局域網(wǎng)MAC層使用的多址接入技術(shù)綜述

1、局域網(wǎng)MAC層使用的多址接入技術(shù)綜述學(xué) 院：電子信息工程學(xué)院專 業(yè)：學(xué)生姓名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師： 2015 年 10 月 25 日局域網(wǎng)MAC層使用的多址接入技術(shù)綜述一、 局域網(wǎng)概述：1.1 關(guān)于局域網(wǎng)局域網(wǎng)（ LANLocal Area Network）是將分散在有限地理范圍內(nèi)的多臺計(jì)算機(jī)通過傳輸媒體連接起來的通信網(wǎng)絡(luò)，通過功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間相互通信和共享資源。局域網(wǎng)(LAN)具有以下特點(diǎn)： 地理分布范圍較小，一般為數(shù)百米至數(shù)公里,可覆蓋一幢大樓、一所校園或一個(gè)企業(yè)。 數(shù)據(jù)傳輸速率高，一般為10、 100Mbps，目前已出現(xiàn)速率高達(dá)1000Mbps甚至更高的局域網(wǎng)。 誤碼率低

2、，一般在10-1110-8。這是因?yàn)榫钟蚓W(wǎng)通常采用短距離基帶傳輸可以使用高質(zhì)量的傳輸媒體，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。 以PC機(jī)為主體，包括終端及各種外設(shè)，網(wǎng)中一般不設(shè)中央主機(jī)系統(tǒng)。 一般包含OSI參考模型中的低三層功能，即涉及通信子網(wǎng)通信子網(wǎng)的內(nèi)容。 協(xié)議簡單、結(jié)構(gòu)靈活、建網(wǎng)成本低、周期短、便于管理和擴(kuò)充。IEEE 802委員會給出的下圖所示的局域網(wǎng)參考模型中只包括OSI中的數(shù)據(jù)鏈路層及物理層。其中數(shù)據(jù)鏈路層細(xì)分為兩個(gè)子層：邏輯鏈路控制層（ LLC層）及媒體訪問控制層（ MAC層）。IEEE802協(xié)議體系由一系列標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議構(gòu)成，包括802.1、802.2、 802.3、 802.4、 802.5、

3、 802.6、 802.7、 802.8、802.9、 802.10、 802.11、 802.12、 802.14、 802.15、802.16 、 802.20 等一系列協(xié)議。IEEE802協(xié)議體系中，局域網(wǎng)在實(shí)現(xiàn)時(shí)， 物理層及MAC層由網(wǎng)卡內(nèi)的硬件及軟件來完成，而LLC層以上各層均由計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。對于采用不同協(xié)議的局域網(wǎng)，它們僅在MAC層及物理層相異，而上層都保持一致，這使得網(wǎng)絡(luò)互連性及兼容性大大提高，也是網(wǎng)絡(luò)易于更改、升級。1.2 局域網(wǎng)的MAC層WLAN都以多路復(fù)用信道作為通信的基礎(chǔ)，這樣與采用點(diǎn)到點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò)相比，存在一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題：當(dāng)信道的使用產(chǎn)生競爭時(shí)，如何分配信道的使

4、用權(quán)。在WLAN中完成該功能的是數(shù)據(jù)鏈路層DLC的介質(zhì)訪問控制MAC (medium access control)子層?？梢哉f，WLAN的網(wǎng)絡(luò)性能(吞吐量、時(shí)延等)完全取決于MAC子層的接入?yún)f(xié)議。所以，制定適當(dāng)?shù)腗AC子層規(guī)范，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)特征有效地配置信道資源，提高無線資源的使用效率，提高系統(tǒng)的容量和傳輸質(zhì)量，是未來WLAN研究的重要課題。二、 局域網(wǎng)MAC層使用的多址接入技術(shù)2.1 MAC接入機(jī)制的分類MAC層的中心論題是相互競爭的用戶之間如何分配信道資源。多個(gè)終端共享同一信道資源的方法稱為信道接入方式，或稱多址方式。在無線局域網(wǎng)中MAC子層常用的多址機(jī)制可以分為以下三類： 隨機(jī)競爭類，

5、如Aloha系列。隨機(jī)競爭類的協(xié)議一般使用公共信道，連接在這條信道上的終端都可以向信道發(fā)送廣播信息。如果終端需要發(fā)送，它以某種方式競爭信道的使用權(quán)，一旦得到使用權(quán)立即發(fā)送，所有的終端都能接收到發(fā)自任一終端的信息，如果檢測到是發(fā)給自己的就接受，否則拋棄。 按需分配類(或稱預(yù)約類、無競爭類)，如token ring等。這種方法的原則是網(wǎng)絡(luò)按某種循環(huán)順序詢問每個(gè)終端是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，如果有則立即發(fā)送，否則網(wǎng)絡(luò)立即轉(zhuǎn)向下一個(gè)終端。輪詢的特點(diǎn)是各分站可以公平地獲取信道訪問控制權(quán)，適用于通信業(yè)務(wù)量隨時(shí)間變化，且這種變化又難以預(yù)測的情況。這種多址方式操作簡單易于實(shí)現(xiàn)，在一般的實(shí)時(shí)分布式測控系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用

6、。 固定分配類，如FDMA、TDMA、CDMA等;它們的原則是把共享的一條信道分割成若干個(gè)相互獨(dú)立的子信道，每個(gè)子信道又分配給一個(gè)或多個(gè)用戶專用。以上三類多址接入技術(shù)分別適用于不同的通信業(yè)務(wù)。對于以話音業(yè)務(wù)為主，通信量穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，固定分配類可以提供可靠的服務(wù),同時(shí)又保持很高的信道利用率。按需分配類，不存在信息的碰撞，但是通常需要一個(gè)專用信道，所有的用戶在該信道上以固定分配或隨機(jī)接入的方式提出呼叫申請，適用于通信業(yè)務(wù)量隨機(jī)變化且難以預(yù)測的情況。固定分配和按需分配適合于對實(shí)時(shí)性要求高的業(yè)務(wù)，而隨機(jī)競爭類更適用于間歇性工作的用戶發(fā)送非時(shí)延敏感性的業(yè)務(wù)。2.2 幾種WLAN系統(tǒng)的多址接入機(jī)制2.2.1

7、 IEEE802.5/令牌環(huán)網(wǎng)技術(shù)令牌環(huán)網(wǎng)（Token-ring network）常用于IBM系統(tǒng)中，其支持的速率為4Mbps和16Mbps兩種。目前Novell、IBM LAN Server支持16MbpsIEEE802.5/令牌環(huán)網(wǎng)技術(shù)。在這種網(wǎng)絡(luò)中，有一種專門的幀稱為“令牌”，在環(huán)路上持續(xù)地傳輸來確定一個(gè)結(jié)點(diǎn)何時(shí)可以發(fā)送包。令牌環(huán)網(wǎng)是IBM公司于70年代發(fā)展的，21世紀(jì)以后這種網(wǎng)絡(luò)比較少見。在這種網(wǎng)絡(luò)中，有一種專門的幀稱為“令牌”，在環(huán)路上持續(xù)地傳輸來確定一個(gè)結(jié)點(diǎn)何時(shí)可以發(fā)送包。令牌為24位長，有3個(gè)8位的域，分別是首定界符（Start Delimiter，SD）、訪問控制（Access

8、 Control，AC）和終定界符（End Delimiter，ED）。首定界符是一種與眾不同的信號模式，作為一種非數(shù)據(jù)信號表現(xiàn)出來，用途是防止它被解釋成其它東西。這種獨(dú)特的8位組合只能被識別為幀首標(biāo)識符（SOF）。令牌環(huán)網(wǎng)的媒體接入控制機(jī)制采用的是分布式控制模式的循環(huán)方法。在令牌環(huán)網(wǎng)中有一個(gè)令牌(Token)沿著環(huán)形總線在入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)間依次傳遞，令牌實(shí)際上是一個(gè)特殊格式的幀，本身并不包含信息，僅控制信道的使用，確保在同一時(shí)刻只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)占信道。當(dāng)環(huán)上節(jié)點(diǎn)都空閑時(shí)，令牌繞環(huán)行進(jìn)。節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)只有取得令牌后才能發(fā)送數(shù)據(jù)幀，因此不會發(fā)生碰撞。由于令牌在網(wǎng)環(huán)上是按順序依次傳遞的，因此對所有入網(wǎng)

9、計(jì)算機(jī)而言，訪問權(quán)是公平的。令牌在工作中有“閑”和“忙”兩種狀態(tài)?！伴e”表示令牌沒有被占用，即網(wǎng)中沒有計(jì)算機(jī)在傳送信息；“忙”表示令牌已被占用，即網(wǎng)中有信息正在傳送。希望傳送數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)必須首先檢測到“閑”令牌，將它置為“忙”的狀態(tài)，然后在該令牌后面?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)。當(dāng)所傳數(shù)據(jù)被目的節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)接收后，數(shù)據(jù)被從網(wǎng)中除去，令牌被重新置為“閑”。令牌環(huán)網(wǎng)的缺點(diǎn)是需要維護(hù)令牌，一旦失去令牌就無法工作，需要選擇專門的節(jié)點(diǎn)監(jiān)視和管理令牌。 由于以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，令牌網(wǎng)存在固有缺點(diǎn)，令牌在整個(gè)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)已不多見，原來提供令牌網(wǎng)設(shè)備的廠商多數(shù)也退出了市場，所以在局域網(wǎng)市場中令牌網(wǎng)可以說是“明日黃花”了。令牌環(huán)網(wǎng)上

10、，傳輸?shù)男盘柺遣罘致鼜厮固鼐幋a信號。2.2.2 IEEE802.11802.11是IEEE(Institute of Electronic and Electrical Engineers)于97年推出的WLAN的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)， 該標(biāo)準(zhǔn)考慮了兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)BSS和獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)IBSS。BSS是IEEE 802.11結(jié)構(gòu)的基本功能模塊，它覆蓋的地理區(qū)域類似于蜂窩通信網(wǎng)中的蜂窩。在BSS內(nèi)，任一終端可與任一其它終端直接建立通信過程。每個(gè)BSS中有一個(gè)終端作為接入點(diǎn)AP接入分布系統(tǒng)DS，并通過DS與其他BSS相連，形成擴(kuò)展業(yè)務(wù)群ESS，也可以通過DS和PORTAL與其他有線LAN相連。而IB

11、SS是由BSS內(nèi)的一組終端組成，是完全無中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。802.11的MAC層的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：其中，DCF是無線網(wǎng)絡(luò)對共享媒體的一種訪問控制功能，其核心是CSMA/CA，包括載波檢測(CS)機(jī)制、幀間間隔(IFS)和隨機(jī)退避(random back-off)規(guī)程。對802.11而言，網(wǎng)絡(luò)中所有的終端要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，都要按照CSMA/CA的媒體訪問方法接入共享媒體，也就是說需要發(fā)送數(shù)據(jù)的終端首先要監(jiān)聽媒體，以便知道是否有其它終端正在發(fā)送。如果媒體不忙，則可以進(jìn)行發(fā)送處理，但不是馬上發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而是由CSMA/CA分布算法，強(qiáng)制性地控制各種數(shù)據(jù)幀相應(yīng)的時(shí)間間隔(IFS)，只有在該類型幀所規(guī)定的

12、IFS內(nèi)媒體一直是空閑的方可發(fā)送。如檢測到媒體正在傳送數(shù)據(jù)，則該終端將推遲競爭媒體，一直延遲到現(xiàn)行的傳輸結(jié)束為止。在延遲之后,該終端要經(jīng)過一個(gè)隨機(jī)退避時(shí)間重新競爭對媒體的使用權(quán)。退避時(shí)間的設(shè)置：退避時(shí)間按下面的方法選擇后，作為遞減退避計(jì)數(shù)器的初始值。退避時(shí)間=INTCW×Random( )×Slot TimeCW(競爭窗)：在MIB中CWminCwmax中的一個(gè)整數(shù);Random( )：01之間的偽隨機(jī)數(shù);Slot Time：MIB中的時(shí)隙值。關(guān)于競爭窗CW參數(shù)的選擇，初始值為CWmin，如果發(fā)送MPDU不成功，則逐步增加CW的值，直到CWmax，呈指數(shù)增加，以適應(yīng)高負(fù)載的

13、情況。具體過程如下：1).檢測到媒體空閑時(shí)，退避計(jì)時(shí)器遞減計(jì)時(shí);2).檢測到媒體忙時(shí)，退避計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，直到檢測到媒體空閑時(shí)間大于DIFS后重新遞減計(jì)時(shí)。3).退避計(jì)時(shí)器減少到0時(shí)，媒體仍為空，則該終端就占用媒體。4).退避時(shí)間值最小的終端在競爭中獲勝，取得對媒體的訪問權(quán);失敗的終端會保持在退避狀態(tài)，直到下一個(gè)DIFS。5).保持在退避狀態(tài)下的終端，比第一次進(jìn)入的新終端具有更短的退避時(shí)間，易于接入媒體。CSMA/CA的基礎(chǔ)是載波偵聽，802.11根據(jù)WLAN的媒體特點(diǎn)提出了兩種載波檢測方法。一種是基于物理層的載波檢測CS，從接收射頻或天線信號檢測信號能量或根據(jù)接收信號的質(zhì)量來估計(jì)信道的忙閑狀

14、態(tài);另一種是虛擬CS方式，通過MAC報(bào)頭或RTS/CTS中的NAV來實(shí)現(xiàn)。只要其中之一指示媒體正在被使用，媒體就被認(rèn)為已處于忙狀態(tài)。以CSMA/CA為基礎(chǔ)的分布協(xié)調(diào)功能(DCF)是MAC的基本訪問方式，DCF只能提供競爭型的異步業(yè)務(wù)，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)較大。為了能提供限時(shí)服務(wù)，MAC協(xié)議還提供了一種不適用于IBSS，用戶可按需選擇的點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF的訪問方式。PCF建立在DCF基礎(chǔ)上，由BSS內(nèi)接入點(diǎn)AP的中心控制器來決定當(dāng)前哪一個(gè)站有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)。PCF通過DCF以較高的優(yōu)先級來競爭媒體，訪問媒體的優(yōu)先級別是以不同的IFS的長短來決定的。PCF用較短的PIFS，使PCF的業(yè)務(wù)優(yōu)先訪問媒體。PCF

15、不象DCF那樣，每個(gè)終端用CCA( Clear Channel Assessment )和隨機(jī)退避來競爭信道，而是點(diǎn)協(xié)調(diào)器用信標(biāo)幀BF(Beacon Frame)定義無競爭期CFP來獲得信道，BF是以一定規(guī)則間隔發(fā)送的定時(shí)信息幀。BSS內(nèi)的所有終端在每一個(gè)CFP的開始，設(shè)置它們的網(wǎng)絡(luò)配置矢量NAV，告訴所有的終端在該NAV內(nèi)要延遲接入媒體。工作在PCF的BSS中的所有終端都能接收到PCF控制下發(fā)送來的所有的幀，也能夠?qū)c(diǎn)協(xié)調(diào)器發(fā)送的無競爭輪詢CF-Poll 作出響應(yīng)。被輪詢終端在CPF內(nèi)不使用RTS/CTS，它只發(fā)送一個(gè)可達(dá)任何目的終端的MSDU，且可以接收到來自下一幀的確認(rèn)應(yīng)答。如果數(shù)據(jù)幀不

16、被應(yīng)答，則CF-Pollable終端將不重發(fā)該幀，除非它再一次被點(diǎn)協(xié)調(diào)器輪詢或它決定在競爭期間重發(fā)。同樣，點(diǎn)協(xié)調(diào)器也不對未確認(rèn)幀進(jìn)行重發(fā)，它在下一個(gè)CFP內(nèi)根據(jù)注明在輪詢表表頭的終端識別號SID重發(fā)未應(yīng)答的幀。如果一個(gè)CF發(fā)送幀的目的終端不處于無競爭輪詢狀態(tài)，則該終端按DCF應(yīng)答規(guī)則應(yīng)答此次發(fā)送，且點(diǎn)協(xié)調(diào)器在恢復(fù)CF發(fā)送之前要等待一個(gè)PIFS，再控制媒體。點(diǎn)協(xié)調(diào)器可單獨(dú)使用無競爭幀向BSS內(nèi)的終端發(fā)送，無需詢問。由于PCF具有優(yōu)先接入媒體的優(yōu)勢，點(diǎn)協(xié)調(diào)器可在媒體空閑時(shí)占有媒體，進(jìn)入無競爭期，采用輪詢方式在BSS內(nèi)各站來發(fā)送數(shù)據(jù)幀。因此，PCF具有較小的延遲，能促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量最佳化，更好的支持無

17、競爭的限時(shí)業(yè)務(wù)，如語音、話音、視頻或多媒體業(yè)務(wù)等。2.2.3 HIPERLAN/2HIPERLAN/2是歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會ETSI(European Telecommunications Standards Institute)主推的歐洲標(biāo)準(zhǔn)。HIPERLAN/2無線接口采用的是基于時(shí)分雙工TDD和動(dòng)態(tài)時(shí)分多址TDMA，所謂動(dòng)態(tài)即是由接入點(diǎn)AP配置無線資源并動(dòng)態(tài)調(diào)整MAC幀各部分的結(jié)構(gòu)比例，動(dòng)態(tài)分配信道，以達(dá)到資源的最佳利用。其協(xié)議站結(jié)構(gòu)如下圖：HIPERLAN/2的基本MAC 幀具有2ms的固定時(shí)長，它包括廣播信道BCH、幀信道FCH、接入反饋信道ACH、隨機(jī)接入信道RCH等傳輸信道。其中，B

18、CH的時(shí)長是固定的，每扇區(qū)一個(gè)，其他信道的時(shí)長則根據(jù)當(dāng)時(shí)的通信情況動(dòng)態(tài)變化。廣播信道BCH下行傳播有關(guān)傳輸功率級別、喚醒指示器、FCH和 RCH的起始點(diǎn)和長度等信息。幀控制信道FCH詳細(xì)描述在當(dāng)前的MAC幀中資源的分配情況。訪問反饋信道ACH傳輸與前一幀的RCH相關(guān)的應(yīng)答信息。MT用隨機(jī)信道RCH向AP請求分配上行或下行傳輸資源，并傳輸某些RLC 信令信息。每扇區(qū)至少要保證擁有一個(gè)RCH，若MT發(fā)來的RR(Resource Request)增加，AP將分配更多的資源給RCH。這些控制信息通過MAC幀進(jìn)行發(fā)送并且到達(dá)所有的MT，MT一直監(jiān)聽并處理來自BCH和FCH的信息，當(dāng)它嘗試接入RCH后，也

19、要監(jiān)聽相應(yīng)的ACH，以獲得RG(Resource Grant)。MT接入RCH的過程是由競爭窗CWa來控制的。第一次接入之前，要產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字a，并將其置為零。初次嘗試： a=0 CW0 = n256 2a256重發(fā)： a1 CWa = 2a n<2a256n n2a當(dāng)在RCH信道進(jìn)行第a次重發(fā)時(shí)，要在1, CWa之間隨機(jī)選擇一個(gè)參數(shù)ra(若a=0，則ra=1)，然后，MT開始計(jì)算MAC幀的RCH的數(shù)目，當(dāng)數(shù)到第ra個(gè)RCH時(shí)，MT接入該RCH。若接入成功，a重新置零，以備下次嘗試接入再用;若接入失敗，AP就通過下一幀的ACH告訴MT發(fā)生碰撞，則a=a +1，再重復(fù)以上步驟。AP為了控制資

20、源配置，需要知道自身緩沖區(qū)和MT緩沖區(qū)的配置，因此，MT在RR中要說明自己的緩沖區(qū)狀態(tài)，并根據(jù)傳輸能力來請求資源分配。AP根據(jù)緩沖區(qū)的狀態(tài)和所有的RR信息，按需考慮服務(wù)質(zhì)量要求，并公平的分配資源。若RR發(fā)送成功，AP就通過下一幀的ACH告訴MT發(fā)送成功并通過FCH來安排一幀內(nèi)的詳細(xì)的資源分配，例如MT應(yīng)該發(fā)送和接收的時(shí)隙。MAC幀結(jié)構(gòu)下圖所示。2.2.4 其他幾種多址接入機(jī)制 802.1是一個(gè)最基本的標(biāo)準(zhǔn)，描述了各協(xié)議間的關(guān)系、參考模型及與較高層協(xié)議的關(guān)系。 包括： Glossary（術(shù)語表）、Network Management（網(wǎng)絡(luò)管理）、 Internetworking（網(wǎng)絡(luò)互連）、 IEEE802概述和結(jié)構(gòu)， 802.1q包含有虛擬局域網(wǎng)（VLAN）標(biāo)準(zhǔn)， 802.1d中包含有生成樹協(xié)議（ STP，Spanning Tree Protocol），用于局域網(wǎng)的橋接。 802.10描述了局域網(wǎng)的安全與保密問題，為有線和無線局域網(wǎng)提供了安全保障。在802.10a標(biāo)準(zhǔn)中提出了數(shù)據(jù)安全的一些標(biāo)準(zhǔn)如安全框架，在802.10