（电路与系统专业论文）基于80211b的无线多媒体实时通信系统的实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

赫1 8 0 2l 1b 的无线多媒体实时通信系统的实现 摘要 现代通信的发展目标是个人通信。它要求在任何时间，为任何地点的用户提 供任何类型的数据传输服务。这就要求通信系统必须具有支持移动的能力，并且 还应具有足够高的数据通信速率以支持包括视频、音频在内的各种类型的服务。 在目前的几种移动数据传输方式中，只有无线局域网具有足以支持视频业务的高 数据速率，它必然会成为未来的个人通信网的重要组成部分。因此，基于无线局 域网的同时包括图像和语音传输的点对点多媒体实时通信系统是对无线局域网的 一种很好的应用。 在这篇论文中，首先对i e e e 8 0 2 1 1 标准的基本内容和无线局域网的发展历史 作了说明，研究了无线局域网的特点和发展前景，分析了无线局域网标准8 0 2 i l b 的内容和所能提供的业务。 在前面工作的基础上，提出了基于i e e e 8 0 2 1 1 b 协议的点对点的无线多媒体 实时通信系统的设计方案。这个方案包括硬件和软件两个部分。本文的工作重点 是软件部分，涉及整体应用软件的设计，并对系统模块的划分以及备模块的设计 和实现做了较具体的阐述。在论文中，还分析了一些技术性的选择和使用。 最后，给出了一些对后续工作的建议。 关键词： 无线局域网，i e e e 8 0 2 1 l b ，w i n d o w s s o c k e t ，v f w ，多线程，视频，音频， 实时性 第3 页 苎! 望! ! ! 塑垄垡兰鉴堡壅盟堡! i 墨堑塑塞型 一 一 a b s t r a c t t h eg o a lo ft h em o d e r nc o m m u n i c a t i o n si sp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s i tr e q u i r e s t h a ti tc a l lp r o v i d es e r v i c e so fd a t at r a n s m i s s i o nf o rp e o p l ea n y t i m ea n da n y w h e r e o n t h i sd e m a n d ，t h ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e mm u s th a v em o b i l ec a p a b i l i t ya n dm u s th a v e e n o u g hb a n d w i d t ht os u p p o r ta l l k i n d so fs e r v i c e s i n c l u d i n gv i d e o a u d i o a n do t h e r m e d i a s t r e a m i n g ，i nr e c e n ty e a r s ，r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h ew l a n t e c h n o l o g y h a db e e n m a d et o w a r dh i g h e rd a t ar a t e s i tp o s i t i o n st h i st e c h n o l o g yt of u l f i l lt h ep r o m i s eo ft r u e m o b i l ec o m p u t i n g t h e r e f o r e ，i ti sag o o da p p l i c a t i o nf o rt h es y s t e mo fp o i n t t o p o i n t r e a l t i m em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n i n c l u d i n gv i d e o a n da u d i ob a s e do nw l a n i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , d e s c r i b e dt h eb a s i ck n o w l e d g eo fi e e e 8 0 2 11 p r o t o c o la n d d e v e l o p m e n to fw l a n ，a n da n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt e c h n o l o g yo fw l a na n d i t s b r i g h tf u t u r e t h e n ，d e s c r i b e dm a i nc o n t e n t so fi e e e 8 0 2 1 1a n ds e r v i c e st h a t i e e e s 0 2 11 p r o v i d e o nt h eb a s i so ft h e p r e c i o u sw o r k p u tf o r w a r dap r o j e c tf o rt h em u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do ni e e e s 0 2 ，1l bp r o t o c 0 1 t h i si m p l e m e n t a t i o nh a st w o p a r t s t h a ta r eh a r d w a r ep a r ta n ds o f t w a r ep a r t t h ef o c u so ft h i s p a p e ra r em a i n l y c o n c e r n e da b o u tt h es o f t w a r ed e s i g n i ti n c l u d e st h es y s t e m p l a n n i n ga n dt h ed e s i g no f m o d u l e s t h i s p a p e r a l s oe x p l a i n ss o m ec h o i c e si n t e c h n i q u e a tt h ee n do f t h i s t h e s i s ，t h e r ea r es o m es u g g e s t i o n sf o rt h ef u t u r ew o r k k e y w o r d s ： w l a n ，i e e e 8 0 2 1lb ，w i n d o w s s o c k e t ，v i d e o f o r w i n d o w s ( v f w ) m u l t i t h r e a d i n g ，v i d e o ，a u d i o ，r e a l t i m e 第4 页 苎! 坚：! ! ! 塑垄垡兰鉴堡壅盟塑! ! 墨堕竺蔓些一 前言 随着计算机技术的日益发展以及其与通信技术日益紧密的结合，计算机网络 以一种不可抗拒的力量冲击着人类社会的每一个角落。而无线局域网( w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k s ：w l a n ) 凭借其自身的优势，已经迅速发展成为计算机网络 中一个至关重要的组成部分，它的应用领域也在飞速地扩大。 无线局域网是在计算机有线局域网的基础上发展而来，它继承了有线局域网 系统的简单、高速等优点，同时又具有有线网络所不具备的布设成本低、可移动 性等优点 3 】 4 】。 作为计算机网络的一种，无线局域网是相当便利的数据传输系统，它利用射 频( r a d i of r e q u e n c y ；r f ) 技术，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线( c o a x i a l ) 所构成 的局域网络，使得无线局域网能利用简单的存取架构让用户透过它，达到f 信息 随身化、便利走天下的理想境界 2 】。随着i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网标准 1 的制定 成功，无线技术已经摆脱了过去那种互不兼容的状态，从而能为无法采用有线系 统安装的领域提供可靠的、移动的网络互联方案。 近年来以局域网为代表的计算机通信网和以数字蜂窝电话网为代表的移动通 信网得到了迅速的发展，人们对通信的需求也不断提高，在相关的技术进步的基 础上提出了“个人通信”的概念。 个人通信，指在任何人在任何时间和地点、都能够与所希望联系的人进行包 括通话、传真、数据以及图像在内的多业务通信。这是通信发展的方向，也是我 们努力的目标。这就要求通信系统必须具有支持移动的能力，并且还应具有足够 高的数据通信速率以支持包括视频、音频在内的各种类型的服务。在目前的几种 移动数据传输方式中，只有无线局域网具有足以支持视频业务的高数据速率，它 必然会成为未来的个人通信网的重要组成部分 6 。 因此，对基于无线局域网的同时包括图像和语音传输的点对点多媒体实时通 信系统的开发是符合当前个人通信的发展趋势的，也是对无线局域网先进技术的 一种应用拓展。 本论文就是基于i e e e 8 0 2 1 i b 无线局域网的硬件基础上的无线多媒体实时通 信系统的实现，文中将对所用的相关知识进行详细的介绍和阐述，并详细的介绍 第5 页 _ 4 j - 8 0 2 b 的尢线多媒体荚时邋信东统的实规 了整个系统的发计和实现等。 论文结构： 第一章主要介绍了i e e e 8 0 2 1 l 协议基础知识，介绍了i e e e 8 0 2 i l 网络的拓 扑结构、逻辑结构和服务类型。 第二章介绍了无线局域网的基础知识及关键技术；简介了目前有线局域网存 在一些问题；并且介绍了无线局域网的发展历史、优点：最后，较详细的介绍了 无线局域网的关键技术及组成等。 第三章介绍了t c p i p 网络编程接口的原理及网络应用系统模型，并对系统开 发中用到的w i n d o w ss o c k e t 技术做了简要的介绍和说明。 第四章详细的说明了系统的功能结构和设计。后面三章针对于系统各模块的 设计思路和实现方法等做了较详细的说明。 最后，对整个论文的工作和成果做了一个简要的总结，并给出了凡条建议。 r 第6 页 坫0 ：8 0 2 】j b 的光线多媒体实对面特系统的实j ：1 5 i 第一章8 0 2 1 1 标准概述 由于无线局域网络的强烈需求，美国的国际电子电机学会于1 9 9 0 年1 1 月召 开了8 0 2 1l 委员会，开始制定无线局域网络标准。承袭i e e e 8 0 2 系列，8 0 2 ，u 规范了无线局域网络的介质存取控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ：m a c ) 层及实体 ( p h y s i c a l ：p h y ) 层。比较特别的是由于实际无线传输的方式不同，i e e e s 0 2 n 在统一的m a c 层下面规范了各种不同的实体层，以顺应目前的情况及未来的技术 发展。 1 1i e e e 8 0 2 1 1 标准介绍 i e e e8 0 2 1 1 标准主要服务是发送两个同级l l c 之间m s d u ( m a c 服务数据 单元) 。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 或行车速度移动的移动站提供无线连接：8 0 2 ，1l 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。 为了保证与目前标准的互操作性，8 0 2 “工作组发展了与其他8 0 2 标准兼容 的标准，如下所示： i e e e8 0 2 ：功能要求。 i e e e8 0 2 2 ：m a c 服务定义。 i e e e8 0 2 1 - a ：概述和结构。 i e e e8 0 2 - 1 b ：l 气n 朋a n 管理。 i e e e8 0 2 1 一d ：透明桥接器。 i e e e 8 0 2 1 一f ：开发层管理标准的指导方针。 i e e e 8 0 2 1 0 ：安全数据交换。 第7 页 书r8 0 2li b 的尤线多媒体实时通竹系统的实现 1 2i e e e8 0 2 1 1 拓扑结构 i e e e8 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 ， 能使站点的移动性对高协议层透明，8 0 21 1 标准的功能体现在无线网卡驱动 网卡和接入点( a p ) 的软件接口。8 0 2 】1 标准支持下列两种拓扑结构： 独立基本服务集( i b s s ) 网络。 扩展服务集( e s s ) 网络。 这些网络使用一个基本构件块，t e e e8 0 2 1 1 标准称之为基本服务集( b s s ) ， 它提供个覆盖区域。使8 s s 中的站点保持充分的连接。一个站点可以在b s s 内 自由流动，但如果它离开了b s s 区域就不能与其他站点建立连接了。 1 2 ii b s s 网络 i b s s 是一个独立的b s s ，它没有中枢链录基础结构，至少包括两个无线站点， 因为它不需要太多规划就能被快速建立，所以这类网络常常被称为特别网络 ( a d h o cn e t w o r k ) 。特别无线网络能基本满足控制一个较小区域( 如一个房间、 个销售楼层或医院侧楼) 的用户需要。 1 2 2e s s 网络 为满足跨越i b s s 范围限制的需求，8 0 2 1 1 详细介绍了一个e s sl a n ，如图 1 。l 所示。该配置满足了大小任意、复杂度高的大范围网络需要。 图1 1 e s s 网络 8 0 2 1 1 标准认可以下的移动类型： 3 删( n o - t r a n s i t i o n ) ：这种移动类型指那些非移动的站点和在局部b s s 内移动的站点。 b s s 迁移型( b s s t r a n s i t i o n ) ：这种移动类型指站点从e s s 中的个b s s 第8 丽 兰三! 坚! ! ! 塑垄垫兰塑堡壅! ! ! 翌堕墨竺塑兰鲨一 移动到相同e s s 中的另一个b s s 。 e s s 迁移型( e s s t r a n s i t i o n ) ：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。 8 0 2 1 1 标准定义分布式系统( d s ) 为通过a p 在e s s 内使b s s 相互连接的 组件。分布式系统通过提供逻辑服务支持8 0 2 1 1 移动性类型，逻辑服务在处理地 址到目的地的变换和多重b s s 的无缝集成是必要的。a p 是一个可设定地址的站 点，它提供接口到分布式系统，以便将位于各种b s s 内的站点连接起来。单独的 b s s 和e s s 网络对l l c 层是透明的。 8 0 2 1 1 标准没有强制分布式系统的构成。如果数据帧需要在一个非i e e e 8 0 2 1 1l a n 内来回传输，那么这些数据同样和8 0 2 “标准定义的相同，它们可以 通过一个称为入口( p o r t a l ) 的逻辑点进出，该入口在现存的有线l a n 和8 0 2 1 1l a n 之间提供逻辑集成。当分布式系统被8 0 2 型组件如8 0 2 3 ( 以太网) 或8 0 2 5 ( 令 牌环) 集成时，该入口和a p 则合二为一。 1 3i 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1 2 所示，每个站点所应用的i e e e8 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 调频直接序红外光 p h y列p h y p h y 图i 2 一个单8 0 2 11 m a c 层支持三个分离的p h y 第9 页 螭于8 0 21l b 的无线多媒体实时通信系统的实现 1 3 1i e e e8 0 2 1 1m a c 层 m a c 层的目的是在l l c 层的支持下为共享介质p h y 提供访问控制功能( 如寻址 方式、访问协调、帧校验序列生成和检查，以及l l cp d u 定界) 。m a c 层在l l c 层 的支持下执行寻址方式和恢识别。8 0 2 1l 标准利用c s 凇c a ( 载波监听多路访问 冲突防止) ：而标准以太网利用c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 。在同一 个信道上利用无线电收发器即传输又接收是不可能的：因此，8 0 2 1 l 无线l a n 仅 是为了避免冲突，而不是检测它们。 以太网的最大的缺点就是缺乏对实时业务的支持。为了支持语音及图像等对 时延敏感的传输业务，i e e e8 0 2 1 1 将传输时间分为d c f ( 分布式访问控制方式) 和p c f ( 中心网访问控制方式) 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。 无线局域网有着有线局域网所不存在的“隐藏”站点问题。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，i e e e 8 0 2 1 1 提出了虚拟载波检测，它是通过传送 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。 1 3 2i e e e8 0 2 1 1 物理层 i e e e8 0 2 1 l 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 yh 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 6 h zi s m 频 段的物理层有实用价值。这两种物理层不仅都符合f c c 关于使用i 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，如表1 1 所示。 第1 0 页 堆十8 0 2i lb 的尤线多媒体实寸通信系统的* 现 表1 1i 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 l 一2 4 9 7 g h z 法国2 4 4 6 5 2 4 8 3 5 g h z 【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t s m 频段规 定的前提下实现的。 需要注意的是，i e e e 8 0 2 1 i 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 11 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) ，i e e e s 0 2 1 l 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( 躲避干 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。不过，抗多路径和其他干扰源 性能较差如果数据在某一个跳跃序列频率上被破坏，系统必须要求重传。 红外线物理层描述了。种在8 5 0 到9 5 0 n m 波段运行的调制类型，用于小型设 备和低速应用软件。这种红外线介质的基本数据速率是利用1 6 p p m ( 脉冲位置调制) 的1 m b i z s 速率和利用4 p p m 的2 m b i t s 增强速率。基于红外线设备的峰值功率被 限定为2 w 。 1 4i e e e 8 0 2 1 l 服务 i e e e 8 0 2 l l 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) 的服务下了定义。m a c 层执行的这些服务分为下列两种类型： ( 1 ) 站点服务 认证 第l i 页 堡! ! 堕：! ! ! 堕垄垡兰些堡兰i 堕婆笪墨茎塑塞塑一 不认证 保密 m s d u 发送 ( 2 ) 分布式系统服务 结合 分离 分布 集成 重新结合 1 4 1 站点服务( s s ) i e e e8 0 2 1 l 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。 1 认证( a u t h e n t i c a t i o n ) 因为无线l a n 对于避免未经许可的访问来讲，物理安全性较低，所以8 0 2 1i 规定了认证服务以控制l a n 对无线连接相同层的访问。所有8 0 2 1 i 站点，不管他 们是独立的b s s 网络还是e s s 网络的部分，在与另一个想要进行通信的站点建 立连接之前，都必须利用认证服务。执行认证的站点发送一个管理帧到一个相应 的站点。 i e e e 8 0 2 i1 标准详细说明了下面两种认证服务： 开放系统认证( o p e ns y s t e ma u t h e n t i c a t i o n ) ：8 0 2 1 l 默认的认证 方式非常简单，过程有两步：首先，想认证另一站点的站点发送一个含有发送 站点身份的认证管理帧：然后，接收站点发回一个提醒它是否是别人认证站点 身份的帧。 共享密钥认证( s h a r e dk e ya u t h e n t i c a t i o n ) ：这类认证先假定每个 站点通过一个独立于8 0 2 1 l 网络的安全信道，已经接收到一个秘密共享密钥， 然后这些站点通过秘密密钥的共享知识认证，要求执行有线等效保密( w i r e d e q u i v a l e n tp r i v a c y ：w e p ) 算法。 2 不认证( d e a u t h e n t i c a t i o n ) 第1 2 页 蛙于8 0 21 lb 的光线多媒体实时通信系统的实现 当一个站点不愿与另一个站点连接时，它就调用不认证服务。不认证是发出 通知，而且不准对方拒绝。站点通过发送一个认证管理帧( 或一组到多个站点的 帧) 去“建议”认证终止来执行不认证服务。 3 保密( p r i v a c y ) 在一个无线网络中，所有站点和其他设备都能够“听到”数据通信在网络范 围内通过，这严重影响了无线链路的安全性。i e e e8 0 2 1 1 提供了一个保密服务解 决了这个问题，将8 0 2 1 1 网络的安全级提高到有线网络的程度。该保密功能应用 于所有数据帧和一些认证管理帧，它是建立在8 0 2 1 1w e p 算法基础上的，可以有 效的降低网上被窃听的危险。 1 4 2 分布式服务( d s s ) 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( a s s o c i a t i o n ) ， 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( d i s a s s o c i a t i o n ) 每一个站点或a p 可以调用分离服务终止个现存的结合，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，它将于所有的站点进行分离。 3 分布( d i s t r i b u t i o n ) 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( i n t e g r a t i o n ) 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 i il a n 间的入口发送。 集成功能执行所有必须的介质和抵制空间的变换。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 l 标准的范围内。 第1 3 页 撼j 二8 0 21 1b 的无线多媒体买：j = f 通佶系统的实j _ 【；l 5 重新结合( r e a s s o c i a t i o n ) 重新结合服务能使一个站点改变它当前的结合状态。再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。再结合能使一个站点从一个a p 到另一个a p 变换结合。但站点在e s s 内从一个b s s 移动到另一个b s s 时，能让分布式系统一 直了解a p 和站间的当前变换。当多个站点与同个a p 保持连接时，重新结合还 能改变已确定结合的结合属性。移动站点总是启动重新结合服务。 兰芏! ! ：! ! ! 堕垄茎兰丝堡兰堕堡堕歪笙堕生型一 第二章无线局域网概述 进入二十世纪九十年代以来，随着计算机技术的目益发展以及其与通信技术 日益紧密的结合，计算机网络以一种不可抗拒的潮流冲击着人类社会的每一个角 落。无论是计算机专家还是一个从未触摸过计算机键盘的人，每天都频繁接触一 个词计算机网络。 2 1 有线局域网的现状及存在的主要问题 计算机网络是人们为了充分利用软、硬件资源，在计算机上通过安装网卡， 连接电缆或通过调制解调器实现多个计算机的物理连接，并借助于网络协议进行 安全、可靠的通信。由于网络能充分利用资源，可以实现快速、实时、可靠的通 信，因而得到了快速的发展，尤其以局域网为代表，以其小巧，灵活，易操作， 易根据具体情况进行调整的特点而适用于办公室，交易所，银行，智能大厦等各 种场所。局域网有许多优势： 同广域网相比，局域网具有高传输速率( i o m 1 0 0 0 m b p s ) 、传输延迟低 ( 几十毫秒) 和低误码率的优点。这些优点使得局域网尤其适合数据传输。 局域网的另一个特点就是技术简单实用，由于覆盖范围和服务的用户都是 有限的，并且使用共享媒介，使得局域网并不需要复杂的节点管理、信道 分配以及路由分配管理。技术的简化使得局域网设备的成本可以达到很低 的水平，这大大促进了局域网的普及。 局域网高速、价廉的优点，使得8 0 年代成为了计算机有线局域网的发展 和普及的年代，局域网的安装数量迅速增长，并且越来越多的局域网开始 接入公共网，这使得局域网用户得以克服局域网覆盖范围小的局限，可以 同网络上任何地点的计算机进行通信。 通常的局域网的连接都是采用有线方式，它也有着一些缺点： 固定的网络拓扑制约着网络规模的扩大以及业务的增长，特别是变更网络 节点时费用是很昂贵的，同时，有线局域网的灵活性不能满足人类不断增 长的需要，当现有网络不能满足已经增长的业务需要时，调整有线网络拓 扑结构是很困难的，有时不得不对网络进行彻底的改造。 第1 5 页 量主! ! ! ：! ! ! 塑垄垡兰塑堡壅堕翌笪墨竺堕兰墨 一一 网络连接的物理接口很容易出问题。除此之外，由于布线受环境的限制， 可能因为地质，环境或者市政建设规划等限制，不能采用有线方式。 为了克服以上问题，人们开始从网络拓扑的灵活性以及网络节点的移动性方 面寻找突破口来研究新一代局域网。这一发展方向主要是无线局域网。无 线局域网采用电磁波或红外线作为传输媒介，并保持了与传统局域网相当的传输 速率( 1 一l o m b p s ) 。 2 2 无线局域网的发展历史 1 9 8 5 年美国联邦通信委员会( f c c ) 开放了9 0 2 m h z 、2 4 g h z 和5 8 g h z 三个 i s m 频段，允许在满足一定的条件下可以免许可的使用这些频段即只要无线局域网 设备的发射功率及带外辐射满足f c c 的相关规定，用户无需向f c c 提出申请就可 使用这些产品。) 随后，欧洲无线电委员会( e r c ) 于1 9 9 1 年公布了建议用于无线 局域网的一组频段，这些频段分别为2 4 g h zi s m 频段，5 8 g h zi s m 频段，1 7 i g h z 频段，2 4 g h zi s m 频段和6 0 i g h z 频段。日本邮政省电波系统开发中心( r c r ) 在 9 3 年公布了无线局域网的电波规范r c rs t d 一3 3 和r c rs t d 一3 4 。 最早的无线局域网产品是在9 0 年代初出现在市场上的。其中除了工作在上述 i s m 频段的系统外，也有采用专用频段的产品，如美国摩托罗拉公司( m o t o r o l a ) 的a l t a i r 室内无线系统就工作在1 9 g h z ( 1 9 4 9 5 1 9 5 5 5 ) 专用频段。 这些早期产品主要特点是各个设备制造商都采用了专有的传输方式和各自不 同的m a c 协议，这是由于当时还没有存在个正式的或事实上的统一标准。由于 所采用的传输技术和m a c 协议都不相同，不同厂商的设备之间没有互通性，同一 无线局域网内的设备必须由同一设备生产商提供，这大大限制了无线局域网的普 及。 因应无线局域网络的强烈需求，美国的国际电子电机学会于1 9 9 0 年11 月召 开了8 0 2 1 l 委员会，开始制定无线局域网络标准。 承袭i e e e 8 0 2 系列，8 0 2 儿规范了无线局域网络的介质存取控制( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ； m a c ) 层及实体( p h y s i c a l ；p h y ) 层。此较特别的是由于实际 无线传输的方式不同，i e e e 8 0 2 1 i 在统一的m a c 层下面规范了各种不同的实体层， 以因应目前的情况及未来的技术发展。目前8 0 2 1 1 中制订了三种介质的实体，为 了未来技术的扩充性，也都提供了多重速率( m u l i t i p l er a t e s ) 的功能。这三个 第1 6 页 苎! 堡：! ! ! 塑垄塑兰鉴堡兰坚望垡墨竺塑壅坐 一一 实体分别是： 2 4 g h z 直接序列扩频d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 速率1 m b p s 时用d b p s k 调变( d i f f e r e n c eb y p h a s es h i f tk e y i n g ) 速率2 m b p s 时用d q p s k 调变( d i f f e r e n c eq u a r t e rp h a s es h i f tk e y i n g ) 接收敏感度一8 0 d b m 用长度l l 的b a r k e r 码当展频p n 码 2 4 g h z 跳频扩频f i b s ( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 速率1 m b p s 时用2 - l e v e lg f s k ( 高斯移频键控) 调变，接收敏感度一8 0 d b m ， 速率2 m b p s 时用4 - l e v e lg f s k 调变，接收敏感度一7 5 d b m ， 每秒跳2 5 个h o p s h o p p i n gs e q u e n c e 在欧美有2 2 组，在日本有4 组 红外线( d i f f u s e di r ) 速率i m b p s 时用1 6 p p m 调变，接收敏感度2 l o - 5 m w 平方公分 速率2 m b p s 时用4 p p m 调变，接收敏感度8 1 0 5 m w 平方公分 波长8 5 0 h m 、9 s o n m 其中前两种在2 4 g h z 的射频方式是依据i s m 频段以展频技术可做不须授权使 用的规定，这个频段的使用在全世界包含美国、欧洲、日本及台湾等主要国家都 有开放。第三项的红外线由于目前使用上没有任何管制( 除了安全上的规范) ，因 此也是自由使用的。 i e e e8 0 2 1 1 m a c 的基本存取方式称为c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a 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 ) ，与以太网络所用的c s m a c d ( c o l l is i o n d e t e c t i o n ) 变成了碰撞防止( c o l l i s i o na v o i d a n c e ) ，这一字之差是很大的。因为 在无线传输中感测载波及碰撞侦测都是不可靠的，感测载波有困难。另外通常无 线电波经天线送出去时，自己是无法监视到的，因此碰撞侦测实质上也做不到。 在8 0 2 1 l 中感测载波是由两种方式来达成，第一是实际去听是否有电波在传，加 上优先权的观念。另一个是虚拟的感测载波，告知大家待会有多久的时间我们要 传东西，以防止碰撞。 2 3 无线局域网的优点 无线局域网是在计算机有线局域网的基础上发展而来，它继承了有线局域网 第1 7 页 牡十8 0 21 1b 的无线多姒体实盯通忙系统的实现 系统以下的优点。 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。 同时，无线局域网还具有有线网络所没有的优点。 可移动性：可移动性让用户在使用掌上计算机、便携式计算机、数据采集器 等设备的同时能自由地变换位置。这极大地方便了工作时需要不断移动位置的人 员。相对的，有线网络将用户工作站和网络数据源限制在一定的物理连线上，限 制了用户的移动性。 降低配置成本：由于用户设备和服务器之间没有连线，所以无线网络可以极 大的降低组网成本。尤其用于一些物理布线困难的地方，可以大大的节省铺设线 缆或租借t i ( i 5 4 4 m b i t s s ) 服务或5 6 k b i t s s 专线的费用。同时也节省了由于 线路破坏所需要的故障修理费用，并避免了由于线缆故障造成的网络瘫痪问题。 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。图2 1 给出了一个基于无线局域网的移动计算网 络的实现方案。 近年来以局域网为代表的计算机通信网和以数字蜂窝电话网为代表的移动通 信网得到了迅速的发展，人们对通信的需求也不断提高，在相关的技术进步的基 础上提出了“个人通信”的概念。 个人通信，指在任何人在任何时间和地点、都能够与所希望联系的人进行包 括通话、传真、数据以及图像在内的多业务通信，这是通信发展的方向，也是我 们努力的目标。在上述要求中，任何时间和地点的要求决定了必须向用户提供一 个移动终端，多业务通信的要求决定了这个移动终端必须具有宽带通信能力。 第1 8 页 苎主! ! ! ! ! ! 塑垄鏊兰坚堡兰堕鎏! i 墨堑塑兰銎一 移 图2 ，1 基于无线局域网的移动计算网络 从网络方面看。这就意味着个高速的移动计算网络将会成为个人通信中十 分重要的组成部分，在将来，移动计算网络和超高速有线局域网必将构成个人通 信的网络基础。而新一代移动计算网络的研究和发展将会是实现个人通信的一个 必不可少的前提，对移动计算网络的技术和性能性研究分析对于新一代移动计算 网络的发展具有重大的意义。 2 4 无线局域网的关键技术 实现无线局域网的关键技术主要有三种：红外线、跳频扩频( f h s s ) 和直接序 列扩频( d s s s ) 。 红外线局域网采用小于1pm 波长的红外线作为传输媒体，有较强的方向性， 受太阳光的干扰大。红外线支持l 2 m b s 数据速率，适于近距离通信。 b 起无 线电波，红外线的安全性更强，性能更好，同时红外线具有较大的带宽，可以实 现数据的高速传输。然而。由于自身覆盖区域的限制，红外线并不像无线电波那 样适用于移动连接。 d s s s 局域网可在很宽的频率范围内进行通信，支持l 2 m b s 数据速率，在发 送和接收端都以窄带方式进行，而传输过程中则以宽带方式通信。 第1 9 页 兰! 坚! ! ! 塑垄些兰些堡兰盟望笪墨鎏堕兰些 一 f h s s 局域网支持i m b s 数据速率，共2 2 组跳频图案，包括7 9 信道，输出的 同步载波经调解后，可获得发送端送来的信息。 d s s s 和f h s s 无线局域网都使用无线电波作为媒体，覆盖范围大，发射功率较 自然背景的噪声低，基本避免了信号的偷听和窃取，使通信非常安全。同时，无 线局域网中的电波不会对人体健康造成伤害，具有抗干扰性、抗噪声、抗衰减和 保密性能好等优点。 2 5 无线局域网的组成及结构 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，采用单 元结构，将整个系统分成许多单元，每个单元称为一个基本服务组( b s s ) ，b s s 的 组成有以下三种方式： 集中控制方式：每个单元由一个中心站控制，网中的终端在该中心站的控制 下与其他终端通信。尽管b s s 区域较大，但其所建中心站的费用较昂贵。 分布对等式：b s s 中任意两个终端可直接通信，无需中心站转接。尽管b s s 区 域较小，但这种方式的结构简单，使用方便。 集中控制式与分布对等式相结合的方式。 一个无线局域网可由一个基本服务区( b s a ) 组成，一个b s a 通常包含若干个 单元，这些单元通过a p 与某骨干网相连。骨干网可以是有线网，也可以是无线网。 无线局域网的拓扑结构可分为两类：无中心或对等式拓扑和有中心拓扑。其结构 如下： 无中心拓扑的网络要求网中任意两点均可直接通信。采用这种结构的网络一 般使用公用广播信道，而信道接入控制( m a c ) 协议多采用载波监测多址接入( c s a a ) 类型的多址接入协议。 在有中心拓扑结构中，要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访 问均由中心站控制。 无线局域网可独立使用，也可与有线局域网互连使用。i e e e 8 0 2 1l 可支持自 组无线局域网( e h - - 1 - b b s 构成，不与其他网络发生联系) 和多区无线局域网( 用 a p 和骨- t n 把多个b b s 互连，形成多区局域网) 。 第2 0 页 苎!坚：!塑垄垡兰鉴堡苎堕坐堕墨丝塑兰些一第三章t c p i p 网络编程接口 i n t e r n e t 日益成为我们生活中的一部分，它所采用的通信协议就是著名的 t c p i p ：在操作系统领域，w i n d o w s 则占据了8 0 以上的份额。w i n s o c k 就是 w i n d o w s 环境下t c p i p 协议的编程接口。本章将详细的介绍t c p i p 网络应用模型、 w i n s o c k 编程接口以及利用w i n s o c k 开发网络应用的方法，包括t c p 连接方式和 u d p 数据报方式。 3 1 网络应用系统模型 3 1 1 客户服务器模型 在t c p i p 网络中，最主要的进程间通信的模型是客户服务器( c l i e n t s e r v e r m o d e l ) 。客户和服务器是两个应用程序( 进程)