第4章无线局域网

计算机网络技术及应用

（第2版）第四章第4章无线局域网本章主要内容无线局域网概述；无线局域网MAC层；无线局域网工作过程；无线局域网数据传输过程。4.1无线局域网概述本讲主要内容无线局域网体系结构；无线电传输；无线局域网拓扑结构；无线局域网标准。一、无线局域网体系结构无线局域网的数据传输实际上由MAC子层实现，但用LLC子层给出数据类型；事实上，IEEE定义的局域网都用LLC子层给出数据类型，第3章的以太网帧格式是以太网标准，不是802.3标准。基于无线局域网的TCP/IP体系结构无线局域网表示数据类型的方式二、无线电传输通过电磁波在自由空间的传播实现无线电通信。相同频率的电磁波产生干扰。电磁波频段和发射功率严格控制。电磁波频谱带宽决定传输速率。高频段高带宽。紫外线以上的有伤害性。可见光有直线传播特性。微波段电磁波进行数据传输。二、无线电传输ISM频段开放公共通信；功率严格限制；容易受到干扰。二、无线电传输无线电传输的几个问题能量损耗，能量损耗与传播距离平方成正比；干扰，尤其是ISM频段；多径效应。二、无线电传输多径效应示意图ISM频段存在问题及应对方法传输速率取决于带宽和信噪比，用带宽弥补能量限制；通过扩频技术和纠错码解决干扰，这是用传输速率换取可靠性的技术；多径效应导致信号质量降低，必须根据信号质量调整传输速率。二、无线电传输三、无线局域网拓扑结构独立基本服务集（IBSS）扩展服务集（ESS）独立基本服务集由单个无线局域网组成，终端间直接通信；扩展基本服务集由分配系统互连的多个无线局域网组成，无线局域网通过AP接入分配系统；在设有AP的服务集，终端必须先和AP建立关联，终端之间通信经过AP。不同的只是物理层，MAC层相同；通过无线电通信，数字信号必须调制成模拟信号；物理层标准涉及载波频段，调制技术等。四、无线局域网标准各标准之间关系四、无线局域网标准物理层标准的主要区别电磁波频段；信号调制技术；容错技术（抗干扰技术）。802.11DSSS将2.4G频段（2.401～2.407）分成11个信道，每个信道22MHz带宽；显然，信道之间频率重叠，为了避免干扰，相邻通信区域必须使用没有频率重叠的信道；完全没有频率重叠的信道是信道号间隔5的信道，在11范围内，最多只有3个之间没有频率重叠的信道，分别是1、6和11，因此，它们是最常用的信道号；802.11DSSS在采用不同的调制技术下，传输速率分别是1Mbps或2Mbps；802.11b和802.11g是802.11DSSS的高速版。四、无线局域网标准802.11DSSS4.2无线局域网MAC层本讲主要内容MAC帧结构；差错控制和寻址过程；DCF和CSMA/CA。一、MAC帧结构无线局域网MAC帧可以和以太网MAC帧比较，主要区别在于控制字段，4个地址字段和顺序控制字段；无线局域网MAC帧分为控制。管理和数据三种类型，这与无线电通信方式有关；由于无线传输的不可靠性，需要在MAC层将由同一MAC帧封装的数据分片；各个字段的功能在以后的操作过程中详细讨论。二、差错控制和寻址过程无线电通信由于存在能量损耗、干扰和多径效应的影响，传输可靠性不高，另外由于存在隐蔽站问题，导致发送端无法检测到可能发生的冲突；无线传输媒体两端采用差错控制中的停止等待算法；如果无线传输媒体两端和不是MAC帧的源和目的端，MAC帧需要多于两个地址。IBSS中两个终端通信情况BSS中两个终端通信情况以太网互连多个无线局域网（BSS），AP作为互连无线局域网和以太网的网桥；由于以太网和无线局域网具有相同的编址结构（MAC地址），这种连接方式是最简单的；由于源和目的地址与某一段无线传输媒体的两端地址不同，MAC帧经过无线传输媒体时需要三个MAC地址。二、差错控制和寻址过程DS为以太网时ESS中两个终端之间通信的情况如果分配系统本身是无线传输媒体，则MAC帧通过这一段无线传输媒体时需要四个MAC地址：源和目的地址，这一段传输媒体的发送和接收端地址；无线局域网多地址结构的主要原因在于MAC帧经过每一段无线传输媒体时需要进行确认应答，因此，需要知道这一段无线传输媒体两端的地址，即发送和接收端地址。二、差错控制和寻址过程DS为无线传输媒体时ESS中两个终端之间通信的情况

同一BSS内的终端使用相同的信道，这些终端争用公共信道的过程和总线形以太网中终端争用总线过程十分相似；由于存在隐蔽站问题，发送端无法检测出所有可能发生的冲突，冲突检测改为冲突避免；由于无线电通信的不可靠性，无线传输媒体采用停止等待差错控制算法；为了提高通信效率，无线局域网采用自由竞争和信道预留两套机制。三、DCF和CSMA/CA隐蔽站问题

CSMA/CA算法的特点是争用总线，即信道持续空闲DIFS时间，认为信道空闲；通过NAV预约信道，预留时间通过MAC帧中的持续时间字段给出，预约时间内等同于信道忙；在可能存在多个终端同时争用信道的情况下，通过随机产生退避时间，使得各个终端发送数据的时间不同，以此避免冲突发生；终端发送数据的前提是持续DIFS时间＋退避时间信道一直空闲。三、DCF和CSMA/CACSMA/CA算法进入退避时间的前提是可能发生多个终端同时发送数据的问题，即冲突；如果终端第一次发送数据时检测到信道空闲且空闲持续DIFS时间，发生多个终端同时发送数据的前提是多个终端同时检测信道，概率较低，因而无须进入退避时间；如果终端第一次发送数据时检测到信道忙，在等待信道由忙转为空闲的时间内，可能有多个终端开始检测信道，因此，发生冲突的概率较大，需要进入退避时间。三、DCF和CSMA/CA终端检测信道时信道空闲和忙这两种情况

实现终端A至终端C，终端B至AP的数据传输过程三、DCF和CSMA/CADCF操作过程终端A、B开始检测信道时，信道为忙，因此，随机选择退避时间；由于终端A选择的退避时间小于终端B，终端A开始发送数据，终端B停止退避时间，等待信道再次由忙转为空闲；AP向终端A发送确认应答采用预留信道功能，预留时间包含在终端A向AP发送的MAC帧中，这段时间内，其他终端视为信道忙；AP向终端C发送数据再次和终端B争用信道。三、DCF和CSMA/CA4.3无线局域网工作过程本讲主要内容BSS配置信息；同步过程；鉴别过程；建立关联过程。一、BSS配置信息同一BSS需要配置三组参数服务集标识符（SSID）；使用的信道；如果采用共享密钥鉴别机制，还需配置密钥。AP需配置三组参数；终端只需配置SSID和密钥（如果需要的话），信道通过同步过程确定。二、同步过程同步过程终端确定和自己SSID相同，信号强度最大的AP；确定AP使用的信道；确定和AP在物理层标准、传输速率存在交集；确定AP的MAC地址（也称BSSID）。被动同步，逐个信道侦听信标帧；主动同步，逐个信道发送探测请求帧；无论主动，或是被动，都是寻找和自己SSID相同，信号强度最大的AP和信道。二、同步过程被动同步逐个信道侦听信标帧主动同步逐个信道探测三、鉴别过程鉴别过程确定终端是否授权；只有授权终端掌握密钥；鉴别过程就是判别终端是否掌握密钥的过程；假定AP拥有密钥K，AP向终端发送明文P，并用密钥加密P(EK(P))，终端用自己拥有的密钥K1加密P，Y=EK1(P)，如果K1等于K，则Y=EK(P)。鉴别过程四、建立关联过程允许建立关联的前提是完成同步过程和鉴别过程，AP具有终端接入需要的资源；一旦成功建立关联，将为终端在关联表中建立一项，其中包含终端MAC地址；以后，AP确定终端是否属于它所服务的BSS的标准就是终端MAC地址是否包含在关联表中，AP只转发源MAC地址包含在关联表中的MAC帧。建立关联过程4.4无线局域网数据传输过程本讲主要内容同一BSS内终端之间数据传输过程；不同BSS终端之间数据传输过程；MAC层漫游过程。一、同一BSS内终端之间数据传输过程终端A发送数据至终端C的前提是终端A和终端C都已经和AP建立关联；终端A和终端C通过同步过程获取AP的MAC地址。网络结构终端A发送数据给终端C之前，必须先获取终端C的MAC地址；终端A至终端C数据传输路径分为两段：终端A至AP和AP至终端C；终端A至AP，AP是接收端，AP至终端C，AP是发送端，每一段无线传输路径都需给出该段无线传输路径两端地址。一、同一BSS内终端之间数据传输过程DCF操作过程二、不同BSS终端之间数据传输过程数据ACK数据ACK网络结构终端A首先获取终端I的MAC地址终端A通过BSS1将MAC帧发送给AP1AP1确定终端A是授权终端，终端I不在BSS1AP1将MAC帧发送给以太网，以太网完成MAC帧格式转换MAC帧在以太网内广播，到达所有AP，AP3确定终端I属于BSS3，将MAC帧发送给BSS3传输路径分为三段：BSS1、以太网和BSS3；终端A通过同步过程获取AP1的MAC地址，并将MAC帧发送给AP1；AP1通过检索关联表确认源终端－终端A是授权终端，目的终端－终端I不在BSS1；以太网以目的终端MAC地址－MACI寻找AP1至AP3的交换路径，如果不存在，则广播；AP3通过检索关联表确定目的终端－终端I在BSS3。二、不同BSS终端之间数据传输过程三、MAC层漫游过程无缝漫游是指终端无须中断正在进行的会话可以从一个BSS移动到另一个BSS；MAC层漫游指两个BSS属于同一个网络，即由分配系统连接的多个BSS属于同一个网络。终端AMACA当终端A离开BSS1往BSS3移动时，从AP1指定信道接收到的信号的强度越来越弱；终端A通过主动同步过程，选择AP3，并使用AP3指定的信道，和AP3重新建立关联；终端A或是通过分离过程解除和AP1