（应用数学专业论文）无线局域网mac协议的性能分析与设计.pdf

无线局域网m a c 协议的性能分析与设计 摘要 无线局域网的设计和研究是现在学术界的热门研究之一 由于无 线局域网中的媒体接入控制层只有一个物理信道 各个移动终端要竞 争传输介质的控制 所以m a c 层的协议设计必须提供有效的竞争机 制 使各个用户可以共享有限的频谱资源 现在的d c f 和e d c f 算 法能够提供不同的服务 成为 e e e 8 0 21 l 标准m a c 层的基础算法 然而 我们可以看到现行m a c 协议的丰要缺点是使用二进制增 长的机制 d c f 以冲突次数作为条件来设计竞争窗口 c w 但是 以前的传输历史不是影响以后冲突概率的直接原囡 实际卜影响帧延 迟和系统性能的是无线局域网中的活跃节点数r d c f 主要的优点 是简单 以及它是一种分布式算法 这对于无线局域嘲是非常重要的 在基础结构的无线局域网中 获得部分的全局信息不难 所以我 们就可以结合分布式算法和l 1 心控制算法来改进系统性能 基础结构 式的无线局域网的网络中心是接入点a p 所有的移动终端在a p 的控 制 卜工作 这样a p 就町以收集分布竞争信息并且在p 个竞争循环中 基于活跃终端的数目米获得优化的c w 值 然后如果需要再广播控制 信息 所有的节点就会相应地调整自己行为 这样 系统的性能就能 通过减少丌销 空闲时隙和冲突来获得显著提高 未来的无线局域网提出了高传输速率和差异服务 上层传来的帧 会基于不hq o s 要求分类到小吲的队列中 这将是多队列的服务 而 不是d c f 巾的单队列 因此我们扩展l 面我们提出的建议协议 介绍 种递归平衡算法来获得适合不同队列的删值 这种力法能明显地 减少时间敏感性服务帧的延迟 而不明显影响其它性能 这两种协议都可以通过软件升级在实际的无线局域网中使 口 关键词 无线局域网 w l a n 媒体接入控制 m a c d c f e d c f d e s i g na n dp e r f o r m a n c ea n a l v s i s o fm a cp r o t o c o l0 rw i r l e s sl a n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s m u c hi n t e r e s th a sb e e ni n v o l v e di nt l l ed e s i g no f w i r e l e s sl a n a n i nt h em e d i u ma c c e s sc o n t r o l m a c l a y e r o f w l a n t h e r ei so n l yo n el o g i c a lc h a m m ld e s i g n e d s od i f f e r e n tm o b i l e s t a t i o n s w i l lc o n t e n df o rt h ec o n t r o lo ft h et r a n s m i s s i o nm e d i at h e n m a cl a y e rp r o t o c o ls h o u l dp r o v i d ee f f i c i e n tc o n t e n d i n gm e c h a n i s mf o r t h eu s e r st os h a r et h e1 i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c e s n o w a d a y s t h ed c f a n de d c f w h i c hs u p p o r c sd i f f c r c n tk i n d so fs e r v i c e b e c o m et i l eb a s i so f t h ei e e e s 0 21 1s t a n d a r do i 3t h em a cl a v e l h o w e v e r i ti so b s e r v e dt h a tt h ep r i m a r yd e f i c i c n e yo ft h ec u r r e n t m a cp r o t o c 0 1i st ou s et h eb i n a r yi n c r e a s i n g o n l ym e c h a n i s m d c f a b s o r b st h en u m b e ro fc o l l i s i o n sa st h ec o n d i t i o nt od e r i v et h ec o n t e n t i o n w i n d o w c w w h e r e a st h et r a n s m i s s i o nh i s t o r yi sn o tt h ed i r e c tf a c t o r i n f l u e n c i n gt h ef u t u r ec o l l i s i o np r o b a b i l i t y i ti sa c t u a l l yu s e dt oe s t i m a t e t h en u m b e ro fa c t i v en o d e si nt h ew i r e l e s sl a n w h i c hd o m i n a t e st h e f l a m ed e l a ya n ds y s t e mp e r f o n n a n c e t h em a j o ra d v a n t a g eo fd c fi s s i m p l i c i t ya n dd i s t r i b u t e da l g o r i t h m w h i c ha r ei m p o r t a n ti nt h ew i r e l e s s l a n f o r t u n a t e l y i nt h ei n f r a s t r u c t u r ew i r e l e s sl a n i ti sn o tt o od i m c u l t t og e tp a r t i a lg l o b a li n f o r m a t i o n t h e nw ec a l lc o m b i n et h ed i s t r i b u t e d a n dc e n t r a lc o n t m la l g o r i t h m st og e tm o r ec r e d i t s i n 出ei n f r a s t r u c t u r e w i r c l e s sl a n t h en e t w o r kc o r ei sa c c e s sp o i n t a p a n da l lt h e m o b i l es t a t i o n sc o o p e r a t eu n d e rt h ec o n t r 0 1o f t h ea pi nt h i sc a s ea pc a n c o l l e c tt h ed i s t r i b u t e dc o n t e n t i o ni n f o r m a t i o na n dd e r i v et h eo p t i m i z e d c wb a s e do nt h en u m b e ro ft h ea c t i v em o b i l es t a t i o n si ut h en e x t c o n t e n t i o nc y c l e i tw i l lb r o a d c a s tt h ec o n t r 0 1i n f o n n a t i o ni fn e c e s s a r y a n da l lt h en o d e sw i l la d j u s tt h e i rb e h a v i o r sa c c o r d i n g l y c o n s e q u e n t l y t h es y s t e mp e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yb yr e d u c i n gt h e o v e r h e a d s i d l et i m es l o t sa n dc o l l i s i o n s n o w a d a y sh i g ht r a n s m i s s i o nr a t ea n dt h es e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o na r e p u t t e df o r w a r df o rt h ef u t u r em r e l e s sl a n t h ef r a m e sf r o mt h eu p p e r l a y e r s w i l lb es o r t e dt od i s t i n c tq u e u e sa c c o r d i n g t ot h e i rq o s r e q u i r e m e n t s t h e nt h e r ea r em u l t i p l es e r v i c eq u e u e si n s t e a do fo n ei n d c et h e r e f o r ew ee x t e n do u rp r o p o s e dp r o t o c o lm e n t i o n e da b o v ea n d i n t r o d u c et h er e c u r s i v eb a l a n c em e t h o dt od e r i v ed i f f e r e n tp r o p e rc w s f o ra l lq u e u e s t h em e t h o dc a nr e m a r k a b l yd e c r e a s et h ed e l a yo ft i m e s e n s i t i v ef r a m e sw i t h o u ti n f l u e n c i n go t h e r s p e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y b o t hp r o t o c o l sc a nb ei m p l e m e n t e di nt h ea c t u a lw i r e l e s sl a n e a s i l yi u s tb yu p d a t i n gt h es o f t w a r e k e yw o r ds w l a n m a c d c f e d c f 独创性 或创新性 声明 本人声明所呈交的论文是本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 也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 申请学位论文与资t l 若有不实之处 本人签名 j 萄乙 韭 本人承担一切相关责任 日期 加 弓 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学 学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许学位论文被查阅和借 阅 学校可以公布学位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 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后遵守此规定 保密论文注释 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书 非保密论 文注释 本学位论文不属于保密范围 适用本授权书 本人签名 舜 逾 导师签名 乒鎏辉 e t 期 坦占二 0 日期 北京邮电大学硕士毕业论文 无线局域网m a c 协议的性能分析与设计 第一章无线局域网简介 今天 宽带接入和无线通信是通信系统中两个发展最快的方向 在无线通信 方面 无线局域网 w i r e l e s sl a n 超越了很多技术 比如蓝牙技术和h o m e r f 技术 成为无线局域网领域最有前途的解决方案 在这篇毕业论文中 我们主要 关注无线局域网的性能 并且提出一个新的协议来提高系统性能 这一章 我将介绍无线局域网的背景知识 并在此基础上开始我们的研究 无线局域网的结构 在这个部分中 我们首先介绍无线局域网的一般定义 然后 我们介绍已经 成熟的无线局域网的结构及其各自对应的通信方式 i e e e8 0 2 1 1 系列协议标准 i e e e8 0 2 1 1 系列协议标准是由i e e e8 0 2 1 l 工作组制定的 并且成为了事 实上无线局域网的标准 在这个部分中 我们将介绍i e e e8 0 2 1 l 系列协议标准 的发展历史 并且对照o s i o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n 模型介绍它的主要组 成部分 最后 我们将简要比较不同协议的特点 影响系统性能的主要原因 影响系统性能主要有以下三个因素 传输介质 拓扑结构和媒体接入控制 m a c m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 在这个部分中 我们将简要解释前两个因素的 影响 而把重点放在介绍媒体接入控制技术 研究目标 在最流行的媒体接入控制 m a c 协议中 主要有两种开销 o v e r h e a d 空闲时隙和冲突损失 在这部分中 我们将简要介绍引起两种开销产生的不同原 因 以及由此产生的我们解决方案的主要想法 概述 在这个部分 我们将介绍本毕业论文的结构和各部分之问的关系 北京邮电大学硕士毕业论文 无线局域网m a c 协议的性能分析与设计 1 1无线局域网的结构 现在 对于无线局域网有很多定义 义两种关于无线局域网定义 一般来讲 我们公认的是下面广义和狭 从广义上讲 凡是通过无线介质在一个区域范围内连接信息设备共同构成的 网络 都可以称之为无线局域网 与其相对应的是无线广域网 w i r e l e s sw i d e a r e a n e t w o r k n 比如g s m g p r s 和c d m a 该定义中涵盖了多种类型的 无线局域网 涉及到多种标准 但大致可分为两大发展方向 以高速传输应用发 展为主 i e e e8 0 2 1l a i e e e8 0 2 1 1 b 和i e e e8 0 2 11 9 等 以低速短距离的应用 为主 蓝牙 h o m e r f 和h i p e r l a n 等 从发展趋势来看 i e e e8 0 2 1 1 系列协 议大有一统无线局域网协议标准之势 在未来的网络 i e e e8 0 2 1 1 系列协议标 准将被广泛采用 成为无线局域网的事实标准 从狭义上讲 无线局域网 w l a n 一般指的是遵循i e e e8 0 2 1 1 系列协议 的无线局域技术的网络 现在绝大多数的文章和书籍中都采用这样的定义 所以 在该论文中 如果没有特殊说明 我们在介绍无线局域网的时候也采用狭义的定 义 i e e e8 0 2 1 1 协议组包括i e e e8 0 2 1 1 i e e e8 0 2 1 l a i e e e8 0 2 1 l b i e e e 8 0 2 1 1 9 等一系列协议 这些协议由国际电气和电子工程师协会 i e e e 制定 经过多年的发展已经逐渐成为事实上的行业标准 下一部分我们将详细地介绍这 些协议地内容 在讨论无线局域网的不同结构前 我们先给出无线局域网中用到的设备的定 义 在i e e e8 0 2 1 1 标准中只设计四个设备的名字 1 2 终端 s t a 一种包括媒体接入控制层和物理层的无线介质接口的设备 移动终端 m o b i l es t a t i o n 一种能在移动中使用网络进行通信的终端 便携式终端 p o r t a b l es t a t i o n 可以从一个位置移动到另一个位置 但是只 有处于固定位置 静止 时刁 能进行网络通信的一种终端类型 接入点一 a p 任何一个具备终端功能 通过无线介质 为与它相连接的终 端提供分布式接入服务的实体 注意 3 是欧洲的标准 和 1 2 有相似的定义和机制 图1 一l 是给出了最成熟也是使用范围最广的无线局域网 和a d h o c 网络相 比 它经常被称为 基础结构式 i n f r a s t r u c t u r e 无线局域网 这两种网络的不 同点将在1 3 小节介绍 到今天为止 基础结构式网络已经得到发展和应用 成 为现行的无线局域网标准模式 北京邮电大学硕士毕业论文无线局域网m a c 协议的性能分析与设计 图1 1 大多数无线局域网的结构 如图1 1 所示 为了接入因特网或者外部网络 无线局域网中常常有一个 接 入点 在 a c c e s sp o i n t 简称a p 这个接入点是无线局域网的核心 所有的终 端必须在a p 的传输范围内 这样才能保证这些终端在任何时间都能连接a p 如果我们把无线局域网看作一个紧密联系的实体 那么a p 就是无线局域网与外 部联系的唯一通道 外部网络和a p 之间常常用有线介质连接 但是有时候 我 们也用无线介质连接外部网络和a p 在图1 1 的无线局域网中 a p 是认证接口 所有的终端进入无线局域网前 必须得到a p 的允许 a p 也负责网络的协作 在无线局域网的传输中 无论终 端传输的目的地是不是在同一个小区内 终端必须首先把它们的信息包传输到 a p 然后再通过a p 把信息发送出去 例如 当一个终端需要得到因特网中一个 远程服务器的服务时 终端把信息包发送到a p 然后a p 再把信息包发送到目 的服务器 另一个例子 比如终端a 和终端b 在同一个无线局域网内 两个终 端想要相互通信时 同样也需要通过a p 来传递信息包 当终端a 想要发送信息 包到终b 时 终端a 必须先把信息包传送到a p 然后a p 再把信息包传送给b 1 2ie e e8 0 2 11 系列协议标准 国际标准化组织 i s o i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n 制定的 开放系统互连 o s i o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n 参考模型是我们在制定和分析 网络协议时经常采用的模型 o s i 参考模型分为7 个层次 分别是 物理层 数 据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层和应用层 局域网的协议标准结构 主要包括物理层 数据链路层和网络层 特别是 由于局域网中不存在路由问题 所以一般不单独设网络层 而由于局域网中的媒体接入控制比较复杂 所以数据 北京邮电大学硕士毕业论文无线局域网i i i a c 协议的性能分析与设计 链路层分为两个子层 逻辑控制链路层 l o g i c a ll i n kc o n t r o l 简称l l c 和媒 体接入控制层 m a c 无线局域网的协议主要关注物理层和m a c 层 如图1 2 所示 图1 2 无线局域网协议标准涉及的层次 在绝大多数情况下 无线局域网都可以非常简单地融入已经存在的有线局域 网或替代它 我们需要做的只是在两个最低层上提供符合无线局域网协议标准的 设备组件 然而 并不意味着无线局域网协议不涉及上层协议 在一些复杂的情 况下 也会影响上层的运行 例如 像无线局域网的无线终端这样的可移动设备 有时暂时离开一个地方在另一个地方出现 这就可能使得发送程序和网络操作系 统的高级功能混乱 因为网络操作系统期望这些设备一旦出现在网络上就应留在 原处不动 另外一个例子是 在使用无线局域网的时候 常常由于数据传输速率 较慢而产生大的延迟 这样 希望在某一时间周期内响应的网络程序将不得不进 行相应的调整 i e e e8 0 2 1 l 系列协议标准由美国电气和电子工程协会 i e e e 制定 所有 的协议 包括与无线局域网相关的很多颁布和正在编著的协议 都以i e e e8 0 2 1 1 标准为基础 图1 3 给出了i e e e8 0 2 1 l 在i e e e 网络协议系统中的地位 表1 1 给出了各个协议的名称 颁布时间和简要的说明 图1 38 0 2 1 1 在i e e e 网络协议体系中的位置 4 北京邮电大学硕士毕业论文无线局域网m a c 协议的性能分析与设计 表1 1i e e l l8 0 2 1 1 系列协议标准 协议名称发布时间说明 i e e e8 0 2 1 1 1 9 9 7 薤定义了2 4 g h z 微波和红外线的物理层和m a c 子层标准 i e e e8 0 2 1 1 a1 9 9 9 正 定义了5 gh z 微波的物理层和m a c 子层标准 i e e e8 0 2 1 i b 1 9 9 7 矩扩展的2 4 gh z 微波的物理层及m a c 子层标准 d s s s i e e e8 0 2 1 1 b 2 0 0 2 经扩展的2 4 gh z 微波的物理层及m a c 子层标准 p b c c i e e e8 0 2 11 c2 0 0 0 纯关于8 0 2 1 1 网络和普通以太网之间的互通协议 i e e e8 0 2 1l d2 0 0 0 证 关于国际间漫游的规范 i e e e8 0 2 11 e 2 0 0 4 年基于无线局域网的质量控制协议 i e e e8 0 2 11 f 2 0 0 3 年漫游过程中的无线基站内部通信协 义 i e e e8 0 2 1l g 2 0 0 3 年扩展的2 4 gh z 微波的物理层及m a c 子层标准 o f d m i e e e8 0 2 1l h2 0 0 3 年扩展的5 gh z 微波的物理层及m a c 子层标准 欧洲 i e e e8 0 2 1 1 i2 0 0 4 短增强的无线局域网安全机制 i e e e8 0 2 1l j2 0 0 4 年扩展的5 gh z 微波的物理层及m a c 子层标准 日本 i e e e8 0 2 1l k 2 0 0 5 年基于无线局域网的微波测量规范 i e e e8 0 2 1 1 m2 0 0 6 年 基于无线局域网的设备维护规范 i e e e8 0 2 1i n2 0 0 7 链 高吞吐量的无线局域网规范 1 0 0 mb p s 在表1 1 中需要说明的是 所有标准的名称都用小写字母进行标注 惟有 i e e e8 0 2 1 1 f 采用的是大写字母 还有 表格中很多协议发布的时间还未确定 在图1 4 中 我们给出了i e e e8 0 2 1 1 系列协议在各层的分布情况 然而 图中并没有包括i e e e8 0 2 1 1 标准 因为i e e e8 0 2 1 1 作为基础协议包含了物理 层和m a c 子层的内容 后续的扩展 比如i e e e8 0 2 1 l a i e e e8 0 2 1 i b i e e e 8 0 2 1 l g 和将来的i e e e8 0 2 1 l n 继承了i e e e8 0 z 1 1 所定义的m a c 层协议 提高了传输速率 北京邮电大学硕士毕业论文无线局域网m a c 协议的性能分析与设计 网络层以 上 m a c 层 物理 层 固1 1 l 8 0 2 1 8 0 2 1 l d 8 0 2 1 l e 8 0 2 1 l h 8 0 2 1 1 i 8 0 2 1 l j 8 0 2 1 l k 图l 4i e e e8 0 2 1i 系列协议在各层分布i 隋况 1 3 影响系统性能的主要原因 对于局域网技术来说 决定局域网性能的主要有3 种技术 用来传输数据的 传输介质 用来连接各种设备的拓扑结构和用以共享资源的介质访问控制方法 也就是说 这3 种技术在很大程度上决定了传输数据的类型 网络的相应 吞吐 量和效率 以及网络的应用等各种网络特性 其中最重要的是用来共享资源的介 质访问控制方法 它对网络的响应时间 吞吐量和效率有着十分重要的影响 1 3 1 传输介质 计算机之间的通信需要一种能够传送数据的介质 在有线网络中 我们主要 用同轴电缆 双绞线或者光纤来连接各个终端 这些介质被称为 封闭介质 在无线局域网中 我们可以用红外线 i n f r a r e dr a y 简称i r 和微波来连接各个 终端 这些介质被称为 开放介质 因为他们的信号能量和有线局域网中的介 质相比 不会固定在封闭的区域内 红外线辐射的电磁波频谱范围在可见光和微波之间 红外线的主要优点在于 传播方式不会受微波干扰 现在微波是一种非常流行的介质 然而 任何不透 明的物体都会阻碍红外线信号的传播 所以红外线不太适用于移动通信 在微波传输中 基带信号不能直接传送 而是需要首先调制到微波频段 整 个过程和无线电或者电视相似 在一些频率点上 微波能有效穿越障碍物传播 北京邮电大学硕士毕业论文无线局域网m a c 协议的性能分析与设计 这个特性使得微波成为无线局域网中最受欢迎的传输介质 因为传输过程必须穿 越一些墙壁 门等的障碍物 但是这个特性也使得微波容易被中途截取 易于被 窃听 1 3 2 网络拓扑结构 网络中各种设备之间相互连接的方式和形式 称为网络拓扑 拓扑这个词既 可以指物理上的网络布局 也可以指逻辑上的网络布局 物理分布和逻辑分布不 是等价的 例如 包含一个网络集线器 h u b 的以太网物理上是星形的拓扑结 构 但是逻辑上是总线拓扑结构 为了避免不必要的混淆 我们在这篇论文中提 到拓扑结构是指的是逻辑结构 无线局域网的拓扑结构分为两类 a d h o c 网络和基础结构式网络 由图1 5 可以看出a d h o c 网络是由无线客户终端组成 所有的终端直接地 互相通信 一般地 a d h o c 网络不能接入有线网络 只能独立使用 特殊情况 下 可以将其中一个无线终端配置成服务器 实现接入有线局域网的功能 在 a d h o c 网络中 任何一个终端必须在其他的终端的传输范围内 否则 这个终 端就认为网络中断 当活跃的终端的数目非常大的时候 信道的竞争就非常激烈 系统性能也快速下降 所以 a d h o c 网络适合数量较少的客户终端情况 图1 5a d h o c 网络的结构 基础结构式网络如图1 1 所示 基础结构式网络由无线基站和无线客户终端 组成 这种拓扑结构要求 个无线基站充当中心站 网络中所有站点对网络的访 问和通信均由它控制 由于具有中心控制机制 而且覆盖范围相对较小 因而可 以进行较高速率的通信 1 3 3m a c 计算机网络的通信方式有很多种 总的来说可分为点到点通信和广播通信两 大类 点到点通信是指网络中每两个连接设备间存在一条物理信道 某个设备发 北京邮电大学硕士毕业论文无线局域网m a c 协议的性能分析与设计 出的数据为信道另一端的设备独自接收 点到点通信网络没有信道竞争 也不存 在信道的访问控制问题 广播通信指网路中所有设备共享一条信道 某一设备发 出的数据其它设备都能收到 在广播通信网络中 由于共享信道引起信道访问冲 突 因此首先必须解决信道访问控制问题 使用广播信道的网络共享单一信道资 源 必须解决多个用户竞争信道使用权问题 常被成为多路复用信道或者随机访 问信道问题 即在广播网中存在如何访问介质使用的问题 将传输介质的信道 有效地分配给网上的各站点用户的方法叫做介质访问控制 m a c 相应的协议 标准叫做介质访问控制协议 一个好的介质访问控制协议应该是简单的 有效利 用信道的 对网上各站点用户是公平合理的 除了卫星网之外 几乎所有的广域 网都采用点到点的连接方式 与此相反 几乎所有的局域网都使用广播信道为通 信基础 因此 介质访问控制协议对于局域网显得特别重要 按照开放系统互连 o s i 参考模型 介质访问控制功能应归于数据链路层介质访问子层管理 它 的主要功能是进行合理的信道分配 解决信道竞争问题 介质访问控制方法决定 局域网的主要性能 把单信道分配给多个竞争信道的用户使用 通常有两种分配方法 静态分配 方法和动态分配方法 静态分配方法是传统的分配方法 它将单个信道划分后分 配给多个用户 但是 当用户站数较多或使用信道的站数变化 或者通信量的变 化具有突发性时 静态分配方法的性能就比较差 因此 传统的静态分配方法 不完全适用于计算机网络 动态分配的方法就是用动态的方法为每个用户站点分 配信道使用权 在无线局域网中动态分配方法有争用和预留两种 争用方法属于 随机访问技术 也就是所有的站点都可以争用介质 实现起来简单 对轻负载和 中等负载的系统比较有效 适合于突发式通信 预约的方法指的是将传输介质上 的时间分割成时间片 网上的用户站点如果需要发送数据 必须事先预约能够占 用的时间片 这种技术适合于大数据流的通信 在局域网对介质的访问控制中 最常见的两种争用方法 c s m a c d 和 c s m a c a 这两种机制都属于未来网络的动态分配机制 一个用户为了确定别 的用户是否想要同时占用媒体介质 他会检测信道中的信号能量 这种技术就叫 做 载波监听多载波接入 c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s 简称c s m a 载 波监听 是指用户检测网络 只有当传输介质空闲的时候 再传送信息包 这样 就会避免一些冲突 多载波接入 是指t m 很z 多用户共享唯一的信道 所有的用户 同时检测信道 并使用一对多的广播模式 然而 在负载很大的网络中 即使有载波监听多载波接入 c s m a 技术 冲突仍旧存在 因为两个用户可能同时检测到总线中没有信号 同时传送它们的 信息包 这样两个信号就会混合在一起 任何有用信息都无法被传送 冲突后需 北京邮电大学硕士毕业论文无线局域网m a c 协议的性能分析与设计 要用户重新发送他们的信息帧 重发信息会使系统总体性能降低 网络中有越多 的用户 冲突发生的可能性就越大 所以 检测冲突或者避免冲突是非常重要的 这就引进了 载波监听多载波接入 冲突检测 c s m a c d 和 载波监听多载 波接入 冲突避免 c s m a c a 4 5 带有冲突检测的载波监听多载波接入 c s m a c d 是采用竞争技术的一种 介质访问控制方法 每个站点都能独立决定发送帧 若两个或多个站同时发送 即产生冲突 在信息包发送过程中 终端仍然监听信道 监测其他的终端是否同 时使用媒体介质 如果终端在信号检测过程中听到其他信息 比如无法预测的信 号电压改变 终端就认为它传送的信息包在信道的冲突中丢失了 终端就会在 随机的一个退避时间后重新传送信息来避免以后的冲突 退避时间是在m a c 机 制中产生的 c s m a c d 技术广泛地应用在有线局域网中 1 3 5g s m a c a 带有冲突避免的载波监听多载波接入 c s m a c a 也是采用竞争技术的另 一种介质访问控制方法 这种技术在无线局域网发展中代替c s m a c d 在无线 信道中 信号衰落很快 还经常受到信道噪声的干扰 所以 在无线局域网中 发送的时候不能像在有线网络中一样监测信号能量 c s m a c d 不再适用 在 c s m a c a 中 我们基本的想法就是尽可能地避免冲突 而不是检测冲突 我们 引入一个网络分配矢量 n e t w o r k a l l o c a t i o n v e c t o r 简称n a v 来表示媒体介质 空闲剩余时间的值 每个无线客户端的网络分配矢量都是从介质传输的帧里获取 到时间长度值来保持最新值 无线客户端通过检查网络分配矢量决定是否发送 有可能网络分配矢量表示忙 物理载波检测显示介质空闲 这时无线客户端不能 够发送 因此 网络分配矢量实际上就相当于虚拟载波检测 通过物理载波检测 和虚拟载波检测的结合 实现了c s m a c a 的冲突避免机制 图1 6 描绘了 c s m a c a 的工作过程 北京邮电大学硕士毕业论文 无线局域网m a c 协议的性能分析与设计 图1 6c s m c a 的流程 c s m a c a 现在已经成为m a c 协议的基础 基于c s m a c a i e e e8 0 2 11 系列协议标准已经提出了一种算法来产生随机退避时间来使传输介质更有效地 被共享 这就是分布协作算法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 和增强式 分布协作算法e d c f e n h a n c e dd 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 而d c f 和 e d c f 正是我们研究的出发点 他们的详细内容我们将在下一章介绍 1 4 研究目标 在这篇论文中 我们主要讨论d c f 的效率问题 并且分析它主要的缺点 我们从d c f 计算随机退避时间的公式中得到d c f 的基本设计的思想 并且 指出d c f 的假设和它相应的缺点 在找到d c f 问题之后 我们提出一个新的适 合基础结构式无线局域网 i n f r a s t r u c t u r ew i r e l e s sn e t w o r k 的协议 因为现在 实用的无线局域网都属于i n f r a s t r u c t u r e 网络 在现在的d c f e d c f 算法中 节点只能根据局部信息来调整他们系统参数 然而 在基础结构式无线局域网中 我们能够比较容易地得到全局信息 因为无 论终端的目的地是否在同一个小区内 所有的终端必须发送他们的信息包给a p 北京邮电大学硕士毕业论文 无线局域网m a g 协议的性能分析与设计 所以 终端在成功传输的同时 就能通知a p 自己是否还有数据要传输 通过这 些竞争信息 a p 估计在下一个竞争循环中活跃的移动终端的数目 然后选择最 优的数值作为系统参数 a p 将在需要的时候广播这些控制信息 然后 所有的 节点就能以此调整自己的传输 从而更加有效地共享传输介质 1 5 概述 这篇论文包括六个部分 在本部分中 我们对无线局域网作简要的介绍 并 提出我们的研究目标 第二章 我们将分析d c f 的主要缺点 这个是我们提出 建议算法的动机 第三章 我们提出我们的建议协议 并且比较它和现有协议的 优缺点 第四章 我们先简要解释如何在无线局域网的分布式算法中实现不同的 优先级i 然后我们介绍一个高级算法来完善我们建议的m a c 协议 使之符合未 来网络的要求 第五章我们主要介绍这个领域以后研究的一些问题和可能的解决 方案 最后一章 我们将对这篇毕业论文的学术贡献做出总结 北京邮电大学硕士毕业论文无线局域网m a c 协议的性能分析与设计 第二章d c f 算法的主要缺点和改进方向 在这一章中 我们将解释d c f 算法和它的主要缺点 这是我们研究的动机 然后我们将给出改进的方向 而具体改进的细节将在下一章中介绍 d c f 这部分 我们先介绍m a c 层的一些重要的定义 特别是不同种类的帧间隙 i f s i n t e r f r a m es p a c e 然后我们介绍d c f 算法的执行过程 它是我们进一步 讨论的基础 d c f 的主要缺点 在这个部分中 我们首先分析产生计数器值 c o u n t e rv a l u e 的公式 随之 指出d c f 原本的设计思想 然而通过分析我们可以看出d c f 算法对于未来冲突 的预测不精确 同时其适用的网络环境受限制很大 最后我们将说明d c f 的两 个主要缺点 这是促使我们改进的原因 改进方向 在这部分中 我们给出无线局域网m a c 协议基本的设计原则 然后根据设 计原则 我们提出改进d c f 缺点的可行解决方案 2 1d c f 算法 d c f 算法属于m a c 层协议 而在m a c 层中 无线局域网中的所有的终端 必须根据标准发送和接收帧 在这个部分中 我们首先从三个方面来介绍无线局 域网m a c 协议的帧定义 结构 帧分类和帧问隙i f s 2 1 1 帧结构 在无线局域网中 帧的基本结构由三部分组成 m a c 头 它包括帧控制 f r a m ec o n t r o l f c 持续时间 地址 序列控 制 s e q u e n c ec o n t r o l s c 信息等等 可变的帧体 f r a m eb o d y 根据不同的帧分类而承载不同内容 不同长度 的信息 帧检查序列 f r a m ec h e c ks e q u e n c e f c s 它包括i e e e3 2 b i t 的c r c 校 验 北京邮电大学硕士毕业论文无线局域网m a c 协议的性能分析与设计 对比于上面介绍的三个部分 图2 1 给出了i e e e8 0 2 1 1 中的完整的帧结构 其中 地址2 地址3 序列控制 地址4 和帧体只在某些类型的帧中出现 字节 数 2 图2 1 无线局域网中的帧结构 在这里 我们不介绍上面帧结构中每一部分的具体功能 它们在i e e e 标 准 1 2 中有详细的介绍 我们需要特别提出的是 i e e e8 0 2 1 1 和i e e e8 0 2 3 的帧结构是不同的 在实际的网络中 a p 负责将两种帧互相转换 从而完成无 线局域网和有线网络的有效互连 2 1 2 帧分类 在无线局域网中有3 种帧 如表2 1 所示 他们分布是控制帧 c o n t r o l f r a m e 管理帧 m a n a g e m e n tf r a m e 和数据帧 d a t a f r a m e 表2 1 无线局域网中的帧分类 帧的分类子类 f r a m ec a t e g o r yn a m e s u b c a t e g o r y 控制帧 请求发送 准备发送帧 r e q u e s tt os e n d c l e a rt os e n d r t s c t s c o n t r o lf r a m e 确认l 帧 a c k 节能轮询帧 p o w e rs a v i n gp o l l p s p o l l 无竞争结束帧 c o n t e n t i o nf r e ee n d c f e n d 无竞争结束确认帧 c o n t e n t i o nf r e ee n da n dc o r r e s p o n d i n ga c k c f e n d c f a c k 管理帧信标帧b e a c o n m a n a g e m e n tf r a m e i b s s 通告通信量指示信标帧 a t 日垤f r a m e 解除关联帧 d e a s s o c i a t i o nf r a m e 北京邮电大学硕士毕业论文无线局域网m a c 协议的性能分析与设计 关联请求 响应帧 a s s o c i a t i o nr e q u e s t a s s o c i a t i o na c k 重新关联请求 响应帧 r e a s s o c i a t i o nr e q u e s t r e a s s o c i a t i o na c k 探询请求 响应帧 i n q u i r yr e q u e s t i n q u i r ya c k 链路验证帧 a u t h e n t i c a t i o nf r a m e 解除链路验证帧 d e a u t h e n t i c a t i o nf r a m e 数据帧 d a t af r a m e 上面所有的帧中 r t s c t s a c k 和数据帧在d c f 中是最重要的 他们在 任何的无限局域网协议中都是必须的 我们将在下一个部分详细介绍他们的作 用 2 1 3i f s 没有帧间隙 i f s 的知识要理解d c f 的过程是非常困难的 不同的i f s 在 d c f 中用来实现不同的功能和优先级 首先 我们将要定义每一种帧间隙 i f s 的类型 然后解释每一种类型在无线局域网上是如何工作的 在无线局域网上的 所有无线终端都是时问同步的 帧间隙就是所有i e e e8 0 2 1 无线局域网的标准 时间的概念 帧与帧之间的空闲时间称为帧间隙 i f s 终端通过载波监听检测帧间隙时 间内信道的状态 协议中总共定义了4 种帧间隙 s i f s 短帧间隙 s h o r ti n t e rf r a m es p a c e p i f s 点协作算法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 帧间隙 i n t e rf r a m e s p a c e d i f s 分布式协作算法d c f 的帧间隙 d c fi n t e rf r a m es p a c e e i f s 扩展帧间隙 e x t e n d e di n t e rf r a m es p a c e 各种类型的i f s 和终端传输速率无关 每个物理层固定其相应的帧间隙 帧 间隙的值由物理层特性参数决定 上面提到的四种帧问隙都在无线局域网中使 用 或者用于无线终端当传输介质冲突发生时用来管理时间段 帧间隙常常以微秒 脚 为单位 用来说明移动终端接入媒体介质和提供各种 优先级 在一个无线局域网中 每一件事都是同时的 所有的无线终端和a p 用 标准数量的时间 间隔 执行各种任务 每一个终端都知道帧间隙的大小 而且 北京邮电大学硕士毕业论文无线局域网m a c 协议的性能分析与设计 能正确地执行帧间隙 所有的终端都知道怎样 何时在网络中执行一个特定的动 作 在讨论所有帧间隙的细节之前 我们必须先定义一个标准时间段 叫做时隙 t i m es l o t 时隙和帧问隙的关系可以由下面的公式来表示 p i f s s i f s lt