WIFI基本數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制理解

1、802.11根本數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制理解1.802.11網(wǎng)絡(luò)根本概念1.1802.11網(wǎng)絡(luò)元素Station(STA):具有802.11無(wú)線網(wǎng)卡的設(shè)備，包括手機(jī)、筆記本電腦等。AccessPoint(AP):實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與固定網(wǎng)絡(luò)連接功能的設(shè)備，通常也稱作“熱點(diǎn)，它主要完成STA與STA之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、STA與骨干網(wǎng)之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)以及必要的管理工作。本文中將AP和STA通稱為Node節(jié)點(diǎn)。WirelessMedium(WM):STA之間以及STA與AP之間傳遞數(shù)據(jù)的通道，即無(wú)線鏈路。無(wú)線鏈路一詞相對(duì)直觀和容易理解，本文中的用無(wú)線鏈路只帶WM。DistributionSystem(DS):8023.11

2、中的一個(gè)邏輯概念，通常包括兩局部：骨干網(wǎng)以及AP的幀分發(fā)機(jī)制。這里的骨干網(wǎng)指的是連接各AP的固網(wǎng)，通常可以理解為以太網(wǎng)；AP的幀分發(fā)機(jī)制那么完成骨干網(wǎng)與STA、以及STA與STA之間的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)工作。1.2802.11a網(wǎng)方式IndependentBasicServiceSet(IBSS)一IBSS中只有STA和WM,沒(méi)有AP和DS一舊SS內(nèi)的通信只能發(fā)生在STA直接通信距離內(nèi)一舊SS內(nèi)STA間的通信都是點(diǎn)到點(diǎn)直接通信，沒(méi)有轉(zhuǎn)發(fā)ind玨endentBSS圖1IBSS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造InfrastructureBasicServiceSet(BSS)BSS內(nèi)有STA、AP和WM,但沒(méi)有DS一BSS的X圍

3、由AP的覆蓋X圍決定一BSS內(nèi)的各STA的通信均由AP中轉(zhuǎn)，不能直接通信一BSS內(nèi)STA在通信前必'須先與AP進(jìn)展關(guān)聯(lián)(associate)建立STA-AP的對(duì)應(yīng)綁定關(guān)系STA總是關(guān)聯(lián)的發(fā)起方，AP是響應(yīng)方并決定是否允許STA的參加一一個(gè)STA同一時(shí)刻最多只能與一個(gè)AP進(jìn)展關(guān)聯(lián)一AP的存在使得各STA可以以省電(power-saving:PS)模式工作圖2 BSS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造ExtendedServiceSet(ESS)一多個(gè)BSS串在一起組成一個(gè)ESS,同一ESS內(nèi)的所有AP使用同一個(gè)SSID(ServiceSetIdentifier)一一個(gè)ESS內(nèi)的各BSS由DS連接起來(lái)圖3ESS網(wǎng)絡(luò)

4、構(gòu)造2. 802.11數(shù)據(jù)傳輸?shù)母締?wèn)題及解決方案2.1 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詫?shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤地送達(dá)目的地是任何通信技術(shù)的根本要求。802.11中引入多種機(jī)制來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?.1.1 ACK機(jī)制接收方成功接收到一個(gè)幀后，向發(fā)送方回復(fù)一個(gè)Ack幀進(jìn)展確認(rèn)。這里的成功接收意味著MAC幀已經(jīng)收到且FCS校驗(yàn)結(jié)果正確。圖4引入ACK后的幀交互機(jī)制一般情況下有兩種幀要求Ack幀確實(shí)認(rèn)：?jiǎn)尾簡(jiǎn)尾慕邮照弑仨毾虬l(fā)送者回復(fù)Ack進(jìn)展確認(rèn)ToDS域?yàn)?的多播/播送幀：ToDS為1意味著這個(gè)報(bào)文需要由AP轉(zhuǎn)發(fā)到DS里去，AP向發(fā)送方確認(rèn)報(bào)文已收到并會(huì)被轉(zhuǎn)到DS里去。此時(shí)其他STA不回復(fù)。多播/播送幀不要

5、求、也不能要求收到該幀的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都ACK回復(fù)，因?yàn)檫@樣既無(wú)必要，AP也無(wú)法處理。發(fā)送方收不到Ack幀的可能情況有：接收方未接收到幀，所以沒(méi)有回復(fù)Ack接收方收幀過(guò)程出錯(cuò)，或是對(duì)幀的FCS校驗(yàn)失敗，沒(méi)有回復(fù)Ack接收方成功收到幀，但發(fā)送方?jīng)]有成功收到Ack幀不管是那種情況，發(fā)送方都會(huì)認(rèn)為發(fā)送失敗并啟動(dòng)重傳。2.1.2 重傳機(jī)制802.11中提供一個(gè)門(mén)限值RTSThreshold,長(zhǎng)于或等于該門(mén)限值的幀被認(rèn)為是長(zhǎng)幀，而短于該門(mén)限值的幀被認(rèn)為是短幀。系統(tǒng)為每一個(gè)即將傳輸?shù)膸琲mpendingframe都相應(yīng)地配備有一個(gè)重發(fā)計(jì)數(shù)器RetryCounter,長(zhǎng)幀那么為L(zhǎng)RCLongRC，短幀那么為SRC

6、ShortRC。每重傳一次，相應(yīng)的RC就加1。系統(tǒng)中對(duì)幀的重傳次數(shù)是有限制的。如果重傳次數(shù)到達(dá)上限但傳輸依然沒(méi)有成功，該幀將被丟棄。此外系統(tǒng)對(duì)每一幀的有效時(shí)間也是有限制的，也就是說(shuō)每一幀都應(yīng)該在一定時(shí)間內(nèi)被成功發(fā)出，否那么該幀就失效了，系統(tǒng)會(huì)將其丟棄。綜上所述，幀的重傳不會(huì)無(wú)限制的重復(fù)下去，當(dāng)發(fā)生下述情況之一時(shí)，重傳終止：得到了接收方的Ack,發(fā)送成功；重傳次數(shù)到達(dá)上限但仍未收到接收方的Ack,發(fā)送失敗，棄幀；當(dāng)前幀已經(jīng)過(guò)了有效時(shí)期但仍未收到接收方的Ack,發(fā)送失敗，棄幀。重傳意味著對(duì)幀的緩沖，意味著對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存及其他資源的占用。而幀越長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存的占用就越多。因此按幀的的長(zhǎng)短進(jìn)展分類，降低長(zhǎng)

7、幀的重傳上限，有利于提高系統(tǒng)資源的利用效率。鑒于發(fā)送方?jīng)]收到Ack的可能原因，重傳有可能導(dǎo)致接收方收到重復(fù)幀，因此接收方需要相應(yīng)的重復(fù)幀過(guò)濾機(jī)制。2.1.3重復(fù)幀過(guò)濾機(jī)制802.11網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括STA和AP,都會(huì)根據(jù)所收到的幀來(lái)緩存并更新<對(duì)端地址，幀序號(hào)，分片序號(hào)>組合，對(duì)于每一個(gè)對(duì)端地址，只需要保存最近收到的幀的<地址，幀序號(hào)，分片序號(hào)>組合。收幀過(guò)程中，如果接收端發(fā)現(xiàn)當(dāng)前幀是一個(gè)重傳幀幀中的RetryBit為1，那么根據(jù)當(dāng)前幀的發(fā)送者地址找到緩存中對(duì)應(yīng)的<對(duì)段地址，幀序號(hào)，分片序號(hào)>。如果當(dāng)前幀的幀序號(hào)小于或等于組合中的幀序號(hào)，或者幀序號(hào)一

8、樣但是分片序號(hào)小于或等于組合中的幀序號(hào)，接收方會(huì)將該幀認(rèn)為是重復(fù)幀而將其丟棄。如果當(dāng)前幀中的RetryBit為0，接收端將不會(huì)啟動(dòng)重復(fù)幀過(guò)濾機(jī)制。對(duì)重復(fù)幀，接收方依然回復(fù)ACK幀，以免發(fā)送方不斷重傳。2.1.4分片機(jī)制根據(jù)幀格式的定義，802.11幀中負(fù)載的最大長(zhǎng)度為23424字節(jié)。對(duì)于更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，那么需要將其分片成多個(gè)幀組成分片序列來(lái)完成傳輸。802.11的分片序列中，除了最后一片，所有分片大小都應(yīng)一樣，且應(yīng)該是偶數(shù)個(gè)字節(jié)。整個(gè)分片序列共享一個(gè)幀序號(hào)，幀序號(hào)表示各分片在整個(gè)序列中的位置。除了最后一片外，所有分片中的MoreFrag域都應(yīng)設(shè)為0以告知接收者還有后續(xù)分片。根據(jù)幀格式的定義，分片號(hào)

9、由4比特的二進(jìn)制序列表示，說(shuō)明一幀數(shù)據(jù)最多只能有16個(gè)分片。接收方先將所收到的分片緩存，收齊所有分片后按照分片號(hào)的先后順序重新組裝。如果未能收齊所有分片或者重組失敗，接收方將直接丟棄整個(gè)分片序列。在正常情況下，接收者應(yīng)對(duì)每一個(gè)收到的分片立即回復(fù)ACK，收到ACK后發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)分片。如果某個(gè)分片沒(méi)有被ACK，發(fā)送方將對(duì)該分片啟動(dòng)重傳機(jī)制。顯然，任何一個(gè)分片的發(fā)送失敗都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)序列的發(fā)送失敗。對(duì)大的數(shù)據(jù)包進(jìn)展分片處理，可以提高傳輸?shù)目煽啃浴?.2隱藏節(jié)點(diǎn)hiddennodd問(wèn)題考慮以下圖所示的情況：node1和node3都在node2的收發(fā)區(qū)域內(nèi)，但node1不在node3的收發(fā)區(qū)域，因

10、此對(duì)于node3相對(duì)于nodel而言是一個(gè)"隱藏節(jié)點(diǎn)"。同樣，node3也是nodel的“隱藏節(jié)點(diǎn)。如果不加任何約束的話，node1和node3很有可能同時(shí)向node2發(fā)送數(shù)據(jù)，而node2無(wú)法區(qū)分并成功接收，因而發(fā)生沖突。Area reachabfe by node 1Area fwfroWe by 3JUi -J q圖5隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題802.11中RTS/CTS機(jī)制可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。2.2.1RTS/CTS機(jī)制引入RTS/CTS機(jī)制后，節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程如以下圖所示:圖6引入RTS/CTS機(jī)制后的幀交互當(dāng)Nodel要向Node2發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送一個(gè)RTS(Re

11、questToSend)幀，如果Node2可以接收，那么回應(yīng)一個(gè)CTS(CTS)幀。收到CTS幀后，Node1就可以放心地將數(shù)據(jù)幀發(fā)出并等候Node2的ACK。ACK 。RTS幀一方面發(fā)出了一個(gè)對(duì)node2信道資源的預(yù)留請(qǐng)求，另一方面，收到該RTS幀的其他node將"沉默"，在RTS幀Duration域中所要求的時(shí)間內(nèi)不發(fā)送數(shù)據(jù)，以確保node1能成功發(fā)送完數(shù)據(jù)并收到ACK幀。同樣地，CTS幀一方面響應(yīng)了node1的預(yù)留請(qǐng)求，另一方面，收到該CTS幀的其他node(如Node3)也將“沉默”，在CTS幀Duration域中要求的時(shí)間內(nèi)不發(fā)數(shù)據(jù)，確保Node2能成功接收完數(shù)據(jù)

12、幀并回復(fù)RTS/CTS幀大大降低了數(shù)據(jù)沖突發(fā)生地可能性，不過(guò)由于RTS/CTS交互增加了額外的數(shù)據(jù)交互量，對(duì)于一些小數(shù)據(jù)幀的交互來(lái)說(shuō)，這局部額外的數(shù)據(jù)量明顯降低了鏈路的有效利用率。因此802.11系統(tǒng)中提供了一個(gè)門(mén)限值RTSThreshold,大于該門(mén)限值的數(shù)據(jù)幀的交互才使用RTS/CTS機(jī)制。而且該門(mén)限值也是可以改變的，如果該門(mén)限值設(shè)為0，那么就意味著所有的數(shù)據(jù)幀交互都會(huì)采用RTS/CTS機(jī)制，而如果該門(mén)限值大于802.11幀的最大值，那么就意味著所有的數(shù)據(jù)幀交互都不采用RTS/CTS機(jī)制而是直接發(fā)送。RTS/CTS機(jī)制對(duì)于單幀的數(shù)據(jù)交互可以起到很好的保護(hù)作用，但何時(shí)可以發(fā)送RTS幀？當(dāng)前幀

13、發(fā)送完畢之后，其它節(jié)點(diǎn)又該如何發(fā)起下一次數(shù)據(jù)交互并且沒(méi)有數(shù)據(jù)沖突？簡(jiǎn)單的RTS/CTS機(jī)制并不能解決這個(gè)問(wèn)題。HiddenNode的問(wèn)題其實(shí)鏈路/信道復(fù)用問(wèn)題的一種表達(dá)。我們需要一種全面的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線鏈路的互斥訪問(wèn)和公平分配。802.11中該機(jī)制是通過(guò)協(xié)調(diào)函數(shù)CF：CoordinationFunction來(lái)實(shí)現(xiàn)的。802.11支持三種協(xié)調(diào)函數(shù)：DCFDistributedCF、PCFPointCF和HCFHybridCF。其中DCF是其他兩種協(xié)調(diào)函數(shù)的根底，是802.11中最根本的無(wú)線鏈路管理和控制機(jī)制。3. DCFDCF采用CSMA/CA機(jī)制來(lái)監(jiān)測(cè)無(wú)線鏈路的忙閑狀態(tài)，采用隨機(jī)退避時(shí)間ra

14、ndombackofftime來(lái)完成對(duì)空閑鏈路的爭(zhēng)奪和分配。3.1 IFSInterFrameSpacing802.11中的幀間距不僅僅是連續(xù)發(fā)送的各幀之間用于彼此區(qū)分的間隔，還是對(duì)不同類型數(shù)據(jù)幀提供不同效勞優(yōu)先級(jí)的重要組成局部，是DCF機(jī)制重要的一局部。802.11中定義了五種幀間距：SIFS(ShortIFS)、PIFSPCFIFS、DIFSDataIFS、EIFSExtendedIFS和AIFSArbitrationIFS，其中PIFS和AIFS不在DCF中使用，此處先不討論。802.11 中的IFS是以時(shí)間為單位來(lái)表示的，SIFS、DIFS和EIFS的具體值會(huì)因PHY層定義的不同而不同

15、，但相對(duì)于具體一種PHY而言，它們的值都是固定的。SIFS時(shí)間最短，它只應(yīng)用在以下幾種數(shù)據(jù)幀之前：ACK幀回復(fù)RTS的CTS幀一個(gè)分片序列中的各分片DIFS較SIFS更長(zhǎng)，是節(jié)點(diǎn)開(kāi)場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)之前鏈路必須連續(xù)空閑的最短時(shí)間。在最近一次的數(shù)據(jù)包接收無(wú)誤的情況下，當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到介質(zhì)的連續(xù)空閑時(shí)間到達(dá)DIFS時(shí)，才能啟動(dòng)退避算法。如果最近一次的數(shù)據(jù)包接收發(fā)生了錯(cuò)誤，節(jié)點(diǎn)只能在檢測(cè)到截止連續(xù)空閑時(shí)間到達(dá)EIFS后才能啟動(dòng)退避算法。EIFS較DIFS要長(zhǎng)。802.12 沖突檢測(cè)機(jī)制沖突檢測(cè)機(jī)制用于監(jiān)測(cè)無(wú)線鏈路的忙閑狀況。理論上，沖突檢測(cè)機(jī)制既可以在物理層實(shí)現(xiàn)，也可以在MAC層實(shí)現(xiàn)。然而由于天線的半雙工特性，物理

16、層沖突檢測(cè)機(jī)制實(shí)現(xiàn)難度大且本錢(qián)高昂。因此一般都采用MAC層提供的虛擬沖突機(jī)制VirtualCS。虛擬沖突機(jī)制引入NAVNetworkAllocationVector，并通過(guò)對(duì)NAV的更新與檢測(cè)來(lái)確認(rèn)鏈路的忙閑狀況。NAV可以看作是一個(gè)時(shí)鐘，它記錄的其實(shí)是鏈路上當(dāng)前的數(shù)據(jù)交互還要持續(xù)的時(shí)間。NAV不為0就意味著當(dāng)前鏈路上有數(shù)據(jù)交互在發(fā)生。802.11的MAC幀頭中有一個(gè)2字節(jié)的Duration/ID域，絕大多數(shù)的幀除了用于PCF中的PS-Poll幀外都在該域中設(shè)置當(dāng)前的數(shù)據(jù)交互的持續(xù)時(shí)間。收到MAC幀的各節(jié)點(diǎn)根據(jù)幀中的Duration域以一定規(guī)那么更新本節(jié)點(diǎn)的NAV值，從而保證當(dāng)前數(shù)據(jù)交互的順利

17、完成。采用DCF的STA/AP在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，通常會(huì)采用RTS/CTS來(lái)通知后續(xù)數(shù)據(jù)交互的發(fā)生。其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)RTS/CTS幀中的Duration值來(lái)更新自己的NAV值。因此，NAV機(jī)制其實(shí)是通過(guò)“預(yù)訂鏈路來(lái)保證當(dāng)前數(shù)據(jù)交互不被干擾。802.12.1 NAV的更新在討論NAV的更新之前，我們有必要弄清楚一個(gè)問(wèn)題：每個(gè)節(jié)點(diǎn)上應(yīng)維護(hù)多少個(gè)NAV?是應(yīng)該為網(wǎng)絡(luò)中其它每一個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)對(duì)應(yīng)的NAV,還是只需要維護(hù)一個(gè)NAV?觀察以下圖所示的情況：四個(gè)節(jié)點(diǎn)都處在各自的收發(fā)X圍內(nèi)，且Node1和Node2正在進(jìn)展數(shù)據(jù)通信，而Node3有數(shù)據(jù)要發(fā)往Node4。如果Node3為網(wǎng)絡(luò)中的其他每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個(gè)對(duì)

18、應(yīng)的NAV,那么此時(shí)NAV1和NAV2應(yīng)該顯示鏈路忙，而NAV4應(yīng)該顯示鏈路空閑，因此給Node4的數(shù)據(jù)可以直接發(fā)送。圖7每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)NAV這種方式顯然不可行。無(wú)線傳輸本質(zhì)上是播送的，某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)/數(shù)據(jù)可以被其接收X圍內(nèi)的所有其他節(jié)點(diǎn)接收到。此時(shí)如果允許Node3發(fā)送數(shù)據(jù)，一方面Node3發(fā)出的數(shù)據(jù)對(duì)Node1和Node2之間的通信產(chǎn)生干擾參見(jiàn)HiddenNode問(wèn)題,另一方面Node1和Node2之間的數(shù)據(jù)交互對(duì)Node4的接收也產(chǎn)生干擾，最后的結(jié)果是大家都無(wú)法正常通信。因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)上應(yīng)該也只能維護(hù)一個(gè)NAV。這樣，當(dāng)Node1和Node2在通信時(shí)，Node3和Node4上的NAV都

19、顯示鏈路正忙，此時(shí)它們將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)緩存，等到鏈路空閑的時(shí)候再發(fā)送。這樣才能防止干擾和鏈路沖突。當(dāng)收到一幀數(shù)據(jù)時(shí)，各節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)的幀中的Duration值來(lái)更新其NAV,規(guī)那么如下如果數(shù)據(jù)幀的發(fā)送者就是節(jié)點(diǎn)本身，那么不更新NAV。如果數(shù)據(jù)幀的發(fā)送者不是節(jié)點(diǎn)本身，那么比擬Duration域值和當(dāng)前NAV值。如果當(dāng)前NAV值更小，那么將NAV值更新為Duration域值如果該節(jié)點(diǎn)是根據(jù)RTS幀中的Duration域值來(lái)更新自己的NAV值，那么它會(huì)要求在一定的時(shí)間內(nèi)收到相應(yīng)的CTS幀或是RTS幀發(fā)送端發(fā)出的下一幀。否那么，它會(huì)將自己的NAV值復(fù)位為0。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)收到目的地不是本節(jié)點(diǎn)的RTS幀時(shí)，它肯

20、定在RTS幀的接收X圍之內(nèi)，但它有可能在CTS發(fā)送端的接收X圍之外。RTS幀承載著對(duì)鏈路的“預(yù)訂請(qǐng)求，只有收到了對(duì)端的CTS幀，請(qǐng)求才算得到允許。而收到CTS幀后，RTS發(fā)送端會(huì)以最快的速度開(kāi)場(chǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)。所以收到RTS幀的其他節(jié)點(diǎn)會(huì)在一定的時(shí)間要么里收到CTS幀，要么收到后續(xù)數(shù)據(jù)幀，否那么就有理由相信本次鏈路"預(yù)訂失敗，因而將NAV值30。802.12.2 NAV更新舉例802.12.2.1 RTS/CTS/DATA/ACK交互過(guò)程中的NAV設(shè)置圖8RTS/CTS/DATA/ACK交互中NAV的設(shè)置Source端搶占到空閑鏈路，以一個(gè)RTS幀向Destination端發(fā)起通信請(qǐng)求并將

21、幀中Duration域值設(shè)定為本次交互所需的時(shí)間。收到RTS后，Destination端在SIFS后回復(fù)CTS幀確認(rèn)可以接收數(shù)據(jù)。其它節(jié)點(diǎn)根據(jù)RTS幀中的Duration值將NAV更新為：NAV=3*SIFS+aCTSTime+aDataTime+aAckTime這包括了本次數(shù)據(jù)交互還需要的時(shí)間。Destination端收到RTS幀，在間隔SIFS后，回復(fù)一個(gè)CTS幀。Source端收至ijCTS幀，在間隔SIFS后開(kāi)場(chǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)。其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)CTS幀中的Duration值將NAV值更新為：NAV=2*SIFS+aDataTime+aAckTimeDestination端成功收到數(shù)據(jù)，在SIFS

22、后回送ACK。整個(gè)交互過(guò)程中，其他節(jié)點(diǎn)上的NAV值設(shè)定顯示鏈路忙。不管Source端是否接收到ACK,本次數(shù)據(jù)交互到此完畢。鏈路空閑DIFS后，各節(jié)點(diǎn)又開(kāi)場(chǎng)對(duì)鏈路的競(jìng)爭(zhēng)。這個(gè)過(guò)程中有可能出現(xiàn)CTS幀已經(jīng)發(fā)出，但只有Source端沒(méi)有收到的情況，如以下圖:此時(shí)其他節(jié)點(diǎn)依然按照CTS幀的要求更新了NAV，但Source端由于沒(méi)有收到CTS幀而不發(fā)送數(shù)據(jù)，這就造成了鏈路資源的7費(fèi)。這是最壞的情況。此時(shí)Source端在等待一定時(shí)間后可能會(huì)比其他節(jié)點(diǎn)更早啟對(duì)對(duì)鏈路的競(jìng)爭(zhēng)。3.2.2.2分片序列發(fā)送過(guò)程中的NAV設(shè)置這和單一幀的發(fā)送的區(qū)別在于，每一個(gè)分片中的Duration域都指明了下一個(gè)分片的傳輸所需的

23、時(shí)間，且后續(xù)分片在上一個(gè)ACK后的SIFS后立即發(fā)送，如果每一分片都發(fā)送無(wú)誤，這個(gè)過(guò)程一直會(huì)持續(xù)到所有分片發(fā)送完畢。這個(gè)過(guò)程中也有可能發(fā)生某分片的ACK沒(méi)有被Source端收到的情況，如以下圖所示:圖11分片的ACK幀喪失Source端在此時(shí)其它節(jié)點(diǎn)中的NAV因分片/ACK中的Duration值更新而顯示鏈路忙。等待ACK超時(shí)后，有可能搶先啟動(dòng)對(duì)空閑鏈路的競(jìng)爭(zhēng)。802.13 退避算法802.11采用退避算法解決空閑鏈路在各節(jié)點(diǎn)之間的分配問(wèn)題。當(dāng)鏈路空閑時(shí)間超過(guò)DIFS/EIFS之后，各節(jié)點(diǎn)并不馬上發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，而是啟動(dòng)一個(gè)退避backoff時(shí)鐘，進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)窗口ContentionWindow。在

24、backoff時(shí)鐘超時(shí)之前，節(jié)點(diǎn)不進(jìn)展任何的數(shù)據(jù)發(fā)送，同時(shí)監(jiān)測(cè)鏈路的忙閑狀況。當(dāng)以下情況之一發(fā)生時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)窗口關(guān)閉：backoff時(shí)鐘超時(shí)backoff時(shí)鐘未超時(shí)，但檢測(cè)到鏈路忙即檢測(cè)到鏈路上開(kāi)場(chǎng)了數(shù)據(jù)交互，比方收到RTS幀或是不采用RTS/CTS機(jī)制而直接開(kāi)場(chǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。如果backoff時(shí)鐘未超時(shí)之前檢測(cè)到鏈路忙，此時(shí)節(jié)點(diǎn)會(huì)暫停backoff時(shí)鐘的運(yùn)行也稱作backoff時(shí)鐘的掛起，設(shè)置自己的NAV值并啟動(dòng)NAV時(shí)鐘，此時(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入延時(shí)等待defer階段。在defer期內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)3.2.1中的規(guī)那么對(duì)NAV值進(jìn)展的更新。當(dāng)NAV超時(shí)時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為鏈路空閑。當(dāng)鏈路連續(xù)空閑時(shí)間到達(dá)DIFS/E

25、IFS時(shí)，系統(tǒng)重新繼續(xù)resumebackoff時(shí)鐘的運(yùn)行并同時(shí)監(jiān)測(cè)鏈路的忙閑狀況。backoff時(shí)鐘超時(shí)意味著當(dāng)前節(jié)點(diǎn)獲得了鏈路的控制權(quán)，此時(shí)它可以立即開(kāi)場(chǎng)數(shù)據(jù)的傳輸對(duì)長(zhǎng)幀要采用RTS/CTS機(jī)制，短幀那么直接發(fā)送。而其他節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幀暫停自己backoff時(shí)鐘的運(yùn)行并對(duì)NAV值進(jìn)展相應(yīng)地設(shè)置和更新。很顯然，各節(jié)點(diǎn)上的backoff時(shí)長(zhǎng)必須不同，它是下述方式產(chǎn)生的一個(gè)隨機(jī)值：BackoffTime=Random()*aSlotTime其中，aSlotTime是802.11物理層定義的一個(gè)常量，不同的物理層中該常量的具體定值不一木Random(那么是在0,CW之間產(chǎn)生的一個(gè)隨機(jī)的整數(shù)

26、。3.3.1 CW的取值CW在CWmin,CWmax區(qū)域內(nèi)按照一定規(guī)律變化。CWmin和CWmax是802.11系統(tǒng)中定義的兩個(gè)常量，分別表示CW值得下限和上限。CW的值總是2的N次方減1，N的值與節(jié)點(diǎn)中幀的重傳次數(shù)有關(guān)系。在2.1.2重傳機(jī)制一節(jié)中我們提到系統(tǒng)為每一個(gè)即將傳輸?shù)膸琲mpendingframe都相應(yīng)地配備有一個(gè)重發(fā)計(jì)數(shù)器RetryCounter，長(zhǎng)幀那么為L(zhǎng)RCLongRC，短幀那么為SRCShortRC。除此之外，系統(tǒng)還維護(hù)著兩個(gè)獨(dú)立的重傳計(jì)數(shù)器，分別是SSRCSTAShortRetryCounter和SLRCSTALongRetryCounter,它們分別記錄著系統(tǒng)中當(dāng)前短

27、幀和長(zhǎng)幀總的連續(xù)重傳次數(shù)。SSRC和SRC的區(qū)別在于，后者對(duì)應(yīng)于某一短幀，而前者對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)中所有短幀。SSRC和SRC有可能是一樣的，也有可能是不一樣的。每一次短幀的重傳都會(huì)引起SRC和SSRC的遞增。當(dāng)SRC的值到達(dá)上限時(shí)，其對(duì)應(yīng)的幀被丟棄，該SRC也將丟棄。此時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)下一幀的發(fā)送，同時(shí)啟動(dòng)新的SRC并將SRC的值置為0,而SSRC的值那么不會(huì)清0,而且會(huì)伴隨著新幀的重傳而繼續(xù)遞增。當(dāng)以下情況之一發(fā)生時(shí)，SSRC會(huì)被清0:收到以本節(jié)點(diǎn)為目的地址的CTS幀收到對(duì)短幀進(jìn)展確認(rèn)的ACK幀發(fā)送組播/播送報(bào)文成功SLRC和LRC之間也有著類似的區(qū)別和聯(lián)系。當(dāng)一下情況之一發(fā)生時(shí)，SLRC會(huì)被清0:收到

28、以本節(jié)點(diǎn)為目的地址的CTS幀收到對(duì)短幀進(jìn)展確認(rèn)的ACK幀發(fā)送組播/播送報(bào)文成功不難看出，只有發(fā)幀成功時(shí)SSRC和SLRC才會(huì)被清0,也就是說(shuō)SSRC/SLRC分另1J記錄著截至目前短幀和長(zhǎng)幀的連續(xù)重發(fā)次數(shù)。以下圖給出了CW的取值和SSRC/SLRC之間的關(guān)系：1FirstRetrsnerniGEicnInitialAttempt圖12CW值隨重傳次數(shù)增長(zhǎng)而增長(zhǎng)初始時(shí)，CW=CWmin每一次數(shù)據(jù)重傳，SSRC/SLRC加1,CW的值上一個(gè)“臺(tái)階"，即N=N+1當(dāng)?shù)竭_(dá)CWmax之后，CW的值不再隨重傳次數(shù)的增加而增加當(dāng)下述情況之一發(fā)生時(shí)，CW值被復(fù)位為CWmin:一幀發(fā)送成功SSRC/S

29、LRC至IJ達(dá)上限從CW的取值規(guī)那么我們不難發(fā)現(xiàn)：鏈路狀態(tài)越差，幀重傳的幾率越大，CW的值就可能越大，因此backoff時(shí)間值就有可能越長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)對(duì)鏈路的競(jìng)爭(zhēng)能力就越差。重傳幀發(fā)送的優(yōu)先級(jí)較低，因?yàn)槠鋌ackoff時(shí)鐘可能更長(zhǎng)3.3.2 backof時(shí)鐘的掛起前已述及，如果在backoff時(shí)鐘超時(shí)前鏈路已被其他節(jié)點(diǎn)占用，那么競(jìng)爭(zhēng)窗口關(guān)閉，NAV值被設(shè)置，backoff時(shí)鐘暫停運(yùn)行即被掛起。下一次競(jìng)爭(zhēng)窗口開(kāi)啟時(shí)，backoff時(shí)鐘繼續(xù)運(yùn)行，如此周而復(fù)始直至backoff時(shí)鐘超時(shí)。以下圖舉例說(shuō)明了這種場(chǎng)景：圖13backof時(shí)鐘的掛起3.4DCF總結(jié)采用DCF機(jī)制的節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，首先要根據(jù)NA

30、V的值判斷當(dāng)前鏈路的忙閑狀態(tài)。如果鏈路忙，當(dāng)前的發(fā)送操作被掛起，系統(tǒng)進(jìn)入DEFER期。當(dāng)鏈路連續(xù)空閑時(shí)間到達(dá)DIFS/EIFS后，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)backoff時(shí)鐘進(jìn)入對(duì)鏈路的爭(zhēng)奪。backof時(shí)鐘超時(shí)就意味著鏈路控制權(quán)的獲得，此時(shí)該節(jié)點(diǎn)就可以開(kāi)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送。所有幀都只能在鏈路空閑的時(shí)候NAV為0發(fā)送，但ACK幀例外。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)幀并被要求要立即回復(fù)時(shí)，不管鏈路是否空閑，它都會(huì)在SIFS之后立即回復(fù)ACK。因?yàn)椴患皶r(shí)回復(fù)ACK會(huì)導(dǎo)致幀的重傳，對(duì)系統(tǒng)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源造成消耗，而回復(fù)ACK雖然可能對(duì)其他數(shù)據(jù)交互造成影響，但在DCF機(jī)制下，這種影響相對(duì)要小很多。3.4.1 NAV和Backoff二者都可以

31、被看成是時(shí)間計(jì)數(shù)器或簡(jiǎn)單稱之為時(shí)鐘，不過(guò)NAV的值可能隨著鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸狀況而改變，而backof的值那么在backoff時(shí)鐘重啟的時(shí)候確定，在下次超時(shí)之前不會(huì)更改。3.4.2 幀交互的“元操作性元操作在匯編中是一個(gè)常見(jiàn)的概念，它表示著一個(gè)不能被打斷的操作，也就是該操作要么不執(zhí)行，要么就執(zhí)行完畢，其結(jié)果只有執(zhí)行成功和失敗，不存在中間狀態(tài)。802.11中通過(guò)NAV機(jī)制和IFS機(jī)制的設(shè)定，盡量保證一次幀交互的元操作性。在3.2.2.1中所示的單幀交互過(guò)程中，一方面通過(guò)RTS/CTS交互使得所有可能干擾本次幀交互的節(jié)點(diǎn)“噤聲，另一方面由于其他節(jié)點(diǎn)都必須在鏈路連續(xù)空閑至少DIFS后才啟動(dòng)鏈路競(jìng)爭(zhēng)，而

32、CTS、Data和ACK都以SIFS做間隔，保證交互過(guò)程中雙方一定能“爭(zhēng)到鏈路。因此保證了幀交互的元操作性。同樣，在3.2.2.2中所示的分片序列發(fā)送過(guò)程中，一方面RTS/CTS幀以及每個(gè)分片中的Duration域值對(duì)其他節(jié)點(diǎn)NAV的設(shè)置使得所有可能干擾本次發(fā)送的節(jié)點(diǎn)“噤聲，另一方面此過(guò)程中的CTS、ACK以及個(gè)分片都以SIFS做間隔，保證交互過(guò)程中雙方一定能“爭(zhēng)到鏈路。所以每片的發(fā)送都是“元操作，而且如果所有分片都成功傳輸，整個(gè)分片序列的交互也具有元操作性。3.4.3 DCF的缺乏DCF大大降低了HiddenNode問(wèn)題和鏈路沖突問(wèn)題的發(fā)生幾率，但并不能徹底解決。由于backoff時(shí)鐘的時(shí)長(zhǎng)

33、是隨機(jī)產(chǎn)生的，理論上講有可能兩個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的backoff值一樣,從而在二者的backoff時(shí)鐘在同一時(shí)刻超時(shí)，因而發(fā)生鏈路沖突。再看以下圖所示場(chǎng)景：Node3處于兩個(gè)BSS的交界處，此時(shí)AP1正在與Nodel通信,而AP2正在與Node2通信，這種場(chǎng)景并不違反DCF機(jī)制，但此日在Node2處卻確實(shí)發(fā)生了HiddenNode的問(wèn)題。盡管如此，DCF機(jī)制還是提供了一個(gè)很好的鏈路管理和分配機(jī)制，是802.11最根本的協(xié)調(diào)函數(shù)，所有STA/AP都必須支持。PCF和HCF都是基于DCF機(jī)制的。4.PCFDCF機(jī)制解決了鏈路的沖突，提供了鏈路的競(jìng)爭(zhēng)規(guī)那么，但是網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括STA和AP,都是鏈路爭(zhēng)

34、奪的個(gè)體。DCF提供的是基于競(jìng)爭(zhēng)的鏈路共享機(jī)制Contention-BasedService，因?yàn)槊看螏换ブ岸急仨殸?zhēng)奪鏈路，這在一定程度上降低了鏈路的利用率。802.11中提供了另外一種無(wú)競(jìng)爭(zhēng)Contention-Free的鏈路共享機(jī)制，稱為PCFPointCoordinationFunction。PCF的原理是，首先由AP遵口DDCF的原那么，網(wǎng)絡(luò)中所有STA的NAV值設(shè)定成同一個(gè)數(shù)值，從而開(kāi)辟一段無(wú)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段CFP:Contention-FreePeriod。在CFP中，鏈路完全由AP控制，由AP來(lái)控制某個(gè)時(shí)段哪個(gè)STA可以發(fā)數(shù)據(jù)。顯然，舊SS網(wǎng)絡(luò)中不能提供PCF效勞。PCF中，AP也被

35、稱為PCPointCoordinator。4.1 CFP的開(kāi)啟、維持和完畢4.1.1 Beacor#Beacon幀是802.11中最常見(jiàn)最重要的管理幀之一，它以固定的間隔BeaconInterval發(fā)送，向網(wǎng)絡(luò)中傳遞管理信息。Beacon幀中的具體內(nèi)容與使用的場(chǎng)合有關(guān)，其中與PCF機(jī)制相關(guān)的主要信息有：CF參數(shù)集CFParametersSei。4.1.1.1 CF參數(shù)集信息ElementIDLengthCFPCountCFPPeriodCFPMaxDurati&n(TU)CFPDurRamaininQ(TU)Octets:*1I1-X-1-X1X2X2A圖15CF參數(shù)集格式CFPCou

36、nt：表示距離開(kāi)啟下一次CFP還有多少個(gè)DTIM間隔，0值那么表示CFP由當(dāng)前Beacon幀開(kāi)場(chǎng)。DTIM是Beacon幀中可能的內(nèi)容之一，它以固定的間隔DTIMInterval出現(xiàn)在Beacon幀中。顯然，DTIM_Interval=n*Beacon_Interval。CFPPeriod：表示相鄰兩次CFP的開(kāi)啟時(shí)間的間隔，以DTIM_Interval為單位。CFPMaxDuration:表示系統(tǒng)允許的一個(gè)CFP的最大時(shí)間，以1024us為單位。CFPDurRemaining:表示從最近一次TBTTTargetBeaconTransmissionTime開(kāi)場(chǎng)到本次CFP完畢之間的時(shí)間，以10

37、24us為單位。TBTT表示Beacon幀按方案應(yīng)該出現(xiàn)的時(shí)間。由于Beacon幀的發(fā)送間隔是固定的，因而TBTT應(yīng)該也是固定的。在一個(gè)時(shí)間同步的網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)的TBTT都應(yīng)該是一致的。Beacon幀對(duì)網(wǎng)絡(luò)的同步起著至關(guān)重要的作用。然而由于要遵守DCF規(guī)定的鏈路訪問(wèn)規(guī)那么，而另一方面每幀的長(zhǎng)度是不固定的，實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法保證Beacon幀在每一個(gè)TBTT時(shí)間都能準(zhǔn)時(shí)發(fā)送。引入一個(gè)TBTT量，使得即便未能按時(shí)收到Beacon幀，必要的處理也能得以進(jìn)展，而需要以Beacon幀作參照的各種同步依然也能完成。4.1.1.2 TIMElementIDLengthDTIMCountDTIMPeriodBi

38、tmapControlPartialVirtualBitmapOctets:1H1M1X1M11-251圖16TIM信息格式DTIMCount:表示在下一個(gè)DTIM出現(xiàn)之前還有多少個(gè)Beacon幀。DTIMPeriod:表示DTIMInterval的值，以BeaconInterval為單位BitmapControl和PartialVirtualBitmap:這兩個(gè)域和PCF機(jī)制關(guān)系不大，暫不介紹。4.1.2 CF-PollableSTAPC通過(guò)CF-Poll幀來(lái)告訴網(wǎng)絡(luò)中哪個(gè)STA可以發(fā)數(shù)據(jù)，只有收到CF-Poll幀的STA才能發(fā)送數(shù)據(jù)。STA可以選擇響應(yīng)CF-Poll,表示參加PCF機(jī)制，也

39、可以選擇不響應(yīng)。響應(yīng)CF-Poll的STA也被稱為CF-PollableSTA。STA通常會(huì)事先將自己的CF-Pollability告知PC。STA參加BSS過(guò)程中有一個(gè)稱為“連接Association的步驟STA參加BSS的過(guò)程會(huì)在討論802.11網(wǎng)絡(luò)管理及系統(tǒng)管理的相關(guān)章節(jié)中詳細(xì)描述。連接是STA參加BSS過(guò)程中的最后一步，用于在STA與該BSS的AP之間建立一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，使得在DS中進(jìn)展中轉(zhuǎn)的以該STA為目的地址的幀可以準(zhǔn)確地找到相關(guān)的AP進(jìn)展轉(zhuǎn)發(fā)。連接由STA發(fā)起AssociationRequest,而AP處理成功后向STA發(fā)送確認(rèn)。連接建立成功后，每個(gè)STA都有一個(gè)唯一的AIDAss

40、ociations。AssociationRequest信息中有一個(gè)CapabilityInfo局部，其中有一個(gè)1比特的CF-Pollable域，說(shuō)明該STA是否是CF-Pollable的。4.1.3 CFP的開(kāi)啟和維持當(dāng)需要開(kāi)啟一個(gè)CFP時(shí)，AP在鏈路連續(xù)空閑到達(dá)PIFS后發(fā)出一個(gè)帶有CF參數(shù)集信息和DTIM信息的Beacon幀。PIFS是專用于PCF機(jī)制中的一個(gè)幀間距類型，它長(zhǎng)于SIFS,但小于DIFS,三者的關(guān)系式：aPIFS=aSIFS+aSlotTime;aDIFS=aSIFS+2*aSlotTimeSTA收到該Beacon幀后，根據(jù)CFPCount域值發(fā)現(xiàn)PC要開(kāi)啟一個(gè)CFP,就將

41、自己的NAV值設(shè)為CFPMaxDuration,不管該STA是否是CF-Pollable。此時(shí)鏈路開(kāi)場(chǎng)完全處于PC的控制中。在4.1.1.1中討論CF參數(shù)集信息時(shí)，我們已經(jīng)說(shuō)過(guò)Beacon幀不能按時(shí)發(fā)送的可能性。當(dāng)負(fù)責(zé)開(kāi)啟一個(gè)CFP的Beacon幀不能按時(shí)發(fā)送時(shí)，就會(huì)造成該CFP延后開(kāi)場(chǎng)，這種情況稱為foreshortenedCFP,如以下圖所示。ForeshortenedCFP的完畢時(shí)間不會(huì)相應(yīng)延后。CFPRepetitionInterval.圖17CFP的開(kāi)場(chǎng)TBTTdotllCFPMaxDurationeaconFrameDCF TrafficNominal CF repetition

42、intervalContention Period(foreshortened)Max RTS +CTS+iMPDU +ACKtim3Contention-FreePeriod圖18ForeshortenedCFP在CFP內(nèi)，PC依然會(huì)以DTIMInterval為間隔按時(shí)發(fā)送帶有DTIM和CF參數(shù)集的Beacon幀，其中CFPDurRemaining表示出了本次CFP還將持續(xù)的時(shí)間。此時(shí)各STA會(huì)根據(jù)CFPDurRemaining來(lái)重新設(shè)置自己的NAV值。4.1.4 CFP的完畢每一個(gè)CFP都有它的最大持續(xù)時(shí)間，這在Beacon幀中的CFPMaxDuration中已經(jīng)標(biāo)明。當(dāng)時(shí)間耗盡時(shí)，CFP將自動(dòng)完畢。此時(shí)各STA上的NAV逐