移动计算技术-_802.11

1、移动计算技术移动计算技术 IEEE802.11的MAC协议2符合IEEE的移动通信技术本地无线网WLANWLAN 802.11802.11a802.11b802.11i/e/f/n/s802.11gWiFiWiFi个人无线网WPANWPAN 802.15802.15.4802.15.1BluetoothBluetoothZigBeeZigBeeWMANWMAN 802.16 (宽带无线接入)WiBroWiBro, 802.20+ Mobility+ MobilityWiMAXWiMAX802.15.3UWBUWBWiFi5WiFi53无线局域网的设计目标n低成本n全球, 无缝操作n低功率的电池

2、使用n无特殊许可或牌照n稳健传输技术n简化的自发合作n对每个人而言易于使用，管理简便 n防御 (无人能读到我的数据), 隐私 (无人能收集用户信息), 安全 (低辐射)n透明度相关应用和高层协议，若有必要也可进行位置感知4基础结构 vs. 自组织网络基础结构网络自组织网络APAPAP有线网AP: 访问点5802.11 基础结构网络的架构n站点 (STA)n带访问部件的终端到无线媒介的连接和无线电连接到访问点n基本服务组 (BSS)n使用相同无线电频率的一组站点n访问点n被综合到无线局域网和分布式系统的站点n入口n连接到其他（有线）网络的桥梁n分布式系统n互联网络形成一个基于几个BSS的逻辑网络

3、 (ESS: 扩展服务组)n802.11标准中未指定!分布式系统入口802.x LAN访问点802.11 LANBSS2802.11 LANBSS1访问点STA1STA2STA3ESS6802.11 自组织网络的架构n一个有限范围内的直接通信n站点(STA):带访问部件的终端到无线媒介n独立的基本服务组 (IBSS):使用同一个无线电频率的一组站点802.11 LANIBSS2802.11 LANIBSS1STA1STA4STA5STA2STA37IEEE 标准 802.11移动终端访问点固定终端应用程序TCP802.11 PHY802.11 MACIP802.3 MAC802.3 PHY应用

4、程序TCP802.3 PHY802.3 MACIP802.11 MAC802.11 PHYLLC基础结构网络LLCLLC8802.11 层次和功能nPLCP 物理层汇聚协议n空闲信道评估信号 (载波监听)nPMD 物理媒介相关n调制, 编码nPHY 管理n信道选择, MIB管理信息库n站点管理n协调所有的管理功能nMACn访问机制, 分段, 加密 nMAC管理n联盟, 鉴权, 同步, 漫游, MIB管理信息库, 电源管理PMDPLCPMACLLCMAC 管理PHY 管理PHYDLC站点管理9原有的 802.11 物理层n3个版本: 2 个RF无线传输 (80MHz ISM 频段在 2.4 GH

5、z) 和1个IR红外线n数据率 1 或 2 Mbit/sn1997年批准nFHSS (跳频扩频)n在美国有79个跳频信道.nDSSS (直序扩频)nDBPSK差分二进制相移键控调制用于1 Mbit/s, DQPSK查分正交相移键控用于2 Mbit/sn每帧的前导码和信头总用1 Mbit/s传输, 剩余的传输使用1 或 2 Mbit/sn11-位碎片序列 (巴克码)n最大发射功率1 W (美国), 100 mW (欧洲)n红外n脉冲位置调制n通过天花板反射的漫射模式IEEE802.11的MAC协议n IEEE802.11协议简介 1997年6月推出第一代WLAN标准 IEEE802.11（199

6、7版） 1999年推出新的IEEE802.11（1999版）该标准定义了物理层和MAC层的技术规范 定义了两种无线射频传输方式和一种红外传输方式 无线传输FHSS和DSSSIEEE802.11的MAC协议n802.11b 1999年9月批准 对IEEE802.11标准修改和补充 在IEEE802.11的基础上增加两种更高的通信速 率:5.5Mbps和11Mbps 基本 结构、特性和服务仍然有最初的IEEE802.11标准定 义 要到达5.5Mbps和11Mbps，只能采用DSSS作为唯一的物 理层技术，因此不能与速率1Mbps和2Mbps的 802.11FHSS系统兼容IEEE802.11的M

7、AC协议nIEEE802.11a标准 工作在5GHz的频带 物理层速度可达54Mbps，传输层可达25Mbps 采用OFDM（正交频分复用）技术 可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的Ethernet无 线帧结构接口IEEE802.11的MAC协议nIEEE802.11g标准 向下兼容802.11b标准 能工作在2.4 GHz和5GHz 速度可达22Mbps和33Mbps2.4 IEEE802.11的MAC协议n其它标准 802.11d 是802.11b的其他频率的版本 802.11e 增加了Qos能力，采用TDMA的方式去取代 类似与Ethernet的MAC层 802.11f 改

8、善切换机制，使用户可以在不同的交换分 区或接入设备漫游 802.11h 能更好的控制发送功率和选择无线信道 802.11i 改善明显的安全缺陷IEEE802.11的MAC协议IEEE802.11的MAC协议nIEEE对ISO物理层也作了划分子层的方式n 物理层汇聚过程（PLCP， Physical Layer Convergence Procedure）子层定义了MAC子层协议数据单元（MPDU）映射成适合于物理介质相关（PMD，Physical Medium Dependent）子层帧的格式n PLCP还完成了MAC子层的载波检测n PMD子层定义了通过介质发送和接收数据的方 法，包括数据编

9、码和调制IEEE802.11的MAC协议nIEEE802.11标准支持两种类型的拓扑结构 基本服务集BSS（Basic Service Set） 扩展服务集ESS（Extended Service Set）IEEE802.11的MAC协议n基本服务集BSS（Basic Service Set） BSS包含两个或更多的移动节点 ，节点之间可以相 互通信 有效支持对等的通信 每个节点被称为一个站点 ，在BSS中可自由移动 每一个BSS有一个表识符。称为DSSID，长度为6字 节 一个BSS中的所有成员可以相互通信的无线区域称为 一个基本服务区BSA（Basic Service Area）IEEE8

10、02.11的MAC协议n扩展集ESS（Extended Service Set）通过使用两个或多个接入点连接两个或多个BSS， 可以形成一个ESS ESS也有意标识符，这个标识符被称为ESSID 通过ESSID，可以支持一个节点从一个BSS漫游到 另一个BSSIEEE802.11的MAC协议IEEE802.11的MAC协议n对网络速度的要求较高n对网络速度要求较低 1020个字节 可以支持50个以上的节点IEEE802.11的MAC协议nIEEE802.11标准MAC协议主要完成数据的收发 从LLC接受要发送的数据，并决定是否把 数据递交给物理层 给发送数据附加控制信息后装成帧，并 把数据帧递

11、交给各物理层 从物理层接受数据 检查接受代的数据帧的控制信息，判断 数据是否正确 去掉数据争中的控制信息，并把数据递 交至LLC层IEEE802.11的MAC协议n与WLAN体系结构和工作原理密切相关的服务 STA服务(SS) 分布式系统服务(DSS) 以上两种服务均由MAC层使用 IEEE802.11的MAC协议n1 STA服务 由STA提供的服务称为STA服务，存在于 每个STA和AP中 认证 解除认证 保密IEEE802.11的MAC协议n）认证（Authentication) LAN通过物理安全性来阻止非法接入 在LAN 中媒体没有明显的物理边界 利用认证服务控制LAN 的接入能力 所

12、有的均可好使用该服务得到与 他们通信的的身份 IEEE 802.11支持 开放系统认证（Open System Authentication） 共享密匙认证（Shared Key Authentication），执行有限等价保 密算法（WEP，Wired Equivalent Privacy）IEEE802.11的MAC协议n2)解除认证（Deauthentication） 终止已存在的认证 解除认证可以由任何一个联结实体（STA 或AP） 唤醒 不是请求，而是通知服务 解除认证不能被任何一方拒绝IEEE802.11的MAC协议n保密（Privacy）在有线中，只有联结到有线的STA可以侦 听

13、在无线中，一台符合标准的STA可以侦听 到覆盖范围内的所有PHY服务IEEE802.11提供WEP服务IEEE802.11的MAC协议n分布式服务 DSS通常由AP提供，包括： 联结(Association)重新联结(Reassonsiation) 解除联结(Disassociation) 分布(Distribution)IEEE802.11的MAC协议n1) 联结 (Association) 为在DS内传送消息，对于给定的STA， 分布式服务需要知道接入哪个AP STA要通过AP发送数据，必须先联结AP 在同一时间， 一个STA只可能 和一个AP 连联结 联结由STA激活 支持BSS的切换活

14、动，联结是必要条件， 进而支持无切换活动IEEE802.11的MAC协议n重新联结（Reassonsiation） 重新联结支持STA的BSS的切换功能 用来完成当前联结从一个AP到另一个AP 保持AP与STA之间的当前映射 重新联结由移动STA激活IEEE802.11的MAC协议n 3）解除联结（Disassociation） 终止已存在的联结，向已解除联结的STA 发消息不仅可能成功 由STA或AP唤醒 解除联结是一个通告性服务，不能被联 结的任何一方拒绝IEEE802.11的MAC协议n 分布（Distribution） STA使用的基本服务，由来自或发送至工 作在ESS中的STA的每个

15、数据消息所唤醒 功能是发送和接收数据消息IEEE802.11的MAC协议IEEE802.11的MAC协议nIEEE 802.11MAC 帧的类型 第一类型 控制帧（RTS、CTS、ACK、CF-End + ACK、CF-END） 管理帧 （包括试探请求/响应、信标、认证、解除认证、广播 业务量指示消息） 数据帧IEEE802.11的MAC协议n第二类帧n第三类帧 只有管理帧 数据帧 管理帧控制帧IEEE802.11的MAC协议n通用帧格式IEEE802.11的MAC协议nDFWMAC协议概述 IEEE802.11X的无线媒体介入协议称为 “基于分布式的无线媒体访问控制协议”（Distribut

16、ed Function Wireless MAC DFWMAC） 支持Ad Hoc和Infrastructure两种类型的 无线局域网 DFWMAC的基础是CSMA/CAIEEE802.11的MAC协议nDFWMAC协议两种方式 分布式协调功能DCF（Distributed Coordination Function） 点协调功能PCF（Point Coordination Function)IEEE802.11的MAC协议nDFC是IEEE802.11最基本的媒体访问方式 核心是CSMA/CA，包括载波检测 （CS）、帧间间隔（IFS）和随机退避 （Random back-off）规则 每一

17、个节点使用CSMA机制的分布接入算 法， 让各个站点通过争用来获取发送权 在所有的STA上都进行实现， 用于Ad Hoc和Infrastructure网络结构中 向上提供争用服务IEEE802.11的MAC协议nPCF是可选的媒体访问方式，用于Infrastructure结构 使用集中控制的接入算法 一般在接入点AP实现集中控制 用类似于轮询的方法将发送数权轮流交 给各站点 对于时间敏感业务，因该使用无争用的 点协调功能IEEE802.11的MAC协议n帧间隔IFS 为了避免碰撞，规定所有站点在发送完成后，必须等待一段时间才能发送下一帧 这段时间称为帧间隔IFS（Inter-Frame Spa

18、ce ） 帧间隔的长短取决于该站打算发送的帧的类型，高优先极短，低优先级长IEEE802.11的MAC协议n几种常用的IFS 短IFS（SIFS） PCF的IFS（PIFS） DCF的IFS（DIFS） 扩展的IFS（EIFS）IEEE802.11的MAC协议nDCF协议原理 DCF有两种工作方式CSMA的工作方式 基本工作方式，CSMA/CA方式 RTS/CTS机制 DCF有两种工作方式CSMA的工作方式 基本工作方式，CSMA/CA方式 RTS/CTS机制 检测信道空闲时间大于某一个IFS后立即发送 否则，在IFS后选择退避时间退避 退避结束后重复上两个过程IEEE802.11的MAC协议

19、nCSMA机制 为了增强CSMA/CA对异步业务传输的可靠性 发送方和接受方需要有一种在MAC层的确认机制来判断传输是否正确 CSMA/CA + ACK方式 IEEE802.11的MAC协议n载波侦听的方式 物力层的直接载波检测CS MAC层的虚拟VCS（Virtual Carrier Sense） 从接受射频或天线信号检测信号的能量 或根据信号的质量估计信道的忙闲 基本的CSMA/CA就是利用物理层的之间载波检测CS 通过MAC报头或RTS/CTS中的NAV来实现 源站点将它要占用的信道的时间通知给其它点 其它站点并没有监听信道，而是由于收发了其它站点的通知而不发送数据IEEE802.11的

20、MAC协议n当一个站点发送数据时，首先检测信道 通过物理层直接监听信号的想对强度是否超过一门限制 一个站点检测到正在信道传送的MAC帧首部的“持续时间 ”字段时，就调整自己的网络分配向量 NAV信道处于忙状态，或者是由物理层 的载波监听检测到，或者是由MAC层的虚拟载波机制指出信道忙IEEE802.11的MAC协议n检测到信道空闲后 等待DIFS后，进入争用窗口 计算退避时间 目的站点正确接收该帧，经过时间间隔SIFS 发送确认帧 ACK 若源站点在规定时间内没有收到确认帧ACK，则重传此帧IEEE802.11的MAC协议n退避算法 当信道忙状态时，各站点必须执行退避算法 当多个站点都要占用信

21、道时，可以减少发生碰撞的概率IEEE802.11的MAC协议n退避时间 CW为竞争窗口参数，取值范围是CWmin CWmax 之间的一个整数IEEE802.11的MAC协议n初始化时，CW的取值为CWminn当发生重传时，CW取给定队列的下一个值，直到CWmaxn 802.11协议执行的是二进制指数退避（BEB）算法，第一次退避就在2 2+i个时隙中随机地选择一个n 给定CW的队列7(CWmin) ,15 , 31 , 63 , 127 , 255 (CWmax) IEEE802.11的MAC协议n竞争算法的优点 上次竞争不到信道的站点将越来越短的退避时间进入下一次竞争 避免了节点永远竞争不到

22、媒体的情况 竞争算法提供了对媒体公平访问的机制 对高负荷网络起代稳定的作用n 当一个站点发送数据时，仅在下面情况不使用退避算法IEEE802.11的MAC协议 检测信道空闲 要发送的数据帧是站点要发送的第一个数据帧IEEE802.11的MAC协议n（2）RTS/CTS方式 发送站和接受站以握手的方式对信道进行预约，可以更好的解决隐藏站点带来的碰撞问题 RTS/CTS帧包含“期间域”“期间域”用来表明从CTS帧尾或RTS帧尾到ACK帧尾的MPDU所占用的媒体时间IEEE802.11的MAC协议n源站点A在发送数据帧之前先发送一个短的请求 RTS控制帧 RTS控制帧包含源地址、目的地址和这次通信所需