12.WLAN系统原理ppt课件.ppt

,WLAN系统原理介绍,提纲,WLAN发展介绍WLAN网络结构WLAN协议介绍,提纲,WLAN发展介绍WLAN是什么WLAN大事记WLAN标准族WLAN网站,WLAN是什么,WPAN：无线个域网采用无线连接的个人局域网，它被用在诸如手机、计算机、PDA之间的小范围（一般是在10米以内）通讯。WPAN的技术包括蓝牙、ZigBee、红外等，其中蓝牙应用最广泛。WLAN：无线局域网一般应用于家庭、企业和热点覆盖，覆盖半径几十米到几百米，提供PC和手机高速上网。无线局域网采用Wi-Fi技术，速率可到达几十Mbps，使用方式与有线局域网一样，简单易用。WLAN：无线城域网提供城市范围的无线覆盖，用于进行城市范围内的宽带无线数据传输。无线城域网采用WiMax技术，覆盖半径几公里到几十公里，速率可达到几十Mbps。,WPAN.WLAN.WMAN,蓝牙,Wi-Fi,WiMax,WLAN是什么,WLAN：WirelessLocalAreaNetwork广义的WLAN，是指通过无线通信技术将计算机设备互联起来，构成通信网络。狭义的WLAN，是指采用IEEE802.11无线技术进行互连的通信网络。目前的WLAN一般指802.11无线网络。IEEE802.11，是国际电工电子委员会（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）下负责WLAN标准制定的工作组。Wi-Fi：WirelessFidelity是最大的WLAN工业组织Wi-Fi联盟（Wi-FiAlliance）的商标，该组织致力于对WLAN设备进行兼容性认证测试。Wi-Fi是指Wi-Fi联盟认证，通过认证的产品，可以使用Wi-Fi的LOGO。通常，Wi-Fi作为WLAN的同义词使用，尽管并非所有WLAN设备都进行Wi-Fi认证。,WLAN=,+,WLAN大事记,WLAN标准化：IEEE802.111990年，IEEE802.11标准工作组成立1997年，IEEE802.11标准发布（2Mbit/s，工作在2.4GHz）1999年，IEEE802.11a标准发布（54Mbit/s，工作在5GHz）1999年，IEEE802.11b标准发布（11Mbit/s工作在2.4GHz）2003年，IEEE802.11g标准发布（54Mbit/s，工作在2.4GHz）2007年，IEEE802.11ndraft2发布（300Mbit/s，工作在2.4GHz/5.8GHz）,WLAN大事记,WLAN产业化：Wi-FiAlliance1999年，WirelessEthernetCompatibilityAlliance(WECA)成立，后来WECA更名为Wi-FiAlliance（Wi-Fi联盟），现总部设在美国德州，成员单位超过300个。2000年，Wi-Fi联盟启动了Wi-Fi认证计划（Wi-FiCERTIFIED），对WLAN产品进行802.11兼容性认证测试。2007年，Wi-Fi联盟启动IEEE802.11ndraft2认证测试。2008年截止，累计超过4000种WLAN设备通过Wi-Fi认证（Wi-FiCERTIFIED）2008年底，累计超过10亿的Wi-Fi芯片出货量；2012年，预计Wi-Fi芯片的年出货量达到10亿,WLAN标准族,主要的IEEE802.11标准：IEEE802.11a-54Mbit/s,5GHzstandard(1999,shippingproductsin2001)IEEE802.11b-Enhancementsto802.11tosupport5.5and11Mbit/s(1999)IEEE802.11d-International(country-to-country)roamingextensions(2001)IEEE802.11e-Enhancements:QoS,includingpacketbursting(2005)IEEE802.11g-54Mbit/s,2.4GHzstandard(backwardscompatiblewithb)(2003)IEEE802.11h-SpectrumManaged802.11a(5GHz)forEuropeancompatibility(2004)IEEE802.11i-Enhancedsecurity(2004)IEEE802.11j-ExtensionsforJapan(2004),WLAN标准族,主要的IEEE802.11标准：IEEE802.11k-Radioresourcemeasurementenhancements(2008)IEEE802.11n-HigherthroughputimprovementsusingMIMO(multipleinput,multipleoutputantennas)(November2009)IEEE802.11p-WAVE-WirelessAccessfortheVehicularEnvironment(suchasambulancesandpassengercars)(working-2009?)IEEE802.11r-FastroamingWorkingTaskGroupr-(2008)IEEE802.11s-MeshNetworking,ExtendedServiceSet(ESS)(working-Jul.2010?)IEEE802.11T-WirelessPerformancePrediction(WPP)-testmethodsandmetricsRecommendation(2008)IEEE802.11y-3650-3700MHzOperationintheU.S.(2008),WLAN标准族,IEEE802.11a/b/g/n制式的比较,WLAN标准族,Wi-Fi强制认证：Wi-Fi产品无线认证：802.11a/b/g单模认证，802.11b/g双模认证，802.11a/b/g多频段（2.4G和5G）认证。本认证目前是手持设备CTIA认证的一部分。Wi-Fi无线网络安全认证：包括WPA/WPA2认证。EAP(ExtensibleAuthenticationProtocol)认证：EAP是一种网络设备身份认证的安全机制。Wi-Fi可选认证：下一代Wi-Fi认证：IEEE802.11ndraft2.0无线标准认证。Wi-FiProtectedSetup认证：快速完成安全配置的功能认证。Wi-FiMultimedia认证：无线QoS认证。WMMPowerSave认证：语音和多媒体业务时省电功能的认证测试。Wi-Fi手机认证：对Wi-Fi手机中Wi-Fi与蜂窝系统的相互影响进行认证。,Wi-Fi认证标准,WLAN网站,IEEE802.11官方网站：/11/Wi-Fi联盟官方网站：/Wi-Fi论坛：http:/www.wi-,提纲,WLAN发展介绍WLAN网络结构WLAN协议介绍,提纲,WLAN网络结构802.11802Infrastructure网络Adhoc网络Mesh网络胖/瘦APWDS,主要特征综述,IEEE802.11网络由三个基本部分组成站点：任何采用IEEE802.11MAC层和物理层协议的设备接入点：在一组站点（即基本业务区，BSS）和分布式系统之间提供接口的站点分布式系统：网络组件，通常是以太网，连接接入点和与其相关的BSS构成扩展业务区（ESS）,802.11802,IEEE802.11：包括物理层和MAC层协议,Infrastructure网络-BSS,BSS（BasicServiceSet）网络BSS是WLAN网络的基本单位，包括一个基站（AP）和若干个终端（STA），通讯必须通过AP来完成。网络标识：BSSID，使用AP的MAC地址。,Infrastructure网络-ESS,ESS（ExtendedServiceSet）网络由多个BSS组成，多个BSS的AP通过DS(DistributionSystem)网络互联，终端能在不通BSS之间漫游。网络标识：SSID，AP上统一配置的一个字符串。,Adhoc网络,IBSS（IndependentBasicServiceSet）网络若干Wi-Fi站点之间对等、临时的组网，俗称adhoc网络。站点之间地位平等，两两进行通讯。网络标识：BSSID，自动选择某个站点的MAC地址作为ID。,Mesh网络,Mesh网络是infrastructure网络和adhoc网络的结合既支持AP的功能，又能通过adhoc完成多个BSS互联和回传,Mesh网络,IEEE802.11s：ESSMeshNetworking标准进展：因技术分歧大、需求不紧迫，进展缓慢2004年7月，成立11s标准工作组2006年3月，通过第一个提案预计2010年底，通过11s标准网络组成：由MP/MAP/STA/LWMP组成，构成ESSMP：MESH点，只有MESH回传功能的站点MAP：MESH接入点，除了MP功能外，又有AP功能（能接入Wi-Fi终端）的站点STA：Wi-Fi终端LWMP：轻量MESH点，一般是移动的MESH站点（也可称作MESH终端）网络标识：用接入SSID和回传SSID分别标识接入网络和回传网络,胖AP/瘦AP,对不同组网方式下AP的通俗叫法，没有严格的定义。,胖AP（FatAP）：能够独立配置、管理和工作的AP设备。桥接型AP：仅完成Wi-Fi终端接入，以及无线与有线之间的二层桥接功能。企业中多采用这种方法，作为企业有线网络的延伸。路由型AP：完成Wi-Fi终端的接入之外，还提供DHCP、NAT路由和PPP拨号等功能，一般用在家庭或简单的热点覆盖，又叫无线路由器。瘦AP（ThinAP）：多个瘦AP与接入控制器（AC）协同提供Wi-Fi接入服务。AC一般完成集中交换、鉴权和管理，以及外部互联。FitAP：一些厂家对自己瘦AP的叫法，各厂家AP与AC的功能划分有所差异。无线交换机：早期的AC，从有线交换机演变而来，与瘦AP通过以太网连接。接入控制器（AC）：对瘦AP及其业务流进行集中管理、控制，并完成与外部网络互联的网关设备。AP与AC之间通过TCP/IP专用的隧道进行互联。大部分支持AC/AP组网的AP都具有胖瘦转换能力。,胖AP/瘦AP,胖APvs瘦AP,胖AP：成本低，部署快，适合小规模、安全要求不高的网络。瘦AP：可管理性好，安全性好，适合大规模或运营性质的网络。,成本低,安全性差,可管理性差,胖AP特性,布设简单,扩展性好,安全性高,可管理性好,可运营,瘦AP特性,网络级协调,胖AP/瘦AP,CAPWAP协议：AP与AC之间的交互协议草案，由IETFCAPWAP工作组负责（/html.charters/capwap-charter.html），标准还在制定中,WTP：WirelessTerminationPoint，无线端结点，就是指瘦AP。AC：AccessController，接入控制器。CAPWAP协议主要定义以下功能：1、发现，WTP自动发现AC的机制。2、配置，AC通过CAPWAP对WTP进行配置，WTP可以做到零配置。3、软件版本管理，AC可自动更新WTP的软件。4、集中交换，用户数据集中在AC上进行交换。5、无线资源管理，AC进行全网的无线参数优化。,AC,WTP,STA,Intranet/Internet,Wi-Fi,CAPWAP,TCP/IP,WDS,WDS(WirelessDistributionSystem)：802.11中定义了DS，用于将多个AP互联的有线网络。WDS则是无线DS，通过无线方式将多个AP互联起来。WDS数据帧采用4地址格式，包括接收地址、发送地址、目的地址、源地址（RA/TA/DA/SA）。,WDS优点：部网快速、灵活，成本低。没有有线网络情况下，使用WDS快速部网将已有的有线DS互联的网线网络，通过WDS进行延伸覆盖WDS缺点：1）安全性差，只能使用WEP；2）性能差，接入和DS共享信道,WDS,AP工作模式：除了标准的功能外，很多AP支持其他工作模式，包括Client、ClientBridge、WDS、Repeater和RepeaterBridge模式。,Client模式：Client作为STA连接AP，用户通过有线连接Client，Client进行NAT转发。,Client模式：Client作为STA连接AP，用户通过有线连接Client，Client进行二层的桥接。,WDS,AP工作模式：除了标准的功能外，很多AP支持其他工作模式，包括Client、ClientBridge、WDS、Repeater和RepeaterBridge模式。,WDS模式：WDSAP同时支持STA接入和WDS互联。业务由WDSAP进行桥接转发。,WDS,AP工作模式：除了标准的功能外，很多AP支持其他工作模式，包括Client、ClientBridge、WDS、Repeater和RepeaterBridge模式。,Repeater模式：Repeater作为STA连接AP，同时作为AP允许STA接入。业务由Repeater进行NAT转发。,RepeaterBridge模式：Repeater作为STA连接AP，同时作为AP允许STA接入。业务由Repeater进行二层桥接转发。,提纲,WLAN发展介绍WLAN网络结构WLAN协议介绍,提纲,WLAN协议介绍协议框架PHY层PHY层管理MAC层MAC层管理,协议框架,802.11协议定义了物理层和数据链路层的MAC子层。,物理层：802.11定义了6种物理层，每一种都有各自的PMD、PLCP和PLME协议，其中最重要的有HR/DSSS（802.11b）、ERP（802.11g）和OFDM（802.11a）。MAC（MediumAccessControl）：媒介接入控制层，提供标准的MAC服务。层管理（LayerManagementEntity）：提供物理层和MAC层的层管理服务接口。,PMD子层,PLCP子层,MAC子层,层管理,物理层,LLC,数据链路层,PHY层,802.11b物理层：HR/DSSS。,频段：2.4GISM频段，频宽为22MHz。编码调制：采用DSSS-CCK调制编码。速率：1Mbps、2Mbps、5.5Mbps、11Mbps。,PHY层,802.11g物理层：ERP。,频段：2.4GISM频段，频宽为20/10/5MHz。编码调制：支持5种方式，其中ERP-DSSS用于1Mbps和2Mbps，ERP-CCK用于5.5Mbps和11Mbps，ERP-OFDM用于6/9/12/18/24/48/54Mbps速率。前向兼容：兼容802.11b。,PHY层,802.11a物理层：OFDM。,频段：5.8G频段，频宽为20/10/5MHz。编码调制：OFDM，调制方式有BPSK/QPSK/16-QAM/64-QAM。支持速率：6/9/12/18/24/48/54Mbps。,PHY层,2.4GHz信道,PHY层,5.8GHz信道,PHY层管理,物理层的层管理：主要获取和设置物理层的参数,物理层操作参数：包括物理层类型、支持的规则区域列表、当前规则区域。天线参数：发送天线选择、接收天线选择、接收分集。发射功率参数：各功率等级、当前发射功率等级。信道：当前工作信道。速率：支持的接收速率表、支持的发送速率表。调制方法：支持的调制方法。,MAC层,MAC层功能：使用物理层的服务为上层提供类似以太网的MAC功能，并针对无线的特点进行了修改。,支持数据加密：因为无线环境比有线环境更容易被偷听和攻击。支持MAC层的确认：因为无线链路可靠性远远低于以太网，MAC层重传比上层重传效率高。CSMA/CA：无线网络无法使用CSMA/CD，因为无法同时收发，且无线媒介的冲突检测很容易遗漏。冲突退避机制通过随机的退避窗口可将冲突概率将到最低。QoS：支持类似802.1D的QoS机制，8个用户优先级。排序功能：因为存在重传和优先级队列，需要接收端进行排序来保证MAC层的按序传递特性。管理和控制：增加了大量的MAC层管理和控制功能。,AP,MAC层,MAC帧：MAC帧（MPDU）包括数据帧、控制帧和管理帧。,数据帧：为上层协议收发的MAC帧。图中黑色所示。控制帧：MAC层之间为了控制功能收发的帧。图中蓝色所示。管理帧：MAC层管理实体之间交换的帧。图中红色所示。,PHY,MAC层管理（MLME）,MAC,PHY层管理（PLME）,UpperLayer,STA,UpperLayer,MAC层管理（MLME）,PHY层管理（PLME）,PHY,MAC,MAC层,MAC数据帧,分QoS帧和非QoS帧，QoS帧中包括QoSControl字段。地址格式包括3地址格式和4地址格式。,MAC层,MAC控制帧：因为控制帧是两个STA之间的协议交互帧，所以均为1地址格式和2地址格式，其中广播性质的控制帧为1地址格式。,MAC层,MAC管理帧：用于完成鉴权和关联操作，都是3地址格式。,MAC层,DCF/PCF/HCF,DCF：基本的媒介协调控制功能，即CSMA/CA。PCF：可选功能，只适合于AP架构。由AP担当裁决，将媒介slot进行分配。HCF(混合式协调功能)：支持EDCA(EnhancedDistributedChannelAccess,802.11e)和HCCA(HCFcontrolledchannelaccess)，分别用于基于竞争的媒介分配和收控的媒介分配。,MAC层,DCF（DistributedCoordinationFunction）：即CSMA/CA，其核心是“先听后说”和“随机退避”机制。,媒介空闲：PHY层检测到媒介持续DIFS没有使用，则认为媒介进入空闲状态。随机退避：检测到媒介处于空闲状态，如果需要竞争媒介，则在竞争窗口CW内随机选择一个退避时间（n个slot单位）。竞争成功：只有媒介空闲时退避计数才递减，递减到0时即获得媒介访问权。,MAC层,DCF中的随机回退示例,MAC层,DCF在MAC重传时，竞争窗口CW随重传次数指数递增，竞争优先级降低。以保证高负荷情况下性能稳定性。,MAC层,DCF中的RTS(发送请求)/CTS（清除发送）：一种媒介预留的机制，该机制可以代替PHY层完成载波侦听（CS），并让各STA生成NAV（网络分配表）。,RTS/CTS：可通过RTS和CTS控制帧来进行媒介预留，也可以通过在数据帧中携带duration信息的方式来预留。RTS/CTS门限：因为发送较短数据帧时使用RTS/CTS机制，会严重影响效率，只有当数据帧长度大于该门限时，才使用RTS/CTS机制来发送。隐藏站（HiddenSTA）：当存在隐藏站时（终端能听到AP，但某些终端之间互相听不见），发生碰撞的概率大大提高，这会严重影响系统性能。使用RTS/CTS机制能解决隐藏站的问题。多播和广播帧的发送不能使用RTS/CTS机制。CTS-to-self：主要用于b/g混合模式下，AP/STA如果采用OFDM调制来发送MAC帧时。因为11b的终端不能对OFDM调制进行CS，AP/STA需要发送CTS-to-self来通知11b的终端媒介忙。NAV(NetworkAllocationVector)：各个STA维护的一个时间段，该时间段内无线媒介不允许本STA使用，即使PHY检测到了媒介空