（电磁场与微波技术专业论文）无线局域网中组播的应用和实现.pdf

北京自f 电大学硕士学位论文 无线局域网中组播的应用和实现 摘要 随着技术的进步和社会的发展，用户要求能够在任何时间、任何地点、 传输包括视频图像在内任何类型的数据，并且可以在移动中进行数据传 输，这必然要求发展宽带无线数据通信。在有线局域网的基础上发展而来 的无线局域网，由于能够提供远大于移动电话的数据速率，有着其它方式 不可比拟的优势，必将成为未来个人通信系统的重要组成部分。 在这篇论文中，首先对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 1 1 b “。的内容。然 后我们讨论了无线局域网的无线桥接技术及其优势。重点研究了组播算法 的理论及其在无线局域网中的应用。 我们的无线网桥设计方案是一个嵌入式系统解决方案。本文讨论了嵌 入式系统的结构，嵌入式系统的软件开发环境和开发方法。 在前面工作的基础上，通过对无线网桥及组播算法的理解和研究，我 们在嵌入式系统中实现了基于双端口无线网桥的组播算法，并且经过在无 线局域网中的实际测试，验证了注册和注销等主要功能。在论文的最后一 部分我们主要说明了组播算法作为无线网桥上层协议模块的具体实现方 法和流程。 关键字：无线局域网无线网桥组播v x w o r k sg a r pg m r p 北京自b 电大学硕士学位论文 t h ea p p l i c a t i o n sa n d i m p l e m e n n 气t 1 0 n so fm u i j i c a s ti nw l a n a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s s i n go ft e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p i n go fs o c i e t y , u s e r sr e q u i r e t h a tt h e ycanp e r f o r ma n yt y p ed a t at r a n s m i s s i o ni n c l u d i n gv i s u a li m a g ea ta n y t i m e a n da n y w h e r e c o n s e q u e m i a l l ) ；b r o a d b a n dw i r e l e s s d a t ac o m m u n i c a t i o nm u s tb e d e v e l o p e d w l a nt h a td e v e l o p e df r o mw i r el o c a la r e an e t w o r ki ss u p e r i o rt oa n y o t h e rm e t h o db e c a u s ei t sd a t as p e e di sm u c hf a s t e rt h a nm o b i l et e l e p h o n e i t c e r t a i n l yw i l lb ea ni m p o r t a n tp o r t i o no fp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt h e f u t u r e i nt h i sp a p e r , w ef i r s t l yd e s c r i b e dt h ed e v e l o p m e n to fw l a n ，a n a l y z e dt h e c 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 n ，a sw e l la si t sb r i o a tf u t u r e ，w ea l s o d ) s c u s s e dm a i nc o n t e n t so f8 0 2 11 t h e n , w ee x p l a i n e dt h et e c h n i q u ea n da d v a n t a g e s o fw i r e l e s sb r i d g i n gi nw l a n t h ee m p h a s i sw a sp u to nt h et h e o r yo fm u l t i c a s t a l g o r i t h ma n di t sa p p l i c a t i o n si nw l a n t h ew h o l ed e s i g no fo u rw i r e l e s sb r i d g ew a sas o l u t i o nu n d e re m b e d d e ds y s t e m w ed i s c u s s e dt h ea r c h i t e c t u r eo fe m b e d d e ds y s t e m a sw e l la si t sd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta n da p p r o a c h o nt h eb a s i so fp r e v i o u sw o r k ，w eh a v er e a l i z e dt h em u l t i c a s ta l g o r i t h mb a s e d o nt h ew i r e l e s sb r i d g eu n d e rt h ee m b e d d e ds y s t e m a n dw ep r o v e dt h em a i nf u n c t i o n o ft h em u l t i c a s ta l g o r i t h mt h r o u g ht h ew l a nt e s t i n ge n v i r o n m e n t t h el a s tp a r to f t h ep a p e rw a sf o c u s e do nt h er e a l i z a t i o na n dp r o g r a mf l o wo f t h em u l t i c a s ta l g o r i t h m ， w h i c hw a sf u n c t i o n e da sa l lu p p e rl a y e rs o f t w a r em o d u l eo f w i r e l e s sb r i d g e k e yw o r d s ： w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k w i r e l e s s b r i d g e m u l t i c a s t v x w o r k s g a r pg m r p 3 北京自 电大掌硬士学位论文 引言 绪论 高速与移动性是目前局域网发展的两个主要方向，无线局域网( w e a n ) 是 移动性发展的主要内容。随着互联网络的迅猛发展，无线技术将是未来的热门趋 势，作为基础物理接口的无线局域网技术也是实现移动计算网络与“个人通信服 务”( p c s ) 的关键技术之一。第一台应用无线通信的计算机是8 0 年代初在市场 上出现的，随后的无线计算机网络主要采用窄带技术，9 0 年代以来，随着微蜂窝结 构的无线网络技术、扩频技术的采用，特别是相关标准的制定与颁布，无线局域网 技术迅速发展。在各类无线局域网的标准中，i e e e 8 0 2 1 l 是由十分成熟的有线 以太网发展而来，具有简单可靠兼容性强的优点，获得了网络设备生产商的广 泛支持。并且最高达1 1 m b p s 的数据速率足以支持现有的绝大多数语音、数据和 视频业务，所以具有十分广阔的发展前景。无线网桥( 聊 ) 是无线局域网的核心 网络设备，目前国内市场基本上被国外产品所垄断，开发出具有自主知识产权 的无线网桥是国内研发机构的重要机遇和挑战。 从l985 年5 月美国联邦通信委员会( f c c ) 为局域扩频通信开放i s m ( 工业、科学、医学) 频带以来，许多公司开始投入对无线局域网( w l a n ) 技 术和产品的研究和开发。随着i e e e 8 0 2 ，1 1 、e t s i ( e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r di n s t i t u t e ) 、h i p e r l a n ( h i g hp e f o r m a n c er a d i ol o c a la r e an e t w o r k ) 和 w i n f o r u 诅( w i r l e s si n f o r m a t i o nn e t w o r kf o r u m ) 等标准的批准或制定无线局 域网在产品报废和不兼容性上的风险日益减少，这也有助于无线产品在价格上 同有线产品进行竞争，极大促进了无线局域网市场的发展。目前，随着越来越多的 无线局域网产品的出现，越来越低的价格和i e e e 标准的批准，不少网络管理人员 开始重新考虑无线局域网在某些方面的应用。总的来讲，无线局域网在以下几个 方面有着非常现实的意义： 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。 北京自f 电大学硕士学位论文 1 9 9 7 年3 月r a d i o l a n 公司在中国市场推出了它的l o m b s 高速无线局域网 产品，它是第一个提供与i o b a s e - t 有线网传输速率相当的无线局域网系统。可 以预见，在今后几年里无线局域网厂商的目标将是推出i o o m b s 高速无线局域 网产品。无线局域网产品宽带化将是其发展的一个必然趋势，也是无线局域网和 有线局域网竞争的必然结果。另外，随着a t m 网络技术的发展和成熟，无线局域 网接入到宽带a t m 网也已经成为现实的需要并日益受到人们的重视。人们希望 通过将a t m 技术引入到无线局域网来支持移动性的宽带服务，尤其是移动性多 媒体宽带服务。f f t j _ f z n 人们希望在办公室，居民区和移动的交通工具里通过便携式 的无线接入来方便地得到信息和个人通信服务( p c s ) 。在这方面美国贝尔实验室 已经对多媒体无线接入技术和便携式多媒体终端的协同作用进行了多年研究， 并在此基础上正在开发原型系统。毫无疑问，发展高速率的无线局域网，通过无 线接入技术接入到a t m 那样的宽带网支持移动性的宽带服务，将是未来无线局 域网的一个重要发展趋势。 在实际的应用中往往需要有线局域网与无线局域网之间的互连，从而将 有线局域网的高速和可靠的优点与无线局域网的可移动性的优点结合起来。为 了实现这种互连，就需要一个网桥，以完成两种局域网之间的数据包的转发与 协议转换的功能。 网桥是链路层数据的连接设备，它工作在p m 7 子层上。网格在两个局域网 的数据链路层q h q l ) 间接帧传送信息。网桥是为各种局域网存储转发数据而设 计的，它对末端节点用户是透明的，末端节点在其报文通过网桥时，并不知道 网桥的存在。网桥可能将相同或不相同的局域网连在一起，组成一个扩展的局 域网络。 无线网桥的开发主要涉及硬件与软件两部分。无线网桥软件的开发主要按 8 0 2 1 d 标准。该网桥的主要特点是：网桥自动决定帧的转发，而无需管理人员装 入参数及选径表，当桥接的局域网的拓扑结构发生变化时( 比如节点增加、删除 等) 网桥能自适应地调整内部逻辑结构及l a n 的逻辑拓扑结构。 网桥的主要功能包括：( 1 ) 帧的转发和过滤：( 2 ) 建立和保存用来决定帧转 发和过滤的信息：( 3 ) 管理功能，对( 1 ) ( 2 ) 的管理。 属于网桥的附加功能有生成树以及g a r p 和g m r p 等协议。在桥接的网络中， 为了避免环回路径，一个节点和另一个节点的通信必须有且只有一条路径，因此 网中的网桥必须利用生成树协议生成一裸生成树。其中g a r p 与g m r p 是在生成 树动态生成的拓扑的基础上附加组播，属于第二层链路层的功能。 随着宽带网络技术的快速发展，各种宽带网络应用层出不穷，如网络音频、 视频广播、网络视频会议、多媒体远程教育和虚拟现实游戏等。在这些新兴应 北京邮电大学硕士学位论文 用中，需将一个节点的信号传送到多个节点，且对网络带宽资源及服务质量有 较高的要求，这就需要改进当前的数据传输技术。传统的数据传输技术包括单 播( u n i c a s t ) 和广播( b r o a d c a s t ) 两种方式。单播方式是一种点到点传输技 术，数据包的个拷贝从源机传输到目的机。如果一个发送者同时给多个接收 者传输相同的数据，则必须复制多份相同的数据包，这必将导致发送者负担过 重，网络延时增大，无法保证服务质量。广播方式即将数据包的一个拷贝发送 给网络上的所有用户，而不管用户是否需要该数据包，因而导致网络资源的严 重浪费，并且无法保证其安全性。由以上分析可知，单播和广播两种方式均不 适合新兴应用，于是引入了组播技术，这是种一点对多点网络链接方式，如 果一发送者给多个接收者传输相同的数据时，只把数据包发送给特定的组播组， 只有加入该组的主机才能接收到数据。在组播网络中，即使组播用户数量成倍 增长，骨干网络中网络带宽也无需增加，简单来说，成百上千的组播应用用户 与一个组播应用用户消耗的骨干网带宽是一样的，从而最大限度地解决目前宽 带应用对带宽和网络服务质量的要求。因此目前组播技术的研究已成为重点。 两台主机通过网桥进行通信时，网桥中的核心硬件以太网控制器将根据数 据帧的目的m a c 地址，查找源以太网端口的m a c 地址表找到目的端口，实现数 据转发。如果该数据帧的目的m a c 地址不在其m a c 地址表中，则以太网控制器 将会把这个数据帧以广播方式发送到所有端口。基本的网桥都是通过自动“学 习”过程来存储源m a c 地址从而实现数据帧交换的，而组播m a c 地址是不会作 为源m a c 地址在数据帧中出现的，所以交换机的各个端口无法在地址表中找到 这些地址，就只能视为广播数据发送到各个端口，这就显然失去了组播技术提出 的意义。 基于此方面的考虑，便提出了基于网络第二层的组播相关协议。现在较为 流行的有c g m p ( c i s c o 组管理协议) ，i g m pp r o x y ( 也叫i g m p 代理) ， g m r p ( g a r p 组播注册协议) 和i g m ps n o o p i n g ( 也叫i g m p 侦听) 。 作者参与了北京邮电大学无线通信中心无线网桥的研究开发项目，经历了 理论学习、跟踪调研、需求分析、设计实现和系统测试的完整过程，主要负责 无线网桥上层协议中组播功能的设计和实现工作。无线网桥上层协议的设计主 要是基于无线局域网标准i e e e8 0 2 1 1 b ，有线局域网标准8 0 2 3 【2j ，网桥的相 关标准8 0 2 ，l d ( m a c 层网桥标准) 【3 】、8 0 2 1 9 ( 远程网桥标准) l 、8 0 2 1 j ( 网 桥管理对象) 【7 1 ，以及i e t f 对网桥管理实体具体内容定义的相关文档 ( r f c l 2 8 6 f 8 】、r f c l 4 7 4 f 9 】、r f c l 4 9 3 1 1 例、r f c 2 6 7 4 ”) 和g a p r g m r p 协议的 设计方案，结合协议工程的基本原理和构造方法，参考o s l 7 层模型p7 j 和t c p i p 协议栈的设计方案3 7 ，给出了适宜的无线网桥上层协议的设计。无线网桥上层 北京自f 电大学硕士学位论文 协议实现的系统平台是嵌入式实时操作系统v x w o r k s 3 8 】，v x w o r k s 的软件核心 是实时任务，因此无线网桥上层协议的实现主要涉及到对协议实体任务的划分、 任务的调度、任务间的通信等机制的实现【3 6 3 8 1 和测试工作。作者在网桥里实现 了g a r p 以及g m r p 。 论文结构 本文主要研究无线局域网中的网桥和在网桥中的第二层组播协议g m r p 以 及一些在嵌入式v x w o r k s 中实现问题的讨论。 绪论介绍了无线局域网技术的优势及其产生背景，介绍了无线局域网技术 标准的发展历史，简述了本论文选题的意义。 第一章无线局域网技术概述：介绍了什么是无线局域网，简介了无线局域 网相关概念，简单描述了无线局域网网络的几种组成结构，并介绍了无线局域 网技术的相关标准。 第二章对数据链路层的网络互联设备网桥做了一般性讨论，针对无线网桥 具体介绍了无线桥接技术和优势，及其典型应用，并总结了网桥包括无线网桥 应具有的功能。 第三章对组播做了简单性介绍，重点对第二层组播协议g a r p g m r p 的理 论及算法做了详细分析，说明了在网络桥接设各系统中采用组播算法的意义。 详细描述了g a r p 以及g m r p 的体系结构。 第四章介绍了嵌入式系统技术，并对无线网桥的整体设计做了概要说明。 主要阐述了在嵌入式系统中实现的基于无线网桥的组播算法的设计思路及具体 实现过程，给出了主要的模块框图和程序流程图。 北京自f 电大学硕士学位论文 第一章无线局域网技术 1 1 无线局域网简介 1 1 1 何为无线岗域网 无线局域网( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ，缩写为”w l a n ”) 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，所谓无线局域网，是以无线信道 为传输媒介构成的计算机网络，通过无线射频信号( r f ) 在空中传播各种类型 的数据。通俗地说，无线局域网就是在不采用传统缆线的同时，提供以太网或 者令牌网络的功能。作为有线局域网的延伸和补充，w l a n 可以使各种类型的 p c 终端实现真正意义上的自由移动，能迅速、方便地解决通过有线方式不易实 现的网络信道连通问题。 w l a n 的构成可以从物理实体和逻辑分层两个方面加以分析： 1 ) 从物理实体上讲w l a n 包括接入点( a c c e s sp o i n t ) 、无线网卡( w l a n c a r d ) 、无线网桥( w l a n b r i d g e ) 及天线等几部分构成。 2 ) 从逻辑分层上讲，w l a n 可以分成以下几层： 一物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 负责无线信号在空中接口的实际传输，例 如，如果接收信号场强足够，便可以进行传输。 当传输成为可能时，m a c 层( m a cl a y e r ) 基于物理层返回的各 项参数对传输进行控制。另外，当发生误帧或未收到证实帧时， m a c 层负责数据重传。 一i p 层为应用层维护数据，另外也有相应的机制来保证数据的完整。 1 1 2 无线局域网的优点 w l a n 的网络速度与以太网相当。一个a p 最多可支持1 0 0 多个用户的接入， 最大传输范围可达到几十千米，具有以下几大特点。( 1 ) 具有高移动性，传输范围 大。w l a n 中两个站点间的距离目前可达到5 0 k m 。( 2 ) 抗干扰性强。w l a n 使用的 无线扩频技术产生的随机码元能将源信号围绕中心频点上下展宽，使源信号带 宽增加，且信号平均能量降低。在实际传输中，接收端接收到的是混合信号，即混 合了( 高能量低频宽) 的噪声。混合信号经过同步随机码元解调，在中心频点处重 新解析出高能的源信号，依据同样算法，混合的噪声反而被解调为平均能量很低 可忽略不计的背景噪声。( 3 ) 安全性能强，无线扩频通信本身就起源于军事上的 防窃听( a n t i - j a m m i n g ) 技术：扩频无线传输技术本身使盗听者难以捕捉到有用 o 北京自f 电大学硕士学位论文 的数据：w l a n 采取网络隔离及网络认证措施：w l a n 设置有严密的用户口令及认 证措施，防止非法用户入侵：w l a n 设置附加的第三方数据加密方案。对于有线局 域网中的诸多不安全问题，在w l a n 中基本上可以避免。( 4 ) 扩展能力强，只需通 过增加a p 及相应的软件设置即可对现有无线网络进行有效扩展。( 5 ) 建网容易， 组网速度快、工程周期短，适合于在临时、应急、抗灾通信情况下组建网。( 6 ) 丌发运营成本低。架设无线链路无需架线挖沟，线路开通速度快。灵活性更高、 移动性更强。( 7 ) 受自然环境、地形及灾害影响小。 1 1 3 拓朴结构 无线局域网的扩扑结构可归结为两类：无中心或对等式( p e e rt op e e r ) 拓 t l i u 有中心( h u b b a s e d ) 拓扑。 1 、无中心拓扑 无中心拓扑的网络要求网中任意两个站点均可直接通信。 采用这种拓扑结构的网络一般是用公用广播信道，各站点都可竞争公用信 道，而信道接入控制( m a c ) 协议大多采用c s m a ( 载波监测多址接入) 类型 的多址接入协议。 这种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易、且费用较低。但当网中用户 数( 站点数) 过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害。并且为了满足任意 两个站点可直接通信，网络中站点布局受环境限制较大。因此这种拓扑结构适 用于用户相对减少的工作群网络规模。 2 、有中心拓扑 在中心拓扑结构中，要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访 问均由其控制。 这样，当网络业务量增大时网络吞吐性能及网络时延性能的而恶化并不剧 烈。由于每个站点只需在中心站覆盖范围之内就可与其它站点通信，故网络中 点站布局受环境限制亦小。此外，中心站为接入有线主干网提供了一个逻辑接 入点。 有中，0 网络拓扑结构的弱点是抗毁性差，中心点的故障容易导致整个网络 瘫痪，并且中心站点的引入增加了网络成本。 在实际应用中，无线网往往与有线主干网络结合起来使用。这时，中心站 点充当无线网与有线主干网的转接器。 北京自f 电大学硕士学位论文 1 1 4 主要协议标准 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。目前比较流行的有8 0 2 1 1 标准( 包括8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 及8 0 2 1 1 9 等标准) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 标准以及h o m e r f ( 家庭网络) 标准等。 8 0 2 1 i 标准 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。 8 0 21 1 标准除了介绍无线局域网的优点及各种不同性能外，还使得各种不同厂 商的无线产品得以互联。另外，标准使核心设备执行单芯片解决方案，降低了 无线局域网的造价。8 0 2 1 1 标准的颁布，使得无线局域网在各种有移动要求的 环境中被广泛接受。它是无线局域网目前最常用的传输协议，各个公司都有基 于该标准的无线网卡产品。不过由于8 0 2 1 l 速率最高只能达到2 h t b p s ，在传输 速率上不能满足人们的需要，因此，i e e e 小组又相继推出了8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 l a 两个新标准，前者已经成为目前的主流标准，而后者也被很多厂商看好。 8 0 2 1 l b 标准采用一种新的调制技术，使得传输速率能根据环境变化，它 采用2 4 g h z 直接序列扩频，最大数据传输速率为1 1 m b s ，无须直线传播。动 态速率转换当射频情况变差时，可将数据传输速率降低为5 5 m b s 、2 m b s 和 1 m b s 。支持的范围是在室外为3 0 0 米，在办公环境中最长为1 0 9 米。8 0 2 11 b 使用与以太网类似的连接协议和数据包确认，来提供可靠的数据传送和网络带 宽的有效使用。 8 0 2 11 a 标准是己在办公室、家庭、宾馆、机场等众多场合得到广泛应用 的8 0 2 1 1 b 无线局域网标准的后续标准。8 0 2 1 1 a 标准的传输更惊人，传输速 度可达2 5 m b p s ，完全能满足语音、数据、图像等业务的需要。 蓝牙标准 蓝牙( i e e e8 0 2 1 5 ) 是一项新标准，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”是一种极其先进的大容量近距离无线数字通信的技 术标准，其目标是实现最高数据传输速度l h l b p s ( 有效传输速率为7 2 1 k b p s ) 、 最大传输距离为1 0 厘米1 0 米，通过增加发射功率可达到1 0 0 米。蓝牙比 8 0 2 1 1 更具移动性，比如，8 0 2 1 l 限制在办公室和校园内，而蓝牙却能把一个 设备连接到局域网和广域网，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。“蓝牙”最大的优势还在于，在更新网络骨干时，如果搭 配“蓝牙”架构进行，使用整体网路的成本肯定比铺设线缆低。 家庭网络的h o m e r f 标准 h o m e r f 工作组是由美国家用射频委员会领导于1 9 9 7 年成立的，其主要工作任 务是为家庭用户建立具有互操作性的话音和数据通信网，2 0 0 1 年8 月推出 北京自f 电大学硕士学位论文 h o m e r f2 0 版，集成了语音和数据传送技术，工作频段在1 0g h z ，数据传输速 率达到l o m b p s ，在w l a n 的安全性方面主要考虑访问控制和加密技术。 h i p e r l a n 欧洲电信标准化协会( e t s i ) 的宽带无线电接入网络( b r a n ) 小组着手制定 h i p e r ( h i g hp e r f o r m a n c er a d i o ) 接入泛欧标准，已推出h i p e r l a n l 和 h i p e r l a n 2 。h i p e r l a n l 推出时，数据速率较低，没有被人们重视，在2 0 0 0 年， h i p e r l a n 2 标准制定完成，h i p e r l a n 2 标准的最高数据速率能达到5 4 m b i t s ， h i p e r l a n 2 标准详细定义了w l a n 的检测功能和转换信令，用以支持许多无线网 络，支持动态频率选择、无线信元转换、链路自适应、多束天线和功率控制等。 该标准在w l a n 性能、安全性、服务质量q o s 等方面也给出了一些定义。 1 2i e e e8 0 2 1 1 标准 i e e e 在1 9 9 7 年6 月正式批准了无线局域网i e e e 8 0 2 1 l 标准，是w l a n 发展 史上的一个划时代的事件。在此之前曾经历了一个较漫长的制定过程。1 9 9 0 年 7 月，i e e e 8 0 2 委员会接受了美国n c r 公司“c s m a c d 无线媒体标准扩充”的提 案，成立了i e e e 8 0 2 1 1 分委会，负责制定该标准，到1 9 9 6 年提出了第四版草案。 与i e e e 8 0 2 3 、8 0 2 4 、8 0 2 5 相对应，8 0 2 1 l 定义范围同样是o s i 参考模 型中的物理层( p h y ) 与数据链路层中的介质访问控制( m a c ) 子层。图1 1 说明了 它的协议模型及其与o s i 的关系。 图1 1i e e e 8 0 2 1 l 协议模型及其与o s i 的关系 i e e e8 0 2 1 1 标准主要服务是发送2 个同级逻辑链路控制( l l c ) 间的m a c 服务数据单元。8 0 2 1 l 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： 连接。8 0 2 1 l 标准包括下列一些具体的特征： 下列一些具体的特征： 其业务功能要求有： 舢由无线媒体提供含分组语音在内的1 m b p s 2 0 m b p s 无连接m a c 业务： b 1w l a n 中的站为局部区域内固定或可移动的站； c ) 应用环境为办公室，建筑群，工厂，机场等； 北京自f 电大学硕士学位论文 d ) 任意两站间可自由通信： 技术功能要求有： a ) 单一介质层支持多物理层，物理层可有不同的传输媒体检 j ! 疑4 特性： b ) 允许同地域及信道空间有多网络存在，可以共享传输媒体及重复使用同 一传输媒体： c ) 较强的抗干扰特性，干扰源有：微波干扰，其它免许可证审批频段用户 及同信道干扰： d ) 支持无竞争型异步业务及竞争异步业务； e ) 具有处理数据传输时限的措施： n具有节能管理机制： 按照国际标准化组织( i s o ) 提出的“开放系统互联参考模型”( o s i r m ) ，由于 无线局域网没有复杂的中转，路由等网络控制，网络层简单，只涉及o s i r m 中 的数据链路层及物理层。其中数据链路层可细分为逻辑链路控制层( l l c 层) 及 媒体访问控制层( m a c 层) 。i e e e 8 0 2 1 1 只对p h y 及m a c 层提出相应规范。 1 2 1 l e e e 8 0 2 1 1 的组网方式 1 几个基本概念 在i e e e8 0 2 1 1 中，无线网络的最基本的组成单元被称为基本服务区b s a ( b a s i cs e r v i c ea r e a ) ，丽在一个b s a 内彼此之间相互联系，相互通信的一组 主机组成了一个基本服务集b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) ，通常我们把介质访问 控制层和物理层的接口规范符合无线介质特性的设备，如计算机等，称为主机 s f a ( s t a t i o n ) 。一个单独的b s s 组成的网络为单区网肋h o e 网络。因为在无 线环境下，传播延时和信号衰落是动态和不可准确预测的，所以所谓的基本服 务区实际上只是一个概念上的区域，某一时刻属于同一b s s 的所有s f a 的功率 覆盖范围才是真正的与该b s s 对应的基本服务区。所以，我们用b s s 代表一组 互相连接和通信的s t a ，也指与它们相对应的基本服务区。 一个b s a 所能覆盖的区域受到环境和主机收发机特性的限制，为了覆盖更 大的区域，我们就需要把多个b s a 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 ) 连接起来，形成一个扩展服务区e s a ( e x t e n d e ds e r v i c ea r e a ) ，而通过d s 互 相连接起来的、属于同一个e s a 的所有主机组成一个扩展服务组e s s ( e x t e n d e d s e r v i c es e t ) 。每个b s s 都被分配了一个标识号b s s - i d ，每个e s s 也被分配一 个标识号e s s i d ，所有的e s s i d 组成一个网络标识n i d ( n e t w o r ki d ) ，用以 标识这几个e s s 组成的网络。通常在b s s 中有一台主机能提供这样的服务：本 b s s 中所有主机能通过它对d s 进行访问、与其它b s s 中的主机通信、获取和维 北京自f 电大学硕士学位论文 护管理信息，我们称这台主机为无线接入点爿尸( a c c e s sp o i n t ) ，a p 既可以作 为一个普通主机应用，也可以提供这种管理服务。通过a p 把b s s 和d s 互联起 来组成的网为多区网i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k 。在i e e e 8 0 2 1 1 中要求：从数 据链路层l l c 看来，e s s 和一个独立的b s s 是没有什么区别的，属于同一个b s s 的移动主机从一个b s s 移动到另一个b s s 是透明的。 在一个b s s 中，决定某一时刻哪个主机可以通过无线媒体发送数据或接收 数据的功能称为协调功能c f ( c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。无线局域网最基本的 协调功能是分稚式协调功能d c f ( d i s t r i b u t i o nc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) ，而 在多主机网中a p 决定某个时刻哪个主机可以发送接收，我们称之为点协调功 能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 ) ，a p 充当点协调器。这两种协调功能 实际是基于分布式无线媒体访问协议d f w m a c ( d i s t r i b u t e df o u n d a t i o n w i r e l e s sm a c ) 引入的两种访问方法，它们是可以共存，互为补充的。 对无线网桥上层协议来说，使用8 0 2 1 l 所提供的底m a c 层服务来实现无线 连接l a n 的功能。不同的组网方式要使用不同的8 0 2 1 l 底层服务。如中心转接 组网方式( 点对多点无线连接) 中，中心转接网桥( 主网桥) 必须具备a p 的所 有服务功能( 分布式服务) 。而从网桥使用s t a 的所有服务功能。在以后的章节 中，主网桥就代表该网桥使用a p 服务功能，从网桥就代表该网桥使用s t a 的服 务功能( s t a 服务) 。 2 拓朴结构 8 0 21 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。 独立的b s s 即i b s s 是i e e e8 0 2 1 l 局域网的最基本类型。一个最小的i e e e 8 0 2 1 1 局域网可以只包括两个工作站，若i e e e8 0 2 1 l 工作站可直接通信，这种 操作模式是可能的。由于这种i e e e8 0 2 1 1 局域网经常不需事先计划，只是在局 域刚需要的时候形成，因此这种类型的操作经常被称为特别网络。要成为基本 下部组织b s s ( i n f r a s t r u c t u r eb s s ) 的一个成员，工作站应成为“已连接的”， 这些连接是动态的弗与分配系统业务有关。 幽1 2 独立基本服务集( i b s s ) 扩展服务集( e s s ) 网络。 分配系统( d s ) 和b s s 允许i e e e8 0 2 1 1 创造任意尺寸和复杂性的无线网 一一之 。 ：1 1 - ：隶m 1 3 电大学硕士学位论文 络，i e e e8 0 2 1 l 称这种网络为扩展业务集( e s s ) 网络。关键概念是对l l c 层 来说e s s 和i b s s 的表现是相同的。e s s 中的移动工作站从一个b s s 移到另一 个b s s ( 在同一e s s 中) 的过程对于l l c 是透明的。 图1 3 扩展服务集( e s s ) 8 0 2 ，1 1 标准认可以下的移动类型： 不迁移型：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：这种移动类型指站点从e s s 中的一个b s s 移动到相同e s s 中的另一个b s s 。 e s s 迁移型：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。 1 2 2 i e e e8 0 2 1 1 逻辑结构 i e e e8 0 2 1 1 逻辑结构如图1 4 所示，每个站点所应用的8 0 21 1 标准的 逻辑结构包括一个单一的m a c 和多重p h y 中的一个。 图1 4i e e e8 0 2 1 1 逻辑结构 1 2 2 18 0 2 1 1 物理层 8 0 2 1 1 定义了单个m a c 的三个不同的物理层选择，红外线与两个2 4 g h z 北京自f 电大学硕士学位论文 频段上的射频：d s s s 与f h s s 。它要求能为局部区域固定或可移动的站点之间利 用无线媒体提供含分组语音在内的1 m 2 0 m b p s 的自由通信。 ( 1 ) 红外线局域网。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 6 - p p m 。红外线的波段介乎于可见光与微波之间的广阔区域不受无 线电波干扰，传输速度极高，并且通常使用激光技术，方向性比微波更好，更适合于 军用，如边防哨所之间的直线保密通信。但由于其易受天气影响、穿透能力较差 等因素，红外线受到的支持最小。 ( 2 ) 跳频扩频( f h s s ) 局域网。跳变频率至少为1 跳秒，利用g f s k 二级或四 级调制方式，速率为2 m b p s 。f h s s 比d s s s 相对更安全，也有更强的抗干扰能力。 ( 3 ) 直接序列扩频( d s s s ) 局域网。8 0 2 1 1 采用b a r k e r 码为伪随机码，定义了 两种调制方式t 传输速率为1 m b p s 的d b p s k ( 差分二相移相键控1 方式与2 m b p s 的d q p s k ( 差分正交移相键控) 方式。d s 具有更大的拓展速率的余地。 1 2 2 28 0 2 1 1m a c 层 w l a n 传输介质( 微波、红外线) 有别于有线网，加上需要对移动计算的支持， 决定了8 0 2 1 1m a c 单元面临着一些全新的技术难题，以及为此规定了一些独特 的技术机制，同时保证无线网与有线网之间能通过桥接器连接，并可互操作。 ( 1 ) 8 0 2 1 1 的工作原理由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突， 因而象以太网i e e e 8 0 2 3 为代表的总线型有线l a n 的介质访问方法 c s m a c d ( 载波监听多路访问，冲突检测) 不适合于w l a n ，而采用c s m a c a ( 载 波监听多路访问冲突避免) 协议。c s m a c a 是c s m a c d 的变种，可与之实现无 缝连接，它的不同之处在于引入了随机退避迟延机制并利用了对网络流量的统 计信息。首先侦听介质是否空闲；其次通过一个随机的时间等待使空闲后冲突发 生概率最大的时候尽可能避免冲撞。8 0 2 1 1 同时提供了可选的带确认帧a c k 的 c s m a c a ，使冲突一旦发生，a c k 能保障在m a c 层对帧丢失予以快速检测与重 发。 为了进一步减小冲突概率，特别是在传送大容量文件需解决“隐藏终端”问 题时，可以启动r t s c t s 握手协议。基本过程是：首先发信站a 向目的站b 发送 请求发送帧r t s ，b 收到r t s 后向所有基站发出清除发送帧c t s ，表明准备就 诸，a 可以发送，其余基站不动，然后a 向b 发送数据，b 收完数据后即发送a c k 确认帧，通信结束。 8 0 2 ，1 1 主要使用分布式访问控制方式( d c f ) 的c s m a c a 争用访问，但也提 供集中控制( p c f ) 的可选访问方法，它是在d c f 的基础上实现的无竞争访问方 法。8 0 2 1 1 m a c 把时间域划分为超帧格式，在无竞争期( 传输量较少的时段) 由中 北京自f 电大学硕士学位论文 一t l , 控制结点轮询，某一时刻只允许一个站点发送，它由c s m a c a 提供的访问优 先级实现。而在竞争期则使用c d m c a 协议。 ( 2 ) 8 0 2 1 1m a c 帧格式通用的m a c 帧格式如图1 5 。与8 0 2 3 m a c 帧中只 有源地址和目的地址两个m a c 地址不同，8 0 2 1 1 m a c 帧有四个m a c 地址配合 控制字段中两个控制位选择，能够表示源地址、目的地址、中转地址和扩展地址， 使无线网的接入与组网方式灵活自由。 卜一 - + 。l 托。1i 毪i - 2i 琏- 3 or 譬蔓。 ；羔“4 艇。f 4 “一u “ 1 2noa一 图1 5 m a c 帧格式 ( 3 ) m a c 服务与特殊功能在为逻辑链路控带i j ( l l c ) 子层提供m a c 服务类型 方面，8 0 2 “和8 0 2 家族基本一致，主要有数据服务、安全服务、m s d u ( m a c 服 务数据单元) 重整等，但在具体方式上有些不同，特别是安全服务与m s d u 重整。 此外，8 0 2 1 1m a c 还提供一些特殊功能，主要是异地漫游与电源管理。 8 0 2 1 1 异地漫游允许一个客户机在多个无线子网中漫游，并且可以工作在相 同或不同信道中，在各访问点( a p ) 之间实现自动无缝切换。传输频带设置在a p 上，基站动态调频到a p 设定的频带，这个过程称为扫描，8 0 2 1 1 定义了被动扫描与 主动扫描两种模式。8 0 2 1 1 还使便携计算机可以通过电源管理功能延长电池寿 命，即在特定时间或用户自定义的时间内没有移动时，使系统处于休眠状态( 低电 压或断电状态