第二讲数据链路与局域网(下)

第2讲

数据链路层与局域网----无线网络1无线网络主要应用场合在移动工作环境下，面向移动计算机用户，访问网络的信息资源，为移动办公提供便利；临时组网，如灾后复苏、短时商用系统及大型会议；有线网络的无线延伸。2有线(固定)网络与无线(移动)网络固定网络基础设施用户终端通常不移动网络无处不在用户终端无线上网用户如鱼得水自由移动NOWFUTURE3几种不同的无线接入固定接入(fixedaccess)——在作为网络用户期间，用户设置的地理位置保持不变。移动接入(mobilityaccess)——用户设置能够以车辆速度移动时进行网络通信。当发生切换时，通信仍然是连续的。便携接入(portableaccess)——在受限的网络覆盖面积中，用户设备能够在以步行速度移动时进行网络通信，提供有限的切换能力。游牧接入(nomadicaccess)——用户设备的地理位置至少在进行网络通信时保持不变。如用户设备移动了位置，则再次进行通信时可能还要寻找最佳的基站4本章内容9.1无线局域网WLAN9.2无线个人区域网WPAN9.3无线城域网WMAN59.1无线局域网WLANcommonslangnameforitisWiFi.1997年发布IEEE802.11标准工作频带2.4GHz，最大传输速率2Mb/s1999年9月，发布802.11a和802.11b802.11a：工作频带5.8GHz，最大传输速率54Mb/s802.11b：工作频带2.4GHz，最大传输速率11Mb/s2003年6月，发布802.11g工作频带2.4GHz，最大传输速率54Mb/s2009年10月，发布802.11n工作频带2.4GHz/5GHz，最大传输速率约为600Mb/s6无线局域网分类：有固定基础设施的WLAN固定基础设施：预先建立起来的、能覆盖一定地理范围的一批固定基站。无固定基础设施的WLAN（Adhoc）没有固定基础设施，71.有固定基础设施的无线局域网AP1AP28一个基本服务集BSS包括一个基站和若干个移动站;所有的站在本BSS以内都可以直接通信;但在和本BSS以外的站通信时，都要通过本BSS的基站。AP1AP29基本服务集内的基站叫做接入点AP(AccessPoint)AP的作用和网桥相似。当网络管理员安装AP时，必须为该AP分配一个不超过32字节的服务集标识符SSID和一个信道。AP1AP210AP1AP2一个基本服务集可以是孤立的，也可通过接入点AP连接到一个主干分配系统

DS(DistributionSystem)，然后再接入到另一个基本服务集，构成扩展的服务集ESS(ExtendedServiceSet)。11AP1AP2ESS还可通过叫做门户(portal)为无线用户提供到非802.11无线局域网的接入。门户的作用就相当于一个网桥。12AP1AP2漫游：移动站A从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集（到A的位置），仍可保持与另一个移动站B进行通信。13与AP建立关联(association)一个移动站若要加入到一个基本服务集BSS，就必须先选择一个接入点AP，并与此接入点建立关联。建立关联就表示这个移动站加入了选定的AP所属的子网，并和这个AP之间创建了一个虚拟线路。只有关联的AP才向这个移动站发送数据帧，而这个移动站也只有通过关联的AP才能向其他站点发送数据帧。14移动站与AP建立关联的方法被动扫描移动站等待接收接入站周期性发出的信标帧(beaconframe)。信标帧中包含有若干系统参数（如服务集标识符SSID以及支持的速率等）。主动扫描移动站主动发出探测请求帧(proberequestframe)，然后等待从AP发回的探测响应帧(proberesponseframe)。15热点(hotspot)热点也就是公众无线入网点如办公室、机场、快餐店、旅馆、购物中心等都能够向公众提供有偿或无偿接入Wi-Fi的服务。这样的地点就叫做热点。由许多热点和AP连接起来的区域叫做热区(hotzone)。现在也出现了无线因特网服务提供者WISP(WirelessInternetServiceProvider)这一名词。用户可以通过无线信道接入到WISP，然后再经过无线信道接入到因特网。162.移动自组网络又称自组网络(adhocnetwork)由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发结点转发结点17移动自组网络的应用前景携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。能够应用到作战的地面车辆群和坦克群，以及海上的舰艇群、空中的机群。当出现自然灾害时，在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的，18无线传感器网络WSN(WirelessSensorNetwork)由大量传感器结点通过无线通信技术构成的自组网络。应用:进行各种数据的采集、处理和传输19传感器结点存储器CPU传感器硬件电池无线收发器形状组成20无线传感器网络的特点一般不需要很高的带宽在大部分时间必须保持低功耗，以节省电池的消耗无线传感结点的存储容量受限，对协议栈的大小有严格的限制对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面有一定的要求。21无线传感器网络主要的应用领域环境监测与保护（如洪水预报、动物栖息的监控）；战争中对敌情的侦查和对兵力、装备、物资等的监控；医疗中对病房的监测和对患者的护理；在危险的工业环境（如矿井、核电站等）中的安全监测；城市交通管理、建筑内的温度/照明/安全控制等。22WLAN层次模型ApplicationTransportNetworkDataLinkPhysicalMediumDataLinkPhysicalApplicationTransportNetworkDataLinkPhysicalDataLinkPhysicalNetworkNetworkRadio239.1.2802.11标准的物理层249.1.2802.11标准的物理层802.11标准的物理层的特点：使用短距离无线电，通常在2.4GHz和5GHzWhy?速率自适应根据当前的条件选择不同的速率如果无限信号较弱，选择较低的速率，否则，选择高速率。不同的物理层可采用不同的通信技术802.11无线局域网可再细分为不同的类型802.11，工作频带2.4GHz，最大传输速率2Mb/s802.11a，工作频带5GHz，最大传输速率54Mb/s802.11b，工作频带2.4GHz，最大传输速率11Mb/s802.11g，工作频带2.4GHz,最大传输速率54Mb/s802.11n，工作频带2.4GHz/5GHz，最大传输速率600Mb/s252.4GHz还是5GHz?2.4GHz的ISM频段，即用于工业、科学、医疗领域的免费频段；优势是不需付费，在室内环境中抗衰减能力强劣势是许多设备用的都是2.4GHz，所以干扰很多，不能保障足够的稳定性。5GHz，包含了UNII的三个频段，从5.1～5.8GHz都有覆盖；这个频段最大的优势是目前应用较少，很多国家都是需要申请许可的，所以干扰非常小，能保障传输的质量；缺点也很明显，室内的抗衰减能力弱，隔个几堵墙也许就歇菜了。26802.11标准的物理层802.11的物理层有以下几种实现方法：直接序列扩频DSSS正交频分复用OFDMMIMO(Multiple-InputMultiple-Output)跳频扩频FHSS（已很少用）红外线IR（已很少用）27HedyLamarr

----科技史上最美丽的女人

海德.拉马尔（跳频技术的发明人）1941年6月10日申请专利直到1997年，美国电子前沿基金会授予了这项专利第一申请人海蒂·拉玛（HedyLamarr）荣誉技术奖章福布斯旗下的《美国发明与科技遗产》杂志曾经以海蒂为封面28WLAN的物理介质跳频扩展频谱（FHSS）FHSS将工作频带分成83个1MHz带宽的信道。FHSS使用其中的79个信道，数据载波频率可在这79个频率之间随机跳动。29802.11n无线局域网新一代WLAN标准达600Mbit/s的传输速率采用SpatialMultiplexingMIMO（空间多路复用多入多出）技术MIMO是一种智能天线技术，它通过多组独立天线组成的天线阵列系统，通过创建多个并行空间信道，将要传输的数据分割成多个部分进行并行独立传输。MIMO带来的优点数据传输率高、传输信号稳定、噪音干扰小、传输距离远。

30不同标准的WLAN比较802.11a802.11b802.11g802.11n最大传输速率54Mb/s11Mb/s54Mb/s600Mb/s兼容性与b不兼容-与b兼容与b/g兼容安全性好较好好好穿越障碍能力一般强强很强抗干扰能力强较强较强很强传输距离（室外）300m300m300m500m价格高低低高支持业务数据/语音/图像同左同左同左，视频319.1.3802.11的MAC层竞争or无竞争？有竞争和无竞争相结合802.11提供了两种操作模式DCF(DistributedCoordinationFunction，分布协调功能)，竞争PCF(PointCoordinationFunction，点协调功能)，无竞争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。32802.11的MAC层MAC层无争用服务（选用）争用服务（必须实现）分布协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)点协调功能PCF(PointCoordinationFunction)物理层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。33MAC层无争用服务争用服务分布协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)点协调功能PCF(PointCoordinationFunction)物理层DCF子层在每一个结点使用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。因此DCF向上提供争用服务。34MAC层无争用服务争用服务分布协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)点协调功能PCF(PointCoordinationFunction)物理层PCF子层使用集中控制的接入算法把发送数据权

轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生35分布协调和点协调的MAC层AccessmethodsDCFCSMA/CA(强制的)DCF/RTS/CTS(可选的)在现实中很少使用，WHY?PCF(可选的)36讨论:如何使PCF和DCF协同工作？37帧间间隔IFS38802.11的MAC协议其它问题：可靠性接收方正确收到帧发回确认使用计时器，序号电源管理设置帧中的电源管理位服务质量让某些应用具有较高的优先级—如何实现？安全39802.11使用确认机制ACK1timeABframe1frame2ACK2DIFS退避SIFSDIFS问题：帧丢失怎么办？40数据帧丢失timeout重传ABframe1frame1ACK1lostTimer退避DIFS退避DIFS41确认帧丢失给帧编号：每个帧有一个序号timeoutABframeframeACK1lostACK1丢弃

重发

ACK重复接收?退避DIFS42电源管理客户端在发给AP的帧中通告自己进入省电模式设置帧中的电源管理位=1AP缓存所有发给该客户的流量何时苏醒？AP唤醒客户，在收到AP信标帧时苏醒前提：AP定期广播信标帧（beaconframe）客户检查信标帧中的流量图，看是否有为它缓存的流量，如果有，给AP发送poll消息，让AP发送自己醒：客户有数据发送43WLAN的安全防护无线局域网安全标准802.11iWAPI身份认证及信息加密基于SSID的认证WEP（WiredEquivalentPrivacy）,以RC4为基础WPA(Wi-FiProtectedAccess)和WPA2，WPA基于AES加密算法WEP易被破解，推荐WPA2449.1.4802.11的MAC帧讨论：你认为WLAN帧应该有哪些字段？

459.1.4802.11的MAC帧802.11帧共有三种类型，即控制帧、数据帧和管理帧。下面是数据帧的主要字段。字节22666260~23124帧控制持续期地址1地址2地址3序号控制地址4帧主体FCS协议版本类型子类型到DS从DS更多分片重试功率管理更多数据WEP顺序位22411111111MAC首部469.2无线个人区域网WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)在个人工作地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来自组网络，不需要使用接入点AP。整个网络的范围大约在10m左右标准由IEEE802.15工作组制定无线个人区域网WPAN和个人区域网PAN(PersonalAreaNetwork)并不完全等同，因为PAN不一定都是使用无线连接的。47WPAN和WLAN并不一样WPAN是以个人为中心来使用的无线个人区域网，它实际上就是一个低功率、小范围、低速率和低价格的电缆替代技术。WPAN都工作在2.4GHz的ISM频段。但WLAN却是同时为许多用户服务的无线局域网，它是一个大功率、中等范围、高速率的局域网。481.蓝牙系统(Bluetooth)最早使用的WPAN是1994年爱立信公司推出的蓝牙系统，其标准是IEEE802.15.1蓝牙的数据率为720kb/s，通信范围在10米左右蓝牙使用TDM方式和扩频跳频FHSS技术组成不用基站的皮可网(piconet)。49皮可网(piconet)Piconet直译就是“微微网”，表示这种无线网络的覆盖面积非常小每一个皮可网有一个主设备(Master)和最多7个工作的从设备(Slave)通过共享主设备或从设备，可以把多个皮可网链接起来，形成一个范围更大的扩散网(scatternet)这种主从工作方式的个人区域网实现起来价格就会比较便宜50蓝牙系统中的皮可网和扩散网MMSSPSSSSSP皮可网2扩散网皮可网1M——主设备S——从设备P——搁置的设备512.低速WPAN主要用于工业监控组网、办公自动化与控制等领域，其速率是2～250kb/s。标准是IEEE802.15.4。最近新修订的标准是IEEE802.15.4-2006。低速WPAN中最重要的就是ZigBee。ZigBee技术主要用于各种电子设备（固定的、便携的或移动的）之间的无线通信其主要特点是通信距离短（10～80m），传输数据速率低，并且成本低廉。52ZigBee的特点功耗非常低在工作时，信号的收发时间很短；而在非工作时，ZigBee结点处于休眠状态，非常省电。对于某些工作时间和总时间之比小于1%的情况，电池的寿命甚至可以超过10年。网络容量大一个ZigBee的网络最多包括有255个结点，其中一个是主设备，其余则是从设备。若是通过网络协调器，整个网络最多可以支持超过64000个结点。53ZigBee的标准在IEEE802.15.4标准基础上发展而来的。所有ZigBee产品也是802.15.4产品。IEEE802.15.4只是定义了ZigBee协议栈的最低的两层（物理层和MAC层），而上面的两层（网络层和应用层）则是由ZigBee联盟定义的。54ZigBee的协议栈物理层MAC层网络层应用层IEEE802.15.4定义ZigBee联盟定义ZigBee协议栈55ZigBee的组网方式可采用星形和网状拓扑，或两者的组合FFDFFDFFDFFDFFDRFD端设备路由器FFDFFD协调器有一个全功能设备(FFD)充当网络的协调器。数量最多的端设备是精简功能设备(RFD)结点。563.高速WPAN高速WPAN用于在便携式多媒体装置之间传送数据，支持11--55Mb/s的数据率，标准是802.15.3IEEE802.15.3a工作组还提出了更高数据率的物理层标准的超高速WPAN，它使用超宽带(UWB)技术UWB技术工作在3.1--10.6GHz微波频段，有非常高的信道带宽。超宽带技术使用了瞬间高速脉冲，可支持100--400Mb/s的数据率，可用于小范围内高速传送图像或DVD质量的多媒体视频文件。579.3无线城域网WMAN(WirelessMetropolitanAreaNetwork)2002年4月通过了IEEE802.16无线城域网的标准。欧洲的ETSI也制订类似的无线城域网标准HiperMAN。WMAN可提供“最后一英里”的宽带无线接入（固定的、移动的和便携的）。在许多情况下，无线城域网可用来代替现有的有线宽带接入，因此它有时又称为无线本地环路。58802.11和802.16为什么不能直接用802.11？802.16针对建筑提供无线服务建筑不需要移动802.16更关注通信质量例如，802.16可以使用全双工通信802.16每个单元的用户数量较多59WiMAXWorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccessWiMAX常用来表示无线城域网WMAN，这与Wi-Fi常用来表示无线局域网WLAN相似IEEE的802.16工作组是无线城域网标准的制订者，而WiMAX论坛则是802.16技术的推动者两个正式标准802.16d（它的正式名字是802.16-2004），是固定宽带无线接入空中接口标准（2~66GHz频段）。802.16e，是802.16的增强版本，是支持移动性的宽带无线接入空中接口标准（2~6GHz频段），它向下兼容802.16

60802.16无线城域网服务范围ISP802.11WLAN802.11热点802.11WLAN802.16802.16802.16基站802.16因特网802.16基站802.16802.16电信网61覆盖范围几种无线网络的比较1Gb/s100Mb/s10Mb/s1Mb/s100kb/s10kb/s用户数据率PANLANMANWAN802.15.4ZigBee802.15.1蓝牙802.15.3超宽带802.11g,a802.11b802.162G移动通信3G移动通信4G移动通信Wi-FiWiMAX62WLAN组网从WLAN的组网方式可以看到，WLAN的组成除了包括主机系统之外，还需要以下基本设备，即：无线网卡接入点AP无线传输介质。63无线网卡WLAN网卡的作用与有线网卡一样，WLAN主机通过WLAN网卡发送和接收无线信号。无线网卡主要包括NIC单元、扩频通信机和天线3个功能模块。NIC单元完成数据链路层功能，如建立主机与物理层之间的连接、载波侦听。扩频通信机实现无线电信号的接收与发射，同时负责无线信号的差错判断与处理。64无线接入点（AP）AP是位于无线局域网拓扑中心位置的无线基站设备。AP的功能是实现无线客户端之间以及无线局域网和有线局域网之间的互联AP有两类通信端口：符合IEEE802.3标准的有线以太网端口符合IEEE802.11标准的WLAN端口802.11b：无线传输速率最高为11Mb/s802.11g：无线传输速率最高为54Mb/s802.11n：无线传输速率最高约为300Mb/s65AP的基本配置天线：802.11b/g标准的AP往往只有1根天线，而802.11n标准的AP则具有2根以上的天线。有线网络接口：包括局域网端口和广域网端口局域网接口类型一般都是以太网接口广域网接口类型根据所连网络不同而有所不同Phone/ISDN接口：用于通过电话线连网以太网接口：用于通过园区局域网或ADSL