4介质访问控制层

虚拟载波侦听由NAV实现
NAV是一个计时器，包含对媒介上将进行的通信的预测信息。 是一个计时器，包含对媒介上将进行的通信的预测信息。 是一个计时器 为零， 当NAV为零，表明媒介空闲。 为零 表明媒介空闲。 非零， 当NAV非零，表明媒介忙。 非零 表明媒介忙。
载波侦听用于确定媒介是否可用
物理载波侦听 虚拟载波侦听 任一机制报告媒介忙，则认为媒介忙，否则认为媒介空闲。 任一机制报告媒介忙，则认为媒介忙，否则认为媒介空闲。
优点
RTS和CTS长度很短，减小冲突的开销。 和 长度很短， 长度很短 减小冲突的开销。 避免隐藏终端问题 特别注意：RTS/CTS不能解决暴露终端问题 特别注意： 不能解决暴露终端问题
优先级——控制等待时间的参数 控制等待时间的参数 优先级
用不同的帧间隔来定义优先级
SIFS(Short IFS) PIFS(PCF IFS) DIFS(DCF IFS)
认证过程——开放系统认证 开放系统认证 认证过程
STA
AP Authentication request Authentication Response (success)
开放系统认证：等同于不需要认证，没有任何安全防护能力。 开放系统认证
认证过程——共享密钥认证 共享密钥认证 认证过程
RTS/CTS机制
RTS CTS DATA ACK
发 送 者 接 受 者
DIFS RTS SIFS DATA SIFS DIFS CTS SIFS ACK
竞争窗口
NAV(RTS) NAV(CTS) DATA
其 他 站
延迟访问
RTS/CTS机制 RTS/CTS机制 RTS/CTS机制
机制的使用是可选的(RTS门限 门限dot11RTSThreshold) 机制的使用是可选的 门限 每个802.11站点必须实现该功能 每个 站点必须实现该功能
退避机制
若检测到信道检测到信道忙, 退避计时器的 空闲，退避计退避计时器停 初始值从零到 DIFS 时器向后倒退 DIFS 当前竞争窗口 止计时 计时 中随机选择
A
DIFS
DIFS t 帧 t t
DIFS
帧 B
C
退避 帧 退避 帧 退避 帧 t t
D
E
图例
冻结剩余的退避时间
竞争窗口
当网络负载大时
802.11 MAC层 层 MAC 层通过协调功能来 解决站点共享信道的问题
Biblioteka Baidu
点协调功能 PCF (Point Coordination Function)
MAC 层
分布协调功能 DCF (Distributed Coordination Function) (CSMA/CA) 物理层
802.11 的 MAC 层 无竞争服务 （选用）
竞争窗口
DIFS
其 他 站 等待时间
如何解决隐藏终端问题
隐藏终端的原因 A 的通信范围 C 的通信范围
A
B
C
D
解决措施
通过虚拟载波侦听机制明确预留信道 在数据交换之前先进行RTS/CTS交换
虚拟载波侦听
虚拟载波侦听
发送方和接收方通过RTS和CTS帧将它要占用信道的时间通知给各 和 帧将它要占用信道的时间 发送方和接收方通过 帧将它要占用信道的时间通知给各 自覆盖范围内的站点，保护数据帧的交换顺利进行。 自覆盖范围内的站点，保护数据帧的交换顺利进行。 RTS、CTS帧中包含源地址、目的地址和持续时间。 、 帧中包含源地址、 帧中包含源地址 目的地址和持续时间。
集中控制轮询 时限服务
点协调功能 PCF (Point Coordination Function)
MAC 层
分布协调功能 DCF (Distributed Coordination Function) (CSMA/CA) 物理层
802.11 的 MAC 层 无竞争服务 （选用）
基于CSMA/CA的强制基本功能 基于竞争的分布式协调功能
802.11使用冲突避免 使用冲突避免(Collision Avoidance)功能。 功能。 使用冲突避免 功能 CSMA/CA
CS：carrier sense ： MA：multiple access ： 载波侦听 多址接入
CA：collision avoidance 冲突避免 ：
CSMA/CA协议 协议
802.11介质访问控制层 介质访问控制层
MAC层概述 层概述 DCF PCF WLAN工作过程 工作过程 帧格式
PCF
点协调功能（ 点协调功能（point coordination funcation)
可选的是现在DCF之上的接入服务 之上的接入服务 可选的是现在 与支持异步数据传输的DCF并存 并存 与支持异步数据传输的 需要一个集中的轮询站点 以循环的方式轮询所有配置成polling的站点 的站点 以循环的方式轮询所有配置成 被询问的站点利用SIFS返回响应 返回响应 被询问的站点利用 如果收到响应则发出另一个polling 如果收到响应则发出另一个 如果没有收到响应， 如果没有收到响应，则polling其他站 其他站
竞争服务 （必须实现）
点协调功能 PCF (Point Coordination Function)
MAC 层
分布协调功能 DCF (Distributed Coordination Function) (CSMA/CA) 物理层
802.11介质访问控制层 介质访问控制层
MAC层概述 层概述 DCF PCF WLAN工作过程 工作过程 帧格式
802.11介质访问控制层 介质访问控制层
MAC层概述 层概述 DCF PCF WLAN工作过程 工作过程 帧格式
用户接入管理过程
三步曲 STA 第一步：发现（Discovery） 第二步：认证（Authentication） 第三步：关联（Association） STA和建立关联的AP收发数据 AP
发现过程——被动扫描 被动扫描 发现过程
AP定期发送 定期发送Beacon帧 定期发送 帧
Beacon帧中包含该AP所属的BSS 的基本信息以及 AP 的基本能力 包括： 级，包括： BSSID（AP的MAC 地址） 支持的速率、 地址 ） 、 SSID、 支持的速率 、 支持的认证方式，加密算法、 B 支持的认证方式，加密算法、 帧发送间隔， eacons帧发送间隔 ， 使用的信道 等
数据 802.11
无线链路 无线链路不可靠
路径损耗 干扰 多径衰落
传输范围有限
隐藏终端问题 暴露终端问题
隐藏终端问题
A 的通信范围 C 的通信范围
A
B
C
D
A和C不能检测到对方信号的存在，造成发送冲突。 A和C互称隐藏终端
暴露终端问题
B的通信范围 C的通信范围
？
A C B D
C由于侦测到B的信号，误以为信道忙，导致不能发送 B和C互称暴露终端
当空闲时间≥ 当空闲时间 IFS，立即传输 ， 当介质忙，延迟直到当前传输结束＋ 当介质忙，延迟直到当前传输结束＋DIFS时间 时间 开始随机退避过程
使用退避过程延迟发送的目的在于 避免多个站点同时传输引起的冲突
退避(Backoff)过程 过程 退避
引入了一个退避计时器 开始随机后退过程，退避计时器 开始随机后退过程 退避计时器(backoff timer)的初始 退避计时器 的初始 值从零到当前竞争窗口中随机选择(0,CWindow)。 竞争窗口中随机选择 值从零到当前竞争窗口中随机选择 。 站点每经历一个时隙的时间就检测一次信道： 站点每经历一个时隙的时间就检测一次信道： 若检测到信道空闲 退避计时器就减一。 信道空闲， 若检测到信道空闲，退避计时器就减一。 若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间。 若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间。 信道忙 重新等待信道变为空闲， 重新等待信道变为空闲，从剩余时间开始继续倒计 时。 如果退避计时器时间减小到零，就开始发送整个帧。 如果退避计时器时间减小到零，就开始发送整个帧。
工作站在各个信道之间不断切换 并静候Beacon帧的到来。所有 帧的到来。 并静候 帧的到来 Beacon信息被暂存。 信息被暂存。 信息被暂存
发现过程——主动扫描 主动扫描 发现过程
Probe Request Probe Response STA AP
主动扫描： 报文， 主动扫描：在每个信道上发送Probe request报文，从Probe Respo 的基本信息， nse中获取BSS的基本信息， Probe Response包含的信息和Beacon 帧类似。 帧类似。
介质访问控制层
802.11介质访问控制层 介质访问控制层
主要内容
MAC层概述 层概述 DCF PCF WLAN工作过程 工作过程 帧格式
本章学习目标
掌握DCF核心机制 核心机制 掌握 了解PCF原理 原理 了解 掌握WLAN工作原理 工作原理 掌握
介质访问控制机制
WLAN需要接入控制机制来协调多个站点的数据发送（ WLAN需要接入控制机制来协调多个站点的数据发送（多址接入协 需要接入控制机制来协调多个站点的数据发送 议) 多个站点共享一条信道 数据发送是广播式的
CSMA/CA协议 协议
CSMA基本原理 基本原理 发送数据前先检测信道。 发送数据前先检测信道。 如果介质为空，则站点传输帧。 如果介质为空，则站点传输帧。 如果介质为忙，则延迟发送。 如果介质为忙，则延迟发送。 CD－ WLAN？ CD－》WLAN？ 多数射频是半双工的－ 边听边发成本太高。 多数射频是半双工的－》边听边发成本太高。 无线信号传输范围有限－ 并非所有站点都能够听见对方。 无线信号传输范围有限－》并非所有站点都能够听见对方。
PCF
超帧（ 超帧（super frame)
无竞争阶段（ 无竞争阶段（CFP） ） 竞争阶段（ ） 竞争阶段（CP）
PCF
CFP重复间隔不变，允许DCF超出 ，CFP缩短。超帧被推迟的最长时 重复间隔不变，允许 超出CP， 缩短。 重复间隔不变 超出 缩短 间为： 间为：Max Beacon Delay = TMaxMPDU+SIFS+TACK CFP结束 结束 Polling List中的节点均被轮询完毕； 中的节点均被轮询完毕； 中的节点均被轮询完毕 CFP内已没有足够时间使下一个被轮询的节点传输一个最小长度的 内已没有足够时间使下一个被轮询的节点传输一个最小长度的 MPDU。 。
竞争窗口越小，站点选择的随机值越接近。 竞争窗口越小，站点选择的随机值越接近。
当网络负载轻时
竞争窗口越大，站点等待时间越长。 竞争窗口越大，站点等待时间越长。
IEEE 802.11 DCF 竞争窗口根据冲突发生的情况动态自适应调整 提高信道的利用率
竞争窗口
二进制指数退避算法： 竞争窗口在发生冲突时加倍直到达到最大值。 当发送成功，竞争窗口恢复为最小值 Backoff Time = Random[0,CW] × aSlotTime
用确认帧保证数据的可靠性
CSMA/CA + ACK
接收方在CRC正确时立即返回 正确时立即返回ACK 接收方在 正确时立即返回 没有收到ACK在等待 在等待ACK超时的时间后即确认本次发送失败 没有收到 在等待 超时的时间后即确认本次发送失败
DATA
ACK
发 送 者 接 受 者
SIFS ACK DIFS DATA
如何应付无线链路高比特出错率？ 如何应付无线链路高比特出错率？
DCF核心机制 核心机制
物理载波侦听－ 物理载波侦听－》检测信道忙闲 虚拟载波侦听－ 虚拟载波侦听－》检测信道忙闲 ACK应答－ ACK应答－》保证可靠性 应答 RTS/CTS机制RTS/CTS机制-》解决隐藏终端问题 机制 退避机制、优先级机制－》减低冲突概率 退避机制、优先级机制－ 分组分段分组分段-》在噪声干扰大的地区把分组分成小帧传送 以降低重传成本
PCF
所有传输以SIFS加以隔离。 加以隔离。 所有传输以 加以隔离 接入点在介质为空PIFS之后轮询各个站 接入点在介质为空 之后轮询各个站
PIFS<DIFS确保 拥有介质访问优先权 确保AP拥有介质访问优先权 确保
如果经过一段PIFS未得到回复，PC就会收回信道控制权，继续 未得到回复， 就会收回信道控制权 就会收回信道控制权， 如果经过一段 未得到回复 询问列表中的下一个工作站。 询问列表中的下一个工作站。 确认信息、轮询及数据传送组合在一起提高信道利用率。 确认信息、轮询及数据传送组合在一起提高信道利用率。