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第18周12

课题名称：

IEEE802.11媒体访问控制（MAC）协议

课的类型：

新课

教学目标：

理解MAC层主要功能、DCF、PCF以及登录与认证服务

教学重点：

无线局域网的HiperLAN、HiperLAN2以及相关的技术

教学难点：

无

课时安排：

2课时

教学方法：

讲授，案例教学

教学过程：

第五章IEEE802.11媒介提访问控制（MAC）协议

5.1引言

5.2MAC层主要功能

5.3MAC帧结构

5.3.1MAC帧主体框架结构

5.3.2MAC管理信息帧结构

5.3.3MAC控制信息帧结构

5.3.4MAC数据信息帧结构

5.4分布式访问控制方式（DCF）及原理

5.4.1载波监听机制

5.4.2访问优先机制

5.4.3差错控制机制

5.5中心网络控制方式（PCF）及原理

5.5.1超帧结构

5.5.2PCF访问原理

5.6登录与认证服务

5.6.1加入网络

5.6.2认证与保密服务

5.6.3网同步服务

5.1引言

802.11标准采用带有碰撞避免功能的载波侦听多址接入（CSMA/CA）媒体访问控（MAC）协议。

为了尽可能避免碰撞的发生，建议标准中采用了多种措施。

例如对不同的帧传送服务划分不同的优先级别；在较长的数据帧传送前，通过较短的发送请求/清除发送（RTS/CTS）帧的传递获取后续一定时间的信道使用权；采用了数据帧确认（ACK）机制，确保不会使数据帧在传输中由于碰撞或其它干扰造成丢失等。

IEEE802.11标准中，以CSMA/CA协议作为无线局域网MAC协议的基础，主要用来支持异步业务，并称其为分布式访问控制（分布协调功能）方式（DCF）。

为了使得系统也能够支持具有最大时延要求的一些同步或时限业务，标准中还要求了MAC协议支持用户可选择的中心网控（点协调功能）方式（PCF）。

802.11标准提供可选择的中心控制Polling方式支持同步或时限业务。

5.2MAC层主要功能

●媒体访问控制●加入网络连接●数据验证和保密

1．无线媒体访问控制

在帧发送前，MAC须首先利用以下某方式获得网络连接：

●具有碰撞避免功能的载波侦听多址接入（CSMA/CA）媒体访问控制（MAC）方式，IEEE802.11规范称为分布式访问控制方式（DCF）；

●基于不同服务优先级别的集中式轮询（Polling）访问控制，IEEE802.11规范称为中心网络控制方式（PCF）；

DCF和PCF都能在同一个BSS中提供并行的可选择的竞争和无竞争访问期。

2．加入网络连接

工作站的电源打开之后，它在验证和连接到合适的工作站或访问点之前，首先检测有无现成工作站和访问点（AP）可供加入。

工作站通过被动或主动扫描方式完成上述的搜索过程。

加入一个BSS或ESS之后，工作站从访问点（AP）接收服务组标识符（SSID：

ServiceSetIdentifier）、时间同步函数（TSF：

TimerSynchronizationFunction）、计时器的值和物理安装参数等。

3．提供认证和保密服务

IEEE802.11标准提供两种认证服务，用于增强802.11网络的安全性能：

●开放系统认证（OpenSystemAuthentication），是一种默认的认证服务。

仅仅宣布与其他站和AP的连接请求；

●共享密匙认证（SharedKeyAuthentication），它包含更加严格的帧交换，以确定响应工作站是可信的。

5.3MAC帧结构

IEEE802.11标准中把无线局域网的MAC帧分为三种类型：

●管理信息帧

MAC管理信息帧负责在工作站和AP之间建立初始的通信，提供连接加入和认证服务；

●控制信息帧

当工作站和AP之间建立连接和认证之后，控制信息帧为数据信息帧的发送提供辅助功能（请求或确认等）；

●数据信息帧

数据信息帧的功能是向目的工作站传送数据信息（如MSDU媒体服务数据单元），转交给逻辑链路控制（LLC）子层。

5.3MAC帧结构

5.3.1MAC帧主体框架结构

IEEE802.11定义了MAC帧格式的主体框架结构，无线局域网中发送的各种类型的MAC帧都采用这种帧结构。

站一旦形成正确的帧之后，MAC层将帧传给物理层汇聚处理子层（PLCP）；

注：

MAC帧由最长30字节的帧适配头、长度可变（0～2312字节）的帧体信息和4字节的帧校验序列（FCS）组成。

图5.1IEEE802.11MAC帧一般框架结构

5.3.1MAC帧主体框架结构

一.MAC帧的主要字段

FrameControl（帧控制）：

这个字段载有在个工作站之间发送的控制信息。

它又可划分为若干子字段，子字段结构说明如下页：

Duration/ID（持续时间/标志）：

在这个域内包含发送站请求发送持续时间的数值，值的大小取决于帧的类型。

通常每个帧一般都包含表示下一个帧发送的持续时间信息。

网络中的各个站都通过监视帧中这一字段，来推测前边的发送站尚需占用的时间，推迟自己的发送。

SequenceControl（序列控制）：

该字段最左边的4位由分段号子字段组成，这个子字段标明一个特定的媒体服务数据单元（MSDU）的分段号。

第一个分段号为0，后面的发送分段的分段号依次加1。

该字段的后面12个位是序列号子字段，从0开始，对于每一个发送的MSDU子序列依次加1。

一个特定的MSDU的每一个分段都有相同的序列号。

站在数据接收时，可通过监视序列号和分段号来判断是否为重复帧。

Addr1，2，3，4（地址1，2，3，4）：

包含不同类型的地址，地址的类型取决于发送帧的类型。

这些地址类型可以包含基本服务组标识（BSS-ID）、源地址、目标地址、发送站（AP）地址和接收站（AP）地址。

各段地址长度均为48位，且有单独地址、组播地址和广播地址之分。

FrameBody（帧体）：

这个字段的有效长度可变，所载的信息取决于发送帧的类型。

如果发送帧是数据帧，那么该字段会包含一个LLC数据单元。

MAC管理和控制帧会在帧体中包含一些特定的参数。

如果帧不需要承载信息，那么帧体字段的长度为0。

接收站可以从物理层适配头（详见第七章）的一个字段判断帧的长度。

FCS（帧校验序列）：

发送工作站的MAC层利用循环冗余码校验法CRC对帧前边诸字段内容运算，计算一个32位的FCS，并将结果存入这个字段。

MAC层利用下面的覆盖MAC头所有字段和帧体的生成多项式来计算FCS：

G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1

结果的高阶系数放在字段中，形成最左边的位。

接收端也利用相同的CRC校验，检查接收帧中是否有数据传输发生的差错。

二.MAC帧的帧控制字段

MAC帧中的帧控制字段（2字节）划分为11个子字段，主要用来定义一个MAC帧的类型，是管理信息帧、控制还是数据信息帧。

图5.2MAC帧中的帧控制（FrameControl）字段的子字段结构划分

ProtocolVersion（协议版本）：

用两比特（bit1，bit0）表示MAC协议版本。

对于当前标准，协议版本为0。

因此，除非未来的新协议版本与过去的协议版本不兼容，协议版本字段将一直保持为0。

Type（帧类型）：

用两比特（bit3，bit2）表示帧的类型。

这个字段表明当前的帧是管理帧、控制帧还是数据帧。

表示方法如表5.1所示：

表5.1MAC帧的类型

Subtype（帧子类型）：

用四比特（bit7，bit6，bit5，bit4）表示帧的类型的进一步从功能上的划分。

这个字段说明帧的具体功能，如表5.2所示。

ToDS（到分布式系统）：

只有一个位，发往分布式系统的帧，该字段置1，其它的帧则置0。

例如某帧若是发往另一个AP的无线电小区里的时候，要对该字段设置为1。

FromDS（来自分布式系统）：

也是只有一位，发自分布式系统的帧的该字段置1，其他的帧置0。

当某帧从一个AP发送到另一个AP时，ToDS和FromDS字段都要置1。

MoreFrag（更多分段）：

只有一位的字段，如果同一个MSDU还有其他分段存放在后继的帧中，该字段置1。

Retry（重发）：

只有一个位。

对于重发帧，该字段置1；其它帧置0。

MoreData（更多数据）：

如果某工作站还有MSDU要发往处于节能模式的工作站，那么发送工作站将该字段置1；其他种类的发送则置0。

PowerManagement（电源管理）：

该字段指明发送工作站在完成目前的帧交换序列之后的电源管理模式。

如果工作站进入睡眠模式，MAC层将该字段置1；置0则表示工作站处于激活模式。

Order（排序）：

所有采用严格顺序服务级别的数据帧，该字段置1。

表明这些须按顺序处理。

WEP（加密）：

本字段置1表示向接收工作站声明，帧体（FrameBody）已经被WEP算法加工过了（数据已经用密钥加密）；其他情况本字段置0。

表5.2MAC帧类型的进一步功能划分表示

帧类型

子字段（Bit7、6、5、4）

帧功能

管理类型帧

（bit3，bit2）

＝00

0000

连接查询

0001

连接查询

0010

连接查询

0011

连接查询

0100

探询请求

0101

探询响应

0110-0111

保留

1000

信标

1001

业务声明指示休息（TAIM）

1010

分离

1011

认证

1100

不认证

1101-1111

保留

控制类型帧

（bit3，bit2）

＝01

0001-1001

保留

1010

节能（PS）轮询

1011

发送请求（RTS）

1100

清除发送（CTS）

1101

响应（ACK）

1110

无竞争（CF）终点

1111

CFEND+CFACK

数据类型帧

（bit3，bit2）

＝10

000

数据

0001

DATA+CFACK

0010

DATA+CFPOLL

0011

DATA+CFACKPOLL

0100

空（无数据）

0101

CFACK

0110

CFPOLL

0111

CFACK+CFACK

1000-1111

保留

保留类型

（bit3，bit2）

＝11

1000-1111

5.3.2MAC管理信息帧结构

MAC管理信息帧负责在工作站和AP之间建立初始的通信，提供连接加入和认证服务。

Duration：

在无竞争期（中心网络控制方式规定的），管理信息帧的Duration字段被设置为32768D（8000H），从而管理信息帧在其它站获得媒体访问权之前，有足够的时间建立通信连接；

Duration：

在竞争期，管理信息帧的Duration字段设置如下：

●目标地址是组播或广播地址时，Duration字段置0。

● MoreFragment位设置为0，且目标地址是单个独立地址时，Duration字段的值是发送一个响应（ACK）帧和一个短帧间隔（SIFS见第四节）所需的时间（微秒）数。

●MoreFragment位设置为1，且目标地址是单个独立地址时，Duration字段的值是发送下一个分段、两个ACK帧和三个短帧间隔所需的时间微秒数。

下面介绍管理信息帧的功能划分子类型及其帧体元素：

5.4不同功能子类型管理帧的帧体元素

各管理帧帧体元素解释见讲义。

各管理帧类型解释见讲义。

5.3.3MAC控制信息帧结构

当工作站和AP之间建立连接和认证之后，控制信息帧为数据信息帧的发送提供辅助功能。

图5.5示意了常见的一次成功数据帧发送过程中的控制信息帧流。

发送工作站接收工作站

图5.5一次成功数据帧发送过程中的控制帧流

5.3.3MAC控制信息帧结构

不同功能子类型控制信息帧的结构：

●请求发送（RTS）：

工作站向某接收工作站发送RTS帧，以协商数据帧的发送。

通过MIB中的aRTSThreshold属性你可以将工作站加入RTS帧序列，将帧设置成一般、从不或者仅仅比一个特定的长度长。

图5.6RTS控制帧格式

Duration字段的值以微秒为单位，是工作站间发送一个RTS帧、一个CTS帧、一个DATA帧和一个ACK帧和三个短的帧间间隔所需的时间；

字段RA和TA分别是接收地址和发送地址，各6字节。

5.3.3MAC控制信息帧结构

不同功能子类型控制信息帧的结构：

●清除发送（CTS）：

收到RTS后，接收工作站向发送工作站返回一个CTS帧，以确认发送工作站享有发送数据帧的权力。

为了防止由于隐藏网点和提高信道利用率所带来的碰撞，正在发送信息的工作站B应该向AP发一个RTS帧，请求占有一段时间的服务。

如果AP接收这个请求，它会在这段时间内向所有工作站广播CTS帧。

则这段时间内，包括A在内的所有工作站就都不会在企图访问和占用媒体了。

RTS/CTS交换同时进行快速的碰撞推断和传送线路检测。

如果发送RTS的工作站没有探测到返回的CTS，它会重复发送操作。

其重发速度远比象发送一个很长的数据帧之后无ACK帧返回时的重发要快得多。

为了防止由于隐藏站点和提高信道利用率带来的碰撞，正在发送信息的工作站B应该向AP发一个RTS帧，请求占有一段时间的服务。

如果AP接收这个请求，它会在这段时间内向所有工作站广播CTS帧。

则该时段内，包括A在内的所有工作站都不会在企图访问媒体了。

RTS/CTS交换同时进行快速的碰撞推断和传送线路检测。

如果发送RTS的工作站没有探测到返回的CTS，它会重复发送操作。

其重发速度远比象发送一个很长的数据帧之后无ACK帧返回时的重发要快得多。

●应答（ACK）：

工作站收到一个无误的帧（数据帧或管理帧）之后，会向发送工作站发送一个ACK控制帧，以确认帧已经被成功地接收。

图5.9ACK控制帧格式

Duration字段的值以微秒为单位，当前的数据帧或管理帧的控制字段中“更多分段”bit为0时，该Duration字段的值为0；如果前述的数据帧或管理帧的帧控制字段中更多分段bit为1时，该Duration字段的值等于前述的数据帧或管理帧的Duration字段的值减去发送ACK帧和SIFS间隔的时间；

ACK控制帧中只有接收地址（RA）而没有发送地址（TA）。

不同功能子类型控制信息帧的结构：

●节能轮询（PSPoll）：

当工作站收到PSPoll控制帧后，会更新网络分配矢量（NAV），NAV用于表明工作站多长时间内不能发送信息，它包含对媒体未来通信量的预测。

图5.10PSPoll控制帧格式

●无竞争终点（CFEnd）：

CFEnd控制帧标明中心网络控制方式（PCF）的无竞争期的终点。

这类帧的Duration字段一般设置为0；

图5.11CFEnd控制帧格式

●CFEnd+CF-ACK：

该控制帧用于确认CFEnd控制帧。

这类帧的Duration字段一般也设置为0；

图5.12CFEnd+CF-ACK控制帧格式

数据信息帧的功能是向目的工作站传送数据信息（如MSDU媒体服务数据单元），交给逻辑链路控制（LLC）子层；

通常Add1总保持试图要接收数据信息帧AP的地址（RA）。

Add2总保留着要发送数据信息帧AP的地址（TA）；

DA和SA在各数据信息帧中总存在，分别代表传输媒体服务数据单元（MSDU）目的站和源站MAC实体的地址。

图5.13数据（Data）信息帧格式

5.4分布式访问控制方式（DCF）及原理

分布式访问控制方式（DCF）是IEEE802.11标准规定的物理层兼容的无线局域网中的工作站和访问点（AP）之间共享无线媒体的主要访问控制协议。

和IEEE802.3总线式以太网的CSMA/CDMAC协议类似，IEEE802.11标准规定无线局域网的分布式访问控制方式（DCF）使用具有碰撞避免功能的载波侦听多址接入（CSMA/CA）协议。

5.4.1载波监听机制

载波侦听机制可以让MAC层侦听传输媒体是处于“忙碌”还是“空闲”状态；

物理（PHY）层提供信道的物理侦听信道。

PHY控制机制提供的物理信道侦听评估结果发送到MAC层，作为确定信道状态的一个因素。

5.4.1载波监听机制

图5.14IEEE802.11分布式访问控制方式（DCF）帧发送流程图

NAV：

工作起来就像一个计数器，开始值是最后一次发送的帧的持续时间Duration字段值，然后倒计时到0。

当NAV的值到达0，且PHY控制机制表明有空闲信道（侦听信道上没有载波）时，这个工作站就可以发送它的MAC帧了。

如果未发送前又一次监听到其他站发出帧的Duration值大于当前的网络分配矢量NAV值，就用这一信息更新该工作站的NAV；

MAC监测机制利用下式计算随机退避时间：

BackoffTime=Random（）×aSlotTime

Random（）是一个平均分布在[0,CW]段上的伪随机整数，CW（竞争窗口）是介于管理信息库（MIB）中aCWmin和aCWmax之间的一个整数；

随机退避时间受到碰撞的影响，随着一个MAC帧连续遭到碰撞的次数增加，选择退避时间的伪随机整数Random（）的分布范围[0,CW]，即CW的取值也要增加；当工作站的物理或逻辑的信道媒体检测机制确定媒体处于忙碌状态时，CSMA/CA协议利用随机退避时间控制，可以避免各工作站间共享媒体时可能造成的碰撞。

图5.15退避时间在CWMIN=0和CWMAX之间呈指数增长

5.4.2访问优先机制

IEEE802.11标准以不同长度帧间时间间隔形式定义了站对媒体进行访问多种优先级。

每种帧间间隔都定义了从上一发送帧的结束到下一个发送帧的开始所要求的最小空闲时间。

图5.16三种访问优先级的不同帧间时间间隔（IFS）

●DCF优先级帧间隔（DIFS）：

是工作在分布式控制方式（DCF）下的站以竞争方式（CSMA/CA）获得媒体访问权要求的空闲帧间时间间隔。

其优先级别低于PCF方式。

主要是竞争类站发送数据信息帧或管理信息帧是采用；

●PCF优先级帧间隔（PIFS）：

是工作在中心网络控制方式（PCF）下站获得媒体访问权要求的空闲帧间时间间隔。

其优先级别高于DCF方式。

此类站一旦检测到信道空闲，可迅速进入无竞争的通信，比基于DCF方式的站有更高的帧发送优先级；

●Short优先级帧间隔（SIFS）：

是最短的帧间隔，为一些帧提供最高的媒体访问优先级别。

这些帧包括：

·ACK（应答）帧；

·CTS（清除发送）帧；

·分段的第二个或猝发的媒体服务数据单元（MSDU）。

5.4.3差错控制机制

如工作站A发送了RTS帧之后，收不到响应的CTS；或者工作站A发送了一个数据DATA帧之后，收不到应答ACK信息。

这都有可能是帧在传输中由于某种原因出现了差错的缘故。

差错控制的根本在于各种不同类型的帧在构成时都（在其发送站）加入了用于差错控制的帧校验序列（FCS）。

FCS（4字节）是根据帧中除了其自身以外的所有其它信息按某种关系产生的，对整个帧起着监督作用。

检验出现错误的帧要设法进行恢复。

差错恢复在接收方把收到错帧和没有收到帧一样对待，就是简单的“不给响应”；当发送方向某站发送出一个帧后，若经过一定的时间间隔之后，收不到来自对方（目的工作站）的响应，则判断已发送的帧出现传输错误，要对该帧进行重发。

系统要控制重发的次数，当超过重发次数限制之后，工作站会丢弃该帧。

5.5中心网络控制方式（PCF）及原理

IEEE802.11标准规定的无线局域网媒体访问控制可以工作在集中式中心网络控制方式（PCF）。

PCF是在支持异步业务的DCF方式（采用CSMA/CA协议）的基础上，依照其提供的访问优先权，由网络中心站（AP）控制（采用Polling协议方式）支持无竞争型同步或时限业务。

图5.17IEEE802.11标准的MAC协议支持的业务模型

5.5.1超帧结构

IEEE802.11是通过使用一种称为“超帧结构”的时间划分方式来实现PCF的。

图5.18IEEE802.11实现PCF的超帧结构

在超帧开始时，如果信道空闲，则PCF立即获得信道访问权；如果信道忙碌，PCF会延迟直到检测到信道空闲时间大于PIFS，才能获得信道访问权。

因此，无竞争期的起点是不固定的。

另外需要说明的是，无竞争期的长度取决于申请PCF（有同步或时限业务）服务的站的数量，因此其的长度也是可变的。

5.5.2PCF访问原理

某站希望提供PCF无竞争服务，需向网络中心站（AP发出请求，经许可后该站列入轮询序列，参加无竞争业务。

某站希望提供PCF无竞争服务，需向网络中心站（AP发出请求，经许可后该站列入轮询序列，参加无竞争业务。

在无竞争期开始，中心控制器首先获得媒体的控制权，并遵循PCF 帧间隔（PIFS）对媒体进行访问；因此，中心控制器可以在无竞争期保持控制权，等待的发送时间间隔比工作在分布式控制方式（DCF）下要短得多。

中心控制器在每一个无竞争期开始，都对媒体进行监测。

如果媒体在PIFS间隔之后空闲，中心控制器就发送包含CF参数设置元素的信标帧。

工作站接收到信标后，利用CF参数设置中的CFPMaxDuration值更新它们的NAV。

这个值向所有工作站通知无竞争期的长度，直到无竞争期结束才允许工作站以竞争获得媒体的控制权。

工作站具有被轮询与否的选择权。

它可以在AssociationRequest（连接请求）帧的功能信息字段的CF-Pollable（可轮询CF）子字段中表明希望轮询与否。

一个工作站通过发布ReassociationRequest帧来改变自身的可轮询性。

中心控制器维护着一个轮询队列，轮询队列中的工作站在无竞争期会受到轮询。

当工作站正准备连接到一个访问点AP上时，它会通过功能信息（CapabilityInformation）字段的值表达希望进入轮询队列的愿望。

5.6登录与认证服务

5.6.1加入网络

工作站的电源被打开之后，它在验证和连接到合适的工作站或访问节点之前，首先会检测有无现成的工作站和访问点AP可供加入。

工作站通过被动或主动扫描方式完成上述的搜索过程。

加入一个BSS或ESS之后，工作站从访问点AP接收服务组标识符（SSID：

ServiceSetIdentifier）、时间同步函数（TSF：

TimerSynchronizationFunction）、计时器的值和物理（PHY）安装参数。

在被动扫描模式下，工作站对每一个信道都进行一段时间的监听，具体时间的长短由ChannelTime参数确定。

该工作站只寻找具有本站希望加入的SSID的信标帧，搜索到这个信标后，继而便分别通过验证和连接过程建立连接。

在主动扫描方式下，工作站发送包含有该站希望加入的SSID信息的探询（Proble）帧，然后开始等待探询响应帧，探询响应帧将标识所需网络的存在。

5.6.2认证与保密服务

802.11标准提供两种认证服务，增强了802.11网络的安全性能：

●开放系统认证（OpenSystemAuthentication）：

默认的认证服务。

仅仅宣布与其他站和AP的连接请求。

一．开放系统认证

当无需对发送工作站进行身份认证时，一般采用开放系统认证。

若接收工作站通过MIB中的aAuthenticationType参数指明其采用开放系统认证模式，则采