（通信与信息系统专业论文）cngi移动终端mac数据服务功能的研究与实现.pdf

摘要 随着个人数据通信的普及，人们己不满足有线的接入i n t e m e t ，宽带无线接入成 为未来通信的发展趋势。c n g i 移动终端的开发是宽带无线接入的重要组成部分， 而m a c 数据服务功能又是c n g i 移动终端中的关键技术之一。因此m a c 数据服 务功能的实现具有十分重要的现实意义。 论文主要根据无线局域网的标准，研究其中m a c 数据服务功能部分，结合 l i n u x 内核中网络协议实现的技术，提出c n g i 移动终端m a c 层的设计方案，实 现其数据服务功能并验证。论文介绍c n g i 及其移动终端的发展情况，研究基于 移动终端m a c 层的协议，分析m a c 子层中分布式协调( d c f ) 的功能、组帧、拆 帧、分段，重组等过程。在此基础上重点分析协议中的冲突检测多址访问冲突避 免机制，接入方式。此外还对l i n u x 网络体系结构中数据链路层部分协议实现方法 进行深入的分析和研究，以使在实现m a c 数据服务功能时可以与l i n u x 中网络协 议有一个紧密的契合。重点给出m a c 数据服务功能的设计过程和具体的函数实 现。通过验证，正确高效地实现m a c 数据服务功能，移动终端可以正确的收发数 据包。 论文在实现m a c 数据服务功能时，采用一种分析数据流向的方法，即通过对 m a c 层各模块细致划分，分析收发过程中数据在各个模块之间的流向，这样使整 个m a c 层的通信过程清楚，便于协议的实现。论文引入的l i n u x 操作系统结合嵌 入式系统的开发技术是一种很有竞争力的实现技术，具有很好的性价比和可移植 性。 关键词：中国下一代互联网移动终端m a c l i n u x a b s t r a c t w i t ht h eh i g hd e v e l o p m e n to fp e r s o n a ld a t ac o m m u n i c a t i o n s ，p e o p l ea l en o t s a t i s f i e dw i t ha c c e s s i n gt oi n t e m e ti m m o v a b l y b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s si sf u t u r e d e v e l o p m e n tt r e n di nt h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o n t h ed e v e l o p m e n to fc n g im o b i l e t e r m i n a li sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，a n dm a cd a t a s e r v i c e sf u n c t i o ni so n eo f k e yt e c h n o l o g yi nc n g im o b i l et e r m i n a l s oi m p l e m e n t a t i o n o f m a cd a t as e r v i c e sf u n c t i o ni so f g r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a c c o r d i n gt ot h ew i r e l e s sl a ns t a n d a r d s ，d a t as e r v i c e sf u n c t i o no ft h em a c a r e s t u d i e di nt h et h e s i s w i t ht h et e c h n o l o g yo ft h en e t w o r kp r o t o c o li m p l e m e n t a t i o no f l i n u xk e r n e l ，t h ed e s i g no fc n g im o b i l et e r m i n a lm a c l a y e ri sp u tf o r w a r da n dm a c d a t as e r v i c e sf u n c t i o no f m o b i l et e r m i n a li si m p l e m e n t e d c n g ia n dt h ed e v e l o p m e n to f t h em o b i l et e r m i n a l sa r ei n t r o d u c e di n t h et h e s i s t h e nm a cp r o t o c o lo fm o b i l e t e r m i n a l sw a sr e s e a r c h e d t h ef u n c t i o no fd c fa n dt h ee n c a p s u l a t i o n ，d e c a p s u l a t i o n , f r a g m e n t a t i o na n dd e f r a g m e n t a t i o no ft h ef r a m ea r ed e s c r i b e da f t e r w a r d s b a s e do n t h e s e , c s m a c aa n da c c e s s i n gm e t h o d sa r ea n a l y z e di nd e t a i l i na d d i t i o n , t h ed a t a l i n kl a y e rn e t w o r ka r c h i t e c t u r eo fn e t w o r kp r o t o c o l si nl i n u xk e r n e li sa n a l y z e da n d r e s e a r c h e dp a r t i c u l a r l y i nt h i sw a y , t h ei m p l e m e n t a t i o no fm a cd a t as e r v i c e sf u n c t i o n c a nb ei n t e g r a t e dw i t hl i n u xn e t w o r k p r o t o c o l s t h et h e s i si sm a i n l yf o c u so nt h ed e s i g n o fm a cd a t as e r v i c e sf u n c t i o na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fd e t a i l e df u n e t i o n f i n a l y , m a cd a t as e r v i c e sf u n c t i o ni si m p l e m e n t e d ，a n dm o b i l et e r m i n a lc a ns e n da n dr e c e i v e d a t ap a c k e t s am e t h o dt oi m p l e m e n tm a cd a t as e r v i c e sf u n c t i o ni sa d o p t e di nt h et h e s i s w h i c h i sb yt h ep a r t i t i o no fm a cm o d u l e sa n da n a l y s i so fd a t af l o wi nt h ep r o c e s so f s e n d i n g - r e c e i v i n g ，t h ee n t i r ec o m m u n i c a t i o np r o c e s so fm a cp r o t o c o lc a nb ee a s i l y i m p l e m e n t e d t h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e mw i t h e m b e d d e ds y s t e m sd e v e l o p m e n t t e c h n o l o g yw h i c hi si n t r o d u c e di nt h et h e s i si sav e r yc o m p e t i t i v et e c h n o l o g y , ag o o d p r i c e , p e r f o r m a n c ea n dp o r t a b i l i t y k e y w o r d s ：c h i n an e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t m o b i l et e r m i n a lm a cl i n u x 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已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： 日期迎& ：三= i 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屯子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在j 年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 i 引言 个人通信( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s ) 是人类通信的最高目标，它是用各种可 能的网络技术，实现任何人( w h o e v e r ) 在任何时间( w h e n e v e r ) 、任何地点( w h e r e v e r ) 与任何人( w h o e v e r ) 进行任何种类( w h a t e v e l ：) 的信息交换【l 】。 随着无线通信和微电子技术的突飞猛进的发展，使得各种通信工具在小型化、 轻型化、多模式、支持多种业务等方向不断取得突破。目前，我国进入了下一代 互联网( n c x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t ) 发展的关键时期，下一代网络并不要求物理层 面上实现电视网，电信网和计算机网的结合，而是在高层业务上实现三网的融合， 为语音，数据，视频等各种业务在三网上的传输提供一个统一开放的平台。新的 网络体系结构要求进一步简化网络的控制功能以实现平台的统一，这就要求业务 实现终端的智能化。因此，研制支持多模式个人移动终端具有重要的现实意义。 个人移动终端的网络化已经成为必然趋势，移动终端通过无线方式接入i n t e m e t ， 可以方便、低廉地将信息传送到世界的任何一个地方，高速的数据通信业务实现 必将给人们的生产生活带来巨大变革。同时，随着i n t e r n c t 和无线局域网技术的发 展进步，使得基于分组交换技术的通信性能、质量和可靠性得到稳步提高，网络 应用的可靠性更加值得信赖。伴随着中国下一代互联网络的高速发展，在这一大 环境下对各种基于下一代互联网络的无线终端进行研究与设计，并以此为契机为 中国下一代网络( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 的核心技术研究发展奠定基础，我们 有信心向无线个人通信这个最高目标迈进。 论文来源于中国下一代互联网移动终端的研究，着力于移动终端m a c 数据服 务功能的研究与实现。 1 2 1 论文来源及背景 1 2 研究背景和现状 互联网已经渗透到现代社会的各个领域，成为国家进步和社会发展的重要基础 设施，具有重要战略地位。国家和社会对互联网络日益依赖，使网络和信息安全 成为国家安全的重要组成部分，也是社会经济安全运转的重要支撑环境。网络新 技术和应用需要下一代互联网络“更大、更快、更及时、更方便、更安全、更可 管理和更有效。” 下一代互联网【2 1 ( n g i ，n e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t ) 是指采用球v 6 技术和通信协 2c n g i 移动终端m a c 数据服务功能的研究与实现 议，建设由“吉比特级交换节点”互联构成的大容量互联网络。国家发展战略、 国民经济和社会发展、国防和国家安全战略对发展下一代互联网及相关技术都有 非常强烈的需求。在此背景下，从2 0 0 3 年下半年起，由国家发展与改革委员会牵 头组织，国家教育与科研网以及国内各大电信运营商参加的中国下一代互联网示 范网工程项目正式启动。 c n g i 移动终端m a c 数据服务功能的研究与实现是c n g i 移动终端中的关键 技术之一，因此m a c 数据服务功能的实现具有十分重要的现实意义。 1 2 2m a c 层技术现状 高效的m a c 层协议应具备以下基本特性：( 1 ) 较高的空间复用度。实现多对 节点同时进行通信，实现频率的空间复用。信道接入协议应该尽量增加这种复用 度，使网络中更多的节点同时进行通信，从而提高网络的总吞吐量。隐接收终端 问题和暴露发送终端问题的解决将会提高频率的空间复用度。( 2 ) 信道接入协议 要尽量避免报文间的冲突，尤其要实现数据报文的无冲突发送。( 3 ) 提供冲突解 决的方法。当报文不可避免地发生冲突时，信道接入协议要提供有效的冲突解决 方法，尽量减少报文冲突带来的影响。常用的解决方法是退避重发。 移动终端m a c 接入技术有多种接入方式，以下是几种典型的m a c 层技术。 带冲突避免的多重接入( m a c a ) ，m a c a l 3 1 是第一个使用r t s c t s 控制报文 握手来解决移动自组网中隐终端和暴露终端问题的m a c 层协议。其源于 c s m a c a ( c o l l i s i o na v o i d a n c e ) ，与c s m a 相比，m a c a 减少了数据包冲突。但 隐接收终端和暴露终端问题都没有解决。另外，m a c a 没有采用链路层确认机制， 冲突后需超时重发。由于采用二进制指数退避b e b 算法，信道接入的公平性很差。 带冲突避免的无线多重接入( m a c a w ) ，m a c a w 4 j 对m a c a 做了改进，首 次对公平性进行了研究，并提出了退避算法的改进及消息交互的改进。m a c a w 的改进提高了网络的吞吐量，实际是以增加协议开销为代价的，这种开销包括分 组大小、握手次数。此外m a c a w 也不适用于多播环境。 i e e e8 0 2 1 1d c f , 是i e 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。 源于c s m a c a ，并对c s m a c a 进行了扩展，加入了a c k 控制报文来实现链路 层的确认。这样除了使用基于r t s c t s 的虚拟载波侦听机制，还可以使用帧分割 技术，使得在信道差错率较高的情况下提高网络性能： 论文中移动终端m a c 层技术是在i e e e 8 0 2 1 1 d c f 基础上实现的。 m a c 层技术的实现方式有很多种，文献 5 中m a c 层的协议全部由软件实现， 这样设计使m a c 层具有很好的独立性，不依赖于物理层来实现，系统中的物理层 只是提供了比特流的传送。文献 6 】采用全硬件实现方式，在这种方式下，协议部 第一章绪论 分全部用硬件来处理，这种实现方式一方面不需要微处理器核，也不需要烧录 f l a s h ，可以降低成本，另一方面需要增加实现协议的电路，会增加复杂度，开发 周期也比较长。i n t d 推出了专供笔记本用的集成了8 0 2 1 l 技术的处理器就是采用 全硬件实现方式。 c n g i 移动终端m a c 的实现采用一种似固件的实现方式1 7 ，a r m 核和f p g a 相结合，在a r m 板上的f l a s h 中烧录一段程序，用处理器指向程序来处理以部分 协议，移动终端m a c 中含有大量的协议、算法，对于其中的某些不需要即时响应 的协议，可以用嵌入的处理器来实现，对于那些要求实时响应的部分，用f p g a 硬件电路直接实现，这样的实现方式可以降低系统的复杂性，缩短开发时间，当 协议在一定范围内变化时，可以通过升级f l a s h 中的软件来实现整个协议的升级。 1 3 j 本文研究的主要内容 本论文着力于研究基于l i n u x 下c n g i 移动终端中m a c 数据服务功能的设 计与实现。目的就是要实现m a c 数据服务的高效，快速，实时功能。c n g i 移 动终端要求无线接入速率要达到5 4 m b p s ，而要实现这样一个非常高的速率，不 但要求硬件要达到高速收发的要求，而且要求媒体接入控制部分( m a c ) 也要适 应硬件收发的高速要求。而m a c 数据服务模块的高效快速实现正是实现这一高 速要求的关键之一。如果m a c 数据服务功能实现，再结合c n g i 其它部分的实 现，那我们以后无线上网的速率将会达到甚至超过现在有线宽带上网的速率，以 后带着便携式电脑将会随时随地高速的接入i n t e w n e t 。 论文的研究工作主要包括以下三方面的内容： 1 ) 分析c n g i 移动终端m a c 层组成和工作原理，主要是对m a c 层协议的 重点难点技术进行深入研究。 2 ) 对l i n u x 网络体系结构中的数据链路层的实现机理进行深入的分析与研 究，以使在实现m a c 数据服务功能时可以与l i n u x 内核中网络协议有一个紧密 的契合。c n g i 移动终端数据服务功能实现是在l i n u x 环境下完成的。 3 ) m a c 数据服务功能的设计、实现、及最后的验证。重点给出数据服务功 能实现中模块的划分及需要完成的任务；数据收发在各模块间的处理流程；在数 据收发过程中时间轴上各原语交互的顺序；根据原语给出具体函数的实现。 论文以下章节将按照下面的结构安排研究的内容： 第二章着重分析移动终端m a c 层数据服务功能部分的重点难点技术。 第三章给出移动终端m a c 数据服务功能的设计方案。对m a c 层各模块细 致划分，分析收发过程中数据在各个模块之间的流向，设计出数据收发流程。最 后分析设计中涉及到的l i n u x 内核中数据链路层协议实现方法。 4c n g i 移动终端m a c 数据服务功能的研究与实现 第四章详细叙述移动终端m a c 数据服务功能实现过程。结合收发流程图和 收发过程中的原语给出数据服务功能具体函数实现。最后给出测试方法，并对测 试结果分析。 第五章对论文所做的工作进行总结并对相关领域进行展望。 第二章移动终端m a c 数据服务部分协议分析 第二章移动终端m a c 数据服务部分协议分析 2 1 无线网络特点 无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的媒介构成的无线局域网 ( w i ，a n ) ，与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用 无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。在无线网络中，所有的计算机 通过无线信号广播信息，无线网络有很多优点【s 】。 灵活性：不受有线电缆的限制，可以随心所欲地增加工作站或重新配置工作 站。 移动性：允许用户在任何时间，任何地点访问网络数据，不需要制定明确的 访问地点，用户可在网络中漫游。 成本低：使用无线网络可以避免安装线缆的高成本费用，租用线路的月租费 用以及当设备需要移动而增加的相关费用。 另一方面，无线网络也有其自身的一些缺点，例如，比有线网络传输容量低， 在一些环境下误码率较高。 2 2 基于层的通信参考模型 通信系统一般都被设计为分层体系结构，每一层都以服务的形式完成特定的 任务。为了完成任务，一个层( 第n 层) 必须仅仅使用与它邻近的下层( n l 层) 提供的服务。更具体的说，就是第n 层扩展n 1 层的属性，并消除n 1 层的缺陷。 因此，第n 层的实例仅仅与其他计算机上相同层的实例进行通信。这就意味着只 有在最高层上才能获得通信系统的全部功能。与整体式的体系结构相反，将通信 系统分层意味着需要更多的实现，但是它会带来巨大的优点，如可以独立开发单 个组件、单个实例之伺可以交换、更好的可维护性和更高的灵活性。 协议就是与定义控制不同计算机上相同层的两个实例之间的通信的规则。 一个层( 第n 层) 向更高的层( 第n + i 层) 提供一个功能集合，这个功能集 合被称为服务。提供服务的接口称为服务接口。 这就是说，实例是计算机上一个层内的一个通信协议的实现和这个层内提供 的服务。 为了提供服务，一个层的实例之间需要( 水平) 通信。通信是通过交换第n 层的协议数据单元来实现的。但是，两个实例之间的数据并不是直接交换的，而 是通过下层间接交换的。这样，第n 层为了与其伙伴实例交换p d u ，必须使用第 6c n g i 移动终端m a c 数据服务功能的研究与实现 n 1 层的服务。图2 1 介绍了层与所涉及元素之间的交换作用。 协议数据单元( p d u ) ：p d u 是一个层的两个实例之间交换的报文，其目的是 协调这两个实例的行为。它是水平通行的基本元素。一个p d u 由以下两个元素组 成。 协议控制信息( p c i ) ：它包含用于协调两个协议实例的控制信息，也称为包 头。服务数据单元( s d u ) ：包含高级层发出的传输载荷。第n 层的s d u 一般由 第n + i 层的p c i 和第n + 1 层的s d u 组成。 ( n - 1 ) - 层 r r l ( n - i ) - s d u ( n - 1 ) - i c i 图2 1 垂直通信与水平通信的数据单元 在特定状态的协议中，p d u 可能不包含任何s d u ，比如，建立连接时或者纯 确认包中，在这些情况下，仅仅交换协调协议所需的信息，而不交换载荷。 第n 一1 层的接口数据单元( i d u ) 由第n 层的p d u 和i c i 组成。i d u 在服务 访问点被发送给第n 一1 层，并形成水平通信的基础。 在两个层的垂直通信中，通信只能在已定义的服务访问点( s a p ) 发生，以区 分不同的服务用户。s a p 通过服务访问点地址来标识，它以一个服务访问点处理 一个服务用户这一原则为基础【吼。 2 3m a c 数据服务单元协议分析 论文的工作是研究和实现m a c 子层数据服务功能，所以对m a c 子层的深入 分析非常重要。 i e e e s 0 2 1 1 标准包括w l a n 媒体接入控制( m a c ) 和物理层两个层次的内容。 i e e e s 0 2 1 1 无线局域网的m a c 层对所有类型的i e e e s 0 2 1 1 无线局域网物理层均 第二章移动终端m a c 数据服务部分协议分析 适用t 1 0 1 。无线局域网的m a c 层协议结合了c s m a c a 物理载波侦听多址访问和碰 撞退避机制以及基于控制分组r t s ，c t s 握手对话的虚拟载波侦听多只访问的碰撞 退避机制，前者是面向发送方的，后者是面向接收方的。因此，无线局域网的m a c 层协议是同时从发送方和接收方来解决无线媒介上分组传输碰撞问题的。 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网的m a c 层协议解决了无线网络通信中令人头痛的“隐含终 端”问题。所以i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网的m a c 协议是一个性能优良的无线媒介访 问控制协议。 协议包括鉴权，关联，重新关联，加密，功率控制，集中协调功能( p c f ) ， 分布式协调功能( d c f ) 。标准给出了管理信息库( m m ) 的定义和标准，用s d l 语言【l l 】描述m a c 协议。 2 3 1m a c 层基础 s t a ( s t a t i o n ) ：网络中最基本的组成元素，可以看作是一个网络节点或者一 个移动终端。 a p ( a c c e s s p o i n t ) ：网络中的接入点，s t a 通过a p 可以和d s 系统中的其它 s t a 相互通信，a p - r 作在i n f r a s t r u c t u r e 模式的网络中，它的作用类似蜂窝网络中 的基站，网络中的通信都由它来控制，a p 具有s t a 所有的特性。 b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) ：由一组s t a ( 包括a p ) 组成的基本网络服务集，当 网络中有a p 时，网络工作在i n f i a s t r u e t u r e 模式，否则网络工作在a dh o c 模式， b s s 是8 0 2 1 l w l a n 的基本单位【l “。 d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ：用来连接多个相同或不同类型的网络服务集，各个 网络服务集可以通过桥接器和d s 相连，通过d s 的中介作用，不同的网络服务集 之间就可以相互通信。工作在i n f i _ s t r u c t u r c 模式的b s s 可以通过a p 和d s 相连， a dh o c 模式的b s s 不能通过桥接器和d s 相连。 i b s s ( i n d e p e n d e n tb s s ) ：b s s 工作在a dh o c 模式，属于对等网络，网络仅 由一个b s s 组成。网络中任意两个s t a 之间可以直接通信( p e e rt op e e r ) ，各个 s t a 都是平等的，没有主从之分。i b s s 多用于少数几个s t a 随机组网的场合，如 在两台机器之间临时拷贝数据。 e s s ( e x t e n d e db s s ) ：由多个工作在i n f i a s t r u c t u r e 模式下b s s 通过d s 连接 而成，是单个b s s 的扩展，i n f r a s t r u c t u r e 模式下的b s s 中，两个s t a 之间不能直 接相互通信，每个s t a 所发送的数据都必须由a p 转发，a p 起到了桥接器的作用， s t a 通过a p 相互通信增大了网络服务区的覆盖范围。多个b s s 通过d s 相互连接， 两个不同b s s 内的s t a 就可以互相通信，而且，通过d s ，b s s 还可以和其它类 型的网络服务集连接，如有线网络e t h e r n e t 。e t h 锄e t 的数据传递到d s 中，数据 c n g i 移动终端m a c 数据服务功能的研究与实现 在d s 中传输时可以被b s s 的a p 截取，然后在转发给s t a ，e t h e r n e t 上节点同样 也可以收到b s s 中s t a 发出的数据。通过d s 系统的扩展，有线网络和无线网络 之间就可以互相通信。 在实际使用的时候，如果只有几个距离相近的s t a 临时组建一个网络，则可 以使用i b s s 方式，这是无中心拓扑的网络结构，i b s s 的节点是随时可以加入， 也随时可以退出，非常方便，但对于s t a 之间距离相隔比较远，数量又比较多的 情况，显然无法把所有的s t a 都规划在一个i b s s 内，而且i b s s 无法和有线网络 桥接相连。这时候就需要使用e s s 方式来组网，e s s 是中心拓扑的网络结构，e s s 中的每个b s s 都有一个a _ p ，相当于网路服务器，控制着其它s t a 的通信。在b s s 内部两个站点的通信过程是s t a i - a p s t a 2 ，两个b s s 中的s t a 通信过程是 s t a l a p l - a p 2 s t a 2 ，b s s 中的s t a l 和以太网的节点s t a 2 的通信过程是 s t a i a p p o r t a l - s t a 2 p o r t a l 是以太网和d s 的桥接器。 2 3 2m a c 体系结构 i e e e 8 0 2 1 l 标准提出一个体系结构，目的在于强调把i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网 系统分割成两个主要部分：数据链路层的m a c 予层和物理层( p h y ) 。使 i e e e s 0 2 1 1 无线局域网的这两层比较接近开放系统互联”1 ( o p e ns y s t e m i n t c o n i l e c t i o n o s i ) 的i s o i e f 基本参考模型的最底几层。 数据链路层 物理层 i m 硒a cs a p 鬻管理实体蕾i m l m es a p 、f ，、工b i 一 “u 。、，| i i 胤孟p l m es a p 露 p f ys a p 一 一 站管理 n 7 t = t 一 实体 r l l r 丁，i 1 i p l m es p m d s a p l 理实体ll a p 一 瞳曩墨墨圜 p m d 子层 图2 2i e e e 8 0 2 1 1 协议参考模型 图2 2 中，参考模型中各层之间，管理实体之间以及与管理实体之间的访问主 要通过服务访问点利用服务原语彼此建立联系。 第二章移动终端m a c 数据服务部分协议分析 9 链路层控带i j ( l l c ) 层通过m a c 服务访问点与对等的l l c 实体进行交换本地 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 t au n i t ) ，组 织成对应的m a c 协议数据单元m p d u ( m a cp r o t o c o ld a t a u n i t ) ，然后利用物理层 的服务把它们传递给对等的m a c 实体，该对等m a c 实体将从物理层收到的m a c 协议数据单元枷p d u 还原成对应的m a c 服务数据单元m s d u 后向上传给对等的 l l c 实体m a c 子层管理实体以及物理层( p h y ) 管理实体用于处理对应层的管理 信息的保存( 信息保存在管理信息库m i b ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 中) 和更新 以及管理消息的生成和处理，从而使各移动终端进行有效地通信。 i e e e 8 0 2 1 1m a c 的功能是为用户在不可靠媒介上提供可靠的数据传输，同时 还能提供一些比有线局域网更有意义的局域网服务。m a c 子层结构【1 4 】，包括分布 式协调功能( d c f ) 和集中式协调功能( p c f ) 。 1 ) 分布式协调功能( d c f ) i e e e 8 0 2 1 l m a c 的基本访问方法就是d c f ，也就是c s m a c a 。所有s t a 都 必须实现d c f ，因为在i b s s 和基础服务集网络中，s t a 都以此为基本访问方式。 d c f 用于竞争服务。 s t a 在发送数据前，应检测媒介上是否有其他的s t a 正在发送数据。如果媒 介空闲，则s t a 就可以发送数据。c s m a ，c a 分布式算法强制规定在连续2 次帧 发送之间，媒介上必须要有一段间隔。将要发送数据的s t a 必须在发送数据前确 保在它请求使用媒介的时间期间内媒介空闲。如果媒介检测表明处于忙状态，s t a 将推迟其数据发送，知道当前帧发送完毕。在推迟发送后，或在成功发送后，如 果需要立即再次发送时，s t a 将选择一个随机退避间隔。在媒介空闲时，一般会 减少随机退避计数器的值。不同情况下，会有更多方法来减少碰撞。 2 ) 集中协调功能( p c f ) 集中协调功能是可选媒介访问方式，只能用于基础网络结构中。该方式使用 一个集中协调器( p c ) ，该p c 同时应该是该b s s 的访问点，主要功能是决定当前 那个s t a 有权发送数据。该方式本质上是通过轮询来完成的。p c f 采用访问优先 级辅助的虚拟载波侦听机制，p c f 在信标帧中分发信息，以便通过设置s t a 的n a v 来获得该媒介的控制权。p c f 用于无竞争服务。 2 3 3m a c 帧结构 每个帧由以下基本部分组成。 m a c 头：该部分由帧控制域、持续时间域、关联识别码、地址和顺序控制信 息构成。 1 ) 帧控制域：协议版本号，帧类型子域和子类型子域、t od s 控制子域、f r o m 1 0c n g i 移动终端m a c 数据服务功能的研究与实现 d s 控制子域、多段控制子域、重传子域、功能管理子域、更多数据控制子域、 w e p 控制子域、顺序控制子域。 2 ) 持续时间域i d 域：16 比特长，包含帧持续时间。 3 ) 地址域：m a c 帧中有4 个地址域，分别用于表示基本服务集识别码、源 地址、目的地址、发送站点地址和接收站点地址。 4 ) 顺序控制域：1 6 比特长，包含2 个子域：帧序列号和分段序列号。 5 ) 可变长帧实体：包括帧类型特定的信息。 6 ) 帧校验序列( f c s ) ：包括一个i e e e 3 2 位循环冗余校验码。 有三种类型的m a c 帧： 1 ) 数据帧。 2 ) 控制帧，比如a c k 帧，r t s c t s 帧等。 3 ) 管理帧，比如信标帧，广播传输指示消息( a t i m ) 帧等。 通用m a c 帧格式如图2 3 。 域字 节数 22666 260 - 2 3 1 24 持续时 顺序控 地址4 帧实体 f c s i 帧控制地址l 地址2 地址3 间i d 制 图2 3 m a c 帧格式 帧控制域是一个1 6 比特固定长度的域，包含解释帧头之后部分所需的信息， 帧控制域比较重要，通过对帧控制域的设置和读取可以确定帧的具体类型，是否 分段等一些重要的信息。下面，对帧控制域的一些关键段进行描述。图2 4 描述的 是帧控制域的格式。 y 协议 类型子类型 输入输出 多段重传功率更多 w e p 版本 d sd s 标记标记管理数据 标记 顺序 卜2 _ 卜2 - _ 卜一4 - 卜1 _ _ 一1 一1 * 一卜_ 一1 邺一1 叶卜一i 一1 叫 图2 4 帧控制域格式 1 ) 类型和子类型一起确定该帧的功能。主要有三种帧类型：控制、数据和管 理。每种帧类型又定义了几种子类型。详细的介绍在标准里有详细的说明。 第二章移动终端m a c 数据服务部分协议分析 1 l 2 ) 输入输出d s 两个比特有四种组合：0 0 表示从一个i b s s 中，从一个s t a 直接传输到另一个s t a 的所有的数据帧、管理帧以及控制帧。1 0 表示发往d s 的 数据帧，0 1 表示从d s 输出的数据帧。1 1 表示从一个a p 到另一个a p 。 3 ) 多段控制子域：表示当前帧是不是分段传输。 4 ) 重传子域：表示该帧是不是一个被传输过的帧的重传。 5 ) 顺序控制子域：如果任何一个数据类帧中包含有分段，并且正在使用严格 序列服务类发送该数据帧，那么该数据帧的顺序控制比特被设为1 。 以上是对几个重要的子域的说明。 2 3 4m a c 数据服务中重要的帧格式 1 ) 发送请求( i 盯s ) 帧格式 r t s 帧格式如图2 5 。 域字节数 2 2 6 64 接收地址发送地址 帧控制 持续时间f c s ( r a )( t a ) l m a c 头部 l 图2 5 发送请求帧( r t s ) 格式 r a 表示网络中的一个s t a 的地址，该s t a 为即将发送的定向数据帧或者定 向管理帧的紧邻接收方。帧中所有的地址都是m a c 地址。r t s 帧中发送的持续时 间信息是完成一次4 个帧交换( r t s ，c t s ，d a t a , a c k ) 过程的所需时间。 2 ) 允许发送( c t s ) 帧格式 c t s 帧格式如图2 6 。 域字节数 226 4 接收地址 帧控制持续时间 f c s ( r a ) 图2 6 c t s 帧格式 c t s 是刚刚收到的r t s 的响应帧，其r a 就是该r t s 帧中的发送方地址t a 的 1 2 c n g i 移动终端m a c 数据服务功能的研究与实现 拷贝。c t s 帧中的持续时间数值也是从刚刚接收到的那个r t s 中的持续时间域中 获得，也就是将收到的该r t s 帧中持续时间减去发送c t s 所需时间和一个s i f s 时间。 3 ) 应答认可帧( a c k ) 格式 a c k 帧格式如图2 7 。 域字节 接收地址 帧控制持续时间 f c s ( r a ) m a c 头部 图2 7 应答认可帧a c k 的格式 a c k 帧有两个作用：一个是对正确接收到的数据帧、管理帧等进行应答认 可，以通知发送方发送的帧已被正确接收，不需要重传；另一个是在分段突发传 送过程中，可以将持续时间信息通知给分段接受者的邻近s t a 。a c k 帧的r a 表示接收该帧的某个s t a 的m a c 地址。持续时间的设置根据是不是分段传输来 进行计算。 其它的帧格式不需要一一介绍了，在后续章节中，通过各种帧的数据结构可 以体现出来。 2 3 5 帧间间隔( i f s ) 帧与帧之间的时间间隔称为帧间间隔( i n t e r f r a m es p a c e ，i f s ) 。所有使用载波 侦听功能的s t a 只有在检测到信道空闲时间大于i f s 后，才能认为信道空闲。m a c 有4 中不同的i f s ，以提供对无线媒介访问的不同优先级从小到大列出如下。 1 ) s i f s ( 段帧间间隔) ：用于a c k 帧、c t s 帧和分段突发传输中的第2 个媒 介访问控制协议数据单元( m p d u ) 以及s t a 在无竞争期间( c f p ) 对集中协调 功能( p c f ) 轮询的应答。 2 ) p i f s ( 集中协调功能帧间间隔) ：p i f s 只能由工作于p c f 模式的s t a ，在 c f p 起始时间企图获得媒介访问控制权时使用。 3 ) d i f s ( 分布式协调功能帧间间隔) ：工作于d c f 模式的s t a 使用d i f s 来发 送数据帧( m p d u ) 和管理帧( m m p d u ) 。 第二章移动终端m a c 数据服务部分协议分析 1 3 4 ) e i f s ( 扩展帧间间隔) ：在d c f 模式下，当物理层指示未正确接收到含有 完整和正确f c s 的m a c 帧时，使用e i f s 。 不同的i f s 与s t a 的比特速率无关。i f s 定时应该定义为媒介上的时间缺口， 对每种物理层应该是固定的( 即使是支持多速率的物理层) 。i f s 的数值由物理层 属性决定。 2 3 6 基本访问方式 基本访问被视为s t a 用于决定是否可以发送的核心机制。 d c f 允许兼容的物理层之间通过使用c s m a i c a 和无线媒介忙条件下的随机 退避定时来自动进行媒介共享。c s m c a 协议设计用于减少多s t a 访问同一个 媒介时的碰撞概率，多个s t a 访问同一个媒介时很可能发生碰撞，媒介由“忙” 状态转为“闲”状态的瞬间是碰撞高发点，因为可能会有若干s t a 正在等待媒介 空闲。这时，需要随机退避机制解决争用碰撞的情况【15 l 。 载波侦听包括物理载波侦听机制和虚拟载波侦听机制。虚拟载波侦听机制通 过发布强制使用媒介的预留信息来实现。在实际数据帧之前，进行r t s 帧和c t s 帧交互是发布媒介预留信息的一种手段。r t s 和c t s 帧均包含一个d u r a t i o n i d 域。 该域定义媒介预留用于发送数据帧和返回a c k 帧的实际时间，所有在源s t a 或者 在目的s t a ( 将发送c t s 应答帧) 接收范围的s t a 将得知媒介的保留时间。所以， 即使s t a 不能从源s t a 接收到r t s ，也能够知道媒介将用于传输数据帧的持续时 间。 物理载波侦听检测机制由物理层提供。通过物理载波检测和虚拟载波检测策 略的结合，m a c 得以实现c s m a i c a 1 6 】的碰撞避免机制。 通常，一个s t a 可以在以下条件之一满足下发送一个将要发送的m p d u 。 1 ) 该s t a 在没有p c 的情况下，按照d c f 访问方式工作。 2 ) 该s t a 处在p c f 访问方式的竞争期间。 3 ) 该s t a 确定媒介空闲时间大于或者等于一个d i f s 。 4 ) 当该s t a 上一次收到的帧没有正确的f c s 后，该s t a 确定媒介空闲时间 不小于一个e i f s 。 1 4c n g i 移动