1、移動計算技術移動計算技術 IEEE802.11的MAC協議2符合IEEE的移動通信技術本地無線網WLANWLAN 802.11802.11a802.11b802.11i/e/f/n/s802.11gWiFiWiFi個人無線網WPANWPAN 802.15802.15.4802.15.1BluetoothBluetoothZigBeeZigBeeWMANWMAN 802.16 (寬帶無線接入)WiBroWiBro, 802.20+ Mobility+ MobilityWiMAXWiMAX802.15.3UWBUWBWiFi5WiFi53無線局域網的設計目標n低成本n全球, 無縫操作n低功率的電池

2、使用n無特殊許可或牌照n穩健傳輸技術n簡化的自發合作n對每個人而言易于使用，管理簡便 n防御 (無人能讀到我的數據), 隱私 (無人能收集用戶信息), 安全 (低輻射)n透明度相關應用和高層協議，若有必要也可進行位置感知4基礎結構 vs. 自組織網絡基礎結構網絡自組織網絡APAPAP有線網AP: 訪問點5802.11 基礎結構網絡的架構n站點 (STA)n帶訪問部件的終端到無線媒介的連接和無線電連接到訪問點n基本服務組 (BSS)n使用相同無線電頻率的一組站點n訪問點n被綜合到無線局域網和分布式系統的站點n入口n連接到其他（有線）網絡的橋梁n分布式系統n互聯網絡形成一個基于幾個BSS的邏輯網絡

3、 (ESS: 擴展服務組)n802.11標準中未指定!分布式系統入口802.x LAN訪問點802.11 LANBSS2802.11 LANBSS1訪問點STA1STA2STA3ESS6802.11 自組織網絡的架構n一個有限范圍內的直接通信n站點(STA):帶訪問部件的終端到無線媒介n獨立的基本服務組 (IBSS):使用同一個無線電頻率的一組站點802.11 LANIBSS2802.11 LANIBSS1STA1STA4STA5STA2STA37IEEE 標準 802.11移動終端訪問點固定終端應用程序TCP802.11 PHY802.11 MACIP802.3 MAC802.3 PHY應用

4、程序TCP802.3 PHY802.3 MACIP802.11 MAC802.11 PHYLLC基礎結構網絡LLCLLC8802.11 層次和功能nPLCP 物理層匯聚協議n空閑信道評估信號 (載波監聽)nPMD 物理媒介相關n調制, 編碼nPHY 管理n信道選擇, MIB管理信息庫n站點管理n協調所有的管理功能nMACn訪問機制, 分段, 加密 nMAC管理n聯盟, 鑒權, 同步, 漫游, MIB管理信息庫, 電源管理PMDPLCPMACLLCMAC 管理PHY 管理PHYDLC站點管理9原有的 802.11 物理層n3個版本: 2 個RF無線傳輸 (80MHz ISM 頻段在 2.4 GH

5、z) 和1個IR紅外線n數據率 1 或 2 Mbit/sn1997年批準nFHSS (跳頻擴頻)n在美國有79個跳頻信道.nDSSS (直序擴頻)nDBPSK差分二進制相移鍵控調制用于1 Mbit/s, DQPSK查分正交相移鍵控用于2 Mbit/sn每幀的前導碼和信頭總用1 Mbit/s傳輸, 剩余的傳輸使用1 或 2 Mbit/sn11-位碎片序列 (巴克碼)n最大發射功率1 W (美國), 100 mW (歐洲)n紅外n脈沖位置調制n通過天花板反射的漫射模式IEEE802.11的MAC協議n IEEE802.11協議簡介 1997年6月推出第一代WLAN標準 IEEE802.11（199

6、7版） 1999年推出新的IEEE802.11（1999版）該標準定義了物理層和MAC層的技術規范 定義了兩種無線射頻傳輸方式和一種紅外傳輸方式 無線傳輸FHSS和DSSSIEEE802.11的MAC協議n802.11b 1999年9月批準 對IEEE802.11標準修改和補充 在IEEE802.11的基礎上增加兩種更高的通信速 率:5.5Mbps和11Mbps 基本 結構、特性和服務仍然有最初的IEEE802.11標準定 義 要到達5.5Mbps和11Mbps，只能采用DSSS作為唯一的物 理層技術，因此不能與速率1Mbps和2Mbps的 802.11FHSS系統兼容IEEE802.11的M

7、AC協議nIEEE802.11a標準 工作在5GHz的頻帶 物理層速度可達54Mbps，傳輸層可達25Mbps 采用OFDM（正交頻分復用）技術 可提供25Mbps的無線ATM接口和10Mbps的Ethernet無 線幀結構接口IEEE802.11的MAC協議nIEEE802.11g標準 向下兼容802.11b標準 能工作在2.4 GHz和5GHz 速度可達22Mbps和33Mbps2.4 IEEE802.11的MAC協議n其它標準 802.11d 是802.11b的其他頻率的版本 802.11e 增加了Qos能力，采用TDMA的方式去取代 類似與Ethernet的MAC層 802.11f 改

8、善切換機制，使用戶可以在不同的交換分 區或接入設備漫游 802.11h 能更好的控制發送功率和選擇無線信道 802.11i 改善明顯的安全缺陷IEEE802.11的MAC協議IEEE802.11的MAC協議nIEEE對ISO物理層也作了劃分子層的方式n 物理層匯聚過程（PLCP， Physical Layer Convergence Procedure）子層定義了MAC子層協議數據單元（MPDU）映射成適合于物理介質相關（PMD，Physical Medium Dependent）子層幀的格式n PLCP還完成了MAC子層的載波檢測n PMD子層定義了通過介質發送和接收數據的方 法，包括數據編

9、碼和調制IEEE802.11的MAC協議nIEEE802.11標準支持兩種類型的拓撲結構 基本服務集BSS（Basic Service Set） 擴展服務集ESS（Extended Service Set）IEEE802.11的MAC協議n基本服務集BSS（Basic Service Set） BSS包含兩個或更多的移動節點 ，節點之間可以相 互通信 有效支持對等的通信 每個節點被稱為一個站點 ，在BSS中可自由移動 每一個BSS有一個表識符。稱為DSSID，長度為6字 節 一個BSS中的所有成員可以相互通信的無線區域稱為 一個基本服務區BSA（Basic Service Area）IEEE8

10、02.11的MAC協議n擴展集ESS（Extended Service Set）通過使用兩個或多個接入點連接兩個或多個BSS， 可以形成一個ESS ESS也有意標識符，這個標識符被稱為ESSID 通過ESSID，可以支持一個節點從一個BSS漫游到 另一個BSSIEEE802.11的MAC協議IEEE802.11的MAC協議n對網絡速度的要求較高n對網絡速度要求較低 1020個字節 可以支持50個以上的節點IEEE802.11的MAC協議nIEEE802.11標準MAC協議主要完成數據的收發 從LLC接受要發送的數據，并決定是否把 數據遞交給物理層 給發送數據附加控制信息后裝成幀，并 把數據幀遞

11、交給各物理層 從物理層接受數據 檢查接受代的數據幀的控制信息，判斷 數據是否正確 去掉數據爭中的控制信息，并把數據遞 交至LLC層IEEE802.11的MAC協議n與WLAN體系結構和工作原理密切相關的服務 STA服務(SS) 分布式系統服務(DSS) 以上兩種服務均由MAC層使用 IEEE802.11的MAC協議n1 STA服務 由STA提供的服務稱為STA服務，存在于 每個STA和AP中 認證 解除認證 保密IEEE802.11的MAC協議n）認證（Authentication) LAN通過物理安全性來阻止非法接入 在LAN 中媒體沒有明顯的物理邊界 利用認證服務控制LAN 的接入能力 所

12、有的均可好使用該服務得到與 他們通信的的身份 IEEE 802.11支持 開放系統認證（Open System Authentication） 共享密匙認證（Shared Key Authentication），執行有限等價保 密算法（WEP，Wired Equivalent Privacy）IEEE802.11的MAC協議n2)解除認證（Deauthentication） 終止已存在的認證 解除認證可以由任何一個聯結實體（STA 或AP） 喚醒 不是請求，而是通知服務 解除認證不能被任何一方拒絕IEEE802.11的MAC協議n保密（Privacy）在有線中，只有聯結到有線的STA可以偵 聽

13、在無線中，一臺符合標準的STA可以偵聽 到覆蓋范圍內的所有PHY服務IEEE802.11提供WEP服務IEEE802.11的MAC協議n分布式服務 DSS通常由AP提供，包括： 聯結(Association)重新聯結(Reassonsiation) 解除聯結(Disassociation) 分布(Distribution)IEEE802.11的MAC協議n1) 聯結 (Association) 為在DS內傳送消息，對于給定的STA， 分布式服務需要知道接入哪個AP STA要通過AP發送數據，必須先聯結AP 在同一時間， 一個STA只可能 和一個AP 連聯結 聯結由STA激活 支持BSS的切換活

14、動，聯結是必要條件， 進而支持無切換活動IEEE802.11的MAC協議n重新聯結（Reassonsiation） 重新聯結支持STA的BSS的切換功能 用來完成當前聯結從一個AP到另一個AP 保持AP與STA之間的當前映射 重新聯結由移動STA激活IEEE802.11的MAC協議n 3）解除聯結（Disassociation） 終止已存在的聯結，向已解除聯結的STA 發消息不僅可能成功 由STA或AP喚醒 解除聯結是一個通告性服務，不能被聯 結的任何一方拒絕IEEE802.11的MAC協議n 分布（Distribution） STA使用的基本服務，由來自或發送至工 作在ESS中的STA的每個

15、數據消息所喚醒 功能是發送和接收數據消息IEEE802.11的MAC協議IEEE802.11的MAC協議nIEEE 802.11MAC 幀的類型 第一類型 控制幀（RTS、CTS、ACK、CF-End + ACK、CF-END） 管理幀 （包括試探請求/響應、信標、認證、解除認證、廣播 業務量指示消息） 數據幀IEEE802.11的MAC協議n第二類幀n第三類幀 只有管理幀 數據幀 管理幀控制幀IEEE802.11的MAC協議n通用幀格式IEEE802.11的MAC協議nDFWMAC協議概述 IEEE802.11X的無線媒體介入協議稱為 “基于分布式的無線媒體訪問控制協議”（Distribut

16、ed Function Wireless MAC DFWMAC） 支持Ad Hoc和Infrastructure兩種類型的 無線局域網 DFWMAC的基礎是CSMA/CAIEEE802.11的MAC協議nDFWMAC協議兩種方式 分布式協調功能DCF（Distributed Coordination Function） 點協調功能PCF（Point Coordination Function)IEEE802.11的MAC協議nDFC是IEEE802.11最基本的媒體訪問方式 核心是CSMA/CA，包括載波檢測 （CS）、幀間間隔（IFS）和隨機退避 （Random back-off）規則 每一

17、個節點使用CSMA機制的分布接入算 法， 讓各個站點通過爭用來獲取發送權 在所有的STA上都進行實現， 用于Ad Hoc和Infrastructure網絡結構中 向上提供爭用服務IEEE802.11的MAC協議nPCF是可選的媒體訪問方式，用于Infrastructure結構 使用集中控制的接入算法 一般在接入點AP實現集中控制 用類似于輪詢的方法將發送數權輪流交 給各站點 對于時間敏感業務，因該使用無爭用的 點協調功能IEEE802.11的MAC協議n幀間隔IFS 為了避免碰撞，規定所有站點在發送完成后，必須等待一段時間才能發送下一幀 這段時間稱為幀間隔IFS（Inter-Frame Spa

18、ce ） 幀間隔的長短取決于該站打算發送的幀的類型，高優先極短，低優先級長IEEE802.11的MAC協議n幾種常用的IFS 短IFS（SIFS） PCF的IFS（PIFS） DCF的IFS（DIFS） 擴展的IFS（EIFS）IEEE802.11的MAC協議nDCF協議原理 DCF有兩種工作方式CSMA的工作方式 基本工作方式，CSMA/CA方式 RTS/CTS機制 DCF有兩種工作方式CSMA的工作方式 基本工作方式，CSMA/CA方式 RTS/CTS機制 檢測信道空閑時間大于某一個IFS后立即發送 否則，在IFS后選擇退避時間退避 退避結束后重復上兩個過程IEEE802.11的MAC協議

19、nCSMA機制 為了增強CSMA/CA對異步業務傳輸的可靠性 發送方和接受方需要有一種在MAC層的確認機制來判斷傳輸是否正確 CSMA/CA + ACK方式 IEEE802.11的MAC協議n載波偵聽的方式 物力層的直接載波檢測CS MAC層的虛擬VCS（Virtual Carrier Sense） 從接受射頻或天線信號檢測信號的能量 或根據信號的質量估計信道的忙閑 基本的CSMA/CA就是利用物理層的之間載波檢測CS 通過MAC報頭或RTS/CTS中的NAV來實現 源站點將它要占用的信道的時間通知給其它點 其它站點并沒有監聽信道，而是由于收發了其它站點的通知而不發送數據IEEE802.11的

20、MAC協議n當一個站點發送數據時，首先檢測信道 通過物理層直接監聽信號的想對強度是否超過一門限制 一個站點檢測到正在信道傳送的MAC幀首部的“持續時間 ”字段時，就調整自己的網絡分配向量 NAV信道處于忙狀態，或者是由物理層 的載波監聽檢測到，或者是由MAC層的虛擬載波機制指出信道忙IEEE802.11的MAC協議n檢測到信道空閑后 等待DIFS后，進入爭用窗口 計算退避時間 目的站點正確接收該幀，經過時間間隔SIFS 發送確認幀 ACK 若源站點在規定時間內沒有收到確認幀ACK，則重傳此幀IEEE802.11的MAC協議n退避算法 當信道忙狀態時，各站點必須執行退避算法 當多個站點都要占用信

21、道時，可以減少發生碰撞的概率IEEE802.11的MAC協議n退避時間 CW為競爭窗口參數，取值范圍是CWmin CWmax 之間的一個整數IEEE802.11的MAC協議n初始化時，CW的取值為CWminn當發生重傳時，CW取給定隊列的下一個值，直到CWmaxn 802.11協議執行的是二進制指數退避（BEB）算法，第一次退避就在2 2+i個時隙中隨機地選擇一個n 給定CW的隊列7(CWmin) ,15 , 31 , 63 , 127 , 255 (CWmax) IEEE802.11的MAC協議n競爭算法的優點 上次競爭不到信道的站點將越來越短的退避時間進入下一次競爭 避免了節點永遠競爭不到

22、媒體的情況 競爭算法提供了對媒體公平訪問的機制 對高負荷網絡起代穩定的作用n 當一個站點發送數據時，僅在下面情況不使用退避算法IEEE802.11的MAC協議 檢測信道空閑 要發送的數據幀是站點要發送的第一個數據幀IEEE802.11的MAC協議n（2）RTS/CTS方式 發送站和接受站以握手的方式對信道進行預約，可以更好的解決隱藏站點帶來的碰撞問題 RTS/CTS幀包含“期間域”“期間域”用來表明從CTS幀尾或RTS幀尾到ACK幀尾的MPDU所占用的媒體時間IEEE802.11的MAC協議n源站點A在發送數據幀之前先發送一個短的請求 RTS控制幀 RTS控制幀包含源地址、目的地址和這次通信所需