（通信与信息系统专业论文）无线接入点的嵌入式设计与实现.pdf

摘要 基于i e e e 8 0 2 1 1 协议的无线局域网是数据通信里的新兴领域，它所提供的无线宽带 接入功能在很大程度上满足了用户在移动( 低速) 情况下对无线数据传输宽带接入的需 求，具有巨大的市场前景。无线局域网络中的核心设备无线接入点( a c c e s sp o i n t ) ， 其性能的好坏将直接影响网络的系统容量与业务处理能力，无线接入点的研究对于无线 局域网的应用与发展具有重要意义。 本文在深入研究i e e e 8 0 2 1 l ，8 0 2 1 1 9 ，80 2 1 x ，80 2 1 1 i 等协议并参考了大量的相 关资料的基础上，提出了无线接入点的硬件设计方案，采用了嵌入式开发平台i x p 4 2 5 ， 并结合嵌入式实时操作系统l i n u x 的特点，通过深入分析模块功能和实现方法，设计了 无线接入点软件系统中的底层驱动模块，实现了嵌入式l i n u x 核的移植和文件系统系 统的构造并完成了代码的编写工作。测试表明其各项指标达到国内外同类产品的性能。 关键词：无线接入点，嵌入式l i n u x ，驱动 a b s t r a c t w i r e l e s sl o e a la r e an e t w o r k s ( w l a n 、b a s e do ni e e e 8 0 2 1 1i san e wa n db o o m i n g b r a n c hi nd a t ac o m m u n i c a t i o n w h i c hh a sap r o m i s i n gf u t u r e a m o n gt h ew l a nn e t w o r k s ， t h ea c c e s sp o i n tf a p ) i st h em o s ti m p o r t a n td e v i c e ，a n di t sp e r f o r m a n c ew o u l da f f e c tt h e r a n g ea n dt h et h r o u g h p u to ft h en e t w o r kg r e a t l y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h i sd e v i c ei so f g r e a ts i g n i f i c a n c ef o rw l a ns y s t e m a t i e rt h et h o r o u g hr e s e a r c hi n t oi e e e 8 0 2 1 1 ，8 0 2 1 1 8 0 2 1 x ，8 0 2 1 1 ip r o t o c o l s ， r e f e r r i n gm a s sr e l a t e dd a t a , w eb r i n gf o r w a r dt h eh a r d w a r ed e s i g no f a c c e s sp o i n t b a s i n g o ni t a s s o c i a t i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fe m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ( l i n u x ) ， t h r o u g hd e e pa n a l y s i so fm o d u l ef u n c t i o na n di m p l e m e n t a t i o n ，w ed e s i g n e dt h eb o a o m d r i v e rm o d u l e so ft h ea p ss o f t w a r es y s t e m ，r e a l i z e dt h et r a n s p l a n t a t i o no fe m b e d d e d l i n u xk e m e la n dc o n s t r u c to ff i l es y s t e m s a n df i n i s h e dt h er e l a t e dc o d i n gw o r k f i e l dt e s t v e r i f yi t sg o o dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：w i r e l e s sa c c e s sp o i n t ；e m b e d d e dl i n u x ；d r i v e r s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线局域网概述 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j 下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 步改变人们的工作和生活方式。w l a n 在金融、旅游、医护、会展等领域具有广泛的发 展前景，当w l a n 的标准一问世，中国电信集团公司根据现有的网络运行情况，准备利 用w l a n ，提出了中国电信无线以太网接入技术要求，规划w l a n 在中国电信市场 的应用：随后，中国移动通信集团公司结合现有的移动技术，先后制定了中国移动 w l a n 业务总体技术要求、中国移动w l a n 业务接口规范、中国移动w l a n 业务业 务规范等。这表明，在我国，w l a n 技术将得到大范围的广泛应用，势必呈现出迅速 崛起的趋势，将催生出许多新的发展商机。 1 2 无线接入点 无线接入点( a _ p ) 是无线局域网的一种典型应用。a p 是a c e e s sp o i n t 的简称，就是 所谓的“无线访问节点”，无线a p 是无线网和有线网之间沟通的桥梁，是组建无线局域 网( w l a n ) 的核心设备。它主要是提供无线工作站和有线局域网之间的互相访问，这 样，在a p 信号覆盖范围内的无线工作站可以通过它进行相互通信，没有a p 基本上就无 法组建真正意义上可访问i n t e m e t 的w l a n 。a p 在w l a n 中就相当于发射基站在移动通 信网络中的角色。 1 3 嵌入式系统 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，适用于 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。据统计， 2无线接入点的嵌入式设计和实现 目前国际上有两百多种嵌入式操作系统，用得比较多的有数据的确认应答应答信号、 v x w o r k s 、w i n d o w s c e 、u c o s 、p a l mo s 、q n x 、l m u x 等。同大多数商业软件相比， l i n u x 的最大特点在于它是一个免费软件，并且公开源代码，只要不违反g p l 协议，你 可以自由应用和发布l m u x ，l m u x 具有很高的稳定性而且l m u x 天生就是一个网络操 作系统，几乎所有的网络协议和网络接口多已被定制于l i n u x 中，l m u x 还具备有一整 套开发工具链，和大量的文档。正是m n u x 本身的种种特性使其成为嵌入式开发的首选。 在这里我们选择的就是嵌入式l m u x ，可以大大降低开发成本和开发难度。采用嵌入式 系统开发无线a p ，可以有效满足其对功能、可靠性、成本、体积、功耗的要求。 1 4 论文研究内容及各章节的安排 本文阐述了无线局域网中无线访问节点( a _ p ) 的嵌入式设计和实现，基于无线接入 点的硬件平台i x p 4 2 5 ，分析了内核和文件系统在该平台上的构建，最后给出了一种无线 网卡驱动的实现方案。本论文各个章节的具体研究内容如下： 第一章，简要介绍了本次研究工作的背景、意义和来源，并提出了工作的主要内容。 第二章，介绍了无线局域网的基础知识及关键技术；简介了无线局域网的发展历史；并 且介绍了几种无线局域网协议及其特点；最后较为详细的介绍i e e e 8 0 2 1 1 协议的特点 第三章，简要地介绍了嵌入式系统的发展和应用。 第四章，提出了无线接入点的硬件实现方案。 第五章，提出了无线接入点的软件实现方案，重点介绍了软件系统的层次划分和功能模 块的概要设计。 第六章，给出了相关的测试结果及说明。 最后总结了本文的工作并对后续工作做了展望。 1 5 本章小结 本章在查找和阅读相关资料的基础上，说明了课题的背景、意义和来源，介绍了无 线接入点的研究、设计与实现所涉及的相关内容，对整篇论文的全貌做了简要的交代。 第二章无线局域网 第二章无线局域网 2 1 无线局域网概念 随着i n t e m e t 应用的迅猛发展，以及笔记本电脑、p d a ( p e r s o n a ld a t a a s s i s t a n t ) 等移动 智能终端的使用的日益增长，给广大用户提供了诸多便利，随时随处自由接入i n t e m e t 、 能享受更多的业务、安全且有保障的网络，成为发展的必然。在接入速率和适应环境上 与3 g 技术互为补充的无线局域网( w i r e l e s sl a n ，简称w e a n ) 迅猛发展，成为新一代高速 无线接入网络。 无线局域网是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络，是计算机网络与 无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有线局域网 l a n ( l o c a l a r e an e t w o r k ) 的功能，能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接 入，满足了人们实现移动办公的梦想，创造了一个丰富多彩的自由天空。 无线局域网开始是作为有线局域网络地延伸而存在的，各团体、企事业单位广泛地 采用了w l a n 技术来构建其办公网络。不管是在什么类型的企业，无线局域网都为其企 业内部网和i n t e m e t 提供了空中连接性，而又不影响性能。而所有这些都不需要复杂的布 线就可实现，同时仍然保持整体安全性。无线时代正在来临，这意味着可以在任何便于 工作的地方，如在会议室、医疗室、教室、自助餐厅、实验室、办公室以及在野外的野 餐桌旁，享受工作的自由和灵活性。无线局域网在各种规模和各种类型企业中的流行是 非常显然的，尤其是在卫生保健、财务、零售、制造业和教育行业，并得益于生产率的 增长。在其他行业中，无线局域网日益被看作是一种创新的、可负担的工具，用以补充 有线网络，而不是取代它。 无线局网不需要安装昂贵的光纤基础设施，可以为不能敷设电缆的陈旧的历史性建 筑提供网络接入。随着应用的进一步发展，无线局域网正逐渐从传统意义上的局域网技 术发展成为“公共无线局域网”，成为国际互联网i n t e m e t 宽带接入手段。由于无线通信技 术在低成本、组网灵活性、移动性、快速安装等方面的优势，在解决了可靠性及高吞吐 量传输等问题之后，无线联网方式作为有线联网方式的一种补充，在解决快速组网、工 程量大的线路改造问题，以及克服线路易损坏、站点不可移动、不易联接远程站点等缺 点方面具有不可替代的优势，正逐渐成为未来无线通信领域中迅速崛起的一支重要力 量。 4 无线接入点的嵌入式设计和实现 2 2 无线局域网的结构 前面已经提到，无线局域网的设备通常有以下几种：无线网卡( 终端) 、无线接入点 ( a c c e s sp o i n t 接入端) 、无线网桥( 点对点传输设备) 。在实际的应用中，无线局域网的拓 扑结构可分为两类：无中心拓扑( 对等式拓扑，a dh 0 c ) 和有中心拓$ b ( i n f r a s t r u e t u r e ) 无 中心拓扑的网络要求网中任意两点均可直接通信，实际上是对等网的通信方式。有中心 拓扑结构中则要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访问均由中心站进行协 调。两种结构的网络均使用公用广播信道( 微波) ，而信道接入控制( m a c ) 协议多采用载 波监测多址接a ( c s m a ) 类型的多址接入协议。二者的拓扑结构如图2 1 所示。 p s b 夕 勾 图2 1 无线局域网络的拓扑结构 2 3i e e e 8 0 2 1 协议介绍 从1 9 9 7 年开始，i e e e 的相关技术小组已经陆续推出了针对无线局域网 e e e 8 0 2 1 1 及 其系列子协议。8 0 2 1 l 协议是i e e e 城域网和局域网协议的一个重要组成部分。在o s i 模 型中，通信网络被划分为七层结构，而i e e e 8 0 2 的系列协议主要描述了o s i 模型中物理层 和数据链路层的规范，其中数据链路层又可分为逻辑链路子层( l l c ) 和媒质访问控制子 层( m a c ) 。关于逻辑链路子层，i e e e 专门制定了8 0 2 2 标准来规范该层的工作，所有其 它的8 0 2 协议( 包括8 0 2 3 ，8 0 2 1 1 等) 共享这个相同的l l c 子层。而8 0 2 1 l 协议主要定义了 关于无线局域网的物理层和m a c 层的规范。本章简要介绍一下关于1 e e e 8 0 2 1 1 协议的主 要内容，提供无线局域网的基本概貌。 2 3 1i e e e 8 0 2 1 1 网络拓扑结构 由8 0 2 1 1 的标准设备a p 和s 1 a 出发，可以根据需要组成多种网络拓扑结构，总的来 第二章无线局域网 说，这些拓扑结构可以划分为以下三种： 1 ) 基本服务集( b a s i cs e r v i c es e t ，b s s ) 网络 2 ) 独立基本服务集( i n d e p e n d e n tb s s ，i b s s ) f 目络 3 ) 扩展服务集( e x t e n ts e r v i c es e t ，e s s ) 网络 了解这三种网络结构，对8 0 2 1 1 协议的理解将会很有帮助。下面将对这三种网络进行描 述： 2 3 1 1 b s s 网络 b s s 是8 0 2 1 1 标准中定义的一个基本模型，它提供一个覆盖区域( 覆盖区的范围由a p 或s t a 的射频信号覆盖范围决定) ，并使该区域内的s t a 保持与网络的连接，一个s t a 可 以在该区域内自由移动。通常应用中的b s s i 网络，是在该区域内，由a p 提供认证、接入 和管理服务，下联多个s t a 。组成一个封闭的局域网络。如下图2 2 所示： 2 3 1 2i b s s 网络 图2 2 b s s 网络 i b s s 作为无中心的对等网络( a dh o e ) ，是一个独立的b s s ，没有a p 进行控制，i b s s 至少包括两个s t a 。见图2 3 。 勺俩。 图2 3i b s s 是8 0 2 1 l 无线l a n 的最简单类型 6 无线接入点的嵌入式设计和实现 i b s s 称为独立的b s s ，是i e e e 8 0 2 1 1w l a n 最基本的组网模式，一个最小的i e e e8 0 2 1 1 w l a n 可以仅由两个站组成( 上图显示的是两个i b s s ) 。 2 3 1 3e s s 网络 为了介绍e s s 网络，这里需要先介绍一下8 0 2 i i 中提到的分布式系统的概念 ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d s ) 。在i e e e 8 0 2 1 1 中，结构化的w l a n 系统是由许多b s s 共同建 成的扩展网络形式。b s s 是这种网络的一个模块，用来实现b s s 问互连的体系叫做分布 式系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d s ) 。这里的分布式系统实际上是一个逻辑上的概念，它会 根据不同的组网方式而产生不同的拓扑结构。d s 的基本功能就是把分散的b s s 连接起 来，使他们能够相互通信，其介质可以是有线，也可以是无线，具体的使用情况可以根 据网络环境的不同而夺化。 图2 4d s 与b s s 利用d s 和b s s 这两个结构的特征，i e e e s 0 2 1 1 可以灵活的组成大小和结构复杂性不同的 无线网络。i e e e 8 0 2 1 1 将这种类型的网络称为扩展服务集网络e s s 图2 5 显示了一个简单的e s s 网络。 第= 章无线局域网 7 2 3 2i e e e 8 0 2 1 l 逻辑结构 图2 5 一个e s s 无线l a n 拓扑结构决定了网络的物理组件，而逻辑结构着重定义网络的具体操作。每个站点 ( s t a 和a p ) 所应用的8 0 2 1 1 标准的逻辑结构包括一个单一m a c 和多种p h y 中的一个，但 是习前物理层通用的方式都是直接序列扩频( d i r e c ts p r e a ds p e c t r u m ，d s s ) 。 一个单一的8 0 2 1 i m a c 层支持三种p h y 跳频扩频、直接序列扩频、红外线。 2 3 2 1i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层 i e e e 80 2 1 l 规范的关键就在于m a c 层。m a c 建立在每个物理层之上，控制着用户 数据在媒质中的传输。它提供了关键的帧操作技术以及与有线骨干网的互操作。不同的 物理层提供了不同的传输速度，而它们之间是可以互操作的。i e e e 8 0 2 1 l 在基本原理上 并没有与以前的i e e e 8 0 2 标准分离开来这个标准成功的把以太网风格的网络模式推广 到无线电射频领域中。和以太网相同，8 0 2 1 1 使用载波侦听多路访问机制来控制对媒体 的访问。但是，冲突却影响了通信容量，所以8 0 2 1 1 没有使用以太网中的冲突检测 ( c s m a c d ) ，而是采用了冲突避免( c s m a c a ) 。8 0 2 1 1 也采用了不带中心控制器的分布 式访问机制，这个以太网是相同的。每个8 0 2 1 l 的工作站使用同样的方法访问媒体。 8 0 2 1 l * n 以太网的不同主要是底层通信媒质的不同。 8无线接入点的嵌入式设计和实现 2 3 2 2m a c 访问模式 在数据帧发送之前，m a c 必须首先利用下面的两种方式之一获得网络连接：载波监 测多路访问：一个类似于8 0 2 3 的线路争用协议。8 0 2 1 1 规范称之为分布式访问控制方式 ( d i s t r i b u t i o nc o n t r o lf u n c t i o n , d c f ) 给予优先级别的访问：一个无竞争访问协议( 对介质 的访问受到统一的控制) 。8 0 2 1 1 规范称之为中心网络控制方式( p c f ，p o i n tc o n t r o l f u n c t i o n ) 。 d c f 基本访问方法：当一个无线节点希望在无线网络中传送数据时，如果没有探测 到无线信道上正在传送数据，则会附加等待一段时间，再选择一个时间片继续探测，如 果无线网路中仍旧没有传送中的数据，无线节点就将进行数据发送。接收端的无线节点 如果收到发送端送出的完整的数据，则会回复一个a c k 数据报。如果这个a c k 数掘报被 发送端收到，则整个数据发送过程完成，如果发送端没有收到a c k 数据报，或者发送的 数据没有被完整的收到，或者a c k 信号的发送失败，只要是发生上述的任何情况，发送 端的用户节点都会认为这次发送失败了并准备下次重发。如果发送失败了，用户节点就 需要等待延长一倍的随机时间再次发送r t s 去竞争信道。这种竞争方式称作二指数待机 ( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c ko f , b e b ) 方式。之所以要作这样的设定，是因为如果一个用户 节点的r t s 都出现了失败的情况，说明这个用户节点所要进行传输的信道质量很差，能 够无差错地进行传输地概率很小因此协议让这个用户节点所需等待的时间按指数进行 增加，使别的信道质量好的用户节点拥有更大的机会来使用无线信道。r t s c t s 握手协 议：基本访问方法的缺陷在于当数据帧较长时，一旦数据发生冲突，将浪费大量时间传输 无效数据，使网络效率大大降低。为解决这个问题，可以采用r t s ，c t s 访问方法，而且 这种方法也可以解决隐藏终端问题。每一个有数据需要发送的无线节点在传输数据之前 需要先向目的节点发送一个r t s ，收到这个r t s 的目的节点随后向发送节点回送一个 c t s 信号。无线网络中的无线节点如果能够检测到在无线信道上传输的r t s 和c t s ，就不 会在r t s 和c t s 信息中所包含的传输阶段中尝试进行数据发送。由于r t s i c t s 需要占用 网络资源而增加了额外的网络负担，一般只应用在大数据报的传递上。 与d c f 机制不同，p c f 是面相连接的，提供无竞争传输的传输机制p c f 依靠协调 节点( p o i n tc o o r d i n a t o r ，p c ) 来完成对系统中各个无线节点的轮询，使被轮询到的无线节 点无需经过竞争就能够进行传输。在每个b s s 中，一般由a p 来完成p c 的工作。p c 将整 个传输分为竞争阶段( c o n t e n t i o np e r i o d ，c p ) 和非竞争阶段( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ，c f p ) 。 所有在b s s 中的可以在c f p 阶段进行操作的无线节点称为c f - a w a r e 节点。在c f p 阶段中， 由协调节点p c 来对媒介进行控制。8 0 2 1 1 , p 支持三种不同的帧：管理帧、控制帧和数据 帧。管理帧用来进行计时和同步；控制帧用来在c p 阶段进行确认和通知c f p 阶段的结束 第二章无线局域网 9 2 3 2 3i e e e s 0 2 11 服务 在标准中，8 0 2 1 1 的m a c 层的功能通过多种类型的服务来体现，以下的内容将对这 些服务进行介绍。i e e e 8 0 2 1 l 服务分为两类： 1 ) 站服务( s s ) ：主要包括实现一个b s s 的完整功能而需要的服务； 2 ) 分布式系统服务( d s s ) ：主要包括为实现一个分布式系统所需要的服务： 下面是8 0 2 1 l 标准中所提到的服务： 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i 正( d e a u t h e n t i c a t i o n ) 解除关联( d e a s s o c i a t i o n ) 分布( d i s t r i b u t i o n ) 集成( i n t e g r a t i o n ) 加密( p r i v a c y ) 重关联( r e a s s o e i a t i o n ) ( 耍) m s d u 传递( m s d ud e l i v e r y ) 认证和关联过程是一个s t a 和a p 建立通信连接的基本途径。8 0 2 1 1 定义了两种认证 方式：开放系统( o p e ns y s t e m ) 和共享密钥( s h a r e dk e y ) 方式，但是目前开放系统是比较通 用的做法，共享密钥的方式需要用到8 0 2 1 1 定义的加密功能，这种方式在目前的许多产 品中并不支持。s t a 申请连接时，通用的做法是：通过s s i d ( s e r v i c es e ti d e n t i f i e r ，标识 一个b s s 网络的字符串，由a p 进行控制) 来通过a p 的身份验证，如果a p 发现s t a 日a 请的 s s i d 和自己的一致，则s 1 a 和a p 之间可以建立连接，当然这只是一个大致的过程，具体 的实现方法有很多种，协议中并没有作详细规范，但是协议却明确了这样一个原则：系 统应该通过关联来使s t a 获得对访问对象或者其他资源的访问权力，同时让管理者( 如果 需要详细的管理信息的话) 随时知道s t a 的连接状况。 认证和关联对于固定的s t a ，或者只是在b s s 徙j 部移动的s t a 提供服务和管理是足 够的，但是对于b s s 之间移动的s t a ，这又是不够的。因此，协议通过定义重关联 ( r e a s s o c i a t i o n ) 来解决这一问题，例如在一个e s s ( 扩展服务集) 内，s 1 a 由于移动而从一 个a p 的覆盖区域移动到了另一个a p 的覆盖区域( 己经和以前的a p 断开了连接) ，此时 s t a 如果要继续访问网络资源，就需要和新的a p 进行连接( 认证和关联) ，这就是重关联 的一种典型实现方式。 在s t a 断开和a p 之间的连接时，解除关联和解除认证的过程就会进行，对于用户来 说则感觉不到这一过程。 l o 无线接入点的嵌入式设计和实现 如果s t a 和有线资源需要相互访问，就需要一个逻辑接口来处理这种数据类型的转 换，在协议中，这个接口被命名为p o r t a l ，这种功能的实现叫做集成( i n t e g r a t i o n ) ，实际 应用中这种接口通常是由a p 来实现的。 无线连接尽管能给用户提供极大的方便，但是无线介质却有很多特性无法和有线介 质比较，其中最突出的一个问题就是数据的安全问题，为此，8 0 2 1 1 定义了数据的加密 功能，叫做w e p ( w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ) ，从字面意思可以看出，8 0 2 1 1 提供加密的宗 旨是为用户提供有线连接级别的数据和身份的保护。w e p 的基本原理是系统根据用户输 入的密钥生成伪随机序列，然后和实际的数据进行逐位异或操作，从而生成输出序列， 密钥的长度可以是5 个字符，也可以是1 3 个字符。可以看出，这种加密可以对数据提供 一定的保护能力，但仍然不是很完善。 下图2 6 是加密过程的简单流程： 图2 6 w e p 流程图 以上各种功能可以使我们根据需求组成多种形式的网络，如果把整体的网络结构看 成是多个b s s 的相互连接，那么我们就可以用d s ( d i s t d b u t i o ns y s t e m ) ，分布式系统来定 义这样一种逻辑结构，d s 提供的服务叫做d s s 。 参照下图2 7 中的e s s 网络，假定一个数据信息正从s t a l 发送到s t a 2 ，则正常的行 为过程是： 1 ) 信息由s t al 发出并被a p l 收到； 2 1a p l 把信息传给d s 的分布式系统服务( a p 作为d s 的输入端口) ，该系统可以是有线介 质，也可以使无线介质，还可以是二者的混合； 3 ) d s s 识别并确定与接收者s t a 2 相关连的d s 终点，将信息通过d s 发送到正确的d s 终点 ( 图中的d s 终点是a p 2 ) ； 4 ) a p 2 接收到信息并对数据帧头进行分析，在自己的b s s 区域内定位s t a 2 ； 5 ) a p 2 接着将信息发给s t a 2 ( 最终目标) 。 第二章无线局域网 8 0 2 1 1 并没有规定信息在d s 中的传输方式，但8 0 2 1 1 规定t d s 实现服务所必须的定位信 息。就是说管理者需要知道a p 和s t a 的逻辑位置。这些信息由三个关联服务( 关联、再 关联、取消关联) 提供。 图2 7 较为完整的8 0 2 i i 体系 图中，引发服务的a p 与接收到信息的a p 不是同一个。如果信息的发送站与接收站处于 同一个b s s 中，两个a p 就是同一个a p ，这是可能并且是合法的。 2 3 2 4 服务之间的关系 s t a 保存两个状态变量： 认证状态：其值表示是否认证过。 关联状态：其值表示是否关联过。 这两个状态变量产生了每一对s t a 所可能具有的三种本地状态； s t a t e i ：开始状态，没有认证，没有关联。 s t a t e 2 ：认证过，但是没有关联。 s t a t e 3 ：认证过，并已经关联。 源s ta 和目的s t a 之间的状态决定了该s t a 对之间可以传输什么类型的帧。可以传 输的帧被分为三类。在s t a t e1 ，只可以传输c l a s s1 类帧，在s t a t e2 ，可以传输c l a s s1 类 和c l a s s2 类帧，而在s t a t e3 ，可以传输所有类帧。图2 8 给出了这些状态和相关的服务之 间的关系。 1 2无线接入点的嵌入式设计和实现 c i 嘲l f r a m e 1 2 1 a 辐l g l i n c c l a s s l f r a m e 图2 8 状态和服务之间的关系 a 、c l a s s l 类帧 1 ) 控制帧 r t s ( r e q u e s t t os e n d ) 发送请求帧 c t src l e a rt os e n d ) 允许发送帧 a c k ( a c k n o w l e d g m e n t ) 应答认可帧 c f e n d + a c k ( c f ：c o n t e n t i o n - f r e e ) 无竞争结束与无竞争应答认可帧 c f e n d 无竞争结束帧 2 ) 管理帧 p r o b er e q u e s t r e s p o n s e 探测请求，响应帧 信标( b e a c o n ) 认证帧( a u t h e n t i c a t i o n ) ：成功的认证使s t a 可以传输c l a s s 2 类帧。不成功的认证使 s t a 停留在s t a t e l 。 解认证帧( d e a u t h e n t i c a f i o n ) ：在s t a t e 2 或者s t a t e 3 的解认证通知使s t a 的3 i j 态变为 s t a t e l 。st a 在传输c l a s s 2 类帧之前必须重新认证。 a t i m ( a n n o u n c e m e n t t r a f f i c i n d i c a t i o n m e s s a g e ) ：传输媒质声明消息。 3 ) 数据帧 d a t a ：f c f f l a m e c o n t r 0 1 ) 中叮b d s ”和“f r o m d s ”位为l 的数据帧都不能传输 b 、c l a s s 2 1 ) 管理帧 a s s o c i a t i o nr e q u e s t r e s p o n s e ；关联请求应答帧 第二章无线局域网 成功后可以传输cl a s s3 类帧。不成功s t a 停留在s t a t e 2 。 r e a s s o c i a t i o nr e q u e s t r e s p o n s e ：重关联请求应答帧 成功后可以传输c l a ss 3 类帧，不成功s t a 停留在s t a t e 2 。如果s t a a 收到从s t a b 发来的 一个c l a s s2 类帧，而两个s t a 没有经过认证，并且帧为单播传输( u n i c a s t ) 帧，则s t a a 向s t ab 发出一个解认证帧。 c 、c l a s s 3 1 ) 数据帧 数据帧可以传输，也就是可以利用d s s 服务传输含有 t od s ”和“f r o md s ”位的数据 帧。 2 ) 管理帧 解认证帧：在s t a t e3 ，解认证意味着去关联，s t a 从s t a t e 3 变至u s t a t e l 。 3 】控制帧 p s - p o l l 如果s t a a 收到从s t ab 发来的一个c l a s s 3 类帧，而两个s t a 没有关联但是认 证过，并且帧为单播传输ru n i c a s t ) 帧，则s t a a 向s t a b 发出一个去关联帧。如果s t a a 收到从s t a b 发来的一个c l a s s 3 类帧。而两个s t a 没有经过认证，并且帧为单播传 输( u n i c a s t ) 帧，则s 1 a a 向s t a b 发出一个解认证帧。 i b s s 常用于组建一个a c l h o c 网络，其中的s t a 之间可以相互直接通信，i b s s 只有一个b s s 没有物理d s ，没有入口，没有有线l a b ，没有d s s 。i b s s 中可以有任意多个成员，它们 之间只能传输c l a s si 和c l a s s2 类帧，这是因为没有d s ，i b s s 中的服务都是s s 。 每一个服务都是由一个或多个i e e e8 0 2 1 1 消息所支持和完成的，这些消息包括：d a t a , a s s o e i a t i o nr e q u e s t a s s o c i a t i o nr e s p o n s e ，r e a s s o c i a t i o nr e q u e s t ，r e a s s o c i a t i o nr e s p o n s e , d i s a s s o c i a t i o n 、a u t h e n t i c a t i o n 和d c a u t h e n f i c a t i o n 等。 2 3 2 5i e e e 8 0 2 1 1m a c 帧格式 8 0 2 1 1 的m a c 帧格式基本上和普通的以太网数据帧一样，只是加入了一些适用于无 线传输的字段，完全的帧格式如下图2 9 所示： 1 4 无线接入点的嵌入式设计和实现 域字节数2 2666260 - 2 3 1 24 旧控 持续地址地址地址顺序地址帧实 f c s 时间 l23 控制 4 体 i d m a c 头部 图2 9i e e e s 0 2 1 1 m a c 层数据帧格式 下面分别对m a c 帧的主要字段进行说明： 1 1 f r a m ec o n t r o l ：帧控制域，这个字段主要是一些帧收发时候的控制信息，具体内容如 下图2 1 0 所示： 比特敦； 224llllll1 l l 协议l 类型i 子类l 输入i 输出l 多段l 重传i 功率l 更多iw e pi 顺序l l 版本li 型l d s l d s l 标志l 标志i 管理l 数据l 标记ll 图2 1 01 e e e 8 0 2 i i m a c 层数据帧控制字段格式 a 版本版本：2 位。对于当前标准，该字段为o ； b 类型：2 位。表明了该帧是数据帧、控制帧还是管理帧； c 予类型：4 位。该字段说明了该帧的功能。8 0 2 1 1 根据不同的功能定义了不同的帧类 型，通过类型和子类型，每一帧都可进行详细的归类，具体的内容请参阅协议7 1 3 1 5 部分； d 输入d s ：l 位。如果该帧发往分布式系统，该字段为1 ，其他都为o ； e 输出d s ：1 位。如果该帧来自分布式系统，该字段为l ，其他都为o ；分段字段：l 位 如果该帧是被分片的数据单元的一部分，该字段为1 ； f 多段标志：l 位。如果有后继分段要传送过来，该字段为l ； g 重传标志：l 位。如果该帧要重发( 上一次可能发送错误) ，该字段为l ； h 功率管理：1 位。该字段表明了s 1 1 a 的电源管理模式，l 代表节能模式，0 0 ：表正常模 式； i 更多数据：如果某工作站还有数据单元要发往处于节能模式的工作站那么发送工作 站应该将该字段设置为l ； j w e p 标记：如果数据收发需要加密，该字段应该设为l ； k 顺序：8 0 2 11 定义数据的收发可以按照严格的排序方式进行，该字段和工作站处于 节能模式下数据的收发有关，如果该字段设为l ，表示想接收工作站声明；这些帧必 须按排序处理； 第二章无线局域网 2 ) d u r a f i o n i d ：持续时间，标志：2 个字节。多数情况下，该域是作为持续时间使用的， 通常每个帧中的持续时间代表了下一个帧发送的持续时问信息。 3 ) 地址1 4 ：地址字段包含不同类型的m a c 地址，地址的类型取决于发送帧的类型，这 些地址类型可以包含b s s i d ，源地址( s a ：发送数据包的m a c 实体的地址) 目的地址( d a ： 数据报的最终地址) 、接收地址( r a ：接收帧的a p 地址) 、发送地址( t a ：发送帧的a p 地 址) ，根据这四个地址，数据可以通过d s 达到网络中的任意位置； 4 ) s e q u e n c ec o n t r o l ：序列控制：2 字节。该字段最左边的4 位由分段号子字段组成，该子 字段表明一个特定介质服务数据单元的分段号。第一个分段号为0 ，后面的发送分段的 分段号依次加一。后面1 2 个位是序列号子字段，从0 开始，对于每一个发送的数据单元 子序列依次加一，一个特定数据单元的每一个分段号都拥有相同的序列号。对数据单元 进行编号的一个好处就是接收端可以对重发数据进行过滤； 5 ) f r a m eb o d y ：帧体，该字段内容封装的是上层的数据单元，长度从0 2 3 1 2 个字节，可 以看出，8 0 2 1 1 帧的最大长度为2 3 4 6 个字节： 6 ) f c s ：该帧的校验和； 当然，并不是所有的帧都要填写以上各个字段，不同的帧根据需要对以上各个字段 进行相应的填写。 为了支持一个处于复杂环境下的无线网络进行顺利的通信，适用于多种环境的管理 帧和控制帧是必不可少的，管理帧负责在工作站和a p 之间建立初始的通信，提供认证和 连接服务，包括了连接请求响应、轮询请求响应、b e a c o n 帧等。 管理帧的基本格式如下图2 1 l 所示： m a c 头部 图2 1 1e e e 80 2 i i m a c 层管理帧格式 当工作站和a p 之间通过认证并建立了连接后，控制帧为数据帧的发送提供辅助的功 能，包括了一些r t s 、c t s 、a c k 等一些建立连接过程的帧。关于这些帧的具体内容可 以参考i e e e 8 0 2 1 1 协议的第七章。 2 3 3i e e e s 0 2 i1p a y 层概述 8 0 2 1 l 的物理层的射频信号工作在2 4 g h z 的i s m i ! i k 、科研、医疗) 频段上，带宽为 1 6 无线接入点的嵌入式设计和实现 8 3 5 m h z ，最多可以划分成1 4 个信道，每个信道的带宽为2 2 m h z ，可以看出，如果信道 利用率比较高，那么信道之间的重叠就会很大，干扰随之也会增大，事实上，在该频段 上，完全没有重叠的信道只有3 个。协议定义的物理层有三种形式：跳频( f r e q u e n c e h o p p i n g ) ，直扩( d i r e c ts p r e a ds p e c t r u m ) 和红外线的方式，能够提供理论值为1 m s r l 2 m b p s 的数据速率。在基带调制方面，在通常的系统中，采用的都是直扩方式，提供的伪随机 码为长度为i l b i t s 的巴克码，可以为系统带来1 0 4 d b 的处理增益，多数系统还采取了扰码 的方式来进一步减小数据的相关性来迸步提高数据的抗干扰能力。在频带调制方面采 用了以下两种方式： n 差分四相相移键控( d q p s k ) 调制的2 m 数据速率。 2 ) 差分二相相移键控( d b p s k ) 调制的1 m 数据速率。 下图2 1 2 是简要的物理层数据流程： 厂 刊淼卜题圃恒回婴 l 一广。 一一。 p n 码l中频载波l i 图2 1 2i e e e 8 0 2 1 1 物理层信号流程 i e e e 8 0 2 1 1 的物理层与有线传输介质有根本的不同，具有以下一些特点： 1 】使用的传输介质既没有绝对边界，也没有易于观测到的边界。( 边界的意义是：在边 界外，合法的i e e e 8 0 2 1 1 收发器接收不到数据帧) ； 2 ) 除非行政干预，传输介质没有免受外界信号干扰的保护； 3 ) 基于无线物理层传输介质通信的可靠度大大低于有线物理层； 4 1 具有动态拓扑结构； 5 1 由于无线物理层不能保证作用域内的全连通性，因此通常为共享介质网络通信做出 的假设一“每个s t a 都可以听到其他s t a ，在这里并不成立； 6 1 具有不定时传播和非定向传播的特性： 由于无线物理层覆盖范围的局限性，所以要建立可覆盖相当大的地理区域的无线l a n 网 络，必须从基本覆盖区域构件( a s s 基站) 开始建立。 2 3 4i e e e 8 0 2 1 l g 概述 8 0 2 1 l g 是i e e e 为了解决8 0 2 1 1 a 与8 0 2 1 l b 的互通而出台的一个标准，它是8 0 2 i i b 彭j 第二章无线局域网 1 7 延续，两者同样使用2 4 g h z 通用频段，互通性高，被看好是新一代的w l a n 标准。 容量：8 0 2 1 i g