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无线网络技术 计算机与通信工程学院李娜娜lanxuejudy 第4章IEEE802 15 4标准 MAC层 4 1MAC层4 2MAC层设备及地址表示4 3MAC层帧结构4 4信道接入技术基础知识4 5ALOHA S ALOHA4 6CSMA CSMA CD4 7CSMA CA 第4章IEEE802 15 4标准 MAC层 4 8数据传输的鲁棒性 可靠性 稳健性 4 9网络组织与维护4 10MAC层属性管理4 11RFD的功能 4 1MAC层 MAC是媒体接入控制 MediaAccessControl 的意思 因此MAC层的基本功能是控制通信设备如何利用通信资源进行通信 在网络当中能够协调多个设备恰当地使用通信资源 IEEE802 15 4的MAC层提供了信道接入 CSMA CA和TDMA 本地网络建立维护和同步 安全 可靠通信等功能 其中 可靠通信通常是逻辑链路子层 LLC 提供的功能 这里实际上已经把第二层协议作了一个简化设计 不区分MAC和LLC 下面就从最基本的MAC层设备和地址说起 然后逐一介绍MAC层的各项功能 MAC层参考模型 MAC层管理实体实现层的管理功能并且负责维护MACPIB MAC层通过SAP提供两种服务 MAC层数据服务 MAC层管理服务theMACdataserviceandtheMACmanagementserviceinterfacingtotheMACsublayermanagemententity MLME serviceaccesspoint SAP knownasMLME SAP TheMACdataserviceenablesthetransmissionandreceptionofMACprotocoldataunits MPDUs acrossthePHYdataservice 4 2MAC层设备及地址表示 在IEEE802 15 4当中定义了两种类型的设备 一种称为全功能设备 FullFunctionDevice 另一种称为缩减功能设备 ReducedFunctionDevice FFD功能比较齐全 而RFD功能很简单 只包括最基本的功能 FFD之间 FFD和RFD之间都可以互相通信 而RFD由于功能比较弱 两个RFD之间不能直接通信 必须通过FFD进行中转 之所以要规定两种设备类型 主要是考虑尽量降低整个网络的成本 网络当中部分设备的功能是比较强的 如要负责一些网络维护的工作 但如果所有网络设备都支持这么强的功能 就会增加整个网络的成本 而实际上很多设备并不需要那些比较强的功能 它们只需要实现最基本的功能 这样就能大大降低整个网络的成本 特别是当这类基本设备的数量比较大的时候 4 2MAC层设备及地址表示 在IEEE802 15 4所定义的FFD和RFD是从实际物理实现角度来进行分类的 其实其还从网络组成的角度定义了3种设备 PAN协调器 PANCoordinator 协调器 Coordinator 设备 Device PAN协调器在整个网络当中是唯一的 它一般是建立网络的设备 功能最强大 成本最高 协调器在网络当中可能有很多个 要承担一些网络维护的功能 成本居中 PAN协调器是特殊的协调器 以后如果没有区分 那么协调器也包括PAN协调器 设备是网络的末端节点 一般是最简单 成本最低的设备 RFD只能做为设备 而FFD可以做为3种设备当中任意一种 4 2MAC层设备及地址表示 不同类型设备一起组成一个个域网络PAN 其拓扑结构可能是星型拓扑结构或者是对等 Peer to Peer 拓扑结构 如下图所示 4 2MAC层设备及地址表示 在星型拓扑结构中 PAN协调器作为唯一的中心控制节点 其他设备都只跟PAN协调器进行直接通信 在对等拓扑结构中 除了RFD之外 其他设备之间可能可以互相进行通信 不一定需要通过PAN协调器进行通信 4 2MAC层设备及地址表示 除了设备和拓扑 地址也是MAC层的一个重要概念 MAC地址是MAC层通信当中表示设备的标识 它用于MAC层的通信 即标识出发送数据的源节点以及接收数据的目的节点 MAC层规定两种地址 短地址 扩展地址 短地址 临时分配的地址 即设备加入到网络当中才会分配的地址 长度为16比特 短地址在MAC层中用属性macShortAddress来记录 扩展地址 一般是一个长期固定的地址 设备出厂的时候就已经固化 一直伴随设备直至它寿命结束都不会更改 在MAC层是用一个常数aExtendedAddress来表示的 长度为64比特 又称 IEEE地址 它是全球唯一的地址 根据它可以唯一区分不同的设备 因此需要有相关的部门对它进行统一的分配 通常厂家会申请一段地址空间 然后生产出来的设备的扩展地址从所分配的地址空间当中选择 4 2MAC层设备及地址表示 由于扩展地址可以唯一区分不同的设备 所以用扩展地址来通信没有什么别的问题 只是8字节的地址长度 源和目的两个地址占用16字节 相对于所携带的信息可能有些长 即使相对于127字节的物理层最大净荷也是一笔不小的开销 约13 的信息量 因此为了降低地址的开销 引入短地址来进行通信 这样源和目的地址一共可以节约12字节的开销 但随之引来地址冲突的问题 16比特最多有65536种取值 当网络中节点比较多的时候 地址冲突的问题就会显现出来 不要以为有几万个节点的时候才会有问题 如果采取随机的地址分配 几百个节点冲突的概率就已经非常高了 如果是源地址冲突 那么目的节点不知道是哪个节点给它发送数据 如果是目的地址冲突 那么源节点可能把数据发送到错误的目的节点 IEEE802 15 4并没有规定短地址冲突检测和解决的问题 但是可以通过高层协议进行定义避免此冲突 后面将在网络层部分介绍ZigBee所规定的方法 4 2MAC层设备及地址表示 MAC层规定了两个特殊的短地址0 xffff用于源地址表示设备没有短地址 如设备还没有加入网络 如果0 xffff用于目的地址则表示为广播地址 即目的设备为所有收到数据的设备 0 xfffe表示设备已经加入到网络中 但是还没有分别短地址 此时该设备仍然用扩展地址进行通信 4 2MAC层设备及地址表示 除了地址之外 另一个重要的标识是PAN标识 PANID 为了不同的PAN之间进行通信 不同的PAN用不同的标识来定义 PANID的长度是16比特 用MAC层属性macPANID来进行记录 PANID也有一个特殊的值 0 xffff如果用于目的标识则表示广播PAN标识 4 3MAC层帧结构 MAC层的数据封装在物理层帧当中发送 而接收到的物理层帧经过解封装后会得到MAC层数据 MAC帧格式主要是指MAC协议数据单元 MPDU 的格式 主要包括MAC帧头 MHR MAC负载和MAC帧尾 MFR 4 3MAC层帧结构 帧头由帧控制 framecontrol 帧序列码 sequencenumber 和地址域 addressingfields 组成 MAC子层负载长度可变 具体内容由帧类型决定 帧尾是帧头和负载数据的16位循环冗余码校验 CRC 序列 4 3MAC层帧结构 帧控制 framecontrol 域 长度为16bit 包含了基本的帧信息 定义了帧类型 地址域及其他控制标志 其中 比特0 2是帧类型 FrameType 0b000 0b001 0b010 0b011分别表示信标帧 数据帧 应答帧 MAC命令帧 其他值预留 比特3是安全使能标志 SecurityEnabled 1表示对该帧使用安全机制 0表示不使用安全机制 4 3MAC层帧结构 比特4是帧缓存标志 FramePending 1表示后续还有更多的数据帧要发送给接收设备 0表示没有 比特5是应答标志 AckRequest 1表示该帧需要应答 0表示该帧不需要应答 比特12和比特13表示该帧的版本 0 x00表示与2003版本兼容 0 x01表示该帧为2006版本 4 3MAC层帧结构 比特6是PAN标识压缩标识 PANIDCompression 1表示采取PAN标识压缩模式 表明当前帧是在同一PAN范围内 只需要目的地址与源地址 而不需源PAN标识符 0表示不采用PAN标识压缩模式 表明当前帧是不在同一PAN范围内 不仅需要目的地址与源地址 源PAN标识符与目标标识符均需要 比特10与11表示目的地址模式 00表示不存在PAN标识和地址域 01是预留值 10表示后面的地址域为16位短地址 11表示地址域为64位扩展地址 4 3MAC层帧结构 帧控制域后紧跟着1字节的序列号 SequenceNumber 用于区分相继发送的帧 由该序号可知该帧是重传的帧还是一个新的帧 并且对于需要应答帧的情况 规定应答帧的序列号和所应答的帧的序列号相同 这样就能知道应答帧所对应的对象 4 3MAC层帧结构 设备需要维护两个序列号 一个用于信标的序列号BSN 一个用于数据帧 命令帧和应答帧的序列号DSN BSN用MAC层属性macBSN来记录 DSN用MAC层属性macDSN来记录 每发送一个对应的帧 DSN或者BSN都会增一 如果超过最大值就变成全零值 4 3MAC层帧结构 序列号后面是地址域 依次是目的PAN标识 目的地址 源PAN标识 源地址等域 这些域的长度与帧控制域中对应子域的取值有关 如果目的地址模式是00 那么目的PAN标识和目的地址不存在 如果是10则目的PAN标识存在 目的地址是16位短地址 如果PAN标识压缩为1 那么标识源PAN标识与目的PAN标识相同 不需要携带源PAN标识 4 3MAC层帧结构 地址域后面是可选的附加安全帧头 如果不采用安全机制 不需要携带此帧头 否则根据所采用的安全机制的具体方式 其长度可能为5 6 10 14字节 下图没有标出 4 3MAC层帧结构 净荷是MAC帧要承载的上层数据 帧校验序列 是16位循环冗余校验 通过帧的MHR及MAC净荷计算而得 4 3MAC层帧结构 与物理层不同 MAC层净荷之外的长度是可变的 如果不考虑安全性 最大可达25字节 如果考虑安全性 最大可达39字节 最小只需要5字节 即所有可选的域都不选择 这种情况只适用于应答帧 不具备普遍性 4 3MAC层帧结构 在2003版本中 统一规定MAC层帧最大净荷是102字节 即物理层最大净荷127字节减去除安全外的最大长度25字节 4 3MAC层帧结构 四种帧结构 信标帧 是一种特殊的帧 只能由协调器发送 携带网络相关的信息 用于通告网络信息 以便其他设备加入网络或者了解网络的情况 并且可以用于维护网络通信的同步 其帧结构如下表所示 其MAC净荷包括2字节的超帧规格 GTS域 缓存地址域和信标规格 4 3MAC层帧结构 四种帧结构 数据帧 用于一般的通信过程 其MAC净荷全部是数据净荷 如下图所示 4 3MAC层帧结构 四种帧结构 应答帧 用于保证通信的可靠性 结构如下图所示 该帧结构很简单 不携带任何MAC层净荷 它的序列号与对应的数据帧或者命令帧的相同 4 3MAC层帧结构 四种帧结构 命令帧 用于MAC层的维护 它的净荷包括1字节的命令帧标识和命令净荷 如下图所示 命令帧标识表示是哪个命令 不同的命令会携带不同的净荷 4 4信道接入技术基础知识 信道接入概念固定信道接入技术FDMA TDMA SDMA CDMA随机信道接入技术pureALOHA S ALOHA CSMA 1坚持 p坚持 非坚持 CSMA CD CSMA CA 4 4信道接入技术基础知识 信道接入是Mac层的核心功能 它的目的主要是安排设计合理利用信道资源进行通信 如果只是一个设备向另一个设备发送数据时 不需要考虑太多信道接入的问题 这时设备可以独占所有信道资源 但是当多个设备进行通信时 为了合理安排每个设备占用的通信资源 信道接入技术就十分重要了 如防止不同设备的通信发生冲突 4 4信道接入技术基础知识 信道资源包括频率 时间 空间 功率等 信道接入技术跟信道资源分享方式相关 如常见的频分多址接入 FrequencyDivisionMultipleAccess FDMA 技术 时分多址接入 TimeDivisionMultipleAccess TDMA 技术 空分多址接入 SpaceDivisionMultipleAccess SDMA 技术 码分多址接入 CodeDivisionMultipleAccess CDMA 技术等 4 4信道接入技术基础知识 频分多址接入FDMA 让不同设备使用不同频率进行通信 这样由于设备对自身工作频率之外的信号进行滤波 可以把其他不相关的信号去掉 同时通信不会发生冲突 时分多址接入TDMA技术 让不同设备在不同时间进行通信 如每100ms分成10个时隙 分别给10个设备进行通信 从宏观上看 仿佛各个设备是同时进行通信 4 4信道接入技术基础知识 空分多址接入SDMA技术 让不同设备在不同空间进行通信 以区分不同通信的信号 码分多址接入CDMA技术 通过扩频码区分不同设备的通信 不过注意码字并不同于时间 频率等通常的信道资源 它实际上是利用码字对时间 频率等 硬资源 进行进一步的划分 4 4信道接入技术基础知识 前面提到的FDMA TDMA SDMA CDMA技术等信道接入技术都有个共同的特点 就是每个设备的通信都占用确定的信道资源 即使信道资源是动态分配的 在某个时刻设备占据的资源是固定的 因此属于固定的信道接入技术 相对应的 还有随机接入信道技术 随机接入信道技术 设备通信并不占据固定的资源 为了安排不同设备之间对资源的使用 通常通过 竞争 的过程来完成 4 4信道接入技术基础知识 随机接入信道技术 简单地说 就是哪个设备 抢 到通信资源哪个设备就可以进行通信 为了避免其他设备在信道资源被占据的时候通信造成冲突 通常采取一定的检测机制 检测信道是否被占据 如果信道被占据就不发送 等以后信道空闲的时候再尝试发送 随机接入信道技术当中比较著名的是ALOHA技术 而在IEEE802 15 4中 采用的随机接入技术是载波监听多址接入 冲突避免 CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance CSMA CA 除了随机接入技术 IEEE802 15 4同时采用定义了固定的信道接入技术TDMA 4 4信道接入技术基础知识 在随机接入中 每一个节点设备的传输均具有随机性 RandomAccess 同时各个节点均有权访问介质 为了访问介质 各站点采用 竞争 Contention 机制 如果有超过一个节点设备在同一时间发送数据则会产生 冲突 Collision 需要解决的几个关键问题 1 节点设备什么时间能访问介质2 如果介质处于忙的状态 节点应该怎么做3 各个节点设备如何确定数据传输是否已经成功4 如果一旦发生了冲突 应该怎么解决 4 5ALOHA协议 S ALOHA协议 最早采用争用协议的计算机网络是美国夏威夷大学的ALOHA网 该网通过无线信道将各分校的远程终端接到本部的主机上 基本思想任何用户有数据发送就可以发送 每个用户通过监听信道应答获知数据传输是否成功 当发现数据传输失败后 各自等待一段随机时间 再重新发送 1 纯ALOHA PureALOHA 纯ALOHA方式中 数据可在任意时刻发送 纯ALOHA冲突重发 基本思想 将时间分成时间片 即时隙T0 slot 每个时间片可以用来发送一个帧 用户有数据要发送时 必须等到下一个时间片开始才能发送 将信道时间分为等长的时间长度 每个长度正好等于一个帧的传输时间 又称 时隙 或 分槽 Slot 2 时隙ALOHA系统 SlottedALOHA 或S ALOHA 时隙ALOHA工作原理 每一个幀在到达后 一般都要在缓冲区中等待一段时间 该时间小于T0 然后在下一时间片开始时才能发送出去 所有站点的时钟必须保持同步 PureALOHAvs SlottedALOHA 吞吐量S 单位时间内成功发送的平均帧数网络负载G 单位时间t内总共发出的平均帧数 基本思想 纯ALOHA和时隙ALOHA的传输效率都不高 主要原因是各站独立地决定发送的时刻 使得冲突的概率很高 信道利用率下降 CSMA要求各站在发送之前先监听信道上是否有其他站点正在传送 载波监听 如果有 就稍候 如果无 就发送 如果多个站点同时发送 就会产生冲突 导致信息混淆 传输失败 站点在传输后将等待一定时间 往返时间加上确认帧争用时间 以接收确认帧 收不到确认 因冲突 就重传 最大吞吐率远远超过纯ALOHA和时隙ALOHA 4 6 1载波监听多路访问协议CSMAprotocol 即所谓 先听后说 希望传输的站首先对信道进行监听以确定是否有别的站在传输 若信道空闲 该站可以传输 否则 该站将按一定算法退避一段时间后再试 这可以分为 CSMAprotocol CarrierSenseMultipleAccessProtocol CSMA 1 坚持CSMA非坚持CSMAP 坚持CSMA 当一个站要发送数据时 执行如下步骤 1 监听信道 若信道空闲就发送 2 若信道忙则继续坚持监听 直至检测到信道空闲后就立即 以概率1 发送 3 若有冲突 则随机等待一段时间 重复步骤 1 优点 只要信道空闲 数据就立即得到发送 缺点 若有两个或两个以上的站点等发送 冲突就不可避免 1 1 坚持CSMA 1 坚持CSMA 当一个站要发送数据时 执行如下步骤 1 监听信道 若信道空闲就发送 2 若信道忙则放弃 不坚持 监听 随机等待一段时间 重复步骤 1 优点 采用随机的重发延迟时间可减少冲突可能性 缺点 即使有几个站有数据要传送 信道仍然可能处于空闲状态 信道利用率较低 2 非坚持CSMA 非坚持CSMA 当一个站要发送数据时 执行如下步骤 1 监听信道 若信道空闲就以概率p发送数据 以概率1 p延迟至下一个时间片 2 若信道忙则继续坚持监听 直至下一个时间片 3 至下一个时间片后重复步骤 1 问题 如何选择p的有效值 3 p 坚持CSMA 问题 如何选择p的有效值 设任一时刻平均有N个站有数据等待发送 则一旦当前的数据发送完毕 在下一个时间片里平均有Np个站发送数据 若p过大 使Np 1 表明有多个站试图发送 冲突不可避免 所以应使Np 1 若p过小 信道利用率会大大降低 p 坚持CSMA p 坚持CSMA Non persistent 1 P Persistent 最大的特点是 先听后说 CSMA的监听策略有三种算法 非坚持一旦监听到信道忙就不再坚持听下去 延迟一段随机时间后再重新监听 信道利用率不高 1 坚持监听到信道忙时仍然坚持听下去 直到空闲为止 一旦信道空闲就发送 如有冲突 等待一随机时间后再监听 冲突较大 P 坚持监听到信道忙时仍然坚持听下去 直到空闲为止 当听到信道空闲时 以概率p发送数据 p 1时 即为1坚持 p 坚持的主要问题是如何确定一个合适的p值 轻载时 1坚持CSMA吞吐量特性最好 重载时 非坚持CSMA吞吐量特性最好 但时间延迟增大 小结 CSMA协议 4 6 2带有冲突检测的CSMA CSMA CD ALOHA CSMA CSMA CD 增加 发送前先监听 忙时则不发 改进 改进 1 坚持CSMA增加 一旦检测到冲突 立即停止发送 ALOHA S ALOHA 1 坚持CSMA 非坚持CSMA p 坚持CSMA Ethernet 当一个站点想要发送数据的时候 它检测网络查看是否有其他站点正在传输 即监听信道是否空闲 如果信道忙 则等待 直到信道空闲 如果信道闲 站点就传输数据 CSMA CD的工作原理如下 在发送数据的同时 站点继续监听网络确信没有其他站点在同时传输数据 因为有可能两个或多个站点都同时检测到网络空闲然后几乎在同一时刻开始传输数据 如果两个或多个站点同时发送数据 就会产生冲突 当一个传输结点识别出一个冲突 它就发送一个拥塞信号 这个信号使得冲突的时间足够长 让其他的结点都有能发现 其他结点收到拥塞信号后 都停止传输 等待一个随机产生的时间间隙 回退时间 BackoffTime 后重发 CSMA CD的工作原理如下 以太网基本工作原理 开始 检测介质 监听 介质忙 发送帧 碰撞 随机退避时间 YES NO NO YES 继续发送直至完成 载波监听目的 降低冲突次数如果信道空闲 立即发送如果信道忙 等待直到信道空闲 冲突检测目的 降低冲突的影响 使信道在冲突发生可以尽快恢复使用一检测到冲突就放弃传输 等待一个随机时间 然后重新监听 载波监听多路访问 冲突检测设计思想分析 等待的随机时间 用截断的二进制指数退避算法 算法规则如下 1 当第一次发生冲突时 设置冲突计数k 1 2 退避等待一个随机时间 取值为n个时间片 n为 0 1 2 2k 1 中的一个随机数 3 当再发送帧时若又发生冲突 则k k 1 但若k加到10后便不再增加 仍维持k 10 即k mi