（通信与信息系统专业论文）无线局域网业务网络的端到端qos机制研究.pdf

摘要 近年来，i n t e r n e t 在全世界得到了极为迅速的发展，以其为载体的各种应 用越来越多。除了传统i n t e r n e t 应用如w w w ，f t p 、电子邮件、d n s 应用等，各 ， 种关于多媒体方面的新兴应用也在不断涌现。和普通数据不同，多媒体数据具有 实时特性，即数据之间必须满足一定的时间要求。因此，网络必须对多媒体应用 的分组进行特殊的处理，来保证以最小的时延和时延抖动提供所预期的服务，这 就要求网络能提供一定的服务质量( o o s ) ，来满足不同应用向网络提出不同的传 输服务质量请求，如带宽、时延、时延抖动、可靠性和费用等。在i p 网络中， i e t f 提供的区分服务模型( d i f f s e r v ) 体系走在这方面研究的前列。 另一方面，随着便携式设备如掌上电脑和笔记本电脑的越来越普及，人们也 越来越对用无线技术使得这些便携式设备获得与传统的有线网络相类似的服务 等级感兴趣。i e e e8 0 2 11 在无线局域网技术方面占据主导地位。对于无线局域 网的用户来说，他访问的目标一般不局限在本网络内通常要访问远程有线终端， 为了也能得到与之数据流相应的o o s ，光靠8 0 2 1 l 提供的机制显然是不够的。而 i e t f 的d i f f s e r v 机制是作用在i p 网络中，对无线局域网也不起作用。由此我们可 以看到如果不能正确的协调这两种不同的o o s 机制，就不能获得端到端的o o s 环 境。因此，如何把这两项机制有机的结合在一起，为无线局域网中的移动终端提 供透明的o o s 支持，成为目前一个研究的热门课题。 本论文首先介绍了服务质量( o o s ) 在现代网络技术中的重要作用，并介绍 了与之相关的概念：然后介绍无线局域网( w l a n ) 中o o s 技术的研究现状，指出 了几种协议机制在解决o o s 问题方面所存的缺陷，重点介绍了最新的机制：e 一 8 0 2 1 1 ，并通过仿真工具n s 2 对e 一8 0 2 1 1 与8 0 2 1 l e 的性能进行了比较；接着 介绍了在i p 网络中的o o s 技术，着重分析了基于区分服务( d i f f s e r v ) 的i po o s 控制策略研究；为了提供无线局域网业务网络的端到端o o s 机制，我们定义了一 个有三个部分组成的模型，分别为这三个部分设计了接口模块，最后对该模型在 支持o o s 方面的性能进行了仿真。仿真结果表面该模型能为各种类型的数据流提 供有效的区分服务，达到了我们的目的。 关键词：e 一8 0 2 11 ，w l a n ，d i f f s e r v ，q o s ，n s 2 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，i n t e m e t h a s g a i n e dh u g ed e v e l o p m e n t ，a n d a l lk i n d so f a p p l i c a t i o n sw i t hi n t e r n e ta sm e d i u m i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e b e s i d e st r a d i t i o n a l i n t e r n e t a p p l i c a t i o n s u c ha sw w f t p , e - m a i l ，d n sa n ds oo n ，m a n yn e w a p p l i c a t i o n sa b o u tm u l t i m e d i ai sp o p u l a r d i f f e r e n tf r o mc o m m o nd a t a ，m u l t i m e d i a d a t ah a st h ec h a r a c t e ro fr e a l t i m e ，t h a ti si tm u s ts a t i s f yac e r t a i nt i m ec o m m a n d a m o n gd a t a s s ot h ep a c k e t so f t h em u l t i m e d i am u s tr e c e i v es p e c i mh a n d l e rb yt h e n e t w o r k t h a ti st os a y , n e t w o r ks h o u l dp r o v i d eq u a l i t yo fs e r v i c es u p p o r tt op r o v i d e d i f f e r e n ts e r v i c ef o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s t h e s es e r v i c e si n c l u d eb a n d w i d t h , d e l a y , j i t t e r , c o s ta n ds oo n i ni pn e t w o r ka r e a ，t h ed i f f s e r va r c h i t e c t u r ed e s i g n e db yt h e i e t fi si nt h el e a d i n g p o s i t i o n o nt h eo t h e rh a n d a st h ep o r t a b l ed e v i c e ss u c ha sl a p t o p sa n dp a l m t o p sb e c o m e m o r ea n dp o p u l a r , t h ei n t e r e s tt oh a v eal e v e lo fs e r v i c e ss i m i l a rt ot h o s ea v a i l a b l e f r o mt h ec o n v e n t i o n a lw i r e dn e t w o r k su s i n gt h o s ep o r t a b l ed e v i c e sw i t h o u tw i r e si s g r o w i n gv e r yf a s tt h e s ed a y s i e e e8 0 2 1 1w i r e l e s sl a n ( w i , a n ) h a sb e c o m ea p r e v a i l i n g b r o a d b a n dw i r e l e s st e c h n o l o g y t h ec u s t o m e ri nw i r e l e s sl a n ( w l a n ) ，h eu s u a l l ya c c e s s e sr e m o t ew i r e d s t a t i o n s i tw i l ln o tr e c e i v es a t i s f i e dq o sw i t h o u tt h es u p p o r to ft h ed i f f s e r vw h i c hi s t h eq o st e c h n o l o g yi ni pn e t w o r k h o w e v e r , i nw i r e l e s sl a n ，d i f f s e r vc a n n o t f u n c t i o nt ot r a f f i cc o n t r o lf o rq o s i n s t e a d ，i e e e8 0 2 11a r eq o si nm a c l a y e r s i n c e 8 0 2 1 1a r en o n d i f f s e r vd o m a i n s ，e n d - t o e n dq o se n v i r o n m e n tc a n n o tb ep r o p e r l y p r o v i d e du n l e s st h e s ed i f f e r e n tq o st e c h n i q u e sa r ec o o r d i n a t e du n d e rc o m m o nq o s s p e c i f i c a t i o n s o u rs t u d yi st op r o p o s eam e t h o d o l o g yt r a n s l a t i n gt h ed i f f s e r vt ot h ei e e e 8 0 2 1 1 t h e p a p e r i n t r o d u c e st h ei m p o r t a n tr o l eo fq o si nm o d e mn e t w o r kt e c h n o l o g ya t t h ef i r s tc h a p t e r , a n di nt h es e c o n dc h a p t e r , w es t u d yt h eq o st e c h n o l o g yi nw l a n ， p o i n to u tt h eo u t c o m eo fs o m e8 0 2 1tp r o t o c o li np r o v i d i n gq o s a sa ni m p o r t a n t p a r t ，w ei n t r o d u c et h el a t e s tp r o t o c o l ：e 一8 0 2 11 w ec o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c ew i t h 1t t h e8 0 2 1leb yt h en s 2 i nt h et h i r dc h a p t e r , t h e p a p e rs t u d y t h eq o s t e c h n o l o g yi ni p n e t w o r k e s p e c i a l l yw ea n a l y s i st h ei pq o sc o n t r o lp o l i c yb a s e do nt h ed i f f s e r v t o p r o v i d e dt h ee n d q o e n dq o sf o rw l a n ，w ed e f i n ean e t w o r km o d e li nt h ef o u r t h c h a p t e rw h i c h i n c l u d e st h r e ep a r t s w ed e s i g n e dt h r e ei n t e r f a c ef o re v e r yp a r t a tl a s t w es i m u l a t et h em o d e lf o rt e s t i n gt h ep e r f o r m a n c ei n p r o v i d i n gq o s t h er e s u l t s s h o w e dt h a ti tc a l lp r o v i d e se f f i c i e n td i f f e r e n t i a t i o nf o rd i f f e r e n ts e r v i c e k e y w o r d s ：e - 8 0 2 1 1 ，w l a n ，d i f f s e r v , q o s ，n s 2 ；7 4 9 7 0 4 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已存文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：番：差宏 日期：扫d 年6 月t 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密赋 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 获差岩 缘令 日期：2 ，疗年月日 日期：2 e v l i 年月f 日 1 1 课题的背景 第一章绪论 近年来，i n t e r n e t 在全世界得到了极为迅速的发展，以其为载体的各种应用 越来越多。除了传统i n t e r n e t 应用如w w w ，f t p 、电子邮件、d n s 应用等，各种关 于多媒体方面的新兴应用也在不断涌现，得到越来越多的关注。像视频点播、远 程教学、远程医疗、网上直播、交互游戏、虚拟世界、网络电台等应用在i n t e r n e t 上迅速得到推广。 和普通数据不同，多媒体数据具有实时特性，即数据之间必须满足一定的时 间要求。因此，网络必须对多媒体应用的分组进行特殊的处理，来保证以最小的 时延和时延抖动提供所预期的服务，因此，网络首先要为这些应用分配和预置一 些资源；然后把带宽和时延敏感的应用和其它应用区分开来并作一定的标识：最 后，网络必须优先转发实时数据的分组使得它们可在别的应用之前获得服务。 基于t c p 协议传送流媒体信息无法满足流媒体应用对实时性的高要求。因此， 流媒体应用一般采用u d p 协议作为传输层协议。t c p 协议的拥塞控制算法保证了协 议之间的公平性，而u d p 协议没有拥塞控制机制，越来越多的u d p 协议进入因特网 影响协议之间的公平性，引起链路带宽分享的不公平甚至导致网络拥塞崩溃。此 外，由于实时业务对网络传输时延、时延抖动等特性较为敏感，当网络上有突发 数据流或者含有图像文件h t t p 等业务时，实时业务就会受到很大影响；另一方面， 多媒体业务占去大量的带宽，这样，现有网络要保证的关键业务就难以得到可靠 传输。因此，这就要求网络能提供一定的服务质量( q o s ) ，来满足不同应用向网 络提出不同的传输服务质量请求，如带宽、时延、时延抖动、可靠性和费用等。 所谓服务质量( q o s ) 是指网络在传输数据流时要满足的一系列服务请求，即 i p 包在一个或多个网络传输过程中所表现的各种性能，这些性能可通过一系列可 度量的参数来描述，具体可以量化为传输时延、时延抖动、丢包率、带宽、吞吐 率等指标。其最终目的就是要为各种业务( 包括数据、图像、多媒体及语音业务 等) 提供可靠的端到端q o s 保证，以提高网络资源利用率。 服务质量所要满足的传输质量在于：数据包1 i 仅要到达其欲传输的目的地 址，而且要保证数据包的顺序性、完熬性和实时性。因此需要q o s 能够对数据包 进行合理的排队，对含有内容标识的数据包进行优化，并对其中特定的数据包赋 以较高的优先级，从而加速传输的进程，以实现实时交互。提供q o s 保证的网络 应该能够按照业务量的类型或级别加以区分，并能够依次对各级别进行处理。 在i p 网络中，i e t f 提供的区分服务模型( d i f f s e r v ) 走在这方面研究的前列。 另一方面，随着便携式设备如掌上电脑和笔记本电脑的越来越普及，人们也 越来越对用无线技术使得这些便携式设备获得与传统的有线网络相类似的服务 等级感兴趣。i e e e8 0 2 1 l 无线局域网( w i r e l e s sl a n ) 近年来正成为主流宽带 无线接入技术。8 0 2 1 l i 作组为提供对服务质量的支持，提出了多种标准，最新 的是e 一8 0 2 1 l 。 1 2 本课题的研究目的 对于无线局域网的用户来说，他访问的目标一般不局限在本网络内通常要访 问远程有线终端，为了也能得到与之数据流相应的q o s ，光靠8 0 2 1 l 提供的机制 显然是不够的。而i e t f 的d i f f s e r v 机制是作用在i p 网络中，对无线局域网也不起 作用。由此我们可以看到如果不能正确的协调这两种不同的o o s 机制，就不能获 得端到端的o o s 环境。因此，如何把这两项机制有机的结合在一起，为无线局域 网中的移动终端提供透明的o o s 支持，成为目前一个研究的热门课题。 1 3n s 2 简介 n s 是n e t w o r ks i m u l a t o r 的缩写，它是一个离散事件模拟器，可以用做网络 研究中的网络协议模拟平台。n s 最早出现在1 9 8 9 年，它是r e a ln e t w o r ks i m u l a t o r 的一个变种。1 9 9 5 年，得到美国d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c h p r o j e c t s a g e n c y ) 的v i n t 项目资助，并有l b l ，u cb e r k e l e y ，u s c i s i ，l b l 和x e r o x p a r c 联合 开发。目前n s 由d a r p a 的s a m a n 和n s f 的c o n s e r 资助，并且也得到了其他研究机构 的支持，女u u c b 的d a e d e l u s ，c m u 的m o n a r c h ，以及s u nm i c r o s y s t e m s 等都开发过 2 部分协议，同时有很多从事网络协议研究的工作人员也在不断的为n s 中加入新的 协议和模块。最新版本的n s 是n s 2 i b 9 a ，它有l i n u x 和w i n d o w s 两个版本，可以对 t c p i p ，路由，组播，以及其他诸多有线、无线以及卫星通讯等通信协议提供实 质性的仿真模拟及性能分析。 n s 采用所谓“事件”驱动，因而是一个离散时间模拟器。事件是指一个动作， 可以是用户发出，也可以是n s 2 内部产生。模拟需要的第一个时间是由用户产生 的( s t a r t 事件) ，n s 依靠事件而存活，一旦事件终结，模拟也就结束了。 i 3 i h i s 2 使用的语言 n s 是一个面向对象的模拟器，它的核心部分是用c 十+ 写的，并用o t c l 做为前 端交互语言。n s 同时维护一个c + + 的类层次结构和一个o t c l 的类层次结构，且它 们之间是密切相关的，从用户的角度看，它们就好像是一一对应的，一个是编译 层面的类层次结构，另一个是解释层面的类层次结构。当用户通过解释器创建一 个新的s i m u l a t o r 对象时，它将会在解释器中实例化为相应酗t c l c l a s s 对象，同 时映射到编译级类层次结构上相应的类对象，这样通过对解释层面对象的操作就 能完成对编译层面对象的操作。类层次结构通过在t c l c l a s s 类中的定义被自动建 立，用户实例化的对象映射是通过t c l o b j e c t 类中定义的方法。 为什么使用两种语言呢? n s 使用两种语言，是因为模拟器有两类不同的事情要做，一方面要对协议细 节的模拟需要一个能够有效的控制字节，包头，以及实现大数据量处理的算法。 要完成这些任务，运行速度是重要的，而开发速度并不是很重要。 另一方面，大部分的网络研究牵涉到对一些参数及配置的轻微改变和快速的 探索大量的场景。在这种情况下，改变模拟模型( 各元素的拓扑等) 和重新运行的 时间就变得更加重要，而具体的运行时间并不是考虑的重点。 n s 使用c + + 和o t c l 解决了这个问题，c 十+ 运行速度快，但编译，调试周期长， 适合对具体的协议细节进行模拟。o t c l 运行速度慢，但编写程序和调试周期短， 不需要编译，适合对具体的网络环境，配置等进行模拟。n s ( 通过t c l c l ) 提供两 种语言的交互调用( 如对象，变量的访问等) 在n s 实现中两种语言的用途分别是： ( 1 ) 用c + + 编写网络元素的实现部分( 包括网络节点，以及通信协议等，通常需要 跟具体每个报打交道的部分) ( 2 ) 用0 t c 编写模拟所需的脚本文件，在文件中使用网络元素( 包括对网络拓扑 结构的模拟脚本以及对各类通信协议的配置、s e t u p 和其他o n t i m e 的事情，以及 对c + + 对象的调用、控制) ( 3 ) c + + 代码年n o t c l 代码的交互调用有n s 2 统一管理。 1 3 2n s 2 的网络元素 n s 2 是面向对象的，离散事件驱动的网络仿真软件，它由仿真时间调度器， 网络组件库和网络建立库等组成。n s 内部包括t c p ，u d p 在内的多种网络协议，业 务源有f t p ，t e l n e t ，w e b ，c b r 和v b r 等，队列( q u e u e ) 管理机制包括d r o p t a i l ，r e d 和c b r 等，以及d i j k s t r a 路由算法，同时，n s 还嵌入多播等m a c 层协议，方便局域 网仿真。 1 3 3n s 仿真的实现过程 n s 是一个可扩展的、容易配置的、可编程的事件驱动仿真引擎 ( s i m u l a t i o n e n g i n e ) ，支持多个流行的t c p ( 如s a c k ，t a h o e ，r e n o ) 和路由调度算 法，其源代码全部公开，提供开放的用户接口。n s 允许用各种网络结构要素如节 点、路由器、链路和共享介质等架构多种网络拓扑结构，并可将新的网络协议在 构建的网络拓扑环境下进行模拟分析。n s 仿真的实现采用面向对象编程的思想， 仿真描述语言是扩展的t c l ，一个仿真的实现需要编写t c l 语言源程序，其中包含 n s 命令定义的网络结构、配置业务节点、收集统计信息，然后启动n s 仿真程序， 调用相应的c + + 过程，传递参数，取回运算结果，控制系统运行等。 用t c l 语言进行前台的编码，整个模拟的设计过程如下： ( 1 ) 定义网络模拟拓扑结构，包括节点、链路、网络的调度算法和路由算法： ( 2 ) 定义通信量模式，立h f t p 会话的开始和结束时间： ( 3 ) 收集模拟数据以及输出模拟结果。 n s 中还提供了可视化工具n a m ，它基于t c l t k ( t k 是t c l 的x 窗口图形界面设计 工具) 技术，能够依据跟踪文件或真实网络系统提供的分组转发记录数据，进行 分组级或指定协议级的网络实验动画演示，并可以用x g r a p h u s 绘图工具绘制模拟 结果仿真图，以便进行性能分析。 1 3 4n s 2 中添加新模块的过程 用n s 2 进行网络协议仿真时，有时候可以我们的需要添加新的模块和协议代 码。其过程如下： 第一步：编写头文件( 料女，h ) 。这个文件包含对类的说明和所需要的定义。 第二步：编写c + + 文件( 料 e c ) 。这个文件包含对每个新类方法的实现， 并需要编写代码将新模块添2 1 1 多j n s 2 层次结构中。 第三步：修改“m a k e f i l e ”。添加新模块的附注到“m a k e f il e ”，这样当使 用m a k e 命令时，会请求编译器产生一个包括在n s 编译器中新代码的二进制版本 o ，并加入到“m a k e f i l e ”的对象文件中； 第四步：指定缺省的参数给绑定的变量； 最后，在n s 2 中用m a k e 命令重新编译，这样t c l 脚本就能使用新添加的类模块 和协议代码。 1 4 本课题的主要研究工作 1 分析了各种8 0 2 1 1 无线局域网q o s 机制，并对最新的e 一8 0 2 1 1 进行了性能的 仿真研究分析。 2 深入研究了区分服务模型的体系结构，分析了区分服务模型在边缘和核心实 现i po o s 的控制策略，对区分模型实现i po o s 的流量控制机制进行了研究， 包括边缘路由器的分组表及策略、核心路由器的队列调度算法急用赛时的分 组丢弃机制等。 3 对支持区分服务的各种队列调度算法进行了研究，结合各种调度算法的优点， 提出了一种改进的队列调度算法d w r r ，仿真测试证明该算法能够在输出端口 按照队列权值提供相应的吞吐量分配。 4 对区分服务中拥塞时的分组丢弃机制如r e d 、w r e d 、r o 算法进行了研究，结 合g e n t l e r e d 算法，对n s2 1 b 9 a 中区分服务的d s r e d 模块中丢弃概率的计算 进行了修正，使其变化得比较平稳，提高了算法在拥塞控制时的稳定性。 5 提出了实现无线局域网端到端q o s 机制的系统模型，研究了各种q o s 机制之间 的相互协调问题。 6 深入的掌握了n s 2 网络仿真器的使用，并为其添加、修改了课题研究所需要的 各种模块。在前面研究的基础上，在l i n u x 环境下用n s 一2 搭建了端到端q o s 机制仿 真实验平台，并在其上进行了仿真测试和性能评价。 6 第二章无线局域网的服务质量机制 近年来，随着无线技术和i n t e r n e t 的不断发展，人们对可携带、可移动的 计算机和工作站的需求也不断增长。而无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ) 以其高的灵活性、安装便捷、易于扩展和支持可移动计算等特性而受 到了广泛的应用。w l a n 现有的标准有很多，例如：i e e e8 0 2 1 l 、h i p e r l a n 、 b 1 u e t o o t h 等，其中应用最广泛的是i e e e8 0 2 1 1 。 无线局域网的飞速发展，随之丽来的是用户数目的大量增加，所需求的服务 种类也随之增多，其中包括音频、视频等多媒体业务。这些多媒体业务与传统的 数据业务不同，它们的实时特性对网络的一些性能参数提出了要求，例如：数据 速率、丢包率、延迟以及延迟抖动等。因此，网络必须对多媒体应用进行特殊处 理，保证以最小的延迟和延迟抖动提供可预见的服务。 w l a n 与有线网络相比，带宽较低，错误率较高，而且无线环境存在干扰、 衰减等诸多不稳定因素，这就使得w l a n 的介质方法与有线网络有羞本质的区别， 为有线网络提供q o s 的经验不能直接应用于w l a n 中。 本章详细介绍了i e e e8 0 2 1l 无线局域网m a c 层的两种介质访问机制( d c f 和p c f ) ，分析了8 0 2 1i 的q o s 限制和现有的改进措旖，并对最新的两种机制 8 0 2 1 l e 和e 一8 0 2 1 1 进行了仿真研究，比较了它们在提供q o s 方面的性能。仿 真研究表明，e 一8 0 2 1 1 能有效的为实时业务提供严格的q o s 保证。 2 1 无线局域网的发展及研究现状 2 1 1 无线局域网简介 无线局域网( w l a n ) 是利用射频( r a d i of r e q u e n c y ) 技术取代双绞铜线 ( c o a x i a l ) 所构成的局域网络。w l a n 利用电磁波在空气中发送和接收数据，其 数据传输速率常见的是1 1 m b p s ( 8 0 2 1 l b ) ，最高的传输速率可达5 4 m b p s ( 8 0 2 1 l a ) ，传输距离最远可达2 0 k m 以上。w l a n 是对有线网络的一种补充和扩 展，为计算机提供可移动性，并能快速方便地解决使用有线方式不易发现地网络 连通问题。 现有地无线局域网标准有i e e e8 0 2 1 l 系列、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、h o m e r f 以及l l i p e r l a n 等，其中以i e e e8 0 2 11 w l a n 应用最为广泛。8 0 2 11 w i 从按照有 无基础设施，可以分为两种模式地网络。一种是有基础设施地a p ( a c c e s sp o i n t ) 模式，另一种是无基础设施地a dh o e 模式。 有基础设施地a p 模式中地移动站点直接与其传输半径范围内地接入点( a p ) 通信，构成一个基本服务集( b s s ，b a s i cs e r v i c es e t ) 。a p 作为无线站点与分 布系统( d s ，d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 的桥梁，起到了接入和转发的作用。d s 可 以是有线网络，也可以是无线网络，与b s s 一起构成扩展服务集( e s s ，e x t e n d e d s e r v i c es e t ) 。当某个移动站点离开了一个基战的传输范围而进入另一基战的传 输范围时，原基战与新基战之间要进行转接( h a n d o f f ) ，从而移动站点可以不受 影响地继续通信。a p 模式设计相对简单，在a p 上可以进行集中式的访问机制， 更便于提供q o s 支持。 无基础设施的a dh o c 模式中的无线移动站点组成一个自治系统( a u t o n o m o u s s y s t e m ) ，每个站点既是主机，又充当路由器，不存在集中式的网络管理。某站 点若要与不在传输半径范围内的站点进行通信，需要借助于其它站点的路由功 能。a dh o c 模式组网灵活，广泛应用于军事、勘测等方面。 2 1 2 无线局域网的q o s 现状 服务质量( q o s ) 是当今i p 网络的一个关键问题。为了在i n t e r n e t 上提供 q o s ，人们提出了许多机制，如i n t s e r v ( i n t e r g r a t e ds e r v i c e ) ，d i f f s e r v ( i ) i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) ，m p l s ( m u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) ，t r a f f i c e n g i n e e r i n g 等等。与此同时，由于无线网络的飞速发展，t n t e r n e t 变得越来越 庞杂。在无线环境下，带宽资源稀缺，信道状况随时间变化，位错误率( b i te r r o r r a t e ) 也比有线情况高出许多。以前的许多研究表明，在有线网络中很有效的措 施不能直接应用到无线网络环境中去，为此，人们针对无线网络的特点，提出了 很多q o s 改进机制，主要可以分为两大类，一是在媒体访问控制( m a c ，m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 方面的改进，而是在差错控制( e r r o rc o n t r 0 1 ) 方面的改进。 i e e e8 0 2 11 无线局域网提供两种m a c 层访问机制：分布式协调功能( d c f ， d is t rjb u t e dc o o r d i n a t j 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 ) “1 d c f 只提供尽力而为的( b e s t - - e f f o r t ) 服务，而p c f 虽然具有一 定的区分服务的功能，但又存在开销大、服务类型单一等一系列问题。为此，人 们提出了许多改进措施。在d c f 上的改进主要是提供区分服务( d i f f s e r v ) ，为 不同的优先级的业务指定不同的侦听信道空闲时间( d i f s ) 、竞争窗口( c w ， c o n t e n t i o nw i n d o w ) 大小和增长方式、最大帧长等参数，使得高优先级业务以 较高的概率先接收服务，以获得较小的延迟。在p c f 上的改进措旌主要是改变轮 询方式和调度方式，从而降低系统开销，提高信道利用率，为不同的实时业务提 供参数化的服务质量( p a r a m e t e r i z e dq o s ) 。 另一方面，针对无线网络位错误率( b e r ) 较高的特点，通过改进差错控制 机制也可以提高服务质量。在有线环境下，端到端的可靠性由传输层或者应用层 通过差错恢复( e r r o rr e c o v e r y ) 来保证，而在无线环境中，则需要在l l c 层或 者m a c 进行差错恢复。差错恢复机制可以分为a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 和f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 两类。a r q 机制通常应用于链路层和传输 层，包括停等( s t o pa n dw a i t ) a r o ，选择性重传( s e l e c t i v er e p e a t ) a r q 和 回溯n ( g o - - b a c k ) a r q 等，8 0 2 1 i 协议中用的就是停等a r q 。f e c 机制主要应 用于实时应用，通过传送冗余比特来在接收端进行差错恢复。与a r q 机制相比， f e c 优点是差错恢复延迟小，缺点是在错误率低的环境中也要引入一定的传输开 销。通常的改进是两种机制的混合( h y b r i d ) 。 本文主要讨论8 0 2 ilw l a n 中，如何在媒体访问控制( i a c ) 保证实时业务 的服务质量。 2 2i e e e 8 0 2 1 1 标准 i e e e8 0 2 1 1 标准包括m a c 层和物理层两部分，其m a c 层又提供d c f ( o 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p c f ( p o i n tc o o r d j n a t i o nf u n c t i o n ) 两种信道访问机制。d c f 是基于竞争的分布式信道访问机制，通过c s m a c a ， 9 b a c k o f f 和指数退避等机制提供b e s t e f o r t 月e 务。p c f 机制是可选的，建立在d c f 的基础之上。p c f 机制f ，c f p ( c o n t e n t i o nf r e ep e r j o d ) 和c p ( c o n t e n t i o n p e r i o d ) 交替出现。c p 阶段仍采用d c f 机制，c f p 阶段则由a p 提供点协调 ( p o in t c o o r d i n a t i o n ) 功能，对需要o o s 支持的实时业务节点进行轮询( p o l l i n g ) ， 提供无竞争的信道访问。 i e e e8 0 2 1 l 无线局域网标准于1 9 9 7 年正式颁布，此后，i b e e 4 、组又相继推 出了i e e e8 0 2 1 1 b 和i e e e8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l e 等多个新标准，与一些尚未成为标 准的草案( d r a f t ) 一起，形成了8 0 2 1 1 1 # 议族。和8 0 2 3 ；f f 线以太网标准一样， i e e e8 0 2 1l 覆盖o s i 网络参考模型的m a c 子层和物理层( p r y ) ，逻辑链路子层( l l c ) 则服从i e e e8 0 2 2 标准。这种结构对上层提供了透明的接口：节点可以在8 0 2 1 1 w l a n 中漫游，而对8 0 2 2l l c 子层和上层而言，就像一个固定节点一样。这就使 得现有的网络协议( 如t c p i p ) 无需任何改动就可以运行于8 0 2 1 1 2 _ 上。 2 2 1 协议体系结构 正如标准的序列号所示，i e e e 8 0 2 1 1 和其它局域网8 0 2 x 标准一样对上层来 说是透明的。一种最常见的场景就是一个i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网通过网桥与一个 8 0 2 3 以太网相连。除了较低的带宽和可能较高的延迟以外，上层应用程序不应 该从无线局域网看到任何不同。因此，上层协议( 应用层、t c p 、i p ) 对无线节点 和有线节点同样看待。数据链路层的逻辑链路控制( l l c ，l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 子层，覆盖了不同介质的访问机制的不同之处。 除了协议子层，标准还指定了管理层和站点管理( s t a t i o nm a n a g e m e n t ) 。 m a c 层管理功能支持无线节点与a p 的连接断开，以及不同a p 之间的漫游。此外， 还包括认证机制、加密、无线节点与接入点的同步、能量管理等功能。所有表示 无线站点和a p 当前状态的参数都保存在管理信息库( m i b ，m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o nb a s e ) 中。p h y 管理功能主要包括信道调谐和p h y 管理信息库( m i b ) 的维护。站点管理功能负责与管理层交互，以及网桥的控制、与分布式系统的交 互等其它一些高层功能。 l o 2 2 2 8 0 2 1 1 协议族 i e e e8 0 2 1l 标准于1 9 9 7 年首次颁布。这是在无线局域网领域内的第一个 在国际上被，。泛认可的协议。标准规定w l a n 的业务频率为2 4 g h z 波段，速率为 l m b p s 和2 m b p s ，m a c 层包括分布式协调功能( d c f ) 和可选的点协调功能( p c f ) ， 物理层支持红外传输( i r ，i n f r a r e d ) 、跳频扩频( f h s s ，f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a d s p e c t r u m ) 和直接序列扩频( d s s s ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 。 1 9 9 9 年，i e e e t a s k g r o u p 颁布了8 0 2 1 1 的两个分支：8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 。 8 0 2 1 1 a 工作于5 g h z 波段，采用正交频分复用技术( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，传输速率为6 m b s - - 5 4 m b s ，访问距离仅限于1 2 1 5 米；8 0 2 1 l b 工作于2 4 6 h zi s m 波段，采用直接序列扩频技术( d s s s ) ，速率为 1 1 m b p s ，访问距离为3 0 0 米。 历经十几年的发展，8 0 2 1 1 家族已经从最初的8 0 2 1 1 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 发展到目前的8 0 2 i l k ，其中8 0 2 1 l a 、b 、d 、g 、h 和8 0 2 1 l j 是物理层标准， 而8 0 2 1 l e 、f 和8 0 2 1 1 i 是媒体访问控制层( 姒c ) 标准。 2 3 无线局域网q o s 机制的实现 i e e e8 0 2 1 1 所采用的网络o o s 机制主要体现在m a c 层的接入机制。无线信 道的接入主要是由协调功能来控制的。无线终端都在分布式协调功能d c f 或者点 协调功能p c f 控制下组成b s s 。d c f 一般负责对时间不敏感的业务( 如e m a i 1 、 f t p ) ，主要用于a dh o c 网络模型。i e e e8 0 2 1 1 中的d c f 又分为基本d c f ( c s m a c a ) 和带r t s c t s 机制的d c f 。p c f 是8 0 2 11 中的可选部分，负责时间敏感的业务( 实 时的视频、音频传输) 并且和d c f 相结合使用。p c f 用于将a p 作为接入点的i b s s 模式。因为d c f 是分布式算法，所以在每个站点都执行，另外p c f 是集中式算法， 所以在a p 内执行。 2 3 1 信道状态的检测机制 使用载波检测是通过判断信道的状态是忙还是空闲来决定信道当前是否可 用。8 0 2 “中规定了两种检测方式：物理载波检测( p h y s j c a lm e d il i r ad e p e n d e n t ) 和虚拟载波检测( v i r t u a lc a r r i e rs e n s e ) 。其中任何一种载波检测方式检测到 信道忙，m a c 层就要向上层汇报。 a 物理检测 由物理层发出询问信道请求，检测方式由信道和调制方式决定。由于物理检 测是基于r f 的硬件，而且必须要求收发方都同时使用这种昂贵的设备，加上网 络中还存在隐蔽终端的问题，所以物理载波检