6-2、80211协议簇介绍.doc

802.11协议簇介绍摘要：本文主要针对802.11的PHY层协议进行一些简单的阐述，后续文章针对MAC的一些协议进行展开描述；关键字：IEEE 802.11工作组（又称为WiFi组织）于1997年IEEE发布了802.11协议，这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。之后又相继提出一系列标准或者草案，诸如：802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11h、802.11f、802.11h、802.11i、802.11j、802.11k、802。11r、802.11s等等，下文则针802.11协议簇中的各个协议进行综合的阐述。802.11协议簇主要定义了二层PHY层与DATA Link层，故在OSI模型中处于下，具体如下图所示：图1 OSI模型与WiFi定义层之间关系l 802.11工作组简介在802.11标准组中又细分为了诸多的工作组，各个负责各自组范围中的内容定义，主要包括以下WG(Work Group)1. 802.11a ：在5G频点的范围内定义PHY层与DATA LINK层协议；2. 802.11b：在2.4G频点的范围内定义PHY层与DATA LINK层协议；3. 802.11b-cor：定义与修订802.11的相关MIB； 4. 802.11d： 定义用户跨区域或者国家的无线产品仍能使用的相关支撑标准，这一点主要由于不同国家的无线频点资源使用状况不一样，导致802.11在不同的区域或者国家所使用的频点并不一致；5. 802.11e：定义QOS标准，以达到基于WiFi网络为不同的业务提供差异化的服务等级； 6. 802.11f：定义IAPP协议（Inter Access Point Protocol），主要是通过AP之间的基于IAPP协议的交互，以达到用户在多AP覆盖范围内移动时不中断网络连接继续使用网络业务，以达到无缝切换的效果； 7. 802.11g：针对2.4层频点范围的PHY层进行重新定义， 将空口带宽提升至54Mbps；8. 802.11i：基于DATA LINK层定义增强认证与安全机制协议与标准；9. 802.11k：定义射频频谱管理机制及标准，以为上层网络管理或者频谱管理提供操作API； 10. 802.11n： 针对802.11原有的标准进行修订，以达到为应用层提供大于100M的使用带宽； 11. 802.11r：致力于减少用户在不同的BSS网络的切换时延，以满足实时业务的需求，诸如：VoWLAN、流媒体业务； 12. 802.11s： 在现有的协议基础之上，增加4种协议报以达到在Wireless Mesh网络中互操作性，同时增强了在WDS网络中的组播机制； l 802.11详介802.11协议从宏观上来看主要覆盖了OSI的PHY与DATA LINK层，各个子功能层示意图如下：图2 802.11分层结构模型图IEEE802.11标准将MAC层提供的数据接入传输功能称为协调功能（Coordination Function），并提供了两种不同的协调功能：一种是异步的分布协调功能DCF，另一种则是可选的同步的点协调功能PCF。PCF建立在DCF规则之上。MAC层最核心的功能就是MSDU传输，其中包括DCF和PCF两种接入传输方式，以及MAC实体管理功能。802.11 MAC层提供三种MSDU传输类型：广播（broadcast）、多目（multicast）和单目（unicast）。在IEEE802.11标准中，将MAC层提供的数据接入传输功能称为协调函数（Coordination Function），并提供了两种不同的协调函数：一种是异步的分布协调函数DCF，另一种则是可选的同步的点协调函数PCF。（1）DCF图3 802.11DCF工作机理示意图DCF使用带二进制指数退避算法的CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）协议来实现介质共享。DCF协议可以分为两部分，一部分是两路握手方式的基本DCF，还有一种是可选的四路握手方式的RTS/CTS机制，基础都是CSMA/CA协议。WLAN的DCF功能之所以采用CSMA/CA，而不是以太网协议的CSMA/CD机制，最重要的原因是在无线环境下无法用类似有线条件下的简单的方法进行冲突检测。基本DCF方式的主要内容是：带二进制指数退避算法的CSMA/CA接入控制机制，以及相应的帧传输及差错恢复机制。图4 802.11DCF原理示意图当STA要发送帧时，首先检测信道，确认信道在一个DIFS（Distributed InterFrame Space）时间内保持空闲，然后才发送这个帧。如果发现信道忙，则随机地选择一个退避（backoff）时间等待。当信道重新转为空闲时，这个STA在等待一个DIFS时间后，退避计数器开始以时隙（slot）为单位作减法计数，直到计数器为0以后，才可以发送该帧。如果在退避时，该STA再次探测到信道忙，退避计数器将挂起保持而不清零，直到信道再次空闲一个DIFS时间，退避计数器才重新计数。DCF使用两种载波侦听机制监听信道，一种是物理的，一种是虚拟的。物理的载波侦听是由物理层向MAC层提供信道忙闲指示。而虚拟载波侦听则是通过MAC状态机检测NAV（Network Allocation Vector）来实现的。NAV是预置一个信道占用时间的减法计数器，当所接收到的MAC帧的Duration/ID域中数值比本地NAV大时，NAV更新。当一个STA的NAV不为0时，MAC状态机就认为信道忙，不发送数据并保持退避计数器，而NAV则作减法计数。无线局域网所特有的隐藏站点问题，是指两个竞争站点有可能由于距离太远，无法侦听到对方的发送，误认为信道空闲，可能同时发送MAC帧，形成不必要的冲突。极小的隐藏站点概率就会大大降低系统性能。为了解决隐藏站点问题，提高信道利用率，在两路握手的基本DCF方式基础上，DCF还提供了一种可选的四路握手的竞争信道预留的接入方式，称为RTS/CTS（Request To Send/ Clear To Send）机制。源站点发送一个帧之前，首先可以发送一个RTS帧。BSS内的其他站点在接收到RTS以后，将根据RTS帧的Duration/ID域来置位自己的NAV，为该站点预留相应的数据帧传输时间。而目的站点接收到RTS以后，应答一个CTS帧。BSS内的站点也可以根据CTS帧的Duration/ID域来更新NAV，同步网络内预留的数据帧传输时间。RTS和CTS的交换过程还可以分别更新一部分不能接收到RTS（或者CTS）的站点的NAV，来同步隐藏站点的NAV设置，在更大范围内预留数据帧传输时间，以避免隐藏站点的问题。图5 802.11DCF原理示意图源站点接收到CTS以后，可以确信信道已经为它预留了数据帧传输时间，因此可以在等待SIFS间隔之后开始数据帧发送，并等待ACK确认以完成帧交换。RTS/CTS机制本质上只是一个四路握手型的DCF，因此RTS帧竞争信道同样使用的是基本DCF方式下的CSMA/CA机制，遇到冲突也将使用同样的二进制指数退避算法。不同的是，冲突将仅发生在RTS和CTS的交换过程中，而不是数据传输过程中。由于通常RTS和CTS帧的长度都远远小于数据帧，一旦发生冲突导致的信道时间的浪费也就比较小，在部分应用场景中能较好地提高信道利用率。（2）PCF集中控制的点协调函数PCF是一种可选方案，用于提供无竞争的数据接入传输服务，特别适合进行流传输以及时延敏感型数据传输。PCF是建立在DCF基础上，位于AP上的PC（Point Coordinator）利用PIFS来优先接入信道，并进行NAV置位形成信道预留，并由PC来实现集中控制和发送调度，实现CF（Contention Free）的传输。因此PCF控制期间又称为CFP（无竞争期）。在CFP期间，PC首先获得信道控制权，并通过向支持PCF的STA发送Poll帧来调度发送。当STA接收到PC发送的Poll帧后，可以在SIFS时间之后发送一个帧。发送结束以后，PC重新获得信道控制权，调度下一个站点发送新的数据帧。IEEE802.11定义了多种物理层，包括：基于调频、红外以及直扩的11；基于直扩和CCK调制的11b；基于OFDM的11a；基于OFDM和CCK的11g。a) 帧格式一个完整的MAC帧结构由以下三部分组成：1MAC帧头（MAC Header）：包含各种控制和地址信息，用于向目的MAC实体传递必要信息。2帧体（Frame Body）：帧体长度可变，主要用于传输上层LLC实体所需要传输的内容，也可以用于传递MAC层所需要的信息，这由帧头中的帧类型信息决定。3帧校验（FCS：Frame Check Sequence）：是IEEE定义的32位CRC校验，用于进行帧校验。基本帧结构如下图所示：图6 802.11DCF原理示意图帧控制域（Frame Control）：帧控制域是帧头中主要的控制域，用来向目的MAC实体传递控制信息。包含以下子域：协议版本、帧类型、帧子类型、去向DS（To DS）、来自DS（From DS）、有待传分帧指示（More Fragment）、重传指示（Retry）、功率管理指示（Power Management）、分帧结束指示（More Data）、WEP（Wired Equivalent Privacy）加密指示及MSDU排序指示（Order）。图7 802.11DCF原理示意图持续时间域（Duration/ID）：Duration域（Duration/ID）的数值如果在032767范围内，标识帧传输持续时间，用于NAV更新。大于32767的将有不同的解释和处理，详细内容可以参见协议。MAC地址域：MAC帧具有4个地址域，在不同的MAC帧的帧结构中，使用的地址域数目及其具体含义均有不同。实际应用中4个地址域的确切用途是由帧类型以及子类型确定的，有些帧使用的地址域也可能小于4个。802.11 MAC地址完全符合IEEE802协议族48位地址规则，可以用于标识组地址（BSSID或者多目地址），也可以用于标识单个站点（单目地址）。常用的组地址为BSSID，用于标识一个BSS。该地址用于ESS路由，也可以供管理帧的BSS内广播。常用的单目地址有四种：目的地址（DA）、源地址（SA）、直接接收地址（RA）和直接发送地址（TA）。前两者用于标识帧的源与最终目的站点，后两者仅仅用于标识直接发射/接收站点的地址。序列控制信息域（Sequence Control Information）：该域分为一个12bits长度的整数序列号域（Sequence Number）和一个4bits长度的整数分帧号域（Fragment Number）。前者用来确定一个MSDU或者MMPDU，控制重传以及重新排序；后者用于分帧重组。帧体域是可变长度的，最小值为0，最大值由系统参数MPDU最大长度（MPDU Max Length）定义。该最大值设定依赖不同的物理层略有差别。FCS域是一个32bits长度的CRC校验域，FCS域的值由MAC帧头和帧体域计算得到。FCS校验通常采用硬件实现。b) 双工方式IEEE802.11采用随机分时共享的方式共用一个信道，类似于TDD模式。c) 多址方式IEEE802.11用户在MAC层的控制下分时共享同一个信道。MAC层主要通过分布式协调功能（DCF）和点协调功能来完成信道分配功能。DCF使用带二进制指数退避算法的CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）协议来实现介质共享。DCF协议可以分为两部分，一部分是两路握手方式的基本DCF，还有一种是可选的四路握手方式的RTS/CTS机制，基础都是CSMA/CA协议。集中控制的点协调函数PCF是一种可选方案，用于提供无竞争的数据接入传输服务，特别适合进行流传输以及时延敏感型数据传输。PCF是建立在DCF基础上，位于AP上的PC（Point Coordinator）利用PIFS来优先接入信道，并进行NAV置位形成信道预留，并由PC来实现集中控制和发送调度，实现CF（Contention Free）的传输。d) 调制编码方案IEEE802.11的各种物理层协议都支持多速率。下面分别列出各种物理层协议，不同速率的调制方式和编码方式。数据速率（Mbps）调制方式编码方式802.11b1直序扩频DBPSK无2DQPSK5.5CCK调制11802.11a6OFDMBPSK1/2卷积93/4卷积12QPSK1/2卷积183/4卷积2416QAM1/2卷积363/4卷积4864QAM2/3卷积543/4卷积802.11的DSSS标准使用11位的chipping-Barker序列-来将数据编码并发送，每一个11位的chipping代表一个一位的数字信号。CCK是MOK调制的一种，它采用一组称为Complementary Codes的复杂Walsh函数，从64个QPSK向量中选择一个对8M chip/s的符号(symbol)进行编码。由于CCK调制的每个符号具有8位数据，符号传输率为1.375M symbol/s，因此数据传输率为81.375M bits/s=11Mbps。与其它调制方式相比，CCK有如下优点：CCK代码近似直角，可得到较低的误码率；I和Q信号交互耦合时的多信道失真小；处理增益达11dB。OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。l 802.11协议在无线协议体系中的位置图8 802.11协议位置示意图从上图不难看出802.11x协议主要定位局域无线接入应用，并不作为广域应用，在无线接入领域，平常见的具有：802.16、802.11、802.20、HiperLAN及 HiperAccess 等，对于广域无线技术在本文中不作相应的对比及分析，诸如：3G。a) 802.16802.16定义无线城域网标准，包括： 802.16：视距环境下的固定无线接入，工作频点1066GHz； 802.16a：非视距环境下的固定无线接入，工组频点211GHz； 802.16d：对802.16a的修正和补充，固定无线接入； 802.16e：非视距环境下的移动无线接入，支持低速移动，正在进行；802.16a对802.16MAC做了扩展，结合了一些增强性能的技术，比如ARQ、类型域和扩展头等。增加了多个物理层选项，支持与TDMA结合的OFDM（256或512个FFT）、与OFDMA结合的OFDM（2048或4096个FFT），以及单载波加上频域均衡（SC-FDE）。802.16a支持基于分组的点对多点传输，具有多蜂窝结构，支持FDD和TDD功能，提供话音、数据和视频服务，对不同的业务支持不同的QoS。标准主要定义了MAC层和PHY层，具有统一的MAC层，支持多种PHY层，802.16a定义了以下几种物理层：单载波、256点OFDM及2048点OFDMA。 b) 802.20802.20正在制订移动宽带无线接入（MBWA）标准，MBWA的主要特点，一是试图采用更先进的物理层技术以