第二章-无线网络信道访问控制技术(MAC)

第二章无线网络信道访问控制（MAC）技术MAC功能：将bit流组装成帧的格式，并依次发送各个顺序帧。（frame）MAC子层的主要功能包括数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制等。MAC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性;在MAC子层的诸多功能中，非常重要的一项功能是仲裁介质(即通信信道)的使用权，即规定站点何时可以使用通信介质。2.1基本概念无线信道全向传输节点移动无缝切换扩频Spread-Spectrum跳频序列扩频（FHSS）-FrequencyHoppingSpreadSpectrum直接序列扩频（DSSS）-DirectSequenceSpreadSpectrum扩展频谱(SpreadSpectrum)技术扩展频谱是对基于频道划分的颠覆。在同一个频道内将几十个或者几百个电路和发射机互相堆积扩频将干扰设计到系统中扩频能使用非常宽的频道扩频系统自动平衡、自我调节发展扩展频谱的实际目的是为了达到阻止通信：阻止敌人接收和译码；检测和干扰军队无线通信扩展频谱在军事上的运用扩展频谱的保密在于其对于军队的重要性能够承受战时战场上严重的干扰；避免敏感通信中途被截获提供非常好的保密性；不仅具有技术保密性，还具有操作保密性即使敌人拥有技术/设备，并且准确了解所用频带仍然不能对传输信号干扰或者译码；可避免敌人通过无线传输了解部队位置；由于保密，扩展频谱技术在其发明者去世7年之后、在发明者构想出现30年之后的1978年才发表。扩频系统的一般描述两种扩频方法作为反干扰策略提出的跳频扩展频谱FHSS；为实现保密话音通信提出的直接序列（噪声调制扩频）DSSS；信道编码器信道信道解码器伪噪声发生器伪噪声发生器输入数据输出数据调制器扩展码解调器扩展码窄带模拟信号窄带模拟信号扩展后的信号跳频——干扰游戏（1/3）目的：发射者确保他的发射频率与干扰者不同假设：发射者可在任何时候改变频率选择发射频率选择干扰频率干扰者获胜的序列发射者获胜通信者只有一个信息片干扰者用一系列干扰片发射者和接收者必须具有相同顺序的频率变化；通信双方的唯一优势是可以使用预知的频率变化次序；跳频——干扰游戏（2/3）如果一：干扰者能够迅速扫描所有的频道，并在很短时间内找到发射频率。跳频发射者仍然只有一个信息片，但可以移动它。选择干扰频率通信双方设备必须按照顺序完成频率跳变;随着干扰者越来越快地找到发射频率，跳变必须越来越快；跳频——干扰游戏（3/3）如果二：两者都能按照物理规律允许的最高速度移动和反应。跳频发射者信息片拆分为短脉冲在一个随机顺序的频率上发射选择干扰频率跳频序列随机化。如果序列是完全随机的，干扰者将完全不能预测将来的跳变位置。跳频序列扩频（FHSS）FSSS特点信号在一串随机序列的频率上广播接收者以与发送者同步的方式跳转频率窃听者听到的难以理解好处干扰仅影响某个频率上的有限几比特；跳频能克服噪声干扰和多径效果；没有传统意义上的阻塞；FrequencyHoppingSpreadSpectrum相当宽的频带被划分成大量的窄频道FHSS——实例FHSS与传统的FSK调制方法类似；FSK通常只使用两个频率，FHSS将使用数千个频率。DSSS——噪声调制ITT组发明将类噪声型信号加入到拟传输的信号之中+话音信号已知特征的噪声型看起来更像噪声的调制信号—淹没的原始话音信号已知噪声噪声调制信号发送端接收端输入信息信号可以比淹没它的噪声低几千倍仍然能成功地传输。直接序列扩展频谱（DSSS）基本原理将两个数字信号加到一起得到第三个实际传输比特流；第一个信号是信息信号；第二个信号是由随机序列产生器产生的随机比特流；第三个比特流的速率与第二个信号相同；10Kbps信息源100Mbps随机伪噪声100Mbps混合信号DirectSequenceSpreadSpectrum无线信道共享，MAC控制的两个基本要求1）公平性：尽量保证多个节点公平使用信道2）高利用率：充分利用有限的频带资源与有线固定网络信道控制不同，无线信道的MAC更加复杂，原因是信号衰减与距离的平方成正比，同时冲突主要发生在接收端，在发送端进行检测作用不大一般采用动态多点随机接入技术进行控制，动态地进行信道分配。一、通信网络中的信道共享方式点对点两个终端共享一个信道TT点对多点一般用于中心站控制的无线信道，终端在中心站控制下共享一个或多个无线信道。所有终端均处于中心站覆盖范围内。CTTT多点共享多个终端共享一个广播信道，也称为一跳共享广播信道。TTTTT二、RTS/CTS协议（RequestToSend/CleartoSend）请求发送/允许发送协议，一种握手协议，用于解决“隐藏终端”问题。隐藏终端无线传输相关“范围”传输范围（TX_range）：可以成功接收帧的通信范围，取决于发送能量和无线电波传输特性物理层侦听范围（PCS_range）：可以检测到该传输的范围，取决于接收器灵敏度和无线电波传输特性干扰范围（IF_range）：在此范围内的节点如果发送不相关的帧，将干扰接收端的接收并导致丢帧。“隐藏”节点问题假设：A正在向B传输数据，C也要向B发送数据“隐藏”节点的干扰隐藏终端问题隐藏终端：在接收者的通信范围内而在发送者的通信范围外的终端带来的问题：A向B发送报文，C听不到A的发送。C也发送报文时在B发生碰撞隐藏终端A向B发送信息，C未侦测到A向B的发送，故A和C同时将信号发送到B，引起信号冲突，最终导致发送到B的信号都丢失了。这将带来效率损失，而且需要错误恢复机制。当需要传送大容量数据时，这种差错最容易发生，要尽力避免。RTS/CTS握手协议1）节点A向节点B发送RTS，表明A需要向B发送数据。RTS帧有两个目的：预约无线链路的使用权，并要求接收到这一消息的其他的工作站停止发送。（发送端清场）2）B接收到A的RTS后，向周边所有节点发出CTS信号，表明已准备就绪，A可以发送。而其他欲向B发送数据的节点则暂停发送；（接收端清场）3）在A、B双方成功交换RTS/CTS信号后，即完成握手后，A向B开始发送数据。这种机制保证了多个互不可见的发送节点同时向一个接受节点发送信息时，实际上只能是收到接受节点回应CTS的那个节点能够发送，避免了冲突发生。实际上，冲突还是有可能发生，即A、C同时向B发送RTS时，两者的RTS在B上冲突，B无法接收准确的信息，则不发送任何回应的CTS。这样，A和C都收不到B的CTS消息，则采用退避竞争机制，分配一个随机定时值，再竞争发送RTS，直到成功为止。2.2IEEE802.11MAC控制技术2.2.1WLAN简介WLAN（WirelessLocalAreaNetwork）：指以无线信道作为传输介质的计算机局域网WLAN需满足LAN的一般需求–高容量–覆盖短程距离–站点全联通–广播特性WLAN优点及局限性优点–移动性（固定、半移动、全移动）–灵活性–经济性局限性–可靠性–带宽与系统容量–安全性–节能管理无线局域网的发展第一代无线局域网–1985年FCC颁布电波法规–RangeLAN的900MHz产品、NCR的2.4G产品、摩托罗拉的Altair产品…第二代无线局域网–1990年，IEEE成立802.11任务组，开始无线局域网标准化–1997年，IEEE802.11标准发布–第二代工作在2.4～2.4835GHz频段，传输速率1～2Mb/s第三、四代无线局域网–欧洲成立HiperLAN标准化组织（5.15～5.35GHz，17.1～17.3GHz）–1999年，IEEE802.11a和IEEE802.11b，传输速率分别达到54Mb/s和11Mb/s–无线以太网兼容性联盟(WECA)，WiFi认证–2002年，IEEE802.11g，与802.11b兼容，速率达到54Mb/s–HiperLAN2，工作在5GHz，速率达到54Mb/s802.11标准所提议的无线LAN标准的作用范围是为局域网固定的、便携的和可移动的站点的无线连接开发的规范术语：–站点–接入点（AP）–基本服务集（BSS）：由单个协调功能控制的站点集合–协调功能：决定BSS中运行站点何时被允许发射及何时可能接收PDU的逻辑功能–分布式系统（DS）：用于BSS互联的网络–扩展服务集（ESS）802.11拓扑结构802.11拓扑结构（续）802.11服务访问控制和安全性–Authentication、deauthenticaton、privacy用于支持MAC服务数据单元的传送–处理移动性»Association、re-association、disassociation、distribution、integration–数据传递»MSDUdelivery(MSDU：MAC用户传送给MAC协议需要传输的一块数据)接入认证和隐私服务Authentication–802.11支持多种认证模式，并允许对此进行扩充–标准没有强制任何特定认证模式De-authentication–一个原先已通过认证的站点离开网络时需要解除认证Privacy–用来防止消息内容被非制定接收者阅读–WEP，WPA/WPA2关联（association）服务Association–站点必须与所在BSS的AP建立关联，AP才能将此信息通报给ESS内的其他AP，以便路由和帧的传递Re-association–关联可从一个AP转换到另外一个，允许站点从一个BSS移动到另一个Disassociation–去联通告可由AP或者与之关联的站点发出–MAC管理机制防止没通告的站点消失分布式系统内的消息分发Distribution–用在站点之间交换MAC帧–从一个BSS的站点发送到另一个BSS的站点Integration–当数据交换双方一个位于802.11LAN，另一个位于非802.11LAN时–涉及地址转换、传输介质变换逻辑和帧格式转换IEEE802.11协议栈IEEE802.11协议栈802.11物理层与MAC层物理介质依赖子层（PMD）–调制解调和编码/解码物理层汇聚协议（PLCP）–向上提供独立于传输技术的物理层访问点（SAP）802.11介质访问控制层–控制介质访问–用户数据分段–加密802.11PHY2.2.2802.11介质访问控制(MAC控制)802.11MAC设计目标–单个MAC支持多个PHY–抗干扰能力强（传输）–处理隐藏节点问题（传输）–支持限时服务、QoS（服务）–重载下可扩展并且稳定（服务）–提供节能模式（特殊服务）–提供隐私性和访问控制基于分布方式的无线媒介访问控制协议（DFWMAC）IEEE802.11MAC基本服务异步数据服务–广播–组播–Besteffort–Adhoc、AP时限服务–AP–需要AP控制介质访问以避免冲突802.11基本访问机制基于CSMA/CA的强制基本功能避免隐藏终端问题的可选功能时限服务的无冲突polling方法协调功能CF(DCF&PCF)协调功能(CoordinationFunction)是指一个用来决定什么时候那个站点能开始传输数据的机制。DCF是IEEE802.11MAC的基本接入方法，它利用CSMA/CA来提供异步数据传输，这种方法可用在AdHoc和有基础设施的无线局域网络架构中。PCF提供具有时限性(timebounded)的数据传输，是一类无竞争(contentionfree)方法，因此不会发生冲撞的情形，但只能用在某种基础设施的无线局域网络中。上图中PCF是通过DCF来完成的。在一个BSS范围内，这两种功能是可以共存并容的。一个BSS中，如果有一个协调站(Pointcoordinator)，则由其来负责监督这两种服务的交替进行。也就是先进行一段时间的免竞争式传输，再跟着进行一段时间的竞争式传输。如此一个周期称为一个超级帧(Superframe)。一、分布式协调功能DCF基本思路：在无线网络上不可能进行冲突检测，故不设置冲突检测机制，采用规则延迟来处理，以保证M