（计算机应用技术专业论文）无线ieee80211中网络服务质量研究.pdf

中文摘要 近年来，随着无线技术和i n t e r n e t 的发展，对可携带、可移动的计算机或工 作站的需求不断增长。而w l a n 以其高灵活性、紧急状况下的健壮性被广泛应 用。w l a n 现有的标准有i e e e 8 0 2 11 、h i p e r l a n 、b l u e t o o t h 等，但是应用最为 广泛的是i e e e 8 0 2 ，1 1 。目前网络的业务类型繁多。对服务质量提出了不同的要求， 而当前的网络只能提供尽力而为的服务，因此网络服务质量研究已经成为人们的 一个研究热点。本文主要研究i e e e 8 0 2 1 1 中网络服务质量机制。 本文简要介绍了无线局域网的背景、概念、优势、应用前景以及无线局域网 的多个标准，以及目前i e e e s 0 2 1 1 中网络服务质量的研究动态。详细介绍了 i e e e 8 0 2 1 l 所使用的传输技术，基本网络拓扑，协议体系结构等。重点介绍了 m a c 层的三种介质访问机制：缺省的c s m c a ，带r t s c t s 的访问机制，提 供延迟受限服务的无竞争轮询方法p c f 。 由于有线网络中已经存在较为成熟的网络服务质量机制，例如：i n t e r s e r v 、 d i i t s e r r 和m p l s 等。因此我们考虑在无线网络中使用有线网络中的机制。但是 通过n s 仿真实验验证，网络中的区分服务机制对于不稳定的无线环境来说不 是最优的。 那么，我们针对无线局域网带宽较低，介质访问机制不同于有线网络的特点， 利用n s 仿真工具，主要对i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 层的分布式协调功能做了扩展， 使其可以支持区分服务。并且提出了基于流的区分优先级的机制。 最后，我们对i e e e 8 0 2 1 l 中q o s 的研究进行了展望。我们认为，虽然有线 网络中的q o s 机制不适用于无线局域网，但是可以吸取它们的设计思想，例如 将d i f f s e r v 映射到m a c 层上。而且我们认为改动基本的介质访问机制或t c ? 机 制来提供网络服务质量也有一个较好的发展前景。 关键词：n 线n n n 网络服务质量分布式协调功能带有冲突避免的载波侦听 介质访问机制竞争窗口帧间距基于流的区分服务 a b s t r a c t w i t ht h er e c e n td e v e l o p m e n to fw i r e l e s st e c h n o l o g ya n di n t e m e t ，t h e r ea r i s e i n c r e a s i n gd e m a n d sf o rp o r t a b l ec o m p u t e r so rw o r k s t a t i o n s a n dw l a n ( w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ) i su s e dw i d e l yt om e e tt h e s ed e m a n d sb e c a u s eo fi t sh i g h f l e x i b i l i t ya n dr o b u s t n e s s t h e r ea r em a n ye x i s t i n gs t a n d a r d s ，s u c ha s i e e e8 0 2 1l ， h i p e r l a na n db l u e t o o t he t c b u ti e e e 8 0 2 ，1 1i sm o s tw i d e l yu s e d d i f f e r e n tt y p eo f s e r v i c e si nn e t w o r k sh a sd i f f e r e n td e m a n d sf o rq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ，w h i l et h e p r e s e n tn e t w o r kc a no n l yp r o v i d eb e s t - e f f o r ts e r v i c e t h e r e f o r e ，m a n yr e s e a r c h e r sa r e w o r k i n go nq o s t h et h e s i si sf o c u s e do nq o s m e c h a n i s m s p r o v i d e di ni e e e 8 0 2u i nt h i st h e s i st h ea u t h o ri n t r o d u c e sb r i e f l yt h eb a c k g r o u n d ，c o n c e p t s ，a d v a n t a g e s ， a p p l i c a t i o nf u t u r ea n dt h em a n y s t a n d a r d so fw l a n ，a n dt h er e s e a r c ht r e n d so ft h e q o si nt h ep r e s e n ti e e e s 0 2 1 1 t h ea u t h o ra l s oi n t r o d u c e dw i t he m p h a s i st h et h r e e m e d i u ma c c e s sm e c h a n i s mo f m a c l a y e r t h a ti s ，c s m c a ，a c c e s sm e c h a n i s mw i t h r t s c t s ，c o n t e n t i o n f r e ep o l l i n gp c f w i t ht i m e b o u n d e ds e r v i c e i nw i r e dn e t w o r k st h e r ee x i s tf a i r l yp e r f e c tq o sm e c h a n i s m ss u c ha si n t e r s e r v ， d i f f s e r ve t c s ow eb r i n gf o r w a r d u s i n gm e c h a n i s m so fw i r e dn e t w o r k su n d e r w i r e l e s sc i r c u m s t a n c e s b u ta f t e ra1 0 to fn ss i m u l a t i o n sw ec o n c l u d et h a tt h e s e m e c h a n i s m sa r en o tf i tf o rt h ew i r e l e s sn e t w o r k s b e c a u s eo ft h el o wb a n d w i d t ho fw i r e l e s sn e t w o r k sa n dd i f f e r e n c e si nm a c m e c h a n i s m sb e t w e e nw i r e dn e t w o r k sa n dw i r e l e s s n e t w o r k s ，w ee x t e n dt h e d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t e df u n c t i o n si ni e e e 8 0 2 ，11t os u p p o n d i f f s e r v ，a n dw o r k o u tt h e m e c h a n i s m sb a s e do nd i f f e r e n t p r i o r i t i e so f s t r e a m s f i n a l l yw ep r o s p e c tt h en t u r eo f t h eq o si ni e e e 8 0 2 。l l 。a l t h o u g ht h eq o s m e c h a n i s m sa r en o tf i tt ow l a n ，w es t i l lc a i le x t r a c ti t sd e s i g ni d e a ，f o re x a m p l e ， m a p p i n gd i f f s e r vt om a cl a y e gw bt h i n kw ec a nm o d i f ys o m ee l e m e n t a r ym a c m e c h a n i s m so rt c pm e c h a n i s m st op r o v i d eb e t t e rn e t w o r kq o s a n dt h a tw i l lh a v ea g l o r i o u sf u t u r e k e y w o r d s ：w l a n ( w i r e l e s s l o c a la r e a n e t w o r k ) ，q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ， d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t e df u n c t i o n ) ， c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t ia c c e s s c o l l i s i o n a v o i d a n c e ) ， c o n t e n t i o nw i n d o w , i n t e r - f r a m e s p a c e ，f l o w ，b a s e dd i f f e r e n t i a t i o n i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘堂或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王疑签字日期：枷2 年上月膨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘连盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王壤一 签字f i 期：p 吃年乜月眉日 导师签名：张蜴 签字日期：m z 年l 月俘同 第一章绪论 第一章绪论 随着无线技术和h _ 1 t e r n e t 的发展，对可携带、可移动的计算机或工作站的需 求不断增长。而w l a n ( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ) 以其高灵活性、紧急状况 下的健壮性被广泛应用。无线局域网不仅可以实现许多新的应用，还可以克服线 缆限制引起的不便性，解决某些特殊区域无法布线的问题。目前，无线局域网已 经被广大用户作为一般目的的网络连接来使用，很多场所都配置了w l a n ，例 如：大学校园、公司等。w l a n 现有的标准有很多，例如：i e e e 8 0 2 1 1 、h i p e r l a n 、 b l u e t o o t h 等。但是应用最为广泛的是i e e e 8 0 2 1 l 。 随之而来的就是用户数目的大量增加，所需求的服务种类也会随之增多，其 中就包括视频、音频等多媒体业务。这些多媒体业务与传统的数据业务不同，它 们的实时特性对网络的一些性能参数提出了需求例如：数据速率、掉包率、延 迟以及延迟抖动等。因此，网络必须对多媒体应用进行特殊处理，保证以最小的 延迟和延迟抖动提供可预见的服务。 当一个网络中同时存在传统的数据业务和多媒体业务时，网络应该提供区分 服务的机制。i e t f 致力于i n t e m e t 中的服务区分，针对当前坤网络只能提供( 缩 进) 尽力丽为( b e s t e f f o r t ) 的服务，不能提供服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 的问 题，提出了几种解决方案，包括i n t s e r v 和d i f f s e r v 等。 然而w l a n 与有线网络相比，带宽较低( 1 1 0 m b i t s ) ，而且无线环境由于 干扰、衰退等因紊，很不稳定，以及无线局域网不同于有线网络的介质访问方法。 使得p 网络中的区分服务机制对于不稳定的无线环境来说不是最优的。 文中详细介绍了i e e e 8 0 2 1 1 的机制，并提出了针对i e e e 8 0 2 1 l 的两种区分 服务的机制，并提出了基于流的区分服务的机制。 1 1 研究背景 1 1 。1 无线局域网的产生背景 在如今这个“移动”的世界里，传统局域网络已经越来越不能满足人们的需 求t 无线局域网应运而生。虽然如今无线局域网还不能完全脱离有线网络，但近 年来，无线局域网产品逐渐走向成熟，正在以它的不断提高的传输能力和灵活性 发挥r 益重要的作用。 第一章绪论 如今局域网越来越普及，不仅各公司、企业、事业单位建立了局域网，许多 办公室、家庭里面的小型局域网也纷纷出现，但是不太方便的问题仍然很多。从 布线到维护都需要花费很大的人力物力。如果遇上搬家或者有什么比较大的改 变，那可就更要大大地费时、费力了。至于移动办公，在这种网络环境罩几乎不 可能。 但如果采用无线局域网，以上这些情况就会完全不同。无线网络时代的到来， 使人们的生活突然开始摆脱线缆的羁绊，变得自由自在起来。 由于无线局域网可以在不受地理条件限制、通信不便利以及移动通信的情况 下，组建计算机网络，因此具有有线网络不可取代的优势，早已经成为潜力巨大 的市场。9 0 年代初，工作在9 0 0 m h z 、2 4 m h z 和5 g h z 频率上的无线局域网设 备就已经出现，但是由于价格、性能、通用性等种种原因，没有得到广泛应用。 1 9 9 7 年6 月，第一个无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 1 正式颁布实施，为无线局域网 的物理层和m a c 层提供了统一的标准，有力推动了该市场的快速发展。 近年来，适用于无线局域网产品的价格正逐渐下降，相应软件也逐渐成熟。 此外，无线局域网已能够通过与广域网相结合的形式提供移动互联网的多媒体业 务。无疑，无线局域网将以它的高速传输能力和灵活性发挥重要作用。 现在，全球的各厂商都看准这一高速增长的市场，纷纷抓紧商机。1 9 9 9 年 1 1 月，c i s c o 收购了a i r o n e t 无线通信公司，2 0 0 0 年3 月，3 c o m 调整结束后， 把无线局域网作为其重点业务之一。l u c e n t 、n o r t e l 、m m 、d e c 、a m d 等厂商 也相继研制、生产符合标准的无线局域网产品，近期，康柏还开发出架设企业无 线局域网的服务。无疑，无线局域网已经成为新的技术热点，并迈进了快速增长 的1 7 槛。 目前，无线局域网已经在教育、金融、健康、旅馆以及零售业、制造业等各 方面有了广泛的应用。 1 1 2 无线局域网的概念 无线局域网是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网络 ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，简称w l a n ) 是在有线局域网的基础上发展起来的， 使网上的计算机具有可移动性，能快速、方便地解决有线方式不易实现的网络信 道的连通问题。 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。从专业角度讲，无 线局域网利用了无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之阳j 的通信，并为通 信的移动化、个性化和多媒体应用提供了可能。通俗地说，无线局域网( w i r e i e s s l o c a l a r e an e t w o r k ，w l a n ) 就是在不采用传统缆线的同时，提供以太网或者令 第一章绪论 牌网络的功能。 但是，仅仅从缆线这个角度来看待无线局域网是不够的无线局域网已经 重新定义了局域网。联接不仅仅是线缆的连接，“本地”( l o c a l ) 的计量单位也 从米延伸到了公里。基础设施不需要再埋在地下或隐藏在墙卑，它已经能够随着 公司的发展而移动或变化。 无线局域网要求以无线方式相联的计算机之间资源共享，具有现有网络操作 系统( n o s ) 所支持的各种服务功能。计算机无线联网常见的形式是把远程计算 机以无线方式联入一个计算机网络中，作为网络中的一个节点，使之具有网上工 作站所具有的同样功能，获得网络上的所有服务；或把数个有线或无线局域网联 成一个区域网：当然，也可用全无线方式构成一个局域网或在一个局域网中混合 使用有线与无线方式。此时，以无线方式入网的计算机将具有可移动性，在一定 的区域移动而且又随时与网络保持联系。 1 1 3 无线局域网的优势以及应用前景 无线局域网( w l a n ) 与有线网比较，其优点如下： 灵活性：在信号覆盖的区域内，结点能够不受限制的通讯。无线电波可 以穿透墙壁，因此发送方和接收方可以放在覆盖区域内的任意地点。而 在有线环境下，如果需要隔着墙进行通讯，则需要铺设线路。 规划：无线a d h o c 网络( 特定的专用网络) 中，只要网络设备都遵守相 同的标准，那么不需要规划，节点就可以通信。而在有线环境里，即使 网络设备都遵守相同的标准，布线前的规划都是必不可少的。 安装便捷：一般在网络建设中施工周期最长、对周边环境影响最大的， 就是网络布线施工工程。在施工过程中，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是减少了网络布线的工作量。一般只 要安装一个或多个接入点( a c c e s sp o i n t ) 设备，就可建立覆盖这个建筑 或地区的局域网络。 易于扩展：w l a n 有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样， w l a n 就能胜任从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。 健壮性：无线网络在很多突发状况或是紧急情况下有较强的健壮性，例 如：地震、战争、突然掉电等。只要无线设备完好，人们仍然可以进行 通信。而在有线环境中，如果任何有线的基础设施被破坏，那么整个网 络都将崩溃。 所有这些特点使无线局域网可广泛应用于很多领域：1 接入网络信息系统： 第一章绪论 电子邮件、文件传输和终端传真。2 难以布线的环境：古老的建筑、布线困难 或是昂贵的露天区域。3 频繁变化的环境：例如野外勘测、军事等。4 使用便 携式计算机等可移动设备进行快速网络连接。5 用于远距离信息的传输：如火 灾等信息的传输；公安交通管理部门进行交通管理等。6 专门工程或高峰时间 所需的暂时局域网：学校、商业展览、建设地点等人员流动较强的地方。7 办 公室和家庭办公室( s o h o ) 用户，以及需要方便快捷地安装小型网络的用户。 在国内，w l a n 的技术和产品在实际应用领域还是比较新的。但是，无线 由于其不可替代的优点，将会迅速地应用于需要在移动中连网和在网f 自j 漫游的场 合，并在不易布线的地方和远距离的数据处理节点提供强大的网络支持。特别是 在一些行业中，w l a n 将会有更大的发展机会。例如：石油工业、库存控制、 展览和会议等。 1 1 4 无线局域网自身所存在的劣势 当然，作为一个新产品，与有线网络相比，无线局域网也有很多不足。 服务质量( q o s ，q u a l i t y o fs e r v i c e ) ：无线局域网所提供的服务质量远 低于有线网络。其主要原因有以下几点：无线电传输限制所造成的低带 宽( 】一1 0 m b i u s ) 、干扰所造成的高出错率以及较高的延迟延迟抖动。 成本：无线局域网网卡的价格大概是高速以太网卡的1 0 倍。 私有的解决方案：由于标准统一的过程缓慢，很多公司都有自己的解决 方案。这些解决方案除了提供标准的功能之外，还有一些增加的功能， 而这些新增的功能是由已获得专利的编码技术编写的。因此，这些附加 功能只能工作在同构环境中，也就是说，网络中的适配器都必须是由同 一个提供商提供的。 限制：所有的无线产品都必须遵守本国的规定。为了最小化信号之间的 干扰，几个政府和非政府的世界组织限制了频带。而且，要形成一个全 球的解决方案，还要经过很长时间。 安全性：利用无线电波传输数据可能与其它高科技设备互相干扰，因此 必须有特殊的预防措施。而且，在无线局域网中，由于无线电干扰，窃 听信息易于光纤的情况。 虽然w l a n 与有线网络比较有它的劣势，但是它的优势也是显而易见的， 灵活性，在紧急情况下的健壮性都是有线网络所不能比拟的，因此有理由相信 w l a n 会有更广泛的市场。关于w l a n 的研究也是现在的个研究热点。 4 - 第一章绪论 1 2 无线局域网标准进展 无线接入技术区别于有线接入的特点之一是标准不统一，不同的标准有不同 的应用。正因为此，使得无线接入技术出现了百家争鸣的局面。在众多的无线接 入标准中，无线局域网标准更成为人们关注的焦点。其中主要有i e e e 8 0 2 1 1 、 b l u e t o o t h 、h o m e r f 以及h i p e r l a n 等。 1 2 1i e e e 8 0 2 1 1 家族 i e e e8 0 21 1 是在1 9 9 7 年由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准。 它是i 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 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 s 。目前，3 c o m 等公司都有基于该标准的无线网卡。i e e e8 0 2 “规定了无 线局域网在2 4 g h z 波段进行操作，这波段被全球无线电法规实体定义为扩频 使用波段。 由于i e e e 8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，1 9 9 9 年8 月，8 0 2 1 1 标准得到了进一步的完善和修订，包括用一个基于s n m p 的m m 束取代原来基于o s i 协议的m m 。另外i e e e 小组又相继推出了i e e e 8 0 2 1 1 b 和 1 e e e 8 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。 1 8 0 2 1 1 a ，它扩充了标准的物理层频带为5 g h z ，采用o f s k 调制方式， 传输速率为6 m b s - - 5 4 m b s 。它采用正交频分复用( 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l o m b p s 的以太网线帧结构接口，并支持语 音、数据、图像业务。这样的速率完全能满足室内、室外的各种应用场合。但是， 采用该标准的产品目前还没有进入市场。 2 另一种是8 0 2 1 l b 标准，采用2 4 g h z 频带和补偿编码键控( c c k ) 调制方 式。该标准可提供1 1 m b s 的数据速率，大约是现有i e e e 标准无线l a n 速度的 5 倍。还能够支持5 5m b p s 和1 1m b p s 两个新速率。而且8 0 2 1 l b 可以根据情 况的变化，在1 1m b p s 、5 5m b p s 、2 m b p s 、lm b p s 的不同速率之间自动切换。 而且在2 m b p s 、1 m b p s 速率时与i e e e 8 0 2 11 兼容。它从根本上改变w l a n 设 计和应用现状，扩大了w l a n 的应用领域，现在，大多数厂商生产的w l a n 产 品都基于8 0 2 1 1 b 标准。 另外i e e e 8 0 2 1 l 工作组中还有两个工作组致力于开发新的标准。其中一个 是媒体访问控制( m a c ) 改进任务组( 也就是e 任务组) 为8 0 2 1 l 无线局域网 ( w l a n ) 协议加入q o s 相关内容。这就是i e e e 8 0 2 1 l e 。另外一个就是致力于 第一章绪论 丌发8 0 2 ，1 1 9 的工作组。8 0 2 1 1 9 其实是- - ；f e e 混合标准，它既能适应传统的8 0 2 1 l b 标准，在2 4 g h z 频率下提供每秒l l m b p s 数据传输率，也符合8 0 2 1 l a 标准在 5 g h z 频率下提供5 6 m b p s 数掘传输率。 除了i e e e8 0 2 1 1 委员会以外，其他一些组织在推动无线局域网市场方面也 做了许多工作。无线局域网联盟( w l a n a ) 是由无线局域网厂商建立的非营利性 组织，它主要是进行无线局域网市场和产品使用方面的培训等工作。由3 c o m 、 a i r o n e t 、i n t e r s i l 、朗讯科技、诺基亚以及s ) a n b o i 科技公司等厂商组建的无线以 太网兼容联盟( w e c a ) t j 主要通过在同一无线结构内对不同厂商的产品进行验 证，以实现真正意义上的多厂商产品的互操作。 1 2 2 蓝牙技术 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 1 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，可用于更多的设备。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 ( r a d i of r e q u e n c y 射频) 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。 1 2 3 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 语音数掘成本。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1 - 2 m b p s ，f c c 建议增加 到1 0 m b p s 。 1 2 4h i p e r l a n 无线局域网的另一个标准是欧洲的h i p e r l a n ，它出e t s i ( e u r o p e a n t e l e c o ms t a n d a r d si n s t i t u t e ，欧洲电信标准学会) 的r e s l 0 工作组提出，特点如 下：性能高：工作频段在5 ，】2 _ 5 3 0 g h z 和1 7 。l 一1 7 3 g h z ；采用窄带高斯最小 频移键控( g m s k ) 调制，支持的物理层传输速率为2 3 5 m b s ( 2 3 5 m h z 带宽) ： 接入的协议采用c s m a c a ；主要支持点到点传输；具有节能管理。但是该标准 是针对欧洲制定的。没有全局性。 第一章绪论 表1 - 1 无线局域网标准的性能对比 8 0 2 1 18 0 21 l b8 0 211 a b l u e _ b o o t h i - - i o m e r f # 率24 g i - i z2 4 g h z5 g h z 24 g h z24 g m 带宽1 2 i v l b p s可达1 1 m b p s 可达5 4 m b p s1 m b p s 1 - - 2 m b p s 可l 曾至1 1 r i b p s 距离1 0 0 m 功率增加可扩展 1 0 0 m5 1 0 k m1 0 m 1 0 0 m 1 0 0 m 业务数据数据图像语音数据图像语音数据 语音数据 表1 1 中列出了几种最热门的无线局域网标准的性能对比。 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 3i e e e 8 0 2 1 1 下网络服务质量研究动态 随着网络的不断增长，所需求的服务种类也会随之增多，其中就包括视频、 音频等多媒体业务。这些多媒体业务与传统的数据业务不同，它们的实时特性对 网络的些性能参数提出了需求，例如：数据速率、掉包率、延迟以及延迟抖动 等。因此，网络必须对多媒体应用进行特殊处理，保证以最小的延迟和延迟抖动 提供可预见的服务。当网络中同时存在传统的数据业务和多媒体业务时，网络应 该提供区分服务的机制，为不同的业务提供不同的服务质量。i e t f 致力于i n t e r n e t 中的服务区分，针对当前d 网络只能提供尽力而为( b e s t e f f o r t ) 的服务，不能 提供服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 的问题，提出了几种解决方案，包括i n t s e r v 、 d i i t s e r v 和m p l s 。 而在过去的几年中，i n t e m e t 已经开始渗透到无线世界中，这主要因为无线 通讯的重点逐步趋向于基于t c p i p 的应用，而不再是基于电路交换的应用。因 此，现在的无线网络中也同时存在视频、音频等多媒体业务以及传统的数据业务。 与有线网络相同，无线网络也必须提供区分服务，为不同的业务提供不同的服务 质量。但是目前的无线网络还不支持服务的区分，因此存在网络服务质量的问题。 作为无线网络的一种，无线局域网同样也存在网络服务质量( q o s ，0 u a l i t yo f s e r v i c e ) 的问题。而服务质量对高品质视频、语音和多媒体在w l a n 上的应用 是非常关键的，因此关于w l a n 上的q o s 研究是目前的一个研究热点。 然而w l a n 与有线网络相比，带宽很低( 1 1 0 m b i t s ) ，因此必须提高介质 的利用率，有效的利用w l a n 有限的带宽。而且无线环境由于干扰、衰退等因 素，很不稳定。缺少了底层的支持，口网络中的区分服务机制对于不稳定的无 线环境来说不是最优的。 因此，针对无线局域网的特点，人们提出了不同于有线网络解决q o s 问题 第一章绪论 的机制。现在所提出的解决q o s 问题的几种可能机制中，包括了8 0 2 1 1 标准中 已为人所知的分布协调功能( d c f ) 和点协调功能( p c f ) 。已有的8 0 2 1 1 标准 包含了针对d c f 和p c f 的规范，但目前可用的相应产品都采用d c f 。 点协调功能的方式下，网络上单一的点( 最有可能的就是网络访问点a p ) 可以作为居于中心地位的“网络数据流交通警”，它可以告诉网络上的各个站点应 该在什么时候才准许把数据包放到网络上去，这样就起到了指引数据包流动的作 用。 分布协调功能的一个简单定义是“经典的、以太p i l l 格的网络媒体访问”，也 就是网络各个站点竞争网络资源。 i e e e 8 0 2 1 1 中的p c f 主要用于传输实时业务，具有一定的区分服务的功能。 p c f 是可选功能，面向连接，提供无竞争帧传送。p c f 支持实时性强的业务，提 供一定的q o s 保证。p c f 依靠点协调器( p c ) 来执行轮询，使被轮询的站点不 必竞争信道就可传送数据。 d e n g 和c h a n g 提出了一种方法，这种方法需要对i e e e 8 0 2 1 1 的d c f 的m a c 层协议进行一些改动。它利用了8 0 2 1 1 的两个属性来提供服务区分：帧间距以 及后退时问。n h v a i d y ae t a l 提出了d f s ( d i s t r i b u t e d f a i rs c h e d u l i n g ) ，它是基 于自时钟公平队列( s e l f - c l o c k e df a i rq u e u i n g ，s c f q ) 的一种机制。s o b r i n h o 和k r i s h n a k u m a r 提出了b l a c k b u r s t 机制。该机制的主要目标是最小化实时业务的 延迟。 1 4 课题背景和论文工作 1 4 1 课题背景 本课题组是国内最早开展网络方面研究，特别是q o s 研究的单位之一。本 课题是在两项基金项目下完成的。与加拿大渥太华大学的o l i v e ry a n g 教授合作 丌展了c i s c o 大学基金项目一一“无线通讯研究( w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n r e s e a r c h ) ”。该项目包含四大部分：( a ) 业务特性描述。涉及各方面的业务测 量、分析、建模与预报。业务模型应能同时描述短相关和长相关的业务特性。( b 1 路由器的q o s 研究。基于( a ) 中对业务模型的研究，我们将对已有的不同q o s 方 案进行评价，并找出最适合未来的信息高速公路条件的方案。( c ) 基于q o s 的准 入控制。将研究并提出更灵活的边界路由器准入控制，尤其是基于测量和基于预 报的准入控制。( d ) a dh o c 网络中的q o s 路由。同时，本课题组承担了国家自然 科学基金( 重大) “高速宽带无线坤网络性能与服务质量研究”项目。主要包 第一章绪论 括无线接入网络中的基站优化分布，无线局域网的q o s 研究，以及a d h o c 网络 中的路出。 1 4 2 论文工作 由于无线局域网同益广泛的应用，而且人们对服务质量的要求越来越高因 此本文作者在目前已有的研究的基础上，重点研究了如何在i e e e 8 0 2 + 1 1 上提供 q o s 的机制。参考了多方面的资料，结合本课题组的研究背景，仿真研究了在 i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 层进行区分服务的方法，并给出了个基于流的区分服务方 法，并且利用数学推导对i e e e 8 0 2 1 1 的平均延迟给出了一个近似的估计。文中 应用网络仿真软件n s ( n e 柳o r ks i m u l m o r ) ，扩充了n s 中m e e 8 0 2 1 l 的m a c 层，对上述区分服务机制进行了分析研究、仿真以及验证。在论文中，作者所作 的主要工作有以下几个方面： 1 ) 利用t c p d u m p 、l i b p c a p 等工具在无线局域网的实验床上进行测量，分析 性能。 2 ) 利用仿真软件n s 分析有线中的q o s 方案是否适合无线网络。 3 ) 扩充了n s 中有关i e e e 8 0 2 1 l 的d c f 功能，使其能够支持区分服务。 4 ) 给出了一种基于流的区分服务的方法，并利用n s 验证。 5 ) 从数学角度近似分析了平均延迟。 论文的以后部分将如下安排：第二章详细讲述了m e e 8 0 2 1 l 的原理，机制 等。包括其中各层的实现，并重点讲解了m a c 层的访问机制。第三章讲述了有 线网络中已经提出的q o s 解决方案，并利用n s 仿真软件验证有线网络中的q o s 方案是否适合无线网络。第四章主要介绍了国内外关于无线局域网下q o s 研究 的动态，包括n ，h v a i d ”e t a l 等人提出的一些算法。重点论述了我们所提出的 扩充m a c 层协议来提供区分服务的方法，并给出n s 下的仿真实现及其结果分 析。重点论述了基于流来提供区分服务的机制。最后是结论和展望。 第二二章i e e e s 0 2l 】标准及c s m a j c a 机制分析 第二章i e e e 8 0 2 1 1 标准及c s m a j c a 机制分析 虽然现有的关于无线局域网的标准有很多，但是应用最为广泛的是 i e e e 8 0 2 1 1 。由于i e e e 8 0 2 1 1 兼容的设备的广泛配置，标准的不断发展，因此 有理由相信，它还会有更加广泛的市场。本章主要介绍i e e e 8 0 2 1 1 标准，为讨 论m a c 层q o s 机制做些准备。由于8 0 2 1 1 的m a c 层使用c s m a c a ，为此本 章还对c s m a 原理、优缺点等做了较为深入的探讨。在介绍i e e e 8 0 2 1 1 之前， 我们将首先介绍一些无线局域网的相关概念。其中包括无线局域网所使用的基本 的传输技术、无线局域网的组成以及无线局域网的两种基本拓扑。 2 1 无线局域网的相关概念 2 1 1 无线局域网的传输技术 目前，实现无线局域网的基本传输技术主要有两种。一种是基于红外线传输 ( 在9 0 0 n m 波长范围) ，另外一种是基于无线电传输( 在g h z 频率范围，例如： 无需许可证的i s m 频带中的2 4 g h z ) 。 红外线的发送方可以是简单的光发射二极管( l e d s ) 或激光二极管而接 收方是光电二极管。红外线局域网采用小于1 m a 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。 红外线技术的主要优势在于： 它的发送方和接收方既简单，成本又低，而这些部件几乎都已经集成到 目前所有的移动设备当中了，例如：p d a 、笔记本、移动电话等都有一 个红外线的数据接口( i r d a ) 。 使用红外线不需要许可证。 利用红外线技术的电子设备不会互相干扰。 它的主要缺点在于： 与其它技术相比，较低的带宽。特别是，红外线设备连接到串口上时， 传输速率被限制在1 1 5 k b s 。即使是4 m b s 的速率也不是很高。 最大的缺点在于红外线太容易被遮挡。因此红外线不能穿透墙壁或是其 它障碍物。 第二章i e e e 8 0 2 1 1 标准及c s m a c a 机制分析 无线电的主要优势在于： 无线广域网以及蜂窝电话中无线电传输的经验。 无线电传输可以覆盖较大的区域，而且能够穿透墙壁、家具等。 当前的基于无线电传输的产品提供了较高的传输速率( 例如：1 0 m b s ) 。 当然，无线电传输也有它的缺点，主要在于： 它主要的优点也是它最大的一个弊端。无线电不易遮挡，那么，无线电 传输就会和其它发送者互相干扰，破坏数据。 而且无线电只在有限的无需许可证的频带上传输，而且这些频带在各个 国家是不同的。 在无线局域网的诸多标准中( 例如：i e e e 8 0 2 1 1 、h i p e r l a n 、b l u e t o o t h 等) ， 只有i e e e 8 0 2 1 l 除了支持无线电传输之外还支持红外线传输。主要原因就是因 为红外线的遮挡问题。无线局域网应该可以覆盖某个建筑物的整个楼层，而不是 其中的某一个房间，而且将来的移动设备甚至要在口袋里进行通讯，因此不能依 靠红外线来进行传输。 因此本文中所讲的无线局域网都是依靠无线电传输的。 2 1 2 无线局域网的组成 无线局域网由无线网卡、无线接入点( a c c e s sp o i n t ) 、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 a s i cs e r v i c es e t ) ，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 控制下与其它终端通信。尽管b s s 区域较大，但是其所建中心站的费用 较昂贵。 分布对等式：b s s 中任意两个终端可以直接通信，无需中心站转接。尽 管b s s 区域较小，但是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。一个无线局域网可以由一个扩 展服务组( e s s ，e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 组成。一个e s s 通常包含若干 个单元，这些单元通过a p 与某个骨干网相连。骨干网可以是有线网， 也可以是无线网。 2 1 3 无线局域网的拓扑结构 扑。 无线局域网的拓扑结构可以分为两类：有中心拓扑和无中心( 或对等式) 拓 箍三章i 里骂8 0 2 11 标准及j 里! 坚a c 垒塑型坌塑 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。这种网络也就是所谓的需要基础设施的网络( i n f r a s t r u c t u r e n e t w o r k ) 。这种网络不仅提供对其它网络的接入功能，而且有转发功能，介质访 问控制等。在这种基于基础设施的无线网络中，无线站点与接入点进行通讯，而 两个无线站点之间不能直接通讯。 在这种网络中，接入点还充当到其它无线或有线网络的桥梁。图21 是三个 带有接入点的无线网络和一个有线网络。几个无线网络可以形成一个逻辑无线网 络，也就是说，接入点和有线网络可以连接几个无线网络，形成一个比真实无线 电覆盖范围大的网络。 图2 1 三个基于基础设施的网络 基于基础设施的无线网络的设计