無線局域網(wǎng)論文全文

無線局域網(wǎng)802.11數(shù)據(jù)鏈路層的功能研究

第一章 無線局域網(wǎng)概述

在精彩的數(shù)據(jù)通信世界，無線局域網(wǎng)來了。無線局域網(wǎng)曾被認(rèn)為是一項不實用的技術(shù)，因為其組網(wǎng)費用昂貴，且受其數(shù)據(jù)傳送能力的限制。而現(xiàn)在，無線局域網(wǎng)正影響著人們生活的方方面面。您如果去旅游，可以方便地在機場或酒店大廳等公共場合中通過配備的接入點上網(wǎng)沖浪，收發(fā)電子郵件，還可以使用筆記本電腦或配有一個兼容的無線局域網(wǎng)適配器的個人數(shù)字助理（PDA）進(jìn)行其他活動。您如果登記入住一個酒店，觀賞一場體育賽事或注冊大學(xué)的一門課程，也有可能會看到有人通過具有無線局域網(wǎng)性能的計算機連接本地有線局域網(wǎng)接入點，從服務(wù)器和大型機獲得數(shù)據(jù)。

無線局域網(wǎng)（WLAN，Wireless Local Area Network）可定義為，使用射頻（RF，Radio Frequency）微波（Microwave）或紅外線（Infrared）,在一個有限地域范圍內(nèi)互連設(shè)備的通信系統(tǒng)。一個無線局域網(wǎng)可作為有線局域網(wǎng)的擴展來使用，也可以獨立作為有線局域網(wǎng)的替代設(shè)施。因此，無線局域網(wǎng)提供了很強的組網(wǎng)靈活性。 與有線局域網(wǎng)通過銅線或光纖等導(dǎo)體傳輸不同的是，無線局域網(wǎng)使用電磁頻譜來傳遞信息。與無線廣播和電視類似，無線局域網(wǎng)使用頻道（Airwave）發(fā)送信息。其傳輸可以使用無線微波或紅外線實現(xiàn)。一般應(yīng)工作在ISM頻段。

1.1無線局域網(wǎng)的優(yōu)點和局限性

1.1.1優(yōu)點

無線局域網(wǎng)有下列優(yōu)點：首先，無線局域網(wǎng)使用簡易，能靈活地滿足組網(wǎng)的要求；其次，減少了傳統(tǒng)布線的需要，使其構(gòu)建不需布線或者不會太昂貴，因此，除非運營商對接入因特網(wǎng)收費高的離奇，無線局域網(wǎng)能夠降低運營商和用戶雙方的運營成本；第三，無線局域網(wǎng)明顯提供了可移動性，能夠添加、移動、修改設(shè)施。另一個優(yōu)點是可伸縮性，在適當(dāng)?shù)奈恢梅胖没蛱砑咏尤朦c和擴展點，就有可能滿足擴展組網(wǎng)的需要。

1.1.2局限性

在某些領(lǐng)域中使用無線局域網(wǎng)收、數(shù)據(jù)會表現(xiàn)出其局限性。下面列出了使用無線局域網(wǎng)的五大局限性：

傳輸范圍

吞吐量

干擾

成本

移動平臺的電池壽命

無線局域網(wǎng)設(shè)備的低功率和高頻率限制了其傳輸范圍。傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng)通過使用光纖中繼器可以達(dá)到數(shù)公里的傳輸范圍，而無線設(shè)備的傳輸范圍卻只有幾百米。

到新世紀(jì)初，無線局域網(wǎng)的最大傳輸速率是2Mb/s。引入支持IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備將吞吐量提高到了11Mb/s,一旦符合IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備投放市場，吞吐量可能達(dá)到54Mb/s。

與有線局域網(wǎng)的運行速率相比，舊的無線局域網(wǎng)技術(shù)似乎是一個瓶頸，而更重要的是考慮一個接入點所爭用的節(jié)點數(shù)，而不是單一的吞吐量。比如，架設(shè)用802.11bLAN和一個快速以太網(wǎng)做比較。假定計劃將一個無線局域網(wǎng)通過一個單獨的接入點連入到一個100BaseT網(wǎng)段，以便為5個節(jié)點服務(wù)，在假設(shè)快速以太網(wǎng)中有80個節(jié)點。

將無線局域網(wǎng)與有線局域網(wǎng)相比較，可以將運行速率除以節(jié)點個數(shù)，得出每種類型局域網(wǎng)的每個節(jié)點的數(shù)據(jù)率。對于有線局域網(wǎng)，100Mb/s/80得出平均速率為每節(jié)點1.25Mb/s。而無線局域網(wǎng)中注意到盡管通過接入點連接到以100Mb/s速率運行的有線局域網(wǎng)，但是802.11b局域網(wǎng)的接入點時被限制在只支持11Mb/s的數(shù)據(jù)率內(nèi)。因此，每節(jié)點的平均數(shù)據(jù)率為0.733Mb/s。

多徑傳播引起的干擾會限制吞吐量，電磁干擾也會影響傳輸。因此，適當(dāng)?shù)恼军c檢測能把許多問題在尚未發(fā)生時就解決掉。

幾年前，無線局域網(wǎng)適配卡和接入部件還相對昂貴。盡管這些產(chǎn)品的成本都已經(jīng)因為大規(guī)模的生產(chǎn)有所下降，但其價格還是比10Mb/s網(wǎng)卡貴許多倍。

無線局域網(wǎng)的一個主要局限性就是移動平臺的電池壽命。當(dāng)無線局域網(wǎng)被用來在難以布線構(gòu)建LAN的地方提供通信時，那個地方很有可能缺少電源插座。類似地，使用PDA在商店里邊移動邊檢查庫存，電源插座的存在就沒有意義了，因為為設(shè)備的電池充電需要時間。因此，在很多場合下，移動平臺的電池壽命勢

必系考慮的一個不小的局限性。

1.2網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

在醫(yī)院里記錄和提交有關(guān)病人的信息

在大學(xué)校園了對特定活動進(jìn)行技術(shù)支持

控制批發(fā)和零售的庫存

通過賓館、機場和公用樓群里的接口接入因特網(wǎng)

通過簡短通知來配置組織Ad-hoc短期培訓(xùn)中心

不用添加、移動和修改設(shè)施的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

對商貿(mào)展覽運作進(jìn)行技術(shù)支持

第二章 IEEE802.11MAC層功能介紹

本章主要介紹數(shù)據(jù)鏈路層功能及其實現(xiàn)過程，以及其分層結(jié)構(gòu)，說明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈帐诌^程，數(shù)據(jù)交換過程等等問題。在說明問題之前，有必要介紹一些專業(yè)術(shù)語以及MAC層的基本概念性知識。

2.1 術(shù)語和概念介紹

2.1.1 DCF

DCF是IEEE802.11MAC幀的最基本的訪問方法，在所有STA中被貫徹執(zhí)行，用于IBSS及構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)中。

對于一STA幀的傳送，首先偵聽介質(zhì)是否有另一個STA正傳送數(shù)據(jù)，如果介質(zhì)空閑，則傳送可以進(jìn)行，正在傳送的STA必須保證試圖傳送前的一定的時間內(nèi)介質(zhì)是空閑的。如果介質(zhì)忙，則該STA應(yīng)延遲發(fā)送，直到當(dāng)前傳送結(jié)束。 可見DCF方式下，STA使用CSMA/CA和在介質(zhì)忙時使用一隨機延遲的方法允許在兩個兼容的物理層間自動共享介質(zhì)，另外所有正確的傳輸均以一個ACK幀進(jìn)行確認(rèn)，如果發(fā)送者沒有受到ACK幀，則要將該幀進(jìn)行重傳。

當(dāng)多個工作站同時訪問一個介質(zhì)時沖突最可能發(fā)生，而CSMA/CA減少了沖突發(fā)生的可能性。介質(zhì)由忙變閑的瞬間(這可由載波偵聽機制提供)是沖突發(fā)生率最高的時候，這是因為多個STA可能都一直在等著介質(zhì)重新變?yōu)榭臻e。這種情況下需要一隨機的后延程序以解決介質(zhì)的競爭沖突問題。

實際的載波偵聽機制是通過發(fā)布一預(yù)定信號預(yù)定介質(zhì)來實現(xiàn)的。發(fā)布預(yù)定信息的途徑之一是在實際的數(shù)據(jù)傳輸之前交換RTS和CTS信息幀。RTS和CTS幀中包含了時間和地址信息，定義了一個時間片即介質(zhì)傳送實際的數(shù)據(jù)幀和返回ACK信息幀將占用的時間。在接收性能范圍變化之內(nèi)，所有的工作站，包括發(fā)送站（發(fā)送RTS）、接收站（發(fā)送CTS）都將收到介質(zhì)被預(yù)定的信號。于是即使工作站不能接收源工作站的信息，它仍然知道將有人要使用介質(zhì)傳送數(shù)據(jù)。 發(fā)送預(yù)定信息的另一途徑是在正確傳送的幀中包含時間/地址信息，給出介質(zhì)被占用的時間，或者在傳送的結(jié)束立即送一ACK信息幀或萬一有分段發(fā)生，在該確認(rèn)幀后附下一分段分幀。

RTS/CTS機制的另一好處發(fā)生在當(dāng)多個業(yè)務(wù)集同時占用一個信道時。介質(zhì)預(yù)定機制在BSA的界限范圍內(nèi)起作用。RTS/CTS機制也可以在一種典型環(huán)境下提高操作性能，在此環(huán)境下，所有的工作站均能接收來自AP的信息，卻都不能接收來自同一個BSA中的其他工作站的信息。

RTS/CTS機制不能在廣播和存在多個接收者的情況下應(yīng)用。因為這樣存在多個接收地址，對于一個RTS信號來說，這意味著可能多個并存的CTS信號作為回答。而實際上，并非每一個數(shù)據(jù)幀的傳送都需要交換RTS/CTS，這是因為附加的RTS/CTS交換增加了數(shù)據(jù)在空中傳輸?shù)牡托�率。所以該機制并不總是正確的，特別是對較短的幀。

RTS/CTS在摩爾司碼閾值屬性的控制下運行，該屬性可以在每一個基本的工作站被設(shè)置，工作站可能被設(shè)置為或者總是用、從不用、或者僅僅當(dāng)幀的長度大于一特定值使用RTS/CTS交換機值。

沒有被設(shè)置為開始時實施RTS/CTS機制的工作站仍將更新其在接收的RTS或CTS幀中包含的時間信息的載波幀聽機制，并總是對一有地址信息的RTS信號回答一CTS幀。

該協(xié)議允許工作站支持不同的數(shù)碼率的設(shè)置。在一個基本數(shù)碼率變化范圍內(nèi)，工作站接受所有的數(shù)碼率設(shè)置，并能在一個或多個基本數(shù)碼率設(shè)置下傳送數(shù)據(jù)。為支持適當(dāng)?shù)腞TS/CTS操作和實際的載波幀聽機制，所有的工作站必須都能檢測到RTS/CTS信號。因此，RTS/CTS信號必須在一基本的數(shù)碼率設(shè)置的速率下傳送。

2.1.2 PCF

除了上述分布式協(xié)調(diào)功能以外，還存在其它的基于不同優(yōu)先級的集中式接入模式。這種模式即為點協(xié)調(diào)功能模式，這種模式可以允許在無競爭環(huán)境中高優(yōu)先級站能接入到介質(zhì)中去。在這種模式中，通常控制核心部分都把控制權(quán)授予給一個集中式的協(xié)調(diào)器，一般這個協(xié)調(diào)器就是接入點本身。因此接入點很多時候又被稱為點協(xié)調(diào)器（PC）。PCF的工作原理是它本身會詢問所有的站是否具有無競爭業(yè)務(wù)流量，如果有，那么PC就會把這些業(yè)務(wù)流量收集起來并把這些流量傳到要求的目的戰(zhàn)中。

PCF運用了帶有優(yōu)先級的實際的載波偵聽機制，PC分發(fā)帶有指示管理信息的幀，通過設(shè)定STA中的NAV（網(wǎng)絡(luò)分配矢量）來獲得對介質(zhì)的控制權(quán)。另外，所有PCF下傳送的幀用了一個比在DCF方式下傳送幀的幀間間隔要小的幀間間隔，這意味著當(dāng)多個STA同時訪問同一個信道時，PCF可以對訪問介質(zhì)有較高的優(yōu)先級。另外，在無線局域網(wǎng)中，還允許DCF和PCF的共存，DCF作為PCF的基礎(chǔ)而存在。

2.1.3 CSMA/CA

CSMA/CA是無線局域網(wǎng)中最基本的介質(zhì)訪問方式，再次提供了兩種CSMA/CA方式。一種由物理層提供，即實際的載波偵聽機制。另一種由MAC層提供，稱為虛擬的載波偵聽機制。

CSMA/CD被用于很多基于IR的局域網(wǎng)，其發(fā)射和接收都是定向的。在這種情況下，發(fā)送器總是用自己發(fā)射的信號與從其它終端接收到的信號比較來檢測沖突。無線電波傳播不是定向的，這使得在自己發(fā)射期間確定其它終端的發(fā)射有困難。因此，沖突檢測機制不適合無線局域網(wǎng)。然而兼容性對無線局域網(wǎng)非常重要，因此網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計人員不得不考慮CSMA/CD與以太網(wǎng)骨干局域網(wǎng)的兼容性，后者在有線局域網(wǎng)領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。

盡管在有線局域網(wǎng)里實現(xiàn)沖突檢測很容易，只需要檢測電平再和某一閾值電平比較，但在無線信道中由于衰落和其他無線信道的特性無法采用這種簡單的技術(shù)。一個可以被用來檢測沖突的簡單辦法是讓發(fā)射站首先對信道的信號進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)之后將所得信息與自己發(fā)射信息相比較，如果二者不一致則認(rèn)為是沖突發(fā)生了，則立即中止發(fā)射分組。然而在無線環(huán)境里，發(fā)送器自己的信號在所有附

近接收信號中占優(yōu)勢，因此接收器可能無法分辨沖突，只檢測到自己的信號。為了避免這種情況發(fā)生，發(fā)射站的發(fā)射天線模式應(yīng)該與其接收模式有所不同，但是在無線終端設(shè)置這樣的模式并不方便，因此這需要定向天線，并且發(fā)送器和接收器都需要昂貴的前端放大器。

在CSMA/CA中使用了兩個特殊的幀，他們分別是RTS(發(fā)送請求幀)和CTS(清除發(fā)送幀)。

2.1.4 NAV

NAV就是網(wǎng)絡(luò)分配矢量。

2.1.5 MAC信息管理庫（MAC MIB）

MAC層的信息管理庫是由一系列表格形式的屬性值按照一定的規(guī)則組織起來的，這樣就能對同屬于一個MAC層中的不同事件起到協(xié)調(diào)作用。MAC層的信息管理庫又包括了兩套屬性：站管理屬性組和MAC屬性組。一下重點介紹MAC屬性組的一些屬性。

dotllMACAddress:該屬性值表示MAC的唯一單獨地址值。該屬性值屬于MAC層私有，并且MAC層也通過這個地址才能完成接收不同的幀，并把這些幀傳遞到更上層協(xié)議層進(jìn)行處理。

dotllRTSThreshold:該屬性控制在傳遞數(shù)據(jù)幀和管理幀前傳遞RTS控制幀。具體的屬性值定義了傳遞RTS所需最短幀的長度。該屬性的缺省值為2347字節(jié)。 dotllShortRetryLimit:該屬性定義了可以傳遞一個長度小于dotllRTSThreshold閾值的幀的次數(shù)閾值。超過這個閾值，這個幀就會被丟棄而且會向上層激發(fā)一個故障事件的產(chǎn)生。

dotllLongRetryLimit:該屬性定義了一個可以傳遞一個長度大于或者等于dotllRTSThreshold閾值的幀的次數(shù)。超過這個閾值，這個幀就會被丟棄而且會向上層激發(fā)一個故障事件的產(chǎn)生。該閾值的缺省值為4，并且這個卻省值可以由本地或者外部管理器進(jìn)行修改。

dotllFragmentationThreshold:該屬性定義了物理層所能接受的幀的最長長度。超過了這個最長長度的幀都將被進(jìn)行分段。

dotllTrahsmittedFragmentCount:該計數(shù)器記錄成功傳遞了多少個幀片段。一個不需要經(jīng)過分段處理就被傳遞了的MSDU也算作一個幀片段并增加一次這個

計數(shù)器的值。一次成功的傳遞被定義為向特定地址發(fā)送的已經(jīng)接收到其ACK信號的數(shù)據(jù)幀，或者其它向組播地址發(fā)送的數(shù)據(jù)或管理幀。

dotllMulticastTransmittedFrameCount:該計數(shù)器僅僅記錄傳送了多少個組播幀。只要傳遞一個組播幀，那么計數(shù)器就增加一。

dotllRetryCount:該計數(shù)器記錄那些在完成成功傳輸過程中至少經(jīng)過了一次重傳的幀數(shù)。

dotllMultipleRetryCount:記錄那些在完成成功傳輸過程中至少經(jīng)過了兩次重傳的幀數(shù)。

2.1.6 幀間間隔(IFS)

兩幀之間的時間間隔，對給定的間隔，工作站通過載波幀聽判斷介質(zhì)的忙閑狀態(tài)。定義了四種不同的IFS以提供對無線介質(zhì)的優(yōu)先級別訪問。不同的IFS有其獨立的工作站比特率。IFS定時被定義為介質(zhì)上的時間間隙，視每個物理層而不同。

SIFS

被用于ACK、CTS、有分段時的下一分幀或在點協(xié)調(diào)方式下作為對任一詢問的回答，在輪詢控制時也可用于任意的幀。SIFS時從前一幀最后一個符號的結(jié)束到接下來一幀開頭低一個字符的開始所對應(yīng)的時間，可被用于一系列幀交換的過程中。當(dāng)工作站已占用介質(zhì)需保持一段時間以執(zhí)行一系列的幀交換時，利用這一最短的時間間隔傳送一系列幀交換可以阻止那些需等待介質(zhì)空閑較長時間間隔的工作站爭用介質(zhì)，于是這一系列的幀交換的進(jìn)行就取得了優(yōu)先權(quán)。 PIFS

僅僅被用于PCF方式下。在一CFP開始時取得介質(zhì)訪問的優(yōu)先權(quán)。

DIFS

用于分布協(xié)調(diào)方式下。工作站傳送MPDU和MMPDU，在正確接收一幀并后延時間期滿，如果載波偵聽判斷介質(zhì)在DIFS期間空閑，使用分布協(xié)調(diào)的工作站將被允許傳送數(shù)據(jù)。

如果傳送中有錯誤，那么即使判斷出介質(zhì)空閑后，一個在分布協(xié)調(diào)方式下的工作站也不能傳輸數(shù)據(jù)。工作站可能接收一個“錯誤----空閑”幀后傳送，是工作站重新同步。折舊允許工作站使用DIFS，可見DIFS在上述“錯誤——空閑”

幀之后。

EIFS

擴展的IFS，用于分布協(xié)調(diào)方式下。此時物理層指示MAC：一幀的傳送開始后，沒有正確的接收。

物理層不用實際的載波偵聽機制檢測出錯誤的幀后判斷介質(zhì)空閑，隨后EIFS延遲開始。在一個工作站開始傳送以前，EIFS為另一個工作站提供足夠的時間以回答該工作站，什么是不正確接收的幀。根據(jù)實際的介質(zhì)忙閑狀態(tài)，在EIFS期間，由于收到一“錯誤——空閑”幀而使工作站重新獲得同步。所以EIFS被終止，正常的介質(zhì)訪問在收到“錯誤——空閑”幀后繼續(xù)執(zhí)行

2.1.7 幀的分段和重組

所謂真的分段，就是將一個MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元MSDU或一個MAC控制協(xié)議數(shù)據(jù)單元MMPDU分割為較小的MAC級別的幀即MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元MPDU。分段處理產(chǎn)生的比原先的MSDU及MMPDU長度更短的MPDU增加了可靠性，這種方法是通過在某些信道對一些較長幀有些特殊的限制其接受可靠性時增加了MSDU及MMPDU成功傳輸?shù)目赡苄裕�該處理對于一個立即發(fā)射機是比較可靠的。將多個MPDU重組為單個的MSDU或MMPDU的處理過程稱為重組，這一過程相應(yīng)地對一個立即接收機非常方便。該過程只對單一接收地址的幀進(jìn)行分段，而在廣播或組播時不進(jìn)行分段。

當(dāng)從LLC層接收的MSDU或從MLME接收的MMPDU的長度大于2.1.5中的dotllFragmentationThreshold分段閾值時，MSDU或MMPDU就將被分段成為MPDU。每一個分段幀的長度均不大于上述分段閾值，當(dāng)然小于該閾值也是可能的。分段的示意圖如下：

2.2 MAC分層結(jié)構(gòu)

MAC層分為MAC子層和MAC管理子層。前者主要負(fù)責(zé)訪問機制的實現(xiàn)和分組的拆分和重組。其管理子層主要負(fù)責(zé)ESS漫游管理、電源管理，還有登記過程中的關(guān)聯(lián)、去關(guān)聯(lián)以及要求重新關(guān)聯(lián)等等過程的管理。802.11物理層分為三個子層：PLCP（物理層會聚協(xié)議）、PMD（物理介質(zhì)相關(guān)協(xié)議）和物理層管理子層。PLCP子層主要進(jìn)行載波偵聽的分析和針對不同的物理層形成相應(yīng)格式的分

組。PMD子層用于識別相關(guān)介質(zhì)傳輸?shù)男盘査�使用的調(diào)制和編碼技術(shù)。物理層管理子層為不同的物理層進(jìn)行信道選擇和調(diào)諧。除此之外IEEE802.11還定義了一個站管理子層，它的主要任務(wù)是協(xié)調(diào)物理層和MAC層之間的交互作用。

2.2.1 MAC子層

MAC層支持三種主要的幀類型——站點間傳輸信息所用的數(shù)據(jù)幀、控制訪問介質(zhì)所用的控制幀以及管理幀。管理幀用于站點第二層間交換管理信息，而不會將管理信息送往協(xié)議棧的高層。

2.2.1.1 幀格式

802.11的幀格式是可變長的。圖2.2說明了站點間發(fā)送信息所用的MAC數(shù)據(jù)幀格式。在后面的介紹中將會發(fā)現(xiàn)，該幀的某些域也在其他類型的幀中使用。

圖2.2

幀正文（Body）域的最大長度可達(dá)2312Byte，如上圖所示。然而，因為無線鏈路的誤碼率比有線LAN誤碼率高得多，隨著幀長度增加，幀信息受破壞的概率也高。因此一個無線局域網(wǎng)比一個有線局域網(wǎng)的情況就糟糕多了。為彌補這種情況，無線局域網(wǎng)在MAC層支持一種簡單的分段重組機制。

A，控制域

16bit的幀控制域包含11個子域。其中有8個1bit域，通過設(shè)置，可指定一個特性或功能。以下將介紹控制域中的每個子域。

a、 協(xié)議版本子域

2 bit的協(xié)議版本子域提供了一種標(biāo)識802.11標(biāo)準(zhǔn)版本的機制。該標(biāo)準(zhǔn)的最初版本中，協(xié)議版本子域值設(shè)為零。

b、類型和子類型子域

類型和子類型子域提供6bit來標(biāo)識一個幀。類型子域能識別4種類型的幀，但目前僅定義了3種。4bit的子類型子域標(biāo)識了類型分類中的一種特定類型的幀。

c、到分布系統(tǒng)子域

該子域為1bit。當(dāng)幀尋址到一個接入點以便轉(zhuǎn)發(fā)到分布系統(tǒng)時，該子域置”1”。否則該子域置“0”。

d、來自分布系統(tǒng)子域

該子域也是1bit。當(dāng)幀是收自分布系統(tǒng)時，該子域置“1”，否則該子域置“0”。 e、多段子域

該子域為1bit。當(dāng)在當(dāng)前段之后還有更多的段時，這個域的值就設(shè)為“1”。這個域使發(fā)送端注意一個幀是一個段，并且允許接受端將一系列段重裝成一個幀。

f、重試子域

當(dāng)這個1bit域被置“1”，表示這個幀是一個先前傳送過的重傳段。接收站點用這個域來識別當(dāng)確認(rèn)幀丟失時可能發(fā)生的重傳。

g、電源管理子域

IEEE802.11站點可選擇兩種電源模式（即節(jié)能模式或活動模式）之一。當(dāng)發(fā)送時一個站點是活動模式時，一個幀能將其電源狀態(tài)從活動改為節(jié)能模式。

通過使用電源管理比特，一個站點可標(biāo)識其電源狀態(tài)。接入點使用該信息，不斷維護(hù)工作在節(jié)能模式的站點記錄。接入點將緩存發(fā)往其他站點的分組，直到那些站點通過發(fā)送輪詢請求來專門請求分組，或是改變其電源狀態(tài)。

通過使用信標(biāo)幀可獲得另一種將緩存幀發(fā)送給一個運行于節(jié)能模式站點的技術(shù)。接入點周期性地發(fā)送信息，這些信息是關(guān)于運行于節(jié)能模式的站點有接入點所緩存的幀，作為信標(biāo)幀的一部分。每個這樣的站點接受信標(biāo)幀后被喚醒，注意到有幀存儲在接入點中等待轉(zhuǎn)發(fā)。然后這些站點就保持在活動電源狀態(tài)，并且給接入點發(fā)送一個輪詢請求信息以索取那些幀。

h、多數(shù)據(jù)子域

這個子域指示在當(dāng)前幀后帶有更多幀。這個1bit子域由接入點設(shè)置，指示有更多的幀緩存在一個特定站點中。記住當(dāng)一個目的站點運行在節(jié)能模式時，將在接入點中產(chǎn)生緩存。目的站點可利用此信息來決定它是否要繼續(xù)輪詢，或者這個站點是否要將電源管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛顒幽Ｊ健?/p>

i、 有線等效保密子域

IEEE802.11委員會提出通過附加授權(quán)認(rèn)證和加密保證安全性，統(tǒng)稱為有線等效保密（WEP,Wired Epuivalent Privacy）。WEP子域的設(shè)置指示了幀的正文按WEP算法加密。

j、順序子域

控制域的最后一個子域是1bit的順序子域。該比特1指示幀使用嚴(yán)格順序服務(wù)等級進(jìn)行發(fā)送。該子域的使用是適應(yīng)DEC LAT協(xié)議的，DEC LAT協(xié)議不允許單播和多播幀間順序的變化。因此，對于大多數(shù)無線應(yīng)用是不使用該子域。

以上是對控制域內(nèi)的子域做了詳細(xì)介紹，下面繼續(xù)討論MAC數(shù)據(jù)幀。

B 持續(xù)時間/標(biāo)志符域

這個域的含義與幀類型有關(guān)。在一個節(jié)能輪詢消息中，該域指示了站點標(biāo)志符（ID）。在其他類型幀中，該域指出持續(xù)時間值，它表示發(fā)送一幀所需的時間間隔，單位是微秒。

C 地址域

一個幀可以包含多達(dá)4個地址，這與控制域中ToDS和FromDS比特設(shè)置有關(guān)。地址域被標(biāo)識為地址1到地址4。

基于控制域中的ToDS和FromDS比特設(shè)置，地址域的應(yīng)用情況見表2.2。注意表2.2中地址1總是指接受端地址，這個地址可以是目的地址DA、基本服務(wù)集ID(BSSID)或是接收地址RA。如果ToDS比特置“1”，那么地址1中含接入點地址；如果ToDS比特置“0”，那么地址1中是站點地址。所有站點按地址1域中的值進(jìn)行過濾。

表2.2 基于控制域中的ToDS和FromDS比特設(shè)置的MAC地址域值

地址2總是用于標(biāo)志發(fā)送分組的站點。如果From DS比特置“1”，那么地址2中是接入點地址；否則代表站點地址。地址3域也與ToDS和FromDS比特設(shè)置有關(guān)。當(dāng)Fromds比特設(shè)置為“1”，地址3中就是原來的源地址。如果ToDS比特置“1”，則地址3中就是DA。

地址4用于特定情況，即使用了無線分布系統(tǒng)，并且一個幀從一個接入點正發(fā)往另一個接入點。在這種情況下，ToDS和FromDS比特設(shè)置都被置位。因此，原來的DA和SA都不可用了，地址4就僅限于標(biāo)識有線DS幀的源地址。

D 序列控制域

2Byte的序列控制域用作表示所屬幀的不同段順序的機制。序列控制域中包含兩個子域：段號和序列號。這些子域用于定義幀和所屬幀的各段的段號。

E 幀正文域

幀正文域用于在站點間傳送實際信息，這個域是可變長的，最長可達(dá)2312字節(jié)。

F CRC域

MAC數(shù)據(jù)幀中最后一個域是CTC域，這個幀長4字節(jié)，包含32比特的CRC。

2.2.1.2 數(shù)據(jù)傳送前的握手過程

如前所述，IEEE802.11MAC采用了一個基本的介質(zhì)訪問協(xié)議即帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問機制（CSMA/CA）。所用的CSMA/CA協(xié)議要求一個有信息要發(fā)送的站點首先要對傳輸介質(zhì)進(jìn)行偵聽，即發(fā)前偵聽。如果介質(zhì)忙，該站點就延遲發(fā)送。如果接著在某一特定的時間內(nèi)是可用的，稱之為分布的幀間間隔DIFS，則該站點可以發(fā)送數(shù)據(jù)。因為其他的站點可能幾乎同時發(fā)送信息，接收站點就必須檢驗接收分組，并且發(fā)送一個確認(rèn)消息ACK通知發(fā)送站點沒有發(fā)生沖突。若發(fā)送站點沒收到確認(rèn)信息，他將進(jìn)行重發(fā)，直到它收到一個確認(rèn)消息或者其重發(fā)次數(shù)達(dá)到一定的極限。

CSMA/CA機制使介質(zhì)訪問中的沖突最小化。因為有可能會出現(xiàn)兩個站點同時偵聽信道，并發(fā)現(xiàn)介質(zhì)空閑隨后發(fā)送信息，或是兩個站點沒有互相偵聽，就發(fā)送信息的情況，這時沖突就會發(fā)生。為減小沖突的可能性，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)所用的CSMA/CA派生出一種稱為虛擬載波偵聽VCS的技術(shù)。在VCS中，要求發(fā)送信息的站點先發(fā)送一個請求發(fā)送幀RTS的分組。這個分組是一個相當(dāng)短的控制包，它包含了DA和SA，以及隨后的發(fā)送持續(xù)時間。這個持續(xù)時間是根據(jù)數(shù)據(jù)分組的傳輸和接收端分組確認(rèn)的時間來規(guī)定的。接收端發(fā)出清除發(fā)送CTS分組作為響應(yīng)。CTS分組指示了與RTS分組中相同的持續(xù)時間信息。收到RTS或CTS控制分組，或是收到兩種分組的每個站點，將其VCS指示器設(shè)成傳輸持續(xù)時間。在IEEE802.11中，該指示器即為所謂的網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV，其用作一種通知介質(zhì)上所有其它站點后退或延遲其傳送的機制。

如果在以預(yù)定的時間內(nèi)未收到CTS，則發(fā)送站點就認(rèn)為是發(fā)生了沖突，并且

重新開始這個過程，發(fā)送另一個RTS分組。一旦收到CTS幀，就發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接收端回送一個ACK分組以確認(rèn)一次成功的數(shù)據(jù)傳輸。

使用RTS和CTS控制分組減少了在接收端發(fā)生沖突的可能性，這種沖突來自發(fā)送端“隱藏”的站點。所謂“隱藏節(jié)點”指一個服務(wù)集的站點，它不能檢測到另一個站點的傳送數(shù)據(jù)，因而不能判斷出介質(zhì)忙。

現(xiàn)以圖解的方式歸納使用RTS和CTS控制分組以及它們與數(shù)據(jù)流和NAV之間的關(guān)系，如圖2.5所示：

為了更形象地說明問題，現(xiàn)舉一個有五個工作站競爭信道的例子如下： 有A、B、C、D、E五個展位了發(fā)送自己的數(shù)據(jù)幀參與競爭信道。此時A站有一個幀在空中發(fā)射，BCD站偵聽信道并且發(fā)現(xiàn)信道正忙，于是他們各自允許隨機數(shù)發(fā)生器來隨機產(chǎn)生一個后退時間。C站在D和B站之后得到一個最小的數(shù)。所有三個終端繼續(xù)偵聽信道并且推遲各自的發(fā)射，直到A終端的發(fā)射完成。完成后三個終端等候IFS周期，一旦此周期結(jié)束他們立即開始計數(shù)。第一個完成計數(shù)的終端，在本例中是C站，在等待時間計數(shù)完成后開始其幀發(fā)射。其余兩個終端B和D，將各自計數(shù)器停止在C站開始發(fā)射時的計數(shù)值。在C站發(fā)射的過程中，E站開始偵聽信道，運行自己的隨機數(shù)發(fā)生器，在本例中得到一個比D站剩余計數(shù)大但是比B站剩余計數(shù)小的隨機計數(shù)值，因此在C站傳輸完畢之后推遲自己的發(fā)射。按照和先前一樣的方式，所有的終端要等待IFS周期，然后開始計數(shù)。D站最早完成自己的隨機等候時間，開始發(fā)射自己的分組。同時B和E暫停自己的計數(shù)器，等待D站完成幀傳輸以及之后的IFS周期，然后他們再次啟動計數(shù)，由于E站的計數(shù)器首先計數(shù)到零，于是E站開始發(fā)射數(shù)據(jù)，B站暫停計數(shù)。在E站完成幀傳輸以及IFS周期后，B站的計數(shù)器一直計數(shù)到零并且開始發(fā)射幀數(shù)據(jù)，這樣的后退策羅比起IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中的指數(shù)后退方案，其優(yōu)勢在于無需沖突檢測程序，并且等候時間也是公平分布的，平均來說執(zhí)行了先來先服務(wù)的原則。具體過程圖解如下：

2.2.1.3 分段傳輸過程中的RTS/CTS用法

RTS/CTS幀定義了以下幀和ACK幀持續(xù)的時間。時間/標(biāo)識域（在數(shù)據(jù)幀和

ACK幀中）詳細(xì)指明了下一分段和ACK的時間。每一幀包括了定義下一次傳輸持續(xù)時間的信息，該信息幀從用來更新NAV值時介質(zhì)忙的RTS幀開始直到ACK0的結(jié)束，從用來更新NAV值時介質(zhì)忙的CTS幀開始直到ACK0的結(jié)束。分段0和ACK0中都包括時間信息以更新NAV值時介質(zhì)忙直至ACK1的結(jié)束，這些均通過運用時間/地址域（數(shù)據(jù)幀和ACK）振中來實現(xiàn)。到最后一分段中，時間信息變?yōu)橐粋�ACK時間加一個SIFS時間且在其ACK幀中將其時間/標(biāo)識域設(shè)為零。每一分段和ACK均像RTS和CTS；因此，在以RTS/CTS開始一系列幀交換后，盡管分段的長度可能大于dot11RTS閾值，仍不再在分段的傳送之間用RTS和CTS幀。在運用跳頻技術(shù)的物理層的工作站中，當(dāng)在下一時間邊界前沒有充足的時間傳送隨后的分段時，發(fā)動幀交換序列的工作站就在時間邊界前將時間/標(biāo)識域的值在最后一個數(shù)據(jù)幀或管理幀中設(shè)為一ACK時間加上一個SIFS時間。

萬一ACK被送出而源工作站沒收到，接收分段或ACK幀的工作站就把信道對下一幀交換標(biāo)記為忙，因為NAV從這些幀的信息中一直被更新，這是最壞的情況，見下圖。如目標(biāo)工作站沒送出ACK則僅能聽到目標(biāo)工作站的工作站不更新其NAV且可能試圖訪問信道當(dāng)他們的從收到的前一幀的信息中被更新的NAV達(dá)到0時，所有能聽到源工作站的.工作站在其NAV期滿時都將自由地訪問信道。 在分段突發(fā)期間，源工作站僅僅在下列情況下才在SIFS后傳送：

——工作站已經(jīng)收到一需要ACK的分段。

——源工作站已經(jīng)收到對前一分段的ACK，又有多個分段要傳，在下一個居留時間邊界之前，有足夠的時間發(fā)送下一分段且能收到其確認(rèn)信號。 另外還應(yīng)遵守下列規(guī)則：

——當(dāng)工作站已傳完一幀，除了開始的或中間的分段，工作站不會在此信道中在不執(zhí)行后延程序的情況下在緊跟著傳輸一ACK幀。

——MSDU成功傳輸或所有重傳嘗試都結(jié)束，而且該工作站還有一隨后的MSDU待傳時，工作站將執(zhí)行補償程序。

——僅僅沒被確認(rèn)的分段要重傳。

2.2.1.4 廣播和組播

PCF方式下，當(dāng)一廣播或多接收地址的MPDU被傳送時，僅僅需要一基本的介質(zhì)訪問程序，而不考慮幀的長度，也不用RTS/CTS幀交換。另外，也不用

ACK幀的傳送。任何工作站要傳送廣播和多接收地址的MPDU時，除了要確認(rèn)基本的CSMA/CA介質(zhì)訪問程序以外，還要服從RTS/CTS幀交換的規(guī)則，因為該MPDU時直接到達(dá)AP的。廣播信息將被分發(fā)到BSS內(nèi)，原來的工作站也將收到。因此，所有的工作站將過濾出包含他們自己地址的廣播信息作為源地址。廣播和多接收地址的MPDU將在一個ESS內(nèi)被散播。

在廣播和多接收地址的MPDU幀中無MAC層恢復(fù)功能，于是比起直接傳送的可靠性，這樣的傳輸?shù)目煽啃跃徒档土�，因為在延遲、碰撞等情況下，幀丟失的可能性增大了。

2.2.1.5 恢復(fù)處理

本節(jié)主要講述對錯誤幀地恢復(fù)程序、重傳過程及其極限和對重復(fù)幀的處理過程。

a、 恢復(fù)程序和重傳極限

導(dǎo)致錯誤發(fā)生而需要恢復(fù)的環(huán)境很多，例如，RTS被傳送后，可能CTS沒被返回，這有可能是因為與其他的傳輸發(fā)生了沖突，也可能因為信道中的干擾，或者因為收到RTS的STA正處于載波偵聽狀態(tài)（指示介質(zhì)忙）。

對于一發(fā)起幀交換且被證明錯誤的工作站，錯誤恢復(fù)可以通過重傳來進(jìn)行。對于每個失敗的幀交換序列，重傳繼續(xù)直到成功或者直到達(dá)到一個適當(dāng)?shù)闹卦嚇O限。對于每個期待傳送的MSDU或MMPDU工作站都包含一個短的和長的重試計數(shù)器，這些計數(shù)器在增加或者重設(shè)時是互相獨立的。

一RTS幀被傳送后，工作站將執(zhí)行CTS（9.2.5.7）。如果RTS傳輸失敗，則短重試計數(shù)器和長重試計數(shù)器增加，該過程繼續(xù)直到嘗試重傳的次數(shù)達(dá)到dot11短重試極限。

傳送一需要確認(rèn)的幀后，工作站執(zhí)行ACK程序（9.2.8）。對于MSDU或MMPDU來說，每一次傳送的MAC幀（長度小于或等于dot11RTS閾值）失敗，短重試計數(shù)器增加，成功的話，計數(shù)器被重置。而長度大于dot11RTS閾值的幀傳送失敗，長重試計數(shù)器增加，成功傳輸則長重試計數(shù)器被重置。直到長重試計數(shù)器或短重試計數(shù)器達(dá)到各自的重試極限，對失敗傳輸?shù)闹貍鲗⒗^續(xù)。一旦達(dá)到極限，重傳停止，該MSDU或MMPDU被丟棄。

在省電模式下的工作站，通過傳送一輪詢幀作為對來自AP數(shù)據(jù)的回答已開

始一幀交換序列。萬一既沒有ACK幀也沒有數(shù)據(jù)幀從AP傳過來，工作站將在適宜的時刻通過發(fā)送另一個輪詢幀來重試該幀交換序列。如果AP發(fā)一數(shù)據(jù)幀作為對輪詢的回答，但又沒收到ACK確認(rèn)幀，則從同一個工作站發(fā)出的下一個輪詢幀會引起AP中最后一個MSDU的重傳，該完全一樣的幀將被濾波器過濾。如果AP送一ACK作為回答，那么相應(yīng)地，因為數(shù)據(jù)在一系列的幀交換中已被傳送，對于一攜帶錯誤恢復(fù)的數(shù)據(jù)幀的責(zé)任就轉(zhuǎn)移到了AP上。AP就試圖傳送一MSDU給傳送輪詢幀的工作站，用任何合法的幀交換序列換取一個正確的MSDU.

省電模式下，如果傳送輪詢幀的工作站在傳送了ACK幀作為對成功接收MSDU的確認(rèn)后回到Doze狀態(tài)，AP將重傳該MSDU直到達(dá)到有關(guān)的重試極限。

b、重復(fù)幀的檢測和恢復(fù)

既然該協(xié)議中包含了確認(rèn)和重傳機制，那么就有可能某一幀被不止一次地傳送，那些重復(fù)幀將被目的工作站的MAC層過濾出來。在數(shù)據(jù)幀和管理幀中，重復(fù)幀的過濾有助于包括一序列控制域（包括一序列號和一分段號）的幀的通過，作為同一個MPDU的MPDU有同樣的序列號而不同的MSDU（有很大的可能性）有不同的序列號。序列號被正在傳送的工作站作為一個增值的整數(shù)序列而存在。

2.2.2 MAC管理子層

管理子層負(fù)責(zé)在站和AP之間進(jìn)行通信的初始化，這一層的操作機制是移動環(huán)境下所需要的。這種功能在其他的無線系統(tǒng)中也有，但在802.11的MAC管理子層得到了極大的擴展。一般的MAC管理幀的格式見下圖，不同的管理幀一般用于不同的目的。

MAC管理幀格式

a、登記

信標(biāo)是一種管理幀，它是由AP準(zhǔn)定期地進(jìn)行發(fā)送，用來建立定時同步功能（TSF）。管理幀包含的信息有基站子系統(tǒng)ID(BSS-ID)、時間戳（用于同步）、業(yè)務(wù)指示表（睡眠模式）、功率管理和漫游等。接收信號的強度的測量是根據(jù)信標(biāo)信息作出的。信標(biāo)幀還用來識別AP，網(wǎng)絡(luò)等等。要給MS（移動臺）發(fā)送幀時，分布式系統(tǒng)必須要先知道為這個MS服務(wù)的AP的位置。關(guān)聯(lián)過程實際上就是MS向一個AP登記的過程，只有建立關(guān)聯(lián)以后MS才能通過一個AP發(fā)松和接收分組。至于分布式系統(tǒng)中怎樣保存關(guān)聯(lián)信息，標(biāo)準(zhǔn)并沒有規(guī)定。如果MS想同一個AP建立關(guān)聯(lián)，首先必須給MS發(fā)送一個關(guān)聯(lián)請求幀，AP同意后發(fā)送一個關(guān)聯(lián)響應(yīng)幀作為回答。MAC管理幀和切換過程中使用的兩幀功能是類似的。

b、越區(qū)切換

IEEE802.11有三種移動模式：其中一種就是所謂的“無轉(zhuǎn)移”類型，在這種移動方式下，MS時靜態(tài)的或在一個BSA范圍內(nèi)移動；另一種模式是“BSS轉(zhuǎn)移”方式，這種模式中MS從一個BSS轉(zhuǎn)移到另一個BSS，但這兩個BSS都在同一個ESS內(nèi)；最常見的一種移動方式就是“ESS轉(zhuǎn)移”，MS從一個BSS 轉(zhuǎn)移到另一個BSS，但這兩個BSS不在同一個ESS內(nèi)，在這種情況下高層的連接就中斷了，這時就必須需要一個移動的IP繼續(xù)保持連接。

當(dāng)一個MS在同一個ESS內(nèi)從一個BSS轉(zhuǎn)移到另一個BSS時，就要用重關(guān)聯(lián)服務(wù)。MS要進(jìn)行初始化，告訴分布式系統(tǒng)該MS已經(jīng)將關(guān)聯(lián)從一個AP轉(zhuǎn)到另一個AP上。去關(guān)聯(lián)是用來中止一個關(guān)聯(lián)的，它可由關(guān)聯(lián)的任何一方啟動。去關(guān)聯(lián)是一種同志形式，而不是一個請求，因而它是不能被拒絕的。離開一個BSS的MS將會發(fā)送一個去關(guān)聯(lián)信息給其所關(guān)聯(lián)的AP，但這個信息不能保證一定能被收到。

c、 功率管理

無線局域網(wǎng)的功率保存問題就是當(dāng)空閑的移動臺突然有數(shù)據(jù)需要接受時，如何保持空閑狀態(tài)，這樣就可以控制LAN適配器的功率消耗。實現(xiàn)的難點在于怎樣在空閑狀態(tài)時關(guān)掉斷源又能保持會話。IEEE802.11的解決方案是讓這些移動

臺處于睡眠模式，發(fā)往這些MS的數(shù)據(jù)先在AP 中緩存，當(dāng)MS被喚醒時AP再把緩存的數(shù)據(jù)發(fā)往相應(yīng)的移動臺。同蜂窩電話的持續(xù)功率管理比較而言，這種方案更適合于突發(fā)數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用。

利用時間同步幀TFS，所有的MS 在同一時間里被喚醒以監(jiān)聽信標(biāo)幀，如下圖所示就可以實現(xiàn)所有MS的同步。MS使用幀控制字段中的功率管理位表明自己當(dāng)前是處于睡眠還是喚醒狀態(tài)。隨信標(biāo)一起發(fā)送的有一個業(yè)務(wù)指示表TIM，TIM是在AP中有緩存信息的移動臺的列表。MS 通過檢查信表和TIM來了解自己是否有緩存信息。有緩存信息的MS發(fā)送節(jié)能輪詢幀給AP。若站處在活動模式時，AP就向其發(fā)送緩存的分組。

偵聽用于電源管理的信標(biāo)

d、安全

IEEE802.11提供認(rèn)證和保密服務(wù)。802.11提供兩種類型的認(rèn)證方法。一種是開放系統(tǒng)認(rèn)證，這是默認(rèn)的認(rèn)證方式。這種方式下請求幀先發(fā)一個開放系統(tǒng)的加密算法的ID ，響應(yīng)幀再返回一個請求的結(jié)果。共享密鑰的認(rèn)證方式能提供更高的安全級別。請求幀先發(fā)送一個認(rèn)證幀ID，這個ID是作為這個請求幀和AP的共享密鑰，由40比特密碼組成。第二個站發(fā)送一個質(zhì)詢文本。第一個站發(fā)送加密的質(zhì)詢文本作為響應(yīng)。第二個站發(fā)送認(rèn)證結(jié)果。值得提出的是40比特的密鑰提供的安全級別是比較低的。盡管一些產(chǎn)品使用數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，但幾乎所有系統(tǒng)中使用的密鑰算法一般都是RC－4。通過利用WEP規(guī)范，IEEE802.11的保密特性得以繼續(xù)保持。使用偽隨機數(shù)發(fā)生器和40比特的私鑰序列，并把它與明文消息進(jìn)行簡單的異或運算。但這種方式提供的安全是很有限的而且很容易對其實施攻擊。