无线局域网MAC层访问方式分析

王浩　贠永刚　张欣

摘 要 无线局域网的MAC子层的功能是为用户提供可靠的数据传输，实现共享介质访问的公平机制。MAC子层有两个主要的功能，分别是DCF（分布式协调功能）和PCF（点协调功能），主要介绍这两种访问方式。

关键词 DCF PCF CSMA/CD

中图分类号：TN925.93 文献标识码：A

无线局域网采用的是广播通信的方式，在这种通信方式下必然会引起的信道访问冲突，因此必须解决多个用户竞争信道使用权的这个问题，多个用户竞争信道使用权也称为多路复用信道或随机访问信道。这个问题的解决可以采用介质访问控制（MAC），它是将传输介质的信道有效地分配给网络的各站点用户的方法。无线局域网中有两种分配方式。

1分布式协调功能

它是最基本的无线局域网访问方法。采用带冲突避免的载波侦听多址访问（CSMA/CA）。应用在所有的无线局域网站点的网络结构配置（IBSS，BSS和ESS）中。分布式协调功能通过使用CSMA/CA和随机退避时间来实现介质的自动共享。在发送数据前，首先检测介质上是否有其他站点正在发送数据。最常用的就是载波检测（CS），它分别在物理层和MAC层进行检测。物理层的检测就是对天线接收的无线信号是否有效进行检测，若探测到是有效信号，表明当前信道上有数据在传送或者是接收，表明信道正在使用；反之表示信道空闲。这种方法称为物理载波检测。MAC层的检测是由网络分配矢量（NAV）的值来确定的，这里的NAV值是设备使用当前介质传输数据结束需要的时间（整个数据传输阶段介质的使用情况进行预测），这些预测信息是由要发送数据的站点提供的。这个站点将它要传输数据所占用的时间通知其余的站点，告诉这些站点在这一段时间内都不要使用信道发送数据从而避免了数据冲突。这种方式不是真正的检测介质，而是因为接收到了发送数据的站点通知而进行的等待，所以称为“虚拟”载波检测。NAV是一个减1计数器，按固定速率递减的形式表示了时间的流逝，当NAV中的值减为0时，表示数据在介质上已经传输结束，虚拟载波检测认为信道“空闲”，不为0时，表明信道“忙”。物理载波检测和虚拟载波检测的值共同决定载波检测的结果，当两种检测方式都指示信道“空闲”，CS就认为信道为“空闲”状态。但是只要其中一种检测方式检测到信道为“忙”，那么CS结果就是“信道忙”，物理载波检测考虑的是发送方，虚拟载波检测考虑的是接收方。因此，IEEE802.11无线局域网的MAC层协议是同时从发送方和接收方来解决无线介质上分组传输碰撞问题的。

其实在使用上述载波检测也是有一定困难的，比如物理检测中对于天线的信号是否有效设备自己是检测不到的。虚拟载波中NAV中的值只能检测出当前信道的状态，但是对于发送数据前的多个设备如何竞争信道也是无能为力的。所以CSMA/CA的本质是用竞争时间片的方法来避免数据冲突。核心思想就是源站点必须检测到当前的网络是空闲的，之后才能发送信息，如果有两个或者更多的站点要使用网络就会发生冲突，那么就在网络上发送一个阻止信号用来通知所有的冲突站点，同步所有的冲突站点时钟开启用来竞争网络的时间片称为竞争时间片（contention time slice）。它一般是跟随在阻止信号之后的，只比绕着当前整个网络环路传输一遍的时间稍微长一点。这时，每个特点的站点都有一个竞争时间片，每个站点在相应的时间内如果有任何信息要发送就可以开始进行传输。其他结点检测到这个站点在进行信息传输以后，时间片中的时间就停止，一直到传输结束以后，所有的结点才可以恢复时间片的运行。当所有的时间片都失去作用的时侯，网络就进入了空闲的状态。为了保证公平性和可确定性，每次传输以后，时间片需要循环。另外，优等级的时间片的运行要优先于普通时间片的运行。另外，在CSMA/CA中除了采用硬件进行冲突避免，也可以采用软件的方法来实现。例如，可以发送空信息（使得时间片在没有信息传输的情况下仍然保持活动这样一种状态）。具体的实现方法是通过侦听载波（查看无线传输介质是否空闲）的同时使用随机的等待时间、虚拟的感测载波，让其他设备知道设么时候能够进行通信以防止数据冲突。这样做的好处保证某一时刻只有一个站点使用信道，将冲突发生的概率减到最低保证了系统对所有网络设备的集中控制。

2点协调功能

点协调功能通过轮询机制在无线局域网实现数据传输的方式，它允许自由冲突帧传输，只能用于BSS和ESS中。访问的方法是使用运行在基本服务集接入点上的点协调器（PC）来确定当前是哪个工作站有使用信道的权利。PCF操作有时要用到额外的协调，以便于允许在大量的点协调器的BSS在重叠区域的信道上操作时能够高效的运行。PCF这种方法有利于保证已知的大数量的反应时间，所以应用程序要求使用服务质量。

PCF和DCF一樣也使用虚拟载波监听机制在信道分发介质使用的预测信息，不同的是这里的站点的NAV不是源站点提供的，而是点协调器用访问优先级机制统一设置的，而且PCF中传输的两个帧之间使用得帧间间隔（IFS）比DCF功能中的间距IFS要小一点。使用小帧间间隔就可能提高点协调器对介质访问的优先级。这种方式PCF可以用来创建没有竞争（CF）的访问方法。

3总结

介绍了无线局域网的传输方式和体系结构的基础上重点对无线局域网的MAC子层协议的基本原理。分析了分布式协调功能DCF的工作原理，通过载波检测，竞争时间，退避时间，帧间间隔等机制共同完成MAC层的协议内容，解决了介质冲突的问题。