（通信与信息系统专业论文）安全无线局域网中ap开发平台的设计与实现.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 摘要 论文题目 安全无线局域网中a p 开发子台的设计与实现 姓名 王鹏 导师 曹秀英教授 学校 东南大学 无线局域网技术是计算机和通信技术不断融合发展的产物 也是无线网络技 术的一个重要分支 接入点a p 是无线局域网中的重要实体 对其进行自主设计与 实现可以使得对网络和协议的研究工作更加深入并更具灵活性 本文首先阐述了无线局域网的概念和相关技术与标准 并着重研究了i e e e 8 0 2 1 l 协议 对安全无线局域网也进行了介绍 随后分析了a p 的模块构成 在网 络中的功能和工作原理 并结合嵌入式系统的相关知识确定了基于m p c 8 6 0 和 ij n l 琢操作系统的a p 设计方案 a p 硬件系统的设计是本课题工作的重点 其中包括板级电路系统的设计和 f p g a 内部逻辑模块的设计 文中对硬件系统的设计 仿真 实现和调试做了详细 的说明并给出了最终硬件系统的结构与主要参数 此外 本文还介绍了与底层软 件相关的工作 包括b s p 与u n u x 操作系统的移植 无线设备驱动程序的设计实 现 最后 本文说明了在开发平台上进行高层应用程序开发的方法 并且介绍了 系统实时性和r 1 f a i 的有关概念 关键词 i e e e 8 0 2 1 1安全无线局域网无线接入点嵌入式系统设计 东南大学硬士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f d e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o r a p i ns e c u r i t yw l a n w r i t t e nb yw a n g p e n gs u p e r v i s e d b yp r o f e s s o rc a ox i u y i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y w i r e l e s sl a ni st h eo u t c o m eo ft h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dc o h l l i u n i c a t i o n t e e h n o l o g i e s a tt h es a m et i m e i t s 孤i m p o r t a n tp a r to fw i r e l e s sn e t w o r kt e e n o l i g i c s a c c e s sp o i n tr a p i sa l li m p o r t a n te n t i t yo fw i r e l e s sl a n w id e s i g na n di m p l e m e n ta p m a tw ec a r lm a k eo u rr e s e a r c ho nn e t w o r k sa n dp r o t o c o l sd e e p e ra n dm o r ef l e x i b l e i nt h i sp a p e r t h ec o u c 宅p to fw i r e l e s sl a na n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e sa n ds t a n d a r d s e s p e c i a l l yi e e e8 0 2 1 1p r o t o c o l sa n ds e c u f i t yw i r e l e s sl a n a r ep r e s e n t e df t r s t l y t h e l l t h ed e s i g np l a no fa pb a s e do nm p c 8 6 0a n dl i n u x w h i c hi sc o m ef r o mt h ea n a l y s i so f a p sf u n c t i o n sa n dk n o w l e d g eo fe m b e d d e ds y s t e m s i sb r o u g h tf o r w a r d t h ee m p h a s i so ft h i sp a p e ri st od e s i g nt h eh a r d w a r es y s t e mo fa l la p w h i c h i n c l u d e sn o to n l yc i r c u i tb o a r dd e s i g nb u ta l s om o d u l e sd e s i g ni nf p g a t h ed e t a i l so f d e s i g n s i m u l a t i o n i m p l e m e n t a t i o na n dt e s ta r es h o w na n dt h es t n l c t u r ea n dp a r a m e t e r s o f 也ew h o l eh a r d w a r es y s t e ma l eg i v e n f u r t h e r m o r e s o m ew o r ko nl o wl a y e rs o f t w a r e w h i c hi n c l u d e sr e p l a n t i n gb s pa n do p e r a t i n gs y s t e ma n dd e s i g n i n gd r i v e rf o rw i r e l e s s i n t e f f a c ed e v i c e i si n v o l v e d o fc o u r s e t h em e t h o do fd e v e l c p i n ga p p l i c a t i o np r o g r a m so nt h i sp l a t f o r mi s i n t r o d u c e d a tt h ee n do ft h i sp a p e r t h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fs y s t e r na n dr e a l t i m e a p p l i c a t i o ni n t e r f a c e r t a i a r ed i s c u s s e d k e y w o r d s i e e e 8 0 2 1 1s e c u r i t yw i r e l e s sl a n a c c e s sp o i n t e m b e d d e ds y s t e m sd e s i g n i i 东南大学硕士学位论文学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南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已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名 垦g 竭日期 主 兰 三 z 关于学位论文使用授权的说明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆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 除在保密期内的保密论文外 允许论文 被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或都分内容 论文的公布 包 括刊登 授权东南大学研究生院办理 签名 盟导师签名 望查篁日期 垒堕 至z 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着计算机和通信技术的不断发展融合与实际应用 人们的生产 生活方式有了极大的 变化 今天 人们不再仅仅满足于在有线网络上实现固定终端之间的通信 而是朝着在任何 时间 任何地点 以任何方式和任何人进行通信这个通信技术领域的终极目标不断迈进 毫 无疑问 依托于无线网络的移动通信技术是实现这一目标的关键 无线局域网 w l a n 作为无线网络技术中的重要分支 近年来取得了很大的发展 随 着一系列标准的制定和相关产品的推出 无线局域网技术已经开始进入工业 科研 医疗 军事 交通 教育 娱乐等众多应用领域 并发挥着越来越重要的作用 更令人瞩目的是 在无线局域网的应用日益广泛韵同时 其相关的技术研究也正在不断深化 我们有理由相信 无线局域网技术将成为2 l 世纪的主流通信网络技术之一 1 1 无线网络的优点与局限 无线网络利用电磁波在开放的空间中进行数据传输 在不同的通信终端之间无需电缆连 接 与传统的有线弼络福比 无线局域网的优点主要体现在以下几个方面 可移动性 在有线网络中 通信终端的位置要受到通信电缆的束缚 无法任意移动 无线网络允许 通信终端在网络覆盖范围内任意的移动 为终端用户提供了极大的自由和便利 从而提高工 作效率和生活质量 网络建设方便快捷 在实际的网络建设过程中 有许多情况下布设传统的有线网络是十分困难的 例如比较 陈旧的建筑 这些建筑的图纸可能已经遗失 无法根据其建筑结构确定布线方案 或是具有 特殊历史意义的场所 这些地点的设施受到保护 不允许架设电缆 在这种场合建设有线网 络的方案是不可行的 事实上 即使是在现代化的建筑物中安装电缆也是一件昂贵且费时的 事情 无线网络的建设则要方便和迅速的多 只需安放一定数量的无线接入设备即可完成区 域覆盖和网络组建 高度的灵活性 与有线网络相比 无线网络在新建 扩容 调整和拆除方蠢都十分灵活 特剐适用于旅 店 机场 车站 图书馆 咖啡店等 熟点区域 和大型展览 交流会等需要临时构建网络 的场合 当然 目前的无线网络技术并没有达到可以彻底替代传统有线网络的水平 在摆脱了电 缆束缚的同时 无线传输媒体的使用也不可避免的带来了一些网络性能上的问题 数据传输速率的限制 到2 0 0 4 年底 利用有线计算机网络进行远距离数据传输的最高速率已经超过了1 0 0 g b p s 以上 而目前无线网络的传输速率普遍处于k b p s 或m b p s 的数量级水平 通信可靠性和网络容量问题 在无线网络中 信号很容易受到噪声的干扰 有些情况下各个站点的发射功率又会影响 整个网络的容量 这就需要对信道编码 功率控制算法等方面进行改进 网络安全性问题 表南大学硕士学位论文第一章结论 由于无线媒体具有开放性的特点 如何保证无线网络的安全成为了一个十分重要的研究 课题 要达到和有线网络相当的安全性能 必须进行严格的认证操作并采用高复杂度的加密 算法 事实上 无线网络中存在的问题也正是技术研究的重点 正是对于这些问题的逐步解决 推动了无线网络技术的不断发展 1 2无线局域网简介位1 局域网 l a n 通常是指处于同一建筑 同一单位或方圆几千米区域内的专用网络 常 用于连接个人计算机和工作站 以便共享资源和交换信息 采用无线传输媒体的局域网即为 无线局域网 w i a n 目前无线局域两采用的传输媒体主要有两种 微波与红外线 采用微波作为传输媒体的 w l a n 技术根据调制方式不同又可以分为扩频方式与窄带调制方式 在扩频方式中 数据基 带信号的频谱被扩展至几倍至几十倍之后再被搬移至射频前端发射出去 这种方式牺牲了频 带带宽 但提高了通信系统的抗干扰能力和安全性 采用扩频方式的w l a n 一般选择i s m 频 段 在窄带调制方式中 数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频前端发射出 去 这种方式占用频带少 频带利用率高 采用窄带调制方式的w l a n 一般选用专用颓段 作为w l a n 的传输方式 红外线方式的最大优点是不受无线电干扰 并且红外线的使用不受 国家无线电管理委员会的限制 但是 红外线对非透明物体的透过性极差 这导致传输距离 受到限制 现有的w l a n 产品所采用的技术标准主要包括 i e e e8 0 2 1 1 蓝牙 h i p e r l a n h o m e r f 和i r d a 本文的工作是基于i e e e8 0 2 1 1 标准开展的 在这里对其它的几种无线局域网技术做 一个简单的介绍 蓝牙技术是一种用于各种固定与移动的数字化硬件设备之间的低成本 近距离的无线通 信连接技术 其目标是实现最高数据传输速度达到im b p s 僮用篮牙技术的无线设备传输距 离为l o 厘米 i o 米 通过增加发射功率可达到1 0 0 米 蓝牙技术中采用了跳频技术 与其他 工作在2 4gh z 频段上的系统相比 蓝牙技术的跳频更快 数据包更短 这使得蓝牙系统比 其他系统更稳定 蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合 h i p e r l a n 是欧洲电信标准协会 e t s i 开发的标准 包括h i p e r l a n l h i p e r l a n 2 h i p e r l i n k 用于户内无线骨干网 和h i p e r a e c e s s 用于固定户外应用设备访问有线基础设施 等四种标准 其中 h i p e r l a n l 提供了一条实现高速无线局域网连接 减少无线技术复杂性 的快捷途径 并采用了在g s m 蜂窝阿络和蜂窝数字分组数据网 c d p d 中广泛使用的高斯 最小移频键控 g m s k 调制技术 h i p c r l a n 2 具有与i e e e s 0 2 1 l a 几乎完全相同的物理层和 无线a t m 的媒体访问控制 m a c 层 h o m e r f 主要为家庭网络设计 是i e e e 8 0 2 1 1 与d e c q 数字无绳电话标准 的结合 旨在降低语音数据成本 h o m e r f 利用跳频扩频方式 既可以通过时分复用支持语音通信 又 能通过载波侦听多址访问 冲突避免 c s m a c a 协议提供数据通信服务 同时 h o m e r f 提 供了与t c p i p 良好的集成 支持广播 多点传送和4 8 位p 地址 目前 h o m e r f 标准工作 在2 4gi i z 频段上 跳频带宽为1m z 最高传输速度为1 0mb p s 传输距离可超过t o o 米 i r d a i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n 红外线数据标准协会 是一种利用红外线进行点对点通 信的技术 其相应的软件和硬件技术都已经比较成熟 它的主要优点是 无需专门申请特定 频率的使用执照 具有移动通信设备所必需的体积小 功率低的特点 传输速率高 可达1 6m b p s 成本较低 目前大多数的便携式电脑上都安装了i r d a 接口 但是 i r d a 也有不尽如人 意的地方 首先 这是一种视距传输技术 也就是说两个具有i r d a 端1 2 的设备之问如果传输 2 数据 中间就不能有阻挡物 这在两个设备之间是容易实现的 但在多个设备问就必须彼此 调整位置和角度 其次 k d a 设备中的核心部件 红外线l e d 不是一种十分耐用的器件 如果使用频繁则需要经常更换 1 3i e e e8 0 2 1 1 标准概述嘲嘲 i e e e8 0 2 1 1 标准于1 9 9 7 年6 月2 6 目制定完成 并于同年1 1 月2 6 日正式发布 这 一标准承袭m e e8 0 2 系列 规范了无线局域网中媒体访问控制层m a c m e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 和物理层p h y p h y s i c a l 的相关技术 i e e e8 0 2 1 1 在i e e e8 0 2 系列标准中所 处的位置及其与其他标准的关系如图1 1 所示 圈圈圈圈型酗酗豳 羹据链路层 物理层 图1 1 i e e e8 0 2 系列标准 i e e e8 0 2 1 1 标准自从制定发布以来一直处于不断的发展过程中 时至今日已经有一系列 协议被扩充到这一标准之中 各个协议的作用和目标见表1 1 珥旺 2 i l a扩充了i e e e 8 0 2 1 1 标准的物理层 规定该层使用5 8 g h z 的i s m 频带 该协议采用正交 频分 o f d m 调制数据 传输速率范围为6 5 4mb p s 这样的速率既能满足室内的应 用 也能满足室外的应用要求 口e e8 0 2 1 1 b对i e e e8 0 2 1 1 标准的另一个扩充 规定采用2 agh z 的i s m 频带 调制方法采用补码键 控 c c k t e e e8 0 2 1 1 d i e e e8 0 2i l b 使用其它频率的版本 以适应一些不能使用2 4 g h z 频段的国家和地区 i e e e8 0 2 1 l c在i e e e8 0 2 1 1 系列协议中增加q o s 能力 它用t d m a 方式取代类似e l h e t r i c t 的m a c 层 可以为重要的数据增加额外的纠错功能 住髓8 0 2 1 l f 目的是改善i e e e8 0 2 1 1 协议的切换机制 使用户能够在不同的交换分区 无线信道 闻 或者在接入设备间漫游 这就使无线局域同能够提供与其他移动通信网络同样的移动性 i e e e8 0 2 1 l g 对i e e e8 0 2 1 i 标准的物理层做了进一步的扩充 使用2 4 g h z 的i s m 频带提供最大为5 4 mb p s 的传输速率 并可同时兼容i e e e8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 l l b e e8 0 2 1 l h比i e e e8 0 21 l a 能更好地控制发送功率和选择无线信道 与i e e e8 0 2 1 l c 一起可以适应欧 洲更严格的标准 l 哑8 0 2 1 1 i旨在改善i e e e8 0 2 1 1 标准中最明显的不足 安全性能 i e e e8 0 2 1 1 j目的是使i e e e 8 0 2l l a 和h i p e r l a n 2 网络能够互通 表1 1i e e e8 0 2 1 l 协议族 3 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4论文研究主要内容 本文研究内容隶属于国家8 6 3 高科技项目 无线局域网安全技术研究 下的无线接入点 a p 硬件和底层软件实现部分 主要在对i e e e8 0 2 1 1 无线局域网协议和安全无线局域网研 究的基础之上 完成了安全无线局域网中a p 的硬件和底层软件的系统设计与实现 从而为安 全无线局域网中高层协议的实现和加密算法 切换控制的研究建立了开发平台 本文共分六章 各章内容安排如下 第一章绪论 简要介绍了无线网络的特点 无线局域网的相关标准和本文的研究背景和工作重点 第二章i e e e8 0 2 1 1 协议简介 在研究i e e e8 0 2 1 1 协议的基础上 分析了无线局域网的体系结构和m a c 层关键技 术 并对物理层的各个相关协议分别做了介绍 第三章安全无线局域网 s w i a n 中的a p 设计方案 介绍了安全无线局域网的网络模型 a p 的构成和工作原理 嵌入式系统的基本知识 并由此提出了基于嵌入式系统的a p 设计方案 第四章硬件部分设计与实现 详细介绍了a p 硬件部分的设计 实现与调试方法 并且使用f p g a 完成了无线物理 层设备控制模块的开发 第五章底层软件移植与设计 介绍了板级支持包b s p 和操作系统的移植工作 并为系统中的无线设备设计了驱动 程序 从而为高层协议和应用程序的开发提供了功能上的支持 第六章开发平台的使用 对在开发平台上进行软件开发的方法做了说明 并对于系统的实时性能进行了一些 讨论 4 东南大学硕士学位论文第二章l e e e 0 2 1 1 协议简介 第二章 l e e e8 0 2 1 1 协议简介 i e e e8 0 2 1 1 是由i e e e 国际电子与电器工程师协会 制定的无线局域网的标准 定义了 无线局域网的网络体系结构 m a c 层和物理层的具体规范 各种不同厂商按此标准开发的无 线产品可以实现互联 随着无线局域网技术的发展 i e e e 对8 0 2 1 l 协议在数据速率 兼容性 安全等方面进行了扩充 形成了一套协议族 2 1i e e e8 0 2 1 1 体系结构嘲 2 1 1无线网络的特点 无线网络具有的基本特点和传统的有线网络有显著的不同 首先 在有线网络中 一个地址等价于一个物理位置 在i e e e8 0 2 1 1 网络中 可寻址的 单元为站点 s t a s t a 是消息的目的地 但通常位置不固定 第二 i e e e8 0 2 1 1 使用的物理层 p h y 与有线媒体有本质上的不同 它具有如下的特 性 所用媒体即没有绝对的边界 也没有容易观察的边界 在此边界之外的收发器不能接收 网络帧 不能避免外界信号的干扰 在无线媒体上通信的安全性明显低于有线网络物理层 具有动态拓扑结构 缺乏全连通性 因而一般不能假设每个s t a 均能侦听到其他s t a 具有 时变特性和非对称传播特性 第三 无线网络的实现中必然需要处理移动s t a 和便携s t a 其中 便携s t a 可以从一 个位置移动到另一个位置 但只有处于固定位置时才被使用 而移动s t a 可在移动中访问网 络 事实上 无线传播的影响使得固定s t a 通常表现出移动性 进而使得便携s t a 与移动s t a 之间的区别变的模糊 移动s t a 的一个重要特性是通常由电池供电 因此需要重点考虑电源 管理问题 最后 由图1 1 可知 对于高层 即l l c 层 而言 要求s t a 的移动性在i e e e8 0 2 1 1 的m a c 子层得到处理 同时 为了满足l l c 层对底层可靠性的假设 必须在m a c 子层中包 含传统有线网络m a c 层中不具有的功能 2 1 2i e e e8 0 2 1 1 网络结构 i e e e8 0 2 1 1 体系结构由一些互相交互的组件构成 以便对高层提供透明的站点移动性支 持 这些组件包括 无线站点s t a s t a t i o n 无线接入点a p a c c e s sp o i n t 基本业务集 b s s b a s i cs e r v i c es e t 独立基本业务集m s s i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t 分布式系统 d s d i s t i i b u t i o ns y s t e m 和扩展业务集e s s e x t e n d e ds e r v i c es e t 基本业务集 b s s 是i e e e8 0 2 1 1 局域网的基本构件模块 一个b s s 对应于一个覆盖区 域 在该区域内b s s 的成员站点之间可以保持相互通信 当一个站点移出了b s s 它就不能 直接和该b s s 内的其它站点通信 独立基本服务集 i b s s 是i e e e8 0 2 1 1 局域网的最基本的类型 当s t a 之间能够直接 通信时 i b s s 就可以被组建 图2 1 中示出了一个由两个s t a 组成的i b s s 5 东南大学硕士学位论文 第二章 i e e e9 0 2 1 1 协议简介 物理层的限制决定了 s 1 a 之间直接通信的距离 对 于某些网络来说这一距离是 足够的 对另一些网络而言则 需要增加覆盖范围 除了独立 构成i b s s 之外 b s s 还可以 是由多个b s s 构成的扩充型 网络 即e s s 的组成部分 在e s s 网络中 包括了两 种重要的网络实体 分布式系 图2 1独立基本服务集i b s s 统d s 和接入点a p d s 是用于将b s s 集合与集成的局域网互联起来而创建扩展服务集的系 统 a p 则是指任何一个具备s t a 功能 并通过无线媒体为关联的s t a 提供访问分布式服务 能力的实体 b s s 和d s 之间的数据通过a p 进行传递 e s s 网络内的s t a 之间可以迸行通信 并且移动s t a 可以对l l c 透明的从一个b s s 移动到另一个b s s e s s 的网络结构如图2 2 所 示 2 1 3i e e e8 0 2 i i 服务集 图2 2 扩展服务集e s s i e e e8 0 2 i i 没有规定d s 实现的细节而是对服务进行了规定 完整的服务集如下 认证 a u t h e n t i c a t i o n 用于进行将要通信的s t a 之间的身份确认 关联 a s s o c i a t i o n 用于向d s 提供s t a 到a p 的映射信息 解除认证 d e a u t h e n t i c a t i o n 用于终止现有的认证 解除关联 d i s a s s o c i a t i o n 用于终止现有的关联 分发 d i s t r i b u t i o n 用于d s 中将消息交付到适当的 与期望接收方相关的目的地 集成 i n t e g r a t i o n 用于实现d s 与集成的局域网之间的消息传递 保密 p n v a c y 对网络传递的消息内容进行加密 增强网络的安全性能 重新关联 r e a s s o c i a t i o n 用于支持s t a 在b s s 之间的移动性 m s d u 发送 m s d ud e l i v e r y 用于传送m a c 服务数据单元 上述服务集被分为两组 s t a 服务和d s 服务 它们都是为m a c 子层实体使用而规定的 由每个s t a 提供的服务称为站点服务s s s t a t i o ns e r v i c e 包括认证 解除认证 保密和m s d u 6 东南大学硕士学位论文第二章i e e e 8 0 2 1 1 协议简奔 发送 由d s 提供的服务称为分布系统服务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 包括关联 解 除关联 分发 集成和重新关联 2 2i e e e8 0 2 1 1m a c 层协议简介叫 2 2 1无线m a c 协议面临的问题 通过对无线网络特点的分析 我们可以知道无线m a c 层协议面临的主要问题表现在如下 几个方面 资源有限 无线媒体的信道和带宽资源有限 设计m a c 协议时要考虑充分利用信道和带宽资源 信道具有时变特性 无线信道为衰落信道 信道特性随时甸变化 从而引起传输质量 传输容量和连接性的 动态变化 握手是缓解由衰落引起的信号时有时无现象的有效手段 当两个站点想互相通信 时 它们通过交换短信息来检测它们之间的无线信道 一次成功的握手标志着两站点间的通 信连接成功 此外 由于信道的时变性 还需要m a c 协议具有尽可能大的吞吐量 半双工操作 在无线系统中 当一个节点发送数据时 许多发射信号能量会泄露到接收透道形成自干 扰 因此在发送时很难进行接收侦听 大部分无线系统为半双工操作 上行链路和下行链路 需要时分复用或者频分复用 发送端的碰撞检测c d c o l l i s i o nd e t e c t i o n 很难实现 一般改 用碰撞避免c a c o l l i s i o n a v o i d a n c e 机制 突发信道错误 由于信道的时变特性和信号强度的变化 无线传输过程中很容易发生错误 减小由于突 发错误而引起的丢包的措施一般有 减小包的长度 完善的前向纠错 f e e 和重传 依赖位置的载波侦听 在自由空间中 信号强度随传输距离的平方而减小 因此载波侦听是接收机相对于发射 机位置的函数 在无线媒体中 由于多径传播的原因 信号强度的减小按照距离的指数规律 变化 只有在发射机一定半径范围内的站点才能够侦听到信道上的载波 这种依赖位置的载 波侦听会导致隐藏终端 暴露终端和远近效应等现象 鲁棒性 鲁棒性表现在两个方面 即对抗信道衰落的信道鲁捧性和网络鲁棒性 这里的鲁棒性是 指对抗信号衰落时信道和网络仍能维持稳定工作的能力 信道衰落使两个节点之间的链路出 现短时间的不稳定 但不能因此产生系统的不稳定行为 对物理层透明 m a c 层协议要支持多种物理层 而不同的物理层有不同的设计和传播特性 m a c 协议 要定义一套接入机制并能与不同的物理层相衔接 公平性 无线信道容量有限 带宽公平共享十分关键 短期和长期公平性都很重要 但要注意的 是接入的公平性与q o s 有一定的矛盾 低功耗 无线网络的一个重要特点是支持移动终端 移动终端一般靠电池供电 而无线设备的电 池能量是有限的 对于m a c 协议来说 有效的利用能量并提供一定的节能措施很重要 对移动性的支持 7 东南大学硕士学位论文第二章日旺难8 0 2 1 1 协议简介 有些m a c 协议可以直接支持终端的移动 既能支持越区切换也能支持漫游 另一些m a c 协议是建立在终端不移动或慢速移动的基础上的 如果在不支持移动的m a c 协议中有移动终 端出现 则会产生 插入终端 问题 2 2 2i e e e8 0 2 1 1m a c 层主要功能 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的m a c 层与其它i e e e8 0 2 标准的m a c 层一样 厨逻辑链路控 制层 l l c 一起构成了网络中的数据链路控制层 它详细规定了节点访问传输媒体而不致发 生碰撞的基础协议 其体系结构如图2 3 所示 图2 3 i e e e8 0 2 1 1m a c 层体系结构 在i e e e8 0 2 1 1 网络中 m a c 层的基本访问方法是带碰撞避免的载波侦听多址访问 c s m m c a 这是一种分布式协调功能 d c f 应该在所有的s t a 上得到实现 在d c f 机制下 s t a 在发送数据之前应该侦听媒体以确定是否有其他的s t a 正在进行发送 c s m a c a 分布式算法强制在连续的帧序列之间存在规定的最小持续期的间隙 因此 准备发送的s t a 应确保在试图发送之前的持续期内信道空闲 如果确定媒体为忙 则s t a 应该推迟发送操作 到当前的传输结束为止 当成功发送后立即试图再次发送之前 s t a 应选择随机退避时间间 隔 并且在媒体空闲时递减退避时间间隔计数器 随机退避机制的引入减小了数据碰撞发生 的概率 点协调功能 p c f 是一种可选的媒体访问方法 由点协调器 通常实现在a p 中 确定 当前哪个s t a 有发送的权利 这种方法的实质是进行轮询操作 点协调器担任轮询控制器的 角色 p c f 使用了访问优先权机制和虚拟载波侦听机制 它在信标管理帧中分发信息 并通 过设置网络分配矢量 n a v 来获取对媒体的控制 此外 在p c f 下传送帧时采用的帧阔间 隔比用d c f 机制传送帧时采用的帧闻间隔要小 这就意味着点协调机制具有比分布式协调机 制更高的访问媒体的优先级 利用p c f 提供的访问优先权可以创建无竞争的访问方法 m a c 层提供的另一个重要的功能是分段和重组 分段是指将m a c 服务数据单元 m s d u 或m a c 管理协议数据单元 m m p d u 划分成更小的m a c 协议数据单元 m p d u 的过程 对于长帧而言 信道的特性会限制接收的可靠性 此时利用分段可以提高m s d u 或m m p d u 成功传输的概率 分段由每个直接发送方完成 重组是指将多个m p d u 重新组合成单个m s d u 或m m p d u 的过程 由每个直接接收方完成 由m s d u 或m m p d u 分段得到的m p d u 被独 立发送 且每个分段被单独确认 这允许对每个分段而不是对整个m s d u 或m m p d u 重传 从而提高网络的效率 8 东南大学硕士学位论文第二章i e e e 8 0 2 1 t 协议简介 2 3i e e e8 0 2 1 1 物理层协议简介伽 嘲湖 物理层 p h y 处于整个局域网的最底层 它为信号的传播提供物理载体 是实现上层 协议 构建网络的基础 i e e e8 0 2 1 1 标准中对无线局域网物理层做出了相关的规定 并且不 断的推出新的扩展协议以改进网络性能 满足各种应用需要 2 3 1 i e e e8 0 2 1 1 物理层功能与结构 在i e e e8 0 2 1 1 物理层中包括两个协议功能 c a 物理层会聚功能 它使得依赖于物理媒 体p m d 系统的能力与p h y 服务相适配 该功能由物理层会聚规程 p l c p 支持 p l c p 规 程定义了一种将m a c 子层协议数据单元 m p d u 映射为适合在两个或多个使用关联的p m d 系统的s t a 之间发送与接收用户数据和管理信息的成帧格式的方法 b p m d 系统功能 定 义了在两个或多个s t a 之间通过无线媒体 w m 发送和接收数据的特性和方法 物理层中包括三个功能实体 p m d 功能 物理层会聚功能和层管理功能 整个协议参考 模型如图2 4 所示 姒cs p m a c 子层 数据链路层 m a c 子层一 管理单元 m i 皿 s a p p h l s a p坷皿 p u 噩 s a p s t a 管理单元 p l c p 子层一 p u ns a p p h y 子层 物理层 p l y s a p 管理单元 p i l l 子层一 图2 4i e e e8 0 2 1 1 参考模型 2 3 2i e e e8 0 2 1 1 物理层规范 在最初的i e e e8 0 2 1 1 协议中定义了三种物理层规范 分别是 2 agh z 频段的频率跳变 扩展频谱 f h s s p h y 规范 2 4gh z 频段的直接序列扩展频谱 d s s s p h y 规范和红外 线 m p h y 规范 频率跳变扩频使载波频率在很宽的频带范围内按某币中图案 伪随机序列控制 进行跳变 接收机利用相同的伪随机序列实现同步并解扩 解调 识别 跳变频率至少为1 跳 秒 跳变 过程中将能量扩散到整个频带内 利用它实现扩频并最终获得传输增益 直接序列扩频将要发送的信号用伪随机码 p n 码 扩展到一个比原始信号频带宽得多的 频带上去 以实现扩频 在接收端 利用与发端相同的p n 码进行相关解扩 恢复出发送信号 对干扰信号 由于与p n 码不相关 在接收端被扩展 使落入信号通带内的干扰信号功率降低 g 扩频增益系数 倍 从而提高了相关器的输出s n 比 达到抗干扰目的 红外线p h y 依靠反射红外能量和直视红外能量通信 与以上两种射频技术规范不同的是 9 东南大学硕士学位论文第二章i e e e 8 2 1 i 协波简弁 在世界范围内 目前没有对红外发射的频率分配或频带分配规则的限制 在后面的章节中会涉及到符合d s s sp h y 规范的硬件设备 因此在这里对d s s sp h y 规 范做一些介绍 在数据发送端 对于一个来自m a c 层的m p d u 物理层需在其前面加上p l c p 前导码和 p l c p 报头以转化为物理层协议数据单元 p p d u 前导码由1 2 8 位同步序列 s y n c 和1 6 位帧起始定界符 s f d 组成 p l c p 报头由8 位信号 s i g n a l 字段 8 位服务 s e r v i c e 字段 1 6 位长度 l e n g t h 和1 6 位c r c 组成 前导码和报头均以1mb p s 的速率发送 在形成p p d u 后 还应对所有的发送比特加扰 相应的 在数据接收端 需要进行解扰和剥 离p l c p 前导码和报头的处理才能得到m p d u p p d u 的格式如图2 5 所示 图2 5 i e e e8 0 2 1 1 中p p d i 的格式 i e e e8 0 2 1 1 协议中规定的d s s s 系统分别采用二进制相移键控 d b p s k 和差分正交相 移键控 d q p s k 的基带调制来提供1mb i t s s 和2mb i t s s 的数据速率 对于d s s sp h y 的工作频率范围和信道数量 各个国家和地区有着不同的规定 如表2 1 所示 注 表中的 x 表示可以使用相应频率 信遘编号频率中国美置欧渊日本 l2 4 1 2 m h zxxx 22 4 1 7 m h zxxx 32 4 2 2 m h zxx x 42 4 2 7 m l zxxx 52 4 3 2 m h zxxx 62 4 3 7 m h zxx x 72 4 4 2 m h zxxx 82 4 4 7 m i z x xx 92 4 5 2 m h zxxx 1 02 4 5 7 m h z xx x 1 1 2 4 6 2 m h zxxx 1 22 4 6 7 m 眶xx 1 32 4 7 2 m 眩xx 1 42 4 8 4 m 倥x 表z 一1 d s s sp h y 频率信道方案 另外 d s s sp h y 还应根据下面三种方法中的至少一种来提供执行空闲信道评定 c c a o 东南大学硬士学位论文第二章i e e e 8 0 2 i i 协议衙介 的能力 c c a 模式一 能量超过闺值 c c a 应在检测到任何超过能量检测 e d 阈值的能量时 报告媒体忙 c c a 模式二 仅载波侦听 仅当侦听到d s s s 信号时 c c a 报告媒体忙 该信号可能高 于或低于e d 阈值 c c a 模式三 能量超过阚值时载波侦听 在检测到能量超出e d 阈值的d s s s 信号时 c c a 报告媒体忙 2 3 3i e e e8 0 2 1 1 b 简介 砥8 0 2 1 l b 协议是对瑾髓8 0 2 1 1 中的d s s sp h y 规范的扩展 这种扩展建立在提高数 据速率能力的基础之上 除了1m b i t s s 和2 m b i t s s 速率之外还提供5 5 m b i t s s 和l l m b i t 8 s 的净荷数据速率 为了提供更高的数据速率 调制方式采用8 码片的补码键控 c c k 调制 砸e e8 0 2 1 l b 同样使用2 4gh z 频段 可以兼容原有的d s s sp h y 规范 在i e e e8 0 2 1 l b 协议中定义了两种p p d u 格式 长p l c p p p d u 格式和短p l c p p p d u 格 式 其中前者的格式与i e e e8 0 2 i i 中定义的p p d u 格式基本一致 后者的格式如图2 6 所示 短s d i ci s f d 5 6 比特l1 6 比特 s i g n a ls e r v i c e 8 比特i8 比特 l e n 6 t h 1 8 比特 c r c 1 6 比特 短p l c p 前导码 7 z 比特 短p l c p 报头ln p d i j 4 8 比特i 以2 b l t s s 5 5ib l t s m 或1 1ib t t s s 变化 图2 6 i e e e8 0 2 1 1 b 中短p l c pp p d u 格式 短前导码和报头可以用于减小开销 进而增大网络数据吞吐量 在c c a 方面 i e e e8 0 2 1 l b 也作了相应的改进 规定p h y 应按照下面的三种方法中的 至少一种提供c c a 的能力 c c a 模式一 能量超过蜩值 c c a 应在检测蓟任何超过能量检测 e d 阈值的能量时 报告媒体忙 c c a 模式四 有定时器的载波侦听 c c a 应启动一个定时器 它的持续时间是3 6 5 m s 并且只有当检测到p h y 信号时才报告媒体为忙 在定时器超时之后并且没有检测到p h y 信 号 则c c a 应报告媒体为空闲 其中3 6 5 m s 是速率为5 5m b i t s s 时p s d u 的最长持续时间 c c a 模式五 载波侦听和能量高于阈值的结合 当在天线上接收到能量高于阈值的p p d u 时 c c a 报告媒体为忙 i e e e8 0 2 1 1 b 的理论上的最大数据速率是1 l m b p s 但实际最大数据速率是6 m b p s 在 误码严重的时候数据速率会迅速回落 5 0 的误码率就会导致整个数据速率减少2 3 降为2 m b p s 为了防止干扰 i e e e8 0 2 1 1 b 只有通过牺牲速率换取低的误码率 使它很难突破数据速 率上的瓶颈 东南大学硕士学位论文第二章 i e e e8 0 21 l 协议简介 2 3 4i e e e8 0 2 1 l a 简介 i e e e8 0 2 l l a 协议中提出了工作在5gh z 频段的使用正交频分复用 o f d m 技术的高 速物理层规范 其中 可选择的数据速率为6 9 1 2 1 8 2 4 3 6 4 8 和5 4 m b p s 系统使 用5 2 个子载波 采用的调制方式为b p s k q p s k 1 6 q a m 或6 4 q a m i e e e8 0 2 1 l a 协议中规定的p p d u 格式如图2 7 所示 i 怒 保留长度技验尾撅服务 p s d u 尾标 填充位 l 比特1 2 比特l 比特6 比特1 6 比特6 比特 l p l c p 前导符号信号可变长度数据 图2 7 i e e e8 0 2 l l a 中的p p d u 格式 与i e e e8 0 2 1 l b 相比 i e e e8 0 2 1 l a 具有更宽的带宽和更高的数据传输速率 并且信道间 的干扰较小 但是也存在着覆盖范围和成本方面的问题 此外 i e e e8 0 2 1 l a 的一个明显的缺 点是兼容性 由于使用的是较高的频率 且在物理层上采用不同于i e e e8 0 2 1 i b 的o f d m 技 术 所以i e e e8 0 2 1 l a 产品和已经安装的i e e e8 0 2 1 1 b 不能互通 2 3 5i e e e8 0 2 1 l g 简介 i e e e8 0 2 1 l g 是i e e e 为了解决i e e e8 0 2 1 l a 与i e e e8 0 2 1 l b 的互通问题而出台的一个标 准 它是i e e e8 0 2 1 i b 的延续 两者同样使用2 4gh z 通用频段 互通性高 已经成为被广 泛采用的w l a n 标准 i e e e 8