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0308002E
IEEE802.11无线局域网媒体访问控制机制研究
杨千里
摘要本文所研究的DFS算法是在无线局域网现有的802.11MAC层访问机制的基础上,运用循环队列的思想提出的一种完全分布式的公平队列调度算法,该算法通过修改802.11的MAC层中的DCF(DistributedCoordinationFunction)子协议,实现了在分布式环境下控制802.11节点公平地访问无线链路资源。
本文通过仿真对算法进行了分析和研究,仿真结果表明该方法可以在一定范围内实现公平队列调度。
关键词IEEE802.11,无线局域网,分布式协调功能,点协调功能,分布式公平调度
AbstractDFSalgorithmisatypeofdistributedqueueschedulingalgorithm.Basedontheaccessmechanismof802.11MAClayerwhichisrecentusedinthewirelesslocalnetworks,DFSalgorithmadoptstheideaofroundrobinqueue.ThroughmodifyingtheDCFsub-protocolof802.11MAClayer,itachievethepurposeofcontrolling802.11nodeto accesswirelesslineresourcefairlyinthedistributedenvironment.Inthisarticle,theauthordidsomeanalysesandresearchestothisalgorithmbysimulation.ThesimulationresultsshowthattheDFSalgorithmcancarryfairlyqueuescheduleinsomeareas.
KeywordsIEEE802.11,WirelessLAN,DCF,PCF,DFS
目 录
Abstract-1-
摘要-1-
引 言-4-
第1章 绪论-5-
1.1无线网络的发展及研究现状-5-
1.2研究内容-5-
1.3研究意义-5-
1.4论文的研究方法及结构-6-
第2章 无线局域网介绍-7-
2.1无线局域网的概念-7-
2.2无线局域网的主要标准-7-
第3章 IEEE802.11标准-10-
3.1IEEE802.11MAC相关技术-10-
3.1.1载波检测机制-10-
3.1.2帧间间隙(IFS)-10-
3.1.3退避程序-10-
3.1.4RTS/CTS握手协议-11-
3.2IEEE802.11MAC访问媒体的机制-13-
3.2.1分布式协调功能DCF-13-
3.2.2点协调功能PCF-15-
第4章 IEEE802.11DCF访问机制改进-16-
4.1IEEE802.11DCF访问机制改进方法-16-
4.1.1EDCF-16-
4.1.2DFS-16-
4.1.3BlackBurst-16-
4.2研究方向-16-
4.2.1循环区间的选择和CW循环变化的规则-17-
4.2.2带宽分配权值的实现-17-
4.2.3分组长度的考虑-18-
4.2.4碰撞-18-
4.2.5 DFS算法-18-
第5章DFS接入机制仿真-20-
5.1仿真拓扑与仿真参数-20-
5.2系统的框架-21-
5.2.1STA模块-21-
5.2.2MAC模块-22-
5.2.3、同步调度模块-22-
5.3数据流图-22-
5.3.1主程序流图-22-
5.3.2同步调度模块-23-
5.3.3STA模块-24-
5.3.4MAC模块-25-
第6章 DFS性能分析-28-
6.1公平性仿真-28-
6.2P1和P2的选择对算法的公平性的影响-29-
6.3对网络吞吐量的影响-30-
总结-31-
谢辞-32-
主要参考文献-33-
引 言
无线局域网(WLAN)是通信中新兴的一种方式,是有线网络的延伸,在WLAN的应用中,也期望像有线网一样能够进行带宽分配。
WLAN目前的主要应用是作为用户接入网络,采用802.11媒体访问控制(MAC)协议,所有接入WLAN的节点竞争使用同一个局域网无线链路资源。
因此,需要一种队列调度算法来保证所有节点访问无线链路资源的公平性。
DFS算法在无线局域网现有的802.11MAC层访问机制的基础上,运用循环队列的思想提出了一种完全分布式的队列调度算法,该算法通过修改802.11的MAC层中的“分布式协调功能”(DistributedCoordinationFunction:
DCF)子协议,实现了在分布式环境下控制802.11节点的公平访问无线链路资源的目的。
第1章 介绍无线局域网基本知识
第2章 介绍IEEE802.11基本知识
第3章 介绍本文研究的算法
第4章 仿真程序的系统分析
第5章 仿真结果分析
最后就是总结、谢辞和参考文献。
第1章 绪论
1.1无线网络的发展及研究现状
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热情关注,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关注的热点,对可携带、可移动的计算机或工作站的需求不断增长。
而WLAN(WirelessLocalAreaNetwork)以其高灵活性、紧急状况下的健壮性被广泛应用。
无线局域网不仅可以实现许多新的应用,还可以克服线缆限制引起的不便性,解决某些特殊区域无法布线的问题。
目前,无线局域网已经被广大用户作为一般目的的网络连接来使用,很多场所都配置了WLAN,例如:
大学校园、公司等。
WLAN现有的标准有很多,例如:
IEEE802.11、HiperLAN、Bluetooth等。
但是应用最为广泛的是IEEE802.11。
IEEE802.11的MAC层访问机制中最常用的是分布式协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)。
DCF包含两种机制:
(1)缺省的CSMA/CA,
(2)一种解决隐藏终端问题的可选方法。
然而这两种机制都分别存在一些问题,影响了无线网络的性能,造成了一定的信道带宽损失。
1.2研究内容
802.11协议中的MAC层DCF功能完全是分布式控制的模式,其控制节点的访问速率(或者说访问的频率)主要有两个因子:
CW和backof时间。
Backofr时间是在(0,CW)这个区间均匀分布的,所以,如果CW较大,则节点随机选取得backof时间就可能比较长,就会获得比较低的访问媒介的概率;相反,如果CW值较小,则backof可能选取得较小,这样就可以获得比较高的访问媒介的概率。
DistributedFairScheduling算法就是通过修改DCF功能,按照一定规则来动态改变CW的值,使得节点访问媒介的概率能够按照一定预定的权值分散开来,从而获得WLAN中的公平队列调度的性能。
我的工作就是编写一个程序仿真DistributedFairScheduling算法的行为。
1.3研究意义
随着计算机技术和数字通信技术的发展,计算机网络也逐渐向高速、多业务、灵活可变的方向发展。
无线局域网wLAN(wirelessLocalAreaNetwork)已经成为计算机网络技术发展的热点,IEEE802.11是无线局域网的国际标准,随着IEEE802.11协议的推广,不但计算机网络支持移动技术,很多终端设备也将配有无线接口;另一方面,多媒体技术的应用对网络通信的质量提出了很高的要求,在无线网络的环境下,如何保证多媒体通信的QoS(QuaUtyofService),包括吞吐量、丢包率、时延、时延抖动等等,已经成为研究802.11协议的新方向。
1.4论文的研究方法及结构
本文采用仿真程序对802.11e DFS协议进行了研究。
首先全面掌握并理解DFS协议,然后根据自己的理解做出仿真程序。
再利用仿真程序对DFS协议的性能进行比较详尽的分析和研究。
最终通过仿真数据得到性能分析的结果。
本文的主要工作如下:
分析DFS协议,并实现了程序的仿真。
本文的第二章详细的介绍无线局域网;第三、四章详细介绍802.11及DFS;第五章对协议进行分析,并介绍仿真程序的实现机制;第六章对仿真数据进行定量分析,并通过对数据的分析得到性能分析结果;最后总结全文,并提出将来的工作的方向。
第2章 无线局域网介绍
2.1无线局域网的概念
无线局域网(WirelessLocalNetwork,WLAN),顾名思义,是一种利用无线方式,提供无线对等(如PC对PC、PC对集线器或打印机对集线器)和点到点(如LAN到LAN)连接性的数据通信系统。
WLAN代替了常规LAN中使用的双绞线或同轴线路或光纤,通过电磁波传送和接收数据。
WLAN执行像文件传输、外设共享、Web浏览、电子邮件和数据库访问等传统网络通信功能。
与有线局域网相比较,无线局域网具有开发运营成本低、时间短,投资回报快,易扩展,受自然环境、地形及灾害影响小,组网灵活快捷等优点。
可实现“任何人在任何时间,任何地点以任何方式与任何人通信”,弥补了传统有线局域网的不足。
随着无线网标准的制定和推行,无线局域网的产品将更加丰富,不同产品的兼容性将得到加强。
现在无线网络的传输率已达到和超过了10Mbps,并且还在不断变快。
目前无线局域网除能传输语音信息外,还能顺利地进行图形、图像及数字影像等多种媒体的传输。
另一方面无线局域网虽然以空气为介质,传输的信号可跨越很宽的频段,数据不容易被窃取,保证了网络传输的安全性。
随着无线通信技术的发展和对无线局域网通信速率要求上的不断提高,无线局域网的标准也在不断发展,总的趋势是数据速率越来越高、安全性越来越好、服务质量越来越有保证。
2.2无线局域网的主要标准
为了让WLAN技术能够被广为接受和使用,必须要建立一种统一的标准,以确保各厂商生产的设备都能具有兼容性与稳定性。
这些标准定义了无线通讯的物理层(physical/PHYlayer)以及媒介存取控制层(MediaAccessControl/MAClayer)。
各种新标准的迅速发展,展现了无线局域网领域旺盛的创造力和无限的发展机遇。
WLAN现有的标准有很多,例如:
IEEE802.11、HiperLAN、Bluetooth等。
其中应用最为广泛的标准是基于IEEE802.11协议的系列标准。
1990年IEEE802标准化委员会成立IEEE802.11无线局域网(WLAN)标准工作组。
IEEE802.11无线局域网标准工作组任务为研究1Mb/s和2Mb/s数据速率、工作在2.4GHz开放频段的无线设备和网络发展的全球标准,并于1997年6月公布了该标准,它是第一代无线局域网标准之一。
该标准定义物理层和媒体访问控制(MAC)规范,允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。
在802.11系列标准中,涉及物理层的主要有4个标准:
802.11、802.11b、802.11a、802.11g。
根据不同的物理层标准,无线局域网设备通常被归为不同的类别,如常说的802.11b无线局域网设备、802.11a无线局域网设备等。
IEEE802.11
802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准,主要用于实现办公室局域网和校园网中用户的无线接入,业务主要限于数据存取,速率最高只能达到2Mbps。
由于它在速率和传输距离上都不能满足用户日益增长的需求,IEEE又相继推出了802.11b,802.11a和802.11g三个新标准。
IEEE802.11b
IEEE802.11b工作于2.4GHz频带,使用直序扩频方式和补码键控,物理层支持5.5Mbps和11Mbps两个新速率。
它的传输速率可因环境干扰或传输距离而变化,在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps之间切换,而且在2Mbps、1Mbps速率时与IEEE802.11DSSS(直接序列扩频)系统交互操作,但不能与1Mbps和2Mbps的802.11FHSS(跳频扩频)系统交互操作。
IEEE802.11a
IEEE802.11a工作于5GHz的频带,它采用OFDM(正交频分复用)技术,物理层速率可达54Mbps,这就基本满足了现行局域网绝大多数应用的速度要求。
而且,对数据加密方面,采用了更为严密的算法。
但是,IEEE802.11a芯片价格昂贵、空中接力不好、点对点连接很不经济。
空中接力就是较远距离点对点的传输。
需要注意的是,IEEE802.11b和工作在5GHz频带上的IEEE802.11a标准不兼容。
IEEE802.11g
2002年11月15日,IEEE试验性地批准一种新技术IEEE802.11g,使无线网络传输速率可达54Mbps。
802.11g是对802.11b的一种高速物理层扩展,同802.11b一样,802.11g工作于2.4GHzISM频带,但采用了OFDM技术,可以实现最高54Mbps的数据速率,与802.11a相当;并且较好地解决了WLAN与蓝牙的干扰问题。
802.11g与已经得到广泛使用的802.11b是兼容的,这是802.11g相比于802.11a的优势所在。
由于802.11g标准尚未完成,而符合802.11a标准的产品已经出现,相信802.11a将会得到较快发展,在一定程度上占据先机。
在MAC(媒体接入控制)层,802.11、802.11b、802.11a、802.11g这四种标准在媒体访问控制(MAC)层均采用的是载波侦听多路访问/避免冲突CSMA/CA(CA:
CollisionAvoidance,冲突避免),这有别于传统以太网上的CSMA/CD(CD:
CollisionDetection,冲突检测),CSMA/CA相关内容在802.11标准中定义,802.11b、802.11a、802.11g直接沿用。
由于在RF传输网络中冲突检测比较困难,所以该协议用避免冲突检测代替在802.3协议使用的冲突检测,使用信道空闲评估(CCA)算法来决定信道是否空闲,通过测试天线口能量和决定接收信号强度RSSI来完成。
CSMA/CA使用RTS、CTS和ACK帧减少冲突。
除了802.11、802.11b、802.11a、802.11g这四个标准涉及物理层外,为了促进802.11a在欧洲的推广发展,与ETSI的HiperLAN/2竞争,IEEE又提出了802.11h标准,在802.11a基础上增加自动频率选择(DFS)和发送功率控制(TPC)功能,以适应802.11a在欧洲推广发展的需要,符合欧洲有关管制规定的要求。
802.11是MAC层标准的基础,在此基础上,为了满足在安全性、QoS等方面的进一步要求,IEEE相继提出了802.11e、802.11f、802.11i等标准。
802.11e增强了802.11MAC层,为WLAN应用提供了QoS支持能力。
802.11e对MAC层的增强与802.11a、802.11b中对物理层的改进结合起来,就增强了整个系统的性能,扩大了802.11系统的应用范围,使得WLAN也能够传送语音、视频等应用。
802.11f标准定义了一套称之为IAPP(Inter-AccessPointProtocol)的协议,以实现不同供应商的接入点AP间的互操作性。
谈到802.11i标准,就不能不提到802.1X标准。
802.1X标准完成于2001年,它是所有IEEE802系列LAN(包括无线LAN)的整体安全体系架构,包括认证(EAP和Radius)和密钥管理功能。
802.11i是对802.11MAC层在安全性方面的增强,它与802.1X一起,为WLAN提供认证和安全机制。
除了上面已说明的标准之外,802.11系列标准中,还有一个802.11d标准,802.11d标准定义了一些物理层方面的要求(诸如信道化、跳频模式等)以适应802.11设备在一些国家应用时这些国家无线电管制上的特殊要求。
蓝牙技术
蓝牙(IEEE802.15)是一项最新标准,对于802.11来说,它的出现不是为了竞争而是相互补充。
蓝牙比802.11更具移动性,比如,802.11限制在办公室和校园内,蓝牙能把一个设备连接到局域网(LAN)和广域网(WAN),甚至支持全球漫游。
此外,蓝牙成本低,体积小,可用于更多的设备。
但是,蓝牙主要是点对点的短距离无线发送技术,本质上要么是RF,要么是红外线。
而且,蓝牙被设置成低功耗、短距离,低带宽的应用,严格来讲,不算是真正的局域网技术。
HomeRF
家庭网络设计,旨在降低语音数据成本。
HomeRF也采用了扩频技术,工作在2.4GHz频带,能同步支持4条高质量语音信道。
但目前HomeRF的传输速率只有1~2Mbps,FCC(FedralCommunicationsCommission)建议增加到10Mbps。
第3章 IEEE802.11标准
IEEE802.11b作为一种高速无线局域网协议,其最高速率可达11Mbps,其MAC层媒体访问有两种控制方式:
第一种方案是分布式协调功能(DCF,DistributedCoordinationFunction),类似于传统的分组网,支持异步数据传输等异步业务,所有要传输数据的用户拥有平等接入网络的机会;第二种方案是点协调功能(PCF,PointCoordinationFunction),基于由接入点控制的轮询(poll)方式,主要用于传输实时业务。
MAC子层由DCF和PCF两部分组成。
其中分布协调功能DCF是数据传输的基本方式,直接位于物理层之上,作用于媒体竞争期(CP),所有站点均支持DCF,其核心是CSMA/CA技术。
点协调功能PCF建立在DCF基础上,工作于非竞争期。
两者总是交替出现,先由DCF竞争媒体使用权,然后进入非竞争期(CFP),由PCF控制数据传输。
该机制的基本内容为:
当STA监听信道时,如果发现信道空闲间隔大于规定的帧间间隙(IFS),则立即开始发送帧;否则推迟其帧的发送,直至监测到需要的空闲帧间隔。
3.1IEEE802.11MAC相关技术
3.1.1载波检测机制
802.11b的载波检测包括物理的载波检测和虚拟的载波检测,当二者任一报告信道忙,则信道被认为忙,否则被认为空闲。
物理的载波检测机制由物理层提供,通过检测信道是否有信号来实现。
虚拟检测机制由MAC层提供,该机制参考每个STA的NAV(网络分配矢量)实现。
NAV包含了对媒体上将要发生的通信进行预测的信息。
802.11b的帧里都有一个时间长度域,该域定义了信道将要被占用的时间,NAV的值就是通过适当算法从这些帧里获取的。
3.1.2帧间间隙(IFS)
帧与帧之间的时间间隙被称作帧间间隙(IFS)。
所有使用物理载波检测的STA只有检测到信道空闲的时间大于IFS后,才认为信道是空闲的。
MAC层定义了4种不同的邢以提供对无线媒体访问的不同优先级,它们分别是:
SIFS,PIFS,DIFS,EIFS,其具体关系为SIFS<PIFS<DIFS<EIFS。
SIFS用于很紧急的情况下使用,比如应答帧。
PIFS用于在PCF中的新的帧发送前使用。
DIFS用于在DCF间新的帧发送前使用。
EIFS用于当STA接收到了一个错误的PCS(帧检测序列)的帧之后,要发送新的帧之前使用。
3.1.3退避程序
在媒体由忙变为闲的瞬间是冲突的高发生点,这是因为多个STA可能已经在等待媒体变为可用。
在发送帧之前,如果有多个STA在监听信道并且在同一时刻开始计数DIFS或者EIFS,若此时若没有退避机制,则当DIFS或EIFS结束后,多个STA将同时使用信道,结果是多个STA将发生冲突。
所以,在DIFS或者EIFS后加入一随机延后时间,使冲突得以尽量避免。
如图3-1所示,为当STA有帧要发送时,则调用载波检测机制来决定信道的忙闲状态,如果信道忙,STA将推迟其帧的发送直至信道空闲时间为DIFS或者EIFS。
在DIFS或者EIFS后,STA将在帧发送前产生一个随机延后时间来推迟发送时间,如果STA的延后时间为非零值,即该STA不是第一次参与退避,则该STA不允许重新选择随机时间。
该程序的一重要结果是当多个STA都推迟传送并且进入随机退避,那么选用最小退避时间的STA或者多次参与退避的STA将赢得竞争。
3.1.4RTS/CTS握手协议
RTS/CTS协议即请求发送/允许发送协议,相当于一种握手协议,主要用来解决“隐藏终端”问题。
在802.11参数配置中,若使用RTS/CTS协议,同时设置传送上限字节数——一旦待传送的数据大于此上限值时,即启动RTS/CTS握手协议:
首先,A向B发送RTS信号,表明A要向B发送若干数据,B收到RTS后,向所有基站发出CTS信号,表明已准备就绪,A可以发送,其余基站暂时“按兵不动”,然后,A向B发送数据,最后,B接收完数据后,即向所有基站广播ACK确认帧,这样,所有基站又重新可以平等侦听、竞争信道了。
图3-2显示了在源节点和目的节点之间进行RTS/CTS控制帧交换的过程。
如果源节点要发送一个单播数据包DATA,那么它在侦听到信道空闲并等待了DIFS(再加上随机后退时间)后,源节点首先发送一个RTS控制帧。
RTS控制帧和其它数据帧的优先级是相同的。
RTS帧的头部Duration字段中包含有完成数据传输过程所需的持续时间。
这个持续时间指的是传输整个数据帧和其应答包所需要的所有时间。
收到这个RTS的每个非目的节点都要根据Duration字段来设置各自的NAV(NetworkAllocationVector),这个NAV指定了每个接收到此RTS帧的非目的节点可以试图访问无线介质的最早开始时间,也就是说在NAV这段时间内,这些非目的节点不会试图去占用信道,而是保持沉默,直到源节点与目的节点之完成数据的传输过程。
如果目的节点收到RTS帧,在等待SIFS间隔后,它用一个CTS(ClearToSend)控制帧进行应答。
CTS帧的头部也包含Duration字段,所有接到这个CTS的节点必须再次调整它们的NAV。
源节点接收到CTS后,经过一个SIFS间隔把DATA送出去。
目的节点在接收到DATA帧之后再等待一
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