（通信与信息系统专业论文）cngi移动终端mac层管理控制功能的研究与实现.pdf

摘要 在c n g i ( 中国下一代互联网) 移动终端中，m a c ( 媒体接入控制) 层功能 决定着终端接入媒介的方式和效率，而管理控制功能决定着站点能否正常接入到 c n g i 网络体系中，因此m a c 层管理控制功能的设计实现具有十分重要的现实意 义。 论文在详细研究了m a c 层协议组网架构、协议模型、工作模式等概念的基 础上，归纳出了m a c 层协议及管理控制功能需要实现的具体功能，并给出了m a c 层总体设计方案；重点分析了同步、扫描、加入、鉴权、关联、功率管理等管理 控制功能的原理，设计了m a c 层管理控制功能的实现方案和具体实现流程，并 实现了m a c 层管理控制单元的主要功能。测试结果表明，设计实现的m a c 层 管理控制单元满足了实际需要，达到了设计要求。 关键词：移动终端媒体接入控制管理控制l i n 缸2 4i o c t l a b s t r 【c t i nt h ec n g i ( c h i n a sn “tg e n e r a “o ni n t 锄e t )m o b i l et m n h a l t h er e a l i z a t i o n o fm a c l a y 盯sf i l n c d o 璐d e t 锄i l l 铝血em o d em l de 伍c i 即c yo ft 锄i n a l s a c c 嚣s i n g t 01 1 1 em c d i a m e 柚w h i l e ，t h er e a l i z a t i o no fm 趾a g 即1 tc o n 仃0 l l i n g 缸c t i o 船 d e t 锄i n 嚣w b e l h 盯t h es t a t i o nc a na c c e s st ot h ec n g in e t w o r kh i 日a r c h yn o m l a l l y t h e f o r e ，t h ed 嚣i 印纽di m p l e m t a t i o no fm a cl a y 盯 sm 姐a g 锄e n tc o n 臼“1 i n g f l m c t i o n sh a sav e r yi m p o r t a n tm e a 丑i n g 皿et h e s j s 丘r g d yp r e s 衄t c dj m p o r t a n tc o n 唧t so fm a cp f o t o c 0 1i n d e 诅n ， i n d u d i n gt h ei n 丘a s 仉l c t i l f co fn e t w o r k 咖蛐n l c d o n ，血em o d do fp r o t o c o l ，w o r k i i l g m o d e s ，缸i m ef 曲缸a 协，e t c ，a n da l s og a v e 也ep r o t o c o l 姐dm 孤a g 锄e n t 黜o l 矗m c d o n sw h i c hs h o u l db er c a l i z e d t h e i tp u te m p h a s i s s 臼l d y i i l gt h e 咖c r e t c o i 删t h 硎嚣a n d 酬i z a t i o nm e l h o d so fs y n 曲l r o n i z a t i a n ，s c 锄i n g ，j o i n i n g ， a u t h 训f i c a t i o n ，a s c i a t i o n 衄dp o w c rm a a g e m e n ti nm 姐a g 锄e n tc o n 仃0 l l i t l g b l o c k s f i n a l l y ，t h i s 血c s i s 丘g l l r 酣o u tt h ec o n c r e t er e a l i z a t i o nm e t h o d s ，锄dg a v co u t t e s t i n gm e n l o d s 锄dt h ef 黜l t s t h e 帕湖ts h o w c d 也砒t h ed e s i 口锄di i n p l e m 伽0 n o ft h em a cm 卸a g 咖tc o n 廿d lf - o c t i o 璐托a c b e dl h er e a ln e e d s 血dt h ei n i t i a l d 鼯i g n k e y w o r d s ：m o b 丑et e 珊i n m m a cm 孤a g 哪e tc 蛐t r o ll i n u x 2 4i o c t l 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 日期竺! 互：! ：! 日期蚓： 第一章绪论 第一章绪论 1 。1 引言 随着网络规模的持续膨胀和新的网络应用需求不断增长，目前互联网发展面 临着许多挑战，主要包括：可扩展性( 口地址空间) 、安全、服务质量控制、运 营管理和赢利模式等。人们迫切希望建立一个无处不在、永远在线、以应用为目 标，可信赖易管理，资源共享、良性互动的下一代互联网【1 】( n 懿tg e n c r a 6 0 n i n t 锄e t ，即n g i ) 。中国下一代互联网示范工程( c h i l l a i s n e x t g 朗e r a t i o i n t 锄c t ， c n g i 项目1 2 】) 于2 0 0 3 年正式启动，主要是搭建下一代互联网的试验平台，以d v 6 为核心。 移动终端是移动通信系统中最直接与用户的接口设备，普通用户对移动通信 的认识很大程度上来源于对移动终端的认识，移动终端的功能好坏、性能优劣、 价格高低甚至成为判断一个移动网络技术先进与否、运营商运营水平如何的关键 指标。2 g 的移动终端主要实现电路域业务( 话音和短消息) 和极少的其他辅助功 能如计算器、简单的游戏等等，其硬件结构相对简单，以单c p u 架构最为普遍， 多采用a r m 7 以下的c p u 加d s p 集成在基带处理芯片上，考虑成本问题，内存、 显示屏幕、音效器件性能配置也很低，只能满足基本的通信需求，不同产品之间 更多的是依靠外观的设计和整机的稳定性、可靠性、易操作性方面的竞争，发展 的空间不大。随着3 g 时代的到来，要求人们的手持设备功能变得更加丰富多彩， 它可以摄影、摄像，可以是一个小型移动电视机、可视电话机，可作p d a ，并具 有p c 大部分功能，当然它也可以用作移动电子商务，可作认证，将来还可作持 有者身份证明( 身份证、护照) ，它也是个人移动娱乐终端。这种终端的软硬件的 复杂性已是当今任何手持设备不可比拟的，我们称之为无线多媒体移动终端。随 着人们对各种业务的需求，c n g i 的移动终端将在c n g i 整个网络中发挥更大的 作用，因此研究c n g i 移动终端具有重要的意义。 本文的工作旨在为c n g i 移动终端的多媒体业务高速、有效传输提供一种 m a c ( 媒体接入控制) 级支持，并成功与p h y ( 物理层) 交互。 2 c n g i 移动终端m a c 层管理控制功能的研究与实现 1 2 相关领域的发展及研究现状 1 2 1 移动终端的分类及发展趋势 传统手机主要作为语音通讯工具，功能比较单一，硬件结构相对简单，且硬 件和软件之间存在着很强的相关性。移动通信高速发展到今天，3 g 已经逐渐兴起， 数据业务将逐渐占据主导地位，手机已成为各种应用和业务的承载平台，因此对 其硬件性能要求不断增高。今后无线移动终端将是一个多模的智能终端。 目前移动终端可以分为三类【3 1 ：一类是以语音为主的手机，主要面向低端市 场，这类手机的硬件都是围绕一个单一的基带处理器搭建的，该处理器执行电信 和其它简单的应用任务，目前这些硬件电路的集成度在逐渐提高，许多芯片厂商 已经推出单芯片的解决方案，在此芯片外挂一些诸如天线、键盘、显示屏等电路 和器件，就可以成为一只简单的手机。 第二类是增值业务手机，也叫多功能手机( f e a n 玳p h o ) 。这些手机是面向 特定应用，一个功能强大的基带处理器芯片实现移动终端的主要功能，如果基带 处理器不能满足诸如视频处理等功能，可以配套使用一个应用协处理器，它面向 特定应用。基带处理器芯片是第一类手机处理器芯片功能的强化，它是手机的核 心，协处理器则执行视频处理等需要大量运算的指令。这类手机是传统终端向智 能终端过渡的中间产物，在其上可以开发大量业务和应用，外接多种设备，但这 些都是由特定芯片提供，而且硬件接口不统一，对应用程序的软件接口也不能统 一，而且开放程度、多任务调度和操作界面等都不够完善。目前这类手机的功能 差别很大，实现方案也很不一样。 第三类是智能手机，被定义为“拥有操作系统并支持第三方应用的手机”。这 类手机中应用处理器为系统的核心，而g s m g p r s 等通信m o d e m 则成为实现 连接功能的外设之一，此外还有其它通信外设，如w l 蝌，蓝牙，u s b 等，并且 可能提供统一的扩展接口。智能手机通常要采用复杂的嵌入式操作系统如 s m a r t p h o n e 、s y m b i 龃以及l i n l l ) 【等，为上层应用提供统一的应用接口，这是“移 动办公”的理想工具。并且，智能手机多备有较大显示屏( 2 2 ，8 英寸) ，具有计 算和文字处理方面的功能。 移动终端在移动通信中扮演着越来越重要的角色，一种移动通信技术的成功 商用将直接受到终端成熟性的影响。话音、数据切换、不同制式网络的选择、移 动增值业务的开展等重要功能也越来越有赖于移动终端的实现。它已经不再是一 个简单的通话工具，正在朝着收音机、电视机、个人信息处理器、游戏机、遥控 器、音视频播放器、电子钱包、导航仪以及任何我们目前还无法想象的功能强大 第一章绪论 3 的个人消费电子产品和个人信息处理中心方向发展。总结起来移动终端有以下的 发展趋势【4 1 ： 移动终端就是计算机 移动终端的多模化 移动终端与商业价值链的紧密结合 各领域厂商的介入( 如苹果的i p h o n e ) 1 2 2m a c 层设计考虑及实现现状 在无线网络的设计中，m a c 层作为控制接入媒体以及功能管理的实体在移动 终端的设计实现中起着关键的作用，当我们设计m a c 层协议时，应该考虑以下 一些因素l ，j ： 增加空间复杂度，提高网络吞吐量 尽量避免报文冲突，接入的公平性 发生冲突以后的解决方案 省电功能支持 安全保密性设计 基于以上几点因素的考虑，当前比较典型的m a c 协议在设计时都采用了各 自的解决方案，许多无线m a c 设计都是在m e e8 0 2 1 l 基础上通过改进实现的。 i e e e8 0 2 1 1d c f 是m e e8 0 2 1 1 标准委员会制定的无线局域网m a c 层协议，也 是目前应用非常广泛的m a c 协议，源于c s m a ，加入了a c k 控制报文来实 现链路层的确认。除了使用基于r t s c t s 的虚拟载波侦听机制，还使用了帧分段 技术，使得在信道差错率较高的情况下提高网络性能。通过休眠缓存机制达到了 省电的目的，但是以增加网络负荷为代价的。i e e e8 0 2 1 ld c f 采用了二进制指 数退避b e b 算法，所以无法保证信道接入的公平性。 针对m e e8 0 2 1 1 的许多不足，各种增强协议都在相关方面进行了改进，具体 到管理控制方面，最明显的就体现在功率管理和保密性方面。在功率管理方面【”， 在正e e8 0 2 1 1 p s m ( p o w 盯s a v e m o d e ) 基础上提出了e c m a c ，p m s ，s m a c 等协议；保密性方面【7 】【8 在不断改进，从m e e8 0 2 1 1 i 到中国自主知识产权的w a p i 的出现，都体现出了这方面的需求。 目前m a c 层实现的方式主要有两种【9 l ：一种是纯硬件实现。这种方式能够保 持很好的实时响应特性，但是逻辑电路设计复杂，工作量相当大。另一种是软件 结合硬件实现。其中软件实现主要的协议逻辑，挂靠在操作系统下，利用操作系 统提供的一些接口函数；硬件主要完成时间要求比较严格的操作( 如c r c 校验、 加解密帧) ，存储m ( 管理信息库) 等。这样设计既保证了通信速率不受影响， 4 c n g i 移动终端m a c 层管理控制功能的研究与实现 也降低了一定的开发难度。本课题【1 0 1 就采用了这种软、硬件划分的方式进行开发。 本文主要针对m a c 管理功能的软件实现展开讨论。 1 3 论文的主要内容和安排 本文主要研究基于l i 加x 操作系统无线m a c 协议中管理控制功能的设计与实 现。首先从无线m a c 协议的研究入手，然后深入分析管理功能的运行控制机理， 最终在1 i n u x 操作系统下实现了m a c 管理控制的功能。 论文的主要内容安排如下： 第二章对无线网络m a c 协议从总体角度进行分析研究，并将给出需要实现 的内容和针对移动终端m a c 的整体设计方案； 第三章将着重研究m a c 管理控制功能的原理及工作流程； 第四章将引入“n l l x 开发平台搭建的方法和“n u x 下实现m a c 管理功能需要 用到的接口、关键的系统支持，在此基础上给出s m b ( 站管理实体) 的1 0 c t l 实现方法和测试方法说明； 最后给出本文研究内容的总结及展望。 第二章移动终端m a c 层功能分析 第二章移动终端m a c 层功能分析 无线网络【1 l 】主要有四项特性与有线网络不同： 1 ) 无线网络的目的地地址通常不等于目的位置 在有线网络里一个地址通常就代表一个固定的位置，然而在无线局域网络里 因为移动的特性，所以目的位置不一定会同于目地地址。 2 1 无线网络的传输媒介会影响网络设计 点与点之间的连结范围是有限的，牵扯到信号强弱的关系 共享的传输媒介 信号未被保护，易受噪声干扰 可靠度差，动态的网络拓朴架构 3 ) 无线网络要有能力处理会移动的工作站 便携式的计算机( p o f t a b l e 啦m o n ) 会从某一个位置移到另外一个位置， 但长时间来看他会固定在某一个位置。 移动式工作站( m o b i l es t a t i o n ) 有可能在短时间内不断的移动，并且传送 数据。 4 ) 无线网络与其它m e e8 0 2 x 的关系 为了网络透明化，无线局域网络要能在u ( 逻辑链路层) 就能与别的网络 相通，所以要将处理移动性工作站与保持数据传送可靠性的能力全做在网络媒体 接入控制层( m a cl a y 盯) 。m a c 媒体接入技术控制着结点如何接入无线信道， 对移动网络的性能起着决定性的作用，因此对m a c 协议进行深入的研究是很有 必要的。 2 1 移动终端m a c 组网架构 w l a n 组网主要有三种架构【”】，分别为： 1 ) b 嬲i cs e r v i c e s e t ( b s s ) 当只有一台a p 与数个c l i 印t ，这种架构称为b s s 。b s s 只有一个a p 及多个 c 1 i e n t ，如图2 1 所示。b s s 用到架构模式( h 缸仃u 咖r em o d e ) 下的a p 。在架 构模式之下，不允许c l i e n t 与c l i e n t 直接互通。若c 1 i e n t 与c 1 i e n t 不能直接互通， 看起来网络吞吐量会变差。这只发生于当两个c 1 i t 属于同一个a p ，并且这两个 c l i e n t 欲互传资料之时，而这种状况的机率很低。一般在有a p 的场合，所有c l i e n t 主要是存取网络上的信息，如i n t e m c t 、打印机、档案服务器等。而且a _ p 能够帮 c n g i 移动终端m a c 层管理控制功能的研究与实现 助各个c 1 i e n t 达成省电功能。 图2 1 b s s 结构示意图 2 ) h d e p 印d e n tb a s i cs e 州c es e t ( m s s ) m s s 【1 3 】又称a d - h o c 模式。m s s 不需a p 之存在，也不需要连到d s 。但有一 组涵盖面及一个s s d ，如图2 2 所示。因为这种网络没有a p 发送b c a n ，s s 内的c 1 i e m 需要轮流送出b e a c 。a d - h o c 是一种临时性网络，如果需要较好的 省电功能，最好使用一台a p 。 图2 2m s s 模式网络 3 ) e x t 衄d e ds e r 、r i c es e t ( e s s ) e s s 内有两个或多个的b s s 。且使用同一个有线网络作为d s ( d i s 研b 埘0 n s y s t 锄) ，如图2 - 3 所示。此d s 可为有线、无线、l a n 、w a n 、或其它任何联网 方式。一个e s s 必须至少有两台架构模式下的a p 。与b s s 相同，所有的封包必 须经过一台a p 。 第二章移动终端m a c 层功能分析 e s s 内的a p 可利用不同的s s d 做区分。有的场合将其s s d 称为e s s d 这会让使用者混淆。s s d 为2 到3 2 个字符的容易记住的字符串。 图2 3e s s 网络架构图 对于e s s 网络存在以下可能性： b s s 可部分重叠，通常出现在一个大覆盖范围内用于安排相邻覆盖区域。 各个b s s 在物理上是可以连续的。逻辑上对b s s 之间的通信距离没有任 何限制。 一个或多个m s s 或e s s 网络可以作为一个或者多个e s s 网络出现在同 一物理空间位置上。主要原因有两个：一个a dh o c 网络工作在e s s 网络的同一 空间物理位置上，或者不同的团体开通了物理上相互重叠的埘f i 网络。 下面给出一个集合的复杂网络架构，也是现实中经常使用的一种网络形式。 如图2 4 所示。 图2 4 综合网络 c n g i 移动终端m a c 层管理控制功能的研究与实现 2 2 移动终端m a c 层功能 2 2 1m a c 协议参考模型 图2 5 给出了w l a n 协议的参考模型 1 4 1 ，主要由两部分组成：物理层和数据 链路层的m a c 子层。参考模型中各层之间、管理实体之间以及层与管理实体之 间的访问主要通过接口：服务访问点( s a p ) 利用服务原语彼此建立联系。 通信的过程旧大概如下：逻辑链路层( u c ) 通过m a c 服务访问点将要发 送的数据发给m a c ，本地m a c 层接收上层发下来的m a c 服务数据单元m s d u ( m a cs e r v i c ed a 协u n i t ) ，组织成对应的m a c 协议数据单元m p d u ( m a c p r o t o c o ld a t au n i t ) ，然后利用物理层的相应服务传递给对等的m a c 实体，该对 等m a c 实体将从物理层收到的m p d u 还原成对应的m s d u 后向上传给对等的 l l c 实体。这就实现了对等u 。c 之间的通信。m a c 子层管理实体( m i 肥) 以 及物理层管理实体( p u 皿) 中用到的相应管理信息保存在管理信息库m m ( m 扭a g a 丑e n th f o n n a l i o nb 勰e ) 中，通过s e t ，g e t 操作设置和获取管理消息， 从而控制各移动终端间进行有效的通信。 m a c 服务访问点 m a c 子层 + 管理实体l i m l m e 服 数据链路层 i 务访问点 p h v 服务访问点 _ p l c p 子层 m l m ep l m e 站 _ _，服务访问点 管 物 p m d 服务访问点 l i 毳 p h y 子层 l ip l m e 服务 理 管理实体 i 层 p m d 子层。+ 访问点 图2 5 移动终端m a c 协议参考模型 2 2 2m a c 子层工作模式 m a c 子层的功能首先是为m a c 子层用户提供可靠的数据传输，还能够实现 对共享媒介访问的公平控制。该功能通过两种访问机制实现： 1 ) 基本访问机制 分布式协调功能( d c f ) ，也就是众所周知的c s m c a ( 载波侦听多址访问 第二章移动终端m a c 层功能分析 9 碰撞避免) ，s 1 a 都以此为基本访问方式。实现了消息交换的r t s c t s d a a c k 四次握手过程。适用于分布式网络，传输具有突发性和随机性的普通分组数据。 c s m c a 是一种先听后说的机制，s ，r a 在发送数据前，应检测媒介上是否有其 它s 1 a 正在发送数据。如果媒介上已有信息正在传输，该s 1 a 将不会发送本地 信息，此即载波侦听多址访问部分( c s m a ) ，是在物理层提供的物理载波检测基 础上实现的。w i 右还采用网络分配矢量( n a v ) 的方法，n a v 表示媒介空余时 间。每个s t a 的n a v 都是从媒介传输的帧里去处时间长度来保持最新值。s t a 通过检查n a v 决定是否发送。有可能n a 、，表示媒介忙，而物理载波检测却显示 媒介空闲，这时s 1 - a 不能发送。n a v 也被称为虚拟载波检测。通过这两种策略 的结合，m a c 实现了c s m a c a 的碰撞避免机制。图2 6 给出了d c f 模式 1 6 】下 接入媒体的基本方式。 图2 6d c f 媒体接入流程图 2 ) 集中控制访问机制 集中协调功能( p c f ) 只能用于基础网络结构中。它使用了一个集中协调器 ( p c ) 进行中心控制，也就是a p 。a p 在无竞争期间( c f p ) 通过轮询的方式， 实现数据的发送和接收。当s t a 有数据要发送时，需要先发送到a p 处，再由 a p 进行转发。w i - f i 互通性测试不包括p c f 功能，如果要采用p c f ，最好使用同 品牌的a p 。 p c f 的基本流程是：首先，c l i 曲t 需先告知a p 它能支持p c f 。在p c f 期间， a p 会发p 0 1 l 给c l i e n t ，c l i e n t 才能发话。这种p c f 方式会对w u 蝌性能造成额 外负担。d c f 不需要p c f ，而p c f 则需要d c f 才能运作。d c f 可随、i a n 成 l o c n g i 移动终端m a c 层管理控制功能的研究与实现 长，可支持大约3 0 个c l i e n t 。但p c f 由于额外的负担，最多只能支持约1 5 个c l i e n t 。 3 ) d c f 和p c f 的关系 要说明d c f 和p c f 的关系，首先要明确一下帧间隔的概念。有三种主要的 m s ：s s 、d s 及p i f s 。这些s 有的用来发信息，有的用来竞争发信息的机 会。还有个s ，称为e 礤s ( e x t 曲d c di n t e 世锄es p a c e ) ，是传送错误发生时， 重新发送送数据包之前所用的等待时间。正s 的单位为脚，用来延迟s t a 存取媒 介的等待时间，来提供媒介的使用优先权。每个节点( n o d c ) 知道这些s 值并 适当的使用它们。使用这些间隔，节点可以知道何时可以做什么事。 s 正s 为最短的间隔，发生于下列帧发送之前或之后，需等待一个s m s 时段。 r t s 之后，用来保留媒介的使用时间；c t s 的前后，也就是r t s 之后的帧，可以 让所有节点知道r t s 中的保留时间；a c k 之前，接收者用此帧来通知发送者， 表示数据包收到且无误。s 口s 提供了w u 州之中的最高优先权。 d s 的时间只比e s 长，为e e8 0 2 1 1 设备的默认d c f 模式在进行 c s m c a 时采用的时间间隔。任何s t a 必须在媒介成为空闲时先等待d 口s 的 时间，才能开始竞争发言权。为防止在d 球s 之后很多s 1 a 同时开始说话发生碰 撞，各个s t a 使用r 纽d o mb a c k o f r l 佃e 机制分别再等待一段时间，才能开始发 话。 p i f s 为中间长度的m s 。它的优先权比d 口s 高，但比s s 低。a p 只有在 p c f 时才会使用p i f s 。p 1 f s 比d s 短，所以a p 在与d c f 模式的s t a 竞争时， 一定可以抢到发言权。p c f 只有在d c f 存在时才能工作，因此一旦a p 结束 p 0 1 l 抽g ，表示p c f 阶段结束，其它d c f 的设备则开始讲话。 d c f 和p c f 之间的关系如图2 7 所示。 2 ，2 3m a c 帧格式研究 图2 7m a c 子层访问机制 图2 8 给出了m a c 通用帧格式【埘，包括帧控制域，持续时间域，地址域，顺 第二章移动终端m a c 层功能分析 序控制域，帧实体和f c s 帧校验序列。 域字节致 22666 2 6 o 2 3 1 24 图2 8e e8 0 2 1 1 通用m a c 帧格式 帧控制域 帧控制域是一个1 6 比特固定长的域，包括协议版本号、帧类型及子帧类型( 组 合说明帧类型及子类型) 、输入输出分发系统( 结合起来对地址域进行控制) 、多 段标记、重传标记、功率管理、更多数据域、w e p 加密标记和顺序域。 持续时间域 在c f p ( 无竞争期) 期间发送的所有数据帧的持续时间字段将设为3 2 7 6 8 。 在c p ( 竞争期) 期间该字段表明了发送该帧以后站点占用无线媒体的时间，例如 r t s 中的d u r a t i 字段值为发送下一数据包的时间和两个s s ( 最短的数据帧间 隔) 的时间加上接收确认帧的总时间。 地址域 m a c 帧格式中有4 个地址域，分别用于表示基本服务集标识码( b s s d ) 、 源地址、目的地址、发送站点地址和接收站点地址。每个地址域包含一个标准的 4 8 比特地址。地址又分为单播地址和组播地址。 顺序控制域 长度为1 6 比特，包含2 个子域，帧序列号和分段序列号。前者1 2 比特，用 于表示一个m s d u 或者h n 仰d u 的帧序列号；后者4 比特，用于表示一个m s d u 或m h 佃d u 的每个分段的分段序列号。 帧实体 如果帧实体内容没有被加密，其最大长度为2 3 0 4 字节；如果被加密，其最大 长度为2 3 1 2 字节。管理帧体元素主要包括固定域和信息元素，管理帧帧体中固定 长度的必需的帧体元素被定义为帧体中的固定域，例如：认证算法号、认证序列 号、能力信息、当前a p 的地址等共l o 项，不同的帧中某些域是必需的。可变长 度的必需的帧体元素和所有可选的帧体元素被定义为帧体中的信息元素。 f c s 帧校验序列域 f c s 域的值是针对m a c 帧头和帧体生成的3 2 比特循环冗余校验码。 2c n g i 移动终端m a c 层管理控制功能的研究与实现 2 2 4 管理功能相关的重要帧格式研究 管理帧的具体格式完全符合上面介绍的m a c 帧通用格式。不过管理帧的帧 实体是由固定域和为每个管理帧子类型定义的信息单元构成的。除非有特别的说 明，否则所有固定域和信息单元都是必须填入的。下面就分别介绍与管理密切相 关的几种帧格式的具体内容。 1 ) 信标帧( b e a c o n ) a p 约每隔1 0 0 m s 会广播一个b e 黜n ，或在a d h o c 模式下各s t a 轮流送出 的帧格式，是b e a c 0 1 1m 缸a g 锄e n tf 衄e 的简称，便于s t a 定位和识别b s s 。 、“。8 ：黝 t e 蛐砷 c 印a b i l l 婶 s u p p o n ，。三麓。目 k o 。，；捌 图2 9 b c a c 帧实体 b e a c o n 帧实体内含有多个字段，如图2 9 所示。t j m e s t 锄p 为时戳，从a p 开机时起跳：b e a c i t c r v a l 表示b e 姗的时间间隔，单位是t u ( t i m eu n i t ， 1 t u = 1 0 2 4 s ) ，用来让c l i e n t 预期下一个b e a c o n 的发生时间；c 印a b i l 时表示 s t a 的容量。上面三个属于固定域的内容。下面的属于信标帧中的信息单元：此 a p 的s s d ；s u p p o r t c dr a l 骼表示能支持的速率；f h ( 跳频) 的相关参数；d s ( 直序) 的相关参数；p c f ( p o i n t c o o r d i n a t i o n f 岫c t i ) 的相关参数；s s ( a d h o c 模式) 相关参数；t v 量( t m 佑ch d i c a t i o nm 印) 表示哪些处于省电模式中的c l i 锄t 有f 姗e 还在a p 的b u f 衔缓冲中。 2 ) 广播传输指示消息帧( a t i m ) 该帧用于m s s 中，因为i b s s 中的通信是在s t a 和s t a 之间进行的。当某 个s t a 处于节能模式是，其余s t a 会将发送到该s t a 的帧缓冲下来，然后在 a t 订中指示出来；处于节能模式的s t a 收到a t “帧后会发送请求帧，以取回 缓冲的帧。在a t 订帧中不含任何固定域或者信息单元。 3 ) 探测请求帧格式( p r o b e r 棚u e s t 劬m e ) 当s t a 试图快速定位一个e e8 0 2 1 1 无线网络时，发送此帧，用于主动扫 描模式时。探测请求帧包括两个信息单元：s s d 和支持速率。 4 ) 探测响应帧( p r o b er 髂p o n s e 劬m e ) 收到探测请求帧的s t a 或者a p 使用此帧进行应答。在m s s 模式中，由最 近一次发送信标帧的s t a 发送探测响应帧；而在基础性服务集中，始终由a p 来 发送探测响应帧。该帧包含的内容几乎和信标帧内容一样，包括邮戳、信标间隔、 容量信息等固定域，也包括s s d 、支持速率、一个或多个p h y 参数集、无竞争 参数集以及m s s 参数集( 可选) 。图2 1 0 给出了探测响应帧实体的具体内容。 第二章移动终端m a c 层功能分析 邮戳信标帧间隔 容量信息s s i d 信息支持速率p h y 参数集i b s s 考 截集 图2 1 0 探测响应帧实体 5 ) 鉴权帧格式 鉴权过程将触发多个鉴权帧的交换，结果是向另一个s t a 声明合法身份。鉴 权帧包括三个固定域：鉴权算法标识码、鉴权交换顺序号和状态码，它还包含如 下信息单元：鉴权测试文本。其中状态码、鉴权测试文本与鉴权算法和鉴权交换 顺序号有关。鉴权算法标识号域标识一个单独的鉴权算法，长度为2 字节。该域 值为o ：开放式鉴权算法；该域值为1 ：共享密钥鉴权算法；其他值作为保留使用。 鉴权交换顺序号域在多步骤鉴权交换过程中表面当前的进行状态，长度为2 字节， 在鉴权过程中，它随鉴权帧的交换儿递增。状态码域用于响应管理帧中，表示一 个请求操作结果是成功还是失败，该域长度为2 字节。如果操作请求成功，该域 被置为0 ：如果请求失败，则该域表明失败原因。表2 1 给出了状态码值及其对应 含义。 表2 1 状态码含义 状态码 含义 o成功 1原因不确定的失败 2 母 保留值 1 0不能支持容量信息域中请求的所有容量 1 l因不能确认该关联的存在而导致重新关联被否决 1 2由于正e e 8 0 2 1 1 标准外的原因而导致关联被否决 1 3 响应s t a 不支持所指定的鉴权算法 1 4 收到一个鉴权交换顺序号超出规定范围的鉴权帧 1 5由于测试文本校验失败而导致鉴权被拒绝 1 6 由于在鉴权交换过程中，出现超时等待下一帧，导致鉴权被拒绝 1 7 由于a p 不能处理额外的关联站点，而导致关联被拒绝 1 8由于申请站点不能支持b s s b i c r 砒e s c c 参数中的所有数据速率而导致关联失败 1 9 由于请求关联的s t a 不支持短前同步码而导致关联失败 2 0由于请求关联的s t a 不支持p b c c 调制方式而导致关联失败 2 1由于请求关联的s t a 不支持信道灵敏度而导致关联失败 2 2 6 5 5 3 5保留值 4 c n g i 移动终端m a c 层管理控制功能的研究与实现 2 3 移动终端m a c 层软件整体方案设计 图2 1 1 给出了移动终端总体框图设计。来自上层的各种应用通过多媒体应用 接口封装到t c p 协议中，中间一层属于m a c 层，接收以太数据包进行协议转 换封装，并通过h w 层硬件驱动完成与物理层的交互，控制各种帧的收发和交互。 m a c 层在移动终端设计中处于核心地位，其接入媒体的方式直接影响到整个移 动终端的性能。 图2 1 l 系统整体框图设计 在本设计中我们将m a c 层展开为u c 、m a c 、h w 三个部分，其中m a c 模块为整个系统的核心处理模块。l l c 、m a c 、h w 部分各自要完成的功能如下： 1 ) l l c 首先介绍从m a c 层中抽象出来的u c 模块。l l c 模块完成的功能有： 第二章移动终端l l a c 层功能分析 ( 1 ) 主要数据结构的初始化 数据结构的初始化完成关键数据结构成员的赋值。f 口o ( 先进先出队列) 的 创建，f m g m 皿t 撕佃p o o l ( 分段重组缓冲池) 的创建，网络设备实例的创建以及 各种帧间隔的定义等工作。 ( 2 ) m m 默认值的设置 m m 由于存储在外存储器上( f p g a ) ，需要在硬件驱动加载的同时设置能使 m a c 层正常工作的初始值。 ( 3 ) 以太网帧结构与i e e e8 0 2 1 1 帧结构的相互转换 以太网与m e e8 0 2 1 l 帧结构的转换主要完成发送时将e t h e r e t 帧转换成 m e e8 0 2 1 1 帧，以及接收时将e e8 0 2 1 1 帧转换成e t h 锄e t 帧结构的工作，其 中转换工作需要考虑到嵌入式操作系统所采用的e t h e m e t 封装结构( i e e e8 0 2 3 ， s n a p 等等) ： ( 4 ) 嵌入式网络驱动程序的加载 嵌入式网络驱动程序可以说是独立于各层的一个特殊部分，为了方便层之间 的管理，故将驱动程序规划在了l l c 层。 ( 5 ) s m e 管理模块的上层接口 s m e 提供了强大的m a c 管理功能，我们通过驱动程序i o c t l ，将s m e 的 各个管理功能分别对应到了不同的私有i o c t l 偏移值。同时这里实现的s m e 功 能为上层用户界面的编写提供了调用接口以及参数的输入输出。 ( 6 ) 中断的请求与中断处理程序的声明 中断是本系统中数据到达的唯一指示手段。我们在l l c 层的初始化过程中向 硬件申请了中断号并注册了相应的中断处理程序，对于中断上下文的处理，我们 采用t a 则e c 机制，将中断处理分为上半部和下半部。需要强调的是，对于c c a 提交的中断，其t a s k 值的优先级是最高的。 3 ) h w h w 模块完成的功能大致如下： ( 1 ) 硬件访问地址的定义 这里定义了硬件访问的基地址，数据区起始地址，原语区起始地址，m 毋库 起始地址等硬件的l 地址资源。 ( 2 ) 硬件逐字节i o 方法的实现 由于我们的总线宽度是8 位的，因此需要在h w 模块里面实现与硬件之间逐 字节i 0 的方法。 ( 3 ) 与p h y 原语交互过程的实现 主要实现了数据原语交互，s m e ( 包括m u 伍，p u 旺) 原语交互和c c a 原 语交互。 1 6 c n g i 移动终端m a c 层管理控制功能的研究与实现 3 ) m a c m a c 层模块是本文工作的重点，完成的功能主要分为两大块，基本数据服务 功能和站管理功能( s m e ) 的实现，分别通过数据胜制帧和管理帧完成相应的服 务，具体关系如图2 1 3 所示： 国圄 匝口工卫圈 m a c 控制，数据帧 豳弱翌至卫 m a c 管理帧 图2 1 3 m a c 层服务 基本数据服务功能 ( 1 ) 发送和接收管理【l s 】 眦层在网络驱动f 伍0 的基础上又增加了发送f o t x q 和接收 f i f o - r x q 队列，目的在于使m a c 层与下层模块速率匹配，不会影响应用层数 据的正常发送与接收。f i f o 的实现采用双向循环链表，其大小根据网络负载情况 和业务流类别动态改变，以适应不同业务需求的速率要求。 ( 2 ) 帧控制域的填充 帧控制域是整个w l a n 帧结构中最重要的部分。我们将首先根据发送帧的类 型来填充“类型”和“子类型”域，接下来根据网络架构的模式是i e l s s 还是 f i 认s t r u c n 瓜e 来决定t od s 和f 舢d s 的值，然后从m 中读出 f r 锄1 1 1 r 髑h o l d 来决定是否分段并设置m o r c f 瑚l g 域。随后判断r 酏叮字段来决定 是否调用“复制帧”，接下来通过p o w 盯m 垂和m o r e d a t a 来联合决定是否处于节 能模式以及是否需要接受来自a p 的b u f f e r 帧。最后通过设置e n c 标志决定 使用哪种方式来进行加密和认证。o i e r 域设置为1 来保证严格的顺序传送。 ( 3 ) 分段重组功能 当一个m s d u 的大小超过了f m g 皿r e s h o l d ，我们就需要将它分为多个m p d u ， 我们可以初始化一个分段缓冲池，用来存储相同帧序号的不同分段；在重组的时 第二章移动终端姒c 层功能分析 候，根据帧序号可以很方便的从一个池中取出相同帧序号的所有分段。 ( 4 ) 帧过滤功能 对于o v e r h e 盯到的分组，在判断其不是发往自己的单播或者广播分组以后， 将其丢弃。 ( 5 ) 重发与超时管理 对于每一个发送的需要应答的帧，我们对其设置一个超时计数器，当超时以 后，我们启动重发过程。重发数据帧帧序号不变。重发次数严格按照m m 中规定 的重传次数阈值来决定。 ( 6 ) r t s c t s 功能与a c k 快速应答的实现 当数据分组大小超过r t s 门限后，将启动r t s c t s 功能。 站管理实体( s m e ) 功能的实现 站管理实体管理着一个s t a 能否正确与网络同步，通过验证并最终加入网络 与其它s t a 进行通信，s m e 主要实现的功能如下： ( 1 ) 同步：提供在m s s 和矾f r a s m c n 瓜e 模式下的同步方法，实现了 t s f 以及信标帧的产生。 ( 2 ) 电源管理：实现了站点在a w a k c d o z e 方式下以d c f 或者p c f 方式的数 据传输。 ( 3 ) 扫描：实现了探测潜在的b s s 并返回信息的功能。 ( 4 ) 加入：加入用户指定的b s s ，并返回当前站点状态。 ( 5 ) 创建：创建用户指定参数的b s s 。 ( 6 ) 认证功能：w i 丘提供了开放系统认证和共享密钥认证两种途径。 ( 7 ) 关联：站点执行关联指令同指定的b s s 建立连接归属关系。 ( 8 ) m i b 获取：获取特定的m m 库的管理信息。 ( 9 ) m m 设置：设置特定的m m 库中的指定项的值。 第三章移动终端管理功能体系设计 3 1 移动终端m a c 系统模块划分 s t a ( 站点) 的m a c 层由七个功能模块组成【1 4 】【1 9 】【2 0 】，整体交互关系如图3 1 所示。 图3 1m a c 层七个模块交互图 下面分别给出七个模块各自所负责功能的描述【2 ”： 1 ) m a c - d a 魄s e i c e m a c d a t a s e r v i c e 负责提供m a c 层服务访问点功能，转发m a c 层和l l c 层之间的m s d u ( m a c 层服务数据单元) 。负责将t s d u 信号发送到 m p d u g 伽t i o n _ s t a 模块，接收来自p r o t o c o l c o n 蛔1 - s t a 模块的r s d u 信号。 c n g i 移动终端m a c 层管