（通信与信息系统专业论文）无线局域网服务质量的研究和实现.pdf

摘要 无线局域网服务质量技术的研究和实现是商用无线接入设备产品开发的关键 技术之一，是产品能否保证实时多媒体业务传输质量的重要标准。 2 0 0 5 年年初，8 0 2 1 1 e 协议规范被e e 批准成为w i a no o s 标准规范。本 文通过对i 髓e8 0 2 1 1m a c 层协议以及砸e e8 0 2 1 1 e 协议的深入分析和研究，并 根据现有无线接入设备产品的特点和体系结构以及目前大多数无线终端都不支持 服务质量的现实，提出了两种在无线接入设备上实现下行服务质量保证的方案， 荠给出了具体实现过程。这两种方案不仅保证了无线局域网中的服务质量，而且 实现了和以太网中服务质量的互联互通，保证了无线局域网数据帧穿越以太网时 服务质量信息不丢失。 这两种方案的特点是实用性强，灵活易用，并且为下一步全面实现无线局域 网服务质量奠定了基础。目前这两种方案在产品上已成功实现，并得到了商用。 关键词：无线局域网服务质量m a c8 0 2 1 1 e a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dr e a i i z a t i o no fq u a l i t yo fs e r v l c ei nw i t e l e s sl o c a la r e an e t w o r kl s t h ek c yt e c h l l o l o g yo fc o m m e r c i a jw l a na c c e s sp o i n tp m d u c t i o n a 1 l di ti sa l s ot h e i m p o n a n tc i i t e r i o nt os u p p o nr e a lt i i l l em u l t i m e d i as e r v i c eo rn o t n e p f o t o c o l8 0 2 1 1 ei sa p p r o v e db yi 髓ej nt h ee 盯l yo ft h i sy c a lb ya i l a l y z i n g t h e 姗8 0 2 1 1m a cl a y c rp r o t o c o la n di e e e8 0 2 1 1 ep m t o c o l ，t h i sp 印e rp u t s f 0 柳a r dt w ow a y st or e a l i z et h ew l a nd o w n l i n kq o sb a s e dt h ef a c tt h a tm o s to ft h e c i i 玎c n tw ia nt e 瑚i n a l sd o n ts u p p o r tq o ss e r v i c ea i l d 百v e st l l e i rf e a l i z a t i o n t h e s e 铆ow a v sn o to n l yd e a lw i mt h ew l a no o sp r o b l e m ，b u ta l m a k e st h ew l a nq o s 丘锄en o tl o s ew h i l em e y p a s st h r o u 曲t h ee t h e rn e t 、：l r o r k 弧ec h a r a c t e r so ft h e s et w o w q so r e 越i z i n gw l a nq o sa t ef l e x i b l ea n de a s yt 0u a n dt h a tt h c ya r em e f b u n d a t j o nt or e a l i z i n gt h ef i l u 、 a nq o sf i l n c t i o n t h e s e 懈ow a y so fr c a l y 迅gt h ew u 心d o w n l i n kq o sh a v eb e e nr c a l i z e di n 伽e a c c e s sp o i n tp f o d u c t i o ns u c c e s s f i l l l y _ 1 1 1 ep “曲na l s oh a sb e e no nc o m m e r c i a l s u o c e s s f t l l l y k e y w o r d ：w l a nq o sm a c 8 0 2 1 l e 创新性声明 y8 s 8 9 6 本人声明所呈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 包含其他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，本人承担一切相关责任。 本人签名 詹金 已辍t 洳g f 港 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，发表论文或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全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在 年解密后适用本授权书。 本人签名：詹位 导师签名递 日期： 邳么、，厂 日强：砌6 、 搭 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近年来，h t 啪e t 在全世界得到了极为迅速的发展，以其为载体的各种应用越 来越多。除了传统i n l e m e t 应用如w v p w ，f 1 瞪、电子邮件、d n s 应用等，各种 关于多媒体方面的新兴应用也在不断涌现，得到越来越多的关注。像视频点播、 远程教学、远程医疗、网上直播、交互游戏、虚拟世界、v o l p ，i p i v 等应用在 i n t e m e l 上迅速得到推广。因此在整个网络中保证这些实时多媒体业务的传输质量 有着广泛而迫切的需求。 所谓服务质量( q o s ) 是指网络在传输数据流时要满足的一系列服务请求，即 i p 包在一个或多个网络传输过程中所表现的各种性能，这些性能可通过一系列可 度量的参数来描述，具体可以量化为传输时延、时延抖动、丢包率、带宽、吞吐 率等指标。其最终目的就是要为各种业务( 包括数据、图像、多媒体及语音业务等) 提供可靠的端到端0 0 s 保证，以提高网络资源利用率。 由于各种异构网络的存在，在整个互联网中保证服务质量的技术主要是在i p 层。，r f 组织在这面的研究走在前列，起草了很多有关保证q o s 的建议并标准 化了很多服务模型和机制【9 j 。其中比较常见的有：综合服务( i l l t e g r a t c d s e r v 。e s i n t s e ) 、区分服务模型( d i 疵r e n t i a t e ds e i c c 卜d i f 巧e r v ) 等。 由于d i f s e r v 模型技术的简单性和可扩展性，使得它成为当前l p 网络中的主流服 务质量保证技术。 互联网是由各种不同的网络组成的，如以太网，令牌环网，各种无线局域网 等，要想使整个互联网络有效支持服务质量保证，它们必须在数据链路层有效支 持服务质量技术，否则i p 层的服务质量保证技术是无意义的。例如以太网络是在 原有的二层v u n 帧中定义了优先级信息，使得以太网络有效支持了服务质量保 证技术。 当然，无线局域网也不例外。无线局域网使用的频点是2 4 g 和5 4 g ，该频点 处于公用频段中，所以它很容易受到外界的干扰，包括某些雷达，所以无线局域 网和有线网相比，传输时延、抖动都比以太网大很多，对传输多媒体业务，特别 是语音业务无法保证传输质量，所以在无线局域网的m a c 层实现服务质量保证 更加重要。 1 2w l a n 的发展及现状【6 1 w ia n 的标准有三类：i e e f ( 美国电子电气工程师协会) 8 0 2 1 l 系列，e t s i 2 无线局域网服务质量的研究和实现 ( 欧洲电信标准化组织) 和h o m e r f 工作组。在这三家组织所制定的标准中，i e e e 的8 0 2 1 1 标准系列由于它的以太网标准8 0 2 3 在业界的影响力使得在业界一直得 到最广泛的支持。本文后面所提到的都是仅仅针对e e8 0 2 1 1 u j 的标准展开的。 8 0 2 1 1 是i e e e 最初制订的一个w l a n 标准，充分利用有线i n t e n i e t 和移动通信 各自的优点，将两者结合，为用户提供一种集成的服务模式。它主要用于解决办 公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入。这个标准的制订是无线网络 技术发展的一个里程碑。但是采用i e e e8 0 2 1 1 系列标准的业务主要限于数据存 取，速率最高为2m b i 帖，不能满足需要。因此，i e e e 小组又推出了8 0 2 1 1 a 【j 】 和8 0 2 1 1 b j 两个标准。8 0 2 1 1 b 的物理层可以同时支持5 5m b i t ，s 和1 lm b i t s 两 个速率；8 0 2 1 1 a 工作在5g h z 无须许可证的国家信息基础设施m n i i ) 频带，采 用正交频分复用技术( 0 f d i m l ，物理层速率可达5 4m b i t s 。由于频段不同，导致 8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 b 不兼容。为了解决这个问题，e e 推出了8 0 2 1 1 一卅标准，它 在2 4g h z 频段下提供5 4m b i 帕的数据传输率，由于其高速率和互通性，8 0 2 1 1 e 被看好是新一代w l a n 标准。 目前，无线局域网络设备的第一市场是公众服务领域，主要是酒店、宾馆、 机场等，在企业内部网、校园网及地理位置较特殊的政府机构等领域。从发展趋 势来看，随着产品价格和技术方面日渐成熟，越来越多的厂商推广w 1 a n 产品， 以及家庭、企业，校园，度假旅游场所对w n 应用会增长迅速，尤其是高等教 育和科研机构对w l a n 的需求不断增加，将为w u 斟创造广阔的空间。 1 3 无线网络的服务质量【6 l 随着用户体验到无线连接性带来的便利，开始要求无线网络支持在今天有线 网络上所运行的同样的应用。但是与有线信道相比，无线信道的环境更加复杂， 有很多独特的特性。首先，无线传输的开放性导致信号的衰落与干扰，如多径衰 落、多普勒频移、阴影效应、远近效应等，从而导致无线信道的有效带宽不是一 成不变的，而是随时间而动态变化的；另外，由于信道的时变特性以及发射，接收 功率的不同，处于小区不同位置的用户具有不同的信道特性，无线信道还具有位 变的特性。也正是由于无线信道的低带宽及高误码特性，使得某些上层的协议如 t c p 等在无线链路的环境下效率低下，并导致吞畦景恶化。因此，服务质量在无 线网络中显得越来越重要。 1 3 1 服务质量的基本概念 服务质量q o s i jj 是对通信网络承载各种通信业务时的业务性能的集中体现。 对用户而言，它表现为用户对业务的质量要求；而对网络而言，它最终表现为网 第一章绪论 3 络的性能。这些渡务l 生鼹决定了弱户对妲务翳濂意摆度。从技术角度露言，是攒 为保证所提供业务的服务质擞达到相应的标准而采取的系列措施的技术总称。 由于不同的她务对网络的性能要求不丽，例如电子商务对嗣络的差错率、轰 失率以及安全性鸯缀裹的要求；露璎迤章舌、视频点攘等要动式废题娶求网络提供 高吞吐率和低时延的服务，所以各种具体应用对网络的服务质缀期望值也不同， 一般溺q o s 参数来衡量这类期望值，表1 1 捂述了不同网络数据类型及其敏感性。 衰i 1 网络数据类蘩及其敏感性 敏感性 数据类型 吞吐量差错率时延抖动 语音微中大大 逛子蘧势枣犬大夺 电子邮件小大 小小 连续浏览 由 大大小 文薛传输大 孛小 小 视频会议大 由 大 大 多播大大大 裁中的q 0 s 参数主要包括以下一些指标： 1 吞吐量：就是网络的有效带宽，定义为物理链路的比特率减去各种传播技 术带来的额外开销，即每秒钟传输的用户数据的字节数，它是在某个时间间隔内 测试得到的。，每个传输方向由各自的吞吐量分别衡量。 2 网络时延：包括传输时延和交换时延。传输时延是在两个参考结点之间 传播所经历的时间，与所使用的传输媒体和传输距离有关；交换时延由固定部分 和可变部分组成，固定部分叫固定交换时延，可变部分叫排队时延，由网络钟的 排队队列和服务方式决定。 3 时延抖动：同一条数据流中的信息分组的传输对延的差异。 4 差错率：用于测量丢失或错乱信息分组数占整个发送信息分组数的百分 比。 l + 3 。2 保障服务羧基鲍主要技术 在l p 瞬络中，服务质量是一项综合技术。它不肇单楚网终躲事憾，莨跫应溺 程序、用户终端、网络、服务器各部分的综合效应。为了实现服务质量保障，除 了在体系结构上瑟有一个好静总体设计之矫，还需要依靠备个鼷面韵技术来支撑。 在数擐乎瑶上，物理层、链黪层、网终滕、传竣层毂应翔层都霹以控制网络豹服 务质壁。目前的有线衅服务质量控制研究多半集l p 在网络层和传输层上，随着无 4 无线局域网服务质量的研究和实现 线局域网和接入网、1 0 c 以太网、弹性分组环等新型的互联网接入方式的迅速发 展，链路层技术对i p 服务质量的影响显得十分重要。在管理平面上，网络管理、 业务管理和客户管理3 个层次都包含了网络服务的实施、保障和计费技术。因此， i p 服务质量技术主要包括：服务质量体系结构、数据平面的服务质量控制技术、 管理平面的服务质量技术、服务质量测量等几个方面。 无线网络中有很多提供q o s 保证的方法。对于物理层，主要是通过降低误码 率来提高信道容量，如信道编码、调制、交织技术等；链路层则侧重于无线资源 的管理与利用，包括无线媒体接入控制协议( m a c ) 、无线连接的呼叫接纳控制 ( c p 固及功率控制、无线连接的调度等；网络层则主要是通过本地重传、路由优 化等提供q o s 保证，具体有无线t c p 、快速无缝的越区切换、动态路由和带宽分 配等。 1 3 3 e e 8 0 2 1 1 x 服务质量研究现状 尽管i e e e8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 9 能够提供最高5 4 m b p s 的物理信道的传输速率 ( 实际吞吐率是这个极限速率的一半左右) ，这足以满足用户传输小容量数据和浏 览网页的需要，但与千兆有线网络相比，无线网络对于一些视频、语音等需要高 o o s 保障的多业务应用尚存在着严重的带宽不足，这将严重影响用户将来的业务 应用发展。而且，随着无线网络商用市场( 企业和运营商) 的发展，无线局域网 越来越注重网络的q o s 保障。 e e8 0 2 1 l e l 。1 标准是基于i 臃8 0 2 1 1 、i e e e 8 0 2 1 1 a 、i e e e8 0 2 1 1 b 和 i e e e 8 0 2 1 1 9 的无线局域网补充协议，在保证现有皿e e 8 0 2 1 1 协议的能力和效率 的基础上，增强m a c 机制，扩展对有q o s 要求的应用的支持，包括通过w u 州 进行声音、音频和视频地传输等。与其它无线标准不同，8 0 2 1 l e 的目的是成为第 一种跨越家庭和企业环境的无线标准。它向现有的8 0 2 1 1 无线标准中增加了服务 质量( q o s l 特性和多媒体支持，同时保持与这些标准的后向兼容性。q o s 对于传送 语音、视频和音频的无线家庭网络至关重要。宽带服务提供商将具有q o s 和多媒 体功能的家庭网络视为向住宅用户提供按需视频、按需音频、i p 语音和高速 i n t e m e t 接入的基本要素。 1 4 论文主要工作 论文项目背景来源于上海正诚科技有限公司p 7 8 0 企业级无线接入设备产品， 该产品于2 0 0 4 年1 2 月份启动。p 7 8 0 是一款5 4 m b 双频室外型高性能a p ，内置 的两块双频无线模块和所提供的无线a p 及b r i d g e 的应用模式，为无线应用提供 了极大的灵活性。 第一章绪论 论文静主要王撵是逶过对瑾e e 鞠2 。l l 瓣a c 层协议黻及 e e 毯鞠2 。l l e 协议静 涤入分摄和硬究，并根攒现套无线接入设餐产疑p 。7 8 0 豹特点翻体系结橡以及基 前大多数无线终端都不支持服务质量的现实，提出了两柏在无线接入设备上实现 下行服务质量保证的方案；详细分析w l a n 驱动中的实现她e8 0 2 ，1 1 e 协议的 主要技术，依据论文提出的q o s 实现方案，对其进行改进，实现了基于i e e e 8 0 2 1 1 ee d c a 机制的服务咸量缣证功能：最詹给出了两种q o s 方案的测试过程 帮测试结栗。 l 。5 论文内容安排 论文共有六章内容，每章内容具体如下： 第一章；介绍了无线局域网服务质量的背景、发展现状等内容。 第二章：分析了e e 8 0 2 1 1 的m a c 层介质访问机制和帧格式，这是理解和 分析砸e e 8 0 2 1 1 e 协议的基础。本章最后给出了m a c 层在支持服务质量方面存 在的严重缺陷。 第三章：分析研究了e e8 0 2 1 1 e 协议，重点分析了m e e8 0 2 1 1 c 协议规定 必须实现的增强型介质访问( e d ( 、a ) 机制，它是本文所提出的两种服务质量实 现方案的理论基础。本文最后总结e d c a 机制优势与不足。 第四章：根据产品的体系结构特征和前一章对丑隧e8 0 2 1 1 e 协议的分析，以 及当前无线局域网服务质量的现状，分析了在产品上实现q o s 的可行性，并给出 了两种具体的实现q o s 的方案。 第五章：详细分析了无线射频卡驱动中采用的主要技术和数据流程，然后依 据前一章中提出的q o s 实现方案，给出了具体的实现过程和测试结果。 第六章：对论文所提出的q o s 方案进行全面总结。并指出了产品下一步q o s 的实现方案和目标。 第二章m a c 层协议分析及q o s 缺陷 第二章m a c 层协议分析及q o s 缺陷 8 0 2 1 1 无线局域网的所有站点和访问节点( a _ p ) 都提供介质访问控制( m a c ) 层 服务，m a c 服务是指同层u r ( 逻辑链路控制层) 在m a c 服务访问节点( s a p ) 之 间交换m a c 服务各数据单元( m s d u ) 的能力。 2 1 概述 介质访问控制层最主要的功能是控制媒体访问，此外，还要支持认证、能量 管理等。e e8 0 2 1 1 的m a c 层规定了两种媒体访问控制机制，分别叫做分布式 协调功能( d c f ，d i s t r i b u t e dc o o r d j n a t i o nf u n c t i o n ) 和点协调功能( p c f ，p o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i 咖1 。其中，d c f 是最基本的也是最主要的控制机制，它只提 供异步数据服务。 d c f 既可用在中心式网络中，也可以用于a dh o c 网络。而p c f 是在d c f 的基础上的一种可选机制，它除了可以提供异步数据服务外，还可以提供延迟受 限的服务，但它只能用在带有基础设旌的网络中。由于p c f 在站点比较少时的 性能略差，而且实现复杂，目前的大部分芯片都不支持这一机制。 2 2d c f 介质访问控制方式 d c f 是一种分布式的媒体访问控制机制，它的主要任务是控制共享同一无 线信道的各无线节点对信道的访问。为此，它采用了带有冲突避免的载波侦听多 路访问协议( c s m 姚，c a r r i e rs e n s em u l n p i e a e s sw i t hc 棋h s i o n a v o i d a n c e ) 。 c s m c a 协议的设计目的就是为了尽量降低共享同一信道的多个无线节点间的 碰撞概率。 2 2 1c s m c a 协议 在介绍c s m a c a 协议之前，首先需要了解一下c s m a 和c s m a c d 协议。 c s m a 在网络中，如果各个节点都能够根据网络状况协调自己的行为，就能使信道的 利用率大大提高。载波侦听多路访问协议( c s m a ，c a f r i e rs e 璐em u l l j p l e a c c e s s ) 就是基于这种考虑而实现的。 c s m a 的工作过程如下：节点在发送数据之前首先耍侦听信道，如果发现信 道空闲，则立即发送数据；如果发现信道处于忙状态，则不发送。这样就大大减 无线局域网服务质量的研究和实现 少了碰撞次数。但是，碰撞仍会发生，例如，当信道由忙转为空闲时，如果有多 个节点同时在侦听，这些节点就会同时发送数据而发生碰撞。事实上，如果能够 适当地改变侦听策略，就可以进一步降低碰撞次数。按照不同的侦听策略，c s m a 协议可以分为坚持型c s m a ( p e r s i s t e n tc s m a ) 和非坚持型c s m a ( n o n _ p e r s i s t e n t c s m a ) 。 c s m a c d 无论坚持型c s m a 还是非坚持型c s m a ，都存在由于多个节点同时发送而 产生的碰撞，而且各节点都不知道已经发生碰撞，仍会将数据帧发送完毕。这就 浪费了信道。为此，要采取措施使得节点能够即时地探测到碰撞并中断发送，这 就是带有冲突检测的载波侦听多路访问协议( c s m c d ，c a r r i e fs e 璐em u l t i p l e a c c e s sw i i hc o m s i o nd e t c c t i o n ) 。i e e e8 0 2 3 以太网中采用的就是1 坚持 c s m a c d 协议。 c s n l v c a 【1 3 】 无线信道的主要特点就是在发送时不能同时侦听，无法进行冲突检测。为此， 采用的方法是带有冲突避免的载波侦听多路访问( c s m a c a ) 。 当媒体空闲 = d l f s 枣? 日n 纰、 p i f s 1 柙l l 上b h 授 兄于目u l l w j d ss i f s 1 忙媒体 蝴豫飞栽 延迟接入_ l 时隙时间 图2 1 c s m a 妃a 工作机制 c s m a c a 的冲突避免是通过在c s m a 的基础上增加了后退定时器 ( b a c k o 觚1 m e r ) 和竞争窗口( c w ，c o n t e n t i o nw i n d o w ) 机制来实现的，如图2 1 所示。 其具体机制如下：节点在发送数据之前，首先要侦听信道是否空闲，若信道 闲，则该节点在侦听到信道连续空闲d l f s 时问后可以发送；若信道忙，则等待 到当前的数据传输结束后，产生一段随机的后退时间作为后退定时器的初值。这 个后退时间是从o 到竞争窗口c w 之间选取一个随机数，并以时间槽为单位。 之后每当信道空闲一个时间槽，后退定时器就减1 。如果期间有节点发送数据， 则其余节点的定时器被冻结，当信道重新空闲d i f s 时，后退定时器解冻，继续 倒计数，直到定时器的值为o ，该节点就开始发送数据。 竞争窗口c w 值从c w m i l l 开始，每发生一次冲突，竞争窗口就会成倍增长， 第- 章m a c 层协议分析及o o s 缺陷 直到c w m a x 。竞争窗口越大，选择相同的随机后退时间的可能性就较小，后退 定时器机制解决碰撞的能力就越大。但是，竞争窗口越大，后退时间可能就越长， 从而导致不必要的延迟。因此，当数据传输成功或者连续重传多次失败后，c w 值被重新设置成c w m i n 。由于c w 值是以c w 如i n 为初始值，以2 为指数增 长后减1 ，因此这个机制也称为二元指数后退( b i n a r ye x p o n e n t i a l b a c k o f f ) ，这一 点与哪8 0 2 3 的c s m c d 相同。 后退定时器和竞争窗口机制的结合既保证了一定的公平性，使得等待时间长 的节点的优先级高于新加入的节点，又有效地减小了发生冲突的概率。 2 2 2 显式a c k 确认 为了增强c s m c a 对异步业务传输的可靠性，i e e e8 0 2 1 1 m a c 在 c s m c a 的基础上使用m c 层确认机制，也就是c s m c a + a c k 。接收方 在收到发送方发来的数据、并通过c r c 校验数据没有发生任何错误之后，需要 等待一个s i f s 时间间隔，然后直接向发送方发送一个应答帧( a c k ， a c l m o w l e d g c m e n t ) 。如果在一定的时间内，发送方没有收到返回的a c k ，发送 方将重传数据帧，重传的帧也必须和其它帧一样参加竞争。重传的次数是有限制 的，当到了规定次数重传仍不成功的话，发送方m a c 会向上层报告，由上层来 决定应对措施。应答帧帮助保证了m a c 层数据帧的正确接收，这对于较容易出 错的网络环境( 例如无线链路) 尤其重要。 2 2 3 帧间距 在上面机制的描述中，已经出现了两种时间间隔，分别是d 球s 和s i f s 。事 实上，它们都是e e8 0 2 1 1 标准中规定的帧间距，即连续两个帧之问的最小传 输间隔。8 0 2 1 1 中常见的有三种帧间距，从时间上来讲，由长到短依次为：d i f s 、 p i f s 和s l f s 。 在同样的竞争信道条件下，采用的帧间距越短，就有可能越早的发送出数据， 这就相当于给数据赋予了较高的优先级。例如，发送a c k 包所采用的帧间距是 s 球s ，发送普通数据包采用的帧间距是d i f s ，由于发送a c k 包时只需等待 s i f s ，而发送数据时节点必须至少等待d 珲s 间隔才能发送，并且d 球s 大予 s i f s ，因此，a c k 包总能够优先于数据包得到发送。 下面总结一下各帧间距的用途。 d i f s( d c fi i i t e r _ f r a m es p a c e ) ：这个参数指示最长的等待时间和访问媒 体的最低优先级。这个等待时间用于竞争阶段，提供异步数据服务。 p i f s ( p c fh l t e r h 帅es p a c e ) ：这是介于d i f s 和s i f s 之问的时问参 数。它用二时间受限的服务。 1 0 无线局域网服务质量的研究和实现 s i f s ( s h o ni n t e 卜f r a m es p a c e ) ：这个最短的等待时间是为控制信息定义 的，例如：数据帧的应答或轮询应答。 除此之外，8 0 2 1 1 中还规定了一种称为e i f s ( e x t e n d e di n t e r f r a m es p a c c ) 的帧间距。它只在传输出现错误时用到。 2 2 4r t s c t s 机制1 1 0 】【1 1 】 r t s ，c t s 机制的提出，主要是为了解决无线局域网中存在的隐藏终端问题。 w l 蛆绱嘲 w l 斌终端l 扎娟终端c 图2 2 隐藏终端问题 如图2 2 所示，无线节点a 和无线节点c 都在无线节点b 的覆盖范围内， 因此a 和b 、c 和b 都可以通信。但是a 和c 都没有在对方的覆盖范围内， 因此a 和c 是无法通信的。当a 和c 都有数据要发给b 时，如果它们同时 都检测到信道空闲，会同时向b 发送数据帧，这样就会导致在节点b 的冲突。 这就是无线网络中的隐藏终端( h i d d e n t e r n l i n a l ) 问题。 为了解决这个问题，标准中定义了两种帧：r t s 帧和a 晒帧。发送方在侦 听到信道连续空闲d i f s 之后，首先发送艇s ( r e q u 锚tt 0s 姐d ) 。r 1 s 帧和其 它数据帧的优先级是相同的。r 1 s 帧中包括一个叫做d i l r a t i 的域，这个域存 储的是从发送方完成r t s 发送一直到收到完整的a c k 所经历的时问。r t s 和 c t s 都是广播帧，收到这个r t s 的每个节点都会根据d u r a l j o n 域来设置它的 n j a v ( n e t w o r k 舢l o c a t i o n v e c t o r ) 。n j 觚7 是每个节点都要维护的一个向量，它指 定了节点可以试图访问信道的最早时间。 数据的接收方在收到r t s 帧以后，等待s i 心时间问隔，再发送一个c t s ( c l e a rt os e n d ) 帧进行应答。c t s 帧也包括d u r a t i o n 域，它的这个域存储的 是从接收方完成c t s 发送一直到发送方收到完整a c k 所经历的时间。所有接 收到这个c t s 的节点必须再次调整它们的n a v 。收到c r s 韵节点集合和收到 r t s 的节点集合不一定相同。因此，在发送方和按收方的接收范围内的所有节点 都会被通知，它们在访问信道之前必须等待更长的时闾。也就是说，这一机制唯 的为一个发送方预留了信道。 最后，发送方在收到c r s 之后，等待s i f s 间隔发送数据。接收方在接收 到数据帧之后再等待s i f s 间隔，用a c k 帧进行应答。至此传输过程完成，这 时每个节点的n a v 表明信道空闲，并准备开始下一个传输周期。 这一过程使得r t s c r s 成为实现载波侦听的种方式。c s m 蝴协议中 的载波侦听( c a h i e rs e n s e ) 功能是通过两种方式来实现的：物理层真正的侦听机 第二章m a c 层协议分析及0 0 s 缺陷 l l 制( c c a ) 和m a c 层的虚拟机制。m a c 层的虚拟侦听机制是通过散发信道预 留信息来完成的。预留信道就意味着其它节点无法访问信道，那么在其它节点看 来，信道就处于忙的状态，从而载波侦听的结果就是信道忙。而在发送真正的数 据帧之前交换r t s 和c t s 帧的过程，就恰恰完成了信道的预留。 使用r t s c t s 机制的另一好处是，能够快速的从碰撞中恢复。由于r t s 和 c t s 都是很短的帧，因此，在发送了r t s 之后，发送方只需等待较短的时间， 就可以判定能否收到c r s ，进而判断是否需要重传。而在没有该机制时，发送方 必须至少等待传输整个数据帧以及a c k 的时间。数据帧的长度通常是r t s c t s 帧长的几倍甚至几十倍。 另外，r t s c t s 还可以作为探测链路好坏的工具。使用r t s c r s 也有不利 的因素，它可能会导致不可忽略的额外开销，从而带来带宽的浪费和较高的延迟。 因为如果数据帧的长度较小，比如小于1 0 0 字节，传输r t s ，c t s 的开销会高于 传输数据的开销，造成吞吐率的下降、通信延迟的增加。因此，标准中规定了一 个参数，称为r 1 葛阈值( 弧f e s h o i d ) ，对于超过瑚晤阈值长度的数据帧采用 r 1 s c r s 机制，而对于没有超出r t s 阈值长度的数据帧则只采用基本的不带 r t s c t s 的d c f 机制。 2 3p c f 介质访问控制方式 点协调功能p c f 基于分布式协调功能d c f 之上，可以提供无竞争的服务。一 个基本业务组b s s 中，应当有一台主机作为点协调器( p o i n tc 0 0 r d i n a t o r ，简称为 p c ) 。对于一个多区网，p c 与a p 的功能可以由同主机来完成。b s s 内的所有 主机都要遵守p c f 媒体访问规则。 p c 在cf p 的开始时刻获得对媒体的控制权，而且由于p c 采用的p 订忑间 隔小于d c f 下移动主机采用的d 1 f s 间隔，因而p c 可以在整个c f p 期间保持对 媒体的控制。p c f 通过无竞争轮询表( c o n t c n t i o nf r e ep o u i n gi j s t ) 来实现对主机的 轮询。在无竞争轮询表中存放所有c f a w a r e 主机的m a c 地址。当该表非空时， p c 应在每一个c f p 时期轮询表中的下一个主机，如果在当前c f p 期间p c 没有 足够时间轮询所有的c f 钾e a w a r e 主机，则会在下个c f p 时期到来后，继续对 下一个主机的轮询。 在p c f 方式下，由b s s 内的p c 来决定某一时刻该由哪个主机进行发送， 所有登录到p c 的主机都可以接收在p c f 下发送的所有帧。m e e8 0 2 1 1 把能对 p c 发出的轮询帧做出应答的主机称为无竞争清醒主机( c fa w a r e ) ，处于 c fa w a f e 状态的主机一旦被p c 轮询，它就可以向任何一个主机而不仅仅是p c 发送数据，c f a w a r e 主视也可以主动发出请求，要求p c 的轮询。p c 不会对处 1 2 无线局域网服务质量的研究和实现 于非c f - a w a r e 状态的主机进行轮询。 在c f p 期间同样需要对数据的确认，运用的帧格式有d a r a + c fa c k ， c f _ a c k ，d a l l a + c f _ a c k + c f 0 l l 或者d a r a + c f _ a c k + c f _ p o l l 。 c f p 时期开始后，p c 对媒体进行检测。当媒体空闲时间达到p i f s 后，则发 送一个含有d 1 r i m 和c f 参数的信标帧。等待一个s i f s 后，发送下列帧之一： d 加噙，c f _ p o l l ，d a t a + c f o u 。和c f _ _ e n d 。如果没有已经缓存的业务， 并且不需要轮询，则在开始信标帧之后紧跟着发送c fe n d 帧，结束该c f p 时 期。图2 3 给出了p c f 下帧传输的示例。 当被轮询的主机有帧要发送时，它就在s i f s 之后发出该帧，这被称为 c f 二量u r s t ，此时该主机忽略本机的n a v 信息，而不是把它清零。若该主机发送的 帧的目的地址不是p c 时，则数据帧的接收和确认都遵循d c f 规则，因为其它的 主机都已经将n a v 置位，所以不需要r t s c r s 机制。 cf p 1 一g 1g l ，卜 g l1 一g 2r 1r i 一l ，【l ll ( ；1 l 一 c p 6 7 f 考藿 fi i i 愿i 阏l 旒 + 皓 型；”甜。- 1 i 到 g 1jlg 1 jlg l l re s e t n a vg 1 = s f sg2 = p 枣s d = se n t b yp cu = se n t b yp d m ds 乜也n s 圈2 3 p c f 下的帧传输 2 4m a c 帧格式和分类 8 0 2 1 l e 标准是对8 0 2 1 l 标准m a c 层的改进，因此，理解8 0 2 1 1 m a c 层帧 结构是理解8 0 2 1 1 e 协议的基础。本节将粗略介绍8 0 2 1 1 m a c 层帧结构。 m e e8 0 2 1 l 定义了m a c 帧格式的主体框架，如图2 4 所示。工作站发送的 所有类型的帧，都采用这种帧结构。形成正确的帧之后，m a c 层将帧传送给物 理层集中处理子层( p l c p ) 。帧从控制字段第一位开始，以帧校验域f c s 的最后 一位结束。 第二章m a c 层协议分析及q o s 缺陷 。 图2 4 m a c 帧格式 下面分别对m a c 帧的各主要字段进行说明： ( 1 ) 帧控制字段 l mb l b 2b 3 曰聿wb 甚h l ob i lb 1 2b 诌b l 毒b t 5 lh 啪l 蕾a d sf l 诅n d 窨 1 i j 妇悻p w 幻揩 l 蜘 静衅s l l 哂性 r t 埘w 郡o 竹 p i l gm 尊 d 也 _ _ _ _ i _ _ 卜_ _ 一一卜卜卜_ “，呻- 哦虹：224 llll li l l 图2 5 帧控制字段格式 该字段长度为2 个字节，定义了以下内容：协议版本，帧类型( 日p e ) ，子帧 类型( s u b t y p e ) ，地址字段，分片管理，重试，电源管理，更多字节，w e p 加密， 排序等内容。其中帧类型字段和子帧类型字段决定了该帧的具体类型，那么该帧 的功能以及具体帧格式也就随即确定。 ( 2 ) 持续时间标志( d u r a t j o l l i d ) 字段 大多数帧，在这个字段内包含持续时间的值，值的大小取决于帧的类型。通 常每个帧都包含表示下一个帧发送的持续时间信息。例如：数据帧和应答帧的 d u r a t i o n i d 字段表示下一个分段和应答的持续时间。网络中的工作站就是通过监 视这个字段，依据持续时间信息来推迟发送的。 ( 3 ) 地址字段 在m a c 帧结构中，有四个地址字段，这些字段用来指示b s s i d ，源地址、 目标地址、传输站地址和接收站地址，该四个字段的用途在b s s l d ( 基本服务组标 识1 缩写表示为n a ，s a ，r a 和t a ，有些特殊的帧也许不含某些地址帧。 ( 4 ) 序列控制字段 该字段长1 6 位，包含两个子字段，序列号和片断号，如图2 6 所示。 b 0氆善b 尊b l s l ：竺竺竺：i 譬篮j 盏i h 百啼 图2 6 序列控制字段格式 1 ) 序列号( s e q u e n c en u m b e r ) 字段 该字段长1 2 位，表明m s d u 或m m p d u 的序列号，每个m s d u 或m m p d u 在经s 7 r a 传输时都分配了一个序列号，该序列号是由一个单模柏位计数器来分 1 4 无线局域网服务质量的研究和实现 配的，分配好后，这些m s d u 或m m p d u 再次传输时的整个过程中，序列号起 标志作用保持不变。 2 ) 段号( f r a g m e n tn u m b e r ) 字段 该字段长4 位，表明一个m s d u 或m m p d u 的每一个段落，第一个片断号 被设为0 ，或者m s d u 或m m p d u 中只有一个段，其后还有段的话，该号再依次 增加，该片断被传输的整个过程中保持不变。 ( 5 ) 帧体字段 这个字段的有效长度可变，所载的信息取决于发送帧。如果发送帧是数据帧， 那么该字段会包含一个u f 数据单元( 也叫m s d u ) 。m a c 管理和控制帧会在帧 体中包含一些特定的参数，这些参数由该帧所提供的特殊服务决定。如果帧不需 要承载信息，那么帧体字段的长度为o 。接收工作站从物理适配头的一个字段判 断帧的长度。 2 5i e e e 8 0 2 1 1m a c 的q o s 缺陷【6 】 在制定8 0 2 1 1 标准时，标准希望d c f 负责一般数据流的服务，而p c f 负责 实时业务，如语音、图像等。但是在标准的实际使用中，p c f 却很少使用，而是 作为一个可选项，有些产品供应商并不提供p c f 功能。现有的a p 往往工作在 d c f 方式下，这直接导致b s s 中的站点处于无线媒体的随机竞争过程中，各种数 据流获得相同的服务。没有任何优先级之间的差别。 2 5 1d c f 在q o s 支持上存在的问题h d c f 模式没有任何措旌来支持q o s 。所有的数据业务都是以先进先出、尽力 服务的方式进行的。同一个b s s 内的所有s 1 a 以相同的优先级来竞争无线媒质。 其中a p 与其它s 1 1 a 具有同等的级别，但是a p 的吞吐量却要高的多。同样，也 没有区分各种数据业务对于q o s 的不同要求。当b s s 内的s 1 ：a 数量增加时，冲 突的概率不断在增大，使得数据的延迟、吞吐量都急剧的恶化。 仿真说明如图2 7 ，有三个站分别是s 1 1 a 1 、s 1 a 2 、s 1 a 3 ，它们都向a p 外的 s 1 1 a 4 发送固定分组长度为1 5 0 0 字节的数据。w s l a 1 的数据分组的到达率服从 参数为0 0 0 5 的p o i s s 衄分布，开始时刻是2 0 s ；w s 卫也的数据分组的到达率服 从参数为o 0 1 的p o i s s o n 分布，开始时刻是4 0 s ：w s l a 3 的数据分组的到达率服 从参数为o 0 1 的p o i s s o n 分布，开始时刻是6 0 s 。所以，三个w s t a 的负载分别 是2 4 m b p s ，1 2 m b p s ，1 2 m b p s 。 可以看出，从2 0 s 开始到4 0 s ，w s 1 1 a 1 的吞吐量可以满足要求；当w s t a 2 开始发送数据时，由于碰撞冲突s 1 a 1 的吞吐量下降，而w s i a 2 的业务还可以 第二章m a c 层协议分析及o o s 缺陷 满足要求；当s t a 3 也开始发送数据时，三个站的吞吐量都下降到1 m b p s 左右。 所以对于需要高优先