无线局域网原理及标准

1、Page 1ALTRATEK Systems无线局域网基本原理及技术无线局域网基本原理及技术ALTRATEK Systems, Inc.May. 2005ALTRATEK SystemsPage 2议程议程1. 无线局域网的概念2. 无线局域网的标准3. 无线局域网的技术4. 无线局域网的应用ALTRATEK SystemsPage 31. 无线网络的概念无线网络的概念ALTRATEK SystemsPage 4无线数据网分类无线数据网分类无线数据网的种类无线数据网的种类 无线个人网（WPAN）、无线局域网（WLAN）、无线网桥、 无线城域网（WMAN）和无线广域网（WWAN）。*无线个人网无

2、线个人网 主要用于个人用户工作空间，典型距离覆盖几米，可以与计算机同步传输文件，访问 本地外围设备，如打印机等。目前主要技术包括蓝牙（Bluetooth）和红外（IrDA）。*无线局域网无线局域网 主要用于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，典型距离覆盖几十米至上百米。目前主 要技术为802.11系列。*无线网桥无线网桥 主要用于大楼之间的联网通讯，典型距离几公里。*无线城域网和广域网无线城域网和广域网 覆盖城域和广域环境，主要用于Internet/email访问，但提供的带宽比无线局域网技 术要低很多。目前典型的技术是GRPS和CDMA。ALTRATEK SystemsPage 5PCMCIA

3、CARDPCMCIA CARDPCMCIA CARDPCMCIA CARDPCMCIA CARDPCMCIA CARDHUBAccess Point有线局域网有线局域网无线局域网无线局域网HUBServer无线局域网和有线局域网的对比无线局域网和有线局域网的对比ALTRATEK SystemsPage 6无线网络优点无线网络优点机动性机动性: : 不受工作区域之限制不受工作区域之限制便利性便利性: : 兼容性高兼容性高, ,安装方便安装方便扩充性扩充性: : 可随时增加使用数量可随时增加使用数量节省成本节省成本: : 不须考虑重新装潢不须考虑重新装潢, ,布线布线 之费用之费用ALTRATEK

4、 SystemsPage 7什么是什么是ISM该频段是依据全球性国际组织美国联邦通讯委员会(FCC)所定义出来，适用于全球各地来使用，无需授权使用。 ISM 工业（Industrial）、科学（Scientific）与医疗（Medical） ISM频段 12346 81020 30 40 60100G GH Hz z123欧美日ALTRATEK SystemsPage 8ISM 2.4G 频谱范围频谱范围 按照无线电频率管理委员会对按照无线电频率管理委员会对2.4G频段扩频设备的使用规定。该频段的工作频段扩频设备的使用规定。该频段的工作频率带宽为频率带宽为83.5MHz，最多有，最多有13个信

5、道可用，个信道可用，13个信道的标号及所用中心频个信道的标号及所用中心频率的情况见下表率的情况见下表： 在多个频道同时工作的情况下，为保证频道之间不相互干扰，要求两个频道的中心频率间隔不能低于25MHz,在实际使用中一般选择1，6，11三个频道进行频率规划，同频道间必须两两隔离。 信道标号中心频率信道低端/高端频率12412MHz2401/2423MHz22417MHz2406/2428MHz32422MHz2411/2433MHz42427MHz2416/2438MHz52432MHz2421/2443MHz62437MHz2426/2448MHz72442MHz2431/2453MHz82

6、447MHz2436/2458MHz92452MHz2441/2463MHz102457MHz2446/2468MHz112462MHz2451/2473MHz122467MHz2456/2478MHz132472MHz2461/2483MHzALTRATEK SystemsPage 9信道分配信道分配12345678910111234567891011信道信道频率频率24002472243724122462121324831213ALTRATEK SystemsPage 102. 无线局域网标准无线局域网标准 Bluetooth802.11b 802.11g 802.11aHomeRF 2.

7、0HiperLAN2Infrared频率2.4GHz2.4GHz2.4GHz5GHz2.4GHz5GHzIr Band传输速度1Mbps 11Mbps 54Mbps54Mbps 10Mbps54Mbps 4Mbps网络层最大速度721Kbps5Mbps 32Mbps5Mbps32MbpsN/A距离10mUp to 100m Up to 100m100m50mTBD*Up to 5m标准IEEE-802.15IEEE-802.11bIEEE- 802.11gIEEE-802.11aSWAPHiperLAN2HiperLAN2IrDA通信技术FHSSDSSSOFDM/PBCC OFDM1MHz a

8、nd 5MHz wide FHSSOFDM(NA)使用模式Point to PointHigh-Speed Network AccessHigh-Speed Network AccessHigh-Speed Network Access Home Networking and DECT phoneHigh-Speed Network AccessPoint-to-Point Data TransmissionTiming1999 December (1.0B)1998 July20012001?2000/2003 Key PlayersSIG members, IBM, Intel, Noki

9、a, Ericsson, ToshibaWi-Fi members, Lucent, Intersil, AtmelIntersil, TI(Alantro)Wi-Fi,Atheros, Intel Radiata,Philips,CiscoCompaq, Motorola, and ProximEricsson is promising HiperLAN 2 products at 2002 22MbpsALTRATEK SystemsPage 11IEEE 802.11的无线局域网标准的无线局域网标准 802.11a 802.11b 802.11g标准确立日期标准确立日期 19999 19

10、999 仍在开发仍在开发 工作频段工作频段 5.150-5.350 GHz5.470-5.850 GHz 2.400-2.483GHz 2.400-2.483GHz 频宽频宽 580MHz 83.5MHz 83.5MHz 互不重迭互不重迭频道数量频道数量 13（U.S）19（Europe） 3 3 数据速率数据速率 6，9，12，18，24，36，48，54Mbps 1，2，5.5，11Mbps6，9，12，18，24，36，48，54Mbps UDP数据吞量数据吞量 30.9Mbps7.1Mbps16.4Mbps ALTRATEK SystemsPage 12802.11标准组标准组IEEE

11、标准标准说说 明明状态状态802.11a制订5 GHz波段上的物理层规范。标准已经完成。802.11b制定2.4 GHz波段上更高速率的物理层规范。标准已经完成。802.11d当前802.11标准中规定的操作仅在几个国家中是合法的，而制订该标准的目的是为了扩充802.11无线局域网在其他国家的应用。标准已经完成802.11e该标准主要是为了改进和管理WLAN的服务质量，保证能在802.11无线网络上进行话音、音频、视频的传输、可视会议、媒体流的传送、增强的安全应用及移动访问应用等。标准正在进行802.11f该标准是为了可以在多个厂商的无线局域网内实现访问互操作，保证网络内访问点之间信息的互换标

12、准正在进行802.11g该标准是802.11b的扩充，目的是制定更高速率的物理层规范（物理层最大数据率至少是20 Mbit/s），通过提高数据率，来增强802.11b兼容网络的性能和应用。标准正在进行802.11h该标准主要是为了增强5GHz波段的802.11 MAC规范及802.11a高速物理层规范；增强信道能源测度和报告机制，以便改进频谱和传送功率管理。标准正在进行802.11i增强WLAN的安全和鉴别机制。标准正在进行标准正在进行ALTRATEK SystemsPage 13无线局域网模型无线局域网模型IEEE 802 LAN标准系列标准系列PHYMACOSI层层2OSI层层1IEEE

13、802.3Ethernet以太网IEEE 802.4Token Bus令牌总线IEEE 802.5Token Ring令牌环IEEE 802.15WPAN蓝牙IEEE 802.16BWA宽带无线IEEE 802.2逻辑链路控制(LLC)IEEE 802.11WLAN无线局域网无线局域网定义了介质访问控制(MAC)和物理层的操作，包括MAC子层、MAC服务和协议以及三个物理层ALTRATEK SystemsPage 14802.11802.11物理层物理层802.11最初定义的三个物理层包括了两个扩散频谱技术和一个红外传播规范， 无线传输的频道定义在2.4GHz的ISM波段内，这个频段，在各个国

14、际无线管 理机构中，例如美国的USA，欧洲的ETSI和日本的MKK都是非注册使用频段。 802.11无线标准定义的传输速率是1Mbps和2Mbps，可以使用FHSS(frequency hopping spread spectrum)和DSSS(direct sequence spread spectrum) 技术，需要指出的是，FHSS和DHSS技术在运行机制上是完全不同的，所以采用这 两种技术的设备没有互操作性。 3. 802.11b在无线局域网协议中最大的贡献就在于它在802.11协议的物理层增加了 两个新的速度：5.5Mbps和11Mbps。为了实现这个目标，DSSS被选作该标准的 唯

15、一的物理层传输技术，这个决定使得802.11b可以和1Mbps和2Mbps的802.11 DSSS系统互操作。 4. 802.11b采用了动态速率调节技术，来允许用户在不同的环境下自动使用不同的连 接速度来补充环境的不利影响。在理想状态下，用户以11M的全速运行，然而，当 用户移出理想的11M速率传送的位置或者距离时，或者潜在地受到了干扰的话，这 把速度自动按序降低为5.5Mbps、2Mbps、1Mbps。同样，当用户回到理想环境的话， 连接速度也会以反向增加直至11Mbps。速率调节机制是在物理层自动实现而不会对 用户和其它上层协议产生任何影响。 ALTRATEK SystemsPage 1

16、5802.11802.11物理层示意图物理层示意图物理层物理层红外技术红外技术 IR PHYIR PHY跳频展频跳频展频 FHSS PHYFHSS PHY直序展频直序展频 DSSS PHYDSSS PHY高速高速DS HR/DSDS HR/DS正交频分多路技术正交频分多路技术OFDMOFDMFor 802.11aFor 802.11 bPHYPHY层层MACMAC层层ALTRATEK SystemsPage 16调制技术调制技术 IEEE802.11: DBPSK、DQPSK、FSK IEEE802.11b: DBPSK、DQPSK、CCK IEEE802.11a: QAM/OFDM IEEE

17、802.11g: DBPSK、DQPSK、QAM/OFDM、PBCC、CCKALTRATEK SystemsPage 17什么是展频什么是展频展频技术的无线局域网络产品是依FCC(Federal Communications Committee；美国联邦通讯委员会)规定的ISM(Industrial Scientific, and Medical)频段，频率范围开放于902MHz928MHz及2.4G2.484GHz两个频段，并没有所谓使用授权的限制。扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来

18、实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据 展频技术主要又分为频率跳频技术（FHSS）及直接序列展频技术（DSSS）两种方式。而此两种技术起源于第二次世界大战中军队所使用的通讯技术，其目的是希望在恶劣的战争环境中，依然能保持通信信号的稳定性及保密性。ALTRATEK SystemsPage 18跳频技术跳频技术 FHSS跳频技术是依靠快速地转换传输的频率来实现的，每一个时间段内使用的频率和前后时间段的都不一样，所以发送者和接收者必须保持一致的跳变频率，这样才能保证接受的信号正确。跳频技术可以避开许多干扰的出现，包括某些工作在特定频率下的信号，这样采

19、用跳频后的802.11无线信号就只会丢失这个频率下的信息，损失不大；如果想分享带宽，也可以采用不同的调频次序来实现。弱点：速度慢，只能达到1Mbps。Time slotFrequency slot012345678Signal 1 2,7,4,5Work 1 6Signal 2 4,3,1,7ALTRATEK SystemsPage 19直接序列扩频技术直接序列扩频技术 DSSS直扩技术是把使用11位的chippingBarker序列来将数据编码并发送的技术。发送端通过spreader把chips（就是一串的二进制码）添加入要传输的bit流中，称为编码；然后在接受端用同样的chips进行解码，

20、就可以得到原始数据了。802.11协议中是使用Barker序列号来作为这个chips的，规定为10110111000，在编码过程，如果要传送的数据是0的话，数列不变；如果传送的数据是1的话，数列就相反。在相同的吞吐量下，直扩技术需要比跳频技术更多的能量；但以消耗能量为代价，它也能达到比跳频技术更高的吞吐量，802.11b能达到5.5Mbps和11Mbps就就是采用HR/DSSS技术。Scrambled dataBarker sequence01110111000 1011011 001001110111000 0100100 110101Transmitted dataALTRATEK Sys

21、temsPage 20802.11MAC层层802.11的MAC和802.3协议的MAC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的可用性。802.3协议冲突的 检测采用CSMA/CD 方式，而在802.11无线局域网协议中，采用了新的协议 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)2. 另一个的无线MAC层问题是“hidden node”问题。为了解决这个问题，802.11在 MAC层上引入了一个新的Send/Clear to Send(RTS/CTS)选项，间接解

22、决了 “hidden node”问题。由于RTS/CTS需要占用网络资源而增加了额外的网络负担， 一般只是在那些大数据报上采用(重传大数据报会耗费较大)。 802.11MAC子层提供了另两个强壮的功能，CRC校验和包分片。 CRC校验是指在802.11协议中，每一个在无线网络中传输的数据报都被附加上了校 验位，这和Ethernet中通过上层TCP/IP协议来对数据进行校验有所不同。 包分片的功能允许大的数据报在传送的时候被分成较小的部分分批传送。这项技术 大大减少了许多情况下数据报被重传的概率，从而提高了无线网络的整体性能。4. 另外几个部分： a. 802.11e - 提高和管理网络的QoS

23、的能力； b. 802.11f - 采用IAPP协议，可以在不同的厂商的无线局域网内 实现访问互操作，保证网络内访 问点之间信息的互换。 c. 802.11i - 增强WLAN的安全和鉴别机制。 ALTRATEK SystemsPage 21802.11802.11物理层示意图物理层示意图MACMAC层层802.11i802.11i802.11F802.11F802.11e802.11e载波监听多路访问载波监听多路访问/ /冲突防止冲突防止 CSMA/CA CSMA/CA 发送发送/ /清除清除- -发送发送 RTS/CTSRTS/CTSFor 802.11For 802.11For 802.

24、11For 802.11PHYPHY层层MACMAC层层ALTRATEK SystemsPage 223.无线局域网基本技术无线局域网基本技术 无线局域网基本构架 SCAN、SWEEP、ASSOCIATION、AUTHENTICATION过程 CSMA/CA和RTS/CTS协议 漫游实现 安全性 电源管理ALTRATEK SystemsPage 23infrastructure网络ad-hoc 网络APAPAP有线网络AP: Access Point无线局域网基本构架无线局域网基本构架ALTRATEK SystemsPage 24IBSSIBSS (Independent Basic Serv

25、ice Set)由数个无线工作站所级组成做点对多点运用的区域网络ALTRATEK SystemsPage 25BSSBSS (Basic Service Set)同一台AP及数台无线工作站所组成的局域网ALTRATEK SystemsPage 26ESSESS(Extended Service Set)一个或多个以上的BSS即可被定义成一个Extended Service Set ( ESS )，用户可在ESS上漫游及存取BSS系统中的任何资料，其中Access Points必须设定相同的ESSID才能允许漫游。ALTRATEK SystemsPage 27Distribution Syste

26、mstationAPstationstationAPstationDistribution networkBSSBSSESSALTRATEK SystemsPage 28SSIDSSIDSSID，可以称作无线网络的名称可以称作无线网络的名称 n采用无线局域网中infrastructure架构；n每个AP必须配置一个SSID（注意对大小 写敏感）；n每个客户端必须匹配AP的SSID才能连接 得上；ALTRATEK SystemsPage 29APWireless StationsWireless Stations1122AP（ Access-Points ）和无线工作站间的通信要求建立在相同的工

27、作频率上；AP 的工作频率是由网络管理员在系统安装时，指定的固定频率。该频率可以在使用过程中修改；无线工作站采用动态的方式在各个频率点间查找AP的工作频点；无线工作站进入到一个无线网络环境后，寻找AP工作频率的这个过程称为SCAN。SCAN-1ALTRATEK SystemsPage 30IEEE 802.11 针对Scan定义了两种工作模式:被动扫描模式（Passive Scanning）无线工作站的切换到每一个工作频率后都等待监听，如果收到由AP发出的频标（beacon），这表明该频段有AP提供服务。主动扫描模式（Active Scanning）无线工作站的切换到每一个工作频率后都立刻发出

28、一个“查询请求”信号，如果该工作频率有AP提供服务，他会立即响应一个“查询响应”信号SCAN-2Wireless StationsWireless StationsPassive ScanningActive ScanningListeningRequestingALTRATEK SystemsPage 31Sweep-1Sweep是指在所有频段上完成一次scan的过程；Sweep会定义 “channel-list” ，其中包括了scan过程需要扫描的所有频段Sweep包括两种类型:“Full Sweep”所有“channel-list”中的频段都被扫描“Short Sweep”“channe

29、l-list”中的一部分频段被扫描，这种扫描类型需要遵循另外的规则ALTRATEK SystemsPage 32Sweep-2Short Sweep可以加快漫游过程中的网络切换速度；Short Sweep如何指定一部分channel list被扫描激活的频段以前漫游发生时所使用的频段，再次切换时，会首先查询他们最有可能的频段与当前正在使用的频段有两个或者两个以上频段差异的频段举例: 假如频段5是当前激活的，频段2和频段8最有可能 频段 3, 4, 6 and 7 因为太接近频段5，所以最初将不会考虑Short Sweep可以加快漫游过程中的网络切换速度；每个频段的扫描时间是5 50 ms新的无

30、线覆盖去如果只有这一台无线接入工作站，判断时间为 5 ms如果接入得无线工作站较多，最长时间为50 msALTRATEK SystemsPage 33Association无线工作站与AP建立 Association 关系的过程:执行一个 full sweep 过程选择具有相同的“Network Name” (= SSID) ,并且具有最好的通信质量的AP 可以将 “network name” 设置为 “ANY” ，同时Access-Point 不要设置为 “closed”，这样无线工作站会连接上第一个找到的AP无线工作站送出一个 “Association Request”AP 会将无线工作站

31、的加入它的成员列表，并且分配一个成员号给他AP 将无线工作站 的MAC地址插入bridge tableALTRATEK SystemsPage 34Authentication认证方案实施：IEEE 802.11 定义方式：Open System AuthenticationShared Key Authentication (based on WEP)802.11的认证方式是面向设备的，通过静态和预共享的，存在着缺陷：不是基于用户的缺少秘钥管理，分发机制容易被破解，盗取，伪造可采用其他的方法补救：基于无线网卡MAC地址的访问控制列表；即将到来的802.11i协议预计要到2003Q4才能正式发

32、布；802.1x的标准各厂家自己的私有协议密钥的管理：开放的系统中，验证只需要一次就足够了，但只能在一个BSS系统中如果用户漫游，就需要采用IAPP的标准，IAPP是基于MAC层的漫游概念ALTRATEK SystemsPage 35CSMA/CA协议协议n 无线局域网中采用了与以太网无线局域网中采用了与以太网CSMA/CD相类似相类似的的CSMA/CA(载波监听多路访问载波监听多路访问/冲突防止冲突防止)协议协议n CSMA/CA采用能量检测（采用能量检测（ED）、载波检测（）、载波检测（CS）和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。 CSMA/C

33、A通信方式将时间域的划分与帧格式紧通信方式将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个站点发送，密联系起来，保证某一时刻只有一个站点发送，实现了网络系统的集中控制实现了网络系统的集中控制ALTRATEK SystemsPage 36冲突检测冲突检测如果如果A A和和C C同时监听到信道是空闲的，他们会同发送数据。同时监听到信道是空闲的，他们会同发送数据。这时发生的碰撞在以太网的发送端会检测到这时发生的碰撞在以太网的发送端会检测到半双工的无线电信号在发送端却不能检测到碰撞半双工的无线电信号在发送端却不能检测到碰撞ABCABCEthernet LANWireless LANALTRAT

34、EK SystemsPage 37RTS/CTS协议协议如图所示情况如图所示情况如何避免碰撞？如何避免碰撞？A A用户用户B B用户用户ALTRATEK SystemsPage 38隐藏终端隐藏终端A和和C 不能彼此听见不能彼此听见A发信号给发信号给B，C不能收到不能收到A的信号的信号 C想发送给想发送给B信号，信号，C认为信道是认为信道是“空闲空闲”的的 （载波监听失败）（载波监听失败）在在B处发生碰撞处发生碰撞A不能收到这个碰撞信号不能收到这个碰撞信号 （碰撞检测失败）（碰撞检测失败）对对C而言，而言，A是隐形的，不存在的是隐形的，不存在的解决方案？解决方案？隐藏终端对无线而言比较特殊，在

35、有线网络中是不存在的隐藏终端对无线而言比较特殊，在有线网络中是不存在的要求在接收端监听载波，不是发送端要求在接收端监听载波，不是发送端“虚拟载波监听虚拟载波监听”: 发送端发送端“询问询问”接收端能否听到别的信号。如果听到则信接收端能否听到别的信号。如果听到则信道繁忙道繁忙BACRTS/CTS协议协议ALTRATEK SystemsPage 39802.11 要避免要避免隐藏终端隐藏终端的问题的问题 A和和C要同时发数据给要同时发数据给B A 发送发送RTS给给B B 发送发送CTS给给A C从从B处处“窃听窃听”到到CTS C会为会为A的数据传送持续等一段时间的数据传送持续等一段时间RTS/

36、CTSABCRTSCTSCTSALTRATEK SystemsPage 40漫游漫游(Roaming)Site BSite AAP2AP1ALTRATEK SystemsPage 41什么时候会发生漫游呢？什么时候会发生漫游呢？无线工作站在AP间的切换在以下情况下发生：无线工作站离开了当前AP的覆盖区当前使用的无线频段受到严重的干扰当前连接的AP停止了工作正在使用的频段非常繁忙，此时还有可选的负载较轻的AP频段无线工作站是基于CCQL(Combined Communications-Quality & Load)条件 决定是否发起漫游的改变：CCQL 数值基于以下参数计算:信噪比SNR

37、 (Signal to Noise Ratio) :根据接收到的Beacon显示的平均信号等级根据当前信道接收到的数据的平均噪音等级负载Sweep的结果 (Searching 时产生的结果):Probe Responses的信噪比漫游（漫游（Roaming）ALTRATEK SystemsPage 42漫游（漫游（Roaming） 漫游协议并没有归入漫游协议并没有归入 802.11 Inter Access Point Protocol, IAPP, 将要成一个将要成一个标准的漫游协议标准的漫游协议 IAPP 协议元素: WMP (WaveLAN Management Protocol) 单向

38、协议，无线工作站发出的重新建立新的联合关系的信号协议 Announce Protocol 在同一个区域内，AP间相互确认和交换信息的通告协议 Hand-over Protocol 一个无线工作站和AP重新建立连接时，在AP间交换信息的双向协议ALTRATEK SystemsPage 43漫游的移交过程漫游的移交过程无线工作站首先接受缓存在当前使用的AP中的数据包然后开始建立和新的AP的联合关系AP之间使用IAPP(Inter Access Point Protocol)协议IAPP协议工作在AP组成的分布式系统上通知老的AP现在的连接状态，并允许老的AP改变它的association tabl

39、e更新过滤表在各个AP中IAPP使用 UDP/IP协议老的AP抛弃掉为无线工作站缓存的数据包ALTRATEK SystemsPage 44负载均衡负载均衡如果一个区域中有多个AP，设置在不同的、非重叠的频段，这样做可以提高总的性能。AP会将自己当前的负载告知无线工作站，无线工作站会根据收到的高负载通知，决定是否切换到另外一台AP，以此达到负载均衡的效果。ALTRATEK SystemsPage 45安全性安全性IEEE 802.11IEEE 802.11标准中提供了两种方法：标准中提供了两种方法：n 鉴别：指一个站通过验证，被授权在给定的覆盖鉴别：指一个站通过验证，被授权在给定的覆盖范围内与第

40、二个站进行通信范围内与第二个站进行通信n 加密：提供了一种与有线局域网可比的安全级别，加密：提供了一种与有线局域网可比的安全级别，即即WEPWEP（Wired Equivalent PrivacyWired Equivalent Privacy），从而防），从而防止非授权用户的监听以及非法用户的访问。止非授权用户的监听以及非法用户的访问。 ALTRATEK SystemsPage 46认证类型认证类型开放系统认证（开放系统认证（Open systemOpen system authenticationauthentication）这是默认方式，有两个步骤。这是默认方式，有两个步骤。发送站点：发送包含身份的认证管理帧发送站点