無線局域網(wǎng)MAC層訪問方式分析

王浩　贠永剛　張欣

摘 要 無線局域網(wǎng)的MAC子層的功能是為用戶提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)共享介質(zhì)訪問的公平機(jī)制。MAC子層有兩個主要的功能，分別是DCF（分布式協(xié)調(diào)功能）和PCF（點(diǎn)協(xié)調(diào)功能），主要介紹這兩種訪問方式。

關(guān)鍵詞 DCF PCF CSMA/CD

中圖分類號：TN925.93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

無線局域網(wǎng)采用的是廣播通信的方式，在這種通信方式下必然會引起的信道訪問沖突，因此必須解決多個用戶競爭信道使用權(quán)的這個問題，多個用戶競爭信道使用權(quán)也稱為多路復(fù)用信道或隨機(jī)訪問信道。這個問題的解決可以采用介質(zhì)訪問控制（MAC），它是將傳輸介質(zhì)的信道有效地分配給網(wǎng)絡(luò)的各站點(diǎn)用戶的方法。無線局域網(wǎng)中有兩種分配方式。

1分布式協(xié)調(diào)功能

它是最基本的無線局域網(wǎng)訪問方法。采用帶沖突避免的載波偵聽多址訪問（CSMA/CA）。應(yīng)用在所有的無線局域網(wǎng)站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置（IBSS，BSS和ESS）中。分布式協(xié)調(diào)功能通過使用CSMA/CA和隨機(jī)退避時間來實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的自動共享。在發(fā)送數(shù)據(jù)前，首先檢測介質(zhì)上是否有其他站點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)。最常用的就是載波檢測（CS），它分別在物理層和MAC層進(jìn)行檢測。物理層的檢測就是對天線接收的無線信號是否有效進(jìn)行檢測，若探測到是有效信號，表明當(dāng)前信道上有數(shù)據(jù)在傳送或者是接收，表明信道正在使用；反之表示信道空閑。這種方法稱為物理載波檢測。MAC層的檢測是由網(wǎng)絡(luò)分配矢量（NAV）的值來確定的，這里的NAV值是設(shè)備使用當(dāng)前介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束需要的時間（整個數(shù)據(jù)傳輸階段介質(zhì)的使用情況進(jìn)行預(yù)測），這些預(yù)測信息是由要發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)提供的。這個站點(diǎn)將它要傳輸數(shù)據(jù)所占用的時間通知其余的站點(diǎn)，告訴這些站點(diǎn)在這一段時間內(nèi)都不要使用信道發(fā)送數(shù)據(jù)從而避免了數(shù)據(jù)沖突。這種方式不是真正的檢測介質(zhì)，而是因?yàn)榻邮盏搅税l(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)通知而進(jìn)行的等待，所以稱為“虛擬”載波檢測。NAV是一個減1計(jì)數(shù)器，按固定速率遞減的形式表示了時間的流逝，當(dāng)NAV中的值減為0時，表示數(shù)據(jù)在介質(zhì)上已經(jīng)傳輸結(jié)束，虛擬載波檢測認(rèn)為信道“空閑”，不為0時，表明信道“忙”。物理載波檢測和虛擬載波檢測的值共同決定載波檢測的結(jié)果，當(dāng)兩種檢測方式都指示信道“空閑”，CS就認(rèn)為信道為“空閑”狀態(tài)。但是只要其中一種檢測方式檢測到信道為“忙”，那么CS結(jié)果就是“信道忙”，物理載波檢測考慮的是發(fā)送方，虛擬載波檢測考慮的是接收方。因此，IEEE802.11無線局域網(wǎng)的MAC層協(xié)議是同時從發(fā)送方和接收方來解決無線介質(zhì)上分組傳輸碰撞問題的。

其實(shí)在使用上述載波檢測也是有一定困難的，比如物理檢測中對于天線的信號是否有效設(shè)備自己是檢測不到的。虛擬載波中NAV中的值只能檢測出當(dāng)前信道的狀態(tài)，但是對于發(fā)送數(shù)據(jù)前的多個設(shè)備如何競爭信道也是無能為力的。所以CSMA/CA的本質(zhì)是用競爭時間片的方法來避免數(shù)據(jù)沖突。核心思想就是源站點(diǎn)必須檢測到當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)是空閑的，之后才能發(fā)送信息，如果有兩個或者更多的站點(diǎn)要使用網(wǎng)絡(luò)就會發(fā)生沖突，那么就在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送一個阻止信號用來通知所有的沖突站點(diǎn)，同步所有的沖突站點(diǎn)時鐘開啟用來競爭網(wǎng)絡(luò)的時間片稱為競爭時間片（contention time slice）。它一般是跟隨在阻止信號之后的，只比繞著當(dāng)前整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)路傳輸一遍的時間稍微長一點(diǎn)。這時，每個特點(diǎn)的站點(diǎn)都有一個競爭時間片，每個站點(diǎn)在相應(yīng)的時間內(nèi)如果有任何信息要發(fā)送就可以開始進(jìn)行傳輸。其他結(jié)點(diǎn)檢測到這個站點(diǎn)在進(jìn)行信息傳輸以后，時間片中的時間就停止，一直到傳輸結(jié)束以后，所有的結(jié)點(diǎn)才可以恢復(fù)時間片的運(yùn)行。當(dāng)所有的時間片都失去作用的時侯，網(wǎng)絡(luò)就進(jìn)入了空閑的狀態(tài)。為了保證公平性和可確定性，每次傳輸以后，時間片需要循環(huán)。另外，優(yōu)等級的時間片的運(yùn)行要優(yōu)先于普通時間片的運(yùn)行。另外，在CSMA/CA中除了采用硬件進(jìn)行沖突避免，也可以采用軟件的方法來實(shí)現(xiàn)。例如，可以發(fā)送空信息（使得時間片在沒有信息傳輸?shù)那闆r下仍然保持活動這樣一種狀態(tài)）。具體的實(shí)現(xiàn)方法是通過偵聽載波（查看無線傳輸介質(zhì)是否空閑）的同時使用隨機(jī)的等待時間、虛擬的感測載波，讓其他設(shè)備知道設(shè)么時候能夠進(jìn)行通信以防止數(shù)據(jù)沖突。這樣做的好處保證某一時刻只有一個站點(diǎn)使用信道，將沖突發(fā)生的概率減到最低保證了系統(tǒng)對所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集中控制。

2點(diǎn)協(xié)調(diào)功能

點(diǎn)協(xié)調(diào)功能通過輪詢機(jī)制在無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑试S自由沖突幀傳輸，只能用于BSS和ESS中。訪問的方法是使用運(yùn)行在基本服務(wù)集接入點(diǎn)上的點(diǎn)協(xié)調(diào)器（PC）來確定當(dāng)前是哪個工作站有使用信道的權(quán)利。PCF操作有時要用到額外的協(xié)調(diào)，以便于允許在大量的點(diǎn)協(xié)調(diào)器的BSS在重疊區(qū)域的信道上操作時能夠高效的運(yùn)行。PCF這種方法有利于保證已知的大數(shù)量的反應(yīng)時間，所以應(yīng)用程序要求使用服務(wù)質(zhì)量。

PCF和DCF一樣也使用虛擬載波監(jiān)聽機(jī)制在信道分發(fā)介質(zhì)使用的預(yù)測信息，不同的是這里的站點(diǎn)的NAV不是源站點(diǎn)提供的，而是點(diǎn)協(xié)調(diào)器用訪問優(yōu)先級機(jī)制統(tǒng)一設(shè)置的，而且PCF中傳輸?shù)膬蓚€幀之間使用得幀間間隔（IFS）比DCF功能中的間距IFS要小一點(diǎn)。使用小幀間間隔就可能提高點(diǎn)協(xié)調(diào)器對介質(zhì)訪問的優(yōu)先級。這種方式PCF可以用來創(chuàng)建沒有競爭（CF）的訪問方法。

3總結(jié)

介紹了無線局域網(wǎng)的傳輸方式和體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上重點(diǎn)對無線局域網(wǎng)的MAC子層協(xié)議的基本原理。分析了分布式協(xié)調(diào)功能DCF的工作原理，通過載波檢測，競爭時間，退避時間，幀間間隔等機(jī)制共同完成MAC層的協(xié)議內(nèi)容，解決了介質(zhì)沖突的問題。