第04次课-移动计算技术--802.11-MAC-(2009-revised)

移动计算技术——IEEE802.11的MAC协议授课教师：赵蕴龙Email：[e-mail]2.4IEEE802.11的MAC协议IEEE802.11协议简介1997年6月推出第一代WLAN标准—IEEE802.11（1997版）1999年推出新的IEEE802.11（1999版）该标准定义了物理层和MAC层的技术规范•定义了两种无线射频传输方式和一种红外传输方式•无线传输－FHSS和DSSS2.4IEEE802.11的MAC协议802.11b—1999年9月批准对IEEE802.11标准修改和补充在IEEE802.11的基础上增加两种更高的通信速率:5.5Mbps和11Mbps基本结构、特性和服务仍然有最初的IEEE802.11标准定义要到达5.5Mbps和11Mbps，只能采用DSSS作为唯一的物理层技术，因此不能与速率1Mbps和2Mbps的802.11FHSS系统兼容2.4IEEE802.11的MAC协议IEEE802.11a标准工作在5GHz的频带物理层速度可达54Mbps，传输层可达25Mbps采用OFDM（正交频分复用）技术可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的Ethernet无线帧结构接口2.4IEEE802.11的MAC协议IEEE802.11g标准向下兼容802.11b标准能工作在2.4GHz和5GHz速度可达22Mbps和33Mbps2.4IEEE802.11的MAC协议正在或将要推出的标准802.11d是802.11b的其他频率的版本802.11e增加了Qos能力，采用TDMA的方式去取代类似与Ethernet的MAC层802.11f改善切换机制，使用户可以在不同的交换分区或接入设备漫游802.11h能更好的控制发送功率和选择无线信道802.11i改善明显的安全缺陷2.4IEEE802.11的MAC协议2.4IEEE802.11的MAC协议IEEE对ISO物理层也作了划分子层的方式物理层汇聚过程（PLCP，PhysicalLayerConvergenceProcedure）子层定义了MAC子层协议数据单元（MPDU）映射成适合于物理介质相关（PMD，PhysicalMediumDependent）子层帧的格式PLCP还完成了MAC子层的载波检测PMD子层定义了通过介质发送和接收数据的方法，包括数据编码和调制2.4IEEE802.11的MAC协议IEEE802.11标准支持两种类型的拓扑结构基本服务集BSS（BasicServiceSet）扩展服务集ESS（ExtendedServiceSet）2.4IEEE802.11的MAC协议基本服务集BSS（BasicServiceSet）BSS包含两个或更多的移动节点，节点之间可以相互通信有效支持对等的通信每个节点被称为一个站点，在BSS中可自由移动每一个BSS有一个表识符。称为DSSID，长度为6字节一个BSS中的所有成员可以相互通信的无线区域称为一个基本服务区BSA（BasicServiceArea）2.4IEEE802.11的MAC协议扩展集ESS（ExtendedServiceSet）通过使用两个或多个接入点连接两个或多个BSS，可以形成一个ESSESS也有意标识符，这个标识符被称为ESSID通过ESSID，可以支持一个节点从一个BSS漫游到另一个BSS2.4IEEE802.11的MAC协议2.4IEEE802.11的MAC协议对网络速度的要求较高对网络速度要求较低10~20个字节可以支持50个以上的节点2.4IEEE802.11的MAC协议IEEE802.11标准MAC协议主要完成数据的收发从LLC接受要发送的数据，并决定是否把数据递交给物理层给发送数据附加控制信息后装成帧，并把数据帧递交给各物理层从物理层接受数据检查接受代的数据帧的控制信息，判断数据是否正确去掉数据争中的控制信息，并把数据递交至LLC层2.4IEEE802.11的MAC协议与WLAN体系结构和工作原理密切相关的服务STA服务(SS)分布式系统服务(DSS)以上两种服务均由MAC层使用2.4IEEE802.11的MAC协议1STA服务由STA提供的服务称为STA服务，存在于每个STA和AP中认证解除认证保密2.4IEEE802.11的MAC协议１）认证（Authentication)LAN通过物理安全性来阻止非法接入在ＷLAN中媒体没有明显的物理边界利用认证服务控制ＷLAN的接入能力所有的ＳＴＡ均可好使用该服务得到与他们通信的ＳＴＡ的身份IEEE802.11支持•开放系统认证（OpenSystemAuthentication）•共享密匙认证（SharedKeyAuthentication），执行有限等价保密算法（WEP，WiredEquivalentPrivacy）2.4IEEE802.11的MAC协议2)解除认证（Deauthentication）终止已存在的认证解除认证可以由任何一个联结实体（STA或AP）唤醒不是请求，而是通知服务解除认证不能被任何一方拒绝2.4IEEE802.11的MAC协议保密（Privacy）在有线中，只有联结到有线的STA可以侦听在无线中，一台符合标准的STA可以侦听到覆盖范围内的所有PHY服务IEEE802.11提供WEP服务2.4IEEE802.11的MAC协议２分布式服务DSS通常由AP提供，包括：联结(Association)重新联结(Reassonsiation)解除联结(Disassociation)分布(Distribution)2.4IEEE802.11的MAC协议1)联结(Association)为在DS内传送消息，对于给定的STA，分布式服务需要知道接入哪个APSTA要通过AP发送数据，必须先联结AP在同一时间，一个STA只可能和一个AP连联结联结由STA激活支持BSS的切换活动，联结是必要条件，进而支持无切换活动2.4IEEE802.11的MAC协议重新联结（Reassonsiation）重新联结支持STA的BSS的切换功能用来完成当前联结从一个AP到另一个AP保持AP与STA之间的当前映射重新联结由移动STA激活2.4IEEE802.11的MAC协议3）解除联结（Disassociation）终止已存在的联结，向已解除联结的STA发消息不仅可能成功由STA或AP唤醒解除联结是一个通告性服务，不能被联结的任何一方拒绝2.4IEEE802.11的MAC协议分布（Distribution）STA使用的基本服务，由来自或发送至工作在ESS中的STA的每个数据消息所唤醒功能是发送和接收数据消息2.4IEEE802.11的MAC协议2.4IEEE802.11的MAC协议IEEE802.11MAC帧的类型第一类型•控制帧（RTS、CTS、ACK、CF-End+ACK、CF-END）•管理帧（包括试探请求/响应、信标、认证、解除认证、广播业务量指示消息）•数据帧2.4IEEE802.11的MAC协议第二类帧第三类帧只有管理帧数据帧管理帧控制帧2.4IEEE802.11的MAC协议通用帧格式2.4IEEE802.11的MAC协议DFWMAC协议概述IEEE802.11X的无线媒体介入协议称为“基于分布式的无线媒体访问控制协议”（DistributedFunctionWirelessMAC—DFWMAC）支持AdHoc和Infrastructure两种类型的无线局域网DFWMAC的基础是CSMA/CA2.4IEEE802.11的MAC协议DFWMAC协议两种方式分布式协调功能DCF（DistributedCoordinationFunction）点协调功能PCF（PointCoordinationFunction)2.4IEEE802.11的MAC协议DFC是IEEE802.11最基本的媒体访问方式核心是CSMA/CA，包括载波检测（CS）、帧间间隔（IFS）和随机退避（Randomback-off）规则每一个节点使用CSMA机制的分布接入算法，让各个站点通过争用来获取发送权在所有的STA上都进行实现，用于AdHoc和Infrastructure网络结构中向上提供争用服务2.4IEEE802.11的MAC协议PCF是可选的媒体访问方式，用于Infrastructure结构使用集中控制的接入算法一般在接入点AP实现集中控制用类似于轮询的方法将发送数权轮流交给各站点对于时间敏感业务，因该使用无争用的点协调功能2.4IEEE802.11的MAC协议帧间隔IFS为了避免碰撞，规定所有站点在发送完成后，必须等待一段时间才能发送下一帧这段时间称为帧间隔IFS（Inter-FrameSpace）帧间隔的长短取决于该站打算发送的帧的类型，高优先极短，低优先级长2.4IEEE802.11的MAC协议几种常用的IFS短IFS（SIFS）PCF的IFS（PIFS）DCF的IFS（DIFS）扩展的IFS（EIFS）2.4IEEE802.11的MAC协议DCF协议原理DCF有两种工作方式CSMA的工作方式•基本工作方式，CSMA/CA方式•RTS/CTS机制DCF有两种工作方式CSMA的工作方式•基本工作方式，CSMA/CA方式•RTS/CTS机制•检测信道空闲时间大于某一个IFS后立即发送•否则，在IFS后选择退避时间退避•退避结束后重复上两个过程2.4IEEE802.11的MAC协议CSMA机制为了增强CSMA/CA对异步业务传输的可靠性发送方和接受方需要有一种在MAC层的确认机制来判断传输是否正确CSMA/CA+ACK方式2.4IEEE802.11的MAC协议载波侦听的方式物力层的直接载波检测CSMAC层的虚拟VCS（VirtualCarrierSense）•从接受射频或天线信号检测信号的能量•或根据信号的质量估计信道的忙闲•基本的CSMA/CA就是利用物理层的之间载波检测CS•通过MAC报头或RTS/CTS中的NAV来实现•源站点将它要占用的信道的时间通知给其它点•其它站点并没有监听信道，而是由于收发了其它站点的通知而不发送数据2.4IEEE802.11的MAC协议当一个站点发送数据时，首先检测信道通过物理层直接监听信号的想对强度是否超过一门限制一个站点检测到正在信道传送的MAC帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量NAV信道处于忙状态，或者是由物理层的载波监听检测到，或者是由MAC层的虚拟载波机制指出信道忙2.4IEEE802.11的MAC协议检测到信道空闲后等待DIFS后，进入争用窗口计算退避时间目的站点正确接收该帧，经过时间间隔SIFS发送确认帧ACK若源站点在规定时间内没有收到确认帧ACK，则重传此帧2.4IEEE802.11的MAC协议退避算法当信道忙状态时，各站点必须执行退避算法当多个站点都要占用信道时，可以减少发生碰撞的概率2.4IEEE802.11的MAC协议退避时间CW为竞争窗口参数，取值范围是CWmin~CWmax之间的一个整数2.4IEEE802.11的MAC协议初始化时，CW的取值为CWmin当发生重传时，CW取给定队列的下一个值，直到CWmax802.11协议执行的是二进制指数退避（BEB）算法，第一次退避就在22+i个时隙中随机地选择一个给定CW的队列7(CWmin),15,31,63,127,255(CWmax)2.4IEEE802.11的MAC协议竞争算法的优点上次竞争不到信道的站点将越来越短的退避时间进入下一次竞争避免了节点永远竞争不到媒体的情况竞争算法提供了对媒体公平访问的机制对高负荷网络起代稳定的作用当一个站点发送数据时，仅