无线局域网Word文件下载.docx

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本文主要讨论了MAC层的分布式协调功能DCF，描述了DCF的协议内容和工作原理。

主要介绍了基本访问方法（basicaccessmethod）和RTS/CTS（requesttosend/cleartosend）访问方法的工作原理。

关键词：

MAC，DCF，基本访问方法,RTS/CTS

一．无线局域网概述

无线局域网90年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它提供了使用无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了潜在的手段。

近年来，随着无线局域网标准、技术的发展，无线局域网产品逐渐成熟，无线局域网得到了业界以及公众的关注，无线局域网的应用也逐渐发展起来。

相对于蓝牙、3G等无线技术，无线局域网正成为当前无线领域中一个引人瞩目的热点。

二．802.11MAC协议概述

MAC层首要的任务就是控制介质访问。

IEEE802.11MAC层支持AdHoc和Infrastructure两种类型的无线局域网。

IEEE802.11MAC层的基础是CSMA/CA。

它定义了两种控制介质访问的方法：

（1）分布式协调功能（DCF,DistributedCoordinationFunction）；

（2）点协调功能（PCF,PointCoordinationFunction）。

这里主要介绍DCF。

DCF是最基本的媒体访问方法，只提供异步数据服务，其核心是CSMA/CA。

为了尽量避免碰撞，IEEE802.11的MAC层规定，所有的站在完成发送后，必须要侦听一段很短的时间才能发送下一帧。

这段时间统称为帧间隔IFS（Inter-FrameSpace）。

帧间隔的长短取决于该站打算发送的帧的类型。

高优先级需要等待的时间较短，因此可先获得发送权，而低优先级帧就必须等待较长的时间。

若低优先级的站还没来得及发送而其它站的高优先级的帧已发送到媒体，则媒体变为忙态，因而低优先级的帧就只能再推迟发送了。

这样就减少了发送碰撞的机会。

三．DCF协议原理

DCFIEEE802.11MAC层协议最基本的信道共享机制，无论是有基础设施的infrastructure网络，还是无基础设施的Adhoc网络，DCF协议都需要在所有节点中执行。

DCF包括两种访问模式：

基本访问方法（basicaccessmethod）和可选的RTS/CTS（requesttosend/cleartosend）访问方法。

1.basicaccessmethod工作原理

DCF协议基本访问方式的实质是两次握手的CA机制，又称ACK机制，即只有DATA帧和ACK帧的发送，是一种简单的握手机制。

实现较为简单，当接收方正确地接收帧后，就会发送ACK，发送方收到确认帧，就知道该帧已成功发送。

当一个站（源站）要发送数据帧时，首先通过侦听信道确定信道上是否有其它站正在发送数据。

如果信道是空闲的并持续DIFS时间空闲，源站就开始发送。

如果源站侦听到信道是忙状态，源站将继续侦听信道，直到信道持续一个DIFS时间都是空闲，随后源站启用退避机制。

退避完成后再发送数据。

退避机制就是该协议冲突避免的特点，能使本站与其他站发送包发生碰撞的概率最小化。

DCF使用离散退避机制。

一个空闲DIFS时间过后的时间片被划分为时隙，一个节点只能在某个时隙开始的时刻发送包，从而避免了用户发送数据的随意性，提高了信道的利用率。

时隙的大小δ是这样确定的：

当某个站在一个时隙接入媒体时，那么下一个时隙开始时，其他站能检测出信道已经转为忙。

由图1可知，当信道从忙状态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个DIFS间隔，而且还要进入竞争窗口（执行退避算法），计算随机退避时间，以便再次竞争接入到信道。

在IEEE802.11的CSMA/CA协议中，因为没有像以太网那样的碰撞检测机制，因此在信道从忙状态转为空闲时，各站就要执行退避算法。

随机退避时间（BackoffTime）的计算方法如下：

BackoffTime=INT（CW×

Random（））×

SlotTime（δ）

式中，INT表示取整。

CW是竞争窗口参数，取值为CWmin到CWmax之间的一个整数；

在初始化时，CW值为CWmin。

802.11MAC层DCF使用二进制指数退避机制，其原理是：

源站在每个包传输前，选择退避时间，退避时间在（0,CW-1）范围内随机选择，CW值就是竞争窗口值，大小由本站曾传送失败包的数量决定，在第一次传输时，CW被置为CWmin即最小碰撞窗口，在每一次不成功的传输后，CW被乘2倍，直到最大值CWmax。

如果成功传输，CW恢复为最小值CWmin。

图一发送与退避

当某个想发送数据的站使用退避算法选择了竞争窗口（CW）中的某

个时隙后，就根据该时隙的位置设置一个退避计时器（BackoffTimer）。

若在该时隙时间段内，媒体保持空闲，则Timer减1；

若媒体忙，则冻结退避计时器的数值（Timer不变），并记录下当前值，重新等待信道变为空闲。

当侦听到信道变为空闲，再经过时间DIFS后，继续启动退避计时器（从Timer剩下的记录值开始减1），直到Timer为0，开始发送一帧。

这种退避算法的好处在于：

上次竞争不到媒体的站将以越来越短的退避时间进入下次竞争，避免永远竞争不到媒体的情况。

所以说退避算法提供了对媒体公平访问的机制，对高负荷网络起到了稳定的作用。

应当指出，当一个站要发送数据帧时，仅在发送站检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是它想发送的第一个数据帧的情况下才不使用退避算法。

除此之外的所以情况，都必须使用退避算法。

具体来说有：

①在发送它的第一个帧之前检测到信道出于忙态；

②在每次的重传后；

③在每一次的成功发送后。

退避机制详细过程如图2所示。

A、B两站共享无线信道。

B站在成功发送完一帧数据后，继续传输下一帧前，等待了一个DIFS时间段，然后选择退避时间为8个时隙。

A站在B站发送完成后第一次有数据要发送，等待了一个DIFS时间段后，A开始传送包。

由图可知，A传输的数据包发生在B站退避时隙的第5个时隙，B此时侦听到信道为忙，退避计数器冰冻在5时隙时刻，当信道再次持续DIFS时间为空闲时，退避计数器继续递减。

图二MAC协议退避时隙的组成结构

DCF基本访问协议为了增强CSMA/CA对异步业务传输的可靠性，发送和接收双方有一种在MAC层的确认机制来判断传输是否正确，称为CSMA/CA+ACK或增强型CSMA/CA机制。

欲发送数据的站先检测信道，通过物理层的直接载波侦听，利用收到的相对信号强度是否超过一定的门限值就可以判定是否有其他站在信道上发送数据。

当源站发送它的第一个MAC帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段DIFS后就可发送。

目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔SIFS后就可以向源站发送确认帧ACK；

若源站在规定的时间内没收到确认帧ACK（重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。

因为CSMA/CA不可以通过监听自己的传输发现碰撞，ACK由目的站发送来标志包的成功接收。

目的站收到包后等待SIFS时间立即发送ACK。

SIFS比DIFS时间短，因此其他站在ACK传输结束前不会侦听到持续的DIFS时间长的信道空闲。

如果发送站ACK_TIMEOUT时间内没有收到ACK或发现信道上传输的是不同包，它就根据退避规则，重新安排发送该包。

2.RTS/CTS方式工作原理

RTS/CTS即请求发送/允许发送协议，是发送站和接收站之间以握手的方式对信道进行预约的一种常用方法，主要用来解决DCF基本访问方式存在的“隐藏终端”问题。

“隐藏终端”（HiddenStations）是指，位置如图3所示的站A、站B、站D，站A正向站B发送数据包，站D也要向B发送，由于D站在A站发送信号的范围外，未侦测到A也在向B发送数据，故A和D同时将数据包发送至B，引起数据包冲突，最终导致发送至B的信号都丢失了。

这就是“隐藏终端”的问题。

“隐藏终端”多发生在大型单元中（一般在室外环境），这将带来效率损失，并且需要错误恢复机制。

当需要传送大容量文件时，尤其需要杜绝“隐藏终端”现象的发生。

图三RTS/CTS握手过程

RTS/CTS机制的握手过程如图三所示，解决隐藏终端的原理如下：

RTS/CTS帧包含有“duration”字段，“duration”字段用来记录本次源站发送包欲占用信道的总时间。

源站A在发送数据帧之前先发送一个短的“请求发送（RTS）”控制帧，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。

所有侦听到RTS帧的站在“duration”字段时间内都保持沉默，如目的站B收到站A发送的RTS帧，则B就发送一个“允许发送（CTS）”的响应控制帧，它也包括这次通信所需的持续时间（从RTS帧中将此持续时间复制到CTS帧中）。

所有侦听到CTS帧的站，在“duration”字段时间内保持沉默，源站A收到CTS帧后，就可发送其数据帧。

下面分析在A和B两个站附近的一些站将作出的反应。

站C只处于站A的传输范围内，在收到A站的RTS帧后，保持沉默，因此不会发包从而不会打扰到A收到B将要发送过来的CTS帧。

站D只处于站B的传输范围内，收不到站A发送的RTS帧，但能收到站B发送的CTS帧。

因此D知道B将要和A通信，所以D在A和B通信的一段时间内不能发送数据，因而不会干扰B接收A发来的数据。

站E能收到RTS和CTS，因此它在B发送RTS帧和A发送数据帧的整个过程中都不能发送数据。

由此可见RTS/CTS握手方式很好的解决了隐藏终端的问题。

IEEE802.11RTS/CTS方式是四次握手的信道预约机制，具体实现是：

发送站先监听信道，如果信道持续DIFS时间间隔都为空闲，他就发送一个RTS帧。

否则在等到当前传输结束和接下来一个DIFS时间间隔后激活二进制指数后退算法。

当目的站收到RTS，在一个SIFS时间间隔后他传送一个CTS。

当源站收到这个CTS后，等待一个SIFS时间间隔就可以发送DATA帧，目的站收到DATA帧，等待一个SIFS时间间隔就发送ACK帧，源站收到ACK帧后确认此次数据传送成功。

所有其他监听到RTS和CTS帧的站，通过在RTS和CTS帧中的duration字段，更新他们的NAV值，并在该段时间内保持沉默。

RTS帧的duration字段中的值是CTS帧时间加上DATA帧传输时间加上ACK帧时间加上三个SIFS时间间隔。

CTS帧duration字段是DATA传输时间加上ACK帧加上两个SIFS间隔。

所有站在NAV值的时间段结束后（即此次数据传输已经结束），又重新可以平等侦听、竞争信道了。

Duration（RTS）=time（CTS）+time（DATA）+time（ACK）+3*time（SIFS）

Duration（CTS）=time（DATA）+time（ACK）+2*time（SIFS）

RTS/CTS的具体实现图如下图所示：

RTS/CTS具体实现

应当指出的是，使用RTS和CTS帧会使整个网络的效率有所下降。

但这两种控制帧都很短，与数据帧相比开销不算大。

相反，若不使用这种控制帧，则一旦发生碰撞而导致数据帧重发，则浪费的时间就更多。

虽然如此，但协议还是设有三中情况供用户选择：

一种是使用RTS和CTS帧；

另一种是只有当数据帧的长度超过某一数值时才使用RTS和CTS帧（显然，当数据帧本身就很短时，再使用RTS和CTS帧只能增加开销）；

还有一种是不使用RTS和CTS帧（基本工作方式）。