（信号与信息处理专业论文）wifi网络研究及基于linux的测试平台的实现.pdf

摘要 摘要 w i f i 是i e e e 定义的一个无线网络通信的工业标准( i e e e8 0 2 1 1 ) 近年来， 随着无线局域网的应用范围越来越广泛，品种繁多的产品也相继出现，于是如 何对w i f i 无线设备和产品进行测试成为了一个新的关注点 同时，随着无线局域网越来越广阔的前景，对网络服务和产品质量的要求 也越来越高，于是拥有一个适合自身需求的f f i f i 网络设备测试平台对于运营商 已经成为了一个必需。虽然每个设备供应商都有相对完善的测试仪器和手段， 但通常价格昂贵且未必按照运营商的需求设计，因此，如何实现一个相对简易， 但功能强大而有效的测试平台显得十分重要 本文正是基于这样的背景，在对w i f i 网络的结构和原理进行研究的基础上， 对i e e e8 0 2 1 1 x 的不同职能进行了分析，并根据协议要求，提出了表征网络和 设备性能的主要参数，并将这些参数作为平台实时检测的目标进行测试 本文首先对已有设备进行改装，在实验室搭建了一个硬件模型；在l i n u x 系统下，通过课题所编写的程序以及对相关o p e n w r t 固件进行编译，实现了对 参数的采集、存储、提取、统计和显示，并可通过w e b 界面对测试结果进行实 时的远程访问，最终实现了一个有效的、功能强大的、完整的f f i f i 网络测试平 台。该平台已经在法国固网运营商n e u fc e g e t e l 公司的实验室得到了应用，其 测试结果也很好的证明了平台的有效性和功能的强大性利用测试数据，我们 可以看到理论值与实际性能的差别并试图找出原因加以改进。 关键词：w i f i ；无线局域网；i e e e8 0 2 1 1 ；测试平台 a b s t r a e t a b s t r a c t w i f ii sab r a n do r i g i n a l l yl i c e n s e db yt h ew i f ia l l i a n c et od e s c r i b et h e u n d e r l y i n gt e c h n o l o g yo fw i r e l e s sl o c a la r c an e t w o r k s ( w t , a n ) b a s e do nt h ei e e e 8 0 2 1 1s p e c i f i c a t i o n s r e c e n t l y , w i t ht h em o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i c a t i o no fw i f i n a o r c ：a n dm o r ep r o d u c t sa p p e a ri nt h em a r k e t , 9 0h o wt ot e s tt h e s ep r o d u c t sa n dh o w t oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo f w i r e l e s sn e t w o r kb e c o m eaf l e w f o c u s i nt h e - q a l l l et i m e , 晰t ht h em o l 屯a n dm o l l eb r o a dp e r s p e c t i v eo fw i f i 。b e t t e l a n d b c t t c l q u a l i t yo fs 豇v i c ea n dr , r o d u e t si se x p e c t e d i tm a k e sn e c e s s a r yt oo w n 趾 a p p r o p r i a t et e s tp l a t f o r mf o ro p e r a t o r t h o u g ha l m o s te v e r yp r o v i d e rh a sa l r e a d yh a d t h e i ro w ne q u i p m e n ta n dt e s ts o l u t i o n , i tc o s t st o om u c ha n di sn o tr e a l l yd e s i g n e df o r t h en e e do fo p e r a t o r s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt oi m p l e m e n ta ne f f e c t i v ea n dp o w e r f u l p l a t f o r m b a s e do i lt h er e s e a r c ho f s t l u e t u r ea n dp r i n c i p l eo f w i f in e t w o r k , t h i st h e s i sw i l l a n a l y z et h ed i f f e r e n tf u n c t i o n so ft h ei e e e8 0 2 1 l x a n dp l o p o s l ot h ep r i n c i p a l p a r a m e t e r st h a t 黜t e s t e db yt h i s r e a lt i m et e s tp l a t f o r mi no d e rt os h o wt h e p e r f o r m a n c eo f n e t w o r k0 1 p r o d u c ta c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so f t h es t a n d a r d f i r s t l y , t h i st h e s i sc h a n g e se x i s t e dp r o d u c t sa n db u i l d sai 均r d w a r om o d e li n l a b o r a t o r y o nl i n u xs y s t e m , d e p e n d i n go nt h et e x tp r o g r a ma n dc o m p i l i n go ft h e r e l a t i v eo p e n w r ts o f t w a r et l a i sp l a t f o r mi m p l e m e n t sc o l l e c t i o n , s a y c ，p i c k - u p ，s t a t i s t i c a n da i s p l a yo ft e s tp a r a m e t e rr e s u l t s w h a ti sm o 豫b yw e bi n t e r f a c e , r e s u l t s 啪b e o b s e r v e do l rr e c e i v e dw h e r e v e ra n dw h e n e v e rf r o ml o n g - d i s t a n a ne f f e e t i v ea n d p o w e r f u lp l a f f o r mi si m p l e m e a t e df i n a l l y k e yw o r d s ：w i f i ：w l a n ；i e e e8 0 2 11 ；t e s tp l a t f o r m 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： w ) 年3 月f i 5 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 加 年_ ) 月f 名e t 第1 章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 w i f i 是i e e e 定义的一个无线网络通信的工业标准( i e e e8 0 2 1 1 ) 自从 1 9 9 7 年无线局域网标准诞生以来，w i f i 的发展已经近十年了随着数据业务需 求的不断增加，以i e e e8 0 2 1 1 协议为基础的无线局域网( w l a n ) 的研究正逐渐 成为人们研究的热点最初开发w l a n 的目的是对有线l a n 进行无线扩展，通过 无线通信的方式实现有线l a n 的功能，并以比有线网络更加低廉的价格和更加 方便、灵活的方式进行网络安装和维护，主要用于企业和家庭网络但是，随 着蜂窝移动通信产业的成功和w l a n 技术的发展，出现了与电信网络融合提供公 共孔a n 服务的趋势，使人们可以通过w l a n 非常方便地享受高速的无线数据服 务，这也极大地拓展了1 r l a n 的应用空间。 随着协议标准的制定和完善，加上w i f i 联盟对市场快速的反应能力，w i f i 正在进入一个快速发展的阶段。其中，作为8 0 2 1 l b 发展的后继标准8 0 2 1 6 ( 霄i m a x ) 虽然采用了与8 0 2 1 1 b 不同的频段( 1 0 - - 6 6 g h z ) ，但作为一项无线城 域网( w m a n ) 技术，它可以和8 0 2 1 1 b g a 无线接入热点互为补充，构筑一个 完全覆盖城域的宽带无线技术一方面，w i f i 作为c a b l e 与d s l 的无线扩展技 术，它的移动性与灵活性为移动用户提供了真正的无线宽带接入服务，实现了 对传统宽带接入技术的带宽特性和q o s 服务质量的延伸。另一方面，随着移动 电话对固定电话的替代性日益增强如何缓解这一冲击成为了固网运营商一直 思考的问题；由于移动运营商数目的增加，语音业务带来的a r p u 必然呈现下降 趋势，如何提供更多的数据多媒体业务也是移动运营商一直在思考的问题。在 这样的背景下，w l a n 在部署上取得了实质性的进展：w i f i 和v o l p 的结合给固 网运营商带来了契机； r l a n 的热点覆盖计划也正作为3 g 的补充成为移动运营商 新的利润点 但所有的架构都应适应网络的发展要求。按n g n 概念演进的下一代移动网， 以终端，应用、服务为主导将成为市场发展的重要驱动其互操作性和后向兼 第1 章引言 容性将成为不同标准化组织的工作重点。为避免进行无生命力的重覆，其唯一 出路就是在n g n 及3 g 演进的基本概念上彼此融合而且随着w i f i 接入技术成 本的逐步下降，w i f i 技术为消费者提供v o i r l a n 语言服务将成为可能 目前，欧洲已经开始部署城域w l a n 网络，2 0 0 6 年，商用的城域w l a n 网络 己在北美得到了普及。随着w l a n 技术的更加普及和3 g 网络的部署，w i f i 3 g 双 模技术已经开始得到了应用 未来w i f i 的发展方向将包括：网络技术上覆盖更大的范围，从热点到热区 再到整个城市；推广w i f i 手持终端和v o w l a n 业务成为应用模式；基于i p 的w i f i 交换技术和开放的业务平台，使w l a n 网络更智能、更易于管理；基于多层次的 安全策略( w e p 、w p a 、w p a 2 、a e s 、v p n 等) 提供不同等级的安全方案，以确保 无线通信的安全。 但是，虽然w i f i 具有传输速度高、覆盖范围广等特点，但其自身也存在着 某些不足，如耗电量大、安全性差以及漫游、切换、干扰等方面问题都是需要 考虑的问题。其中，一些新技术的出现已经使部分问题最终可以得到解决：随 着i p p 以及移动i p 技术的完善、i p v 6 的发展将最终解决漫游和切换的问题； 不断成熟的组网方案和干扰预检测机制都可以减少频率资源开发带来的干扰。 但需要强调的是，虽然8 0 2 1 l i 标准的产生将提供更多的包括w p a 2 及多媒体认 证等安全策略，安全问题仍是w i f i 面临的最大挑战。 未来无线通信领域的一个发展趋势就是移动网络和无线接入网络的融合， 无论对当下的3 g 网还是w l a n ，都既是机遇也是挑战。 i 2 研究内容 本文旨在通过对w i f i 网络的结构和原理及8 0 2 1 1 协议群的深入研究，利 用现有的无线网络产品，在l i n u x 下对w i f i 实时测试平台进行实现。主要研究 内容包括：w i f i 网络的基本结构和原理；深入研究i e e e8 0 2 1 1 协议群，并在 此基础上确定测试中主要参数的选择；讨论并用实际例子说明无线网络的应用 现状，同时简单介绍与无线网络相关的主要产品。 基于对以上这些内容的研究和讨论，作者在实验室搭建了小型无线局域网 2 第1 章引言 的硬件测试模型，并最终在l i n u x 系统下实现了对无线局域网主要设备( 无线 路由器) 的实时测试平台，该平台不仅可以实现参数数据的存储和提取，还可 以将测试结果通过w e b 页面以图形和统计表格的形式进行显示 1 3 研究的目的和意义 1 3 1 研究目的 最初想要开发无线上网技术的目的其实只是为了能够在享受上网乐趣的 同时摆脱并不方便的网线。但随着这项技术的发展w i f i 无线网络技术不但已 在语音通信、无线办公等领域得到了广泛的应用，其在信息家电、工业控制、 移动手持设备等嵌入式环境中的应用需求也在日益增多，可见w i f i 技术正被受 到越来越广泛的关注，甚至被运营商看做3 g 移动网和固网的有力补充作为了下 一个主要开发的目标。 通过w i f i 标准的不断完善就足已看到无线网络技术受重视的程度。在 8 0 2 1l a 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 1 9 对物理层定义的不断补充的基础上，8 0 2 1l e 规定 了对服务等级( q o s ) 的支持，8 0 2 1 1 i 对安全和鉴权方面做了补充，8 0 2 1 l n 在8 0 2 1 l a 的基础上引入了多重输入输出( m i m o ) 技术。正是这些需求及新技 术的引入，使人们对w i f i 产品的性能更加关心：哪些参数是评价其性能的主要 方面? 如何对其进行实时的监控和测试? 本文正是针对这些问题展开了研究。 目前，w i f i 的应用即便在普通的生活当中也已十分普及，例如在欧洲，大 多家庭使用的都是a d s l ，每个家庭都可以组建一个小型局域网，w i f i g s l ! 双模 式手机也己通过测试阶段推向了市场即便在国内，w i f i 的发展势头也是未曾 预料到的目前，清华和北大已经基本完成了无线网的校园覆盖，更多的试点 也正相继建成。正是这样广泛的应用，使得支持w i f i 的设备和产品也越来越丰 富多样但是，虽然这些产品遵循的都是统一的协议和标准，但其性能还是有 很大差别的 而且，充分了解实际性能与理论期望值之间的差别，对于提高和改善产品 性能、提供更优质的服务、开发新的服务项目有着至关重要的作用 3 第1 章引言 1 3 2 研究意义 8 0 2 1 l a b g 标准统称为w i f i ，它已经在家庭用户中造就了一个庞大的不 断成长市场，无线方案是家庭资源共享以太网( 如打印机和宽带连接) 的一种 简单的替代方案。无线网络的移动、动态和空间特性拓展了网络的空间，给运 营商也提供了更广阔的应用服务的空间。 与有线网络相比较，无线网络本身固有的移动特性使物理层与协议层之间 产生的交互作用大大增加了系统的复杂度。无线网络的物理层和协议层不仅需 要单独研究和测试，还要同时测试验证较高层是否能正常运行如何对w i f i 产 品和网络进行评估、如何各个层进行控制和测试，成为又一热门的研究课题。 对无线系统的测试和仿真的专用工具也开始进入市场。本文将在i e e e 的 w i f i 协议群深入研究的基础上，确定了对本测试平台而言，无线网络物理层和 i p 层的重要参数并在小型实验室里实现测试平台和测试软件，针对这些重要 参数对无线路由设备进行测评并得出结果，然后进行分析本文提出了对无线 设备和网络的简易以及可编程化的测试方案 4 第2 章w i f i 网络的结构原理及应用 第2 章w i f i 网络的结构原理及应用 2 1w i f i 网络技术概述 2 1 1w i f i 网络的基本结构 1 w i f i 协议的基本内容 8 0 2 1 1 协议是i e e e8 0 2 - r 作组定义的第一个被国际认可的无线局域网协 议。跟传统的有线局域网相比，基于w i f i 协议的无线局域网具有可移动性，动 态拓扑结构和易搭建的特点因此用户可以根据需求和环境选择合适的局域网 技术来构造自己的网络。 从无线局域网协议出台到今天的十年发展中，该组织相继对协议进行了完 善。8 0 2 1 l b 高速协议的提出，用来对8 0 2 1 l 协议进行补充，在8 0 2 1 1 的1 m b p s 和2 m b p s 速率下，8 0 2 1 l b 又增加了5 5 m b p s 和1 1 1 4 b p s 两个新的网络吞吐速率， 后来又演进到8 0 2 1 l g 的5 4 m b p s ，直至今天8 0 2 1 l n 的1 0 8 m b p s 本文的第三 部分将对8 0 2 1 1 协议群做详细的阐述。 8 0 2 1 1 协议的规定了w i f i 的基本网络结构包括物理层、介质访问接入控 制层( 1 i a c 层) 及逻辑链路控制层( l l j c 层) 。其三层结构可如图2 1 所示。 r ”8 0 2 i 2 ”l l c 帆”i c a ll i ”n kc o n t r ”o 1 ) 鼍爹 ； 一 80211mac 蠹礓 黪抵舰t * * 。 8 0 2 np h y舳2 1 lp h y帅2 1 lp i “8 0 2 1 l p h y8 0 2 。1 l p h y “ f h 鼹d s 鲻t ，d s s slo f d m 黧。 d s s s o f d mi 一“一t 黛 8 0 2 “b8 0 2 1 l a 8 0 2 1 i g ll m b i 以2 4 g h z 5 4 m b i t s5 g h z5 4 m m 妇2 4 g h z 图2 18 0 2 1 1 协议的三层结构 1 )物理层由图2 1 可以看到，8 0 2 1 1 b 定义了工作在2 4 g h z 的i s m 频 5 第2 章w i f i 网络的结构原理及应用 段上总数据传输率设计为1 1 m b p s 的物理层；8 0 2 1 1 a 定义了一个工作在5 g h z 的i s m 频段上总数据传输率设计为5 4 m b p s 的物理层；最近的8 0 2 i i g 定义了工 作在2 4 g h z 的i s m 频段上总数据传输率设计为5 4 m b p s 的物理层。 2 )m a c 层。w i f i 标准为所有物理层定义了一个公共的m a c 层，这使得有添 加新物理层的需求时，不再需要对m a c 层进行改动。其职能与8 0 2 3 协议的m a c 层非常相似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，由发送者在发 送数据前先进行网络可用性的调节。 3 )逻辑链路控制层( l l c ) 其使用的是与8 0 2 2 完全相同的l l c 层和4 8 位m a c 地址，这使得无线和有线之间的桥接非常方便但m a c 地址只对无线局 域网唯一确定。 2 w i f i 网络的组成部分 i e e e8 0 2 1 1 体系由若干部分组成，这些元素通过相互作用来提供无线局 域网服务，并向上层支持站点的移动性。这些基本的组成部分有： 1 ) 站点( s t a t i o n ) 这是网络最基本的组成部分，可以是一台p c 机，也 可以是如p d a 等手持无线设备 2 )基本服务单元b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) 8 0 2 i i 标准规定的无线局 域网的最小构件。一个基本服务单元b s s 包括一个基站和若干个站点，所有的 站点在本b s s 内都可以直接通信，但在和本b s s 以外的站点通信时都必须通过 本b s s 的基站。最简单的服务集可以只由两个站点组成，每个站点都可以动态 的联结到基本服务单元中。 3 )分配系统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 用于连接不同的基本服务单元 分配系统通过必要的逻辑服务将匹配地址分配给目标站点，使移动终端设备得 到支持，并在多个b s s 间实现无缝整合正是分配系统d s ，使扩展服务单元e s s 对上层的表现就像一个基本服务单元b s s 一样 4 )接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) 基本服务单元里面的基站就叫做接入点 a p ，但其作用和网桥相似。a p 既有普通站点的身份，又有接入到分配系统的功 能。 5 )扩展服务单元e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 由分配系统和基本服务 6 第2 章w i f i 网络的结构原理及应用 单元组合而成。一个基本服务单元可以是孤立的，也可以通过接入点a p 连接到 主干分配系统d s ，然后再接入到另一个基本服务单元b s s ，这样就构成了一个 扩展服务单元e s s 6 )门桥( p o r t a l ) 8 0 2 1 1 定义的新名词，作用就相当于网桥用于将无 线局域网和有线局域网或者其他网络联系起来。所有来自非8 0 2 1 1 局域网的数 据都要通过门桥才能进入i e e e8 0 2 1 1 的网络结构门桥可以使这两种类型的 网络实现逻辑上的综合。 图2 2 综合了i e e e8 0 2 1 1 无线局域网所有组成元素及服务的完整结构图。 图2 2 完整的i 哪8 0 2 i i 无线局域网结构【i 】 2 1 2 _ i f i 网络的基本工作原理 w i f i 的典型设置通常包括一个或多个接入点a p 及一个或多个客户端。每 个接入点a p 每隔l o o m s 将服务单元标识s s i d ( s e r v i c es e ti d e n t i f i e r ) 即 网络名称( n e t w o r kn a m e ) 经由b e a c o n s 封包广播一次b e a c o n s 封包的传输 速率为1 m b p s 。并且该封包的长度非常短因此这个广播动作对w i f i 网络的性 能影响并不大又因为w i f i 规定的最低传输速率为i m b p s ，所以足以确保所有 接收到这个s s i d 广播封包的w i f i 客户端都能至少在1 m b p s 的速率下进行通信。 基于如s s i d 这样的设置，客户端可以决定是否联结到某个接入点a p 若 同一个s s i d 的两个接入点a p 都在客户端的接收范围内，客户端可以根据信号 的强度选择与哪个接入点的s s i d 联结。 对于w i f i 网络的信道频率，除了8 0 2 1 l a 使用的是5 g h z 频率，w i f i 的频 7 第2 章w i h 网络的结构原理及应用 谱都分布在2 4 g h z 左右，因为该频率段是对全世界各国都开放的无需许可的， 尽管确切的频率分配。如最大允许功率，在各地有着细微差别但按频率划分 的信道数量是在全世界做了统一规范的，因此所授权的频率段可通过信道数量 进行区分 2 1 3 - i f i 网络的操作模式 i e e e8 0 2 1 1 标准定义了两种基本操作模式：i n f r a s t r u c t u r e 模式和a dh o e 自组网络模式。 1 )i n f r a s t r u c t u r e 模式属于有固定基础设施的无线局域网组成结构 至少包括一个与无线网络连接的无线接入点a p ，以及一系列无线的终端站点。 该模式主要为在覆盖范围内的各个站点提供服务这些客户终端可通过接入点 a p 实现之间的相互通信。i n f r a s t r u c t u r e 模式也可以通过门桥提供与有线网络 即因特网入口相连接的可能性。这种配置( 一个a p 及若干站点的组合) 可以构 成一个基本服务集合b s s 。在同一个b s s 覆盖范围内，所有站点都使用相同的 无线频率。一个扩展服务集合e s s 是由两个或多个b s s 构成的一个单一子网 由于很多无线的使用者需要访问有线网上的设备或服务，如文件服务器、打印 机、互联网链接，他们都会采用这种i n f r a s t r u c t u r e 模式图2 3 所示为 i n f r a s t r u c t u r e 模式的结构。 图2 3i n i h t n l c t u m v 模式的结构 2 )a dh o c 自组网络模式。由一组客户终端组成，作为独立的基本服务单 8 第2 章w f i 网络的结构原理及应用 元b s s 即i b s s ( i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t ) 该模式不需要任何基础设 施( 如接入点a p 或到分配系统的连接) 的支持就可以实现其覆盖范围内的站点 之间的通信每个站点不需通过接入点a p 就都可以与相同i b s s 下的任何其他 站点建立通信图2 4 所示为a dh o c 模式的结构 图2 4 a d h o c 模式的结构 2 1 4w i f j 网络物理层的主要技术及算法原理 1 i e e e8 0 2 1 1 定义的最基本的物理层技术 i e e e8 0 2 1 1 定义的最基本的物理层技术8 0 2 1 1 最基本的三个物理层包 括跳频扩频技术h i s s ( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 、直接序列扩频 技术d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 和红外传播规范这两种扩 散频谱技术保证了8 0 2 儿的设备在其定义的2 4 g h z 无线传输频段伤的可用性 和可靠的吞吐量，同时也保证了同其他使用同一频段的设备不互相影响但 8 0 2 1 l a 的物理层工作在5 g h z 频带，不采用扩频技术而是采用正交频分复用 o f 咖( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 即多载波调频技术( 载 波数可达5 2 个) 可以使用的数据率为6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，2 4 ，3 6 ，4 8 和5 6 m b p s 。 2 i e e e8 0 2 1 l b 定义的增强物理层技术 最初的i e e e8 0 2 1 1 物理层速率为i m b p s 和2 m b p s 。i e e e8 0 2 1 l b 在原有 协议的基础上，对物理层增加了5 5 m b p s 和1 i m b p s 两个新的速率。为了实现这 个目标，原有的物理层传输技术( h i s s 及d s s s ) 也需有所变动，于是直接序列 扩频技术d s s s 被选作了该标准的唯一物理层传输技术，因为h i s s 在不违反f c c 9 第2 章w i h 网络的结构原理及应用 原则的前提下已无法再提高速度。具体的改进包括对d s s s 编码技术的改进及动 态速率调节技术。但唯一使用d s s s 作为物理层传输技术使得8 0 2 1 1 b 虽然可以 与原始标准下的i m b p s 和2 m b p s 的d s s s 系统实现互操作，但无法与i m b p s 和 2 m b p s 的f h s s 系统一起工作了 2 1 5w j f i 网络数据链路层的主要技术及算法原理 1 - i e e e8 0 2 1 1 无线局域网m a c 层存在的问题 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的m a c 层主要存在两个问题：冲突检测和避免及 隐蔽站检测i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层与8 0 2 3 协议的m a c 层非常相似，都是在 一个共享媒体上支持多个用户共享资源，由发送端在发送数据前首先进行网络 可用性的检测。用于检测的技术为c s m c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s w i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) ，虽然已成功的应用于使用有线连接的局域网，但 无线局域网却不能简单的搬用c s m a c d 协议。图2 5 例举了无线局域网的问题。 的作用范围c 的作用范围 b 的作用范围 c 的作用范围 、 、 、 王一汐) d 7 一一 ( a ) 和c 同时向b 发送信号，发生碰撞( b ) b 向a 发送信号，影响c 向d 发送数据 图2 5 无线局域网的问题 2 i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层采用的协议和算法 改进的c s 姒协议增加了一个碰撞避免功能( c o l l i s i o na v o i d a n c e ) ，即 c s m a c a 协议在使用c s 姒c a 的同时还增加使用确认机制8 0 2 1 l 标准设计 了独特的m a c 层，它通过协调功能( c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 来确定在基本服 务单元b s s 中的移动站点在什么时间能发送数据或接收数据。 1 )c s 姒c 协议的工作原理在i e e e8 0 2 1 1m a c 规范中，各个节点采用 1 0 第2 章w i f i 网络的结构原理及应用 c s m a c 机制竞争信道，其默认工作模式为d c f 分布式协调功能。为了尽量避 免碰撞，8 0 2 i i 规定，所有的站点在完成发送后，必须再等待一段很短的时间 ( 继续监听) 才能发送下一帧这段时间通称是帧间间隔i f s ( i n t e r f r a m e s p a c e ) 帧间间隔的长短取决于该站点打算发送的帧的类型高优先级帧需要 等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长时间 若低优先级帧还没来得及发送而其他站点的高优先级帧已发送到媒体，则媒体 变为忙碌状态，因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞 的机会c s m a c a 协议的原理可用图2 6 说明 “f s 臣雾 孽医网 嘤 s i f s 点 -h r 有帧要发迸 s 旷b 时f b 一。“ l 5 点牟s 争用窗口 嗣叫 罗”耐气磊添蓓广一 一 l z，+ 一；+ # 。#s l d b 5 点 ，一、，- 7 图2 6c s m a c a 协议的工作原理 然而，虽然c s 姒c a 协议利用a c k 信号机制可以有效的处理无线网络中的 问题，但该方式无疑增加了网络的额外负担，因此，i e e e8 0 2 i i 无线局域网 和与其类似的以太网相比，在性能上总是稍逊一筹 2 )r t c c t s 选项i e e e8 0 2 1 1 协议在m a c 层上引入了一个新的选项 r t s c t s ( r e q u e s tt os e n d c l e a rt os e n d ) 即请求发送允许发送协议。该协 议的引入是为了解决m a c 层的隐蔽站点带来的碰撞问题。针对这一问题，8 0 2 i i 允许要发送数据的站点对信道进行预约具体实现可如图2 7 所示 第2 章w i f i 网络的结构原理及应用 a 的作用范围b 的作用范围a 的作用范围b 的作用范围 ( a ) 发送i 订s 帧 ( b ) b 响应c t s 帧，n 在一段时间内不发送数据 图2 7c s i v i a c a 协议中的k t s 和c t s 帧 3 )c r c 校验及数据包分片。数据包分片功能允许大的数据在传送的时候被 分成若干比较小的部分分批传送。m a c 子层将接收到的被分片的数据进行重新 组装，该过程对上层协议是完全透明的。由于大多数据包在网络十分拥挤或存 在干扰的情况下非常容易遭到破坏，使用数据包分片功能非常有效的避免了这 个问题。同时，该结束也大大降低了许多情况下数据包被重传的概率，从而提 高了无线局域网的整体性能。 2 1 6w i f i 技术的优缺点 i w i f i 网络的主要特点 w i f i 网络所以得到广泛的应用，主要由于其具备以下几个主要特点： i )具有可移动性无线局域网摆脱了以往上网一定要依靠电缆线的限制， 这一方面使用户端在使用服务时更加舒适和方便，同时也降低了网络配置的成 本和灵活的可扩展性在一些有线网不能运行的地方，如户外、年头已久无法 布网的建筑等，都可以通过无线局域网连接到因特网上 2 )组建简便。无线局域网的组建在硬件设备上的要求与有线网相比，更加 简洁方便，而且目前支持无线局域网的设备已经在市场上得到了广泛的普及， 不同品牌的接入点a p 以及客户网络接口之间在基本的服务层面上都是可以实 现互操作的。而全球统一的w i f i 标准使其与蜂窝载波技术不同，同一个w i f i 1 2 第2 章晰f i 网络的结构原理及应用 用户可以在世界各个国家使用无线局域网服务。 3 )完全开放的频率使用段。如前文所述，无线局域网使用的i s m 频段是全 球开放的频率使用段，使得用户端无需任何许可就可以自由使用该频段上的服 务。 4 )动态拓扑特性。用户端可在网络的覆盖范围内任意移动，随时加入或退 出但拓扑结构的动态变化不会给客户端带来任何影响 5 )与以太网的兼容性。其相互兼容的网络结构和协议使有线和无线之间通 过网桥即可实现无线局域网与以太网的连接。 2 w i f i 与蓝牙技术的简单比较 需要指出的是，w i f i 网络的这些特性并不会使其替代有线局域网成为唯一 的局域网组网方案事实上，它将作为一个有力的补充，完善局域网的服务， 即为用户端提供可移动性而与其他无线局域网技术相比，如蓝牙技术，两者 采用了完全不同的协议和方案，其不同主要体现在： 1 )协议。蓝牙技术使用的是l 2 c a p 协议；w i f i 使用的i p 技术。 2 )通信方式。蓝牙技术属于点对点通信；而w i f i 属于点对多点的通信。 3 )覆盖范围及流量限制。蓝牙的覆盖范围通常为1 0 m ，流量为7 2 0 k b p s ； 相比之下，w i f i 要强大得多，其覆盖范围为5 0 0 m ，8 0 2 1 1 b 的流量为l1 m b p s 。 4 )功率消耗。蓝牙的功率消耗要远小于w i f i 的要求，因此对于一些便携 式小功率消耗的设备，如手机、p d a 、键盘、鼠标等更适合采用蓝牙技术。 但w i f i 与蓝牙技术使用的都是2 4 g h z 频率段。 然而，虽然w i f i 网络的特性使其受到越来越广泛的关注和应用，其自身也 存在着一些不足，最主要的就是安全问题如果w i f i 网络想得到更大的发展， 。安全”将是w i f i 一定要面l 临的挑战。以及功率消耗问题、进一步统一频谱分 配方式，以及扩大覆盖范围并保证通信质量等 2 2 _ i f i 网络的安全问题 1 3 第2 章w i f 网络的结构原理及应用 无线局域网因其接入速率高、组网灵活，在传输移动数据方面尤其具有得 天独厚的优势但是，随着无线局域网应用领域的不断拓展，其安全问题也越 来越收到重视。与有线网络不同( 可以清楚辨别哪台电脑连接在网络上) ，理论 上无线电波范围内的任何一个站点都可以监听并登录无线网络，所有发送或接 收的数据都有可能被截取如果网络的安全措施不够严密，则完全有可能被窃 听为了使授权站点可以访问网络而非法用户无法截取网络通信，无线网络安 全就显得至关重要 2 2 1w i f i 网络结构的安全性 安全性主要包括访问控制和加密两大部分访问控制保证只有授权用户能 访问敏感数据，加密保证只有正确的接收方才能理解数据。为了使无线网络中 的数据传输可以具有同有线网一样的安全性，i e e e8 0 2 1 l 标准采用的是w e p ( w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ) 无线加密协议，规定了数据加密和站点鉴权机 制。根据标准中的定义，w e p 是个可选择的项，并没有要求用户终端及接入点 a p 一定要执行该协议而事实上w e p 并不能确保无线网络的安全性虽然w e p 采用了6 4 位和1 2 8 位加密密匙的r c 4 加密算法，保证传输数据不会以明文的方 式被截取，但由于对包含密匙数据本身的信息流进行截取并不是非常复杂的事 情，即便算法本身足够复杂，但仍无法确保网络的安全性，无线网络还是会轻 易的被攻击，严重影响了其在应用方面的进一步推广 1 w i f i 网络被攻击的方式 一些攻击手段通过某些算法来阻塞网络，导致网络合法用户没法使用该网 络的服务。而由于无线通信介质的特殊属性使得w i f i 网络在数据链路层和物理 层遭受这些攻击的危害更为严重主要被攻击的方式有：对数据链路层的攻击、 对物理层的攻击、盗用计费、隐蔽犯罪等 2 w i f i 网络的维护方法 如前文所述，w i f i 网络的物理组网结构可分为基本服务单元b s s 和扩展服 务单元e s s b s s 由客户端和接入点a p 组成，适合小数据量网络的组建，如果 仅仅是短期内进行连接组网，只需要客户端安装了无线网卡即可实现端到端的 w i f i 通信e s s 的性能则更稳定根据w i f i 网络的结构特点，针对主要的攻击 1 4 第2 章w i f i 网络的结构原理及应用 手段，可以从站点、接入点a p 及网络主干网安全方面对w i f i 网络采取一些安 全措施。 1 )站点安全。由于站点中包含了大量的机密信息，因此站点安全涉及到整 个w i f i 网络安全的核心为了防止站点被攻击，通常可以采用的维护方式为： 禁止站点自身向外提供数据或者其他服务；对数据资源加密，评估自己数据资 源的重要级别，针对不同的安全等级对其采取不同的加密措施和访问控制，这 样既保证了数据被合法用户采用，又可以保护数据不被窃取；通过防火墙对数 据包进行筛选等。 2 )接入点a p 安全接入点的安全设置同样是整个w i f i 网络安全的保障， 通过加密、鉴权以及适当的检测措施，可以达到a p 的安全目的。通常使用的方 式包括m a c 地址列表的使用、接入管理、鉴权与访问控制、s n m p c s i m p l en e t w o r k m a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 监测以及采用保护天线后文将对主要措施的原理进行 阐述。 3 )主干网关口安全。防火墙的设置主要是对网络第三层以上的体系结构进 行保护，而关口则是网络第一、二层的一道屏障关口可以是设置在局域网与 因特网、局域网与无线局域网接入点a p 之间的具有一定保护作用的硬件设备和 相应的软件。对关口的恰当设置可以使其起到提供防火墙保护网络、为两个网 络提供网桥、提供d n s 服务的作用 2 2 2 维护w w i 网络安全的主要措施 针对w i f i 网络存在的安全隐患，w i p i 联盟不断提出各种手段提高无线局 域网的安全性，8 0 2 1 l i 正是对8 0 2 i i 的m a c 层在安全方面的增强虽然对于 w i f i 网络结构安全的维护，可以有硬件也可以有软件，但由于无线局域网其传 输介质的特殊性，对w i f i 网络通信安全的维护只能由软件来实现。综合这两个 方面，主要采用的措施包括： 1 )姒c 地址列表的使用通过对接入点a p 的设定，将指定的无线网卡的 物理地址即m a c 地址输入到a p 中。接入点a p 将对收到的每个数据包做出判断， 只有符合设定标准的才能被转发，否则将被丢弃该方法的弊端在于操作比较 麻烦。而且不能支持大量的移动客户端其安全保证也是有限的 1 5 第2 章w t f i 网络的结构原理及应用 2 )隐藏网络名称或设置s s i d ( s e r v i c es e ti n d e n t i f i e r ) i e e e8 0 2 1 l b 标准提供的一种保证无线局域网安全的手段：s s i d 服务配置标识符。s s i d 为 w i f i 协议建构的一个3 2 位的网络标识符，只有知道该标识符的客户端才能进 入w i f