無線局域網絡特性的分析

李龍鎮

（延邊大學工學院，吉林延吉，133002）

0 引言

自從手機連接到WIFI 以來，無線局域網得到了廣泛的應用，比如QQ 和微信等都可通過路由器連接互聯網,且微信支付等各種支付方式已經深入到人們的日常生活當中。但無線局域網的傳輸請求RTS(Request To Send)以及清除請求CTS(Clear To Send)對無線網絡的傳輸性能尤其是對平均延遲時間的影響，卻需要深入研究。

本文在分析無線局域網絡的介質控制協議基礎之上，利用OPNET[1][2]網絡仿真軟件對無線局域網的平均延遲時間進行了詳細的分析，導出傳輸請求RTS 和清除請求CTS 以及分包(Fragmentation)對無線局域網絡的平均延遲時間以及網絡平均吞吐率的影響。

1 無線局域網802.11 介質訪問控制協議

1.1 以太網802.3 介質訪問控制協議

介質訪問控制協議[3]就是任何給網絡上多個站點分配信道的協議，以太網介質訪問控制協議從上世紀70 年代美國夏威夷大學提出的純ALOHA 協議開始，逐步發展為分隙ALOHA，持續和非持續的載波偵聽多路訪問協議CSMA，以及最終發展為有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協議CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)，并最終成為IEEE 802.3 以太網介質訪問控制協議的國際標準。

CSMA/CD 介質訪問控制協議的基本原理是：以太網上任意站點在發送數據之前，先偵聽以太網是否是空閑，如果是就發送數據。發送數據過程中保持監聽信道，如果發現沖突，即信道的數據和自己發送的數據不同，則立刻停止發送，并等待一個隨機時間后，繼續監聽信道，等待信道空閑。

1.2 無線局域網802.11 介質訪問控制協議

無線局域網是指采用電磁波為傳輸介質的計算機局域網絡，最初實現于美國夏威夷大學，由于夏威夷的多島嶼地形，因此只能采用無線局域網。由此介質訪問控制協議從純ALOHA 開始發展到CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)，無線局域網使站點具有可移動性，可快速實現架構有線局域網所遇到的地理困境問題，無線局域網有若干個特點：具有移動方便的特點，擴展能力強，建網方便，管理容易，組網速度快，不受自然環境、地形及災害的影響，手機、平板電腦的發展使對無線局域網特性的研究變得更加迫切。

正因為無線局域網采用電磁波作為傳輸介質，因此有其自身的獨特性質。和有線局域網比較主要問題聚焦在介質訪問控制協議中的發送請求RTS 和CTS 清除請求問題上。如圖1 所示，如果站點A 發送功率只能到達接入點AP 上，而不能直接到達站點B 上，就有可能引起沖突。因為A 站點和B 站點有可能發現信道為空，可能都發送數據，導致在接入點AP 信號發生沖突，而A 站點和B 站點卻不為所知，即有可能導致隱藏站點和暴露站點問題。為了避免這種情況發生，802.11 介質訪問控制協議規定每個無線站點發送數據之前，先發送一個RTS 短幀，接收方收到這個短幀后就回應一個CTS 短幀，以通知其它隱藏站點正在進行數據通信。

802.11 協議有很多實現方式，包括802.11a、802.11b、802.11g 等。本文針對802.11g 協議實現一個無線局域網絡模型，通過仿真來分析RTS 幀和CTS 幀對無線局域網的通信平均延遲時間及網絡平均吞吐率的影響，以及分包(Fragmentation)對無線局域網絡的平均延遲時間以及網絡平均吞吐率的影響。

圖1 無線局域網站點模擬圖

2 利用OPNET 網絡仿真軟件進行仿真分析

用于仿真的無線局域網拓撲結構如圖2 所示，為了能夠突出顯示延遲時間的差異，采用了50 個移動站點通過接入點及交換機連接到服務器。 其中移動站點的模型為：wlan_station_adv，工作模式為：802.11g,數據傳輸速率為：54Mbps，傳輸功率為：0.005 瓦。接入點的模型為：wlan_ethernet_slip4_adv，工作模式為：802.11g，數據傳輸速率為：54Mbps，傳輸功率為0.005 瓦。交換機模型為：Bay Networks Accelar1050_1s_ae12_ge1，服務器的模型為：ethernet_server，無線網絡的范圍為100 平方米，整個無線局域網仿真用重負載FTP 進行仿真測試。

圖2 無線局域網絡拓撲結構

3 仿真結果分析

3.1 有無RTS 和CTS 對平均延遲時間和平均吞吐率的影響分析

從理論上分析，由于傳輸請求RTS 和清除請求CTS 需要額外的數據量，因此勢必要影響平均延遲時間和平均吞吐率。圖3 是用OPNET 仿真軟件對平均延遲時間仿真的結果，在仿真過程中，我們設定RTS 的門限為1024 個字節，從圖中可以看出在50 個無線站點的情況下，平均延遲時間大約為0.2 毫秒，基本上不影響正常的網絡通信，如果站點數更少的話，平均延遲時間將會變得更小。圖4 是傳輸請求RTS 和清除請求CTS 對無線局域網的平均吞吐率的仿真結果，以RTS 門限為1024 個字節，和無傳輸請求RTS 和清除請求CTS 相比較。從圖中可以看出，傳輸請求RTS 和清除請求CTS 幾乎對系統平均吞吐率沒有影響。

圖3 RTS 和CTS 對平均延遲時間影響的仿真結果

3.2 分包對平均延遲時間和平均吞吐率的影響分析

分包(Fragmentation)主要用于防止某個站點發送或接受的分組大小過大導致其它站點無法占用通信通道用于通信，所以分包勢必要影響無線局域網的平均延遲時間。圖5 是OPNET 仿真軟件用于分包對平均延遲時間的影響的仿真結果圖。設計時設定分包大小為1024 個字節，并采用傳輸請求RTS 和清除請求CTS 機制，從仿真結果圖可以看出，分包對平均延遲時間的影響稍微大于0.2 毫秒，基本上不影響無線局域網的數據通信。圖6 是分包對無線局域網的平均吞吐率的仿真結果，采用分包大小為1024 個字節，從仿真結果圖中可以看出，分包對系統的平均吞吐率幾乎沒有什么影響。

圖4 RTS 和CTS 對平均吞吐率影響的仿真結果

圖5 分包對平均延遲時間影響的仿真結果

圖6 分包對平均吞吐率影響的仿真結果

4 結論

本文通過利用OPNET 仿真軟件對無線局域網進行了仿真分析，主要研究傳輸請求RTS 和清除請求CTS 對無線局域網的平均延遲時間和平均吞吐率的影響，以及分包(Fragmentation)對無線局域網的平均延遲時間和平均吞吐率的影響，無線網絡采用了50 個站點，仿真結果表明傳輸請求RTS 和清除請求CTS 對無線局域網的平均延遲時間以及平均吞吐率的影響很小，分包(Fragmentation)對無線局域網的平均延遲時間和平均吞吐率的影響也很小，如果無線局域網中的接入點以及各個站點的發送功率足夠大，可不采用傳輸請求RTS 和清除請求CTS 協議，能夠稍微提高無線局域網的傳輸效率，無線局域網特性的研究范圍內容很廣，有待于以后更加深入的分析和探討。