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IEEE 802.11 MAC层规范

时间:2020-06-17 08:37 作者:admin 分享到:
         IEEE 802. 11 标准的关键在于 MAC 层 ,MAC 层位于物理层之上,首要的任务就是控制介质访问,网络性能 的 优 劣主要由 MAC 协议 决 定。 IEEE 802. 11 中定义了两种控制介质访问的方法:分 布式协调功能( Distribu ted Coordination Function, DCF ) 和点协调功能( Point Coordination Function, PCF) 。DCF 提供了基千竞争的信道访问机制,而 PCF 则提供了无竞争的信道访问机制。
        IEEE 802. 11 标准定义了 3 种类型的帧:管理帧、控制帧和数据帧。通过定义不同的帧间隔时间( Inter- Frame Space, IFS) 来区分对介质访问的优先级。一个节点通过载波监听机制确定介质处于空闲状态,并且持续空闲达到特定的间隔时间才能进行发送,高优先级的数据帧所等待的时间短,所以更容易占有介质。
        IEEE 802. 11 标准定义了以下 4 种长短不同的帧间间隔,分别 是 SIFS(Short Inter-Frame Space) 、PIFS( PCF Inter-Frame  Space) 、 DIFS (DCF  Inte r-  Frame  Space) 和 EIFS(Extended Inter-Frame Space) , 帧间间隔示意图如图一所示。
图一     帧间间隔示意图
(1) SIFS 为最短的帧间间隔 ,用 来控制帧的传输。
(2) PIFS 提供了仅次于 SIFS 的接入优先级,主要被 PCF 模式用在无竞争操作中。
(3) DIFS 是竞争式服务中等待时间最短的帧间间隔,如果介质空闲时间大于
DIFS, 则站点即可尝试发送 。
(4) EIFS 在 DCF 模式下,帧传输出现错误的时候使用。EIFS 的长度最长,优先级最低。
下面详细介绍DCF 和 PCF 两种访问控制方式。
1) DCF
DCF 是基于载 波侦听多路访问/冲突避免 ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA) 的随机访问方法,CSMA/ CA 的 载波侦听包括两种载波侦听机制:物理载波侦听( Physic al Carrier Sense) 机制和虚拟载波侦听( Virtual Carrier Sense) 机制,当一种机制报告信道忙,则认为信道忙 ,否则 认为信道处 于空闲状态。物理载波侦听机制由物理层提供 ,在发送帧之前 ,首先侦听信道,信 道忙则推迟,直到信道处于空闲状态 。虚拟载波 侦听机制由网络分配矢量 NAV 所提供。IEEE 802. 11  的帧中通常会包含一个 duration  位,用来预定一段介质的使用时间,其他站点会据此更新自己的NAV, NAV 的值为0 时,介质处于忙碌状态。
        CSMA/ CA  的基本过程如图二 所示。站点在发送帧之前,首先通过侦听信道确定是否有其他站点正在发送数据,若处于空闲状态,则 等待 IFS 后继续侦听信道,若信道依然空闲,则发送帧。若信道处于忙碌状态,则延迟发送,继续侦听信道,直到当前传输结束。
        当前传输结束后,站点延迟另外一个 IFS , 如果信道依旧空闲,站点将启动退避机制,退避计时器的值为从竞争窗口中选择一个随机长度的时间。在退避过程中, 若信道状态变忙,则暂停计时器,直到信道空闲时间大千IFS 时继续计时。退避计时器减到0 且信道空闲时,则发送帧。
        当站点遇到冲突时,竞争窗口将扩大一倍,若待续冲突,则竞争窗口将不断增 大直 到最大值。
图 二    CSMA/ CA 的 基本过程
        DCF 包括两种访问模式: 基于两次握手的基本接入模式和基千四次握手的RTS/CTS(Request To Send/clear To Send ) 接入模式。
        在基本接入模式中,一个站点要发送数据帧时,首先通过侦听信道确定是否有 其他节点正在发送数据。如果信道是空闲的并持续  DIFS  时间,这个站点就开始发送。如果信道被侦听到是忙碌状态,这个节点将坚待侦听,直到信道空闲一个DIFS 时间,然后产生一个随机的退避时间,并保存在一个退避计时器中。随后,在每个时隙中,如果信道为空闲 状态,退避计时器 将减 1 , 当站点退避计时器减到 0 时,这个站点开始发送数据帧。在退避过程中,如果某个时隙中信道状态变为忙碌,退避过程暂时中断,直到信道重新变为空闲状态并持续DIFS 时间后继续计时。接收端成功收到一个数据帧后,经过一个 SIFS 时间,回复一个确认帧( ACK ) , 如果发送端在超时设置的时间内收到ACK , 则认为数据帧发送成功,竞争窗口置为最小值。否则,认为数据帧发送失败并进行 重发。基本接入模式的传输示意图如图三所示。
        在 RTS/ CTS 接入模式中,站点需要发送一个数 据帧时,等待信道空闲并持续DIFS 时间,经过退避时间后 ,先发送 RTS 帧,接收端收到 RTS 帧后,将在 SIFS 间隔后回复一个CTS 帧,发送端只有成功收到这个CTS 帧后,才能进行数据帧的发 送。
        RTS 帧和 CTS 帧都包括收发端地址、占用信道时间,其 他能够收到 RTS 帧或 CTS 帧的站点将根据该信道占用时间修改其变量 NAV, 并 在该段时间内保持沉默。因此 RTS/ CTS 接入模式能够在一定 程度上解决隐 藏节点问题。接入模式传输示意图如图四所示。
图 三    基本接人模式的传输示意图

图 四   RTS/ CTS 接入模式传输示意图
2 ) PCF
        DCF 中各站点对信道的 使用权是基于一种随机的竞争,只 能提供 Best Effort 服务,没有任何 QoS 保证,无 法满足实时业务对延迟和抖动等指标的需 求。因此, IEEE 802. 11 标准在 DCF 的基础上定义了PCF。PCF 的基本思想是利用点协调器对站点进行轮询,集中控制介质的访问,通常由接入点担任点协调器。
        PCF 将信道的访问时间划分为超帧周期,每个超帧周期包括一个非竞争期 ( CFP ) 和一个竞争期( CP ) , 非竞争期传输实时业务 ,控制方式为 PCF ; 竞争期传输非实时业务,控制方式为 DCF。
超帧结构如图五所示。在超帧开始时,接入点 通过 PIFS 优先级的竞争获得信道的控制权,发送一个含有 CF 参数的信标帧,CF 中含有MIB 中的 CFP 速率, 由于 CFP 是通过竞争得到的,所以超帧是可以扩展的,超帧中的 CFP 的起点可变, 并且超帧中的CFP  长度可变,但这个长度受 MIB 中的 CFP   最大间隔限制。在系统处于 PCF 期间,负责控制访问的 AP 将接收每个端站的数据 ,经过给定的时间转移到下一站。除非某个端站被轮询,否  则它不允许进行发射,也只有当端站被轮询以后,它们才接收来自无线访问接入点的数 据。由于 PCF 按预定的方式给每个端站确定了一个发射顺序,因此保证了每条数据流的最大延迟。
图 五     超帧结构
         PCF 的不足之处是它的可伸缩性较差,因为是由单一的无线访问接入点来 控制媒体访问的,且必须接收所有端 站的通信 ,所以这种做法在较 大的网络中效率较低。




























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