（计算机软件与理论专业论文）基于ieee80211e+mac层qss机制的研究与改进.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：璃蠡 l 阵6 月f 拥 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社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， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密酉。 学位论文作者签名：辐 2 of 1 年莎月c 0 日 指剥雠：彳沙。锄 庐l f 年易月f 9 日 江苏大学硕士学位论文 摘要 数据通信的发展越来越趋向于无线化，但是无线网络中，有限的带宽资源 以及复杂多变的信道特性，限制了视频和音频等多媒体实时业务服务质量。在 2 0 0 5 年底出台的i e e e8 0 2 1 l e 是传统i e e e8 0 2 1 l 标准的增强版，它针对多媒 体业务进行了服务区分，提供了m a c 级q o s 增强机制，在一定程度上满足了 网络中不同业务流的q o s 要求。 网络状态是复杂多变的，而i e e e 8 0 2 11 e 中的e d c a 机制m a c 层q o s 参 数是静态设置的。并不能适应所有负载状态的网络环境。研究表明，在高负载 的网络条件下，e d c a 机制下的网络碰撞率较高，业务的吞吐量明显下降；而 在低负载的网络环境下，又导致了很多空闲时隙的浪费。因此，让信道接入机 制能够根据网络负载情况动态调节q o s 参数成为现下研究的热点。 本文对信道接入机制做了改进，其中包括竞争窗口的动态改进和退避计时 器的退避算法动态自适应设计。 为了能够在高负载的网络环境下，获得较高的系统吞吐量和较少的时延， 文章对竞争窗口做了动态调整的设计。已有的研究都是使用的整个站点发送数 据包发生的碰撞率来评估每个业务流的网络负载情况，而本文使用每个站中发 送队列碰撞率来评估每个业务流的网络负载情况。因为业务流的优先级是不同 的，因此它们各自的发送机会也不相同，这样它们的发送数据包的碰撞率是不 同的，因而使用后者来做每个业务流的网络负载的评估会更加精确。最后通过 网络负载情况来调整竞争窗口，同时要保证高优先级业务流更有机会接入信道。 为了在网络负载较高的情况下，在保证高优先级性能的前提下，进一步提 高中、低优先级业务流的性能，本文提出了a d e d c f 机制对退避计时器的退 避算法进行了改进，抛弃了原有的单一的线性退避过程，而是将整个退避过程 划分成线性衰减部分和指数衰减部分，通过改变这两个衰减部分分别所占的比 重，来调整衰减的速率，并将这个比重大小与网络负载率关联起来来适应不同 负载的网络环境。通过采用这样的设计来减少网络数据包的碰撞率、减少时延， 来提高系统整体的吞吐量和实时性。 本文分别对以上两种改进后的算法进行了建模性能分析和仿真实验，结果 都表明改进后的算法都达到了各自改进的目的，提高了网络的整体性能。 关键字：i e e e8 0 2 1 1 e 协议；竞争窗口；冲突率；增强型分布式信道访问机制； 服务质量 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t o d a yt h ep e r s o n a ld a t ac o m m u n i c a t i o ni sm o r ea n dm o r et e n dt ow i r e l e s s b u t t h el i m i t e db a n d w i d t hr e s o u r c e sa n dt h ef l e x i b i l i t yo ft h ec h a n n e li nw l a n m a y r e s u l tt op o o rq u a l i t yo ft h ew e bs e r v i c e ，e s p e c i a l l yt oh i g h - p r i o r i t yc l a s s e ss u c ha s a u d i oa n dv i d e o s oh o wt op r o v i d em u l t i m e d i as e r v i c e st oe n s u r eq u a l i t yo fs e r v i c e b e c o m e st h ef o c u so ft h er e s e a r c h t h ei e e e8 0 2 1lew a sr e l e a s e da tt h ee n do f2 0 0 5y e a ri sa ne n h a n c e dv e r s i o n o ft h et r a d i t i o n a li e e e8 0 2 11a n di s p r o p o s e dt os u p p o r tq o so fm u l t i m e d i a s e r v i c e s i e e e8 0 2 1lec a np r o v i d eac e r t a i nq o sg u a r a n t e e t h i st h e s i ss t u d i e st h e q o sg u a r a n t e e sa n d a d m i s s i o nc o n t r o lm e c h a n i s mi n 8 0 2 1leb a s e dw i r e l e s s n e t w o r k s h o w e v e r , e d c am a cp a r a m e t e r sa r es t a t i c ，a n dc a nn o ta d a p tt oa l l n e t w o r kl o a dc o n d i t i o n s w h e nn e t w o r kl o a di sh i g h ，t h ep a c k e tc o l l i s i o nr a t ew i l lb e g r e a t ，o rc a u s eu n n e c e s s a r yd e l a y s ，t h e r e b ya f f e c t st h eo v e r a l ln e t w o r kp e r f o r m a n c e b a s e do nt h ei e e e8 0 2 1lem a c p r o t o c o l ，t h ec o l l i s i o nr a t eo fe a c hs e n dq u e u ei s d e f i n e d t oa c h i e v eh i g h e rt h r o u g h o u ta n dl e s sd e l a yu n d e rh i l g hl o a dc o n d i t i o n s ，t h i s p a p e rd e s i g nad y n a m i ca d j u s t m e n to fc o n t e n t i o nw i n d o w s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s w e r ec a r r i e do u tb yn s 一2s i m u l a t o r s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h i sa l g o r i t h mc a n e n s u r et h er e q u i r e m e n to ft h er e a l t i m et r a f f i c ，r e d u c ee f f e c t i v e l yt h ed e l a ya n d i n c r e a s es i g n i f i c a n t l yt h et h r o u g h p u to fw i r e l e s sl a n t oi m p r o v et h em e d i u ma n dt h el o wp r i o r i t yf l o w sp e r f o r m a n c eu n d e rh i g h c h a n n e ll o a d t h i s p a p e rp r o p o s e st h ea d a p t i v ed y n a m i ce d c f ( a d e d c f ) c h a n n e la c c e s sm e c h a n i s m a c c o r d i n gt ot h ec o l l i s i o nr a t eo fe a c hs e n dq u e u e ，t h e m e c h a n i s ma d j u s t st h ec o n t e n t i o nw i n d o wa n dt h er a t eo fb a c ko f ft or e d u c et h e c o l l i s i o na n du n n e c e s s a r yw a i t i n gt i m e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h i sm e c h a n i s m i m p r o v et h et h r o u g h o u to ft h em e d i u ma n dt h el o wp r o r i t yf l o w s k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 1le ；c o n t e n t i o nw i n d o w ；c o l l i s i o nr a t e ；e d c a ；q o s i i 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义l 1 2q o s 研究现状2 1 3 研究内容3 1 4 论文组织4 第二章i e e e8 0 2 11 m a c 层协议5 2 1i e e e8 0 2 1 1 基本原理5 2 1 1w l a n 组成结构5 2 1 2w l a n 拓扑结构7 2 1 3w l a n 的服务一l0 2 2i e e e8 0 2 1 1 x 的无线媒体接入协议1 2 2 2 1d f w m a c 协议概述12 2 2 2d c f 协议原理一1 4 2 2 3p c f 原理15 2 3i e e e8 0 2 1 1e 协议分析17 2 3 1i e e e8 0 2 1 1 e 帧的格式1 8 2 3 2 混合式协调控制信道访问机制h c c a 1 9 2 3 3 分布式信道访问机制e d c a 。1 9 2 4 小结2 2 第三章i e e e8 0 2 1 l e 竞争窗口的研究和改进2 3 3 1e d c a 相关机制分析2 3 3 1 1e d c a 机制的缺点2 3 3 1 2a e d c f 机制的研究2 4 3 2c w aa 算法描述2 5 3 2 1 网络负载情况的评估2 5 3 2 2 算法的设计2 7 江苏大学硕士学位论文 3 2 3 算法的具体步骤j 2 7 3 3 性能分析2 8 3 3 1e d c a 分析模型2 8 3 3 2 饱和吞吐量与饱和时延分析31 3 3 3c w a a 算法性能分析3 3 3 4 仿真实验3 3 3 4 1 网络模拟软件n s 2 简介3 3 3 4 2 仿真环境3 5 3 4 3 实验结果分析3 7 3 5 小结3 9 第四章i e e e 8 0 2 1l e 自适应动态信道接入机制的设计。4 0 4 1e d c f 中退避算法4 0 4 2f c r 机制的研究分析4 0 4 3 自适应信道接入算法设计4 2 4 3 1 退避计时器新退避算法4 2 4 3 2 数据包碰撞下新算法的研究4 4 4 3 3 数据包成功发送下新算法的研究4 4 4 4 仿真实验4 5 4 4 1 仿真环境4 5 4 4 2 实验结果分析。4 6 4 5 小结4 9 第五章总结与展望5 0 5 1 课题工作总结5 0 5 2 展望51 参考文献5 2 致 射5 6 论文发表情况5 7 i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 伴随着数据通信趋向于无线化的发展，催化了无线电通信的迅速发展。越 来越多的移动终端通过这种方式接入i n t e m e t ，催促了无线局域网( w t a n ) 的诞 生。作为无线网络必然延伸的的无线局域网，在一定程度上也解决了布线的困 难和实现可移动，与有线网络比较起来更方便快捷，易扩展，能很好的提高人 们的工作效率。故而无线局域网一出现，就得到了广泛的应用，成为了通信领 域研究的热门，譬如蓝牙和i e e e8 0 2 n 家族等。 i e e e8 0 2 1 1 标型l 】在1 9 9 7 年6 月制定后，让无线局域网能够得到迅速发 展和普及。该标准定义了介质访问控制子层( m a c ) 和物理层( p h y ) 的协议规范。 其中i e e e8 0 2 1 1m a c 层定义了两种无线网信道访问控制方式的标准：基本分 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 ) 和可选的点协调功能( p o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。 但是传统的i e e e8 0 2 1 1m a c 层机制的d c f 存在如下的问题：d c f 不能 区分业务类型，每类业务都有相同大小的最小竞争窗口和最大竞争窗口以及相 同的竞争信道的概率，因而d c f 并不能满足各类业务的服务质量要求，也就是 说仅仅能提供些尽力而为型的服务，并不能为诸如视频、音频等多媒体实时性 业务提供有差别的服务。p c f 同d c f 一样也没有区分业务的类型。但是随着视 频、语音等多媒体实时业务的涌现，对服务质量( q o s ) 的要求逐渐提高，于是在 2 0 0 5 年底i e e e8 0 2 1 i e 工作组推出了8 0 2 1 l e 协议【2 1 【3 1 ，用来在w l a n 中提供 q o s 保证。i e e e8 0 2 1 1 e 中提出了两种新的m a c 接入机制即是增强分布式 信道接入机制( e n h a n c e dd i s t r i b u t e dc h a p e la c c e s s ，e d c a ) 和混和协调功能控 制信道访问( h y b r i dc o o r d i n a t o nf u n c t i o nc o n t r o l l e dc h a i l i l e la c c e s s ，h c c a ) ，而 且也引入了业务流优先级划分的概念，同时增加了一些新的q o s 参数，用以提 高无线局域网( w l a n ) 的服务质量( q o s ) 一j 。但是h c c a 是一种集中控制方法， e d c a 属于分布式控制方法。而无线电局域网的集中控制就明显增加了系统的 开销，而且网络的健壮性要远低于分布式的e d c a ，故而e d c a 得到了更广泛 江苏大学硕士学位论文 的应用。 目前很多对i e e e8 0 2 1l em a c 协议的研究都是通过检测站点的网络环境 来自适应地调节q o s 的相关参数的，而并不是基于接入类别( a c c e s sc a t e g o r y , a c ) 的业务流，同时也没考虑到每个接入类别中的虚队n ( v s t a ) 间的虚拟碰撞。 因此为了更好地保证q o s ，在不同网络负载环境下对协议参数的自适应调整成 为当前研究的热点。由于i e e e8 0 2 1 1 标准中并没有为增强分布式信道接入 ( e d c a ) 定义接入的细则和方案，所以要满足相关业务流所要求的q o s 保证就 必须有个有效的接入控制方案和相关细则，这也引来了很多的研究者对接入控 制方案的研究。 1 2q o s 研究现状 伴随着无线局域网的迅速发展，对无线局域网q o s 的研究也越加广泛和深 入，但研究的总体大致可以分成以下几种： ( 1 ) 对m a c 层的建模分析。利用适当的数学模型对协议进行建模分析，然 后从理论上找到参数对网络性能的影响情况，这样就能更好的去设计协议和设 定相关的网络参数来优化网络，提高网络系统的性能。 ( 2 ) 对已接入服务的保护。主要的思想是当一个新的业务到来后，先尝试将 其加入，同时要检测加入新的业务后，原先服务的业务的q o s 若还能得到满足 的话则新业务被接纳，否则就拒绝它。 ( 3 ) e d c a 的服务接入控制机制。e d c a 的接入控制的研究难度是较大的， 主要因为它是基于竞争的接入方式。但是它的优势在于接入方式简单而且不需 要基站的存在，故而广受采用。 ( 4 ) e d c a 中q o s 参数的动态调节。这也是本文主要研究的方向。在e d c a 机制中，由于参数是静态设置的，而且并没有考虑到即时的无线电信道的拥塞 情况，当网络负载加大，数据报间的碰撞也会加剧。冲突或者不适当的退避算 法都会导致网络的延迟增大，网络的利用率低下。目前人们对q o s 保证的主要 研究大部分集中在通过实时监测网络的负载状况动态的改变竞争窗口 ( c o n t e n t i o nw i n d o w ，c w ) 的值、仲裁帧帧间隔( a r b i t r a t i o ni n t e r f r a m es p a c e ，a i f s ) 值、发送机会限制t x o p l i m i t 值以及最小竞争窗口c i 。和最大竞争窗口c 2 江苏大学硕士学位论文 来满足业务流的q o s 的要求。 文献【5 】中l a m i ar o m d h a n i 提出了自适应e d c f 耄i i , $ 1 j ( a e d c f ，a d a p t i v e e d c f ) ，通过考虑网络状态，引进碰撞因子，动态的根据优先级调整竞争窗口 大小。文献【6 】中作者在分析基于竞争的m a c 机制应具备的特点后，提出了f c r 机制，比较有效地解决了数据传输中的相互碰撞问题和在每个竞争周期中引起 的空闲时隙问题。m o h a m m a dm a l l i 在文献【7 】中提出了一种自适应公平e d c f 机制，作者在文中指出在每一个竞争周期中的退避，都很容易引起数据帧间的 冲突和对空闲时隙的浪费，从而导致协议性能的下降，出于这些原因，提出了 a f e d c f 机制，通过自适应快速减少退避计时器的值，来减少网络系统中对空 闲时隙的浪费。国内的专家学者也进行了不少的研究，文献【8 】中就是利用动态 自调节的t x o p 来提高业务流的q o s 的。 1 3 研究内容 本课题在i e e e8 0 2 1 1 e 协议的基础上，围绕着无线局域网对8 0 2 1 1 e 的服 务质量保证和相应的接入控制等问题展丌分析和研究。 i e e e8 0 2 1 l e 标准中所提到的增强分布式信道接入e d c a 机制，为不同优 先级的业务流提供区分服务，从而使得m a c 级的q o s 得以增强。然而e d c a 在网络负载高的时候，多业务类流很容易发生碰撞，从而影响到整个系统的吞 吐量，导致吞吐量的下降，尤其是对中、低优先级业务流来说，性能更是变坏。 在网络负载比较轻的时候，由于退避机制的静态设置，造成不必要的延迟接入 信道，使得信道利用率下降。鉴于上面的分析【9 l ，为了能让网络在高负载环境 下有更好的性能，本文提出了一种新的竞争窗口调节机制，通过引入文献 1 0 】 中所定义的每个接入类型( a c c e s sc a t e g o r y , a c ) 虚队列( v s t a ) 的碰撞率，进行网 络负载程度的估计，实时自适应地调整竞争窗口的大小，并通过比较相邻周期 间的虚队列冲突率来调整相关业务流类竞争窗口。建模和实验结果都表明，达 到了预期效果。另一方面为了能让高负载环境下的中、低优先级业余流有更好 的性能，本文将该退避算法和网络负载结合起来，设计了个新的退避算法，来 减小碰撞率和接入延迟，增大吞吐量。仿真实验结果表明改进后的算法让网络 有更好的吞吐量。 江苏大学硕士学位论文 本课题所要做的主要工作如下j ( 1 ) 不同与a e d c f 中使用的站点在某个周期内的监测出的冲突率来估计 网络负载情况，本文借鉴了参考文献【l o 】，使用每个接入类型的虚队列的碰撞 率来分别评估每类业务流的网络负载情况。 ( 2 ) n 用每类业务流所在的虚队列的碰撞率来动态地更新它们的竞争窗口， 使它们能够满足当前的网络负载，减低下一周期的碰撞率和提升信道的利用率。 ( 3 ) 设计出个每个业务流的退避阀值，让它跟网络的负载状态关联起来，从 而使退避算法更具有实用性，减少网络系统中空闲时隙的浪费。 ( 4 ) 对两个改进后机制分别做建模分析和仿真实验测试，将改进的机制与传 统的e d c f 、a e d c f 等在平均时延、吞吐量和信道利用率等方面做比较说明。 1 4 论文组织 全文共分为五章，文章结构和各章节主要内容如下： 第一章绪论 本章主要介绍了本课题的研究背景及意义，国内外研究现状，并简单介绍 了本文研究的主要内容和文章组织结构。 第二章i e e e8 0 2 1 1m a c 层协议 主要是对i e e e8 0 2 1 1 的无线网络进行了介绍分析，并对i e e e8 0 2 1 1 的无 线接入协议做了介绍，最后对8 0 2 1 1 e 协议进行了阐述和分析。 第三章i e e e8 0 2 1 1 e 竞争窗口的研究和改进 本章首先对i e e e8 0 2 1 1 e 中e d c a 机制缺点做了分析和对a e d c f 进行了 介绍。在a e d c f 机制基础上，提出了新的网络负载评估方法，再设计出了新 的竞争窗口算法。然后对新算法的性能分别做了建模分析是仿真实验验证。 第四章i e e e 8 0 2 1 l e 自适应动态信道接入机制的设计 本章对e d c f 和f c r 中退避算法进行了分析，在此基础上提出了新的退避 算法，再与第三章的竞争窗口和负载率相结合，设计了自适应信道接入机制。 最后也进行了仿真实验。 第五章总结与展望 对本课题做的研究工作进行了总结，并对未来工作提出了展望。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章le e e8 0 2 1 1m a c 层协议 2 1i e e e8 0 2 1 1 基本原理 2 1 1w l a n 组成结构 无线局域网的物理组成【4 1 或物理结构如图2 1 所示。无线局域网主要由站 ( s t a t i o n ，s t a ) 、无线介质( w i r e l e s sm e d i u m ，w m ) 、基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 或接入 点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 和分布式系统( d i s t r i b u t i o n ，d s ) 等几部分组成。 图2 1 无线局域网的物理结构 1 站s t a ( s t a t i o n ) 站也称为主机( h o s t ) 或终端( t e r m i n a l ) ，是无线局域网的最基本组成单元。 站在无线局域网中通常用作客户端( c l i e n t ) ，它是具有无线网络接口的计算设备， 主要包括终端用户设备、无线网络接口和网络软件这几个部分。 2 无线介质 无线介质是无线局域网中站与站之间、站与接入点之间通信的传输介质。 无线局域网中的无线介质由无线局域网物理层标准定义的。 3 无线接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) 无线接入点( 简称接入点) 类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组 成单元。无线接入点是一种特殊的站，它通常处于基本服务区( b s a ) 的中心，固 定不动。其基本功能有： 5 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 作为接入点，完成其他非a p 的站对分布式系统的接入访问和同一基本 业务集( b b s ，b a s i cs e r v i c es e t ) 中的不同站间的通信联结。 ( 2 ) 作为无线网络和分布式系统的桥连接点完成无线局域网与分布式系统 间的桥接功能。 ( 3 ) 作为b s s 的控制中心完成对其他非a p 站的控制和管理。 无线接入点是具有无线网络接口的网络设备，至少包括以下几个部分： ( 1 ) 与分布式系统的接口( 至少一个) 。 ( 2 ) 无线网络接口( 至少一个) 和相关的软件。 ( 3 ) 桥接软件、接入控制软件、管理软件等a p 软件和网络软件。 4 分布式系统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 一个b s a 所能覆盖的区域受到环境和主机收发信机特性的限制。为了覆盖 更大的区域，就需要将多个b s a 通过分布式系统连接起来，形成一个扩展业务 区( e x t e n d e ds e r v i c ea r e a , e s a ) ，而通过d s 相互连接起来的属于同一个e s a 的 所有主机组成一个扩展业务组( e x t e n d e ds e r v i c es e t ，e s s ) 。 分布式系统用来连接不同b s s 的通信信道称为分布式系统信道 ( d i s t r i b u t i o ns y s t e mm e d i u m ，d s m ) 。d s m 可以是有线信道，也可以是频段多变 的无线信道。这样在组织无线局域网时就有了足够的灵活性。在多数情况下， 有线d s 系统与骨干网都采用有线局域网( 如l e e8 0 2 3 ) 。而无线分布式系统 ( 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 ) 可通过a p 间的无线通信取代有线电缆来实 现不同b s s 的连接。 分布式系统通过入1 3 ( p o r t a l ) 与骨干网相连。从无线局域网发往骨干网( 通常 都是有线局域网，如i e e e 8 0 2 3 ) 的数据都必须经过p o r t a l 进行帧的转换，反之 亦然。p o r t a l 是一个逻辑的接入点，它既可以是一个单一的设备( 如网桥、路由 器或网关) ，也可以和a p 共存于同一个设备中。在目前的设计中，p o t t a l 和a p 大都集成在一起，而d s 与骨干网一般是同一个有线局域网。图2 2 就是一个典 型的包含d s 的e s s 应用场景。 6 江苏大学硕士学位论文 s t ：固定终端m t ：移动终端 a p ：接入点p o r t a l ：入口 图2 2p o r t a l 与、v l a n 拓扑 2 1 2w l a n 拓扑结构 无线电局域网的拓扑结构可以分为以下四种结构： 1 分布对等式 分布式对等式网络其实是一种独立( i n d e p e n d e n t ) 的b s s ( i b s s ) ，至少有两个 站，是种典型的以自发式构成的单区间。在通信信号可达的范围内，站与站之 间的通信是不需要通过a p 转接的，如图2 3 所示： 图2 3i b s s 工作模式 这种网络的主要特点是受到时问与空间的限制，而这些限制使得i b s s 的构 造与解除都十分简单，由于i b s s 结构简单、组网迅速等特点，因而也被称为自 7 江苏大学硕士学位论文 组织网络( a dh o en e t w o r k ) 。 2 基础结构集中式 在无线局域网中，基础结构( i n f r a s t r u c t u r e ) 包括分布式系统媒体、a p 和端 口实体。在基础结构的w l a n 中，至少要有一个a p 。仅有一个a p 的单区基 础结构网络如图2 4 所示： f f 耋譬局虹e 网 图2 4 b s s 工作模式 在基础b s s 中，如果a p 遭受到破坏，则整个b s s 就会瘫痪下来，这点相 比i b s s 来说显示出较差的一面。另一方面如果一个站想要和同一个b s s 内的 另个站通信的话，还得经过发送站到a p 和a p 到目的站等一系列动作，这就要 求要有较多的传输容量，同时也无疑增加了传输的时延。虽然上面说了它很多 的缺点，但是它也有很多的优势： ( 1 ) 基础结构b s s 的覆盖范围或通信距离是由a p 来决定的。b b s 中的所有站 点都需要在a p 的通信范围内，但是对站和站之间的距离是没有什么限制的， 也就是说网络中站点的布局受环境的限制较小。 ( 2 ) 因为站之间并不需要保持紧密的邻居关系，其路由的复杂性以及物理层的实 现复杂度都比较的低。 ( 3 ) 作为中心站的a p ，它控制着所有站点对网络的访问，当网络业务量增大时 网络的吞吐性能和时延性能的恶化并不严重。 ( 4 ) a p 可以很方便地对b s s 内的站点进行移动、同步和节能管理等。就是说它 的可控性很好。 8 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 为接入d s 或骨干网提供一个有着较大可伸缩性的逻辑接入点。在一个b s s 中，a p 所能管理的站的数目是有限的。扩展无线基础结构网络，就是将一 个单区b s s 扩展成为一个多区的e s s ，可以通过增加a p 的数量，选择a p 合适位置等方法来增加系统的容量和覆盖范围。值得一提的是，在一个基础 结构b s s 中，但是该结构中的a p 并没有通过d s 与其他网络( 如有线骨干 网) 相连接，则此种结构的b s s 也是一种独立的b s sw l a n 。 3 e s s 网络 e s a 是由多个b s a 通过d s 联结而成的一个扩展区域，其范围可覆盖数千 米。属于同一个e s a 的所有站组成e s s ，如图2 5 所示： 有线网 图2 5e s s 无线局域网 在e s a 中，a p 除了应完成其基本功能( 如无线到d s 的桥接) 外，它还能确 定一个b s a 的地理位置。 e s s 是一种由多个b s s 都被分配了一个标识号( i n d e n t i f i e r ) b s s i d 。如果一 个网络由多个e s s 组成，则每个e s s 也被分配一个标志号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 ) ，用以标识由这几个e s s 组成的网络。 4 中继( r e l a y ) 或桥接( b r i d g i n g ) 型网络 它的定义是，两个或多个网络( w l a n ) 或网段可以通过无线中继器、无线 网桥或无线路由器等无线网络互连设备连接起来。如果中间只是通过一级无线 互连设备的话，称之为单届) g ( s i n g l eh o p ) 网络。如果中间需要通过多级无线互连 设备，则称为多n b ( m u l t i p l eh o p ) 网络。 9 江苏大学硕士学位论文 2 1 3w l a n 的服务 无线局域网的不同层次都有相应的服务，与w l a n 体系结构和工作原理密 切相关的服务主要有两种类型，即s t a 服务( s s ) 和分布式系统服务( d s s ) ，而且 这两种服务均由m a c 层使用。 i e e e8 0 2 1 l 标准中定义九种服务，三种被用来移动数据，其余六种都是管 理操作。 1 s t a 服务( s s ) 由s t a 提供的服务，它存在在每个s t a 和a p 中。s s 包括： ( 1 ) 认证( a u t h e n t i c a t i o n ) 利用认证服务来控制局域网的接入能力，所有的s t a 都可以使用该服务得 到与他们通信的s t a 的身份。s t a 之间的认证可以是链路级的认证，也可以是 端到端( 消息源到消息目的地) 或用户到用户的认证。 i e e e 8 0 2 11 标准支持开放系统认i i e ( o p e ns y s t e ma u t h e n t i c a t i o n ) 和共享密 钥认i j e ( s h a r e dk e ya u t h e n t i c a t i o n ) ，后者执行有线等价保密( w r i e de q u i v a l e n t p r i v a c y , w e p ) 算法。 ( 2 ) 解除认i i e ( d e a u t h e n t i c a t i o n ) 解除认证可由任何一个联结实体( 非a p 的s t a 或a p ) 唤醒，它不是一种请 求型服务，而是通知型服务。解除认证不能被任何一方拒绝。当a p 发给己联 结的s t a 解除认证通知时，联结将被终止。 ( 3 ) 保密( p r i v a c y ) 任何一台符合本标准的s t a 可以侦听到其覆盖范围内的所有p h y 服务。 因此，独立无线链路( 无保密) 连接到己存在的有线l a n 时会严重降低有线l a n 的安全级别。为了加强w l a n 的保密性能，保密服务是必要的。i e e e8 0 2 1 l 标准提供了w e p 服务。 2 分布式系统服务( d s s ) 由d s 提供的服务被称为分布式系统服务。在w l a n 中，d s s 通常是由 a p 提供。d s s 包括： ( 1 ) 联结( a s s o c i a t i o n ) 在s t a 允许通过a p 发送数据消息之前，它应首先联结到a p 。欲建立联结， 1 0 江苏大学硕士学位论文 必须要唤醒联结服务，该服务提供了s t a 到d s 的a p 映射。在联结完成之后， s t a 就能充分利用d s ( 通过h p ) 进行通信。 ( 2 ) 重新联结( r e a s s o c i a t i o n ) 重新联结服务被唤醒是用来完成从一个a p 移动到另个a p 。当s t a 在e s s 内从一个b s s 移动到另个b s s 时，它保持了a p 与s t a 之间的当前映射。重 新联结都是由移动s t a 激活的。 ( 3 ) 解除联结( d i s a s s o c i a t i o n ) 如果要终止一个已存在的联结的话，就要去唤醒解除联结。联结的任一部 分( 非a p 的s t a 或a p ) 均可唤醒解除联结服务，解除联结是一个通告型而非请 求型服务，它不能被联结的任何一方拒绝。 a p 可以解除s t a 联结，使得a p 从网络中移走。s t a 也可以试图在需要 它们离开网络时解除联结，然而m a c 协议并没有依靠s t a 来唤醒解除联结服 务。 ( 4 ) 分布( d i s t r i b u t i o n ) 这是无线局域网s t a 使用的基本服务。在概念上，它是由来自或发送至工 作在e s s ( 此帧通过d s 发送) 中的w l a ns t a 的每个数据消息唤醒解除联结， 然而m a c 协议并没有依靠s t a 来唤醒解除联结服务。 ( 5 ) 集成( i n t e g r a t i o n ) 若分布式服务确定消息的接受端为集成l a n 的成员，则d s 的“输出 点 为端口而不是a p 。分发到端口的消息使得d s 唤醒集成功能，集成功能负责完 成消息从d s m 到集成l a n 介质和地址空间的变换。 3 服务之间的关系 对于通过无线介质( w m ) 进行通信的s t a 均有认证状态( 分为未被认证和已 认证) 和联结状态( 分为未联结和已联结) 两个状态变量。这两个变量为每个远端 s t a 建立了三种本地状态： ( 1 ) 状态l ：初始启动状态，未认证，且未联结； ( 2 ) 状态2 ：已认证，但未联结； ( 3 ) 状态3 ：已认证，并且已联结。 这些s t a 状态变量与服务间的关系如图2 6 所示： 江苏大学硕士学位论文 第一类帧 第一类帧和 第二类帧 第一、二和 第三类帧 联 重 图2 6s t a 状态变量与业务问关系 2 2i e e e8 0 2 1lx 的无线媒体接入协议 2 2 1d f w m a c 协议概述 通知 i e e e8 0 2 “x 的无线媒体接入协议称为“基于分布方式的无线媒体访问控制 协议”( d f w m a c ：d i s t r i b u t e df u n c t i o nw i r e l e s sm a c ) 。d f w m a c 支持a d h o c 和i n f r a s t r u c t u r e 两种类型的w l a n 。 d f w m a c 的基础是c s m a c a 。它有两种方式，即分布协调功能 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 ) 和点协调功能p c f ( p o i n tc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) ，如图2 7 所示。 1 2 江苏大学硕士学位论文 t m a c 层 上 无争用服务 j ，r j ，j i x 札， 点协调功f 毙_ p c f l 山 分确i 协调功能d c f ( c s m a c a ) 物理层 图2 78 0 2 1 l x 的m a c 层 d c f 是i e e e 8 0 2 1 1 最基本的媒体访问方法，它的核心是c s m a c a 。它包 括载波检测( c s ) 机制、帧间间隔0 f s ) 和随机退避( r a n d o mb a c k o f t ) 规程。在每 个节点使用c s m a 机制的分布接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。 d c f 在所有的s t a 上进行实现，用于a d h o c 和i n f r a s t r u c t u r e 网络结构中。由 图可知，d c f 向上提供争用服务。p c f 是可选的( o p t i o n a l ) 媒体访问方法，用于 i n f r a s t r u c t u r e