WLAN的媒體訪問層

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對網(wǎng)絡(luò)通信的需求不斷提高，無線局域網(wǎng)（WLAN）作為計算機網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，利用無線多址信道的一種有效方法來支持計算機之間的通信，并讓通信的移動化、個性化和多媒體應(yīng)用得以實現(xiàn)。

媒體訪問控制（MAC）作為局域網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,完全決定局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能（諸如吞吐性能與遲延性能）等等。而無線局域網(wǎng)（WLAN）由于其傳輸介質(zhì)以及移動性等特點，采用與有線局域網(wǎng)有所區(qū)別的MAC協(xié)議。

1OSI七層協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）內(nèi)LLC層和MAC層

OSI將網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議體系區(qū)分為7個層，體系的最底層稱為物理層，網(wǎng)絡(luò)所采用的不同的傳輸介質(zhì)，對應(yīng)不同的物理層，如雙絞線或同軸線。體系內(nèi)第二層為數(shù)據(jù)鏈路層（DatalinkSub-layer）,數(shù)據(jù)鏈路層的上半部為LLC(LogicalLinkControlSub-layer)邏輯鏈路控制子層，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)正確的發(fā)送到物理層，在數(shù)據(jù)鏈路層的下半部為MAC(MediaAccessControl)子層，負(fù)責(zé)控制與連接物理層的物理介質(zhì)。

當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，MAC層要完成以下任務(wù)：首先它按規(guī)則從LLC層接收數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行媒體訪問規(guī)程，查看網(wǎng)絡(luò)是否可以發(fā)送；一旦網(wǎng)絡(luò)可以發(fā)送，它將給數(shù)據(jù)附加上一些控制信息，把數(shù)據(jù)及控制信息以規(guī)定的格式（一般稱做幀）送往物理層。

當(dāng)接收數(shù)據(jù)時，MAC層要完成以下任務(wù)：首先它從物理層接收到數(shù)據(jù)幀并檢查數(shù)據(jù)幀中的控制信息，從而判斷是否發(fā)生傳輸錯誤。如數(shù)據(jù)正確，則去掉控制信息后把其送至LLC層。圖1MAC發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖2MAC接收數(shù)據(jù)流程2傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)(LAN)的MAC協(xié)議

在網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，各種傳輸介質(zhì)的物理層對應(yīng)到相對的MAC層，例如以同軸線為傳輸介質(zhì)時，對應(yīng)的MAC層標(biāo)準(zhǔn)為802.14,各個計算機連接成環(huán)狀時，對應(yīng)MAC標(biāo)準(zhǔn)為802.5。目前，最普及的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)稱為以太網(wǎng)，其在MAC層定義為802.3。802.3的MAC層定義對傳輸介質(zhì)的訪問控制方式為CSMA/CD。

圖3不同傳輸介質(zhì)的物理層對應(yīng)的MAC層2．1CSMA/CD媒體訪問控制協(xié)議由于以太網(wǎng)（Ethernet）成為現(xiàn)存局域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的絕大多形式，CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）載波監(jiān)測多址接入?yún)f(xié)議也成為局域網(wǎng)采用最多的MAC協(xié)議。CSMA/CD適宜于總線型局域網(wǎng)拓樸結(jié)構(gòu)的隨機競爭型媒體訪問控制。總線型網(wǎng)絡(luò)允許同一時刻只有一個節(jié)點（Node）發(fā)送數(shù)據(jù)，一旦兩個或以上節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，則會發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞，數(shù)據(jù)不能正常發(fā)送和接收。CSMA/CD協(xié)議就是盡可能保證網(wǎng)絡(luò)上同時只有一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，減小數(shù)據(jù)“碰撞”概率。CSMA/CD工作過程：當(dāng)MAC收到LLC（LogicalLinkControlSub-Layer）發(fā)來的數(shù)據(jù)以后，首先監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)電纜上是否具有數(shù)據(jù)，即載波傳送。如果網(wǎng)絡(luò)空閑，即沒有載波傳送，剛將數(shù)據(jù)裝幀，經(jīng)物理層發(fā)送出去。如果網(wǎng)絡(luò)繁忙，則監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)直到網(wǎng)絡(luò)空閑，再將數(shù)據(jù)裝幀發(fā)送。2.2IEEE802.3MAC幀格式MAC層在發(fā)送數(shù)據(jù)時將數(shù)據(jù)裝幀交物理層發(fā)送，圖4繪出了IEEE802.3MAC幀格式。PreambleSFDDestSourceLengthDataFCS62b2b6B6B2B46B~1500B4B圖4IEEE802.3幀結(jié)構(gòu)Preamble:前導(dǎo)序列。由62比特交替出現(xiàn)的“0”“1”序列組成。設(shè)置目的：接收端物理層同步位時鐘。SFD:起始域?！?1”表示有用數(shù)據(jù)開始。Dest:目的地址域。由6字節(jié)組成。表目的節(jié)點地址。Sourse:源地址域。由6字節(jié)組成。表源節(jié)點地址。Length:長度域。由2字節(jié)組成。表數(shù)據(jù)域長度。Data:數(shù)據(jù)域。46字節(jié)~1500字節(jié)之間。FCS：校驗域。4字節(jié)組成。2.3CSMA/CD為基礎(chǔ)的MAC發(fā)展方向隨著10BASE-T和10BASE-FL等技術(shù)的出現(xiàn)，IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)局域網(wǎng)拓樸結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始由總線型結(jié)構(gòu)向樹型結(jié)構(gòu)發(fā)展。因此，CSMA/CD為基礎(chǔ)的MAC子層也需要被修改以適應(yīng)雙工工作模式局域網(wǎng)的發(fā)展。3無線局域網(wǎng)（WLAN）的MAC網(wǎng)絡(luò)工作方式無線局域網(wǎng)（WLAN）中MAC所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.11，IEEE802.11MAC綜合了兩種工作方式:分布控制(DCF)和中心控制(PCF)兩種工作方式：1.分布控制方式(DCF)，類似CDMA/CD，利用載波監(jiān)聽機制，適用于分布式網(wǎng)絡(luò)，傳輸具有突發(fā)性和隨機性的普通分組數(shù)據(jù),支持無競爭型實時業(yè)務(wù)及競爭型非實時業(yè)務(wù)。2.中心控制方式(PCF)，建立在DCF工作方式之上并且僅支持競爭型非實時業(yè)務(wù),適用于具備中央控制器的網(wǎng)絡(luò)。3.1分布控制方式(DCF)DCF機制是MAC層中最基本的媒體接入控制機制。DCF機制基于CSMA/CA(CSMA/CollisionAvoidance載波監(jiān)聽多址接入/碰撞避免),并以RTS/CTS消息交換機制作為輔助的介質(zhì)訪問方式3.1.1CSMA/CA協(xié)議CSMA作為隨機競爭類MAC協(xié)議，算法簡單而且性能豐富，所以在實際局域網(wǎng)的使用中得到了廣泛的應(yīng)用。但是在無線局域網(wǎng)中，由于無線傳輸媒體固有的特性及移動性的影響，無線局域網(wǎng)的MAC在差錯控制、解決隱藏終端等方面存在應(yīng)有別于有線局域網(wǎng)。因此WLAN與有線局域網(wǎng)所采用的CSMA具備一定的差異。WLAN采用CSMA/CA（CSMA/CollisionAvoidance）協(xié)議，其與CSMA/CD最大的不同點在于其采取避免沖突工作方式。與CSMA/CD不同，WLAN媒體訪問控制(MAC)層采用的CSMA/CA（CSMA/CollisionAvoidance）協(xié)議，由于在RF傳輸網(wǎng)絡(luò)中沖突檢測比較困難，所以該協(xié)議用避免沖突檢測代替802.3協(xié)議使用的沖突檢測，采用沖突避免機制盡量減小沖突碰撞發(fā)生的概率，以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐性能與遲延性能。協(xié)議使用信道空閑評估(CCA)算法來決定信道是否空閑，通過測試天線能量和決定接收信號強度RSSI來完成。并且使用RTS、CTS和ACK幀減少沖突。數(shù)據(jù)加密與普通局域網(wǎng)的等同加密(WEP)算法一樣，使用64位密鑰和RC4加密算法。3.1.2CSMA/CA工作過程：圖5帶RTS/CTS的DCF機制工作過程當(dāng)發(fā)射端希望發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先檢測介質(zhì)是否空閑，若是介質(zhì)為空閑時，送出RTS（RequestToSend請求發(fā)送），RTS信號包括發(fā)射端的地址、接收端的地址、下一筆數(shù)據(jù)將持續(xù)發(fā)送的時間等信息，接收端收到RTS信號后，將響應(yīng)短信號CTS(ClearToSend)，CTS信號上也RTS內(nèi)記錄的持續(xù)發(fā)送的時間，當(dāng)發(fā)射端收到CTS包后，隨即開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，如圖5所示，接收端收到數(shù)據(jù)包后，將以包內(nèi)的CRC(CyclicRedundancyCheck，循環(huán)冗余校驗)的數(shù)值來檢驗包數(shù)據(jù)是否正確，若是檢驗結(jié)果正確時，接收端將響應(yīng)ACK包，告知發(fā)射端數(shù)據(jù)已經(jīng)被成功地接收。當(dāng)發(fā)射端沒有收到接收端的ACK包時，將認(rèn)為包在傳輸過程中丟失，而一直重新發(fā)送包。3.1.3CSMA/CA與CSMA/CD的區(qū)別1.載波檢測方式：因傳輸介質(zhì)不同，CSMA/CD與CSMA/CA的檢測方式也不同。CSMA/CD通過電纜中電壓的變化來檢測，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞時，電纜中的電壓就會隨著發(fā)生變化；而CSMA/CA采用能量檢測(ED)、載波檢測(CS)和能量載波混合檢測三種檢測信道空閑的方式。2.信道利用率比較：CSMA/CS協(xié)議信道利用率低于CSMA/CD協(xié)議信道利用率。但是由于無線傳輸?shù)奶匦裕跓o線局域網(wǎng)不能采用有線局域網(wǎng)的CSMA/CD協(xié)議。信道利用率受傳輸距離和空曠程度的影響，當(dāng)距離遠(yuǎn)或者有障礙物影響時會存在隱藏終端問題，降低信道利用率。具體最高的信道利用率與傳輸速率有關(guān)。在IEEE802.11ｂ無線局域網(wǎng)中，在1Mbit/s速率時最高信道利用率可到90％，而在11Mbit/s時最高信道利用率只有65％左右。虛擬介質(zhì)檢測機制(VCS)在802.11標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，所有接收到RTS與CTS信號的無線設(shè)備，都將采用虛擬介質(zhì)檢測（VirtualCarrierSense）機制，設(shè)置NAV(NetworkAllocationVector，網(wǎng)絡(luò)分配矢量)，并使用在RTS和CTS中包含的duration字段信息來設(shè)置MAC參數(shù)NAV，duration字段指明了源和目的主機為傳輸數(shù)據(jù)將要占用信道的時間長度。當(dāng)物理層內(nèi)的NAV指針打開時，設(shè)備將認(rèn)為此時的物理介質(zhì)正為其他設(shè)備所占用而停止發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。NAV的值隨著時間推移不斷減小，在NAV值減到零之前，主機不會發(fā)起傳輸嘗試。虛擬介質(zhì)檢測（VCS）機制設(shè)置使其它主機預(yù)先知道信道中正在進(jìn)行的傳輸情況，從而有效提高了數(shù)據(jù)幀成功傳輸?shù)母怕省５荲CS機制增加了RTS和CTS的開銷，降低了有效數(shù)據(jù)傳輸速率。NAV的設(shè)計有助于解決無線局域網(wǎng)內(nèi)隱藏節(jié)點的問題。3.2中心控制方式(PCF)PCF(PointCoordinationFunction)機制基于輪詢機制，可以用于支持無競爭型實時業(yè)務(wù)。3.2.1PCF工作過程：希望發(fā)送數(shù)據(jù)的主機首先向AP（AcessPoint）發(fā)送AssociationRequest（連接請求）幀，并在幀的功能性能字段的CF-Pollable(可輪詢CF)子字段中表明希望加入輪詢表。在收到AP的ACK信息以后，主機被列入輪詢列表。輪詢列表中的主機按連接標(biāo)識(AssociationID:AID)升序排列。AID是由AP主機分配的16bit標(biāo)識符。AP發(fā)出Beacon幀表明CFP期間的開始。然后AP依次向輪詢列表中的主機發(fā)出Poll幀給AP，或發(fā)送Data幀給其它非AP主機；如果在PIFS時間間隔內(nèi)沒有響應(yīng)，則表明主機無數(shù)據(jù)要發(fā)，AP繼續(xù)發(fā)出下一個Poll幀。輪詢中特殊情況：在一個CFP期間，如果輪詢列表中的主機沒有輪詢完，那么在下次CFP期間將從未輪詢主機開始輪詢；如果輪詢列表中的主機已經(jīng)輪詢完，還剩有一段時間，AP將隨機選擇主機發(fā)出輪詢幀。輪詢結(jié)束過程：AP發(fā)出End幀，表明CFP期間的結(jié)束，CP期間的開始。下圖為PCF中幀傳輸?shù)囊粋€例子：圖6PCF中幀傳輸?shù)囊粋€例子4結(jié)論與前景：IEEE802.11的MAC主要有兩種工作方式：DCF和PCF。DCF是以分布式控制方式實現(xiàn)介質(zhì)訪問控制，以CSMA/CA為主(DATA-ACK兩次握手的過程)，以RTS/CTS消息交換機制為輔(RTS-CTS-DATA-ACK四次握手的過程)。PCF是靠網(wǎng)絡(luò)中心控制站(AP)實現(xiàn)中心控制方式。由于無線環(huán)境難以檢測到?jīng)_突，IEEE802.11的沖突檢測由物理層的載波沖突檢測和媒體訪問控制層(MAC)的虛擬載波監(jiān)