李龍鎮(zhèn)

（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(wǎng)得到了廣泛的應(yīng)用，比如QQ 和微信等都可通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng),且微信支付等各種支付方式已經(jīng)深入到人們的日常生活當中。但無線局域網(wǎng)的傳輸請求RTS(Request To Send)以及清除請求CTS(Clear To Send)對無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)控制協(xié)議基礎(chǔ)之上，利用OPNET[1][2]網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對無線局域網(wǎng)的平均延遲時間進行了詳細的分析，導(dǎo)出傳輸請求RTS 和清除請求CTS 以及分包(Fragmentation)對無線局域網(wǎng)絡(luò)的平均延遲時間以及網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率的影響。

1 無線局域網(wǎng)802.11 介質(zhì)訪問控制協(xié)議

1.1 以太網(wǎng)802.3 介質(zhì)訪問控制協(xié)議

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

CSMA/CD 介質(zhì)訪問控制協(xié)議的基本原理是：以太網(wǎng)上任意站點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先偵聽以太網(wǎng)是否是空閑，如果是就發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)過程中保持監(jiān)聽信道，如果發(fā)現(xiàn)沖突，即信道的數(shù)據(jù)和自己發(fā)送的數(shù)據(jù)不同，則立刻停止發(fā)送，并等待一個隨機時間后，繼續(xù)監(jiān)聽信道，等待信道空閑。

1.2 無線局域網(wǎng)802.11 介質(zhì)訪問控制協(xié)議

無線局域網(wǎng)是指采用電磁波為傳輸介質(zhì)的計算機局域網(wǎng)絡(luò)，最初實現(xiàn)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(wǎng)。由此介質(zhì)訪問控制協(xié)議從純ALOHA 開始發(fā)展到CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)，無線局域網(wǎng)使站點具有可移動性，可快速實現(xiàn)架構(gòu)有線局域網(wǎng)所遇到的地理困境問題，無線局域網(wǎng)有若干個特點：具有移動方便的特點，擴展能力強，建網(wǎng)方便，管理容易，組網(wǎng)速度快，不受自然環(huán)境、地形及災(zāi)害的影響，手機、平板電腦的發(fā)展使對無線局域網(wǎng)特性的研究變得更加迫切。

正因為無線局域網(wǎng)采用電磁波作為傳輸介質(zhì)，因此有其自身的獨特性質(zhì)。和有線局域網(wǎng)比較主要問題聚焦在介質(zhì)訪問控制協(xié)議中的發(fā)送請求RTS 和CTS 清除請求問題上。如圖1 所示，如果站點A 發(fā)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(fā)現(xiàn)信道為空，可能都發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致在接入點AP 信號發(fā)生沖突，而A 站點和B 站點卻不為所知，即有可能導(dǎo)致隱藏站點和暴露站點問題。為了避免這種情況發(fā)生，802.11 介質(zhì)訪問控制協(xié)議規(guī)定每個無線站點發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先發(fā)送一個RTS 短幀，接收方收到這個短幀后就回應(yīng)一個CTS 短幀，以通知其它隱藏站點正在進行數(shù)據(jù)通信。

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

圖1 無線局域網(wǎng)站點模擬圖

2 利用OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進行仿真分析

用于仿真的無線局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)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(wù)器。 其中移動站點的模型為：wlan_station_adv，工作模式為：802.11g,數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wù)器的模型為：ethernet_server，無線網(wǎng)絡(luò)的范圍為100 平方米，整個無線局域網(wǎng)仿真用重負載FTP 進行仿真測試。

圖2 無線局域網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

3 仿真結(jié)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(shù)據(jù)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(jié)果，在仿真過程中，我們設(shè)定RTS 的門限為1024 個字節(jié)，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(wǎng)絡(luò)通信，如果站點數(shù)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(wǎng)的平均吞吐率的仿真結(jié)果，以RTS 門限為1024 個字節(jié)，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(tǒng)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(jié)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(fā)送或接受的分組大小過大導(dǎo)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(wǎng)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(jié)果圖。設(shè)計時設(shè)定分包大小為1024 個字節(jié)，并采用傳輸請求RTS 和清除請求CTS 機制，從仿真結(jié)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(wǎng)的數(shù)據(jù)通信。圖6 是分包對無線局域網(wǎng)的平均吞吐率的仿真結(jié)果，采用分包大小為1024 個字節(jié)，從仿真結(jié)果圖中可以看出，分包對系統(tǒng)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(jié)果

圖5 分包對平均延遲時間影響的仿真結(jié)果

圖6 分包對平均吞吐率影響的仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過利用OPNET 仿真軟件對無線局域網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)的平均延遲時間和平均吞吐率的影響，無線網(wǎng)絡(luò)采用了50 個站點，仿真結(jié)果表明傳輸請求RTS 和清除請求CTS 對無線局域網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)中的接入點以及各個站點的發(fā)送功率足夠大，可不采用傳輸請求RTS 和清除請求CTS 協(xié)議，能夠稍微提高無線局域網(wǎng)的傳輸效率，無線局域網(wǎng)特性的研究范圍內(nèi)容很廣，有待于以后更加深入的分析和探討。