無線局域網(wǎng)MAC層協(xié)議技術(shù)及退避算法

彭璟云　彭藝　常虹

摘要：無線局域網(wǎng)是使用最廣泛的通信技術(shù)之一，不需要鋪設(shè)線纜，具有可移動(dòng)性。通過分析MAC層協(xié)議技術(shù)對(duì)無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸效率的影響，探討提高無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸效率的途徑。闡述了MAC層協(xié)議技術(shù)和退避算法，包括MAC層的組成結(jié)構(gòu)、協(xié)議內(nèi)容以及DFC和CSMA/CA協(xié)議的工作原理。通過對(duì)傳統(tǒng)退避算法進(jìn)行改進(jìn)，提高了無線局域網(wǎng)的信道利用效率，進(jìn)而提升了數(shù)據(jù)傳輸速率。MAC層協(xié)議技術(shù)對(duì)無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸效率有直接影響，通過對(duì)其碰撞檢測和退避算法進(jìn)行優(yōu)化，能有效提升無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。

關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng)；MAC層；DCF協(xié)議技術(shù)；CSMA/CA協(xié)議技術(shù)；退避算法

DOIDOI：10.11907/rjdk.172478

中圖分類號(hào)：TP312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2018）003008403

英文摘要Abstract：Wireless LAN is one of the most widely used communication technologies in life， without the need for laying cables， with mobility. The purpose of this paper is to analyze the influence of MAC layer protocol technology on the data transmission efficiency of wireless LAN， and to explore the feasible way to improve the data transmission efficiency of wireless LAN. Methods： Emphasis is placed on the MAC layer protocol and backoff algorithms， including the composition of the MAC layer， the contents of the protocol， and the working principle of the DFC and CSMA/CA protocols. Results： By improving the traditional backoff algorithm， the channel utilization efficiency of wireless LAN is improved， and the data transmission rate is improved. Conclusion： MAC layer protocol technology has a direct impact on the data transmission efficiency of wireless LAN. By optimizing its collision detection and backoff algorithm， the data transmission efficiency of wireless LAN is improved effectively.

英文關(guān)鍵詞Key Words：wireless LAN； MAC layer； DCF protocol technology； CSMA/CA protocol technology； backoff algorithm

0引言

無線局域網(wǎng)是以無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)建立的小范圍計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，可接入手機(jī)、打印機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，應(yīng)用廣泛。無線局域網(wǎng)的覆蓋范圍一般在幾十到二三百米之間，可通過功率放大器增加其覆蓋范圍。MAC層協(xié)議是無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，提供訪問控制功能，通過載波監(jiān)聽和碰撞檢測功能為數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量提供保障。

1無線局域網(wǎng)組成結(jié)構(gòu)及協(xié)議體系

1.1無線局域網(wǎng)組成結(jié)構(gòu)

無線局域網(wǎng)通過紅外線或無線電波等傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)局域數(shù)據(jù)信息傳輸，其組成結(jié)構(gòu)主要分為單小區(qū)（BSA）、多小區(qū)（ESA）兩種形式。連接到局域網(wǎng)中的設(shè)備是組成局域網(wǎng)的站，除了AP站外，其它為用戶站，包括計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、打印機(jī)等。按其移動(dòng)性可將各種站劃分為3類：①移動(dòng)站，經(jīng)常在移動(dòng)中處于開機(jī)使用狀態(tài)的設(shè)備；②半移動(dòng)站，經(jīng)常處于移動(dòng)狀態(tài)，但不在移動(dòng)中使用的設(shè)備；③固定站，在固定地點(diǎn)使用的設(shè)備。各種設(shè)備通過無線接入點(diǎn)AP站接入無線局域網(wǎng)中，組成無線局域網(wǎng)環(huán)境。單小區(qū)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)基本服務(wù)區(qū)，組成基本服務(wù)集（BSS），多個(gè)BSA則構(gòu)成擴(kuò)展服務(wù)區(qū)（ESA），ESA組成擴(kuò)展服務(wù)集（ESS）[1]。

1.2傳輸媒體及協(xié)議體系

目前國內(nèi)使用的無線局域網(wǎng)協(xié)議體系是IEEE802.11系列協(xié)議，主要對(duì)MAC層和PHY層進(jìn)行控制。PHY即無線局域網(wǎng)的物理通信層，該層協(xié)議支持兩種無線媒體，分別是紅外線媒體和無線電波媒體。紅外線媒體只支持視距傳播，穿透力差，但使用紅外線傳輸不需要獲得無線電管理部門許可。紅外線傳輸媒體分為DF/IR和DB/IR兩種方式。DF/IR即散射波束紅外線，采用多個(gè)發(fā)光管作為發(fā)射器，多個(gè)檢測管作為接收器，覆蓋范圍為不定向的圓形區(qū)域。DB/IR即指向波束紅外線，一般為點(diǎn)到點(diǎn)的通信信號(hào)中繼使用，其中繼距離可達(dá)50m。無線電波媒體則分為窄帶調(diào)制方式和擴(kuò)展頻譜方式。采用窄帶調(diào)制方式的傳輸速率可達(dá)10Mb/s，傳輸距離100m。擴(kuò)展頻譜方式分為DS、FH、TH及混合擴(kuò)展頻譜等多種方式。IEEE802.11協(xié)議體系推薦2.4GHz的ISM波段，并對(duì)DS和FH擴(kuò)展頻譜方式進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定[2]。

2無線局域網(wǎng)MAC層協(xié)議技術(shù)

2.1MAC幀

信息數(shù)據(jù)在無線局域網(wǎng)的MAC層以MAC幀的方式進(jìn)行傳輸。在IEEE802.11協(xié)議體系中定義了MAC幀的結(jié)構(gòu)形式，將MAC幀分為3種類型，分別是數(shù)據(jù)信息幀、管理信息幀和控制信息幀。MAC幀的主體結(jié)構(gòu)由幀適配頭、幀體信息和幀校驗(yàn)序列組成，支持MAC層的無線媒體訪問控制、網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)驗(yàn)證、保密功能。在幀控制字段中，記錄發(fā)送控制信息。序列控制字段記載分段號(hào)信息，在數(shù)據(jù)接收時(shí)可以根據(jù)該字段信息判斷MAC幀是否重復(fù)。幀體字段是所要發(fā)送的信息，長度可變，如果不需要發(fā)送信息，長度可以為0[3]。不同的MAC幀具有不同的格式和作用，具體如下：

（1）MAC數(shù)據(jù)信息幀，向工作站傳輸信息數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)信息幀的主要工作，在傳輸過程中其地址域主要依賴于From DS與To DS數(shù)據(jù)位的具體值。通常情況下，Add1能夠始終保持接受信息幀的狀態(tài)，而Add2則始終保持發(fā)送數(shù)據(jù)幀的狀態(tài)。

（2）MAC管理信息幀，以競爭時(shí)期為例，設(shè)置管理信息幀的時(shí)間，其內(nèi)容為：①當(dāng)目標(biāo)地址為廣播或者組播地址時(shí)，時(shí)間段設(shè)為0；②目標(biāo)為獨(dú)立地址時(shí)，持續(xù)時(shí)間應(yīng)等于發(fā)送短幀與響應(yīng)的時(shí)間之和[4]；③當(dāng)更多的分段值為1、且目標(biāo)是單獨(dú)地址時(shí)，發(fā)送字段值應(yīng)等于下一段ACK值與3個(gè)短幀的和。

（3）MAC控制信息幀，建立認(rèn)證及通訊以后，MAC控制信息幀是數(shù)據(jù)信息幀的輔助，主要包括RTS控制幀、CTS控制幀、ACK控制幀、PSPoll控制幀、CFEnd控制幀以及CFEnd+CFACK控制幀6種類型[5]。

2.2DCF協(xié)議技術(shù)

在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中，DCF是無線局域網(wǎng)的訪問點(diǎn)與工作站之間的共享控制協(xié)議，類似于以太網(wǎng)中的CSMA/CD/MAC協(xié)議。IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中DCF運(yùn)用碰撞避免功能，能夠偵聽到多地址接入情況。MAC控制機(jī)制運(yùn)用保留在持續(xù)時(shí)間段中的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)多址的虛擬檢測，同時(shí)將信息傳遞給工作站。MAC在工作狀態(tài)相當(dāng)于一個(gè)時(shí)間計(jì)數(shù)器，將開始值作為發(fā)送幀的字段值，最后倒計(jì)時(shí)為0，同時(shí)，PHY的偵聽信道中不含有載波，從而實(shí)現(xiàn)MAC幀的發(fā)送[6]。

CSMA協(xié)議稱為多址接入?yún)f(xié)議，是一種比較隨機(jī)的競爭協(xié)議，分為以下幾種類型：①1堅(jiān)持式CSMA。如果一個(gè)站要求發(fā)送數(shù)據(jù)幀，此時(shí)便會(huì)檢測、啟動(dòng)信道，在信道空閑的狀態(tài)下完成數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。如果信道忙碌，便會(huì)堅(jiān)持發(fā)送請(qǐng)求，直至信道空閑；②P堅(jiān)持式CSMA。此種協(xié)議與1堅(jiān)持式CSMA的不同之處在于檢測信道的空閑程度，以概率P為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)概率符合發(fā)送條件時(shí)完成發(fā)送請(qǐng)求，而不符合時(shí)同樣會(huì)堅(jiān)持到符合為止[7]；③非堅(jiān)持式CSMA。與1堅(jiān)持式CSMA相比，差別在于當(dāng)信道處于忙碌狀態(tài)時(shí)，發(fā)送請(qǐng)求會(huì)退回而不是堅(jiān)持等待，然后隨機(jī)選擇時(shí)間完成發(fā)送。在非堅(jiān)持CSMA協(xié)議中，如果有多個(gè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，便會(huì)同時(shí)退回。由于站的選擇使得發(fā)送時(shí)間不同，因此最早發(fā)現(xiàn)信道空閑的數(shù)據(jù)幀能夠優(yōu)先完成發(fā)送，避免了數(shù)據(jù)幀發(fā)生碰撞。需要說明的是，如果非堅(jiān)持CSMA的總業(yè)務(wù)量較大，吞吐量就會(huì)提高，就會(huì)依靠犧牲數(shù)據(jù)幀的方式換來傳輸量的提高[8]。

2.3CSMA/CA協(xié)議技術(shù)

CSMA/CA協(xié)議是具有碰撞避免功能的協(xié)議。實(shí)際上它也不能做到碰撞的絕對(duì)避免，只不過是綜合前述CSMA的各種優(yōu)點(diǎn)，盡量減少碰撞的概率，獲得比較理想的吞吐量及傳輸延遲。碰撞避免有3種途徑：①當(dāng)系統(tǒng)中的總業(yè)務(wù)量很低時(shí)以1堅(jiān)持式方式工作，盡量減小傳輸延遲，而在系統(tǒng)中的總業(yè)務(wù)量較高時(shí)以1堅(jiān)持式或非堅(jiān)持式方式工作，盡量獲得較大的吞吐量[9]；②在非堅(jiān)持式方式工作時(shí)，可以將系統(tǒng)中的站或各個(gè)站發(fā)送的不同類型信息進(jìn)行分類，并給予不同的優(yōu)先級(jí)別。當(dāng)檢測到信道忙碌時(shí)，以不同優(yōu)先級(jí)別的站或不同優(yōu)先級(jí)別的信息數(shù)據(jù)幀來確定其退避延遲時(shí)間的大小，達(dá)到改善系統(tǒng)性能的目的；③可以通過發(fā)送探詢脈沖（或短的探詢頓）的方式獲取信道使用權(quán)，以減小數(shù)據(jù)幀碰撞的概率。由于探詢脈沖占時(shí)很短，即使碰撞，造成的信道資源浪費(fèi)也很小[10]。

3退避算法及改進(jìn)

3.1傳統(tǒng)退避算法

無線局域網(wǎng)的MAC層協(xié)議具有碰撞退避功能。當(dāng)局域網(wǎng)中的站點(diǎn)發(fā)送MAC幀時(shí)，先對(duì)信道進(jìn)行監(jiān)聽，如果信道空閑，則發(fā)送幀，如果信道非空閑，則暫停發(fā)送，直到監(jiān)聽到信道空閑后，再進(jìn)行發(fā)送。

傳統(tǒng)退避算法主要包括：

（1）二進(jìn)制指數(shù)退避算法（BEB）。采用該算法，當(dāng)監(jiān)聽到信道非空閑時(shí)，為避免碰撞，給站點(diǎn)附加一個(gè)退避周期，并隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)退避時(shí)間，每次站點(diǎn)發(fā)送信息失敗，BOW都會(huì)增加一倍，當(dāng)BOW達(dá)到最大值后或最大重傳次數(shù)后，重置BOW退避窗口，并進(jìn)行連續(xù)重傳。

（2）指數(shù)增長及下降退避算法（EIED）。通過對(duì)退避窗口BOW進(jìn)行調(diào)整，對(duì)BEB退避算法加以改進(jìn)，可以彌補(bǔ)其重置機(jī)制的不合理性。該算法引入兩個(gè)新的參數(shù)，即上升參數(shù)和下降參數(shù)。如果發(fā)送MAC幀時(shí)遇到碰撞，則按照上升參數(shù)成倍增加BOW。如果傳輸成功，則按下降參數(shù)成倍減少BOW。通過采用這種機(jī)制，可以使退避算法的參數(shù)根據(jù)無線局域網(wǎng)的載荷量進(jìn)行調(diào)整，減少M(fèi)AC幀的等待時(shí)間，減少資源浪費(fèi)。

3.2改進(jìn)退避算法

基于公平性區(qū)分站點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)退避算法進(jìn)行改進(jìn)，可以進(jìn)一步提升退避算法性能。傳統(tǒng)退避算法采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)改變退避窗口，對(duì)所有站點(diǎn)而言存在一定的不公平性，比如多個(gè)站點(diǎn)爭搶信道。在競爭過程中，參與競爭的站點(diǎn)退避窗口不斷變大，而此時(shí)出現(xiàn)新的站點(diǎn)參與競爭，則新出現(xiàn)的站點(diǎn)退避窗口為最小值，獲得信道使用權(quán)的概率要比之前參與競爭的站點(diǎn)大很多。基于公平區(qū)分站點(diǎn)的原則，對(duì)傳統(tǒng)退避算法進(jìn)行改進(jìn)，可以有效解決這一問題。改進(jìn)算法中，所有經(jīng)過碰撞的MAC幀都倍乘一個(gè)參數(shù)快速增加退避窗口，其它站點(diǎn)則通過線性增加一個(gè)參數(shù)緩慢增加退避窗口。如果MAC發(fā)送成功，則通過線性減少一個(gè)參數(shù)緩慢減小退避窗口，其它站點(diǎn)則倍乘一個(gè)參數(shù)快速減少退避窗口。通過倍增、線加、倍減、線減4個(gè)參數(shù)的引入，實(shí)現(xiàn)對(duì)退避窗口增加、減小速度的控制。采用改進(jìn)退避算法可以兼顧網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化和信道公平競爭原則，改善DCF協(xié)議技術(shù)的吞吐量和延遲，提高無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸性能。

4結(jié)語

MAC層的協(xié)議技術(shù)及退避算法對(duì)無線局域網(wǎng)的傳輸性能有重要影響。通過MAC層協(xié)議技術(shù)的應(yīng)用，可以為MAC層的數(shù)據(jù)傳輸效率和數(shù)據(jù)傳輸安全提供保障，實(shí)現(xiàn)地址檢測和載波監(jiān)聽等功能。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)傳統(tǒng)退避算法的改進(jìn)，可以進(jìn)一步提升無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸性能。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：杜能鋼）