（通信与信息系统专业论文）宽带无线ip网络中无线接入点ap的实现.pdf

摘要 本文研究的方向是完成i e e e 8 0 21 l 协议中所规定出的功能实体无线接入 点a p ( a c c e s sp o i n t ) 的设计与实现。研究工作的目的是利用a p 来协调无线移动主 机与有线网络之间的通信。要求是在不修改已有的有线网络结构的基础上( 如不改 变固定主机、路由、网关等) ，不改变已存在的协议( 如t c p i p 、i p x 等) ，将移动 主机纳入现在的网络中，并完成移动主机在各个小区间的切换工作。 本文从i e e e 8 0 2 1 1 和i e e e 8 0 2 1 1 b 协议开始介绍无线网络中的概念和原理，无 线接入点a p 的工作原理和方法。再基于i n t e r s i l 公司的第二代高速无线网卡提出a p 的解决方案，以及配合上层移动i p 软件，实现移动主机在各小区间的越区切换方案。 最后做出a p 及网卡的性能测试报告。 关键词：无线接入点i e e e 8 0 2 “协议i e e e s 0 2 1 i b 协议 a b s i r a cl i nt h i sp a p e r , w ed i s c u s st h er e a l i z a t i o no fa p ( a c c e s sp o i n t ) w h i c hi saf u n c t i o n e n t i t yd e f i n e db yi e e e 8 0 2 1 1p r o t o c 0 1 t h ea i mo f t h er e s e a r c hi su s et h ea s s e s sp o i n tt o c o r r e s p o n dt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h ew i r e dn e t w o r ka n dm o b i l et e r r a i n a l t h er u l ei s t h a tm o b i l et e r m i n a lm a yb ec o n n e c t e dw i t hw i r e dn e t w o r kw h i l en e i t h e rs t r u c t u r eo fw i r e d n e t w o r k ( s u c ha ss t a t i ct e r m i n a l ，r o u t ea n db r i d g e ) n o re x i s t i n gp r o t o c o l ( s u c ha st c p i p ) s h o u l db ec h a n g e d w ef i r s ti n t r o d u c et h eb a s i cc o n c e p ta n dp r i n c i p l eo fw i r e l e s sl a n ，a c c e s sp o i n t t h r o u g h i e e e 8 0 2 1 1a n d i e e e 8 0 2 1 l bp r o t o c 0 1 a n d t h e n b a s e do n t h e s e c o n d g e n e r a t i o n w i r e l e s sn e tc a r do fi n t e r s i lc o ，w ef o r w a r dt h es c h e m eo ft h ea c c e s sp o i n t ，a n dt o c o o p e r a t e w i t hm o b i l ei ps o f t w a r ew h i c hi su pl a y e rw ef o r w a r dt h em o b i l et e r m i n a l h a n d o f fs c h e m eb e t w e e nc e l l s l a s t ，1w o r ko u tt h er e p o r ta b o u tp e r f o r m a n c eo ft h en e t c a r da n d a r k e y w o r d s ：a p ( a c c e s sp o i n t ) i e e e 8 0 2 11p r o t o c o li e e e 8 0 2 1lb p r o t o c o l 创新性声明 强0 5 2 2 3 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技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己在论 文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：到继享 本人签名：j 丛l 垒喳i 日期丞丝! ：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规 定) 本人签名：壶g 继宴 本人签名：塑凹互蓬0 导师签名 日期文型! 日期坦l ，l 旦 第一章绪论 第一章绪论 1 1 宽带无线i p 及其组网 随着计算机技术及其应用的不断发展，人们对计算机联网和通信的要求越来越 高。由于不同的地域或客观条件的制约，在许多情况下，有线通信及其组网的方式 已不能满足应用的要求。于是移动计算机网络通信及其联网技术应运而生。未来的 通信是个人通信的世界，即所谓的“5 w ”通信：任何人( w h o e v e r ) 在任何时候( w h e n e v e r 、 的任何地方( w h e r e v e r ) 与任何人( w h o m e v e r ) 进行任何方式( w h a t e v e r ) 的通信。 英特网i n t e m e t 的蓬勃发展又为移动计算提供了新的发展契机，同时也对网络 终端的移动性和安全性以及组网的灵活性等提出了更多的要求，从而提出了移动计 算网络的概念，宽带无线i p 接入技术因此也成为的未来i n t e m e t 的发展重点。 宽带无线i p 是指在基于无线计算网络的基础上，为在子网间漫游的移动终端 提供无缝的、高速的、透明的接入服务。实现这个目标，不但需要上层漫游软件的 支持，更需要无线接入网中接入服务的建设。无线局域网就是实现这一目标的主要 系统之一。建立在无线局域网基础之上的移动i p 方案如图1 1 所示： 图1 1 无线移动i p 网络方案 此外，由于无线局域网具有移动性、便携性、建网迅速等特点，所以在工业控 制与管理、医疗、金融等领域也有着广泛的应用前景。 1 2 无线局网的发展 美国联邦通信委员会( f c c ) 在1 9 8 5 年开放了工业、科技和医学( i s m ) 频段： 9 0 2 9 2 8 m h z ，2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z ，5 7 2 5 5 8 5 0 m h z ，允许输出功率小于1 w 的扩频设 2 宽带无线l p 网络中无线接入点( a p ) 的实现 备免许可证使用，这极大地促进了无线局域网的发展。无线局域网已成为个人通信 系统( p c s ) 的重要组成部分。在无线局域网标准的制定过程之中，有大量的无线 局域网产品问_ i l ：。 8 0 年代中，采用窄带技术的无线计算机网络产品丌始走向成熟。9 0 年代初， 开发出了微蜂窝结构的无线网络技术，采用扩频的d s s s 和f h s s 技术的无线计算 机网络产品，包括移动网络产品推向市场。但各公司开发的产品都按自己协议互不 兼容。无线局域网技术发展至今，主要分为两大协议体系：1 e e e 8 0 2 1 1 协议标准体 系和欧洲c e p t 制定的h i p e r l a n 协议标准体系。i e e e 8 0 2 1 1 局域网工作在2 4 g h z i s m ( 工业、科学、医学) 频段上，速率为1 m b i t s 和2 m b i t s ，h i p e r l a n 工作在 5 1 5 0 5 3 0 0 g h z 频段，工作速率可达2 3 5 2 9 m b i f f s 。 由于最初的i e e e 8 0 2 ，1 1 标准支持的数据传输速率太低，无法满足通常的商业 应用的要求，极大地影响了无线局域网的进一步发展。为了支持更高的数据传输速 率，i e e e 批准了i e e e 8 0 2 1 1 b 标准( 也称i e e e 8 0 2 1 l h i g hr a t e ) ，该标准对 i e e e 8 0 2 1 1 标准进行了修改和补充，其中最重要的改进就是在i e e e 8 0 2 1 1 的基础 上增加了两种更高的通信速率5 5 m b p s 和1 1 m b p s 。有关的标准化机构和厂商联盟已 经通过了这个新的无线局域网标准，这将为无线局域网在大企业、小型办公室和家 庭环境中的应用铺平道路。 有了i e e e 8 0 2 1 1 b 无线局域网标准，移动用户将可以得到有线网级的无线性能、 速率和可用性，管理者也可以无缝地将多种局域网技术集成起来，形成一种能够最 大限度地满足其商业和用户需求的网络。同所有的i e e e 8 0 2 标准一样，i e e e 8 0 2 1 1 b 标准集中在i s o 模型的最低两层( 即物理层和数据链路层) 上。任何l a n 应用、 网络操作系统或协议( 包括t c p i p 、n o v e l ln e t w a r e ) 在遵守i e e e 8 0 2 1l b 标准的 无线局域网上运行时，将像它们运行在有线网络上一样容易。 i e e e 8 0 2 1 1 b 的基本结构、特性和服务仍然由最初的i e e e 8 0 2 1 1 标准定义。 i e e e 8 0 2 1 1 b 规范只影响i e e e 8 0 2 1 1 标准的物理层，它增加了更高的数据速率和更 健全的连接性。 1 3 本文研究的主要内容 本文首先在第二章对i e e e 8 0 2 1 1 b 协议中的相关内容做以分析。a p 中的关键 部件是基于i n t e r s i l 公司的第二代高速无线网卡，整个网卡以固件程序驱动，本文在 第三章中叙述基于固件程序的a p ( f i r m w a r ea p ) 设计与实现，另外，针对现有网 卡固件中不能进行加密的问题，在本文第四章提出了对h o s ta p 的解决方案并实现 r c 4 的加密算法。最后在附录中给出a p 及网卡性能的测试报告。 第二章i e e e 8 0 2i1 协议的分析 第二章i e e e8 0 2 1 1 协议的分析 2 1i e e e8 0 2 1 1 与i e e e8 0 2 1 i b 协议的概述 i e e e8 0 2 工作委员会在过去2 0 年里创建了众多的l a n 工业标准，包括 i e e e 8 0 2 3 以太网标准、i e e e 8 0 2 5 令牌环标准和i e e e 8 0 2 3 z1 0 0 b a s e 快速以 太网标准。在1 9 9 7 年，i e t f 发布了第一个无线l a n 标准8 0 2 1 l ( d r a f t ) 。 i e e e8 0 2 1 1 标准为“点到点访问”和“主从结构”两种无线局域网类型规定 了标准，并分别制订了2 4 g h z 跳频扩频( f h s s ) 、2 4 g h z 直接序列扩频( d s s s ) 和红外线三个物理层无线技术规范。三个物理层协议可灵活选择。 在1 9 9 9 年9 月，i e t f 批准了i e e e 8 0 2 1 1 b 标准，该标准对i e e e 8 0 2 1 1 标准进行了修改和补充，其中最重要的改进就是在i e e e 8 0 2 1 1 的基础上增加 了两种更高的通信速率5 5 m b p s 和1 1 m b p s 。i e e e 8 0 2 1 1 b 的基本结构、特性 和服务仍然由最初的i e e e 8 0 2 1 1 标准定义。i e e e 8 0 2 1 1 b 规范只影响 i e e e 8 0 2 1 1 标准的物理层，它增加了更高的数据速率和更健全的连接性。 i e e e 8 0 2 1 l b 对无线局域网通信的最大贡献是可以支持两种速率一一 5 5 m b p s 和11 m b p s 。要做到这一点，就需要选择直接序列扩频技术( d s s s ) 作为该标准的唯一物理层技术，因为，目前在不违反美国通信委员会f c c 规 定的前提下，采用跳频技术无法支持更高的速率。这意味着i e e e 8 0 2 1 l b 系统 可以与速率为1 m b p s 和2 m b p s 的i e e e 8 0 2 1 1 直接序列扩频( d s s s ) 系统交 互操作，但是无法与1 m b p s 和2 m b p s 的i e e e 8 0 2 1 1f h s s 系统交互操作。但 即使这样，有了i e e e s 0 2l l b 无线局域标准，移动用户将可以得到以太网级的 无线性能、速率和可用性，管理者也可以无缝地将多种局域网技术集成起来， 形成一种能够最大限度地满足其商业和用户需求的网络。 同所有的i e e e8 0 2 标准一样，i e e e 8 0 2 1 1 标准集中在o s i r m 模型中 的最低两层( 即物理层和数据链路层) 上，如图2 1 所示。任何l a n 应用、 网络操作系统或协议( 包括t c p i p 、n o v e l ln e t w a r e ) 在遵守i e e e 8 0 2 1 1 标准 的无线l a n 上运行时，将和它们运行在有线网络上一样容易。 宽带无线i p 网络中无线接入点( a p ) 的实现 图2 - 18 0 2 1 1 在o s i r m 模型中的位置 2 28 0 2 1 1 协议中的基本概念 2 2 1 无线局域网络与传统有线网络的比较 无线网络有几个基本的特点使得它与传统的有线网络有着明显的区别，许 多国家根据无线网络的这些特点对无线设备增加了许多特殊的要求。 由于无线媒介没有一个绝对的、稳定的可观测到的边界，所以，帧的发送 者无法确定帧是否被接收者收到；无线的传输媒介会受到外界信号的干扰；缺 少象有线网络那样可靠的数据安全性；无线网络具有个动态的拓扑结构；由 于缺少完全的链路连接特性，无线网络上的各个主机不能象在有线网络上那样 “听到”对方，主机可能会隐藏在彼此的后面：无线信号具有非均匀的时变的 传播特性；在无线网络中，由于主机的可动性，个主机的地址并不等于它的 物理位置，又由于8 0 2 1 l 协议对上层( l l c 层) 要有操做的透明性，这就要 求8 0 2 1 1 协议要在m a c 子层具有处理主机移动性的能力。移动主机的一般是 通过电池工作的，这以要求8 0 2 1 l 协议有节能管理的机制。 2 2 2 无线局域网的拓扑结构 i e e e 8 0 2 1 1 所规定的拓扑结构有两种形式，一种是独立的基本业务组b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) ；另一种称为扩展业务组e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 。 在i e e e 8 0 2 11 中，无线网络的最基本的组成单元被称为基本业务区b s a ( b a s i cs e r v i c ea r e a ) ，通常也称为小区。而在一个b s a 内彼此相互通信的一 组主机组成了一个基本业务组b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) 。由于一个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，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 ) 联接起来，形成一个扩展业 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 第一二章i e e e 8 0 2 1i 协议的分析 e s a 的所有主机组成一个扩展业务组e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 。分稚系统d s 可以是有线或无线的通信子网，根据具体情况而定。但是，不管采用何种形式 的d s ，在同一个e s s 中，d s 对于逻辑链路层( l o g i c a ll i n kc o n t r o ll a y e r ) 来说数据传送是透明的。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 k i d ) ，用以标识这几个e s s 所组成的网络。 通常在b s s 中有这样一台主机，它能为b s s 中的其它主机提供例如通过 它对d s 进行访问、与其它b s s 中的主机通信、获取和维护管理信息等分布式 系统服务。我们称这台主机为无线接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) 。图2 2 显示了一 个多区网络的拓扑结构。 b s s 】 图2 - 2 多区网络拓扑结构 为了使分布式系统与i e e e 8 0 2 x 的网络相联，i e e e 8 0 2 1 1 提出了一个“入 口”p o r t a l 的概念，从8 0 2 x 网络去往d s 都必须经过p o r t a l ，反之亦然。p o r t a l 必须能够识别8 0 2 1 1 的帧、d s 上的帧以及8 0 2 x 网络上的帧格式，并且能够 相互转换。p o r t a l 既可以是一个单一的设备，在一定的情况下，也可以和a p 共存于同一设备中。图2 3 显示的是分布式系统与8 0 2 x 网络相联接的拓扑结 构。 6 宽带无线j p 网络中无线接入点( a p ) 的实现 b s s l 图2 - 3 分布式系统与8 0 2 x 网络相联 2 2 3 i e e e 8 0 2 1 1 的组网方式 i e e e8 0 2 1 1 标准支持两种组网方式，一种是单区网络( a dh o c ) ，另一种 是多区网络( i n f r a s t r u c t u r e ) 。如图2 - 4 和图2 5 所示。 圈2 - 5i n f r a s t r u c t u r e 组网方式 单区网络( a dh o c ) 的组网方式，允许无线终端在无线网络覆盖范围内移 动并利用无线信道上的c s m a c a ( 载波侦听多路接入冲突避免) 机制来自动 建立点到点的对等连接，在不同系统之间直接进行数据传输。这种网络中各节 点自主对等工作，不必连到其它大网上，是一种快速组网的方法。而多区网络 第二章i e e e 8 0 2 11 协议的分析 7 需要访问节点无线接入点a p 的支持，a p 负责监管一个小区，并作为移 动主机和主干网之间的桥接设备。在a p 监管的小区内，各移动终端以及a p 可以通过c s m a c a 机制共享无线信道，这称为分布式协调功能d c f 。也可以 以a p 作为点协调器，以点协调器来决定小区内，哪一台移动终端具有当前时 间的发帧权利，这称为点协调功能p c f 。另外，当移动终端在a p 覆盖范围内 的区工作时，无需为访问其它的移动终端而耗费信道资源，并可以通过a p 来 访问主干网络。 2 2 4 i e e e s 0 2 1 1 协议物理层的重要规定 对于8 0 2 3 以太网l a n 来讲，具有碰撞检测的载波检测多路访问 ( c d m a c d ) 协议规定了以太网站如何实现对有线部分的访问，以及在两个 或更多设备试图同时利用l a n 通信时出现碰撞的检测和处理。在8 0 2 1 1 b 无 线l a n 中，不可能像8 0 2 3 这样进行碰撞检测，这是由于存在所谓的“近远” 问题：要检测一个碰撞，无线端必须能够同时进行发射和监测，但在无线系统 中，帧的发射影响了它检测碰撞的能力。 为了弥补这个不足，i e e e 8 0 2 1 1 b 使用一个修改过的协议，称之为碰撞 避免的载波检测多路访问( c s m c a ) 。c s m a c a 试图通过使用专门的包应 答( a c k ) 来避免碰撞，这意味着接收站需要发送a c k 包来验证数据包是否 原封不动地到达了目的地。c s m a c a 提供了一种以无线方式共享访问的方法。 这个专门的a c k 机制还能够非常有效地处理干扰和无线环境中的其他问题。 与i e e e 8 0 2 3 不同的是，i e e e 8 0 2 1 1 b 的这一碰撞避免机制增加了系统的通信 负载，因此，与类似的以太网l a n 相比，i e e e 8 0 2 1 l b 无线l a n 的性能总是 要低一些。 无线网络特有的另一个m a c 层问题就是“隐藏节点”问题，即位于同一 个a p 的相反方向的两个移动终端都能够监测来自a p 的活动，但是由于距离 或障碍物的原因，它们不能监测彼此间的活动。为了解决这个问题，i e e e 8 0 2 1 l b 在m a c 层规定了一种可选的请求发送清除发送( r t s c t s ) 协议。使用这个 功能时，当某一移动终端想要通过a p 发送数据帧时，首先向a p 发送一个r t s ， 并且等待a p 使用c t s 进行应答。由于网络中所有无线终端都能够监测到a p 的活动，c t s 将会暂时延迟其他移动终端的传输，这样，这个移动终端就可以 收发包应答，而不会出现产生任何碰撞的机会。由于r t s c t s 在使用的同时 也增加了网络的负担，所以它一般只在较大的数据包中使用。 此外，i e e e 8 0 2 1 l bm a c 层还提供了两个特性：c r c 校验和数据包的 分片重组。每个包具有一个c r c 校验，以确保数据在发射过程中没有出现丢 失或破坏。包碎片则允许较大的数据包在以无线方式发送时被分成多个较小的 单元，在接收端再由m a c 层负责装配接收到的碎片。这个功能在信道非常拥 宽带无线i p 网络中无线接入点( a p ) 的实现 塞或干扰比较严重的环境里是很有用的，因为较大的数据包在传输过程中出错 的机会也大。它大大减少了拥塞或干扰严重的环境里可能发生的重发需求，因 此提高了无线网络的总体性能。 2 2 5 i e e e 8 0 2 1 1 体系结构的逻辑服务接口 i e e e 8 0 2 1 1 体系结构，允许分布式系统不必与现有的有线局域网相统一。 分布式系统可以由许多不同的技术构成，包括现有的i e e e s 0 2 有线网络。 i e e e 8 0 2 1 1 体系结构并不限制分布式系统以数据链路层或是网络层作为基础， 也不限制分布式系统是集中式的或是分布式的。 i e e e 8 0 2 1 1 并没有明确定义出分布式系统实现的细节，它定义了两种服 务，一种称为主机服务s s ( s t a t i o ns e r v i c e ) ；另一种称为分布式系统服务d s s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e ms e r v i c e ) 。s s 和d s s 都服务于i e e e 8 0 2 11 的m a c 子层。 i e e e 8 0 2 1 1 体系结构的服务包括有： a 1 认证a u t h e n t i c a t i o n b 1 登录a s s o c i a t i o n c ) 解除认证d e a u t h e n t i c a t i o n d ) 解除登录d i s a s s o c i a t i o n e)分布distribution f ) 集中 i n t e g r a t i o n g)加密privacy h 1 重登录r e a s s o c i a t i o n i ) m a c 层服务数据单元传输服务m s d ud e l i v e r y 其中主机服务由每一个i e e e 8 0 2 1 l 主机( 包括无线接入点a p ，因为a p 也具 有主机的功能) 提供。主机服务包括如下： a ) 认证b ) 解除认证c ) 加密d ) m s d u 传输 分布式系统服务穿越了媒介和地址空间的逻辑界线，每一个分布式的服务，可 以存在也可以不存在于a p 之中。分布式系统服务包括如下： a ) 登录b ) 解除登录c ) 分布d ) 集中e ) 重登录 图2 - 6 表现出了一个完整的i e e e s 0 2 1 l 结构体系。其中的s s 是指主机服务； d s s 是指分布式系统服务。 第一章i e e e 8 0 2 11 协议的分析 9 图2 - 6i e e e 8 0 2 1 1 体系结构 九种由i e e e 8 0 2 1 1 定义的服务，其中的六种用来支持移动终端之间m a c 层数据单元m s d u 的传输，另处的三种服务用来支持i e e e 8 0 2 1 1 网络的接入 和安全性。每一种服务都是由一种或多种m a c 帧来支持的。 一、分布服务 分布服务是i e e e 8 0 2 1 1 主机所主要应用的服务，是指将扩展业务组中 的一个小区内的数据帧转发到分布式系统，最后再由分布式系统将数据帧传送 给目的小区中的移动终端。例如图六中m t l 将数据帧送到入口a p a p l 处， a p l 通过分布服务，将帧传给分布式系统。分布式系统将帧再传给出口a p 一 一a p 2 ，再由a p 2 调用分布服务，将帧传给本小区内的目的移动终端m t 2 。 如果数据帧的接收者处在同一个基本业务级即同一个小区内，入口a p 与出口 a p 为同一a p 。 为了完成分布服务，分布式系统必须获得相关的信息以决定与数据帧接 收者相关的a p ，这就需要三种i e e e 8 0 2 1 l 提供的服务：登录、重登录、解除 登录。 二、集中服务 如果分布式的服务发现数据帧的接收者处在与分布式系统相连的某一种 8 0 2 x 的网络中，在出口点就是p o r t a l 而非a p 。集中服务就是要完成将数据帧 从分布式系统媒介传送到8 0 2 x 网络媒介中。其中包括对地址空间的翻译和帧 格式的转换。 在目前一般的i e e e 8 0 2 1 l 网络中，组网的方式如图2 7 ： 0 宽带无线l p 网络中无线接入点【a p ) 的实现 图2 7 普通的i e e e 8 0 21 1 组网方式 在图2 7 中，a p 的一端连接有线局域网，一般是i e e e 8 0 2 3 网络；另一 端是无线设备。此时分布式系统即为i e e e 8 0 2 3 骨干网，入口p o r t a l 与无线接 入点a p 共存于同一设备，分布服务即为集中服务。此时的a p 不但应该具有 对小区内移动终端的管理的功能，还应具有桥接功能及对i e e e 8 0 2 1 1 帧格式 和i e e e 8 0 2 3 帧格式相互转换的功能。 2 2 5 1 登录系列服务： 由于无线局域网中的移动终端具有移动的特性，这就要求i e e e 8 0 2 1 1 在 m a c 层必须具有支持主机移动的机制。i e e e 8 0 2 1 1 定义了三种方式的移动： 一、没有移动，包括静态和在同一个基本业务组内的移动。 二、b s s 级的移动，指在同一个扩展业务组e s s 内移动终端在不同的基本业 务组之间移动，即在不同小区间的切换。 三、e s s 级的移动，指在不同扩展业务组之间的移动。i e e e 8 0 2 1 l 对这种移动 的支持取决于d s 是由什么样的网络结构构成。如果构成d s 的网络支持 跨扩展业务组的移动，则i e e e 8 0 2 1 l 此时可能支持e s s 级的移动；若则 不支持。 如果利用分布式系统传递信息，分布服务需要知道通过哪一个a p 来接入 目的移动终端，这就需要登录服务向分布式系统提供这样的信息。如果一个移 动终端想要通过a p 来与分布式系统通信，它必须首先在a p 上登录。这个由 移动终端引发的登录服务，就会提供给分布式系统移动终端确切的位置。 登录服务是支持移动性的必要条件，但不是充分条件。重登录服务为b s s 第二章i e e e 8 0 2 11 协议的分析 级的移动提供了支持。当一个移动终端从当前已登录的a p 所在小区移动到一 个新的小区内，会向这个小区内的a p 发出重新登录的请求，引发重髓录服务。 解除登录服务由a p 引发，以删除移动终端在a p 上的登录记录。当一个 a p 删除一台移动终端在其上的登录记录以后，任何通过这个a p 来访问被删 除登录记录的移动终端的动作将会失败。 2 2 5 2 接入与安全控制服务 由于1 e e e 8 0 2 1 1 网络需要具有与有线网络同等的数据安全性，i e e e 8 0 2 1 1 提供两种服务来保证这样的数据安全性，认证和加密。 无线网络首先要保证接入的安全性。i e e e 8 0 2 1 l 提供两种认证机制，一 种称为开放式系统认证：另一种称为共享密钥的认证机制。这两种认证机制都 是点到点的认证，即移动终端与无线接入点间的认证。i e e e 8 0 2 1 1 不提供端到 端的认证。开放式系统认证方式，是指对所来的认证请求都回应认证成功，即 系统是开放式的。共享密钥认证，需要认证双方有一个共享的密钥，具体步骤 如下： 一、首先，移动终端向a p 发出认证请求，并在请求中标明是共享密钥认证； 二、a p 收到移动终端的请求后，向移动终端回应认证第二帧，其中包含有1 2 8 字节的明文； 三、移动终端将收到的1 2 8 字节的明文利用双方都知道的密钥加密，将加密后 的密文再传给a p ； 四、a p 将密文解密，与原明文进行对照，如果一致，向移动终端发送认证成 功的消息，否则发送认证失败消息。 加密服务 为了无线网络的中的数据安全，i e e e 8 0 2 1 1 定义了一种可选的加密算法， 称为w e p 算法( w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ) ，即与有线网络同等的数据安全性 算法。这将在以后的章节中详细介绍。 2 2 5 3 移动终端的状态 当一台移动终端通过无线媒介与无线接入点通信时，它会有两个状态变 量： 1 认证变量：移动终端被认证或未被认证； 2 登录变量：移动终端登录或未登录。 这两个变量的值决定了移动终端的三种状态： 状态一：初始化状态，未被认证，未登录。 状态二：已被认证，未登录。 宽带无线i p 网络中无线接入点( a p ) 的实现 状态三：已被认证，已登录。 三种状念的状态转移图如图2 - 8 所示。 图2 - 8 状态转移图 移动终端在状态一时，必须首先利用接入控制服务在a p 上验证身份， 在收到认证成功的信息后，转换到状态二。此时的移动终端已经在a p 处得到 了认汪，可以通过登录服务向a p 登录，在收到登录成功的信息后，转换到状 态三。只有在状态三的移动终端才可以通过a p 与其它的主机进行通信。在状 态二或是状态三的移动终端，当收到解除认证或是解除登录的信息后，会相应 的转换到状态二或是状态三。 2 2 6i e e e 8 0 2 1 1 所定义的帧结构 i e e e 8 0 2 1 i 的帧有三种类型，分别是管理帧，数据帧和控制帧。一般的 帧格式如图2 9 ： 图2 - 9 一般的i 帧格式 i e e e 8 0 2l1 帧格式分三个部分 a 1 m a c 帧头，包括有9 贞控制域、帧期间域、地址域和序列控制域。 b ) 一个可变长的帧体部分，内容由帧的类型而定。 c 1帧校验域，包括i e e e3 2 位循环冗余校验码。 十六位的帧控制域包含以下几个子域 第一章i e e e 8 0 2 11 协议的分析 1 ) 叻、议号( p r o t o c o l t e r s i o n ) ! ) 类型( t y p e ) 3 ) 子类型( s u b t y p e ) 4 ) 去往分稚系统( t o d s ) 5 ) 从分布系统来( f r o m d s ) 6 )更多的分片( m o r ef r a g m e n t ) 7 )重发帧( r e t r y ) 8 )节能控( p o w e rm a n a g e m e n t ) 9 ) 更多数据( m o r ed a t a ) 1 0 )是否应用w e p 算法( w e p ) 1 1 )顺序号( o r d e r ) 帧控制域格式如下： b 0b 1b 2b 3 日4b 7b i t日9日10b 1 1日12 日138 14b 15 b 1 l s ：22111111 11 图2 1 0 帧控制域 协议号为当前i e e e 8 0 2 1 1 帧的版本，目前的无线网卡所支持的协议号均 为零，当网卡收到协议号不为零的帧后，会丢失弃该帧。 类型域与子类型域的组合能标识出不同类型的帧，下面就本论文所经常涉 及的几种类型的帧做以说明。 类型值类型描述子类型值子类型描述 b 3b 2b 7 8 6 8 5 8 4 0 0 管理帧 0 0 0 0 登录请求帧 0 0 管理帧 0 0 0 1 登录回应帧 0 0 管理帧 0 0 1 0 重登录请求帧 0 0 管理帧 0 0 1 1 重登录回应帧 0 0 管理帧 0 1 0 0 探测请求帧 0 0 管理帧 0 1 0 1 探测回应帧 0 0 管理帧 1 0 0 0 信标帧 0 0 管理帧 1 0 1 0 解除登录帧 0 0 管理帧 1 0 1 1 认证帧 0 0 管理帧 1 1 0 0 解除认证帧 1 0 数据帧 0 0 0 0 数据帧 表2 - 1 1 帧的类型与子类型 t od s 和f r o md s 两位标识出了帧与分布式系统的关系，其组合后的意 觅带尤线i p 网络中无线接入点( a p ) 的实现 义为 t o f r o md s 含意 l b d s = 0 一个独立基本业务组中的数据帧或是所有的管理 f r o m d s - 0 帧和控制帧 t o d s = 1 目的地为分布式系统的数据帧 f r o m d s = 0 t o d s = 0 来自于分布式系统的数据帧 f r o m d s = 1 t o d s = i 无线分布式系统中从a p 到a p 的帧 f r o m d s = l 表2 - 1 2t o d s 与f r o m d s 的含意 i e e e 8 0 2 1 l 的地址域中包括有四个4 8 位的地址，但本论文所涉及的只是 a d d r e s s l 到a d d r e s s 3 ，a d d r e s s 4 基本不用。根据f r o m d s 与t o d s 的值不同， a d d r e s s l 、a d d r e s s 2 和a d d r e s s 3 的含意也各不同。如表2 一1 3 所示：其中d s 表 示为目的地址；s a 表示源地址：b s s i d 表示为基本业务组的i d 号，一般是a p 的网卡地址；n a 表示没有使用。 t od sf r o m d sa d d r e s s la d d r e s s 2a d d r e s s 3a d d r e s s 4 00d as ab s s i d n a 01d ab s s i ds an a 1ob s s i ds ad a n a 表2 - 1 3t o d sf r o m d s 与地址 本章对i e e e 8 0 2 1 1 协议的介绍只涉及到帧的类型、格式以及a p 在m a c 层所需完成的功能，更具体的内容需参考i e e e 8 0 2 1 1 协议。 第三章基1 ip r i s m 2 高速无线网卡的a p 方案 第三章基于p r i s m 2 高速无线网卡的a p 方案 3 1p r i s m 2 网卡完成的功能 i n t e r s i l 公司开发出第二代高速无线网卡，工作在2 4 g 的频段上，实现1 1 m b p s 的通信速率。其中，固件是网卡上最基本的控制系统，主要基于m a c 芯片来实现 对整个网卡的控制和管理。在固件中完成最低层、最复杂的传输与发送模块功能， 并向下提供与物理层的接口，向上提供一个程序开发接口，为程序开发人员开发附 加的移动终端应用功能提供支持。下面是网卡系统的逻辑组成图 a p i h 4 t 驱动程序 固件程序向上的接口 m a c 层和 m a c 物理层管理 固件程序向下的接口 物理层c l a h y ) 图3 - 1 网卡系统逻辑框图 固件完全实现了i e e e 8 0 2 1 l 中m a c 层的协议，支持基本的d c f 协调方式，也支持 可选的p c f 方式。底层的功能，如r t s c t s 帧的生成和确认、分段和重组、信标 帧的自动检测等，都可以自主地完成而无需主机的干预。 p r i s m 2 网卡中的固件分三个部分。第一个部分称为p r i m a r yf i r m w a r e ，是最基 本的网卡固件程序；第二部分称为s t a t i o nf i r m w a r e ；第三个部分称为t e r t i a r y f i r m w a r e 。第一部分和第二部分固件程序被固化在网卡的f l a s hm e m o r y 中，它们是 每一个网卡工作所必须的，它们所实现的功能有： 带有随机退避算法的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 s i o n a v o i d a n c e ) ： r t s c t s ( r e a d yt os e n d c l e a rt os e n d ) 握手过程和n a v ( n e t w o r k a l l o c a t i o n v e c t o r ) 管理； m a c 层的确认信息； 未确认报文的重传： 多重帧复制检测和丢弃； 6宽带无线i p 网络中无线接入点( a p ) 的实现 对帧进行广播和多播： i f 贞的分段重组： 功率管理： 时戳同步； 分布式协调功能( 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 ) ： 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 ) ( 未实现) ； 单区网中信标帧的生成； 单区网中控测响应帧的产生； w e p ( w i r e d e q u i v a l e n tp r i v a c y ) 加密机制。 a p 的网卡固件( a p 固件) 是应用于做为a p 的主机上的无线网卡之中，在每 次启动a p 之前，加载到网卡的r a m 中。a p 固件主要完成的功能有： 一、p c f 协调模式管理，它包括有： d t i m ( d e l i v e r y t r a f f i ci n d i c a t i o nm e s s a g e ) 定时和产生： c f p 定时： 在c f p 期间从广播队列中进行帧的广播； c f p 期间c fp o l l 帧的产生和发送。 二、对小区管理相应的一些功能： 响应移动终端的探测帧； 自动产生信标帧； 自动应答认证请求帧和登录请求帧； 自动应答重登录请求帧； 在固件程序中维护小区内移动终端的管理信息。当一台移动终端登录后，向 上层软件传递移动终端登录的消息，并可以接收驱动程序传递下来的已切 换移动终端的信息，并从固件程序中维护的地址列表中删除移动终端的信 息。 3 2 基于p r i s m 2 网卡的a p 的软硬件环境和功能设计 3 2 1 a p 软件所遵循的标准： a p 的丌发遵守i e e e8 0 2 3 协议、i e e e8 0 2 1 d 协议、i e e e8 0 2 1 l 协议。 3 2 2 a p 的硬件平台 在我们所要组建的i e e e 8 0 2 “网络中，a p 的硬件构成是这样的：a p 是建设 在一台n e cv e r s an o t e 笔记本计算机上，这台笔记本计算机具有两个p c m c i a 插 槽，一个插槽中插入的是dl i n k 公司的d f e 6 5 0 p c 有线网卡，所连接的是i e e e 8 0 2 3 第二章垡j ：p r i s m 2 高述无线网p 的a p 方案 的有线骨干网；另一插槽中插入的是p r i m s 2 无线网卡，所连接的是i e e e 8 0 2 1 1 中 的基本业务组。 3 2 3 a p 的软件平台 a p 的软件设计是基于r e dh a tl i n u x6 0 操作系统下，需要p c m c i a c s 3 1 8 软件包的支持。 3 2 4 a p 软件所需完成的功能 a p 所需完成的功能有： 一、 对小区内移动终端的管理，包括登录、认证：