无线与移动网技术：四、无线局域网

第4部分无线局域网

无线局域网的网络结构IEEE802.11协议簇IEEE802.11物理层IEEE802.11MAC层无线局域网组网无线局域网的规划与部署

问题回顾1、无线网络有哪两种组网模式？2、CSMA的基本原理？3、IBSS?4.1

IEEE802.11WLAN的网络结构4.1

IEEE802.11WLAN的网络结构1、站点(Station，简称STA)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：终端用户设备、无线网络接口、网络软件2、无线接入点(AccessPoint，简称AP)AP的基本功能有：（1）作为接入点，完成与其关联的STA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。4.1

IEEE802.11WLAN的网络结构3、基本服务集基本服务集（BasicServiceSet，简称BSS）用于描述在一个802.11WLAN中的一组相互通信的移动设备。一个BSS可以包含AP（接入点），也可以不包含AP基本服务集有两种类型：一种是基础设施模式的BSS，包含一个AP和若干个STAs，所有STAs关联到该AP上另一种是独立模式的BSS，简称IBSS，由若干个对等的STAs台组成每个基本服务集都一个唯一的标识，称为BSSIDBSS的覆盖范围称为基本服务区(BSA)4.1

IEEE802.11WLAN的网络结构4、展服务集为了覆盖更大的区域，把多个BSA通过分布式系统（DistributionSystem，简称DS）连接起来，形成一个扩展服务区(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服务集ESS4.2IEEE802.11协议簇1、IEEE802.11体系结构4.2IEEE802.11协议簇2、IEEE802.11物理层4.2IEEE802.11协议簇2、IEEE802.11物理层4.2IEEE802.11协议簇3、IEEE802.11的MAC技术4.2IEEE802.11协议簇3、IEEE802.11的MAC技术4.2IEEE802.11协议簇3、IEEE802.11的MAC技术-网络分配矢量(NAV)站点可通过两种方式确定媒介是否被占用：物理载波监听与虚拟载波监听基于射频的媒介中实现物理载波监听硬件非常昂贵并且由于隐藏节点随处都是，物理载波监听无法提供所有必要信息4.2IEEE802.11协议簇3、IEEE802.11的MAC技术-网络分配矢量(NAV)因此802.11主要采用虚拟载波监听，虚拟载波监听由网络分配矢量(NAV)提供NAV是一个计时器，用来指定媒体还要被占用多少时间站点将NAV设为预计使用媒介的时间，其他工作站倒数NAV的值直到零，NAV不为零，代表媒介处于忙碌状态可以被无线媒介上传输的数据帧更新（802.11帧的Duration字段）4.2IEEE802.11协议簇3、IEEE802.11的MAC技术-网络分配矢量(NAV)4.2IEEE802.11协议簇3、IEEE802.11的MAC技术-帧间间隔(IFS)与优先级4.2IEEE802.11协议簇3、IEEE802.11的MAC技术-帧间间隔(IFS)与优先级4.2IEEE802.11协议簇3、IEEE802.11的MAC技术-DCF的工作原理4.2IEEE802.11协议簇3、IEEE802.11的MAC技术-DCF的随机退避与竞争窗口不同的帧间间隔确定了帧的优先级，而随机退避时间则减少了同一时间点上的多个工作站之间的竞争碰撞概率各个无线工作站通过载波监听来确定媒介的忙闲状态，在媒体空闲一段时间后(DIFS或EIFS)，各个工作站还要在发送帧前产生额外的随机时延进行退避，除非退避定时器已包含非0值（此时无需选取随机数）4.2IEEE802.11协议簇3、IEEE802.11的MAC技术-PCF点协调功能是一个在DFC之上实现的替代接入方式，由中央轮询主机（点协调者）的轮询组成。PCF通过集中式控制，由AP中的点协调器轮询所有结点来决定应当哪一个站有权发送数据提供了无竞争的帧传输方式点协调者在发布轮询时使用PIFS。由于PIFS小于DIFS，所以点协调者能够优先获得媒体访问权IEEE802.11允许PCF和DCF机制共存而实现两种协议共存的方法则是通过引入超帧(SuperFrame)的概念超帧是一个逻辑概念而非实际的帧。它代表一段时间内媒体上的业务量4.2IEEE802.11协议簇3、IEEE802.11的MAC技术-PCF超帧中包含两部分：无竞争期（CFP)和竞争期（CP)CFP采用PCF机制控制BSS内帧的传输CP使用DCF控制BSS内帧的传输两者交替控制媒体，从而达到DCF和PCF共存的目的4.2IEEE802.11协议簇3、IEEE802.11的MAC技术-PCF超帧中的CFP是以信标(Beacon)开始，信标结束后为PCF机制开始。CFP的时间长度由PC决定。所有BSS中的主机（除PC外）在CFP的开始时刻设置NAV。在NAV期间（即CFP期间）阻止未被轮询的主机占有媒质，有效地防止碰撞。CFP开始时，PC检测媒质，若媒体空闲时间达到PIFS，则发送一个信标帧，等待一个SIFS后，传输下列帧之一：DATA，CF-POLL，DATA+CF-POLL，CF-END帧。在CFP轻负载的情况下，PC可以缩短CFP，并通过CF-End或CF-End+Ack控制帧把剩余的带宽提供给基于竞争的交通。CP-POLL用于轮询；CP-END用于宣告CFP的结束4.2IEEE802.11协议簇3、IEEE802.11的MAC技术-PCF4.2IEEE802.11协议簇4、IEEE802.11的MAC帧-数据帧FrameControl（帧控制）：指出帧的类型，并提供控制信息4.2IEEE802.11协议簇4、IEEE802.11的MAC帧-数据帧4.2IEEE802.11协议簇4、IEEE802.11的MAC帧-数据帧Duration/ID（持续时间／标识）表示该帧和它的确认帧将会占用信道多长时间。如果帧的控制子类型为“Powersave-Poll”，则用以表示站点(STA)的连接标识，即AID（AssociationIdentification）4.2IEEE802.11协议簇4、IEEE802.11的MAC帧-数据帧Address：地址字段。共有4个地址字段，分别为源地址、目标地址、发送端地址和接收端地址。其中，源地址与目的地址必不可少，但传输工作站地址与接收工作站地址只在跨BSS的通信中有用。目的地址可以为单播、组播或广播地址。4.2IEEE802.11协议簇4、IEEE802.11的MAC帧-数据帧Address：4个Address的填法是不固定的，需要和FrameControl字段的ToDS、FromDS结合来确定。4.2IEEE802.11协议簇4、IEEE802.11的MAC帧-数据帧SequenceControl：由分段号和序列号组成。用于表示同一帧中不同分段的顺序，并用来过滤掉重复帧。Data：发送或接收的信息。FCS：帧校验序列。采用32位的循环冗余校验(CRC)4.2IEEE802.11协议簇4、IEEE802.11的MAC帧-管理帧根据管理帧的功能，可以将其划分为连接请求帧、连接响应帧、再次连接请求帧、再次连接响应帧、探测请求帧、探询响应帧、信标帧、业务声明指示信息帧、分离帧、认证帧和解除认证帧等子类型。4.2IEEE802.11协议簇4、IEEE802.11的MAC帧-控制帧控制帧的主要目的在于完成部分介质访问控制功能，具体包括有ACK、RTS/CTS、PS-Poll等。4.2IEEE802.11协议簇5、无线客户端接入过程无线客户端要接入到无线局域网，需要经过扫描发现无线服务、认证和关联三个阶段4.2IEEE802.11协议簇5、无线客户端接入过程-扫描发现AP无线客户端在连接到合适的AP或无线站点之前，首先会检测周围是否有AP或其他无线站点可供加入STA可以通过侦听周边区域内的AP所定期发送的信标帧获取相关无线网络信息，无线客户端的这种扫描方式即为被动扫描。在主动扫描中，STA主动的定期发送探测请求(proberequest)帧扫描无线网络，并通过接收探查响应(proberesponse)帧来获取可接入的无线网络信号。携带SSID未携带SSID4.2IEEE802.11协议簇5、无线客户端接入过程-认证IEEE802.11标准提供两种认证服务开放系统认证(Open-systemAuthentication)服务，也是默认的认证服务相当于不需要进行认证没有任何安全防护能力第二种为共享密钥认证4.2IEEE802.11协议簇5、无线客户端接入过程-关联无线客户端在经过认证后，需要通过关联过程和AP建立相应的关联。只有当无线客户端和AP建立了关联后，才可以和建立关联关系的AP之间进行数据的发送与接收。当无线客户端从一个AP移动到另一个AP时，需要通过重新关联(Reassociation)过程和新的AP建立关联在重新关联前与新AP之间必须经历重新认证的过程。4.3无线局域网组网1、无线局域网设备-无线网卡无线网卡是无线网络客户端的主要连接设备，它在无线局域网中的作用相当于有线网卡在有线局域网中的作用。从无线网卡的外观来看，其硬件主要有三个部分：天线。天线可以是内置或外置的无线网卡的总线接口，如PCI接口、PCMCIA、USB接口状态指示灯4.3无线局域网组网1、无线局域网设备-无线接入点根据是否承载了安全管理等功能，AP可以分为胖AP与瘦AP胖AP也叫FATAP，除了作为一个接入点所应具备物理层功能之外，它还集成众多的WLAN管理功能以及其它应用层功能，如用户数据加密、用户认证、二层漫游、QOS、网络管理等。采用胖AP进行无线局域网部署存在五个方面的不足：组网和网络维护时，需要对每台FatAP进行逐一的配置；胖AP所有的配置都只保存在AP本地，如果AP设备丢失或被窃，不仅会引发网络运行故障，还会导致网络系统配置的泄露；胖AP一般只支持二层而不支持三层漫游；胖AP难以完成大规模网络中各个AP的协同工作；大规模部署WLAN时，使用胖AP的成本较高。4.3无线局域网组网1、无线局域网设备-无线接入点瘦AP也叫FitAP或轻量级AP。使用瘦AP的无线网络解决方案中通常还包括了无线控制器设备。瘦AP只简单的提供802.11报文的加解密、802.11的PHY功能，并接受无线控制器的管理。一个无线控制器可以控制与管理多个瘦AP无线控制器不仅承担了无线网络的接入控制、转发和统计、漫游管理、安全控制等多种网络管理功能，还提供了对AP的配置与监控功能瘦AP加无线控制器的架构，增加了网络的可扩展性，同时大大降低了网络建设与维护的复杂度与成本，可以很好的支持园区级无线局域网的部署与运行。4.3无线局域网组网1、无线局域网设备-无线接入点4.3无线局域网组网1、无线局域网设备-无线路由器无线路由器是AP与宽带路由器结合的一种产品。具有单纯无线AP功能，如DHCP服务、WEP加密等还具有网络地址转换(NAT)功能，可支持局域网用户的网络连接共享，实现家庭无线网络中主机对Internet连接的共享，实现ADSL和小区宽带的无线共享接入。无线路由器内置有简单的虚拟拨号软件，可以存储宽带接入的配置信息，从而实现ADSL、Cablemode等自动拨号接入Internet的功能4.3无线局域网组网2、基本无线局域网拓扑-对等拓扑一般来说，无线局域网常见有物理拓扑有对等(Ad-Hoc)拓扑、基本Infrastructure拓扑和扩展Infrastructure拓扑等对等(Ad-Hoc)拓扑是最简单的无线局域网结构对等结构的无线局域网由一组有无线网络接口的站点组成，各站点之间的地位平等，不存在集中控制或管理的节点在对等网络中，由于没有包括任何AP，因此属于IBSS对等网络配置简单，可以在Windows等操作系统上完成有关的配置对等网络覆盖范围有限，站点的位置分布受到限制许多安全认证机制都不能使用，当用户数增大时带来较大的安全隐患同时，它不能连接或访问到外部网络4.3无线局域网组网2、基本无线局域网拓扑-对等拓扑4.3无线局域网组网2、基本无线局域网拓扑-对等拓扑Windows7环境下对等网的配置第一步：打开“网络和共享中心”第二步：“设置新的连接或网络”第三步：“设置无线临时网络”第四步：点下一步，设置BSSID和无线安全选项，并完成设置另一台电脑直接搜索无线网络，搜索到刚刚设置的BSSID，然后点连接使可连接起来。4.3无线局域网组网2、基本无线局域网拓扑-基础结构网络在基础结构网络中，需要配置有一个无线接入点，所有站点对网络的访问均由其控制网络中节点的位置分布或地点布局受环境限制较小可以把无线局域网与Internet连接起来采用多AP结构，能够扩大无线网络的覆盖范围，实现漫游功能抗毁性差，中心站点的故障将导致整个网络瘫痪4.3无线局域网组网3、无线局域网的应用部署使用FATAP进行无线局域网组网FATAP是传统的无线局域网组网方案．适合于规模较小的家庭或办公网络，或者是一些局部需要采用WLAN进行热点覆盖的网络。4.3无线局域网组网3、无线局域网的应用部署使用FITAP进行无线局域网组网-直连模式在直连模式中，FITAP和无线控制器直接相连，中间不经过其他网络设备。由于无线控制器的端口数以及可管理的AP有限，因此该模式较适合于小型的FITAP网络。4.3无线局域网组网3、无线局域网的应用部署使用FITAP进行无线局域网组网-二层网络连接模式AP与无线控制器之间通过二层交换机相连，处在同一个广播域大大的扩大了所连的AP的个数以及地域范围二层网络连接FITAP适合于网络规模较大、AP点数多而较分散的WLAN4.3无线局域网组网3