Mac80211定时器

最近学习了ns2中Mac802_11的实现代码，对802.11工作机制和ns中的定时器机制有了一些粗浅认识，特分享如下，不足之处恳请指教！

PS：本文只简单介绍Mac802_11相关的定时器原理和作用，具体的使用过程和Mac802_11函数流程因为已经有大牛们写过，在此不再赘述。可以上百思论坛NS区搜索相关文献，地址http://www.baisi.net/forum-440-1.html。

一. Mac802_11定时器相关类介绍

类图如下：

图1 NS2中Mac802_11定时器相关类结构图

PS：在~ns\Common\Timer-handler.[h,cc]中定义了一个TimerHandler类，该类是ns中的通用定时器，不过MAC中并未使用它，而是自行定义一些功能和机制与其相似的timer。

重要类介绍（以下类定义位置均在 ~ns\Mac\Mac-timers.[h,cc]）：

1. MacTimer : Handler

作用概述：

1）Mac802_11中timer的共同父类；   

2）派生自Handler类，因此定时器就可以作为Scheduler::schedule(Handler*, Event*, double delay)方法中的Handler*参数传递给事件调度器，从而作为超时后的事件处理器。

重要属性/方法：

1) protected Mac802_11 *mac;

    用于timer调用mac的对应超时处理方法，timer的构造函数以Mac802_11类实例的指针为参数，并将其赋值给mac。

2) public virtual void start(double time)

   {

      ...  //设置timer状态，记录时间

      s.schedule(this, &intr, rtime);  

      //this为timer自己的引用；rtime为timer的计时时长；&intr为Event类型，用于标记此定时器事件

   }

    start()最终调用schedule()，使事件调度器在经过rtime时间之后通知timer处理超时，以此实现了定时和超时通知的，即定时器的能力实际是由基于时间的事件调度器来实现的。

3) public virtual void stop()

    主要调用了Scheduler::cancel(&intr)方法，取消调度器中的该定时器事件，并重置timer状态。

4) public inline double expire()

    {

       return ((stime + rtime) - Scheduler::instance().clock());

    }

    区别于NS的通用定时器TimerHandler::expire()，此方法仅用于返回距离定时器超时还有多久时间。

2. BackoffTimer : MacTimer

作用概述（结合IEEE802.11中的描述，参见图1.2）：

图1.2 IEEE802.11定时机制示意图

1) 用于竞争退避机制：在检测到介质持续空闲了一个DIFS（DCF InterFrame Space）或EIFS（Extended InterFrame Space）时长后，如果此时站点STA的回退计时器backoff timer为零，则STA将产生一个随机回退时间而不是立即接入，从而减少多个等待的STA在DIFS后同时接入而产生冲突；不为零时则继续按照回退计时器内容等待。

2) Backoff Time = Random() × aSlotTime；

3) Random()——返回[0,CW]之间的一个随机整数，CW为当前竞争窗口大小；

4) 在DIFS或EIFS结束后STA继续检测介质，每检测完一个空闲aSlotTime时长回退计时器就减一；若在回退计时器还在计时工作的期间检测到介质忙，则暂停回退计时器，待介质重新空闲且持续DIFS或EIFS后，回退计时器才继续。

5) 回退计时器减为零时，立即开始信道占用。

重要属性/方法：

1) public void handle(Event *e)

   { 

       ...  // 重置timer状态

       mac->backoffHandler() // 调用Mac802_11对应超时处理方法

   }

   BackoffTimer超时的处理方法，将真正的backoff超时处理交给Mac802_11完成。

2) public void start(int cw, int idle)

   { 

      ...

      rtime = (Random::random() % cw) * mac->phymib_.getSlotTime();  // 生成随机回退时间

      ...

      if(idle == 0)

          paused_ = 1;  // 当前信道不空闲，则暂停BackoffTimer，实际最终会触发pause()方法

      else {

          assert(rtime >= 0.0);

          s.schedule(this, &intr, rtime);  // 信道为空闲，开始回退计时

      }

   }

  该方法即可用于启动新的回退计时，也可用于“暂停”当前回退计时。

3) public void pause()

   {

      ... // 计算剩余回退时隙数slots

      rtime -= (slots * mac->phymib_.getSlotTime());  // 修改超时时间

      s.cancel(&intr);  //取消调度器中的该定时事件，从而达到暂停计时的目的

   }

  该方法为暂停BackoffTimer所做的实际操作。

4) public void resume(double difs)

   {

     ...

     difs_wait = difs;  // 重置difs间隔时长

     s.schedule(this, &intr, rtime + difs_wait);  // 恢复回退计时

   }

  该方法用于重置difs间隔并恢复BackoffTimer的计时；

3. DeferTimer : MacTimer

作用概述（结合IEEE802.11中的描述，参见图1.2）：

1) 用于表示接入信道需要延迟的时间（不包括回退时间）

2) 当STA监听信道时正确接收到了RTS/CTS等信息时，会得知当前信道将被占用的时长，该时长加上DIFS或EIFS时长即为需要延迟接入的时间defer time。

4. NavTimer : MacTimer

作用概述（结合IEEE802.11中的描述，参见图1.2）：

1) Nav是一个由每个基站各自维护的指示器，它指示基站不能在无线介质上发起传输的时间段，无论基站是否检测到介质忙；

2) MAC采用的是虚拟载波监听（区别于物理层的物理载波监听），因此需要NAV以及物理载波监听结果来联合决定介质的空闲与否；

3) NAV就像一个以恒定速率递减的计数器，当计数器不为零时，虚拟载波监听认为介质忙，为零时认为空闲。

4) STA通过接收其它STA发送的帧里的Duration/ID域来更新NAV——当该值大于当前STA的NAV值且该帧不是发给这个STA的时候，就以新的值设置NAV。

5) NAV用于实现虚拟载波监听，它关注介质的忙状态（它在介质忙的时候递减）；而backoff timer用于实现回退机制以减少冲突，它关注介质的空闲状态（它在介质空闲的时候递减）。

 

5. RxTimer : MacTimer

作用概述：

1) Mac802_11定义的定时器，用于模拟接收一个完整分组所花的接收时延；

2) 在接收分组时启动，Mac802_11进入MAC_RECV状态，在定时器超时前若又有其它分组到来则会改变mac状态；在定时器超时后检查mac状态即可得知分组是否正确接收完。

6. TxTimer : MacTimer

作用概述：

1) 发送方发出一个消息后需要得到相应回复，如CTS/ACK等；该定时器即被发送方用于对回复信息的计时；

2) 在Mac802_11::transmit()方法中启动，定时器超时后表示在规定时间内没有收到回复，调用Mac802_11::sendHandler()，进而调用Mac802_11::send_timer()，根据发送状态判断是否需要重传以及重传何种类型的消息（RTS/CTS/DATA/ACK）。

7. IFTimer : MacTimer

作用概述：

1) Mac802_11定义的定时器，用于模拟发送一个完整分组所花的发送时延；

2) 在Mac802_11::transmit()方法中启动，定时器超时后表示分组已经发送成功，调用Mac802_11::txHandler()，其中调用mac层trace对象EOTtarget_->recv(eotPacket_, (Handler *) 0)，并设置mac的发送状态tx_active_为0。

上述3至7号timer的属性/方法较简单且相似，统一介绍如下：

1）public void handle(Event *e)

  { 

     ...  // 重置timer状态

     mac->XXXHandler()  // 调用Mac802_11对应超时处理方法，XXX通常为timer名称

  }

  XXXTimer超时的处理方法，将实际的超时处理交给Mac802_11:: XXXHandler()方法完成。

二. 总结

NS中定时器工作机制总结如下：

1. 先通过定时器的start(time)方法，向Scheduler中加入延迟为time的事件，事件的处理器为Timer自己；

2. 延迟time时间之后，Scheduler调度Timer的handle()方法，表示定时器超时，进而实现定时器超时处理；

3. 超时前可以调用Timer的stop方法，进而调用Scheduler::cancel(e)方法，取消定时器计时事件。