張譯心（山西醫(yī)學(xué)科學(xué)院（山西大醫(yī)院），山西 太原 030032）

無線局域網(wǎng)Mac層QOS機(jī)制探討

張譯心
（山西醫(yī)學(xué)科學(xué)院（山西大醫(yī)院），山西 太原 030032）

目前最為流行的無線接入方案為無線局域網(wǎng)，但在實(shí)際應(yīng)用中，WLAN協(xié)議在支持QOS的過程中非常有限，從而便導(dǎo)致一些需求較高的QOS應(yīng)用難以實(shí)施。無線局域網(wǎng)Mac層屬于關(guān)鍵的協(xié)議子層，能夠?qū)o線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制與協(xié)調(diào)，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)進(jìn)行訪問?，F(xiàn)如今亟需解決的一個(gè)問題是，如何才能在一個(gè)并不穩(wěn)定的物理介質(zhì)以及有限的網(wǎng)絡(luò)資源基礎(chǔ)上，在Mac層上提供QOS服務(wù)。因此，文章簡要地闡述了無線局域網(wǎng)層QOS技術(shù)難點(diǎn)、作用以及局限性，然后在此基礎(chǔ)上探討無線局域網(wǎng)Mac層選擇QOS策略。

無線局域網(wǎng)；Mac層；QOS機(jī)制

目前IP網(wǎng)絡(luò)中最為關(guān)鍵的問題便是QOS，也就是服務(wù)質(zhì)量，人們?yōu)榱四軌蛟贗P網(wǎng)絡(luò)上更好地提供QOS，基于此而提出了一些機(jī)制。并且隨著近年來無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)越來越龐雜。無線環(huán)境下，極其缺少帶寬資源，隨著時(shí)間的流失，信道狀況也會(huì)隨之發(fā)生變化，從而會(huì)在一定程度上增加了位錯(cuò)誤率的發(fā)生。在當(dāng)前全球通信網(wǎng)絡(luò)中無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)處于非常重要的地位，尤其是WLAN的無線接入技術(shù)的發(fā)展使得人們提高了對(duì)其相關(guān)協(xié)議的關(guān)注度。并且多媒體網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對(duì)QOS也提出了更高的要求，而現(xiàn)有的WLAN 對(duì)QOS的有限支持在一定程度上阻礙了新網(wǎng)絡(luò)在無線領(lǐng)域應(yīng)用?，F(xiàn)如今廣泛使用的WLAN技術(shù)采用的是802.ll標(biāo)準(zhǔn)體系，但此協(xié)議并不會(huì)對(duì)QOS具有直接支持。因此，此網(wǎng)絡(luò)無法被QOS要求高的多媒體無線應(yīng)用?，F(xiàn)對(duì)無線局域網(wǎng)層QOS作用、局限性以及控制模式進(jìn)行簡要闡述，然后探討無線局域網(wǎng)Mac層選擇QOS策略。

1　Mac層在無線QOS中作用

QOS在有線介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)中更加關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層，但問題是WLAN屬于共享信道網(wǎng)絡(luò)，QOS的實(shí)現(xiàn)需要得到來自Mac層的支持。原因在于WLAN不同于傳統(tǒng)LAN競爭模型，如圖1所示。從圖1中可以看出，傳播介質(zhì)控制于有線網(wǎng)絡(luò)中，任何2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間需要相互通信時(shí)，通過介質(zhì)的連結(jié)可以將4個(gè)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)競爭域。但無線環(huán)境中的競爭屬于位置相關(guān)，在圖2中可以看出若A與B需要實(shí)現(xiàn)雙向的通信，那么C因其處于B廣播范圍內(nèi)而為競爭域成員中，但D仍然處于自由狀態(tài)，因此在此過程中A，B，C便處于互相競爭的狀態(tài)。如果C與D之間要進(jìn)行互相通信，在此過程中B，C，D便屬于競爭域的成員。如果B與C之間要進(jìn)行互相通信，A，B，C，D4個(gè)節(jié)點(diǎn)便將成為競爭域的成員且具有相互競爭介質(zhì)的訪問權(quán)。此種競爭關(guān)系增加了設(shè)計(jì)利用WLAN介質(zhì)資源協(xié)議的難度，因此，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的競爭關(guān)系屬于位置相關(guān)競爭。

圖1　傳播介質(zhì)控制于有線網(wǎng)絡(luò)中

圖2　介質(zhì)的連結(jié)形成的競爭域

除此之外，由于無線節(jié)點(diǎn)并不能確定介質(zhì)當(dāng)前所處狀態(tài)，因此在無線網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間不能互相感知對(duì)方狀態(tài)，從而在應(yīng)用的過程中導(dǎo)致出現(xiàn)隱藏及暴露終端問題。隱藏終端問題中，發(fā)送方會(huì)認(rèn)為接受方處于空閑的狀態(tài)，因而發(fā)送數(shù)據(jù)幀不會(huì)被收到。暴露終端問題中，發(fā)送方會(huì)以為接受方處于繁忙的狀態(tài)，因而便會(huì)失去數(shù)據(jù)幀發(fā)送的機(jī)會(huì)。由于在WLAN中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是通過訪問共享的方式來實(shí)現(xiàn)通訊，無線介質(zhì)訪問效率便為通訊效率。

2　802.11協(xié)議QOS的局限性

2.1 分布式協(xié)調(diào)式局限性

分布式協(xié)調(diào)式在實(shí)際應(yīng)用過程中，通過避讓能夠?qū)崿F(xiàn)競爭，而決定避讓時(shí)間的因素為CW。采用分布式協(xié)調(diào)方式在競爭過程中，最短的避讓時(shí)間節(jié)點(diǎn)將會(huì)獲得介質(zhì)訪問權(quán)。但分布式協(xié)調(diào)方式屬于best-effort service（盡力服務(wù)），因此在具有時(shí)間及帶寬延遲的需求下，分布協(xié)調(diào)方式不能提供QOS的保證。在分布式協(xié)調(diào)模式下，節(jié)點(diǎn)及數(shù)據(jù)流主要是通過隨機(jī)避讓的算法，并以同樣的概率對(duì)媒質(zhì)進(jìn)行訪問。但是隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)及數(shù)據(jù)量不斷地增加，也會(huì)在一定程度上增加數(shù)據(jù)幀沖突概率及CW，從而便會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)延遲增加，降低網(wǎng)絡(luò)利用率以及吞吐量。

2.2 點(diǎn)協(xié)調(diào)式局限性

點(diǎn)協(xié)調(diào)模式下，網(wǎng)絡(luò)的中心位置為AP，因而也具有絕對(duì)的控制權(quán)。促進(jìn)QOS實(shí)現(xiàn)的過程中也存在以下的局限性：①所有通訊均需要通過AP中繼，如此便會(huì)在一定程度上損失一部分帶寬利用率。②無法準(zhǔn)確地控制輪詢節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)間，從而導(dǎo)致AP不能為節(jié)點(diǎn)確保QOS參數(shù)。③AP不能準(zhǔn)確地獲知節(jié)點(diǎn)是否需要發(fā)送數(shù)據(jù)，從而將一部分輪詢時(shí)間分配給并不需要數(shù)據(jù)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)，因此在很大程度上浪費(fèi)了時(shí)間。

3　WLAN的QOS控制模式

控制模式主要包括集中與分布式，因?yàn)闊o線節(jié)點(diǎn)具有自組與及時(shí)性，也就使得QOS更加迫切地要求分布式機(jī)制的存在。但問題在于，分布式機(jī)制因其自身的限制，使其在設(shè)計(jì)的過程中受到許多的挑戰(zhàn)。在無線網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用場合允許基礎(chǔ)上可以采用AP提供QOS支持，集中式訪問方法主要來自于802.11的點(diǎn)協(xié)調(diào)方式。

4　WLANMac層QOS策略

4.1 區(qū)分策略

區(qū)分服務(wù)主要是指在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)業(yè)務(wù)指定優(yōu)先級(jí)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度。在區(qū)分策略中最為常見的屬于QOS策略，其中典型代表便是IEEE802.lle中的EDCF訪問機(jī)制。它能采用4個(gè)不同AC進(jìn)行區(qū)分服務(wù)，EDCF區(qū)分服務(wù)通過不同介質(zhì)訪問參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

4.2 優(yōu)先策略

對(duì)于要有保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來說，QOS策略必須能夠?yàn)槠涮峁┮粋€(gè)絕對(duì)的QOS保障，也就是不管目前網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)量及負(fù)載狀況，總能在一定程度上確保一部分特定優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)QOS請(qǐng)求。集中式管理的QOS機(jī)制能夠更加輕松地實(shí)現(xiàn)此調(diào)度機(jī)制。但問題在于，盡管優(yōu)先策略能夠在一定程度上適應(yīng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)需要，但可能會(huì)在特定情況下影響其他業(yè)務(wù)流。

4.3 公平策略

公平策略的提出是區(qū)分優(yōu)先級(jí)的基礎(chǔ)，公平策略就是數(shù)據(jù)流的公平，主要是指共同分享同一個(gè)信道，但不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)所分配到的帶寬與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)權(quán)重成正比。如圖3所示，在圖3中清晰地展示了在一個(gè)較為簡單的無線網(wǎng)絡(luò)中公平調(diào)度問題，內(nèi)圈表示的是節(jié)點(diǎn)的有效傳輸范圍；外圈主要表示的是干擾范圍，其中的箭頭主要是指當(dāng)前的業(yè)務(wù)流狀況?？梢缘弥?，在不對(duì)稱的拓?fù)渲锌梢酝瑫r(shí)存在兩個(gè)競爭域，數(shù)據(jù)流在此狀況中便處于不利的傳輸競爭地位，因此在所有業(yè)務(wù)中數(shù)據(jù)流DC性能最差，且所獲得的數(shù)據(jù)吞吐量非常不穩(wěn)定。

圖3　不公平介質(zhì)競爭

5　結(jié)語

無線局域網(wǎng)Mac層所提供QOS保證機(jī)制是在WLAN上運(yùn)行需要應(yīng)用QOS的必要途徑，本文簡要地闡述了無線局域網(wǎng)層QOS技術(shù)難點(diǎn)、作用以及802.11協(xié)議QOS在實(shí)際應(yīng)用過程中的局限性，然后在此基礎(chǔ)上探討無線局域網(wǎng)Mac層選擇QOS策略。當(dāng)前全球通信網(wǎng)絡(luò)中無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)處于非常重要的地位，對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)來說，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹攸c(diǎn)在于如何更加合理地訪問無線介質(zhì)，其中的難點(diǎn)在于如何提供QOS機(jī)制。在對(duì)802. 11的QOS改進(jìn)引入了不同算法能夠補(bǔ)充原有機(jī)制，主要目的在于能夠在無線局域網(wǎng)Mac層上更好地提供QOS服務(wù)。

［1］肖慧華，燕佳靜.無線局域網(wǎng)中Mac層QOS算法［J］.科技廣場，2011（11）：38-41.

［2］李杰.無線局域網(wǎng)Mac協(xié)議性能分析與研究［D］.杭州：浙江理工大學(xué)，2014.

Discussion of Mac Layer QOS Mechanism in Wireless Local Area Network

Zhang Yixin
（Shanxi Academy of Medical Sciences， Taiyuan 030032， China）

At present， the most popular wireless access scheme is wireless local area network （LAN）， but in practical application，WLAN protocol in QOS support in the process is very limited， thus leading to difficult to implement some of the higher demand of QOS application. Wireless LAN Mac layer belongs to the key sub protocol layer， to control and coordination of wireless nodes， to the network medium access. An urgent problem need to resolve is how to provide the QOS service in a precarious physical media and limited network resources based on the Mac layer. Therefore， this paper briefly describes the wireless local area network layer QOS technology difficulties，functions and limitations， and then on this basis exploring the wireless local area network Mac layer selection QOS strategy.

wireless local area network； Mac layer； QOS mechanism

張譯心（1983— ），女，山西太原。