无线网络第四次课件

课程复习,1,天线：天线的基本参数、类型、辐射模式、增益 无线传播方式：地波、天波、直线传播 直线传输系统中的损伤：衰减、自由空间损耗、噪声、大气吸收、多径、折射等,人耳听到的声音的频率与声源的频率相同吗？,接收频率单位时间内观测者接收到的振动次数或完整波数.,只有波源与观察者相对静止时才相等.,多普勒效应,一 波源不动，观察者相对介质以速度 运动,观察者接收的频率,观察者向波源运动,观察者远离波源,二 观察者不动，波源相对介质以速度 运动,波源向观察者运动,观察者接收的频率,波源远离观察者,三 波源与观察者同时相对介质运动,若波源与观察者不沿二者连线运动,例2 利用多普勒效应监测车速，固定波源发出频率为 的超声波，当汽车向波源行驶时，与波源安装在一起的接收器接收到从汽车反射回来的波的频率为 . 已知空气中的声速为 ， 求车速 .,解 1）车为接收器,2）车为波源,车速,小结,无线传输媒体：无线传输的构造类型、地面微波、卫星微波、广播无线电波、红外线和光波等。 天线：天线的基本参数、类型、辐射模式、增益 无线传播方式：地波、天波、直线传播 直线传输系统中的损伤：衰减、自由空间损耗、噪声、大气吸收、多径、折射等 多普勒效应,10,第3章 无线局域网,中国矿业大学 计算机学院,11,第3章 无线局域网,3.1 概述 3.2 无线局域网的体系结构与协议 3.3 IEEE802.11媒体访问控制层 3.4 其他IEEE802.11标准 3.5 Wi-Fi保护接入,12,3.1 概述,3.1.1 无线局域网的覆盖范围 3.1.2 无线局域网的相关设备 3.1.3 无线局域网的发展历程与相关标准化活动 3.1.4 无线局域网的分类与应用,13,无线局域网的覆盖范围,无线局域网是在局部区域内以无线媒体或介质进行通信的无线网络。 局部区域就是距离受限的区域，是相对广域而言。两者的区别主要在于数据传输的范围不同(但覆盖范围界限的区别并不十分明显)，而引起网络设计和实现方面的一些区别。 介于广域网WAN和局域网LAN之间还有一种局部网络，称为城域网(MAN) 。 比局域网覆盖范围更小的局部网络称为个(人区)域网。 广义的无线局域网还包含无线城域网(WMAN)和无线个域网(WPAN)。 无线网络也可以粗略分为无线广域网和无线局域网两种。,笔记本网卡,USB网卡,PCI无线网卡,为终端提供无线上网能力,14,WLAN设备无线接入点,15,WLAN设备,STA：带有无线网卡的 PC等无线终端 AP：无线接入点，提供无线终端到LAN的接入功能 AC：无线控制器，对WLAN中的 FIT AP及STA进行控制和管理。 无线网桥：将两个网络通过无线接口桥接起来。,16,设备的典型组网模式,17,18,3.1.3 无线局域网的发展历程与相关标准化活动,无线局域网的发展经历了四代: (1)第一代无线局域网：1985年，FCC颁布的电波法规为无线局域网的发展扫清了道路。 (2)第二代无线局域网：基于IEEE 802.11标准的无线局域网 (3)第三、四代无线局域网：符合IEEE 802.11b标准的产品已经较为普及，归为第三代无线局域网产品；而将符合IEEE 802.11a和IEEE 802.11g标准的产品称为第四代无线局域网产品。,19,IEEE802.11下的任务组,20,3.1.4 无线局域网的分类与应用,无线局域网可根据不同的层次、不同的业务、不同的技术和不同的标准以及不同的应用等进行分类。 根据不同的频段分类 专用频段：需要执照 自由频段：不需要执照 红外线 2.4GHz 5GHz 根据采用的传输技术可以细分，如图3-1所示。,21,无线局域网的分类方法1按频段分类,专用频段,自由频段,图3-1,22,3.1.4 无线局域网的分类与应用,根据网络拓扑和应用要求分类 Peer to Peer（对等式） Infrastructure（基础结构式） 中继式,23,3.1.4 无线局域网的分类与应用,无线局域网的应用 室外应用 园区网：如校园网、社区网等 较远距离的无线网络连接：无线网桥、无线路由器 更远距离的网络中继 室内应用 家庭或小型办公室应用 大型办公室、企事业单位 工业（如车间）或商业（如商场、仓库等） 临时组网或难以布线的场所 如灾难恢复、临时商用系统和大型会议、军事临时组网等,24,无线局域网的应用,难以使用传统布线的场所：风景名胜区、古建筑等。 采用无线网络成本较低的区域：相距较远的建筑物、有强电设备的区域、公共通信网不发达的地区。 临时性网络：展览会场、大型体育场馆、救灾现场等。 人员流动性大的场合：机场、仓库、超市、餐厅等。,25,WLAN的部分应用领域,矿山采掘 运输物流 医疗卫生 制造业 零售业 金融服务业 饮食旅游业 比赛场馆 移动办公环境,26,26,无线局域网应用于公众图书馆,中国国家图书馆为改善服务环境，提升办公效率，国家图书馆二期工程暨中国国家数字图书馆建设的工程中，对文津街古籍馆、一期老馆和二期新馆所有阅览室、读者服务区、公共区域、办公区域、以及部分室外广场区域进行WLAN信号覆盖的目标。,27,27,国家图书馆的外观,28,28,国家图书馆WLAN拓扑,29,无线局域网应用于矿山采掘,应用需求包括： 可靠的WLAN连接，从地下矿井到地上控制中心实时覆盖所有采矿操作； 合适的频段操作，避免信号干扰； 较大的数据传输范围，信息能直接传输到地上控制室； 较高速率的视频数据传输率，便于清晰的视频监控； 为复杂的地下矿井条件设计。,30,地下采矿WLAN监控系统,跟踪整个采矿区域中的矿工和移动设备，传感器监视有毒气体、湿度、崩石等不同环境条件 无线连接工作站与AP，AP间与地面控制室也通过无线连接，可铺设有线线缆(双绞线)备份。区域中各种设备，如挖矿车、装载机等以及部署的监测节点等，通过WLAN连接AP。实际部署中需考虑节点功耗，尤其应急和救援操作中更显重要。可使用充电电池，及时更换。 无线自组织网络也能用于地下采矿环境。900M Hz频率的IEEE802.15.4系统，直线隧道中覆盖范围可达550m。隧道拐角处为非视距传输，需放置中继器。WSN也可用于矿井内部无线定位。,31,地下采矿WLAN监控系统结构,32,3.2 无线局域网的体系结构,3.2.1 无线局域网的组成结构 无线局域网的物理组成如图3-3所示。,33,1.站(STA，Station),站(点)也称主机(Host)或终端(Terminal)，是无线局域网的最基本组成单元，包括以下几部分： (1)终端用户设备 终端用户设备是站与用户的交互设备，可以是台式计算机、便携式计算机和掌上计算机等，也可以是其他智能终端设备，如PDA等。 (2)无线网络接口 负责处理从终端用户设备到无线介质间的数字通信，一般采用调制技术和通信协议的无线网络适配器（无线网卡）或调制解制器（modem）。 (3)网络软件 网络操作系统、网络通信协议。,34,无线局域网中关于站的相关概念,站之间可直接相互通信，也可通过基站或接入点进行通信。 站之间的通信距离受天线的辐射能力和应用环境限制。 服务区域(service area, SA)：无线局域网所能覆盖的区域 基本服务区域(basic service area, BSA)：由无线局域网中移动站的无线收发信机及地理环境所确定的通信覆盖区域（服务区域），又称小区(cell)，它是构成无线局域网的最小单元。一般距离不超过100m。 基本业务组(basic service set, BSS)：在一个BSA内彼此相互联系、相互通信的一组主机。,35,2无线介质,无线介质是无线局域网中站与站之间、站与接入点之间通信的传输介质。 空气是无线电波和红外线传播的良好介质。 无线局域网中的无线介质由无线局域网物理层标准定义。,36,3无线接入点,无线接入点类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成单元。它是一种特殊的站，通常处于BSA的中心，固定不动。 无线接入点是具有无线网络接口的网络设备，其至少应包括： 与分布式系统的接口（至少一个） 无线网络接口（至少一个）和相关软件 桥接软件、接入控制软件、管理软件等AP软件和网络软件 无线接入点也可以作为普通站使用，称为AP Client,37,3无线接入点基本功能,无线接入点的基本功能 (1)作为接入点，完成其他非AP的站对分布式系统的接入访问和同一BSS中的不同站间的通信联结。 (2)作为无线网络和分布式系统的桥接点完成无线局域网与分布式系统间的桥接功能。 (3)作为BSS的控制中心完成对其他非AP的站的控制和管理。,38,4分布式系统DS,一个BSA(基本服务区)所能覆盖的区域受到环境和主机收发信机特性的限制。 为了覆盖更大的区域，把多个BSA通过分布式系统连接起来，形成一个扩展业务区(extended service area, ESA) ，通过DS互相连接起来的属于同一个ESA的所有主机组成一个扩展业务组(extended service set, ESS)。 分布式系统是用来连接不同BSA的通信信道，称为分布式系统信道(distribution system medium, DSM)。,39,4分布式系统DS,DSM连接：有线信道或频段多变的无线信道。 一般：有线DS系统与骨干网都采用有线局域网 无线分布式系统(wireless distribution system, WDS) 可通过AP间的无线通信（无线网桥）实现不同BSS的连接。,图3-4,典型无线局域网体系结构,AP1,AP2,40,一个基本服务集 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。,AP1,AP2,41,基本服务集内的基站叫做接入点 AP (Access Point),AP1,AP2,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。,42,AP1,AP2,一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 (Distribution System)， 然后再接入到另一个基本服务组，构成 扩展的服务组ESS (Extended Service Set)。,43,AP1,AP2,ESS 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（例如，到有线连接 的因特网）的接入。门户的作用就相当于一个网桥。,44,AP1,AP2,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。,45,46,3.2.2 无线局域网的拓扑结构,拓扑结构分类 分布对等式拓扑 基础结构集中式拓扑 扩展网络拓扑 桥接网络拓扑,47,1分布对等式拓扑（1）,分布对等式网络是一种独立的(Independent) BSS(IBSS)，它至少有两个站。 它是一种典型的、以自发方式构成的单区网。 在可以直接通信的范围内，IBSS中任意站之间可直接通信而无须AP转接，如图3-6所示。 不需AP，因此，各站之间的关系是对等的(peer to peer)、分布式的或无中心的。 IBSS网络不需要预先计划，随时需要随时构建，因此，该工作模式被称作特别网络或自组织网络(Ad Hoc Network) 。 这种拓扑结构，各站竞争公用信道，当站点数过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害。,48,1分布对等式拓扑（2）,注意 IBSS不能接入DS,图3-6,49,1分布对等式拓扑（3）,50,2基础结构集中式拓扑（1）,在WLAN中，基础结构包括： 分布式系统媒体(DSM) AP（至少有一个），它是BSS的中心控制站，网中的站在该中心站的控制下与其他站进行通信。 端口实体：零个或多个 抗毁性较差，AP是它的弱点，而且，AP的复杂度较大，实现成本也比较高。 传输时延增加：一个站与同一BSS内的另一站通信，必须经过源站到AP和AP到目的站两跳（由AP转接）。,51,2基础结构集中式拓扑（2）,基础结构BSS的优势（与IBSS相比）： 基础结构BSS的覆盖范围或通信距离由AP确定 由于各站不需要保持邻居关系，其路由的复杂性和物理层的实现复杂度较低 AP作为中心站，控制所有站点对网络的访问，当网络业务量增大时网络的吞吐性能和时延性能的恶化并不剧烈 可控性好：AP可以很方便对BSS内的站点进行同步管理、移动管理和节能管理等 为接入DS或骨干网提供了一个逻辑接入点，并有较大的可伸缩性,52,2基础结构集中式拓扑（3）,图3-7,只包含一个AP的单区基础结构网络如图3-7所示。,53,54,3ESS（扩展业务组）网络拓扑 （1）,ESA：是由多个BSA通过DS联结形成的一个扩展区域，其范围可覆盖数公里。 ESS：由属于同一个ESA的所有站组成。 ESS是由多个BSS组成的多区网，其中每个BSS都被分配了一个标识号BSSID(BSS identifier)。 如果一个网络由多个ESS组成，则每个ESS也被分配一个标识号ESSID，所有的ESSID组成一个网络标识NID (network ID)子网。 ESS无线局域网的拓扑结构如图3-8所示。,55,3ESS（扩展业务组）网络拓扑（2）,图3-8,56,4中继或桥接型网络拓扑,两个或多个网络(LAN或WLAN)或网段通过无线中继器、无线网桥或无线路由器等无线网络互连设备连接起来。 单跳或多跳 采用中继或桥接型网络拓扑是一种拓展WLAN覆盖范围的有效方法。,3.2.3 802.11 局域网的物理层,几种常用的 802.11 无线局域网,57,3.2.4 802.11 局域网的 MAC 层协议 1. CSMA/CA 协议,无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协 议。这里主要有两个原因。,58,无线局域网的特殊问题,当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的， 因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。,这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题 叫做隐蔽站问题(hidden station problem),A 的作用范围,C 的作用范围,A,B,C,D,59,无线局域网的特殊问题,B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。 C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。,其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据 这就是暴露站问题(exposed station problem),A,D,C,B,？,B 的作用范围,C 的作用范围,60,CSMA/CA 协议,无线局域网不能使用 CSMA/CD，而只能使用改进的 CSMA 协议。 改进的办法是把 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。 802.11 就使用 CSMA/CA 协议。,61,CSMA/CA 协议的原理,欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层进行载波监听。 通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。 当源站发送它的第一个 MAC 帧时，若检测到信道空闲，则在等待一段时间 后就可发送。,62,为什么信道空闲还要再等待,这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。 如有，就要让高优先级帧先发送。,63,假定没有高优先级帧要发送,源站发送了自己的数据帧。 目的站若正确收到此帧，则经过时间间隔 后，向源站发送确认帧 ACK。 若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK（由重传计时器控制这段时间），就必须重传此帧，直到收到确认为止，或者经过若干次的重传失败后放弃发送。,64,2. 对信道进行预约,802.11 允许