第一部分 无线网络结构

主要内容：第2章无线网络逻辑结构2.1OSI网络模型2.2网络层技术2.3数据链路层技术2.4物理层技术2.5操作系统的注意事项2.6本章小结2.1OSI网络模型开放式系统互联(OSI)模型是由国际标准化组织制定的，用于为开发计算设备互联的标准提供指导。OSI模型是一个用于开发这些标准的框架，其自身并不是一个标准。网络的任务是非常复杂的，并不是仅仅一个标准就能处理的。OSI模型将设备与设备之间的连接，或者更恰当地说是应用与应用间的连接用具有逻辑相关的七“层”进行分层描述。OSI七层模型层描述标准和协议数据单元第一层物理层控制在某一特定媒体上的数据流传输的标准，包括编码和调制方法、电压、信号持续时间和频率。Ethernet,Bluetooth,Wi-Fi,WiMAX比特第二层数据链路层指定设备访问和共享传输媒体方式[即媒体访问控制（MediaAccessControl，MAC）]并确保物理连接可靠性[即逻辑链路控制（LogicalLinkControl，LLC）]的标准Ethernet:IEEE802.3Wi-Fi:IEEE802.11Bluetooth(802.15.1)帧第三层网络层定义网络连接管理的标准，包括网络中节点间的路由、中转及终止连接IPv4，IPv6，ARP报文第四层传输层确保数据传输可靠完成的标准，包括错误恢复、数据流控制等，确认所有数据包都已到达。TCP，UDPTPDU（传送协议数据单元）七层结构层描述标准和协议数据单元第五层会话层管理发送和接收计算机的表示层间通信的标准，该通信由建立、管理和终止“会话”实现。ASAP，SMBSPDU（会晤协议数据单元）第六层表示层控制数据从一种表示格式到另一种表示格式转换的标准SSLPPDU（表示协议数据单元）第七层应用层定义各种应用服务的标准，例如检查资源可用性、认证用户等HTTP，FTP，SNMP，POP3，SMTPAPDU（应用协议数据单元）发送者撰写电子邮件接收者阅读电子邮件邮件消息准备好后通过电子邮件应用程序发送第7层应用层电子邮件应用程序接收邮件消息并被接收者阅读消息被分解为表示元素和会话元素，并被添加表示层和会话层控制报头第6层表示层第5层会话层去除会话层和表示层的报头，将消息整合为接收电子邮件的应用程序的特定格式消息被分解为包，并被添加传输层控制报头第4层传输层接收数据包，对数据包重新排序，数据整合为第5层的消息数据包＋网络地址＋第3层报头形成数据帧第3层网络层去除帧头部，将帧的有效载荷部分整合为数据包加密数据帧，添加帧控制报头，网络地址转换为MAC地址第2层数据链路层将比特流组成帧、解密并检查目的地的MAC地址接入获得物理媒体，对比特流进行编码并将其调制为物理层信号然后传输第1层物理层接收的信号被不断地解调和解码，然后将比特流传送到数据链路层实际的OSI模型：一个电子邮件例子2.2网络层技术2.2.1IP寻址2.2.2私有IP地址2.2.3IPv62.2.4地址解析协议2.2.5路由2.2.6网络地址转换2.2.7端口地址转换2.2.1IP寻址32位的IP地址通常由四个介于0到255之间的用点号分隔的十进制数表示，例如0。其扩展的完整二进制格式为11001000.01100100.00110010.00001010。IP地址不仅可以标识计算机或者其他网络设备，还可以唯一标识该设备连接的网络。IP地址分为主机ID和网络ID两部分。网络ID很重要，因为它使传送数据包的设备知道在将该数据包送达到目的地的路径中第一个需要调用的端口。发送设备IP地址：子网掩码：网络ID：0400011001000.01100100.00110010.0000101011111111.11111111.11111111.11110000＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿11001000.01100100.00110010.00000000本地IP地址IP地址：子网掩码：网络ID：4400011001000.01100100.00110010.0000111011111111.11111111.11111111.11110000__________________________________11001000.01100100.00110010.00000000远端IP地址IP地址：子网掩码：网络ID：8401611001000.01100100.00110010.0001001011111111.11111111.11111111.11110000__________________________________11001000.01100100.00110010.00010000表2.2本地和远端IP地址2.2.2私有IP地址1996年2月，网络工作组要求对RFC1918进行行业说明，提议了三组所谓的私有IP地址用于无须接入Internet的网络。这些私有IP地址作为保留的IP地址空间，使一些不同的组织团体可以在他们的私有网络中使用这些相同的IP地址。在这种情况下，一台计算机只要不需要通过Internet进行通信，就不需要拥有一个世界上独一无二的IP地址。类别私有IP地址范围的起点私有IP地址范围的终点A55B55C55表2.3私有IP地址范围随后，国际因特网地址分配委员会(InternetAssignedNumbersAuthority,IANA)将至55地址段保留为自动专用IP地址(AutomaticPrivateIPAddress,APIPA）。如果一台计算机将其TCP/IP设置为自动从DHCP服务器获取IP地址，但是却不能找到DHCP服务器时，系统就会自动从这个地址段选定一个私有IP地址，从而使计算机可以在私有网络中进行通信。2.2.3IPv6在32位的情况下，总共有2­­32即42.9亿个IP地址是可用的。现在业界正致力于IPv6(InternetProtocolVersion6)。截止到2020年世界总人口将达到100亿，平均每人使用远远不止一台计算机，基于上面的预测，IPv6给出了128位的IP地址。IPv6具有3.41038个可用的IP地址——这意味着100亿人口每人可以有3.41027个IP地址，或者说平均地球表面每平方米有6.61023个IP地址，这为未来的发展提供了足够的空间。2.2.4地址解析协议正如上面所提到的，每个物理层的数据传输都是寻址接收设备网卡的MAC（第2层）地址，而不是其IP（第3层）地址。为了对数据包寻址，发送设备首先要找到与目的端的IP地址相对应的MAC地址，然后用该MAC地址标记数据包。这个工作是由地址解析协议(AddressResolutionProtocol,ARP)完成的。发送设备将请求某个IP地址所对应的MAC地址的消息广播到网络上，目的端设备的TCP/IP软件回复所请求的地址信息，则数据包可被寻址，接着将其传送到发送端的数据链路层。在实际中，发送设备保留有与其最近通信的设备的MAC地址，所以不需要每次都广播请求消息。当需要查找MAC地址时，先在ARP列表或者缓存中查找，如果目的端的IP地址不在其中，才广播请求消息。在很多情况下，计算机是将数据包发送到默认网关，默认网关的MAC地址可以在ARP列表中找到。2.2.5路由路由是一种使数据包能够找到到达目的地路径的机制，不管目的地就是隔壁房间里的设备还是在地球的另一端。路由器将其接收到的每个数据包的目的地址与其存储空间里的地址表即路由表进行比较。如果发现有相匹配的，则将数据包发送到表中的相应栏标识的地址处，该地址可能是另一个网络的地址，也可能是“下一跳”的路由地址，数据包沿着这个路径到达最终的目的地。如果路由器没有发现相匹配的地址，将再次遍历路由表，并只查看地址的网络ID部分（用前面提到的子网掩码进行提取）。如果发现有相匹配的，数据包就被发送到相应的地址。如果没有匹配，路由器将寻找一个默认的下一跳的地址，并将数据包发送到那里。作为最后的手段，如果没有设置默认的地址，路由器将向发送IP地址返回“主机不可达”或者“网络不可达”的消息。当收到这样的消息时，通常意味着线路中的某一个路由发生了故障。当出现上述故障时，发送端将生存时间(Time-To-Live,TTL)字段初始化为某一特定值，通常是64，每当数据包经过一个路由器，该值都会减1。当TTL减至0时，该数据包将会被丢弃，同时，通过因特网控制消息协议(InternetControlMessageProtocol,ICMP)向发送端报告“超时”消息。路由器工作的智能部分是建立路由表。简单的网络可以通过一个起始文件设置静态路由表，但是更一般的是，路由器通过发送和接收广播消息建立动态路由表。这些消息可以是ICMP路由请求和路由广告消息，它们可以使相邻的路由器询问“谁在那里？”并回应“我在这儿”，或者使用更有效的路由信息协议(RouterInformationProtocol,RIP)消息，在此消息中，路由器周期性地向网络广播完整的路由表。其他的RIP和ICMP消息允许路由器寻找达到某个地址的最近的路径，并在其他的路由器发现无效路由的情况下更新路由表，而且根据网络的可用性和流量情况定时更新路由表。2.2.6网络地址转换当一台计算机发送数据包到一个私有网络之外的IP地址时，连接私有网络和Internet的网关会将私有IP源地址（，见表2.4）替换为一个公众IP地址（例如）。接收服务器和Internet路由器会将其识别为一个有效的目的地地址并正确地对数据包进行路由。当发送端的网关接收到返回的数据包时，用发送端计算机的初始私有IP地址来替换数据包的目的地地址。这个在私有网络的Internet网关处完成的将私有IP地址转换为公共IP地址的过程称为网络地址转换。私有IP地址公众IP地址表2.4一个简单的静态NAT表实际中，与路由相似，NAT也可以是静态的或动态的。在静态NAT中，私有网络中的每台需要访问Internet的计算机都分配一个在指定NAT表中的公众IP地址。在动态NAT中，提供一个公众IP地址池，根据需要将其映射给私有地址。2.2.7端口地址转换如果私有网络的网关只有一个可以分配的公众IP地址，或者在私有网络中需要上网的计算机数目多于可以分配给网关的公共IP地址数，就会出现问题。这种情况通常是一个小团体只有一个连到ISP的Internet连接。这时，似乎私有网络中同时只能有一台计算机可以连到Internet中。端口地址转换(PortAddressTranslation,PAT)可以解决这一局限，PAT可以将私有IP地址映射到单个公众IP地址的不同端口。网关内部IP外部IP内部IP地址外部IP地址PAT表图2.2实际中的地址转换私有IP地址公众IP地址：端口78:200178:200278:200378:2004表2.5一个简单的PAT表例子2.3数据链路层技术2.3.1逻辑链路控制2.3.2媒体访问控制2.3.3有线网络的媒体访问控制2.3.4无线网络的媒体访问控制2.3.1逻辑链路控制OSI网络层逻辑链路控制层（LLC）媒体访问控制层（MAC）图2.4LLC的逻辑定位和MAC服务接入点由LLC产生的并传输到MAC层的帧称为LLC协议数据单元(LLCProtocolDataUnit,LPDU)，LLC层管理源设备和目的设备的链路层服务接入点间的LLC协议数据单元的传输。链路层服务接入点(ServiceAccessPoint,SAP)是一个指向网络层协议的端口或者逻辑连接点，如图2.4所示。在一个支持多种网络层协议的网络中，每个协议有特定的源SAP(SourceSAP,SSAP)和目的SAP(DestinationSAP,DSAP)端口。LPDU包括8位的DSAP和SSAP地址以确保LPDU被正确的网络层协议传送。LLC层定义了无连接的和面向连接的通信服务。在面向连接的通信服务中，接收端的LLC层会追踪接收到的LPDU。如果某个LPDU在传送中丢失或者未被正确接收，目的地的LLC会请求源从上一次接收到的LPDU开始重新传输。LLC将LPDU通过逻辑连接点向下传输至MAC层，该逻辑连接点被称为MAC服务接入点(MACServiceAccessPoint,MACSAP)，而LPDU被称为MAC服务数据单元(MACServiceDataUnit,MSDU)并成为MAC层的数据载荷。2.3.2媒体访问控制数据链路层的第二个子层控制设备允许访问物理层传输数据的方式和时间，这就是媒体访问控制或者MAC层。接收设备需要能够识别这些在网络媒体中传输的数据包，这是通过MAC地址实现的。每个网络适配器，无论是以太网、无线网还是其他网络技术的适配器，在制造时都被分配了一个独一无二的称为MAC地址的序列号。以太网地址是MAC地址最一般的形式，包含有六个字节，通常用16进制表示，例如00-D0-59-FE-CD-38。前面三个字节是制造商的编号（上例中的00-D0-59代表Intel），剩余三个字节是该适配器独一无二的序列号。一台装有Windows95,98或Me的PC的网络适配器的MAC地址可以通过点击“开始”，“运行”，并输入“winipcfg”然后选择适配器获得。在WindowsNT,2000和XP系统中可以打开一个DOS窗口（点击“开始”、“程序”、“附件”、“命令提示符”）然后输入“ipconfig/all”查到MAC地址。IEEE802.11的MAC帧即MAC协议数据单元(MPDU)的完整结构如图2.5所示，MPDU的元素如表2.6所示。帧控制持续时间／ＩＤ地址１地址２地址３序列控制地址４数据域CRC帧校验和长度（字节）２２６６６２６０～２３１２４协议版本帧类型帧子类型发往DS来自DS更多分段重传电源管理更多数据ＷＥＰ次序２２４１１１１１１１１长度（字节）管理，控制，数据关联请求／响应信标RTS，ＣＴＳ，ＡＣＫ等图2.5MAC层的帧结构MPDU元素描述帧控制表示协议版本(802.11a/b/g)、帧类型（管理、控制、数据）、子帧类型（如探测请求、认证、关联请求等）、分段、重试、加密等的标记序列持续时间传输的期望持续时间。等待站点用来估计何时媒体会再度空闲地址1到地址4目的地地址、源地址以及在分布式系统中可选择的发往地址和来自地址序列标识帧的分段和副本的序号数据域作为MSDU向下传输的数据有效载荷帧校验序列能够检测传输错误的CRC-32循环校验表2.6802.11MPDU的帧结构元素2.3.3有线网络的媒体访问控制载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)其他的有线网络MAC方法

载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)在以太网的MAC层中，用于控制设备传输的最常用方法是载波监听多路访问/冲突检测(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection,CSMA/CD)，如图2.6所示。当设备采用这种控制方法传输数据帧到网络时，首先检查物理媒体（载波侦听）以确定是否有其他设备正在传输。如果检测到其他正在传输的设备，就等待直到其传输结束。一旦载波空闲，则开始传输数据，同时继续监听其他传输。设备A设备B尝试发送设备C尝试发送数据分组媒体忙媒体忙媒体忙数据分组数据分组媒体空闲媒体空闲媒体空闲冲突冲突时隙图2.6以太网CSMA/CD时序如果设备监听到有其他设备同时也在传输（冲突检测），则停止传输并发送一个短的拥塞信号以告诉其他设备冲突产生。于是每个想要发送的设备都计算一个随机退避时间，该退避时间介于0到tmax之间，当退避时间结束后再次尝试传输。那个恰巧等待了最短时间的设备将会被准许访问媒体，而其余设备将监听该传输并回到载波监听模式。媒体工作繁忙会导致设备不断地遭遇冲突。当冲突发生时，tmax会在每次新的尝试时加倍，直到10次加倍，如果在16次尝试后发送仍然是失败的，设备将报告“过多冲突错误”。

其他的有线网络MAC方法另外一种由IEEE802.5标准定义的有线网络的媒体访问控制的常见形式，是在网络设备之间按照预先定义好的顺序传递一个电子“令牌”。这个令牌与接力比赛中的接力棒类似，只有拿到了令牌的设备才可以进行发送。当设备不需要通过媒体发送数据时，立刻将令牌按顺序传给下一个设备。设备只能在一段特定的时间内拥有令牌并发送数据，然后必须按顺序将令牌传给下一个设备。2.3.4无线网络的媒体访问控制只有物理层的收发机允许设备在发送期间同时监听媒体，CSMA/CD的冲突检测才可实现。这在有线网络中是可行的，因为冲突产生的无效电压可以被检测到。但是对于无线电收发机来说是不可行的，因为在相同的时间里发射的信号会使接收过载。在无线网络中，如IEEE802.11，冲突检测是不实现的，这时要用到CSMA/CD的一种变形即CSMA/CA，其中的CA(CollisionAvoidance)代表冲突避免。除了发送设备不能检测冲突外，CSMA/CA与CSMA/CD有一些相似点。设备在发送前监听媒体，如果媒体忙则等待。发送帧的持续时间字段（参见表2.6）使等待设备可以预测媒体忙的时间。一旦媒体被监听到是空闲的，等待设备则计算一个称为竞争周期的随机时间周期，并在竞争周期结束后尝试发送。这与CSMA/CD中的退避是类似的，不同的是，CSMA/CA中发送站等待其他站发送帧的结束来避免设备间的冲突，而不是检测到冲突后再恢复。2.4物理层技术2.4.1有线网络物理层技术2.4.2无线网络的物理层技术2.4.1有线网络物理层技术以太网(IEEE802.3)ISDN火线接口通用串行总线以太网(IEEE802.3)以太网是首先由Xerox公司开发的，并由IEEE802.3标准定义的数据链路层LAN技术。以太网使用前面讲到的载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)作为媒体访问控制方法。以太网的类型一般都表示成“ABase-B”网络，其中的“A”代表以Mbps为单位的速率，“B”表示使用的物理媒体类型。10Base-T是标准的以太网，速率是10Mbps，使用非屏蔽双绞线(UnshieldedTwisted-pairCopperWire,UTP)，设备与最近的集线器或者中继器的最大距离是500m。光纤分布式数据接口FDDI(FiberDistributedDataInterface)是一种采用令牌传递访问控制协议、环形拓扑结构和光纤介质的100Mb/s高速局域网。MAC层定义了类似于TokenRing的介质访问控制协议。其中，包括帧格式、介质访问、定时循环令牌协议、异步/同步访问以及环监测等内容。·PA：帧前导码，用于和节点的局部时钟保持同步。

·SD：帧起始定界符，用于标志帧有效信息的开始。

·FC：帧控制，由8位组成，其格式为CLFFZZZZ，用于指明帧类型有关特征。其中，C指示数据帧是同步帧还是异步帧；L指示地址字段使用的是16位地址还是48位地址；FF定义了四种帧类型：令牌帧、数据帧、MAC帧和站管理帧；ZZZZ则根据不同帧类型来取值，如令牌帧取值为0，而其它类型的帧则用来定义子帧类型。

·DA、SA：目的地址、源地址。它们的长度取决于FC的值，可以是16位或48位。SA只能是单地址；DA可以是单地址、多播地址或广播地址(全“1”地址)。

·INFO：要传送的LLC层数据，最大数据长度为4500个字节(基本FDDI)或者8600个字节(增强FDDI)。

·FCS：帧校验序列，采用32位循环冗余校验码(CRC)。

·ED：帧结束定界符，令牌帧是8位，其它帧是4位。

·FS：帧状态，用于指示检错、识别地址以及帧复制等状态。FDDI物理层由两个物理子层组成：物理介质相关PMD(PhysicalMediumDependent)子层

PMD子层定义了所使用的传输介质以及连接设备的技术特性。

物理协议PHY(PhysicalLayer)子层。

PHY定义了如下功能：信号的编码与译码、符号定义、时钟机制、弹性缓冲器、可靠性规范等。

什么是4B/5B编码？4B/5B编码是百兆以太网中线路层编码类型之一，就是用5bit的二进制数来表示4bit二进制数为什么要进行4B/5B编码？在通信网络中，接收端需要从接收数据中恢复时钟信息来保证同步，这就需要线路中所传输的二进制码流有足够多的跳变，即不能有过多连续的高电平或低电平，否则无法提取时钟信息。Manchester编码可以保证线路中码流有充分的跳变，因为它是用电平从“-1”到“+1”的跳变来表示“1”，用电平从“+1”到“-1”的跳变来表示“0”，但是这种编码方式的效率太低，只有50%，相当于用线路的有效带宽来换取信号的跳变，十兆以太网就是使用Manchester编码，虽然线路的有效带宽只有10Mbps，但实际带宽却是20Mbps。百兆以太网用的4B/5B编码与MLT-3编码组合方式，发送码流先进行4B/5B编码，再进行MLT-3编码，最后再上线路传输；千兆以太网用的是8B/10B编码与NRZ编码组合方式；万兆以太网用的是64B/66B编码4B/5B是该编码方案的第一步（参见图2.7）。每半字节4位输入数据都被加上第5位以确保在传输的比特流中有足够的转换空间，使接收机用来同步从而实现可靠解码。第二步中一个11位的反馈移位寄存器(FeedbackShiftRegister,FSR)产生一个重复的伪随机序列，与4B/5B的输出数据流进行异或运算。该伪随机序列的作用是使最终要发送的数据信号的高频谐波最小。在接收端，相同的伪随机序列通过第二次异或运算恢复出输入数据。最后一步是使用MLT-3(Multi-LevelTranslation3)编码方法对发送波形进行整形，将信号的中心频率从125MHz降低至31.25MHz。输入比特流4B/5B编码4位半字节4位半字节5位符号5位符号FSR反馈移位寄存器MLT-3码输出图2.7100Base-T以太网数据编码方案MLT-3基于重复的1,0,-1,0模式。如图2.8所示，当输入比特为1时输出依1,0,-1,0模式顺序发生转换（图2.8中是下降沿触发）；输入比特为0则不进行转换，即输出保持不变。与10Base-T中使用的曼彻斯特相位编码(ManchesterPhaseEncoding,MPE)方案进行比较，输出信号峰值频率仅为31.25MHz而不是125MHz，即输出信号的速率缩减了4倍。在物理UTP媒体上，1,0和-1分别用+0.85V,0.0V和-0.85V的线性电压来表示。输入比特流MPE编码比特流MLT-3编码比特流图2.8以太网MPE和快速以太网的MLT-3编码ISDN综合业务数字网(IntegratedServicesDigitalNetwork,ISDN)，允许声音和数据在一对电话线上同时传输。早期的模拟电话网络效率不高，而且通过媒体长距离传输数据通信容易出错。从1960年开始已经逐步地被基于分组的数字交换系统替代。标准中定义了两种基本的ISDN业务：基本速率接口(BasicRateInterface,BRI)和基群速率接口(PrimaryRateInterface,PRI)。ISDN的语音和用户数据在“承载”信道B上传输，一般占据64kbps的带宽，控制数据在“请求”信道D上传输，根据业务类型占据16kbps或64kbps的带宽。输入比特流输入“二位二进制”比特流2B1Q线路电压图2.9ISDN的2B1Q的线路编码输入“二位二进制”输出“四进制”线路电压10+3+2.511+1+0.83300-1-0.83301-3-2.5表2.7ISDN的2B1Q的线路编码火线接口火线接口也称为IEEE1394口或i.Link口，是在20世纪90年代中期由Apple公司发布的一种局域网技术，当时可以提供100Mbps的数据速率，远高于通用串行总线(USB)的12Mbps，该技术很快就被很多公司用于连接存储器和光驱。由于可以在一根长达4.5m的电缆上可靠、廉价、高速地传输数字视频数据，火线接口现在已经被很多电子和计算机公司接纳为IEEE1394标准。其标准数据速率是400Mbps，但是更高速的版本已经可以传输800Mbps，而且正计划高达3.2Gbps的速率。利用16路菊花链式的信号中继器，传送范围可以扩展到72m。现在还出现了用光纤代替铜线电缆的连接光纤收发器的火线接口，其传送范围可以扩展到40km。火线接口常用的拓扑结构如图2.10所示。数字视频摄像机数字视频录像机计算机A火线分离器火线中继器计算机B火线桥打印机1打印机2图2.10火线接口网络拓扑：菊花链和树状结构通用串行总线通用串行总线(USB)是20世纪90年代中期出现的，通过提供一个热插拔的“即插即用”接口来取代操纵杆、扫描仪、键盘和打印机等设备的不同类型的外设接口［并口、串口、PS/2、MIDI（MusicalInstrumentDigitalInterface，乐器数字接口）等］。USB1.0的最大传输速率是12Mbps，与火线接口相匹配的USB2.0，传输速率已经达到480Mbps。USB使用主机为中心的结构，由一个主机控制器来处理设备的识别和配置，设备可以直接与主机相连也可以与中间集线器相连，如图2.11所示。USB规范在同一个连接中同时支持同步和异步传输类型。同步传输用在需要保证带宽和低时延的应用中，比如电话及流媒体传输。异步传输允许延时并且可以等待可用带宽。USB控制协议专门设计为具有较低的协议管理开销，从而得到较高的可用带宽的使用效率。设备设备设备设备设备设备设备设备设备设备设备设备设备根Hub第一层第二层第三层图2.11USB网络拓扑：菊花链和树状结构USB使用差分不归零制(NonReturntoZeroInverted,NRZI)作为数据编码方案。在NRZI编码方案中，1表示输出电压不变，0表示输出电压变化，如图2.12所示。因此一连串0会使NRZI编码输出在每个比特周期发生状态翻转，而一连串的1使输出无变化。数据比特非归零（NRZ）非归零反相（NRZI）比特周期图2.12USBNRZI数据编码方案2.4.2无线网络的物理层技术从蓝牙到ZigBee，每种无线物理层技术都可以通过一些主要的技术要点进行描述，如表2.8所示。技术要点问题和注意事项频谱使用电磁波频谱的哪一部分？可用带宽是多大？信道如何分段？用什么样的机制来控制使用的带宽以确保与同一频段的其他用户共存？传播管理机构允许在频段中使用的功率等级是多少？采用什么机制来控制发送功率和传播方式使其对共存信道中其他用户的干扰最小、有效范围最大或者利用空间分集来增加吞吐量？调制怎样把编码后的数据承载到物理媒体上？比如是采用单载波或多载波相位调制还是幅度调制？是采用脉冲幅度调制还是脉冲位置调制？数据编码怎样把数据帧的原始比特编码为符号进行传输？这些编码机制有什么功能？比如是可以提高抗噪声性能还是可以提高可用带宽的有效利用率？媒体接入怎样接入受控的传输媒体使数据传输的可用带宽最大并解决用户间的竞争？可以用什么机制来区分不同业务需求的用户媒体接入？表2.8物理层和数据链路层的无线技术概况2.5操作系统的注意事项为了支持网络，操作系统至少需要支持如TCP/IP等网络协议及网络设备的驱动。早期的PC操作系统，包括Windows95之前的Windows版本，都是不支持网络的。然而随着Internet和其他网络技术的发展，现在所有的操作系统都满足网络操作系统(NetworkOperatingSystem,NOS)的要求。个人网络操作系统还具有其他的网络特征，比如防火墙、简化的设置、诊断工具、远程访问、与运行其他操作系统的网络相互连接以及为组用户加强通用设置等网络管理任务。2.6本章小结OSI网络模型提供了一个可以描述所有网络类型的逻辑操作的概念性框架。从手机和耳机间的无线PAN连接，到全球性的Internet。区分不同网络技术特别是有线或无线的主要特征是在数据链路层（LLC和MAC）和物理层(PHY)定义的。这些特征揭示了不同技术的不同之处，正是这些技术将无线网络带入了人们的日常生活。在第三部分到第五部分将详细描述。第3章无线网络物理结构3.1有线网络拓扑结构的回顾3.2无线网络拓扑结构3.3WLAN设备3.4WPAN设备3.5WMAN设备3.6第一部分总结3.1有线网络拓扑结构的回顾图3.1点到点、总线形和环形拓扑结构总线和环形拓扑都易于受到单点错误的影响，单个连接故障会使总线形网络的部分节点与网络隔断，或者使环形网络的所有通信中断。图3.2星形和树形拓扑结构图3.3实际星形网络中的无源集线器第一台PC第二台PC打印机无源集线器扫描仪图3.4实际星形网络中的交换式集线器交换式集线器第一台PC第二台PC打印机扫描仪3.2无线网络拓扑结构3.2.1点到点连接3.2.2无线网络的星形拓扑结构3.2.3无线网状网络3.2.1点到点连接与有线网络相比，图3.1所示的简单点到点连接在无线网络中更为常见，在很多无线情况都会见到，例如，端到端(P2P,Peer-to-Peer)或者ad-hocWi-Fi连接无线MAN回程装置LAN无线网桥蓝牙IrDA3.2.2无线网络的星形拓扑结构无线网络星形拓扑的中心节点，可以是WiMAX基站、Wi-Fi接入点、蓝牙主设备或者ZigBeePAN协调器，如图3.5所示，其作用类似于有线网络中的集线器。图3.5无线网络的星形拓扑结构无线媒体本质上的不同意味着，交换式和非交换式集线器的差别对无线网络中的控制节点来说并没有太大影响，因为并没有相应的无线媒体能够替代连接到每个设备的单独缆线。无线LAN交换机或控制器是一种有线网络设备，用来将数据交换到接入点(AccessPoint,AP)，接入点负责为每个数据包寻址目的站，如图3.6所示接入点交换机图3.6使用无线接入点交换的树形拓扑结构扇区天线交换式集线器图3.7可交换星形无线MAN拓扑结构3.2.3无线网状网络无线网状网络，也称为移动adhoc网络(MANET)，是局域网或者城域网的一种，网络中的节点是移动的，而且可以直接与相邻节点通信而不需要中心控制设备。由于节点可以进入或离开网络，因此无线网状网络的拓扑结构不断变化，如图3.8所示。数据包从一个节点到另一个节点直至目的地的过程称为“跳”。Internet存在点接入点网状路由器网状设备有线连接网络连接点到点连接设备与网络的连接图3.8无线网状网络拓扑结构除了有效收集和更新路由信息外，无线网状网络还面临其他的技术挑战：无线链路的可靠性——数据包的错误率在集线器的一跳内还可容忍，但星形网络配置会将其迅速扩展到多跳上，从而限制了网状网络能够扩大和保持有效性的规模。无缝漫游——大多数无线网络都不要求移动节点的无缝连接和再连接，但是IEEE802.11工作组TGr和TGs却对此提出了要求。安全性——如何在一个没有稳定的基础架构的网络中执行用户认证？3.3WLAN设备3.3.1无线网卡3.3.2接入点3.3.3无线LAN交换机或控制器3.3.4WLAN阵列3.3.5其他WLAN硬件3.3.6WLAN天线3.3.1无线网卡装有无线网络接口卡（NetworkInterfaceCard,NIC，简称网卡）的PDA、笔记本电脑或台式电脑可作为无线站点，可以与对等网中的其他站点或者接入点进行通信。图3.9各种各样的无线NIC［Belkin公司和D-link（欧洲）公司以及linksys（Cisco子公司）提供］3.3.2接入点接入点(AP)是无线局域网(WLAN)的中心设备，可以是集线器，用来与网络中的其他站点进行无线通信。接入点通常也与有线网络相连，作为有线和无线设备之间的网桥。图3.10第一代无线接入点［Belkin公司和D-link（欧洲）公司以及linksys（Cisco子公司）提供］第一代接入点被称为“胖”接入点，在每个单元内提供了全范围的处理和控制功能，包括：安全特性，比如认证和加密支持基于列表或者过滤器的访问控制简单网络管理协议(SimpleNetworkManagementProtocol,SNMP)配置能力特性描述Internet网关支持许多功能，如路由、网络地址转换、为客户站提供动态IP地址的动态主机分配协议(DynamicHostConfigurationProtocol,DHCP)服务器、虚拟专用网(VirtualPrivateNetwork,VPN)等交换式集线器可以包含多个有线以太网端口，为一些以太网设备提供交换式集线器功能无线网桥或中继器接入点可以作为中继站来扩展另一个接入点的工作范围，或者作为两个网络之间的点对点的无线网桥网络存储服务器接有外部存储器的Internet硬盘驱动器或端口，为无线站点提供集中的文件存储或备份表3.1接入点可选功能3.3.3无线LAN交换机或控制器在大规模无线网络中，例如拥有几十甚至几百个接入点的集团环境中，需要对每个接入点单独配置，这就使WLAN的管理非常复杂。WLAN交换机简化了大型WLAN的配置和管理。WLAN交换机（也称为WLAN控制器或接入路由器）是一种网络基础设备，该设备设计用来代表依赖型或者“瘦”接入点执行各种功能，图3.11所示。接入点交换机接入点图3.11采用无线交换机的WLAN拓扑结构优点描述低成本“瘦”接入点经过优化，只高效地完成无线通信功能，降低了最初的硬件成本以及未来的维护和升级成本简化的接入点管理接入点配置，包括安全功能都采用集中式，简化了网络管理任务改善漫游性能比传统接入点的漫游切换速度要快得多，改善了语音服务性能简化网络升级集中式的命令和控制能力使得为适应WLAN标准而对网络进行的升级变得更加简单，因为升级只需在交换层次上进行，而不是在每个接入点上表3.2“瘦”接入点的优点瘦AP解决方案优势1.集中控制与管理2.即插即用的网络部署3.网络自愈功能4.无线接入的负载均衡5.安全性6.QoS7.流量分离特性描述布局规划自动站点测量工具，允许导入组网规划和结构特点，用来确定最佳接入点位置RF管理分析收到的来自所有接入点的管理帧，调整一个或多个接入点的发射功率或信道设置来诊断并自动纠正与RF信号相关的问题自动配置无线交换机通过为每个接入点确定最佳的RF信道和发射功率设置实现自动配置负载平衡通过多个接入点的用户间的自动负载平衡来最大化网络容量基于策略的接入控制接入策略可以基于接入点分组和客户端列表，指定哪些接入点或组或特殊的客户站点允许接入指令检测通过连续扫描或者预定的站点勘探，检测和定位恶意接入点、未认证的用户或adhoc网络表3.3无线LAN交换机特性IETF规范描述了LWAPP协议的如下目标：减少接入点执行的协议代码数量从而可以有效地利用接入点的计算能力，是通过将接入点的计算能力用在无线通信而不是桥接、转发或者其他功能上实现的。采用集中式网络计算能力执行WLAN的桥接、转发、认证、加密和策略执行功能。提供一个在集线器设备和接入点之间传输帧的通用封装和传输机制，保证多厂商产品的通用性并使得LWAPP可以应用于未来的其他访问协议中。LWAPP功能描述接入点设备的发现及信息交换接入点发送“发现请求”帧，所有接收到的接入路由器响应“发现应答”帧。接入点选择一个响应的接入路由并通过交换“加入请求”和“加入应答”帧与其发生关联接入点验证、配置、规定和软件控制关联后，接入路由为接入点提供一些规定，包括服务设置标识符(ServiceSetIdentifier,SSID)、安全参数、工作信道和数据速率。接入路由器还可以配置MAC操作参数（例如帧的尝试发送次数）、发送功率、直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)或OFDM参数和接入点的天线配置。在规定和配置后，接入点就可以进行工作了数据和管理帧的封装、分段和格式LWAPP为接入点和接入路由间的传输封装数据和管理帧。如果封装的数据或管理帧超过了接入点和接入路由之间支持的最大传输单元(MaximumTransmissionUnit,MTU)，将对帧进行分段和重组接入点和关联设备间的通信控制与管理LWAPP使接入路由向其接入点请求统计报告，包括与接入点和其关联设备的通信有关的数据（例如重试次数和RTS/ACK失败次数）表3.4LWAPP功能3.3.4WLAN阵列单个接入点阵列包含一个WLAN控制器，同时有4、8或者16个接入点。这些接入点可能同时具有IEEE802.11a及IEEE802.11b/g无线接口。比较典型的例子是使用4个接入点进行IEEE802.11a/g覆盖，其相邻天线间隔为90o、扇区为180o，或者使用12个接入点进行IEEE802.11a覆盖，其相邻天线间隔为30o、扇区为60o，如图3.12所示。12扇区天线组合波束图谱每个天线波束宽度为60°相邻天线的偏置为30°4扇区天线组合波束图谱每个天线波束宽度为180°相邻天线的偏置为90°图3.1216扇区接入点阵列天线配置这种具有16个接入点、工作在IEEE802.11a/g网络的设备，每个接入点的最高数据速率为54Mbps，可提供总的WLAN传输能力为864Mbps。扇区天线提高了增益，也意味着接入点阵列的工作范围比采用全向天线的单个接入点的工作范围加倍或者增加很多。为了在更大的工作区域得到更高的传输能力，可以使用由两级WLAN控制器控制的多接入点阵列，将生成一个树状拓扑，如图3.13所示，该WLAN的总传输能力可达几个Gb。介入点交换机接入点阵列客户站接入点阵列覆盖区域；12×802.11g+4×802.11a信道图3.13使用接入点阵列的WLAN树状拓扑3.3.5其他WLAN硬件无线网桥无线打印服务器无线网桥许多制造商生产了能够提供点到点WLAN或者WMAN连接的无线桥接设备，这些设备具有适合户外使用的保护封装，如图3.14所示。图3.14户外无线网桥［D-Link（欧洲）公司及Linksys（Cisco子公司）提供］无线打印服务器无线打印服务器使家庭或者办公室内的一组用户之间可以灵活地共享打印机，而打印机不必宿主于某台计算机或连接到有线网络。图3.15无线打印服务器［Belkin公司、D-Link（欧洲）公司及Linksys（Cisco子公司）提供］3.3.6WLAN天线传统的固定增益天线智能天线传统的固定增益天线工作在2.4GHzISM频段（IndustrialScientificMedicalBand，工业、科学、医用频段）的IEEE802.11b及802.11g网络的天线有许多种覆盖类型。在特定应用场合下，选择天线的关键因素是天线增益（用dBi表示）和波束角（用度表示）。最常见的WLAN天线是全向天线。全向天线是所有的NIC以及大多数接入点的标准天线，其增益为0～7dBi，波束角垂直于天线轴方向，为全向360o。图3.16给出了一些WLAN天线的示例，其典型参数如表3.5所示。图3.16WLAN天线类型［D-Link（欧洲）公司提供］室外全向天线高增益八木天线室内定向平面天线室外全向天线天线类型子类型波束宽度(o)增益(dBi)全向天线3600～15贴片天线/平面天线15～708～20扇区天线1808～151209～20909～206010～17定向天线八木天线10～308～20抛物面反射天线5～2514～30

表3.52.4GHz无线LAN典型参数智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(DirectionofArrinal)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。智能天线可将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(DirectionofArrival)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同时，利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。实际上它使通信资源不再局限于时间域(TDMA)、频率域(FDMA)或码域(CDMA)而拓展到了空间域，属于空分多址(SDMA)体制。智能天线可以分为两种类型：交换波束天线和适应阵列。类型交换波束交换波束使用许多窄波束天线，每个指向一个微有不同的方向，以此覆盖整个120度扇区。当扇区内的移动用户移动时，系统内的智能天线从一个天线变换到另一个天线。自适应阵列自适应阵列使用一个阵列天线和成熟的数字信号处理来从一个位置到下一个位置转换天线束。波束转换天线波束转换天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，通过阵列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号，它从几个预定义的、固定波束中选择其一，检测信号强度，当移动台越过扇区时，从一个波束切换到另一个波束。在特定的方向上提高灵敏度，从而提高通信容量和质量。为保证波束转换天线共享同一信道的各移动用户只接收到发给自己的信号而不发生串话，要求基站天线阵产生多个波束来分别照射不同用户，特别地，在每个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。自适应天线阵融入自适应数字处理技术的智能天线是利用数字信号处理的算法去测量不同波束的信号强度，因而能动态地改变波束使天线的传输功率集中。应用空间处理技术(spatialprocessingtechnology)可以增强信号能力，使多个用户共同使用一个信道。智能天线使用上述传统天线类型的无线网络的数据吞吐量是有限的，因为在网络中同一时间只能有一个节点利用传输媒体传输数据包（其他的所谓多址接入技术将在4.3节中讨论）。智能天线允许多个节点同时传输数据，大大提高了网络的吞吐量，从而克服了这一限制。有两种类型的智能天线：交换波束与自适应阵列。交换波束天线由一组天线元构成，天线元预先定义成含有一个窄的主瓣和一些小旁瓣的波束图，如图3.17所示。波束之间的交换意味着在目标节点方向上选择了一个提供最佳增益的阵列元，或者是选择了一个对干扰源具有最小增益的阵列元。目标站方向发射机转换到波束6给目标站方向提供最大的增益图3.17六元交换波束阵列波束图交换波束天线最简单的形式是分集接收天线对，通常用在WLAN的接入点来降低室内环境中的多径效应。接收机检测出两个天线中哪个天线的信号更强，切换至该天线。自适应的波束或者波束成型天线由一个阵列内的两个或者多个天线元组成，由波束成型算法为每个天线元所发送的或接收的信号分配特定的增益和相位偏移，结果得到一个可调整的方向性图，该图可以用来将波束的主瓣引导到期望的最大增益方向上。图3.18给出了产生同相波束的两天线间的相移。在期望方向上的相干干涉两个天线信号之间的相位偏移图3.18产生同相波束的两天线间的相移自适应波束天线可以将波束图集中于某个特定的节点，也可以在干扰源的方向上放置“空”或者零增益点。由于每个阵列元的增益和相位偏移都在实时软件控制下，天线可以动态地调整波束图来补偿多径、其他干扰源及噪声的影响，如图3.19所示。元线阵列元累加放大器幅度相位控制自适应控制算法接收机图3.19自适应波束天线自适应波束阵列MIMO无线通信目标将传播集中在单个期望的空间方向上，以便能够允许多址接入，降低干扰或者增加传输范围利用多径传播增加数据容量，采用通过多个空间信道复用数据流的方式天线配置接收端及/或发射端有两个或者多个天线元，接收端和发射端天线独立配置一般是2×2或4×4（发射端×接收端），接收端及发射端通过数字信号处理算法连接空间分集接收端和发射端之间集中使用单个空间信道多个空间信道，利用多径传播数据复用对所有发射天线进行单个比特流编码数据流通过空间信道复用信号处理为每个天线进行简单的相位和增益调整使用复杂的处理技术来对通过多个空间信道的信号进行解码应用举例第三代WLAN接入点，见3.3.4节IEEE802.11n标准的物理层，见6.6.4节表3.6自适应波束阵列与MIMO无线通信的比较3.4WPAN设备3.4.1WPAN硬件设备3.4.2WPAN天线3.4.1WPAN硬件设备蓝牙设备ZigBee设备蓝牙设备蓝牙设备主要特性移动电话与蓝牙无线耳麦的交互；与PDA或者PC连接用以传输或者备份文件；与其他蓝牙设备交换合同（商务卡）、日历表、照片等PDA与PC连接用来传输或者备份文件；通过蓝牙接入点访问Internet；与其他蓝牙设备交换合同（商务卡）、日历表、照片等耳机