（通信与信息系统专业论文）无线局域网ap的mac层协议研究与硬件设计.pdf

东南大学硕士学位论文摘要 摘要 本文研究了无线局域网i e e e8 0 2 ，11m a c 层主要协议，提出了无线局域网a pm a c 层 硬件电路实现方案，晟终制成了硬件电路板。 首先通过对i e e e9 0 2 “无线网络的组成元素及相关概念进行描述，建立了无线局域网 的基本框架。按照分布系统业务( d s s ) 和站点业务( s s ) 阐述了i e e e8 0 2 11 无线局域网 所提供的各种业务类型，讨论了业务的关系、支持业务的消息内容。详细介绍了m a c 层的 异步数据业务使用的业务原语及m a c 帧的结构。 其次研究了m a c 子层的功能结构。分析了m a c 子层的总体功能结构，讨论了m a c 层协议中的分布式协调功能( d c f ) 和点协调功能( p c f ) 功能。对d c f 中的载波检测、 m a c 级确认、帧间隔、随机退避时间和d c f 访问过程进行了重点研究，利用马尔可夫链分 析了d c f 接入方式的性能。研究了p c f 中的c f p 的结构与定时、p c f 访问过程、p c f 的 传输、轮询列表操作等，讨论了m a c 子层的分段与重组及多速率支持功能。 接着介绍了安全无线局域网及其研究对象与设计思路。在详细介绍l i n u x 嵌入式操作系 统及微处理器m p c 8 6 0 的基础上提出了基于l i n u x 和m p c 8 6 0 的嵌入式m a c 实现方案。给 出了a p 的m a c 层硬件实现的整体框架，具体介绍了m p c 8 6 0 模块、电源模块、时钟模块、 b d m 接口模块、存储器模块、串口模块、1 0 0 m 以太网接口模块、p c m c i a 接口模块等的 电路原理图。 最后讨论了a pm a c 层p c b 板的实现和调试方案设计。介绍了从原理图到p c b 板设计 的一般流程及p c b 板设计中应该遵循的原则，依照这些原则给出了m a c 层p c b 板的布局、 层堆栈结构和布线结果，并对电路的调试计划进行了讨论。 【关键词】无线局域网 i e e e 8 0 2 1 1分布式协调功能 点协调功能硬件电路设计 印制电路板 垄堕查堂堡圭堂垒堡苎 竺! ! 垦生! a b s t r a c t t h ep a p e rw o r k so nt h ec e n t r a lm a c p r o t o c o l so fi e e e s 0 2 1 1w l a n ，t h e nb r i n g su pa n i m p l e m e n t a t i o n o f w l a n a p m a ch a r d w a r ec i r c u i t ，a n d w o r k so u t t h e p c bo f i t f i r s t l y , t h eb a s i cf r a m e w o r ko fw l a ni sb u i l to nt h eb a s i so ft h ei n t r o d u c t i o no fe l e m e n t s a n dr e l a t e dc o n c e p t i o n s o f l e e e s 0 2 1 1w l a n t h es e r v i c e so f i e e e s 0 2 1 1a r e i n t m d u c e d i n t w o t y p e s ：d i s t r i b u t i o ns e r v i c e s ( d s ) a n ds t a t i o ns e r v i c e s ( s s ) ，a n dt h e i rr e l a t i o n s h i p sa n dm e s s a g e st o s u p p o r tt h e ma r ea l s op r e s e n t e d t h e nt h ep r i m i t i v e so fm a ca s y n c h r o n o u sd a t as e r v i c ea n dt h e s t r u c t u r eo f m a cf l a m e sa r ei l l u s t r a t e d s e c o n d l y , t h ef u n c t i o n a ja r c h i t e c t u r eo f v i a cs u b l a y e ri sd i s c u s s e d ，t h ew h o l en l n c t i o n a 】 a r c h i t e c t u r ei sf i r s ti n t r o d u c e d t h e ni st h ed 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 o f ) a n dt h ep o i n t c o o r d i n a t i o nf u n e t i o n ( p c n i nd c f w ep u ts p e c i a le m p h a s i so nt h ec a l t l e r - s e n s em e c h a n i s m ， m a c l e v e 】a c k n o w l e d g m e n t s j n t e r f r a m es p a c eo f s ) r a n d o mh a c k o f ft i m e , a n dd c fa c c e s s p r o c e d u r e t h e nw eu s em a r k o f rc h a i nt oa n a l y z et h ep e r f o f i n a n c eo fd c fa c c e s s i np c f w ep u t e f f o r ti n t oc f ps t r u c t u r ea n dt i m i n g ，p c fa c c e s sp r o c e d u r e ，p c ft r a n s f e rp r o c e d u r e ，p o l l i n gl i s t o p e r a t i o n t h ef r a g m e n t a t i o na n dd e f r a g m e n t a t i o na n dm u l t i p l er a t es u p p o r ta r ea l s op r e s e n t e d t h i r d l y , w et a l ka b e u t 也es e c u r e - w l a n ，a n dt h eo b i e c t sb e i n gr e s e a r c h e di ni t ，丑sw e l l8 s t h er e a s o no f t h ed e s i g n a t i e rad e t a i l e di n t r o d u c t i o no f l i n u xa n d c 8 6 0 ，a ne m b e d d e ds y s t e m o fw l a na pm a ch a r d w a r eb o a r db a s e do nl i n u xo s ( o p e r a t i n gs y s t e m ) a n dm p c 8 6 0 m i c r o p r o c e s s o ri sh r o t l g h tf o r w a r d t h e nt h ec i r c u i to fm p c 8 6 0m o d u l e ，p o w e rm o d u l e ，c l o c k m o d u l e ，b d mi n t e r f a c em o d u l e ，m e m o r ym o d u l e ，s e r i a ip o r tm o d u l e ，1 0 0 me t h e m e ti n t e r f a c e m o d u l e a n dp c m c i ai n t e f f a c em o d u l ea r eg i v e n ， f i n a l l y , t h ep c bi m p l e m e n t a t i o no ft h ea pm a c a n dt h ep l a no ft h ed e b u g g i n gs c h e m ea r e d i s c u s s e d w er e s e a r c ht h ep r o c e s st og e tp c bf o r ms c h e m a t i c ，a n dt h ep r i n c i p l e st ob ea b i d e di n t h ed e s i g no f p c b ，a c c o r d i n gt ow h i c ht h el a y o u to f m a cp c b ，t h el a y e rs t a c ks t r u c t u r e ，a n dt h e r o u t i n gr e s u l ta r es h o w n a tt h ee n do f t h i sp a p e r , t h ed e b u g g i n gs c h e m e i sa l s op r e s e n t e d k e y w o r d s w i r e l e s sl a n ( w l a n ) i e e e 8 0 2 11 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 ) 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 ) h a r d w a r ec i r c u i td e s i g n p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) i i 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。 签名：茎墨 日期：竺! ! ：! ! ! 关于学位论文使用授权的说明 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。 签名：童毛导师签名：日期：陛i ：l ：兰 东南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论嘲 2 0 世纪9 0 年代以来，移动通信和i n t e m e t 互联网是信息产业发展最快的两个领域。它 们直接影响了亿万人的生活，大大地改变了人类的生活方式。移动通信使人们可以任何时间、 任何地点和任何人进行通信，i n t e r n e t 互联网使人们可以获得丰富多彩的信息。那么如何把 移动通信和i n t e m e t 结合起来达到可以任何人、任何地方都能联网呢? 无线网络的出现解 决了这个问题。无线局域网作为无线网络中最具代表性的一员，取得了非常巨大的发展。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 深入井更进一步改变人们的工作和生活方式。 无线局域网( w l a n ) 不仅可以实现许多新的应用，还可以克服线缆限制引起的不便， 解决某些特殊区域无法布线的问题。目前，无线局域喇已经被广大用户作为一般目的的网络 连接来使用。下图是一种典型使用方式。 图l lw l a n 典型使用 w l a n 利用电磁波在空气中发送和接受数据，而无需线缆介质。w l a n 的数据传输速 率现在已经能够达到1 1 m b p s ，传输距离可远至2 0 k m 以上。无线联网方式是对有线联网方 式的种补充和扩展，使网上的计算机具有可移动性，能快速、方便的解决以有线方式不易 实现的网络联通问题。与有线网络相比，w l a n 具有以下优点： ( 1 ) 安装便捷：一般在网络建设当中，施工周期最长、对周边环境影响最大的就是网络 布线的施工了。在施工过程时往往需要破墙掘地、穿线架管。而w l a n 最大的优 势就是免去或减少了这部分繁杂的网络布线的工作量，一般只要在安放一个或多个 接入点( a c c e s sp o i n t ) 设备就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。 ( 2 ) 使用灵活：在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而一旦 w l a n 建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络，进行通 讯。 ( 3 ) 经济节约：由于有线网络中缺少灵活性，这就要求网络的规划者尽可能地考虑未来 的发展的需要，这就往往导致需要预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发 展超出了设计规划时的预期，又要花费较多费用进行网络改造。而w l a n 可以避免 或减少以上情况的发生。 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 易于扩展：w l a n 有多种配置方式能够根据实际需要灵活选择。这样，w l a n 能 够胜任只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络，并且能够提供像漫游 ( r o a m i n g ) 等有线网络无法提供的特性。 ( 5 ) 便于维护和管理：对于传统布线，局域网络管理的主要工作之一是检查电缆是否畅 通，这种工作耗时耗力，而且整个网络的布线星罗棋布，不容易在短时间内找出问 题。但无线局域网不存在这样的问题。 由于w l a n 具有多方面的优点，其发展十分迅速。在最近几年里，w l a n 已经在医院、 商店、工厂和学校等不适合网络布线的场合得到了广泛的应用： ( 1 ) 布线困难的场所：受地理环境影响的城市建筑群、学校校园网、老建筑或布线昂贵 的江河湖泊、山区草原、港口码头等露天区域。 ( 2 ) 变化频繁的环境：经常更换工作地点和变更位置的销售商、生产商、银行储蓄所、 各类售票代理点等。 ( 3 ) 临时组建的网络；大型会议、商业展览、建设工地等场所需要临时组建的局域网。 ( 4 ) 流动作业的场合：适于野外勘测、实验、军事、公安的流动网络以及需要在流动时 得到信息的医护人员、零售商、白领阶层等。 ( 5 ) 家庭办公室( s o h o ) 用户：( s o h o ) 用户需耍方便快捷地安装小型网络。 1 2 无线局域网组网方式 在一个典型的w l a n 环境中，有一些进行数据发送和接受的设备，称为接入点( a p ) 。 通常，个a p 能够在几十至上百米的范围内连接多个无线用户在同时具有有线和无线网 络的情况下，a p 可以通过标准的e t h e m e t 电缆与传统的有线网络相连作为无线网络和有 线网络的连接点。w l a n 的终端用户可通过无线网卡等访问网络。 w l a n 的应用有以下两类情况。 1 2 1 独立的、；v l a n 这是指整个网络都使用无线通信的情形。在这种方式下可以使用a p ，也可以不使用a p 。 s r t t i 图1 - 2 无a p 时的独立网络 在这种方式中，多个无线用户相互直接联接，不需要中间节点a p 的控制转接，节省了 设备成本。其特点是组网独立，仅限于内部小范围互联。各个无线用户通过竞争占用无线信 道，此时采用的媒体接入控制一般是c s m a c a 方式。这类无线网络也称为a dh o c 网络。 这种类型的网络构建非常简单，随时都能方便地组网通信，适合于临时的通信需要。但备个 用户之间通过无线直接互连，缺点是各用户之间的通信距离较近，且当用户数量较多时，性 能较差。由于网络管理功能分布在各个无线站点中，因此很难对接入进行控制和管理。 2 东南大学硕士学位论文第一章绪论 有a p 的独立网络如下圈所示 辩+ i 昼 。 图1 3 有a p 的独立网络 这种组网方式与前一种的相似之处是它们都是独立组网的方式，也就是说它们建立起来 的是一个小范围、不与外界连接的网络，不同之处是各个站点此时不是直接通信，而是都通 过中间的a p 进行转接，a p 的作用就如同是有线网络中的h u b 。此时站点对媒质的访问控 制可以使用集中的轮询方式来完成。a p 对网络的集中控带4 使得网络管理能够很方便的进行。 但是由于a p 只起转接作用，不与其它网络产生连接，所以这种网络也只是一个独立网络。 1 , 2 2 非独立的w l a n 这种类型的w l a n 如下图所示。 图l - 4 非独立网络 它不仅仅实现了内部站点之间的互联，而且通过中间网络设施将一个个独立的无线局域 网结构连接成一个整体，构成了更大的通信网络结构。站点不仅仅能与周围的站点通信，还 能通过中间网络设施与远程主机通信。a p 此时不仅是一个中间控制转接设备，还是一个连 接器，将无线网络中的通信量转移到中间设备上并最终发往远程网络。这种方式扩展了无 线网络通信范围并促成了有线和无线网络的融合，使得移动无线网络也成为网络主体构成的 一部分。 1 3 无线局域网协议标准 无线局域网协议标准目前主要有i e e e8 0 2 1 1 标准、蓝牙( b l u e t o o t h ) 标准、h o m e r f 标准、h i p e r l a n 标准等。 舄 廿 、 东南大学硕士学位论文第一章绪论 i e e e8 0 2 1 1 标准 是无线局域网中目前得到最普遍使用的标准，也是本论文中研究的对象。由i e e e 提出。 包括8 0 2 1 1 ，8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 。i e e e8 0 2 1 l a 规定的频点为5 g h z ，用正交频分复用技术 ( o f d m ) 来调制数据流。o f d m 技术的最大的优势是其无与伦比的多途径回声反射。因此 特别适合于室内及移动环境。8 0 2 1 l b 在无线局域网协议中最大的贡献就在于它在8 0 2 1 1 协 议的物理层增加了两个新的速度：5 5 m b p s 和1 i m b p s 。为了实现这个目标，d s s s 被选作该 标准的唯一的物理层传输技术，这个决定使得8 0 2 1 l b 可以和l m b p s 和2 m b p s 的8 0 2 1 1d s s s 系统互操作。i e e e8 0 2 1 1 无线网络标准早在1 9 9 7 年颁布，当时规定了一些诸如介质接入控 制层功能、漫游功能、自动速率选择功能、电源消耗管理功能、保密功能等；1 9 9 9 年无线 网络国际标准的更新及完善，进一步规范了不同频点的产品及更高网络速率产品的开发和应 用，除原i e e e8 0 2 1 1 的内容之外。增加了基于s n m p ( 简单网络管理协议) 协议的管理信 息库( m i b ) 。以取代原o s l 协议的管理信息库。另外还增加了高速网络内容。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 标准 蓝牙( i e e e8 0 2 1 5 ) 是一项最新标准，对于8 0 2 1 1 来说它的出现不是为了竞争而是 相互补充。蓝牙比8 0 2 1 l 更具移动性，比如，8 0 2 1 1 限制在办公室和校园内，蓝牙能把一 个设备连接到l a n 和w a n ，甚至支持全球漫游。此外，蓝牙成本低、体积小，可用于更 多的设各。但是。蓝牙主要是点对点的短距离无线发送技术，本质上要么是r f 要么是红外 线。而且，蓝牙被设计成低功耗、短距离、低带宽的应用，严格来讲，不算是真正的局域网 技术。 家庭网络的h o m e r f h o m e r f 主要为家庭网络设计，是i e e e8 0 2 1 1 与d e c t 的结合，旨在降低语音数据成 本。h o m e r f 也采用了扩频技术，工作在2 4 g h z 频带，能同步支持4 条高质量语音信道。 但目前h o m e r f 的传输速率只有l 2 m b p s ，f c c 建议增加到1 0 m b p s 。 h i p e r l a n 标准 在i e e e 制订8 0 2 1 1 系列w l a n 标准的同时，欧洲e t s i ( 欧洲通信标准学会) 则在大 力推广h i p e r l a n l h i p e r l a n 2 标准。 h i p e r l a n l 发布于1 9 9 6 年，它工作于5 g h z 频带，采用的调制方式为高斯滤波摄小移 频键控( g m s k ) ：h i p e r l a n l 提供的数据速率最高可达2 5 m b p s 。整体上h i p e r l a n l 与 8 0 2 1 l b 是相当的。 h i p e r l a n 2 是h i p e r l a n l 的第二代版本于2 0 0 0 年底通过e t s i 批准成为标准。它对 应于i e e e 的8 0 2 1 l a ，工作在5 g h z 频带采用o f d m 技术。并且具备动态频率选择( d f s ) 、 发送功率控制( t p c ) 功能，支持晟高数据速率为5 4 m b p s 。在m a c 层，h i p e r l a n 2 采用 预留t d m a 多址方式，动态t d d 双工方式。并且能够在高吞吐率下支持q o s ，从而为视频 流、话音等实时应用提供支持。 表1 几种w l a n 协议的比较 8 8 0 2 ，1 18 0 2 1 l b8 0 2 1 l ab l u e l o o t hh o m e r f 频率l 2 4 g h z2 4 g h z5 g h z2 4 g h z2 4 g h z 可达可达5 4 1 2 m b p s 可增 带宽 l 一2 m b p s l m b d s 【1 i m b p sm b p s至1 1 m b p s 1 0 0 m 功卑增 距离l o o m5 - 1 0 k m1 0 m 1 0 0 m1 0 0 m i 加可扩展 语音数 语音数据j 语音数据 业务数据数据图像 据图像 4 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 通过比较分析可以看出，各种标准都是根据不同的使用场合、不同的用户需求而制定的。 有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经济性。局部最优不等于全局最优。 因此，用户应视实际需求选择适合自己的标准。 1 4i e e e8 0 2 。1 1 协议介绍 由于i e e e8 0 2 1 l 协议使用广泛也是本文研究重点，因此单独对它进行一些介绍。具体 m a c 层协议将在后续章节详述。 i e e e8 0 2 1 1 协议属于8 0 2 协议族的一员。该协议族处理i s o ( 国际标准化组织) 规定 的o s i ( 开放系统互连) 基本参考模型中的物理层和数据链路层。它定义了七种类型的媒体 访问控制和相应的物理层媒介，以适应不同的应用和系统目标。其他类型正在研究中。 根据i e e e8 0 2 1 1 标准，无线局域网处于i s o o s ir m ( 开放系统互联参考模型) 的最 低两层。即数据链路层和物理层。这种与上层协议的无关性定义使得基于不同底层网络高 层可蛆使用相同的协议进行操作。 i e e e8 0 2 1 1 在o s i 模型中所处位置如下图所示。 i e e e8 0 2 2 逻辑链路 控剖( l l c ) i e e e8 0 2 i i 无线 局域网 1 4 1 物理层( p h y ) 规范 to s i 早2 数据链路层 m a c i 一一一一业一一一一一一一一一一上一一一 小十 p h yo s l 层1 物理层 一生土一 图1 - 5i e e e8 0 2 1 1 协议规范模型 i e e e8 0 2 1 l 最初定义的三个物理层包括了两个扩展频谱技术和一个红外传播规范。 红外线( m ) 局域网 红外l a n 使用小于一微米的波长，基本速率为1 m b p s ，调制方式为1 6p p m 。 跳频扩频( f h s s ) 局域网 跳频扩频使载波频率在很宽的频带范围内按某种图案( 伪随机序列控制) 进行跳变，接 收机利用相同的伪随机序列实现同步并解扩、解调、识别。跳变频率至少为1 跳，秒。跳变 过程中将能量扩散到整个频带内。利用它实现扩频并最终获得传输增益。 直接序列扩频( d s s s ) 局域网 直接序列扩频是将要发送的信号用伪随机码( p n 码) 扩展到一个比原始信号频带宽得 多的频带上去，以实现扩频。在接收端，利用与发端相同的p n 码进行相关解扩，恢复出发 送信号。对干扰信号，由于与p n 码不相关在接收端被扩展，使落入信号通带内的干扰信 号功率降低g ( 扩频增益系数) 倍，从而提高了相关器的输出s n 比，达到抗干扰目的。 需要指出的是，f h s s 和d h s s 技术在运行机制上是完全不同的，所以采用这两种技术 的设各没有互操作性。 i e e e8 0 2 1 1 推荐使用在国际上基本是自由频段的i s m 频段。在美国有三个：9 0 2 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 9 2 8 m h z ，2 4 0 0 2 4 8 3 5 g h z 和5 7 2 5 5 8 5 0 g h z ，在日本是2 4 7 1 2 4 4 7 g h z ，在中国 是2 , 4 0 0 2 4 8 3 5 g h z 。 由于i e e e8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，姻此，i e e e 小组只相继 推出了i e e e8 0 2 1 1 b 和i e e e8 0 2 1 1 a 两个新标准。三者之间技术上的主要差别在于m a c 子 层和物理层。 i e e e8 0 2 1 l b 物理层支持5 5 m b p s 和1 1 m b p s 两个新速率，i e e e8 0 2 1 1 标准在扩频时是 一个1 1 位调制芯片，而1 e e e8 0 2 1 l b 标准采用一种新的调制技术c c k 完成。i e e e8 0 2 ，1 l b 使用动态速率漂移，可因环境变化，在l l m b p s 、5 , 5 m b p s 、2 m b p s 、1 m b p s 之间切换，且在 2 m b p s 、l m b p s 速率时与i e e e 8 0 2 11 兼容。 i e e e8 0 2 ，l l a 工作在5 g h zu - n i l 频带，物理层速率可达5 4 m b p s ，传输层达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 接口和1 0 m b p s 的以太网无线帧结构接口，以及t d d t d m a 的空中接口；支持语音、数据、图像业务；一 个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端 1 4 2 媒质接入控制层( m a c ) 规范 i e e e8 0 2 ，11m a c 协议和i e e e8 0 2 3m a c 协议非常相似，都是在一个共享媒体之上支 持多个用户共事资源，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性检测。在i e e e s 0 2 3 协议 中，是由一种称为c s m a c d ( 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 w i t h c o l l i s i o n d e t e c t i o n ) 的协议 来完成调节，而在i e e e8 0 2 1 1 无线局域网协议中，冲突的检测存在一定的问题，这个问题 称为“n e a r f a r ”现象，这是由于要检测冲突，设备必须能够一边接收数据信号，一边传送 数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。鉴于这个差异，在i e e e8 0 2 1 1 中对c s m a c d 进行了一些调整，采用了新的协议c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i ；i o r i a v o i d a n c e ) 。c s m a c a 利用a c k 信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当客户端收到 网络上返回的a c k 信号后才确认送出的数据已经正确到达目的端。c s m a c a 通过这种方 式来提供无线的共享访问，这种显式的a c k 机制在处理无线问题时非常有效。然而不管是 对于i e e e8 0 2 1 1 还是1 e e e 8 0 2 3 来说，这种方式都增加了额外的负担，所以i e e e8 0 2 1 l 网络和类似的e t h e m e t 网比较总是在性能上稍逊一筹。 另一个无线m a c 层问题是隐藏终端( h i d d e nn o d e ) ，当两个相反的工作站利用一个中 心接入点进行连接，这两个工作站都能够“听”到中心接入点的存在，而互相之间则可能由 于障碍或者距离原因无法感知到对方的存在。为了解决这个问题，i e e e8 0 2 1 l 在m a c 层 上引入了一个新的r t s f c t s ( r e q u e s t t o s e n d c l e a r t os e n d ) 可选机制，当这个选项打开后， 一个发送工作站传送一个r t s 信号，随后等待访问接入点回送c t s 信号，由于所有的网络 中的工作站能够“听”到访问接入点发出的信号所以c t s 能够让他们停止传送数据，这 样发送端就可以发送数据和接受a c k 信号而不会造成数据的冲突，这就闯接解决了隐藏终 端问题。由于r t s c t s 需要占用网络资源而增加了额外的网络负担，一般只是在那些较长 的数据报上采用( 重传长数据报会耗费较大) 。 最后，i e e e8 0 2 1lm a c 子层提供了另外两个强壮的功能，c r c 校验和包分片。在i e e e 8 0 2 1 l 协议中，每一个在无线网络中传输的数据报都被附加上了校验位以保证它在传送的时 候没有出现错误，这和e t h e m e t 中通过上层t c p i p 协议来对数据进行校验有所不同。包分 片的功能允许大的数据报在传送的时候被分成较小的部分分批传送。这在网络十分拥挤或者 存在干扰的情况下( 长数据报在这种环境下传送非常容易遭到破坏) 是一个非常有用的特性。 这项技术大大减少了许多情况下数据报被重传的概率，从而提高了无线网络的整体性能。 m a c 子层负责将收到的被分片的大数据报进行重新组装，对于上层协议这个分片的过程是 6 东南大学硕士学位论文第一章绪论 完全透明的。 1 5 论文主要内容 本文研究内容隶属于国家8 6 3 高科技项目“无线局域网安全技术研究”下的媒体访问控 制( m a c ) 协议研究和硬件实现技术部分。文中主要研究了i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的m a c 层控制协议，探讨了安全无线局域网研究的主要内容，提出了在嵌入式微处理器m p c 8 6 0 的基础上搭建的m a c 层控制协议硬件平台，最终设计出p c b 电路板，为进一步安全无线 局域网的开发提供了必要的支撑。 第一章首先讨论了无线局域网的发展状况、特点及应用，并对几种组网方式进行了论述， 其次简要介绍了目前数种不同的无线局域网标准，并进行了比较。最后简述了i e e e8 0 2 1 1 协议的m a c 层和p h y 层规范。 第二章对i e e e8 0 2 1 1 的业务结构进行了讨论。首先对无线局域网的基本概念和组成元 素进行阐述，其次按照分布系统业务( d s s ) 和站点业务( s s ) 对i e e e8 0 2 1 1 的业务进行 了描述，讨论了业务的关系，支持业务的消息内容。接着详细介绍了m a c 层的异步数据业 务使用的业务原语。最后讨论了m a c 帧的结构。 第三章研究了m a c 子层的功能结构。分析了m a c 子层的总体功能结构，讨论了功能 结构中最重要的两种功能d c f 和p c f 功能。对d c f 的讨论涉及到载波检测、m a c 级确认、 帧间隔、随机退避时间等概念，并对d c f 访问过程进行了重点研究，最后利用马尔可夫链 分析了d c f 接八方式的性能。对p c f 的研究包括c f p 的结构与定时、p c f 访问过程、p c f 的传输、轮询列表操作等内容。最后讨论了m a c 子层的分段与重组及多速率支持功能。 第四章讨论了无线局域网的a p 的嵌入式实现方案。首先介绍了安全无线局域网及其研 究对象与设计思路，其次在详细介绍l i n u x 嵌入式操作系统及微处理器m p c 8 6 0 的基础上提 出了基于l i n u x 和m p c 8 6 0 的嵌入式m a c 实现方案。 第五章介绍了a p 的m a c 层硬件电路设计。首先给出了硬件实现的整体框架，然后具 体给出了m p c 8 6 0 模块、电源模块、时钟模块、b d m 接口模块、存储器模块、串口模块、 1 0 0 m 以太网接口模块、p c m c i a 接口模块等的电路原理图，并对原理图进行了必要说明。 第六章讨论了m a c 层p c b 板的实现和调试方案设计。首先介绍了从原理图到p c b 板 设计的一般流程。其次介绍了p c b 板设计中应该遵循的原则并依照这些原则给出了m a c 层p c b 板的布局、堆栈结构和布线结果。最后对电路的调试计划进行了讨论。 7 东南大学硕士学位论文 第二章1 e e e 8 0 2 1 1 业务结构 第二章i e e e8 0 2 1 1 业务结构“1 如前所述，8 0 2 1 l 协议定义了无线局域网( w l a n ) 的m a c 层和物理层的具体规范。 它适用于在一个局部范围内为固定的、便携的或者移动的站点提供无线连接。同时它还定义 了常规实体进行局部范围通信时使用一个或多个频带的方法。具体来讲，该协议描述了在 a dh o c 网络和基础组织网络( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k s ) 内，和在这些网络中进行移动的1 e e e 8 0 2 1 1 兼容的设备运作所需的功能和业务；定义了支持异步m a c 业务数据单元( m s d u ) 传输业务的m a c 层过程；定义了几个由1 e e e9 0 2 1 1m a c 控制的倍令技术和接口函数：允 许遵循i e e e8 0 2 1 l 协议的设备在可能存在重叠无线局域网的范围内进行操作；描述了为提 供在无线媒质( w m ) 上传输的用户信息机密性以及遵循i e e e8 0 2 1 1 协议的设备的认证所 需的过程。 2 1 无线网络的特点 无线网络的基本特性使它们与传统的有线网络有很多不同。对于有线网络来说，由于站 点一般保持固定。目的地址就相当于目的位置。对于无线局域网来说，s t a 是一个信息终 点，一般不在固定位置。 i e e e8 0 2 1 l 的物理层与有线媒质完全不同，i e e e8 0 2 1 l 的物理层具有既不确定又不稳 定可观测的边界，超出这个边界之后，物理层收发器就不能接收网络中的数据帧。该物理层 对于外部信号是没有保护的，容易受至u # i - 界的干扰和窃听。在这种媒质上进行通信，其可靠 性远比不上有线媒质。这种网络还具有动态的拓扑结构，而且缺乏充分的连接性，因此不能 假定所有的站点都能与其他站点直接通信。另外，无线倍道还具有时变和非对称的传播特性。 由于无线物理层的限制，为了能覆盖合理的地理距离，无线局域网应该由小的基本覆盖单元 所组成。 i e e e8 0 2 i i 需要解决移动站点的问题。所谓“移动站点”是指在移动过程中需要对无 线网络进行访问的站点。移动站点的另一个要考虑的问题就是电能管理。由于移动站点经常 是电池驱动的，因此需要考虑移动站点在节电模式下，网络的运作问题。此时就不能假定站 点的接收机经常是开着的。 另外，i e e e8 0 2 1 1 网络作为i e e e8 0 2 系列中的一员，对于上层的逻辑链路控制( l l c ) 应该显示出当前i e e e8 0 2 局域网的风格。这就需要i e e e8 0 2 1 1 在m a c 子层内部解决站点 移动性的问题。为了满足l l c 对其下层的可靠性假设，i e e e8 0 2 1 l 协议必须包含传统m a c 层所不具有的功能。 2 2i e e e8 0 2 。11 体系结构 i e e e8 0 2 1 1 结构包含一些元素它们进行交互为上层提供支持站点移动性的无线局域 网a8 0 2 11 体系结构的组成包括：无线站点s t a ( s t a t i o n ) ，无线接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) ， 独立基本业务集i b s s ( i n d e p e n d e n t b a s i cs e r v i c es e t ) ，基本业务集b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) ， 分布式系统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 和扩展业务集e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 。 东南大学硕士学位论文第二章i e e e 8 0 2 1 1 业务结构 e s s ( 扩爱业务集1 6 5 s t 独立董本业备集) 图2 - 1i e e e8 0 2 1 l 体系结构 基本业务榘( b s s ) 是i e e e8 0 2 11 局域网的基本构件模块。可以将b s s 理解为一个覆 盖区域t 在该区域内b s s 的成员站点之问可以保持相互通信。如果一个站点移出了b s s ， 它就不能直接年l lb s s 内的其它站点直接通信。 独立b s s ( i b s s ) 是i e e e8 0 2 1 1l a n 最基本的类型。一个最小的i e e e8 0 2 1 1l a n 仅 由两个站点组成。上圈中显示了一个i b s s ，这种操作模式在i e e e8 0 2 1 1 站点能够直接通信 时才是可能的。由于这种类型的i e e e8 0 2 1 ll a n 经常在没有预先计划，只在需要该l a n 时才产生这种操作类型称为a dh o e 网络。s t a 与b s s 之间的关联是动态的，s t a 可能开 启、关闭、进入范围、离开范围。为了成为基础结构b s s 中的一员站点应该成为已关联 的。这种关联是动态的，并且使用分布系统业务( d s s ) 。 物理层( p h y ) 的限制决定了站与站之间直接通信的距离，对于某些网络来说这个距离 已经足够，但是对其它一砦网络来说就需要扩展覆盖区域。除了独立存在以外。b s s 之间也 可以相互连接形成一个大的网络。用来连接b s s 的结构元素称为分布系统( d s ) 。i e e e8 0 2 1 1 逻辑上将无线；c ! i l 质( w m ) 与分布系统媒质( d s m ) 区分开来。每一种逻辑媒质由结构中不 同的组成元素使用达到不同目的。逻辑媒质的多样性使得网络结构具有充分的灵活性，根据 不同的应用可以构造不同的i e e e8 0 2 1 1l a n 。d s 通过提供解决目的站地址映射和无缝多 b s s 集成所宓需的逻辑业务支持移动设祷。a p 就是用来提供d s 业务以使用d s 的s t a 。 数据通过a p 在b s s 和d s 之间传送，值得注意的是，所有的a p 都是s t a 因此它们 也是可寻址的实体。由于a p 跨在w m 和d s m 之上，它可能有两个地址：w m 和d s m 地 址，而这两个地址并不需要相同。 d s 和b s s 可以让i e e e8 0 2 1 1 组成了个任意大小和复杂度的无线网络，这种类型的 网络就是扩展业务集网络( e s s ) 。对于上层l l c 层来说，e s s 和i b s s 网络并没有区别， 在同一个e s s 中的站点可能相互通信，移动站点可能从一个b s s 移动到另一个b s s ，这对 l l c 都是透明的。 在e s s 中可能出现以下情况：b s s 可能部分重叠：b s s 在物理上可以相互脱离：b s s 在物理上可能相互箍近；一个或多个i b s s 或e s s 网络可能在出现在同一个空间中。 为了能将 e e e8 0 2 1 】结构与传统有线l a n 相集成，需要引入一个入口( p o r t a ) 。该入 口是m s d u 从一个集成的非i e e e8 0 2 1 l 网络进入i e e e8 0 2 1 1d s 的逻辑点。入口提供了 i e e e8 0 2 1 1 结构和已存在的有线l a n 之问的集成，同一个s t a 既可以作为a p 也可以同时 作为p o