无线局域网概述

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////华中科技大学研究生课程考试答题本考生姓名吴佳考生学号系、年级计算机学院硕2006级类别硕士考试科目移动网络与普适计算考试日期2007

评分题号得分题号得分总分:评卷人:注:1、无评卷人签名试卷无效。2、必须用钢笔或圆珠笔，使用红色。用铅笔阅卷无效。无线局域网概述外存储国家专业实验室，冯丹摘要:无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利用射频〔RF〕技术，取代旧式的双绞铜线构成局域网络，提供传统有线局域网的所有功能，网络所需的根底设施不需再埋在地下或隐藏在墙里，也能够随需移动或变化。使得无线局域网络能利用简单的存取构架让用户透过它，到达"信息随身化、便利走天下"的理想境界。WLAN是20世纪90年代计算机与无线通信技术相结合的产物，它使用无线信道来接入网络，为通信的移动化，个人化和多媒体应用提供了潜在的手段，并成为宽带接入的有效手段之一。关键词:无线局域网；WLAN；无线网络介绍在研究基于无线传输技术的网络存储之前，我们首先了解无线传输的相关概念、理论和当前开展状况及趋势，特别对802.11协议做了深入学习，希望得出无线网络和有线网络的区别到底在哪里，有什么特性是真正制约无线传输应用于网络存储的。1．无线网络整个无线网络我们可以划分为如图1所示的四个范畴：无线广域网〔WWAN〕、无线城域网〔WMAN〕、无线局域网〔WLAN〕和无线个域网〔WPAN〕。图1：无线网络划分在整个无线传输标准开展中，IEEE的802.11工作组起了主导作用，他们推出的标准目前占领了主流市场，而类似Bluetooth和红外等无线传输技术那么在一阵喧嚣之后恢复了寂静。从范畴上来看，无线网络目前只是在WLAN领域开展比拟成熟；而WPAN由于传输带宽较小应用前景不大，开展缓慢；WMAN〔WiMAX〕提出不久，还有很多问题尚未解决。所以如果要把网络存储和无线相结合，比拟理想的结合点就是WLAN的标准协议802.11〔Wi-Fi〕。目前无线传输技术开展脉络日益清晰，应该是研究网络存储可否应用于其上的最正确时机。这里有必要提一下Wi-Fi，Wi-Fi是802.11b/g子集的工业标准，802工作组只是负责制定标准，具体什么设备满足这个标准由Wi-Fi联盟负责认证。自Intel倡导Wi-Fi以来，现在已经有很多厂商，包括索尼、诺基亚、思科、微软、菲利普、摩托罗拉、惠普等大公司参加其中，Wi-Fi认证的产品也已经随处可见。2．无线局域网〔1〕所谓无线局域网，是指以无线电波作为传输媒介来代替有线局域网中的局部或全部传输媒介而构成的局域网。现有的无线局域网中，大都采用扩展频谱技术〔简称扩频技术〕，来充分利用频谱资源。〔2〕无线局域网具有以下优势：一是可移动性，它提供了不受线缆限制的应用，用户可以随时随地上网；二是容易安装、无须布线，大大节约了建网时间；三是组网灵活，可以迅速将其参加到现有网络中，并在某种环境下运行；四是本钱低，尤其是考虑到需要租用电信专线的高昂费用和烦琐复杂的布线本钱。〔3〕从网络结构上来看，无线网络如图2所示可以分为有固定根底设施的〔AP接入〕和无固定根底设施的〔Ad-hoc〕两类：图2：有固定根底设施的无线网络结构在第一种网络结构中(见图2)，无线网络至少有一个和有线网络连接的无线接入点，还包括一系列无线的终端站。这种配置成为一个BSS(BasicServiceSet根本效劳集合)。一个扩展效劳集合(ESSExtendedServiceSet)是由两个或者多个BSS构成的一个单一子网，分配系统DS的作用就是使扩展效劳集对上层透明，就像一个根本效劳集一样。由于很多无线的使用者需要访问有线网络上的设备或效劳(文件效劳器、打印机、互联网链接)，这种网络模式得到了广泛的应用。图3：无固定根底设施的无线网络结构Adhoc是拉丁语，本来的意思是“仅此目的〔forthispurposeonly〕”，并且同时还有“临时的”含义。译成中文就是“特定的”，直译adhocnetwork就是“特定网络”。由于这种网络不需要固定根底设施，因此可译为“自组网络”。需要指出的是:一是由于自组网络没有预设好的固定基站，因此它一般不和外界其他网络相连接，效劳范围通常受限制。二是由于由移动站构成的网络拓扑有可能随时间变化的很快，因此在固定网络中行之有效的路由选择协议对移动自组网已不适用，所以路由选择协议在移动自组网中备受关注。三是相比AP网络，移动自组网对多播〔信息向多个移动站传送〕依赖更大，而且这种多播要复杂的多,时效性是一大问题。四是每个移动站都有路由转发功能，虽然Ad-hoc生存性好，有特殊的应用领域，但是开销也大，大数据量传输受限。五是单跳的限制。由于自组网设备始终工作在一个信道，而802.11又采用的是“冲撞防止”机制，造成“建立关联”和“别离”次数增多。因此有如下结论：如果无线和存储结合，AP组网方式更适合存储特点。二、802.11协议及其与以太网的比拟1．802.11协议介绍作为全球公认的局域网权威，IEEE802工作组建立的标准在过去二十年内在局域网领域内独领风骚。这些协议包括了802.3Ethernet协议、802.5TokenRing协议、802.3z100BASE－T快速以太网协议。在1997年，经过了7年的工作以后，IEEE发布了802.11协议，这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。802.11协议主要工作在ISO协议的最低两层上，并在物理层上进行了一些改动，参加了高速数字传输的特性和连接的稳定性。〔1〕802.11子集：●802.11，1997年，原始标准(2Mbit/s工作在2.4GHz)。●802.11a，1999年，物理层补充(54Mbit/s工作在5GHz)。●802.11b，1999年，物理层补充(11Mbit/s工作在2.4GHz)。●802.11c，符合802.1D的媒体接入控制层(MAC)桥接(MACLayerBridging)。●802.11d，根据各国无线电规定做的调整。●802.11e，对效劳等级(QualityofService,QS)的支持。●802.11f，基站的互连性(Interoperability)。●802.11g，物理层补充(54Mbit/s工作在2.4GHz)。●802.11h，无线覆盖半径的调整，室内(indoor)和室外(outdoor)信道(5GHz频段)。●802.11i，平安和鉴权(Authentification)方面的补充。●802.11n，导入多重输入输出(MIMO)技术，根本上是802.11a的延伸版。除了上面的IEEE标准，另外有一个被称为IEEE802.11b+的技术，通过PBCC技术(PacketBinaryConvolutionalCode)在IEEE802.11b(2.4GHz频段)根底上提供22Mbit/s的数据传输速率。也有一些被称为802.11g+的技术,在IEEE802.11g的根底上提供108Mbit/s的传输速率,跟802.11b+一样,同样是非标准技术。

〔2〕802.11物理层1997年的802.11标准最初定义了三个物理层包括了两个扩散频谱技术和一个红外传播标准。三种物理层实现方法分别为：跳频扩频FHSS〔FrequencyHoppingSpreadSpectrum〕;直接序列扩频DSSS〔DirectSequenceSpreadSpectrum〕;红外线IR(InfraRed)。〔3〕802.11数据链路层如图4所示，802.11数据链路层可以通过PCF和DCF分别支持无争用的效劳和争用效劳，以提高对于时间敏感的业务效劳质量。图4：数据链路层的层次结构在数据链路层802.11有明显区别于有线传输的隐蔽点和暴露点问题。在图5的a中，当站点B对A发送数据时，假设C站想和D站通信，但是C探测到B站的信号而认为网络不空闲，因此只有放弃连接到D站。而实际上，AB间和CD间的通信是互相不影响的，这就是所谓的“暴露点”问题。在图5的b中，当站点A向站点B发送数据时，站点C检测不到AB间的信号，于是认为B空闲，当C也同时向B发送数据时就会产生碰撞，这就是所谓的“隐蔽点”问题。图5：隐蔽点和暴露点问题在以太网的数据链路层采用的是CSMA/CD〔碰撞检测〕机制，而在802.11那么采用CSMA/CA(碰撞防止)机制，因为CD机制要求一个站点在发送数据同时必须不断检测信道忙闲，这对于WLAN来说，开销太大；另外，由于“隐蔽站”和“暴露站”问题，使得即使发送端检测到信道是空闲的，接收端仍然可能发生碰撞。所以，CD机制不适合WLAN。因此，802.11采用CSMA/CA机制。图6：CSMA/CA工作原理如图6，CSMA/CA协议的工作流程是：当一个站点要发送数据时，假设检测到媒体空闲，它不是立即发送数据〔这是以太网CD机制的做法〕，而是等待一个时隙后再发送。时隙的大小依据所发送数据的性质而定，而这段媒体空闲时间就是各站点的争用期。然后如果媒体依然空闲那么将数据发送出去。接受端的工作站如果收到发送端送出的完整的数据那么回送一个ACK帧，只有当这个ACK帧被发送端收到，发送过程才算完成，否那么发送端在等待一段时间后会重传数据。2．802.11与以太网的比拟在物理层上:〔1〕802.11传输距离短，速率相对较低，传播时延大，可靠性较低；〔2〕平安保密性相对较差，容易被监听和攻击。在数据链路层上:〔1〕如前所述，以太网使用CSMA/CD机制，而802.11使用CSMA/CA机制。〔2〕由于隐蔽点问题，相比以太网，802.11引入了预约机制〔RTS/CTS〕来改变以往以太网只是无连接的工作方式，而可选择性的采用先建立连接的方式。〔3〕802.11MAC子层提供了包分片。包分片的功能允许大的数据报在传送的时候被分成较小的局部分批传送。这在网络十分拥挤或者存在干扰的情况下(大数据报在这种环境下传送非常容易遭到破坏)是一个非常有用的特性。这项技术大大减少了许多情况下数据报被重传的概率，从而提高了无线网络的整体性能。MAC子层负责将收到的被分片的大数据报进行重新组装，对于上层协议这个分片的过程是透明的。结论：虽然以太网和802.11在物理层和数据链路层上有些差异，但是两种协议都力图在各自的职责内解决这些问题，只对上层提供透明的传输效劳，而上层感觉到的只是无线传输带宽较窄和连接不稳定。但并不是说基于无线传输的网络存储就没有可研究的价值。如果我们要针对无线网络做工作，我目前想到至少有两点是可做的：一是可以采用一些机制〔可以是具体算法等〕来改良现有的传输协议，克服带宽和稳定性的影响〔下面将要介绍的WATA就是关于这个方面〕；二是编写一个协议直接在无线网络上为SCSI数据传输提供传输控制等功能。参考文献：1.WilsonYongHongWang,TowChongChong,“AnEthernetBasedDataStorageProtocolforHomeNetwork”,IEEETransactionsonConsumerElectronics,v50,n2,May,2004,p543-5512.PatrickB.,H.N.YEO,“Ethernet-basedNetworkStorage–RealityorPipeDream?”,Ne