第 4 章无线网络

第第4章章 无无 线线 网网 络络自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点n自组网络没有上述基本服务集中的接入点自组网络没有上述基本服务集中的接入点 AP 而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。信组成的临时网络。移动自组网络的应用前景移动自组网络的应用前景 n在军事领域中，携带了移动站的战士可利用在军事领域中，携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。临时建立的移动自组网络进行通信。n这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群。群。n当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的。自组网络进行及时的通信往往很有效的。移动自组网络移动自组网络和移动和移动 IP 并不相同并不相同 n移动移动 IP 技术使漫游的主机可以用多种方式技术使漫游的主机可以用多种方式连接到因特网。连接到因特网。n移动移动 IP 的核心网络功能仍然是基于在固定的核心网络功能仍然是基于在固定互联网中一直在使用的各种路由选择协议。互联网中一直在使用的各种路由选择协议。n移动自组网络是将移动性扩展到无线领域中移动自组网络是将移动性扩展到无线领域中的自治系统，它具有自己特定的路由选择协的自治系统，它具有自己特定的路由选择协议，并且可以不和因特网相连。议，并且可以不和因特网相连。4.8.2 802.11 标准中的物理层标准中的物理层n1997 年年 IEEE 制订出无线局域网的协议标准制订出无线局域网的协议标准的第一部分，的第一部分，802.11。在。在1999年又制订了剩年又制订了剩下的两部分，下的两部分，802.11a 和和 802.11b。n802.11 的物理层有以下三种实现方法：的物理层有以下三种实现方法：u跳频扩频 FHSSu直接序列扩频 DSSSu红外线 IR 802.11 标准中的物理层（续）标准中的物理层（续）n802.11a 的物理层工作在的物理层工作在 5 GHz频带，采用正频带，采用正交频分复用交频分复用 OFDM，它也叫做多载波调制技它也叫做多载波调制技术（载波数可多达术（载波数可多达 52 个）。可以使用的数据个）。可以使用的数据率为率为 6,9,12,18,24,36,48 和和 56 Mb/s。n802.11b 的物理层使用工作在的物理层使用工作在 2.4 GHz 的直接的直接序列扩频技术，数据率为序列扩频技术，数据率为 5.5 或或 11 Mb/s。4.8.3 802.11 标准中的标准中的 MAC 层层1.CSMA/CA 协议协议 n无线局域网却不能简单地搬用无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。协议。这里主要有两个原因。这里主要有两个原因。nCSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。域网的设备中要实现这种功能就花费过大。n即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。端仍然有可能发生碰撞。A 的作用范围无线局域网的特殊问题 C 的作用范围ABCD当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem)B 的作用范围无线局域网的特殊问题 C 的作用范围ADCB？B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据这就是暴露站问题(exposed station problem)CSMA/CA 协议协议 n无线局域网不能使用无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改进的而只能使用改进的 CSMA 协议。协议。n改进的办法是将改进的办法是将 CSMA 增加一个碰撞增加一个碰撞避免避免(Collision Avoidance)功能。功能。n802.11 就使用就使用 CSMA/CA 协议。而在协议。而在使用使用 CSMA/CA 的同时还增加使用确的同时还增加使用确认机制。认机制。n下面先介绍下面先介绍 802.11 的的 MAC 层。层。802.11 的的 MAC 层层 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。802.11 的的 MAC 层在物理层之上层在物理层之上包括两个子层包括两个子层 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11帧间间隔帧间间隔 IFS n所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是通称是帧间间隔帧间间隔 IFS(InterFrame Space)。n帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间。发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间。n若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。撞的机会。CSMA/CA 协议的原理协议的原理 n欲发送数据的站先检测信道。在欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标标准中规定了在物理层的空中接口进行物理准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。层的载波监听。n通过收到的相对信号强度是否超过一定的通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。信道上发送数据。n当源站发送它的第一个当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间道空闲，则在等待一段时间 DIFS 后就可发送。后就可发送。为什么信道空闲还要再等待为什么信道空闲还要再等待 n这是考虑到可能有其他的站有高优先级的这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。帧要发送。n如有，就要让高优先级帧先发送。如有，就要让高优先级帧先发送。假定没有高优先级帧要发送假定没有高优先级帧要发送 n源站发送了自己的数据帧。源站发送了自己的数据帧。n目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔 SIFS 后，向源站发送确认帧后，向源站发送确认帧 ACK。n若源站在规定时间内没有收到确认帧若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK（由重传计时器控制这段时间），就由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。经过若干次的重传失败后放弃发送。虚拟载波监听虚拟载波监听 n虚拟载波监听虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的的机制是让源站将它要占用信道的时间（包机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。时间都停止发送数据。n这样就大大减少了碰撞的机会。这样就大大减少了碰撞的机会。n“虚拟载波监听虚拟载波监听”是表示其他站并没有监是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了听信道，而是由于其他站收到了“源站的源站的通知通知”才不发送数据。才不发送数据。虚拟载波监听的效果虚拟载波监听的效果 n这种效果这种效果好像好像是其他站都监听了信道。是其他站都监听了信道。n所谓所谓“源站的通知源站的通知”就是源站在其就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段帧首部中的第二个字段“持续时间持续时间”中填中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。帧所需的时间。网络分配向量网络分配向量 n当一个站检测到正在信道中传送的当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部的帧首部的“持续时间持续时间”字段时，就调整自字段时，就调整自己的己的网络分配向量网络分配向量 NAV(Network Allocation Vector)。nNAV 指出了必须经过多少时间才能完成数指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。状态。争用窗口争用窗口 n信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个送数据帧时，不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。道。n在信道从忙态转为空闲时，各站就要执行在信道从忙态转为空闲时，各站就要执行退避算法。这样做就减少了发生碰撞的概退避算法。这样做就减少了发生碰撞的概率。率。n802.11 使用二进制指数退避算法。使用二进制指数退避算法。二进制指数退避算法二进制指数退避算法 n第第 i 次退避就在次退避就在 22+i 个时隙中随机地选择个时隙中随机地选择一个。一个。n第第 1 次退避是在次退避是在 8 个时隙（而不是个时隙（而不是 2 个）个）中随机选择一个。中随机选择一个。n第第 2 次退避是在次退避是在 16 个时隙（而不是个时隙（而不是 4 个）个）中随机选择一个。中随机选择一个。使用退避算法使用退避算法 n仅在下面的情况下才不使用退避算法：仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。是要发送的第一个数据帧。n除此以外的所有情况，都必须使用退避除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。即：算法。即：u在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。u在每一次的重传后。u在每一次的成功发送后。A 的作用范围B 的作用范围2.对信道进行预约 n802.11 允许要发送数据的站对信道进行允许要发送数据的站对信道进行预约。预约。ACBDERTSRTS源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS(Request To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。A 的作用范围B 的作用范围2.对信道进行预约 n n802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。CTSACBDECTS若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送 CTS(Clear To Send)，它包括这次通信所需的持续时间（从 RTS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中）。A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧。