移动计算-第三章

1、移动计算移动计算Mobile Computing第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术有线网络MAC技术概述12无线局域网技术概述IEEE802.11x的MAC技术34IEEE802.11协议族5无线局域网LLC及差错控制第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术引言MAC（ Media Access Control）介质接入控制属于数据链路层， 在LLC之下功能 对共享信道使用权进行分配 保证同一时刻， 在一定范围内，信道上只能有一个节点在 发送数据 实现多节点在共享信道上有序的进行数据传输是网络的根本、关键第三章第三章 无线局域网技术无线局域网

2、技术引言MAC协议的指标延迟 从分组进入队列到发送完成所需要的时间吞吐率 单位时间内成功发送的比特数公平性 当多用户接入时， MAC协议无倾向性稳定性 系统应可以处理比信道传输容量大得多的连续源负载第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术引言几个常用术语冲突（ Collision） 多帧由于同时发送并相互重叠，导致在接收方难以辨认竞争（ Contention） 多个用户以某种可能导致冲突的方式对公共信道进行共享时隙（ Slotted Time） 由主时钟将时间分成多个离散的区间 帧只能在时隙开始的瞬间发送连续时间 帧能够在任何 时刻开始发送第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.1 有

3、线网络MAC技术概述MAC协议可分为静态和动态两种 静态信道分配策略频分复用FDM（ Frequency Division Multiplexing） 将一个信道分为多个频段 每个节点都有各自的频段和中心通信时分复用TDM（ Time Division Multiplexing ） 将一个信道分为多个时隙 每个节点在自己的时隙内和中心通信简单、有效不适用于节点经常变化而且通信量有突发性的网络网络内需有中心控制节点网络更需要采用动态信道分配策略第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.1 有线网络MAC技术概述动态信道分配策略的分类受控接入 每个用户不能随意接入信道，必须服从统一的控制规则

4、集中式控制轮询 分布式控制令牌传递（环路）简单、有效随机接入 每个用户都可以根据自身的意愿随机发送信息 多用户同时发送时，会产生冲突第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.1 有线网络MAC技术概述受控接入协议举例ISMA（ Idle Sense Multiple Access） 网络中有一个中心站 中心站采用广播询问的方式发出询问 节点在收到询问后才能往信道上发送数据包 载波检测和碰撞检测都由中心站实现 能实现多节点在一个信道上的数据发送 会出现整个数据包碰撞丢失的情况 效率较低第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.1 有线网络MAC技术概述受控接入协议举例ISMA（ Idle

5、 Sense Multiple Access）Idle Sense原理 ： 定义ni为相邻两次传输之间的连续空闲时隙数，navg为相邻两次传输之间的平均连续空闲时隙数；nopt为最优连续空闲时隙数。 Idle Sense原理可总结为：每个节点先根据ni计算出navg，然后 根据navg与nopt的大小关系，用AIMD算法动态的调整CW，使之最终 能收敛到一个最优值。 即当navgnopt时，CW将减小，反之CW将增大。第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.1 有线网络MAC技术概述受控接入协议举例R-ISMA（ Reservation-ISMA） 增加了预约包RP（ Reservati

6、on Packet）响应IS IS-RP-PS-DATA-ISA机制 将碰撞从数据转移到了PR上 大大减少了碰撞的时间 减少数据包的碰撞对信道效率的影响 本质和CSMA相同第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.1 有线网络MAC技术概述随机接入协议ALOHA 70年代在美国夏威夷大学研制成功 思想：节点一旦想发送数据，就随机发送到信道上 纯ALOHA节点一旦想发送数据，就完全随机发送到信道上 分时隙ALOHA以一个分组的传输时间为单位将信道划分为一个个时隙节点只在时隙开始时发送数据要么整个分组都重叠，要么都不重叠提高了信道使用率，但需要时钟同步第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术

7、3.1 有线网络MAC技术概述随机接入协议载波侦听多址CSMA（ Carrier Sense Multiple Access） 用户监测共享信道使用情况 一旦信道空闲就立即发送数据 非坚持CSMA如果信道忙就不再监听，随机等待一段时间后重新监听 1坚持CSMA如果信道忙就继续监听，一旦空闲就立即发送 P坚持CSMA信道闲，则以概率p发送数据，或以概率q=1-p等待一个时 隙后重新监听信道忙，在一定间隔后重新监听第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.1 有线网络MAC技术概述随机接入协议CSMA/CD（ Carrier Sense Multiple Access with Collisi

8、on Detection） 发送数据前，节点必须首先侦听网线上的载波，如果在9.6微秒的 时间之内没有检测到载波，说明通信介质空闲，节点可以发送一帧数据 节点在发出数据后就继续监听信道，如果发现碰撞，就停止发送， 并发送“冲突增强”信号（ 32比特的“1”）通知介质上的每个节点发 生了冲突并进入退避过程 可提高信道的利用率 CSMA/CD只适用于有线网络， 不适用于无线网络无线网络中的节点通常处于半双工状态不能在发送的同时监听信道发射信号很强，不一定能检测出碰撞第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.1 有线网络MAC技术概述退避什么是退避？ 随机时间等待过程退避的好处 减少多节点重发数

9、据时再次发生冲突的可能性退避计数器的值值随机等待时间 反映了节点接入信道的能力 值越大，等待时间长，抢占信道的能力就越差 值越小，等待时间短，抢占信道的能力就越强一个好的退避算法应该既实现公平性，又能保证信道的成功共享第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.1 有线网络MAC技术概述退避算法计算退避计数器的值，决定用户的随机等待时间加函数在信道忙、发生冲突时，增加退避计数器值减函数在成功发送数据后，减少退避计数器值BEB（ Binary Exponential Backoff）二进制指数退避算法Finc=Min(2 counter， MAX) 发生冲突时，计数器的值就加倍Fdec=Min

10、 交互成功时，计数器的值就降到最小第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.1 有线网络MAC技术概述BEB的缺点不能反映出信道的实际争用情况 计数器值的大小直接反应信道的争用情况 多次退避后各节点的计数器值都会很大 一旦成功后计数器降到最低，则节点认为当前信道较空闲，与实际情况不符不公平现象 计数器值小的节点抢占信道成功的可能性更大第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.1 有线网络MAC技术概述MILD（ Multiplicative Increase Linear Decrease）倍数增加线性递减算法Finc=Min( counter， MAX) 发生冲突时，计数器的值就加倍

11、Fdec=Min(counter， MAX) 交互成功时，计数器的值线性减少 使后续竞争信道时，大家获胜的机会均等在一定程度上能够反应信道的争用情况，但没有完全消除不公平现象第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.1 有线网络MAC技术概述退避计数器广播解决因计数器值差异造成的不公平现象节点在发送数据时，把自己计数器的值放在数据分组中听到这个包的节点都可以得知发送者的计数器值，修改自己的值，从而得知网络的争用情况在一定程度上，实现了公平接入的问题对于大规模网络，一旦计数器值经层层传递到全网，会降低信 道争用不剧烈区域的效率第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概

12、述3.2.1 无线局域网概述3.2.2 无线局域网在MAC层的服务3.2.3 无线局域网MAC帧格式第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述3.2.1 无线局域网概述 无线局域网（ WLAN）的组成结构站（ Station， STA）无线介质（ Wireless Medium， WM）基站（ Base Station， BS）接入点（ Access Point， AP）分布式系统（ Distribution System， DS）第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述无线局域网的两种基本拓扑结构BSS（ Basic Service Se

13、t）基本服务集 基础结构集中式拓扑结构 IBSS分布对等式拓扑结构（自组网模式）ESS（ Extended Service Set）扩展服务集第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述基本服务集BSS最基本、最简单的无线局域网的网络拓扑结构BSS包含两个或更多的节点，节点之间可以对等的相互通信每个节点被称为一个站点，在BSS中可自由移动每个BSS有一个标识符，即BSSID，长度6字节基本服务区BSA（ Basic Service Area） 指一个BSS中的所有成员可以相互通信的无线区域第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述扩展服务集ES

14、S通过连接两个或多个接入点，从而连接两个或多个BSS而形成ESS也有一个标识符，即ESSID通过ESSID，可以支持一个节点在ESS内，从一个BSS漫游到另一个BSS第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述3.2.2 无线局域网在MAC层的服务STA服务（ SS） 由STA提供的服务 分布式系统服务（ DSS） 由DS提供的服务 在WLAN中， DSS通常由AP提供 两种服务均由MAC层使用第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述STA服务（ SS）由STA提供，存在于每个STA和AP中有三种服务 认证（ Authentication）

15、解除认证（ Deauthentication） 保密（ Privacy）第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述STA服务（ SS）认证 是一种彼此之间身份的确认行为，防止没有得到授权的用户访问网络， 即控制网络的接入 只有通过认证，节点才能够接收对方的数据 认证可以在STA之间，也可以在STA和AP之间 利用认证服务，每个STA都可以得到与他们通信的STA的身份 STA之间的认证可以是链路级的认证，也可以是端到端或用户到用户的 认证 IEEE802.11支持的两种认证开放系统认证（ Open System Authentication）共享密钥认证（ Shared

16、 Key Authentication ）第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述开放系统认证共享密钥认证第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述STA服务（ SS）解除认证 当节点想终止已存在的认证时，解除认证被唤醒 对方收到解除认证通知后，连接被终止 解除认证可以由任何一个联结实体（ STA或AP）唤醒 不是请求，而是一种通知型的服务 解除认证不能被任何一方拒绝第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述STA服务（ SS）保密 在LAN中，只有连接到网线上的STA才能侦听LAN的服务 在WLAN中，任何一台S

17、TA可以侦听到其覆盖范围内的PHY服务 降低了安全性 使用保密服务对数据进行加密IEEE802.11提供了WEP（ Wired Equivalent Privacy）有线等价 保密服务第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述WEP（ Wired Equivalent Privacy）有线等价保密服务目标提供与有线局域网等价的保密机制WEP提供两种安全机制 认证（防止未授权用户对网络进行访问） 加密（防止窃听）WEP使用基于RC4的加密算法第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述RC4加密算法的基本原理第三章第三章 无线局域网技术无线局域网

18、技术3.2 无线局域网技术概述RC4在WEP中的实现STA和AP共享40比特的密钥STA增加一个24比特初始化向量（ IV），创建了一个64比特的 密钥 该64位密钥用于产生一个密钥序列kiIV kiIV 用于加密第i 位原始数据d i ，生成加密数据c ic i = d i XOR kiIV IV和加密数据c i 一并传输 接收方收到加密数据后，利用IV，还原原始数据第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述802.11 WEP 的加密过程（发送端） 每传输一帧数据， IV改变一次 IV以未保护模式传输第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术

19、概述基于共享密钥的WEP认证机制AP向目标STA发送盘问文本d（明文） STA产生一个IV，再使用共享密钥产生一个密钥序列kIV STA根据密钥序列kIV计算出d的密文cc = d XOR kIVSTA向AP发送IV 和 c AP根据收到的IV计算出自己的密文，并将其和c进行比较 若一致，认证成功，可以接收STA的数据 不一致，认证失败，拒绝接收STA的数据 目标：验证共享密钥第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述WEP认证机制的安全性分析黑客通过截获“盘问文本/应答”对，可以知道 d, c 和IV 黑客可以计算出密钥序列kIVkIV = d XOR c 黑客可以

20、使用IV and kIV 来加密任何后续的盘问 在无需知道共享密钥的情况下，黑客便可以取得目标网络的认证第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述WEP认证机制的安全性分析WEP存在严重的安全缺陷，使用WEP加密是不安全的 主要原因： 密钥长度太短（只有40比特） IV 太短（只有 24 比特） IV 冲突（使用同一个 IV）经常发生 RC4算法存在弱点 认证信息容易伪造在实际部署时， WEP经常被disabled 攻击WLAN是一件容易的事情第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述分布式服务（ DSS）由AP提供 主要包括： 联结（ As

21、sociation） 重新联结（ Reassociation） 解除联结（ Disassociation） 发送（ Distribution） 集成（ Integration）第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述分布式服务（ DSS）联结 在STA允许通过AP发送数据之前，应首先通过唤醒联结服务，将STA联结至STA所在BSS的AP，联结成功后才可以用DS来通信 联结服务提供了STA到DS的AP映射 在同一时刻，一个STA只能和一个AP联结 在同一时刻，一个AP可以联结多个STA 联结服务由STA激活，此服务只能发生在STA和AP之间第三章第三章 无线局域网技术

22、无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述分布式服务（ DSS）重新联结 在STA从一个BSS移动到另一个BSS时，通过重新联结服务使联结关系 从一个AP转移到另一个AP ，从而保持AP与STA之间的当前映射 当STA保持与同一AP的联结时，通过重新联结服务还能改变已建联结的联结属性 由移动STA激活第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述分布式服务（ DSS）解除联结 当要终止一个已存在的联结时，就会唤醒解除联结服务 解除联结服务通知DS取消已存在的联结信息 联结的任何一部分（ STA或AP）都可以唤醒解除联结 是一个通告型服务，而非请求型 不能被联结的任何一方拒绝

23、第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述分布式服务（ DSS）发送 STA使用的最主要服务 发送服务实现数据消息的传送 由来自或发送至工作在ESS中的STA的数据消息唤醒 因为不同的BSS内的STA之间交换信息必须通过DS，所以由DS来 执行“发送”业务，将信息传给目的站所在BSS的AP第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述分布式服务（ DSS）集成 如果DS的发送业务发现目的站为有线LAN的成员，这时DS就启动集成服务，将信息通过端口传给目的站，而不再是发给AP 负责完成消息从DS到有线LAN介质和地址空间的变换第三章第三章 无线局域

24、网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述IEEE802.11MAC帧的三种类型第一类帧 控制帧RTS、 CTS、 ACK、 CF-END+ACK、 CF-END 管理帧试探请求/响应、信标、认证、解除认证、广播业务量指示信息 数据帧第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述IEEE802.11MAC帧的三种类型第二类帧 管理帧联结请求/响应、重新联结请求/响应、解除联结第三类帧 数据帧 管理帧解除认证、重新认证 控制帧PS-Poll第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述服务、帧、状态之间的关系第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技

25、术3.2 无线局域网技术概述3.2.3 无线局域网MAC层帧格式MAC帧格式每个MAC帧均由帧头、帧实体、帧校验序列FCS等 三部分组成第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述MAC帧头部MAC帧控制域的组成第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述帧控制域协议版本号（2bits）0，802.11b标准值类型（2bits）：管理00、控制01、数据10、保留11子类型（4bits）：定义三大类帧中的具体类型第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述MAC帧控制域多段控制字段1，表示对于当前传送的数据类或管理类帧，后

26、续还有该帧的分 段要传送0，无分段重传标志字段1，表示该帧为对之前的数据类或管理类帧的重传0，其他类型功率管理字段1，该STA工作于节能模式0，该STA工作于活动模式，或由AP发出的帧第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.2 无线局域网技术概述MAC帧控制域更多数据字段1，用来向处于节电模式的站表明，在AP上为该站缓存有多 个数据帧或管理帧0，无WEP控制字段1，用WEP加密算法对帧进行处理，而且仅数据类和管理类0，无顺序控制字段1，分段数据帧被按着严格顺序发送0，无第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术普遍适应、高效无线网络MAC协议的基

27、本特性提供较高的空间复用度MAC协议要尽量避免报文间的冲突，尤其要实现数据报文的无冲突发送提供冲突解决的方法硬件无关性第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术无线MAC协议面临的问题资源有限信道带宽有限信道为时变信道无线信道特性随时间变化，从而引起传输质量、传输容量和连接性的变化握手缓解了由信道衰落而引起的信号时有时无的问题一次成功的握手标志着两站之间的通信连接的成功信道不是一跳共享的第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术IEEE802.11x的MAC技术DFWMAC（Distributed Functi

28、on Wireless MAC 基于分布方式的无线媒体访问控制协议DFWMAC协议概述DCF协议原理PCF协议原理第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术3.3.1 DFWMAC协议概述DFWMAC支持Ad hoc和Infrastructure两种类型的无线局域网DFWMAC的基础是CSMA/CADFWMAC的两种方式分布协调功能DCF（Distributed Coordination Function）点协调功能PCF（Point Coordination Function）第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的

29、MAC技术DFWMAC协议概述分布式协调功能DCF是IEEE802.11最基本的媒体访问方法核心是CSMA/CA思想：在每一个节点使用CSMA/CA机制，让各个站点通过争用信道来获取发送权包括载波检测（CS）机制、帧间间隔（IFS）和随机退避（Random Back-off）过程 这三部分在所有的STA上实现，可用于Ad hoc和Infrastructure网络结构向上提供争用服务第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术DFWMAC协议概述点协调功能PCF是一种可选的媒体访问方法只用于Infrastructure网络结构中在接入点AP使用集中控制的接

30、入算法AP用类似轮询的方法将数据发送权轮流交给各个站避免了碰撞的产生适用于对于时间敏感的业务第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术帧间间隔IFS（InterFrame Space）IEEE802.11x的MAC协议规定，所有的站在发送成功后，必 须在等待一段很短的时间（继续监听）后，才能发送下一帧， 这段时间统称为帧间间隔帧间间隔的长短取决于将要发送帧的类型高优先级帧短，低优先级帧长能实现信道的公平接入，避免一个节点始终在抢占信道第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术常用的四种帧间间隔SIFS（Shor

31、t IFS）短IFS最短的帧间间隔，长度28sACK、CTS等帧使用PIFS由PCF协议的某些帧使用，长度78sDIFS由DCF协议的某些帧使用，长度128sEIFS由DCF协议的某些帧使用，最长第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术SIFS（Short IFS）短IFS最短的帧间间隔，长度28s分隔属于一次对话的各帧站点在这段时间内能从发送状态切换到接收状态使用SIFS的帧：ACK、CTS过长的MAC帧分片后的数据帧DATA应答AP探询的帧在PCF方式下，AP发出的所有帧第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的M

32、AC技术PIFS（PCF IFS）由PCF协议的某些帧使用长度78s在PCF协议中，AP利用PIFS在无竞争期CFP（Contention Free Period）开始时获得对媒体访问的优先权第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术DIFS（DCF IFS）由DCF协议的某些帧使用的帧间间隔，长度128s使用DIFS的帧：数据帧（MPDU）DATA管理帧（MMPDU）RTS使用方式当网络分配向量NAV和物理载波检测指示媒体空闲后，在发送管理帧（RTS）和数据帧之前，站点必须监听媒体空闲时间到达DIFS，才能启动一个随机访问退避过程来发送若媒体忙，则D

33、FWMAC将延迟，直到检测到一个长达DIFS的媒体空闲时期后，启动一个随机访问退避过程来发送第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术EIFS（Extended IFS）扩展的IFS由DCF协议的某些帧使用 ，最长使用原则当使用DCF协议的站收到一个错误的数据帧时，使用EIFSEIFS的值由SIFS、DIFS和ACK的时间计算得出目的为错误接收的站提供了足够的时间，向源站点确认哪些是不正 确的接收帧第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术IFS之间的关系第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEE

34、E802.11x的MAC技术3.3.2 DCF分布式协调协议原理DCF有两种工作方式：CSMA/CA和RTS/CTSCSMA/CA工作方式载波检测方法CSMA/CA+ACK的工作原理退避算法第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术DCF分布式协调协议原理CSMA/CA工作方式载波检测方法物理层的直接载波检测从接收射频或天线信号来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基本的CSMA/CA就是利用物理层直接载波检测信号MAC层的虚拟载波检测（VCS）方式让源站将它要占用信道的时间，放入到MAC报头或是RTS/CTS 的“持续时间”中，通知其

35、他站，以便使其它站在这段时间都不 发送数据，从而减少了碰撞，产生虚拟载波的效果第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术DCF协议原理CSMA/CA方式CSMA/CA+ACK（DATA+ACK）工作原理要发送数据的站首先直接通过物理层的载波监听信道当源发送第一个MAC帧（数据帧）时，如果信道空闲，且空闲时间达到DIFS，则可以立即发送目的站若正确收到此帧，则等待SIFS后就可以向源站发送ACK当源再发送数据帧时，在信道空闲且等待DIFS后，就进入争用窗口，计 算随机退避时间，结束退避后才能发送数据邻居站点检测到正在信道中传送的MAC帧头部的“持续时间”

36、字段时，就调整自己的网络分配向量NAV，在这段时间内停止发送数据第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术DCF协议原理CSMA/CA方式退避方法发送数据前会监听信道，如果信道空闲达到DIFS，则开始进行退避退避算法根据竞争窗口值CW计算出一个退避时间（退避计数器的值）如果信道空闲，则每个时隙对退避计数器的值减1如果信道忙则冻结退避计数器的值，直到空闲时间超过DIFS，才可以继 续递减退避计数器值为0的时候，可以开始发送第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术DCF协议原理CSMA/CA方式退避时间的计算方法

37、避时间的计算公式Random()为一个01之间的随机数发生函数CW为竞争窗口参数，取值范围为CWminCWmax之间的一个整数初始化时，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给定CW队列为7，15，31，63，127，255当发送成功或多次发送仍失败时，CW恢复为CWmin第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术DCF协议原理CSMA/CA方式退避算法的优点上次竞争不到信道的站点将以越来越短的退避时间进入下次竞争不同的退避时间避免了节点永远竞争不到媒体的情况提供了对媒体公平访问的机制对高负荷网络起到了稳定的作用不

38、执行退避算法的特例信道空闲且此数据帧是它要发送的第一个数据帧第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术DCF协议原理RTS/CTS方式工作过程发送站和接收站以握手的方式对信道进行预约源站点A在发送数据帧之前，先发送RTS控制帧来请求信道RTS包含源地址、目的地址和这次通信所需的持续时间，“持续时间域”用来表明从RTS帧尾到ACK帧尾的MPDU（数据单元）所占用的媒体时间如果媒体空闲，目的站点B就发送CTS，允许源节点发送CTS同样包含这次通信所需的持续时间第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术DCF协议原理

39、RTS/CTS方式错误恢复与重传处理握手时的错误恢复收发双方通过重复发送RTS/CTS来恢复错误重发速度会很快发送数据时的错误恢复发送方重复发送数据，等待ACK的到来重帧现象的处理利用帧中的MPDU-ID来消除重帧现象RTS/CTS机制不能用于广播或组播地址的MPDU第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术DCF协议原理RTS/CTS方式的特点虽然采用了RTS/CTS握手机制，碰撞仍然可能发生碰撞后退避时间采用二进制指数退避RTS/CTS会使网络的效率有所下降RTS/CTS的帧长远远小于数据帧，可避免长的数据帧的碰撞，减少了浪费 的时间第三章第三章

40、无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术DCF协议原理RTS/CTS方式三种使用方式选择直接使用RTS/CTS使用DCF的基本工作方式（CSMA/CA），不采用RTS/CTS方式只有当数据帧的长度超过某一值时才使用RTS/CTS第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术3.3.3 PCF协议原理DCF只能提供竞争型的异步业务，数据传输的时延比较大PCF建立在DCF的基础之上思想：由AP内的中心控制器点协调器PC（Point Coordinator）采用轮询的方式决定站点的信道使用权AP控制信道的这段时间成为无竞争期CFP（

41、Contention Free Period）， 在这段时间内不会发生信道冲突BSS内能在CFP期间工作的站点，或能对PC发出的无竞争轮询CF-Poll帧做出响应的站点称为无竞争清醒（CF-Aware）站第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术PCF协议原理 无竞争期CFPCFP以信标帧BF标志开始，以CF-END帧标志结束CFP内，AP中的PC只能对BSS内的CF-Aware站轮询工作过程BSS内每个STA在每个CFP开始时，设置自己的网络配置矢量NAV， 除非被轮询到，否则不能发送数据被轮询的节点在CFP内不使用RTS/CTS，它直接发送一个可达

42、任何目 的节点的数据包第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术DFWMAC协议原理超级帧为了实现DCF和PCF的共存而引入的概念是逻辑上的帧而非实际的帧，代表一段时间内媒体上的业务量包含两部分：无竞争期CFP和竞争期CPPCF在CFP内控制BSS内的帧的传输CFP以BF开始，由AP内的PC决定时间长度，以CFEND结束BSS内每个站在CFP开始时设置自己的NAV，除非被轮询到， 否则不能发送数据DCF在CP内控制BSS内帧的传输第三章第三章 无线局域网技术无线局域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术超级帧第三章第三章 无线局域网技术无线局

43、域网技术3.3 IEEE802.11x的MAC技术DFWMAC协议原理超级帧CFP、CP两者交替从而达到DCF和PCF共存的目的第三第三章章 无线局域网技无线局域网技术术3.4 IEEE802.11协议族IEEE 802局域网协议体系美国电气和电子工程师学会IEEE于1980年2月提出第三第三章章 无线局域网技无线局域网技术术3.4 IEEE802.11协议族IEEE 802局域网协议体系IEEE802.1描述各协议之间的关系、参考模型和与较高层协议的关系， 以及网管和性能测量IEEE802.2是通用的逻辑链路控制规程（LLC）IEEE802.3定义了CSMA/CD总线网的MAC协议和物理层规

44、范IEEE802.3i是10BaseT的标准IEEE802.3u是100BaseT的标准IEEE802.4描述了令牌总线网的MAC协议和物理层规范IEEE802.5描述了令牌环网的MAC协议和物理层规范IEEE802.6描述了城城网的MAC协议和物理层规范IEEE802.7是宽带局域网的标准第三第三章章 无线局域网技无线局域网技术术3.4 IEEE802.11协议族IEEE 802局域网协议体系IEEE802.8光纤局域网的标准IEEE802.9综合语音数据的多媒体局域网IEEE802.10描述局域网的安全机制IEEE802.11描述了无线局域网的MAC协议和物理层规范IEEE802.12描述

45、100BaseVG的标准IEEE802.14是有线电视网的标准IEEE802.15是基于蓝牙的WPAN的标准IEEE802.16是固定宽带无线接入系统的空中接口标准（WiMAX）IEEE802.20是WWAN规范第三第三章章 无线局域网技无线局域网技术术3.4 IEEE802.11协议族IEEE802.11协议体系数据链路层LLCMAC子层负责访问机制的实现和分组的拆分与重组MAC管理子层负责ESS散步管理、电源管理、联结过程的管理物理层站管理协调物理层和MAC之间的交互作用第三第三章章 无线局域网技无线局域网技术术3.4 IEEE802.11协议族IEEE802.11使用的物理层IEEE80

46、2.11物理层，FSSS，2.4G，12Mb/sIEEE802.11物理层，DSSS，2.4G，12Mb/sIEEE802.11b物理层，DSSS，2.4G，111Mb/sIEEE802.11a物理层，OFDM，5G，654Mb/sIEEE802.11g物理层，OFDM，2.4G，54Mb/sIEEE802.11红外（IR）物理层，111Mb/sIEEE802.11n物理层，MIMO OFDM，108500Mb/s第三第三章章 无线局域网技无线局域网技术术3.4 IEEE802.11协议族IEEE 802局域网协议体系1999年9月发布物理层使用DSSS直接序列扩频技术2.4GHz ISM开放

47、频段最大速率可达11Mbps可根据信道情况自动调节为5.5Mbps、2Mbps、1 Mbps使用范围：在室外为300米，在办公环境中最长为100米网络规模：理论上AP最多接72个节点，建议32，实际10，高带宽情况下尽量少第三第三章章 无线局域网技无线局域网技术术3.4 IEEE802.11协议族IEEE 802局域网协议体系1999年9月发布802.11b标准的后续标准工作在5GHz U-NII频段物理层速率可达54Mb/s采用正交频分复用OFDM技术传输层可达25Mbps，可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的 以太网无线接口，以及TDD/TDMA的空中接口可很好地支持语音、数

48、据、图像等多媒体业务第三第三章章 无线局域网技无线局域网技术术3.4 IEEE802.11协议族IEEE 802局域网协议体系2007年8月，意大利无线电爱好者的WIFI测距实验802.11a的信号由地中海撒丁岛传送至意大利中部的阿米塔山，使用mini-PCI模块和35dBi的抛物面碟形天线，在5GHz频率下传输了304公里第三第三章章 无线局域网技无线局域网技术术3.4 IEEE802.11协议族IEEE802.11g2003年6月12日正式作为技术标准发布可看作是IEEE802.11b的高速版主要思想：将11b和11a相结合，利用11a中的技术对11b标准进行高 速率扩展，在2.4G频段提

49、供11a的速度工作在2.4GHz频段54Mbit/s的传输速度采用OFDM正交频分复用技术11g能够兼容11b，不兼容11a第三第三章章 无线局域网技无线局域网技术术3.4 IEEE802.11协议族IEEE802.11e目的：为无线局域网提供QoS（服务质量）支持在DCF和PCF中无法对QoS进行支持，主要是因为它们都没有对数据源和数据类 型进行区分IEEE对DCF和PCF在QoS的支持功能方面进行增补，通过设置包的优先级，既保 证大带宽应用的通讯质量，又能够向下兼容普通802.11设备对DCF的修订标准称为增强型分布式协同（EDCF）把流量按设备的不同分成8类，也就是8个优先级，由优先级决

50、定等待时间还有一个额外的控制参数，即竞争窗口对PCF的修订标准称为混和协同（HCF）混和查询控制器在竞争时段探测线路情况，确定发送数据的起始时刻，并争 取最大的数据传输时间第三第三章章 无线局域网技无线局域网技术术3.4 IEEE802.11协议族802.11h802.11a的5GHz无线信号会与欧洲卫星通信网以及某些军用网络、医疗设备 互相干扰2003年9月由国际电信联盟ITU提出11h协议，令11a能够在上述地区得到使 用涉及两种技术动态频率选择 （DFS）用来检测在一个信道上是否有其它信号出现，当这样的信号被检测 到时，就会自动将网络转移到另一个信道传输功率控制（TPC）通过降低WLAN

51、设备使用的无线发射功率，减少WLAN对卫星服务 的干扰第三第三章章 无线局域网技无线局域网技术术3.4 IEEE802.11协议族802.11iIEEE提出的新一代WLAN安全标准，实际上是把1999年制定的IEEE 802.1x安 全标准引入了WLAN在加密处理中引入了基于RC4算法的密钥管理协议TKIP（Temporal Key Integrity Protocol），将密钥从固定密钥改为动态密钥具有以EAP（可扩展认证协议，Extensible Authentication Protocol）为核 心的用户审核机制在简单的WLAN环境中802.11i验证系统非常有效但是漫游为其提出了重大

52、挑战，当用户在WLAN蜂窝之间漫游时，他们需要 重新建立安全证书，整个802.11i验证过程需要800毫秒的时间，这对于VoIP 等对时间敏感的应用来说太长了第三第三章章 无线局域网技无线局域网技术术3.4 IEEE802.11协议族802.11j是日本版的“802.11a”802.11k是为方便WLAN网络管理而设802.11m用于对802.11各标准进行维护802.11p主要应用于智能交通领域的无线连接802.11r 对802.11的快速漫游进行了改进，将能保证热点间连接的无 缝性802.11s对802.11增加了mesh网络的支持802.11t，无线网络性能预测802.11u，与其他网络的交互性802.11v，无线网络管理。第三第三章章 无线局域网技无线局域网技术术3.4 IEEE802.11协议族WiFi（Wireless Fidelity）IEEE802.11的别称1999年8月，“无线以太网相容联盟”WECA（The Wireless Ethernet Compatibili