（通信与信息系统专业论文）ieee80211+mac协议中分布式协调功能（dcf）的软件实现与硬件设计.pdf

东南大学硕士学位论文摘要 摘要 本文围绕无线局域网i e e e 8 0 2 i lm a c 协议展开了系统研究，对m a c 协议中分布式网 络访问控制方式( d c f ) 中各个功能模块进行了软件设计和实现全面分析了无线网卡和无 线接入点a p 实现的软硬件方案，进而设计了基于微处理器m p c 8 6 0 的无线接入点a p 的 m a c 层硬件开发板电路。 首先，介绍了m a c 协议中基于载波侦听多路访问肿突避免( c s m a c a ) 的分布式网 络访问控制方式( d c f ) 和集中式网络访问控制方式( p c f ) ，重点阐述了d c f 功能中的关 键技术：载波侦听机制c s m a c a 、r t s ，c t s ，d a 协a c k 四次握手协议、差错恢复机制及基 于帧间隔的优先级控制，同时也简要介绍了基于p c f 功能的轮询访问机制。 其次，根据i e e e s 0 2 1 1m a c 协议内部数据帧收发流程，详细分析了分布式网络访问控 制方式( d c f ) 中的有限状态机( f s m ) 的工作机制和协议流程，并对d c f 中各个功能模 块进行了软件设计和代码实现。 最后，系统分析了无线网卡和无线接入点a p 硬件实现的技术要求和成本性能，重点考 虑了m a c 协议中数据加密，解密模块的性能要求，提出了基于嵌入式操作系统u c l i n u x 和微 处理器m p c 8 6 0 的嵌入式系统硬件实现方案，并设计了无线接入点a p 的m a c 层开发板主 要模块的硬件电路：m p c 8 6 0 外围电路、存储电路及基本i o 接口电路，为进一步的硬件开 发奠定了基础。 【关键词】无线局域网i e e e 8 0 2 1 1 媒体访问控制软件模块设计硬件电路设计 i i i 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri se m p h a s i z e do ni e e e s 0 2 11w l a nm e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c 0 1 e a c hf u n c t i o n a lm o d u l eo fd i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ( d c f ) i nm a c p r o t o c o lh a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e di ns o f t w a r e o nt h eb a s i so f t h ea n a l y s i so f s o f t w a r e a n dh a r d w a r ed e s i g ns c h e m ea c c o r d i n gt ow l a na d a p t e ra n da c c e s sp o i n t ( a p ) ，e m b e d d e d s y s t e mo f w l a n a pm a ch a r d w a r eb o a r di sd e s i g n e dw i t hm p c 8 6 0 m i c r o p r o c e s s o r f i r s t l y , d c fa n dp c f ( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) b a s e do nc s m a c a ( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) a r ei n t m d u c e d t h ek e yt e c h n o l o g ys u c ha sc s m a c a ， r t s c t s d a t a a c kf o u r - h a n d s h a k i n gp r o t o c o l ，e r r o rr e c o v e r ym e c h a n i s ma n di f s ( i n t e rf r a m e s p a c e ) i nd c f a r ee x p l a i n e di nd e t a i l ，a n d p o l la c c e s sm e c h a n i s m o f p c fi sa l s oi l l u s t r a t e d s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt od a t af l o wo fi e e e 8 0 2 1 1m a c p r o t o c o l 。t h ec o n t r o lm e c h a n i s ma n d p r o t o c o lf l o wo ff s m ( f i n i t es t a t em a c h i n e ) a l ed e s c r i b e ds y s t e m a t i c a l l ya n de a c hf u n c t i o n a l m o d u l eo f d c fi si m p l e m e n t e di ns o f t w a r ew i t hc l a n g u a g e f i n a l l y , t e c h n o l o g yr e q u i r e m e n ta n dc o s tp e r f o r m a n c er a t i oo fw l a na d a p t e ra n da p h a r d w a r eb o a r da r ea n a l y z e da d e q u a t e l yp a r t i c u l a r l y , d a t ae n t r y p t i o n d e c r y p t i o nm o d u l ei nm a c p r o t o c o li sc o n s i d e r e ds i g n i f i c a n t l y a sar e s u l t 。e m b e d d e ds y s t e mo fw l a na pm a c h a r d w a r e b o a r db a s e do nu c l i n u xo s ( o p e r a t i n gs y s t e m ) a n dm p c 8 6 0 m i c r o p r o c e s s o ri sb r o u g h tf o r w a r d 。 a n dm a i nh a r d w a r em o d u l ec i r c u i ts u c ha sm p c 8 6 0 s u p p o r tc i r c u i t ，m e m o r yc i r c u i ta n db a s i cf 0 i n t e r f a c ec i r c u i ta r ed r a w nw i t hp r o t e l 9 9 a 1 la b o u tt h i sh a se s t a b l i s h e daf i r mb a s i sf o rf u r t h e r r e s e a r c h k e yw o r d s w i r e l e s sl a n ( w l a n )i e e e 8 0 2 1 1 m e d i u m a c c e s s c o n t r o l ( m a c ) s o f t w a r em o d u l e d e s i g n h a r d w a r ec i r c u i td e s i g n 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： 哔日期：掣 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( 包括干u 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：导师签名： i 常务缓 日期： 出! ：主：! z 东南大学硕士学位论文 第一耄绪论 1 1 概述 第一章绪论嘲嘲嗍 随着信息技术的飞速发展特别是功能强大的便携式计算机、个人数字助理( p d a ) 、 个人信息助理( p i a ) 以及多媒体终端的广泛应用，极大地促进了个人数据通信技术的需求 与更新，人们不再满足于在有线计算机网络上实现固定终端之间的通信，而是期望将数据、 话音、图像等多媒体综合业务的通信扩展到无线通信网络系统中，并能够实现主机在网络上 的漫游即所谓的移动计算机通信。无线局域网正是在这样的背景下产生的，它作为实现移 动计算机网络的关键技术之一，代表了2 1 世纪通信网络技术的发展方向，受到了世界各国 的普遍重视。由于现代通信和计算机技术的支持，无线局域网技术的研究将逐步深入，并更 进一步改交人们的工作和生活方式。 无线局域网协议标准目前主要有i e e e s 0 2 11 标准、蓝牙( b l u e t o o t h ) 标准、h o m e r f 标准和h i p e r l a n 2 标准。 i e e e 8 0 2 1 1 标准 i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网标准的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。i e e e8 0 2 1 1 标 准除了使得各种不同厂商的无线产品得以互联之外，还促进了核心设备执行单芯片解决方案 的实施降低了无线局域网的成本。该标准的颁布，使得无线局域网在各种有移动要求的环 境中被广泛接受，它也是目前最常用的无线局域网传输掩议。不过该标准速率最高只能达到 2 m b p s ，不能满足人们的需要，因此，i e e e 小组又相继推出了8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 a 两个新标 准。8 0 2 1l b 标准速度最大可达到1 1m b p s ，而8 0 2 1 1 a 标准传输速度可达5 4m b p s ，完全能 满足语音、数据、图像等业务的需要。 蓝牙( b i u e t o o t h ) 标准 蓝牙( i e e e 8 0 2 1 5 ) 是一项新标准对于i e e e 8 0 2 1 1 来说，它的出现是与之相互补充。 “蓝牙”是一种大容量近距离无线数字通信的技术标准，其目标是实现最高数据传输速度1 m b p s 、最大传输距离为1 0 厘米1 0 米，通过增加发射功率可达到1 0 0 米，蓝牙比i e e e 8 0 2 1 1 更具移动性。蓝牙成本低、体积小，可用于更多的设备。“蓝牙”最大的优势还在于：在更 新网络骨干时。如果搭配“蓝牙”架构进行，使用整体网路的成本肯定比布设有线网络低。 家庭网络的h o m e r f h o m e r f 主要为家庭网络设计，是i e e e s 0 2 il 与d e c t ( 数字无绳电话标准) 的结合， 目的在于降低语音数据成本。h o m e r f 采用了扩频技术。工作在2 4 g h z 频带，能同步支持 4 条高质量语音信道。但目前h o m e r f 的最高传输速率只有1 0m b p s 。 h i p e r l a n 2 标准 目前，欧洲电信标准制定机构e t s i 批准了h i p e r l a n 2 标准的核心技术规范，这意 昧着，最终用户将能以5 4m b p s 的高速通过无线方式接入互联网( 原始物理层吞吐率高达 5 4 m b p s ，实际应用吞吐率最低也能保持在2 0m b p s 左右) ，并使用今后推出的多媒体和即 时视频服务。h i p e r l a n 2 是一种新的高性能无线电技术，工作频率为5 g h z 。它是一种多用 途的技术，将可以在企业办公、公共和家庭环境中为下一代移动通信提供高速的本地连接。 该系统能谚迅速且简单地安装，并可以与1 p 、以太网、p p p 、a t m 和i e e e l 3 9 4 等多种核心 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 网络技术互连互通。它应该还包括一个面向u m t s 的界面可以作为其它面向第三代移动 系统i m t - 2 0 0 0 系列的界面基础。 1 2 ie e e 8 0 2 1 1 标准简介 1 9 9 7 年6 月2 6 日，i e e e 8 0 2 1 1 标准制定完成，1 9 9 7 年1 1 月2 6 日正式发布。i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网标准承袭i e e e s 0 2 系列，规范了无线局域网的媒体访问控制层m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 及物理层p h y ( p h y s i c a l ) 技术。目前，i e e e 8 0 2 1 1 标准系列主要有以下 一系列协议： i e e e s 0 2 1 l a 。它扩充了i e e e s 0 2 1 1 标准的物理层，规定该层使用5 g g h z 的i s m 频带。 该标准采用正交频分( o f d m ) 调制数据传输速率范围为6 5 4 m b p s 。这样的速率既 能满足室内的应用，也能满足室外的应用。 i e e e 8 0 2 1 i b ，它是i e e e 8 0 2 1 l 标准的另一个扩充，规定采用2 4 g h zi s m 频带，调制 方法采用补码键控( c c k ) 。 i e e e 8 0 2 1 l d 。是i e e e 8 0 2 1 l b 使用其它频率的版本，以适应一些不能使用2 4 g h z 频 段的国家。 1 e e e 8 0 2 1 i e ，在i e e e s 0 2 1 1 系列协议中增加q o s 能力。它用t d m a 方式取代类似 e t h e r n e t 的m a c 层，为重要的数据增加额外的纠错功能。 i e e e 8 0 2 1 l f ，目的是改善i e e e $ 0 2 1 1 协议的切换机制，使用户能够在不同的交换分区 间( 无线信道) 或者在接入设备间漫游。这就使无线局域网能够提供与移动通信同样的 移动性。 i e e e 8 0 2 1 l h ，比i e e e 8 0 2 1 l a 能更好地控制发送功率和选择无线信道，与i e e e s 0 2 1 l e 一起可以适应欧洲的更严格的标准。 i e e e s 0 2 1 l i ，改善i e e e 8 0 2 。1 1 标准最明显的缺陷安全问题。 i e e e 8 0 2 1 l j ，目的是使i e e e 8 0 2 1 1 a 和h i p e r l a n 2 网络能够互通。 人类需求推动技术的发展和应用，新的无线局域网协议将在今后不断出现。它们拥有高 的数据速率、q o s 保证和安全性，将是对有线宽带数据网络的挑战。i e e e 还在不断改善现 有的这些协议，推出或即将推出一些新的协议。 1 2 1 i e e e 8 0 2 1 1 的体系结构 局域稠只涉及o s i 模型中的数据链路层与物理层两层协议，没有复杂的中转、路由等 网络控制，网络结构也相对简单。根据局域网的特点，i e e e 8 0 2 课题工作委员会进一步将数 据链路层划分为逻辑链路控制层( l l c ) 与媒体访问控制层( m a c ) 。在i e e e 8 0 2 的各项标 准中t i e e e s 0 2 2 定义了l l c 层的协议标准，i e e e 8 0 2 3 、i e e e 8 0 2 4 、i e e e s 0 2 5 和i e e e 8 0 2 1 l 中则定义了参考模型中的物理层( p h y ) 与媒体访问控制层( m a c ) ，它们之间的相互关系 如图1 1 所示。 i e e e 8 0 2 1 1 中物理层定义了通过三类不同的无线方法来实现建立、维持和拆除物理 连接信道所必须的机械、电气及功能的特性与规格。以保证可靠的按比特为单位的同步与传 输。在数据链路层，定义了在两个数据链路层之间建立和维持数据链路，为网络层提供无差 - 2 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 错数据流的控制与管理协议。其协议模型如图1 _ 2 所示。 逻辑链路托捌 效据镪鼢层 媒体访m 控制 物理层 m a c p h y 图1 - 1i e e e 8 0 2 1 l 标准与i e e e 8 0 2 其它标准的关系 尢竞争捌竞争2 躺 q k 务业务 p c f d c f ( c s m a ，c a ) d s s s | f h s $ 坌i ：外缱 图1 - 2i e e e 8 0 2 1 1 协议模型 1 2 2i e e e 8 0 2 1 1 物理层规范 i e e e 8 0 2 1 l 定义了三种物理层规范，分别为红外线( i r ) 与两种射频( r f ) 技术规范。 红外线( i r ) 局域网 红外l a n 使用小于一微米的波长，基本速率为1 m b p s ，调制方式为1 6 p p m 。 跳频扩频( f h s s ) 局域网 跳频扩频使载波频率在很宽的频带范围内按某种图案( 伪随机序列控制) 进行跳变，接 收机利用相同的伪随机序列实现同步并解扩、解调、识别。跳变频率至少为1 跳秒。跳变 过程中将能量扩散到整个频带内，利用它实现扩频并最终获得传输增益。 直接序列扩频( d s s s ) 局域网 直接序列扩频是将要发送的信号用伪随机码( p n 码) 扩展到一个比原始信号频带宽得 多的频带上去，以实现扩频。在接收端，利用与发端相同的p n 码进行相关解扩，恢复出发 送信号。对干扰信号，由于与p n 码不相关，在接收端被扩展，使落入信号通带内的干扰信 号功率降低g ( 扩频增益系数) 倍，从而提高了相关器的输出s n 比，达到抗干扰目的。 i e e e 8 0 2 1 1 推荐使用在国际上基本是自由频段的i s m 频段。在美国有三个：9 0 2 9 2 8 m h z ，2 4 0 0 2 4 8 3 5 g h z 和5 7 2 5 5 8 5 0 g h z ，在日本是2 4 7 1 2 4 4 7 g h z ，在中国是 2 4 0 0 24 8 3 5 g h z 。 查壹查堂堡主兰垡笙茎 墨二童堡篓 由于i e e e 8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，i e e e 小组又相继 推出了i e e e 8 0 2 1 1 b 和i e e e 8 0 2 1 l a 两个新标准。三者之间技术上的主要差别在于m a c 予 层和物理层。 i e e e 8 0 2 1 l b 物理层支持5 5 m b p s 和1 1 m b p s 两个新速率，i e e e s 0 2 1 1 标准在扩频时是 一个1 1 位调制芯片，而i e e e s 0 2 1 l b 标准采用一种新的调制技术c c k 完成。i e e e 8 0 2 1 l b 使用动态速率漂移，可因环境变化，在1 1 m b p s 、5 5 m b p s 、2 m b p s 、l m b p s 之间切换，且在 2 m b p s 、1 m b p s 速率时与i e e e 8 0 2 1 1 兼容。 i e e e 8 0 2 1l a 工作在5 g h zu - n i l 频带。物理层速率可达5 4 m b p s ，传输层达2 5 m b p s 采用正交频分复用( o f d m ) 的独特扩频技术；可提供2 5 m h p s 的无线a t m 接1 2 1 和1 0 m b p s 的以太网无线帧结构接口，以及t d d t d m a 的空中接口；支持语音、数据、图像业务； 个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。 1 2 3l e e e 8 0 2 1 1m a c 层规范 i e e e 8 0 2 1im a c 协议和i e e e 8 0 2 3m a c 协议非常相似，都是在一个共享媒体之上支 持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性检测。在i e e e 8 0 2 3 协议 中，是由一种称为c s m a c d ( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l e a c c e $ s w i t h c o l l i s i o n d e t e c t i o n ) 的协议 来完成调节，而在i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网协议中，冲突的检测存在一定的问题，这个问题 称为“n e a r f a r ”现象，这是由于要检测冲突，设备必须能够一边接受数据信号，一边传送 数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。鉴于这个差异。在i e e e s 0 2 1 1 中对c s m a c d 进行了一些调整，采用了新的协议c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e ) 。c s m a c a 利用a c k 信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当客户端收到 网络上返回的a c k 信号后才确认送出的数据已经正确到达目的端。c s m a c a 通过这种方 式来提供无线的共享访问，这种显式的a c k 机制在处理无线问题时非常有效。然而不管是 对于i e e e s 0 2 1 1 还是i e e e 8 0 2 3 来说，这种方式都增加了额外的负担，所以i e e e 8 0 2 1 1 网 络和类似的e t h e m e t 网比较总是在性能上稍逊一筹。 另一个无线m a c 层问题是隐藏终端( h i d d e nn o d e ) ，当两个相反的工作站利用一个中 心接入点进行连接，这两个工作站都能够“听”到中心接入点的存在，而互相之间则可能由 于障碍或者距离原因无法感知到对方的存在。为了解决这个问题，i e e e s 0 2 1 1 在m a c 层上 引入了一个新的r t s c t s ( r e q u e s t t o s e n d c l e a r t os e n d ) 可选机制，当这个选项打开后 一个发送工作站传送一个r t s 信号，随后等待访问接入点回送c t s 信号，由于所有的网络 中的工作站能够“听”到访问接入点发出的信号，所以c t s 能够让他们停止传送数据，这 样发送端就可以发送数据和接受a c k 信号而不会造成数据的冲突，这就间接解决了隐藏终 端问题。由于r t s c t s 需要占用网络资源而增加了额外的网络负担，一般只是在那些较长 的数据报上采用( 重传长数据报会耗费较大) 。 最后，i e e e s 0 2 1 lm a c 子层提供了另外两个强壮的功能，c r c 校验和包分片。在 i e e e 8 0 2 1 1 协议中，每一个在无线网络中传输的数据报都被附加上了校验位以保证它在传 送的时候没有出现错误，这和e t h e m e t 中通过上层t c p i p 协议来对数据进行校验有所不同。 包分片的功能允许大的数据报在传送的时候被分成较小的部分分批传送。这在网络十分拥挤 或者存在干扰的情况下( 长数据报在这种环境下传送非常容易遭到破坏) 是一个非常有用的 特性。这项技术大大减少了许多情况下数据报被重传的概率，从而提高了无线网络的整体性 能。m a c 子层负责将收到的被分片的大数据报进行重新组装，对于上层协议这个分片的过 程是完全透明的。i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议的具体内容将在第二章阐述。 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 无线局域网结构 无线局域网由无线网卡、无线接入点a p 、计算机和有关设备组成。对于不同的局域网 应用环境和需求，无线局域网可以采取不同的网络结构来实现互联。一般来说无线局域嘲 主要有如下三种拓扑结构。 1 ，3 ，1 对等方式w l a n 对等方式的w l a n ( 见图1 3 ) 不需要单独 的具有控制转接功能的接入设备a p ，所有的基 站都能对等地通信，各站点都可竞争公用信道， 而信道接入控制( m a c ) 协议大多采用c s m a ( 载波侦听多址按入) 类型的多址接入协议。此 类w l a n 也被称为a d h o c 网络。 1 3 2 接入方式w l a n 图卜3 对等方式w l a n 接入方式的w l a n ( 见图1 - 4 ) 以星型拓扑结构为基础，以接入点a p 为中心，所有的 基站通过a p 转接。相当于把无线链路作为原有的基干网或其中一部分。相应的在m a c 帧 中，同时有源地址、目的地址和接 入点地址。通过各基站的响应信号， 接入点a p 能在内部建立一个类似 路由表那样的桥接表将各个基站 与端口一一联系起来。当转接信号 时，a p 就通过查询桥接表进行。由 于w l a n 的a p 有以太网接口，这 样，既能以a p 为中心独立建一个无 线局域网，也能将a p 作为一个有线 网的扩展部分。 1 ，3 3 中继方式w l a n 中继方式的w l a n ( 见图 1 5 ) 是建立在接入原理之上的， 它以两个a p 点对点连接。由于独 享信道，这种方式较适合两个局域 网的远距离互联( 架设高增益定向 天线后。传输距离可达到5 0 k i n ) ， 局域网既可以是有线的也可以是 无线的。 图1 - 4 接入方式w l a n 图1 5 中继方式w l a n 查堕查堂堕主兰堡堕奎笙二里! i 鱼 w l a n 采用中继方式的组网模式多种多样，在此统称为无线分布系统在这种模式下， m a c 帧使用了四个地址即源地址、目的地址、中转发送地址、中转接收地址a 1 4 无线局域网的优点及应用 由于无线局域网具有多方面的优点，其发展十分迅速。在最近几年里，无线局域网已经 在医院、商店、工厂和学校等不适合网络布线的场合得到了广泛的应用。无线局域网主要有 着以下一些优点； ( 1 ) 灵活移动性：无线网络可为用户提供实时的、移动性的网络资源共享，这是普通局域 网无法达到的。 ( 2 ) 安装简单、快速。 ( 3 ) 运行成本低廉：尽管初期投资比普通局域网要高，但从整体安装、运行成本以及使用 寿命而言都得到了巨大的改善。尤其是在用户经常移动的工作环境下。运行费用很 低。 ( 4 ) 可扩展性强：无线局域网可以配制成各种网络拓扑结构来满足多种应用和安装需要。 从点对点的小型网络，到拥有数千台节点的网络系统，以及某范围内实现漫游功能 的大型网络，均不需要更改任何硬件设施。 ( 5 ) 便于维护和管理：对于传统布线，局域网络管理的主要工作之一是检查电缆是否畅通， 这种工作耗时耗力。而且整个网络的布线星罗棋布，不容易在短时间内找出问题。但 无线局域网不存在这样的问题。 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 ) 布线困难的场所：受地理环境影响的城市建筑群、学校校园网、老建筑或布线昂贵的 江河湖泊、山区草原、港口码头等露天区域。 ( 2 ) 变化频繁的环境：经常更换工作地点和变更位置的销售商、生产商、银行储蓄所、各 类售票代理点等。 ( 3 ) 临时组建的网络：大型会议、商业展览、建设工地等场所需要临时组建的局域刚。 ( 4 ) 流动作业的场合：适于野外勘测、实验、军事、公安的流动网络以及需要在流动时得 到信息的医护人员、零售商、自领阶层等。 ( 5 ) 家庭办公室( s o h o ) 用户：( s o h o ) 用户需要方便快捷地安装小型网络。 未来无线局域网络的发展前景将更加广阔，其应用也不再局限于几个特殊领域，今后的 应用主要有： ( 1 ) 资源共享：无论何时何地都可以接入因特网来发送电子邮件，进行文件传输与终端仿 真，共享世界各地的信息资源。 ( 2 ) 办公自动化：外出职员可以接入到本单位的内部网，及时掌握生产经营管理情况收 发指令，实现移动办公。 - 6 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 网络教学：学生可以通过便携式计算机接入大学校园网选择学习内容，与老师进行 交互式教学。 ( 4 ) 金融财经：通过便携式计算机与无线扁域网适配器可以接收到证券、期货最新信息 方便快捷地实现网上交易。 ( 5 ) 医疗保健：随时掌握病人的动态信息。为病人提供高质量、高效率的保健服务。 ( 6 ) 商业零售；顾客随时随地选购各类商品，服务商都可以直接送达现场。 ( 7 ) 生产制造：连接布线困难的生产车间，可收集现场生产数据传到公司网络。 ( 8 ) 码头仓储：通过无线局域网建立动态数据库系统。随时了解货运信息，减少仓储库存， 节约生产资金。 可以预见，随着开放办公的流行和手持设备的普及，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 5 论文研究内容 本文研究内容隶属于国家8 6 3 高科技项目“无线局域网安全技术研究”下的媒体访问控 制( m a c ) 协议仿真和硬件实现技术部分。本文针对无线局域网i e e e s 0 2 1 1m a c 协议进 行了系统研究，并对m a c 协议中的分布式网络控制访问方式( d c f ) 功能的各个子模块进 行了软件设计和实现，分析了无线接入设各的硬件实现方案，最后设计了无线接入点a p 的 m a c 层功能实现的硬件电路原理图。具体研究内容如下： 第一章，介绍了本论文研究的背景和无线局域两的一些基本概念。 第二章。阐述了无线局域网i e e e 8 0 2 1 t 媒体访问控制( m a c ) 协议的体系结构和关键技术。 第三章，针对无线接入点a p 分析了m a c 协议中分布式网络访问控制方式( d c f ) 的整体 构架，并对d c f 中各功能子模块进行了模块化的软件设计和c 代码实现。 第四章，分析了无线接入设备硬件实现的理论思路，并给出了基于u c l i n u x 操作系统的嵌入 式系统硬件设计方案。 第五章，针对无线接入点a p 的硬件设计方案，给出了a p 硬件实现中m a c 层开发板主要 功能模块的电路原理图。 最后，总结了本论文的工作情况，说明了后期进一步工作的主要内容和计划安排。 7 东南大学硬士学位论文 第二章i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议中的关键技术 第二章l e e e 8 0 2 11m a c 协议中的关键技术1 5 1 6 1 7 1 2 1ie e e 8 0 2 1 1 m a c 协议概述 i e e e s 0 2 1 l 无线局域网的m a c 层与其它i e e e s 0 2 标准的m a c 层一样，同逻辑链路控 制层( l l c ) 一起构成了数据链路控制层，它详细规定了节点访问传输媒体而不致发生碰撞 的基础协议。由于在无线网络中冲突检测较困难，媒体访问控制层( m a c ) 采用冲突避免 ( c a ) 协议而不是冲突检测( c d ) ，i e e e s 0 2 1 1 物理层的无线媒体( w m ) 决定了它与 现有的有线局域网的m a c 不同，具有独特的媒体访问控制机制，各站点以载波侦听多路访 问冲突避免( c s m a c a ) 的方式共享无线媒体。 基本服务群( b s s ) 是无线局域网的基本单元，它的功能包括分布式协调功能( d c f ) 和点协调功能( p c f ) 。协调功能是决定在b s s 内工作的一个站，通过无线媒体( w m ) 何 时允许发送和可能接收协议单元的逻辑功能。d c f 是i e e e 8 0 2 1lm a c 协议的基本媒体访 问方法，作用于基本服务群和基本网络结构中，可在所有站实现，它支持竞争型异步业务 丽p c f 可支持无竞争型时限业务及无竞争型异步业务。其业务模型如图2 - i 所示。 t m c 扩媵 用子竞争服务爰为 p c f 的基础 图2 - ii e e e 8 0 2 1 1m a c 的业务模型 无线局域网m a c 提供的服务有：安全服务、m s d u 重新排序服务和数据服务。 i e e e 8 0 2 11 中的安全服务提供的范围局限于站与站之间的数据交换。其内容为：加密、 验证、与管理实体相联系的访问控制。 为提高成功发送的可能性，m a c 提供了重新排序的服务。只有在节电方式工作下的站 点，且不处于激活状态，才可先将m a c 服务数据单元( m s d u ) 缓存起来，等站点激活时 再突发出去，对缓存数据进行重新排序。 m a c 数据服务可使对等l l c 实体进行数据单元的交换。本地m a c 利用下层的服务将 个m s d u 传给一个对等的m a c 实体，然后又传给对等的l l c 实体。当信道特性限制了 长帧传输的可靠性时，可通过增加m s d u 成功传输的可能性来增加可靠性。 8 东南大学硕士学位论文 第二章i e e e s 0 21 1m a c 协议中的关键技术 2 2 分布式网络访问控制方式( d o f ) 分布式网络访问方式( d c f ) 是i e e e s 0 2 1 im a c 的基本媒体访问方法t 用于竞争期间t 与i e e e s 0 2 3 以太网标准的m a c 类似i e e e s 0 2 1 1 网络使用具有冲突避免的载波侦听多路 访问( c s m a c a ) 协议进行介质共享。 2 ，2 1 载波侦听机制c s m a c a 由于无线信道传输的特殊原因，无线适配器不易检测到信道是否存在冲突i e e e 8 0 2 1 l 不采用有线网络中的载波侦听多路访问冲突检测( c s m a c d ) 方法，而采用了载波侦听多 路访问冲突避免( c s m a c a ) 的技术。c s m a c a 通信方式将时间域的划分与帧格式紧密 联系起来，保证某一时刻只有个站点发送。一方面，载波侦听查看介质是否空闲；另 一方面，避免冲撞通过随机的时间等待，使信号冲突发生的概率减到最小。当介质被 侦听到空闲时。则优先发送。不仅如此。为了系统更加稳固，i e e e 8 0 2 1 1 还提供了带确认 帧a c k 的c s m a c a ，在一旦遭受其他噪声干扰，或者由于侦听失败时，信号冲突就有可 能发生，而这种工作于m a c 层的a c k 此时能够提供快速的恢复能力。c s m a c a 是 i 髓e 8 0 2 1lm a c 最基本的接入方法。是分布式协调功能( d c f ) 的基础。 c s m a c a 方法下信号发送流程具体如下( 见图2 2 ) ：某工作站( s t a ) 在发送信 息之前，检测信道是否空闲以及空闲时间是否大于i e e e 8 0 2 1 i 规定的帧间隔时问( i f s ) ， 如果否，该s t a 就延迟接入，直到当前的传输结束。之后也就是一次成功传输完成刚结束， 这时碰撞发生率最高，因为所有待发送的s t a 都延迟等待这一时刻的到来，为进一步减少 碰撞，s t a 选择随机退避( b a c k o f l t i m e ) 再次延迟接入，在检测信道的同时倒数b a c k o m i m e 计数器，直到其值递减为0 。这时，如果其它工作站选择的b a c k o f r i m e 更短，它就赢得了 信道占用权。如果这个s t a 又检测到信道忙，只好再次延迟接入，否则，若信道空闲，发 送信息。 图2 - 2c s m a c a 机制下的信号发送流程 - 9 东南大学硕士学位论文 第二章 e e e 8 0 2 1 1m a c 协议中的关键技术 其中，工作站检测信道是否空闲有两种方法：虚拟载波检测和物理载波检测。虚拟载波 检测由代表将来信道占用情况的信息来完成。一种方法是在信息数据传输前交换r t s i c t s 帧，r t s c t s 帧包含d u r a f i o n i d 域，它定义了下一时刻信道空闲时间阃隔，这就是网络分 配矢量( n a v ) 它宣布了将来信道占用的情况；另一种方法是由点对点发送帧的d u r a t i o n i d 域来确定。 物理载波检测通过接收信号的能量强弱来确定，因传输介质不同。c s m a c a 与 c s m a c d 的检测方式也不同c s m a c d 通过电缆中电压的变化来检测当数据发生碰撞 时，电缆中的电压就会随着发生变化；而c s m a c a 采用能量检测( e d ) 、载波检测( c s ) 和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。每当信道由空闲转为忙或由忙转为空闲时， 物理层都产生一种基单元p h yc c a 1 n d i c a t o n ( s t a t e ) ，它有2 个参数值：信道忙b u s y 和信道闲i d l e ，当物理层检钡0 到信道忙，其值为b u s y 。反之，为i d l e 。 i e e e 8 0 2 1i 对b a c k o f f t i m e 的确定专门规定了计算公式 b a c k o f r i m e = r a n d o m ( ) a s l o t t i m e 物理层的服务基单元p l m ec h a r a c t e r i s t i c s 提供了很多p h y 层特征值， a c w m i n 、a c w m a x 、a s o t t i m e 就是其中的3 个，在d s s sw l a n 中其值分剐为3 i 、1 0 2 3 、 2 0 u s 。其中，r a n d o m ( ) 是均匀分布于【o ，c w 】中的随机整数。a s l o t t i m e 表示总传播时延， 其值取决于物理层，由发射机开启时间、媒体传播时延和信道检测的响应时间兰项之和构成。 c w 是“竞争窗口”参数，介子a c w m i n 和a c w m a x 之间取值为a s l o t t i m e 的整数倍，c w 参数的初始值取为a c w m i n 。每次不成功发送，c w 值都双倍增加，直到为a c w m a x 。这就 提高了重负荷条件下接口协议的稳定性。 2 2 2r t s g t s d a t a a c k 四次握手协议 i e e e 8 0 2 1 l m a c 在c s m a c a 的基础上提供了确认帧a c k ( a c k n o w l e d g e m e n t ) 。保 证在m a c 层对帧丢失给予检测井重新发送。为了进一步避免碰撞。解决隐藏终端问题，又 加入了r t s c t s + a c k 协议。r t s c t s 是可选协议，在参数配置中，若使用r t s c t s 协议， 同时设置传送上限字节数。一旦待传送的数据大于此上限值时，即启动r t s c t s 握手协议。 其工作机制如下： ( 1 ) 工作站在发送信息之前先发送一“发送请求”控制包，即r t s 帧给目的站。 ( 2 ) 如果信道空闲，目的站回发一“发送响应”控制包，即c t s 帧，如果检测到信道忙 不发送c t s ，这样可避免不同工作站同时向同一目的站发送信息。 ( 3 ) 如果源站收到c t s 桉证明信道空闲它就可以继续发送有用数据d a t a 帧。 ( 4 ) 如果该d a t a 帧需要确认，目的站在成功接收后经过最短帧间隔时间后就回发确认帧 a c k ，如果在规定的时间间隔后，源站未能收到a c k ，那么它就可判断出信息发送失 败，可根据需要重发，这样可避免信息丢失。 其它工作站采用接收到的r t s 帧或c t s 帧设置网络分配矢量( n a v ) ，用该信息来进 行虚拟载波检测，同p i p 层的物理载波检测一起确定信道的空闲与否。图2 - 3 示出了s r c ( 源站) 和d e s t ( 目的站) 之间通信的过程以及其它站点设置n a v 的情况。 一1 0 东南大学硕士学位论文 第二章 e e e s 0 2 1 1m a c 协议中的关键技术 墨 墨的 鼻它 r t s擞雏c 、：克寺富 i 司i 酮fm p d u - f ：v v n a y ! r t s l鬣国谨 jn a v ( c x s ) 延迟后 售谁 1 证 j c 蕾f 2 2 3 差错恢复机制 图2 - 3r t s c t s d a l a a c k 四次握手协议过程 由于干扰和碰撞等发送差错，数据帧中可能会有一些比特差错。对帧序列产生破坏。如 工作站a 发送了r t s 帧之后，却收不到