（计算机应用技术专业论文）无线局域网中mac层协议优化算法的设计与实现.pdf

l ：海人学硕l ：学位论文 摘要 本文针对无线网络的语音、视频传输业务中，时延、带宽、丢包率等 问题，以及主干网带宽变大后，接入部分的无线网络带宽资源相对较小， 造成的无线接入部分成为整个网络中端到端连接服务质量的瓶颈问题。深 入研究了服务质量的综合业务模型，差分业务模型和多协议标记交换技术。 并在详细分析基于i e e e8 0 2 1 1 的无线局域网的基础上，提出了在无线局域 网中，提高设备性能的新型网络拓扑结构一网状网络，以及提出了运行在 此网络拓扑结构上的更适合实时数据传输的协议一d a r t 协议。 作者利用网络模拟工具n s 2 对提出的新协议进行网络环境的运行模 拟，并在延迟、阻塞和吞吐量、非实时数据的影响，以及节点能耗等方面 同原有的d c f 和e d c a 协议进行了比较，试验数据证明了d a r t 协议的有 效性与应用性。 关键词：服务质量无线局域网端到端的资源预留 v l l ：海人学硕 ：学位论文 a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so ft h et r a m f o r m a t i o no ft h ev o i c ea n dv i d e oi nt h ew i r e l e s s n e t w o r k s ，t h ed e l a y , b e n d w i t kp a c k e t - m i s s i n gf i l ev i t a l w h i l et h eb a n d w i t ho f t h eb a c k b o n en e t w o r k si si n c r e a s i n g , t h eb a n d w i t ho f t h ew i r e l e s s , c e s si sv e r y s m a l lw h i c hl e a d st ot h eb o t t l e - n e c ki nt h ee n d - t o e n dq o s a i mt or e s o l v et h e s e p r o b l e m s ，i nt h i st h e s i sw es t u d yt h eq o ss t r a t e g yi nw i r en e t w o r k si n c l u d i n g t h ei n t - s e r v , d i f f - s e r va n dm p l s a f t e ru n d e r s t a n d i n gt h ew i r e l e s sl o c a l n e t w o r kb a s e do ni e e e8 0 2 11 ，w e p o i n to u tt h en e ws t r u c t u r ef o rt h ew l a n s t h em e s hn e t sa n dt h en o w p r o t o c o lw h i c hi sr u n n i n go i lt h i ss t r u c t u r ea n di s b e t t e rf i tf o rt h er e a l - t i m ed a t at r a n s f o r m i n g i nt h ee n do ft h et h e s i sw es i m u l a t e dt h en e wp r o t o c o lu s i n gt h en e t w o r k s i m u l a t i o nt o o l - n s 2 w eg o tag r e a td e a lo f u s e f u ld a t af t o mt h ee x p e r i m e n t st o e x p r e s st h eb e t t e rp e r f o r m a n c eo ft h en e wp r o t o c o li nt h e 嬲p t 熵o fd e l a y , t h r o u g h p u ta n db l o c k ，n o n - r e a l t i m ed a t a se f f e c ta n dt h ei m p a c to fn o d eo u t a g e w ef o u n do u tt h a tt h ed a r tp r o t o c o lh a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nd c fa n d e d c a p r o t o c o l s k e y w o r d s ：q o s w l a n se n d - t o - e n dr s v p i ：海人学顾l ：学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 1 醐。掣 一i - 海人学硕i ：学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海大学科技园区创业基金孵化项目，项目编号：p - 0 0 5 。 1 2 课题研究的目的和意义 科学技术的飞速发展给人们的生活带来了日新月异的变化，对社会的文明 与进步产生着深刻的影响。近年来，信息技术有了长足的进步，它正以主力军 的姿态引导着科技f 1 新月异的发展，推动信息时代的到来，并正迅速地改变着 人们周围的一切。 在有线网络取得巨大进步的同时，无线通信技术也获得了巨大的发展。上 个世纪八十年代，人们建立起了第一代基于频分多址的主要承载话音业务的移 动通信网。社会的发展与人类的进步很自然的增加了人们对信息的需求，人们 期望着能够在任意地点，任意时刻与任意对象通过最适当的方式进行交流，希 望能够拥有无所不在和无所不能的通信方式，这就要求将目前的有线网络技术 和移动通信技术结合起来，为人们提供可以承载多媒体业务的宽带无线接入和 无缝全球个人移动通信。 i e e e8 0 2 1 1 标准的无线局域网作为一种小范围内的宽带无线接入技术得到 了广泛的应用。无线局域网对终端移动性的支持要远低于蜂窝移动通信系统， 但由于无线局域网仅应用于相对较小的范围内，信道质量要优于蜂窝系统，所 以它的容量要比蜂窝系统大的多，而且i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准提出的 分布式协调方式d c f ( 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 ) 功能使得无线接入系 统的安装和使用变得非常简单，同时网络开销和维护的成本也很低，更重要的 是它不需要蜂窝系统中的小区规划。因此，无线局域网在提供小范围宽带接入 方面得到了广泛的应用。 同时，随着网络应用领域的不断扩展，网络与人们生活的日益密切，人们 已经不再满足于现有网络中以数据为主的业务模式，而倾向于包括语音、图像、 l ：海人学硕i ：学位论文 视频、数据等在内的多媒体业务。多媒体业务将逐渐成为网络中承载的主要业 务。这些业务出现的同时，也对网络提出了新的要求，即网络能够保证这些业 务流的质量，这就是服务质量( q o s ) 的问题。是否需要提供保证服务质量的机制， 这个问题曾经被人们激烈讨论。一种观点认为，光纤和密集波分复用技术 ( d w d m ) 的广泛应用，将使网络带宽极大丰富，服务质量将自然而然的得到 保证。另一种观点认为，无论网络能够提供多大的带宽，新的应用总会把他们 消耗掉。所以，保证服务质量的机制是必需的。 考虑到，目前网络还不能提供足够丰富的带宽，所以服务质量的机制是必 要的。目前的高端路由器和交换机都提供服务质量的机制，就能够说明这一点。 相比有线网络，无线网络的带宽更有限，所以在无线网络中解决服务质量的问 题更为迫切和必要。本文讨论了无线网络环境下的服务质量问题，重点对无线 局域网进行了分析，提出了基于m a c 层改善服务质量的策略，为实时多媒体 数据提供了更为可靠的传输保证。在无线网络，尤其是无线局域网日益广泛应 用的今天，本文所讨论的内容有深远的意义和广阔的应用前景。 1 3 相关课题研究现状 服务质量( q o s ) 的问题在有线网络中已经得到深入研究。i e t f ( i n t c r n c t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) 已经提出了服务模型和机制来满足服务质量。这些模型 包括综合业务模型( i n t s e r v ) 、分业务模型( d i f f - s c r v ) 和多协议标签交换 ( m p l s ) 以及流量工程等。 综合业务模型引入了一个重要的网络控制协议r s v p ( 资源预留协议) ，使 得网络为应用提供所要求的端到端的q o s 保证成为可能，但这种模型有一些 不可克服的问题，它需要网络中的路由器为用户业务流保留相关的状态信息。 综合业务模型的缺陷导致分业务模型的提出。 分业务模型主要是重新利用了口数据包头中的服务类型( t o s ) 字段( 改 为d s 域) ，使得对r s v p 网络控制协议的使用仅局限在用户网络一侧，而将 骨干传送网从r s v p 中解脱出来。骨干网中的核心路由器只需检查数据包中的 t o s 字段判断业务的类别，再为不同的业务提供不同的服务质量保证策略，这 2 ，i ：海大学硕i 学位论文 种模型并不提供从信源端到信宿端的全程服务质量保证，而将服务质量限制在 不同的域( d o m a i n ) 范围内加以实现，不同域之问应有一定的约定和标识的翻 译机制。 多协议标记交换( m p l s ) 是目前比较热门技术之一。它将灵活的三层i p 选 路和高速的二层交换技术结合起来，从而弥补了传统网络的许多缺陷。 多协议标记交换技术引入了新的标记结构，对m 网络的改变较大。而分业 务模型是对现有i p 网络的改进，仍沿用了i p 包头中的信息。多协议标记交 换技术引入了“显式路由”机制，可对服务质量提供更为可靠的保证。多协议 标记交换技术引入了l s p 隧道的概念，使得m p l s 域对外部网络形成透明传 送，因而m p l s 域内无需分业务模型中的带宽代理。 网络中的拥塞是由于网络资源的缺少或者网络流量的不均匀造成的。对前 一种情况，只能采用增加网络资源的办法，对第二种情况，则可以采用流量工 程的方法。流量工程用来协商业务流如何通过网络，从而达到避免拥塞的目的， 实现一定的服务质量。 以上内容将在第二章展开讨论。 无线网络中的服务质量问题近几年才被人们广泛关注。无线系统有其自身 的特点。目前的方向主要集中在几个方面： 1 通过对现有i n t e r n e t ( 如t c p ) 的改进，使其适合无线信道的传输，从 而提高其在无线环境下的性能。对t c p 在无线环境下的性能分析和改进主要集 中在改进t c p 的差错恢复能力，由此衍生出重复确认d u p l i c a t e d a c k ( t c p _ r e n o ) ，部分确认p a t i a l a c k ( t c p - n e w r e n o ) ，选择确认s e l e c t i v e a c k 等。但t c p 仅通过确认分组a c k 来获得反馈的能力十分有限，最大的问题在 于t c p 无法对分组丢失原因进行正确解析，不能很好的解决拥塞丢失和非拥塞 丢失的区分，目前该方面的研究已经很多，解决途径包括智能终端解决方案和 局部解决方案。 2 将有线网络中的服务质量的方法( 如r s v p ) 加以改进，应用于无线网 络。这类方法主要通过对r s v p 的改进，并同时与m o b i l ei p 相结合，通过隧道 技术实现网络资源的预留，满足无线移动条件下的一定的服务质量要求。 卜海人学硕i ：学位论文 3 针对特定的无线网络，如c d m a 网，无线局域网等，提出相应的服务 质量解决方法。在c d m a 网络中，提供接纳控制和调度算法来保证服务质量。 在无线局域网中目前已有的包括分级服务和分布式公平算法。无线网络中采用 方法大都基于i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网的m a c 层的d c f 方式。这种方式是无线 局域网的最根本的工作模式，也是a d - h o e 网上的主要工作方式。对此的研究有 重大的实际意义。 1 4 论文的主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，在第一章中阐 述了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。第二章阐述了服务 质量的概念以及有线网络和无线网络中的解决方法，以及无线网络的特点以及 由此带来的问题，第三章阐述了目前无线局域网中所应用到的m a c 协议类型 以及各自的特点和不足，第四章提出了由于硬件的改进所产生的新的网络拓扑 结构，然后详细阐述了在此基础上的m a c 优化协议的功能模块以及流程图等。 第五章利用网络模拟工具对提出新的协议进行模拟，在延迟，阻塞和吞吐量， 非实时性数据影响以及节点能耗的影响等方面同其他现有协议做了比较。最后 第六章总结全文。 4 l ：海人学顾i ：学位论文 第二章服务质量和无线网络 2 1 服务质量 2 1 1 概念 一般来说，基于存储转发机制的i n t e r n e t ( i p v 4 标准) 只为用户提供了 “尽力而为( b e s t - e f f o r t ) ”的服务，不能保证数据包传输的实时性、完整性 以及到达的顺序性，不能保证服务豹质量，所以主要应用在文件传送和电子邮 件服务。 随着网络的飞速发展，人们对于在网络上传输分布式多媒体应用的需求越 来越大。一般说来，用户对不同的分布式多媒体应用有着不同的服务质量要求， 这就要求网络应能根据用户的要求进行分配和调度资源。因此，传统的所采用 的“尽力而为”转发机制，已经不能满足用户的要求。为了解决在i n t e r n e t 等 计算机网络上高质量地传输多媒体信息的问题，美国于1 9 9 6 年底，开始了以 提高网络服务质量研究为核心的i n t e r n e t 以及n g i ( - i v 一代i n t e r n e t ) 等研 究项目。i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 也成立了专门的工作小组 来研究多媒体服务服务质量的定义和相关的标准。 r ，1 网络服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，简称o o s ) “。从主观上讲是用户对 网络所提供的服务的主观满意程度，从技术的角度上来说是网络与用户之间以 及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量约定，包括以下技术 指标： 呼损率：用户新发起的呼叫被网络拒绝的概率。 吞吐量：在单位时间内，网络输出的净流量( 不包括重传恢复的流量) 。 平均时延：用户发出的分组从进入网络的那一刻起到退出网络的那一刻 止所经历的平均时间长度。 时延抖动：用户发出的分组从进入网络的那一刻起到退出网络的那一刻 止所经历的时间长度的标准差。 5 上海人学硕i ：学位论文 最大时延限：用户发出的分组从进入网络的那一刻起到退出网络的那一 刻止所允许经历的最大时间长度。 平均分组丢失率：对某条连接来说，在不考虑重传机制的情况下接收端 未收到的分组数与发送端发送的总分组数的比值。 以上是针对于某个服务或业务的技术指标，对于针对整个网络的技术指标， 还包括公平性。 在网络中如果要为用户提供服务质量必须解决以下几个问题： 1 服务质量的分类与定义。对服务质量进行分类和定义的目的是使网络可 以根据不同类型的服务质量进行管理和分配资源。例如，给实时服务分配较大 的带宽和较长的c p u 处理时间等，另一方面，对服务质量进行分类定义也方便 用户根据不同的应用提出相应的需求。 2 准入控制和协商。即根据网络中资源的使用情况，允许用户进入网络进 行多媒体信息传输并协商其服务质量。 3 资源预约。为了给用户提供满意的服务质量，必须对端系统、路由器以 及传输带宽等相应的资源进行预约，以确保这些资源不被其他应用所占用。 4 资源调度与管理。对资源进行预约之后，是否能得到这些资源，还依赖 于相应的资源调度与管理系统。 2 1 2 有线网络中的服务质量解决方法 在有线网络中，主要采用下面的方法来保证服务质量： 连接接纳控制( c a c ，c a l la d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ：控制进入网络的总 业务量使之不超过网络承载能力的上限。 调度( s c h e d u l i n g ) 对网络资源进行合理的分配和管理，使每个进入 网络的用户业务流都能得到需要的带宽。 用户参数监控：监视每个用户业务进入网络的业务量，制止恶意用户 向网络中非法灌注大量业务。 网络状态监控：监视网络状态，一旦发生拥塞，迅速采取措施使拥塞 缓解或消除。 6 l ：海人学硕l 二学位论文 流量控制：根据网络状态管理进入网络的业务量，避免局部或者整个 网络发生拥塞。 同时，国际上不同组织和团体提出了不同的控制机制和策略，比较著名的 有： r n l 1 i s o o s i 提出了基于o d p ( o p e nd i s t r i b u t e dp r o c e s s i n g ) “。分布式环 境的服务质量控制，但至今仍只停留在只给出了用户层的服务质量参数说明和 变成接口阶段，具体实现服务质量控制策略并未提出。 2 a t m 论坛提出了服务质量控制的策略和实现，a t m 控制是“连接预定” 型( c o n n e c t i o na n dr e s e r v a t i o n ) ”。，它的核心内容是在服务建立之前，通 过接纳控制和资源预留来提供服务的服务质量保证，而在服务交互的过程中， 用户进程和网络要严格按照约定的服务质量实现服务质量保证。 3 i e t f 组织也已经提出了多种服务模型和机制来满足对服务质量的需求， 其中比较典型的有：r f c 2 1 1 5 ，r f c 2 1 1 7 以及1 9 9 8 、1 9 9 9 年提出的r f c 2 6 x x 系列中的综合业务模型( i n t s e r v ) 、分业务模型( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) ) 、 多协议标记交换( m p l s ) 技术( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 、流量工程 ( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 和q o s 路由( q o s b a s e dr o u t i n g ) 等均用于解决 i n t e r n e t 网络的服务质量控制和管理。 下面就一些比较典型的模型作简单的介绍。 2 1 2 1 有线网络中的服务质量解决方法 综合业务模型( i n t s e r v ) ”1 主要引入了一个重要的网络控制协议r s v p ( 资 源预留协议) 它不是路由协议，但是需要与路由协议一起使用。r s v p 的引入使 得i p 网络为应用提供所要求的端到端的服务质量保证成为可能，但为了支持 这种能力，数据包所经过的每个网络节点( 予网和i p 路由器) 都必须能够支 持r s v p 控制服务质量的机制。r s v p 资源预留方式与异步转移模式( a t m ) 中 资源预留方式有两个不同之处：第一，r s v p 是一种面向信宿端的协议，由信宿 端来描述资源需求；而a t m 是由信源端来要求资源预留。第二，r s v p 中保留 7 上海人学硕l ：学位论文 的是“软状态”，需要周期性的更新；而a t m 保留的是“硬状态”，通信期间不 改变。 综合业务模型的这种利用r s v p 全程信令将原本面向无连接的i p 网络改为 面向连接的网络的方法存在着许多致命的缺陷，使得原本欲提供的端到端全程 服务质量保证，实际上是很难实现的，原因有二：综合业务模型下的预留状态 信息是与业务流的个数成比的，这使得路由器的负担会随着网络的扩大，业务 流的增多而加重，网络的扩展性不好。综合业务模型中的每个路由器都要支持 r s v p 控制协议，为业务流保持状态信息，这对路由器的实现要求太高。如果有 一个中问路由器不支持r s v p 控制协议，虽然r s v p 仍可透明通过，但服务质 量仍不能保证 2 i 2 2 分业务模型 分业务模型( d i f f - s e r v ) ”。的提出源于综合业务模型暴露出的种种缺陷， i e t f 组织指定了一个相对扩展性较强的方案，来保证i p 网络的服务质量，这 就是分业务模型。分业务模型主要是重新利用了i p 数据包头中的服务类型 ( t o s ) 字段( 改为d s 域) ，使得对r s v p 网络控制协议的使用仅局限在用户 网络一侧，而将骨干传送网从r s v p 中解脱出来。骨干网中的核心路由器只需 检查数据包中的t o s 字段判断业务的类别，再为不同的业务提供不同的服务质 量保证策略，这种模型并不提供从信源端道信宿端的全程服务质量保证，而将 服务质量限制在不同的域( d o m a i n ) 范围内加以实现，不同域之间应有一定的 约定和标识的翻译机制。 以往的互联网业务提供商( i s p ) 只能给所有客户提供同一等级的服务，即 “尽力而为”的服务，同i s p 客户得到的服务的差别仅仅取决于接入速度的 快慢。随着互联网业务的不断发展和网络资源的同益紧张，越来越多的i s p 希 望能与客户之间建立以所提供业务的服务质量为衡量标准的业务级别协定 ( s l a ) 。s l a 定义了所能提供的业务类别以及不同业务类别的流量要求，它可 分为静态s l a 和动态s l a 两种。静态s l a 按一定的周期( 每月或每年) 协商， l 海人学硕 ：学位论文 而动态s l a 则是用户通过特定的信令协议( 如r s v p ) 向i s p 动态请求。当i s p 与用户问商定好一定的s l a 后，边缘路由器就可根据不同的需求，给数据包中 的服务类型字段设定不同的标识，这样有着不同业务质量要求的数据流就将得 到不同的服务质量保证。一个典型的动态s l a 分业务网如图2 - i 所示。 图2 - i 动态s l a 分业务网 第一步r s v p 信令的资源预留过程如下：信源端s 向本网的资源代理a 发一个r s v p 路径( p a t h ) 消息，资源代理a 对此资源请求消息进行判断，如 果不接受则退回错误信息；否则向处于核心网的资源代理b 转发此路径消息。 资源代理b 对请求作如上所述的判断，进而将路径消息转发至用户网2 ( 信宿 端d 所在的网) 的资源代理c 。如果资源代理c 接受了这个资源请求，则它 使用r s v p 相关机制将预留信息通知给边缘路由器4 ，同时回送一个预留 ( r e r v ) 消息给资源代理b 。资源代理b 对边缘路由器2 和3 执行如上所述 的操作，再将预留消息上传到资源代理a 。资源代理a 同样将预留信息通知给 叶节点路由器和边缘路由器i 。 第二步就可由信源端向信宿端发送业务流( 如图2 一l 虚线所示) 。叶节点 路由器对业务流进行最初的多域分类，并设置数据包的t o s 字段值。边缘路 由器1 4 需根据业务流的不同类别提供不同的服务，并完成业务流量的整形， 确认流量是否超过门限值以及对数据流实施特定的策略机制等工作。对比分业 务模型和综合业务模型可以发现，分业务模型之所以优于综合业务模型的原因 有三： 在分业务模型中，业务由特定的字段进行了分类。这样状态信息不再与业 9 i ：海人学顾i ：学位论文 务流的数量成正比，而是与业务分类的粒度成正比，从而大大减少了预留状态 信息的数量。网络的扩展性比较好。 复杂的业务分类、策略管理以及流量整形等工作都仅限于边缘路由器加以 实现，而骨干传送网中的核心路由器只需进行简单的分类和判断工作，从而减 轻了核心路由器的负荷，易于实现大吞吐量的i p 网络。 分业务模型使用与目前i p 网络协议相结合的方式来实现“域”内的服务 质量保证，比使用端到端服务质量控制的综合业务模型简单，网络额外负担也 较小。 2 1 2 3 多协议标记交换 多协议标记交换( m p l s ) 。是目前比较热门技术之一。它将灵活的三层i p 选路和高速的二层交换技术结合起来，从而弥补了传统i p 网络的许多缺陷。 多协议标记交换技术为i p 网络引入了一个定长标记( 4 个字节) ，它位于链路 层帧头和网络层包头之间。标记中有四个域；l a b l e 域占2 0 个比特，用于承 载实际的标记值；c o s 域占3 比特，可提供一种服务分类的机制；s 域占1 比 特，用于支持标记栈的结构；t t l 域占8 比特用于编码实际的寿命值。在这一 方面多协议标记交换技术比分业务模型对传统i p 网络所做的改动要大得多。 m p l s 的工作过程如下：m p l s 的人口边缘路由器( i n g r e s sl e r ) 首先判断 进入的i p 数据包的转发等价类( f e c ) ，然后根据不同的类别在i p 数据包中 绑定不同的标记。而位于m p l s 网络中间节点的标记交换路由器( l s r ) 则仅需 要简单地查看i p 数据包中的标记，并进行快速高效的标记交换( s w a p ) 。在 m p l s 的出口边缘路由器( e g r e s sl e r ) 去掉i p 数据包中的标记并按三层路 由转发至目的地。典型的m p l s 网络如图2 2 所示。 1 0 i ：海人学硕i ：学位论文 l $ 1 融- 标签交换路由器i 勰春釜边缓路由嚣l e r - 业务级别协定 图2 - 2 多协议标记交换网络 i p 数据包在m p l s 域中的传送路径称为标记交换路径( l s p ) 。l s p 的建 立通常有两种方法：控制驱动和数据驱动。控制驱动方式的效率高，传输几乎没 有时延，但没有数据的传送时，也存在标记的消耗，而且网络拓扑结构的变化 会影响对服务质量的保证。数据驱动的方式允许为数据包建立显式路由，即由 m p l s 网络的人口边缘路由器根据所有数据包的s l a ，利用一种流量算法为各个 数据包计算路由，这样的l s p 易于保证m p l s 域内服务质量的一贯性，同时对 业务工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 也十分有用，可用于平衡一些链路的流量。 在实际的m p l s 网络中通常两种方式协同使用。 m p l s 网络中的数据包可以同时携带多个标记，组成标记栈。标记栈的机 制实际上提供了一种建立l s p 隧道的方法。假定一条l s p ，并 且r 2 与r 3 不是直接相连的而是通过一条l s p 隧道和 相连。当数据包到达r 1 时，r 1 将l 1 压人标记栈的第一层，当r 2 进行标记 交换时，它首先将标记栈中的l 1 置换成对r 3 有意义的l 2 ，然后再将一个新 的域内标记l 2 压人标记栈的第二层，l 2 1 仅在r 2 r 3 的l s p 隧道内有意义， 并在r 2 1 、r 2 2 内进行标记交换。r 2 3 弹出第二层标记，再利用第一层的标记l 2 将数据包传给r 3 。r 3 再将第一层的标记l 2 弹出，并发送数据包给r 4 。这种 隧道技术有效地将隧道内的各中间节点对外“屏蔽”，因而在m p l s 域中也就无 需资源代理，这与分业务模型有所不同。而且，如将m p l s 应用于异步转移模 p 海人学顾1 ：学位论文 式( a t m ) 网络之中，一个隧道还可直接映射到一条有特定服务质量保证的虚信 道v c ( 恒定比特率v c 或可变比特率v c ) 之上，从而充分利用a t m 网络的o o s 技术。m p l s 域内也可利用r s v p 协议协同操作。 将多协议标记交换技术与分业务模型对比后可以发现，二者有几个不同点： 多协议标记交换技术引入了新的标记结构，对i p 网络的改变较大。而 分业务模型是对现有i p 网络的改进，仍沿用了i p 包头中的信息。 多协议标记交换技术引入了“显式路由”机制，可对服务质量提供更为 可靠的保证。 多协议标记交换技术引入了l s p 隧道的概念，使得m p l s 域对外部网络 形成透明传送，因而m p l s 域内无需分业务模型中的带宽代理。而且l s p 隧道 易于映射到a t m 的虚信道v c 中，可充分利用a r m 的网络资源和先进的o o s 技术。 2 2 无线网络环境的特点以及由此带来的问题 图2 - 3 是一个典型的无线网络的结构图。无线网络可以看作是有线网络的 扩展，包括接入部分和有线，无线混合的核心网络部分。它可以为用户提供快 速简洁的组网模式，方便灵活的接入手段，而目能够实现有线技术所不能实现 的对终端移动性的支持。 j ：海人学硕i ：学位论文 图2 - 3 无线网络结构图 无线信道可以很方便地支持终端的移动性，提供方便快捷地接入服务。无 线网络中，一个小区或一个共享信道网络中存在着多个移动终端，它们和小区 中的固定的基站进行无线通信，或者在移动终端之间进行相互通信。显然，无 线信道的特点造成了无线网络的性能与有线网络的有很大不同。与有线信道相 比，无线信道的特殊性和由此带来的无线网络的特殊性表现在如下几个方面： 首先，与有线信道相比，无线信道的带宽是非常宝贵的资源。由于无线信 道的开放性和终端的移动性，无线通信中存在着多径效应造成的频率选择性衰 落、多普勒频移造成的时间选择性衰落以及同频干扰、邻道干扰、背景噪声干 i ：海人学颂i ：学位论文 扰等等不利因素，造成无线信道的误码率很高，而且接收到的数字基带信号间 存在着码问串扰。因此无线信道的带宽很窄，所能支持的数据速率不高。 其次，无线信道的信道容量具有时变的特性，是一个随时间变化的随机变 量。由于无线信道中存在的多径效应、多普勒频移以及干扰等因素，在不同的 时刻，这些干扰因素给无线信道带来的误码特性是在变化着的。为了保证无线 信道传输的可靠性，在链路层必须采用一定的错误恢复机制，例如自动重传请 求a r q ，前向纠错编码f e c 以及两者的混合体等等。在不同时刻，无线链路的 净吞吐量随信道状况的好坏而变化。这与有线网络形成了鲜明的对比。有线网 络中，信道的容量为一不随时间变化的恒定值，因此网络资源分配管理主要考 虑的是业务流量的随机性造成的资源需求上的随机性。而无线网络中，无线链 路的信道容量和业务流量都具有随机特性，这就使得无线网络中满足服务质量 的难度大大提高。 无线信道的容量具有空间依赖( l o c a t i o n d e p e n d e n t ) 的特性。在一个无 线小区中同时存在着多条信道，各信道的即时信道容量受各自移动终端的多径 效应多普勒频移以及干扰等的影响，因此在同一时刻，各信道的状态是不相同 的，有的信道状态好一些误比特率低，有的信道状态差一些误比特率高。这与 有线网络中的情况也形成了鲜明的对比，在有线网络中，当通信媒质发生故障 时，通过这段媒质的所有链路的信道容量都变为零。考虑无线信道的空间依赖 特性的意义在于：在无线环境下，由于差错，需要对链路的带宽进行一定的补 偿，在一个小区中需要预留出一部分资源用于带宽的补偿。由于无线信道的空 间依赖特性，在同一时刻需要进行补偿的信道数目是一随机变量，需要补偿的 资源数目也是一随机变量。这就存在一个如何有效的设定需要预留的资源数目 的问题，使得在一定概率下可以有效地对各链路进行补偿，同时又不会过多的 预留不必要的资源，造成资源的浪费。考虑到无线信道的空间依赖特性后，我 们可以用随机限的概念来取代传统的固定限( 即最差情况保证，属于保守估计) 的概念，这样可以更加有效地利用宝贵的无线资源。 无线网络中对终端移动性的支持会带来终端越区切换和连接的重新路由的 问题。在无线网络中，移动终端在运动中会从一个小区切换到另一个小区，为 1 4 j = 海人学硕i 擘位论文 了保证终端越区后已建立的连接不被中断，各小区必须预留一部分资源用于为 越区切换的终端服务，同时原来的连接也有可能需要重新路由。为了提高系统 容量，小区的半径将会越来越小，将逐渐过渡到微蜂窝和微微蜂窝，因此未来 无线网络中越区切换的发生会越来越频繁，系统越区切换的开销会越来越大， 为越区切换的终端预留资源和路由的问题也会越来越迫切。 2 3 小结 本章在查阅大量文献的基础上，介绍了服务质量的基本概念及其在有线网 络中的解决方法。此外，还介绍了无线网络环境自身的新特点，以及由此带来 的数据传输的q o s 的新问题。 上海人学硕j ：学位论文 第三章无线局域网m a c 层协议 本章讨论重点是无线局域网的m a c 协议，以及在此基础上现有的改善服务 质量的方法。 3 1 无线局域网口一1 介绍 随着互联网业务的迅速增长，以及便携式计算和通信设备处理能力的提高， 人们希望能够实现随时随地接入有线主干网络。事实上只要将便携式电脑与有 线的局域网相连，便携式电脑就具备了与外界通信的能力。但是这种方法还不 够灵活，因为连线的牵制使得便携式电脑仅是便携的，却不能移动。 为了实现移动性，便携式电脑必须采用无线( 或红外) 信号进行通信。采 用这种方式，用户就可以在一定区域内的任何一个位置上下载文件，收发电子 邮件和浏览网页。虽然第三代移动通信系统i m t 一2 0 0 0 为终端的无线接入提供 了极强的移动性支持，但很多情况下，人们需要更大的带宽和更低廉的价格。 在这种需求下无线局域网应运而生。便携式计算机在一定区域内进行数据通 信的局域性无线通信系统可以认为是一个局域网，由于采用无线方式相连，所以 称为无线局域网。无线局域网与常规局域网具有不同的特性，它需要采用特殊的 姒c 子层协议。 在过去的几年中，无线局域网有了很大的发展。人们逐渐认识到无线局域网 是传统有线局域网不可或缺的补充，因为它可以满足可移动性、随意性、灵活性 的要求。无线局域网的一种常见的配置就是一个办公室，通过一个接入点与有线 网络相连。在这个办公室中，所有人的电脑都可以通过无线局域网接人互联网。 即使位置发生了变更，只要还处于这个办公室内，仍然可以通过无线局域网进行 接入而不需要重新布线和改变有线连接。 无线局域网是以i e e e8 0 2 1 1 标准为基础的，下面就对i e e e8 0 2 1 1 标准 作一简单介绍。 1 6 i ：海人学顾i ：学位论文 3 1 1i e e e 8 0 2 1 1 网络0 9 i 拓扑结构 i e e e 8 0 2 1 1 网络拓扑结构由许多组件构成，他们相互作用提供一个无线 的局域网，能使站点的移动性对高协议层透明。i e e e 8 0 2 1 1 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，i e e e 8 0 2 1 1 标准称之为基本服务集( b s s ) ， 它提供一个覆盖区域，使b s s 中的站点保持充分的连接。一个站点可以在b s s 内自由移动，但如果它离开了b s s 区域内就不能直接与其他站点建立连接了。 3 111i b s s 网络 i b s s 是一个独立的b s s ，它没有中枢链路基础结构，至少包括两个无线 站点，如图3 - 1 。它不需太多规划就能被快速建立，能基本满足控制一个较小 区域( 如一个房自j 或一个楼层) 的用户需要。i b s s 近似于蜂窝电话中的小区， 但它和小区有明显的差异：蜂窝电话网中小区采用集中控制方式组网，也就是 网中的站点一定要通过小区的基站方可进行通信，但i b s s 的组网方式并不限 于集中控制方式。 ，单一小区传播边界 ，t 一一- ， ，_ ，。 ， ， 。 7 基本服务集t 粥固 、 ? 、 i屠j j 、雠乙屠。 、蝴 、7 ，一一一一一。一， 图3 1 无线局域网最基本类型i b s s 1 7 i ：海人学硕i ：学位论文 3 112e s s 网络 为满足跨越i b s s 范围限制的需求， 如图3 2 所示。该配置满足了大小任意、 i e e e 8 0 2 1 1 详细介绍了e s sl a n ， 复杂度高的大范围覆盖网络需要。 几同 1 p o i n tl 1 _ 一。 b 8 s2 、，_ 一一一，。一， 图3 - 2 一个e s s8 0 2 1 1 无线局域网 3 1 2i e e e 8 0 2 1 1 协议体系结构 图3 3 是i e e e 8 0 2 1 1 委员会提出的无线局域网协议体系结构。由图中可 图3 3 无限局域网的协议体系 8 0 2l l i ：海人学硕 ：学位论文 以看出，与有线局域网一样，无线局域网的标准化工作主要在逻辑链路层l l c 以下，即m a c 层与物理层。由于无线传输技术与有线传输技术的差异及无线 信道的独特性，需要制定新的m a c 协议和相应的物理层协议。 3 2 无线局域网的媒体访问控制技术( m a c ) 局域网的媒体访问控制技术( m a c ) 【1 0 】是局域网的关键技术之一，局域网的 网络性能，如吞吐性能与延迟性能，完全取决于所采用的m a c 协议。所以， 要讨论局域网络的服务质量问题，就必须从媒体访问控制开始。 3 2 1 概述 为了在给定的频段上实现多个站间的无线通信，常常要划分出若干个子信 道，以使站之间可同时通信。这种在一个固定频段上实现多个子信道的技术称 为复用技术( m u l t i p l e x i n g ) 。另一方面，多个站共享某一固定频段进行通信的 技术又称多址接入( m u l t i p l e a c c e s s ) 。在局域网中，用m a c 协议来描述和实 施网上各站的多址接入。m a c 协议可以分为以下三类： 固定分配类，如f d m a 、t d m a 、c d m a 等； 随机竞争类，如a l o h a ，c s m a 等； 按需分配类( 或称预约类、无竞争类) ，如令牌传递多址接入、查询选择 介入等。 对于多址接入，多考虑广播信道。满足以下条件的信道称为具有n 个用户 站的广播信道： 1 n 个用户站直接挂在该信道上； 2 任一个用户站发出的信号可被所有其他站直接收到； 3 信道是半双工的，当且仅当同时只有一个站向信道发送信号时，其他站 才能正确收到该信号。 图3 - 4 给出了广播信道模型。每个挂在信道上的站点各自独立地产生于发 1 9 上海大学硕l ：学位论文 送的数据，这些数据被装入一个一个帧中，然后送到发送缓冲区。假设帧的到 达服从泊松分布，如果用p k ( t ) 表示在时自j ( o ，t ) 内到达k 个帧的事件概率， 则 = 鲁g 功 p ， 令“t ) 为帧到达时间间隔的概率密度函数，则由3 - 1 式可得 a ( t ) = 2 e 砒 站1站2 ( 3 - 2 ) 站n 广播信邀 图3 4 广播信道模型 一个m a c 协议在实用中是否可行，如何对其性能做出定量的评估? 这些 问题对设计、使用协议的人来讲十分重要。引入三个描述m a c 协议的指标： 吞吐量、业务总量、平均传输延迟。 _ 单位时间内在信道上成功传输的信息量定义为吞吐量。 - 信道上所有的站在单位时间内要求传送的帧的信息量称为信道的总业 务量。显然总业务量等于单位时间内新产生帧的信息量与重传帧的信 息量之和。 一某一帧从进入缓冲器的时刻开始，至成功地到达目的站接收缓冲器的 时刻为止的一段时自j ，称为该帧的传输延迟。 p 海人学硕i ：学位论文 3 2 2 无线局域网的m a c 层 i e e e 8 0 2 1 1 标准支持两种业务方式【1 1 】： - 分布式协调方式( d c f ：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 ) ：支持时延 不敏感的数据传输，如电子邮件，f t p 等； 一中心点协调方式( p 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 ) ：这种业务是可选 的。它支持对时延敏感的传输，如实时的音频视频传输。这方式可以 与d c f 方式结合使用。 在一个b s s 中，无线终端和接入点可以采用竞争模式( 业务方式为d c f ) 或者采用无竞争模式( 业务方式为p c f ) 。在前者中，无线终端在传送每个数 据分组时必须竞争信道的使用。而在后者中，接入点对媒质的使用权通过轮询 的方式进行控制和调度，这样就消除了竞争。需要注意的是，这两种方式不是 互相排斥的。媒体的接入方式可以在竞争时间( c p ：c o n t e n t i o np e r i o d ) p q 切换 到竞争模式，在非竞争间隙( c f p ：c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ) 内切换到非竞争模 式。 i e e e 8 0 2 1 1 标准还推荐根据分片参数m s d u ( m a cs e r v i c ed a t a u n i t m a c 层服务数据单元) 使用分片( f r a g m e n t a t i o n ) 和重组( r e a s s e m b l y ) 策略来决定是否在发送前对m a c 服务数据单元进行分片处理。由接收终端来 对分片的m s d u 进行重组。 3 2 2 1 分布式协调方式( d c f ) 如前所述，