局域网MAC层使用的多址接入技术综述

局域网MAC层使用的多址接入技术综述学院：电子信息工程学院专业：学生姓名：学号：指导教师：2015年10月25日局域网MAC层使用的多址接入技术综述一、局域网概述：1.1关于局域网局域网（LAN－LocalAreaNetwork）是将分散在有限地理范围内的多台计算机通过传输媒体连接起来的通信网络，通过功能完善的网络软件，实现计算机之间相互通信和共享资源。局域网(LAN)具有以下特点：①地理分布范围较小，一般为数百米至数公里,可覆盖一幢大楼、一所校园或一个企业。②数据传输速率高，一般为10、100Mbps，目前已出现速率高达1000Mbps甚至更高的局域网。③误码率低，一般在10-11~10-8。这是因为局域网通常采用短距离基带传输可以使用高质量的传输媒体，从而提高了数据传输质量。④以PC机为主体，包括终端及各种外设，网中一般不设中央主机系统。⑤一般包含OSI参考模型中的低三层功能，即涉及通信子网通信子网的内容。⑥协议简单、结构灵活、建网成本低、周期短、便于管理和扩充。IEEE802委员会给出的下图所示的局域网参考模型中只包括OSI中的数据链路层及物理层。其中数据链路层细分为两个子层：逻辑链路控制层（LLC层）及媒体访问控制层（MAC层）。IEEE802协议体系由一系列标准协议构成，包括802.1、802.2、802.3、802.4、802.5、802.6、802.7、802.8、802.9、802.10、802.11、802.12、802.14、802.15、802.16、802.20等一系列协议。IEEE802协议体系中，局域网在实现时，物理层及MAC层由网卡内的硬件及软件来完成，而LLC层以上各层均由计算机软件来实现。对于采用不同协议的局域网，它们仅在MAC层及物理层相异，而上层都保持一致，这使得网络互连性及兼容性大大提高，也是网络易于更改、升级。1.2局域网的MAC层WLAN都以多路复用信道作为通信的基础，这样与采用点到点连接的网络相比，存在一个关键的技术问题：当信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权。在WLAN中完成该功能的是数据链路层DLC的介质访问控制MAC(mediumaccesscontrol)子层。可以说，WLAN的网络性能(吞吐量、时延等)完全取决于MAC子层的接入协议。所以，制定适当的MAC子层规范，根据网络业务特征有效地配置信道资源，提高无线资源的使用效率，提高系统的容量和传输质量，是未来WLAN研究的重要课题。二、局域网MAC层使用的多址接入技术2.1MAC接入机制的分类MAC层的中心论题是相互竞争的用户之间如何分配信道资源。多个终端共享同一信道资源的方法称为信道接入方式，或称多址方式。在无线局域网中MAC子层常用的多址机制可以分为以下三类：①随机竞争类，如Aloha系列。随机竞争类的协议一般使用公共信道，连接在这条信道上的终端都可以向信道发送广播信息。如果终端需要发送，它以某种方式竞争信道的使用权，一旦得到使用权立即发送，所有的终端都能接收到发自任一终端的信息，如果检测到是发给自己的就接受，否则抛弃。②按需分配类(或称预约类、无竞争类)，如tokenring等。这种方法的原则是网络按某种循环顺序询问每个终端是否有数据发送，如果有则立即发送，否则网络立即转向下一个终端。轮询的特点是各分站可以公平地获取信道访问控制权，适用于通信业务量随时间变化，且这种变化又难以预测的情况。这种多址方式操作简单易于实现，在一般的实时分布式测控系统中获得了广泛应用。③固定分配类，如FDMA、TDMA、CDMA等;它们的原则是把共享的一条信道分割成若干个相互独立的子信道，每个子信道又分配给一个或多个用户专用。以上三类多址接入技术分别适用于不同的通信业务。对于以话音业务为主，通信量稳定的网络，固定分配类可以提供可靠的服务,同时又保持很高的信道利用率。按需分配类，不存在信息的碰撞，但是通常需要一个专用信道，所有的用户在该信道上以固定分配或随机接入的方式提出呼叫申请，适用于通信业务量随机变化且难以预测的情况。固定分配和按需分配适合于对实时性要求高的业务，而随机竞争类更适用于间歇性工作的用户发送非时延敏感性的业务。2.2几种WLAN系统的多址接入机制2.2.1IEEE802.5/令牌环网技术令牌环网（Token-ringnetwork）常用于IBM系统中，其支持的速率为4Mbps和16Mbps两种。目前Novell、IBMLANServer支持16MbpsIEEE802.5/令牌环网技术。在这种网络中，有一种专门的帧称为“令牌”，在环路上持续地传输来确定一个结点何时可以发送包。令牌环网是IBM公司于70年代发展的，21世纪以后这种网络比较少见。在这种网络中，有一种专门的帧称为“令牌”，在环路上持续地传输来确定一个结点何时可以发送包。令牌为24位长，有3个8位的域，分别是首定界符（StartDelimiter，SD）、访问控制（AccessControl，AC）和终定界符（EndDelimiter，ED）。首定界符是一种与众不同的信号模式，作为一种非数据信号表现出来，用途是防止它被解释成其它东西。这种独特的8位组合只能被识别为帧首标识符（SOF）。令牌环网的媒体接入控制机制采用的是分布式控制模式的循环方法。在令牌环网中有一个令牌(Token)沿着环形总线在入网节点计算机间依次传递，令牌实际上是一个特殊格式的帧，本身并不包含信息，仅控制信道的使用，确保在同一时刻只有一个节点能够独占信道。当环上节点都空闲时，令牌绕环行进。节点计算机只有取得令牌后才能发送数据帧，因此不会发生碰撞。由于令牌在网环上是按顺序依次传递的，因此对所有入网计算机而言，访问权是公平的。令牌在工作中有“闲”和“忙”两种状态。“闲”表示令牌没有被占用，即网中没有计算机在传送信息；“忙”表示令牌已被占用，即网中有信息正在传送。希望传送数据的计算机必须首先检测到“闲”令牌，将它置为“忙”的状态，然后在该令牌后面传送数据。当所传数据被目的节点计算机接收后，数据被从网中除去，令牌被重新置为“闲”。令牌环网的缺点是需要维护令牌，一旦失去令牌就无法工作，需要选择专门的节点监视和管理令牌。由于以太网技术发展迅速，令牌网存在固有缺点，令牌在整个计算机局域网已不多见，原来提供令牌网设备的厂商多数也退出了市场，所以在局域网市场中令牌网可以说是“明日黄花”了。令牌环网上，传输的信号是差分曼彻斯特编码信号。2.2.2IEEE802.11802.11是IEEE(InstituteofElectronicandElectricalEngineers)于97年推出的WLAN的协议标准，该标准考虑了两种网络拓扑结构：基本结构网络BSS和独立网络IBSS。BSS是IEEE802.11结构的基本功能模块，它覆盖的地理区域类似于蜂窝通信网中的蜂窝。在BSS内，任一终端可与任一其它终端直接建立通信过程。每个BSS中有一个终端作为接入点AP接入分布系统DS，并通过DS与其他BSS相连，形成扩展业务群ESS，也可以通过DS和PORTAL与其他有线LAN相连。而IBSS是由BSS内的一组终端组成，是完全无中心的网络结构。802.11的MAC层的基本结构如下图所示：其中，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(randomback-off)规程。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。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始值。退避时间=INT[CW×Random()]×SlotTimeCW(竞争窗)：在MIB中CWmin～Cwmax中的一个整数;Random()：0～1之间的伪随机数;SlotTime：MIB中的时隙值。关于竞争窗CW参数的选择，初始值为CWmin，如果发送MPDU不成功，则逐步增加CW的值，直到CWmax，呈指数增加，以适应高负载的情况。具体过程如下：1).检测到媒体空闲时，退避计时器递减计时;2).检测到媒体忙时，退避计时器停止计时，直到检测到媒体空闲时间大于DIFS后重新递减计时。3).退避计时器减少到0时，媒体仍为空，则该终端就占用媒体。4).退避时间值最小的终端在竞争中获胜，取得对媒体的访问权;失败的终端会保持在退避状态，直到下一个DIFS。5).保持在退避状态下的终端，比第一次进入的新终端具有更短的退避时间，易于接入媒体。CSMA/CA的基础是载波侦听，802.11根据WLAN的媒体特点提出了两种载波检测方法。一种是基于物理层的载波检测CS，从接收射频或天线信号检测信号能量或根据接收信号的质量来估计信道的忙闲状态;另一种是虚拟CS方式，通过MAC报头或RTS/CTS中的NAV来实现。只要其中之一指示媒体正在被使用，媒体就被认为已处于忙状态。以CSMA/CA为基础的分布协调功能(DCF)是MAC的基本访问方式，DCF只能提供竞争型的异步业务，对数据传输的延时较大。为了能提供限时服务，MAC协议还提供了一种不适用于IBSS，用户可按需选择的点协调功能PCF的访问方式。PCF建立在DCF基础上，由BSS内接入点AP的中心控制器来决定当前哪一个站有权发送数据。PCF通过DCF以较高的优先级来竞争媒体，访问媒体的优先级别是以不同的IFS的长短来决定的。PCF用较短的PIFS，使PCF的业务优先访问媒体。PCF不象DCF那样，每个终端用CCA(ClearChannelAssessment)和随机退避来竞争信道，而是点协调器用信标帧BF(BeaconFrame)定义无竞争期CFP来获得信道，BF是以一定规则间隔发送的定时信息帧。BSS内的所有终端在每一个CFP的开始，设置它们的网络配置矢量NAV，告诉所有的终端在该NAV内要延迟接入媒体。工作在PCF的BSS中的所有终端都能接收到PCF控制下发送来的所有的帧，也能够对点协调器发送的无竞争轮询CF-Poll作出响应。被轮询终端在CPF内不使用RTS/CTS，它只发送一个可达任何目的终端的MSDU，且可以接收到来自下一帧的确认应答。如果数据帧不被应答，则CF-Pollable终端将不重发该帧，除非它再一次被点协调器轮询或它决定在竞争期间重发。同样，点协调器也不对未确认帧进行重发，它在下一个CFP内根据注明在轮询表表头的终端识别号SID重发未应答的帧。如果一个CF发送帧的目的终端不处于无竞争轮询状态，则该终端按DCF应答规则应答此次发送，且点协调器在恢复CF发送之前要等待一个PIFS，再控制媒体。点协调器可单独使用无竞争帧向BSS内的终端发送，无需询问。由于PCF具有优先接入媒体的优势，点协调器可在媒体空闲时占有媒体，进入无竞争期，采用轮询方式在BSS内各站来发送数据帧。因此，PCF具有较小的延迟，能促进网络吞吐量最佳化，更好的支持无竞争的限时业务，如语音、话音、视频或多媒体业务等。2.2.3HIPERLAN/2HIPERLAN/2是欧洲通信标准协会ETSI(EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute)主推的欧洲标准。HIPERLAN/2无线接口采用的是基于时分双工TDD和动态时分多址TDMA，所谓动态即是由接入点AP配置无线资源并动态调整MAC帧各部分的结构比例，动态分配信道，以达到资源的最佳利用。其协议站结构如下图：HIPERLAN/2的基本MAC帧具有2ms的固定时长，它包括广播信道BCH、帧信道FCH、接入反馈信道