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无线局域网802.11数据链路层的功能研究第一章无线局域网概述在精彩的数据通信世界，无线局域网来了。无线局域网曾被认为是一项不实用的技术，因为其组网费用昂贵，且受其数据传送能力的限制。而现在，无线局域网正影响着人们生活的方方面面。您如果去旅游，可以方便地在机场或酒店大厅等公共场合中通过配备的接入点上网冲浪，收发电子邮件，还可以使用笔记本电脑或配有一个兼容的无线局域网适配器的个人数字助理（PDA）进行其他活动。您如果登记入住一个酒店，观赏一场体育赛事或注册大学的一门课程，也有可能会看到有人通过具有无线局域网性能的计算机连接本地有线局域网接入点，从服务器和大型机获得数据。无线局域网（WLAN，WirelessLocalAreaNetwork）可定义为，使用射频（RF，RadioFrequency）微波（Microwave）或红外线（Infrared）,在一个有限地域范围内互连设备的通信系统。一个无线局域网可作为有线局域网的扩展来使用，也可以独立作为有线局域网的替代设施。因此，无线局域网提供了很强的组网灵活性。与有线局域网通过铜线或光纤等导体传输不同的是，无线局域网使用电磁频谱来传递信息。与无线广播和电视类似，无线局域网使用频道（Airwave）发送信息。其传输可以使用无线微波或红外线实现。一般应工作在ISM频段。1.1无线局域网的优点和局限性1.1.1优点无线局域网有下列优点：首先，无线局域网使用简易，能灵活地满足组网的要求；其次，减少了传统布线的需要，使其构建不需布线或者不会太昂贵，因此，除非运营商对接入因特网收费高的离奇，无线局域网能够降低运营商和用户双方的运营成本；第三，无线局域网明显提供了可移动性，能够添加、移动、修改设施。另一个优点是可伸缩性，在适当的位置放置或添加接入点和扩展点，就有可能满足扩展组网的需要。1.1.2局限性在某些领域中使用无线局域网收、数据会表现出其局限性。下面列出了使用无线局域网的五大局限性：传输范围吞吐量干扰成本移动平台的电池寿命无线局域网设备的低功率和高频率限制了其传输范围。传统的有线局域网通过使用光纤中继器可以达到数公里的传输范围，而无线设备的传输范围却只有几百米。到新世纪初，无线局域网的最大传输速率是2Mb/s。引入支持IEEE802.11b标准的设备将吞吐量提高到了11Mb/s,一旦符合IEEE802.11a标准的设备投放市场，吞吐量可能达到54Mb/s。与有线局域网的运行速率相比，旧的无线局域网技术似乎是一个瓶颈，而更重要的是考虑一个接入点所争用的节点数，而不是单一的吞吐量。比如，架设用802.11bLAN和一个快速以太网做比较。假定计划将一个无线局域网通过一个单独的接入点连入到一个100BaseT网段，以便为5个节点服务，在假设快速以太网中有80个节点。将无线局域网与有线局域网相比较，可以将运行速率除以节点个数，得出每种类型局域网的每个节点的数据率。对于有线局域网，100Mb/s/80得出平均速率为每节点1.25Mb/s。而无线局域网中注意到尽管通过接入点连接到以100Mb/s速率运行的有线局域网，但是802.11b局域网的接入点时被限制在只支持11Mb/s的数据率内。因此，每节点的平均数据率为0.733Mb/s。多径传播引起的干扰会限制吞吐量，电磁干扰也会影响传输。因此，适当的站点检测能把许多问题在尚未发生时就解决掉。几年前，无线局域网适配卡和接入部件还相对昂贵。尽管这些产品的成本都已经因为大规模的生产有所下降，但其价格还是比10Mb/s网卡贵许多倍。无线局域网的一个主要局限性就是移动平台的电池寿命。当无线局域网被用来在难以布线构建LAN的地方提供通信时，那个地方很有可能缺少电源插座。类似地，使用PDA在商店里边移动边检查库存，电源插座的存在就没有意义了，因为为设备的电池充电需要时间。因此，在很多场合下，移动平台的电池寿命势必系考虑的一个不小的局限性。1.2网络应用在医院里记录和提交有关病人的信息在大学校园了对特定活动进行技术支持控制批发和零售的库存通过宾馆、机场和公用楼群里的接口接入因特网通过简短通知来配置组织Ad-hoc短期培训中心不用添加、移动和修改设施的动态网络环境对商贸展览运作进行技术支持第二章IEEE802.11MAC层功能介绍本章主要介绍数据链路层功能及其实现过程，以及其分层结构，说明数据传输的握手过程，数据交换过程等等问题。在说明问题之前，有必要介绍一些专业术语以及MAC层的基本概念性知识。2.1术语和概念介绍2.1.1DCFDCF是IEEE802.11MAC帧的最基本的访问方法，在所有STA中被贯彻执行，用于IBSS及构造网络中。对于一STA帧的传送，首先侦听介质是否有另一个STA正传送数据，如果介质空闲，则传送可以进行，正在传送的STA必须保证试图传送前的一定的时间内介质是空闲的。如果介质忙，则该STA应延迟发送，直到当前传送结束。可见DCF方式下，STA使用CSMA/CA和在介质忙时使用一随机延迟的方法允许在两个兼容的物理层间自动共享介质，另外所有正确的传输均以一个ACK帧进行确认，如果发送者没有受到ACK帧，则要将该帧进行重传。当多个工作站同时访问一个介质时冲突最可能发生，而CSMA/CA减少了冲突发生的可能性。介质由忙变闲的瞬间(这可由载波侦听机制提供)是冲突发生率最高的时候，这是因为多个STA可能都一直在等着介质重新变为空闲。这种情况下需要一随机的后延程序以解决介质的竞争冲突问题。实际的载波侦听机制是通过发布一预定信号预定介质来实现的。发布预定信息的途径之一是在实际的数据传输之前交换RTS和CTS信息帧。RTS和CTS帧中包含了时间和地址信息，定义了一个时间片即介质传送实际的数据帧和返回ACK信息帧将占用的时间。在接收性能范围变化之内，所有的工作站，包括发送站（发送RTS）、接收站（发送CTS）都将收到介质被预定的信号。于是即使工作站不能接收源工作站的信息，它仍然知道将有人要使用介质传送数据。发送预定信息的另一途径是在正确传送的帧中包含时间/地址信息，给出介质被占用的时间，或者在传送的结束立即送一ACK信息帧或万一有分段发生，在该确认帧后附下一分段分帧。RTS/CTS机制的另一好处发生在当多个业务集同时占用一个信道时。介质预定机制在BSA的界限范围内起作用。RTS/CTS机制也可以在一种典型环境下提高操作性能，在此环境下，所有的工作站均能接收来自AP的信息，却都不能接收来自同一个BSA中的其他工作站的信息。RTS/CTS机制不能在广播和存在多个接收者的情况下应用。因为这样存在多个接收地址，对于一个RTS信号来说，这意味着可能多个并存的CTS信号作为回答。而实际上，并非每一个数据帧的传送都需要交换RTS/CTS，这是因为附加的RTS/CTS交换增加了数据在空中传输的低效率。所以该机制并不总是正确的，特别是对较短的帧。RTS/CTS在摩尔司码阈值属性的控制下运行，该属性可以在每一个基本的工作站被设置，工作站可能被设置为或者总是用、从不用、或者仅仅当帧的长度大于一特定值使用RTS/CTS交换机值。没有被设置为开始时实施RTS/CTS机制的工作站仍将更新其在接收的RTS或CTS帧中包含的时间信息的载波帧听机制，并总是对一有地址信息的RTS信号回答一CTS帧。该协议允许工作站支持不同的数码率的设置。在一个基本数码率变化范围内，工作站接受所有的数码率设置，并能在一个或多个基本数码率设置下传送数据。为支持适当的RTS/CTS操作和实际的载波帧听机制，所有的工作站必须都能检测到RTS/CTS信号。因此，RTS/CTS信号必须在一基本的数码率设置的速率下传送。2.1.2PCF除了上述分布式协调功能以外，还存在其它的基于不同优先级的集中式接入模式。这种模式即为点协调功能模式，这种模式可以允许在无竞争环境中高优先级站能接入到介质中去。在这种模式中，通常控制核心部分都把控制权授予给一个集中式的协调器，一般这个协调器就是接入点本身。因此接入点很多时候又被称为点协调器（PC）。PCF的工作原理是它本身会询问所有的站是否具有无竞争业务流量，如果有，那么PC就会把这些业务流量收集起来并把这些流量传到要求的目的战中。PCF运用了带有优先级的实际的载波侦听机制，PC分发带有指示管理信息的帧，通过设定STA中的NAV（网络分配矢量）来获得对介质的控制权。另外，所有PCF下传送的帧用了一个比在DCF方式下传送帧的帧间间隔要小的帧间间隔，这意味着当多个STA同时访问同一个信道时，PCF可以对访问介质有较高的优先级。另外，在无线局域网中，还允许DCF和PCF的共存，DCF作为PCF的基础而存在。2.1.3CSMA/CACSMA/CA是无线局域网中最基本的介质访问方式，再次提供了两种CSMA/CA方式。一种由物理层提供，即实际的载波侦听机制。另一种由MAC层提供，称为虚拟的载波侦听机制。CSMA/CD被用于很多基于IR的局域网，其发射和接收都是定向的。在这种情况下，发送器总是用自己发射的信号与从其它终端接收到的信号比较来检测冲突。无线电波传播不是定向的，这使得在自己发射期间确定其它终端的发射有困难。因此，冲突检测机制不适合无线局域网。然而兼容性对无线局域网非常重要，因此网络的设计人员不得不考虑CSMA/CD与以太网骨干局域网的兼容性，后者在有线局域网领域占主导地位。尽管在有线局域网里实现冲突检测很容易，只需要检测电平再和某一阈值电平比较，但在无线信道中由于衰落和其他无线信道的特性无法采用这种简单的技术。一个可以被用来检测冲突的简单办法是让发射站首先对信道的信号进行解调，解调之后将所得信息与自己发射信息相比较，如果二者不一致则认为是冲突发生了，则立即中止发射分组。然而在无线环境里，发送器自己的信号在所有附近接收信号中占优势，因此接收器可能无法分辨冲突，只检测到自己的信号。为了避免这种情况发生，发射站的发射天线模式应该与其接收模式有所不同，但是在无线终端设置这样的模式并不方便，因此这需要定向天线，并且发送器和接收器都需要昂贵的前端放大器。在CSMA/CA中使用了两个特殊的帧，他们分别是RTS(发送请求帧)和CTS(清除发送帧)。2.1.4NAVNAV就是网络分配矢量。2.1.5MAC信息管理库（MACMIB）MAC层的信息管理库是由一系列表格形式的属性值按照一定的规则组织起来的，这样就能对同属于一个MAC层中的不同事件起到协调作用。MAC层的信息管理库又包括了两套属性：站管理属性组和MAC属性组。一下重点介绍MAC属性组的一些属性。dotllMACAddress:该属性值表示MAC的唯一单独地址值。该属性值属于MAC层私有，并且MAC层也通过这个地址才能完成接收不同的帧，并把这些帧传递到更上层协议层进行处理。dotllRTSThreshold:该属性控制在传递数据帧和管理帧前传递RTS控制帧。具体的属性值定义了传递RTS所需最短帧的长度。该属性的缺省值为2347字节。dotllShortRetryLimit:该属性定义了可以传递一个长度小于dotllRTSThreshold阈值的帧的次数阈值。超过这个阈值，这个帧就会被丢弃而且会向上层激发一个故障事件的产生。dotllLongRetryLimit:该属性定义了一个可以传递一个长度大于或者等于dotllRTSThreshold阈值的帧的次数。超过这个阈值，这个帧就会被丢弃而且会向上层激发一个故障事件的产生。该阈值的缺省值为4，并且这个却省值可以由本地或者外部管理器进行修改。dotllFragmentationThreshold:该属性定义了物理层所能接受的帧的最长长度。超过了这个最长长度的帧都将被进行分段。dotllTrahsmittedFragmentCount:该计数器记录成功传递了多少个帧片段。一个不需要经过分段处理就被传递了的MSDU也算作一个帧片段并增加一次这个计数器的值。一次成功的传递被定义为向特定地址发送的已经接收到其ACK信号的数据帧，或者其它向组播地址发送的数据或管理帧。dotllMulticastTransmittedFr