802.11w协议介绍 

 文/郭晓 

 ——网络老爬虫（无线新技术专题）

1      802.11e技术的起源

相对于有线网络，最初的WLAN技术是为满足用户的数据传输而设计的，根本没有考虑多业务承载，没有类似有线网络中各种丰富的QoS机制来保证各种业务数据的处理，主要体现在下面这几个方面：

WLAN采用的DCF调度模式是基于CSMA/CA原理，最终的效果是，所有用户发送的报文平等地竞争无线资源。WLAN无线网络的一个重要特点就是网络介质属于共享的，在同一个无线网络中的任意一个用户都有机会抢占网络资源，如果在某一时刻同时有多个用户使用网络，则就会引起冲突，该现象类似于有线网络中HUB，可以说，处于同一个BSS的用户都是属于同一个广播域中。

由于没有区分业务优先级的机制，造成AP和终端在对外发送报文时对报文按同等优先级对待。当发生流量拥塞时，需要优先处理的报文（例如语音报文）和普通的报文（例如浏览网页的报文）会按相同的概率被丢弃。没有类似有线网络中多优先级多队列机制来解决不同业务优先级用户对网络资源的抢占、使用。

WLAN无线网络中没有优先级或队列机制，导致有线网络的QoS机制在进入WLAN网络之前就已经终结，不能为终端用户提供端到端的QoS服务。

后来IETF 802.11工作组制订了WLAN网络的QoS技术，即802.11e。802.11e实现比较复杂，在正式标准发布前，WI-FI联盟（Wi-Fi联盟是一个非牟利国际协会，旨在认证基于IEEE 802.11规格的无线局域网产品的互操作性和推动wireless新标准的制定）在802.11E-draft 6.0（2003）的基础上制订了WMM（Wireless Multimedia Enhancements），目的是为了实现不同厂家pre 802.11e产品之间的互通。WMM只是对802.11E协议的某些字段作了修改和增强，整个机制可以认为是和802.11e一致的，可以看成是802.11e的一个子集。WMM效果图如下：

2      WMM机制

对于信道访问，DCF（Distributed Coordination Function）使用下面的机制控制：虚侦听、延迟访问、随机退避。

STA（Station）得到信道访问权后，完成一个报文传输，继续使用信道的话，还需要再进行一次信道竞争。

Figure 1—Some IFS relationships

EDCA（Enhanced Distributed Channel Access）机制是DCF的改进版，对DCF的修改如下：

•          单发送队列改为多发送队列(AC，Access Category) 。

•          延迟访问时间不再是固定的DIFS（Distributed Coordination Function (DCF) Interframe Space），而是每个队列一个AIFS（Arbitration Interframe Space）。

•          CW变化范围不再是统一的,而是每队列一个。

•          获取信道后获得的不再是一个报文的传输机会，而是一个时间段的传输机会TXOP（Transmission Opportunity）。

下面分别对EDCA改进涉及到的主要方面进行介绍。

EDCA对DCF的改进－多队列机制：

•          EDCA定义了4种AC来支持QSTA中不同优先级的业务传输。

•          信道竞争的基本单位是AC，又称为EDCAF。

•          每个AC可以使用不同的EDCA参数。

•          EDCAF竞争到的是TXOP。

EDCA对DCF的改进－队列映射：

QoS 数据报文里面携带了UP，根据UP按照上面的对应表将不同的报文放入不同的底层队列，UP的值由上层定义。

EDCA－延迟访问

•          DCF里为实现延迟发送，定义了SIFS、DIFS及EIFS。

•          AIFS (Arbitration IFS) EDCA新增的等待时间：

–  QSTA使用AIFS发送数据帧和管理帧及某些控制帧。

–  工作于EDCA模式的QSTA要获得传输机会时，必须等待信道空闲的时间。

–  工作在EDCA模式的QSTA中有四个AC，每个AC都有一个AIFS,即每个QSTA中存在有四个AIFS[AC]。

EDCA－随机退避

•          当 QSTA 在竞争EDCA TXOP时，应在监测完信道空闲后，执行随机退避。

•          随机退避时间以 SlotTime 为单位，用一个减计数器保存，初始值为随机整数，在每个时隙时间段内，媒体为空闲，退避计时器减1。

•          对于每个AC，有不同的CWmin[AC]及CWmax[AC]。

•          竞争窗口参数CW[AC]取值为CWmin[AC]到CWmax[AC]之间的某一个整数。

•          CWmin[AC]到CWmax[AC]是由AP通过报文下发给STA的。

TXOP

•          TXOP是QSTA有权在wireless medium (WM)上发送帧交换序列的时隙时间。通过开始时间和最大周期来定义。

•          TXOP以32微妙为单位，表示允许的最大TXOP周期。

•          TXOP为0表示只允许传输一个MPDU，及包括可能的RTS/CTS和ACK。

EDCA TXOP

•          QAP通过Beacon帧和探询响应帧中的EDCA参数来告知TXOP的最大持续时间值。

•          TXOP的持续时间指拥有TXOP的QSTA连续控制信道的时间，其中包括对该QSTA所发送帧进行立即应答时的时间。

•          QSTA应确保它的TXOP的持续时间不会超出规则指定的TXOP最大持续时间。

•          在TXOP时间内，QSTA发送报文之间的间隔是SIFS。

•          TXOP是个时间段的概念，每个AC竞争到信道后，有权使用最长为TXOP Limit时长的信道，但是具体使用多少由AC自己确定，对于不超过TXOP Limit的实现由STA自己来保证。

•          TXOP时间长度只要不超过TXOP Limit,获得信道控制权的STA可以随意改变、使用，这个机制是通过NAV来实现。

WMM的多队列机制只是将BSS内部的流量分成了四类，将总带宽在四类之间进行了分配；但是流量类型划分的执行权在STA，所以对每个AC所分配的带宽还是被所有的STA公平竞争，在STA比较多的情况，高优先级的队列的效果也不能满足实际应用需求。为尽量保证高优先级队列的应用效果，WLAN QoS中引入了Admission Control（准入控制）机制。

Admission Control

IEEE802.11e 增加的准入控制（Admission Control），其作用是控制使用指定AC的QSTA数量和调节有效带宽，并且用来确保QSTA请求的占用信道的时间。Admission Control有两种类型，基于竞争的和基于无竞争（中心协调）的。

这种模式是针对每个AC的，是针对AC使用权的控制。STA在使用这个AC的参数发送数据前，需要获得AP的批准，否则只能使用低优先级的AC来发送数据.这种机制就保证了一个AC内的STA数量，从而也保证了这个AC内STA的网络性能。

QAP使用Beacon帧中的EDCA Parameter Set单元中某一AC下的ACM位置1，来表征对该AC启用Admission Control（准入控制）。

3      802.11e和有线网络QoS的差异

通过前面的介绍我们可以看出，WLAN QoS（即802.11e）相对于有线网络中传统的QoS机制，要简单得多，对业务流量的控制也没有传统的QoS做的全面。归纳起来，可以简单的概括为如下几个方面：

1、  带宽控制：有线网络中的QoS机制，可以根据用户的业务需求，严格控制用户访问网络的带宽；在WLAN网络中，QoS机制只能在一定范围内控制用户访问网络的带宽，而且在复杂的网络环境中，网络可用的实际总带宽也无法得到绝对保证。

2、  优先级控制：前面已经介绍过WMM的多队列机制只是将BSS内部的流量分成了四类，将总带宽在四类之间进行了分配；但是流量类型划分的执行权在STA，所以对每个AC所分配的带宽还是被所有的STA公平竞争。在STA比较多的情况下（高优先级AC队列服务已饱和），当有更多STA需要请求高优先级队列服务时，新加入的STA将会被CAC控制机制降级到低优先级队列，避免当前STA高优先级服务受到更大影响。

3、  时延保证：相对于有线网络，WLAN网络受限于图1中的竞争机制，时延保证是尽力而为。

综上所述，在WLAN网络中，为了提高网络的QoS能力，为用户提供优质服务，需要把WLAN QoS和传统的QoS结合起来，为终端用户提供端到端的QoS，这样才能真正满足用户的业务需求。