无线局域网及IEEE第一章概述

4.10无线局域网及IEEE802.11协议WWAN：WirelessWANWMAN：WirelessMANWLAN：WirelessLANWPAN：WirelessPANWLAN在无线网络中的位置WLAN

WLAN(WirelessLocalAreaNetwork)是指传输范围在100米左右的无线网络，它的推动联盟为Wi-FiAlliance（目前都以Wi-Fi产品的称呼来形容802.11的产品），可用于单一建筑物或办公室之内，需要使用WLAN的场合主要包括：(1)不方便架设有线网络的环境;(2)使用者时常需要移动位置;(3)临时性的网络。802.11WLAN主要面向两种应用类型：

(1)接入：无线站点通过无线接入设备访问企业网络

(2)中继：利用无线信道作为企业网的干线，用于大楼(LAN)与大楼(LAN)之间的数据传输WLAN协议----IEEE802.11

在实际使用上，通常会将WLAN和现有的有线局域网结合，不但增加原本网络的使用弹性，也可扩大无线网络的使用范围，目前最热门的WLAN技术就是IEEE的802.11及其相关标准。IEEE802.11(1997.6)，1或2Mbps，工作在2.4GHz频段或使用红外(IR)IEEE802.11a(1999),54Mbps，

12个信道，最多8个互不重叠，工作在5GHz频段IEEE802.11b(1999.9),11Mbps，11个信道，最多3个互不重叠，工作在2.4GHz频段IEEE802.11g(2003.6),54Mbps，11个信道，最多3个互不重叠，工作在2.4GHz频段（802.11g兼容802.11b）802.11b/g互不重叠信道的选择16112.412G2.4GHz2.4172.4222.4272.4322.4372.4422.4472.4522.4572.4622.4672.4722.4835GHz234125789101322MHz

中国规定使用1－11信道。由上图可知，某信道的信号传送时会与相邻的多个信道产生重叠，若在同一个空间建立多个BSS/IBSS时，要让它们所用的信道不会互相重叠而产生干扰。在同一个空间最多只能使用1、6、11这三个信道，若选用其他信道，最多只能有2个互不干扰的信道。同一空间多信道的使用增加了带宽Blue=11Mb/s(channel1)Green=11Mb/s(channel6)Red=11Mb/s(channel11)TotalBandwidth=33Mb/s!!无线局域网WLAN的组成两种类型的WLAN：1.Infrastructured网（有固定基础设施的网络）2.AdHoc网（特定网络，或称自组网络，无固定基础设施）BSS（基本服务集）Infrastructured网(基础设施网)有AP(AccessPoint,接入点)，无线站点通信首先要经过APAdHoc网（无线自组网）IBSS(IndependentBSS，独立基本服务集)，无AP，站点间直接通信）IBSSBSSESS（扩展服务集）

属Infrastructured网(DS:分配系统，AP：接入点，SSID：ESS扩展服务集标识符。一个移动节点使用某ESS的SSID加入到该扩展服务集中，一旦加入ESS，移动节点便可实现从该ESS的一个BSS到另一个BSS的漫游)WLAN、LAN、Internet连接Portal：门桥(作用相当于网桥)DS：分配系统(可以是以太网、点对点链路或其它无线网)移动动自自组组网网(MobileAdhocnetwork)移动动自自组组网网（（MANET）），，无基基础础设设施施，，没没有有基基本本服服务务集集中中的的接接入入点点AP，，而是是由由一一些些处处于于平平等等状状态态的的移移动动站站之之间间相相互互通通信信组组成成的的临临时时网网络络。。移移动动自自组组网网络络中中的的每每一一个个移移动动设设备备都都具具有有路路由由器器的的转转发发分分组组的的功功能能。。自组组网网络络AEDCBF源结结点点目的的结结点点转发发结结点点转发发结结点点转发发结结点点接入例：：有线网网的扩展展HubServerSwitchInternetAccessPointHubWirelessLAN(WLAN)asanextensiontowiredLAN典型的WLAN拓扑例AccessPointWireless“Cell”Channel6WirelessClientsLANBackboneChannel1AccessPointWireless“Cell”WirelessClients中继例：：扩展距距离----无线线网桥中继：利利用无线线信道作作为企业业网的干干线，用用于大楼楼与大楼楼之间的的数据据传输。。无线中继继(WirelessRepeater)例Channel1AccessPointWirelessClientsChannel1AccessPointWirelessRepeater“Cell”LANBackbone热备份(HotStandby)例WirelessClientsLANBackboneMonitoredAPStandbyAP一个校园园无线网网实例CiscoAironet无线网桥桥实例802.11标准中的的PHY层WLAN传输方式式有红外线(InfraRed,IR)和无线电射射频两种红外系统统的优点点：不受受无线电电干扰；；视距传传输，检检测和窃窃听困难难，保密密性好。。缺点是是：对非非透明物物体的透透过性极极差，传传输距离离受限；；易受日日光、荧荧光灯等等干扰；；半双工工通信。。无线电射射频系统统采用扩频(SpreadSpectrum)技术进行行调制。。扩频技技术的频频率范围围开放在在ISM频段，此频段段不需申申请：Industry:902~928Mhz(26MHz)Science:2.4~2.4835GHz(83.5MHz)Medicine:5.15~5.35GHzand5.725~5.825GHz(300MHz)扩频技术术主要又又分为跳频和直接序列列两种技术术。FHSS（跳频扩频频）FrequencyHoppingSpreadSpectrum

FHSS使用了传统的窄带数据传输技术，但传输频率将发生周期性的切换。系统在一个扩展或宽波段的信道上使用不同的中心频率，以预先安排好的顺序在固定的时间间隔内进行跳频。跳频现象可以使FHSS系统避免受到信道内窄带噪声的干扰。FHSS的发送与与接收※ModulatorXspreaderFHPseudo-randomfrequencygeneratorDataDemodulatorXdespreaderFHPseudo-randomfrequencygeneratorDataFHSSsignalsTransmitterReceiverDSSS（直接序列列扩频））

DirectSequenceSpreadSpectrum（Chipcode也称为pseudo-noice或spreadingcode）

DSSS系统则将要传输的数据流通过扩展码调制而人为地扩展带宽，即使在传输波段中存在部分噪声信号，接收机也可以无错误地接收数据。DSSS的发送与与接收※ModulatorXspreaderDSWidebandpseudo-noicecarrierDataDemodulatorXdespreaderDSWidebandpseudo-noicecarrierDataDSSSsignalsTransmitterReceiver使用扩频频技术的的好处扩频是一一种在信信号传输输前先将将信号的的带宽进进行扩展展的技术术。采用用扩频的的好处是是：抗干扰。。若使用用窄频，，容易受受到使用用相同频频率的通通信干扰导致致完全无无法通信信(“盖盖台”)对于非特特定的目目的接收收器，扩扩展了带带宽的信信号混在在背景噪声中中，让蓄蓄意想侦侦听窃取取数据资资料的人人不易判判别真正的信信号，避避免了他他人的截截听提供了供供多个用用户使用用同一传传输波段段的方法法，保证证了无线设备备在频段段上的可可用性和和可靠的的吞吐量量，也保保证使用同一一频段的的设备不不互相影影响。IEEE802.11PHYFHSS－FrequencyHoppingSpreadSpectrum，跳频扩频DSSS－DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频OFDM－OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用（也叫多载波调制技术，载波数可多达52个），802.11a/g用，信号经相应的各种调制（如PSK、QAM等）后，速率可达54/48/36/24/18/12/9/6MbpsHR-DSSS－HighRateDSSS，802.11b用，信号经相应的各种调制（如PSK、CCK等）后，传输速度可达11/5.5/2/1MbpsOFDM/DSSSPhysicalLayer距离越远远、信号号越弱、、速率越越低11Mbps5.5Mbps2Mbps1Mbps距离802.11b采用了动态速率率漂移技术，可以根根据环境境噪声变变化对传输速率率进行自自动调整整。在理想情情况下，，发送节节点以最最高速率11Mb/s进行发射射。当设设备移动到覆覆盖范围围之外，，或者出出现重大干扰扰时，发发送节点点将自动动逐次降低速速率，以以5.5Mb/s、2Mb/s或1Mb/s等速率进行发射射。类似地，，如果无无线设备备从低速速率环境进进入高速速率环境境，发射射速率将会随随之自动动逐次提提高。这种动态速率率漂移技技术对上上层协议议是透明的。。使用不同同的调制制方法，，得到不不同的速速率。802.11标准中的的MAC层无线局域域网虽然然也是多多个站点点共享无无线信道道，却不不能简单单地搬用用以太网网的CSMA/CD协议，这这里主要要有两个个原因：：CSMA/CD协议要求求一个站站点在发发送本站站数据的的同时还还必须不不间断地地检测信信道，但但在无线线局域网网的设备备中要实现这种全双工功功能花费费过大；即使我们能够在发发送的同同时实现现冲突检检测的功能，，并且当当我们在在发送数数据时检测到信信道是空空闲的，在接接收端仍然有可可能发生生冲突。802.11MACMAC层通过协协调功能能来确定定在基本本服务集集BSS中的移动动站在什什么时间间能发送送数据或或接收数数据。802.11MAC使用DCF或PCF分布协调调功能DCF----争用服务务（必选项））(DistributedCoordinationFunction)DCF在每一个个结点使使用CSMA机制的分布式接入算法法，让各各个站通通过争用信道道来获取发发送权。。因此DCF向上提供供争用服服务。点协调功功能PCF----无争用服服务（可选项）(PointCoordinationFunction)PCF使用AP集中控制制的接入算算法将发发送数据据权轮流交给各个个站从而而避免了了冲突的的产生802.11MAC:CSMA802.11CSMA发送站：：-如监听到到信道空空闲,经经DIFS时间后则则发送整整个幀（（发送时时不用冲冲突检测测）-如果监听听到信道道忙，则则坚持监监听到不不忙时，，经DIFS时间后进进入竞争争期，进进行二进进制指数数退避（（第i次退避时时，在2i+2个时隙中中随机选选择一个个），退退避后重重新尝试试发送-如果发发后未收收到ACK(超时)，，则重发发幀802.11CSMA接收站：：-如果接收收正确，，则在SIFS时间间后应答答一个ACK幀其它站点点：听到信道道上在发发送数据据，则推推迟访问问信道NAV(NetworkAllocationVector)时间802.11MAC：：CSMA802.11MACQ&AQ：无线站点点监听时时如何判判定信道道“忙””？A：802.11标标准规规定在物物理层的的空中接接口进行行载波监监听，通过收到到的相对对信号强强度是否否超过一一定的门门限数值值来判定是否否有其他他的无线线站点在在信道上上发送数数据。Q：为何无线线站点监监听到信信道空闲闲还要再再等待？？A：因为此时时可能有有多个站站点都在在监听，，而其他他的站点点可能有更高高优先级级的帧要要发送，，如其有有，就要要让高优优先级帧先发发送（高优先级级帧需等等待的幀幀间间隔隔时间较较短，可优先获获得发送送权，低低优先级级帧需等等待的幀幀间间隔隔时间较长，，须等待待较长时时间。SIFS>PIFS>DIFS>EIFS）帧间间隔隔IFS所有的站站在完成成发送后后，必须须再等待待一段很很短的时时间（继继续监听听）才能能发送下下一帧。。这段时时间的通通称为帧间间隔隔IFS(InterFrameSpace)帧间间隔隔长度取决于该该站欲发发送的帧帧的类型型。高优先级级帧需要要等待的的时间较较短，因因此可优优先获得得发送权权，但低低优先级级帧就必必须等待待较长的的时间若低优先级级帧还没来来得及发送送而其他站站的高优先先级帧已发发送到媒体体，则媒体体变为忙态态，因而低低优先级帧帧就只能再再推迟发送送了，这样样就减少了发生生碰撞的机机会短帧间间隔隔SIFSSIFS，即短(Short)帧间间隔，长度为10s（802.11g时为例），，是最短的的帧间间隔隔，用来分隔开开属于一次次对话的各各帧。一个站应应当能够在在这段时间间内从发送方式式切换到接收方式式。使用SIFS帧间间隔的的场合：(1)应答ACK帧(2)应答CTS帧(3)过长的MAC帧分片后的的数据帧(4)应答AP探询帧(5)PCF方式中接入入点AP发送出的任任何帧。PCF帧间间隔PIFSPIFS，，即点协调功功能帧间间间隔（比SIFS长），是为为了在开始始使用PCF方式时（在在PCF方式下使用用，没有争争用）优先获得接接入到媒体中。。PIFS长度:SIFS加一个时隙隙(slot)长度（其长长度为20s），即30s时隙(时间片)长度选多长长？在一个基本本服务集BSS内，若一无无线站点在在某个时隙隙开始接入入到媒体，，则在下一一个时隙开开始时，其其他站都能能检测出信信道已转变变为忙态，，选定该长度度作为时隙隙长度。DCF帧间间隔DIFS、、延长幀间间间隔EIFSDIFS，即分布协调调功能帧间间间隔，在DCF方式中用来发送数据帧和管管理帧。DIFS的长度比PIFS再增加一个个时隙长度度，因此DIFS的长度为50sEIFS，，即延长幀间间间隔（最长的IFS），站点在进行行幀重发时所必须等等待的时间间。EIFS的长度至少少等于DIFS再增加一个个时隙长度度，因此DIFS的长度为70sSIFS<PIFS<DIFS<EIFS虚拟载波监监听虚拟载波监监听(VirtualCarrierSense)：源站将它还还要占用信信道的时间间（包括目目的站发回回确认帧所所需时间））在其MAC帧首部字段段“持续时时间”中填填入指示给给所有其他他站，其他他所有站会会在这段时时间都停止止发送数据据,这样样大大减少少了冲突的的机会。“虚拟”是是指其他站站并没有真真正监听信信道，而是是检测到源源站发送幀幀中的“持持续时间””才不发送送数据，这这种效果好像是其他他站都监听听了信道。。当一个站检检测到正在在信道中传传送的MAC帧首部的““持续时间间”字段时时，就调整整自己的网络分配向向量NAV(NetworkAllocationVector)，NAV指出了必须须经过多少少时间才能能完成数据据帧的这次次传输，才才能使信道道转入到空空闲状态。。隐终端(Hiddenterminal)效应如只使用CSMA，，侦听到信道道“闲””可能结结果不正确确，由于：：(a)隐蔽站问题题----在发送方侦侦听不到:A,C不能互相听听到，中间间有障碍物物、信号衰衰减，A、C于是都发给给B，B处此时会产产生冲突。。(b)信号强度衰衰减问题----C在发送，由于信号传传输衰减，，传到A处时，A听不到，A以为听到信信道闲，也也发，接接收站B处此时产生生冲突。隐终端是指在接收者的的通信范围围内而在发发送者通信信范围外的的终端。LocationSignalstrengthABC暴露终端(Exposedterminal)效应当节点B向节点A发送数据时时，节点C也希望向节节点D发送数据。。根据CSMA协议，节点点C侦听信道，，它将听到到节点B正在发送数数据，于是是错误地认认为它此时时不能向节节点D发送数据，，但实实际上它的的发送不会会影响节点点A的数据接收收，这就导导致节点C所谓暴露终终端问题的的出现。暴露终端是指在发送者的的通信范围围之内而在在接收者通通信范围之之外的终端端。ABCD改进CSMA目的:为了尽可能能避免冲突突，要进一一步改进CSMA改进:CSMACSMA/CACSMA/CA:CSMAwithCollisionAvoidance冲突避免:增加RTS-CTS交互进一步改进进:CSMA/CA:信道预约发送站:发发出短的的RTS幀(requesttosend)预约信道接收站:应应答短的的CTS幀(cleartosend)同意预约CTS为发送站保保留信道,起了通通知其它(可能隐蔽蔽的)站点点的效果避免了隐蔽站点点造成的冲冲突冲突避免:RTS-CTS预约信道RTS与CTS为短幀:由于RTS幀长20字字节，CTS幀长14字字节，比最最大数据幀幀长度2346字节节要短很多多，所以发发生冲突可可能性很小小最后效果类类似于冲突突检测协议设计精精巧，碰撞撞很少会发发生。但极极少数情况况下碰撞仍仍可能发生生，如B和C站同时向A发送RTS幀，这两个个RTS幀就会发生生碰撞，A收不到正确确的RTS幀，因而也也不会发送送后续的CTS幀，这时，，B和C发现超时后后，会随机机推迟一段段时间后重重新发送其其RTS幀，推迟时时间的算法法也是使用用二进制指指数退避。。隐终端问题题解决方式式节点A欲发送一数数据包给节节点B,首先A发送一RTS给B;B发送CTS;A收到CTS后发送数据据;C监听到CTS，知道有节节点在发送送数据，A和B数据传输时时间C不会发数据据包。暴露终端问问题解决方方式1、发送者发送送RTS。2、接收者返返回CTS。3、邻居节点：：如果收到CTS则保持安静，，不能传输数数据。如果只收到RTS而没收到CTS,可以传输数据据。802.11MAC:CSMA/CA计算随机退避避时间(2i+2个时隙选一）以再次重重新试图接入信道道二进制指数退退避(BinaryBackoff)当信道从忙态态变为空闲时时，任何一个个站要发送数数据幀时，不不仅都必须等等待一个DIFS间隔，而而且还要进入入争用窗口，并计算随机机退避时间以以便再次重新新试图接入到到信道，这这样就减少了了发生冲突的的概率（当多多个站都打算算占用信道时时）以下情况不使使用退避算法法：当一个站要发发送的是它的的第一个数据据幀时，并并检测到信道道为空闲。其余情况下，，都必须使用用退避算法。。即：在发送第一个个帧之前检测测到信道为忙忙在每一次的重重传后在每一次的成成功发送后BinaryBackoff802.11使用的二进进制指数退避避算法（BinaryBackoff）如下：第i次退避时，在在2i+2个时隙中随机机选择一个。。[例]第1次退避在8个时隙中随随机选择一个个（而不是象象以太网那样样第1次冲突突后在2个时时隙中选）；；第2次退避在在16个时隙隙中随机选择择一个（而不不是象以太网网那样第2次次冲突后在4个时隙中选选）。。。。。。。。然后根据该时时隙数设置一一个退避计时时器进行减1计时，当计计时器时间减减小到0时就就开始发送数数据。若时间间还未减到0信道又变为为忙，则冻结结该计时值重重新等待信道道变为空闲、、再经过时间间DIFS后，继续启动动退避计时器器（从剩下的的时间开始））。这样规定定有利于该继继续启动计时时器的站更早早地接入信道道中。点协调功能PCF（选项）前面讲的是：：分布协调功能能DCF–CSMA/CA,争用服务（必选项）所有的AP、STA都须具有此功功能IEEE802.11还有：点协调功能PCF–无争用服务（可选项）(PointCoordinationFunction),某些AP有此功能。具有该功能的的AP使用集中控制的接入算法将将发送数据权权轮流交给各个站，，从而避免了了冲突的产生生。可以用在时间间敏感的服务务场合，如音音频、视频传传输时；AP通过使用短的的帧间间隔PIFS，可获得优先发发送权；AP有了优先发送送权，就可以以轮流向各个个无线站点发发送查询请求求，从而控制制无线介质的的访问。无线接入过程程STA(工作站）启动动初始化、开开始正式使用用AP传送数据幀前前，要经过三三个阶段才能能接入:(1)扫描描(SCAN)(2)认证(Authentication)(3)关联联(Association)无线接入过程程无线接入第一一阶段:扫描（SCAN)阶段若无线站点STA设成Ad-hoc模式：STA先寻找是否已已有IBSS（与STA所属相同的SSID）存在，如有，，则参加（join）；；若无,则会会自己创建一一个IBSS，等其他站来join。若无线站点STA设成Infrastructure模式：1、主动扫描方式式（特点：能迅迅速找到）STA依次在11个个信道发出ProbeRequest帧，寻找与STA所属有相同SSID的AP，若找不到有有相同SSID的AP，则一直扫描下下去…2、被动扫描方式式（特点：找到到时间较长，，但STA节电）STA被动等待AP每隔一段时间间定时送出的的Beacon信标幀，该帧帧提供了AP及所在BSS相关信息：“我在这里”…无线接入第二二阶段:认证（Authentication）阶段当STA找到与其有相相同SSID的AP，在SSID匹配的AP中，根据收到到的AP信号强度，选选择一个信号号最强的AP，然后进入认证证阶段。只有有身份认证通通过的站点才才能进行无线线接入访问。。802.11提供几种种认证方法，，有简单有复复杂，如采用用802.1x/EAP认证方法时大大致为：STA向AP发送认证请求求AP向认证服务器器发送请求信信息要求验证证STA的身份认证服务器认认证完毕后向向AP返回相应信息息如果STA身份不符，AP向STA返回错误信息息如果STA身份相符，AP向STA返回认证响应应信息无线接入过程程无线接入第三三阶段:关联（Association）阶段当AP向STA返回认证响应应信息、身份份认证获得通通过后，进进入关联阶段段。STA向AP发送关联请求求AP向STA返回关联响应应至此，接入过过程才完成，，STA初始化完毕，，可以开始向向AP传送数据幀。。无线接入过程程无线接入过程程示意图AuthenticationServerAPSTAProbeRequestProbeResponse●●●ProbeRequestProbeResponseSSID比较AuthenticationRequestAuthenticationResponseAssociationRequestAssociationResponse扫描认证关联Y802.11协议定义三三类幀数据幀控制幀----RTS幀、CTS幀、ACK幀等管理幀----ProbeRequest/Response幀(主动扫描时时)Beacon幀(信标幀,被被动扫描时时AP发出)AuthenticationRequest/Response幀、DeAuthentication幀(去掉认证)AssociationRequest/Response幀、Disassociation幀(去掉关联)ReAssociationRequest/Response幀(从ESS的一个BSS漫游到另一个个BSS进行重新关联，以以便新AP联系老AP取得原来的关联信信息)DataFrameFormat※IEEE802.11无线MAC数据帧格式AddressingMechanism:Case1※A、BinthesameIBSS，AB（Adhoc无线自组网中中的数据帧的的地址格式））AddressingMechanism:Case2※从AP发出的无线数数据帧中的地址格式式AddressingMechanism:Case3※发到AP的无线数据帧帧中的地址格式式AddressingMechanism:Case4※通过无线分配配系统传输的的无线数据帧帧中的地址格式式IEEE802.11MAC/PHY小结（点击图标回回到本章目录录）9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。14:04:4414:04:4414:0412/29/20222:04:44PM11、以以我我独独沈沈久久，，愧愧君君相相见见频频。。。。12月月-2214:04:4414:04Dec-2229-Dec-2212、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。14:04:4414:04:4414:04Thursday,December29,202213、乍见见翻疑疑梦，，相悲悲各问问年。。。12月月-2212月月-2214:04:4414:04:44December29,202214、他乡乡生白白发，，旧国国见青青山。。。29十十二二月20222:04:44下下午14:04:4412月月-2215、比不了得就就不比，得不不到的就不要要。。。十二月222:04下下午12月-2214:04December29,202216、行动出出成果，，工作出出财富。。。2022/12/2914:04:4414:04:4429December202217、做前，能能够环视四四周；做时时，你只能能或者最好好沿着以脚脚为起点的的射线向前前。。2:04:44下下午2:04下下午14:04:4412月-229、没没有有失失败败，，只只有有暂暂时时停停止止成成功功！！。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。14:04:4414:04:4414:0412/29/20222:04:44PM11、成成功功就就是是日日复复一一日日那那一一点点点点小小小小努努力力的的积