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无线局域网(WLAN)的MAC协议探讨

时间:2008-10-23 来源: 作者:胡萍 王长林 点击:
随着信息技术的飞速发展,人们对网络通信的需求不断提高,无线局域网(WLAN)作为计算机网络与无线通信技术相结合的产物,利用无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信,并让通信的移动化、个性化和多媒体应用得以实现。 媒体访问控制(MAC)作为局域网的关
  

  随着信息技术的飞速发展,人们对网络通信的需求不断提高,无线局域网(WLAN)作为计算机网络与无线通信技术相结合的产物,利用无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信,并让通信的移动化、个性化和多媒体应用得以实现。
  媒体访问控制(MAC)作为局域网的关键技术之一,完全决定局域网的网络性能(诸如吞吐性能与迟延性能)等等。而无线局域网(WLAN)由于其传输介质以及移动性等特点,采用与有线局域网有所区别的MAC协议。
1 OSI七层协议中数据链路层(DLL)内LLC层和MAC层
  OSI将网络通信协议体系区分为7个层,体系的最底层称为物理层,网络所采用的不同的传输介质,对应不同的物理层,如双绞线或同轴线。体系内第二层为数据链路层(Data link Sub-layer),数据链路层的上半部为LLC(Logical Link Control Sub-layer)逻辑链路控制子层,负责将数据正确的发送到物理层,在数据链路层的下半部为MAC(Media Access Control)子层,负责控制与连接物理层的物理介质。
  当发送数据时,MAC层要完成以下任务:首先它按规则从LLC层接收数据,然后执行媒体访问规程,查看网络是否可以发送;一旦网络可以发送,它将给数据附加上一些控制信息,把数据及控制信息以规定的格式(一般称做帧)送往物理层。
当接收数据时,MAC层要完成以下任务:首先它从物理层接收到数据帧并检查数据帧中的控制信息,从而判断是否发生传输错误。如数据正确,则去掉控制信息后把其送至LLC层。

 

  图1 MAC发送数据流程            图2 MAC接收数据流程

2 传统有线局域网(LAN)的MAC协议
  在网络标准内,各种传输介质的物理层对应到相对的MAC层,例如以同轴线为传输介质时,对应的MAC层标准为802.14,各个计算机连接成环状时,对应MAC标准为802.5。目前,最普及的网络标准称为以太网,其在MAC层定义为802.3。802.3的MAC层定义对传输介质的访问控制方式为CSMA/CD。
 

     图3 不同传输介质的物理层对应的MAC层

21   CSMA/CD媒体访问控制协议
  由于以太网(Ethernet)成为现存局域网络结构的绝大多形式,CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)载波监测多址接入协议也成为局域网采用最多的MAC协议。CSMA/CD适宜于总线型局域网拓朴结构的随机竞争型媒体访问控制。总线型网络允许同一时刻只有一个节点(Node)发送数据,一旦两个或以上节点同时发送数据,则会发生数据碰撞,数据不能正常发送和接收。CSMA/CD协议就是尽可能保证网络上同时只有一个节点发送数据,减小数据“碰撞”概率。
     CSMA/CD工作过程:
MAC收到LLC(Logical Link Control Sub-Layer)发来的数据以后,首先监测网络电缆上是否具有数据,即载波传送。如果网络空闲,即没有载波传送,刚将数据装帧,经物理层发送出去。如果网络繁忙,则监测网络直到网络空闲,再将数据装帧发送。
2.2 IEEE 802.3 MAC帧格式
MAC层在发送数据时将数据装帧交物理层发送,图4绘出了IEEE 802.3 MAC帧格式。
 
Preamble    SFD      Dest     Source   Length       Data          FCS

62b
2b
6B
6B
2B
46B~1500B
4B

4 IEEE 802.3帧结构
Preamble:前导序列。由62比特交替出现的“0”“1”序列组成。设置目的:接收端物理层同步位时钟。
SFD:起始域。“11”表示有用数据开始。
Dest:目的地址域。由6字节组成。表目的节点地址。
Sourse:源地址域。由6字节组成。表源节点地址。
Length:长度域。由2字节组成。表数据域长度。
Data:数据域。46字节~1500字节之间。
FCS:校验域。4字节组成。
2.3 CSMA/CD为基础的MAC发展方向
随着10 BASE-T和10 BASE-FL等技术的出现,IEEE 802.3标准局域网拓朴结构已经开始由总线型结构向树型结构发展。因此,CSMA/CD为基础的MAC子层也需要被修改以适应双工工作模式局域网的发展。
无线局域网(WLAN)的MAC网络工作方式
无线局域网(WLAN)中MAC所对应的标准为IEEE 802.11,IEEE 802.11 MAC综合了两种工作方式: 分布控制(DCF)和中心控制(PCF)两种工作方式:
1.分布控制方式(DCF),类似CDMA/CD,利用载波监听机制,适用于分布式网络,传输具有突发性和随机性的普通分组数据, 支持无竞争型实时业务及竞争型非实时业务。
2.中心控制方式(PCF),建立在DCF工作方式之上并且仅支持竞争型非实时业务,适用于具备中央控制器的网络。
3.1分布控制方式(DCF)
DCF机制是MAC层中最基本的媒体接入控制机制。DCF机制基于CSMA/CA(CSMA/Collision Avoidance载波监听多址接入/碰撞避免) , 并以RTS/CTS消息交换机制作为辅助的介质访问方式
3.1.1 CSMA/CA协议
  CSMA作为随机竞争类MAC协议,算法简单而且性能丰富,所以在实际局域网的使用中得到了广泛的应用。但是在无线局域网中,由于无线传输媒体固有的特性及移动性的影响,无线局域网的MAC在差错控制、解决隐藏终端等方面存在应有别于有线局域网。因此WLAN与有线局域网所采用的CSMA具备一定的差异。WLAN采用CSMA/CA(CSMA/Collision Avoidance)协议,其与CSMA/CD最大的不同点在于其采取避免冲突工作方式。
  与CSMA/CD不同,WLAN媒体访问控制(MAC)层采用的CSMA/CA(CSMA/Collision Avoidance)协议,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802.3协议使用的冲突检测,采用冲突避免机制尽量减小冲突碰撞发生的概率,以提高网络吞吐性能与迟延性能。协议使用信道空闲评估(CCA)算法来决定信道是否空闲,通过测试天线能量和决定接收信号强度RSSI来完成。并且使用RTS、CTS和ACK帧减少冲突。数据加密与普通局域网的等同加密(WEP)算法一样,使用64位密钥和RC4加密算法。
3.1.2 CSMA/CA工作过程:
 
        图5 带RTS/CTS的DCF机制工作过程
  当发射端希望发送数据时,首先检测介质是否空闲,若是介质为空闲时,送出RTS(Request To Send请求发送),RTS信号包括发射端的地址、接收端的地址、下一笔数据将持续发送的时间等信息,接收端收到RTS信号后,将响应短信号CTS(Clear To Send),CTS信号上也RTS内记录的持续发送的时间,当发射端收到CTS包后,随即开始发送数据包,如图5 所示,接收端收到数据包后,将以包内的CRC(Cyclic Redundancy Check,循环冗余校验)的数值来检验包数据是否正确,若是检验结果正确时,接收端将响应ACK包,告知发射端数据已经被成功地接收。当发射端没有收到接收端的ACK包时,将认为包在传输过程中丢失,而一直重新发送包。
3.1.3 CSMA/CACSMA/CD的区别
  1.载波检测方式:因传输介质不同,CSMA/CDCSMA/CA的检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测,当数据发生碰撞时,电缆中的电压就会随着发生变化;而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。
    2.信道利用率比较:CSMA/CS协议信道利用率低于CSMA/CD协议信道利用率。但是由于无线传输的特性,在无线局域网不能采用有线局域网的CSMA/CD协议。信道利用率受传输距离和空旷程度的影响,当距离远或者有障碍物影响时会存在隐藏终端问题,降低信道利用率。
具体最高的信道利用率与传输速率有关。在IEEE802.11b无线局域网中,在1Mbit/s速率时最高信道利用率可到90%,而在11Mbit/s时最高信道利用率只有65%左右。
3.1.4虚拟介质检测机制(VCS)
  在802.11标准网络内,所有接收到RTS与CTS信号的无线设备,都将采用虚拟介质检测(Virtual Carrier Sense)机制,设置NAV(Network Allocation Vector,网络分配矢量),并使用在RTS和CTS中包含的duration字段信息来设置MAC参数NAV,duration字段指明了源和目的主机为传输数据将要占用信道的时间长度。当物理层内的NAV指针打开时,设备将认为此时的物理介质正为其他设备所占用而停止发送与接收数据。NAV的值随着时间推移不断减小,在NAV值减到零之前,主机不会发起传输尝试。
  虚拟介质检测(VCS)机制设置使其它主机预先知道信道中正在进行的传输情况,从而有效提高了数据帧成功传输的概率。但是VCS机制增加了RTS和CTS的开销,降低了有效数据传输速率。
NAV的设计有助于解决无线局域网内隐藏节点的问题。
3.2 中心控制方式(PCF)
PCF(Point Coordination Function)机制基于轮询机制,可以用于支持无竞争型实时业务。
3.2.1 PCF工作过程:
  希望发送数据的主机首先向APAcess Point)发送Association Request(连接请求)帧,并在帧的功能性能字段的CF-Pollable(可轮询CF)子字段中表明希望加入轮询表。在收到APACK信息以后,主机被列入轮询列表。轮询列表中的主机按连接标识(Association ID:AID )升序排列。AID是由AP主机分配的16bit标识符。
  AP发出Beacon帧表明CFP期间的开始。然后AP依次向轮询列表中的主机发出Poll帧给AP,或发送Data帧给其它非AP主机;如果在PIFS时间间隔内没有响应,则表明主机无数据要发,AP继续发出下一个Poll帧。
轮询中特殊情况:
  在一个CFP期间,如果轮询列表中的主机没有轮询完,那么在下次CFP期间将从未轮询主机开始轮询;如果轮询列表中的主机已经轮询完,还剩有一段时间,AP将随机选择主机发出轮询帧。
轮询结束过程:AP发出End帧,表明CFP期间的结束,CP期间的开始。下图为PCF中帧传输的一个例子:
 
      图6 PCF中帧传输的一个例子
结论与前景:
    IEEE 802.11MAC主要有两种工作方式:DCFPCFDCF是以分布式控制方式实现介质访问控制,以CSMA/CA为主(DATA-ACK两次握手的过程),以RTS/CTS消息交换机制为辅(RTS-CTS-DATA-ACK四次握手的过程)PCF是靠网络中心控制站(AP)实现中心控制方式。由于无线环境难以检测到冲突,IEEE 802.11的冲突检测由物理层的载波冲突检测和媒体访问控制层(MAC)的虚拟载波监听实现。虚拟载波监听使用的是时间预留的方法预测信道的忙闲状况。网络在得知网络忙闲信息后通过随机退避算法减小冲突。
    目前,IEEE802.11委员会已经成立了专门的工作组,研究IEEE802.11MAC对各种业务的QoS要求。这一工作组的研究目前正在进行中,相信不久以后将会有更加完备的MAC协议标准出台。
WLAN已经越来越多的用于各种实际应用,例如展览和会议,工厂车间,办公场所,其在城市轨道交通中也已投入使用,随着MAC协议的不断发展,WLAN将在其中得到更加广泛的应用。
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