第3章无线局域网0

1、第3章 无线局域网内容提要3.1 概述3.2 无线局域网的体系结构与服务3.3 无线局域网的协议体系3.4 IEEE802.11物理层3.5 IEEE802.11媒体访问控制层3.6 其他IEEE802.11标准3.7 Wi-Fi保护接入3.8 无线局域网的应用3.1 概述3.1.1 无线局域网的覆盖范围3.1.2 无线局域网的特点3.1.3 无线局域网的发展历程与相关标准化活动3.1.4 无线局域网的分类与应用无线局域网的覆盖范围v无线局域网是在局部区域内以无线媒体或介质进行通信的无线网络。v局部区域就是距离受限的区域，是相对广域而言。两者的区别主要在于数据传输的范围不同(但覆盖范围界限的区

2、别并不十分明显)，而引起网络设计和实现方面的一些区别。v介于广域网WAN和局域网LAN之间还有一种局部网络，称为城域网v比局域网覆盖范围更小的局部网络称为个(人区)域网。v广义的无线局域网还包含无线城域网(WMAN)和无线个域网(WPAN)。v无线网络也可以粗略分为无线广域网和无线局域网两种。 3.1.2 无线局域网的特点无线局域网的特点优点:(1)移动性(Mobility)(2)灵活性(Flexibility) (3)可伸缩性(Scalability)(4)经济性(Saving) 无线局域网的局限性(1)可靠性(Reliability) (2)带宽与系统容量(3)兼容性(Compatibil

3、ity)与共存性(Coexistence)(4)覆盖范围(5)干扰(6)安全性(7)节能管理(8)多业务与多媒体(9)移动性(10)小型化、低价格3.1.3 无线局域网的发展历程与无线局域网的发展历程与相关标准化活动相关标准化活动无线局域网的发展经历了四代:(1)第一代无线局域网:1985年，FCC颁布的电波法规为无线局域网的发展扫清了道路。 (2)第二代无线局域网：基于IEEE 802.11标准的无线局域网 (3)第三、四代无线局域网：符合IEEE 802.11b标准的产品已经较为普及，归为第三代无线局域网产品；而将符合IEEE 802.11a、HiperLAN2和IEEE 802.11g标

4、准的产品称为第四代无线局域网产品。 任务组：任务组：研究范围和目标研究范围和目标状状 态态MAC组为WLAN开发MAC机制已完成，作为IEEE 802.11的一部分；被ISO/IEC接纳为8802-11：1999标准PHY组为WLAN开发三种PHY层机制：Infrared，DSSS和FHSS已完成，作为IEEE 802.11的一部分，并被ISO/IEC接纳为8802-11：1999标准TGa开发适用于UNII频段的PHY规范已完成，成为IEEE 802.1la标准，并被ISO/IEC接纳为8802-11：1999(E)标准TGb开发2.4 GHz频段的高速PHY规范已完成，成为IEEE 802

5、.11b标准b-corl纠正802.11b的MIB的不足和缺陷进行中TGc向IEEE 802.1d标准提供所需要的信息，实现网桥和802.11MAC互操作已完成，并作为IEEE 802.1d标准的一部分TGd为MIB定义新的PHY参数，并扩展802.11以适应一些国家的要求进行中TGe增强MAC机制，改进QoS和CoS，增强认证和安全机制(已移至TGi)进行中TGf制定IAPP协议进行中TGg开发新的PHY规范，通过提高速率增强802.11b的性能和可用性已完成，成为IEEE 802.11g标准TGh提高802.11MAC和802.11aPHY的网络管理和控制功能，提供动态信道选择和功率控制进

6、行中TGi增强MAC机制，提高安全和认证机制进行中TGn利用智能天线技术提高传输速率、覆盖范围和系统容量进行中5GSG和ETSI-BRAN合作，研究5GHz频段的全球化和协调Ad Hoc Publicity通过研究应用和操作来推广802.11Ad Hoe Regulatory跟踪各个国家的要求，确保802.11符合他们的要求IEEE802.11下的任务组 3.1.4 无线局域网的分类与应用无线局域网的分类与应用 无线局域网可根据不同的层次、不同的业务、不同的技术和不同的标准以及不同的应用等进行分类。 无线局域网的分类方法1 无线局域网的分类方法2 3.2 无线局域网的体系结构与服务无线局域网的

7、体系结构与服务3.2.1 无线局域网的组成结构无线局域网的组成结构1.站STA(Station) 站(点)也称主机(Host)或终端(Terminal)，是无线局域网的最基本组成单元,包括以下几部分： (1)终端用户设备 (2)无线网络接口 (3)网络软件无线局域网中移动站的分类 移动站的分类移动站的分类固定站固定站半移动站半移动站移动站移动站开机使用的移开机使用的移动站动站固定固定固定/移动关机时的移动关机时的移动站站固定固定/移动固定/移动举例举例台式机便携机掌上机、车载台2无线介质 无线介质是无线局域网中站与站之间、站与接入点之间通信的传输介质。空气是无线电波和红外线传播的良好介质。 无

8、线局域网中的无线介质由无线局域网物理层标准定义。3.无线接入点 无线接入点类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成单元。是一种特殊的站，通常处于BSA的中心，固定不动。基本功能有： (1)作为接入点，完成其他非AP的站对分布式系统的接入访问和同一BSS中的不同站间的通信联结。 (2)作为无线网络和分布式系统的桥接点完成无线局域网与分布式系统间的桥接功能。 (3)作为BSS的控制中心完成对其他非AP的站的控制和管理。 4分布式系统DS 为了覆盖更大的区域，把多个BSA通过分布式系统连接起来，形成一个扩展业务区ESA，通过DS互相连接起来的属于同一个ESA的所有主机组成一个扩展业务组ESS。

9、分布式系统通过入口(Portal)与骨干网相连 3.2.2 无线局域网的拓扑结构无线局域网的拓扑结构v从物理拓扑分类看:单区网SCN和多区网MCNv从逻辑上看:对等式、基础结构式和线型、星型、环型 v从控制方式方面来看:无中心分布式、有中心集中控制式v从与外网的连接性来看：独立WLAN和非独立WLAN 1分布对等式拓扑 分布对等式网络是一种独立的(Independent) BSS(IBSS)，它至少有两个站。是一种典型的、以自发方式构成的单区网，该工作模式被称作特别网络或自组织网络(Ad Hoc Network) 2基础结构集中式拓扑3ESS网络拓扑 4.中继或桥接型网络拓扑 v两个或多个网络

10、(LAN或WLAN)或网段通过无线中继器、无线网桥或无线路由器等无线网络互连设备连接起来。v采用中继或桥接型网络拓扑是一种拓展WLAN覆盖范围的有效方法。 3.2.3 无线局域网的服务无线局域网的服务v与WLAN体系结构和工作原理密切相关的服务主要有两种类型:STA服务和分布式系统服务(DSS)，这两种服务均由MAC层使用。vIEEE 802.11标准中定义了九种服务，三种用来移动数据，其余六种是管理操作。 1.STA服务(SS)v由STA提供的服务被称为STA服务，它存在于每个STA和AP中。SS包括： (1)认证(Authentication) (2)解除认证(Deauthenticati

11、on) (3)保密(Privacy)2.分布式系统服务(DSS)v由DS提供的服务被称为分布式系统服务。在WLAN中，DSS通常由AP提供。包括：(1)联结(Association)(2)重新联结(Reassociation) (3)解除联结(Disassociation)(4)分布(Distribution)(5)集成(Integration)3服务之间的关系 v对于通过WM进行直接通信的STA均有认证状态(值为未被认证和已认证)和联结状态(值为未联结和已联结)两个状态变量。这两个变量为每个远端STA建立了三种本地状态：状态1：初始启动状态，未认证，未联结；状态2：已认证，未联结；状态3：已

12、认证，已联结。状态变量与业务之间的关系 3.3 无线局域网的协议体系无线局域网的协议体系1无线网络逻辑结构2.IEEE 802.11x无线局域网协议体系IEEE 802.11x标准较为完整的协议体系 3.HiperLAN协议体系 欧洲WLAN产业标准的代表是以HiperLAN为典型的宽带无线接入网(BRAN)，它是以无线ATM(WATM)为基础的面向连接业务的标准。 HiperLAN2的协议体系 4Wi-Fi联盟的作用v在无线局域网标准的采纳和市场化推进中，Wi-Fi联盟(论坛)起到了主导作用。 v无线以太兼容性联盟WECA1999年成立,后更名Wi-Fi联盟，建立了用于验证802.11b产品

13、互操作能力的一套测试程序。v2004年起，验证的802.11b产品使用名称是Wi-Fi。vWi-Fi认证已扩展到802.11gvWi-Fi针对802.11a产品开发了一个认证过程，称为Wi-Fi5 3.4 IEEE802.11物理层物理层3.4.1 初始的初始的IEEE 802.11物理层物理层v(1)工作在2.4GHz的ISM波段上的直接序列扩频,数据速率为1Mb/s和2Mb/s。v(2)工作在2.4GHz的ISM波段上的跳频扩频，数据速率为1Mb/s和2Mb/s。v(3)工作在波长介于850nrn950nm的红外波段上，其数据速率为1Mb/s和2Mb/s。 3.4.2 IEEE 802.1

14、1a1.信道结构 IEEE 802.11a使用通用网络信息基础结构UNII的频带。UNII-1频段(5.155.25GHz)用于室内；UNII-2频段(5.255.35GHz)用于室内或者室外；UNII-3频段(5.7255.825GHz)用于室外。2编码和调制 IEEE 802.11a使用正交频分多路复用OFDM。OFDM也称为多载波调制，在不同频率上使用多个载波信号，在每个信道上发送若干位，类似于FDM。然而，在OFDM中，所有的子信道被指定给单个的数据源。3.物理层的帧结构 3.4.3 IEEE 802.11b IEEE 802.11b是IEEE 802.11 DSSS模式的一个扩充，提

15、供了在ISM频段上5.5 Mb/s和11 Mb/s的数据速率。 为在相同的分片速度、相同带宽下获得更高的数据速率，使用了一种名为补码键控(complementary code keying，CCK)的调制模式。 IEEE 802.11b物理层协议数据单元 3.4.4 IEEE 802.11gvIEEE 802.11g将802.11b的数据率扩展到20Mb/s以上，达到54Mb/s。v与802.11b相同，802.11g操作在2.4GHz范围内，因而二者是兼容的。v该标准的设计使得802.11b的设备在连接到一个802.11g的AP上时仍能工作，802.11g的设备连接到一个802.11b的AP

16、上时也仍能工作。这两种情况下都使用较低的802.11b的数据率。 IEEE802.11g的物理层选项 数据率数据率(Mb/s)调制模式调制模式数据率数据率(Mb/s)调制模式调制模式1DSSS18ERP-OFDM2DSSS22ERP-PBCC55CCK或PBCC24ERP-OFDM6ERP-OFDM33ERP-PBCC9ERP-OFDM36ERP-OFDM11CCK或PBCC48ERP-OFDM12ERP-OFDM54ERP-OFDM3.5 IEEE 802.11 媒体访问控制层媒体访问控制层v三个功能：可靠的数据传送接入控制以及安全 3.5.1 可靠的数据传送可靠的数据传送vIEEE 802

17、.11使用帧交换协议。当一个站点收到从另一个站点发来的数据帧时，它向源站点返回一个确认(ACK)帧。此交换被作为一个原子单元处理，它不会被其他站点发出的传送打断。如果因为数据帧被损坏或因为返回的ACK被损坏，源站点在一个短的时间周期中没有收到ACK，它会重发该帧。v为了更进一步地增强可量性，可以使用四帧交换。（RTS/CTS） 46 隐藏终端问题和暴露终端问题是无线通信中长期面临的两个问题，在设计无线局域网MAC协议的时候我们同样需要考虑； 隐藏终端和暴露终端47 隐藏终端是指在接收节点的干扰范围内而在发送节点侦听范围外的节点。如图所示，发送方A和接收方B之间的传输，节点C如果在接收方B的干扰

18、范围之内，但在发送方A的侦听范围之外，将成为隐藏终端，即发送方A不能检测到节点C的存在，即使节点B不是节点C对应的接收方，但来自节点的传输会导致在接收方B处产生冲突，冲突后发送节点A要重传冲突的报文，从而降低了信道的利用率. ABC冲突隐藏终端问题示意图v隐藏终端问题48发送方接收方时间CTSRTSDateACK使用RTS/CTS解决隐藏节点问题使用前面介绍的请求发送(Request to Send，RTS)和清除发送(Clear to Send，CTS)的控制信息来避免冲突49发送方接收方时间CTSRTSDateACK使用RTS/CTS解决隐藏节点问题当发送方发出数据前，先送出一个RTS包，

19、告知在传送范围内的所有节点不要有任何传送操作。50发送方接收方时间CTSRTSDateACK如果接收方目前空闲，则响应一个CTS包，告诉发送方可开始发送数据，CTS包也会告知所有在接受方信号传输范围内的其他节点不要进行任何传输操作。51v暴露终端问题暴露终端问题 暴露终端问题和隐藏终端问题有点不同，当一个节点要发送数据给另一节点时，因邻近节点也正在发送数据，影响了原来节点的数据传送。为了解决暴露终端问题，也采用RTS/CTS机制。52 如图中，数据发送是从S1到R1及S2到R2，对S1和S2节点而言，他们之间会产生相互的节点暴露效应，并影响数据传输。R1S1S2R2暴露终端3.5.2 接入控制

20、 v分布接入协议v集中接入协议 IEEE 802.11的协议体系结构 逻辑链路控制分布协调功能(DCF)点协调功能(PCF)2.4GHz调频扩频1Mb/s2Mb/s2.4GHz直序扩频1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s红外1Mb/s2Mb/s2.4GHz直序扩频5.5Mb/s11Mb/sMAC层自由竞争的服务竞争服务IEEE802.11IEEE802.11a IEEE802.11b1.分布协调功能vDCF子层利用一个简单的载波监听多点接入CSMA算法：如果一个站点有一个MAC帧要发送，它监听媒体。如果媒体空闲，站点可以发送，否则，该站点必须等

21、到当前发送已完成才能发送。v为确保此算法起到平滑和公平的作用，DCF包括一套相当于优先级模式的时延，用帧间间隔IFS实现。IEEE 802.11媒体接入的控制逻辑 等待需发送的帧等待IFS发送帧媒体空闲？依旧空闲？等待IFS当媒体空闲时，按指数率暂停发送帧依旧空闲？等待当前发送结束NNYNYY三种IFSv(1)SIFS(short IFS，短IFS)：最短的IFS。被用于所有的立即响应动作中，这将在接下来的讨论中作解释。v(2) PIFS(point coordination function IFS，点协调功能IFS)：一个中间长度的IFS。在发布轮询时，被中央控制器用于PCF模式。v(3)

22、DIFS(distributed coordination function IFS，分布协调功能IFS)：最长的IFS。作为一个最小的时延，用于非同步帧的接入竞争。基本的接入方法 2.点协调功能 PCF是一个在DFC之上实现的替代接入方式。该操作由中央轮询主机(点协调者)的轮询组成。点协调者在发布轮询时使用PIFS。由于PIFS小于DIFS，点协调者能获得媒体，并在发布轮询及接收响应期间，锁住所有的非同步通信。 3.5.3 MAC帧帧MAC帧 帧控制域 不同的MAC帧类型 v1.控制帧：6种子类型v2.数据帧：8种子类型v3.管理帧：11种子类型控制帧类型值类型值类型描述类型描述子类型值子类

23、型值子类型描述子类型描述0l控制1010节能轮询01控制1011请求发送01控制1100清除发送01控制1101确认01控制1110自由竞争(contention-free，CF)结束01控制1111CF结束+CF确认数据帧类型值类型值类型描述类型描述子类型值子类型值子类型描述子类型描述10数据0000数据10数据0001数据+CF确认10数据0010数据+CF轮询10数据0011数据+CF确认牛CF轮询10数据0100空功能(无数据)10数据0101CF确认(无数据)10数据0110CF轮询(无数据)10数据0111CF确认+CF轮询(无数据)管理帧类型值类型值类型描述类型描述子类型值子类型值子类型描述子类型描述00管理0000连接请求00管理0001连接响应00管理0010重连请求00管理0011重连响应00管理0100侦测请求00管理0101侦测响应00管理1000信号灯00管理1001宣布通信指示报文00管理1010拆除连接00管理1011认证3.6 其他其他IEEE802.11标准标准vIEEE 802.11c关注的是桥操作。