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1、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802.11 MAC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(Distributed Coordination Function)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Abstract DFS algor
2、ithm is a type of distributed queue scheduling algorithm. Based on the access mechanism of 802.11 MAC layer which is recent used in the wireless local networks, DFS algorithm adopts the idea of round robin queue. Through modifying the DCF sub-protocol of 802.11 MAC layer, it achieve the purpose of c
3、ontrolling 802.11 node toaccess wireless line resource fairly in the distributed environment. In this article, the author did some analyses and researches to this algorithm by simulation. The simulation results show that the DFS algorithm can carry fairly queue schedule in some areas.Keywords IEEE80
4、2.11, Wireless LAN, 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 -3.1 IEEE802.11MAC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 -3.1.4 RTS/CTS 握
5、手协议- 11 -3.2 IEEE802.11MAC 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IEEE 802.11DCF访问机制改进- 16 -4.1 IEEE 802.11DCF访问机制改进方法- 16 -4.1.1 EDCF- 16 -4.1.2 DFS- 16 -4.1.3 BlackBurst- 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 -4.2.5DFS算法
6、- 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 -5.2.1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 -5.3.3 STA模块- 24 -5.3.4 MAC模块- 25 -第6章DFS性能分析- 28 -6.1公平性仿真- 28 -6.2 P1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(WL
7、AN)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802.11 MAC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”(Distributed Coordination Function：DCF)子协议，实现了在分布式环境下
8、控制802.11节点的公平访问无线链路资源的目的。第章介绍无线局域网基本知识第章介绍IEEE802.11基本知识第章介绍本文研究的算法第章仿真程序的系统分析第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（Wireless Local Area Network）以其高灵活性、紧急状况下
9、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。IEEE 802.11 的 MAC 层访问机制中最常用的是分布式协调功能DCF（Distributed Coordination Function）。DCF 包含两种机制：（1）缺省的 CSMA/CA，（2）一种解决隐藏终端问
10、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。Distributed Fair Scheduling算法就是通过修改DCF功能，按照一定规则来动
11、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Distributed Fair Scheduling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(wireless LocalArea Network)已经成为计算机网络技术发展的热点，IEEE 802.11是无线局域网的国际标准，随着IEEE 802.11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
12、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(QuaUty ofService)，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802.11eDFS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
13、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(Wireless Local Network，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
14、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
15、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/PHY layer）以及媒介存取控制层（Media Access Control/MAC layer）。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：IEEE 802.11、HiperLAN、Bluetooth 等。其中应用最为广泛的标准是基于 IEEE 802.11 协议的系列标准。19
16、90 年 IEEE802 标准化委员会成立IEEE802.1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
17、的 802.11b 无线局域网设备、802.11a 无线局域网设备等。IEEE 802.11802.11 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。IEEE802.11bIEEE802.11b 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 5.5 Mbps 和 11 Mbps 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
18、 11 Mbps、5.5 Mbps、2 Mbps、1 Mbps之间切换，而且在 2 Mbps、1 Mbps 速率时与 IEEE802.11 DSSS(直接序列扩频)系统交互操作，但不能与 1Mbps 和 2Mbps 的 802.11 FHSS（跳频扩频）系统交互操作。IEEE802.11aIEEE802.11a 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
19、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。IEEE802.11g2002 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 2.4GHz ISM 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
20、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：Collision Avoidance，冲突避免)，这有别于传 统 以 太 网 上 的 CSMA/CD(CD:Collision Detection ， 冲 突 检 测 ) ，CSMA/CA 相关内容在 80
21、2.11 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。CSMACA 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
22、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 802.11 MAC 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
23、。802.11f 标准定义了一套称之为 IAPP(Inter-Access Point Protocol)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 IEEE 802 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802.11 MAC 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，8
24、02.11d 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
25、。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12Mbps,FCC(Fedral Communications Commission)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，Distributed Coordination Function），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
26、等接入网络的机会；第二种方案是点协调功能（PCF，Point CoordinationFunction），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(I
27、FS)，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。3.1 IEEE802.11MAC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
28、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SIFSPIFSDIFSEIFS。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
29、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。图3.1
30、 IEEE802.11退避机制 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。3.1.4 RTS/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
31、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 D
32、uration 字段来设置各自的NAV（Network Allocation Vector），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（Clear To Send）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。
33、目的节点在接收到DATA 帧之后再等待一个 SIFS 间隔，返回一个 ACK 帧。这样传输过程就完成了，这时每个节点 NAV 表明介质空闲，就可以开始下一个传输周期了。这个过程也被成为“虚拟载波侦听”。 在这个过程中，接收到 CTS 的节点和接收到 RTS 的节点可能不是同一组节点。这样在发送方和接收方的接收范围内的所有节点都被通知，它们在访问介质之前必须等待足够长的时间以等待数据帧传输过程的完成。也就是说，这个机制通过为数据发送节点预留信道来避免碰撞的发生，从而提高传输性能。在 DCF 功能中，各个移动节点必须在物理/虚拟两种载波监听结果都为零时才能获得对无线介质的访问权，这就可以在很大程度
34、上减少碰撞的机会，提高传输效率，同时这种短帧交换的方法可以在很大程度上避免由于隐藏节点的存在造成的数据碰撞，尤其是在数据帧较长的时候，这种效果更为明显。RTS/CTS 短帧交换方式是避免碰撞，提高网络系统性能的有效措施，尽管短帧交换会带来一定的时间开销。图3-2 RTS/CTS 握手协议图3-3暴露终端问题暴露终端问题 RTS/CTS 也可以部分的解决暴露站点问题。在图 3-3中，如果在 B和 A 的 RTS/CTS 交互中，C 只能听到 B 的 RTS 帧而未听到 A 的 CTS帧，C 可以分析原因：A 可能在 C 的覆盖范围之外；或者由于 RTS 帧碰撞而使 A 未发送 CTS 帧；或者
35、C 在接收 CTS 的过程中又受到其它站点的干扰。在前两种情况中，C 的发送动作都不会影响 A 的接收。对于第三种情况，C 应该采取保守的但是安全的做法，不进行发送。当然，如果在 B 和 A 的 RTS/CTS 交互过程中，C 因为正在接收别的站点的数据而未能监听到 RTS/CTS 帧，则 C 可能仍然存在隐藏或暴露问题。在使用 RTS 和 CTS 来避免隐藏终端和暴露终端问题的情况下，冲突只可能发生在开始发送 RTS 的时候。两个或更多的站点可以在同一时刻开始发送 RTS 或是其它数据分组。使用 RTS/CTS 会导致不可忽略的额外开销，从而导致带宽的浪费和较高的延迟。因此，RTS 阈值（t
36、hreshold）可以决定什么时候使用另外的机制（基本上是在较大的帧长度），和什么时候不用这种机制（帧长较短）。因为，如果数据帧的长度较小，比如小于 100 字节，使用RTS/CTS 反而可能降低网络的吞吐率、增加通信延迟，因此在IEEE802.11 中 RTS/CTS 使用与否是可选择的。由于无线环境的复杂性，RTS/CTS 机制仍然不能完全保证数据帧的正确接收。这里有无线信道本身的误码的原因，也有其它站点的干扰原因。那么，在帧长度相同的情况下，无线链路出现错帧的可能性比有线链路要高的多。在位出错率相同的情况下，帧长度较短的话，帧的出错率会降低。因此，IEEE802.11 提供了帧分段（Fr
37、agmentation）模式，如图 3-4所示。但是，用户数据的分段机制对用户应该是透明的图3-4IEEE802.11 的用户数据的分段模式 如图 3-4所示，发送方首先发送一个 RTS 控制分组。这个 RTS 分组的 Duration Field 包括第一个分段和其应答包传输所需要的所有时间。其它站点收到 RTS，设置 NAV；数据的接收方发送 CTS，其它站点再次调整 NAV，这些都与前面所讲的相同。分段模式的新的特点就是它在 frag1 中包括了另外一个持续时间值。这个 Duration Field 包括第二个分段和其应答包的传输时间。然后，frag1 的接收方在 SIFS 间隔后，直接
38、用 ACK1 应答。这个ACK1 预留了下一次传输所用的时间。如果 frag2 不是要传输的最后一个分段，它应该为第三个连续的传输预留信道。如果是最后一个分段，接收方应答第二个分段，但是不再预留信道。在 ACK2 后，所有的站点在等待 DIFS 间隔之后，都可以再次竞争对介质的访问权。3.2 IEEE802.11MAC 访问媒体的机制3.2.1分布式协调功能 DCF（Distributed Coordination Function）DCF 是无线网络对共享媒体的一种访问控制功能，其核心是CSMA/CA，包括载波检测（CS）机制、帧间间隔（IFS）和随机退避(random back-off)规
39、程。我们知道总线型局域网在 MAC 层的标准协议是 CSMA/CD，即载波侦听多点接入/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access with CollisionDetection）。但由于无线站点传输时听不到信道碰撞，无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突，因此 802.11 全新定义了一种新的协议，即载波侦听多点接入/避免冲撞 CSMA/CA（with Collision Avoidance）。一方面，载波侦听-查看介质是否空闲；另一方面，避免冲撞-通过随机的时间等待，使信号冲突发生的概率减到最小，当介质被侦听到空闲时，优先发送。CSMA/CA 的基本机制如图 3
40、-5所示。对 802.11而言， 网络中所有的终端要发送数据时，都要按照CSMA/CA 的媒体访问方法接入共享媒体，也就是说需要发送数据的终端首先要监听媒体，以便知道是否有其它终端正在发送。如果媒体不忙，则可以进行发送处理，但不是马上发送数据帧，而是由 CSMA/CA分布算法，强制性地控制各种数据帧相应的时间间隔（IFS），只有在该类型帧所规定的 IFS 内媒体一直是空闲的方可发送。如检测到媒体正在传送数据，则该终端将推迟竞争媒体，一直延迟到现行的传输结束为止。在延迟之后,该终端要经过一个随机退避时间重新竞争对媒体的使用权。其中退避时间的设置：退避时间按下面的方法选择后，作为递减退避计数器的初
41、始值。退避时间=INTCWRandom( )Slot TimeCW 是竞争窗口宽度，是介于 CWwin 与 CWmax 之间的整数Random()是随机函数，它产生的随机数在0,1中均匀分布SlotTime 是由系统决定的基本延时单位。通常介质在忙的时候，退避延时计数器将停止计时，并将当前值锁定作为下一个退避的延时时间。在监听到介质为空时，计数器才开始启动做递减计时，当退避延时计数器为 0 时，通信节点将发送数据帧。若有碰撞发生则将 CW 的值加倍，并重新计算出一个新的随机退避时间进行退避延时，若发生连续碰撞，CW 的值将以 2m 倍增加(m 是发生连续碰撞的次数)，直到达到最大值 CWmax
42、。这样做的好处是当多个通信节点启动延迟并进入随机退避状态后，退避时间最小的节点将在竞争中获胜从而获得对介质的访问权；在竞争中失败的节点则会保持在退避状态直到下一个 DIFS 结束，这样就有可能比第一次进入退避的新站点具有更短的退避时间。为了增强基本CSMA/CA 对异步业务传输的可靠性，IEEE802.11MAC 在基本的 CSMA/CA 基础上使用 MAC 层确认机制，也就是 CSMA/CAACK。图 3-6所示是一个结点访问介质并发送数据。这种情况下，接收方直接用一个应答包（ACK，Acknowledgement）回答。接收方在等待 SIFS 间隔后访问介质，那么，没有其它结点可以在同一时
43、刻访问介质并导致冲突。其它结点必须等待 DIFS 间隔和它们的后退时间。应答包保证了 MAC 层上帧的正确接收（在接收方进行 CRC校验），这对于较容易出错的网络环境（例如无线链路）尤其重要。如果在一定的时间内，没有返回 ACK，发送方使用上述指数退避算法重传该帧。重传帧也必须和其它帧一样参加竞争。当然，重传的次数是有限制的；当最后仍不成功的话，会报告给上层。图3-5CSMA/CA 介质访问方法 图3-6IEEE802.11的CSMA/CAACK 机制3.2.2点协调功能 PCF（Point Coordination Function）PCF 是可选功能，面向连接，提供无竞争帧传送。PCF 支
44、持实时性强的业务，提供一定的 QoS 保证。PCF 依靠点协调器（PC）来执行轮询，使被轮询的站点不必竞争信道就可传送数据。点协调器功能由基本业务群内的接入点完成。基本业务群内能在非竞争期间工作的站点称为 CF-aware 站点。维持轮询表和决定轮询顺序的方法可以进行设置。PCF 需与 DCF 共存，逻辑上位于 DCF 之上。非竞争期重复间隔（CFP 周期）用于决定 PCF 产生的频率。重复间隔内的一部分时间分配给无竞争业务流，剩下的提供给基于竞争的业务流。非竞争期重复间隔由标志帧(B)初始化。标志帧由接入点传送，主要功能之一是同步和定时。非竞争期重复间隔长度是一可调参数，可随输入负荷而变化。
45、如果负载轻，接入点会缩短非竞争期，提供更多的时间给 DCF。在非竞争期，如果某站由接入点轮询发送，该站可直接发送至同一基本业务群内的另一站或另一基本业务群内的某站。当传送被引导至另一基本业务群内的某站时，源站将帧传至接入点，由接入点负责通过 DS 将帧转送至为目的站服务的远端接入点。一般在每一非竞争期重复间隔的开始，基本业务群内的所有站更新其网络分配向量至非竞争期的最大值。在非竞争期，站点被允许发送的唯一机会是回答点协调器的轮询或在接收到一 MAC 协议数据单元之后的 SIFS 时间回送 ACK。一般在非竞争期开始时，点协调器侦听媒体。如果媒体在 PIFS 时间内保持空闲，点协调器即发送一标志
46、帧来初始化非竞争期。 在标志帧发送之后的 SIFS 时间点协调器开始无竞争（CF）传送，发送 CF-Poll（no data）， Data 或 DataCF-Poll 帧。点协调器可发送CF-END 帧来立即终上非竞争期，这在网络负载轻或点协调器元业务在缓存器中待发送时很普遍 。 如果某CF-aware站从点协 调器接收到CF-Poll（data）帧，该站可在 SIFS 空闲期之后通过发送 CF-ACK（nodata）或 Data CF-ACK 帧对点协调器予以响应。如果点协调器接收到某站的 Data CF-ACK 帧，点协调器可发送 DaiaCF，ACKCF-Poll 帧至另一站，其中该帧的 CF-ACK 部分用于对前一数据帧确认。在点协调器和站点之间将轮询和确认 帧结合起来传送是为了提高效率。如果点协调器发送 CF-Poll（no data）帧而目的站无数据帧要发送，则目的站向点协调器回送无任务（Null Function）帧。站点到点协调器的帧传送与此类似。如果点协调器未接收到已发送的数据帧的 ACK 信号，则等待一 PIFS 时间
