（计算机应用技术专业论文）基于业务区分的无线局域网qos支持机制的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着无线传输技术的发展，基于i e e e8 0 2 1 1 协议的无线局域网( w l a n ) 得到了大规模的部 署，与此同时，基于w l a n 的实时应用( 如语音、视频等) 也得到广泛发展。实时应用对网络服务 有较高的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 要求，而传统的8 0 2 1 1 协议并不能提供q o s 保障，如何在w l a n 上保证实时应用的q o s 得到业界的关注。通过分析用户接入w l a n 并进行通信的工作过程，我们 认为业务的q o s 主要在数据传输和切换两个环节受到影响，本文从业务区分的角度，对上述两个环 节进行分析研究。论文的主要研究和实现工作包括以下几个方面： ” 系统地分析了数据传输和切换影响w l a nq o s 的原因，结合研究现状，分析了业务区分 对于改进w l a nq o s 的作用和意义。 。 研究分析了8 0 2 1 l e 协议在数据传输过程中的业务区分机制。通过基于n s 2 的仿真实验， 验证了增强型分布式信道访问( e d c a ) 在数据传输过程中相对于传统8 0 2 1 1 协议分布式 协调功能( d c f ) 的q o s 改进作用，并通过实验分析比较了各q o s 参数对业务区分机制 的影响。 ” 针对e d c a 高优先级的低速率流在网络负载较大时q o s 受影响的问题，提出一种参数优 化方法a e d c a ( a d v a n c e de d c a ) ，该方法结合数据传输速率和业务优先级确定参数 t x o p l j m ( 传输机会限制) 。仿真表明，a e d c a 可以改进高优先级的不同速率流之间的吞 吐量公平性，为低速率流提供较好的q o s 。 ” 分析切换对q o s 的影响，设计了一个基于业务区分的w l a n 切换方案。根据业务的需求， 实现切换过程中认证方式的区分，如对于实时业务采用简单的s h a r e dk e y ( 共享密钥) 二 层认证方式，保证切换具有较短的认证时延；对于非实时业务采用复杂的8 0 2 1 x 认证方 式，保证安全性。a p ( a c c e s sp o i n t ) 端定义多虚拟接口实现网络接入及认证方式的区分， 站点( s t a t i o n ) 端定义多虚拟接口以对应多种业务，对实时业务进行优先切换，保证其q o s 。 对同一物理网卡上多虚拟接口共同工作可能带来的冲突问题进行详细分析并提出了解决 的方法。 。 设计和实现基于设备驱动程序的w l a n 业务区分原型系统w l s d ( w i r e l e s sl a ns e r v i c e d i f f e r e n t i a t i o n ) ，数据传输方面采用a e d c a ，切换过程采用通过多虚拟接口实现认证区分 的方案。测试结果表明，w l s d 可以在设备驱动层面达到预期的目标。 本文的研究内容来源于网络实验室与中兴通讯公司合作研究项目区分多业务的a p 间快速切 换。 关键字：i e e e 8 0 2 1 1 协议，无线局域网，业务区分，q o s 分类号：t p 3 9 3 东南大学硕上学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ( w e a n ) b a s e d o ni e e e 8 0 2 11p r o t o c o la l el a r g e s c a l ed e p l o y e d m e a n w h i l e ，t y p i c a la p p l i c a t i o n s o nw l a ns u c ha sr e a l t i m ea u d i oa p p sa r ec o m i n go u t r e a l t i m ea p p sh a v eh i g hq o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) r e q u i r e m e n t i nt h r o u g h p u t ，t r a n s m i s s i o nd e l a y ，j i t t e r i n ga n dl o s so fd a t ap a c k e t s d a t a t r a n s m i t t i n ga n dh a n d o f fa r et w oi m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hm a ya f f e c tw l a nq o s i nt h i st h e s i s ， d a t at r a n s m i t t i n ga n dh a n d o f fb a s e do ns e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o na r ed i s c u s s e di nd e t a i l w i t hs e r v i c e d i f f e r e n t i a t i o n ，t h eh i g hq o sr e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m ea p p sa l eg u a r a n t e e d t h ed a t at r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mi ni e e e 8 0 2 1l ei s i n t r o d u c e d e d c a ( e n h a n c e d d i s t r i b u t e dc h a n n e la c c e s s ) ，t h es e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o ns c h e m eu s e di nd a t at r a n s m i s s i o no f i e e e 8 0 2 1l e ，i sd i s c u s s e di nd e t a i l t h eq o so fe d c ai sa l s oa n a l y z e dw i t hs o m es i m u l a t i o n e x p e r i m e n b b a s e do ne d c a ，a no p t i m i z e ds e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o ns c h e m ea e d c a ( a d v a n c e de n h a n c e d d i s t r i b u t e dc h a n n e la c c e s s ) i sp r o p o s e d ，w h i c hi su s e dt oo p t i m i z et h eo o so fh i g h p r i o r i t yd a t a f l o wt r a n s m i s s i o n t h ed e s c r i p t i o no fa e d c aa n dc o m p a r i s o nw i t he d c aa l ed i s c u s s e di nd e t a i l s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a t t h ep r o p o s e ds c h e m ea e d c ah a sb e t t e rq o s p e r f o r m a n c ef o rh i g h - p r i o r i t yf l o w st h a ne d c a a na u t h e n t i c a t i o ns c h e m ei nh a n d o f fb a s e do ns e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o ni sp r e s e n t e d b a s e do n t h es e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o n ，d i f f e r e n ts e r v i c e su s ed i f f e r e n ta u t h e n t i c a t i o nm e t h o d s s u c ha s r e a l - t i m es e r v i c e s ，c o n s i d e r i n gi t sh i g ho o sr e q u i r e m e n t s ，ab a s i cm a ca u t h e n t i c a t i o nm e t h o di s u s e d o t h e rs e r v i c e su s e8 0 2 1 xa u t h e n t i c a t i o nm e t h o d ap r o t o t y p es y s t e mw l s d ( w i r e l e s sl a ns e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o n ) i si m p l e m e n t e db y m a d w i f it o v e r i f yt h ep r o p o s e ds c h e m e w i _ s dh a si m p l e m e n t e da e d c aa n dt h ed e s i g n e d a u t h e n t i c a t i o ns c h e m eb a s e do ns e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o n t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e ds c h e m ec a ns a t i s f yo u rd e s i g n e dp u r p o s e t h er e s e a r c hw o r ki nt h et h e s i si sa f f i l i a t e dw i t ht h ej o i n td e v e l o p m e n tp r o j e c t “f a s th a n d o f f b e t w e e na p sw i t hm u l t i s e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o n ”b e t w e e nn e t w o r kl a b o r a t o r ya n dz t e c o m m u n i c a t i o ni 工d k e y w o r d s ：i e e e8 0 2 11p r o t o c o l s ，w l a n ，s e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o n ，o o s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：日期：巡6 日f 目 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：圣壁! 坠导师签名：研究生签名：刍竺! 坚导师签名： 纱 勘默 潲6 i 弋 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 i e e e8 0 2 1 1 1 j 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 是无线通信技术与 计算机网络技术相结合的产物，它以无线传输的方式向用户提供网络接入服务，用户利用 无线网络共享数据或者访问i n t e m e t 。w l a n 相对于有线网络有着独特的优势，如灵活的 组网方式、快速的数据传输速率、对移动性的支持和方便的部署性等，因此w l a n 自产生 以来得到了大规模的应用，越来越多的学校、机场、餐厅等公共场所都部署了w l a n 。 语音、视频等实时业务是互联网的热点应用。随着w l a n 的迅速发展，一些基于w l a n 的典型实时业务如v o w l a n ( v o i c eo v e r w l 埘) 也得到了日益广泛的推广和应用。实时 业务一般都是时间敏感的，对网络有着很高的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 要求。 遗憾的是8 0 2 1 1 标准主要是为数据传输而设计的，只能提供“尽力而为”( b e s te f f o r t ) 的传 输服务。 用户发送数据竞争访问信道和用户移动导致切换( h a n d o f f ) 带来的时延是影响无线局 域网q o s 的两个重要因素。w l a n 基于竞争的信道接入方式，使得用户在发送数据前必 须侦听信道，参与竞争，因此当网络负载较重时，用户往往由于竞争信道失败而不能成功 发送数据，从而影响到业务的o o s 。此外，w l a n 的特点之一是支持移动性，用户在w l a n 内移动时可能发生频繁的切换，切换要经过探寻、认证、关联等步骤，时延往往以秒为数 量级，大大超过实时应用的最低时延要求。上述问题对于w l a n 的o o s 有着直接的影响。 本文结合网络实验室和中兴通讯公司合作项目区分多业务的a p 间快速切换的需 求，以保证实时业务的q o s 为目的，从业务区分的角度对数据传输和切换两方面问题进行 研究。数据传输方面，本文重点分析了8 0 2 1 1 e 基于业务区分的信道访问机制，多业务共 存情况下，优先保证实时业务的数据传输机会。切换方面，考虑对切换认证过程进行业务 区分，根据不同业务的需求( 时延或安全性等) 设置相应的认证方式，由于用户在接入网 络时必须通过认证，因此认证方式的区分也造成了网络接入的区分。通过上述两方面的结 合，在w l a n 接入、认证、切换和数据传输过程中都实现业务区分，并优先保证实时业务 的o o s 。由于实时性是实时业务需要解决的主要问题，因此，本文提及的支持实时业务的 o o s 保证主要指对实时业务的实时性保证。 1 2i e e e8 0 2 1 1 无线局域网简介 1 2 1i e e e8 0 2 1 1 协议 i e e e8 0 2 1 1 系列标准对w l a n 的物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 和媒体访问控制层( m e d i u m 东南大学硕士学位论文 a c c e s sc o n t r o ll a y e r , m a c 层) 进行了规定。物理层定义了可用的无线频段和数据发送、接 收时所使用的调制解调方法。m a c 层j i ! | j 定义了媒体访问控制规程，包括如下： 九 规定了无线信道访问、信道竞争和冲突退避的方法。信道访问方式有分布式协调 功能( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，d c f ) 和点协调功能( p o i n tc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ，p c f ) ，站点( s t a t i o n ) 都以载波侦听多路访问冲突避免( c a r r i e rs e n s e m u l t i - a c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) 方式竞争使用信道。 九 定义了站点间交换的帧( f r a m e ) 类型和格式，w l a n 中交换的帧包括数据帧、 管理帧和控制帧，每个种类又都包含若干子类型，规程对每类帧的结构和帧内各 字段的含义及取值进行了定义。 九 定义了w l a n 可向用户提供的基本服务和这些基本服务之间的状态转移及状态 转移条件。 九 定义了站点和接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 交互完成认证、关联以访问网络的方法。 最初的8 0 2 1 1 协议只支持2 m b p s 的最大数据传输速率，这限制了一些对带宽要求较高 的应用。为提高数据传输速率，i e e e 对8 0 2 1 1 协议的物理层进行了增强，目前在网络中 实际部署的w l a n 协议主要有8 0 2 1 1 a 、8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 l g 协议。 8 0 2 1 1 b 【2 】，目前8 0 2 1 1 协议族中应用的最广泛的是8 0 2 1 l b ，它支持最大l l m b p s 的数 据传输速率，采用直接序列扩频( 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 ，d s s s ) 调制方式，工 作在2 4 g h z 的工科卫( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ，i s m ) 频段。 8 0 2 1 l a l 3 1 ，支持最大数据传输速率5 4 m b p s ，工作在5 g i - i z 的无国度信息基础设施 ( u n l i c e n s e dn a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ，u n i i ) 频段，采用正交频分复用( o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 的调制方式。虽然带宽上的优势使得8 0 2 1 l a 比 8 0 2 1 l b 更加具有吸引力，但是由于工作频段的不同带来了和8 0 2 1 1 b 兼容的问题，将已经 部署的8 0 2 1 l bw l a n 改造为8 0 2 1 l av l q _ a n 受到经济因素的制约。 8 0 2 1 1 9 【4 l ，支持最大数据传输速率5 4 m b p s 。它使用o f d m 的调制方式，在2 4 g h z 的i s m 频段上工作，与8 0 2 1 1 b 工作频段相同，可以支持比8 0 2 1 l b 更高的数据传输速率。 8 0 2 1 l g 和8 0 2 1 1 b 有着良好的兼容性，对既有w l a n 的改造升级也较为方便，因此是目 前最具竞争力的w l a n 接入协议。 1 2 2 基于i e e e 8 0 2 1 1 的无线局域网组网模式 基于i e e e8 0 2 1 1 的w l a n 有两种组网模式：自组织模式( a dh o em o d e ) 和基础设 施模式( i n f r a s t r u c t u r em o d e ) 和( 见图1 1 ) 。自组织模式不需要集中控制接入设备( 如a p ) ， 无线网络节点可以直接进行对等通信，对应的a dh o e 网络由一些网络节点临时构成，满 足暂时的通信需要。由于网络：肖点的网络设备如无线网卡发射功率和节点处理能力有限， a dh o e 网络的结构和拓扑一般会动态变化。自组织模式只适应临时的小规模的网络，并且 这种网络往往不涉及到和其他网络之问( 如i n t e r n e t ) 的通信。 2 第一章引言 基础模式下的w l a n 主要由一些基本服务集合( b a s i cs e r v i c es e t ，b s s ) 构成，每个 b s s 包括一个接入点a p 和若干无线节点站点，其覆盖范围由该b s s 对应a p 的信号 覆盖范围决定。在同一w l a n 下，通过分布式系统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，如以太网) 将一系列b s s 连接起来构成一个扩展服务集合( e x t e n d e ds e r v i c es e t ，e s s ) 。a p 是对应 b s s 中的无线通信中继二常点，站点要和同一w l a n 中其他站点通信或者访问其他网络， 必须和某一a p 进行关联。本文的研究内容主要针对基于基础设施模式的w l a n 。 和有线网络不同，无线链路是一个广播链路，在相同的信道上，a p 信号覆盖范围内 的任何站点都可以接收到来自a p 的物理信号。无线信号可以很容易地穿透一些障碍物， 如墙壁等。为了只对合法用户提供接入并且保证通信的安全性，a p 要对站点的接入请求 进行认证( a u t h e n t i c a t i o n ) ，站点通过认证后发起关联( a s s o c i a t i o n ) ，成功关联即接入 w i a n 。由于w l a n 中每个a p 的信号覆盖范围有限，站点从一个b s s 移出并进入另一 个b s s 时，当前关联a p 的信号会越来越弱，为了保持网络连接，就要重新选择a p 关联， 即发生切换。 b s s e s si b s s ( i n f r a s t | r u c t u r emode)(adhocm o d e ) 图1 1w l 悄的两种组网模式 1 3 无线局域网q o s 的研究现状 当前对于w i a n 的q o s 研究主要集中在三个方面 a l ：接纳控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 、 数据传输和切换。 w l a n 中的接纳控制指a p 根据网络资源的使用状况来判断是否接纳站点的接入请 求。对应的q o s 研究包括：基于测量的接纳控制和基于计算的接纳控制。前者直接利用数 据包测量网络负载，并以此作出接纳决策，如s h a h 方案【9 1 。后者则通过定义和计算性能参 数来反映网络资源使用现状和控制对请求的接纳，如k a z a n t z i d i s 1 0 】提出的基于吞吐量的启 发式算法；8 0 2 1 1 e 【5 】的混合控制信道访问( h c fc o n t r o l l e dc h a n n e la c c e s s ，h c c a ) 机制定义 和计算了多个参数，包括站点的传输速率、需要的最大最小服务间隔和最小的传输时间限 制等。站点对a p 的接入请求以及a p 对网络资源的判断均基于对这些参数的收集和计算。 数据传输方面的q o s 研究主要是对信道访问机制的改进，其主要思想是在现有协议中引 入优先级( p r i o r i t y ) 和公平调度( f a i rs c h e d u l i n g ) 等概念，在数据传输时对不同o o s 需求的 业务采用各种算法或机制进行调节。主要的算法或机制包括以下几种：( 1 ) 基 - - 8 0 2 1 l e 协 议的增强型分布式信道访问( e n h a n c e dd i s t r i b u t e dc h a n n e la c c e s s ，e d c a ) 机制，为不同业务 3 东南大学硕上学位论文 定义不同的q o s 参数( 参数可以根据服务提供者的需要而改动) ，不同优先级的业务可获得 不同的访问信道发送数据的机会；( 2 ) 基于集中控制的h c c a 算法，通过a p 的统一分配调度 为各站点确定发送数据的机会；( 3 ) p e r s i s t e n tf a c t o rd c f ( p d c f ) 算法【1 2 1 ，为不同类型的 业务关联不同的坚持因子( p e r s i s t e n tf a c t o r ) p ，并以此计算和调节不同的退避时间( 如，为 高优先级业务制定较小的p ，在竞争信道失败的退避阶段，当产生的随机数r p 时，停止退避 算法) ；( 4 ) 分布式加权公平队列( d i s t r i b u t e dw 色i g l l t e df a i rq u e u e ，d w f q ) 1 3 】【圳，根据预 期和实际吞吐量的差距调节每个流的竞争窗口( c o n t e n t i o nw i n d o w ，c w ) ，如果吞吐量比预 期的低，则调低c w 以提高该流的优先级。 切换方面的q o s 研究主要分为切换探寻优化和切换认证优化。切换探寻优化主要研究 高效探寻a p 的方法，如基于邻接图( n e i g h b o rg r a p h s ) 的方法【1 5 1 【1 6 1 ( 站点根据已有的切 换过程，建立起a p 的邻接图，在发生切换时首先尝试关联当前a p 的邻接a f ，如关联成 功则可省略探寻过程。a p 的邻接图也可以集中放置在某一服务器上，站点可通过访问服 务器获得当前a p 的邻居信息) 、基于信道选择机制【1 那8 】的方法( 通过删除不存在a p 的信 道以及提前扫描信道并缓存可用的a p 信息，提高探寻效率) 等。切换认证优化主要基于 8 0 2 1 l i 6 1 的认证方式，优化方法主要有认证信息缓存和提前认证【1 9 】【捌。 1 4 论文的研究内容 本文结合网络实验室和中兴通讯公司合作项目区分多业务的a p 间快速切换，以优 先保证w l a n 中多业务共存时实时业务的q o s 为目的，从业务区分的角度对数据传输和 切换两方面进行研究。具体研究工作包括以下几个方面： ” 研究和讨论影响w l a n 中o o s 的因素，结合研究现状，分析数据传输以及切换过 程中实现业务区分对于实时业务的意义。 ” 研究w l a n 的信道访问机制对于数据传输的影响，通过仿真实验讨论8 0 2 1 l e e d c a 基于业务区分的信道访问机制对于o o s 的改进作用，分析各o o s 参数对于 “ 业务区分机制的影响。 。 研究e d c a 中高优先级的不同速率流之间的公平性问题，研究优化o o s 参数对公 平性的促进作用，并通过仿真予以验证。 ” 研究w l a n 切换对于q o s 影响，讨论在切换过程中实现基于业务区分的认证方案。 ” 设计和实现w l a n 业务区分原型系统。通过测试，验证在w l a n 中实现业务区 分对于实时业务q o s 保障的可行性和有效性。 1 5论文的组织结构 根据以上内容，本论文的组织结构安排如下： 第一章简要介绍本文的研究背景，针对w l a n 的q o s 引出了本文的研究内容和研究 4 第一章引言 意义，并给出了全文的组织结构。 第二章介绍8 0 2 1 1 协议定义的基本服务，以及数据传输和切换的具体过程，并分析业 务区分对于上述两过程q o s 改进的意义。 第三章详细分析e d c a 在数据传输方面的业务区分机制，通过仿真实验比较e d c a 在 o o s 方面对于传统8 0 2 1 1 的改进，分析各q o s 参数在业务区分机制中所起的作用，提出 一个q o s 参数优化方法a e d c a ( a d v a n c e de d c a ) 。 第四章设计w l a n 接入及切换过程业务区分的方案，分别给出了a p 端和站点端的详 细设计。 第五章对w l a n 业务区分原型系统( w i r e l e s s “气ns e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o n ，w 璐d ) 进行实现与测试。w l s d 以业务区分为基本思路，在数据传输方面采用第三章的a e d c a ， 在切换方面采用第四章的切换认证区分方案。 第六章对研究工作进行总结，并指出了论文研究的下一步工作。 5 东南大学硕上学位论文 第二章无线局域网中的业务区分 本章从8 0 2 1 1 协议定义的基本服务出发，以保证实时业务的q o s 为目的，从数据传输 和切换两个方面讨论业务区分对实时业务q o s 的保障作用。 2 18 0 2 1 1 协议基本服务 2 1 1 基本服务类型 基于基础设施模式的w l a n 主要有两个部分构成( 如图2 1 ) ：基本服务集合b s s 和将 b s s 连接起来的分布式系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d s ) 。b s s 由一个a p 和此a p 所关联的 一些站点构成，站点必须和某一a p 关联才可以和网络中的其他网络设备通信。d s 将分散 的b s s 连接在一起，使得不同b s s 之间的站点相互之间可以通信，d s 还可以设置一个与 外部网络集成的出口( p o r t a l ) ，支持站点通过d s 访问外部网络。在8 0 2 1 1 协议中并未对 d s 的实现方式进行规定，d s 可以通过现有的以太网方式实现，可以通过8 0 2 1 1 无线方式 实现( w i r e l e s sd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，w d s ) ；可以在链路层实现( 如以太网方式) ，也可以在 i p 层实现；可以通过分布式方式组织，也可以通过集中控制方式进行组织。 l j s b 图2 1w i _ a n 体系结构 i e e e8 0 2 1 1 协议虽然没有对d s 的具体实现细节进行规定，但是却规定了w l a n 必须 提供的一些基本服务类型( 见表2 1 ) ，在具体实现时必须提供这些服务类型才能使w l a n 正常工作。根据w l a n 的组成，可以把这些基本服务分为两个部分，一部分为基于站点的 服务，简称s s ( s t a t i o ns e r v i c e ) ，另一部分为基于分布式系统( d s ) 的服务，简称d s s ( d s 6 第二章无线局域网中的业务区分 s e r v i c e ) 。 表2 18 0 2 1 1 协议站点服务和d s 服务 站点服务( s s ) d s 服务( d s s ) a u t h e n t i c a t i o n 认证 a s s o c i a t i o n 关联 d e a u t h e n t i c a t i o n 解除认证 d i s a s s o c i a t i o n 解除关联 p r i v a c y 私密 d i s t r i b u t i o nd s 数据传送 m s d ud e l i v e r ym a c 服务数 i n t e g r a t i o n 集成 据单元传送r e a s s o c i a t i o n 重新关联 ( 1 ) 站点服务( s s ) ：由w l a n 中的站点和a p 提供，a p 除了具有一般站点的功能 外，更多的是向用户提供接入服务，所以可以将其视为一种有着特殊功能的站点。s s 包括 4 项服务： a u t h e n t i c a t i o n ( 认证服务) ，a p 和站点之间的接入认证； d e a u t h e n t i c a t i o n ( 解除认证服务) ，a p 和站点之间的解除认证。 认证和解除认证服务一起实现了接入控制功能。在有线l a n 中，用户要接入网络必须 在物理上与l a n 连接，而l a n 的物理拓扑对非法接入本身具有一定的防范作用。但是对 于使用无线链路传输的w l a n ，无线信号的扩散往往是无法控制的，即在物理上没有办法 限制用户感知无线传输媒介。为了达到和l a n 一样的接入安全等级或者实现更高的安全接 入控制，i e e e8 0 2 1 1 协议设计了认证服务。站点在接入网络之前必须和a p 交互认证信息： 认证是相互的，既防止非法用户的接入，也要防止恶意的虚假a p ( r o g u ea p ) 。可选的认 证机制包括o p e n 、s h a r e dk e y 和8 0 2 1 1 i 等认证方式。 解除认证服务用来中止站点与a p 间正在进行的认证过程或解除它们之间的已认证状 态，可以由a p 启动，也可以由站点启动。解除认证消息以通告的方式发送，接收方收到该 消息后，无需应答，只需自行进行协议状态的改变。 p r i v a c y ( 私密服务) ，使用加密机制解决无线链路中传输的数据安全问题； 为了使得w l a n 可以达到和“有线l a n 一样的数据传输安全等级”，8 0 2 i i 协议设计了 对数据帧的加密机制，在无线信道传输的数据帧都是以加密后的形式存在。协议设计的加密 方式主要有w e p 和8 0 2 1 1 i 协议等。 m s d ud e l i v e r y ( m a c 服务数据单元投递服务) ，完成m a c 层服务信息的交互，按 照规定的格式组装帧和解析帧。 ( 2 ) d s 服务( d s s ) ：由d s 和a p 共同为站点提供。d s 服务主要解决在w l a n 逻辑 结构之间( 如b s s 和d s 之间) 以及地址边界间( b s s 之间切换) 的相关问题。具体包括： a s s o c i a t i o n ( 关联服务) ，站点和a p 关联，只有关联成功后站点才能正常发送和接 收数据帧。 7 东南大学硕上学位论文 d i s a s s o c i a t i o n ( 解除关联服务) ，站点和a p 之问的解除关联，终止存在的关联状态。 r e a s s o c i a t i o n ( 重新关联服务) ，站点在b s s 间切换时利用该服务与其它a p 进行关 联。 在d s 中传输数据，d s 必须要知道哪一个a p 对应目标站点，即站点在哪一个a p 对应 的b s s 中。定位站点的工作可以通过关联或重新关联功能实现。重新关联应能保证通信的 延续性。为了终止存在的关联状态，可以使用解除关联服务，该服务可以由站点或者a p 发 起，以告知方式执行，不需要对方应答，一旦执行即解除关联状态并有可能引发解除认证。 为了使d s 能准确的定位一个站点，8 0 2 1 1 协议规定任一站点在任一时刻只能和一个 a p 关联。8 0 2 1 1 f 协议对这一规定进行了强调：站点初次加入网络时，关联的a p 应向一个 特定组播地址( 同一w i a n 中a p 共同加入此组播组) 发送a d d n o t i f y 报文；当站点在b s s 间切换时，新关联的a p 应向站点原来关联的a p ( 地址可由站点发送的r e a s s o c i a t i o n 帧中 获取) 发送m o v e n o t i f y 报文。收到m o v e n o t i f y 报文的a p 应及时地清除对应站点的关联 状态信息。 d i s t r i b u t i o n ( 分发服务) ，数据在d s 中的传输过程。正如8 0 2 1 1 协议未对d s 的具 体物理实现做规定，协议也没有规定数据如何在d s 中传输，同样传输实现方式可以多 种多样，现阶段一般通过以太网方式进行传输。 i n t e g r a t i o n ( 集成服务) ，提供w l a n 和外部网络集成连接的功能，在发现数据的目 标地址不属于本w i a n 时，d s 要使用此服务将数据发往p o r t a l ，同样，从p o r t a l 接收 的数据在w l a n 中继续传输之前也要使用此服务。集成服务的具体实现方式和d s 有 关，也可以有多种方式。 2 1 2 站点利用基本服务进行网络通信 本小节通过一个简单的场景，介绍站点如何利用各种基本服务进行网络接入及通信，并 分析通信过程中可能影响业务q o s 的环节。 图2 2 显示了w i a n 中一个移动的站点接入网络、数据传输、切换和离开网络的简单 过程，以及该过程中站点使用的8 0 2 1 1 各种基本服务。为了使得站点可以感知a p ，8 0 2 1 1 定义了a p 和站点可以使用的工作信道；w l a n 安装时由系统管理员设置a p 工作信道，相 邻的不同a p 通常设置不同的工作信道；站点可通过探寻不同的信道以感知a p 的存在。当 站点移动进入某个a p 的信号覆盖范围，便可以尝试对该a p 发起关联并接入网络。站点同 一时间可能感知到多个a p ，一般选取其中信号强度最大的a p 发起关联，并锁定信道。站 点首先向该a p 发起认证请求，通过认证后再向该a p 发起关联请求，如关联成功则接入 w l a n 。接入网络后，站点可以尝试发送数据帧，并可对数据帧加密。当站点持续移动，当 前关联a p 信号逐渐变弱到某个阈值并发现信号更好的a p 可供关联时，站点即进行切换， 首先与当前关联的a p 解除关联，然后向新a p 发起认证请求，通过认证后再向a p 发起再 关联请求，通过认证和再关联后即完成切换过程，重新接入到网络。当站点移动出w l a n 8 第二章无线局域网中的业务区分 信号覆盖范围之外时，站点与a p 自动解除关联，即离开网络。 图2 2 站点利用各种基本服务进行网络通信 通过上述场景的描述，我们可以看到当站点接入w l a n 之后，业务的q o s 可能受到两 个环节的影响：数据传输和切换。数据传输的具体过程和信道访问机制有关，由于无线信道 是共享的，因此不同站点在数据传输时可能发生信道访问冲突，协议需要规定信道访问机制 以解决信道共享时的冲突问题；切换在用户移动过程中可能发生，站点在切换过程中只能和 a p 交互管理帧，无法发送数据帧，因此正在进行的数据传输会受到切换的影响。 2 2 数据传输中的业务区分 站点接入网络后，数据传输过程主要与信道访问机制相关。8 0 2 1 l m a c 层定义的信道 访问机制具体规定了数据传输过程中站点获取信道、尝试传输和冲突退避等的方法。 本节首先介绍了传统的8 0 2 1 1 协议的信道访问机制，并分析其在q o s 方面的不足；然 后介绍了为改进数据传输过程中的q o s 而提出的8 0 2 1 1 e 协议，该协议采用了业务区分的机 制；本节还分析了8 0 2 1 i e 在数据传输中实现业务区分的基本方法以及对于改进q o s 的意义。 2 2 18 0 2 1 1 信道访问机制 8 0 2 1 1 在m a c 层定义了两种信道访问机制，分布式协调功能( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ，d c f ) 和点协调功能( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n p c f ) 。 d c f 是基本的信道访问机制，允许站点以c s m a c a 方式实现信道的分布式共享，如 图2 3 所示。站点或a p 在发送数据前，首先侦听信道，如果信道空闲时间大于d i f s ( d c f i n t e r f r a m es p a c i n g ，d c f 帧间间隔) ，则立即开始发送帧；如果信道正忙，则推迟发送直到 信道空闲。如果发生冲突，则发生冲突的站点需退避等待一段随机的时间后才能继续尝试发 9 东南大学硕士学位论文 送数据。具体的退避时间利用二进制指数退避算法计算如下： 退避时间( b a c k o f l t i m e ) = i n t c w 木r a n d o m ( ) ra s l o t t i m e 其中i n t 表示取整，c w ( c o n t e n t i o nw i n d o w ) 是表征一个时间段的竞争窗口，取介于 最小竞争窗口( c w m i 。) 和最大竞争窗i = i ( a ，。) 之间的整数。站点初始化时，c w 取值 为c w l n i n ，当有冲突发生时，c w 的值就加倍，直到最大值c w 。每次站点数据传输成功 后，将c w 降至最小值c w m i 。r a n d o m 0 为0 - 1 之间均匀分布的一个随机函数。a s l o t t i m e 是一个由系统决定的基本时隙长度，当物理层采用d s s s 时，a s l o t t i m e 为2 0 毫秒( m s ) 。 站点执行退避过程中，在一个时隙内，如果媒体保持空闲，则退避延时计数器值减1 ； 若媒体忙，则退避延时计数器将停止计数，并锁定当前值。站点监听到媒体空闲并空闲时间 大于d i f s 后，再次从退避计数器的锁定值开始递减。如果又侦听到信道忙，则再次停止计 数，如此反复，直到退避计数器值减为o ，才能发送数据。 c o n t e n t i o nw i n d o w 。p i f s | _ _ f8 u s ym e d u m 圈 。t 1 - w 喇o wn e x t f r a m e s i o t t l m 坌 、 d e f e ra c e e s s ； s e l e c t