（电磁场与微波技术专业论文）无线网桥上层协议的设计和实现.pdf

北京邮电大学研究生毕业论文 摘要 无线局域网 ( w l a n )是无线通信、局域网和宽带接入等技术相结合的产物，具有摆 脱了电缆线羁绊、数据传输速率高、 组网方式简单灵活、 成本低廉、 兼容和扩展能力强等 优点， 成为近年来通信业的一大亮点。目 前国际著名的 i t制造商都在积极研发无线局域 网设备， 大型电信运营商也在积极筹建试验网， 无线局域网的应用前景非常广阔。 无线网 桥 ( wb )是无线局域网的核心网络设备，目 前国内市场基本上被国外产品所垄断，开发 出具有自 主知识产权的无线网桥是国内研发机构的重要机遇和挑战。 作者参与了北京邮电大学无线通信中心无线网桥研究开发项目， 经历了理论学习、 跟 踪调研、需求分析、设计实现和系统测试的完整过程， 本文就是作者项目 研究与经验的总 结。 在这篇论文中， 作者首先介绍了 无线局域网的 背景知识， 着重分析了8 0 2 . 1 1 协议的体 系结构， 并且对无线网 桥的 特点以 及相关的 技术问 题做了 深入的分析。 本文的重点是无线网桥上层协议的设计， 详细阐述如何将协议工程的基础理论应用到 我们的 项目中， 分析了wb的 工作模式、 底层服务、 拓扑模型如何影响上层协议， 根据功 能要求划分协议实体模块， 并设计了 帧封装格式。 接着讨论了无线网桥上层协议实现的开 发平台 ( 嵌入式操作系统v x w o r k s )的结构、实时软件开发环境和开发方法。 最后介绍了 无线网桥上层协议的具体实现。 到目 前为止， 作者参与设计和实现的无线网 桥己 经达到了了预期的功能: 正确地学习 网 络上主机的m a c地址、正 确地进行接收帧的 选路工作、能够有效支持网 络管理、 生成 树协议实体能 够根据无线局域网实际 物理拓扑构造出 无环回的路径。 该 产品 在点 对点无线 连接应用中效果良好。 关 键 词 粉 无线局域网， 无线网桥， 主网桥， 从网桥， i e e e 8 0 2 . 1 i b ， 协议， 地址数据库， v x w o r k s e 北京邮电大学研究生毕业论文 ab s t r a c t wi r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ( wl a n ) c o m b i n e s w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , l o c a l a r e a n e t w o r k , b r o a d b a n d a c c e s s a n d s o m e o t h e r c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s . b y v i rt u e o f g e t t i n g r i d o f c a b l e s , h i g h d a t a t r a n s m i s s i o n r a t e , e a s y a n d fl e x i b l e t o n e t w o r k in g , l o w c o s t , c o m p a t i b l e a n d s c a l a b l e , wl a n b e c o m e s a n e w s t a r o f c o m m u n i c a t i o n i n d u s t ry . ma n u f a c t u r e r s a r e a c t i v e l y r e s e a r c h i n g a n d d e v e l o p i n g wl a n d e v i c e s , w h i l e o p e r a t o r s a r e p r e p a r i n g t o c o n s t r u c t t r i a l wl a n n e t w o r k s , i n d i c a t i n g a p r o m i s i n g f u t u r e o f wl a n . wi r e l e s s b r i d g e ( wb ) i s t h e c o r e u n i t o f wl a n , w h i l e n a t i o n a l wb m a r k e t h a s m o n o p o l i z e d 饰o v e r s e a s p r o d u c t s . d e v e l o p i n g wb w it h s e l f - p r o p e r t y r i g h t i s a n i m p o r ta n t t a s k a n d a l s o g r e a t c h a l l e n g e s t o d o m e s t i c r 布线繁琐，办公室电缆线泛滥;无法从移动体访问局域 网等。 尤其是随着信息时代的到来， 越来越多的人要求能够随时随地接收到各种信息，因 而对于从移动体访问局域网的要求就更加迫切， 这就形成了作为局域网的另一个发展方向 无线局域网。 凡是采用无线传输媒体的计算机局域网都可称为无线局域网，它是计算机间的无线通 信网络。 无线通信的历史非常悠久， 但无线计算机通信的历史却并不长， 尤其是充分发挥 无线通信的 “ 可移动”特点的无线计算机通信则是近 1 0年来才出现的事情。其发展大致 可分为三个阶段大型机联网阶段、 微型机联网阶段、 移动计算网络阶段。目 前无线局 域网采用的传输媒体主要是无线电波与红外线， 传输方式分为扩展频谱方式、窄带调制方 式和红外线方式。 其中扩展频谱方式中， 数据基带信号的频谱被扩展至几倍一几十倍以后 再被搬移至射频发射出去， 这一做法牺牲了频带带宽却提高了通信系统的抗千扰能力和安 全性。窄带调制方式中数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频发射出去， 它占 用频带少并且频带利用率高， 但是通信的可靠性无法得到保障。 红外线方式的最大优 点是这种传输方式不受无线电 干扰， 且红外线的使用不受国家无线电 管理委员会的限 制， 然而红外线对非透明物体的透过性极差，同时不能用于移动通信。 无线局域网和个人通信网 ( p c n ) 代表了9 0 年代通信网络技术的发展方向。p c n主要 用于支持速率小于 5 6 k b i t / s的语音、数据通信，而无线局域网大多用于传输速率大于 1 m b i t / s 的局域和室内数据通信，同时为未来多媒体应用 ( 语音、数据、视频) 提供了一 种潜在的手段。 无线局域网既可以 满足各类便携机的入网要求， 也可以 作为 传统有线网的 补充手段。 1 . 3 . 无 线 局 域 网 的 优势4 0 从理论上讲，实现移动数据网络的方法有很多种，除了无线局域网以外，主要还有下 面几种途径。 . 直接利用现有的模拟或数字蜂窝电 话网、 微蜂窝无绳电话网 传送计算机数据。 这种方 法的 优点是网络覆盖范围广， 但它只支持十几k b p s 的数据速率并且可靠性差， 不适宜 传送突发数据。 北京邮电大学研究生毕业论文 . 建立专用的 移动分组交换网; 这种方式只是利用一个专用数字分组交换网 代替移动交 换网，它的可靠性和安全性都得到了很大提高，但是它需要重新建立一套网络系统并 且数据速率没有得到明显提高。 . 在现有的蜂窝电话网络上建立数据交换网。 这种技术的代表是g p r s 技术。 通过对现有 g s m网络的改进，g p r s 可以提供高达 1 7 0 k b p s 的数据速率，它结合了上述两种途径的 优点， 具有安全可靠的特点， 并且只需对现有 g s m 系统进行改造而无需建设新的网络。 . 另外，第三代移动通信 ( 3 6 )将数据通信作为一个重要的业务，它的目 标是在将来提 供车载1 4 4 k b p s 、 步行3 8 4 k b p s 、 室内2 m b p s 的 信息传输速率 ( 目 前的 系统还远未达到 这个目 标) 。 虽然作为下一代移动电话网， 它在技术上要优于前面三种方案， 但建设成 本是目 前3 g 系统的最大缺点。 上面所提到的方案都是建立在电信网络的基础上，它们都存在着一些共同的缺点:传 输速率低、主要面向 语音业务、系统复杂，成本高。 同前面的几种方案不同，无线局域网是在有线局域网的基础上发展而来的，因此它继 承了有线局域网的以下优点: . 简单:由于覆盖范围和用户都是有限的，所以可以采用广播方式传输而不需要复杂的 信道分配和路由管理。这使得网络设备和网络管理都可以大大简化，这意味着网络的 建设和维护成本都可以大大降低。 . 高速:由 于共享信道，终端可以使用相对较宽的信道而达到高数据速率，虽然总的吞 吐量没有改变，但对于高突发性的数据传输是一种高效的方案。 . 兼容性好:由 于无线局域网是从有线局域网 发展而来， 所以 两者具有相似的 性能和特 点，用于有线局域网的大量软件和终端只需要稍作改动就可以 用于无线局域网。这大 大提高了无线局域网的兼容性 由于具有上述这些优点，无线局域网必将成为实现移动计算网络的关键技术之一。在 未来的 个人通信网中， 无线局域网即 使不是构成移动计算网络的基础， 也会成为其中的一 个重要组成部分。 1 . 4 . 无线局域网标准 ( 1 ) i e e e 8 0 2 . 1 1 系列标准 8 0 2 . 1 1 是 工 e e e最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园 北京邮电大学研究生毕业论文 网中 用户与用户终端的无线接入， 业务主要限 于数据存取， 速率最高只能达到2 m b p s 。由 于 8 0 2 . n 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，工 e e e小组又相继推出了 8 0 2 . 1 1 6 , 8 0 2 . i l a 和8 0 2 . 1 1 g 三个新标准。 三者之间技术上的主要差别在于m a c 子层和物 理层。 . 8 0 2 . 1 1 b : i e e e 8 0 2 . l l b使用开放的 2 .4 g h z直接序列扩频，最大数据传输速率为 i 1 m b p s ， 无需直线传播。 ( 注:其实际的传输速率在5 m b p s 左右，与普通的l o b a s e - t 规格有线局域网处于同一水平。 ) 使用动态速率转换，当射频情况变差时， 可将数据传 输速率降 低为5 .5 m b p s , 2 m b p s 和i m b p s 。 且当i作在2 m b p s 和1 m b p s 速率时可向 下 兼容i e e e 8 0 2 . 1 1 o i e e e 8 0 2 . l i b 的使用范围 在室外为3 0 0 米， 在办公环境中则最长为 1 0 0米。使用与以太网类似的连接协议和数据包确认，来提供可靠的数据传送和网 络 带宽的有效使用。i e e e 8 0 2 . i 1 b运作模式基本分为两种:a d h o c 模式和 i n f r a s t r u c t u r e 模式， a d h o c模式是指无线网卡和无线网卡之间的通信方式。 i n f r a s t r u c t u r e模式是指无线网络规模扩充或无线和有线网络并存时的通信方 式，这是i e e e 8 0 2 . i 1 b 最常用的方式。 . 8 0 2 . i l a : i e e e 8 0 2 . 1 i a 工作在5 g h z u - n i i 频带，从而避开了拥挤的2 . 4 g h z 频段。物 理 层速率 可达5 4 m b p s ， 传输层 可达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 b p s的无线 a t m 接口、i o m b p s以太网无线帧结构接口 和 t d d / t d m a的空中接口， 支持语音、 数据、 视频业务， 一个扇区可接入多个用户， 每 个用户可带多个用户终端。i e e e 8 0 2 . 1 l a 在使用频率的选择和数据传输速率上都优于 i e e e 8 0 2 . i i b ， 不过其芯片还没有进入市场，并且设备昂贵、不兼容 i e e e 8 0 2 . 1 l b 、空 中接力不好和点对点连接很不经济，不适合小型设备。相比而言，业界非常看好 i e e e 8 0 2 . 1 i b 。就在i e e e 8 0 2 . 1 i b 的竞争对手“ 蓝牙” 的诞生地挪威， 其滑雪胜地都 安装了8 0 2 . 1 1 b 协议的红外装置。 . i e e e 8 0 2 . i i g : 由 于8 0 2 . l l a 与目 前的8 0 2 . i l b 标准之间， 频段与扩频方式不同 使得其 互相之间不能够相通。 i e e e 制订了一个混合标准8 0 2 . 1 1 g ， 它既能适应传统的8 0 2 . l l b 标准， 在2 . 4 g h z 频率下提供每秒1 1 m b i t / s 数据传输率， 也符合8 0 2 . i l a 标准在5 g h z 频率下提供5 6 m b i t / s 数据传输率。 ( z )蓝牙 蓝牙英文名称为“ b l u e t o o t h ，是一种开放性短距离无线通信技术标准。它是面向移动 北京邮电大学研究生毕业论文 设备间的小范围 连接， 可以 说它是一种代替线缆的 技术。 从应用的角度来讲， 它与日 前广 泛应用于微波通信中的一点多址技术十分相似;因此，它很容易穿透障碍物，实现全方位 的语音与数据传输。 蓝牙同i e e e 8 0 2 . l l b 一样，使用2 .4 g h z 频段，采用跳频扩频 ( f h s s )技术。由于使 用比较高的跳频速率， 使蓝牙系统具有较高的抗干扰能力。 在发射带宽为i m h z 时， 其有 效数据速率为7 2 1 k b p s e 蓝牙的移动性和开放性使得安全问题倍受关注。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已 提 供了一定的安全保障， 但是蓝牙系统仍需要在链路层和应用层进行安全管理。 在链路层中， 蓝牙系统提供了认证、加密和密钥管理等功能。 在连网上，蓝牙支持点对点和点对多点的连接，使用无线方式将多个蓝牙设备连成一 个微微网，多个微微网又可互连成特殊分散网， 形成灵活的多重微微网的拓扑结构， 从而 实现各类设备之间的快速通信。 ( 3 ) h o m e r f h o m e r f 无线标准是由h o m e r f 工作组开发的，旨 在家庭范围内，使计算机与其他电 子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。 h o m e r f 是i e e e 8 0 2 . 1 1 与d e c t的结合， 使用这种技术能降低语音数据成本。 与前几 种技术一样， h o m e r f 使用开放的2 .4 g h z 频段。 采用跳频扩频 ( f h s s ) 技术。 调制方式 为 恒定 包络的f s k调制， 分为2 f s k与4 f s k两种 ( 注: 采用调频调制可以 有效地抑制无 线 环境 下的 干扰和衰落。 ) 。 2 f s k方式 下， 最大数 据的 传输 速率为i m b p s ; 4 f s k方式 下， 速 率 可 达2 m b p s 。 在新的h o m e r f 2 二标 准中 ， 采 用了w b f h( 宽 带 调 频) 技 术 来 增 加 跳 频带宽，由 原 来的 m h z 跳频信道增 加到3 m h z , 5 m h z ， 数据速率峰 值达到i o m b p s o 不过由于h o m e r f 技术没有公开，目 前只有几十家企业支持，在抗干扰等方面相对应 其他技术而言尚有欠缺，因此注定它没有广泛的应用前景。 综上所述， 在各类无线局域网的标准中， i e e e 8 0 2 . l 1 b 是由 十分成熟的 有线以 太网 发展 而来，具有简单可靠兼容性强的优点，获得了网络设备生产商的广泛支持。并且最高达 1 1 mh z 的数据速率足以支持现有的绝大多数语音、 数据和视频业务， 所以具有十分广阔的 发展前景。8 0 2 . 1 1 b 实际上已 成为目 前无线局域网的主流标准。 北京邮电大学研究生毕业论文 1 . 5 .网桥 1 . 5 . 1 .网桥的基本概念 如图 1 . 1 所示，网桥是工作在数据链路层，连接两个 l a n的网络设备，它根据接收帧 的m a c 地址来决定帧的转发路径，可以看作是一个 “ 低层的路由器” ( 路由 器工作在网络 层，根据网络地址如 i p 地址进行转发) 。 主 机 应用 层 表示层 会话层 传输 层 网 络 层 数据链 路 物 理 层 网桥 物 理 层 主机 应 用 层 表 示 层 会 话层 传输 层 网络 层 据链 路层 物 理 层 la n1la n2 图1 . 1网桥网络连接层次图 一般来说， 用于网 络互联的设备有集线器( h u b ) 、 网 桥( b r i d g e ) 和路由 器( r o u t e r ) , 三种设备有不同的应用场合。使用网桥的原因: . 用于局域网之间的互联，费用低。 . 对网络进行分段，以减少网络上的用户数和通信量，还可以增加网络的物理总距离。 . 可靠性问题。可以对网桥编程以决定是否转发收到的帧，所以网桥可以设置在局域网 中的关键部位，防止因单个节点失常而破坏整个系统。安全保密性。在网络中多处设 置网桥并谨慎的拦截无需转发的重要信息，那么就可以 把网络分隔以防止信息被窃。 1 . 5 . 2 . 网 桥的 类 型 3 7 ( 1 )透明网桥 所谓 “ 透明网桥”是指它对网 络上的 任何工作站都完全透明， 用户感觉不到它的 存在 也无法对网桥寻址。 所有的路由 判决全部由网桥自己 确定。当网桥接入网络时， 它能自 动 初始化并对自 身进行配置。 透明网 桥以 混杂方式工作， 它接收与之连接的 所有l a n 传送的 每一帧，并进行缓冲。当帧由m a c 芯片在一个端口 接收并置入分配的缓冲区时， 端口 管理 北京邮电大学研究生毕业论文 软件便使芯片准各好接收新帧， 随后便将包括接收帧的缓冲区的指针传递给网 桥协议实体 进行处理。如果网桥在其端口同时到达2 个或多个帧，并需要将这些帧从同一端口转发， 端口 管理软件和网桥协议实体软件间的缓冲区指针的传递则通过一组队列实现。 ( 2 )源路由 选择网桥 透明网桥的优点是易于安装，只需要插入电源即大功告成。但是从另一方面来说，这 种网桥并没有最佳地利用带宽，因为它仅仅用到了桥接网络拓扑结构的一个子集 ( 生成 树) 。而源路由选择网桥却对这种情况有了相应的改善。和透明网桥不同，源路由选择网 桥需要用户手动配置。并且其路由 算法和透明网桥也不一致:透明网桥采用逆向学习的路 由算法获得转发路径，而源路由选择网桥采用扩散查找帧的算法来获得最佳路径。 ( 3 ) 透明网桥和源路由选择网桥的比较 . 连接方式:透明网桥是无连接的，各个帧的路径选择完全独立;源路由选择网桥是面 向连接的，它用查找帧来确定路由，并且以后一直使用该路由。 . 透明程度:透明网桥对主机来说完全透明，与现有的8 0 2 产品完全兼容; 源路由 选择 网桥既不透明又不兼容，只能适用于令牌总线网。 . 配置方式:透明网桥无需用户作任何繁琐的配置工作;源路由 选择网桥需要用户手动 配置l a n 和网桥的编号，难保不出错。 . 地址学习方式:透明网桥采用逆向学习的方法来确定主机的位置:源路由 选择网 桥采 用扩散查找帧的方式来确定主机的位置。 逆向学习的缺点是:网 桥必须一直等到碰巧 有一特别的帧的到来，才能知道该主机的位置;查找帧的缺点是:在并行网桥的大型 互联网中，会发生指数级的帧爆炸。 . 故障的处理:透明网桥会通过b p d u( 网桥协议数据单元)的交互来确定桥接网络是否 发生故障以及拓扑的变化;源路由选择网桥则必须反复重试故障路径。效率极低。 1 . 5 . 3 .无线网桥 传统的有线网桥受到了来自 交换机和路由 器的冲击。由 于交换机是基于硬件转发每一 帧， 相对于基于软件来转发每一帧的网桥来说交换机能够以更快的转发速率来进行两个或 多 个l a n 的连接工作， 并且交换机还支持v l a n ， 可以 为用户提供更好的安全性。 另一方面， 网桥不能像路由 器一样分割广播域，网桥只能连接同一 i p子网的设备。并且随着交换机 和低端路由器的价格一再降低，传统的有线网桥已经快销声匿迹了。 北京邮电大学研究生毕业论文 但是随着无线局域网技术的迅速发展， 给了网 桥新的希望。作为无线局域网技术的核 心网络设备一接入点 ( a p ) 和无线网桥 ( w b ) 来说， 其本质都是网桥。 a p 是连接本地的两 个不同类型 l a n( 有线网和无线局域网)的本地透明网桥，而无线网桥是通过无线局域网 来连接远程两个或多个l a n 的远程透明网 桥。可以 说无线局域网赋予了网桥新的概念。 a p 和w b 无线端口的物理层和m a c 层参照8 0 2 . 1 1 协议规定， 有线端口物理层和m a c 层 则参照8 0 2 . 3 协议规定。a p 和w b的不同主要体现在上层协议上:由于支持的网络连接方 式不同，所以对接收帧的处理也不同，相关的管理工作和性能完善工作也不同。如图1 . 2 给出了无线网桥的网络连接层次关系: 主机主机 l a n 1 l a n 2 图1 . 2无线网桥网络连接层次图 无线局域网的主要优势是无线连接， 使用无线局域网不仅可以 减少布线的 需求和与 布 线相关的 一些开支， 还可以为用户 提供灵活性更高、 移动性更强的信息获取方式。 如不同 l a n 之间互连时，由于物理上的原因，若采取有线方式不方便 ( 费用高或者挖沟铺线不方 便) ，则可利用无线网桥的方式实现两个 l a n 或多个 l a n的无线连接，并且不需要获得接 入许可( 8 0 2 . 1 l b 使用的是免费的工 s m 频段) 。 无线网桥不仅提供l a n 之间的 物理与数据链 路层的连接，还可以为l a n 用提供较高层的路由与协议转换。 1 . 6 . 论文结构安排 作 者 从 研 究 生 一 年 级 开 始 便 参 与 了 无 线 网 桥 的 研 究 与 开 发 ， 经 历 了 理 论 学 习 、 跟 踪 调 研、 需求分析、设计实现和系统测试的完整过程， 本文就是作者项目 研究与经验的总结， 分为以下儿个部分: . 第一章即 本章， 概述了无线局域网的背景， 介绍了网桥的基本概念、 类型、 特点， 并 且提出了无线网桥的概念。 . 第二章详细阐述了无线局域网所遵循的标准 工 e e e 8 0 2 . 1 1的基本概念以及与无线网桥 北京邮电 大学研究生毕业论文 相关的关键内容，这是无线网桥设计和实现的参考规范和依据。 第三章介绍了协议工程的基础理论，并详细讨论了在该理论的指导下无线网桥上层协 议设计的框架、工作模式、使用的服务、拓扑模型以及各协议实体的划分，并且对各 个协议实体进行了具体的设计描述。 第四章讨论了无线网桥上层协议实现中使用的系统平台一嵌入式实时操作系统 v x w o r k s的构成，分析了该实时系统软件设计的一些基本问题、设计思路以及软件实 现中应该注意的一些重要的细节问题。 第五章给出了无线网桥上层协议具体实现时的各协议模块流程图，以及各模块之间的 交互信息参数，并且对协议的测试工作做了相应的介绍，给出了无线网桥上层协议白 盒测试和黑盒测试的具体方案。 最后对整个论文的工作做了一个简要的总结，并且提出了 对后续工作的建议。 北京邮电大学研究生毕业论文 第二章 i e e e 8 0 2 . 1 1 标准概述， i e e e 8 0 2 . 1 1 标准主要服务是发送两个同级l l c 之间的m s d u . 8 0 2 . 1 1 标准提供m a c 和 p h y 功能， 在局域网内为固定、 便携式和以步行或车速移动的移动站提供无线连接。 8 0 2 . 1 1 标准包括下列一些具体的特征: . 提供异步和限时发送服务。 . 通过分布式系统，如以太网，在扩展域内连续服务。 . 自 动调节适应传输速率。 . 支持大部分市场应用。 . 多点传送 ( 包括广播发送)服务。 . 网络管理服务。 . 注册和认证服务。 3 . 1 . i e e e 8 0 2 . 1 1 几个基本概念 在 i e e e 8 0 2 . 1 1中，无线网络的最基本的组成单元被称为基本服务区 b s a ( b a s i c s e r v i c e a r e a ) ， 而在一个 b s a内 彼此之间相互联系， 相互通信的一组主机组成了 一个基 本服务集 b s s ( b a s i c s e r v i c e s e t ) ， 通常我们把介质访问 控制层和物理层的接口 规范符 合无线介质特性的设备， 如计算机等， 称为主机s t a ( s t a t i o n ) 。一个单独的b s s ， 组成的 网络为单区网a d h o c网络。因为在无线环境下，传播延时和信号衰落是动态和不可准确 预测的， 所以 所谓的基本服务区实际上只是一个概念上的区域， 某一时刻属于同一b s s 的 所有s t a 的功率覆盖范围才是真正的与该b s s 对应的 基本服务区。 所以， 我们用b s s 代表 一组互相连接和通信的s t a ，也指与它们相对应的基本服务区。 一 个b s a 所能 覆盖的区域受到环境和主机收发机特性的限 制，为了 覆盖更大的区域， 我们就需要把多 个b s a 通过分布式系统d s ( d i s t r i b u t i o n s y s t e m ) 连接起来， 形成一 个 扩展服务区e s a ( e x t e n d e d s e r v i c e a r e a ) ， 而通过d s 互相连接起来的、属于同 一个e s a 的 所有主机组成一个扩展服务组 e s s ( e x t e n d e d s e r v i c e s e t ) 。 每个 b s s都被分配了 一 个标识号b s s 一 工 d ， 每个e s s 也被分配一个标识号e s s - i d ， 所有的e s s - i d 组成一个网络标 识n i d ( n e t w o r k i d ) ， 用以 标识这几个e s s 组成的网络。 通常在b s s 中有一台主 机能提供 这样的服务: 本b s s 中 所有主机能通过它对d s 进行访问、与其它b s s 中的主机通信、 获 北京邮电大学研究生毕业论文 取和维护管理信息，我们称这台主机为无线接入点a p ( a c c e s s p o i n t ) , a p 既可以作为一 个普通主机应用， 也可以 提供这种管理服务。 通过a p 把b s s 和d s 互联起来组成的网为多 区 网i n f r a s t r u c t u r e n e t w o r k 。 在i e e e 8 0 2 . 1 1 中 要 求: 从 数 据链 路 层l l c 看 来， e s s 和 一个独立的b s s 是没有什么区别的， 属于同一个b s s 的移动主机从一个b s s 移动到另一个 b s s 是透明的。 用来形成一个无线局域网的传输介质称为无线媒体 o f ( w i r e l e s s m e d i u m ) ， 而d s 所 用的在a p 之间通信的 传输介质称为分布式系统媒体d s m ( d i s t r i b u t i o n s y s t e m m e d i m ) , w m 和d s m 可以 相同 也可以 不同，即d s m 可以 是有线媒体，也可以 是频段多 变的无线媒体， 这样在组织无线局域网时就有了足够的灵活性。 在一个b s s 中，决定某一时 刻哪个主机可以 通过无线媒体发送数据或接收 数据的功能 称为协调功能c f ( c o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) 。 无线局域网最基本的协调功能是分布式协调 功能d c f ( d i s t r i b u t i o n c o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) ， 而在多主机网中a p 决定某个时刻哪 个主机可以发送/ 接收，我们称之为点协调功能p c f ( p o i n t c o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) , a p充当点协调器。这两种协调功能实际是基于分布式无线媒体访问协议 d f w m a c ( d i s t r i b u t e d f o u n d a t i o n w i r e l e s s m a c )引入的两种访问方法，它们是可以共存，互 为补充的。 在这里，我们需要在概念上将便携机和移动主机区分开，就当前的技术现状， 便携机 的通常应用是: 在一个地方登录上网， 若想移动到另一地理位置，需要先关机， 然后移动 到另一地方， 重新登录，在移动过程中是不进行通信的。 而严格意义上的移动主机是保证 当 移动主机在以步行速度移动时，仍能保证数据通信。 工 e e e 8 0 2 . n是既支持便携机的无线通信， 也支持移动主机的移动通信。 攀 薄 : 对 无 线 网 桥 上 层 协 议 来 说 ， 使 用8 0 2 . 1 1 所 提 供 的 底m a c 层 服 务 来 实 现 无 线 连 接 l a n 的功能。 不同的组网方式要使用不同的8 0 2 . 1 1 底层服务。 如中心转接组网方式 ( 点对 多点无线连接) 中，中心转接网桥 ( 主网桥) 必须具备a p 的所有服务功能 ( 分布式服务) 。 而从网桥使用s t a的所有服务功能。在以 后的章节中，主网桥就代表该网桥使用a p 服务 功能，从网桥就代表该网桥使用s t a 的服务功能 ( s t a 服务) 。 3 . 2 . 1 e e e 8 0 2 . 1 1拓扑结构 i e e e 8 0 2 . 1 1拓扑结构由许多组件组成，他们相互作用提供一个无线 l a n ，能使站点 北京邮电大学研究生毕业论文 . e s s 迁移型: 这种移动类型是指站点从一 个e s s 中的一个b s s 移动到另一 个e s s 中的 一个b s s , 8 0 2 . 1 1 标准支持不迁移型和b s s 迁移型两种移动类型。当进行e s s 迁移时， 该标准不 能继续保证连接。 3 . 3 . i e e e 8 0 2 . 1 1 逻辑结构 拓扑结构决定了网络的物理组件，而逻辑结构着重定义了网络操作。如图2 . 3 所示 每个站点所应用的i e e e 8 0 2 . 1 1 标准的逻辑结构包括一个单一m a c 和多个p h y 中的一个。 l l c m a c 调 频 f hy 直接序 列p h y 红外光 n y 图2 . 3一个单一8 0 2 . i 1 m a c 层支持三个分离的p h y :调频扩频、直接序列扩频和红外线 3 . 3 . 1 . i e e e 8 0 2 . 1 1 物理层 i e e e 8 0 2 . 1 1 提供了 三种不同 形式的物理层定义: 直接序列扩频( d s s s , d i r e c t s e q u e n c e s p r e a d s p e c t r u m ) ，跳频扩频 ( f h s s , f r e q u e n c y h o p p e d s p r e a d s p e c t r u m ) ，红外线 ( i r , i n f r a r e d ) , 在上面提到的三个物理层中， 只有d s s s 和f h s s 这两种工作在2 . 4 g h z i s m 频段的物理 层具有实用价值。 这两种物理层不仅都符合f c c 关于使用工 s m 频段的有关规定， 并且在频 率上满足了 大多数国家管关于2 . 4 g h z 免许可频段的分配，如下表所示。 i s m 频段的分配 国家和地区分配的i s m 频段 美国 2 . 4 0 0 0 - 2 . 4 8 3 5 g h z 欧洲 2 . 4 0 0 0 - 2 . 4 8 3 5 g h z 日本 2 . 4 7 1 - 2 . 4 9 7 g h z 法国 2 . 4 4 6 5 - 2 . 4 8 3 5 g h z 北京邮电大学研究生毕业论文 西 班 牙 2 . 4 4 5 - 2 . 4 7 5 g h z d s s s 物理层和 f h s s 物理层分别采用p s k( 相移键控) 调制和g f s k( 高斯滤波频移键 控)调制，可以达到 1 m b p s 和2 m b p s的数据速率，并且d s s s 采用更新的调制方式可以支 持更高的数据速率 ( 1 1 m b p s ) 。 这些都是在符合f c c 关于工 s m 频段规定的前提下实现的。 需要注意的是， 工 e e e 8 0 2 . 1 1 无线局域网使用的d s s s 技术采用 1 1 个码片长度的b a r k e r 码作为扩频码，这同g p s 卫星定位系统和c d m a 系统中使用的长序列扩频不同，它属于小 扩频增益的短p n 码直接序列扩频，并且i e e e 8 0 2 . 1 1 没有采用码分多址技术。它主要的优 点是技术简单，成本低，适合无线局域网应用。 出于同样的考虑 ( 技术简单，成本低廉) ，工 e e e 8 0 2 . 1 1 采用的f h s s 技术也属于较简单 的慢跳频技术。从技术上说，它的主要目 的是避免长时间干扰 ( 躲避千扰) 而不是利用扩 频进行分集来改善信号质量。这使得 f h s s系统在一个数据帧的传输时间内 具有同窄带调 制 ( 系统)相似的性能。 3 . 3 . 2 . i e e e 8 0 2 . 1 1 m a c 层 t e e e 8 0 2 . 1 1在 m a c控制方面则采用t载波检测多址接入 ( c s m a , c a r r i e r s e n s e m u l t i p l e a c c e s s ) 方式。 c s m a 的 基本思 路是终 端通过检 测信道中 是 否存在载 波 信号) 来判断 信道空闲 状况 ( 是否有其它终端正在发送数据) ， 发送数据则要等待信道空闲时才 可进行。 由 于物理层不同的原因，工 e e e 8 0 2 . 1 1 没有采用 i e e e 8 0 2 . 3 标准的c s m a / c d 机制，而 使用了适合无线信道的c s m a / c a 机制。两者之间最根本区别是c s m a / c a 不进行碰撞侦听， 而是采用了 碰撞避免的措施。 这样做的直接原因是无线终端无法侦听碰撞的发生， 而只有 通过确认信号a c k 判断数据被正确接收， 无论任何原因造成的数据包发送端没有接收到a c k 信号都将导致数据包的重发。正是a c k 的存在使得c s m a / c a 的帧效率低于c s m a / c d o 以 太网的最大的缺点就是缺乏对实时业务的支持。为了支持语音及视频等对时延敏感 的 传输业务， 工 e e e 8 0 2 . 1 1 将传输时间分为d c f 和p c f 两部分。 在d c f 中， 使用标准的c s m a / c a 协议; 而在p c f 中， 采用由a p 轮询的 方式来保证所有的s t a 能 够较为平均的 使用信道而 获得一定的q o s 保证。由于p c f 仍是基于c s m a / c a 机制， 所以它同d c f 的性能特点是相近 的。 由 于前面提到的无线信道的特点， 无线局域网 有着有线局域网所不存在的“ 隐藏” 站 北京邮电大学研究生毕业论文 点问 题。 在无线局域网中， 所有不能收到同 一个b s s 中所有其它站点 信号的站点 都是潜在 的 “ 隐藏” 站点，对于这些隐藏站点， c s -m a 协议是失效的。 为了 克服隐藏站点的问 题， 工 e e e 8 0 2 . 1 1 提出了 虚拟载波检测， 通过传送r t s / c t s 信号 来通知b s s 中所有站点信道即将被占用， 解决了隐藏站点无法正确知道信道使用情况的问 题。同c s m a / c a 技术相类似，它是以降低效率为代价来克服无线信道缺点的。 3 . 9 . i e e e 8 0 2 . 1 1 m a c 层服务 i e e e 8 0 2 . 1 1 标准定义 “ 服务”为在各站点间提供的功能。 站点可以 位于网 络任一无 线组件内，如手持式p c 或手持式扫描仪，并且， 所有a p 都执行站点服务。 为了发挥必要 的功能， 这些站点需要发送和接受m s d u 以 及保持较高的安全标准。 工 e e e 8 0 2 . 1 1 标准给l l c 层在网络中两个实体间要求发送m s d u m a c 服务数据单元)的服务一 f 了定义。 m a c 层执行 的这些服务分为下列两种类型: ( 1 ) s t a 服务 认证。 不认证。 . 保密。 . m s d u 发送。 t 2 ) 分布式系统服务 . 结合 . 分离 . 分布 . 集成 . 重新结合 北京邮电大学研究生毕业论文 第三章 无线网桥上层协议设计 在进行无线网桥上层协议的设计之前， 有必要制定上层协议需要达到的目 标。 根据工 e e e 8 4 2 . 1 1 . 8 0 2 . 1 d 等参考标准对无线网 桥的要求， 我们的实现h 标如下: . 支持多种无线组网方式。 . 该无线网桥自 动决定帧的转发路径，无需管理人员装入参数及选径表。 . 当桥接网络的拓扑结构发生变化时( 比如节点增加， 删除等) ， 无线网桥能自 动调整局 域网的逻辑拓扑结构。 . 支容余链路的设置。 . 支持多种网络管理模式。 3 . 1 . 协议设计基本概念 对于n 层全局系统，局部系统之间相互作用的规则以 及它们与外部环境和通道系统相 互作用的规则总和就是n 层协议。 3 . 1 . 1协议设计常用术语 . 协议实体 ( p r o t o c o l e n t i t y ) : 层实体 记作 ( n ) 一 e n t i t y . . 协议 机 ( p r o t o c o l m a c h i n e ) : 作 ( n ) p m . 协议实体又称为实体， 一个实体就是一个局部系统。 n 协议机是协议实体的代名词， 缩写成p m . n 层协议机记 . 服务( s e r v i c e ) : n 层服务是n 层全局系统行为的一种体现。 n 层服务向 外部环境提供 服务， 外部环境使用n 层服务，并可通过n 层服务观察n 层全局系统的行为。n 层服 务记作 ( n )一s e r v i c e . 服务提供者 ( s e r v i c e p r o v i d e r ) : n 层服务提供者就是n 层的局部系统 ( 协议机) 。 . 服务使用者 ( s e r v i c e u s e r ) : n 层服务的使用者是 ( n +1 )层的局部系统， 但不一定 是 协议机， 例如， 应用层服务的使用者就不一定是协议机。 n 层服务的使用者简称为n 层用户。 . 服务访问点 ( s a p ) :服务访问点 ( s e r v i c e a c c e s s p o i n t )是服务使用者和服务提供 者的界面 ( 观察作用点) 。n 层服务访问点记作 ( n ) s a p . 北京邮电 大学研究生毕业论文 3 . 3 . 无 线网 桥上 层协 议 使用的i e e e 8 0 2 . 1 1 服务 ， 对无线网桥来说:主网桥使用分布式服务 ( a p服务) ，从网桥使用 s t a服务。分布式 服务和 s t a 服务的具体内容如下 3 . 3 . 1 .分布式服务 8 0 2 . 1 1 所定义的分布式系统服务， 是为整个分布式系统提供服务功能。 a p 提供分布式 系统服务。下面介绍了分布式系统需要为m s d u 正确传输提供的服务。 ( 1 ) 结合:每个站点在通过分布式系统发送信息之前必须首先借助 a p调用结合服务。 该结合通过a p 将一个站点映射到分布式系统。每个站点只能与单一a p 来连接，而一 个a p 却可以与多个站点连接。结合也是为一个站点在b s s 间提供可移动性的第一步。 ( 2 ) 分离:每一个站点或 a p可以调用分离服务终止一个现存的结合，它是一种标志信 息，因此， 任何一方都不能拒绝终止。 离开网 络是站点就应该分离，比 方说， 一个a p 如被移动用于维护，它将与所有的站点进行分离。 ( 3 ) 分布:一个站点每次发送 m a c帧经过分布式系统时都要利用分布式服务。8 0 2 . 1 1 标准没有指明分布式系统如何发送数据。分布式服务仅向分布式系统提供足够的信息 去判明正确的目的地b s s . ( 4 )集成: 集成服务使得m a c 帧能够经过分布式系统和一个非8 0 2 . 1 1 l a n 间的入口 发送。 集成功能执行所有必须的介质和地址空间的变换。集成功能的具体情况依据分布式系 统的事实，而不在8 0 2 . 1 1 标准的范围内。 ( 5 ) 重新结合: 重新结合服务能使一个站点改变它当前的结合状态。 重新结合为结合站 点提供附加的功能以支持b s s 灵活的转移。 重新结合能使一个站点从一个