[硕士论文精品]ieee_802.11b_g软件系统的研究与实现

东南大学硕一J学位论文摘要摘要随着无线技术的广泛应用，无线局域网成为提供高速无线因特网接入的关键技术之一。研究无线局域网技术，丌发拥有自主知识产权的无线局域网接入点具有重要的现实意义。同时，可以使我们掌握研究通信协议的基本方法和一般工程。本文首先分析了无线局域网的基本结构和IEEES02。儿协议的基本内容。深入描述了MAC层子层中分布式协调功能DCF和点协调功能PCF、逻辑服务接口、服务业务功能和MAC帧格式，比较了IEEE8021LG协议对MAC层的修F。综合考虑无线接入点的高效性与可靠性，文章分别进一步阐述了基于MPC860和MPC852T嵌入式LIFLUX平台的设计方案及其系统改进。侧重介绍了系统方案中软件的模块设计、逻辑接口、RTAI实时嵌入式操作系统、无线设备接口及驱动丌发等关键技术。在成功实现高效无线链路数据通信的基础上，本课题还丌发了基于SNMP、CJ。1、HTTP办议的网络管理系统，友好的图形界面，实现了对接入点的本地和远程管理。WPAEEES0211J的高安全性、多模式无线分布式系统、DHCPNAT等高级功能模块的设计更进一步完善了无线接入点的软件性能，增强了市场竞争力。文章的最后给出了AP系统性能测试结果。并结合当前在研的无线局域网QOS增强机制，总结了自主研发的IEEES0211B无线接入点软件系统，这些设计与实现可很方便的移植到IEEE802119标准的接入点软件系统中。同时，文章还进一步展望了目前项目的后续工作和无线局域网未来发展的关键技术。关键词无线局域网无线接入点实时操作系统网络管理服务质量东南大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTI1RECENTYEARS，WITHTHEGREATDEVELOPMENTOFWIRELESSTECHNOLOGY,WLANHASBEENAMOREPOPULARSOLUTIONFORWIRELESSINTEMET、ITLLHIGHSPEEDACCESSITISVERYSIGNIFICANTTOSTUDYTHEIEEESTD80211WHICHWILLMAKEUSPOSSESSTHEWIRELESSNETWORKACCESSPOINTOURSELVES，ANDWEWILLMASTERTHEBASICALWAYSANDGENERALCOURSEOFTHECOMMUNICATIONPROTOCOLRESEARCHANDDEVELOPMENTFIRSTLY，THISPAPERINTRODUCESTHEBASICSLRUCTUREOFWLANANDTHECONTENTOFIEEE80211THEDESCRIPTIONISEMPHASIZEDONTHEFUNCTIONOFDCFRDISTRIBUTEDCOORDINATIONFUNCTIONANDPCFPOINTCOORDINATIONFUNCTION，THESERVICEFUNCTIONS，THEINTERFACEOFLOGICALSERVICEANDMACFRAMETYPETHISPAPERALSOANALYSESTHEMACSUBLAYERREVISIONOFIEEE8021LGPROTOC01CONSIDERINGSYSTEMEFFECTIVENESSANDRELIANCE，TWOEMBEDDEDSYSTEMSCHEMESANDIMPROVEMENT，BASEDONMPC860ANDMPC852TAREDISCUSSEDTHEKEYTECHNOLOGY,SUCHASSOFTWAREMODULES，LOGICALINTELFACERTAIREALTIMEOPERATIONSYSTEM，WIRELESSDEVICEANDTHEDEVELOPMENTOFDEVICEDRIVERAREEXPLAINEDINDETAILDURINGTHEPROTOCOLSTACKDESIGN，BESIDESTHEIMPLEMENTATIONOFWIRELESSCOMMUNICATION，NETWORKMANAGEMENTOFWLANAREDEVELOPEDBASEDONSNMP、ELIANDH丁RPPROTOCOLSWHICHCANSYSTEMICALLYMANAGEAPBYTHELOCALANDREMOTEMETHODSMOREHIGHLEVELCHARACTERISTICSAREADDEDINCLUDINGWPAIEEE80211IWITHENHANCEDSECURITY,MUTIMODELSWDSWIRELESSDISTRIBUTEDSYSTEM，DHCPMADNATETCALLOFTHEABOVEFUNCTIONSAREDESIGNEDTOIMPROVETHESOFTWAREBEHAVIORANDCOMPETITIVECAPACITYFINALLY,THEPERFOFINANCETESTINGOFAPISGIVEN，ANDTHENTOSULNUPTHESOFTWARERDOFTHEIEEE8021LBAPWHICHISSELFPROPERTYRIGHTOWNEDALLOFTHESECANBETRANSPLANTEDEASILYTOTHEINCOMINGIEEES0211GAPMEANWHILE，INTHEPAPER,THEFURTHERRESEARCHANDKEYTECHNOLOGYOFWLANDEVELOPMENTTRENDAREALSOINTRODUCEDKEYWORDSWLANACCESSPOINTRTOSNETWORKMANAGEMENTQOSIL东南大学学位论文独锇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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。型生东南大学学位论文使用授权声明东南大学、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部分内容。论文的公布包括刊登授权东南大学研究生院办理。研究生签名诒协师签名东南大学颂L学位论史第一章绪论第一章绪论通信技术和网络技术的迅速发展加述了信息交流，同时，全球经济的发展进一步摊动了信息全球化，刺激了通信技术的发展。在继固定电信网为代表的有线网络称为通信的主要载体后，在微处理器技术和无线电技术迅速发展的今天，无线通信已成为通信网络不可缺少的一部分。由于技术的不同无线通信呈现出多样化的特点无线本地环路WLL、基于蜂窝的无线网络、宽带甲星网络、基于局域网的无线网络等。同时以TCPIP协议族为基础的INTERNET，其传输内容从以数据为主发展到语音、数据、图像、视频等。其传输方式从有线扩展到无线，无线局域网WLAN就是在无线领域的重要代表。11无线局域网技术现状及其发展趋势无线局域网WIRELESSLOCALAREANETWORK，WLAN是高速发展的现代无线通信技术在计算机网络中的应川，它采用无线多址信道的有效方式支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个人化利多媒体应用提供了实现的手段。随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端以及多媒体终端得到了广泛应用。为了实现任何人在任何时间、任何地点均能进行数据通信的目标，要求传统的计算机网络由有线向无线，由俐定向移动，由单一业务向多媒体发展，顺戍这一需求的无线局域网技术冈此得了普遍的关注。无线局域网以其方便、怏捷、廉价等诸多优势，在企事业内部和公共热点地区等领域的应川中很快取得了K足的发展和巨人的成功，而与此同时用户对无线局域网各种性能，尤其是安全性能的要求变得格外苛刻。目前，在无线标准和规范方面，由不同厂商支持的不同标准和规范争夺激烈，主要有1EEE8021L系列、HIPERLAN、HOMERF以及蓝牙技术等，它们各有特点，其鹿刚领域也不尽相同。一IEEE8021L系列当前大多数的无线局域网产品都基于IEEE80211系列标准。IEEE于1997年正式公布了80211礼ANL997版技术标准该标准提供了三个物理层PHY规范，包括24GHZISM频段中的红外线、12MBPS跳频技术FHSS和L2MBPS直接序列扩频技术DSSS。主要HJ丁解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入业务主要限丁二数据存取，速率展高只能达到2MBPS。由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，EEE义相继推出了8021LB和8021LA两个新标准。8021LB也被WECATHEWIRELESSETHERNETCOMPATIBILITYA1LLANCE称为WIFI，使用开放的24GHZ频率，一般采川直接序列扩频LSSS和补偿编码键控CCK调制技术，最火数据传输速率为11MBPS。从1999年推出剑现在，80211B在无线局域网市场取得了明显的士导地位。8021LA”I作R5GHZ频带，采川止变频分复州OFDM的多载波技术和QFSK调制，所支持的数据速率塌高可达54MBPS，遵循“IEEE8021LA”产I占被标记为“W卜FI5”，目前已有少量基丁8021LAF向产鼎面世。2001东南大学硕士学位论文第一章绪论年11月IEEE又通过了8021LG“1标准，也被称为WIFI。该标准也使用24G频段，井将传输速度从现有8021LB的每秒儿帖提高到每秒54MB。与8021LA相当。调制方式遵循INTERSIL公司的CCKOFDM与TI公司的PBCC22分组二进制卷积码，而PBCC一22技术使得22MBPS的速率与现有支持11MBPS的IEEE8021IB产晶间相互兼容。IEEES0211I作组正致力于增强蚁体访问控制。推出了一系列802I1扩展标准夺IEEE8021LD是IEEE8021LB使用其它频率的版本，以适应一些不能使_J24GHZ频段的国家。IEEES02，11E在IEEES021L系列协议中增加了QOS能力。它H|TDMA方式取代类似ETHERNET的MAC层，为重要的数据增加额外的纠错功能。夺IEEE8021IF目的是改善IEEE80211协议的切换机制，使州户能够在不同的交换分区间无线信道或者在接入没备间漫游。这就使无线局域网能够提供与移动通信同样的移动性。夺IEEE8021LH比IEEE8021LA能更好地控制发送功率和选择无线信道，与IEEE80211E一起可以适应欧洲的更严格的标准。夺IEEE802III改善IEEE8021L标准最明显的缺陷安全问题。夺IEEE80211J目的是使IEEES0211A和HIPERLAN2网络能够互通。夺IEEE8021LK主要针对1】ILAN与其它网间的漫游，以及8021I产品与监牙等其它WLAN产品的共存问题；夺LEEES0211N是一种。R一代无线局域网技术，具有更高的吞吐率。这一全新WLAN标准的性能大约是当前80211解决方案的三倍，从而使得J_I户能够住指定时间内无线传输更多数据。人类需求推动技术的发展和应用，新的无线局域网协议将在今后不断出现。它们拥有高的数据速率、QOS保证和安全性，将是对有线宽带数据网络的挑战。IEEE还在不断改善现有的这些协议，推出或即将推出一些新的协议。_HIPERLAN系列5161HIPERLANHIGHPERFORMANCERADIO由欧洲电信标准化协会ETSI推山，作为“宽带无线接入网”计划的组成部分，并在欧洲得到了广泛的廊_I|J和支持。包括HIPERLANI、HIPERLAN2两个标准，分别用于24GHZ与5GHZ不同的频段。HIPERLANI对应丁IEEE80211B，采用GMSK高斯最小移频键控调制，速率最大可达235MBPS。但由丁出现的时间晚与IEEE80211B相比无太大优势，因而并来得到广泛的麻J_|J。HIPERLAN2标准和IEEE80211A标准在物理层上儿乎是相同的，同样采用OFDM技术，摄高速率也为54MBPS，单个子载波调制方式可采州BPSK、QPSK、16QAM以及64QAM。但与IEEE8021L最人的不同在R其MAC层采不同的技术，IEEES02I采削基丁醴太网的无连接的CSMACARRIERSENSEMULTIPLEACCESS，载波监听多址接入技术，而HIPERLAN采用面向连接的无线ATM技术，两种产品不能进行互操作。相比TIEEES0211A，HIPERLAN22东南人学倾士学位论文第一章绪论在QOS支持、安全性、移动性、霄能管理等诸多方面具有优势。_家庭网络的HOMERF171HOMERF主要为家庭网络设计，是IEEE802II与DECT数字无绳电话标准的结合，旨在降低语音数据成本。HOMERF也采用了扩频技术，工作在24GHZ频带，能同步支持4条高质母语音信道。但目前HOMERF的传输速率只有IM2MBPS。蓝牙技术81蓝牙技术J二作在24GHZISM频段，提供低价、大容龋的语音年数据网络，它的相关标准是IEEE80215。其实质内容是要建立通用的无线空中接口及其控制软什的公开标准，使通信平计算机进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备住没有电线或电缆相互连接的情况F，能在近距离范围内具有互_LJFJ、互操作的性能。监牙技术中也采用了跳频技术，但利其它L作在24GFIZ频段上的系统相比监牙跳频更快数据包更短，这使蓝牙技术比其它系统更稳定。监牙技术理想的联接范同是10米或者ODBM，在加入额外的功率放人器后，可以将距离扩展到100米或者20DBM。8021L8021LB9021LA8E2119IIIPERLMQ0IBMERF蠊QLIL二4GHZ4疆K粥24GH25G鱼缸，40HZ1，孽54721旦西D11MBPS54MB口O54B饿T一二HI杠PS723；西口O,MBP1，数多III臻L，一势|装巍峨LLI“I廿，T。鞭揩黪I淄博111臻L像100M50150M10、100M100M100M】00M10M隧圈卜1无线局域劂技术比较12本课题的研究背景和主要研究内容WLAN技术的日益成熟和普及、移动J|户对高速移动数据接入的需求为PWLANPUBLICWLAN技术和赢用的发展提供了契机。作为广域移动网络的一种补充，部署在热点地区的PWLAN在现在雨I将来都是一种不可缺少的高速无线接入手段。PWLAN为州户访问INTERNET提供了种宽带接入方式，通过PWLAN接入设备，用户能够高速使川WWW，FTP，EMAIL等符种IMERNET业务移动办公者可以通过PWLAN接入方式安全高述访问企业内部网络资源如企业内部网页，内部M刚系统，内部文件系统等；PWLAN技术提供高数据带宽，为用户使用公共多媒体应用如视频点播、视频电话、视频会议等提供了可能对丁移动运营商米说，PWLAN麻该作为移动用户高速访问现有移动数据业务的一种有效手段，如移动多；LLI体服务、移动电子邮什、移动个人理财、娱乐天地、位置服务、在线游戏等。随着企业移动办公模式的发展以及相应技术的发展，企业_LJ户和博通的移动川户接入PWLAN网络的能力将不断普及和增强。东南大学硕畔位论文第一章绪论在现有的WLAN和GSMGPRS网络的基础上，项目的整体目标是建立一个高效率，高安全性的公共无线局域网络模型，以期融合WLAN的有关安全特性和GSMIGPRS的网络认证安全特性，既有利于移动用户，又有利于运营商。所提出的公共无线局域网PWLAN安全体系结构如图12所示。公共无线局域网包括PWLAN网络接入部分和蜂窝网即GSMGPRS处理中心两个组成部分，它们之间通过IP骨干网相互通信。其中PWLAN网络接入部分包括移动终端、无线接入点、接入控制器、认证服务器等四个部分。瞄卜2公共无线局域网PWLAN安全体系结构无线接入点是公共无线局域网业务网络的小型无线基站设备，完成IEEES021J标准的无线拨入功能。是连接有线网络与无线局域网络的桥梁。它为在子网间漫游的移动终端提供无缝的、高速的、透明的接入服务。AP系统软件主要包括IEEE80211系列协议的MACMEDIAACCESSCONTR01层软件、网络管理系统和其他的网络设备应用软件。日前。国外一些公司，例如最大的局域网设备制造商包括3COMCORP，CISCOSYSTEMSINC利INTELCORP等，已经推山了基丁IEEE8021LBG的无线网卡及无线接入点等产品国内白士研发的同类产品还比较少，尤其是这些无线接入点只提供用户基本无线接入功能在无线安全接入、服务质错QOS、网络管理等方面还很不完善。因此，本课题的研究具有很强的实际麻刚价值。13本论文组织结构本论文的研究受国家高技术研究发展讣划863计划“2002AAL43010”、“2003AM43040”项目课题基金资助，深入研究PWLAN中无线接入点软件系统，实现了包括MAC层协议栈、高级加密认证流程、网络管理系统等功能要求。论文共分六章内容安排如下第一章绪论，介纠了公共无线岗域网的概念和国F|外研究动态，同时分析了公共无线局域网课题开发背景，引出本文的J作。第一二章分析了公共无线局域网接入点的功能与构成，详细剖析了IEEE8021LBGMAC层原理、服务等协议栈功能。4东南大学碳J学位论义第一帝绪论第三奄第四章第五章第六章详细阐述了项目开发过程中无线接入点系统实现方案，重点介纠了MAC层软件设计与实现的难点和关键技术。介宝了基于多协议的网络管理系统的殴计与实现，并详细分析了基丁|SNMP软什包的SNMP管理端的关键技术与流程，实现了较为完善的刚户界面。在实现了高效的无线链路数据通信的基础上，进一步拓展高级功能模块，实现了高级认证与数据加密系统、多模式无线分布式系统等多种高级属性。对论文【作的总结，指山本文研究项目的后续L作和前景展望。东南大学硕T学位论文第二章IEEES0211MAC协义关键投术第二章IEEE8021LMAC协议关键技术21IEEE8021L简介N1IEEE80211主要目的是要制定一套适合在无线局域网络环境F作业的通讯协议，最重要的一J作，就是要制定出MAC层和实体层。因此IEEE80211的参考模式主要分成两部份。第一部份是制定出适用于所有无线网络系统的MAC规格，设计出年IL实体层无关的MAC协议。第二部分则是制定出和传输媒介相关的PHY规格。IEEE80211所支持的每一种传输讯号|L|宽都有不同的PHY规格。例如，915MHZ频宽、24GHZ和52GHZ频宽以及红外线频宽笛，都有不同的PHY规格。此外功率的管理和时限性的服务等也包括在IEEE80211的定义范同内。802儿标准提供MAC和PHY的功能，在局部范围内为【司定的、便携式和以步行或行车速度移动提供无线联接。其具体包括以下的一些基本特征提供异步和限时发送服务；通过分布式系统，如以太网，在扩展域内连续服务；调们置应从1MBPS到54MBPS的传输速率；支持大部分终端设备；多点传送广播发送服务网络管理服务，注册登陆和认证服锌。无线局域网由无线网卡NETWORKINTERFACECARD，NIC、无线接入点ACCESSPOINT，AL，、计算机干有关设备组成。在每台计算机终端STA上配置了无线网，终端便可以通过该无线网F直接相互访问，这样一些终端的集合称作基本服务集BSS。AP也是一种STA，不过它具有更多的功能，它是一个BSS通往其他网络的接口。如果庄每个BSS中配置个AP，AP再通过分布式系统DISTRIBUTIONSYSTEM，DS，通常是有线网络连接起来，那么这些BSS就组成了一个更大的网络，称为扩展服务集ESS。在标准中还定义了一种殴备PORTAL作为DS与其他网络的接口。可见在同时具有有线和无线网络的情况FAP通过标准的ETHERNET电缆与传统的有线网络相连，成为无线网络平有线网络的连接桥梁。22IEEE80211MAC协议关键技术N们”1221MAC协议主要技术虚拟载波监听技术由丁天线F烈1的。作方式和信号空间传播的复杂性，无线网络相对丁有线网络更易发生冲突，这个闯题在物理层难以解决。IEEES02，11在MAC层通过使刈虚拟载波监听技术解决了这个问题。每个I作站维护一个网络分配矢量NAVNETWORKALOCALIONVECTOR，JLJNM来指示网络的忙闲状态，每个发送站在发送I帧时估计网络忙的时间，HPNAV，井把这一时间信息装入帧头，其他站接收到此帧后如发现本TSNAVD,于此时间则利用此时闻更新本地NAV。再个L作站通过这种虚拟载波监听技术利物理层的载波监听技术米判断网络的忙闲状况。帧优先级的设置CSMACA算法要求发送的帧之间有一定的间隔，当介质空闲一定时间屙才能尝试访问介东南大学硕七学位论文第二章IEEE80211MACM议关键技术质。IEEES02II中有四种帧间隔，其长度由小到大依次分别是SITSSHORTINTERFRAMEAPACE，PIFSPCFINTERFRAMESPACE，DIFSDCFINTERFRAMESPACE，EIFSEXTENDEDINTERFRAMESPACE。SITS主要用R确认或响应帧的获得介质访问权的时间间隔。PITS主要月J丁中心控制方式无竞争期的站点获得介质访问权的时间间隔。DIFSLJ予分布控制方式竞争期的站点获得介质访问权的时间间隔，这种时间间隔使得作YPCF方式F的下作站获得比1作于DCF方式FI作站享有更高的帧发送优先级。EFS是工作_丁DCF方式F用丁FCS值错误导致接收数据错误的情况下作为等待时间，为接收站发送确认ACK帧提供足够的时间。通过不同的帧间隔，不同优先级的帧能获得相应的介质访问优先权。随机退避机制退避时间选取如下RCWXRANDOM0XSLOTTIME其中胁咖M0是随机数，SLOTTIME是总传播时延，CF是竞争窗口。它是SLOTTIME的整数倍。矽在鳓HN和绷AX之间选择，当一帧进入发送缓存时酽初始化为俑IN，以后每次尝试重传后啪倍直至硎IAX。在退避状态下，检测到信道空闲时退避计时器开始计时，其间如检测到信道忙，则退避计时器停止计时，直至信道空闲时间人于DIFS后计时器恢复计时。在这种机制下当多个站延迟并进入随机退避状态币，退避值最小的站将在竞争中获得介质访问权在竞争中失败的站会保持退避状态直到F一个DIFS。这样住R次竞争中这些站可能会比新进入退避的站有更短的退避时间，避免有的站永远不能获得介质访问权的可能。能管理由于在移动环境卜对笔记本计算机节能的要求，IEEES02TL规定了节能的J作模式。J作在1，能牧式的R作站有两种L作状态唾眠状态和唤醒状态。睡眠状态的L忤站夫|IJ收发器以节约能耗。在扩展服务集ESS无线局域网之中，FHAP缓存发往廿能站的数据，节能站在一定时间间隔内苏醒以便接收信标帧，并判断有没有被缓存的数据。在独立基本服务集IBSS网络中，没有AP提供缓存服务，向符能站发送数据的站需事先发送提酮接收的控制帧，肖能站定时被唤醒以检查有没有需要接收的数据，如果有就发送质询帧，发送站接收到质询帧立即发送该数据帧。222访闯控制方式MAC控制状态机制提供分布式协调功能DCF和点协调功能PCF。|办调功能是决定在BSS内J二作的一个站，通过无线媒体WM何时允许发送和可能接收协议单元的逻辑功能。DCF是IEEE80211MAC协议的基本媒体访问方法，作用_】_基本服务群和基本网络结构中，可在所有站实现，它支持竞争型异步业务，而PCF可支持无竞争型时限业务及无竞争型异步业务。2221分布式协调功能DCFDCF跚STRIBUTEDCOORDINATIONFUNCTIONF作方式是由PHY兼容的L作站羽嗡问协点之间白动共享无线电介质的主要访问协议。和IEEES023以太网标准的MAC类似，8021L网络使刚具有冲突监测的载波监听多路访问CSMACA协议进行介质共享。东南大学硕士学位论文第二章IEEE90211MAC协波关键技术按CSTACA规则进行通信的主机，其工作方式如下首先侦听媒体是否空闲，判断当前是否有其他生机还在发送数据，CSMACA分布算法要求媒体上相邻两侦之间必须有一个摄小的时间间隔；若媒体空闲，它就可以发送，若侦听列媒体忙，则主机必须延迟，剑当前传输结求之后，再任选一个随机退避时间，检测在这段时间间隔内媒体是否仍忙，若空闲则发送数据，否则继续退避。当一个主机在一次发送成功之后还想发送F一帧，也必须进行退避，之所以进行退避，是冈为媒体在刚结束传输后，有可能多个主机均要发送数据，若不退避则发生碰撞的可能性极大，碰撞概率的大小决定于退避算法的好埘。DCF的L作过程包括两种机制一一基本接入方式平RTSCTS机制接入方式，基本接入方式相对简单些，只有DATA和ACK帧的发送，如果媒体空闲时间大丁或等于DIFS。就传输数据，否则延时。在RTSCTS机制中同时设置传送上限字节数。一垦待传送的数据火丁此上限值时即启动RTSCTS握手协议。其工作机制如下1L作站在发送信息之前先发送“发送请求”控制包，即RTS帧给目的站。Z如果信道空闲目的站回发“发送响应”控制包即CTS帧如果检测到信道忙，不发送CTS，这样可避免不同工作站同时向同一目的站发送信息。3如果源站收剑CTS帧，证明信道空闲，它就可以继续发送有_I_I数据DATA帧。4如果该DATA帧需要确认，目的站在成功接收后，经过撮短帧间隔时间后就亓】发确认帧ACK，如果在规定的时间间隔后，源站未能收到ACK，那么它就可判断山信息发送火败。可根据需要重发，这样可避免信息丢失。其它【作站采HJ接收剑的RTS帧或CTS帧设置网络分配矢量NAV，剧该信息来进行虚拟载波检测，同PHY层的物理载波检测一起确定信道的空闲与否，图21示出了SRC源站和DEST目的站之间通信的过程以及其它站点设置NAV的情况。卜一”LIL。OTS广研爿剁B司，铷一WM曲7幽21RTSCTSDATAACK旧次掘手协议过程F作站在进行帧交换的同时，要完成差错恢复任务。差错恢复通常包括一段时间间隔之斤，如果收不到米白目的J作站的响应信息，则重发该帧。这个过程通常称为自动重发请求ARO，常州予由R差错导致的ACK帧不可识别的情况。8东南大学硕学位论文第二章IEEES02I1MAC协议关键技术2222点协调功能PCFPCFPOINTCOORDINATIONFUNCTION工作方式是一种中心网控工作方式，它是由中心站点提供轮询来解决无竞争的帧传输问题。在这种一II作模式之下，置于访问仃点AP中的中心控制器来控制1作站的F喷传输的问题。所有的T作站均服从中心控制器的控制，在每一个无竞争9J的开始时间设置它们的网络分配矢量的值。当然。对于无竞争的轮询CFPOLL帧，R作站可以有选择的进行同应。在无竞争期开始，PC首先获得介质的控制权，并遵循PIFS对介质进行访问冈此中心控制器就发送包含CF参数设置元素的信标BEACON帧。工作站如果收到信标帧后利用CF参数中的CFPMAXDURATION值更新它们的NAV。这个值向所有的R作站通知无竞争期的艮度，直到无竞争期结束之后才允许工作站获得介质的访问权。发送BEACON之币，PC等待至少一个SIFS的间隔，开始发送下面的某一种帧J数据帧这种帧直接从访问节点的中心控制器发往某个特定的站点。如果中心控制器没有接收到ACK那么就会在CFP内的PIFS之后重发这个米确认IFJ贞。中心控制器可以向所有的一L二作站发送单个的、广播的和多点的帧。2CFPOLL这种帧直接由PC向某个工作站发送授权该R作站可以向任何一个目的端发送一个帧。如果被轮询的J作站没有帧要发，那么它必颁发送一个空数据帧。而如果发帧的STA没有收到任何虑答帧那么它只有等剑被中心控制器再次轮询才能再重发该帧。如果这个接刮轮淘的工作站不是可轮询的即它不在AP的轮训列表当中，它将采川分布式控制的方式响应帧的接收。3DATACFPOLL如果PC有帧要发给一个STA，而这个STA恰好是轮询州表之中即将被轮询到的，那么为了降低系统开销，可以发送这样个类型的帧，以便使轮洵利数据传输同时进行。4CFEND这是用于结束CFP的帧。常朋于以下情况没有任何帧要发送也没有任何应答没有任何轮询需要一J作站具有被轮询与否的选择权。它可以在ASSOCIATIONREQUEST连接请求帧中的特殊信息宇段的CFPOLLABLE可轮询CF项中表明是否希望被轮询。而PC本身维护者一个轮询队别。轮询队列之中的工作站在无竞争期可能会受到轮淘。当I作站止准备连接到一个AP上时，它会通过CAPABILITYINFORMATION字段的值表达希望进入轮询队列的愿望。事实上，在默认状态之下，所有符合80211标准的STA都会按照DCF的方式JL作，而PCF只是作为一个可选项。IEEE80211允许PCFIIDCF共存。而实现两种不同协议共存的方法则是通过引入超级帧SUPERFRAME的概念。在IEEE8021LMAC中，时间域被划分为超帧格式。在超帧的无竞争划，由中心控制节点进行轮询，某一个时刻仅允许一个站点发送，实现点协调功能PCF控制。在超帧的竞争期，使用改进的载波检测冲突避免CSMACA方式，即分布接八方式实现分布接入控制DCF。9东南人学倾士学位论文第R二章IEEES02ILMAC协淡关键技术223MAC服务与功能业务11”12231MAC服务综述WLANMAC提供给LLC的服务与802通用MACN务基本致，主要有异步数据服务、安全服务、MSDU重新排序服务。异步数据服务该服务为对等LLC实体提供了交换WAC服务数据单元MSDU的能力。为了支持这种服务，本地MAC利用下层的PHY层服务将MSDU运输到对等的IJ【AC实体，在那里它将被交付给对等的LLC。这种异步MSDU的运输以展大努力的无连接为基础来执行。不保证这些被提交的MSDU会被成功交付。“播和组播运输是MAC提供的异步数据服务的一部分。由丁WM的特性，与单播MSDU相比广播和组橘MSDU可能获得较低质鼍的服务。所有STA将支持异步数据服务。由于MAC某些功能的操作可能使些MSDU重新排序，因此异步数据服务由两种服务类别。通过选择所需要的服务类别，每个启动MSDU传送的LLC实体能够控制是否允许MAC实体对那些MSDU重新排序。安全服务安全服务由链路验证、鉴别服务和数据保密机制提供提供的安全服务范围仅限于站到站之间的数据交换。安全服务提供数据保密服务对MSDU加密。就目的而言，数据保密机制可视为MAC子层内的逻辑服务保密服务的实际实现对丁LLC和IL矗C子层以土的其他层是透明的。该服务提供机密性、链路验证、鉴别、与层管理相结合的访问控制等安全服务。MSDU排序MAC子层提供的服务允许并且可能在某些情况F需要对KLSDU重新排序。除非住指定的接收站依照当前操作功率管理模式必须提高成功传送概率，否则MAC不需专门对MS叫重新排序。对于任何一个STA的MAC服务接口来说，其对接收的MSDU进行垂新排序的唯一影响如果有是相对丁来自单个源STA地址的定向MSDU，J。播和组播MSDU的交付顺序的改变。如果采用异步数据服务的高层协议不允许这种可能的重新排序，则宜使用可选的STRICTLYORDERED服务类型。2232MAC业务功能IEEE80211的功能实现被定义为业务SERVICE，MAC层主要提供数据业务接EL、控制状态机制、管理业务接口、管理业务机制、分布式业务接口等功能模块。不同的业务提供了业舒体系中不同部分的功能，如提供认证部分功能的认证业务AUTHENTICATIONSERVICE等。IEEE802，11中的业务体系包括认证AUTHENTICATION、关联ASSOCIATION、取消认证DEAUTHENTICATION、取消关联DISASSOCIATION、分送DISIREBUTJON、糍合INTEGRATION、保密PRIVACY、重关联REASSOCIATION和MSDU分发DELEVERY。这些业务被分为两类，一类是由DS提供的分布式系统业务DSS一类是由STATION提供的站点业务SS，由丁IBSS中不存在DS，也就没有所谓的DSS，仅在ESS中有DSS和SS两类业务的存在在所有的业务中与安全部分有关的业务有私有业务PRIVACYSERVICE、认证业务和关联业务ASSOCIATEOILSERVICE，以及对应于认证业务的DEAUTHENTICATION和对应于关联业务的DISASSOCIATION。O东南火学硕士学位论文螭二章IEEE802IIMAC协议关键技术224IEEE8021IBMAC帧格式IEEE80211定义了MAC帧格式的主题框架，如图22所示，I砟发送的所有类删的帧都采用这种帧结构。形成正确的帧之后MAC层将帧传给物理层会聚子层PLCP帧从控制字段第一位开始，以帧校验FCS的最后以为结束，由帧头、可变睦帧体雨I32位校验值组成。MAC帧土要分为管理帧、控制帧和数据帧。ADC|KLADDR2DDR3FTLIOMIL。黜】1CTDLBT,DY旧PR,TN。CR。,忸喋小“卟M卜“一卜一卜嚣卜一WLILLR儿RI圈22IEEE80Z11MACI帧格式帧控制域FRAMECONTR01PROTOCOLVERSION代表了协议版本号TYPESUBTYPE注明I帧的类型；TODS和IFROMDS具体如R幽23所示MOREFRAG为1，代表该帧后边有其他分段FRAGMENTRETRY为1，代表是再次传输的帧POWERMANAGE表示STA的工作模式MORE当STA处丁功率协省模式时，该域通知它不止一个MSDU要传送给它WEP是一种加密算法，用过该算法的帧，其值为LORDER包括MSDU及其分段，并且按严格顺序传输的帧其值为1。DURATIONID在控制帧中，代表STA的连接身份。在其它帧中保留。地址域ADDRESS用于指示BSS的身份，包括目的地址、源地址等，如下幽23所示。顺序控制SEQUENCECONTR01用于指出每一分段FRAGMENT的顺序。帧体FRAMEBODY包含要传输的信息。FCS是32BITS的循环冗余检测码，它由标准的本原多项式来计算。HDSLRNMDSD出NLADDRP”2TIDIT3DL自螂400DSAB辐IDNJIDABSSJDSANL0HSSMSDANAILNTAMSA图23数据帧中DS和地址字段纽台DA目的地址SA源地址RA接收方地址TA发送方地址BSSID璀奉服务集标识NA表求术使用TODS0FROMDS0表示同IBSS内的STA之间的数据帧、管理帧和控制帧TODS0FROMDSL到达DS的数据帧TODSOFROMDSO离开DS的数据帧TODSOFROMDS0从一个AP分发剑另一个AP的无线分布式系统WDS帧东南大学颀L学位论文第二章IEEE802IIMAC协泌关键技术23IEEE802119MAC协议修正1IEEE802119标准的提出是IEEE80211WLAN技术发展上的一个重要里程碑。对于已存在的8021LA和8021LB而言，802119是一个有益的补充8021LG设备在提供和8021LA相同的54MBPS高传输速率时完全后向兼容目前主流的8021LB设备。保护已有投资，仃省了设备升级的费用，维持了技术与市场的延续性，同时更好地满足了用户需求。为了兼容，802119要求物理层同时支持CCK和OFDM，为此其MAC层标准做出了以下修正1_8021LG的ERPOFDM物理层与8021LA的物理层是大致相同的。在80211A中，短帧间问隔SIFST6US。802LLG采用ERPOF渊调制时，为了和802NB设备兼容，它依然使删80211B中固定的SIFSLOUS，但是OFDM高速编码需要更多的时间，冈此在每帧后面增加了6US的信号扩展时间。2在全部设备都采用802，1LG标准的网络中，竞争窗口CW的时隙为9US。在BG的混合网络中，为了兼容802“B设备，时隙值是802ILB中规定的20US。3在灌合网络中，从I用信道的角度来看，802119较8021LB有优先权。当8021LG设备只支持8021LB所支持的4种速率时8021LG设备的竞争窗口的摄小值CWMIN3，其余时候CWMIN15。按照删的变化规律来看，在初始他时CJ|CWMIN，那么802ILG在混合嘲络中竞争信道时退避时间要短一些，更有机会占用信道。4802119的介质访问控制MAC层的改进。8021LG基本上完全遵循80211B的MAC层机制。由丁802119与8021LB的物理层凋制方式不同，所以在实际混合网络中，肖8021LG设备使用ERPOFDM调制往信道发送OFDM信号时，8021LB没籍监听剑信道有信号但它无法确认是802119发送的信号止在占用信道，它会将OFDM信号当作信道噪声，认为信道空闲，继而也往信道发送数据，从而引起冲突。为了让两者能协同J作，IEEE提出来在802儿GMAC层中使划保护机制CTSTOSELF机制或RTSCTS机制。CTSTOSELF“机制在802UG标准中，提出一种CTSTOSELF保护机制。在混合网络中，当一个8021LG站点准备I用信道时，它首先更新其它站点的网络分配矢量NAV值。它发送一个CTS帧，使接收地址RA等于它自己的MAC地址。CTS帧包含的持续时间段信息说明了信道即将被L川的时间，其它可以侦听到该CTS帧的站点就依此更新自己的NAV值，从而避免冲突。CTSTOSELF只是保护机制中最低的要求，在某些条什F它将不能生效。例如在隐藏1，点出现时，有些站点可能侦听不到CTS信号，由此引起冲突。为了尽龉避免产生冲突，必须使用稳健性更蚶的RTSCTS机制。RTSCTS机制在运_|LJRTSCTS机制的实际混合网络中，欲发送数据的站点都要向接入点AP发送使川CCK调制的RIS帧，AP收剑RTS厉向整个网络广橘CTS帧，CTS帧中包含了信道即将被ILI圳的时间信息，以通知其余的站点在此期间只能处于退避状态，欲发送数据的站点收剑CTS后才能往信道发送数据。运朋RTSCTS机制的802119站点发送RTS和接收CTS均采_LJCCK2东南大学硕士学位论文第二章IEEE802I1MAC办议关键技术凋制，有效数据及收到的应答帧ACK采用OFDM调制。另外IEEE8021LGMAC层的修正还包括对RTS帧、信标帧等多种管理帧格式的修正、对多速率支持改进等多个方面。24无线接入点相关技术指标N1IEEE80211具体规定了MAC层和PHY层的结构，其功能要求有由无线壹；体提供含分组语音在内的LIITBPS一54590PS无连接的MAC业务。无线局域网内的站点可以固定或移动，应用环境包括办公室，建筑群，机场等。兼容802I，802108022的功能条件。分L_|丢火率TRQ，阻塞高优先级中断的实时处理。同时，LINUX信号的同步、互斥机制，磁盘缓冲和各种CACHE机制也使得实时任务不能及时处理。网此，标准LINUX只能提供一般性软实时能力，还不能成为一个实时操作系统。目前，许多通过扩展LINUX的实时性而形成的实时操作系统止受到R泛的研究币应州。31312MAC软件系统对实时性的高要求SIFS退避时间间隔10USSIFSDLYASIFSTIMEARXTXTURNAROUNDTIMEARXTXTURNAROUNDTIME精度20USBACKOFFFIMERANDOMASIOTTIMEASIOTTIME时间间隔50US3132基于标准LINUX实时性扩展的实时操作系统扩展标准LINUX的实时性通常有两种方式，一种是建立一个朋丁嵌入式环境的实时操作系统内核，使内核具有抢先性或者增加抢先点PREEMPTIONPOINT。所谓抢先点是指将内核东南大学硕士学位论文第三章MAC层协议栈的设计与实现服务程序分成许多小块BLOCKS在每个小块执行结束时检查是否有实时任务需要调度，如有则调度程序，这种检查点就成为抢先点。MONTAVISTA、REDSONICLINUX就是采蜊这样的机制。第二种是通过修改LINUXARCHI386下与体系结构有关部分，在LINUX与硬件之间创建一个硬实时内核，LINUX作为内核的一个优先级最低的任务运行。硬实时任务运行于硬实时内核上，而所有非实时任务都在LINUX上运行。这种应用双内核机制实现可抢式内核的撮具代表性的是RTLINUX和RTAI。图34所示为上面介绍的两种实时LINUX内核结构。两者相比较，后者具有更短的中断延时和上下文切换时间，确定性的任务调度。而且RTLINUX和RTAI使用FIFO、共享内存等通信机制来实现实时任务和实时任务、实时任务与非实时任务问的通信，用户PREEMPTIBLELINUXKERNELHARDWAREFULLYPREEMPTIBLEKERNEL图34实时LINUX内核结构实时性更强。实列任务可编译成模块，并在运行时动态加载，因此RTLINUX和RTAI在实时应用中使刚更为广泛。下面简单介绍币I比较RTLINUX和RTAI。RTLINUX是由美国新墨西哥灿VICTORYODAIKEN和MICHAELBARABANOV共同开发的基于标准LINUX的具有硬实时特性的实时操作系统，主要应用与仪器设备和嵌入式系统。RTLIMUX接管了所有便佴中断，并将LINUX系统调用及驱动程序的开、关中断SLL，CLI，IMT都用RTLLNUX的软中断SOF_STI，SOTT_CLI代替。标准LINUX的开、关中断只是在RTLINUX的数据结构中做一个标记，只在修改核心数据结构的关键代码处关闭中断，因此其中断延时非常小。RTLINUX标准的调度器采用固定优先级的可抢先调度，它使用单一比率调度算法RATEMONOTONICSCHEDULINGALGORITHM米判断任务集的可调度性，在单一比度调度算法中，时限越小的任务优先级越高，N个独立任务如满足以下条件，每个任务的时限将得到保证C。7CRC。T。S”21一IR是任务J的晟坏情况下的执行时间，71是执行任务I的执行周期。RTAI最初起源于RTLINUX系统，是阵IDIAPMTHEDIPARTIMENTODIINGENERIAAEROSPAZIALEPOLITECNICODIMILANO发展完善成的实时应用接121REALTIMEAPPLICATIONINTERFACE。冈此其双内核抢I机制与RTLINUX类似，但与RT_LINUX相比较，它在增强实时性性能方面做了很人的改进。采