计算机网络第10章 无线网络

1、郑州大学信息工程学院郑州大学信息工程学院李向丽李向丽第第10章章 无线网络无线网络10.1 无线网络概述无线网络概述10.2 无线局域网无线局域网10.3 无线个人区域网无线个人区域网10.4 无线城域网技术无线城域网技术10.5 无线无线Ad hoc网络网络 10.1 无线网络概述无线网络概述 随着便携机、掌上计算机和个人电子助手随着便携机、掌上计算机和个人电子助手PDA的出现，无线计算机网络也逐渐流行起来了。的出现，无线计算机网络也逐渐流行起来了。 无线电子设备可以随时、随地、无缝地接入全无线电子设备可以随时、随地、无缝地接入全球因特网。球因特网。 从网络观点来说，无线网络提出的挑战，特别

2、从网络观点来说，无线网络提出的挑战，特别是在数据链路层和网络层，与传统的有线网络是在数据链路层和网络层，与传统的有线网络的差别非常大，所以，我们需要专门讨论无线的差别非常大，所以，我们需要专门讨论无线网络和移动网络。网络和移动网络。无线网络可以分成以下三大类无线网络可以分成以下三大类 系统内部互连系统内部互连：蓝牙技术可以将监视器、键盘、：蓝牙技术可以将监视器、键盘、鼠标、打印机、数码相机、耳机、扫描仪和其他鼠标、打印机、数码相机、耳机、扫描仪和其他的设备连接到计算机上。不需要电缆，也不需要的设备连接到计算机上。不需要电缆，也不需要安装驱动程序，只要把它们放到一起，然后打开安装驱动程序，只要把

3、它们放到一起，然后打开开关，它们就可以工作了。开关，它们就可以工作了。 无线局域网无线局域网LAN：802.11，WLAN 是指传输范是指传输范围在围在 100米左右的无线网络，也称为米左右的无线网络，也称为Wi-Fi无线无线保真度。它的推动联盟为保真度。它的推动联盟为Wi-Fi。 有基础设施模式和无基础设施模式。有基础设施模式和无基础设施模式。 无线广域网无线广域网WAN：蜂窝电话。：蜂窝电话。1G2G3G无线网络的组成构件无线网络的组成构件 无线主机无线主机 无线链路无线链路 基站：蜂窝网络中的蜂窝塔、基站：蜂窝网络中的蜂窝塔、802.11无线网无线网络中的接入点。络中的接入点。Ad ho

4、c网络中没有基站网络中没有基站 网络基础设施网络基础设施10.2 无线局域网无线局域网10.2.1 802.11协议栈协议栈10.2.2 802.11服务集和关联服务集和关联10.2.3 802.11物理层物理层10.2.4 802.11MAC子层子层10.2.5 802.11MAC帧帧10.2.6 802.11无线无线LAN提供的服务提供的服务10.2.7 802.11无线站点接入过程无线站点接入过程10.2.8 802.11协议标准协议标准使用使用WLAN的场合的场合 需要主要包括：需要主要包括： (1) 不方便架设有线网络的环境不方便架设有线网络的环境; (2) 使用者时常需要移动位置使

5、用者时常需要移动位置; (3) 临时性的网络。临时性的网络。 无线无线LAN面临的问题面临的问题 首先，以太网上的侦听总线载波，当总线空闲首先，以太网上的侦听总线载波，当总线空闲时，才开始传输数据。无线时，才开始传输数据。无线LAN中，侦听总中，侦听总线空闲时，并不一定能传输成功。线空闲时，并不一定能传输成功。 “多径衰减多径衰减”的现象，无线信号在碰到固体对的现象，无线信号在碰到固体对象的时候会有反射现象，所以同样的无线信号象的时候会有反射现象，所以同样的无线信号可能会被收到多次。可能会被收到多次。 大量的软件并不知道这种移动性大量的软件并不知道这种移动性 10.2.1 802.11协议栈协

6、议栈 高层高层逻辑链路控制LLCMAC子层子层802.11红外线802.11FHSS802.11DSSS802.11aOFDM802.11bHR-DSSS802.11gOFDM物理层物理层10.2.2 802.11服务集和关联服务集和关联 一个一个基本服务集基本服务集BSS包括一个基站和移动站点，所包括一个基站和移动站点，所有站在本有站在本BSS以内都可以直接通信，但在和本以内都可以直接通信，但在和本BSS以外的站点通信时，都要通过本以外的站点通信时，都要通过本BSS的基站，在的基站，在802.11中，也叫中，也叫接入点接入点AP 。 必须为该必须为该AP分配一个不超过分配一个不超过32字节的

7、字节的服务集标识符服务集标识符SSID和一个信道。和一个信道。 一个一个BSS所覆盖的地理范围叫做所覆盖的地理范围叫做基本服务区基本服务区BSA 。 一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点AP连接到一个连接到一个主干分配系统主干分配系统DS，然后再接入到另一个，然后再接入到另一个基本服务集，构成基本服务集，构成扩展的服务集扩展的服务集ESS。 ESS还为无线用户提供非还为无线用户提供非802.11无线局域网的接入，无线局域网的接入，通过通过门桥门桥来实现。来实现。 802.11的的BSS和和ESS 基本服务集基本服务集BSS扩展的服务集扩展的服务集

8、 ESS接入点接入点AP2portal基本服务集基本服务集BSS接入点接入点AP1AA因特网因特网漫游漫游至其它至其它802.x局域网局域网分配系统分配系统DSDSB漫游与关联漫游与关联 移动站点移动站点A从一个从一个BSS漫游到另一个漫游到另一个BSS时，仍时，仍可保持与另一个移动站点可保持与另一个移动站点B进行通信。进行通信。 如果一个移动站点要加入到一个基本服务集如果一个移动站点要加入到一个基本服务集 BSS，就必须先选择一个接入点，就必须先选择一个接入点 AP，并与此接，并与此接入点建立入点建立关联关联。 若移动站点使用若移动站点使用重建关联重建关联服务，就可以把这种服务，就可以把这种

9、关联转移到另一个接入点。关联转移到另一个接入点。 当使用当使用解除关联解除关联服务时，就可以终止这种关联。服务时，就可以终止这种关联。10.2.3 802.11物理层物理层 WLAN 传输方式有传输方式有 红外线红外线 和和 无线电射频无线电射频 两种两种 红外系统：红外系统： 优点：不受无线电干扰；视距传输，检测和窃听困难，优点：不受无线电干扰；视距传输，检测和窃听困难，保密性好。保密性好。 缺点：对非透明物体的透过性极差，传输距离受限；易缺点：对非透明物体的透过性极差，传输距离受限；易受日光、荧光灯等干扰；半双工通信。受日光、荧光灯等干扰；半双工通信。 无线电射频系统：采用无线电射频系统：

10、采用 扩频扩频 技术进行调制。扩频技术的频技术进行调制。扩频技术的频率范围开放在率范围开放在 ISM 频段。频段。Industry: 902 928 Mhz (26MHz)Science: 2.42.4835 GHz (83.5MHz)Medicine: 5.155.35 GHz和和5.7255.825 GHz (300MHz) 扩频技术主要又分为扩频技术主要又分为 跳频扩频跳频扩频FHSS 和和 直接序直接序列列DSSS 两种技术两种技术10.2.4 802.11 MAC子层子层 与与802.3以太网不同，以太网不同，802.11MAC协议并没协议并没有实现冲突检测，这主要有两个原因。有实现

11、冲突检测，这主要有两个原因。 第一个原因，在无线网络的适配器上接收信第一个原因，在无线网络的适配器上接收信号的强度往往会远远小于发送信号的强度，号的强度往往会远远小于发送信号的强度，所以，若要实现冲突检测，需要在硬件上付所以，若要实现冲突检测，需要在硬件上付出更多的化费；出更多的化费； 第二个原因，因为在无线局域网中存在着第二个原因，因为在无线局域网中存在着“隐藏站隐藏站”问题、问题、“暴露站暴露站”问题和问题和“衰减衰减”问题，导致无线站点无法检测到所有冲突。问题，导致无线站点无法检测到所有冲突。 Signal fading衰减衰减: B, A hear each other B, C he

12、ar each other A, C can not hear each other interferring at B无线信号衰减问题无线信号衰减问题 A BCAs signalstrengthspaceCs signalstrengthsignalstrength信号强度信号强度足以在足以在B处处产生干扰产生干扰信号弱，不足以信号弱，不足以检测到对方传输检测到对方传输信号弱，不足以信号弱，不足以检测到对方传输检测到对方传输A 的作用范围C 的作用范围ABCD当当A A、C C相距较远相距较远时，因为检测不时，因为检测不到无线信号时，到无线信号时，都以为都以为B B是空闲是空闲的，因而都向的

13、，因而都向B B发送数据，结果发送数据，结果发生碰撞。发生碰撞。未能检测出媒体上已存在的信号，不能发现潜在介质竞争者的问题叫作隐藏终端问题(hidden station problem) 1. 无线局域网中的特殊问题无线局域网中的特殊问题隐藏终端问题隐藏终端问题有障碍物时的隐藏终端问题有障碍物时的隐藏终端问题ABCHidden terminal problem： B, A hear each other B, C hear each other A, C can not hear each othermeans A, C unaware of their interference干扰干扰 at

14、 BA, C之间有障碍物时的隐藏终端问题隐藏站隐藏站 隐藏站是指在接收站点的覆盖范围内，而在发隐藏站是指在接收站点的覆盖范围内，而在发送站点的覆盖范围外的站点。送站点的覆盖范围外的站点。 在采用单向传输信道的情况下，由于隐藏站感在采用单向传输信道的情况下，由于隐藏站感知不到发送站点的发送，而有可能同时向这个知不到发送站点的发送，而有可能同时向这个接收站点发送数据，从而导致冲突。接收站点发送数据，从而导致冲突。 发送站点在冲突后需要重传冲突的帧，这样会发送站点在冲突后需要重传冲突的帧，这样会降低信道利用率。降低信道利用率。 暴露终端问题B 的作用范围C 的作用范围ADCB？B 向 A 发送数据，

15、而 C 又想和 D 通信。C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。 其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据这就是暴露终端问题(exposed station problem) 暴露站暴露站 暴露站是指在发送站点通信范围内，而在接收站通暴露站是指在发送站点通信范围内，而在接收站通信范围外的站点。信范围外的站点。 暴露站因感知到发送站点的发送而延迟发送。但是，暴露站因感知到发送站点的发送而延迟发送。但是，由于它在接收站点的通信范围外，它的发送实际上由于它在接收站点的通信范围外，它的发送实际上并不会造成冲突，这样就引入不必要的延迟，并造并不会造成冲突，这样就引入不必要的

16、延迟，并造成信道利用率的降低，因此是通信接入结束研究中成信道利用率的降低，因此是通信接入结束研究中需要解决的问题。需要解决的问题。 在无线局域网中，在不发生干扰的情况下，可允许在无线局域网中，在不发生干扰的情况下，可允许同时多个移动站点进行通信。这与无线局域网有很同时多个移动站点进行通信。这与无线局域网有很大的区别。大的区别。2. 802.11 MAC层包括两个子层层包括两个子层 802.11支持两种操作模式：支持两种操作模式： 分布式协调功能分布式协调功能 DCF（必须实现）（必须实现） 点协调功能点协调功能 PCF（选用）（选用） 802.11的的MAC层包括两个子层层包括两个子层 MAC

17、 层无争用服务（选用）争用服务（必须实现）分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11 DCF 子层在每一个节点使用子层在每一个节点使用 CSMA 机制

18、的分布式接入机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。 DCF 向上提供争用服务。适用于有基础设施和无基础设向上提供争用服务。适用于有基础设施和无基础设施两种模式施两种模式MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,

19、18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11PCF子层使用集中控制的接入算法子层使用集中控制的接入算法(在在AP)将发送数据权轮流交将发送数据权轮流交给各个站，避免碰撞。给各个站，避免碰撞。仅用于基础设施模式。仅用于基础设施模式。MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.

20、4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.113. 帧间间隔帧间间隔 802.11规定，所有站点在完成发送后，必须再规定，所有站点在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续侦听信道），才能发等待一段很短的时间（继续侦听信道），才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔IFS。 常用的帧间间隔有三种：常用的帧间间隔有三种： 短帧间间隔短帧间间隔SIFS 点协调

21、功能帧间间隔点协调功能帧间间隔PIFS 分布协调功能帧间间隔分布协调功能帧间间隔DIFS 三种帧间间隔三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送SIFS，即短(Short)帧间间隔，长度为 28 s，是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。 使用 SIFS 的帧类型有：ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧，以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式

22、中接入点 AP 发送出的任何帧。三种帧间间隔三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送PIFS，即点协调功能帧间间隔（比 SIFS 长），是为了在开始使用 PCF 方式时（没有争用）优先接入到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度（其长度为 50 s），即78 s。 时隙长度的确定：在一个BSS 内，当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时，那么在下一个时隙开始时，其他站就都能检测出信道已转变为忙态。 三种帧间

23、间隔三种帧间间隔 时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送DIFS，即分布协调功能帧间间隔（最长的 IFS），在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS长度=PIFS +1个时隙长度，因此 DIFS 的长度为 128 s。 4. 虚拟载波侦听虚拟载波侦听 为了减少冲突，为了减少冲突，802.11采用虚拟载波侦听机制。采用虚拟载波侦听机制。 源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间

24、），写到数据帧的认帧所需的时间），写到数据帧的“持续时间持续时间”字段，以微秒为单位。通知给所有其它站点，在字段，以微秒为单位。通知给所有其它站点，在这一段时间都不要发送数据。这一段时间都不要发送数据。 “虚拟载波监听虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了而是由于其他站收到了“源站的通知源站的通知”才不发送才不发送数据。数据。网络分配向量网络分配向量 NAV 网络分配向量网络分配向量 NAV，指出了必须经过多少时，指出了必须经过多少时间，该站点才能完成数据帧的这次传输，才能间，该站点才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。使信道转

25、入到空闲状态。 当一个站检测到正在信道中传送的当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧帧首部的首部的“持续时间持续时间”字段时，就调整自己的字段时，就调整自己的NAV。帧间间隔IFS与虚拟载波侦听NAV时间SIFSPIFSDIFS媒体空闲 发送第 1 帧SIFSPIFS时间NAV（媒体忙）DIFS争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACKSIFS 其他站有帧要发送 信道从忙态变为空闲时，发送数据帧的站点不仅要等信道从忙态变为空闲时，发送数据帧的站点不仅要等待一个待一个 DIFS 间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间，

26、以便再次重新试图接入到信道退避时间，以便再次重新试图接入到信道 当源站发送它的第一个当源站发送它的第一个 MAC 帧时，帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间若检测到信道空闲，则在等待一段时间 DIFS 后就可发送后就可发送 目的站若正确收到此帧目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔，则经过时间间隔 SIFS 后后，向源站发送确认帧，向源站发送确认帧 ACK5. CSMA/CA协议工作原理协议工作原理 802.11的的MAC层采用层采用CSMA/CA机制。机制。 当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在信道。若信道空闲，且在DI

27、FS时间内一直空闲，时间内一直空闲，则发送这个数据帧。则发送这个数据帧。 发送结束后，源站点等待接收发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。确认帧。 如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送时间，然后向源站点发送ACK确认帧。确认帧。 若源站点在规定的时间内接收到若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。说明没有发生冲突，这一帧发送成功。 802.11站点发送数据的过程站点发送数据的过程 DIFSSIFS数据帧数据帧ACK确认帧确认帧源站点源站点目的站点目的站点所有其它站点所

28、有其它站点信信道道忙忙争用信道争用信道 当信道从忙态变为空闲时，任何一个站点要发当信道从忙态变为空闲时，任何一个站点要发送数据帧时，不仅都必须等待一个送数据帧时，不仅都必须等待一个 DIFS 的的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算一个随间隔，而且还要进入争用窗口，并计算一个随机退避时间，以便再次重新试图接入到信道。机退避时间，以便再次重新试图接入到信道。 在争用窗口这段时间内，有可能出现多个站点在争用窗口这段时间内，有可能出现多个站点争用信道的情况。争用信道的情况。 争用信道比较复杂，有关站点要执行二进制指争用信道比较复杂，有关站点要执行二进制指数退避算法。数退避算法。 信道空闲时，不是立即发

29、送，而是等待一个随机信道空闲时，不是立即发送，而是等待一个随机时间。时间。Why？ 信道从忙变为空闲时，任何要发送数据帧的站，信道从忙变为空闲时，任何要发送数据帧的站，都要执行退避算法，计算随机退避时间，以便再都要执行退避算法，计算随机退避时间，以便再次重新试图接入。次重新试图接入。 若站点选择的随机回退值不同，就可以避免冲突。若站点选择的随机回退值不同，就可以避免冲突。 802.11仍可能会出现冲突：仍可能会出现冲突： 站点是相互隐藏的。站点是相互隐藏的。 站点选择了相同的回退值。站点选择了相同的回退值。802.11二进制指数退避算法二进制指数退避算法 第第i次退避就在次退避就在0,1,22

30、+i-1个时隙中随机地选个时隙中随机地选择一个，使得不同站点选择相同退避时间的概择一个，使得不同站点选择相同退避时间的概率进一步减少。率进一步减少。 第第1次退避是在次退避是在8个时隙（而不是个时隙（而不是2个）个）0,1,7中随机选择一个；中随机选择一个； 第第2次退避是在次退避是在16个时隙（而不是个时隙（而不是4个）个）0,1,15中随机选择一个。中随机选择一个。 当时隙达到当时隙达到255时（对应于第时（对应于第6次退避）就不次退避）就不再增加了。再增加了。 退避计时器退避计时器 根据退避时间设置退避计时器。根据退避时间设置退避计时器。 站点每经历一个时隙的时间就检测一次信道。站点每经

31、历一个时隙的时间就检测一次信道。 若检测到信道空闲，退避计时器就继续倒若检测到信道空闲，退避计时器就继续倒计时；计时； 若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩若检测到信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间，重新等待信道变为空闲，并再经余时间，重新等待信道变为空闲，并再经过时间过时间DIFS后，从剩余时间开始继续倒计后，从剩余时间开始继续倒计时。时。 如果退避计时器的时间减小到零时，就开如果退避计时器的时间减小到零时，就开始发送整个数据帧。始发送整个数据帧。 图例 冻结剩余的退避时间帧帧帧帧帧DIFSDIFSDIFSDIFS争用窗口争用窗口争用窗口争用窗口退避退避退避退避ABCDEttttt冻结冻结冻

32、结冻结冻结802.11 的退避机制的退避机制CSMA/CA算法算法 若站点最初有数据要发送（而不是发送不成功若站点最初有数据要发送（而不是发送不成功再进行重传），且检测到信道空闲，在等待时间再进行重传），且检测到信道空闲，在等待时间DIFS后，就发送整个数据帧。后，就发送整个数据帧。 否则，站点执行否则，站点执行CSMA/CA协议的退避算法。协议的退避算法。一旦检测到信道忙，就冻结退避计时器，并等待一旦检测到信道忙，就冻结退避计时器，并等待确认。确认。 当退避计时器时间减到零时（这时信道只可能当退避计时器时间减到零时（这时信道只可能是空闲的），站点就发送整个帧并等待确认。是空闲的），站点就发送

33、整个帧并等待确认。CSMA/CA算法（续）算法（续） 发送站若收到确认，就知道已经发送的帧发送站若收到确认，就知道已经发送的帧被目的站正确收到了。这时如果要发送第二帧，被目的站正确收到了。这时如果要发送第二帧，就要从上面的步骤就要从上面的步骤开始，执行开始，执行CSMA/CA协协议的退避算法，随机选定一段退避时间。议的退避算法，随机选定一段退避时间。 若源站在规定时间内没有收到若源站在规定时间内没有收到ACK确认帧，就确认帧，就必须重传此帧，直到收到确认帧为止，或者经必须重传此帧，直到收到确认帧为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。过若干次的重传失败后放弃发送。使用退避算法的情况使用退避算

34、法的情况 仅在下面的情况下才不使用退避算法：仅在下面的情况下才不使用退避算法： 检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。送的第一个数据帧。 以下几种情况都必须使用退避算法：以下几种情况都必须使用退避算法： 在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。 在每一次的重传后。在每一次的重传后。 在每一次的成功发送后。在每一次的成功发送后。6. 信道预约信道预约 802.11允许要发送数据帧的站对信道进行预允许要发送数据帧的站对信道进行预约。这样可以避免长数据帧的冲突。约。这样可以避免长数据帧的冲突。 用用RTS

35、和和CTS，是可选的。，是可选的。A 的作用范围B 的作用范围对信道进行预约对信道进行预约 ACBDERTSRTS源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS (Request To Send)，包括源地址、目的地址和持续时间（包括这次通信的确认帧时间）。 RTSA 的作用范围B 的作用范围对信道进行预约对信道进行预约 802.11 允许要发送数据的站对信道进行允许要发送数据的站对信道进行预约。预约。 CTSACBDECTS若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送 CTS (Clear To Send)，它包括这次通信所需的持续时间（从 RTS 帧中

36、将此持续时间复制到 CTS 帧中）。 A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧。 CTSA和和B通信时，对附近站点通信时，对附近站点C、D和和E的影响的影响 C能收到能收到RTS，但收不到，但收不到CTS。所以，。所以，C可以给其可以给其它站点发送数据。它站点发送数据。 D能收到能收到CTS，E能收到能收到RTS和和CTS。所以。所以D、E在在A和和B通信阶段不能发送数据。通信阶段不能发送数据。A 的作用范围B 的作用范围CTSACBDECTSRTSRTSCTSRTS使用使用RTS和和CTS避免冲突避免冲突APAtimeRTS(A)CTS(A)DATA (A)ACK(A)DIFSSIFSSIFS

37、SIFS所有其它站点推迟访问RTS和和CTS帧较短，冲突持续时间较短。帧较短，冲突持续时间较短。APABtimeRTS(A)RTS(B)RTS(A)CTS(A)CTS(A)DATA (A)ACK(A)ACK(A)预约冲突reservation collisiondeferRTS 和和 CTS 帧帧以及数据帧和以及数据帧和ACK 帧的传输时间关系帧的传输时间关系时间DIFSRTSSIFS时间RTS后设置NAVDIFS争用窗口推迟接入源站时间目的站ACK 其他站CTSSIFSSIFS数据CTS设置NAV数据后设置NAV使用使用RTS和和CTS帧，可以提高性能帧，可以提高性能 隐藏终端问题被减轻了，

38、因为长隐藏终端问题被减轻了，因为长Data帧只有在帧只有在信道预约后才被发送。信道预约后才被发送。 因为因为RTS帧和帧和CTS帧较短，涉及帧较短，涉及RTS帧或帧或CTS帧的碰撞仅持续很短时间。一旦帧的碰撞仅持续很短时间。一旦RTS帧和帧和CTS帧被正确传输，后续的帧被正确传输，后续的Data帧和帧和ACK帧应该能帧应该能够无碰撞地发送。够无碰撞地发送。 但是但是RTS帧和帧和CTS帧的引入，也引入了时延，帧的引入，也引入了时延，消耗了网络资源。所以消耗了网络资源。所以RTS帧和帧和CTS帧仅仅用帧仅仅用于为长数据帧预约信道。可以设置一个于为长数据帧预约信道。可以设置一个RTS门门限值，超过

39、门限值时，才使用限值，超过门限值时，才使用RTS帧和帧和CTS帧。帧。7. 点协调功能点协调功能 PCF 点协调功能工作模式点协调功能工作模式PCF是一种无争用服务，是一种无争用服务，某些某些AP有此功能。有此功能。AP使用集中控制接入算法，使用集中控制接入算法，将发送数据权轮流交给各个站点，从而避免冲将发送数据权轮流交给各个站点，从而避免冲突。突。 AP通过使用短的帧间间隔通过使用短的帧间间隔PIFS，获得优先发，获得优先发送权。送权。AP一旦有了优先发送权，就可以轮流一旦有了优先发送权，就可以轮流向各个无线站点发送查询请求，从而控制无线向各个无线站点发送查询请求，从而控制无线信道的访问。信

40、道的访问。10.2.5 802.11 MAC帧帧 三种类型，即控制帧、数据帧和管理帧。三种类型，即控制帧、数据帧和管理帧。 除此之外，还有一些首部是由物理层使用的，但除此之外，还有一些首部是由物理层使用的，但这些首部绝大多数被用来处理所涉及的调制技术。这些首部绝大多数被用来处理所涉及的调制技术。 802.11MAC帧主要由三大部分组成：首部、帧帧主要由三大部分组成：首部、帧主体和帧校验序列。主体和帧校验序列。 帧首部共帧首部共30字节，帧的复杂性都体现在帧的字节，帧的复杂性都体现在帧的首部。首部。 帧主体就是帧的数据部分，不超过帧主体就是帧的数据部分，不超过2312字节。字节。 帧校验序列帧校

41、验序列FCS是尾部，共是尾部，共4字节。字节。 类型类型从从AP子类子类到到AP更多更多标识标识WEP更多更多数据数据功率功率管理管理重试重试Rsvd协议版本协议版本22411111111802.11 frame: 序号、持续期、数据和帧控制字段序号、持续期、数据和帧控制字段预约信道传输时间，包括预约信道传输时间，包括传输数据帧和确认帧的时传输数据帧和确认帧的时间，用于间，用于RTS和和CTS帧中帧中通常是通常是IP or ARP通常小于通常小于1500B用于区分关联用于区分关联, RTS, CTS, ACK和数据帧和数据帧类似于类似于TCP”序号序号”字段的作字段的作用。用于可靠用。用于可靠

42、ARQ，使接收，使接收方区分是新帧还是重传帧。方区分是新帧还是重传帧。帧控制帧控制持续期address1address2address4address3有效载荷CRC22666260 - 23124序号控制是否加密在基础设施模式和自组在基础设施模式和自组织模式中的含义不同。织模式中的含义不同。IEEE 802.11帧的帧的4个地址字段个地址字段帧控制持续期address1address2address4address3有效载荷CRC22666260 - 23124序号控制Address 2: 发送该帧的主机或AP的MAC地址Address 1: 接收该帧的主机或AP的MAC地址Address

43、3: MAC帧目的地址Address 4: 只用在DS内部802.11802.11数据帧有四个地址字段。数据帧有四个地址字段。 “ “到到DS”DS”和和“从从DS”DS”两两个子字段，有个子字段，有4 4种组合，用于定义种组合，用于定义802.11802.11帧中的几个地址帧中的几个地址字段的含义。字段的含义。 802.11帧的地址字段情况帧的地址字段情况 到到DS从从DS地址地址1地址地址2地址地址3地址地址400目的地址目的地址源地址源地址BSSID-01目的地址目的地址BSSID源地址源地址-10BSSID源地址源地址目的地址目的地址-11RAPTAP目的地址目的地址源地址源地址Ad

44、hocAd hoc从从APAP到站点到站点从站点到从站点到APAPDSDS内部内部Ad hoc的数据帧的地址格式的数据帧的地址格式 BSSAB地址地址1 1 地址地址2 2 地址地址3 3 地址地址4 4AB的帧地址格式的帧地址格式BABSSID数据帧的地址格式数据帧的地址格式 BSS2接入点AP2接入点AP1A因特网分配系统DSBAP2B的帧地址格式AAP1的帧地址格式AP1AP2的帧地址格式的帧地址格式BSS1地址地址1 1 地址地址2 2 地址地址3 3 地址地址4 4AP1 AB地址地址1 1 地址地址2 2 地址地址3 3 地址地址4 4BAP2A地址地址1 1 地址地址2 2 地址

45、地址3 3 地址地址4 4AP2 AP1BA10.2.6 802.11无线无线LAN提供的服务提供的服务 802.11规定每个遵从该标准的无线局域网必规定每个遵从该标准的无线局域网必须提供须提供9种服务，这些服务分为两类，种服务，这些服务分为两类，5种分种分布式服务和布式服务和4种站服务。种站服务。 分布式服务分布式服务涉及到对单元（涉及到对单元（cell）的成员关）的成员关系的管理，并且会与其它单元中的站点进系的管理，并且会与其它单元中的站点进行交互。与之相反。行交互。与之相反。 站服务站服务则只管理一个单元内部的活动。则只管理一个单元内部的活动。5种分布式服务种分布式服务 由由AP提供的提

46、供的5种服务将移动节点与种服务将移动节点与AP关联起关联起来，或者将它们与来，或者将它们与AP解除关联。解除关联。 建立关联建立关联：当移动站点进入一个新的单元：当移动站点进入一个新的单元后，立即通告它的身份与能力。能力包括支持后，立即通告它的身份与能力。能力包括支持的数据速率、需要的数据速率、需要PCF服务和功率管理需求等。服务和功率管理需求等。 AP可以接受或拒绝移动站点的加入。如果移可以接受或拒绝移动站点的加入。如果移动站点被接受，它必须证明它自己的身份。动站点被接受，它必须证明它自己的身份。 解除关联解除关联。无论是。无论是AP还是站点都可以主动还是站点都可以主动解除关联，从而中止它们

47、之间的关系。解除关联，从而中止它们之间的关系。5种分布式服务（续）种分布式服务（续） 重建关联重建关联。站点可以使用该服务来改变它的。站点可以使用该服务来改变它的首选首选AP 。 分发分发。该服务决定如何将发送到。该服务决定如何将发送到AP的帧发的帧发送出去。如果目的站在同一个送出去。如果目的站在同一个AP下，帧可以被下，帧可以被直接发送出去，否则必须通过有线网络转发。直接发送出去，否则必须通过有线网络转发。 集成集成。如果一个帧需要通过一个非。如果一个帧需要通过一个非802.11网络（具有不同的编址方案或帧格式）传输，网络（具有不同的编址方案或帧格式）传输，该服务可将该服务可将802.11格

48、式转换成目的网络要求的格式转换成目的网络要求的格式。格式。4种站服务种站服务 4种站服务用于管理单元内的活动。种站服务用于管理单元内的活动。 身份认证身份认证。当移动站点与。当移动站点与AP建立了关联后，建立了关联后， AP会向移动站点发送一个质询帧，看它是否知道以前会向移动站点发送一个质询帧，看它是否知道以前分配给它的密钥；移动站点用自己所知道的密钥加分配给它的密钥；移动站点用自己所知道的密钥加密质询帧，然后发回给密质询帧，然后发回给AP ，就可以证明它是知道，就可以证明它是知道密钥的；如果密钥的；如果AP检验正确，则该移动站点就会被正检验正确，则该移动站点就会被正式加入到单元中。式加入到单

49、元中。 解除认证解除认证。一个以前经过认证的站想要离开网络。一个以前经过认证的站想要离开网络时，需要解除认证。时，需要解除认证。 保密保密。处理加密和解密，加密算法为。处理加密和解密，加密算法为RC4。 数据传递数据传递。提供了一种数据传送和接收方法。提供了一种数据传送和接收方法。10.2.7 802.11无线站点接入过程无线站点接入过程 现在许多地方能够向公众提供有偿或无偿接入现在许多地方能够向公众提供有偿或无偿接入Wi-Fi的服务。这样的地点就叫作的服务。这样的地点就叫作热点热点。热点。热点也就是也就是公众无线入网点公众无线入网点。 由许多热点和由许多热点和 AP 连接起来的区域叫做连接起

50、来的区域叫做热区热区。 因为无线信道的使用日益增多，所以出现了无因为无线信道的使用日益增多，所以出现了无线因特网服务提供者线因特网服务提供者WISP这一名词。用户可这一名词。用户可以通过无线信道接入到以通过无线信道接入到WISP，然后再经过无，然后再经过无线信道接入到因特网。线信道接入到因特网。Wi-Fi 丛林丛林 Wi-Fi 丛林是一个物理位置，无线站点可以丛林是一个物理位置，无线站点可以从两个或多个从两个或多个AP中收到很强的信号。中收到很强的信号。 每个每个AP都可能位于不同的子网中，并被独立都可能位于不同的子网中，并被独立分配一个信道。分配一个信道。 当一个移动站点进入一个当一个移动站

51、点进入一个Wi-Fi丛林时，需要丛林时，需要加入其中一个子网，并与其中的一个加入其中一个子网，并与其中的一个AP进行进行关联，然后才能发送数据。关联，然后才能发送数据。 关联需要经历三个阶段：扫描、认证和关联关联需要经历三个阶段：扫描、认证和关联 无线站点接入过程无线站点接入过程 认证服务器认证服务器APAP站点站点Probe RequestProbe ResponseProbe RequestProbe ResponseSSIDSSID比较比较Authentication RequestAuthentication ResponseAssociation RequestAssociation

52、 Response扫描扫描认证认证关联关联Y Y1. 扫描阶段扫描阶段 Ad hoc模式模式，站点寻找是否已经有独立基本服务，站点寻找是否已经有独立基本服务集集IBSS，并且与站点具有相同的服务集标识符，并且与站点具有相同的服务集标识符SSID。 若存在，则加入（若存在，则加入（join）；）； 若不存在，则创建一个若不存在，则创建一个IBSS，等其他站来加入。，等其他站来加入。 基础设施模式基础设施模式，无线站点首先需要寻找一个，无线站点首先需要寻找一个AP。寻。寻找找AP有两种扫描方法：有两种扫描方法： 被动扫描方式被动扫描方式，站点被动等待，站点被动等待AP 每隔一段时间每隔一段时间定时

53、送出的信标帧。定时送出的信标帧。 主动扫描方式主动扫描方式，站点主动发出，站点主动发出探测请求帧探测请求帧，寻找，寻找与站点所属与站点所属BSS有相同有相同SSID的的AP，然后等待从，然后等待从AP发回的发回的探测响应帧探测响应帧。若找不到有相同。若找不到有相同SSID的的AP，则一直扫描下去。，则一直扫描下去。2. 认证阶段认证阶段 站点找到相同服务集标识符站点找到相同服务集标识符SSID的的AP后，选择后，选择一个信号最强的一个信号最强的AP，然后进入认证阶段。，然后进入认证阶段。 802.11标准提供了认证和加密两个规范定义。标准提供了认证和加密两个规范定义。 定义了两种认证服务：定义

54、了两种认证服务： 开放系统认证，开放系统认证，是是802.11的缺省认证方法，的缺省认证方法，包括提出包括提出认证请求认证请求和和返回认证结果返回认证结果两个步骤。两个步骤。 共享密钥认证共享密钥认证，共享密钥通过独立于，共享密钥通过独立于IEEE 802.11的安全信道分发给各个站点和的安全信道分发给各个站点和AP成员成员提供认证。提供认证。 认证过程认证过程 802.11标准定义的加密规范是标准定义的加密规范是有线等效保密有线等效保密WEP。 WEP认证的目的是向一个合法的认证的目的是向一个合法的AP证明这个移动设备知道证明这个移动设备知道密钥。共享密钥认证需要在站点和密钥。共享密钥认证需

55、要在站点和AP之间进行之间进行4次交互，使次交互，使用经用经WEP加密的密文传输。认证过程：加密的密文传输。认证过程： 站点向站点向AP发送认证请求帧，启动认证过程；发送认证请求帧，启动认证过程； AP利用利用WEP算法产生一个算法产生一个128字节的随机数字节的随机数-质询正文，质询正文，并放在认证响应帧中发送给移动站点；并放在认证响应帧中发送给移动站点； 移动站点用移动站点用WEP密钥加密这个随机数，然后发回密钥加密这个随机数，然后发回AP。移动。移动站点必须要知道密钥才能够成功加密随机数；站点必须要知道密钥才能够成功加密随机数； AP对站点的加密结果进行解密，并返回认证结果。对站点的加密

56、结果进行解密，并返回认证结果。 如果解密后的质询正文与发送的原质询正文相匹配，则如果解密后的质询正文与发送的原质询正文相匹配，则返回返回“正正”的认证结果；的认证结果； 反之，认证结果为反之，认证结果为“负负”，站点不能加入该无线网。，站点不能加入该无线网。3. 关联阶段关联阶段 当当AP向站点返回认证响应信息，身份认证获向站点返回认证响应信息，身份认证获得通过后，就进入关联阶段。得通过后，就进入关联阶段。 在这一阶段站点向在这一阶段站点向AP发送关联请求帧，发送关联请求帧，AP向向站点返回关联响应帧。站点返回关联响应帧。 关联过程结束后，站点就能够得到该关联过程结束后，站点就能够得到该BSS

57、提供提供的服务了。的服务了。 至此，接入过程才完成，站点初始化完毕，可至此，接入过程才完成，站点初始化完毕，可以开始向以开始向AP传送数据帧。传送数据帧。10.2.8 IEEE802.11协议标准协议标准 目前最热门的目前最热门的 WLAN 技术就是技术就是 IEEE的的802.11及其相关标准。及其相关标准。 IEEE 802.11(1997.6)，1或或2Mbps，工作在，工作在2.4GHz频段或使用红外频段或使用红外(IR) IEEE 802.11a(1999)，54Mbps，12个信道，个信道，最多最多8个互不重叠，工作在个互不重叠，工作在5GHz频段频段 IEEE 802.11b(1

58、999.9), 11Mbps，11个信道，个信道，最多最多3个互不重叠，工作在个互不重叠，工作在2.4GHz频段频段 IEEE 802.11g(2003.6), 54Mbps，11个信道，个信道，最多最多3个互不重叠，工作在个互不重叠，工作在2.4GHz频段频段（802.11g兼容兼容802.11b） IEEE 802.11/11b/11a/11g的比较的比较 802.11802.11b802.11a802.11g网络拓扑网络拓扑Infrastructure（BSS、ESS）制定时间制定时间97年年6月月99年年9月月99年年9月月01年年11月月工作频段工作频段2.4GHz2.4GHz5GH

59、z2.4GHz带宽带宽2/1Mbps11/5.5/2/1Mbps可达可达54Mbps可达可达54Mbps传输距离传输距离100米米50150米米1030米米50150米米业务业务数据数据数据、图像数据、图像语音、数语音、数据、图像据、图像语音、数据、语音、数据、图像图像10.3 无线个人区域网无线个人区域网WPAN WPAN把属于个人使用的电子设备用无线技术连接把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来构成自组网络，不需要起来构成自组网络，不需要AP，范围约，范围约10米。米。 WPAN不同于不同于WLAN。 WPAN是一个低功率、小范围、低速率和低价格是一个低功率、小范围、低速率和低价格的电

60、缆替代技术。的电缆替代技术。 WLAN却是一个大功率、中等范围、高速率的局却是一个大功率、中等范围、高速率的局域网。域网。 WPAN标准由标准由IEEE的的802.15工作组制定，包括工作组制定，包括MAC层和物理层这两层标准。层和物理层这两层标准。WPAN都工作在都工作在2.4GHz的的ISM频段。频段。 WPAN有三种：蓝牙系统、低速有三种：蓝牙系统、低速WPAN和高速和高速WPAN。蓝牙系统蓝牙系统(Bluetooth) 蓝牙的最初目的是用短距离、低功率和廉价的无蓝牙的最初目的是用短距离、低功率和廉价的无线收发器将计算设备与通信设备、外设等连接起线收发器将计算设备与通信设备、外设等连接起