s 、m i c r o s o f t 和m o t o r o l a 等公司共同成立了家用 射频工作组h r f w g ( h o m e r f w o r k i n gg r o u p ) ，这个工作组由美国家用射频委员会领导。h o m e r f 是由h o m e r f 工作组开发的，用于在家庭区域范围内的任何地方，在p c 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。h o m e r f 工作组于1 9 9 8 年制定了共享无线访问协议s w a p ( s h a r d e w i r e l e s sa c c e s sp r o t o c 0 1 ) 。该协议主要针对家庭无线局域网，采用简化的i e e e 8 0 2 1 1 协议标准和 d e c t ，h o m e r f 的工作频率为2 4 g h z ，支持语音和数据。 h o m e r f 的传输速率原来为2 m b s ，后来美国联邦通信委员会( f c c ) 批准了m i c r o s o f t 、i n t e l 、 m o t o r o l a 等h o m e r f 工作组成员的要求，允许h o m e r f 的传输速率由2 m b s 提高到8 - 1 1 m b s ，而 且h o m e r f 工作组的成员提出将发射带宽由原来的1 m h z 提高到5 m h z ，并且今后数据速率会进一 步提高。 2 1 3 蓝牙技术 蓝牙技术工作在2 4 g h zi s m 频段，提供低价、强壮、大容量的语音和数据网络，它的相关标准 是i e e e 8 0 2 1 5 。其实质内容是要建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准，使通信和计算 机进一步结台，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范 围内具有互用、互操作的性能。 蓝牙技术中也采用了跳频技术，但和其它工作在2 4 g h z 频段上的系统相比，蓝牙跳频更快，数 据包更短，这使蓝牙技术比其它系统更稳定。蓝牙技术理想的联接范围是1 0 米( 或者0 d b m ) ，在 加入额外的功率放大器后，可以将距离扩展到1 0 0 米( 或者2 0 d b m ) 东南大学硕士学位论文 严格的说蓝牙技术并不算是种w l a n 技术，它面向的是移动设备间的小范围，因而本质上说 它是一种代替线缆的技术。随着8 0 2 1 l b 无线网络的崛起以及固定无线和超带宽( u w b ) 技术突破 技术难关，蓝牙的支持率正在不断下降。 2 1 4h i p e r l a n 标准 欧洲电信标准化协会( e t s l ) 的宽带无线电接入网络( b r a n ) 也制定出h i p e r l a n 标准作为“宽 带无线接入网”计划的组成部分，并在欧洲得到了广泛支持和应用。该系列包含四个标准： h i p e r l a n l 、h i p e r l a n 2 、h i p e r l i n k 和h i p e r a c c e s s 。h i p e r l a n l 、h i p e r l a n 2 用于高速w l a n 接 入；h i p e r l i n k 用于室内无线主干网络；h i p e r a c c e s s 则用于室外对有线通信设施提供固定接入。 h i p e r l a n l 对应i e e e 8 0 2 1l b ，它工作在5 ，3 g h z ，采用高斯滤波最小频移键控( g m s k ) 调制， 速率最大2 3 5 m b p s 。h i p e r l a n 2 工作在5 g h z 频段，速率高达5 4 m b p s ，当前在固定网络上的任何 应用都可以在h i p e r l a n 2 网上运行。相比之下，i e e e 8 0 2 1 1 的一系列狲议都只能由以太网作为支撑， 不如h i p e r l a n 2 灵活。 2 2i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网 2 2 1i e e e 8 0 2 11 标准 如前所述，由i e e e 8 0 2 11 工作组制定的i e e e 8 0 2 11 系列标准主要制定了w l a n 的物理层( p h y ) 和媒体访问控制层( m a c ) 的规范。其中，物理层标准规定了无线传输信号等基础规范，如8 0 2 1 l a 、 8 0 21 l b 、8 0 2 1 l d 、8 0 2 1 l g 、8 0 2 1 l h ，而媒体控制访问层标准是在物理层上的一些应用要求规范， 如8 0 2 1l e 、8 0 2 1i f , 8 0 2 1l i 。 其中最核心的是8 0 2 1l a 、8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1l g ，它们定义了最核心的物理层规范，这也是受所有 芯片开发商及系统集成商所瞩目的8 0 2 1 l 未来走势所在。 2 2 1 1i e e e 8 0 2 11 的协议层次 i e e e 8 0 2 1 1 定义的协议体系结构如图2 1 所示。在最低的层次即物理层，定义的内容包括频段、 数据率以及其他与实际的无线电传输相关的细节。在这个层次之上是m a c 层，它的作用是协调对 于共享无线电频段的接入，保证站点的传输不会彼此干扰。m a c 层中较低的子层是分布式协调功能 ( d c f ) 。d c f 使用了以太网风格的争用算法来对所有通信量提供接入。普通的异步式通信量直接 使用d c f 。点协调功能( p c f ) 是一种集中式的m a c 算法，它的作用是提供与争用无关的服务： 其实施方法是依次轮训各个站点。最后，l l c 层提供了一个到高层的接口并稳拿完成诸如差错控制 等链路层功能。 2 2 1 2i e e e s 0 2 1i b l 2 1 i e e e 于1 9 9 9 年9 月批准的i e e e 8 0 2 1l b 标准，主要是工作在2 4 g t - i z ( 2 4t o2 4 8 3 g h z ) 频段 的高速物理层规范，其实是8 0 2 1 1 在物理层上的扩展版本，支持5 5 m b p s 和1 1 m b p s 两个新速率。物 理层的调制方式为c c k ( 补码键控) 的d s s s ( 直接序列扩频技术) 。 4 第二章i e e e 8 0 211 无线局域网相关技术 m a c 逻辑链路控制( l l c ) l 与争用无关的服务 上 争用服务 点协调功能( p c f ) r 分布式协调功能( d c f ) 2 4 g h z 2 4 g h z 5 g h z 跳频扩频 直接序列扩红外 正交f d m 2 4 g h z 1 m b p s 频1 m b p s 6 ，9 ，1 2 ， 直接序 1 m b p s2 k l b p s 1 8 ，2 4 ， 列扩频 2 m b p s 3 6 ， 5 5 i , l b p s l l m b 2 m b p sp s 4 8 ，5 4 m b p s 、v 人、- 、一 i e e e 8 0 2 11 i e e e 8 0 2 1l a i e e e 8 0 2 1l b 图2 1i e e e 8 0 2 11 的协议体系结构 8 0 2 1 l b 规定的是动态速率，允许数据速率根据噪音状况进行自动调整。这就意味着8 0 2 1 l b 设 备在噪声的条件下能以更低速率，1 m b p s 、2 m b p s 、5 5 m b p s 、1 1 m b p s 等多种速率传输。多速率机制 的媒体访问控制层( m a c ) 确保当工作站之间距离过长或干扰太大、信嗓比低于某个门限时，传输 速率能够从1i m b p s 自动降到5 5 m b p s ，或者根据d s s s 调整到2 m b p s 和1 m b p s a 由于起步早，价格低廉等优点，8 0 2 1 l b 是目前多数无线局域网产品所遵循的标准，本课题的研 究即主要基于8 0 2 1 l b 无线局域网。由于互联网产业飞速发展，用户对宽带业务需求量猛增，8 0 2 1 l b 在不少场合( 尤其是信道噪声较大的场合) 已不能满足用户带宽接入的要求，i e e e 一直在制定更新 的标准。 2 2 1 3i e e e 8 0 21 1 a 2 0 0 1 年，i e e e 制定出了新的标准8 0 2 1 1 a 。它扩充了标准的物理层，规定该层使用5 g h z 的频 带，频段：5 1 5 5 2 5 、5 2 5 5 3 5 以及5 7 2 5 5 8 2 5 g h z 。其物理层的吞吐量分为6 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、 5 一查壹查堂堡圭堂竺堡兰 4 8 、5 4 m b p s 。8 0 2 1l a 在5 g h z 频段采用正交频分复用o f d m 来传输数据，代替8 0 2 1l b 的d s s s 该技术可帮助提高速度和改进信号质量，并可克服干扰。 与8 0 2 1l b 相比，8 0 2 1 l a 在整个覆盖范围内提供了更高的速度，其速率高达5 4 m b p s 。而且 8 0 2 1 l a 工作在5 g h z 频段，目前该频段用的不多，干扰和信号争用情况较少。 但是8 0 2 1 l a 的最大缺陷在于其与现行主流无线局域网标准8 0 2 1 l b 完全无法兼容，如果从现有 的9 0 2 1 l b 网络过渡到8 0 2 1 l a 网络，通常要改变接入点，所有用户设备的无线局域网卡也要更换。 目前- 全世界已经有3 5 0 0 万个用户采用8 0 2 1 l b 标准的无线网络，所以这种更换意味着巨大的开支。 2 2i4 i e e e8 0 21 l g 2 0 0 1 年1 1 月1 5 日，i e e e 实验胜地批准一种新技术8 0 21 】g ，它其实是一种混合标准，它既能 适应传统的8 0 2 i l b 标准，在2 4 g h z 频率下提供i i m b i l s 数据传输率，也能符合8 0 2 ，1 l a 标准在5 g h z 频率下提供5 4 m b i t s 数据传输率。8 0 2 1 l g 中规定的调制方式有两种，包括8 0 2 1l a 中采用的o f d m 与8 0 2 1 i b 中采用的c c k 。 8 0 2 1i g 标准草寨是最初i n t e r s i l 公司( 现已被d a l l a s 半导体并购) 的c c k o d f m 提案和n 公 司p b c c ( 分组二进制卷积码) - 2 2 提案的折中标准。其中采用p b c c 2 2 方式的t i 提案保持了对 i e e e 8 0 2 1l b 的完全兼容，并使最高传输速率达到了2 2 m b p s ，又被称为8 0 2 ，11 b + 标准。 2 0 0 3 年初，美国电器与电子工程师协会( i e e e ) 8 0 2 1 1 工作组批准了“i e e e 8 0 2 1 i g w l a n 规 范。 22 i5i e e e 8 0 2 11 b + i e e e 8 0 2 1l b + 是个非正式的标准，称为增强型8 0 2 11 b 技术，它实际上是t 1 公司的p b c c 一2 2 提案的标准。 8 0 2 1 l b + 与8 0 2 1 l b 在相同的2 4 g h z 频段上运行，并完全兼容8 0 2 1 l b 标准的设备，这样就有效的 保护用户现有的设备投资。目前基于8 0 2 1 1 技术标准的无线产品占据了欧美市场的5 0 以上份额， 成为市场实际应用中的事实标准。 2 2 1 6 小结 下表总结了当前主要的i e e e s 0 2 1 1 物理层标准及其技术指标 表21i e e e 8 0 2 1 1 标准比较 【e e e 8 0 2 11【e e e 8 0 2 1l b岫8 0 2 1 1 b匝e e 8 0 2 1 l ai e e e s 0 2 1 l g 工作频率2 4 g h z24 g h z2 , 4 g h z5 g h zz 4 g h z 带宽( m b p s ) 2 11 l 5 5 2 12 2 11 5 5 2 1可达5 4可达5 4 有效距离1 0 0 m1 0 0 3 0 0 m1 0 0 3 0 0 m5 - 1 0 k i n 5 1 0 k m 支持业务数据数据图像数据图像语音，数据图像语音数据图像 6 第二章i e e e 8 0 2 。1i 无线局域网相关技术 0 2 i1 的体系结构【1 1 l 工作组提出的w l a n 的结构模型如图2 2 所示。一个无线局域网的最小组成部分是一 e ( b s s ) ，而b s s 由许多执行同样的m a c 协议和竞争使用同一个共享无线媒体的站 。b s s 可能是孤立的，也可能通过接入点( a p ) 连接到主干分布式系统( d s ) 。接入 一个网桥。m a c 协议可能是完全分布式的，也可能受处于接入点的一个中心协调单元控 # 相当于通常所称的“小区”，d s 可以是一台交换机、一个有线网络或者一个无线网络。 i 的是最简单的无线局域网配置，其中每个站点都属于一个单独的b s s 。也就是说，一 一个b s s 中的其他站点处于同一无线覆盖范围。也可能有两个b s s 在地理上有重叠现象， i 可能加入多于一个的b s s 。另外，一个站点与一个b s s 之间的关联是动态的。站点可 e 进入到一个b s s 的范围内，也可能从这个范围内移出去。 集( e s s ) 由两个或更多的b s s 通过分布式系统互联组成。通常，分布式系统是一个 5 域网，但是它也可能是其他的通信网络。e s s 对于逻辑链路控制( l l c ) 层来说就像 e 辑局域网一样。 i 一个a p 是作为一个站点的一部分实现的，a p 就是一个站点中除了作为一个站点之外 供服务而提供到d s 的接入功能的那部分逻辑。为了把i e e e 8 0 2 1l 的体系结构和一个 ；域网集成起来，使用了一个转接口。这个转接口的逻辑是在一个诸如网桥或者路由器 日的，它是有线局域网的接入d s 的部分。 图2 2i e e e 8 0 2 11 的体系结构 7 东南大学硕士学位论文 2 2 3i e e e 8 0 2 11 的服务【1 1 i e e e 8 0 2 1 1 定义了无线局域网需要提供的许多服务，用这些服务无线局域网可以提供和一个有 线局域网内在的功能对等的功能。最重要的服务有以下一些： 关联；在一个站点和一个接入点之间建立出示的关联。 重建关联：使一个已经建立的关联从一个接入点传送到另一个接入点。 分离：站点或接入点发出的终结现有关联的指示。 鉴别；用来在各个站点之间建立身份。 保密：用来保护报文的内容不被合法接受人之外的其他人听到。 2 3 中国w l a n 标准w a p i 的颁布1 7 】 为了解决w l a n 中存在的诸多问题，同时为了发展自主知识产权的无线局域网技术，中国颁布 了“宽带无线i p 网络安全技术w a p i ( w l a na u t h e n t i c a t i o na n dp r i v a c yi n f r a s t r c t u r e 。无线局域网鉴 别和保密基础结构) ”，并将于2 0 0 4 年6 月起强制执行。 中国的无线局域网国家标准分别是无线局域网媒体访问控制和物理层及其扩展的基础性技术规 范和它的一项扩展应用技术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 1 部分：无线局域网媒体访问( m a c ) 和物理( p h y ) 层规范( g b l 5 6 2 91 1 - 2 0 0 3 ) 与信 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1l 部分：无线局域网媒体访问( m a c ) 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( g b l 5 6 2 9 1 1 0 2 1 1 0 3 ) 。分别对应 于国际标准8 0 2 1 1 和8 0 2 1 l b 。这两项国家标准是在原则采用国际标准i s o i e c 8 8 0 2 1 l 和 i s o f 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通互联的基础上，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。 g b l 5 6 2 9 1 1 - 2 0 0 3 ：定义了局部区域范围内用于固定式、便携式与移动式站( 点) 无线连通性的 媒体访问控制( m a c ) 和物理层( p h y ) 规范。为局域内需要快速部署的自动装置、设备或站点提 供无线连通性，它们可以是便携的或手持的，也可以是车载的。g b l5 6 2 9 1 1 - 2 0 0 3 中的安全机制w a p i 采用基于椭圆曲线的公钥证书体制，无线客户端s t a 和接入点a p 通过鉴别服务器a s 进行双向身 份鉴别。其中a s 为s t a 和a p 提供证书的分发、认证、吊销等功能，当s t a 连接到一个a p 上时， 通过a s 提供的鉴别功能实现s t a 和a p 之间双向的证书鉴别和会话密钥的协商。在对传输的数据 进行保密时，加密，解密过程采用国家商用密码管理委员会办公室提供的算法硬件实现，充分保障了 数据传输的安全。 g b l 5 6 2 9 1 1 0 2 2 0 0 3 ：是国家标准g b l 5 6 2 9 1 1 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 ) 层规范的子项，规定 工作频段为2 4 g h z - 2 4 8 3 5 g h z , 是无线局域网的较高速物理层扩展规范。与g b l 5 6 2 9 】1 相比，增加 第二章i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网相关技术 了用于2 4 g h z 频段的直接序列扩频的物理层规范以及相应的接口等。调制解调方式为补码键控 ( c c k ) ，速率为11 m b i t s 和5 5 m b i t s ，并可在11 m b i t s 、5 5 m b i t s 和l m b i t s 之间自动切换。 2 4w l a n 目前存在的问题 随着w l a n 标准的确立和完善，其传输速率大大提高，覆盖范围相应扩大，发展势头良好，但 在实际的工程应用中并非尽善尽美，仍然存在一些问题： 1 ) 标准不一：w l a n 技术标准不但是整个w l a n 产业活动的源头，也是促进整个产业发展的 最重要部分。w l a n 白面世以来，先后制定了多种不同的技术标准，市场上出现多标准并存的现象。 这种标准混杂多样、互不兼容现象，不仅让用户无所适从还可能导致严重的资源浪费。 2 ) 射频干扰问题：w l a n 由于基于射频技术进行数据传输，因此不可避免的面临射频干扰问 题，这也是制约w l a n 技术市场发展的一个重要方面。w l a n 射频干扰就是w l a n 出现多余的射 频讯号，这种干扰主要包括同信道干扰、临道干扰、多径干扰、调频系统干扰、微波干扰、c d m a 大功率蜂窝系统干扰等，这些干扰信号不但影响了w l a n 的数据传输质量，而且也严重影响着 w l a n 的网络总体效率。 3 ) 安全隐患问题：安全隐患是w l a n 发展面临的最突出问题，也是企业应用的大忌。现行 l e e e 8 0 2 1 l b 无线网络采用的w e p 有线等效私密安全协议虽提供了m a c 层的访问控制和加密机制， 但由于w e p 基于静态密钥，因而攻击者可以通过拦截和分析加密数据，在短时间内破解密钥，侵入 网络。 4 ) 网间漫游问题：解决w l a n 网络间漫游问题是继w l a n 安全之后的又一重要课题。 5 ) q o s 问题：w l a n 发展初期该问题并不突出，但当发展到运营级的p w l a n 时，特别是随 着无线局域网提供业务类型的多样化，q o s 越来越重要，本论文内容即为q o s 的重要部分一带宽控 制。 2 5 小结 本章介绍了无线局域网的基础知识，介绍了主要的无线接入技术，i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网的结 构、服务、协议以及当前w l a n 存在的问题和中国的w a p i 标准等内容。 在多种技术的竞争中，i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网体现了比较大的优势并在市场中占据了优势地位， 尤其是1 e e e 8 0 2 1 l b 标准成了市场上的主流标准，论文的工作即基于i e e e s 0 2 1 l b 网络。无线局域 网在飞速发展的同时也面临的许多的问题和技术难关，论文的主要工作一公共无线局域网中的带宽 控制即为其中之一。 9 东南大学硕士学位论文 第三章i pq o s 与带宽控制技术 本章主要介绍i p 服务质量( q o s ) 以及带宽控制的相关技术。内容包括：首先在3 1 节中给出 i pq o s 的基础介绍，主要包括传统i p 网络互联的特点回顾、i pq o s 问题的提出、解决该问题的基 本设想、i pq o s 主要的度量指标以及q o s 的不同级别。在此基础上，3 2 节逐层递进介纽了i p q o s 的主要技术，首先是利用传统i p 网络技术t c p 窗口技术：受限于密口技术的不足，我们介绍i e t f 提出的集中服务模型和区分服务模型；最后介绍了实际使用的支持q o s 的协议：r s v p 协议、m p l s 协议、r t p 协议以及r t c p 协议。 3 1 i p q o s 介绍 口q o s ( i p q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，是指i p 的服务质量，即i p 数据流通过网络时的性能，它的目的 就是向用户提供端到端的服务质量保证。 3 1 1 传统i p 网络特点的回顾 i p 网络，一般说来就是由使用互联网协议( i p 协议) 的路由器连接并用传输控制协议，互联网协 议( t c p i p ) 协议族承载通信量的网络。这种方式的网络在当今世界的联网方式中占据绝对优势。 t c p i p 协议最初是作为a r p a n e t 研究的一部分开发而来，它最初将因特网的路由选择功能与 端到端控制功能结合在一起，后来协议本分为两个部分：因特网的路由选择和报文传送的i p 协议与 负责可靠的端到端传送的t c p 协议，对于不需要可靠交付的应用，则可以在i p 协议之上选择使用 效率更高的u d p 。 传统i p 协议的设计用途是提供一种尽力而为的、相当好的交付服务。使用尽力而为方式，i p 网 络平等对待所有的分组。随着网络通信量的增长，拥塞会出现，所有分组的交付都慢了下来。如果 拥塞变得严重，分组就被以大体随机的方式丢弃，以便缓解拥塞。在此过程中，不会对通信量按照 相对重要性或时间要求进行区分。 3 t 2q o s 问题的提出 如果能够满足所有的需求，i n t e m e t 中的现有技术就不需要改变，当前的分组承载能力的增长也 能满足电子邮件业务以及大部分的“点击阅读”式的w e b 浏览需求的增长。但随着i n t e m e t 规模的不 断增大，各种各样的网络服务争相涌现，先进的多媒体系统层出不穷。由于实时业务对网络传输时 延、延时抖动等特性较为敏感，当网络上有突发性高的f t p 或者含有图像文件的h t t p 等业务时， 实时业务就会受到很大影响；另一方面，多媒体业务占去了大量的带宽，这样，现有网络要保证的 关键业务就难以得到可靠的传输。 解决这些问题的最简单的办法当然是增大带宽 可行。这就要求网络管理者对不同的服务区别管理 1 0 但是，由于这种方法代价高昂，所以并不十分 而不能对所有的数据包一视同仁。 第三章i pq o g 与带宽控制技术 在当前的网络情况下，对i p 网络的要求发生了很大的变化，当前基于i p 的互联网的关键设计 要求可以概括为9 1 ： 1 ) 控制拥塞：所有交换网络的敌人都是拥塞。如果拥塞得不到控制，则交换机和路由器的缓存 将被填满，而必然要丢弃分组。对不容许丢弃分组的服务，丢弃分组意味着必须重传分组，但这将 使网络进步拥塞。对容许分组丢失的应用，丢弃分组意味着服务质量的降低。 2 ) 提供低时延：当未出现拥塞时，时延是最小的，队列长度非常小，但是，要支持许多应用 网络的利用率必须相对高些。这就表示至少有某种程度的拥塞，因而有一些额外的时延。 3 ) 提供高吞吐量：使网络容量专用化可以得到高的吞吐量。但是，要有效的使用网络就必须使 用一定的统计复用。雨这又在某种程度上与提供高吞吐量相矛盾。 4 ) 支持q o s ：对不同的通信流提供不同级别的q o s ，需要在分组或信元通过网络时对其进行只 能处理。 5 ) 提供公平服务：这里的公平服务不同于传统网络的公平服务，是给所有相互竞争的具有相 同q o s 的通信流提供大致相等的容量。 随着w l a n 使用的日趋广泛，对它的性能要求也要向上面的要求靠拢。 3 1 3q o s 的基本设想 简单地说，q o s 能够对数据包进行合理的排队，对含有特定标识内容的数据包进行优化，并对 其中特定的数据包赋以较高的优先级，从而加速传输的进程，并实现及时甚至实时的交互 q o s 所追求的传输质量在于：数据包不仅要到达其欲传输的目的地址，而且要保证数据包的顺 序性、完整性和实时性。通过q o s ，网络可