OSI架构之数据链路层与WLAN知识学习笔记0428 吴炜.docx
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OSI架构之数据链路层与WLAN知识学习笔记0428吴炜
OSI架构之数据链路层与WLAN有关知识学习笔记
摘要：
对OSI架构之数据链路层与WLAN有关知识进行总结，并附上个人理解。
关键词：
OSI架构WLAN
1前言
众所周知，业界讨论的非常热烈的“三网融合”，其含义指的是电信网、计算机网和有线电视网三大网络的高层业务应用的融合，表现为技术上趋向一致，网络层互联互通，业务层互相渗透交叉。
尽管这个趋势发展缓慢，遇到重重困难，但笔者认为，只要三大网络的本身技术协议架构遵循OSI架构，在技术层面上就已经为融合打下了第一块基石。
笔者作为一个初学者，利用工作之余的时间对OSI架构基础知识以及数据链路层的有关应用进行学习，在本文中对相关知识进行总结，并对电信网、计算机网的融合提供个人理解。
2OSI七层网络架构及各自作用
在七十年代末，国际标准化组织ISO提出了开放系统互连参考模型。
协议分层大大简化了网络协议的复杂性，这实际也是自顶向下、逐步细化的程序设计方法的很好的应用。
网络协议按功能组织成一系列“层”，每一层建筑在它的下层之上。
分成的层数，每一层的名字、功能，都可以不一样，但是每一层的目的都是为上层提供一定的服务，屏蔽低层的细节。
这种结构的采纳不单单局限于计算机网络领域，同时也扩展到通信领域，例如，CDMA2000协议架构就可与OSI架构一一对应。
2.1OSI七层网络架构
图41OSI七层网络架构
表22OSI网络架构作用表
网络架构
作用
载体
物理层
为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠环境
架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道
链路层
链路连接的建立、拆除、分离；
帧定界与帧同步；
顺序控制；
差错检测和恢复；
网卡、网桥
网络层
路由选择和中继
激活、终止网络连接
在一条数据链路上复用多条网络连接
差错检测与恢复
排序、流量控制
服务选择
网络管理
网关、路由器
传输层
提高网络层服务质量，以满足高层要求；
在一个网络连接上创建多个逻辑连接；
通过分流/合流、复用/解复用、差错恢复、流量控制等技术对上层屏蔽个通信子网的差异
会话层
对话管理
数据流同步
表示层
将不同的数据格式转换成一种通用格式
应用层
为用户的应用程序提供各种网络服务
浏览器
2.2OSI架构中的数据链路层
数据链路层的主要任务是提供对物理层的控制，检测并纠正可能出现的错误，使之对网络层显现一条无错线路；并且进行流量调控。
从通信领域来看，协议的重点还是放在OSI架构的物理层与数据链路层的MAC子层，因此笔者学习重点放在数据链路层。
2.2.1CDMA2000架构中的数据链路层
图41CDMA2000架构
说明
1）CDMA2000中数据链路层由MAC子层与LAC子层组成；
2）MAC（MediaAccessControl）子层提供以下两种功能：
1采用RLP协议为上层提供基于无线链路的besteffort级别的可靠传输；
2复用与QoS控制：
执行存在竞争性质的服务对象之间的冲突请求调停协商后的QoS级别以及根据接入请求的优先级判定的QoS级别。
最主要和直观的功能就是接入控制。
3）LAC（LinkAccessControl）子层主要功能是保证层三产生的信令消息的正确传递。
例如，在其ARQ子层通过ARQ技术实现向对端层三实体的可靠传递。
图41LAC子层数据单元处理示意图
4）在CDMA2000中，物理层、MAC子层、LAC子层作为OSI架构的底层，向上层提供信令业务、数据业务、语音业务等服务。
2.2.2局域网架构中的数据链路层
图41局域网架构图
说明
1）局域网作为计算机网络，架构天然的就与OSI架构进行对应；
2）数据链路层的上半部为LLC（LogicalLinkControlSub-layer）逻辑链路控制子层，负责将数据正确的发送到物理层，在数据链路层的下半部为MAC（MediaAccessControl）子层，负责控制与连接物理层的物理介质；
3）在网络标准内，各种传输介质的物理层对应到相对的MAC层，例如以同轴线为传输介质时，对应的MAC层标准为802.14,各个计算机连接成环状时，对应MAC标准为802.5。
目前，最普及的网络标准称为以太网，其在MAC层定义为802.3。
802.3的MAC层定义对传输介质的访问控制方式为CSMA/CD。
3MAC层之接入控制机制
3.1以太网MAC层之接入控制机制
以太网（Ethernet）使用CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/Collision Detection）载波监测多址接入协议作为其MAC层接入控制机制。
说明：
CarrierSense表明每个以太网设备在尝试发送数据前都必须先监听网络，如果发现别的设备正在传送数据，它将会等待而不能发送；
MultipleAccess表明可以有多个以太网设备监听网络并等待发送数据；
Collision Detection表明当多个以太网设备同时发送数据时，他们能够检测到这个错误。
这种冲突检测机制与传输介质相关，由于以太网是总线型网络，因此可以对比已发送数据与接收到的数据是否一致来判断是否发送了冲突。
工作过程：
当MAC收到LLC（LogicalLinkControlSub-Layer）发来的数据以后，首先监测网络电缆上是否具有数据，即载波传送。
如果网络空闲，即没有载波传送，则将数据装帧，经物理层发送出去。
如果网络繁忙，则监测网络直到网络空闲，再将数据装帧发送。
如果传输过程中发现存在冲突，发送方将立即停止原有数据的发送，转为发送一个短的拥塞报文，以通知所有其他的发送方都等待随机时长在尝试发送。
图41CSMA/CD协议流程图
3.2WLAN的MAC层之接入控制机制
无线局域网（WLAN）中MAC所对应的标准为IEEE802.11，IEEE802.11MAC综合了两种工作方式:
分布控制（DCF）和中心控制（PCF）两种工作方式：
1.分布控制方式（DCF），类似CDMA/CD，利用载波监听机制，适用于分布式网络，传输具有突发性和随机性的普通分组数据,支持无竞争型实时业务及竞争型非实时业务。
2.中心控制方式（PCF），建立在DCF工作方式之上并且仅支持竞争型非实时业务,适用于具备中央控制器的网络。
以下重点讨论分布控制（DCF）方式下的CSMA/CA机制（CSMA/CollisionAvoidance载波监听多址接入/碰撞避免）。
3.2.1CSMA/CA机制的工作过程
图41CSMA/CA机制示意图
说明：
1当发射端希望发送数据时，首先检测介质是否空闲，若是介质为空闲时，送出RTS（RequestToSend请求发送），RTS信号包括发射端的地址、接收端的地址、下一笔数据将持续发送的时间等信息；
2接收端收到RTS信号后，将响应短信号CTS（ClearToSend），CTS信号上也包含RTS内记录的持续发送的时间；
3所有接收到RTS与CTS信号的无线设备，都将采用虚拟介质检测（VirtualCarrierSense）机制，设置NAV（NetworkAllocationVector，网络分配矢量），并使用在RTS和CTS中包含的duration字段信息来设置MAC参数NAV，duration字段指明了源和目的主机为传输数据将要占用信道的时间长度。
当物理层内的NAV指针打开时，设备将认为此时的物理介质正为其他设备所占用而停止发送与接收数据。
NAV的值随着时间推移不断减小，在NAV值减到零之前，主机不会发起传输尝试；
4当发射端收到CTS包后，随即开始发送数据包；
5接收端收到数据包后，将以包内的CRC（CyclicRedundancyCheck，循环冗余校验）的数值来检验包数据是否正确，若是检验结果正确时，接收端将响应ACK包，告知发射端数据已经被成功地接收。
当发射端没有收到接收端的ACK包时，将认为包在传输过程中丢失，而一直重新发送包。
3.2.2CSMA/CA机制的工作原理分析
之所以通过RTS帧、CTS帧这种应答机制来为相关不准备参与通信的通信台设置网络忙标记，针对的是无线环境特有的情况：
即发送方与接收方各自的覆盖范围并不一定重合，所以需要通过各自发送信息进而影响各自覆盖范围的通信台。
这就是“隐蔽终端”的概念，即冲突有可能是这两个区域的并集内用户产生。
考虑到终端的移动性，因此发送方与接收方的覆盖范围内用户有可能是变化的，因此前述应答机制消除了原有覆盖范围内用户的制造冲突的可能，却无法消除后期新进入这两个覆盖范围的用户制造冲突的可能，因此又引入了ACK应答机制。
3.2.3CSMA/CA机制与CSMA/CD机制的对比
1）载波检测方式：
因传输介质不同，CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。
CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA使用信道空闲评估（CCA）算法来决定信道是否空闲，通过测试天线能量和决定接收信号强度RSSI来完成。
2） 信道利用率比较：
CSMA/CA协议信道利用率低于CSMA/CD协议信道利用率，因为前者使用RTS帧、CTS帧和ACK帧减少冲突，这就产生了一些开销。
3.3CDMA2000使用的MAC层接入控制机制
由于CDMA2000中，只有接入信道属于公用信道，所以使用的MAC层接入控制机制具体体现为对终端接入请求过程的定义：
终端通过接入信道发送请求，接入网、核心网对应分配链路资源，终端最终得到专属链路。
图41CDMA2000手机接入过程示意图
将CDMA2000与以太网、WLAN使用的接入控制机制进行对比，可以发现存在以下不同：
1）CDMA2000无法进行CarrierSense操作，即载波监听机制，因为终端不具备反向信道的解调单元；所以发送方不存在由于提前发现信道已被占用而等待的机制；
2）CDMA2000不进行CollisionDetection或者CollisionAvoidance操作，对于发送方即终端，是依靠定时器来间接进行控制；
3）对接入冲突的解决方案思路不一样：
1以太网作为有线网络可以很轻松通过对物理层进行扩容，例如同轴电缆换光纤；
2WLAN与CDMA2000一样，作为无线网络，当然可以通过增加频点来处理，但由于其一个信道带宽就达到22MHz，显然同等条件下出现冲突的概率比CDMA2000低；
3CDMA2000可以通过增加接入信道个数来降低接入冲突出现概率，因为通过长码掩码可以区分不同接入信道。
三种接入机制相同的地方有：
1）重复发送之前存在一个随机化时延；
2）对传输带宽的占用是完全的，因为CDMA的频率复用机制为1，而以太网、WLAN也是完全占用传输带宽的。
4WLAN的发展趋势---电信网、计算机网的融合
4.1业务的发展
WLAN作为“无线局域网”由于同时具有“无线”与“局域网”两大优势，当应用到移动手机上时，很自然就体现出电信网、计算机网的融合。
目前，Nokia95等手机上就已具备WLAN功能。
基于这种技术发展，很自然就产生一种新的语音通信解决方案---VoWLAN。
这是对有线的VoIP系统的扩展，使VoIP无线化，将语音信息以数据格式在无线宽带网络上传送，需要注意的是，这不是模拟信号性质的语音流，而是以一种离散的数据包格式传送。
现实中，由于考虑到WLAN部署范围的局限性，VoWLAN业务更多考虑的是在双模手机上使用：
即当用户在WLAN范围内时采用基于IEEE802.11的VoIP电话，若移出则采用GPRS、EVDO等技术构成的VoIP电话。
图41双模手机工作示意图
4.2融合的思考
当移动手机既作为无线通信网络的一个节点，又作为计算机局域网上的一个节点时，很自然感受到双网融合的现实，甚至可以设想，当手机的信息处理能力达到一定程度以后，显然也是可以作为两大网络的网关来进行信息的互联互通。
5总结
由于工作内容特点，往往与CDMA2000的物理层与层三信令“接触”的较近，这一次尝试性的与协议“保持”距离，从OSI网络架构的角度来将通信网与计算机网络的MAC层进行对比，同时也从WLAN的角度探讨了双网融合的应用业务与前景。
参考文献
13GPP2.MediumAccessControl（MAC）Standardforcdma2000SpreadSpectrumSystems（ReleaseD）.2005.
2胡萍王长林。
无线局域网（WLAN）的MAC协议探讨
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