短距離無(wú)線通信系統(tǒng)及仿真課件 第2章 Wi-Fi無(wú)線通信技術(shù) 第十三講

WLANMAC層原理與技術(shù)MAC層具有以下三個(gè)主要功能：

(1)無(wú)線介質(zhì)訪問(wèn)。

(2)網(wǎng)絡(luò)連接。

(3)提供數(shù)據(jù)認(rèn)證和加密。MAC層的功能無(wú)線介質(zhì)訪問(wèn)在IEEE?802.11標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種無(wú)線介質(zhì)訪問(wèn)控制的方法，它們是：分布協(xié)調(diào)功能(DistributedCoordinationFunction，DCF)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能(PointCoordinationFunction，PCF)圖3.15無(wú)線介質(zhì)訪問(wèn)控制方法DCF是IEEE?802.11最基本的媒體訪問(wèn)方法，其核心是CSMA/CA。它包括載波檢測(cè)(CS)機(jī)制、幀間間隔(IFS)和隨機(jī)退避(RandomBack-off)規(guī)程。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)使用CSMA機(jī)制的分布接入算法，讓各個(gè)站通過(guò)爭(zhēng)用信道來(lái)獲取發(fā)送權(quán)。DCF在所有的STA上都進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，用于無(wú)中心和有中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。DCF有兩種工作方式：一種是基本工作方式，即CSMA/CA方式；另一種是RTS/CTS機(jī)制。PCF是可選的(Optional)媒體訪問(wèn)方法，用于有中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。PCF使用集中控制的接入算法(一般在接入點(diǎn)AP實(shí)現(xiàn)集中控制)，用類似于輪詢的方法將發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)輪流交給各個(gè)站，從而避免了碰撞的產(chǎn)生。對(duì)于時(shí)間敏感的業(yè)務(wù)，如分組語(yǔ)音，就應(yīng)該使用提供無(wú)爭(zhēng)用服務(wù)的點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF。圖3.16兩次CA握手機(jī)制①基本的CSMA操作采用兩次握手機(jī)制，又稱ACK機(jī)制，是一種最簡(jiǎn)單的握手機(jī)制。當(dāng)接收方正確地接收幀后，就會(huì)立即發(fā)送確認(rèn)幀(ACK)，發(fā)送方收到該確認(rèn)幀，就知道該幀已成功發(fā)送，如圖3.16所示。由圖可見(jiàn)，如果媒體空閑時(shí)間大于或等于DIFS(DCF的幀間隔)，就傳輸數(shù)據(jù)，否則延時(shí)傳輸。網(wǎng)絡(luò)分配向量(NetworkAllocationVector，NAV)NAV可以看做一個(gè)以某個(gè)固定速率遞減的計(jì)數(shù)器，當(dāng)值為0時(shí)，載波監(jiān)測(cè)認(rèn)為信道空閑；不為0時(shí)，認(rèn)為信道忙。NAV中存放的是介質(zhì)信道使用情況的預(yù)測(cè)信息，這些預(yù)測(cè)信息是根據(jù)MAC幀中Duration(持續(xù)時(shí)間字段)聲明的傳輸時(shí)間來(lái)確定的。

MAC層監(jiān)聽(tīng)所有MAC幀的持續(xù)時(shí)間字段，如果監(jiān)聽(tīng)到的值大于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)分配矢量(NAV)值，就用這一信息更新該工作站的NAV。如果信道繁忙，CSMA/CA協(xié)議將執(zhí)行退避算法，然后重新檢測(cè)信道，這樣可以避免各工作站間共享介質(zhì)時(shí)可能造成的碰撞。為什么要用退避算法？介質(zhì)繁忙狀態(tài)剛剛結(jié)束的時(shí)間窗口是碰撞可能發(fā)生的最高峰期，尤其是在利用率較高的環(huán)境中。因?yàn)榇藭r(shí)許多工作站都在等待介質(zhì)空閑，所以介質(zhì)一旦空閑，大家就試圖在同一時(shí)刻進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。CSMA/CA協(xié)議在介質(zhì)空閑后，利用隨機(jī)退避時(shí)間控制各工作站發(fā)送幀的進(jìn)行，從而使各工作站之間的碰撞達(dá)到最小。當(dāng)包第一次企圖發(fā)送時(shí)，BEB選擇一個(gè)隨機(jī)時(shí)隙(CW=CWmin)進(jìn)行等概率傳輸，CWmin是最小競(jìng)爭(zhēng)窗口。每當(dāng)節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小都會(huì)成為原來(lái)的兩倍，直到它的上限CWmax。即CW=min[2*CW，CWmax]。新的競(jìng)爭(zhēng)窗口是用來(lái)表示傳輸企圖的，在一次成功傳輸之后，或當(dāng)一個(gè)包企圖傳輸?shù)拇螖?shù)到達(dá)極限m(對(duì)于基本訪問(wèn)機(jī)制m=7，對(duì)于RTS/CTS?m=4)時(shí)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)就將它的競(jìng)爭(zhēng)窗口重設(shè)成它的最小競(jìng)爭(zhēng)窗口。BEB二進(jìn)制指數(shù)退避算法具體過(guò)程如下：檢測(cè)到媒體空閑時(shí)，退避計(jì)時(shí)器遞減計(jì)時(shí)。檢測(cè)到媒體忙時(shí)，退避計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，直到檢測(cè)到媒體空閑時(shí)間大于DIFS后重新遞減計(jì)時(shí)。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。退避時(shí)間值最小的終端在競(jìng)爭(zhēng)中獲勝，取得對(duì)媒體的訪問(wèn)權(quán)；失敗的終端會(huì)保持在退避狀態(tài)，直到下一個(gè)DIFS。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。A、B兩個(gè)站點(diǎn)共享信道。A站點(diǎn)檢測(cè)到信道空閑時(shí)間大于DIFS時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，B站點(diǎn)此時(shí)立刻停止退避時(shí)間計(jì)數(shù)，直到又檢測(cè)到信道空閑時(shí)間大于DIFS時(shí)，繼續(xù)開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)B站點(diǎn)的退避時(shí)間計(jì)數(shù)器為0時(shí)，則B站點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)。退避算法舉例：當(dāng)一個(gè)站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，僅在下面的情況下才不使用退避算法：檢測(cè)到信道是空閑的，并且這個(gè)數(shù)據(jù)幀是它想發(fā)送的第一個(gè)數(shù)據(jù)幀。除此以外的所有情況，都必須使用退避算法。②RTS/CTS機(jī)制采用四次(Four-way)握手機(jī)制。如圖3.18所示，四次握手機(jī)制包括RTS—CTS—DATA—ACK四個(gè)過(guò)程，發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先發(fā)送一個(gè)RTS幀來(lái)預(yù)約信道，接收者發(fā)回一個(gè)CTS幀，之后開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和ACK確認(rèn)。RTS/CTS機(jī)制說(shuō)明如果發(fā)送者沒(méi)有接收到返回的ACK，則會(huì)認(rèn)為之前的傳輸沒(méi)有成功，會(huì)重新傳輸；如果只是返回的ACK丟失了，之前的RTS—CTS傳輸非常成功，則重新發(fā)送的RTS到達(dá)接收者后，接收者只會(huì)重新發(fā)送ACK而不是CTS，且退避時(shí)間量并不會(huì)增加；如果發(fā)送了RTS后，在接收超時(shí)之前都沒(méi)有接收到CTS或ACK，那么退避時(shí)間量就會(huì)增加；當(dāng)接收到ACK后，退避時(shí)間量就會(huì)減少。使用RTS和CTS幀會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率有所下降。但這兩種控制幀都很短，其長(zhǎng)度分別為20字節(jié)和14字節(jié)，與數(shù)據(jù)幀(最長(zhǎng)可達(dá)2346字節(jié))相比開(kāi)銷不算大。相反，若不使用這種控制幀，則一旦發(fā)生碰撞而導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀重發(fā)，則浪費(fèi)的時(shí)間就更多。PCF是可選的(Optional)媒體訪問(wèn)方法，用于Infrastructure網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。PCF使用集中控制的接入算法(一般在接入點(diǎn)AP實(shí)現(xiàn)集中控制)，用類似于輪詢的方法將發(fā)送數(shù)據(jù)權(quán)輪流交給各個(gè)站，從而避免了碰撞的產(chǎn)生。對(duì)于時(shí)間敏感的業(yè)務(wù)，如分組語(yǔ)音，就應(yīng)該使用提供無(wú)爭(zhēng)用服務(wù)的點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF。PCF功能由在BSS內(nèi)AP中的點(diǎn)協(xié)調(diào)器執(zhí)行。點(diǎn)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)維護(hù)輪詢表和確定輪詢表順序的方法留待實(shí)現(xiàn)者決定。網(wǎng)絡(luò)連接當(dāng)工作站接通電源之后，首先通過(guò)被動(dòng)或主動(dòng)掃描方式檢測(cè)有無(wú)現(xiàn)成的工作站和訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)可供加入。加入一個(gè)BSS或ESS之后，工作站從訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)接收SSID、時(shí)間同步函數(shù)(TimerSynchronizationFunction，TSF)、計(jì)時(shí)器的值和物理(PHY)安裝參數(shù)。概念解釋：SSIDSSID稱為服務(wù)集合標(biāo)識(shí)符，也稱為網(wǎng)絡(luò)名稱。一種獨(dú)一無(wú)二的標(biāo)識(shí)符，作為無(wú)線設(shè)備連接到WLAN時(shí)的密碼。這個(gè)名稱有助于網(wǎng)絡(luò)的區(qū)分，是最基本的安全方法，用在Client和Ap做關(guān)聯(lián)之用。認(rèn)證和加密IEEE?802.11標(biāo)準(zhǔn)提供以下兩種認(rèn)證服務(wù)，以此來(lái)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性：(1)開(kāi)放系統(tǒng)認(rèn)證(OpenSystemAuthentication)。(2)共享密鑰認(rèn)證(SharedKeyAuthentication)。與開(kāi)放系統(tǒng)認(rèn)證相比，共享密鑰認(rèn)證提供了更高的安全檢查級(jí)別。采用共享密鑰認(rèn)證的工作站必須執(zhí)行WEP。(3)加