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IEEE 802.11工作组

IEEE802.11

一、IEEE802.11的具体特征

802.11的特征主要有:

1)提供异频和限时发送服务。

2)调节适应1Mbps和2Mbps的传输速率。

3)支持大部分市场的应用。

4)多显传递(包括广播发送)服务。

5)网络管理服务。

6)注册和认证服务。

7)适应建筑物内部,如办公室、银行、商店、购物商场、医院、生产车间和住处。

8)适应建筑物外部,如停车场、校园、综合建筑等。

9)电源管理。

10)带宽。

11)安全性。

12)寻址。

二、IEEE802.11拓扑结构

IEEE802.11拓扑结构有两种:

□ IBSS网络。

□ 独立扩展服务群(IESS)网络。

在这两种拓扑结构下,802.11标准认可的移动类型有:

□ 不迁移型。这种移动类型指那些移动的站点和局部BSS内移动的站点。

□ BSS迁移型。这种类型指站点从ESS中的一个BSS移动到相同ESS中的另一个BSS。

三、IEEE802.11逻辑结构

IEEE802.11的逻辑结构如图9所示。

IEEE802.11的逻辑结构

图9    IEEE802.11的逻辑结构

图9说明每个站点所应用的802.11标准的逻辑结构是由LLC、MAC和多个PHY中的一个组成。

LLC(LogicalLinkControlLayer,逻辑链路控制层)是IEEE802.11模型的最高层,提供与传统数据链路控制协议相似的功能。

MAC(MediumAccessControlLayer,介质访问控制层)是IEEE802.11网络中两个对等的MAC实体可以通过一个物理层进行互换。它的目的是,在LLC层支持下,为共享介质PHY提供访问控制功能,如寻址方式、访问协调、帧校验序列生成和检查,以及LLCPDU的定界等。MAC是在LLC层的支持下,执行寻址方式和帧控制功能。802.11标准利用CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突防止),CSMA/CA不同于CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)因为在同一个信道上利用无线电收发器同时进行接收和传输是不可能的,所以无线网络采用的是CSMA/CA,对无线网络采取措施避免冲突而不是检测它的。

PHY(PhysicalLayer,物理层)是IEEE802.11模型的最底层,它具有3种物理接口。

四、IEEE802.11工作组和要点

1.IEEE802.11工作组

IEEE802.11工作组是IEEELANMAN标准委员会的一个组成部分,IEEE802.11会议对所有人开放。参加者必须交纳会费用于会议开销。作为会员必须在连续的4次全体会议中至少参加2次全体会议才能拥有投票数。

2.IEEE802.11工作组要点

IEEE802.11工作组在IEEE802全体会议期间一年集会3次。工作组会员近200个,会员资格分为4类:

□ 投票会员:已有投票资格的会员。

□ 准会员:已经参加了两次会议,其中一次是全体会议,还须参加一次集合便可成为投票会员。

□ 候补会员:已经参加一次全体会议或临时会议。

□ 停止投票会员:以前是投票会员,但已不再继续。

五、IEEE802.11a标准

IEEE802.1la的物理层是基本正交频分多路复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)技术进行传输的,OFDM工作组的频段是5GHz的免许可证国家级信息基础(UnlicensedNationalInformationInfrastructure,U-NII)频段。802.11a的OFDM系统的细则和HLTER/2标准是一样的。MAC层与其他的IEEE802.11标准是相同的,因此有载波侦听、MAC子层、MAC管理子层等问题,现集中讨论如下。

1.载波侦听

IEEE802.3的信道侦听机制非常简单,接收器读取线路上的峰值电压并同阈值电压相比较来进行识别。但IEEE802.11的侦听机制就比较复杂,它既有实际的物理操作也有虚拟的操作。物理层的侦听是通过信道分配清除(ClearChannelAssignment,CCA)信号来实现的;CCA信号是由IEEE802.11的物理层的PLCP发出的°CCA信号是基于空中接口实际侦听来产生的,为此,或者通过在空中接口侦听检测的比特,或者载波的接听信号的强度(ReceiveSignalStrength,RSS)超过阈值也会发生CCA信号。RSS侦听方式是通过测量接口电平的方法来实现的,这种侦听方式有可能发误报警。因此最佳的方案就是综合运用了载波侦听和数据检测侦听这两种方法的设计方案。有关载波侦听的实现原理请参阅机械工业出版社出版的《十兆百兆千兆万兆的以太网络技术及其组网方案X1SBN:7-111-11675)一书。

2.MAC子层

MAC层的所有任务都是在MAC子层和MAC管理子层之间进行分配。MAC子层的主要任务是定义访问机制和MAC帧格式。MAC管理子层的功能主要是定义ESS中实现漫游的支持方式、电源管理和安全等。

IEEE802.11规定了三种访问机制,这三种机制都能同时支持竞争和无竞争的访问。无竞争的传输方式有两种:

□ RTS/CTS机制,这种机制可以解决隐藏终端问题。

□ 时间限制管理信息中点协调功能(PCF)的实现机制。

为了使这些不同的MAC层的操作能够相互配合,IEEE802.11推荐了三种分组传输的帧内间隔(IFS)O这些IFS周期为优先级的设置提供了一种实现机制,这种优先级的设定为需要QoS的一些服务,如时间限制等应用提供了实现的途径。每次传输完成之后,所有需要发送数据的终端都必须根据它们的信息帧优先级等待三种IFS周期的一种。这三种IFS分别是:

□ DCF-IFS(DIFS)

□ 短IFS(SIFS)

□ PCFIFS(PIES)

其中DIFS是在基本竞争的数据传输中使用,它的优先级是最低的,周期最长。SIFS具有最高的帧发送优先级,如ACK和CTS等,它的间隔时间最短。PIFS主要是为PCF操作设计的,它的帧发送优先级仅次于SIFS,帧内间隔周期介于DIFS和SIFS之间。

采用CSMA/CA协议进行访问时,只要MAC层有分组需要发送时,就会利用物理和虚拟载波侦听机制侦听信道是否空闲。如果虚拟载波侦听发现网络配置矢量NAV信号存在,则表示信道繁忙,就会将操作延时,继续保持侦听直到NAV信号消失。当虚拟载波侦听发现信道空闲(即NAV为0)时,MAC层就侦听信道的物理条件。这时如果认为信道是处于空闲状态,如图10所示,终端等待DIFS后就开始发送数据。如果信道忙,MAC层将利用随机退让时间控制机制,即产生一个随机数作为退让时间进行等待。在分组发送和相关的DIFS期间,信道的争用停止,但对信道的侦听仍在继续着。如图10所示,一旦信道可以使用,所有需要发送数据的终端在消耗它们的退让时间后都试图进行数据发送。其他的终端侦听到新的传输后,让它们暂停,等到本次的传输完成后在新的竞争周期里再重新启动。这种机械减小了冲突发生的可能性,但不能从根本上消除冲突。为了减小冲突重复发生的概率,采用了与IEEE802.3相类似的一种方式,退让等待的时间随终端进行的连续发送的次数增加而呈指数增长。

IEEE802.11中采用的CSMA/CA基本工作原理

图10   IEEE802.11中采用的CSMA/CA基本工作原理

IEEE802.11同时推荐了两种CSMA/CA方式:一种是基于来自物理层的CA信号所采用的CSMA/CA,另一种是带有ACK(应答)帧和差错恢复的CSMA/CA。值得提出的是,以太网在MAC层不具备差错恢复机制,这个功能是IEEE802.11所独有的。图8-11表示的就是在一个终端和AP之间进行通信时使用的带有ACK的CSMA/CA的工作过程。AP端接收到一个分组后等待一个SiFS,再发一个ACK帧,因为SIFS帧要比DIFS帧小得多,所以其他的终端必须要等到从MS到ACK传输完成才能开始一个竞争过程。

IEEE802.11MAC子层的PCF机制协调功能如图12所示,这种机制是建立在使用CSMA/CA机制的DCF(分布式协调功能)的上部,它支持无竞争的带有时间限制传输方式和异步传输。PCF操作仅适用于底层网络,AP接管所有操作为其所包含的终端提供服务。AP发挥中心协调控制的作用,可以停止其他所有的终端,也可以以半周期的模式轮询其他终端。PCF的工作模式如图13所示。AP周期性地组织一些CFP(竞争空闲期)用于带有时间限制的信息的传输。在每个CFP的开始,AP要对这些准备发送的具有时间限制的数据进行协调,并在这个周期内为所有其他的终端重新安排NAV信号。PCF周期的长度是可以变化的,它仅占CFP的一部分。CFP剩余的时间用于竞争和用来传输DCF分组。当信道被一个DCF分组占用时,如果它的传输过程在下一个CFP开始之前不能完成时,则一个CFP的起始时间将会推迟,同时在CFP开始时会通知所有其他终端的NAV信号继续运作。

IEEE802.11MAC采用的RTS/CTS工作机制

图11     IEEE802.11MAC采用的RTS/CTS工作机制

 IEEE802.11中在DCF之上实现的PCF

图12      IEEE802.11中在DCF之上实现的PCF

AP的PCF控制的竞争周期的切换

图13    AP的PCF控制的竞争周期的切换

对IEEE802.11MAC帧格式讨论下列两点。

(1)一般MAC帧格式

为了说明IEEE802.11帧格式,则从IEEE802.3以太网的帧格式开始,这样便于理解IEEE802.11的帧格式。早期的以太网标准只定义了一种帧格式,如图14所示,因为当时网络的控制和管理非常简单,所以一种格式的帧几乎就完成了网络的所有操作。所有的帧都是以前同步信号开始,交替的0和1是用来进行同步的。8比特的SFD字段由10101011构成,表示帧的开始。MAC的DA(目的地址)和SA(源地址)可以是2个字或6字节,实际上使用的大多采用6字节。数据长度字段表示随后的MAC客户数据字段的长度。MAC客户数据字段和填充字段包括来自终端的客户所有准备发送的数据,还包括因需要达到载波侦听所要求的最小长度而补充的字段。最后一个字段是帧校验序列,该字段长度是4字节,包括一个循环冗余校验(CRC)值,利用于检查发送是否出错。因此IEEE802.11的MAC帧格式和802.3的帧格式中余下5个字段的功能相似,这余下的5个字段是用来处理地址信息,是因为它的格式必须要满足大量的管理和控制帧的需要。

IEEE802.3以太网的帧格式

图14    IEEE802.3以太网的帧格式

图14就是IEEE802.11的MAC帧的一般格式。它以帧控制字段(FrameControl)开始,该字段载有该帧的一些特征信息。该字段能表征传输的数据是来自控制帧还是管理帧,并能确定该帧所要实施的控制和管理信号的类别,帧控制字段的详细信息及其格式如图15所示。持续时间/ID字段是表示下一个要发送的帧可能要持续的时间的相关信息。IEEE802.11帧格式中有4个地址字段,而IEEE802.3只有两个地址字段。这4个地址字段分别用来表示源地址、目标地址和标示所连接的AP,这些地址采用类似于以太网地址的6个字节(48比特)的长度表示方式。序列控制(SequenceControl)字段是为了控制帧的序列而给帧进行编号时使用的。序列控制字段和持续时间/ID字段只在IEEE802.11中MAC协议支持分和重组时才有用处。802.3的帧体(FrameBody)总长度要求在46〜1500字节之间,IEEE802.11的MAC帧体的长度范围是0〜2312字节。但两者的CRC的长度是一样的,802.11也采用4字节保护MAC层客户的信息。值得指出的是在PLCP中我们采用更短的CRC码保护PLCP帧头。

□ 协议版本:当前的标准是00,其他选项留待将来使用。

□ 到DS/来自DS字段:1代表两个AP之间的通信。

□ 更多分段:有其他的分段存放在后续的帧中则置1。

□ 重发:重发帧则该字段置lo

□ 功率管理:如果站处于睡眠模式,则该字段置1。

□ 波数据:在节能模式下,如果还有帧发往终端,该字段置1。

□ WEP:该字段置1表示数据比特将加密。

详细的帧格式控制字段组成如图16所示。

MAC使用的RTS、CTS和ACK的帧格式如图17所示,从它们的格式中可以看出不是所有的帧都包括完整的字段,但一般的帧都具有相同的帧格式。

(2)MAC帧的控制字段

同以太网相比较而言,IEEE802.11首先是一个无线的网络,因此它需要更多的控制

和管理信号来处理用户登录过程、移动管理、功率管理和安全管理等。为了实现这些功能,IEEE802.11的帧格式中就不得不采用大量的指令帧,这同广域网的情形有些相似。802.11MAC帧中包括除了类型字段和子类型字段之外的所有控制字段的格式。类型字段和子类型字段是非常重要的两个字段,因为它们规定了使用的帧的类型的不同的指令模式。2b的类型字段定义了4种帧类型:管理帧(00),控制帧(01),数据帧(10),保留(11)。4b的子类型字段为每种类型的帧的功能进行了定义,可以提供的功能定义多达16种指令。

MAC帧格式中帧控制字段的组成格式

图16  IEEE802.11的MAC帧格式中帧控制字段的组成格式

3.MAC管理子层

MAC管理子层负责在站和AP之间进行通信的初始化,这一层的操作机制是移动环境下所需要的。这种功能在其他的无线系统中也有,但在802.11的MAC管理子层得到了极大的扩展。一般的MAC管理帧的格式如图18所示。不同的管理帧一般用于不同的目的。

注:本节参考了美国KavehPahlavanPrashantKrishnamurthy所著的《PrinciplesofWireless

MAC帧头中帧控制字段的详细格式          MAC管理帧格式

图17 MAC帧头中帧控制字段的详细格式      图18  MAC管理帧格式