第08讲 无线局域网的网络构成

第08讲无线局域网的构成及体系结构

第一节无线局域网的业务区

一、概述基本业务区扩展业务区BSA的构成

BSA是构成无线局域网的最小单元。BSA近似于蜂窝电话网中的小区，但它和小区有明显的差异；蜂窝电话网中的小区采用集中控制方式组网，也就是说网中的站一定要经过小区中的基站方可相互通信，但BSA的组网方式并不限于集中控制式。BSA的组网方式有这样三种：无中心的分布对等方式;有中心的集中控制方式;上述两种方式的混合方式。第一种：分布式对等方式，BSA中任意两站可相互直接通信，无须设中心转接站。通常使用CSMA/CA做为MAC协议。这种方式的特点是结构简单易维护。第二种：集中控制方式，BSA中设置一个中心控制站，主要完成MAC控制及信道分配等功能。网中的其它站在该中心站的协调下与其它站通信。由于对信道资源分配、MAC控制采用集中控制的方式，这样使信道利用率大大提高，网络的吞吐性能优于分布式对等方式。引入中心站也使得BSA结构复杂；中心站需要进行信道资源、站点管理等较复杂的处理。第三种：前两种方式的组合，即分布式对等方式与集中控制方式的混合方式。在这种方式下，BSA中的任意两站均可直接通信；而中心控制站完成部分无线信道资源的控制。

几个BSA通过AP连接起来形成扩展服务区(ESA:ExtendedServiceArea).ESA内的工作站对于LLC层是透明的，可以从一个BSA移动至另一个BSA。ESA的构成

基本业务集BSS：

由一个BSA区构成的业务集合，叫BSS（BasicServiceSet）扩展业务集ESS

：

由一个ESA区构成的业务集合，叫ESS（ExtendedServiceSet）

二、IEEE802.11无线局域网的业务区IBSS：IndependentExtendedServiceSet，独立基本业务集BSS：BasicServiceSet基本业务集ESS：ExtendedServiceSet扩展业务集

独立基本业务集(IBSS)

最基本的IEEE802.11无线局域网形式；

分布式对等（peertopeer）拓扑；

至少包括两个工作站STA，没有AP转接，工作站之间直接通信；各站点竞争公用信道；随时需要随时构建，称作自组织网络（AdHoc）；

结构简单，组网迅速，使用方便，抗毁性强；

用于军事、临时组网；

适于小规模、小范围系统。基本业务集(BSS)

由多个工作站(STA,Station)组成的集合，是只包括一个AP的单区结构；

集中式基础结构型（Infrastructure）拓扑；BSS内的工作站相互通信通过AP转接；BSS覆盖范围由AP决定；

同一个BSS的各个工作站具有相同的BSS标识符(BSSID：BSSIdentifier)，在IEEE802.11中，BSSID是AP的MAC地址。AP方便管理各站同步、移动性、节能等；AP为接入骨干网提供一个逻辑接入点。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IBSSBSS扩展业务集(ESS)

由多个BSA通过分布式系统联结形成一个扩展区(ESA），属于同一ESA的所有站组成ESS；

多AP模式的拓扑；ESS范围数公里；

如果一个业务区由多个ESS组成，每个ESS分配一个ESS标识符(ESSID：ESSIdentifier)；ESA中的所有AP共享同一个ESSID；

相同ESSID的无线网络间可以进行漫游；

所有不同的ESSID组成一个网络标识符（NID），属于一个逻辑网段，通常称一个IP子网。ESS（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)BSA间的干扰：当多个BSA相距较近时，BSA间干扰成为很大的问题。因为使用无线传输媒体，某一BSA的无线信号可能会辐射出其覆盖范围，这些泄漏至其它BSA的信号就成为其它BSA的干扰。

为了解决BSA间干扰，相邻的BSA使用不同的无线信道。通常使用频分多址或码分多址的方法实现信道切换。例如,利用ISM频段中ch1、ch6、ch11三个无重叠频道.ch6ch11ch12.4GHzISM频段信道划分

移动管理包括以下几个方面：登录管理、认证管理、移动管理。散步：当一个站从一个BSA移动至另一个BSA，(切换AP)，称为“散步”或“越区切换”；这是一种链路层的移动。漫游：当一个站从一个ESA移动至另一个ESA，称为“漫游”；这是一种网络层或IP层的移动。散步和漫游无线漫游的实现

将多个AP的信号覆盖范围相互重叠一小部分.对各个AP进行设置:

1.登录AP的参数设置界面，在其中找到SSID设置选项，将所有AP的SSID名称设置成相同，这样才能确保漫游用户在同一网络中漫游；2.修改每一个AP的IP地址，让所有AP的IP地址属于同一网段之中；3.修改信号互相覆盖的AP的频道。为了防止相邻AP之间的信号相互产生干扰，信号互相覆盖的AP必须使用不同的频道，目前一个AP可以使用的频道总共有13个，其中1、6、11这三个频道是完全无重叠的，因此可将相邻的AP设置成使用这些频道，来确保无线漫游成功。

工作站(STA，Station)分布式系统(DS，DistributionSystem)无线媒质(WM，WirelessMedium）接入点(AP：AccessPoint)

关口(Portal)

第二节无线局域网的基本组成

连接在WLAN中的终端设备称为站（STA），也称移动主机（MH，MobileHost）这些站可以是台式计算机、便携计算机（掌上计算机、手持式计算机、笔式计算机等），也可以是其它智能设备，例如个人数字助理(PDA)、手持式扫描仪和数据采集仪、手持式打印机等。组成：

终端用户设备无线网络接口网络软件

1、站（STA）站的分类：从站的移动性来分类，分三类：固定站、半移动站、移动站。固定站：指固定使用的台式计算机，有线局域网中的站均为固定站；半移动站：指经常改变使用场所的站，但在移动状态下并不要求保持与网络的通信；移动站：在移动中也可保持与网络的通信，这种站是传统的有线局域网中所没有的。

目前无线局域网中移动站的典型移动速度限定在步行速度(2m/s以内)及中低速(10m/s以内)之间。

分布式系统(DS，DistributionSystem)是用于连接不同BSS的通信信道；将属于同一ESA的所有站连接起来，组成一个扩展业务集（ESS）.分布式系统使用的媒介(DSM，DistributionSystemMedium)与BSS使用的媒介(WM，WirelessMedium）逻辑上分开，尽管它们物理上可能会是同一个媒介，例如同一个无线频段。

2、分布式系统(DS）

关口(Portal)是无线局域网的一个逻辑节点，用于802.11无线局域网和非802.11局域网之间的协议转换。在实际中可以将Portal和AP的功能集成到一个设备中。4、关口(Portal)

3、接入点(AP）接入点(AP：AccessPoint)是特殊的工作站，类似蜂窝中的基站，位于BSA的中心，固定不动；AP提供分布式系统服务(DSS：DistributionSystemService)，使同一BSA内不同站之间通信联络。作为无线网络和分布式系统之间的桥接点。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)从物理拓扑分类：单区网（SCN）、多区网（MCN）从逻辑上分类：对等式（AdHoc）、基础结构式(Infrastructure)；

线形、星形、环形；从控制方式分类：无中心分布式、有中心集中控制式从与外网连接分类：独立、非独立IEEE802.11无线局域网拓扑有中心控制式网络结构第三节IEEE802.11协议栈 有线网络802.11MAC 802.11PHYLLC

Application TCP IP802.3MAC 802.3PHYLLCApplication TCP IP802.11MAC 802.11PHY802.3MAC 802.3PHYLLC固定终端移动节点802.11标准中的PHY层WLAN传输方式有红外线和无线电射频两种红外优点：不受无线电干扰；视距传输，检测和窃听困难，保密性好。缺点：对非透明物体的透过性极差，传输距离受限；易受日光、荧光灯等干扰；半双工通信。无线电射频系统：扩频(SpreadSpectrum)技术进行调制。扩频技术的频率范围开放在ISM频段，此频段不需申请：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!!扩频技术引入扩频通信主要特性：抗干扰保密性强扩展频谱在军事上的运用

由于保密，扩展频谱技术在其发明者去世7年之后、在发明者构想出现30年之后的1978年才发表。扩展频谱对于军队的重要性能够承受战时战场上严重的干扰；避免敏感通信中途被截获提供非常好的保密性；不仅具有技术保密性，还具有操作保密性即使敌人拥有技术/设备，并且准确了解所用频带仍然不能对传输信号干扰或者译码；扩频系统的一般描述两种扩频方法

作为反干扰策略提出的跳频扩展频谱； 为实现保密话音通信提出的直接序列（噪声调制扩频）

信道编码器信道

信道解码器伪噪声发生器伪噪声发生器输入数据输出数据

调制器扩展码解调器

扩展码窄带模拟信号窄带模拟信号扩展后的信号跳频序列扩频（FHSS）FSSS特点

信号在一串随机序列的频

率上广播 接收者以与发送者同步的 方式跳转频率 窃听者听到的难以理解好处

干扰仅影响某个频率上的有限几比特； 没有传统意义上的阻塞；

相当宽的频带被划分成大量的窄频道FrequencyHoppingSpreadSpectrumFHSS——实例FHSS与传统的FSK调制方法类似；FSK通常只使用两个频率，FHSS将使用数千个频率。DSSS——噪声调制将类噪声型信号加入到拟传输的信号之中+话音信号已知特征的噪声型看起来更像噪声的调制信号—淹没的原始话音信号已知噪声噪声调制信号发送端接收端输入信息信号可以比淹没它的噪声低几千倍仍然能成功地传输。直接序列扩展频谱（DSSS）基本原理

将两个数字信号加到一起得到第三个实际传输比特流； 第一个信号是信息信号； 第二个信号是由随机序列产生器产生的随机比特流； 第三个比特流的速率与第二个信号相同；

10Kbps信息源

100Mbps

随机伪 噪声

100Mbps

混合 信号DirectSequenceSpreadSpectrumDSSS——实例IEEE802.11FHSS物理层...1Mhz79

123

83.5Mhz调频序列分为三组 每组包括26个跳频序列

2.5hops/secMPDUPreambleHeader1Mbps1,2MbpsGFSKmodulationMPDUPreambleHeader1Mbps1,2Mbps

GFSKde-modulationIEEE802.11DSSS物理层基带信号采用Barkerword扩频，扩频信号约占用22Mhz带宽DSSS能有效防止窄带干扰MPDUPreambleHeader1Mbps1,2Mbps

DPSKmodulation Transmitter basebandsignalMPDUPreambleHeader1Mbps1,2Mbps

DPSK de-modulationReceivedsignalafter despreadingSpreadthesignalusingBarkerword(11bits) +1,-1,+1,+1,-1,+1,+1,+1,-1,-1,-1 Transmittedsignalafterspreading距离越远、信号越弱、速率越低11Mbps5.5Mbps2Mbps1Mbps距离802.11MAC

MAC层通过协调功能来确定在基本服务集BSS中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。802.11MAC使用DCF或

PCF

分布协调功能DCF----争用服务（必选项）

(DistributedCoordinationFunction)DCF对每一个结点使用CSMA

机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。点协调功能PCF----无争用服务（可选项）

(PointCoordinationFunction)

PCF使用AP

集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了冲突的产生。BinaryBackoff有线网络使用的二进制指数退避算法（BinaryBackoff）如下：

第i次退避时，在2i个时隙中随机选择一个。[例] 第1次退避在1-2个时隙中随机选择一个；第2次退避在1-4个时隙中随机选择一个。。。。。。。

802.11标准中的MAC层

无线局域网不能简单地搬用以太网的CSMA/CD协议原因：CSMA/CD在无线局域网的设备中要实现这种全双工功能花费过大；

检测结果不准确。隐藏终端暴露终端802.11MAC:CSMA802.11CSMA发送站：如监听到信道空闲,经某种IFS

时间后则发送整个帧（发送时不用冲突检测）如果监听到信道忙，则坚持监听到不忙时，经DIFS时间后进入竞争期，进行二进制指数退避（第i次退避时，在2i+2个时隙中随机选择一个），退避后重新尝试发送如果发后未收到ACK(超时)，则重发帧802.11CSMA接收站：如果接收正确，则在SIFS时间后应答一个ACK帧

其它站点：听到信道上在发送数据，则推迟访问信道NAV(NetworkAllocationVector)时间802.11MACQ&AQ：无线站点监听时如何判定信道“忙”？A：802.11标准规定在物理层的空中接口进行载波监听，通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值来判定是否有其他的无线站点在信道上发送数据。Q：为何无线站点监听到信道空闲还要再等待？A：因为此时可能有多个站点都在监听，而其他的站点可能有更高优先级的帧要发送，如其有，就要让高优先级帧先发送。帧间间隔IFS所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称为帧间间隔IFS(InterFrameSpace)

帧间间隔长度取决于该站欲发送帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间；若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体，则媒体变为忙态，因而低优先级帧就只能再推迟发送了，这样就减少了发生碰撞的机会。短帧间间隔SIFS

SIFS，即短(Short)帧间间隔，长度为10s（802.11g时为例），是最短的帧间间隔，用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。使用SIFS帧间间隔的场合：(1)应答ACK帧(2)应答CTS帧(3)过长的MAC帧分片后的数据帧(4)应答AP探询帧(5)PCF方式中接入点AP发送出的任何帧。PCF帧间间隔

PIFS PIFS，即点协调功能帧间间隔（比SIFS长），是为了在开始使用PCF方式时（在PCF方式下使用，没有争用）优先获得接入到媒体中。PIFS长度:SIFS加一个时隙(slot)长度（其长度为20s），即30s。DCF帧间间隔DIFS、延长帧间间隔EIFSDIFS，即分布协调功能帧间间隔，在DCF方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS的长度比PIFS再增加一个时隙长度，因此DIFS的长度为50sEIFS，即延长帧间间隔（最长的IFS），站点在进行帧重发时所必须等待的时间。EIFS的长度至少等于DIFS再增加一个时隙长度，因此EIFS的长度为70s时间长短：SIFS<PIFS<DIFS<EIFS802.11MACQ&AQ：为什么802.11的二进制算法使用2i+2个时隙？A：第1次退避在1-8个时隙中随机选择一个（而不是象以太网那样第1次冲突后在2个时隙中选）；第2次退避在1-16个时隙中随机选择一个（而不是象以太网那样第2次冲突后在4个时隙中选）；目的是能够获得更多的选择机会，和较长的等待时间，减少冲突的几率。802.11MAC：CSMA虚拟载波监听

虚拟载波监听(VirtualCarrierSense)：源站将它还要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需时间）在其MAC帧首部字段“持续时间”中填入指示给所有其他站，其他所有站会在这段时间都停止发送数据,这样大大减少了冲突的机会。“虚拟”是指其他站并没有真正监听信道，而是检测到源站发送帧中的“持续时间”才不发送数据，这种效果好像是其他站都监听了信道。当一个站检测到正在信道中传送的MAC帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量NAV(NetworkAllocationVector)，NAV指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。隐终端(Hiddenterminal)效应

如只使用CSMA，侦听到信道“闲”可能结果不正确，由于：

(a)隐蔽站问题----在发送方侦听不到:A,C不能互相听到，中间有障碍物、信号衰减，A、C于是都发给B，B处此时会产生冲突。(b)信号强度衰减问题----C在发送，由于信号传输衰减，传到A处时，A听不到，A以为听到信道闲，也发，接收站B处此时产生冲突。LocationSignalstrengthABC

隐终端是指在接收者的通信范围内而在发送者通信范围外的终端。ABCD暴露终端(Exposedterminal)效应当节点B向节点A发送数据时，节点C也希望向节点D发送数据。根据CSMA协议，节点C侦听信道，它将听到节点B正在发送数据，于是错误地认为它此时不能向节点D发送数据，但实际上它的发送不会影响节点A的数据接收，这就导致节点C所谓暴露终端问题的出现。暴露终端是指在发送者的通信范围之内而在接收者通信范围之外的终端。ABCD改进CSMA

目的:为了尽可能避免冲突，要进一步改进CSMA改进:CSMA