沈鑫剡计算机网络技术及应用无线局域网实用教案

1、第第 4 4 章无线局域网章无线局域网本章主要内容无线局域网概述；无线局域网MACMAC层；无线局域网工作(gngzu)(gngzu)过程；无线局域网数据传输过程。第1页/共42页第一页，共42页。4.1 4.1 无线局域网概述无线局域网概述(i sh)(i sh)本讲主要内容无线局域网体系结构；无线电传输；无线局域网拓扑(tu p)结构；无线局域网标准。第2页/共42页第二页，共42页。一、无线局域网体系结构一、无线局域网体系结构 无线局域网的数据传输实际上由MACMAC子层实现(shxin)(shxin)，但用LLCLLC子层给出数据类型； 事实上，IEEEIEEE定义的局域网都用LLCL

2、LC子层给出数据类型，第3 3章的以太网帧格式是以太网标准，不是802.3802.3标准。基于基于(jy)(jy)无线局域网的无线局域网的TCP/IPTCP/IP体系结体系结构构无线局域网表示无线局域网表示(biosh)(biosh)数据类型的方数据类型的方式式第3页/共42页第三页，共42页。二、无线电传输二、无线电传输(chun sh) 通过电磁波在自由空间的传播(chunb)实现无线电通信。 相同频率的电磁波产生干扰。 电磁波频段和发射功率严格控制。第4页/共42页第四页，共42页。电磁波频谱电磁波频谱 带宽(di kun)决定传输速率。 高频段高带宽(di kun)。 紫外线以上的有伤

3、害性。 可见光有直线传播特性。 微波段电磁波进行数据传输。第5页/共42页第五页，共42页。ISMISM频段频段(pn dun)(pn dun) 开放(kifng)(kifng)公共通信； 功率严格限制； 容易受到干扰。第6页/共42页第六页，共42页。无线电传输的几个问题能量(nngling)(nngling)损耗，能量(nngling)(nngling)损耗与传播距离平方成正比；干扰，尤其是ISMISM频段；多径效应。 多径效应多径效应(xioyng)示意图示意图第7页/共42页第七页，共42页。ISM频段存在问题及应对频段存在问题及应对(yngdu)方法方法 传输速率取决于带宽和信噪比，

4、用带宽弥补能量限制； 通过扩频技术和纠错码解决干扰，这是用传输速率换取可靠性的技术； 多径效应(xioyng)(xioyng)导致信号质量降低，必须根据信号质量调整传输速率。 第8页/共42页第八页，共42页。二、无线电传输二、无线电传输(chun sh)隐蔽(ynb)站问题导向导向(do xin)媒体媒体与无线电传输的区别：与无线电传输的区别：信号的方向性。信号的方向性。第9页/共42页第九页，共42页。二、无线电传输二、无线电传输(chun sh)选择(xunz)答案，并简要回答为什么？（1 1）以下项不是无线电传输导致的问题。）以下项不是无线电传输导致的问题。A A接收端信号能量与接收端

5、和发送端之间距离平方成反比接收端信号能量与接收端和发送端之间距离平方成反比B B不需要任何不需要任何(rnh)(rnh)过程就有可能侦听到其他终端发送过程就有可能侦听到其他终端发送的的MACMAC帧帧C C无法避免冲突发生无法避免冲突发生D D多个终端争用信道多个终端争用信道第10页/共42页第十页，共42页。三、无线局域网拓扑三、无线局域网拓扑(tu p)(tu p)结构结构独立独立(dl)(dl)基本服务集基本服务集（IBSSIBSS）扩展(kuzhn)(kuzhn)服务集（ESSESS）n独立基本服务集由单个无线局域网组成，独立基本服务集由单个无线局域网组成，终端间直接通信；终端间直接通

6、信；n扩展基本服务集由分配系统互连的多个无扩展基本服务集由分配系统互连的多个无线局域网组成，无线局域网通过线局域网组成，无线局域网通过APAP接入分配系接入分配系统；统；n在设有在设有APAP的服务集，终端必须先和的服务集，终端必须先和APAP建立关联，终端之间通信经过建立关联，终端之间通信经过APAP。第11页/共42页第十一页，共42页。选择答案(d n)，并简要回答为什么？三、无线局域网拓扑三、无线局域网拓扑(tu p)结构结构（2 2）基本）基本(jbn)(jbn)服务集是一个。服务集是一个。A A冲突域冲突域B B广播域广播域C C所有终端都能接收到任何目的地址所有终端都能接收到任何

7、目的地址MACMAC帧的传输区帧的传输区域域D D多个广播域构成的传输区域多个广播域构成的传输区域第12页/共42页第十二页，共42页。三、无线局域网拓扑三、无线局域网拓扑(tu p)结构结构选择(xunz)答案，并简要回答为什么？（3 3）扩展）扩展(kuzhn)(kuzhn)服务集是一个。服务集是一个。A A冲突域冲突域B B广播域广播域C C所有终端都能接收到任何目的地址所有终端都能接收到任何目的地址MACMAC帧的传输区域帧的传输区域D D多个广播域构成的传输区域多个广播域构成的传输区域第13页/共42页第十三页，共42页。 不同的只是物理层，MACMAC层相同； 通过无线电通信，数字

8、信号必须(bx)(bx)调制成模拟信号； 物理层标准涉及载波频段，调制技术等。四、无线局域网标准四、无线局域网标准(biozhn)各标准各标准(biozhn)之间关系之间关系第14页/共42页第十四页，共42页。四、无线局域网标准四、无线局域网标准(biozhn)物理层标准的主要区别电磁波频段；信号(xnho)(xnho)调制技术；容错技术（抗干扰技术）。第15页/共42页第十五页，共42页。802.11DSSS802.11DSSS将2.4G2.4G频段（2.4012.4012.4072.407）分成1111个信道，每个信道22MHz22MHz带宽；显然，信道之间频率重叠，为了避免干扰，相邻通

9、信区域必须使用没有频率重叠的信道；完全没有频率重叠的信道是信道号间隔5 5的信道，在1111范围内，最多只有3 3个之间没有频率重叠的信道，分别是1 1、6 6和1111，因此，它们是最常用的信道号；802.11DSSS802.11DSSS在采用不同的调制(tiozh)(tiozh)技术下，传输速率分别是1Mbps1Mbps或2Mbps2Mbps；802.11b802.11b和802.11g802.11g是802.11DSSS802.11DSSS的高速版。四、无线局域网标准四、无线局域网标准(biozhn)802.11DSSS802.11DSSS第16页/共42页第十六页，共42页。4.2 4

10、.2 无线局域网无线局域网MACMAC层层本讲主要(zhyo)(zhyo)内容MACMAC帧结构；差错控制和寻址过程；DCFDCF和CSMA/CACSMA/CA。第17页/共42页第十七页，共42页。一、一、MACMAC帧结构帧结构(jigu)(jigu) 无线局域网MACMAC帧可以和以太网MACMAC帧比较，主要区别在于控制字段，4 4个地址字段和顺序控制字段； 无线局域网MACMAC帧分为控制。管理和数据三种类型，这与无线电通信方式有关； 由于无线传输的不可靠性，需要在MACMAC层将由同一(tngy)MAC(tngy)MAC帧封装的数据分片； 各个字段的功能在以后的操作过程中详细讨论。

11、第18页/共42页第十八页，共42页。二、差错控制和寻址过程二、差错控制和寻址过程(guchng) 无线电通信由于存在能量(nngling)(nngling)损耗、干扰和多径效应的影响，传输可靠性不高，另外由于存在隐蔽站问题，导致发送端无法检测到可能发生的冲突； 无线传输媒体两端采用差错控制中的停止等待算法； 如果无线传输媒体两端和不是MACMAC帧的源和目的端，MACMAC帧需要多于两个地址。IBSSIBSS中两个终端中两个终端(zhn dun)(zhn dun)通通信情况信情况BSSBSS中两个终端通信情况中两个终端通信情况第19页/共42页第十九页，共42页。 以太网互连多个无线局域网（

12、BSSBSS），APAP作为互连无线局域网和以太网的网桥； 由于以太网和无线局域网具有相同的编址结构（MACMAC地址），这种连接方式是最简单的； 由于源和目的(md)(md)地址与某一段无线传输媒体的两端地址不同，MACMAC帧经过无线传输媒体时需要三个MACMAC地址。二、差错控制和寻址过程二、差错控制和寻址过程(guchng)DSDS为以太网时为以太网时ESSESS中两个终端之间通信中两个终端之间通信(tng xn)(tng xn)的情况的情况 第20页/共42页第二十页，共42页。 如果分配系统本身(bnshn)(bnshn)是无线传输媒体，则MACMAC帧通过这一段无线传输媒体时需要

13、四个MACMAC地址：源和目的地址，这一段传输媒体的发送和接收端地址； 无线局域网多地址结构的主要原因在于MACMAC帧经过每一段无线传输媒体时需要进行确认应答，因此，需要知道这一段无线传输媒体两端的地址，即发送和接收端地址。二、差错控制和寻址过程二、差错控制和寻址过程(guchng)DSDS为无线传输媒体时为无线传输媒体时ESSESS中两个终端中两个终端(zhn dun)(zhn dun)之间通信的情况之间通信的情况 第21页/共42页第二十一页，共42页。 同一(tngy)BSS(tngy)BSS内的终端使用相同的信道，这些终端争用公共信道的过程和总线形以太网中终端争用总线过程十分相似；

14、由于存在隐蔽站问题，发送端无法检测出所有可能发生的冲突，冲突检测改为冲突避免； 由于无线电通信的不可靠性，无线传输媒体采用停止等待差错控制算法； 为了提高通信效率，无线局域网采用自由竞争和信道预留两套机制。三、DCF和CSMA/CA隐蔽隐蔽(ynb)站问题站问题 第22页/共42页第二十二页，共42页。 CSMA/CACSMA/CA算法的特点是争用总线，即信道持续空闲DIFSDIFS时间，认为信道空闲； 通过NAVNAV预约信道，预留时间通过MACMAC帧中的持续时间字段给出，预约时间内等同于信道忙； 在可能存在多个终端同时争用信道的情况下，通过随机产生退避时间，使得各个终端发送数据的时间不同

15、，以此(y c)(y c)避免冲突发生； 终端发送数据的前提是持续DIFSDIFS时间退避时间信道一直空闲。三、DCF和CSMA/CACSMA/CACSMA/CA算法算法(sun f)(sun f)第23页/共42页第二十三页，共42页。 进入退避时间的前提是可能发生多个终端同时发送数据的问题，即冲突； 如果终端第一次发送数据时检测(jin c)(jin c)到信道空闲且空闲持续DIFSDIFS时间，发生多个终端同时发送数据的前提是多个终端同时检测(jin c)(jin c)信道，概率较低，因而无须进入退避时间； 如果终端第一次发送数据时检测(jin c)(jin c)到信道忙，在等待信道由忙

16、转为空闲的时间内，可能有多个终端开始检测(jin c)(jin c)信道，因此，发生冲突的概率较大，需要进入退避时间。三、DCF和CSMA/CA终端检测信道终端检测信道(xn do)时信道时信道(xn do)空闲和忙这空闲和忙这两种情况两种情况 第24页/共42页第二十四页，共42页。实现(shxin)(shxin)终端A A至终端C C，终端B B至APAP的数据传输过程三、DCF和CSMA/CADCFDCF操作过程操作过程第25页/共42页第二十五页，共42页。 终端A A、B B开始检测信道时，信道为忙，因此，随机选择退避(tub)(tub)时间； 由于终端A A选择的退避(tub)(t

17、ub)时间小于终端B B，终端A A开始发送数据，终端B B停止退避(tub)(tub)时间，等待信道再次由忙转为空闲； APAP向终端A A发送确认应答采用预留信道功能，预留时间包含在终端A A向APAP发送的MACMAC帧中，这段时间内，其他终端视为信道忙； APAP向终端C C发送数据再次和终端B B争用信道。三、DCF和CSMA/CA第26页/共42页第二十六页，共42页。4.3 4.3 无线局域网工作无线局域网工作(gngzu)(gngzu)过程过程本讲主要内容BSSBSS配置信息；同步过程；鉴别过程；建立(jinl)(jinl)关联过程。第27页/共42页第二十七页，共42页。一、

18、一、BSSBSS配置配置(pizh)(pizh)信息信息同一BSSBSS需要配置三组参数服务集标识符（SSIDSSID）；使用(shyng)(shyng)的信道；如果采用共享密钥鉴别机制，还需配置密钥。APAP需配置三组参数；终端只需配置SSIDSSID和密钥（如果需要的话），信道通过同步过程确定。第28页/共42页第二十八页，共42页。二、同步二、同步(tngb)过程过程同步过程终端确定和自己SSIDSSID相同，信号强度最大的APAP；确定APAP使用的信道；确定和APAP在物理层标准(biozhn)(biozhn)、传输速率存在交集；确定APAP的MACMAC地址（也称BSSIDBSSI

19、D）。第29页/共42页第二十九页，共42页。 被动同步，逐个信道侦听信标帧； 主动(zhdng)同步，逐个信道发送探测请求帧； 无论主动(zhdng)，或是被动，都是寻找和自己SSID相同，信号强度最大的AP和信道。二、同步二、同步(tngb)过程过程被动被动(bidng)同步同步逐个信道侦听信标帧逐个信道侦听信标帧主动同步主动同步逐个信道探测逐个信道探测第30页/共42页第三十页，共42页。三、鉴别三、鉴别(jinbi)过程过程 鉴别过程确定终端是否授权； 只有授权终端掌握密钥； 鉴别过程就是判别终端是否掌握密钥的过程； 假定APAP拥有密钥K K，APAP向终端发送明文P P，并用密钥加

20、密P(EK(P)P(EK(P)，终端用自己拥有的密钥K1K1加密P P，Y=EK1(P)Y=EK1(P)，如果(rgu)K1(rgu)K1等于K K，则Y= EK(P)Y= EK(P)。鉴别鉴别(jinbi)过程过程第31页/共42页第三十一页，共42页。四、建立四、建立(jinl)关关联过程联过程 允许建立关联的前提是完成同步过程和鉴别过程，APAP具有终端接入需要的资源(zyun)(zyun)； 一旦成功建立关联，将为终端在关联表中建立一项，其中包含终端MACMAC地址； 以后，APAP确定终端是否属于它所服务的BSSBSS的标准就是终端MACMAC地址是否包含在关联表中，APAP只转发源

21、MACMAC地址包含在关联表中的MACMAC帧。建立关联建立关联(gunlin)过程过程第32页/共42页第三十二页，共42页。举例(j l)选择(xunz)答案，并简要回答为什么？（4 4）同一基本服务集的终端可以）同一基本服务集的终端可以(ky)(ky)不同的是不同的是。A A基本服务集标识符基本服务集标识符B B使用的信道使用的信道C C数据传输速率数据传输速率D D鉴别终端身份用的密钥鉴别终端身份用的密钥第33页/共42页第三十三页，共42页。4.4 4.4 无线局域网数据传输过程无线局域网数据传输过程(guchng)(guchng)本讲主要内容同一BSSBSS内终端之间数据传输过程；

22、不同(b tn)BSS(b tn)BSS终端之间数据传输过程；MACMAC层漫游过程。第34页/共42页第三十四页，共42页。一、同一一、同一(tngy)BSS(tngy)BSS内终端之间数据传输过程内终端之间数据传输过程 终端A A发送数据至终端C C的前提是终端A A和终端C C都已经和APAP建立关联； 终端A A和终端C C通过同步过程获取(huq)AP(huq)AP的MACMAC地址。网络结构网络结构第35页/共42页第三十五页，共42页。二、不同二、不同BSSBSS终端终端(zhn dun)(zhn dun)之间数据传输过程之间数据传输过程数据数据ACK数据数据ACK网络结构网络结

23、构终端终端A A首先首先(shuxin)(shuxin)获取终获取终端端I I的的MACMAC地址地址终端终端(zhn dun)A(zhn dun)A通过通过BSS1BSS1将将MACMAC帧发送给帧发送给AP1AP1AP1AP1确定终端确定终端A A是授权终端，是授权终端，终端终端I I不在不在BSS1BSS1AP1AP1将将MACMAC帧发送给以太网，帧发送给以太网，以太网完成以太网完成MACMAC帧格式转换帧格式转换MACMAC帧在以太网内广播，到帧在以太网内广播，到达所有达所有APAP，AP3AP3确定终端确定终端I I属属于于BSS3BSS3，将，将MACMAC帧发送给帧发送给BSS

24、3BSS3第36页/共42页第三十六页，共42页。 传输路径分为三段：BSS1BSS1、以太网和BSS3BSS3； 终端A A通过(tnggu)(tnggu)同步过程获取AP1AP1的MACMAC地址，并将MACMAC帧发送给AP1AP1； AP1AP1通过(tnggu)(tnggu)检索关联表确认源终端终端A A是授权终端，目的终端终端I I不在BSS1BSS1； 以太网以目的终端MACMAC地址MAC IMAC I寻找AP1AP1至AP3AP3的交换路径，如果不存在，则广播； AP3AP3通过(tnggu)(tnggu)检索关联表确定目的终端终端I I在BSS3BSS3。二、不同二、不同(b tn)BSS(b tn)BSS终端之间数据传输过程终端之间数据传输过程第37页/共42页第三十七页，共42页。三、三、MACMAC层漫游层漫游(mnyu)(mnyu)过程过程 无缝漫游是指终端无须中断正在进行的会话可以从一个BSSBSS移动到另一个BSSBSS； MACMAC层漫游指两个(lin )BSS(lin )BSS属于同一个网络，即由分配系