opnet中80211无线站点的mac协议仿真具体步骤.docx
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opnet中80211无线站点的mac协议仿真具体步骤
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opnet中802.11无线站点的mac协议仿真具体步骤
篇一：
基于opnet的802.11建模与性能测试
基于opnet的802.11建模与性能测试仿真
实验内容
1.熟悉无线局域网络拓扑结构。
2．熟悉opnet软件环境，在计算机通信网的学习基础上模拟802.11，掌握opnet
运行，了解802.11协议和应用领域。
3.在opnet环境下建立802.11，并进行仿真调试，测试802.11的网络性能，包括
网络时延、网络吞吐量和网络丢包率。
4.对仿真测试的数据、图表结合所学内容进行分析（包括原理，仿真结果，图表等），
以报告的形式上交。
二、实验原理
2.1802.11概述
无线局域网协议是以ieee802．ii标准为基础。
该标准定义了一个信道接入控制（mac）子层和3个物理（phy）层。
ieee802．ii协议的目标是构建一个能够提供与有线网络类似服务的无线网络。
ieee802．il无线局域网的架构是用来支持一种移动站以分布式的方式进行协议会话的网络。
组成ieee802．ii网络可能有以下几种等级成分：
（i）移动站（station）：
移动站是直接与无线信道连接的组件。
它可以是移动的、便携式的或是固定的。
每个移动站支持包括授权、认证、密码保护和交换数据（macj]i~务数据单元）等服务。
（2）基本服务子集（basicserviceset，bss）：
一个ieee802．1i无线局域网至少包含一个bss。
bss是由一系列可以互相通信的移动站组成。
如果基本服务子集中的所有移动站可以直接互相通信而不与有线网络相连，我们称该bss为独立基本服务子集（independentbss）。
ibss代表一种典型的自组织网络，它构成简单，规模小，而且源和目的结点之间的路由只有一跳。
如果bss包含一个接入点（accesspoint，ap），则称该bss为“架构bss（1nfrastructurebss）”，意味着它可以作为更大网络的一个组成部分。
在一个架构bss中，所有移动站和ap进行通信。
ap既可以作为无线子网通向有线
网络的入口设备，又可以作为本地无线子网路由交换设备。
（3）扩展服务子集（extendedserviceset，ess）：
一个ess由多个“架构bss”组成，而每个“架构bss”都含有一个ap，这些ap就成为数据从一个bss通向另一个bss的桥梁。
同时ap也可将数据转交给作为无线局域网的主干分布式网络系统（distributionsystem，ds）。
它的布网方式一般是有线的。
1.无线局域网的协议行为建模
由于ieee802．ii协议本身的复杂性，使得对其建模非常困难。
我们根据协议标准将其拆分为多个相对独立的部分，称之为“协议行为”，首先列举无线局域网的如下各种行为：
mac协议会话：
至少涉及两种帧的交互参与，分别是从源到目的结点的数据帧和从目的到源结点的ack帧。
如果源结点没有接收到确认帧，则它会等待合适的退避时间并且次数有限地重传数据帧。
数据帧和确认帧的交互可以提供数据传输一定的可靠性保证。
如果要进一步增大数据传输的可靠性，mac协议会话额外要求请求发送帧Rts和确认发送帧cts的参与，它们用来预留信道带宽。
首次源结点向目的结点发送Rts请求预留信道，如果成功，目的结点会响应一个cts帧，这个过程可以看作是传输数据之前的握手。
燕a提标准中定义基本的接入机制采用基于二进制指数退避的载波监听冲突避免协议（csma／ca）的dcF接入方案。
在传输开始之前，移动站先监听信道。
如果监听到信道被占用，则移动站不会传输分组。
如果有两个或两个以上的移动站同时传输分组，则产生冲突，而导致一个或多个分组受损。
这是基本的csma机制。
为了进一步避免冲突，移动站在开始传输分组之前如果监测到信道被占用，则自动进入基于二进制指数退避算法的退避阶段。
退避算法随机选择一定的时间量，规定移动站必须等待这段时间才能尝试发送间隔）长的时间间隔，那么移动站就可以开始传输数据帧。
接入机制：
标准中定义基本的接入机制采用基于二进制指数退避的载波监听冲突避免协议（csma／ca）的dcF接入方案。
在传输开始之前，移动站先监听信道。
如果监听到信道被占用，则移动站不会传输分组。
如果有两个或两个以上的移动站同时传输分
组，则产生冲突，而导致一个或多个分组受损。
这是基本的csma机制。
为了进一步避免冲突，移动站在开始传输分组之前如果监测到信道被占用，则自动进入基于二进制指数退避算法的退避阶段。
退避算法随机选择一定的时间量，规定移动站必须等待这段时间才能尝试发送分组。
帧间强制等待：
在两帧之间的传输必须经历一个强制等待时间：
dcF机制包含diFs、siFs和eiFs。
这些帧间间隔的具体取值是根据物理信道特征（跳频，红外，直接序列）来定。
2.opnet建模
对于网络的设计和管理，一般分为3个阶段：
第1阶段为设计阶段，包括网络拓扑结构的设计，协议的设计和配置以及网络中设备的设计和选择；第2阶段为发布阶段，设计出的网络能够具有一定性能，如吞吐率、响应时间等等；第3阶段为实际运营中的故障诊断、排错和升级优化。
而opnet公司的整个产品线正好能面向网络研发的不同阶段，即可以作网络的设计，也可以作为发布网络性能的依据，还可以作为已投入运营的网络的优化和故障诊断工具。
opnet公司也是当前业界智能化网络管理分析解决方案的主要提供商。
opnet公司的第一个商用化产品为modeler，在此基础上又开发出了其他产品，使得其产品得种类更加丰富。
目前opnet公司得产品线除了modeler外，还包括itguru、spguru、opnetdevelopmentkit以及wdmguru。
不同的产品面向的客户群也不一样。
modeler主要面向研发，其宗旨是为了“acceleratingnetworkR&d（加速网络研发）itguru可以用于大中型企业，做智能化的网络设计、规划和管理；spguru相对itguru在功能上更加强大，内嵌了更多的opnet附加功能模块，包括流分析模块、网络医生模块、多提供商导入模块、mpls模块，使得spguru成为电信运营商量身定做的智能化网络管理、规划以及优化的平台；wdmguru是面向光纤网络的运营商和设备制造商，为其提供了管理wdm光
纤网络，并为测试产品提供了一个虚拟的光网络环境。
opnet开发包（odk，opnet
developmentkit）和netbizodk是一个更底层的开发平台，其中odk为开发时环境，netbiz为运行时环境，可以用于设计用户自定制的解决方案，定制用户的界面，并且odk提供了大量的函数，用于网络优化和规划。
opnet主要被大型通信设备制造商（如3com、cisco、nortelnetwork、lucent）、大中型企业（如boeing、daimler、benz等）、电信运营商（如at&t、nttdocomo、Francetelecom等）、军方和政府方的研发机构、大专院校等客户应用。
opnetmodeler采用层次化的网络模型。
使用无限嵌套的子网来建立复杂的网络拓扑结构。
简单明了的建模方法。
modeler建模过程分为3个层次：
过程（process）层次、节点（node）层次以及网络（network）层次。
在过程层次模拟单个对象的行为，在节点层次中将其互连成设备，在网络层次中将这些设备互连组成网络。
几个不同的网络场景组成“项目”，用以比较不同的设计方案。
这也是modeler建模的重要机制，这种机制有利于项目的管理和分工。
三、802.11建模仿真与性能测试
1.输入接口
Rts门限：
该门限决定某个数据帧的传输是否要启动Rts/cts协议会话。
如果从高层接收到的分组（也称为mac服务数据单元msdu）大于Rts门限，为了增加传输效率（对于大分组额外花销资源预留带宽而增加这次发送成功的概率是值得的），则启动Rts/cts协议会话。
由于Rts/cts协议会话是协议非强制的功能，因此该值缺省为none，意味着不管msdu多大也不启用该功能。
当Rts/cts协议会话功能启用则意味着对于每次成功的数据帧的传输，为了提高数据传输的可靠性，都必须为预留信道消耗额外带宽。
拆分门限：
该门限决定高层数据分组（msdu）是否需要拆分。
拆分后帧的数量是由msdu的大小和拆分门限决定的。
目的站点会将当前接收的帧放入隶属于某个msdu的集成缓存，直到收到所有的帧才集成还原为msdu并释放集成缓存。
对大分组采用拆分传输提高了数据传输的可靠性，但是由于对于每一个数据拆分帧都需要目的站点恢复一个确认帧，从而使协议开销增大。
拆分门限和Rts门限存在一定的关联性，如
果拆分门限小于Rts门限则Rts/cts协议会话功能不可能启用。
为了提高信道预留效率，这两个门限值的设置尽可能匹配。
数据率：
802.11模型支持1mbps、2mbps，5.5mbps，和11mbps4种数据率。
移动站可以根据界面所选的数据率参数来发送数据，但是可以以任意速率接收分组。
物理特征的选择：
ieee802.11标准指定3种物理层配置方案：
跳频，红外和直接序列。
虽然802.11模型没有实现这些物理层的建模，但是提供了mac层所（opnet中802.11无线站点的mac协议仿真具体步骤）需的物理层的参数。
这些参数是根据物理特征来设置：
（1）信令帧间间隔（siFs）；
（2）dcF帧间间隔（diFs）；（3）最小和最大的竞争窗口大小（退避时隙的个数）。
模型缺省的设置是跳频。
短包重试限制：
该参数为数据帧传输可允许的最大的重传次数，如果超过次数则被丢弃。
短重试限制只针对msdu大小超过或者等于Rts门限的数据帧，也即只针对需要Rts/cts协议会话的数据帧。
缺省值为4。
信道设置：
802.11模型有4个传输接收信道对。
用户可以设置这些信道的最小频率和带宽。
缓存大小：
指定高层缓存的最大容量。
如果接收当前高层分组会导致该缓存溢出则被丢弃，直到有分组移出缓存。
最大接收生存时间：
该参数为目的站点集成络绎到达的数据拆分帧所能等待的最大时间，如果在生存时限之前成功地集成隶属于某个高层数据分组（msdu）的所有拆分帧，则此次传输成功，并将集成的分组送往高层。
无线lan通信范围：
该参数指定移动站能够互相通信的最大距离。
根据ieee802.11标准指定的内容，移动站之间的空中传播时间为1μs，从而计算出最大允许的通信范围为300m。
篇二：
802.11mac协议详解
第四章介质（媒体）访问控制子层
这是广播网的数据链路层上特有的一个子层，用于解决共享信道的分配问题。
广播信道有时也称为多重访问信道（multiaccesschannel）或随机访问信道（randomaccesschannel），信道也称为介质或媒体（medium），使用信道发送数据称为介质（媒体）访问，所以决定信道分配的协议就称为介质（媒体）访问控制协议。
由于大多数的局域网都使用多重访问信道作为通信的基础，而广域网大多采用点-点线路（卫星网络除外），因此本章还将讨论局域网的相关技术。
1.信道分配策略
静态分配：
如Fdm和同步tdm，这是一种固定分配信道的方式，适用于用户数少
且数量固定、每个用户通信量较大的情况。
由于每个节点被分配了固定的资源（频带，时隙），因而不会有冲突发生。
动态分配：
如异步tdm，这是一种按需分配信道的方式，适用于用户数多且数量可
变、突发通信的情况。
◆竞争方式：
各个用户竞争使用信道，不需要取得发送权就可以发送数据，这种方
式会产生冲突。
◆无冲突方式：
每个用户必须先获得发送权，然后才能发送数据，这种方式不会产
生冲突，如预约或轮转方式。
◆有限竞争方式：
以上两种方式的折衷。
2.多重访问协议
（1）aloha
纯aloha
任何用户有数据发送就可以发送，每个用户通过监听信道来判断是否发生了冲突，一旦发现有冲突则随机等待一段时间，然后再重新发送。
假设：
所有帧的长度都相同，且每个帧一产生出来后就立即发送。
帧时（frametime）：
发送一个标准长度的帧所需的时间；
n：
每帧时内系统中产生的新帧数目，一般应有0 g：
每帧时内系统中产生的需要发送的总帧数（包括新帧和重发帧），这就是系统负载；p0：
发送的帧不产生冲突的概率；
s：
系统吞吐量（每帧时内系统能够成功传输的帧数），s=gp0；
在纯aloha系统中，s=ge-2g，当g=0.5时，s达到最大值，为0.184。
时分aloha
将时间分成离散的时间片（slot），每个时间片用来传输一个帧，每个用户只能在一个时间片的开始传送帧，其它与纯aloha系统同。
该系统要求全局时钟同步。
与纯aloha系统相比，由于每个帧的易损时间区缩小了，冲突的概率减小了，所以系统吞吐量也相应提高了。
s=ge-g，当g=1时，s达到最大值，为0.368。
（2）载波侦听多重访问（csma）协议
aloha系统吞吐量低的原因是，每个用户可以自由发送数据，而不管其他用户当前是否正在发送。
要求每个用户在发送数据前先监听信道，仅当信道空闲时才允许发送数据，这
样可以减少冲突的概率，从而提高系统的吞吐量，这一类协议就是csma协议。
1-坚持csma
站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则坚持监听直至发现信道空闲，一旦信道空闲立即发送数据，发现冲突后随机等待一段时间，然后重新开始监听信道。
该协议虽然在发送数据前先监听信道，且在信道空闲后再发送数据，但仍有可能发生冲突。
发生冲突的原因是：
信号传播延迟不可忽略，1-坚持的策略，因而该协议适合于规模较小和负载较轻的网络。
非坚持csma
站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则放弃监听，等待一个随机时间后再监听，若信道空闲则发送数据，出现冲突则随机等待一段时间，再重新监听信道。
非坚持csma的信道利用率高于1-坚持csma，但延迟特性要差一些。
p-坚持csma
该协议适用于时分信道。
站点在发送数据前先监听信道，若信道忙则等到下一个时间片再监听，若信道空闲则以概率p发送数据，以概率1-p将发送推迟到下一个时间片。
如果下一个时间片信道仍然空闲，则仍以概率p发送，以概率1-p将发送推迟到下一个时间片。
此过程一直重复，直至发送成功或另一个用户开始发送（检测到信道忙）。
若发生后一种情况，该站的动作与发生冲突时一样，即等待一个随机时间后重新开始。
p-坚持csma试图在1-坚持csma和非坚持csma间取得性能的折衷。
影响协议性能的关键在于p的选择，p过小会无谓地增加延迟，p过大则性能接近1-坚持csma。
带有冲突检测的csma（csma/cd）
在以上csma协议中，如果站点在发送的过程中检测到冲突后立即停止冲突帧的发送，这就称为带有冲突检测的csma，即csma/cd，它可以节省时间和带宽。
csma/cd是以太网采用的介质访问控制方法。
csma/cd改进其它csma协议的地方是，当发送节点检测到冲突后立即停止发送，并进入冲突解决过程。
也就是说，仅当检测到冲突时仍未结束发送，才能节省时间和带宽。
节点从开始发送至检测到冲突，所需的最长时间等于信号在相距最远的两个节点之间的来回传输时间（2τ）。
冲突的检测是通过将监听到的信号与发送出去的信号相比较而实现的，因此物理层上需要使用便于检测冲突的信号编码方案。
为使发送节点在未发完时就能检测到可能的冲突，帧的发送时间应足够长，而信号传播时间应较短。
换句话说，当信道很长（τ很大）而帧传输时间很短（如帧很短或数据速率很高）时，csma/cd协议的性能并不好。
（3）无冲突协议
位图协议
该协议的本质是要求站点在发送前先进行预约，然后在预约的时间里发送数据，该协议不会产生冲突。
二进制相加
每个站发送数据前先发送其二进制地址（长度都相等），这些地址在信道中被线性相加，协议选择其中地址最高的站作为胜出者，允许其继续发送数据。
（4）有限竞争协议
竞争协议在轻负载下可以获得良好的延迟特性，但重负载下由于冲突增加信道利用率不高；无冲突协议在重负载下可以获得很高的信道利用率（因为没有冲突），但轻负载下由于要等待发送权而延迟特性不好。
有限竞争协议试图结合以上两类协议的优点和克服各自的缺点，使得在轻负载时使用竞争方式减小延迟，而在重负载时使用无冲突方法提高信道利用率。
其基本思想是对用户进行动态分组，每个时隙内只允许一个组的用户竞争信道，通过减少在同一个时隙内竞争信道的用户数来提高竞争成功的概率。
组的大小随系统负载的变化而动态调整，负载越轻，组越大，极端情况是所有用户在一个组内，退化为竞争协议；反过来，负载越重，组越小，极端情况是每个组内只有一个用户，退化为无冲突协议。
最佳的分组情况是，每个组内平均只有一个用户竞争信道。
显然，这一类协议的关键就在于如何根据负载的情况自适应调整用户的分组。
自适应树搜索协议
协议的基本思想是将所有站点组织在一棵二叉树中（站点在树叶上），从树根开始，首先将一个时隙分配给树根（即树根下的所有站点都可以在该时隙竞争信道）；如果发生冲突，则按深度优先法，从左到右递归地搜索该节点的子节点（即将下一个时隙分配给搜索到的子节点）；如果时隙空闲或者只有一个站点发送（发送成功），则停止搜索该节点；该过程不断重复，直至将整棵树搜索一遍；然后从树根开始新一轮的搜索。
图4-9。
该协议的改进算法：
根据系统负载情况，动态地决定从哪一个节点开始往下搜索。
（5）波分多重访问协议
在无源星型网络中（图2-31），来自每个站点的两根光纤被熔合在一起，形成一个玻璃柱，一根光纤向玻璃柱输入，另一根光纤从玻璃柱输出。
任何站点产生的输出都会照亮玻璃柱，从而其它所有的站点检测到。
为了能够允许多个站点同时发送，每个站点必须使用不同的波长，因而将光谱划分成不同的波长段（称信道）。
在波分多重访问协议（wdma）中，每个站点分配了2个信道，窄信道用作控制信道，宽信道作为数据信道。
控制信道由其它站用来向本站发出通知，而数据信道由本站用来向其它站输出数据。
为了与多个站点通信，每个信道都采用时分多路复用的方法划分成时隙，一定数量的时隙组成时隙组。
控制信道和数据信道的时隙组可以包含不同的时隙数，如控制信道的时隙数为m，数据信道的时隙数为n+1，其中n个时隙用于传数据，最后一个时隙用来报告站点的状态，主要是报告在两条信道中哪些时隙是空闲的。
在两条信道中，时隙序列不断循环，时隙0有特殊的标记可以被识别出来。
所有信道使用一个全局时钟进行同步。
每个站监听本站的控制信道，同时在本站的数据信道上向其它站发送数据。
显然，当一个站要向其它站发送控制消息时，必须将发送波长调整到目的站的控制信道上，而要从其它站接收数据消息时，必须将接收波长调整到源站的数据信道上。
因此，每个站点有2个发送端和2个接收端，它们分别如下：
一个波长固定不变的接收端，用来监听本站的控制信道；
一个波长可调的发送端，用于向其它站点的控制信道发送消息；
一个波长固定不变的发送端，用于在本站的数据信道上输出数据帧；
一个波长可调的接收端，用于从选定站点的数据信道上接收数据。
wdma支持3种类型的通信：
恒定速率的面向连接通信，可变速率的面向连接通信，数据报通信（不可靠无连接）。
数据报通信：
当a想向b发送数据时，a首先监听b的数据信道，等待b的状态时隙到来；从b的状态时隙可以获知b的控制信道中哪些时隙是空闲的，a从中选择一个空
闲的时隙向b发送一个通知，告诉b在a的数据信道的哪个时隙中有给b的数据；
若b在指定的时隙里空闲，则在该时隙到来时将接收波长调整到a的数据信道，
就可以收到a发给b的数据；
如果a和c选择了同一个空闲时隙向b发送通知，则两者都会失败；
若a和c选择了相同的时隙向b发送数据，则b只能从中选择一个站来接收，另
一个站的数据丢失。
面向连接的通信：
若a希望与b建立一个连接，a首先监听b的数据信道，等待b的状态时隙到来；a从b的空闲时隙中选择一个，将连接请求消息插入其中；
若b同意建立连接，它将该时隙分配给a，并在控制信道的状态时隙中加以声明；当a看到该声明后，就知道一个单向连接建立起来了；若a希望建立一个双向连
接，则b将对a重复同样的算法；
若a和c选择了相同的空闲时隙向b发送连接请求，则两者都会失败，a和c通
过监听b的状态时隙就可以知道这一点，他们会随机等待一个时间再试；
当连接建立起来后，a就可以在分配给它的控制时隙中向b发送控制消息，告知
给b的数据将在哪个数据时隙中发送；
为了获得恒定的数据速率，a可以向b请求在一个固定的数据时隙发送数据，如
果b同意就建立了一条保证带宽的连接，若该时隙不空，a还可以再请求另一个
数据时隙。
（6）无线局域网协议
为什么csma不适用于无线局域网？
因为csma只能告诉发送站，在发送站周围是否有站点在传输，而发送站真正想知道的却是，在接收站周围是否有站点在传输。
隐藏站点问题和暴露站点问题（图4-11）。
带有冲突避免的多重访问（maca）
这是802.11无线局域网采用的介质访问控制方法。
它的基本思想是让发送方激励接收方发送一个短帧，让接收站周围的站点都检测到这个帧，从而这些站在即将到来的一段时间里不向接收站发送。
过程如下（图4-12）：
若a想向b发送一个数据帧，a首先向b发送一个Rts帧，该帧给出了后继数
据帧的长度；
b收到后回复一个cts帧，cts帧中也给出数据帧的长度；
a收到cts帧后就可以发送；
在此过程中，若a周围的站监听到了a的Rts帧，它们会在随后的一段时间内保
持沉默，以便让a无冲突地收到cts帧；而b周围的站监听到了b的cts帧后，也会在随后的一段时间（由cts帧中的数据长度决定）内保持沉默，从而让b能
够无冲突地收到a发送的数据帧；
若b和c同时向a发送Rts帧，则会产生冲突，这时不成功的发送方会随机等待
一段时间后再重试。
3.以太网
（1）以太网布线
通常有四种布线方法，见图4-13。
10base5：
又称粗缆以太网，使用直径10毫米的基带同轴电缆作为传输介质，每段电缆最长为500米，最多支持100个节点，数据速率为10mbps，节点通过特殊的收发器连接到电缆上（图4-14（a））。
收发器主要完成载波监听和冲突检测的任务；收发器电缆连接收发器和网络接口卡，长度不超过50米，包含5对屏蔽双绞线，分别用作数据线、控制线和电源线；网络接口卡负责完成数据链路层协议。
10base2：
又称细缆以太网，使用直径5毫米的基带同轴电缆作为传输介质，每段电缆最长为185米，最多支持30个节点，数据速率为10mbps，电缆连接处采用工业标准的bnc连接器组成t型连接。
由于bnct型连接器是无源的，因此10base2的收发器位于网络接口卡内。
以上两种布线方法的共同缺点是，当电缆断裂、接头损坏或松动时，会影响整个网络的运行，同时故障定位和隔离都比较困难，这导致了10base-t布线方法的产生。
10base-t：
每个节点通过一条双绞线电缆（3类双绞线）连接到中央集线器（hub）的一个端口上，所有端口在内部通过电路连接到一起形成共享总线。
每根电缆内包括2对双绞线：
一对用于发送信号，一对用于接收信号。
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