工业数据通信和控制网络(无线局域网)

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1、无线网络概念l 无线网络是利用无线电射频（Radio FrequencyRF）或红外线（InfraredIR）等无线传输媒体与技术构成的通信网络系统。l 无线局域网（Wireless Local Area NetworkWLAN）是利用无线媒体构成的局部区域网络。按照国际相关标准，目前的无线局域网产品的单小区（CELL）覆盖直径在几十米到二、三百米（特殊情况下加功率放大和外接天线可增大覆盖范围）。无线网络概况无线网络概况一、无线网络技术1、蓝牙技术 蓝牙（Blue Tooth）技术是目前一项十分先进的无线网络技术，它以低成本、短距离的无线连接为基础，取代电缆把一定范围内的通讯设备连接起来，实现

2、不同设备之间的快速通信。具有蓝牙功能的产品有手机、PDA、手表、家用电器、数据网络产品等，这些产品可以非常容易的组成一个小范围的临时专用无线网络，实现数据传送的速率可以达到721Kb/s。2、红外线通讯技术 红外线（IR）通讯技术：以红外线为传输介质无线网络技术。l 不受无线电干扰，而且红外线不受无线管理委员会的限制。l 但是红外线的穿透性很差，因此只适合于没有障碍物的环境。l 目前主要应用于家庭中，比如说大多数家庭遥控器就采用红外线通讯。无线网络概况3、无线局域网技术 无线局域网（WLAN）是以无线电波作为传输介质，使用射频技术实现与设备位置无关的网络数据传输系统。有线网络因为传输速度高、产

3、品众多、技术发展快，成为市场上主要采用的连网方式，但随着网络在各行各业中应用越来越广，有线网络的弊端也日益显露出来；无线网络技术的不断完善，产品的增加和成本的下降，无线局域网成为目前发展最迅速的领域之一，相应的技术层出不穷，应用日益广泛。二、无线网络的特点1、无线网络传输方式 无线局域网的传输方式与其所采用的传输媒体、所选择的载频波段及所使用的调制方式有关。目前有两种无线传输媒体：无线电波传媒 红外线传媒 在无线电波传媒下的调制方式有两种：窄带调制方式 扩展频谱方式无线电波传媒下的调制方式1 窄带调制方式基带信号射频调制发射利用无线电波作为传输媒体，窄带调制把欲发送数据的基带数字序列经过射频调

4、制器，将其频谱搬移到一个便于无线发射的很高的载频上。所谓窄带，是指经过调制后的信号（已调波）的占有频带的宽度相对很高的载频来说是很窄的。窄带调制的无线局域网一般选用专用微波波段，须先提出申请，经过国家无线电管理部门的许可才能使用。窄带调制设备一般发射信号功率（或能量）较大，会对其他系统中的同频接收设备形成干扰。无线电波传媒下的调制方式2 扩展频谱方式基带信号射频调制发射扩展频谱 扩展频谱方式也是利用无线电波作为传输媒体的一种传输信号形成方式。它是在将基带数字序列信号进行射频调制之前，先进行频谱的扩展。扩展频谱过程一般将原基带数字序列信号的频谱扩展几倍到几十倍，经过射频调制后的发射信号的频带宽度

5、也比窄带调制要宽得多。扩展频谱方式可以用比窄带调制方式低得多的信号功率来发送，可在比信号还要强的噪声环境下保证信息的正确接收。扩展频谱方式不怕同频干扰，因此可以在同一频段上靠选择不同的扩频伪随机码来进行多路复用，这种多路复用称作码分多址（CDMA）。扩展频谱方式使用无须申请许可的ISM（工业，科研，医疗设备）波段。ISM波段：902M928M 2.4G2.484G 5.725G5.850G2、无线网络拓扑结构 无线网络以无线介质为传输媒体，提供的是一种广播信道。目前无线联网在应用上有多种形式，就无线局域网的拓扑结构（是一种逻辑拓扑）而言，典型的有“无中心分布对等拓扑”和“有中心集中控制拓扑”两

6、种。无线网络拓扑结构 无中心分布对等拓扑WLAN 移动站 图图1 无中心分布对等拓扑结构（无中心分布对等拓扑结构（Adhoc应用模式）应用模式）这种拓扑结构的优点是建网容易、费用较低，且抗毁性能好（一个站的故障，不影响其它站的通信）；它的缺点是采用竞争信道的机制，在网络业务量重时会导致系统性能（吞吐量、延迟等）急剧下降。因此，网内站点的数量不宜太多。无线网络拓扑结构 有中心拓扑结构有中心拓扑结构WLAN 中心站(AP)有线骨干网 图图2 有中心拓扑结构有中心拓扑结构(Hubbased应用模式应用模式)中心站的主要作用：一是对所有网内用户的通信要求进行控制，减小业务量过大时由于信道竞争带来的系统

7、性能的恶化；二是为移动用户访问外部网络（其它有线局域网或公共网）提供接口。此外中心站还可对移动站的信号进行中继，扩大移动站间的通信距离。有中心拓扑结构的主要缺点是抗毁性能较差，尽管只是中心站的故障也会导致全网通信瘫痪。1.无线局域网的组成 有固定基础设施的无线局域网基本服务集 BSS扩展的服务集 ESS基本服务集 BSSAB漫游接入点 AP接入点 AP分配系统 DSPortal802.x局域网因特网Portal 有固定基础设施的无线局域网基本服务集BSS扩展的服务集 ESS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS802.x局域网因特网一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干

8、个移动站，所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信，但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站。PortalPortal 有固定基础设施的无线局域网基本服务集BSS扩展的服务集 ESS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS802.x局域网因特网基本服务集中的基站叫做接入点 AP(Access Point)其作用和网桥相似。PortalPortal扩展的服务集 ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS802.x局域网因特网一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS(Distributio

9、n System)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS(Extended Service Set)。PortalPortal扩展的服务集 ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS802.x局域网因特网ESS 还可通过Portal为无线用户提供到非 802.11 无线局域网（例如，到有线连接的因特网）的接入。Portal的作用就相当于网桥。PortalPortal扩展的服务集 ESS基本服务集BSS基本服务集BSSAB接入点 AP接入点 AP分配系统 DS802.x局域网因特网移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集，而仍然可

10、保持与另一个移动站 B 进行通信。PortalPortal无固定基础设施的无线局域网自组网络(ad hoc network)自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点 自组网络没有上述基本服务集中的接入点 AP 而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。移动自组网络的应用前景 在军事领域中，携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群。当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的 2.802.11 标准中的物理层 1997 年 IEEE 制订出无

11、线局域网的协议标准的第一部分，802.11。在1999年又制订了剩下的两部分，802.11a 和 802.11b。802.11 的物理层有以下三种实现方法：跳频扩频 FHSS 直接序列扩频 DSSS 红外线 IR 802.11 标准中的物理层（续）802.11a 的物理层工作在 5 GHz频带，采用正交频分复用 OFDM，它也叫做多载波调制技术（载波数可多达 52 个）。可以使用的数据率为 6,9,12,18,24,36,48 和 56 Mb/s。802.11b 的物理层使用工作在 2.4 GHz 的直接序列扩频技术，数据率为 5.5 或 11 Mb/s。3.802.11 标准中的 MAC 层

12、1.CSMA/CA 协议 无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议，主要有两个原因：1.CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。2.即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。A 的作用范围无线局域网的特殊问题 C 的作用范围ABCD当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem)B 的作用范围无线局

13、域网的特殊问题 C 的作用范围ADCB？B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据这就是暴露站问题(exposed station problem)CSMA/CA 协议 无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改进的 CSMA 协议。改进的办法是将 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。802.11使用 CSMA/CA 协议，而在使用 CSMA/CA 的同时还增加使用确认机制。802.11 的 MAC 层 MAC 层无争用服务争用服务分布协

14、调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。802.11的MAC层在物理层之

15、上包括两个子层 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法，让各个站通过

16、争用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11PCF 子层使用集中控制的接入算法,

17、将发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11帧间间隔 IFS 控制PCF与DCF同时运

18、行机制l 所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS(InterFrame Space)。l 帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间。l 若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站A

19、CKSIFS 其他站有帧要发送SIFS，即短(Short)帧间间隔，长度为 28 s，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。使用 SIFS 的帧类型有：ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧，以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式中接入点 AP 发送出的任何帧。三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送PIFS，即点协调功能帧间间隔（比 SIF

20、S 长），是为了在开始使用 PCF 方式时（在 PCF 方式下使用，没有争用）优先获得接入到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度（其长度为 50 s），即78 s。时隙的长度是这样确定的：在一个基本服务集 BSS 内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时，那么在下一个时隙开始时，其他站就都能检测出信道已转变为忙态。三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送DIFS，即分布协调功能帧间间隔（最长的 IFS），

21、在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个时隙长度，因此 DIFS 的长度为 128 s。网络分配向量NAV 当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量 NAV(Network Allocation Vector)。NAV 指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。争用窗口 信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。在信道从忙态转为空闲时，各站就要执行退避算法（以

22、太网是发生碰撞后执行退避算法）。这样做就减少了发生碰撞的概率。802.11 使用二进制指数退避算法。二进制指数退避算法（与以太网不同点）第 i 次退避就在 22+i 个时隙中随机地选择一个。第 1 次退避是在 8 个时隙（而不是 2 个）中随机选择一个。第 2 次退避是在 16 个时隙（而不是 4 个）中随机选择一个。使用退避算法 l仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。l除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。即：在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。在每一次的重传后。在每一次的成功发送后。CSMA/CA 协议的原理 1.欲发送数据的站先

23、检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。2.通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。3.当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间 DIFS 后就可发送。为什么信道空闲还要再等待 这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。如有，就要让高优先级帧先发送。假定没有高优先级帧要发送 源站发送了自己的数据帧。目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔 SIFS 后，向源站发送确认帧 ACK。若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到确认为

24、止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。分布式访问控制方式(DCF)及原理载波监听机制载波监听机制分布式访问控制方式（DCF）是IEEE 802.11标准规定的物理层兼容的无线局域网中的工作站和访问点（AP）之间共享无线媒体的主要访问控制协议。和IEEE 802.3 总线式以太网的CSMA/CD MAC 协议类似，DCF使用具有碰撞避免功能的载波侦听多址接入（CSMA/CA）协议。载波侦听机制可以让MAC层侦听传输媒体是处于“忙碌”还是“空闲”状态。物理（PHY）层提供信道的物理侦听信道。PHY控制机制提供的物理信道侦听评估结果发送到MAC层，作为确定信道状态的一个因素。载波监听机制载波监听机

25、制N A V 0？监测信道媒体 信道忙？发送帧 碰 撞？随机退避时间有待发送MAC帧 结束返回YesYes YesYes YesYes NoNo NoNo NoNo IEEE 802.11分布式访问控制方式（DCF）帧发送流程图 NAV工作起来就像一个计数器，开始值是最后一次发送的帧的持续时间Duration字段值，然后倒计时到0。当NAV的值到达0，且PHY控制机制表明有空闲信道（侦听信道上没有载波）时，这个工作站就可以发送它的MAC帧了。如果未发送前又一次监听到其他站发出帧的Duration值大于当前的网络分配矢量NAV值，就用这一信息更新该工作站的NAV。当工作站的物理或逻辑的信道媒体检

26、测机制确定媒体处于忙碌状态时，CSMA/CA协议利用随机退避时间控制，可以避免各工作站间共享媒体时可能造成的碰撞。MAC监测机制利用下式计算随机退避时间：Backoff Time=Random()aSlotTimeRandom()是一个平均分布在0,CW段上的伪随机整数，CW（竞争窗口）。随机退避时间受到碰撞的影响，随着一个MAC帧连续遭到碰撞的次数增加，选择退避时间的伪随机整数Random()的分布范围0,CW，即CW的取值也要增加。分布式访问控制方式分布式访问控制方式(DCF)及原理及原理访问优先机制访问优先机制 IEEE 802.11 标准以不同长度帧间时间间隔形式定义了站对媒体进行访问

27、多种优先级。每种帧间间隔都定义了从上一发送帧的结束到下一个发送帧的开始所要求的最小空闲时间。Short优先级帧间隔PCF优先级帧间隔DCF优先级帧间隔 传输帧图图5.16 三种访问优先级的不同帧间时间间隔（三种访问优先级的不同帧间时间间隔（IFS）Short优先级帧间隔（SIFS）：是最短的帧间隔，为一些帧提供最高的媒体访问优先级别。这些帧包括：1.ACK（应答）帧；2.CTS（清除发送）帧；3.分段的第二个或猝发的 媒 体 服 务 数 据 单 元（MSDU）。PCF优先级帧间隔（PIFS）：是工作在中心网络控制方式（PCF）下站获得媒体访问权要求的空闲帧间时间间隔。其优先级别高于DCF方式。

28、此类站一旦检测到信道空闲，可迅速进入无竞争的通信，比基于DCF方式的站有更高的帧发送优先级。D C F 优 先 级 帧 间 隔（DIFS）：是工作在分布式控制方式（DCF）下的站以竞争方式（CSMA/CA）获得媒体访问权要求的空闲帧间时间间隔。其优先级别低于PCF方式。主要是竞争类站发送数据信息帧或管理信息帧是采用。A 的作用范围B 的作用范围2.对信道进行预约 802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约 ACBDERTSRTS源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS(Request To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持

29、续时间。A 的作用范围B 的作用范围2.对信道进行预约 802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。CTSACBDECTS若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送 CTS(Clear To Send)，它包括这次通信所需的持续时间（从 RTS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中）。A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧。RTS 和 CTS 帧以及数据帧和 ACK 帧的传输时间关系 时间DIFSRTSSIFS时间NAV（RTS）DIFS争用窗口推迟接入源站时间目的站ACK 其他站CTSSIFSSIFS数据NAV（CTS）NAV（数据）802.11标准的虚拟载波监听机制

30、l 虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。l 大大减少了碰撞的机会。l“虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。虚拟载波监听的效果 这种效果好像是其他站都监听了信道。所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。MAC帧结构帧结构 IEEE 802.11 标准中把无线局域网的标准中把

31、无线局域网的MAC帧分为三帧分为三种类型：种类型：管理信息帧管理信息帧 控制信息帧控制信息帧 数据信息帧数据信息帧 MAC管理信息帧负责在工作站和AP之间建立初始的通信，提供连接加入和认证服务。当工作站和AP之间建立连接和认证之后，控制信息帧为数据信息帧的发送提供辅助功能（请求或确认等）。数据信息帧的功能是向目的工作站传送数据信息（如MSDU媒体服务数据单元），转交给逻辑链路控制（LLC）子层。MAC帧主体框架结构帧主体框架结构IEEE802.11定义了MAC帧格式的主体框架结构，无线局域网中发送的各种类型的MAC帧都采用这种帧结构。站一旦形成正确的帧之后，MAC层将帧传给物理层汇聚处理子层（

32、PLCP）。Frame Duration Addr Addr Addr Sequence Addr Frame FCSControl ID 1 2 3 Control 4 Body 字节：字节：2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4 MAC帧由最长帧由最长30字节的字节的帧适配头帧适配头、长度可、长度可变（变（02312字节）的字节）的帧体信息帧体信息和和4字节的字节的帧校验序列帧校验序列（FCS）组成。组成。图图5.1 IEEE 802.11 MAC帧一般框架结构帧一般框架结构 Frame Duration Addr Addr Addr Sequence Addr Frame FCSC

33、ontrol ID 1 2 3 Control 4 Body 字节：字节：2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4 一一.MAC帧的主要字段帧的主要字段 Duration/ID（持续时间/标志）：该帧和他的确认帧占用信道时间，其他站通过该域来实现NAV。Frame Control（帧控制）：这个字段载有在各工作站之间发送的控制信息。它又可划分为若干子字段，子字段结构说明如下页：Addr 1，2，3，4（地址 1，2，3，4）：包含不同类型的地址，地址的类型取决于发送帧的类型。这些地址类型可以包含基本服务组标识（BSS-ID）、源地址、目标地址、发送站（AP）地址和接收站（AP）地址。各段地

34、址长度均为48位，且有单独地址、组播地址和广播地址之分。Sequence Control（序列控制）：12位标识该帧，4位标识该片。站在数据接收时，可通过监视序列号和分段号来判断是否为重复帧。Frame Body（帧体）：这个字段的有效长度可变，所载的信息取决于发送帧的类型。如果发送帧是数据帧，那么该字段会包含一个LLC数据单元。MAC管理和控制帧会在帧体中包含一些特定的参数。如果帧不需要承载信息，那么帧体字段的长度为0。接收站可以从物理层适配头的一个字段判断帧的长度。FCS（帧校验序列）：发送工作站的MAC层利用循环冗余码校验法CRC对帧前边诸字段内容运算，计算一个32位的FCS，并将结果存

35、入这个字段。MAC层利用下面的覆盖MAC头所有字段和帧体的生成多项式来计算FCS：G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1结果的高阶系数放在字段中，形成最左边的位。接收端也利用相同的CRC校验，检查接收帧中是否有数据传输发生的差错。二二.MAC帧的帧控制字段帧的帧控制字段MAC帧中的帧控制字段（2字节）划分为11个子字段，主要用来定义一个MAC帧的类型，是管理信息帧、控制还是数据信息帧。ProtocolVersionType Sub-typeToDSFromDSMoreFragRetryPwr.Mgmt.MoreDataWE

36、POrder 2bit 2 bit 4 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 1 bit 图图5.2 MAC帧中的帧控制（帧中的帧控制（Frame Control）字段的子字段结构划分字段的子字段结构划分 Protocol Version（协议版本）：用两比特（bit1，bit0）表示MAC协议版本。对于当前标准，协议版本为0。因此，除非未来的新协议版本与过去的协议版本不兼容，协议版本字段将一直保持为0。TypeType（帧类型）：用两比特（bit3，bit2）表示帧的类型。这个字段表明当前的帧是管理帧、控制帧还是数据帧。表示方法如表5.1

37、所示。bit3，bit2 0，0 0，1 1，0 1，1帧类型帧类型管理帧控制帧数据帧保留表表5.1 MAC帧的类型帧的类型 Subtype(帧子类型)：用四比特（bit7，bit6，bit5，bit4）表示帧的类型的进一步从功能上的划分。这个字段说明帧的具体功能，如表5.2所示。To DS（到分布式系统）：只有一个位，发往分布式系统的帧，该字段置1，其它的帧则置0。例如某帧若是发往另一个AP的无线电小区里的时候，要对该字段设置为1。From DS（来自分布式系统）：也是只有一位，发自分布式系统的帧的该字段置1，其他的帧置0。当某帧从一个AP发送到另一个AP时，To DS和From DS字段都

38、要置1。More Frag（更多分片）：只有一位的字段，如果同一个MSDU还有其他分段存放在后继的帧中，该字段置1。Retry（重发）：只有一个位。对于重发帧，该字段置1；其它帧置0。Power Management（电源管理）：基站使用。该字段指明发送工作站在完成目前的帧交换序列之后的电源管理模式。如果工作站进入睡眠模式，MAC层将该字段置1；置0则表示工作站处于激活模式。More Data（更多数据帧）：如果某工作站还有MSDU要发往处于节能模式的工作站，那么发送工作站将该字段置1；其他种类的发送则置0。WEP（加密）：本字段置1表示向接收工作站声明，帧体（Frame Body）已经被WE

39、P算法加工过了（数据已经用密钥加密）；其他情况本字段置0。Order（排序）：所有采用严格顺序服务级别的数据帧，该字段置1。表明这些须按顺序处理。帧类型帧类型子字段（子字段（Bit 7,6,5,4）帧功能帧功能管理类型帧（bit 3，bit 2）00 0000连接请求0001连接响应0010连接请求0011连接响应0100探询请求0101探询响应0110-0111保留1000信标1001业 务 声 明 指 示 信 息（TAIM）1010分离1011认证1100不认证1101-1111保留控制类型帧（bit 3，bit 2）010001-1001保留1010节能（PS）轮询1011发送请求（RT

40、S）1100清除发送（CTS）1101响应（ACK）1110无竞争（CF）终点1111CF End+CF ACK数据类型帧（bit 3，bit 2）10 0000数据0001Data+CF ACK0010Data+CF Poll0011Data+CF ACK+Poll0100空（无数据）0101CF ACK0110CF Poll0111CF ACK+CF Poll1000-1111保留保留类型（bit 3，bit 2）110000-111 表：MAC帧类型的进一步功能划分表示 MAC管理信息帧结构MAC管理信息帧负责在工作站和AP之间建立初始的通信，提供连接加入和认证服务。FrameContr

41、olDuration DA SA BSS-ID SequenceControlFrameBodyFCS 字节：字节：2 2 6 6 6 2 0-2312 4 图图5.3 管理信息帧格式管理信息帧格式 在无竞争期（中心网络控制方式规定的），管理信息帧的Duration字段被设置为8000H），从而管理信息帧在其它站获得媒体访问权之前，有足够的时间建立通信连接。在竞争期，管理信息帧的Duration字段设置如下：目标地址是组播或广播地址时，Duration字段置0。More Fragment位设置为0，且目标地址是单个独立地址时，Duration字段的值是发送一个响应（ACK）帧和一个短帧间隔（S

42、IFS）所需的时间（微秒）数。More Fragment位设置为1，且目标地址是单个独立地址时，Duration字段的值是发送下一个分段、两个ACK帧和三个短帧间隔所需的时间微秒数。下面介绍下面介绍管理信息帧管理信息帧的的功能划分子类型功能划分子类型及其及其帧体元素帧体元素：MAC控制信息帧结构当工作站和AP之间建立连接和认证之后，控制信息帧为数据信息帧的发送提供辅助功能。图5.5示意了常见的一次成功数据帧发送过程中的控制信息帧流。发送工作站 接收工作站 请求发送（请求发送（RTS）发送确认（发送确认（CTS）数据（数据（DATA）应答（应答（ACK）一次成功数据帧发送过程中的控制帧流一次成功

43、数据帧发送过程中的控制帧流 MAC控制信息帧结构不同功能子类型控制信息帧的结构：请求发送（RTS）：工作站向某接收工作站发送RTS帧，以协商数据帧的发送。可以将工作站加入RTS帧序列，将帧设置成一般、从不或者仅仅比一个特定的长度长。Frame ControlDurationRATAFCS字节：字节：2 2 6 6 4图图5.6 RTS控制帧格式控制帧格式 Duration字段的值以微秒为单位，是工作站间发送一个RTS帧、一个CTS帧、一个DATA帧和一个ACK帧和三个短的帧间间隔所需的时间。字段RA和TA分别是接收地址和发送地址，各6字节。MAC控制信息帧结构不同功能子类型控制信息帧的结构：清

44、除发送（CTS）：收到RTS后，接收工作站向发送工作站返回一个CTS帧，以确认发送工作站享有发送数据帧的权力。图图5.7 CTS控制帧格式控制帧格式 Duration字段的值以微秒为单位，等于RTS Duration字段的值减去发送CTS帧和SIFS间隔的时间。CTS控制帧中只有接收地址（RA）而没有发送地址（TA）。Frame ControlDurationRAFCS字节：字节：2 2 6 4 为了防止由于隐藏网点和提高信道利用率所带来的碰撞，正在发送信为了防止由于隐藏网点和提高信道利用率所带来的碰撞，正在发送信息的工作站息的工作站B应该向应该向AP发一个发一个RTS帧帧，请求占有一段时间的

45、服务。，请求占有一段时间的服务。MAC控制信息帧结构交换RTS/CTS控制帧的意义：障碍物访问节点AP 工作站A工作站B图图5.8 RTS/CTS控制帧的交换可改善由于隐藏站点引发的访问碰撞控制帧的交换可改善由于隐藏站点引发的访问碰撞 为了防止由于隐藏站点和提高信道利用率带来的碰撞，正在发送信息为了防止由于隐藏站点和提高信道利用率带来的碰撞，正在发送信息的工作站的工作站B应该向应该向AP发一个发一个RTS帧帧，请求占有一段时间的服务。如，请求占有一段时间的服务。如果果AP接收这个请求，它会在这段时间内向所有工作站广播接收这个请求，它会在这段时间内向所有工作站广播CTS帧。帧。则该时段内，包括则

46、该时段内，包括A在内的所有工作站都不会在企图访问媒体了。在内的所有工作站都不会在企图访问媒体了。RTS/CTS交换同时进行快速的碰撞推断和传送线路检测。如果发送交换同时进行快速的碰撞推断和传送线路检测。如果发送RTS的工作站没有探测到返回的的工作站没有探测到返回的CTS，它会重复发送操作。其重发速它会重复发送操作。其重发速度远比象发送一个很长的数据帧之后无度远比象发送一个很长的数据帧之后无ACK帧返回时的重发要快得帧返回时的重发要快得多。多。MAC控制信息帧结构不同功能子类型控制信息帧的结构：应答（ACK）：工作站收到一个无误的帧（数据帧或管理帧）之后，会向发送工作站发送一个ACK控制帧，以确

47、认帧已经被成功地接收。图图5.9 ACK控制帧格式控制帧格式 Duration字段的值以微秒为单位，当前的数据帧或管理帧的控制字段中“更多分段”bit为0时，该Duration字段的值为0；如果前述的数据帧或管理帧的帧控制字段中更多分段bit为1时，该Duration字段的值等于前述的数据帧或管理帧的Duration字段的值减去发送ACK帧和SIFS间隔的时间。Frame ControlDurationRAFCS字节：字节：2 2 6 4 ACK控制帧中只有接收地址（RA）而没有发送地址（TA）。MAC数据信息帧结构数据信息帧的功能是向目的工作站传送数据信息（如MSDU媒体服务数据单元），交给

48、逻辑链路控制（LLC）子层。FrameControlDurationIDAddr 1Addr2Addr 3SequenceControlAddr 4FrameBodyFCS字节：2 2 6 6 6 2 6 02312 4 图图5.13 数据（数据（Data）信息帧格式信息帧格式 数据信息帧中的地址域（Address1Address4）的值依赖于帧控制字段中 To DS 和From DS 的数据位的值，并列于表5.3中。To DSFrom DSAddress1Address2Address3Address400 DA SA BSS-ID N/A01 DABSS-ID SA N/A10 BSS-ID SA DA N/A11 RA TA DA SA表5.3 To DS与From DS的值决定的数据信息帧各地址段的内容 通常Add1总保持试图要接收数据信息帧AP的地址（RA）。Add2总保留着要发送数据信息帧AP的地址（TA）。DA和SA在各数据信息帧中总存在，分别代表传输媒体服务数据单元（MSDU）目的站和源站MAC实体的地址。