第3章 MAC层协议
无线传感器网络mac协议中退避算法的分析
摘要在无线传感器网络中，介质访问控制（MAC）协议决定了无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构，对传感器网络的性能有较大影响。
相对于有线网络，无线环境下的MAC技术要面对更多的问题，尤其对于能量受限、频率资源宝贵和网络拓扑结构动态变化的无线传感器网络而言，设计一种节能高效的MAC协议至关重要。
本文从网络信道分配方式的角度，对MAC层协议进行了分类，介绍了几种比较典型的MAC协议，并对它们进行了分析比较；在对MAC层能量消耗的主要原因进行分析的基础上，对基于竞争机制的MAC协议中的退避机制进行了探讨，通过借鉴无线网络中相关的退避算法，给出了一种无线传感器网络MAC层退避机制的改进方案。
改进的退避算法的基本思想是通过加入初始竞争窗口的参数，采用时隙利用率对当前信道的忙闲状态进行评估，使节点能够根据当前网络信道的状况来调整其竞争窗口的大小，减少发送数据冲突的同时，提高了能量利用率和系统吞吐率。
仿真中，本文将改进的退避方案在无线传感器网络基于竞争机制的具有代表性的MAC层协议S-MAC中加以应用，完成了改进算法在NS-2中的仿真实现，实验表明改进后的退避方案在能量消耗、吞吐量等方面的性能有很好的提高。
本文最后对所做工作进行了总结，并提出了今后的研究方向，如在硬件实验平台上进行实际性能的测试，对改进算法进行进一步的探讨，使之能适应不同拓扑的网络结构等。
关键词：无线传感器网络MAC协议竞争机制退避算法AbstractIn wireless sensor networks，medium access control (MAC) protocols allocate limited radio resource among sensor nodes and construct infrastructure. MAC protocols have a great influence on the performance of wireless sensor networks. Compared to cable networks, MAC technology in wireless condition faces more problems, especially for wireless sensor networks with constrain of energy, valuable resources of the frequency and dynamic changes of network topology, so it is crucial for the design of MAC protocols to achieve a highly energy-saving and efficient performance.Firstly, the analysis and compare of the typical MAC protocols (IEEE802.11、S-MAC、IEEE802.15.4 etc.) are introduced in this thesis. Then, based on the analysis of the energy consumption and performance evaluation indicators of MAC protocols, the thesis discusses the backoff strategy in MAC protocols with competition mechanism, and proposes a new backoff strategy The new backoff strategy brings forward a conception that the competition window changes dynamic. According to the new algorithm, the node in WSN can adjust its competition window adaptively based on the evaluation of the current network channels condition. The essential idea of the improved backoff algorithm is to evaluate the busy condition of the current channel according to the use rate of time slots, by adding a new parameter to the new algorithm which decreases the packets collision as well as improves the energy efficiency and the network throughput. The thesis applies the new algorithm into S-MAC protocol, which is a representation of MAC protocols with competition mechanism, and carries it out in NS-2, a network simulation tool, for simulation. The simulation results show that, in contrast with S-MAC protocol, the new algorithm puts up better performance on energy saving and mean throughput of the wireless networks.Finally, the thesis draws conclusions by summarizing the main contributions of the research and present directions of future work including its implement on hardware platform for experiments to test its practical performance, making it adaptive for other network topology by further study.Keyword: Wireless Sensor Networks MAC protocol Competition Mechanism Backoff Algorithm目录摘要 (I)Abstract (II)1 引言1.1 课题的背景 (1)1.2 研究现状及意义 (3)1.3 本文的研究工作和组织结构 (4)2 无线传感器网络MAC协议的分析2.1 无线传感器网络协议体系 (6)2.2 无线传感器网络现有MAC协议分析 (7)2.3 MAC协议设计的关键问题 (15)2.4 本章小结 (16)3 MAC层协议中改进退避方案的提出与设计3.1 基于竞争机制的MAC协议相关理论 (18)3.2 MAC层协议退避算法分析及改进 (20)3.3 本章小结 (37)4 改进算法的仿真实现与性能分析4.1 改进算法的仿真测试 (38)4.2 算法性能分析 (45)4.3 本章小结 (49)5 总结 (50)致谢 (52)参考文献 (53)1 引言1.1 课题的背景无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物，是一种全新的信息获取和处理技术，被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类社会未来的生活方式产生巨大影响。
计算机网络 第三章 数据链路层
3.4 使用广播信道的以太网 3.4.1 使用集线器的星形拓扑 3.4.2 以太网的 MAC 层
第 3 章 数据链路层（续）
3.5 扩展的以太网 3.5.1 在物理层扩展以太网 3.5.2 在数据链路层扩展以太网
数据链路层像个数字管道
常常在两个对等的数据链路层之间画出 一个数字管道，而在这条数字管道上传 输的数据单位是帧。
结点
帧
帧
结点
早期的数据通信协议曾叫作通信规程 (procedure)。因此在数据链路层，规程 和协议是同义语。
3.1.2 三个基本问题
(1) 封装成帧 (2) 透明传输 (3) 差错控制
计算机网络
第 3 章 数据链路层
第 3 章 数据链路层
3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路和帧 3.1.2 三个基本问题
3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的主要特点 3.2.2 PPP 协议的帧格式 3.2.3 PPP 协议的工作状态
第 3 章 数据链路层（续）
逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control) 子层
媒体接入控制 MAC (Medium Access Control) 子层。
与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC 子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关， 不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层 来说都是透明的
零比特填充
PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步 传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协 议采用零比特填充方法来实现透明传输。
在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填 入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每 当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的 一个 0 删除，
第三章数据链路层参考答案（《计算机网络》第五版
3-01 数据链路(即逻辑链路)与链路(即物理链路)有何区别? “电路接通了”与”数据链路接通了”的区别何在?答：数据链路与链路的区别在于数据链路出链路外，还必须有一些必要的规程来控制数据的传输，因此，数据链路比链路多了实现通信规程所需要的硬件和软件。
“电路接通了”表示链路两端的结点交换机已经开机，物理连接已经能够传送比特流了，但是，数据传输并不可靠，在物理连接基础上，再建立数据链路连接，才是“数据链路接通了”，此后，由于数据链路连接具有检测、确认和重传功能，才使不太可靠的物理链路变成可靠的数据链路，进行可靠的数据传输当数据链路断开连接时，物理电路连接不一定跟着断开连接。
3-02 数据链路层中的链路控制包括哪些功能?试讨论数据链路层做成可靠的链路层有哪些优点和缺点.答：链路管理帧定界流量控制差错控制将数据和控制信息区分开透明传输寻址可靠的链路层的优点和缺点取决于所应用的环境：对于干扰严重的信道，可靠的链路层可以将重传范围约束在局部链路，防止全网络的传输效率受损；对于优质信道，采用可靠的链路层会增大资源开销，影响传输效率。
3-03 网络适配器的作用是什么?网络适配器工作在哪一层?答：适配器（即网卡）来实现数据链路层和物理层这两层的协议的硬件和软件网络适配器工作在TCP/IP协议中的网络接口层（OSI中的数据链里层和物理层）3-04 数据链路层的三个基本问题(帧定界、透明传输和差错检测)为什么都必须加以解决？答：帧定界是分组交换的必然要求，透明传输避免消息符号与帧定界符号相混淆，差错检测防止合差错的无效数据帧浪费后续路由上的传输和处理资源3-05 如果在数据链路层不进行帧定界，会发生什么问题？答：无法区分分组与分组，无法确定分组的控制域和数据域，无法将差错更正的范围限定在确切的局部3-06 PPP协议的主要特点是什么？为什么PPP不使用帧的编号？PPP适用于什么情况？为什么PPP协议不能使数据链路层实现可靠传输？答：简单，提供不可靠的数据报服务，检错，无纠错不使用序号和确认机制地址字段A 只置为 0xFF。
第三章数据链路层
定义：在星形拓扑中， 每个设备只与中心控 制器有点到点专用链 路。设备并不互相连 接。中心控制器通常 为集线器Hub。 HUB是一个共享设备，主要提供信号放大和中转 的功能，它把一个端口接收的所有信号向所有端 口分发出去。一些集线器在分发之前将弱信号加 强后重新发出，一些集线器则排列信号的时序以 提供所有端口间的同步数据通信。
连接中设备间相互关系：
对等式：设备平等地共享链路。如环形、 网状拓扑。
主从式：由一个设备控制通话而其他设备 必须通过它进行传输。如星形、树形拓扑。 总线式拓扑适合于任意一种模式。
1、Mesh Topology（网状拓扑） 定义：在网状拓扑中，设备之间实现点对点连接， 每条链路只承载所连接的两站点之 间的通信流量。
CRC是基于二进制除法的。 定义
CRC是通过在数据单元末尾附加一串循环冗余码 或循环冗余校验余数使得整个数据单元可被另一个预 定二进制数(生成函数)所整除。在传输终点，用同一 个数去除输入的数据单元。如果此时不产生余数，则 认为数据单元完全正确，接受该数据单元。有余数则 意味着该数据单元在传输过程中被破坏而拒绝该数据 单元。
余数为0， 所以码字正确。
② 因生成码共5位，所以： 冗余码有4பைடு நூலகம்，为1001 ；
信息码是：110011。
注意：
循环冗余校验CRC只能做到差错检测而不能进行 差错纠错。 循环冗余校验CRC只能做到无差错接受，即“凡 是接收端数据链路层接受的帧，都以非常接近于1的 概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。 但要使传输到接收端的帧无差错、无丢失、无重 复，按发送顺序接受，就必须加上确认和重传机制。
到达接收方的数据单元首先是数据，然后是 CRC码，接收方将整个数据串(数据+CRC码)当作 一个整体去除以用来产生CRC码的同一个除数。 如果数据串无差错到达接收方，则产生余数0， 数据单元将通过校验；如果在传输中数据单元被改 变，则除法将产生非零余数，数据单元将不能通过 校验。
第3章-MAC协议
3.1.3．通信模式 传感器网络是与应用高度相关的。不同的网络结构、不同的应用场 景和目的，其业务特征呈现多样性，需要采用不同的通信模式，以更 有效地交换业务。基于不同的业务特征，MAC协议对不同通信模式的 支持，可以有效减少节点能耗。所以对不同通信模式的支持与否，也 是衡量MAC协议能量有效性的重要因素。
三种帧间间隔
当信道空闲时间大于 DIFS时使用信道
DIFS
信道忙
DIFS PIFS SIFS
竞争窗口
退避窗口 时间槽
下一帧 时间
推迟发送
CSMA/CA的基本访问机制
二进制随机退避机制
随机退机制
3.3.2 S-MAC协议
（4）消息传递（分片传输机制）
如果在发送长信息时由于几个比特错误造成重传，则会造成 较大的延时和能量损耗，如果简单地将长包分段，则又会由 于RTS/CTS的使用形成过多的控制开销。基于此，SMAC提 出了“消息传递”机制。将长的信息包分成若干个DATA， 并将它们一次传递，但是只使用一个RTS/CTS控制分组作为 交互。节点为整个传输预留信道，当一个分段没有收到ACK 响应时，节点便自动将信道预留向后延长一个分段传输时间 ，并重传该分段，整个传输过程中DATA和ACK都带有通信 剩余时间信息，邻居节点可以根据此时间信息避免串扰。
传统网络的MAC协议不适用于WSN。
3.1.2 MAC协议设计面临的问题
①空闲监听：
因为节点不知道邻居节点的数据何时到来，所以必须始终保持自己 的射频部分处于接收模式，形成空闲监听，造成了不必要的能量损 耗；
②冲突（碰撞）：
如果两个节点同时发送，并相互产生干扰，则它们的传输都将失败 ，发送包被丢弃。此时用于发送这些数据包所消耗的能量就浪费掉
移动通信第3章 多用户接入技术
信道分配问题
静态信道分配或基于分配的MAC 协 议。（同步） 动态信道分配或基于竞争的MAC 协 议。（异步） 混合MAC 协议（合并静态和动态信 道分配）
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3.4.1 基于分配的协议
在同步传输媒介中使用排序算法。 发送schedule 决定了某时隙中允许哪个节点发送数据。 大多数情况下不会发生碰撞（但有例外情况！） 在负载重时进行预测，但在负载轻时不做预测，数据包时 延明显比基于竞争的协议大。 在各种负载条件下都浪费带宽资源。 基于分配的协议举例：
双工装置简单； 一个方向上的信号传输可用于另一个方向 的信道测量； 上下行链路之间的带宽分配灵活； 需要同步，并要考虑收发无线切换的时间； 需保护时隙来防止上下行时隙混叠； 引起额外的延时和缓冲器的开销。
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码分双工-CDD
半正交码不能克服“远近效应”； 正交码的正交性在多径信道中被恶 化； 在任何现有系统中没被采用过。
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混合协议
两种以上协议的结合。 可结合基于分配和基于竞争两类协议的最佳特性。 通常很复杂（但是是很好的解决方案）。 一个好的混合协议喜欢在低负载时采用基于竞争的协议， 而在高负载采用基于分配的协议。 混合协议举例：
缺点：
需严格的系统定时同步； 系统是时隙受限和干扰受限的； 多径恶化了时隙的正交性； 通常需采取措施减轻ISI 的影响； 空闲信道可能被浪费； 短时传送信号使均衡和动态资源分配困难。
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码分（CD）
通常用正交或准正交码来调制每个用户的信号，接收机则根据用户的 专用码分离用户。 优点：
第三章数据链路层
第三章数据链路层重点内容（⼀）数据链路层的功能（⼆）组帧（三）差错控制1、检错编码2、纠错编码（四）流量控制与可靠传输机制1、流量控制、可靠传输与滑动窗⼝机制2、停⽌-等待协议3、后退N帧协议（GBN）4、选择重传协议（SR）⼀、使⽤点对点信道的数据链路层1、数据链路和帧链路是⼀条⽆源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点数据链路除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。
若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路常常在两个对等的数据链路层之间有⼀个数字管道，⽽在这条数字管道上传输的数据是帧2、基本问题（功能）（1）封装成帧封装成帧就是在⼀段数据的前后分别添加⾸部和尾部，这样就构成了⼀个帧。
接收端在收到物理层上交的⽐特流，就能根据⾸部和尾部的标记，从收到的⽐特流区别帧的开始和结束（⾸部和尾部还夹杂着控制信息）数据链路帧的特点数据部分的前⾯和后⾯分别添加上⾸部和尾部，构成⼀个完整的帧。
帧是数据链路层的数据传送单元。
⾸部和尾部还包括许多必要的控制信息每⼀种链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限——最⼤传送单元MTU⼀个控制字符SOH放在⼀个帧的最前⾯，表⽰帧的⾸部开始。
另⼀个控制字符EOT表⽰帧的结束（⼀般情况下，⾸部和尾部的长度加起来⼀般⼩于原始报⽂的长度）（2）透明传输“在数据链路层透明传输数据”表⽰⽆论什么样的⽐特组合的数据都能够通过这个数据链路层链路采⽤字节填充法，来确保上⽅情况的发⽣（3）差错检测传输错误的⽐特占所传输⽐特总数的⽐率称为误码率BER。
例如，误码率为10的负⼗次⽅时，表⽰平均每传送10的⼗次⽅个⽐特就会出现⼀个⽐特的差错在计算机⽹络传输数据时，必须采⽤各种差错检测措施。
⽬的在数据链路层⼴泛使⽤了循环冗余校验技术（CRC）CRC①在发送端，先把数据划分组，假定每组k个⽐特。
现假定待传送的数据M=1010001101（k=10）。
CRC运算就是在数据M的后⾯添加供差错检验⽤的冗余吗，然后构成⼀个帧发送出去，⼀共发送（k+n）位设n=5，P=110101（P是除数），模2运算的结果是：Q=1101010110余数R=01110将余数R作为冗余码添加在数据M的后⾯发送出去，即发送的数据是101000110101110，或2的n次⽅乘以M+R在数据后⾯添加上的冗余码称为帧检验序列FCS循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同CRC是⼀种常⽤的检错⽅法，⽽FCS是添加在数据后⾯的冗余码FCS可以⽤CRC这种⽅法得出，但CRC并⾮⽤来获得到FCS的唯⼀⽅法②在接收端把接收到的数据以帧为单位进⾏CRC检验：把收到的每⼀个帧都除以同样的除数P（摸2运算），然后检验得到的余数R③在接收端对收到的每⼀帧经过CRC检验后，有以下两种情况：（a）若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受（b）若余数R≠0，则判定这个帧有差错，（但⽆法确定究竟是哪⼀位或哪⼏位出现了差错），就丢弃仅⽤循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到⽆差错接受“⽆差错接受”是指：“凡是接受的帧（不包括丢弃的帧），我们都能以⾮常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产⽣差错”。
【网络体系结构与协议-】第三章：协议
Algorithms
在共享型网络上，找出网络层地址指定站点的MAC 地址
其它类型网络上，找出到达网络地址指定站点的通信 方法
Full Cooperative or Part Cooperative Protocol
协议实现
不定
ARP首部
无
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Typical Protocol – RIP
协议实现
可变多域、可变长报文 请求—响应 有定时要求
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Typical Protocol –MAC(以太网)
Objectives
总线形组网环境下各站点间的相互帧传输
Functions
无连接通信，适应任意站点间灵活传输 高性能的总线信道利用率
协议实体： 三大功能模块
服务接口 算法模块 下层接口
协议：信息交互规则
服务接口 算法模块 下层接口
服务接口：对上提供协议的服务 算法模块：协议功能实现的核心模块 下层接口：下层服务接口适配(可替换)
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Protocol Overview(4/4)
Protocol circumstances
有交互过程约束
有时间约束
Peer-to-Peer or Master-Slaves ④ 上层通信
网络协议 ④ 网络控制 ③ 子协议
PPP
链路控制
认证
子协议
子协议
①
②
PPP首部
Prot：区分不同上层协议
交互过程
2字节
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中职计算机网络-第3章-计算机网络技术基础
填空1、常见的三种拓扑结构总线型、星状、环状。
2、建立计算机网络的根本目的是实现数据通信和资源共享。
3、OSI参考模型共七层，由低到高分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层和表示层。
4、OSI模型的原语有四种类型，即请求、指示、响应和确认。
5、下层能够向上层提供的服务有两种基本形式：面向连接和无连接的服务，面向连接的服务又称为虚电路服务，无连接服务又称为数据报服务。
6、通信用的互联设备指数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）间的互联设备。
7、每次通信都要经过建立通信链路和拆除通信链路两过程，这种建立起来的数据收发关系就称为数据链路。
8、数据链路层的数据传输单位是帧。
9、常见的数据链路层设备有网卡、网桥和交换机。
10、数据链路层将本质上不可靠的传输介质变成可靠的传输通路提供给网络层。
11、数据链路层分为两个子层：逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。
12、网络层的主要功能是路由选择、流量控制、传输确认、中断、差错及故障的恢复等。
13、路由选择算法一类是自适应算法，另一类是非自适应算法。
14、传输层是资源子网与通信子网的界面和桥梁。
传输层下面三层面向数据通信，上面三层面向数据处理。
15、数据传送包括语义和语法两个方面的问题。
语义即与数据内容、意义有关的方面；语法则是与数据表示形式有关的方面。
16、传统局域网采用共享介质方式的CSMA/CD、令牌传递控制等方法。
17、在传统的广域交换网络的通信子网中，使用的数据交换技术有两种：电路交换技术和存储转发交换技术。
存储转发交换技术又包括报文交换和分组交换两种。
18、局域网标准主要是由IEEE制定的IEEE802系列标准。
19、常见的局域网标准有以太网、FDDI、ATM、无线局域网。
20、ATM信元结构由53B组成，53B被分成5B的头部和被称为载荷的48B信息部分。
21、在FDDI网络中，工作站、集中器和FDDI互连设备等都被称为站点。
《计算机网络技术及应用》教材部分复习提纲2014版
《计算机网络技术及应用》复习提纲一、教材内容复习资料1.第一章⏹计算机网络定义：计算机网络是将分散在不同地点且具有独立功能的起来，在网络协议和软件的支持下进行数据多个计算机系统，利用通信设备和线路相互连接通信，实现资源共享的计算机系统的集合。
1．两台或两台以上的计算机相互连接起来才能构成网络。
网络中的各计算机具有独立功能。
2．计算机之间要通信，要交换信息，彼此就需要有某些约定和规则，这些约定和规则就是网络协议。
网络协议是计算机网络工作的基础。
3．网络中的各计算机间进行相互通信，需要有一条通道以及必要的通信设备。
通道指网络传输介质，它可以是有线的（如双绞线，同轴电缆线等），也可以是无线的（如激光、微波等）。
通信设备是在计算机与通信线路之间按照一定通信协议传输数据的设备。
4．计算机网络的主要目的是实现计算机资源共享，使用户能够共享网络中的所有硬件、软件和数据资源。
⏹计算机网络分类按地理覆盖范围分类：局域网（Local Area Network 简称LAN）城域网（Metropolitan Area Network 简称MAN）广域网（Wide Area Network 简称WAN）按通讯介质分类：有线网（双绞线网、同轴线网、光纤网）无线网（微波通信、激光通信、卫星通信、红外线按通信传播方式分类：点对点传输方式的网络：由一对对机器间的多条传输链路构成。
信源与信宿之间的通信需经过一台和多台中间设备进行传输。
广播方式网络：一台计算机发送的信息可被网络上所有的计算机接收。
按拓扑结构分类：常用络拓扑结构：总线、星型、环形、树型等其它分类方式（详见教材）按网络的传输速率分类按网络中使用的操作系统分类按网络带宽分类按交换方式分类⏹计算机网络的功能1．数据通信：数据通信是计算机网络最基本的功能。
（1）传输文件（2）电子邮件、IP电话、视频会议、信息发布、交互式娱乐、音乐2．资源共享：组建计算机网络的主要目的是资源共享。
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各子域内容说明如下： 帧类型子域：占3位，000表示信标帧，001表示数据帧， 010表示确认帧，011表示MAC命令帧，其他取值预留。 安全使能子域：占1位，0表示MAC层没有对该帧做加 密处理；1表示该帧使用了MACPIB中的密钥进行保护。 数据待传指示：1表示在当前帧之后，发送设备还有数 据要传送给接收设备，பைடு நூலகம்收设备需要再发送数据请求命令来 索取数据；0表示发送数据帧的设备没有更多的数据要传送 给接收设备。
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3.1.2 帧结构 MAC帧，即MAC协议数据单元(MPDU)，是由一系列
字段按照特定的顺序排列而成的。其设计目标是在保持低复 杂度的前提下实现在噪声信道上的可靠数据传输。MAC层 帧结构分为一般格式和特定格式。
1. MAC帧的一般格式 MAC帧的一般格式，即所有的MAC帧都由以下三部分 组成：MAC帧头(MHR)、MAC有效载荷和MAC帧尾，如图 3-2所示。
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图3-2 MAC帧的一般格式
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MAC帧头部分由帧控制字段和帧序号字段组成；MAC 有效载荷部分的长度与帧类型相关，确认帧的有效载荷部分 长度为0；MAC帧尾是校验序列(FCS)。
1) 帧控制字段 帧控制字段的长度为16位，共分为9个子域。帧控制字 段格式如图3-3所示。
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图3-3 帧控制字段的格式
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4. 信标帧的同步 在信标帧使用的网络中(详见3.1.2节)，一般设备通过协 调器信标帧的同步来得知协调器里是否有发送给自己的数据； 另一方面，为了减少设备的功耗，设备需要知道信道何时进 入不活跃时段，这样设备可以在不活跃时段关闭射频，而在 协调器广播信标帧时打开射频。所有这些操作都需要与信标 帧精确同步。
同步。 处理和维护保证GTS(Guaranteed Time Slot，同步时隙)。 在两个对等MAC实体间提供可靠链路。
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MAC层包括MAC层管理实体(MLME)，可以提供调用 MAC层管理功能的管理服务接口，同时还负责维护MACPAN信息库(MAC-PIB)。MAC层参考模型如图3-1所示。
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2. PAN的建立和维护 在一个新设备上电的时候，如果设备不是协调器，它将 通过扫描发现已有的网络，然后选择一个网络进行关联。如 果是一个协调器设备，则扫描已有网络，选择空余的信道与 合法的PANID(Personal Area Network ID)，然后构建一个新 网络。当一个设备在通信过程中与其关联的协调器失去同步， 也需要通过扫描通知其协调器。为了实现这些功能， 802.15.4标准专门定义了四种扫描：ED信道扫描(ED SCAN)、 主动信道扫描(Active SCAN)、被动信道扫描(Passive SCAN) 和孤立信道扫描(Orphan Channel SCAN)。
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相关原语为MLME-SCAN.request和MLME-SCAN.confirm。 请求原语参数为扫描类型、扫描信道和扫描时间，确认原语 返回扫描结果。
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3. 关联和解除关联 关联即设备加入一个网络，解除关联即设备从这个网络 中退出。一般的设备(路由器或者终端节点)在启动完成扫描 后，已经得到附近各个网络的参数，下一步就是选择一个合 适的网络与协调器进行关联。在关联前，上层需要设置好相 关的PIB参数(调用PIB参数设置原语)，如物理信道的选择、 PANID、协调器地址等。
图3-1 MAC层参考模型
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MAC层通过MAC公共部分子层(MCPS)的数据 SAP(MCPS-SAP)提供MAC数据服务；通过MLME-SAP提供 MAC管理服务，这两种服务是通过物理层PD-SAP和物理层 (PHY)之间的接口来实现的。除了这些外部接口外，MCPS 和MLME之间还隐含了一个内部接口，用于MLME调用 MAC管理服务。MAC子层具体实现如下功能。
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第3章 MAC层协议
3.1 概述 3.2 竞争型MAC协议 3.3 分配型MAC协议 3.4 混合型MAC协议 3.5 MAC层与跨层设计 小结
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本章目标 理解MAC层功能。 掌握MAC层帧结构。 理解竞争型MAC协议。 掌握SMAC、TMAC、PMAC协议。 理解分配型MAC协议。 掌握SMACS、TRAMA、DMAC协议。 理解混合型MAC协议。 掌握ZMAC协议。 了解MAC层跨层设计。
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确认请求：占1位，1表示接收设备在接收到该数据帧或 命令帧后，如果判断其为有效帧就要向发送设备反馈一个确 认帧；0表示接收设备不需要反馈确认帧。
网内/网际子域：占1位，表示该数据帧是否在同一PAN 内传输，如果该指示位为1且存在源地址和目的地址，则 MAC帧中将不包含源PAN标识码字段；如果该指示位为0且 存在源地址和目的地址，则MAC帧中将包含PAN标识码和 目的PAN标识码。
3 学习导航
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3.1 概述
无线传感器网络中信号的传输主要依靠无线信道，介质 访问控制(MAC)协议决定无线信道的使用方式。MAC协议 通过传感器节点之间分配和共享有限的无线信道资源，构建 起无线传感器网络通信系统的底层基础结构。
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3.1.1 功能概述 IEEE802.15.4标准定义MAC子层具有以下几项功能： 采用CSMA/CA机制来访问信道。 PAN(Personal Area Network，个域网)的建立和维护。 支持PAN网络的关联(加入网络)和解除关联(退出网络)。 协调器产生网络信标帧，普通设备根据信标帧与协调器
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1. 支持CSMA/CA的工作 CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突检测)机制实际是在 发送数据帧之前对信道进行预约，以免造成信道碰撞问题。 CSMA/CA提供两种方式来对无线信道进行共享访问，工作 流程分别如下： 送出数据前，监听信道的使用情况，维持一段时间 后，再等待一段随机的时间后信道依然空闲，送出数据。由 于每个设备采用的随机时间不同，所以可以减少冲突的机会。 送出数据前，先送一段小小的请求传送RTS报文给目 标端，等待目标端回应CTS报文后才开始传送。利用 RTS/CTS握手程序，确保传送数据时不会碰撞。