（通信与信息系统专业论文）ieee+80211协议无线局域网固件（firmware）的研究与开发.pdf

摘要 i e e e8 0 2 1 1 标准化委员会在1 9 9 9 年1 0 月公布了其丌发的i e e e8 0 2 1 l 协议 的最新版。该协议规定了无线局域网的媒质访问控制( m a c ) 层和物理( p h y ) 层特性。 通信协议的研究，是通信技术研究与丌发的难点。研究i e e e8 0 2 ，1 1 协议，对于 研究无线局域网技术，开发拥有自主知识产权的无线网络产品具有重要的现实意 义，同时，可以使我们掌握研究通信协议的基本方法和一般过程。 论文以协议工程为主线，对i e e e8 0 2 ，1l 协议进行了详细的分析；对协议工 程中各个阶段的标准描述技术进行研究，重点研究i e e e8 0 2 1 l 协议的描述语言一 一s p e c i f i c a t i o na n dd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( s d l ) ：提出了i b e e8 0 2 1 l 协议无 线局域网固件( f i r m w a r e ) 实现的总体设计方案，掌握了一种基于标准描述技术对 s d l 语言描述的i e e e8 0 2 1 l 协议系统进行软硬件划分和协议的软件部分实现的方 法；对s d l 与c 语言之问的映射和测试集的自动生成方法进行了研究。 关键词： i e e e 8 0 21 1 协议工程s d l 固件m a c a b s t r a c t t h en e w e s ti e e es t d8 0 211d o c u m e n t sa r ep u b l i c i z e db yi e e ei no c t19 9 9 t h e c h a r a c t e r i s t i c so fm 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 a ll a y e rf o rw i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) a r es p e c i f i e d t h es t u d yo fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li s n o t e a s yi nt h ec o u r s eo f t h es t u d ya n dd e v e l o p m e n ta b o u tc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y i t i sv e r ys i g n i f i c a n tt os t u d yt h ei e e e8 0 2 11 p r o t o c o lw h i c hw i l lm a k eu sp o s s e s st h e w i r e l e s sn e t w o r kp r o d u c t so u r s e l v e s ，a n d ，w ew i l lm a s t e rt h eb a s i cw a y sa n dg e n e r a l c o u r s eo ft h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o ls t u d y t h i sp a p e ri sb a s e do np r o t o c o le n g i n e e r i n gf o rg u i d e l i n e f i r s t ，d i f f e r e n tf e d e r a l d e s c r i p t i o nt e c h n o l o g i e s ( f d t ) i ne a c hp h a s eo fp r o t o c o le n g i n e e r i n ga r ei n t r o d u c e d ， e s p e c i a l l yt h ep r o t o c o ld e s c r i p t i o nl a n g u a g e s d l a f t e r w a r d sa no v e r a l l d e s i g n o f r e a l i z a t i o no fi e e e8 0 2 11 p r o t o c o lw l a n f i r m w a r ei sd i s c u s s e d ，i nw h i c hh w s w p a r t i t i o n ，h o w t or e a l i z et h es o f t w a r ep a r to ff i r m w a r ea n d p r o d u c e t e s ts u i t ea r es t u d i e d k e y w o r d ：p r o t o c o le n g i n e e r i n g s d lf i r m w a r em a c y 5 8 3 8 3 s 创新性申明 本人申明所成交的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中所罗列 的内容以外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果；也 不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位和证书而使用 过的材料。与我一同丁作过的同志对本研究所作的任何贡献均已在论 文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一一切责任。 ，、 l 本人签名：至! 达生坠日期：一叨口q - 一1 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电 子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文和使用论文工作成果时 署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的令部或部分内容，可以允 许采用影音、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密后的论文在解密后 遵守此规定) 本人签名：和斌皇吣 翩签钰选 日期：2 仍彩，厶 第一章绪论 第一章绪论 1 1无线局域网技术现状及发展趋势 移动计算网络基本上可以分为两种解决方案：广域解决方案和局域解决方案。 广域方案主要是依靠无线蜂窝数据通信网络和卫星通信网络作为移动计算的物理 网；而在地域范围上受限制，但速率更高的移动解决方案是无线局域网。 无线局域网( w i r e l e s sl a n ，简称w l a n ) 是上世纪9 0 年代计算机网络与无线 通信技术相结合的产物，它提供了使用无线多址信道的一种有效方法来支持计算 机之间的通信，并为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了潜在的手段。 随着无线通信技术的高速发展，无线局域网的应用越来越广泛，学校、科研 院所、企事业单位等纷纷采用无线局域网方案，“最后一公罩”的无线实现技术， 也因此成为研究的热点。i e e e 在近几年陆续公布了多个无线局域网标准，提供不 同的速率等网络服务，以满足不同的需求。以下简单介绍无线局域网的各个标准 以及即将推出的新标准。 i e e e8 0 2 1 1 标准是i e e e8 0 2 标准化委员会于1 9 9 7 年6 月制定出的第一个无 线局域网标准，工作在2 4 g h z ，最高数据速率可达2 m b s 。 i e e e8 0 2 1 l 标准是 无线局域网的经典版本，以后的i e e e8 0 2 1 l 系列版本都是基于对该版本的修改 而发展成的新标准，由于i e e e8 0 2 1 1 标准在安全性、传输速率、服务质量( q o s ) 等方面存在缺陷，以后的多个8 0 2 1 l 系列标准都是为了提高网络的这些性能而相 继推出的。 i e e e8 0 2 1 l b 标准工作在2 4 g h z ，但是在物理层采用了一种新的调制技术一 一补偿码键控( c k k ) ，从而使最大传输速率增大到1i m b p s ，i e e e8 0 2 1l b 标准是 目前市场上特别是在中国应用比较广泛的版本。 i e e e8 0 2 1 l a 标准扩充了i e e e 8 0 2 1 l 标准的物理层，规定该层使用5 g h z 的 频带。该标准采用o f d m ( 正交频分复用) 调制技术，传输速率范围为6 m b p s 5 4 m b p s ， 共有1 2 个传输信道。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 e8 0 2 1 l g 标准工作在2 4 g h z ，传输速率可达5 4 m b p s ，i e e e8 0 2 11 9 标 准最大的优点是标准的兼容性。因为i e e e8 0 2 1 l g 其实是一种混合标准，它既能 适应传统的i e e e8 0 2 1 l b 标准，在2 4 g h z 频率下提供每秒1 1 m b i t s 数掘传输率， 也符合i e e e8 0 2 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。 i e e e8 0 2 1 1 e 标准是为了解决i e e e8 0 2 儿的q o s 特性。它不像i e e e8 0 2 ，1 1 协议采用随机接入，而是代之以时分多址接入( t d m a ) 技术，并对重要通信增加 2 i e e e8 0 2 1 l 协议无线局域网件( f i r m w a r e ) 的研究与开发 额外纠错功能。目前标准还没有定案，原因在于对服务级别仍存在争议，另外， 如何具体实现特定服务级别也还是个问题。 i e e e8 0 2 1li 标准主要是克服i e e e8 0 2 11 在安全性方面存在的不足，不像 w e p ，它是一类基于a e s 加密算法的完整新型标准。从根本上解决w e p 协议缺陷的 现有方案目前主要有a e s o c b 和a e s c c m 模式。后者因在密码学上比较成熟而成 为新的安全协议中必须实现的模式。 i e e e8 0 2 1 1 1 3 标准是为了进一步提高数据传输的速率而提出的，i e e e8 0 2 11n 标准中的晟大速率可达3 2 0 m b i t s 。在i e e e8 0 2 1 i n 标准中，将采用4 g 中的一些 关键技术，例如m i m oo f d m 、智能天线、m a c 层优化、软件无线电、网格计算等， 正式的标准预计在2 0 0 5 年左右推出。 除了以上的i e e e8 0 2 1 l 系列标准外，还有h y p e r l a n 2 、b 1 u e t o o t h 、h o m e r f 和i r d a 等其它无线局域网技术标准。目前，无线局域网仍处于众多标准共存时期， 每一标准的背后都有大公司或者大集团的支持。在美国和欧洲，形成了几个互不 相让的高速无线标准：i e e e8 0 2 1 l b ( 也有称w i f i ) 由3 c o m 、l u c e n t 、a p p l e 、 c i s c o 等公司支持，这个标准目前在北美非常流行：与其竞争的标准是由i n t e l 、 p r o x i m 、m o t o r o l a 、c o m p a q 支持的h o m e r f 标准；美国i e e e 创建了另外一种高速 无线标准i e e e8 0 2 1 l a ，比当前的i e e e8 0 2 1 1 b 技术快近5 倍：欧洲电信标准委 员会创建了一个很有竞争力的高速标准h y p e r l a n 2 ，爱立信公司是主要的支持者， 目前欧洲普遍采用h y p e r l k n 2 标准，h y p e r l a n 2 标准是i e e e8 0 2 1 1 系列标准的主 要竞争对手。 虽然多种标准并存，但并没有制约产业的迅速发展，原因是，目前无线局域 网一般还不能单独应用，只是作为局域网的备用或补充。就像宽带接入市场有 a d s l 、i s d n 、c a b l em o d e m 等接入方式并没有妨碍用户的宽带上网一样，同一个局 域网中很少会用到不同标准的无线局域网，因此，不存在不同标准的w l a n 之间互 连的问题。从这个意义上来说，各大厂商坚持推出自己的产品和标准有其自身的 道理，一般来讲，统一标准的产生都滞后于产品和市场，谁家的产品市场覆盖面 最广，谁就有可能成为事实的标准。 i 2 研究问题的提出 随着无线局域网标准的推出，众多商家也相应的推出自己的产品，抢占市场。 然而，在众多的无线局域网产品中，只有少数产品是被国内研发的，其主要原因 是受芯片技术的束缚，然而随着我国芯片技术的逐步成熟，现在国内一些研发单 位已着手研制拥有自主知识产权的无线局域网芯片，进而研制出自己的无线局域 网产品。 第一章绪论 在开发无线局域网芯片的过程中，固件( f i r m w a r e ) 开发是关键的一环，因为 固件实现了绝大部分的无线局域网协议。固件的开发属于协议工程和软硬件协同 设计( h w s w ) 的范畴，用怎样的方法对协议工程进行研究，如何进行软硬件的分割 和编写固件中的代码? 论文基于i e e e8 0 2 1 1 协议，详细阐述开发无线局域网的 i e e e8 0 2 1l 协议固件的步骤和方法。在i e e e8 0 2 1 1 协议固件的开发中，论文以 协议工程为主线，从协议的标准描述技术入手研究标准组织采用描述语言的目 的，以及描述语言与实现语言之间的映射关系。 在协议开发中，特别是在s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 领域，应尽可能多的采用 协议开发工具，从而降低系统开发的难度。因为随着通信技术的不断发展，协议 的复杂度越来越高，协议系统越来越庞大，对设计者的要求也越来越高。对于如 此庞大复杂的协议系统，仅仅依靠人工编码来实现协议是非常危险的。这是因为， 由于设计人员的水平不同，人工编码的风格不能保持一致，潜在错误多，调试困 难，最终将导致开发周期长，系统运行不稳定。当今流行的协议丌发方法是基于 较高的开发平台，尽可能多的采用协议开发工具，减少人工的丌发。采用协议开 发工具，对协议系统的整个开发过程用系统工程的方法来管理，采用形式化语言 来设计，利用模拟验证工具对协议系统进行分析验证，排除协议设计中的逻辑错 误，提高系统的可靠性，利用代码自动生成工具生成代码，保证代码质量，避免 人为错误，缩短开发周期。在i e e e8 0 2 11 协议固件的开发中，作者采用协议工 程开发方法，目的在于掌握这种流行的研究通信协议的基本方法和一般过程。 论文虽然基于i e e e8 0 2 1l 协议进行开发，但由于i e e e8 0 2 1 1 协议的固件 开发主要在于协议的m a c 层，而且多数的i e e e8 0 2 1l 系列标准的差别在于物理 层。i e e e8 0 2 1 1 、i e e e8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 l b 三种协议标准除了在物理层各自 采用不同的调制技术外，它们共用一个m a c 层。因此，研究基于i e e e8 0 2 1 】协 议的f i r m w a r e ，同样适用于i e e e8 0 2 1 l a 以及i e e e8 0 2 1 l b 协议标准。 1 3 论文所作的工作 论文所做的工作： 对i e e e8 0 2 1 l 协议进行了详细的分析； 对协议工程中各个阶段的标准描述技术进行研究，重点研究i e e e8 0 2 儿 协议的描述语占s p e c i f i c a t i o na n dd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( s d l ) ： 提出了i e e e 8 0 2 1 l 协议无线局域网固件( f i r m w a r e ) 实现的总体设计方 案，掌握了一种基于标准捕述技术对s d l 语言描述的i e e e8 0 2 1 l 协议系 统进行软硬件划分和协议软件部分实现的方法； 对s d l 与c 语言之间的映射和测试集的自动生成方法进行了研究。 i e e e8 0 2 1 1 协议无线局域网同件( f i r m w a r e ) 的研究与开发 论文的第一章首先介绍了无线局域网的发展概况和开发无线局域网协议固件 的意义；第二章简要的介绍了无线局域网的一些基本概念并对i e e e8 0 2 11 协议 m a c 层的状态机进行了比较详细的分析：第三章对协议工程中各个阶段的标准描述 技术进行研究，重点研究了i e e e8 0 2 11 协议的标准描述语言s d l ：第四章提出了 i e e e8 0 2 1 l 协议无线局域网固件实现的总体设计方案，研究了基于标准描述技术 对s d l 语占描述的协议系统进行软硬件划分和协议的软件部分实现的方法：第五 章详细的讨论了手工编写协议的软件部分代码的方法，简单介绍协议的硬件部分 的实现和基于t t c n 测试语言的测试集的自动生成方法。 第二章i e e e8 0 2 1 lw a l n 第二章i e e e8 0 2 1 1w l a n 2 1i e e e8 0 2 1 1 协议的体系接构 无线局域网只涉及o s i r m 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 e8 0 2 1 1 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 e8 0 2 的各项标准中，i e e e8 0 2 2 定义了l l c 层的协议标准， i e e e8 0 2 1 l 定义了参考模型中的物理层( p h y ) 和媒体访问控制层( m a c ) ，它们 之间的关系如图2 1 所示，图2 1 是无线局域网中无线接入点( a p ) 的结构图， 采用常用的t c p i p 协议结构。 图2 1a p 的协议体系结构 2 。2i e e e8 0 2 1 1 协议的拓扑结构 最早的i g e e8 0 2 1 1 协议标准描述了一个公共的媒质接入控制层和三个不同的 物理层。m a c 层采用分布式协调功能( d c f ) 和点协调功能( p c f ) 方式支持自组织网络 i e e e8 0 2 1 1 协议无线局域网同件( f ir m w a r e ) 的研究与开发 ( a dh o c ) 和多区网络( i n f r a s t r u c t u r e ) 拓扑结构，如图2 2 所示，其中d c f 是i e e e 8 0 2 1 l 协议m a c 层最基本的功能，p c f 是工作在d c f 方式上的提供集中控制的媒体接 入方式，基本的i e e e8 0 2 1 l 协议结构图如图2 3 所示。多区网络中设有无线基站 用作访问点，它负责监管一一个区域，并作为移动主机之间和移动主机与有线主干 网之间的桥接设备。这里的无线网络主要作为访问媒体使用，使得使用笔记本计 算机，掌上计算机以及个人数字助理( p d a ) 的用户可以方便的访问大型有线主干 网上的数据。自组织网络中没有基站，网内的节点自主对等工作，不必连到其它 大网上，是快速组网的好方法，适合于在会议室，走廊等处布景临时性网络。 图2 2 基本的w l a n 拓扑结构i n f r a s t r u c t u r e ( 左) 和a d h o e ( 右) 8 0 2 1 m a cl a y e r 圈23 基本的i e e e8 0 2 i 1 协议结构图 第二章i e e e8 0 2 1 1w a l n 2 3i e e e8 0 2 1 1 协议产品 无线局域网产品主要分为两类：无线网卡和无线接入点，无线网卡负责无线 网络内的传输，无线接入点负责无线网络和有线网络的桥接功能。无线网卡和无 线接入点都包含一个核心部件一无线局域网套片，该套片包括与主机的接口模 块、媒质接入模块、数据处理模块、发射和接收模块，现以i n t e r s i l 公司的芯片 h f a 3 8 4 2 ( 图2 4 ) 为例，详细介绍基于i e e e8 0 2 1 l 协议的无线媒质接入模块矛f f w l a n 中的固件( f i r m w a r e ) 在无线局域网套片中的位置。 s i m p h f l e d 8 i o 捕d i a g r a m 3 图24 无线套片和芯片h f a 3 8 4 2 的结构图 图2 4 列出了媒质接入芯片h f a 3 8 4 2 的内部结构图以及接入芯片h f a 3 8 4 2 与 其周围的其它的无线套片结构图：标识1 为基带处理芯片，实现i e e e8 0 2 1 l 协 议的物理层的数据处理功能；2 为射频芯片，完成频带的选择，发射的功率大小 控制；3 为套片的时钟；4 为固件( f i r m w a r e ) ，该模块作为h f a 3 8 4 2 芯片的片外 部分，实现i e e e8 0 2 1 1 协议的m a c 层的功能：5 为主机：中f b j 的为i f a 3 8 4 2 芯片 的片上部分，包括1 ) 与主机的接口，2 ) 与基带处理芯片和射频芯片的接f - i ，3 ) 片上r o m ，r a m 和存储管理器，4 ) 加密机，为了提高芯片处理的速度特别采用硬件 实现，5 ) 片上处理器，现在一般采用流行的a r m 核处理器。 2 4i e e e8 0 2 1 1 协议固件 固件( f i r m w a r e ) 被认为是介于h a r d w a r e 和s o f t w a r e 之间的一个中间体，因为 它像一个“黑盒子”，屏蔽了与物理层相关的一系列接口，并且利用外部存储器 结构s r a m 给程序开发人员开发上层软件提供了何时的接口。f i r m w a r e 的确切定义 ! i e e e8 0 2 1 1 协议无线局域网固什( f i r m w a r e ) 的研究与开发 应该为嵌入在r o m 中的软件代码，这个定义在数字信号处理( d s p ) 领域非常普遍， 而且在蓝牙规范的版本1 o b 巾也印证了该定义的准确性，从这个定义的角度看， 更容易阐述i e e e8 0 2 1 1 协议的w l a n 的f i r m w a r e 的功能，包括1 ) 本身的协议实现部 分的软件代码，实现i e e e8 0 2 1 1 协议的m a c 层，2 ) 友好的接口软件代码，提供 u s b ，p c m c i a 等与主机的接口，3 ) 对物理硬件的接口，例如存储管理，时钟管理等。 在f i r m w a r e 中，可以引用一个嵌入式的操作系统，以方便f i r m w a r e 的丌发。由此 可见，f i r m w a r e 作为s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 设计的一部分，开发f i r m w a r e 所涉及的 面非常广泛，并且实践性较强，作为以研究丌发无线局域网固件的方法为目的的 论文，很难对f i r m w a r e 作出完整的功能描述，论文只涉及开发f i r m w a r e 的最基本 功能，即协议本身的实现部分。 f i r m w a r e 完成i e e e8 0 2 1 1 协议中的以下功能： 支持b s s 和i b s s 两种服务集 d c f 功能 c s m a c a 媒质访问控制 随机退避算法 r t s c t s 通信机制和n a v 向量控制 可选择的p c f 功能 较低层次的函数功能 r t s c t s 帧的生成 对发送帧的确认 数据帧或者管理帧的分片 错误帧或者丢失帧的重传 管理信息库( m i b ) 的管理 对管理帧和控制帧的处理 功率的控制 2 5i e e e8 0 2 1 1 协议的m a c 层分析 i e e e8 0 2 1 l 协议标准描述了一个公共的媒质接入控制层和三个不同的物理 层。其中协议的m a c 层比较复杂， i e e e8 0 2 1 1 协议标准的绝大部分都是对m a c 层 的描述。对m a c 层的描述分为两部分，文字描述部分和基于s d l 语言的图形描述部 分，文字描述部分着重协议原理的解释，图形描述部分给开发者提供准确、详细 的标准描述。i e e e8 0 2 1l 协议的m a c 层系统分为七个模块： m a cd a t as e r v i c e ，负责m a c 层与l l c 层的接口： m p d ug e n e r a t i o ns t a ，负责帧的分片； 第二章 e e e8 0 2 l 1w a l n p r o t o c o lc o n t r o ls t a ，负责帧的收发协调控制： t r a n s m i s s i o n ，负责帧的发送； m a cm a n a g e m e n t s e r v i c e ，负责与上层的管理数据帧的接口； m l m e s t a ，负责移动站的管理； r e c e p t i o i l ，负责帧的接收。 论文重点分析i e e e8 0 2 1 1 协议的m a c 层，与通常的协议分析不同，论文采用 协议标准描述技术的观点基于状态机模型对i e e e8 0 2 1 1 协议进行了详细的分析， 下面重点讨论s t a 在发送和接收数据过程中，每个模块中的进程收发消息的过程， 对应进程的状态的变迁，远程变量的修改，以及相关参数的变化。i e e e8 0 2 1 l 协 议比较庞大，详细的描述请参考协议标准和其它文献【文献”1 、文献”3 】。 2 3 m a c d a t as e r v i c e 模块 m a c _ d a t as e r v i c e 模块包括m s d u t o l l c 和m s d u f r o m l l c 两个进程。 m a c d a t a _ s e r v i c e 模块主要提供i e e e8 0 2 i 1 协议的m a c 层与i l c 层之间服务访 问点的服务，主要功能为请求的验证、m a c 层帧头的添加或者去除。 m s d u f r o m _ l 。c 进程接收从l l c 层发送来的带有l l c d a t a 参数的 m a u n i t d a t a _ r e q u e s t 消息，进行服务类型等属性判断后，组成s d u 格式的数据帧， 然后发送带数据帧参数的m s d u r e q u e s t 消息到m p d u g e n e r a t i o n s t a 模块。 m s d u t o l l c 进程接收从m a c 层的p r o t o c o lc o n t r o l s t a 模块发送的 m s d u i n d i c a t e 消息，从消息的s d u 参数中获取源地址，目标地址l l c d a t a 数据后， 发送带有这些参数的m a u n i t d a t a _ i n d i c a t i o n 消息到l l c 层，这正是l l c 层所需 要的结果。 2 3 2 m p d u g e n e r a t i o n s t a 模块 该模块包含p r e p a r e m p d u 和p m - f t e r s t a 两个进程。m p d ug e n e r a ti o n s t a 模块的主要功能为帧( 数据帧和管理帧) 的分割、加密以及为实现节能功能的 帧的排队。 p r e p a r e m p d u 进程仞始化后，状态变迁为n o b s s ，这时判断远程变量 m l b s s 、m a s s o c 等值，状态机进入到相应的状态。例如，如果m l b s s 为真，则表示 s t a 在i b s s 中，可以交换数据帧，状态变迁为p r e p a r e i b s s ，接收m s d u r e q u e s t 消息后，对消息中的s d u 参数进行分片，并对分片后的每一片设置相应的帧头、 进行片的加密。由于管理帧的优先级比数据帧高，所以只要m m r e q u e s t 消息到达， 进程无论在哪个状态都必须响应。进程接收到m m r e q u e s t 消息，也对消息中的s d u 1 0 i e e e8 0 2 1 1 协议无线局域网i 捌件( f i r m w a r e ) 的研究与开发 参数进行分片，并对分片后的每一片设置相应的帧头、进行片的加密。对 m s d u r e q u e s t 消息和m m r e q u e s t 消息中的s d u 参数分片的过程是完全相同的。分片 的原因是s d u 数据的长度大于能够发送的p d u 数据的长度，分片的结果是服务数 据单元s d u 格式的帧变为协议数据单元p d u 格式的帧。分片后，发送带p d u 参数 的f r a g r e q u e s t 消息到p mf n t e rs t a 进程。 p m f i l t e rs t a 进程主要完成待发送帧的排队，该进程根据待发送帧的参数 和状态机所处的状态使待发送帧进入到不同的发送队列，在这个进程中有c f q 、 p s q 、t x o 、a n q 四个发送队列。这个进程中较复杂实现是队列的处理，较难理解的 是a t i m 的发送间隔以及和时标发送的关系。p mf i l t e rs t a 进程在系统初始化后 由初始状态进入到p n i d l e 状态，这时判断远程变量m l b s s 、m a s s o c 的值，若远 程变量r 0 a s s o c 的值为真，则状态机进入到p m _ b s s 状态，若远程变量m l b s s 的值 为真，则状态机进入到p m i b s s d a t a 状念。当状态机在蹦一g s s 状态时，1 ) 羞收 到f r a g r e q u e s t 消息，判断消息所带参数是竞争的还是无竞争的，若参数是竞争 的，则将消息放在发送队列t x q 的末尾，若参数是无竞争的，则将消息放在发送 队列c f o 的末尾；2 ) 若收到p d u c o n f i r m 消息，将状态机变量f s p e n d 置为假，然 后判断消息所带参数r e s l ，若参数的值为发送不完全，则将待发送帧的重传参数 值设为真，并准备重新发送该帧；3 ) 若状态机变量的f s p e n d 为假并且发送队列 t x q 不为空，从发送队列t x q 的队首取出一个待发送数据帧，向 p r o t o c o l c o n t r o l s t a 模块发送p d u r e q u e s t 消息，准备发送数据，并设置状态 机的变量f s p e n d 为真；4 ) 若远程变量m c f p 的值为真，则状态机从p mb s s 状态 转移到b s s _ c f p 状态。和当状态机在p mb s s 状态是类似，p m f ii t e rs t a 进程在 b s sc f p 状态、p m i b s s d a t a 状态、p m i b s s a t i m w 状态都是进行待发送帧的排队 处理，不同的是状态机所处的状态不同，所处理的发送队列有所不同，并且在 p mi b s s d a t a 状态和p m i b s s a t i m w 状态中设计到节能处理、发送间隔以及时标 发送等问题，比状态机在其它状态复杂一些。 2 3 3p r o t o c o lc o n t r o ls t a 模块 p r o t o c o l c o n t r o l j t a 模块包括t xc o o r d i a n t i o ns t a 和r xc o o r d i n a t i o n 两个进程。p r o t o c o l c o n t r o l s t a 模块是i e e e8 0 2 1 l 协议的核心，主要功能为 1 ) 实现c s m a c a 的d c f 机制：2 ) 具有较好的抵抗隐藏终端的r t s c t s 机制。 t x c o o r d i a n t i o n s t a 进程的功能是完成帧发送的协调。进程初始化时，发送 p l m e r e s e t r e q u e s t 消息到物理层，复位物理层的属性参数，发送b a c k o f f 消息到 t r a n s i m i s s i o n 模块，状态变迁为t x c i d l e 。当p d u r e q u e s t 消息到达后，发送 b a c k o f f ( 0 ，0 ) 消息到t r a n s i m i s s i o n 模块，只要物理媒质空闲，就可以发送 第二章i e e e8 0 2 i iw a l n t x r e q u e s t 消息。然后从第一片开始进行发送，如果发送的分片后的帧大于指定的 d o t l l r t s t h r e s h 。l d 的值，则先进入s e n d r t s 过程，发送r t s 帧，如果返回c t s 帧，则进入s e n d t x r e q 过程，向t r a n s m i s s i o n 模块发送t x r e q u e s t 消息；否则进 入s e n dm d d u 过程。发送t x r e q u e s t 消息时，都必须等待从t r a n s m i s s i o n 模块发 送来的b k d o n e 消息，只有当该消息中的参数b s t a t = 2 ，才能发送t x r e q u e s t 消息， 否则需要再次向t r a n s m i s s i o n 模块发送b a c k o f f 消息，等待再次回避，参数b s t a t = 一2 表示后退回避完成，而且信道处于空闲状态。发送t x r e q u e s t 消息后，等待确 认帧到达，然后判断分片后的帧是否发送完成，如果没有，继续发送；否则向上 一个模块发送p d u 的确认消息。在该进程中还发送用于节能状态下触发待发送帧 队列的a t i m 帧。 r xc o o r d i n a t i o n 进程是进行接收协调的进程。该进程主要功能是：产生确 认帧和处理含有接收帧参数的r x l n d i c a t e 消息。该进程初始化后，状态变迁为 r x c i d l e 状态。当r e c e p t i o n 模块接收到物理层发来的需要产生确认的帧时，便 会发送n e e d a e k 消息给r x c o o r d i n a t i o n 进程，n e e d a c k 消息传送到r x c i d l e 状 态，等待短帧间隔后，发送确认帧。同时，该进程还处理r e c e p t i o n 模块接收到 其它控制帧产生的附加消息的处理，如r x c f a c k ，r x c f p o l l 等。当接收到 r x l n d i c a t e 消息时，进行p d u 的类型判断，然后把不同的类型的帧分别发送到对 应的进程进行处理，特别值得注意的是：如果是数据帧，则发送带p d u 参数的 m s d u i n d i c a t e 消息到m a c d a t as e r v i c e 模块，如果是管理帧，则发送带p d u 参数 的m m l n d i c a t e 消息到m l m es t a 模块。 2 3 4 t r a n s m i s s i o n 模块 t r a n s m i s s i o n 模块分为d a t a p u m p 和b a e k o f f p r o c e d u r e 两个进程， d a t a _ p u m p 进程负责从协议的m a c 层向p h y 层逐字节的传送m p d u ，在此处理过程 中，涉及帧校验f c s 的产生以及时戳的加入，以及决定是否调用退避算法，退避 算法有b a c k o f fp r o c e d u r e 进程完成。 d a t a p u m p 进程在系统开始时有初始状态进入r xi d l e 状态并等待信号的激 励，激励此状态的有效信号为t x r e q u e s t ( p d u ，r a t e ) ，b u s y ，i d l e ，s l o t 。在t xi d l e 状态中，状态机对接收到的信号b u s y 、i d l e 、s l o t 只是起到转发的作用，并未进 行任何处理，在s d l 描述的系统中出现这种情况的原因可能为：在对象化的设计 中减少对象之间的耦合度，因为在此模块中的其他地方也要产生b u s y 信号，状态 机在t x i d l e 状态时接收到t x r e q u e s t ( p d u ，r a t e ) 信号，初始化帧校验序列，计算 p d u 的数据长度，并向b a c k o f f p r o c e d u r e 子模块发出b u s y 信号，向p w 层发 出请求数据的发送信号p h y t x s t a r t r e q u e s t ，然后状态机进入w a i tt x s t a r t 状态， 1 2 i e e e8 0 2 n 协议无线局域网i 爿什( f i r m w a r e ) 的研究与开发 等待p h y 层的证实应答信号。在w a i t _ t x s t a r t 状态中，当接收到激励信号 p h v t x s t a r tc o n f i r m 后，状态机向p h y 层发出携带数据的p h y d a t a r e q u e s t 信号t 同时进行帧校验f c s 序列的计算，并检查是否需要插入时戳。然后状态机进入相 应的状态并进一步完成信号的输入输出，直至接收到物理层的数据发送完毕信号 p h y t x e n d r e q u e s t ，并向p r o t o c o l c o n t r o l s t a 模块t x c o n f i r m 信号，此时完成 了一个帧的发送，状态机重新进入t x i d l e 状态。 b a c k o f fp r o c e d u r e 进程是进行后退回避的，进程初始化后，对远程变量m b k l p 赋值为假，表示后退回避不在进程中，状态变迁为n o b a c k o f f ，当b a c k o f f 消息 到达时，提取出c n t 参数，这是后退回避的时槽值，状态变迁为c h a n n e l b u s y 。 如果i d l e 消息到达，状态变迁为c h a n n e l i d l e ，只有在这个状态时，每次到达一 个s l o t 消息，后退回避时槽数减一，直到后退回避时槽数减4 , n 为o ，发送b k d o n e 消息给t x c o o r d i n a t i o n 进程，该消息的参数b s t a t e = 一2 ，表示可以发送t x r e q u e s t 消息到t r a n s m i s s i o n 模块。 2 3 5 m a c m a n a g e m e n t s e r v i c e 模块 m a c m a n a g e m e n t s e r v i c e 模块主要包括协议的m a c 层的m i b ( 管理信息库) 的参数的管理，以及在网络连接时的关于请求、证实的管理帧或者控制帧的过滤。 该模块是m a c 层的管理服务模块，接收从l l c 层到达和到达l l c 层的管理帧。该模块 定义了三个进程：m i b ，m l m e r e q u e s t ，m l m e l n d i c a t i o n 。 m i b 进程是为了使无线局域网具有简单的网络管理功能，从而给上层网络管理 协议( s n m p ) 提供一个可被管理的信息库，在该信息库中包含的参数有：最大重 传次数、最小重传次数、帧的最大字节数、加密矩阵、r t s 门限、m a c 地址等参数。 这些参数可以被使用者进行设定，参数在i e e e8 0 2 1 1 协议中以标准语言a s n 1 的 格式定义，详细的定义见i e e e8 0 2 1 l 协议标准的附录d ( a s n 1e n c o d i n go ft h e m a ca n dp h ym i b ) 。 关于m a c - m a n a g e m e n t s e r v i c e 模块中的三个进程的详细的状态机描述见i e e e 8 0 2 1 1 协议标准的附录c ，协议中关于状态机的描述采用标准语言s d l 描述，关于 s d l 的语法定义在论文的第三章有详细的描述。 2 3 6m l m es t a 模块 m l m e _ s t a 模块包括m l m e s t a s e r v i c e s 和p o w e r s a v e m o n i t o t 两个子模块。 m l m e s t a 模块主要包括在建立网络连接时所需的关于认证、关联的处理以及组网 所提供的同步功能。 第二章i e e e8 0 2 1 1w a l n m l m es t as e r v i c e 予模块包括d i s t i 油u t em p d u s ，a u t h r e